專利名稱:具有雙換向器條組及可選串聯(lián)并聯(lián)連接線圈的直流電動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及直流電動機(jī)，更具體地說，涉及一種直流電動機(jī)，其具有包 括一對換向器條組的電樞和其上具有兩組繞組的電樞疊片組，以及用于使得 所述兩組繞組可控制的串聯(lián)連接或者并聯(lián)連接以為該電動機(jī)提供若干不同 操作模式的切換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
永磁體直流電動機(jī)在很多場合廣泛使用，特別是與電動工具，例如鉆、 鋸、沙磨機(jī)等等一起使用。這些電動機(jī)與由可充電直流電源供電的無纜電動 工具一起使用。利用無纜電動工具時，經(jīng)常需要完成多種需要不同電動機(jī)性 能特征的任務(wù)以最好地完成工作任務(wù)。例如，當(dāng)在一片軟木上用無纜式鉆鉆 孔時，所需要的扭矩，以及因此的電動機(jī)所需的功率輸出可能僅僅是鉆穿硬 木或者經(jīng)壓力處理的木材所需的一小部分。然而，從功率觀點，如果經(jīng)常使 用同一個鉆用于僅僅需要輕負(fù)載鉆削的任務(wù)，這時對于該工作任務(wù)僅僅需要 較低的扭矩，對于高功率場合設(shè)計電動機(jī)是效率不高的。
在永^茲直流電動^/L中，所述電動^L的運行特性可以通過改變導(dǎo)線尺寸和 每個線圈纏繞到電樞疊片組的繞組匝數(shù)而顯著改變。對于永磁體直流的給定 電動機(jī)，加倍構(gòu)成每個線圏的繞組的匝數(shù)將把所述電動機(jī)的空載速度大約減 'J、一半，并且該電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩顯著增大。實際堵轉(zhuǎn)扭矩將受到電源阻抗的 很大影響。例如，典型的電池/電動工具組合可能導(dǎo)致電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩增大 50%。另外，電動機(jī)效率將增大，但是同時電動機(jī)的最大輸出功率將減小。 因此，僅僅加倍線圏繞組的匝數(shù)，同時提供顯著增大的堵轉(zhuǎn)扭矩并在低功率 時提供更高的效率，將以一種方式改變所述電動機(jī)的運行特性，即使得該電 動機(jī)更不適合于需要更大輸出功率的工作任務(wù)。然而，設(shè)計一種永磁體電動 機(jī)以提供更高的恒定功率輸出將導(dǎo)致所述電動機(jī)汲取另外的電池電流，這對 于很多鉆削任務(wù)來說(比如，輕負(fù)載鉆削任務(wù))來說并不需要。對于特定的電動機(jī)，與可以用于更低的最大功率輸出而設(shè)計的電動機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的相比， 這將減小為工具供電的電池運行時間。
因此，本實用新型的目的就是提供一種具有提供變化的速度、扭矩、以 及功率輸出等級的多種明顯不同運行模式的直流電動機(jī)，以便更好的與特定 的工作任務(wù)相匹配。例如，如果電動機(jī)和相關(guān)的控制系統(tǒng)設(shè)置為可以自動檢 測執(zhí)行特定任務(wù)需要額外的電動機(jī)功率的時刻，并且所述電動機(jī)自動從特定 運行;漠式轉(zhuǎn)換到增大或者減小扭矩和/或運行速度將是很有利的。或者，電動 機(jī)的不同運行模式可以由使用者通過電動工具上的控制機(jī)構(gòu)選擇是理想的。 這將使得使用者可以控制不同的可選運行模式的執(zhí)行?？紤]將執(zhí)行的工作任 務(wù)，對于給定工作任務(wù)最優(yōu)化所述電動機(jī)性能也將有助于最高效的使用可用 的電池電源。對于特定直流電動^L，在特定的電量，這反過來可以用于顯著
延長電';也的運^亍時間。
實用新型內(nèi)容

為了實現(xiàn)本實用新型的目的，提供了一種電動機(jī)，特別是很好地適合于 與多種電動工具一起使用的電動機(jī)，但是不限于涉及電動工具應(yīng)用的場合。 在一個實施例中，所述電動機(jī)包括具有定子和支撐以在定子中旋轉(zhuǎn)運動的電 樞的直流電動機(jī)。所述電樞包括疊片組，和同軸延伸穿過所述疊片組的電樞 軸。所述電樞軸包括兩組支撐在該電樞軸上的換向器條，兩組纏繞在所述疊 片組上的線圈繞組，以及兩對電刷。第一對電刷與換向器條組中的一個相關(guān) 聯(lián)而第二對電刷與所述換向器條組的第二個相關(guān)聯(lián)。切換系統(tǒng)將兩對電刷互 相連接以使得兩個線圈連接以形成串聯(lián)電路或者并聯(lián)電路。當(dāng)以串聯(lián)配置連 接時，所述電動機(jī)的空載運行速度基本是兩個線圏組并聯(lián)連接時的空載運行 速度的一半，并且堵轉(zhuǎn)扭矩顯著增大而在低功率輸出時效率更高。當(dāng)所述兩 個線圈組并聯(lián)配置連接時，所述電動機(jī)提供比串聯(lián)配置更大的最大功率輸 出，并且空載速度為串聯(lián)配置時的大約兩倍。然而，當(dāng)所述線圈組被布置為 并聯(lián)配置時，所述電動機(jī)的效率更低。
因此，控制兩組電樞線圈在串聯(lián)和并聯(lián)配置之間連接為電動機(jī)提供了具 有不同運行特性的兩個不同運行模式。這使得可以實現(xiàn)"最大功率，，模式， 這里所述電動機(jī)被配置為其兩個線圈組為并聯(lián)。這對于需要電動機(jī)更大功率
5輸出的任務(wù)，為電動機(jī)提供了更高的空載速度和最大功率輸出。如果所述電 動機(jī)被用在鉆中，這樣重載任務(wù)可能涉及驅(qū)動螺絲進(jìn)入硬木中或者鉆入潮濕 的壓力處理過的木材中。對于輕載任務(wù)，通過使用線圏的串聯(lián)配置，同一個 鉆的使用可以最優(yōu)化，所述串聯(lián)配置提供了較小功率輸出時更高的電動機(jī)效 率，使得所述電動機(jī)更適合于輕載鉆削任務(wù)。這樣的輕載任務(wù)可能包括鉆孔 或者在例如松木的軟木中驅(qū)動螺絲。
在一個實施例中，控制器與電動機(jī)速度檢測器和電動機(jī)電流檢測器一起 使用以自動在串聯(lián)和并聯(lián)配置之間切換線圈組。所述控制器在串聯(lián)和并聯(lián)繞 組配置之間選擇以配置所述電動機(jī)以便將電動機(jī)的運行參數(shù)與當(dāng)前工作任 務(wù)最好的匹配。在另一個實施例中，電動工具包括使用者用來選擇最大功率
模式或者最大效率模式的控制機(jī)構(gòu)。在另一個實施例中，可選的LED顯示
器通知使用者電動工具運行在哪個模式。
本實用新型可應(yīng)用的其他領(lǐng)域?qū)⒏鶕?jù)此后提供的詳細(xì)描述而變得明顯。 應(yīng)當(dāng)理解，所述詳細(xì)描述和特定的例子，雖然表示了本實用新型不同的優(yōu)選 實施例，僅僅是用于說明的目的，并不是為了限制本實用新型的范圍。


根據(jù)下面的詳細(xì)描述和附圖，本實用新型將能被更充分的理解，其中 圖1是示例性電動工具的側(cè)視圖，在這個示例中，具有根據(jù)本實用新型 的優(yōu)選實施例的永磁體直流電動機(jī)的無纜鉆在短劃線中表示； 圖2是圖1的電動工具的內(nèi)部組件的簡化的示意性框圖； 圖3A和3B示出了圖2的電動機(jī)的電樞的簡化的框圖，其還示出了兩 組換向器條、兩組線圈、兩對換向器條、用于選擇性的將所述兩個線圏組以 串聯(lián)或者并聯(lián)配置的電開關(guān)，以及用于檢測所述電動機(jī)經(jīng)歷的運行狀態(tài)并在 串聯(lián)(圖3A)和并聯(lián)(圖3B)連接之間選擇的各種其他組件；
圖4是簡化的電路原理圖，其示出了當(dāng)所述線圏組串聯(lián)連接時兩個線圈 組的連4姿；以及
圖5示出了圖4中的兩個線圈組的并聯(lián)配置；
圖6示出了兩個性能曲線， 一個示出了當(dāng)電動機(jī)電樞線圈串聯(lián)連接時該 電動機(jī)的速度/扭矩關(guān)系，另 一個示出了當(dāng)其電樞線圈并聯(lián)連接時的速度/扭矩關(guān)系；
圖7示出了兩個性能曲線， 一個示出了當(dāng)電動機(jī)電樞線圈串聯(lián)連接時該 電動機(jī)的效率/功率關(guān)系，另一個示出了當(dāng)其電樞線圈并聯(lián)連接時的效率/功 率關(guān)系；
圖8示出了兩個性能曲線， 一個示出了當(dāng)電動機(jī)電樞線圈串聯(lián)連接時該 電動機(jī)的功率/扭矩關(guān)系，另一個示出了當(dāng)其電樞線圈并聯(lián)連接時的功率/扭 矩關(guān)系；
圖9示出了兩個性能曲線， 一個示出了當(dāng)電動機(jī)電樞線圏串聯(lián)連接時該 電動機(jī)的電流/扭矩關(guān)系，另一個示出了當(dāng)其電樞線圈并聯(lián)連接時的電流/扭 矩關(guān)系；
圖10是示出了電動機(jī)每個串聯(lián)和并聯(lián)連接線圏組所汲取的電流和功率 之間的關(guān)系的曲線圖；
圖11是示出了電動機(jī)效率與輕、中、重鉆削場合的電動機(jī)可用扭矩輸 出的關(guān)系的曲線圖；
圖12是示出了電動機(jī)速度與輕、中、重鉆削場合的電動機(jī)扭矩的關(guān)系 的曲線圖；
圖13是示出了可以實際上瞬時改變電動機(jī)性能特征的線圈組連接的曲 線圖；
圖14是一個曲線圖，其示出了表示串聯(lián)和并聯(lián)線圈連接的一對速度/扭 矩性能曲線，并進(jìn)一步示出了使用串聯(lián)和并聯(lián)連接線圏的電動機(jī)的最大功率 范圍，最大扭矩范圍和最大效率范圍；
圖15是一個曲線圖，其示出了三個電動機(jī)性能曲線以顯示速度控制的 使用如何被實現(xiàn)以產(chǎn)生速度/扭矩性能曲線的，該曲線是對由并聯(lián)和串聯(lián)連接 的線圏產(chǎn)生的曲線的改進(jìn)；
圖16-21示出了電動機(jī)和齒輪減速單元以及如何利用串聯(lián)或并聯(lián)線圈結(jié) 合用所述齒輪減速單元不同的內(nèi)部級獲得若干不同的輸出的簡化示意圖；
圖22電動機(jī)的常規(guī)速度/扭矩曲線和典型的齒輪箱的速度/扭矩性能曲 線，其示出了需要設(shè)計到所述齒輪箱中的典型速度/扭矩"上裕量"；
圖23是一個曲線圖，其示出了此處所描述的新型電動機(jī)的速度/扭矩性 能如何由該電動機(jī)系統(tǒng)的控制器控制，以便基本匹配而不超過齒輪減速單元的速度-扭矩能力；
圖24是一個曲線圖，其示出了該新型電動機(jī)的速度/扭矩性能如何由該 電動機(jī)系統(tǒng)的控制器控制，以便基本匹配，并周期地在短時間段超過齒輪減 速單元的速度-扭矩性能能力；以及
圖25-28是圖1的電動工具的頂視圖，其示出了選擇器開關(guān)和用于顯示 工具運4亍;漠式和電池充電水平的顯示系統(tǒng)。
具體實施方式
下面多個優(yōu)選實施例的描述本質(zhì)上僅僅為了示例而決不是為了限制本 實用新型，其應(yīng)用場合，或使用。
參照圖1，其示出了根據(jù)本實用新型一個優(yōu)選實施例的包括電動機(jī)系統(tǒng) 10的、鉆12形式的電動工具?？梢灾苯永斫?，當(dāng)電動工具被以手持鉆12 示出時，所述電動機(jī)系統(tǒng)10可以以多種其他電動工具，例如鋸、沙磨機(jī)、 刳刨機(jī)、鉆床以及幾乎任何其他形式的直流供電的工具或設(shè)備實現(xiàn)。然而， 所述電動機(jī)系統(tǒng)IO預(yù)期在手動無纜電動工具中特別有用。
進(jìn)一步參照圖i，所述示例性鉆12典型地包括連接到齒輪減速單元16 的輸出端的卡盤14。所述齒4侖減速單元16的輸入端連接到電動才幾10a的輸 出軸。扳機(jī)20用于打開和關(guān)閉所述電動機(jī)10a并且可能也被用于根據(jù)該扳 機(jī)的接合程度控制所述電動機(jī)的速度?？沙潆婋姵?2被可拆卸的固定在， 或者可拆卸的連接到鉆12的外殼26的把手部分24中?？刂破?8也設(shè)置在 所述把手部分24中，但是也可以位于鉆12中的其他位置。所述控制器28 與扳機(jī)20和電動機(jī)10a通信。所述控制器28被用于控制電動機(jī)10a并馬上 將^^皮詳細(xì)描述。
使用者可接合的選擇器開關(guān)30也與所述控制器28通信。該選擇器開關(guān) 30也可以是線性滑動開關(guān)、多位置旋轉(zhuǎn)開關(guān)、或者甚至是多個按鈕開關(guān)。所 述選擇器開關(guān)30允許使用者從電動機(jī)10a的若干操作模式中選擇一個，以 使得將所述電動機(jī)10a的運行特性變得更好處理特定的任務(wù)。例如，如將在 下面的段落中將詳細(xì)描述的那樣，如果工作任務(wù)涉及將螺栓旋入軟木，使用 者可以用選擇器開關(guān)30選擇高速、低功率輸出。如果工作任務(wù)涉及鉆入硬木、鉆入潮濕的壓力處理的木材、或者鉆入其它需要更大電動機(jī)功率的材料，
使用者可以為電動機(jī)10a選擇高工率輸出模式?？梢约尤腼@示器32以顯示 電動機(jī)10a的各種運行模式。顯示器32可以包括LCD、 LED或者其它具有 低功率吸取的顯示裝置的任何適合形式。
參照圖2,其示出了鉆12的內(nèi)部組件的高度簡化的框圖。使用常規(guī)電壓 調(diào)節(jié)器34以為控制器28和所述鉆12中使用的其它電子組件提供調(diào)節(jié)的直 流電壓。所述控制器28可以是8位、16位或者更大能力的控制器，例如數(shù) 字信號處理器(DSP)。在一個實施例中，用于電連接電動機(jī)10a的電樞線圏 為串連和并聯(lián)配置的系統(tǒng)包括MOSFET連接子系統(tǒng)36。電動機(jī)速度^r測器 3 8可以4皮用于4全測所述電動才幾10a的速度并對該電動才/U 0a施加表示電動機(jī) 速度的控制信號。電流檢測電路40可以被用于檢測流過電動機(jī)10a的電流 并根據(jù)所檢測的流過電動機(jī)10a的電樞線圈的電流施加控制信號到控制器 28。組件28、 30、 32、 34、 38和40是所述鉆12的"控制"部分。所述電 動機(jī)系統(tǒng)10可以被看作包括電動機(jī)10a、連接子系統(tǒng)36、速度檢測器38、 電流檢測電流40、控制器28、使用者選擇控制器30和扳機(jī)開關(guān)20。
參照圖3A,其示出了電動機(jī)10a的電樞42。如在下面的段落中詳細(xì)描 述的那樣，所述電動機(jī)10a包括第一組電樞線圈，其通過附圖標(biāo)記44以高 度簡略的形式示出，纏繞在所述電樞42的疊片組46上。第一組線圈44連 接到第一組換向器條48。第一組換向器條被支撐在電樞軸50上。所述電樞 軸50延伸穿過疊片組46的同軸中心并包括一對在相對端相鄰的軸7 義52以 支撐電樞軸50在所述鉆12的外殼中旋轉(zhuǎn)運動。齒桿54用于與齒輪減速單 元16接合。第一對電刷56a、 56b設(shè)置為接觸第一組換向器條48。
所述電樞42也包括纏繞在所述疊片組46的槽中的第二組電樞線圈58。 所述第二組線圈58連接到安裝在所述電樞軸50上的第二組換向器條60。第 二對電刷62a、 62b設(shè)置為與第二組換向器條60接觸。
所述兩對電刷56a、 56b和62a、 62b通過開關(guān)64、 66和68連接電池22 的末端。開關(guān)64、 66和68共同表示圖2中的開關(guān)連接系統(tǒng)36。開關(guān)64、 66和68使得電刷連接以便所述兩組電樞線圈54、 58串連或并聯(lián)連接。串連 連接所述電樞線圈44、 58提供電動機(jī)10a具有較低最大功率輸出，以及較 低空載速度，但是效率較高的第一運行模式。并聯(lián)連接所述電樞線圈44、 58提供第二運行模式。在該第二運行模式中，所述電動機(jī)10a與串連布置提供 的相比具有較高的空載速度和較高的最大功率輸出，但是當(dāng)該電動機(jī)以較低 功率輸出時，以電動機(jī)效率更低為代價。因此，通過控制所述兩個電樞線圏 組44、 58，單個電動機(jī)可以提供顯著不同的運行特性。這通過允許其運行特 性更好的適用于即將到來的特定工作任務(wù)(即，需要更高電動機(jī)功率或者更 低電動機(jī)功率的任務(wù))增加了所述電動機(jī)10a的應(yīng)用。通過為那些需要更低 程度電動機(jī)功率的任務(wù)選擇第一運行模式，所述電動機(jī)10a流過的電流減小， 因此與如果所述鉆在第二運行模式下持續(xù)運行實現(xiàn)的運行時間相比在給定 電量延長所述鉆12的運行時間。然而，對于需要更大程度電動機(jī)輸出功率 的工作任務(wù)，所述第二運行模式很容易獲得。
圖3A示出了通過開關(guān)64、 66和68連才妾以-使兩個線圈組44、 58串連連 4妄的兩組電刷56a、 56b和62a、 62b。在這個才莫式中，開關(guān)64和66打開， 同時開關(guān)68關(guān)閉。箭頭表示當(dāng)所述電動機(jī)10a在第一運行模式，兩個線圈 組44、 58串連連4妻時流過電刷56a、 56b、 62a、 62b和開關(guān)64、 66、 68的 電流方向。在電刷56a、第一線圈組44、電刷56b、開關(guān)68、電刷62a、第 二線圈組、和電刷62b之間形成完全串連通路。
圖3B表示流過相同組件的電流方向，但是開關(guān)62、 64、 66布置成并聯(lián) 連4妄電刷對56a、 56b。在這個才莫式中，開關(guān)64和66關(guān)閉而開關(guān)68打開。 電流從所述電池的正端子同時流過電刷56a和62a,同時流過線圈組44和 58并流回該電池的負(fù)端子。流過所述第一線圈組44的電流在其流回電池22 的負(fù)端子時流過開關(guān)66。
所述開關(guān)64、 66和68可以包括全部位于公用、獨立電路板組件上的 MOSFET開關(guān)，或者它們可以位于具有控制器28的印刷電路板組件上。也 可以利用除了 MOSFET的任何其它電控開關(guān)，只要該開關(guān)能夠處理當(dāng)在其 最大功率模式運行時將由電動機(jī)10a汲取的最大電流。
參照圖4和5，其示出了線圈組44和58的簡化電if各示意圖以進(jìn)一步示 出兩個線圈組44和58到它們各自換向器條組48和60的互相連接的例子。 在這個示例中，所述電樞42纏繞有構(gòu)成第一線圏組44的第 一組十個線圈， 和構(gòu)成第二線圈組58的另外組十個線圈。
電動機(jī)運行性能的比較提供能夠進(jìn)行上述運行模式的電動機(jī)需要考慮其基本運行特性。例如， 設(shè)計為用于更高功率的電動機(jī)在低扭距和高速度場合效率較低，例如，當(dāng)鉆 入小螺釘或者在軟木中鉆小孔。主要原因是由于具有較高的空載速度和較少 的線圈匝數(shù)，設(shè)計為用于大功率的電動機(jī)具有較低的扭矩每安培比?；旧希?br>當(dāng)兩個線圈組44、 58串連連接時，與線圈組44、 58并聯(lián)連接時所獲得的相 比，所述電動機(jī)10a將產(chǎn)生一半功率并且將在空載速度的一半運行。然而， 將線圈組44, 58串連連接與線圏組44、 58的并聯(lián)連接相比將基本上產(chǎn)生兩 倍的扭矩每安培比率。因此，線圈組44、 58串連連接，對于相同的低扭矩、 高速度應(yīng)用場合，所述電動機(jī)10a將僅僅汲取大約一半的電流。因此將所述 線圈組44、 58串連連接將在以給定的電量為給定的電動機(jī)供電時增長電池 22的運4亍時間。
現(xiàn)在參照圖6-10，其示出了當(dāng)在兩個運行模式下運行時電動機(jī)10a的 性能的比較。在圖6中，速度/扭矩關(guān)系由曲線70和72示出，曲線70表示 兩個線圈組44、 58串聯(lián)連接(運行模式l)，而曲線72表示兩個線圈組并聯(lián) 連接(運行模式2)。曲線72表示當(dāng)所述電動機(jī)10a被布置成其電樞線圈組 44、 58并耳關(guān)連4^時空載速度相當(dāng)?shù)母?在此例中約為27000轉(zhuǎn))。
圖7示出了當(dāng)所述電動機(jī)電樞線圈組44、 58串聯(lián)連接和并聯(lián)配置連接 時效率和功率之間的關(guān)系。曲線74表示串連連接而曲線76表示并聯(lián)連接。 當(dāng)所述電動機(jī)10a輸出功率小于大約300瓦時，可以看到串連連接電動機(jī)效 率更高，當(dāng)電動機(jī)功率輸出小于大約100瓦時仍然非常高。因此，對于輕載 工作任務(wù)，所述線圈組44、 58串聯(lián)連接(運行模式1 )使得電動機(jī)10a能夠 以高效的方式運行，該方式可以在給定的電量下延長所述鉆12的運行時間， 其超過如果所述電動機(jī)10a被配置成提供恒定的最大功率輸出的運行時間。
圖8示出了當(dāng)所述電動機(jī)10a以兩個運行模式中的每一個連接時電動機(jī) 功率和電動才幾扭矩之間的關(guān)系。曲線78表示當(dāng)所述電動機(jī)10a的兩個線圈 組44、 58串連連接時功率/扭矩關(guān)系。曲線80表示當(dāng)兩個線圈組44、 58并 聯(lián)連接時的功率/扭矩關(guān)系。對于給定的電動機(jī)扭矩，可以看出，由曲線80 示出的線圈組44、 58的并聯(lián)連接電動機(jī)使用的功率與所述線圈組44、 58串 連布置時相比更多。例如，在40英寸/盎司的扭矩，電動機(jī)10a的線圈組44、 58并聯(lián)連接，電動機(jī)10a使用了幾乎超過當(dāng)線圈組44、 58串連連接時所述
ii電動機(jī)10a消耗的電能200瓦的額外功率。
圖9示出了串連連4妄和并聯(lián)連接的線圈組44、 58的電動才幾電流和電動 機(jī)扭矩之間的關(guān)系。性能曲線82表示當(dāng)其線圈組44、 58串連連接時所述電 動機(jī)10a的電流/扭矩關(guān)系。曲線84表示線圏組44、 58并聯(lián)連接。當(dāng)所述線 圈組44、 58并聯(lián)連接時，產(chǎn)生給定的扭矩，所述電動機(jī)10a汲取更多電流。 例如，在50英寸/盎司的電動積4丑矩，所述電動才幾10a線圈組44、 58并if關(guān)幾 乎比該所述線圏組串連多汲取了 30毫安的電流。因此，對于需要電動機(jī)低 扭矩(以及因此的電動機(jī)低功率輸出)的輕載應(yīng)用，利用線圈組44、 58的 串連連接允許當(dāng)提供給定扭矩時電動機(jī)10a汲取非常小的電流。圖10示出 了每個串連和并聯(lián)連接方案的電動機(jī)10a的電流和功率之間的關(guān)系。
參照圖11和12,其示出了表示電動機(jī)10a在不同運行模式中所產(chǎn)生的 不同效率和扭矩曲線。在圖11中，以最大效率模式運行所述電動機(jī)10a,例 如模式"1"，產(chǎn)生由曲線100表示的效率/扭矩曲線。以最大"功率，，模式運 行所述電動才幾10a產(chǎn)生由曲線102表示的效率/扭矩曲線。圖12說明所述電 動機(jī)10a的速度可以被控制為適合于需要不同扭程度矩輸出的輕、中或者中 載應(yīng)用。曲線104和曲線106說明使用電動機(jī)高速(即曲線106)以實現(xiàn)用 于重載應(yīng)用的最大扭矩。
圖13說明了當(dāng)操作工具12實際上立刻改變運行性能時線圏組44、 58 如何轉(zhuǎn)換。從串連連接到并聯(lián)連接的轉(zhuǎn)換(反之亦然)可以是"硬"轉(zhuǎn)換， 電連接不經(jīng)過任何過渡的電"平滑"。這樣的轉(zhuǎn)換由圖13中的曲線108表示。 一旦所述電動4幾10a的速度下降到大約11000rpm,所述串連連《1妻的線圈組 44、 58將并聯(lián)連接，因此從所述電動機(jī)10a提供更大的功率輸出。這提供的 優(yōu)點是包括所述電動機(jī)10a的工具對于給定的電動機(jī)和電池電量，在輕載工 作任務(wù)時，與用并聯(lián)連接的線圈可以實現(xiàn)的運行時間相比將增大。然而，并 聯(lián)連接所述線圈組44、 58使得所述電動機(jī)10a的最大功率輸出增大到超過 所述線圏組44、 58串聯(lián)連接可能達(dá)到的功率。這使得當(dāng)執(zhí)行重載工作任務(wù) 時，相同的電動機(jī)IO可提供的功率更大。
對于所述鉆12，線圈組44、 58在串聯(lián)和并聯(lián)配置之間切換使得該電動 機(jī)10a的輸出特性實時變化。參照圖14,所述串聯(lián)連接提供來了最大效率和 最大扭矩。而所述并聯(lián)連接提供了最大運行速度和最大功率。圖15示出了所述電動機(jī)的輸出特性如何通過串聯(lián)/并聯(lián)轉(zhuǎn)換而改變并利
用齒輪減速單元16進(jìn)一步改變輸出速度。在電動鋸的應(yīng)用場合，這對于改
變鋸片的速度以當(dāng)切割不同類型的材料(例如，軟木與硬木)時最優(yōu)化該鋸 的性能將特別有用。
通過控制電動機(jī)和齒輪減速單元獲得增加數(shù)量的電動機(jī)性能輸出曲線
所述電動機(jī)10a和齒輪減速單元16可以通過控制器28控制以提供超過 僅僅由控制齒輪減速單元16實現(xiàn)的不同速度數(shù)量的多個單元16的輸出速 度。例如，參照圖16-21,示出了若千簡化示圖，其說明了齒輪減速單元16 的一個實施例，在這個示例中，其包括二級齒輪減速單元。通過僅僅選擇二 級齒輪減速單元的不同級，可以從電動機(jī)/齒輪減速單元的結(jié)合獲得三個不同 的輸出速度，如圖16-18所示。但是，所述電動機(jī)10a的線圈組44、 58串聯(lián) 或者并聯(lián)的能力使得從所述二級齒輪減速單元16可以獲得總共六個不同的 輸出速度。這使得可以利用比沒有串^/并聯(lián)能力用成本更低、更小和更輕的 齒輪減速單元以提供給定數(shù)目的不同輸出曲線。手持電動工具中更小，更輕 的齒輪減速單元的使用特別有利，這樣所述工具的重量和尺寸是設(shè)計時重要 的考慮因素。
將所述電動機(jī)線圈組44、 58連接布置(串聯(lián)或者并聯(lián))，以及所述齒輪 減速單元16的電子控制結(jié)合的能力使得可以獲得具有多個性能曲線的寬范 圍的輸出。例如，對于相同的電動機(jī)，在給定的低功率輸出下串聯(lián)連接所述 線圈組44、 58將比并聯(lián)連接提供更高的效率。因此，所述線圈組44、 58的 串聯(lián)配置可以與所述齒輪減速單元16的高速齒數(shù)比一起使用以最優(yōu)化鉆12 以便擰入小螺釘或用小直徑鉆頭鉆削，這時需要電動機(jī)速度較高。相反的， 所述線圈組44、 58的并聯(lián)連接(其提供較高的最大功率輸出)可以與較低 的齒數(shù)比結(jié)合使用。這個結(jié)合將為重載工作任務(wù)提供最大的應(yīng)用速度和熱穩(wěn) 定性。因此，可以理解，具有多個速度/扭矩/功率/效率特性的寬范圍電動機(jī) 輸出可以通過所述線圈組44、 58的選擇性連接和所述齒輪減速單元16的控 制實現(xiàn)。
利用控制器以將電動機(jī)速度-扭矩曲線與齒輪減速單元的速度-扭矩能力 才目1S酉己
所述控制器28也可以用于將所述電動機(jī)10a的速度-扭矩曲線與齒輪減速單元16的速度-扭矩能力相匹配。這免去了在充足量的速度-扭矩"上裕量" 設(shè)計入所述齒輪減速單元16中的需要以確保在鉆12的運行過程中所述電動 機(jī)10a不損壞或者所述齒輪減速單元16產(chǎn)生過度應(yīng)力。簡要參照圖22-24， 這個特點可以得到進(jìn)一步解釋。圖22說明了需要設(shè)計到齒輪減速系統(tǒng)(通 常簡稱為"齒輪箱")以確保其使用的電動機(jī)將不破壞或所述齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生 過度應(yīng)力的典型"上裕量"的示例程度。曲線110代表直流電動機(jī)的示例性 速度-扭矩性能曲線，而曲線112表示常規(guī)齒輪箱的速度-扭矩性能曲線。設(shè) 計到所述齒輪箱中的速度-扭矩"上裕量"由兩個曲線110和112之間的區(qū)域 114表示。區(qū)域114基本上設(shè)計到所述齒輪箱中的，超過所述電動機(jī)所能夠 產(chǎn)生的速度-扭矩處理能力增加程度。這個上裕量確保所述電動機(jī)不能使產(chǎn) 生過度應(yīng)力所述或者損壞所述齒輪箱。
圖23說明了控制所述電動機(jī)10a速度-扭矩特性以基本將電動機(jī)的速度-扭矩曲線向上"推"以與所述齒輪減速單元16的最大速度-扭矩性能容量相 匹配。在這個例子中，曲線116表示所述控制器28為電動機(jī)10a所實現(xiàn)的 電動機(jī)10a的速度-扭矩性能曲線。曲線118表示設(shè)計到所述齒輪減速單元 16中的速度-扭矩性能曲線。所述控制器28控制電動機(jī)10a "推"或者增大 所述電動機(jī)10a的速度-扭矩曲線到基本與齒輪減速單元16的速度-扭矩曲線 相匹配。這通過消除所述通常將設(shè)計入所述齒輪減速單元16中的上裕量區(qū) 域114而提供了所述齒輪減速單元16的速度-扭矩能力的最有效的使用。通 過監(jiān)控重要的電動機(jī)運行參數(shù)，比如電動機(jī)速度和電動機(jī)電流，所述控制器 28確保該電動4幾10a的運行在任何時刻都不超過所述齒輪減速單元16的速 度-扭矩性能容量。相反的，通過使用所述控制器28監(jiān)控并嚴(yán)格的控制所述 電動機(jī)10a的速度-扭距性能容量，對于給定的電動機(jī)可以實現(xiàn)更廉價的齒輪 減速單元。
參照圖24，也可以采用所述控制器28控制所述電動機(jī)10a的速度-扭矩 性能的替換控制方法以便其僅僅周期性增大較短的持續(xù)時間到齒輪減速單 元16的水平。曲線120表示由所述控制器28實現(xiàn)的恒定的電動機(jī)10a的速 度-扭矩曲線。曲線122說明了對于較短的持續(xù)時間由所述控制器28增大速 度—扭矩曲線120的運行點以周期性"上推，，到所述齒輪減速單元16的速度 -扭矩曲線124。這樣，所述電動機(jī)10a可以通過控制器28控制以匹配，甚至較短時間稍微超過所述齒輪減速單元16的速度-扭矩性能容量而沒有產(chǎn)生 過度應(yīng)力或者引起損壞所述齒輪減速單元的危險。這也將允許使用更廉價的 齒輪減速單元，由于所述齒輪減速單元將不需要設(shè)計有充足的上裕量以能夠
持續(xù)容納所述電動機(jī)10a的全部速度-扭矩容量。 使用者選擇器控制的運行
現(xiàn)在參照圖25-28,將進(jìn)一步描述使用者選擇器30。在一個優(yōu)選形式中， 所述選擇器30包括可以由使用者在若干位置之間手動定位以選擇若干不同 模式中的一個的多位置開關(guān)。在目前的例子中，示出了四個運行模式。模式 'T，(圖25)提供了最大功率模式，而模式"4"(圖28)提供了最大效率 運行模式。在模式"4"中，例如，在第四開關(guān)位置，來自所述電動機(jī)10a 的功率輸出可能由所述控制器28限制到最大，例如300瓦輸出。在"1"位 置，選擇所述最大功率輸出為，比如600瓦。所述控制器28也根據(jù)所述選 擇器30的位置在若干預(yù)定的速度之間改變電動機(jī)10a的速度以最好的滿足 即將到來的任務(wù)(即，或者提供最大功率，最大效率或者它們之間的一些結(jié) 合)。作為一個例子，開關(guān)位置"1"可以包括卡盤14的速度為450rpm，位 置"2"(圖26)可以包括速度為850rpm，位置"3"(圖27 )速度為1400rpm 而位置"4"速度為2000rpm。或者，所述選擇器30可以連接到齒輪減速單 元16以便當(dāng)所述控制器28檢測到電動機(jī)10a上的載荷時該選擇器被自動從 一個模式向另一個模式移動。例如，如果檢測到電動機(jī)的額外載荷，所述控 制器28可以用于瞬時從最大效率模式(即模式4 )轉(zhuǎn)變到中間模式(即模式 2)。所述額外載荷通過電動機(jī)10a的電流汲取的增大檢測。如果增大載荷的 周期減小，則所述控制器28可以再次將運行模式轉(zhuǎn)換回由使用者選擇的模 式。所述控制器28可以執(zhí)行為閉環(huán)方案或者開環(huán)方案以根據(jù)一個或者多個 檢測到的運行參數(shù)，比如速度或扭矩串聯(lián)或者并聯(lián)連接所述線圈。
顯示器32可以包括第 一組LED32a用于給使用者顯示所述控制器28超 越使用者的選擇工作模式，并提供有關(guān)當(dāng)前所述電動機(jī)10a正在運行的模式 的指示。LED組32b可以用于指示所述鉆12的電池22的充電水平。
利用控制器以進(jìn)一步改變電動機(jī)運行特性
在上面描述的運行模式中的任一個中，所述控制器28可以執(zhí)行提前換 向和電壓控制以提供上面描述的效率/扭矩和速度/扭矩曲線的進(jìn)一 步改變。
15此外，所述電動機(jī)10a的最大電流(即失速電流)可以由控制器28控制。例如，所述控制器28，當(dāng)檢測到由所述電動機(jī)汲取電流時，能夠在預(yù)定的最大電流汲取被超過的時限之后減少該電動機(jī)10a的扭矩輸出。例如，如果所述失速電流持續(xù)產(chǎn)過兩秒，所述控制器28可以降低電動機(jī)10a的扭矩輸出到預(yù)定的較低水平以防止電池22輸出過大的電流。
所述控制器28也可以一皮編程為逐漸減小施加到所述電動機(jī)10a的電壓以模擬一旦電動機(jī)被推動到超過安全運行范圍同時在最大功率運行模式時
模擬功率損失。如果所述鉆12在高效模式(即低功率模式)使用時，可以使用最大電流極限。
機(jī)10a從其輕載功率輸出模式轉(zhuǎn)換到其高功率輸出模式以從電動機(jī)10a產(chǎn)生更高的功率輸出。所述鉆12可以持續(xù)在其高功率模式運行的持續(xù)時間可以監(jiān)控并限制以防止所述電動機(jī)10a的過度加熱。
所述控制器28也可以用于執(zhí)行一個或多個制動模式以減小所述鉆12的多個內(nèi)部構(gòu)件上的壓力。例如，反饋制動可以通過從所述電動機(jī)10a慣性產(chǎn)生電流并將其返回所述電池22實現(xiàn)。
所述控制器28也可以用于執(zhí)行扭矩控制性能以防鎖，并因此執(zhí)行"電子"離合器的一種形式。例如，檢測所述電動機(jī)10a汲取的電流瞬時變化率可以被用于控制所述電動機(jī)的扭矩輸出。這可以為所述鉆提供防反沖或防鎖定性能。如果需要，所述電動機(jī)在每個運行模式的最大汲取電流可以，例如通過軟件得到限制。所述控制器28也可以被用于實現(xiàn)電動機(jī)10a的反向能力。優(yōu)選的，所述輕載功率模式是當(dāng)工具12被切換到反向時的"缺省"模式。當(dāng)電動機(jī)反向運行時，可以為所述電動機(jī)10a設(shè)定不同的電流極限值。例如，如果當(dāng)所述鉆12運行在反向模式時設(shè)定相對較高的電流極限，這將使得所述電動機(jī)10a能夠產(chǎn)生更高的扭矩，并因此可以螺紋螺栓可以快速從工件上拆下。
進(jìn)一步，所述控制器28可以被配置為利用閉環(huán)或開環(huán)方法。如果使用閉環(huán)方法，該控制器28將利用來自啊電流檢測系統(tǒng)40和電動機(jī)速度檢測器38的反饋以改變所述電動機(jī)10的運行模式。如果使用開環(huán)方法，所述控制器28可以利用一個或多個儲存在內(nèi)部或外部的具有儲存的信息(即，電動機(jī)10a的不同電動機(jī)速度和/或電流)儲存器中的查詢表以在給定的工作任務(wù)過程中選擇最優(yōu)運行模式。此外，所述控制器28可以集成到電動機(jī)10a單個組件中(即"封裝")，或者遠(yuǎn)離所述電動機(jī)10a，如圖1所示。所述控制器28也可以位于具有切換連接子系統(tǒng)36 (圖1 )的公用印刷電路組件上，或遠(yuǎn)離所述子系統(tǒng)36。
所述電動機(jī)10a,控制器28,以及連接子系統(tǒng)36可以因此被用于由一個單個電動機(jī)實現(xiàn)若干不同運行模式。包括輕載運行模式或最大功率運行模式的模式可以通過所述控制器28由使用者選擇或者自動實現(xiàn)。當(dāng)所述工具被用于需要較小電動機(jī)功率的應(yīng)用場合，電動機(jī)系統(tǒng)10使得電池的運行時間延長，并很容易的轉(zhuǎn)換，或者手動或者自動轉(zhuǎn)換，如果工作任務(wù)需要，可以提供更多電動機(jī)功率。對于給定的電池電量，與如果電動機(jī)在其最大功率才莫式在所述電量下運行相比，具有所述電動機(jī)系統(tǒng)10的電池電動工具將4吏得可以實現(xiàn)更長的運行時間。如果工作任務(wù)需要，最大功率也將很容易獲得，或者自動，或者由使用者僅僅移動控制器，比如開關(guān)以手動選擇所需要的運行模式。
對于多個實施例的描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，并且因此，不背離本實用新型要點的變化也將在本實用新型的范圍之內(nèi)。
本申請要求2006年2月20日提交的、題目為"電子換向電動機(jī)和控制系統(tǒng)"美國臨時專利申請60/775407的優(yōu)先權(quán)，所述申請公開的內(nèi)容因此通過引用并入本申請。
權(quán)利要求
1. 一種電動工具，其特征在于，包括電動機(jī)；所述電動機(jī)具有電樞，所述電樞包括纏繞在疊片組上的第一組電樞線圈；纏繞在所述疊片組上的第二組電樞線圈；以及切換系統(tǒng)，其將連接所述兩組電樞線圈為串聯(lián)或者并聯(lián)配置。
2. 如權(quán)利要求
1所述的電動工具，其特征在于，其中所述切換系統(tǒng)還包括第一組換向器條，其選擇性的電連接到所述第一組電樞線圈；和 第二組換向器條，其選擇性的電連接到所述第二組電樞線圈。
3. 如權(quán)利要求
2所述的電動工具，其特征在于，其中所述開關(guān)系統(tǒng)還包 括用于與所述第 一組換向器條接合的第 一組電刷，以及用于與所述第二組換 向器條接合的第二組電刷。
4. 如權(quán)利要求
3所述的電動工具，其特征在于，其中所述開關(guān)系統(tǒng)還包括若干在所述電刷的所選定的電刷之間互相連接的開關(guān)；和 控制器，其用于按需要控制所述開關(guān)的操作以在串聯(lián)和并聯(lián)配置之間切 換所述線圈。
5. —種電動工具，其特征在于，包括 電動才幾；所述電動機(jī)具有電樞，該電樞包括纏繞在疊片組上的第 一組電樞線圈； 纏繞在所述疊片組上的第二組電樞線圈；和切換系統(tǒng)，其將所述兩組電樞線圈連接為第 一布置以提供最大功率 輸出，和第二布置以提供最大電動機(jī)效率。
6. 如權(quán)利要求
5所述的電動工具，其特征在于，其中所述第一布置包括 將所述電樞線圈組連接為并聯(lián)。
7. 如權(quán)利要求
5所述的電動工具，其特征在于，其中所述第二布置包括 將所述電樞線圈組連接為串聯(lián)。
8. 如權(quán)利要求
5所述的電動工具，其特征在于，其中所述切換系統(tǒng)包括 連接到所述電樞線圈中選定的電樞線圈的第 一和第二組換向器條。
9. 如權(quán)利要求
8所述的電動工具，其特征在于，其中所述切換系統(tǒng)還包 括用于將電源接合到所述若干換向器條的第 一和第二對電刷。
10. 如權(quán)利要求
9所述的電動工具，其特征在于，其中所述切換系統(tǒng)包括 若干由控制器控制以自動在所述第一和第二布置之間切換所述電樞線圈的 開關(guān)。
11. 如權(quán)利要求
9所述的電動工具，其特征在于，其中所述切換系統(tǒng)包括 若干人工控制以在所述第一和第二布置之間切換所述電樞線圈的開關(guān)。
12. 如權(quán)利要求
8所述的電動工具，其特征在于，其中所述第一對電刷定 位為接觸所述第一組換向器條，并且所述第二對電刷定位為接觸所述第二組 換向器條。
13. 如權(quán)利要求
9所述的電動工具，其特征在于，其中所述電樞線圈形成 具有電樞軸的電樞組件，并且其中所述第一對電刷設(shè)置在所述電樞軸的第一 端而所述第二對電刷設(shè)置在所述電樞軸的第二端。
專利摘要
一種永磁體直流電動機(jī)，特別適合于在電動工具，尤其是手持的、電池供電的電動工具中使用。所述電動機(jī)包括兩組電樞線圈，每組線圈連接到電樞上的單個換向器條組。分別的電刷對被用于與兩組換向器條接合。切換子系統(tǒng)或者通過使用者可接合開關(guān)人工控制或者由控制器自動控制以將所述兩組線圈串聯(lián)或者并聯(lián)配置。所述串聯(lián)連接比并聯(lián)連接提供所述電動機(jī)更高的效率，但是較低的功率輸出。因此，所述工具的運行特性可以被調(diào)節(jié)為更好滿足工作任務(wù)的需要，并且以最高效的方式利用可用的電池電量。
文檔編號H02K3/04GKCN201263101SQ200790000027
公開日2009年6月24日 申請日期2007年2月20日
發(fā)明者喬舒亞·D·韋斯特, 尤戴·S·德施潘德 申請人:布萊克和戴克公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan