CN101689829A - 电动工具以及用于电动工具的电器开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于一种电动工具、尤其是用于蓄电池运行式电动工具的电器开关，其中用于给电机供电的功率电路以及用于监测温度、电压和电流的电子电路均集成在所述电器开关之中。

Description

电动工具以及用于电动工具的电器开关

本发明涉及按照权利要求1前序部分的用于一种电动工具、尤其是用于利用蓄电池运行的电动工具的电器开关，以及一种按照权利要求10前序部分所述的电动工具、尤其是一种利用蓄电池运行的电动工具。本发明还涉及一种按照权利要求15前序部分所述用来监测电动工具、尤其是用来监测利用电池运行的电动工具的方法。

已知电动工具尤其是可以用蓄电池运行的电动工具有多种应用形式，譬如可作为钻机或者充电式电动螺丝刀。例如DE 40 38 786 A1所描述的，这类电动工具具有一个可通过使用者控制、调节工具转速的电器开关。这以如下方式来实现：在所述电器开关内集成有一个电子装置，该电子装置具有用来控制、调节转速的功率电路。在控制状况下由一个电源、尤其是由一个蓄电池给驱动工具的电机提供电流，使得输入电流经由一个功率半导体流出，最终通过手动开关按钮的按压位置确定所述功率半导体的电导率。这样就可控制电机的功率。为了功率控制，可设置功率晶体管以及必要时设置还为此所需的散热体。

也已知的是：可以监测功率器件中的温度。为此，例如在DE 10 2005 010129 A1推荐，在达到预给定的极限温度时例如以减小流过的负载电流的方式降低负载功率。当达到大约80％最大转速时，就闭合第二个触头(也称作桥接触头)，使得蓄电池将电压完全施加在电机上，从而达到最大转速。

此外由JP 2006 166601公开了一种温度控制。在此，利用一个热敏电阻形式的温度传感器检测温度，从而在电动工具中实现过热保护。这样就可以通过一个控制元件减少供应给电机的电流，使得温度重新下降。这里所推荐的过热保护装置安装在电机上，在可以用来影响工具转速的按钮开关之外。

本发明现在推荐一种用于电动工具的电器开关，其中集成有一个保护电路，利用该保护电路可以根据所监测的温度、电流、电压供给尤其是蓄电池上的电压来影响电动工具的转速。适宜将该电路设计成模拟形式。

适宜设计、实施保护电路，使其直接作用于电器开关内的功率电路，以便能够从紧急的工作状态变为不紧急的工作状态。

为降低成本，可以将保护电路作为模拟式保护电路安装在功率电路之中。

此外还推荐一种具有这类电器开关的电动工具，可以防止电动工具受损。

采用本发明所述的方法，可以利用一个电器开关监测电动工具，尤其可监测利用蓄电池运行的电动工具，所述电器开关具有用来控制电机转速以及/或者调节电机转速的功率电路。不仅可以监测电动工具中至少一个热敏感部件的温度，也可以监测流过功率电路的电流以及电压供给尤其是蓄电池的当前电压。可以根据温度、电流和电压的监测值，利用安装于开关之中的保护电路对转速进行控制和/或者调节，和/或部分或完全切断电动工具的各个部件。

在本发明的一种优选实施形式中，为了进行监测，该保护电路直接作用于功率电路。

在此，可以实施保护电路，使得可将其用来在预给定的范围内控制和/或者调节转速，以及当超过该范围时可以将转速值设定为最大可能值。预给定的调节范围在此可以包括电动工具的全部转速范围。所述调节也可以被限定到确定的调节区间，大致在最大可能转速范围的0～50％之间。

如果识别出在受监测的部件中达到或超过被定义的温度，就会自动切换到安全的工作模式。同样也可以在达到或低于预给定的最小输入电压时关闭电动工具。这样尤其可以保护锂离子基础构造的蓄电池，防止深度放电。

采用本发明所述的电器开关、本发明所述的电动工具以及本发明推荐的方法，可以保证监测温度敏感部件(例如电机、所使用的电气和电子器件、电池和电池组)，并且可在超过定义的温度阈值时采取保护这些部件的措施。同时可以在适当选择电流极限情况下监测电流，以保护电池、电池组、功率器件、带开关触点的开关、电缆以及电机之类的导电部件防止电流消耗或者电流输出过大。因此也可以实现功率器件的热保护。借助同时监测电压，此外还可以识别出变化、尤其是蓄电池电压下降到被确定的设定值以下。这样就能保护蓄电池，因为由此实现了：根据所监测的电压、例如当达到放电终止电压时切断蓄电池。

本发明的其它优点以及有利的实施形式是以下附图及其相关说明的主题。具体附图如下：

附图1电动工具的电器开关示意图；

附图2集成在电器开关之中的功能的第一种实施形式的电路框图；

附图3集成在电器开关之中的功能的第二种实施形式的电路框图；

附图1示出了一种示意性被示出的电动工具10的电器开关12，所述电动工具例如是充电式电动螺丝刀、钻机或者类似工具。电器开关12具有一个按钮14，该按钮安装在按钮轴16上，并且与电器开关外壳18相连。使用者可以通过按钮14手动操作电动工具10，并且例如可以改变转速。此外还可以设置一个用来转换旋转方向的转换手柄22。利用接线端子24可以将电器开关12与电压源尤其是与蓄电池相连。在电器开关18内部安装有电气与电子器件，其也包括以虚线表示的功率电路20。该功率电路20用来控制、调节流过负载的电流。该功率电路20通常包括一个功率晶体管、例如MOSFET功率晶体管。

在电器开关12中设置有一个保护电路26，该保护电路优选与功率电路20一起集成在同一个电路板上。此外还设置有用来监测温度、电流强度和电压的传感器。利用保护电路26可以对温度、存在电压和电流的监测值进行分析处理，从而能够保证对电机、所使用的电气和电子器件、电池以及电池组之类的敏感部件进行监测和保护。防止电机、电气和电子器件以及蓄电池单元和蓄电池组之类的温度敏感部件发生过热。防止蓄电池单元和蓄电池组发生过度放电(深度放电)。防止蓄电池单元、蓄电池组、蓄电池触头、电缆、功率电子装置以及电机之类的导电部件中电流强度过大。这样可提高所述部件的可靠性与使用寿命。此外，还可通过避免元器件故障而避免物质损失与人身伤害。通过限制功率电路20中的最大电流强度，还可限制由电动工具10所提供的最大转矩。这同样可以避免物质损失和人身伤害。

在附图2中示出了按照本发明集成在电器开关12之中的、功率电路与保护电路20、26功能的第一实施形式所述的电路框图。其中设置有电压供给28尤其是蓄电池，从而给电动工具提供足够电压。此外还有用来检测温度并且处理信号的单元30以及用来检测电压并且处理信号的单元32。这些单元28、30和32均与逻辑单元34相连。逻辑单元34可对来自单元28、30和32的当前输入值进行处理，特别是可以将其与设定值存储器36所保存的设定值进行比较。根据设定值与当前值的比较所确定的结果，可以激活用来控制电源电流的功率调节器38。同样也可以将电流与温度监测装置集成到功率调节器38之中，当然也可以单独安装该装置。

利用所述的电器开关12可以在0％～100％的整个控制和/或者调节范围内对电动工具10的转速进行控制和/或者调节。代替地，也可以仅在一个任意可调的区间内进行调节转速，例如在0％～40％区间内。这种情况下可保留地隐藏41％～100％之间的范围，并且在超过为40％的最大调节范围值时跳转到100％、也就是最大可能转速值。

有利的是，将保护电路26设计成模拟形式。这样可实现一种成本低廉的解决方案。也优选对保护电路26进行设计，使其能够直接作用于功率电路20，利用该保护电路26能够保证同时针对电动工具10工作状态下不同的相关参数的极限值监测。可以监测电动工具10的不同元件的最大温度，例如所设置的蓄电池或者功率器件的温度。同时可以监测电压供给尤其是蓄电池所提供的电压，并且可在低于预给定的最低电压时阻止蓄电池深度放电。此外还可以同时监测功率电路20中流过的电流，以便在超过最大允许电流时采取降低电流的相应措施，直至最终关闭电动工具10。

对于监测电动工具的温度敏感部件存在各种各样的可能性，利用这些可能性从可以某种临界的工作状态转变到非临界的工作状态。这样用于检测温度的分析电路可以输出连续的信号。当达到离散可调的极限值级别时，就会通过逻辑单元34中提供的设定值对该设定值进行匹配，并且降低转速和功率，必要时直至关闭电动工具10。

按照一种可替代的分析变型方案，又由温度检测装置输出连续的信号。当达到连续的极限值时，通过逻辑单元34连续影响设定值信号。

此外，还可以设计温度分析电路，使得在达到被设定的极限时将设定值信号设定为零。

也可以将温度的设定值信号直接与当前的温度信号进行耦合，这样就可以省去单独进行分析。在这种情况下，温度变化将直接影响设定值信号。

为了避免电路中出现振荡，可以在逻辑单元34的电路或者在传感器信号检测装置30中实现一种已知的滞后功能(Hysterese)。

为了进行电压监测，针对电压的设定值确定一个最小输入电压值。当达到或低于这一最小输入电压时，可以实现用于保护电动工具10的不同变型方案。例如可以切断整个电子设备的电压供给。还可以通过逻辑单元34执行复位，并且切断、锁定现存的频率发生器，该频率发生器例如产生用来控制功率电路的脉冲宽度调制的信号。同样也可以阻止例如被构造为脉冲宽度调制信号并且被提供给功率电路20的频率信号。

例如监测电流的方式有：例如借助一种所谓的智能功率开关(IPS)来限制功率器件中的允许电流。这样可防止过大的电流流过该器件，防止因此而引起不能允许的过热。此外还可以附加地设置一种独立的温度监测装置。

采用所推荐的监测系统，可以通过降低转速或者关闭电动工具10的方式，将电动工具10从一种紧急工作状态转变到非紧急的状态。这样一方面可保护电动工具10自身。另一方面也有助于避免对使用者造成人身伤害。

保护电路26优选集成在电器开关12之中，并且被构造为，使其能够直接作用于功率电路20。

附图3示出集成在电器开关12之中的功能的第二种实施形式的示意性电路框图。在此，附图3中示意性示出的电路既包括功率电路20的功能，也包括附图1所示保护电路26的功能。

附图3所示的电路包括一个逻辑单元101。逻辑单元101与用来监测电动工具10电压源103温度的第一温度监测装置110相连。电动工具10的电压源103可以是例如一种蓄电池。用来监测电压源103温度的温度监测装置110连续测定电压源103的温度，并且将所测定的温度与预给定的极限温度进行比较。一旦温度监测装置110所测定的电压源103温度超过确定的极限值，温度监测装置110就会将信号发送给逻辑单元101。

逻辑单元101还与用来监测功率电路106温度的温度监测装置111相连。温度监测装置111连续测定功率电路106的温度，并且将其与确定的极限温度进行比较。一旦所测定的电源106温度超过该确定的极限值，温度监测装置111就会将相应的信号发送给逻辑单元101。

逻辑单元101还与用来监测电动工具10的电机108温度的温度监测装置112相连。温度监测装置112连续测定电机108的温度，并且将其与确定的极限值进行比较。一旦所测定的电机108温度超过该确定的极限值，温度监测装置112就会将相应的信号发送给逻辑单元101。

温度监测装置110、111、112各自与一个温度传感器相连，所述传感器与由相应温度监测装置所监测的电动工具10的部件之间存在良好的热接触。此外，温度监测装置110、111、112还各自具有一个分析电路，所述分析电路用来分析相应温度传感器所提供的信号，将其与相应的确定的极限值进行比较，然后根据比较结果生成一个信号并发送给逻辑单元101。

逻辑单元还可附加地与其它温度监测装置相连，这些温度监测装置用来监测电动工具10的其它电气或电子部件的温度。

逻辑单元101还与一个电压监测装置104相连，该电压监测装置被设置用来监测由电动工具10的电压源103所提供的电压。电压监测装置104将电压源103所提供的电压与预给定的极限值进行比较。如果电压源103所提供的电压低于预给定的极限值，电压监测装置104就会将相应的信号发送给逻辑单元101。电压监测装置104可以例如利用比较器将电压源103所提供的电压与齐纳二极管的基准电压进行比较。

逻辑单元101还与一个电流监测装置107相连，该电流监测装置用来监测功率电路106中流过的电流。电流监测装置107连续测定功率电路106中流过的电流，并且将其与确定的极限值进行比较。如果功率电路106中流过的电流超过确定的极限值，电流监测装置107就会将相应的信号提供给逻辑单元101。

逻辑单元101还与一个设定值设定装置102相连。设定值设定装置102提供与电器开关12的按钮14位置相关的设定值。由设定值设定装置102发送给逻辑单元101的设定值由此可反映电动工具10的使用者的愿望。如果电动工具的使用者根本没有操作电器开关12的按钮14，则设定值设定装置102提供设定值为0％。如果电动工具10的使用者仅将电器开关12的按钮14按下一半，则设定值设定装置102提供设定值为50％。如果使用者完全按下按钮14，则设定值设定装置102就会将为100％的设定值提供给逻辑单元101。

按照本发明的另一种实施形式，按钮14为按键形式。按照这种实施形式，设定值设定装置102仅仅将0％或者100％设定值提供给逻辑单元101。

逻辑单元101由设定值设定装置102所提供的设定值确定一个匹配的设定值。在此，逻辑单元101考虑温度监测装置110、111、112所提供的信号。为了确定匹配的设定值，逻辑单元101也可考虑由电压监测装置104和电流监测装置107所提供的信号。如果没有所述的监测装置来指示电动工具10的受监测部件的临界状态，逻辑单元101可将设定值设定装置102所提供的设定值直接作为匹配的设定值。代替地，逻辑单元101也可以采用设定值设定装置102所提供的设定值的任意放缩。为了降低功率电路106的转换损失，逻辑单元101可以采用设定值设定装置102的、在设定值的直至例如40％的确定下限范围内的设定值作为匹配的设定值，而将设定值设定装置102所提供的较高的设定值直接转换成为100％的匹配的设定值。

如果其中一个所述监测装置指示电动工具10的一个器件达到临界状态，逻辑单元101就会降低匹配的设定值。逻辑单元101在这种情况下可以将匹配的设定值降低为例如0％。

按照本发明的另一种实施形式所述，温度监测装置110、111、112向逻辑单元101提供一个与所检测的温度相关的信号。按照本发明的这一实施形式所述，逻辑单元101可随着由温度监测装置110、111、112监测的部件的逐渐增加的温度而逐渐降低该匹配的设定值。例如可以在一个或多个离散阶段中降低匹配的设定值。也可以随着温度升高连续降低匹配的设定值。任何情况下降低匹配的设定值的目的均在于避免电动工具10中受监测的部件发生过热。

逻辑单元101将匹配的设定值发送给用来产生脉冲宽度调制的信号的单元105。用来产生脉冲宽度调制的信号的单元105利用相当于匹配的设定值的占空比来产生脉冲宽度调制的信号。用来产生脉冲宽度调制的信号的单元105将该脉冲宽度调制的信号发送给功率电路106。

功率电路106相应于脉冲宽度调制的信号向电动工具10的电机108提供电压。例如可以将功率电路106设计成通过该脉冲宽度调制的信号控制其栅极触点的MOSFET功率晶体管形式。

电流监测装置107在此监测流过功率电路106的电流。为此，例如可以测量在串联电阻(支路)上的电压降。如果将功率电路106设计成MOSFET功率晶体管形式，则电流监测装置107代替地可用来监测MOSFET功率晶体管的电阻R_DS(on)。优选利用具有运算放大器的P调节器、PI调节器、PID调节器或者PD调节器形式的无源器件进行监测。

在一个可替代的实施形式中，功率电路106和电流监测装置107可以设计成集成功率半导体形式。有各种各样的制造商以″Intelligent Power Switch(智能功率开关)″、″SmartFET(智能FET)″、″TempFET″、″SenseFET(传感FET)″、″HITFET″等名称销售这些器件。视实施形式而定，也可以将用来监测功率电路106温度的温度监测装置111设置在这种集成功率半导体之内。附加地，也可以集成一些其它监测功能、例如用来监测在功率电路106上的电压的监测功能。也可以构造由功率电路106和电流监测装置107组成的集成器件，以便在出现不允许的高电流强度、不允许的高温或者不允许的高压时自动切断功率电路106。可选地，在这种情况下可不必将反馈信号发送给逻辑单元101。如果将反馈信号发送给逻辑单元101，则逻辑单元101可在功率电路101出现临界工作状态的情况下附加地还关闭电动工具10的其它部件、例如用来产生脉冲宽度调制的信号的单元105。

为此可以构造逻辑单元101，以便可在电压源103出现不允许的低压时切断电动工具10的各个组件。逻辑单元101在这种情况下例如可以切断用来产生脉冲宽度调制的信号的单元105和/或功率电路106。这样可以防止构成电压源103的蓄电池发生有害的深度放电。

按照本发明的另一种实施形式所述，可以通过集成电路来生成、监测以及切断电压供给。

按照本发明所述，逻辑单元101、温度监测装置110、111、112、用来产生脉冲宽度调制的信号的单元105、功率电路106、电流监测装置107、设定值设定装置102以及电压监测装置104均安装在电动工具10的电器开关12之内。优选将所述的所有器件设计成模拟电路。这样尤其能降低成本。

Claims (19)

1.用于电动工具(10)、尤其是利用蓄电池运行的电动工具的电器开关(12)，其中，用于电机(108)的电压供给的功率电路(20，106)被集成在该电器开关(12)之中，其特征在于，用于监测温度、电压和/或电流的电子电路、尤其是保护电路(26)集成在该电器开关(12)之中。

2.根据权利要求1所述的电器开关(12)，其特征在于，该电子电路被实施为模拟电子电路。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的电器开关(12)，其特征在于，所述功率电路(20，106)和所述电子电路集成在共同的电路板上。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的电器开关(12)，其中，所述电器开关(12)具有用来产生脉冲宽度调制的信号的电路(105)，所述脉冲宽度调制的信号被设置用来控制所述功率电路(20，106)，其中，所述脉冲宽度调制的信号被设置用于该电机(108)的转速控制和/或转速调节，其特征在于，根据所述温度、电流或/和电压的监测值进行所述转速控制和/或转速调节。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的电器开关(12)，其特征在于，当由所述电子电路所监测的量达到确定的极限值时，可以切断用来产生脉冲宽度调制的信号的电路(105)和/或所述功率电路(20，106)。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的电器开关(12)，其特征在于，所述电子电路具有用来监测电压源(103)尤其是蓄电池的电压的装置。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的电器开关(12)，其特征在于，所述电子电路被构造用来监测和/或调节在所述功率电路(20，106)中流过的电流。

8.根据权利要求7所述的电器开关(12)，其特征在于，设置有用来监测电流的并联电阻。

9.根据权利要求7所述的电器开关(12)，其特征在于，所述电子电路被构造用于测定在所述功率电路(20，106)的晶体管上所降落的电压，以便监测电流。

10.电动工具(10)，尤其是利用蓄电池运行的电动工具，其特征在于，所述电动工具(10)具有权利要求1～9中任一项所述的电器开关(12)。

11.根据权利要求10所述的电动工具(10)，其特征在于，所述电动工具(10)具有用于监测电机温度的温度传感器。

12.根据权利要求10或11所述的电动工具(10)，其特征在于，所述电动工具(10)具有用于监测电气或电子器件温度的温度传感器。

13.根据权利要求10～12中任一项所述的电动工具(10)，其特征在于，所述电动工具(10)具有用来监测蓄电池温度的温度传感器。

14.根据权利要求10～13中任一项所述的电动工具(10)，其特征在于，通过监测所述功率电路(20，106)中流过的最大电流来引起对于由该电动工具(10)所提供的转矩的限制。

15.利用电器开关(12)对电动工具(10)、尤其是利用蓄电池运行的电动工具(10)进行监测的方法，其中所述电器开关(12)具有用于给电机(108)供电的功率电路(20，106)，其特征在于，监测该电动工具的至少一个部件的温度、流过所述功率电路(20，106)的电流和/或供给电压尤其是蓄电池电压，并且利用电子电路尤其是保护电路(26)来根据所述温度、电流和/或电压的监测值来进行转速控制和/或转速调节。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述电子电路在预给定的范围内控制和/或调节转速，并且在超过该范围时将转速值设定为最大可能值。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述预给定的范围在最大可能转速的0％～50％之间。

18.根据权利要求15～17中任一项所述的方法，其特征在于，当达到或超过被监测部件的被定义的温度时，就会切换到安全的工作模式。

19.根据权利要求15～18中任一项所述的方法，其特征在于，当达到或低于预给定的最小电压时，切断所述电动工具(10)。

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