CN106533274A - 电动工具 - Google Patents

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甘金云
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Abstract

本发明提供一种电动工具，包括壳体、伸出壳体的工作头、用于驱动工作头的无刷直流电机、电池、逆变器及控制器。电机包括定子及转子，所述定子包括定子铁芯及缠绕于定子铁芯上的定子绕组，所述转子包括永磁体。电池为所述无刷直流电机提供电源。逆变器包括多个半导体开关元件并将来自所述电池的电源转换为交流电提供给所述无刷直流电机。控制器依据以无传感器方式检测出的转子磁场位置，输出驱动信号控制所述逆变器中半导体开关元件的通电方式。所述电动工具使用大功率电池作为动力源，节能环保。

Description

电动工具
技术领域
本发明涉及一种电动工具，尤其涉及一种具有无刷电机的电动工具。
背景技术
电动工具如电锯是人们生产生活中的重要工具，用于森林采伐、造材、打枝、木材锯截等作业。目前野外作业时，通过燃烧汽油以提供动力的电锯比较笨重、烧油量大、污染比较严重。而且，一般电锯均是在空载的情况下起动，在电锯的转矩输出较大后开始进行切割，电锯切割时锯片与木材等材料进行快速摩擦，如果木材上面有结节，电锯锯到结节时偶尔会发生卡死的现象，此时电锯的锯片夹持在木材中，一般在夹持状态下很难再次起动电锯，必须将电锯的锯片从夹持的木材中拿出，使电锯处于空载状态重新起动，再继续进行木材切割作业，这样操作繁琐，工作效率低，也增加了工人的工作量。
发明内容
本发明提供一种使用电池作为动力源的电动工具，电动工具轻便，节能环保。
本发明的实施例提供一种电动工具，包括：
壳体；
伸出壳体的工作头；
用于驱动工作头的无刷直流电机，包括定子及转子，所述定子包括定子铁芯及缠绕于定子铁芯上的定子绕组，所述转子包括永磁体；
电池，为所述无刷直流电机提供电源；
逆变器，被配置为包括多个半导体开关元件并将来自所述电池的电源转换为交流电提供给所述无刷直流电机；和
控制器，被配置为依据以无传感器方式检测出的转子磁场位置，输出驱动信号控制所述逆变器中半导体开关元件的通电方式。
较佳的，所述电动工具为电锯，所述电机的额定输出功率至少为3千瓦。
较佳的，所述电机的最大起动转矩或最大堵转转矩不小于4牛米，最大工作电流小于120安培。
较佳的，所述电池的工作电压范围为30伏特～100伏特，所述无刷直流电机工作时的电流范围为40安培～90安培。
可选的，所述电动工具为电钻，所述电机的额定输出功率为700瓦～1000瓦。
较佳的，所述电机的最大起动转矩或最大堵转转矩不小于3牛米，最大工作电流小于90安培。
较佳的，所述电池的工作电压范围为10伏特～30伏特，所述无刷直流电机工作时的电流范围为20安培～80安培。
较佳的，所述控制器在所述电机的起动阶段与正常运行阶段具有不同的控制模式。
较佳的，所述电动工具还包括一电流传感器，被配置为实时采集流过无刷直流电机的电流，所述电流包括多个驱动电流部分和多个位置检测电流部分，所述电机的起动阶段中所述控制器被配置为至少依据所述电机电流中的位置检测电流部分确定所输出的驱动信号，每一所述位置检测电流部分包括至少两组电流脉冲。
较佳的，所述无刷直流电机在定子的圆周方向上分成若干扇区，每一扇区对应一种定子绕组的通电方式，所述定子绕组的通电方式由逆变器中导通不同的半导体开关元件来控制。
较佳的，在无刷直流电机起动时所述控制器依据所述位置检测电流部分的变化情况确定转子所在的扇区，并根据转子所在的扇区发出驱动信号控制逆变器中与转子所在扇区对应的半导体开关元件导通。
较佳的，在无刷直流电机起动时转子所在扇区定位后，所述控制器根据所述电流传感器采集的位置检测电流部分的变化确定转子是否进入下一扇区，在转子进入下一扇区时控制逆变器中与转子所进入的扇区对应的半导体开关元件导通。
较佳的，当所述电流传感器采集的位置检测电流部分中两组电流脉冲的能量由先大后小变为先小后大时，所述控制器判定转子进入下一扇区。
较佳的，所述控制器还被配置为将电流传感器采集的电流与一预设电流进行比较，如果采集的电流大于预设电流，所述控制器发送驱动信号给所述逆变器，关闭逆变器中的半导体开关元件以关闭无刷直流电机，所述预设电流不超过所述位置检测电流部分的最大电流值的1.4倍。
较佳的，所述逆变器包括若干半导体开关元件，所述若干半导体开关元件均为MOSFET、IGBT或双极型晶体管，或者所述若干半导体开关元件中至少一个为MOSFET、IGBT或双极型晶体管。
较佳的，所述电池为可移动的镍氢电池、锂聚合物电池、燃料电池、太阳能电池或锂离子电池。
较佳的，所述电池为充电电池，所述电池以可拆卸的方式安装在所述电动工具内。
较佳的，所述无刷直流电机为三相或者单相无刷直流电机。
上述电动工具采用大功率的电池作为动力源，使电动工具的重量减轻，避免污染环境，电机起动时起动转矩大，使电机能够在带载的情况下起动，提高了工人的工作效率。
附图说明
附图中：
图1是本发明一实施例的电锯的示意图；
图2是图1电锯的电路框图；
图3是电锯沿定子的圆周方向分成六个扇区的示意图；
图4示出与各扇区对应的流过定子绕组的电流方向示意图；
图5示出图2中的逆变器的一种实现方式的电路图；
图6示出图1中的电流传感器在起动阶段检测的一种电机电流信号。
具体实施方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为便于清晰描述，而并不限定比例关系。
请参考图1及图2，本发明一实施例的电锯100包括壳体8、设于壳体8内为电锯提供电源的电池10、电机60及电机驱动电路，所述电机驱动电路包括电源管理器20、控制器30、驱动器40、逆变器50、过温保护电路70及电流传感器80。所述电机60通过传动机构驱动电锯的伸出壳体8的锯片90，使电锯对木材进行锯截作业。
所述电池10为所述电机60提供电力，本实施方式中所述电池10为锂离子电池，其他实施方式中，所述电池可为其他类型电池，例如镍氢电池、锂聚合物电池、燃料电池、太阳能电池等；所述电池10也可为充电电池，所述电池以可拆卸的方式安装在所述电锯100内。本实施方式中，所述电池10提供的供电电压为30伏特～100伏特，所述电机的输出功率至少为3千瓦。所述电机的工作电流为40安培～90安培之间，最大工作电流小于120安培。
所述电源管理器20与电池10、控制器30及驱动器40连接，用于将电池10提供的电压进行降压处理变为5伏特和12伏特电压，所述5伏特电压提供给控制器30，所述12伏特电压提供给驱动器40。当然，其他实施方式中，根据不同的电机中电子元件的要求，电源管理器30可将电池的电压处理为其他不同大小的电压。
所述驱动器40连接于控制器30及逆变器50之间，所述逆变器50连接电机60。所述逆变器50包括多个半导体开关元件，所述控制器30输出PWM驱动信号控制所述逆变器中的半导体开关元件的通断，以控制电机60的通电方式。所述驱动器40用于将控制器30输出的驱动信号进行升压或者电流放大处理后传送给所述逆变器50。所述驱动器40可以为门驱动器。当然，如果所述控制器30输出的驱动信号足以驱动逆变器50的半导体开关元件时，可以不设置所述驱动器40。
请参考图3，本实施方式中，所述电机60为三相直流无刷电机(BrushlessDirect Current Motor,BLDC)，包括定子和可相对定子旋转的转子，定子具有定子铁心及绕设于定子铁心上的定子绕组。定子铁心可由纯铁、铸铁、铸钢、电工钢、硅钢等软磁材料制成。转子具有永磁铁和散热风扇。所述三相无刷直流电机的定子绕组为三相，分别为U相绕组、V相绕组和W相绕组，本实施方式中以所述三相绕组为Y型连接为例进行说明，U相绕组、V相绕组和W相绕组的一端分别记为U相端子、V相端子和W相端子用以连接逆变器50，U相绕组、V相绕组和W相绕组的另一端均连接至中性点处。
请参考图4，所述电机60在定子的圆周方向上以每60电角度分成六个扇区，也就是说，电机每转过60电角度需要进行一次换相动作。上述实施例虽然以定子绕组为Y形连接方式为例进行说明，具体实施时并不仅仅限于这种连接方式，也可以为三角形方式连接。当然，本发明不限于使用任何特定数目的开关或任何特定数目的绕组的相数，其他实施方式中，电机60也可以是单相、两相或多相无刷电机。
请参考图5，本实施方式中，相应于电机60的三相绕组，所述逆变器50包括六个半导体开关元件，该六个半导体开关元件形成三个桥臂，分别连接电机的三相绕组的三个端子，以实现电机换相时的高速切换。控制U相绕组的两个半导体开关元件包括上臂开关UH及下臂开关UL，控制V相绕组的两个半导体开关元件包括上臂开关VH及下臂开关VL，控制W相绕组的两个半导体开关元件包括上臂开关WH及下臂开关WL。所述驱动器40输出六个驱动信号，用于与每个半导体开关元件的控制端相连，控制每个半导体开关元件的导通和截止，任一时刻，每个桥臂中的两个半导体开关元件是互锁的，即仅有一个半导体开关元件导通。本实施方式中，所述六个半导体开关元件均为MOSFET，每个半导体开关元件均可包括反激式二极管(图中未示出)，防止电机的反激电压击穿半导体开关元件。所有上臂开关的栅极作为半导体开关元件的控制端连接驱动器40，所有上臂开关的漏极均连接至电池10正极以接收电源，所有上臂开关的源极对应连接同桥臂下臂开关的漏极，所有下臂开关的源极相连并接回电池负极。在本实施方式中，该驱动器40为一MOSFET驱动器。其他实施方式中，所述六个半导体开关中可以其中部分为MOSFET，另一部分为绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gatebipolar transistor，IGBT)或双极型晶体管(BJT)，或者所述六个半导体开关元件全部为IGBT或双极型晶体管。
请参考表1，示出了转子位于不同扇区，需闭合的逆变器50中的半导体开关元件。转子在不同扇区，闭合对应的开关，使定子绕组中通过匹配的电流，能使电流产生的磁场以大力矩驱动转子旋转。
表1 转子所处扇区及逆变器中需闭合的半导体开关元件对应关系表
扇区 导通绕组 闭合的半导体开关元件
I U相绕组、W相绕组 UH，WL
II U相绕组、V相绕组 UH，VL
III W相绕组、V相绕组 WH，VL
IV W相绕组、U相绕组 WH，UL
V V相绕组、U相绕组 VH，UL
VI V相绕组、W相绕组 VH，WL
所述电流传感器80连接于三个下臂开关UL、VL、WL的连接点处，用于感测流经三相绕组的总电流。如图6所示，本实施例中该电流中可包括多个驱动电流部分和多个位置检测电流部分，驱动电流部分产生使转子旋转的驱动力，位置检测电流部分对应于转子的位置检测，每一位置检测电流部分包括至少两组电流脉冲。所述电流传感器80还连接所述控制器30以使控制器30获知感测的电流值。电流传感器80较佳的可以由一采样电阻实现。
所述过温保护电路70与所述控制器30相连，包括一热敏电阻，用于感测电机工作时的温度，并将感测到的温度值传送给所述控制器30。
电锯使用时，通常先在空载情况下起动，并进行木材切割，锯片与木材等材料进行快速摩擦，如果木材上面有结节，电锯有时会发生卡死的现象，此时电锯的锯片夹持在木材中，电锯重新开启，系统上电后需要先检测出电机60中转子的初始位置，电机转子的初始定位不仅影响电机的定位精度，而且对电机带负载时的快速起动也会造成较大的影响，转子初始位置决定了逆变器50第一次应触发哪两个半导体开关元件。本实施方式采用检测脉冲转子定位法确定转子的初始位置，电机在起动时先由控制器30输出一系列定位脉冲，本实施方式中为六个脉冲信号，根据电机六次加载脉冲后得到的位置检测电流部分中与各定位脉冲对应的各组电流脉冲的能量大小确定转子位于的扇区，所述控制器30根据转子所在扇区发出相应驱动信号，驱动信号经驱动器40升压或者电流放大后，驱动逆变器60中对应的MOSFET的导通及截止，使与该扇区对应的绕组按照预定的方式通电，这样可以使电机在任何负载条件下，做到大力矩起动。依据本发明实施例的电机的最大起动转矩或最大堵转转矩不小于4牛米。
例如，电锯截锯木材发生卡死后，电机再次上电，由控制器30先后输出使六个扇区对应的开关元件依次导通的六个检测脉冲或六个检测脉冲序列信号，根据电机六次加载脉冲后得到的位置检测电流部分中六组电流脉冲的能量大小确定转子位于第二扇区II，根据表1所述控制器30发出驱动信号控制半导体开关元件UH、VL导通，电池10提供的电压经过U相绕组和V相绕组，产生磁场，使电机在带负载的情况下能够快速并以大力矩起动。电机起动过程中，转速较慢，控制器30在第二扇区对应的半导体开关元件UH、VL的驱动信号和第三扇区对应的半导体开关元件WH、VL的驱动信号中间隔地前后发送两个检测脉冲或两个检测脉冲序列，以确定转子是否由初始扇区进入临近的下一扇区。该两个检测脉冲或两个检测脉冲序列的能量大小相等。更佳的，该两个检测脉冲或两个检测脉冲序列的脉冲宽度与幅值相等。采用脉冲序列时，每一脉冲序列中前后两个脉冲之间的间隔应小于电机被该前一脉冲充电后完全放电的时间。控制器30读取电流传感器80采样的位置检测电流部分，若采样电流的位置检测电流部分中与该两个检测脉冲或脉冲序列对应的两组电流脉冲的能量为先大后小，则判断转子仍在第二扇区时，若采样电流的位置检测电流部分中与该两个检测脉冲或脉冲序列对应的两组电流脉冲的能量为先小后大，则判断转子进入第三扇区。控制器10判断转子转动进入下一扇区后发出驱动信号，控制逆变器50中与转子进入的第三扇区对应的开关元件WH及VL导通，使定子绕组中通过的电流换相，使定子绕组产生的磁场继续驱动转子以相同方向及大力矩旋转。从电锯带载起动到电机达到预定转速如每分钟300转以前，电机处于起动阶段，均以上述的方式控制定子绕组的换相，电机达到预定转速后进入正常运行阶段，定子绕组的换相以判断反电动势过零的方式来实现，即本发明实施例中，控制器在所述电机的起动阶段与正常运行阶段具有不同的控制模式。
电锯工作后，所述电流传感器80还持续对电机60中的电流进行采样，所述控制器30将采样电流与一预设电流进行比较，如果采样电流大于预设电流，判断发生过流现象，所述控制器30发送驱动信号给逆变器50，关闭逆变器50中的半导体开关元件以关闭电机，对电机进行过流保护。较佳的，所述预设电流不超过所述位置检测电流部分的最大电流值的1.4倍。
所述过温保护电路70用于采集电机60工作时的温度，当电机60的温度达到热保护的预设温度时，所述控制器30发送驱动信号给逆变器50，关闭逆变器50中的半导体开关元件以关闭电机60，电机60断电以实现对电机60的过热保护。这样，当存在电源故障、电机超负荷运转的情况时，保证了电机不会由于温度过高而损坏，提高了电机的性能和可靠性。
本发明电锯在带载的情况下实现转子的精确定位和起动，电锯起动时能够产生很大的起动转矩，即使电锯切割时，发生卡死现象后，无需将锯片从夹持的木材中取出，而且电锯从起动至加速阶段仍能够驱动锯片对木材进行切割，提高了电锯的工作效率，减轻了工人的工作负担。
较佳的，本发明电锯采用额定电压为72伏特，输出功率为3.6千瓦的电池10作为动力源，因电池10的功率及电压较大，电锯中各电子元器件选取时要选用极限参数(额定电压、额定功率)较大的元器件，以保证电机工作时的稳定性及可靠性。使用电池为动力源提供电力，使电锯的重量减轻，并能避免污染环境。
本发明中电机中不设置磁传感器或其它转子位置传感器，使电机成本低、结构简单、电缆线及接线终端减少。而且本发明不限于只应用于电锯中，其他以电机驱动的尤其具有大负载的电动工具(如电钻等)同样适用。用于电钻时，所述电机的额定输出功率为700瓦～1000瓦，电机的最大起动转矩或最大堵转转矩不小于3牛米，最大工作电流小于90安培。所述电池的工作电压范围为10伏特～30伏特，所述无刷直流电机工作时的额定工作电流为20安培～80安培。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种电动工具，包括：
壳体；
伸出壳体的工作头；
用于驱动工作头的无刷直流电机，包括定子及转子，所述定子包括定子铁芯及缠绕于定子铁芯上的定子绕组，所述转子包括永磁体；
电池，为所述无刷直流电机提供电源；
逆变器，被配置为包括多个半导体开关元件并将来自所述电池的电源转换为交流电提供给所述无刷直流电机；和
控制器，被配置为依据以无传感器方式检测出的转子磁场位置，输出驱动信号控制所述逆变器中半导体开关元件的通电方式。
2.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具为电锯，所述电机的额定输出功率至少为3千瓦。
3.如权利要求2所述的电动工具，其特征在于，所述电机的最大起动转矩或最大堵转转矩不小于4牛米，最大工作电流小于120安培。
4.如权利要求2所述的电动工具，其特征在于，所述电池的工作电压范围为30伏特～100伏特，所述无刷直流电机工作时的额定工作电流在40安培～90安培。
5.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具为电钻，所述电机的额定输出功率至少为700瓦～1000瓦。
6.如权利要求5所述的电动工具，其特征在于，所述电机的最大起动转矩或最大堵转转矩不小于3牛米，最大工作电流小于90安培。
7.如权利要求5所述的电动工具，其特征在于，所述电池的工作电压范围为10伏特～30伏特，所述无刷直流电机工作时的额定工作电流为20安培～80安培。
8.如权利要求1至7任一项所述的电动工具，其特征在于，所述控制器在所述电机的起动阶段与正常运行阶段具有不同的控制模式。
9.如权利要求1至7任一项所述的电动工具，其特征在于，还包括一电流传感器，被配置为实时采集流过无刷直流电机的电流，所述电流包括多个驱动电流部分和多个位置检测电流部分，所述电机的起动阶段中所述控制器被配置为至少依据所述电机电流中的位置检测电流部分确定所输出的驱动信号，每一所述位置检测电流部分包括至少两组电流脉冲。
10.如权利要求9所述的电动工具，其特征在于，所述无刷直流电机在定子的圆周方向上分成若干扇区，每一扇区对应一种定子绕组的通电方式，所述定子绕组的通电方式由逆变器中导通不同的半导体开关元件来控制。
11.如权利要求10所述的电动工具，其特征在于，在无刷直流电机起动时所述控制器依据所述位置检测电流部分的变化情况确定转子所在的扇区，并根据转子所在的扇区发出驱动信号控制逆变器中与转子所在扇区对应的半导体开关元件导通。
12.如权利要求10所述的电动工具，其特征在于，在无刷直流电机起动时转子所在扇区定位后，所述控制器根据所述电流传感器采集的位置检测电流部分的变化确定转子是否进入下一扇区，在转子进入下一扇区时控制逆变器中与转子所进入的扇区对应的半导体开关元件导通。
13.如权利要求12所述的电动工具，其特征在于，当所述电流传感器采集的位置检测电流部分中两组电流脉冲的能量由先大后小变为先小后大时，所述控制器判定转子进入下一扇区。
14.如权利要求9所述的电动工具，其特征在于，所述控制器还被配置为将电流传感器采集的电流与一预设电流进行比较，如果采集的电流大于预设电流，所述控制器发送驱动信号给所述逆变器，关闭逆变器中的半导体开关元件以关闭无刷直流电机，所述预设电流不超过所述位置检测电流部分的最大电流值的1.4倍。
15.如权利要求1-7中任一项所述的电动工具，其特征在于，所述逆变器包括若干半导体开关元件，所述若干半导体开关元件均为MOSFET、IGBT或双极型晶体管，或者所述若干半导体开关元件中至少一个为MOSFET、IGBT或双极型晶体管。
16.如权利要求1-7中任一项所述的电动工具，其特征在于，所述电池为可移动的镍氢电池、锂聚合物电池、燃料电池、太阳能电池或锂离子电池。
17.如权利要求1-7中任一项所述的电动工具，其特征在于，所述电池为充电电池，所述电池以可拆卸的方式安装在所述电动工具内。
18.如权利要求1-7中任一项所述的电锯，其特征在于，所述无刷直流电机为三相或者单相无刷直流电机。
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