CN109150063A - 具有能量回收功能的电动工具 - Google Patents

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Abstract

一种具有能量回收功能的电动工具，包括外壳、置于外壳中的无刷电机、连接到外壳的电池包；以及开关电路。无刷电机用于驱动工作部。电池包通过开关电路连接到无刷电机。开关电路被配置为当无刷电机在转动过程中趋于停止转动时，通过控制该开关电路的通断，使得无刷电机的第一部分制动能量被回收到所述电池包。当电动工具的控制器检测到需要进行减速/停止马达时，通过控制回路动态调整回路的通断占空比，将部分能量回充到电池中。这样就延长了电池的使用时间。

Description

具有能量回收功能的电动工具
技术领域
本发明涉及一种手持式电动工具的电源装置，尤其涉及一种具有节能功能的电动工具电源系统。
背景技术
当今的手提式电动工具常常使用无刷直流电机作为动力源，因为其体积较小且能产生较高效率的输出，并且使用可靠性和寿命相对于有刷电机来说比较优胜。三相无刷直流电机是最常见的无刷电机类型。为了控制无刷电机正常工作，需要使用电机控制器来根据转子的位置(例如通过霍尔传感器或者光电式编码器)来产生相应的脉宽调制(PWM)控制信号，以远高于电机转速的频率来控制电机的持续旋转。
可是，传统的无刷直流电机中，当电机控制器的PWM信号中断的时候，电机的转子不会马上停止转动。相反，由于惯性的作用转子会继续旋转。但是，由于此时定子上的线圈并没有被来自控制器的电流激励，因此转子的继续转动将会由于电磁场变化受到阻力，而转子旋转的动能由于该阻力逐渐转化为热量消散掉。这样的热量意味着电机停转时剩余的机械动能无法被回收再用。
发明内容
因此，本发明的实施例提供了一种改进的电动工具，其能够克服或者至少改善上述的技术问题。
在本发明的一个方面，提供了一种具有能量回收功能的电动工具，包括外壳、置于外壳中的无刷电机，其用于驱动工作部；连接到外壳的电池包；以及开关电路。该电池包通过开关电路连接到无刷电机，并且开关电路被配置为当无刷电机在转动过程中趋于停止转动时，通过控制该开关电路的通断，使得无刷电机的第一部分制动能量被回收到电池包。
优选地，该电动工具还包括控制器。该控制器连接到开关电路以控制开关电路的通断。该控制器还控制开关电路的通断的占空比，从而使得第一部分制动能量以不高于最大允许电压或电流的形式被回收到电池包。
更优选地，控制器通过脉宽调制信号控制开关电路的通断。
在一个变化的实施方式中，通过控制器控制占空比，使得无刷电机的第二部分制动能量以热量的方式散失。
在一个具体实施方式中，开关电路包括六个开关元件。无刷电机为三相电机，其每一相通过两个开关元件分别连接到电池包的正极和负极。
优选地，开关元件为MOSFET或IGBT。
在另一个变化的实施方式中，电池包可拆卸地安装到外壳上。
本发明因此能够通过控制器对开关电路的控制，在电动工具工具减速/停止工作时，将部分能量回收到电池包，从而实现对电池包电力的补充，延长了电动工具使用时间。同时，由于进行了能量回收，因此相当于对电机实行了主动制动，从而缩短了从电机开始减速到完全停止的时间，节省了用户等待的时间，并且减少了在此期间有可能用户会被尚在旋转的工作部(例如钻头)等伤及的可能性。
附图说明
参照本说明书的余下部分和附图可以对本发明的性能和优点作进一步的理解；这些附图中同一个组件的标号相同。在某些情况下，子标记被放在某个标号与连字符后面以表示许多相似组件的其中一个。当提到某个标号但没有特别写明某一个已有的子标记时，就是指所有这些类似的组件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的电动工具的外观示意图。
图2展示了根据本发明的另一个实施例的电动工具内部电路连接示意图。
具体实施方式
本发明的实施例使用了受控制的开关电路来实现电机制动时其动态势能回收为电能。从以下的叙述可以轻易得知本发明的各个实施例所提供的其它不同的好处和优点。
现在参考图1。如图1所示，本发明的第一实施例是一种被设计为手持式的电动工具。该电动工具具有包含主体部20和手柄部28的外壳、以及安装在主体部20内的驱动电机22。驱动电机22被配置为驱动该电动工具中的一个以上的工作部，例如任何类型的中间齿轮机构(未示出)和最终的工具头保持器24。主体部20基本上沿着由驱动电机22的马达轴(未示出)限定的轴向方向延伸。手柄部28被连接为从主体部20沿着大致向下的方向延伸，并且从垂直于轴向方向的垂直方向倾斜。触发器26被配置在手柄部分28上，且触发器26暴露于外部，用于操作以打开/关闭电动工具。在手柄部28的底部，有一个电池包30，其可拆卸地连接到电动工具以向电动工具内的电路供电。该电池包30可为锂离子电池包或者锂电池包。
图2中示出了根据本发明的另一个实施例的电动工具的内部结构。该电动工具具有和上述图1中电动工具类似的部件，包括电池包、电机、外壳、工作部等，在这里不再赘述。如图2所示，在该实施例中电池包50通过开关电路连接到三相无刷电机52。该开关电路包括六个作为开关元件的MOSFET(场效应管)54。这六个MOSFET 54分为三组，每一组包括两个MOSFET 54，分别将电机50的一个相的输入端连接到电池包50的正极端子58和负极端子60。举例来说，图2中所示的MOSFET 54a将电池包50的正极端子58连接到电机52的第一相输入端62a，而MOSFET 54b将电池包50的负极端子60连接到电机52的第一相输入端62a。需要注意的是，MOSFET本身并不使得电机的输入端和电池包的端子永远保持电路连通状态，而是根据该MOSFET的栅极从控制器接收到的信号而定。这里所称的控制器(未示出)即电机控制器，是电动工具的一部分，其通过控制开关电路的通断来使得电机52能够正常工作。控制器例如可以以PCB电路板的方式布置。
在使用过程中，如果电机是处于加速状态(例如从静止到开始旋转，以及逐渐加速至设定转速的阶段)，那么控制器使用脉宽调制(PWM)的信号来对MOSFET 54进行控制。通过PWM信号，电机502的三个相的定子绕组按照一定顺序依次加电，也就是所谓的换向，并且控制器通过诸如霍尔传感器等的装置来判断转子的位置，以确定最佳的换向时机。这样的无刷电机操作过程是本领域技术人员所熟知的，在此不再赘述。
当电动工具的控制器检测到需要使电机52进行减速/停止时(例如用户松开了触发器，或者将输出速度设定为较低水平，或者将输出力矩设定为较高水平等)，则控制器将通过开关电路来动态调整开关电路的通断的占空比。具体来说，在电机52需要停止或者减速而产生趋于停止转动的趋势时，转子不会马上停止转动或者减为所需速度。相反，由于惯性的作用转子会继续旋转。但是，由于此时定子上的线圈并没有被来自控制器的电流激励，因此转子的继续转动将会导致电机52进入发电模式，也就是转子和定子的交互电感会导致电流在定子线圈中产生。
与此同时，控制器在电机52需要停止或者减速的时候仍然使得开关电路间歇性的通断，从而使得电机52的定子线圈中产生的电能量能够通过开关电路选择性地进入电池包50，并且为电池包50充电。具体来说，图2中的箭头56示出了在电机52制动模式下电能量的流动方向。根据电机52的转子相对于定子的方位(例如通过霍尔传感器判断)，开关电路在制动状态下通过相应的MOSFET 54依次连通电机52的第一相输入端62a与电池包50的正极端子58，电机52的第二相输入端62b与电池包50的正极端子58，以及电机52的第三相输入端62c与电池包50的正极端子58。这样的能量流动路径正好和电机正常工作、启动、加速等状态下的能量流动路径相反，从而使得电池包50能够被充电。
但是，控制器在电机52的制动状态下并不会保持某一个MOSFET 54在其对应的整个分周期(例如电机旋转的120°角度范围内)内保持连通，而只是在部分时间内连通，这样的连通时间比重也就是所谓的占空比。控制器通过占空比控制开关电路在制动状态下的连通时间的目的，在于使得回收的电能量不会超出电池包50的充电可接受范围，包括其最大允许的充电电压或电流等。如果对占空比不加控制，而是使得MOSFET 54在整个分周期内连通，则有可能产生过大的回收电流或电压，从而对电池包50造成损害。通过对占空比进行控制，使得只有电机产生的制动能量的一部分被回收，并对电池包50充电，而制动能量的其它部分需要作为热量散失掉。
因此，在介绍了几个实施例之后，本领域的技术人员可以认识到，不同的改动、另外的结构、等同物，都可以被使用而不会背离本发明的本质。相应的，以上的描述不应该被视为对如以下的权利要求所确定的本发明范围的限制。
例如，在上述的实施例中开关电路所包括的开关元件为MOSFET。但是，本领域技术人员可以理解，根据具体应用中电机的功率大小和/或电池包的输出大小，也可以使用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为开关元件。

Claims (7)

1.一种具有能量回收功能的电动工具，包括：
外壳，
置于外壳中的无刷电机，其用于驱动工作部；
连接到所述外壳的电池包；以及
开关电路；
其中，所述电池包通过所述开关电路连接到所述无刷电机；所述开关电路被配置为当所述无刷电机在转动过程中趋于停止转动时，通过控制该开关电路的通断，使得所述无刷电机的第一部分制动能量被回收到所述电池包。
2.如权利要求1所述的电动工具，还包括控制器；该控制器连接到所述开关电路以控制开关电路的所述通断；该控制器还控制所述开关电路的所述通断的占空比，从而使得所述第一部分制动能量以不高于最大允许电压或电流的形式被回收到所述电池包。
3.根据权利要求2所述的电动工具，其中所述控制器通过脉宽调制信号控制所述开关电路的所述通断。
4.根据权利要求2所述的电动工具，其中通过所述控制器控制所述占空比，所述无刷电机的第二部分制动能量以热量的方式散失。
5.根据权利要求2-4中任意一条所述的电动工具，其中所述开关电路包括六个开关元件；所述无刷电机为三相电机，其每一相通过两个所述开关元件分别连接到所述电池包的正极和负极。
6.根据权利要求5所述的电动工具，其中所述开关元件为MOSFET或IGBT。
7.根据权利要求1-4中任意一条所述的电动工具，其中所述电池包可拆卸地安装到所述外壳上。
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