CN113728548A - 用于电动工具的马达制动线圈 - Google Patents

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Abstract

用于制动电动工具的马达的方法和电动工具。一个实施例提供了一种用于制动电动工具的马达的方法。该方法包括使用电动工具的马达控制器根据用户输入操作马达。该方法还包括使用马达控制器检测电动工具的制动事件，并且响应于检测到电动工具的制动事件，使用制动开关将马达制动线圈连接到马达以制动马达。该方法还包括使用马达的部件冷却马达制动线圈。

Description

用于电动工具的马达制动线圈
相关申请
本申请要求于2019年4月25日提交的申请号为62/838,788的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文描述的实施例涉及在电动工具马达的马达制动电路中使用的马达制动电阻线圈。
背景技术
一些电动工具包括制动电阻，其选择性地与马达串联连接以制动马达。例如，图9A和图9B示出了马达组件400的示例。马达组件400包括容纳马达的马达壳体402，马达电路板404，端板406，马达制动电阻器408和散热器410。端板406附接到马达的一端并且包括延伸部412，该延伸部412径向地向外延伸超过马达壳体402的外半径。散热器410设置在端板406的延伸部412上。马达制动电阻器408固定到散热器410的顶部，使得马达制动电阻器408与散热器410处于热传递关系。当要对马达进行制动时，马达制动电阻器408与马达串联联接，从而导致马达的制动。
发明内容
制动电阻器408可以是高成本和大电阻的电阻器，其在制动期间会产生过多的热量，因此需要散热器410来散发该热量。在马达外部添加电阻器408和散热器410使电动工具和马达电路的外形尺寸(form factor)复杂化。此外，电阻器408和散热器410增加了制造电动工具的成本。因此，本文描述的至少一些实施例提供了改进的用于制动马达的技术，其简化了电动工具的外形尺寸并降低了电动工具的成本。
本文描述的电动工具包括壳体，设置在壳体中的马达，向马达提供操作电力的电源，以及连接在电源和马达之间以驱动马达的马达驱动电路。马达驱动电路包括可控制以驱动马达的多个开关元件，马达制动线圈，以及被配置为选择性地将马达制动线圈连接到马达的制动开关。马达制动线圈和制动开关连接在电源和多个开关元件之间。电动工具还包括连接到马达驱动电路的马达控制器。马达控制器被配置为根据用户输入控制多个开关元件以操作马达。马达控制器还被配置为检测电动工具的制动事件，以及响应于检测到电动工具的制动事件，使用制动开关将马达制动线圈连接到马达以制动马达。
在一些构造中，马达制动线圈缠绕在马达的定子上。马达的定子从马达制动线圈吸收热量。在其他构造中，马达制动线圈缠绕在电动工具的部件上，并且该部件吸收从马达制动线圈散发的热量。
在一些构造中，马达包括缠绕在定子的定子齿上的定子绕组。马达制动线圈缠绕在一个或多个定子绕组上。在一些构造中，马达制动线圈产生的热量由马达的风扇产生的气流散热。
本文描述的方法提供为用于制动电动工具的马达。该方法包括使用电动工具的马达控制器根据用户输入操作马达。该方法还包括使用马达控制器检测电动工具的制动事件，以及响应于检测到电动工具的制动事件而使用制动开关将马达制动线圈连接到马达以制动马达。马达制动线圈和制动开关连接在电源和多个开关元件之间。该方法还包括使用马达的部件冷却马达制动线圈。
本文描述的电动工具包括壳体，设置在壳体中的马达，向马达提供操作电力的电源，马达驱动电路，以及马达控制器。马达驱动电路联接在电源和马达之间以驱动马达。马达驱动电路包括可控制以驱动马达的多个开关元件，马达制动线圈，以及与马达制动线圈串联连接的制动开关。制动开关被配置为选择性地将马达制动线圈连接到马达。马达制动线圈和制动开关并联连接到多个开关元件。马达控制器连接马达驱动电路，并且被配置为根据用户输入控制多个开关元件以操作马达，检测电动工具的制动事件，以及响应于检测到电动工具的制动事件，使用制动开关将马达制动线圈连接到马达以制动马达。
在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件布置。本发明能够具有其它实施例并且能够以不同的方式实践或实施。此外，应当理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目。术语“安装”、“连接”、和“联接”被广义地使用，并且涵盖直接和间接的安装、连接、和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接并且可以包括直接或间接的电连接或联接。
应当理解，可以使用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构部件来实施本发明。此外，如在随后的段落中所描述的，附图中所示的特定配置旨在举例说明本发明的实施例并且其他替代的配置也是可能的。除非另有说明，否则术语“处理器”、“中央处理单元”和“CPU”可以互换使用。当术语“处理器”或“中央处理单元”或“CPU”用于标识执行特定功能的单元时，应当理解，除非另有说明，否则这些功能可以由单个处理器或以任何形式布置的多个处理器(包括并行处理器、串行处理器、串联处理器或云处理/云计算配置)执行。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1示出了根据一些实施例的电动工具的侧视图。
图2示出了根据一些实施例的图1的电动工具的框图。
图3示出了根据一些实施例的图1的电动工具的马达驱动电路的框图。
图4示出了根据一些实施例的图3的马达驱动电路(在图1的电动工具的马达制动期间)的框图。
图5A，图5B和图5C示出了根据一些实施例的图1的电动工具的马达。
图6示出了根据一些实施例的图1的电动工具的马达制动线圈的透视图。
图7示出了根据一些实施例的图1的电动工具的马达制动线圈的透视图。
图8是根据一些实施例的制动图1的电动工具的马达的方法的流程图。
图9A和图9B示出了马达组件。
具体实施方式
图1示出了包含无刷直流(DC)马达的电动工具100。在诸如电动工具100的无刷马达电动工具中，开关元件由来自控制器的控制信号选择性地启用和禁用以选择性地施加来自电源(例如，电池组)的电力以驱动无刷马达。电动工具100是无刷锤钻，其具有壳体102，壳体102包括手柄部分104和马达壳体部分106。电动工具100还包括输出驱动器107(图示为卡盘)、扭矩设置刻度盘108、正向/反向选择器110、触发器112、电池接口114和灯116。尽管图1示出了锤钻，但是在一些实施例中，本文描述的马达并入其他类型的电动工具中，包括电钻、冲击起子、冲击扳手、角磨机、圆锯、往复锯、线式修剪机、吹叶机、真空吸尘器等。
图2示出了无刷电动工具100的简化框图，无刷电动工具100包括电源122、马达驱动电路124、马达126、霍尔传感器128、马达控制器130、用户输入132和其他部件133(电池组电量计、工作灯[例如LED]、电流/电压传感器等)。电源122向电动工具100的各种部件提供直流电力并且可以是电动工具电池组，该电动工具电池组是可充电的并且使用例如锂离子电池技术的。在一些示例中，电源122可以从联接到标准壁装插座的工具插头接收交流电力(例如，120V/60Hz)，然后过滤、调节和整流接收到的电力以输出直流电力。每个霍尔传感器128都输出马达反馈信息，例如当转子的磁体旋转经过霍尔传感器的面时的指示(例如，脉冲)。基于来自霍尔传感器128的马达反馈信息，马达控制器130可以确定转子的位置、速度和加速度。马达控制器130还从用户输入132接收用户控制，例如通过按下触发器112或切换正向/反向选择器110。响应于马达反馈信息和用户控制，马达控制器130将控制信号传输到马达驱动电路124以驱动马达126，如参考图3更详细地解释的。尽管未示出，但是电动工具100的马达控制器130和其他部件与电源122电联接，使得电源122向其提供电力。
图3示出了马达驱动电路124的简化框图。马达驱动电路124包括多个高端电力开关元件140(例如，场效应晶体管[FET])、多个低端电力开关元件144(例如，FET)、马达制动开关148(例如，马达制动FET 148)和制动电阻器152(也称为制动线圈152)。马达控制器130提供控制信号以控制高端FET 140和低端FET 144，从而如上所述的基于马达反馈信息和用户控制来驱动马达。例如，响应于检测到触发器112的拉动和来自正向/反向选择器110的输入，马达控制器130提供控制信号以选择性地启用和禁用FET 140和144(例如，顺序地，成对地)，从而导致来自电源122的电力被选择性地施加到马达126的定子线圈以引起转子的旋转。更具体地，为了驱动马达126，马达控制器130在第一时间段内启用第一高端FET 140和第一低端FET 144对(例如，通过在FET的栅极端子处提供电压)。响应于基于来自霍尔传感器128的脉冲而确定马达126的转子已经旋转，马达控制器130禁用第一FET对，并启用第二高端FET 140和第二低端FET 144。响应于基于来自霍尔传感器128的脉冲而确定马达126的转子已经旋转，马达控制器130禁用第二FET对，并启用第三高端FET 140和第三低端FET144。响应于基于来自霍尔传感器128的进一步脉冲而确定马达126的转子已经旋转，马达控制器130禁用第三FET对并返回以启用第一高端FET 140和第三低端FET 144。这种循环启用多对高端FET 140和低端FET 144的序列重复进行以驱动马达126。此外，在一些实施例中，控制信号包括脉冲宽度调制(PWM)信号，其具有与触发器112的触发器拉动量成比例地设置的占空比，以控制马达126的速度或扭矩。
为了停止马达126，马达控制器130使低端FET 144短路(即，启用低端FET 144并禁用高端FET 140)，以允许反电动势流过马达126的马达线圈。反电动势在转子的磁体上提供制动力。对于其中可能希望马达126(例如锯、磨机等)更快停止的电动工具100，使用附加的电阻来制动马达126。如图4所示，马达控制器130控制制动FET 148闭合，从而将制动电阻152连接到马达126的电流路径。与没有制动电阻152的马达驱动电路124相比，制动电阻152吸收过电流并使马达126更快地停止。在所示的示例中，高端FET 140也闭合以允许反电动势从马达126流过高端FET 140，流过制动电阻152并流到接地或负极端子。
参考图5A至图5C，马达126包括定子504，至少部分地定位在定子504内的转子508和风扇512。定子504包括多个单独的金属定子叠片，它们堆叠在一起以形成定子芯516。当叠片堆叠在一起时，定子504包括向内延伸的定子齿520和限定在每对相邻定子齿520之间的槽524。在所示的示例中，定子504包括六个定子齿520并限定六个定子槽524。定子504还包括至少部分地定位在槽524内的定子绕组528。在所示的示例中，定子绕组528包括以三相配置连接的六个线圈528A-528F。定子504包括与定子芯516的前端536相邻的前端盖532和与后端544相邻的后端盖540。每个端盖532、540都包括边缘部分548以及从边缘部分548径向向内延伸的端盖齿552。端盖齿552包括支撑相应的定子线圈绕组528的突起556。风扇512联接到转子轴560以与其共同旋转。风扇512与转子轴560一起旋转以产生冷却气流，该气流循环通过并围绕马达126。冷却气流吸收马达126的部件在操作期间产生的热量。
图6示出了马达制动电阻线圈152a，它是本文描述的制动线圈152的一个示例。在所示的示例中，马达制动线圈152a缠绕在马达126的定子504上。具体地，马达制动线圈152a在前端盖532和后端盖540之间缠绕在定子叠片上。在其他示例中，马达制动线圈152a也可以缠绕在电动工具100的另一个较大的部件上。例如，马达制动线圈152是与用于定子绕组528的线圈类似的线圈。可以从用于定子绕组528的材料上切割出合适长度的线圈以用作马达制动线圈152a。然后将马达制动线圈152a缠绕在定子504上。马达制动线圈152a的端部572和576连接在电源122和制动FET 148之间，如图3所示。
图7示出了马达制动电阻线圈152b，它是本文描述的制动线圈152的另一个示例性实施例。在所示的示例中，马达制动线圈152b缠绕在两个定子绕组528A和528D上。定子绕组528通过例如连续(即，单线)精密的缠绕工艺缠绕在定子芯516上。然后将马达制动线圈152b缠绕在一个或多个定子绕组528上。单个线圈用作马达制动线圈152b并且是例如首先缠绕在定子绕组528A上，然后通过前端盖532或后端盖540连接到定子绕组528D，并缠绕在定子绕组上528D。马达制动线圈可以缠绕成使得端部572和576设置在马达126的同一侧。例如，定子绕组528A-528F的端部设置在马达126的一端，而马达制动线圈152b的端部572和576设置在马达126的另一端。马达制动线圈152b的端部572和576连接在电源122和制动FET148之间，如图3所示。
马达制动线圈152a和152b可以一般统称为制动线圈152。与现成的电阻器(overthe shelf resistor)相比，马达制动线圈152将制动电阻分布在较大的面积上。因此，与现成的电阻相比，马达制动线圈152产生的热量较少。由于在马达制动线圈152中流动的电流而产生的热量在更大的表面积上产生，因此该热量较容易的消散。在图6所示的实施例中，定子504由堆叠在一起的多个金属叠片制成。定子504充当马达制动线圈152a的散热器，以吸收马达制动线圈产生的热量。在图7所示的实施例中，马达制动线圈152b位于由风扇512产生的气流的路径内。风扇产生的气流吸收马达制动线圈152b产生的热量。
另外，由于马达制动线圈152是由用于定子绕组528的相同线圈制成的并且不需要附加的散热器，因此马达制动线圈152导致电动工具100的成本降低。
图8示出了用于制动电动工具100的马达126的示例方法600的流程图。在所示的示例中，方法600包括根据用户输入使用马达控制器130操作马达126(在块610)。如上所述，马达控制器130根据从用户输入132(例如，从触发器)接收的控制信号来操作马达。例如，马达控制器130可以基于用户输入132和从霍尔传感器128接收的马达反馈来执行开环或闭环速度控制。
方法600还包括使用马达控制器130检测电动工具100的制动事件(在块620)。在一些实施例中，当用户释放电动工具100的触发开关(用户输入132)时，马达控制器130检测到制动事件。在其他实施例中，当马达控制器130基于传感器信号确定马达126或电动工具100的操作中的异常(例如，过电流、温度过高或低电压)时，马达控制器130检测到制动事件。
方法600包括响应于检测到电动工具100的制动事件，使用马达控制器130将马达制动线圈152连接到马达126(在块630)以制动马达126。马达控制器130响应于检测到制动事件而控制制动FET 148导通(turn ON)。当制动FET 148导通时，马达126中的过电流通过马达制动线圈152汲取，如以上参考图3和图4所解释的。也如以上所解释的，马达制动线圈152可以缠绕在定子504的定子叠片上(参考图6)或缠绕在一个或多个定子绕组528上(参考图7)。
方法600还包括使用马达126的部件来冷却马达制动线圈152(在块640)。如上所述，马达部件为马达制动线圈152提供冷却。在图6所示的示例中，由流过马达制动线圈152a的制动电流在马达制动线圈152a中产生的热量被定子芯516减少。定子芯516的金属叠片用作散热器以减少马达制动线圈152a中的热量。在图7所示的示例中，由流过马达制动线圈152b的制动电流在马达制动线圈152b中产生的热量被风扇512产生的冷却气流减少。在一些实施例中，热量在马达126被制动之后再次操作马达126及因此风扇512时(例如，响应于进一步的触发器拉动)减少，而不是在制动事件期间减少。
因此，本文描述的各种实施例提供用于电动工具马达的马达制动电路的马达制动电阻线圈。在以下权利要求中阐述了各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种电动工具，其特征在于，所述电动工具包括：
壳体；
设置在所述壳体中的马达；
为所述马达提供操作电力的电源；
马达驱动电路，其联接在所述电源和所述马达之间以驱动所述马达，所述马达驱动电路包括：
多个开关元件，其可控制以驱动所述马达，
马达制动线圈，以及
制动开关，其被配置为选择性地将所述马达制动线圈连接到所述马达，所述马达制动线圈和所述制动开关连接在所述电源和所述多个开关元件之间；以及
马达控制器，其连接到所述马达驱动电路并被配置为：
根据用户输入控制所述多个开关元件以操作所述马达，
检测所述电动工具的制动事件，
响应于检测到所述电动工具的所述制动事件，使用所述制动开关将所述马达制动线圈连接到所述马达以制动所述马达。
2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：
所述马达制动线圈缠绕在所述马达的定子上；以及
所述马达的所述定子被配置为吸收所述马达制动线圈产生的热量。
3.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：
所述马达制动线圈缠绕在所述电动工具的部件上；以及
所述电动工具的所述部件被配置为吸收所述马达制动线圈产生的热量。
4.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述马达还包括：
定子，其具有多个定子齿；以及
多个定子绕组，其缠绕在所述多个定子齿上。
5.根据权利要求4所述的电动工具，其特征在于，所述马达制动线圈缠绕在所述多个定子绕组中的一个或多个上。
6.根据权利要求5所述的电动工具，其特征在于：
所述马达还包括附接成与所述马达的输出轴一起旋转的风扇；以及
所述马达制动线圈产生的热量由所述风扇产生的气流散热。
7.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述马达制动线圈与所述制动开关串联连接。
8.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于，所述马达制动线圈和所述制动开关并联连接到所述多个开关元件。
9.根据权利要求8所述的电动工具，其特征在于，多个开关元件包括多对高端开关元件和低端开关元件，使得所述马达的马达相线圈联接到位于所述高端开关元件和所述低端开关元件之间的节点。
10.根据权利要求9所述的电动工具，其特征在于，当将所述马达制动线圈连接到所述马达时，所述马达控制器控制所述马达制动开关和所述多个高端开关元件闭合。
11.一种用于制动电动工具的马达的方法，其特征在于，所述方法包括：
使用所述电动工具的马达控制器根据用户输入操作所述马达；
使用所述马达控制器检测所述电动工具的制动事件；
响应于检测到所述电动工具的所述制动事件，使用制动开关来将所述马达制动线圈连接到所述马达以制动所述马达，所述马达制动线圈和所述制动开关连接在电源和多个开关元件之间；以及
使用所述马达的部件冷却所述马达制动线圈。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：
所述马达的所述部件是所述马达的定子；
所述马达制动线圈缠绕在所述马达的所述定子上；以及
所述马达的所述定子被配置为吸收所述马达制动线圈产生的热量。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：
所述马达的所述部件是所述马达的多个定子绕组中的一个或多个；以及
所述马达制动线圈缠绕在所述马达的所述多个定子绕组中的一个或多个上。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述马达制动线圈产生的热量由附接成与所述马达的输出轴一起旋转的风扇产生的气流散热。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述马达制动线圈与所述制动开关串联连接。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述马达制动线圈与所述制动开关并联连接到多个开关元件，所述多个开关元件被控制以根据所述用户输入操作所述马达。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多个开关元件包括多对高端开关元件和低端开关元件，使得所述马达的马达相线圈联接到位于所述高端开关元件和所述低端开关元件之间的节点。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，当将所述马达制动线圈连接到所述马达时，使用所述马达控制器控制所述马达制动开关和所述多个高端开关元件导通。
19.一种电动工具，其特征在于，所述电动工具包括：
壳体；
设置在所述壳体中的马达；
为所述马达提供操作电力的电源；
马达驱动电路，其联接在所述电源和所述马达之间以驱动所述马达，所述马达驱动电路包括：
多个开关元件，其可控制以驱动所述马达，
马达制动线圈，以及
制动开关，其与所述马达制动线圈串联连接，并被配置为选择性地将所述马达制动线圈连接到所述马达，所述马达制动线圈和所述制动开关与所述多个开关元件并联连接；以及
马达控制器，其连接到所述马达驱动电路并被配置为：
根据用户输入控制所述多个开关元件以操作所述马达，
检测所述电动工具的制动事件，
响应于检测到所述电动工具的所述制动事件，使用所述制动开关将所述马达制动线圈连接到所述马达以制动所述马达。
20.根据权利要求19所述的电动工具，其特征在于，所述多个开关元件包括多对高端开关元件和低端开关元件，使得所述马达的马达相线圈联接到位于所述高端开关元件和所述低端开关元件之间的节点。
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