CN115157182A

CN115157182A - 电动工具

Info

Publication number: CN115157182A
Application number: CN202110371026.7A
Authority: CN
Inventors: 李光
Original assignee: Nanjing Chervon Industry Co Ltd
Current assignee: Nanjing Chervon Industry Co Ltd
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2022-10-11
Also published as: US20220329197A1; EP4070917A1

Abstract

本发明公开了一种电动工具，包括：无刷马达，包括若干绕组；电源，用于为无刷马达供电；开关，供用户触发，以切换电动工具的开关机状态；驱动电路，具有若干开关元件，以改变无刷马达的转动状态；操作元件，具有第一操作状态和第二操作状态；在操作元件处于第一操作状态时无刷马达绕组的有效磁场的强度，小于操作元件处于第二操作状态时无刷马达绕组的有效磁场的强度；控制器，用于根据操作元件所处的操作状态控制驱动电路中开关元件的导通方式，以调整绕组的有效磁场的强度，改变无刷马达的转动状态。实现了一种能通过改变电机磁场来直接切换档位的电动工具。

Description

电动工具

技术领域

本发明涉及电动工具控制技术领域，具体涉及一种电动工具。

背景技术

通常电工工具的工作档位可通过调节操作开关逐渐升高或者降低以达到满足用户需求或者当前工况的需求，但这种调节具有一定的过程性。例如，若要从正常的较低档位直接提高至最大档位，则需要从当前工作的档位逐渐提高，若要从最大档位降低到正常工作档位也需要逐渐调节开关来降低，从而对于最大档位的调节需求具有一定的过程性即响应不够及时。另外，若工具的目标工作状态例如目标转速高于工具在当前档位下的最高转速时，则该目标转速是达不到的，从而无法满足用户需求。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能通过改变电机磁场来直接切换档位的电动工具。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种电动工具，包括：无刷马达，包括若干绕组；电源，用于为所述无刷马达供电；开关，供用户触发，以切换电动工具的开关机状态；驱动电路，具有若干开关元件，以改变所述无刷马达的转动状态；操作元件，具有第一操作状态和第二操作状态；在所述操作元件处于所述第一操作状态时所述无刷马达绕组的有效磁场的强度，小于所述操作元件处于所述第二操作状态时所述无刷马达绕组的有效磁场的强度；控制器，用于根据所述操作元件所处的操作状态控制所述驱动电路中开关元件的导通方式，以调整所述绕组的有效磁场的强度，改变所述无刷马达的转动状态。

进一步的，所述控制器被配置为：获取所述工作参数；在所述操作元件由所述第一操作状态切换至所述第二操作状态时，基于预设控制方式改变所述驱动电路中开关元件的导通状态，以增强所述无刷马达绕组的有效磁场的强度。

进一步的，所述控制器被配置为：在所述操作元件由所述第一操作状态切换至所述第二操作状态时，输出方波控制信号或类方波控制信号控制所述驱动电路以第一导通方式导通，以降低所述绕组导通的电角度使所述绕组的有效磁场的强度增加。

进一步的，所述控制器包括：电流采集单元，用于采集所述驱动马达的相电流；计算单元，用于根据所述驱动马达的相电流和所述操作元件在所述第二操作状态下的所述驱动马达的第一目标电流确定第一输入电流；控制单元，用于在所述操作元件由所述第一操作状态切换至所述第二操作状态时，基于所述第一输入电流控制所述驱动电路以第二导通方式导通，以增加所述绕组的有效磁场的强度。

进一步的，所述控制器被配置为：在所述操作元件由所述第二操作状态切换至所述第一操作状态时，输出方波控制信号或类方波控制信号控制所述驱动电路以第三导通方式导通，以增强所述绕组导通的电角度使所述绕组的有效磁场的强度降低。

进一步的，所述计算单元，还用于根据所述驱动马达的相电流和所述操作元件在所述第一操作状态下的所述驱动马达的第二目标电流确定第二输入电流；所述控制单元，还在所述操作元件由所述第二操作状态切换至所述第一操作状态时，基于所述第二输入电流控制所述驱动电路以第四导通方式导通，以降低所述绕组的有效磁场的强度。

进一步的，在所述操作元件处于所述第一操作状态时所述无刷马达的转速，大于所述操作元件处于所述第二操作状态时所述无刷马达的转速。

一种电动工具，包括：无刷马达，包括若干绕组；电源，用于为所述无刷马达供电；开关，供用户触发，以切换电动工具的开关机状态；驱动电路，具有若干开关元件，以改变所述无刷马达的转动状态；操作元件，具有第一操作位置和第二操作位置；在所述操作元件处于所述第一操作位置时所述无刷马达绕组的有效磁场的强度，小于所述操作元件处于所述第二操作位置时所述无刷马达绕组的有效磁场的强度；控制器，用于根据所述操作元件所处的操作位置控制所述驱动电路中开关元件的导通方式，以调整所述绕组的有效磁场的强度，改变所述无刷马达的转动状态。

进一步的，所述控制器被配置为：在所述操作元件由所述第一操作位置切换至所述第二操作位置，输出方波控制信号或类方波控制信号控制所述驱动电路以第一导通方式导通，以降低所述绕组导通的电角度使所述绕组的有效磁场的强度增加。

进一步的，所述控制器包括：电流采集单元，用于采集所述驱动马达的相电流；计算单元，用于根据所述驱动马达的相电流和所述操作元件在所述第二操作位置时所述驱动马达的第一目标电流确定第一输入电流；控制单元，用于在所述操作元件由所述第一操作位置切换至所述第二操作位置时，基于所述第一输入电流控制所述驱动电路以第二导通方式导通，以增加所述绕组的有效磁场的强度。

本发明的有益之处在于：通过配合操作元件的状态调控电机磁场的强弱，实现了电动工具在不同档位间的快速切换。

附图说明

图1是本发明实施例电动工具的结构示意图；

图2是一种实施方式中电动工具的电路原理图；

图3是一种实施方式中的一种控制波形示意图；

图4是一种实施方式中电动工具的电路原理图；

图5是一种实施方式中无刷马达的温度变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

需要说明的是，本申请中的电动工具可以是任何可通过操作元件实现两种工作状态的工具，例如，具有Boost键的手持工具，能够通过Boost键切换工具的Boost工作模式和Normal工作模式。其中，操作元件为Boost键，当然也可以是其他类型可供用户触发的元件，例如，扳机、旋钮等。如图1所示是实施例的电动工具，是一种具有Boost键的重载钻。该电动工具100包括壳体101、钻头102、电池包103、Boost键104、开关105。

参考图2所示的电动工具的电路图，可以包括电源10、开关20、操作元件30、驱动电路40、无刷马达50、控制器60、电源转换电路70和参数检测单元80。

在一个实施例中，电源10可以是交流市电。在一个实施例中，电源10也可以图1所示的是电池包103，电池包可由一组电池单元组成，例如，可将电池单元串联成单一电源支路，形成1P电池包，也当然电池包也可以由两组或者更多组电池单元组成。具体的，电源电压通过电源转换电路70转换后能够使控制器60上电。

开关20，连接在电源10的供电回路上，能被用户触发以实现工具100的开关机操作。可选的，开关20可以是按键开关、旋钮开关、扳机或者触屏开关等任何形式的开关。

操作元件30，连接在电源10和控制器60之间，具有两种操作状态，即第一操作状态和第二操作状态。需要说明的，操作元件30的两种操作状态可由用户选择触发。例如，操作元件30为图1所示的Boost键，用户通过按压Boost键可使该元件处于第一操作状态或第二操作状态，如首次按压Boost操作元件处于第一操作状态，再次按压时操作元件处于第二操作状态。可选的，操作元件30可以是电子开关或信号开关或者继电器等。可以理解的是，操作元件30处于第一操作状态时，无刷马达50具有第一工作状态，操作元件30处于第二操作状态时，无刷马达50具有第二工作状态。无刷马达50在不同工作状态下，具有不同的转速和/或扭矩和/或功率和/或有绕组效磁场的强度等参数。在本申请中，操作元件30处于第一操作状态时马达绕组的有效磁场的强度，小于操作元件处于第二操作状态时无刷马达绕组的有效磁场的强度。

在本申请中，操作元件30处于第一操作状态时，马达处于Boost模式即马达的转速最高，而操作元件30处于第二操作状态时，马达处于Normal模式即马达处于正常的工作模式转速。可以理解的是，操作元件30处于第一操作状态时，马达转速高升温也快，可能很快到触发温保护而停机，而操作元件30处于第二操作状态时虽然马达也会有过温保护停机的可能，但此时过温保护的温度阈值低于操作元件30在第一操作状态下马达过温保护的温度阈值。从而，若工具100在操作元件30处于第一操作状态时由于过温保护而停机，需要冷却较长的时间才能再次开机启动，进而影响了工具总的使用时间，且降低用户体验。

因此，在一个实施例中，控制器60可以在操作元件处于第一操作状态即马达处于第一工作状态下，且马达触发过温保护前，控制马达自动转入第二工作状态。可以理解的是，在马达处于第二工作状态时，用户可通过再次触发操作元件而使马达再次进入第一工作状态。具体的，控制器控制无刷马达配合操作元件状态和温度进行状态切换的过程后续将进行详述。

驱动电路40，连接在控制器60和无刷马达50之间，具有若干半导体开关元件以切换电机的通电状态。在一个实施例中，驱动电路40与无刷马达50的各相定子绕组电性连接，用以将电源电流传递至定子绕组以驱动无刷马达50旋转。作为实施例的一种，如图2所示，驱动电路40包括多个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。开关元件的每个栅极端与控制器60电性连接，用于接收来自控制器60的控制信号。开关元件的每个漏极或源极与无刷马达50的定子绕组连接。开关元件Q1-Q6接收来自控制器60的控制信号改变各自的导通状态，从而改变电源加载在无刷马达50的定子绕组上的电流。在一个实施例中，驱动电路40中的开关元件Q1-Q6可以是包括六个可控半导体功率器件（例如FET，BJT，IGBT等）的三相桥驱动器电路，或者是任何其他类型的固态开关，例如IGBT，BJT等。

为了使无刷马达50转动，驱动电路40具有多个驱动状态，在一个驱动状态下无刷马达50的定子绕组会产生一个磁场，控制器60依据马达的转子位置或反电动势并配合操作元件30所处的操作状态输出相应的控制信号至驱动电路40中的开关元件以使驱动电路40切换驱动状态，从而使定子绕组产生变化的磁场以驱动转子转动，进而实现无刷马达50的转动或换相。可以理解的是，控制器60需要根据操作元件30所处的操作状态控制驱动电路40的导通方式，以调整马达绕组的有效磁场的强度，从而能够改变马达的转动状态，使其工作与第一工作状态或第二工作状态。需要说明的是，其它任何能够驱动无刷马达50的转动或换相的电路和控制方式均可用于本公开，本公开对驱动电路40的电路结构和控制器60对驱动电路40的控制不做限制。

参数检测单元80，可用于检测无刷马达50的工作参数，例如，马达的转速、转子位置、相电流或者温度等参数。可以理解的是，参数检测单元80可以集成有多种传感器来检测上述一种或多种工作参数，例如，采样电阻、温度检测电阻等。

下面将结合附图2详细讲述控制器60根据操作元件所处的操作状态控制所述驱动电路中开关元件的导通方式，以调整马达绕组的有效磁场的强度，从而改变无刷马达的转动状态使其工作于与操作元件所处的操作状态相匹配的工作状态。须知，本申请中的第一、第二、第三和第四等并不是对顺序的限制也不具，只是为了命名区分。

由于操作开关处于第二操作状态时，无刷马达处于转速正常的第二工作状态，因此本申请先从操作元件处于第二操作状态的公开说起。具体实现中，若操作开关30处于第二操作状态，即驱动马达工作于正常的第二工作状态时，马达的绕组磁势较强、转速处于正常水平。可选的，电动工具可还以具有调速旋钮（未示出），在操作开关处第二操作状态即马达处于第二工作状态时，用户可通过调速旋钮进行适当的调速，须知在第二工作状态下马达的转速始终小于其在第一工作状态下的转速。事例性的，若用户按压操作开关使其由第二工作状态切换至第一工作状态，控制器60可输出方波或者类方波信号以控制驱动电路以第三导通方式导通。本申请中以图3所示的方波信号为例，在操作开关处于第二操作状态时，控制器输出的方波信号如图3a所示，马达的三相绕组A、B、C在电机转子每转过60°无刷马达执行一次换相。而在操作元件切换至第一操作状态时，方波信号如图3b所示，同样的换相方式，但三相绕组在换相时具有一定的超前电角度，即提前换相了。而超前角在一定程度会降低绕组的磁势，即马达绕组的磁场强度将被减弱，实现了快速提高马达的转速至最高转速即使工具工作于Boost模式下。

在可选实现方式中，如图4所示，若用户按压操作开关使其由第二工作状态切换至第一工作状态，控制器60中的电流采集单元601可以采集驱动马达的相电流，计算单元602可根据上述马达反馈的相电流和操作元件在第一操作状态下马达应该具有的第二目标电流进行运算处理，从而得到第二输入电流；可以理解的，控制单元603可将第二输入电流作为控制信号控制驱动电路以第四导通状态导通，从而降低马达绕组的有效磁场的强度，将马达转速快速提高至Boost模式下的目标转速。

在本申请中，针对具有最高档工作模式的电动工具而言，通过方波或电流反馈实现弱磁的效果，保证了马达可以快速到达目标转速，避免了转速提不上去的情况发生。

接下来，若操作元件30开始处于第一操作状态即Boost状态，控制器检测到操作元件由第一操作状态切换至第二操作状态，则可以根据预设控制方式控制驱动电路中的开关元件改变导通状态，以增强所述无刷马达绕组的有效磁场的强度，从而降低马达转速。可先的，操作元件由第一操作状态切换至第二操作状态可以是用户按下操作元件触发的状态切换，也可以是工具由于某些原因自动触发状态的跳转切换。

在可选实现方式中，在所述操作元件由所述第一操作状态切换至所述第二操作状态时，控制器可以输出方波控制信号或类方波控制信号控制所述驱动电路以第一导通方式导通，以降低所述绕组导通的电角度使马达绕组的有效磁场的强度增加。

在可选实现方式中，在所述操作元件由所述第一操作状态切换至所述第二操作状态时，控制器中的电流采集单元用以采集驱动马达的相电流；计算单元，用于根据驱动马达的相电流和操作元件在第二操作状态下的驱动马达的第一目标电流确定第一输入电流；然后，控制单元基于该第一输入电流控制驱动电路以第二导通方式导通，以增加马达绕组的有效磁场的强度。

可以理解的是，通过增强马达绕组的磁场强度，达到了降低弱磁的效果，从而降低了马达的转速。

在本申请的一个实施例中，无论操作元件30开始处于第一操作状态还是由第二操作转台转入了第一操作状态，由前述内容可知，在操作元件的第一操作状态下驱动马达处于最高转速的第一工作状态，马达转速高升温也快，经很快触发过温保护而停机。为尽量增加工具的总使用时间，在操作元件30处于第一操作状态下即马达工作于第一工作状态时，控制器60可以获取参数检测单元检测到的驱动马达的工作参数，若工作参数大于或等于参数阈值，则控制器60输出方波或者类方波信号以控制驱动电路以第一导通方式导通，操作元件自动跳回第二操作状态即马达自动切换至第二工作状态。

事例性的，在工具处于Boost档时，马达温度超过温度阈值，则控制器控制马达自动切换至Normal档。参考图3所示的方波信号，操作元件处于第一工作状态时，方波信号如图3b所示具有一定的超前角，则在操作元件切换至第二操作状态时，控制器通过输出如图3a所示的方波信号降低超前角，降低弱磁效果，即增强马达绕组的有效磁场的强度，来降低马达的转速。

在可选的实现方式中，操作元件在第一操作状态下，且马达的工作参数大于或等于参数阈值时，计算单元601可以根据驱动马达的相电流和操作元件在第二操作状态下的驱动马达应该具有的第一目标电流确定第一输入电流。进而控制单元603可以基于上述第一输入电流控制驱动电路以第二导通方式导通，以增加马达绕组的有效磁场的强度，以降低马达转速使之处于正常水平。

需要说明的，上述参数检测单元检测到的驱动马达的工作参数为马达的发热温度，假设在马达在第一工作状态下的过温保护温度阈值为T1，在第二工作状态下的过温保护温度阈值为T2，则T1＞T2，即两种状态下过温保护停机后的工具的冷却时间是不一样的。在本申请中，将操作元件由第一操作状态自动切换至第二操作状态的温度阈值设定为马达在第一工作状态下的温保护温度阈值T1。事例性的，参考图5，操作元件30处于第一操作状态即Boost状态，马达将迅速升温至阈值T1（如图5a所示，T1为70°），之后再冷却工具较长时间后才能继续使用。基于本公开的方案若操作元件处于Boost状态，参数检测单元检测到马达温度达到T1，则控制操作元件跳回第二操作状态即Normal状态，马达在第二工作状态下温度继续升高至T2（如图5b所示，T2为90°）则停机。对比图5a和图5b可知，相比于Boost状态下过温保护直接停机的控制，本申请在Boost状态下切换至Normal状态，工具总的工作时间增加了t0，同时也提高了用户体验。

在一个实施例中，参数检测单元还可以检测检测电源10和/或控制器所在控制电路板的相关参数，例如检测电池包温度或者电路板的温度或者电路板上开关元器件的温度等。因此，控制器60可以根据电池包的温度或者电路板的温度控制操作元件从第一操作状态切换至第二操作状态。需要说明，由于检测对象的不同，控制操作元件转换操作状态的温度阈值也不同，可以根据实际情况进行确定，此处不做详述。

在本申请的另一个实施例中，操作元件30具有第一操作位置和第二操作位置，控制器可以根据操作元件所处的操作位置通过预设的调整方式调整马达绕组的磁场，操作元件能根据用户的触发操作从第二操作位置调整至第一操作位置，也能根据马达的温度控制操作元件从第一操作位置自动跳转至第二操作位置。具体的控制过程可以参将上述实施例中的描述，此处不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种电动工具，包括：

无刷马达，包括若干绕组；

电源，用于为所述无刷马达供电；

开关，供用户触发，以切换电动工具的开关机状态；

驱动电路，具有若干开关元件，以改变所述无刷马达的转动状态；

操作元件，具有第一操作状态和第二操作状态；

在所述操作元件处于所述第一操作状态时所述无刷马达绕组的有效磁场的强度，小于所述操作元件处于所述第二操作状态时所述无刷马达绕组的有效磁场的强度；

控制器，用于根据所述操作元件所处的操作状态控制所述驱动电路中开关元件的导通方式，以调整所述绕组的有效磁场的强度，改变所述无刷马达的转动状态。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

所述控制器被配置为：

在所述操作元件由所述第一操作状态切换至所述第二操作状态时，基于预设控制方式改变所述驱动电路中开关元件的导通状态，以增强所述无刷马达绕组的有效磁场的强度。

3.根据权利要求2所述的电动工具，其特征在于，

所述控制器被配置为：

在所述操作元件由所述第一操作状态切换至所述第二操作状态时，输出方波控制信号或类方波控制信号控制所述驱动电路以第一导通方式导通，以降低所述绕组导通的电角度使所述绕组的有效磁场的强度增加。

4.根据权利要求2所述的电动工具，其特征在于，

所述控制器包括：

电流采集单元，用于采集所述驱动马达的相电流；

计算单元，用于根据所述驱动马达的相电流和所述操作元件在所述第二操作状态下的所述驱动马达的第一目标电流确定第一输入电流；

控制单元，用于在所述操作元件由所述第一操作状态切换至所述第二操作状态时，基于所述第一输入电流控制所述驱动电路以第二导通方式导通，以增加所述绕组的有效磁场的强度。

5.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

所述控制器被配置为：

在所述操作元件由所述第二操作状态切换至所述第一操作状态时，输出方波控制信号或类方波控制信号控制所述驱动电路以第三导通方式导通，以增强所述绕组导通的电角度使所述绕组的有效磁场的强度降低。

6.根据权利要求4所述的电动工具，其特征在于，

所述计算单元，还用于根据所述驱动马达的相电流和所述操作元件在所述第一操作状态下的所述驱动马达的第二目标电流确定第二输入电流；

所述控制单元，还在所述操作元件由所述第二操作状态切换至所述第一操作状态时，基于所述第二输入电流控制所述驱动电路以第四导通方式导通，以降低所述绕组的有效磁场的强度。

7.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

在所述操作元件处于所述第一操作状态时所述无刷马达的转速，大于所述操作元件处于所述第二操作状态时所述无刷马达的转速。

8.一种电动工具，包括：

无刷马达，包括若干绕组；

电源，用于为所述无刷马达供电；

开关，供用户触发，以切换电动工具的开关机状态；

操作元件，具有第一操作位置和第二操作位置；

在所述操作元件处于所述第一操作位置时所述无刷马达绕组的有效磁场的强度，小于所述操作元件处于所述第二操作位置时所述无刷马达绕组的有效磁场的强度；

控制器，用于根据所述操作元件所处的操作位置控制所述驱动电路中开关元件的导通方式，以调整所述绕组的有效磁场的强度，改变所述无刷马达的转动状态。

9.根据权利要求8所述的电动工具，其特征在于，

所述控制器被配置为：

在所述操作元件由所述第一操作位置切换至所述第二操作位置时，输出方波控制信号或类方波控制信号控制所述驱动电路以第一导通方式导通，以降低所述绕组导通的电角度使所述绕组的有效磁场的强度增加。

10.根据权利要求9所述的电动工具，其特征在于，

所述控制器包括：

电流采集单元，用于采集所述驱动马达的相电流；

计算单元，用于根据所述驱动马达的相电流和所述操作元件在所述第二操作位置时所述驱动马达的第一目标电流确定第一输入电流；

控制单元，用于在所述操作元件由所述第一操作位置切换至所述第二操作位置时，基于所述第一输入电流控制所述驱动电路以第二导通方式导通，以增加所述绕组的有效磁场的强度。