CN1429421A - 用于动力工具的交流/直流斩波器 - Google Patents

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Abstract

一种双模式系统，用来省钱地使由电提供动力的双重绝缘装置(12)比如手持的动力工具和设备运行。该系统包括无电线的电池电源模件(14)，它在无电线模式中提供装置(12)的动力和电流，或者包括一个线路电源模件(16)，它在尺寸同样大小的实体外壳中满足必须的动力和电流的要求，并且可以与电池电源模件(14)互换。线路电源模件(16)包括一个斩波模件(21)，它设有一个不滤波的高效转换器线路，该线路使得斩波模件(21)可以产生受驱动的装置(12)所需要的功率和电流。受驱动的装置的马达(11)的电感(22)用来对斩波模件(21)的输出进行滤波。由斩波模件(21)去掉输出滤波器明显地减少了线路电源模件(16)的成本和尺寸。此外，由于低成本的转换器可供使用，把对于多个电池组和充电器的需求减到最低。线路电源模件(16)包括一个EMI滤波器(15)，用来对交流或直流的输入电力进行滤波。斩波模件(21)对经过滤波的电压进行斩波，提供一系列电压脉冲，这些电压脉冲的直流电压水平适宜于驱动马达(11)。

Description

用于动力工具的交流/直流斩波器
相关申请的交叉参考
本申请是在1999年12月10日提交的美国非临时专利申请序列号NO.09/458285的部分继续申请。
技术领域
一般说来，本发明涉及用电操作的动力工具，更具体地说，涉及携带式的手持动力工具，这些工具可以交替地或者以由自身携带的电源的无电线模式运行，或者以来自传统的交流干线电路或一台交流/直流发电机的有电线模式运行
背景技术
以无电线模式工作的用电操作的装置典型地由一个可移开的电池组供电。该电池组完全地包封一个或多个电池，并提供必要的直流电，用于该装置的运行。从历史上看，无电线的电动装置包括相对较低功率的装置，比如刮胡刀和掌上计算器。电池技术的最新改进使得电池的发展已经可以储存更多的能量，并且能够驱动更高功率的装置。这些装置包括例如携带式的手持动力工具和设备，它们可以在50瓦一直高到几百瓦的功率水平下工作。采用无电线动力装置使得可以在没有传统的交流电源可供使用的区域或者在使用传统的交流电源不方便的区域工作。然而，电池组的有效充电能力和替代的电池组可供使用的能力限制了无电线装置的使用。当电池组放电之后，必须重新充电，或者用一个已经完全充电的电池组替换。因此，为了弥补受到限制的运行时间期限，必须与无电线动力装置一起使用备用的电池组或使用一个可选的有电线的交流转换模件，或者必须提供一个有电线的动力工具。
与它们所用于的动力装置相比，电池和电池充电器都是很贵的，用于高功率应用的电池的成本大约为可使用的动力装置的成本的30％。需要附加的电池使得当电池重新充电时仍可以以无电线模式工作，或者用来替换已经没电的电池。在动力工具工作过程中从电池提取的高功率、电池重新充电的程度、充电/放电循环的次数以及电池重新充电的速度都会造成电池可用寿命的缩短。为了对电池重新充电，典型地必须使用一台快速充电器或者使用一台慢速充电器。快速充电器可能要占电池提供电源的动力工具或设备的成本的相当大一部分。慢速充电器要比快速充电器便宜得多，然而，慢速充电器需要大约半天的时间将一个电池组重新充电。在另一方面，快速充电器可以在大约一小时或更少的时间内将一个电池组重新充电。因此，必须在与大量的电池组一起使用慢速充电器和与非常少的替换电池组一起使用昂贵的快速充电器之间作出权衡。
只在最近才对于携带式的无电线动力工具提供了可选的有电线的交流转换模件。这种交流转换模件连接到一个交流电源上，并把它设计成可以与电池组相互替换。有电线的转换模件把来自交流电源的电力转换成动力装置的马达可以使用的可调节的低电压直流电。这样的装置使得工具的操作者可以如所需要的那样以无电线的电池模式或者有电线的交流模式使用该工具。因此，这样装置的可供使用的能力使得无电线工具的操作者在电池组已经放电之后可以完成任务，或者当电池组正在充电时或者当完全充电的备用电池组不能提供使用时可以继续使用该工具。因此，通过使用有电线的转换模件减少了对于备用电池组的需要。
为了使得比选用附加的电池组或者一个单独的有电线的动力装置更愿意选择有电线的转换模件，必须以可能的最低成本提供所要求的输出功率能力，同时保持装置的高品质。有电线的转换模件的成本在很大程度上与转换模件的输出功率能力有关。输出功率能力越高，成本越高。因此，希望把有电线的转换模件的输出功率能力设计成可以与相应的电池组的输出功率能力相比较。此外，有电线的转换模件的最大外壳必须与可以与它相互替换的电池组的外壳一致。通过使用24伏或更高电压的无电线工具，传统的有电线转换模件的外壳足以满足驱动动力装置比如手持的动力工具所需要的功率水平。在工具电压为18伏或更低的情况下，较小的电池组尺寸对有同样功率的斩波器电路的设计者提出了挑战。因此，对有电线的转换模件的输出功率能力的主要限制是将尺寸和成本降到最低，并且提高可靠性。先前，将有电线的转换模件的成本降到最低的努力集中到使转换模件的输出功率能力满足给定的动力工具的功率要求，随后把所最终的转换模件的部件的成本降到最低。通过设计出满意地驱动动力工具所需要的最低输出功率的转换模件，对于转换器可以选用较低成本的电子部件。然而，仅只选用最低成本的装置典型地只能有少量的成本节省，这些装置将维持所要求的输出功率能力。
为了获得明显的成本节省，通常必须由有电线的转换模件的设计中去掉一些部件。在过去的场地应用中，在传统的有电线的转换模件中用来满足政府的安全要求的电源变压器被去掉(参见美国申请09/458285)。不是采用电源变压器来满足安全要求，而是依赖于双重绝缘的壳体。一般说来，包括电源变压器和电源电感器的功率磁性件是有电线的转换模件中比较昂贵的部件。典型地，传统的有电线的转换模件使用一个电源电感器，与一个输出电容器结合起来，以对施加到动力工具马达上的电压进行滤波。电源电感器典型地是用定做方式设计的装置，与有电线的转换模件的其它部件相比，它是笨重的并且是昂贵的。把来自电源电感器的经过滤波的电压施加到马达上，马达有一定的电感，此电感是马达结构所固有的。使电源电感器的设计与所要求的输出功率能力的匹配达到最佳仅只能实现少量的成本节省。
无电线的动力工具的操作者已经面对电池组和电池充电器的成本，还必须为了他们的动力工具对昂贵的有电线的转换模件投资。作为一个替代方案，当附近有交流电源时，许多人购买有电线的动力工具代替无电线的工具。使用电源电感器与一个输出电容器结合起来对供给到马达的电压进行滤波的成本限制了将有电线的转换模件的成本降到最低的努力。降低有电线的转换模件的输出功率水平可以获得成本的进一步降低，但可能造成动力装置的功率不足。尽管可以采用先有技术对于手持动力工具提供有电线的转换模件，但是，还没有证明能够提供低成本的可以方便地使用的模件。
发明内容
本发明通过以一种独特的方式对马达驱动电压进行滤波来降低成本。本发明利用动力工具马达绕组的电感，而不采用一个分开的输出滤波器。从有电线的转换模件去掉电源电感器和输出电容器显著地降低了模件的成本和重量。低成本的有电线转换模件对于无电线动力工具的操作者提供了当交流电源可供使用时使用有电线电源模件的低成本选择。这消除了购买单独的有电线动力装置的成本，并且降低了必须购买的电池组的数目。
被设计成没有输出滤波器的有电线的电源模件比设计成带有输出滤波器的模件显著地便宜。此外，去掉输出滤波器减轻了模件的重量，使得操作者更舒服。
为了更完整地理解本发明，它的目的和优点，可能不得不参考下面的描述和附图。
附图说明
图1是一个三维视图，部分地示出了把电池电源模件连接到动力装置上的方式；
图2是一个三维视图，部分地示出了把线路电源模件连接到动力装置上的方式；
图3是按照本发明教导的内容构成的工具电源系统的第一种构形的方框图；
图4是信号图，示出了与斩波器模件有关的电压和电流波形；
图5是用于动力装置的电源系统的第二种构形的方框图；
图6是用于动力装置的电源系统的第二种构形的第一实施例的详细方框图；
图7是用于动力装置的电源系统的第二种构形的第二实施例的详细方框图；
图8A是用于动力装置的电源系统的当前优选实施例的详细方框图；
图8B是用于动力装置的电源系统的第三种构形的方框图；
图9是本发明的当前优选实施例的电池电源模件的三维部件分解图；
图10是本发明的当前优选实施例的线路电源模件的三维部件分解图；
图11是电池电源模件的端视图，示出了装接的终端块体；
图12为动力工具终端块体的三维视图，该块体装配到电池电源模件终端块体上和转换电源模件终端块体上；
图13是电池电源模件终端块体与动力工具终端块体之间接口的二维视图；以及
图14是线路电源模件与动力工具终端块体之间接口的二维视图。
具体实施方式
参见图1和2，示出了按照本发明的双模式便携式动力工具12。尽管用一台往复锯12示出和描述本发明，将会认识到：具体的工具仅只是示例性的，它可以是圆锯、钻、砂轮或者是任何其它按照本发明教导的内容构成的类似的便携式动力工具。
动力工具12包括一个工具接口(未画出)，一台直流马达11通过一个齿轮组(未画出)驱动该动力工具。马达11安装在一个壳体91内，该壳体包括由它伸展的一个手把92。一个触发开关93安装在手把92中，在马达11的后面。在优选实施例中的直流马达11适宜于由24伏的直流电源供电，但是也可以使用其它的直流电压系统，比如18伏或100伏的电压系统。在图1所示的第一运行模式中，动力工具12由可移开的电池电源模件14供电。替代地，如在图2中所示出的那样，动力工具12可以由普通的115伏交流线路电源通过一个线路电源模件16供电，该模件适宜于插入到该动力工具中，替代电池电源模件14。此外，动力工具12可以由100伏交流或240伏交流以及由一台直流发电机(未画出)通过线路电源模件16供电。随着对电路的描述，将提供对动力工具12的机械构形的更详细的描述。
参见图3，示出了按照本发明教导的内容构成的工具电源系统的第一实施例。该电源系统包括一个斩波模件21a，它把一个经过整流的交流或直流输入电压转换成施加到马达11上的一个经过斩波的输出电压。在当前的优选实施例中，斩波模件21a采用一种无变压器构形，然而，采用变压器隔绝的构形也在本发明的范围以内，比如前向变压器、半桥变压器，以及反馈变压器。此外，虽然本发明在25kHz的固定频率下运行，但是预计电源系统可以在更高或更低的运行频率下工作，如将在本文件的后面将解释的那样。连接到普通115伏交流电上的线路电源处理装置18提供线路电源。线路电源处理装置18包括一个EMI滤波器15，以衰减高频导通发射，这种导通发射可以由斩波模件21a传导到交流线路上。连接到EMI滤波器15上的一个全波桥式整流器(FWB)17将线路电压整流。斩波模件21a将经过整流的电压斩波，并将经过斩波的电压提供给直流马达11，从而对于动力工具12提供可控的电源。不采用输出滤波装置比如电源电感器和输出电容器来衰减开关频率的交流分量。而是，依靠马达11的电感22对经过斩波的电压进行滤波。图4示出了施加到马达11上的经过斩波的电压Vm和由马达电感22的均化效应造成的马达电流Im。依靠马达11的电感22对输出电压进行滤波不再需要在斩波模件21a内的输出滤波器，由此降低了动力工具12的成本，并且对于线路电源处理装置18只需要较少的体积。电感22的数值强烈地影响所选择的斩波模件的开关频率。最好把斩波模件的开关频率选择成使得流过马达电感22的电流大小的变化比在开关频率下平均电流的大约10％小。然而，把开关频率选择成使得流过马达电感22的电流大小的变化比该电流的大约40％小也在本发明的范围以内。一个控制输入19对于设定斩波模件21a的工作循环提供一个信号，使得把施加到马达11上的平均直流电压保持在马达11的运行范围以内。在此实施例中，控制输入19是由动力工具上的一个触发开关提供的开环信号，然而，通过监测动力工具的参数比如马达电流、反向EMF电压，以及马达速度提供动力工具的闭环控制也在本发明的范围以内。用来监测动力工具参数的传感器包括转速计、马达反向EMF电压监测器、马达电流监测器、马达平均电压监测器以及马达电流变换的DSP。
可以替代地由电池电源模件14对斩波模件21a供电，该模件由一个电池组(未画出)提供直流电压。电池电源模件14连接到斩波模件21a上，代替线路电源处理装置18。在运行中，斩波模件21a对控制输入19作出响应对来自电池电源模件14的直流电压进行斩波，并将该电压提供给直流马达11。与来自交流线路的运行类似，经过斩波的电压在马达11的内部电感22上进行滤波，在马达11的运行范围以内提供一个平均的直流电压。
在图5中示出了按照本发明教导的内容构成的用于动力工具12的电源子系统的当前优选实施例的方框图。该电源子系统包括一个线路电源模件16a，它把线路电源转换成提供给工具模件20的一个经过斩波的电压。替代地，一个电池电源模件14把一个直流电压由一个电池组(未画出)提供给工具模件20。工具模件20有两个运行模式。当连接到线路电源模件16上时，工具模件20把经过斩波的电压由线路电源模件16提供给直流马达11。此外，工具模件20接受与触发开关位置(未画出)相对应的控制输入19，并把对应的PWM控制信号24送到线路电源模件16，以控制经过斩波的电压的工作循环。当连接到电池电源模件14上时，工具模件20对来自电池组的直流电压进行斩波，并把经过斩波的电压提供给直流马达11。控制输入19调节经过斩波的电压的工作循环。
图6中示出了与本发明的原理一致的动力工具电源子系统的第一实施例的细节图。该电源子系统包括一个线路电源模件16a，它把线路电源转换成提供给工具模件20a的一个经过斩波的电压。替代地，一个电池电源模件(未画出)把一个直流电压由一个电池组(未画出)提供给工具模件20a。
线路电源模件16a包括一个EMI滤波器(未画出)和一个全波桥式整流器(FWB)17，用来对输入的线路电源进行滤波和整流。用来重复性地对输入电源进行斩波的一个串联开关26与FWB22的输出和马达11串联地连接。一个斩波控制器28提供一个驱动信号，以控制该串联开关的操作。把一个接口电路30由工具模件20a连接到斩波控制器28。虽然在本发明中接口电路是一个光学耦合器，但是，本发明的范围包括其它的接口电路，比如差分放大器以及信号变压器。接口电路30接收来自工具模件20a的一个工作循环信号24，用于控制串联开关26的工作循环。一电压源32与一个串联电阻33一起对于来自工具模件20a的工作循环信号24提供一条电流路径。一个空运转(或惯性)二极管38在串联开关26不导通的期间内对于马达电流提供一条电流路径。
继续参考图6，工具模件20a有两个运行模式。当连接到线路电源模件16a上时，工具模件20a把经过斩波的电压由线路电源模件16a提供给直流马达11。此外，工具模件20a接受与触发开关(未画出)位置相对应的控制输入19，并把对应的工作循环信号24送到线路电源模件16a，以控制经过斩波的电压的工作循环。当连接到电池电源模件14(图3)上时，工具模件20a对来自电池组的直流电压进行斩波，并把经过斩波的电压提供给直流马达11。控制输入19调节经过斩波的电压的工作循环。
工具模件20a包括一个串联开关34，用来把工作循环信号24送到线路电源模件16a，并且用来对来自电池电源模件(未画出)的直流电压进行斩波。一个工具控制器36对控制输入19作出响应控制工具模件的串联开关34。一个空运转二极管40连接到电池电源模件上，当电池电源模件(未画出)连接到工具模件20a上时对于空运转(或惯性)马达电流提供一条电流路径。把二极管40选择成一个Schottky二极管或其它的快速回复二极管，以便减小导通损失。
参见图6，在线路电源模式下所示出的实施例的运行如下。操作者调节触发开关的位置，以把一个要求的控制输入19提供给工具模件控制器36。对该控制输入作出响应，工具模件控制器控制工具模件串联开关34的操作，此开关交替地在电压源32和串联电阻33上实现短路和打开。当实施打开时，电流流过电压源32、串联电阻33，并到接口线路30的输入。斩波控制器28对来自接口线路的输出信号进行平均，且此输出信号用来控制线路电源模件的串联开关26的脉冲宽度。本领域技术人员将会认识到，本发明的范围包括使斩波控制器28与来自接口线路的输出信号同步，并使用叠加在斩波脉冲上的信号的脉冲宽度驱动串联开关26。对串联开关26接通作出响应，电流由FWB17流过马达11的内部电感和线路电源模件串联开关26，然后返回到FWB17。当串联开关26断开时，随着电流由内部电感22通过马达11并随后返回通过线路电源模件空运转二极管38，正在向上倾斜(ramping up)通过内部电感22的电流开始向下倾斜(ramp down)。
在电池电源模式期间，一个电池电源模件(未画出)替代线路电源模件16a。再一次，操作者调节触发开关的位置，把一个要求的控制输入19提供给工具模件控制器36。对该控制输入作出响应，工具模件控制器控制工具模件串联开关34的操作，此开关交替地接通和断开。在此实施例中采用脉冲宽度调制，然而，本发明的范围包括采用其它调制技术，比如频率调制。当开关34接通时，电流由电池电源模件流过内部电感和马达11，并且流过工具模件串联开关34，然后返回到电池电源模件。当串联开关34断开时，随着电流由内部电感22通过马达11，通过工具模件空运转二极管40，并随后通过电池电源模件跨接线101，正在向上倾斜通过内部电感22的电流开始向下倾斜。这个跨接线101对于低压二极管40和高压二极管38的不一致的额定值是一个关键的解决办法。
参见图7，该图示出了与本发明的原理一致的动力工具电源系统的第二实施例。此第二实施例包括一个用来在线路电源模式期间对线路电源进行斩波的斩波模件16b，以及一个用来在电池电源模式期间对电池进行斩波的工具模件20b。斩波模件16b包括一个FWB17、一个斩波控制器42、一个空运转二极管44以及一个串联开关46。FWB17对120伏60Hz的交流输入电源进行整流。串联开关46对经过整流的线路电源进行斩波，并通过工具模件20b把经过斩波的信号耦合到马达11上。斩波控制器42对来自工具模件20b的一个工作循环信号48作出响应，控制串联开关46。空运转二极管44在串联开关46处于不导通的状态时对于来自马达11的电流提供一条导通路径。
工具模件20b包括一个串联开关50，用来在电池电源模式期间对电池电源进行斩波。采用一个低电压MOSFET作为串联开关50，它的击穿电压比电池电压稍高。在线路电源模式期间，串联开关50持续地接通，以防止线路电压超过装置的击穿电压Vds。把一个门电阻52耦合在工具控制器54与串联开关50之间。工具控制器54提供一个脉冲宽度调制输出，在电池电源模式期间此输出驱动工具模件串联开关50，且工具控制器还在线路电源模式期间把工作循环信号提供给斩波模件16b。把一个二极管58由模件电源口48连接到工具控制器54，用来提供线路电源。将用来把工作循环信号提供给斩波模件16b的一个信号二极管56由模件电源口48连接到串联开关50的输入。把用来在电池电源模式期间提供线路电源的替代源的一个功率二极管60由马达电源输入连接到工具控制器54。把空运转二极管62与马达11平行地连接，通过电池电源模件跨接线(未画出)，用来在电池电源模式期间对于来自马达11的电流提供一条电流路径。
第二实施例的运行与第一实施例的运行类似，区别在于把来自工具模件20b的脉冲宽度信号耦合到斩波模件16b的方法不同。在线路电源模式期间，斩波模件16b迫使工具模件串联开关50持续地接通，并通过模件电源口48把线路电源提供给工具模件16b。当工具模件控制器54的输出处于较高的状态时，信号二极管56被反向偏置，以阻止来自斩波模件16b的电流流入工具控制器54。当工具模件控制器54的输出处于较低的状态时，信号二极管56被正向偏置，容许来自斩波模件16b的电流流入工具控制器54。通过感应工作循环信号48的电流大小的变化，斩波控制器42获得工作循环信息。
参见图8A，此图示出了与本发明的原理一致的动力工具电源子系统的当前优选实施例。此当前优选实施例包括一个用来在线路电源模式期间对线路电源进行斩波的斩波模件16c，和一个用来在电池电源模式期间对电池电源进行斩波的工具模件20c。与第二实施例类似，斩波模件16c包括一个FWB17、一个串联开关46以及一个空运转二极管44。此外，斩波模件16c包括一个斩波控制器64、一个接口线路66以及一个模件电源线路68。斩波控制器64对来自工具模件20c通过接口线路66传递的一个工作循环信号72作出响应，控制串联开关46。
与第二实施例类似，工具模件20c包括一个串联开关50，用来在电池电源模式期间对电池电源进行斩波，还包括一个门电阻52、一个工具控制器54、一个二极管58、一个空运转二极管62、以及一个用来提供线路电源的的替代源的功率二极管60。此外，工具模件20c包括一个信号二极管70，用来把工作循环信号提供给斩波模件16c。把信号二极管70由模件电源线路68连接到串联开关50的输入上，使开关50在线路电源模式期间持续地接通。工具控制器54的输出74连接到接口线路66上，用来提供一个工作循环信号72。
此当前优选实施例的运行与第一实施例的运行类似，区别在于把来自工具模件20c的脉冲宽度信号耦合到斩波模件16c的方法不同。在线路电源模式期间，斩波模件16c的模件电源线路68迫使工具模件串联开关50持续地接通，并把线路电源提供给工具模件16c。当工具模件控制器54的输出74处于较高的状态时，来自输出74的电流通过斩波模件16c的接口线路66，提供工作循环信息。斩波控制器64将脉冲的工作循环信息平均，且做出响应，控制斩波模件的串联开关46。对脉冲的工作循环信息进行平均使得斩波控制器64和工具控制器的工作可以不同步。
参见图8B，此图示出了按照本发明原理的另一个实施例。这一实施例与前面的实施例的不同在于不包括对于电池电源模件和线路电源模件的电源路径是共同的斩波模件。相反，对于电池电源模件14d和线路电源模件16d中的每一个包括一个独特的斩波模件。这种构形在线路电源运行模式期间通过从主要的导通路径去掉一个MOSFET使得效率较高。然而，把一个MOSFET设置在电池电源模件内增加了电池组件所经受到的热量。
电池电源模件14d包括一个电池组件80，用来提供电池电源。一个斩波模件82把电池功率转换成一系列电压脉冲，这些电压脉冲通过工具控制器84耦合到马达11上。把工作循环信号86由工具控制器82耦合到斩波模件82上，用来控制电压脉冲的工作循环。斩波模件82包括一个电压相对较低的MOSFET(未画出)，用来对由电池组件80提供的电压进行斩波。
线路电源模件16d包括EMI滤波器87和FWB88，用来衰减高频分量，并对线路电源进行整流。把FWB88的输出耦合到斩波模件90上，该斩波模件把经过整流的线路功率转换成一系列电压脉冲，这些电压脉冲通过工具控制器84耦合到马达11上。把来自工具控制器82的工作循环信号16d耦合到线路电源模件78的斩波模件90上。在斩波模件90中采用一个电压相对较高的MOSFET(未画出)，用来对通过FWB88提供的经过整流的电压进行斩波。
如在前面描述的实施例中所示出的那样，最好用非变压器隔离的线路电源模件实现本发明，但是，采用变压器隔离也在本发明的范围以内。在先前提交的美国申请09/458285中描述了非变压器隔离的技术。除去掉输出滤波器之外去掉功率变压器使得成本进一步降低，并且还降低了线路的复杂性和尺寸。因此，用不隔离的线路电源模件16实现本发明的优选实施例。如下面将更充分地描述的那样，去掉变压器隔离改变了在动力工具12中所采用的壳体和电源接口的类型。
返回到图1，虽然把当前优选的实施例的动力工具马达11设计成由电压相对较低的直流电源(即，低于42.4伏的直流电源)供电，但是，在该优选实施例中的动力工具12的壳体91仍然与工具的电系统是双重隔离的。如本领域技术人员已经熟悉的那样，为了安全的原因，被设计成用高电压电源比如传统的交流电源工作的动力工具或者有电线的动力工具操作的动力工具典型地被制作成使得工具的壳体与工具的电系统有双重隔离。这样，可以保护工具的操作者在工具的电系统中发生短路的情况下不会受到电击。一般说来，用低电压电源对无电线的或直流供电的工具供电，不需要这样的安全措施。结果，传统的用直流供电的工具不把壳体与工具的电系统隔离。
当然，有许多用直流供电的便携式装置可以替代地由高电压的房间交流电源供电。然而，为了使得可以实现这种交替的工作，交流/直流供电的装置通常采用输出滤波器，与变压器结合起来提供直流输出，该输出与高电压的交流电源隔离起来。该直流输出提供必要的动力，以操作该动力装置。
尽管这个解决方案对于相对较低功率的装置可能是可以接受的，比如便携式的立体声设备，但是，许多便携式动力工具对功率的要求必须使用大的输出滤波器和降压变压器，这些滤波器和变压器不仅体积大而且非常重。结果，可以替代地用房间的交流电供电的直流供电的工具几乎没有提供在商业上销售。
通过提供一个相对较轻的转换器，它有不滤波的输出，用于驱动动力装置，本发明解决了这一难题，通过在图3的当前优选的斩波模件21a中去掉输出滤波器，提供给动力工具12的马达11的输出电压是一系列电压脉冲。使用马达11的电感22对电压脉冲进行滤波，从而施加可以与马达11匹配的平均电压。在该优选实施例中，除了去掉输出滤波器以外还去掉了降压变压器。通过在当前优选的斩波模件21a中去掉变压器隔离，提供给动力工具12的马达的输出电压被看作为115伏的交流电压输入。结果，使工具壳体与动力工具的电系统双重隔离是必须的。当采用降压变压器提供的输出的最大电压幅度大于42.4伏时，双重隔离的壳体也是必须的。
此外，因为当前优选的实施例不采用降压变压器，所以，电源接口设有外凸连接器，这些连接器独特地适用于与在线路电源模件16中的专门凹进的内凹连接器实现电接触，并因而由这些内凹连接器接受电功率。因此，尽管与线路电源模件16有非隔离的结构，仍然要满足对于操作采用高电压电源的动力工具的所有可以使用的安全要求。下面是对在本发明的当前优选实施例中采用的壳体和电源接口的详细描述。
特别地参见图9和11，这些图示出的本发明的电池电源模件14通常包括一个壳体118，一个电池120，在所示出的示例性实施例中该电池为24伏镍镉电池，还包括一个电池组终端块体122。为了使电池电源供应模件14可脱开地安装到工具12上变得容易，把壳体118的上部125形成为包括一对导轨124。这对导轨124适宜于可滑动地容纳在工具12的手把92中形成的共同工作通道113(图1)中。为了进一步地使电池电源供应模件14可移开地安装到工具12上变得容易，壳体118的上部125进一步形成一个凹进部分126。此凹进部分126在结构和操作上是传统的，且把它用弹簧偏置到一个向下的位置，使得可以在插入可充电的电池电源供应模件14时与凹进部分126接合。因此，直到以本发明所涉及的传统方式去掉对插销的弹簧偏置之前，电池电源供应模件14不能移开。
继续参见图9和11，电池组终端块体122包括由刚硬的塑料或其它适当的材料制成的主体部分128，以及多个叶片形的终端130。在所示出的示例性实施例中，电池组终端块体122包括四个叶片终端130。叶片终端130中的两个包括用于电池120的正终端和负终端。第三终端130可以用来监测电池120的温度，而第四终端可以用来识别电池的类型(例如24伏NiCd电池)。如在图11中最清楚地看到的那样，在电池组壳体118的上部125上的两个导轨124中在叶片终端排130的任何一侧上形成一对孔132。下面将描述这些孔的功能。
现在转到图12，此图示出了动力工具12的终端块体134。工具终端块体134的主体也由刚硬的塑料制成，并且把它做成与一排四个U字形的导向槽136一起当把电池组插入工具12中时引导电池电源供应模件14的四个对应的叶片终端130。内凹的连接器138位于导向槽136内，这些连接器适宜于与电池电源供应模件14的叶片终端130接合，并与这些终端实现电接触。虽然所示出的工具终端块体134被设计成用于容纳四个电池组叶片终端130中的每一个的四个内凹的连接器，但是，在工具终端块体134中只使用两个内凹的连接器138，它们适宜于与电池电源供应模件14的正和负叶片终端130接合，而其余的两个电池组叶片终端130只有当把电池电源供应模件14重新充电时才使用。
正和负外凸终端140也连接到工具终端块体134中的正和负内凹终端138上，这些外凸终端通过在导向槽136的排的任何一侧上的终端块体中的开孔142伸出。如下面将随后讨论的那样，正和负外凸终端140用来把工具12电连接到交流/直流转换模件16上。
进而参考图13，该图示出了在电池终端块体122与工具终端块体134之间的接口。当把电池电源供应模件14的导轨124滑进工具壳体中的通道113中时，引导电池组终端块体122与工具终端块体134对准，如图所示。为了进一步使两个终端块体122与134之间适当地对准变得容易，工具终端块体134的主体部分包括一对在横向上间隔开的导轨144，它们适宜于容纳在凹槽146内，这些凹槽设在电池组壳体118中，紧靠在导轨124的下面。进一步把电池电源模件14插入工具12中使得电池电源模件14的正和负叶片终端130穿过在U字形的导向槽136中的开孔，并与工具终端块体134中的内凹连接器138接合。要注意到，正和负外凸终端140同时由工具终端块体134伸进在电池组壳体118的上部12上的导轨124中形成的开孔132中，但是不与在电池电源模件14中的任何终端实现电接触。类似地，其余两个叶片终端130由电池组终端块体122伸进在工具终端块体134中空的导向槽136中。
返回到图2同时参考图10，按照本发明的线路电源模件16适宜于把115伏交流房间电源转换成有24伏平均直流电压的脉冲输出。把优选实施例中的转换器模件16的壳体148构形成与电池电源模件14的壳体118基本类似。这样，壳体148包括在一条纵向上伸展的分离线处连接起来的第一和第二半个夹钳壳。壳体148的上部150包括一对导轨152，它们与电池电源供应模件14的导轨类似，用来与工具壳体中的通道113接合。此上部150也形成一个凹进部分(未画出)，该凹进部分包括一个插销(未画出)，用来防止转换器模件16在无意中移开。壳体148也形成一个凹进部分151，在此凹进部分中采用一个风扇，用于对转换器模件16提供冷却空气流。一个风扇罩147装在风扇145上，用于防止外部的物体妨碍风扇145的运行。在壳体148内几片散热片143实现散热，并冷却所选择的电源转换器部件。
进而参见图14，此图示出了在线路电源模件16与工具终端块体134之间的接口。线路电源模件16包括一对内凹终端154，它们适宜于容纳工具终端块体134的外凸终端140。以与上面关于把电池电源模件14安装在工具12上所描述的方式类似的方式，在转换器壳体148的上部150上的导轨152适宜于用来当把线路电源模件16安装在工具12上时与在工具终端块体134上的在横向间隔开的导轨144接合，以确保在线路电源模件16的内凹连接器154与工具12的外凸连接器140之间适当地对准。
由于在当前优选实施例中线路电源模件16的不隔离的特点，内凹终端154容纳在线路电源模件16的壳体148的上部150内，以满足对安全的要求。在优选实施例中，内凹终端154容纳在线路电源模件16的壳体148内至少8毫米。线路电源模件16把115伏交流电源转换成脉冲电压输出，并且通过内凹终端154送到工具12。当线路电源模件16可操作地安装在工具12上时，工具终端块体134的内凹终端138在电路上是不工作的。
线路电源模件16初始时把低频的交流输入转换成经过整流的电压，随后斩波模件21a把经过整流的电压转换成高频脉冲电压输出，此电压输出有适合于使动力工具12运行的平均直流电压。动力工具12使用马达11的电感22对斩波模件21a的脉冲输出进行滤波，而不在斩波模件21a内包括一个输出滤波器，从而明显地降低了斩波模件21a的成本和重量。
此外，动力工具采用马达11的双重隔离而不采用斩波模件21a的变压器隔离，从而进一步降低了斩波模件21a的成本和重量。
再有，把斩波模件21a设计成有数量相对较少的部件，同时实现有效的转换过程。这进一步增强了斩波模件21a的重量轻且紧凑的特性。斩波模件21a的尺寸进一步使得可以在动力操作的装置比如往复锯12中使用线路电源模件16，直到今天之前，这些装置太小，不能支承和包容提供的功率在至少50瓦以及更高的范围内的转换单元。
还有，尽管斩波模件21a的优选实施例把低频的高电压转换成一个脉冲系列，此脉冲系列的直流电压大小适用于使马达11运行，可以使用斩波器，以通过直接把高的直流电压施加到连接到线路电源模件16的输入上的适当的动力线和插头上，把高的直流电压转换成脉冲系列。这样，动力工具12可以用高直流电压源而不是用电池的低直流电压工作，从而可以节省电池的充电寿命。
可以把斩波模件21a设计成由不是60Hz的120伏的外部交流电源运行。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，也可以把斩波模件21a设计成提供电压脉冲输出，此输出有范围在3.6到48伏直流输出电压。在一个特别的实施例中，可以把斩波模件21a调节成提供一个脉冲输出，它有24伏直流输出电压，此输出是当施加到适当的电源插头和线路上时由50Hz的220伏的外部交流电源获得的。随后可以使用斩波模件21a为动力操作的装置提供省钱的双模式工作能力，这些装置可以在24伏的直流电压下工作。
往复锯12仅只代表许多动力操作的无电线模式装置中的一个示例，这些装置由于本发明的成本有效的双模式工作能力而变得更通用。由本发明的概念增强的动力操作的无电线装置的其它示例包括但不限于：钻、螺丝刀、螺丝刀型钻、冲击钻、夹紧锯、圆盘锯、树篱修剪器、割草机和用电池运行的家用产品，以及类似物。
因此，由上面可以认识到，作为本发明的结果，对于动力操作的装置提供了一种省钱的双模式有电线/无电线系统，用这种系统完全实现了本发明的主要目的。同样清楚的是并且预计在所示出的实施例中可以做出改型和/或改变，而不偏离本发明。因此，显然希望前面的描述和附图对于优选实施例仅只是示例性的，而不是限制性的，并且，本发明的真正的精神和范围将参考所附的权利要求书和它们的合法等价物确定。

Claims (27)

1.一种用于动力工具的有电线/无电线系统，其包括：
可以在预先选定的电压范围内工作的低电压直流动力工具，所述动力工具有：
一个外部部分、一个内部部分、用来在机械上和电路上与有一个电动力源的电源模件配合的预先形成的接口，以及有预先确定的额定值的一个马达，该马达有预先确定的最低电感；以及
把输入的动力由电源转换成适宜于对低电压直流动力工具提供动力的在预定电压范围内的平均直流马达电压的一个斩波模件，所述斩波模件包括可以在预定的开关频率下工作的一个斩波电路，以把输入动力转换成为包括一系列电压脉冲的输出电压，在马达预定的最小电感上对这些电压脉冲进行平均，从而向马达提供平均的直流马达电压。
2.按照权利要求1所述的有电线/无电线系统，其特征在于，其还包括一个无电线的电池电源模件，其在机械上和电路上构形成与动力工具配合并包含一个电池组件，该电池组件的直流电压至少等于适用于对低电压直流动力工具提供动力的预先确定的电压范围的下限，所述电池电源模件对直流动力工具提供动力。
3.按照权利要求1所述的有电线/无电线系统，其特征在于，其还包括一个有电线的交流电源模件，其在机械上和电路上构形成与动力工具配合，所述交流电源模件耦合在交流电源与动力工具之间，使得把来自交流电源的输入动力提供给所述斩波模件。
4.按照权利要求1所述的有电线/无电线系统，其特征在于，所述电压脉冲系列有一个工作循环，且所述斩波模件还包括一个斩波控制器，它可操作的控制斩波开关，使得电压脉冲系列的工作循环是可控的，从而控制施加到马达上的平均直流马达电压。
5.按照权利要求3所述的有电线/无电线系统，其特征在于，其还包括：
用来把动力提供给直流动力工具的一个无电线的电池电源模件，其在机械上和电路上构形成与动力工具配合并包含一个电池组件，该电池组件的直流电压至少等于适用于对低电压直流动力工具提供动力的预先确定的电压范围的下限；
其中，动力工具的预先确定的接口还包括一个实体外壳构形，用来接纳所述有电线的交流电源模件和所述无电线的电池电源供应模件中的任何一个。
6.按照权利要求4所述的有电线/无电线系统，其特征在于，所述斩波模件的输出电压不用变压器与电源隔离。
7.一种用于动力工具的有电线/无电线系统，其特征在于，其包括：
可以在预先选定的电压范围内工作的低电压直流动力工具，所述动力工具包含：
一个外部部分、一个内部部分、用来在机械上和电路上与一个电源模件配合的预先形成的接口；
一个有预先选定的额定值的马达，该马达有预先确定的最低电感和运行速度；以及
一个工具模件，其控制马达的运行速度；以及
一个有电线的斩波电源模件，其将来自电源的线路电源转换成为一系列电压脉冲，这些脉冲有适宜于对低电压直流动力工具提供动力的在预定电压范围内的平均直流电压，所述有电线的斩波电源模件在机械上和电路上构形成连接到电源上，并与低电压直流动力工具配合，所述有电线的斩波电源模件包括可以在预定的开关频率下工作的一个斩波线路，对所述工具模件作出响应，以把线路电源转换成有一个工作循环的所述电压脉冲系列，在马达预定的最小电感上对所述电压脉冲进行平均，从而向马达提供平均的直流马达电压。
8.按照权利要求5所述的有电线/无电线系统，其特征在于，所述斩波线路改变电压脉冲的工作循环，使得平均的直流马达电压改变，从而改变运行速度。
9.按照权利要求7所述的有电线/无电线系统，其特征在于，其还包括：
一个无电线的电池电源模件，其在机械上和电路上构形成与动力工具配合并包含一个电池组件，该电池组件的直流电压至少等于适用于对低电压直流动力工具提供动力的预先确定的电压范围的下限，所述电池电源模件把动力提供给直流动力工具；以及
其中，所述工具模件把来自无电线的电池电源模件的动力转换成为一系列电压脉冲，这些脉冲有适宜于对低电压直流动力工具提供动力的在预定电压范围内的平均直流电压，所述工具模件包括可以在预定的开关频率下工作的一个斩波线路，以把电池电源模件的直流电压转换成有一个工作循环的所述电压脉冲系列，在所述马达的马达预定的最小电感上对所述电压脉冲进行平均，从而向马达提供平均的直流马达电压；
其中，动力工具构形成用来接受来自有电线斩波电源模件或者电池电源模件中的动力。
10.按照权利要求7所述的有电线/无电线系统，其特征在于，所述斩波电源模件对工具模件作出响应，可控制地使电压脉冲的工作循环改变，从而控制平均的直流马达电压，使得可以控制马达的运行速度。
11.按照权利要求10所述的有电线/无电线系统，其特征在于，所述工具模件还包括耦合在斩波电源模件与马达之间的第一开关，所述第一开关有一个导通状态和一个不导通状态。
12.按照权利要求11所述的有电线/无电线系统，其特征在于，当有电线的斩波电源模件配装到动力工具上时，第一开关持续地处于导通状态。
13.按照权利要求11所述的有电线/无电线系统，其特征在于，所述斩波线路包括第二开关，用来把线路电源转换成电压脉冲系列，所述第二开关有一个导通状态和一个不导通状态，其中，在第二开关被切换到导通状态之前的一个预定的时间，把第一开关切换到导通状态。
14.按照权利要求11所述的有电线/无电线系统，其特征在于，所述工具模件还包括一个耦合到斩波电源模件上的导通信号装置，用来提供脉冲宽度参考信号，其中，斩波电源模件设定电压脉冲系列的脉冲宽度，与导通信号相对应。
15.按照权利要求14所述的有电线/无电线系统，其特征在于，所述动力工具还包括一个传感器，用来提供与马达运行速度对应的一个反馈信号。
16.按照权利要求15所述的有电线/无电线系统，其特征在于，由下列的一组中选择传感器：转速计、马达反向EMF电压监测器、马达电流监测器和马达平均电压监测器，以及马达电流变换的DSP。
17.一种用于动力工具的有电线/无电线系统，其包括：
可以在预先选定的电压范围内工作的低电压直流动力工具，所述动力工具包括：
一个外部部分、一个内部部分、用来在机械上和电路上与一个电源模件可互换地配合的预先形成的接口；
有预先确定的额定值的一个马达，该马达有预先确定的最低电感；以及
一个工具控制件，其控制马达的运行速度；以及
一个源电源模件，其把来自电源的电动力转换成为一系列电压脉冲，这些脉冲有适宜于对低电压直流动力工具提供动力的在预定电压范围内的平均直流电压，所述源电源模件在机械上和电路上构形成连接到电源上，并与.低电压直流动力工具配合，所述源电源模件包括一个无滤波器的斩波线路，可以在预定的开关频率下工作，对所述工具控制件作出响应，把电动力转换成有一个脉冲宽度的电压脉冲系列，在马达预定的最小电感上对所述电压脉冲进行平均，从而向马达提供平均的直流马达电压。
18.按照权利要求17所述的有电线/无电线系统，其特征在于，源电源模件包括一个电池电源模件，用来把经过转换的电池动力提供给有电线/无电线系统，所述电池电源模件包括用来提供电动力的一个电池组件和用来把电动力转换成所述电压脉冲系列的一个斩波线路，所述电池组件的直流电压至少等于适用于对低电压直流动力工具提供动力的预先确定的电压范围的下限。
19.按照权利要求17所述的有电线/无电线系统，其特征在于，源电源模件包括一个线路模件，用来把经过转换的线路电源提供给有电线/无电线系统，所述线路模件包括用来提供来自线路电源的电动力的电连接器和用来把电动力转换成所述电压脉冲系列的一个斩波线路。
20.按照权利要求17所述的有电线/无电线系统，其特征在于，源电源模件对工具控制作出响应，可控制地使电压脉冲的工作循环在一个预先确定的运行范围内改变，以控制平均的直流马达电压，从而设定马达的运行速度。
21.按照权利要求20所述的有电线/无电线系统，其特征在于，工具控制还包括一个耦合到源电源模件上的导通信号，用来提供脉冲宽度参考信号，其中，源电源模件设定电压脉冲系列的脉冲宽度，以与导通信号相对应。
22.按照权利要求21所述的有电线/无电线系统，其特征在于，动力工具还包括一个传感器，用来提供与马达运行速度对应的一个反馈信号。
23.按照权利要求22所述的有电线/无电线系统，其特征在于，从下列的一组中选择传感器：转速计、马达反向EMF电压监测器、马达电流监测器和马达平均电压监测器，以及马达电流变换的DSP。
24.按照权利要求17所述的有电线/无电线系统，其特征在于，源电源模件还包括一个电源开关。
25.按照权利要求24所述的有电线/无电线系统，其特征在于，电源开关从下列的一组中选择：MOSFET、IGBT、MCT和BJT。
26.一种对可以在一个预先选定的电压范围内运行的直流动力工具供电的方法，所述动力工具包括暴露的表面和有绕组电感的一个直流马达，此方法包括如下步骤：
确定马达的绕组电感；
提供来自电源的电力；
把电力转换成一系列电压脉冲，这些脉冲有一个工作循环，一个平均电压，并有一个预先确定的运行频率；
选择电压脉冲的运行频率与马达的绕组电感相对应；
设定电压脉冲的工作循环，使得平均电压在适宜于对直流马达提供动力预先选定的范围以内；
把电压脉冲系列耦合到直流马达上，从而由电源对马达提供动力。
27.按照权利要求26所述的方法，其特征在于，其还包括隔离直流动力工具的暴露表面的步骤，以便防止这些表面变成带电的，从而不再需要用变压器隔离电源与电压脉冲系列。
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