CN1894847A

CN1894847A - 用于电动工具的变速电机的控制装置

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Publication number: CN1894847A
Application number: CNA2004800017990A
Authority: CN
Inventors: 保罗·安德罗
Original assignee: Positec Group Ltd
Current assignee: Positec Group Ltd
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: DE112004000127T5; CN100590962C; WO2004064243A1; US20060113930A1; ITVI20030002A1

Abstract

一种用于电动工具的变速电机的控制装置，包括电子驱动单元连接到电源的接线端给至少一个电机供电，光学开关装置触发所述的电子驱动单元。光学开关装置包括光发射装置和探测光并把光转换为电子变化信号的光转换装置，光转换装置连接到电子驱动单元以便控制至少一个电机，其中光发射装置包括至少一个发光二极管通过小型电源回路并联到电源接线端，所述的至少一个发光二极管是白光，高亮度发光二极管，当所述的电机是直流电机时，在所述的小型电源回路中包括一个输入电阻保护所述的至少一个发光二极管，当所述的电机是交流电机时，在所述的小型电源回路中至少包括一个电容通过转换电压相位和电流相位使之相差90度产生电容性移相，使得电容浪费的电能为零。

Description

用于电动工具的变速电机的控制装置

技术领域

本发明是涉及一种控制变速电机的控制装置。本发明的控制装置特别应用于手持式电动工具领域，如电钻、锤钻、电圆锯、往复锯、曲线锯、电木铣、电刨、砂光机和磨砂机等等，以及其他小型电动器械。

背景技术

操作控制装置的扳机通常装在电动工具的手柄上，这样便于操作者在握住工具的时候能用一个或几个手指来操作扳机。这种控制装置通过启动电机，调节其转速从零至最大进而操作电动工具。

以上提及的控制装置一般都包括一个机械主开关以连接主电源到一个控制电路上，可变电阻或电位器机械地连接到控制装置上，电源回路由所述的电位器通过一个电网触发。有时，控制装置可以进一步包括一个机械开关，该机械开关在扳机偏移的末端操作从而绕开电路，直接将电机连接到主电源上从而得到电机的最大转速。

在这样一个控制装置中，电位器通常由一个电阻性金属制成的电阻导轨及其上面可滑行的滑动臂组成。

操作控制装置，操作者改变施加在扳机上的压力，也即扳机的偏移量来增加或降低电机转速。通过改变所述的压力，滑动臂沿着所述的电阻导轨移动使得电阻值改变，从而改变了电机转速。

虽然在工业上广泛应用，但是这种触发开关仍然有几个缺点。电阻轨道容易磨损；为了确保滑动臂和电阻导轨可靠的电联接，必须在它们之间提供一定的负载。而这种负载又增加了它们之间的摩擦力使得它们更容易被磨损。

大多数电动工具在布满灰尘的、潮湿的环境中使用，如建筑工地，院子，车间等等。灰尘和湿气使得滑动臂和电阻导轨间的电联接更加恶化。特别是小的灰尘颗粒增加了摩擦因而加快了磨损。

温度的变化导致了装置中金属部分热膨胀，从而影响了电联接。

振动-所有电动工具和小器械的典型特征-能够导致滑动臂和电阻导轨间的小间隙，因而影响了设备的功能。

最后，以上提及的问题带来的后果是给操作者提供了一种很差的操作连接，因为速度的变化不能被操作者至始至终很容易的控制。电阻导轨初始的磨损及操作者施加在扳机上的压力变化将导致电机转速非线性的变化(速度呈“台阶式”变化)。进一步的磨损导致的间隙会使得扳机在某些位置不能触发电机通电。

事实上，广泛的统计数据表明电动工具失效的首要的原因是触发开关装置。具体的讲，根据行业反馈的数据，大概百分之七十的电动工具缺陷率是由触发开关装置的故障引起的。

除了以上提及的缺陷外，另一个所涉及的功能问题是这样的触发装置的整体尺寸。尤其是装在手柄位置的触发开关应该有舒适的满足人机工程学要求的合理尺寸。根据人机工程学说，适合欧洲和北美成年男子握柄的理想尺寸是40mm到43mm。根据现有技术，以上描述的传统开关装置做不到理想尺寸那么小。这种不便利对目前快速增长的女性电动工具使用者来说更加突出。由于受以上提及的尺寸限制的缘故，适应女性手掌要求的开关握柄，在目前还无法实现。

不用电流接触控制的变速装置可以克服以上提及的大部分的问题。因为这种装置的控制功能能够通过几种方式实现，如磁场的变化，电解电容的变化或电磁波的变化来实现。

在这些可能的解决方案中，电磁性元器件和电容性元器件都是必需的，而它们又受工作环境中通常会有的磁场的影响，如：封闭的金属、电子器件和机械-甚至是电动工具本身的电机产生的电磁场和电刷产生的电火花都会给它们带来影响。

出于以上考虑，似乎最好的解决方案是利用“光学”的方法。一个基于光放射器、光转换器和位于此两者之间的光遮挡器的光学系统连接到扳机上。简而言之，就是光发射器产生的光束被转换器接收接收。转换器把一定数量的光转换成预定的电信号。通过移动光遮挡器来改变转换器接收到的光数量，使得转换器产生相应变化的电信号。

这种光控制装置由于没有用到摩擦接触不会带来滑动臂的磨损，把灰尘的影响降到了最低，同时也降低了热膨胀带来的影响。

这种驱动电机的光控制装置，在美国专利US3736479、US3582744、US3857077，欧洲专利EP381094和中国专利CN2069181中都有揭示。

然而，这些已知的光学设备在光发射器使用球形灯和/或氖灯的情况下，不能被很好的应用到手持式电动工具中。

使用球形灯的主要限制是相对于相对较小的手柄来说尺寸较大，产生过多的热量，对振动太敏感，比传统的滑动接触的寿命更短，导致频繁的更换，然而这种更换因为扳机常常是装在电动工具的里面而十分麻烦。

使用氖灯的主要限制是尺寸太大，对振动敏感，光谱有限，从而导致适时驱动接收装置的能力有限。

当然，发光二极管(LED)也可用做光发射器。然而，目前为止这种装置的使用还限于单色的发光二极管(如：红色、绿色或黄色)，它们有限的光谱很难驱动接收装置，除非使用多个发光二极管来增加光的强度。显然，使用多个发光二极管会对触发开关的尺寸带来很大的影响。

在这些解决方案中还有一个缺点是与供电电路有关。事实上，发光二极管的工作电压很低(大约2伏)，这就需要一个变压器来持续降低主电压(110/230V)，而这样一个变压器受尺寸限制将很难装到手持式电动工具中。另一种给发光二极管供电的方法是使用电阻分压器，但是这种方法也有一个散热的问题，而且会浪费更多的能量。而且，采用多个发光二极管会产生较大的光束，从而要求使用大的遮挡器，很难被装配到有限的空间里。

发明内容

本发明首要的目的是提供一种速度控制装置的新设计，从而克服以上提及的现有技术的缺点。

本发明一个特别的目的是为诸如电动工具之类的器械，提供一种速度控制装置，能够使用更加有效、可靠，且相较现有技术的电动工具和其他器械而言，工作寿命延长，工作精度提高。

本发明另一个目的是提供一种速度控制装置，能够降低热环境、灰尘和机械振动带来的影响。

本发明还有另一个目的是特别为电动工具提供一种速度控制装置，使得手柄的尺寸相当大地减小，从而更加符合人机工程。

上述这些目的通过一种为电动工具设计的速度控制装置来实现，根据权利要求1所述的速度控制装置包括与电源线相连的用于为至少一个电机和用于触发所述驱动电路的光学开关装置供电的驱动电路。所述的光学开关装置包括光发射装置和把光转换为可变电信号的光转换装置，所述的光转换装置可操作地连接到所述的电子驱动电路上以便控制所述的至少一个电机，其中所述的光发射装置包括白光及通过一小型电源回路并联到电源线上的高亮度发光二极管。

得益于宽的光谱和白光发光二极管的高亮度，即使是光发射装置的尺寸减少，光转换器也能很容易的被激发。

此外，高亮度的发光二极管产生的光束相对较窄，可以使用小尺寸的光遮挡器，很容易地装配在电动工具狭小的手柄或握柄中。

另外，由于发光二极管的输入电压的供电回路尺寸变小，使得整个装置能够与手持式电动工具一体化。

具体的讲，当至少一个电机是交流电机时，小型电源回路包括电容性移相电源。

电容性移相电源包括至少一个电容和给所述的二极管提供临界电压的输入电阻。

做为一种可替代方案，当电机是直流电机时，小型电源回路包括一个电阻。

光也可以是由一对小型发光二极管如经过特别设计和应用的表面贴装元器件(SMD)所发出。光被放置在发射器的光谱辐射源中心的小型表面贴装元器件接收装置捕捉到，并能通过放置在光发射器和光接收器中间的可移动的光遮挡器来调整。

当发光二极管的供电是通过很小的电源回路提供电容性移相电源(用于交流电机)，或者是通过小的电阻(用于直流电机)，这种速度控制装置的效率很高；这两种电源都能够很容易的装配在狭小有限的空间里。所述的电容性相移电源作为一个分压器工作，其电压相位比电流相位超前90°，使得电容浪费的能量为零。

本发明的速度控制装置能够驱动交流电机的驱动控制电路(双向三端晶闸管)和直流电机的控制电路(场效应晶体管)。

除了能避免任何机械运动连接，本发明的控制装置还有以下技术优势：该装置是耐磨的，它的光发射器有着超长寿命(超过100,000小时)，远远高于电动工具本身的寿命；它对潮湿、振动和热变化不是很敏感。此外，该装置对灰尘敏感度也很低，即使在最坏的情况下也只能减少一些光传递的数量，而这只是一些不损害功能的小毛病，轻轻地在触发开关上增加一点压力就能够使该装置被调整。

此外，本发明的控制装置还有以下人机工程上的优点：操作者与机器间的界面得到了改善，光遮挡器能被设置得展示速度变化曲线，使操作者更加便利地进行精确的速度控制，而且触发开关的尺寸也可以大大的减小使得很容易地装配到符合人机工程学的握柄中。

本控制装置会给最终的产品成品的成本带来一定增长，但是这样的成本增长相对整个机器的寿命延长来说是微不足道的。

附图说明

根据本发明，结合附图详细说明了一些较佳的，但是非唯一的速度控制装置的实施例，附图所给的示例是非限制性的，可以更好的理解本发明的特征和优点：

图.1是本发明速度控制装置的第一个实施例的电路图；

图.2是本发明速度控制装置的第一个实施例的电路图。

具体实施方式

参照附图，变化和控制电机M的速度或其他参数的速度控制装置都用数字1指示。

电机M可以是装配到任何手持式电动工具或其他小尺寸或小型电动器械的任何交流或直流电机。

如图.1所示的实施例中，电机M是交流电机，它通过速度控制装置1连接到电源V的接线端2、3上。电源V的电压与供电电压相等，即欧洲230伏，北美115伏。

电源开关4可串行连接到电源V的接线端2上，以达成可选择的导通速度控制装置1和电机M的电流。

施加给电机M的电能由一个串联在电路6上的电子驱动单元5控制。

速度控制装置1包括一个光学开关7来触发驱动单元5。更准确的说，光学开关7包括并联于电源的光发射装置8和把光转换为变化的电子信号的光转换装置9。

光转换装置9可以是一种用于探测光并把光转换为电子信号的光敏电阻。光敏电阻9和电阻R1并联，顺序连接到驱动单元5上，向驱动单元5传递电子信号从而控制电机M。驱动单元5的输出信号传递到晶体管装置11，如双向三端晶闸管(TRIAC)，该晶体管装置11并联一个充电开关12，它的输出信号传递给交流电机M，驱动电动工具运转。

可移动的遮光器或遮挡器10设置在光发射装置8和光敏电阻9之间，并机械连接到扳机上，扳机可滑动或转动地安装在手柄或握柄上便于使用者的手指操作。

根据本发明，光发射装置8至少包括一个，最好是两个白光、高亮度的二极管或发光二极管，分别用D1、D2标识，通过一个小型电路与电源并联。

该小型电路包括一个电容C和一个输入电阻R2。电容C给发光二极管D1、D2电压，使得这些发光二极管并联，电源正、负半波分别加到两个发光二极管上，使其交替工作，产生连续的光。

电阻R2用以保护发光二极管D1、D2。

在使用中，使用者操作扳机使得遮挡器10移动，通过耦合光敏电阻9从而发出电子信号来驱动驱动单元5；它们接收到发光二极管D1、D2发出的，经过遮挡器10有选择的遮蔽的光，并把它转换为成比例的电子信号传递给驱动单元5。

驱动单元5驱动晶体管装置11发出驱动信号和适当的输入电流给电机M。

在实际应用中，根据光敏电阻9接收到的光信号的变化和驱动单元5的逻辑控制，双向可控硅开关元件11能给电机M供应电流，所供电流与电源通过开关4形成的电流波的每半个周期能达到的不同相位角一致。

放置在发光二极管D1、D2和光敏电阻9之间的可移动的遮挡器10的形状很容易根据电动工具或电动设备的需要设置成线性的或其他的(如：对数或指数)阻值变化。以上形状可以由那些为了得到便利的人机界面而做的试验和测试来决定。

在发展的过程中，相较于现有技术装置尺寸的小型化也是十分重要的。装置尺寸的减小使得手柄设计更加符合人机工程。由于该装置所使用的组件尺寸很小(广泛采用宽度为1毫米左右的贴片发光二极管和直径小于3毫米的光敏电阻)，所述的发光二极管和光敏电阻会导致产品的成本有小的增长；而这些成本的增长能由本发明所带来的机器寿命的延长很好的补偿。

图.2所示的第二个实施例与第一个的本质区别是电机M是直流电机，并且由驱动单元5驱动的场效应晶体管控制回路11控制。

在这个实施例中，给发光二极管D1、D2供电的小型电源回路基本上由小电阻R2组成，它在该案例中是足够提供所需的低电压。

本申请基于申请日为2003年9月1日，意大利专利申请VI2003A000002并主张了该申请的优先权，它所揭示的内容合并且参考了该申请所揭示的内容。

Claims

1.一种用于控制变速电机，特别是手持式电动工具和其他小型电动器械的电机的装置，包括电子驱动单元(5)连接到电源的接线端(2，3)给至少一个电机(M)和触发所述的电子驱动单元(5)的光学开关装置(7)供电，所述的光学开关装置(7)包括光发射装置(8)和探测光并把光转换为电子变化信号的光转换装置(9)，所述的光转换装置(9)可操作地连接到所述的电子驱动单元(5)以便控制所述的至少一个电机(M)，其中所述的光发射装置(8)包括至少一个白光，高亮度的发光二极管(D1、D2)通过小型电源电路并联到电源接线端(2，3)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于当所述的电机为交流电机时，所述的小型电源电路包括电容性移相电源(C，R2)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的电容性移相电源包括至少一个电容(C)和提供所述发光二极管(D1、D2)临界电压的输入电阻(R2)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于当所述至少一个电机(M)是直流电机时，所述的小型电源电路包括一个电阻(R2)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于它还包括一个主电源开关(4)串联连接在电源(V)的接线端(2)上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的至少一个发光二极管包括一对表面贴装元器件(SMD)的小型发光二极管(D1、D2)。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的光转换器装置(9)是光敏电阻。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述的光学开关装置(7)还包括至少一个可移动的遮挡器(10)可操作地连接到手动操作的扳机上。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于至少一个可移动的遮挡器(10)是设置在所述的发光二极管(D1、D2)和所述的光敏电阻(9)之间。

10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的电子驱动单元(5)包括至少一个晶体管装置(11)与充电开关(12)并联。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述的至少一个晶体管装置(11)是双向三端晶闸管(TRIAC)。

12.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的电子驱动单元(5)包括至少一个场效应晶体管(MOSFET)控制回路(11)与充电开关(12)并联。