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Die vorliegende Erfindung betrifft ein schnurloses bzw. kabelloses Elektrokraftwerkzeug, das durch eine Batterie, beispielsweise ein entfernbares Batteriepack, mit Leistung versorgt wird.
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Die
JP 2003-200363 A offenbart ein kabelloses Elektrokraftwerkzeug. Dieses kabellose Elektrokraftwerkzeug hat einen Motor, der ein Werkzeug antreibt, und eine Batterie, die elektrische Leistung an den Motor liefert.
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In dem kabellosen Elektrokraftwerkzeug tritt in der Batterie ein Leistungsverlust auf. Dieser elektrische Leistungsverlust wird verursacht durch eine interne Impedanz bzw. einen Innenwiderstand der Batterie, und wird gemäß dem Ausmaß des Stroms, der in die Batterie fließt, groß. Die Auswahl einer Batterie mit hoher Leistung kann als eine Lösung angesehen werden, um das Auftreten des Leistungsverlustes in der Batterie zu verhindern und die Ausgabe des Elektrokraftwerkzeugs zu verbessern. Die vorliegende Lehre liefert jedoch eine Technik, die in der Lage ist, die Ausgabe eines Elektrokraftwerkzeugs zu verbessern, ohne die Ausgabe bzw- Ausgangsleistung seiner Batterie zu erhöhen.
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Die Ausgabe bzw. Ausgangsleistung eines kabellosen Elektrokraftwerkzeugs wird gewonnen, indem von einer Leistung, die von einer Batterie an den Motor geliefert wird, ein Widerstandsverlust eines Kabelbaums (elektrische Verdrahtung), ein Verlust aufgrund eines Knotenwiderstands eines Schalters, ein Verlust aufgrund eines Ein-Widerstands einer Motorsteuerung (einer Motorantriebsschaltung), ein Verlust eines Motors und ein mechanischer Verlust eines Verzögerungsmechanismus abgezogen werden. Unter speziellem Augenmerk auf den elektrischen Verlust definiert die vorliegende Lehre einen elektrischen Gesamtwirkungsgrad η wie folgt. Elektrischer Gesamtwirkungsgrad η = {(Werkzeugausgabe + mechanischer Verlust)/(Batteriespannung × Batteriestrom)) × 100%
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Im Stand der Technik wurde die Ausgangsleistung des Elektrokraftwerkzeugs verbessert, indem die Ausgabe (beispielsweise die Spannung) der Batterie verbessert wurde. In der vorliegenden Lehre wird dagegen die Ausgabe bzw. Ausgangsleistung des Elektrokraftwerkzeugs verbessert, indem der elektrische Gesamtwirkungsgrad verbessert wird, wie oben erwähnt.
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Gemäß dieser Technik kann die Ausgabe des Elektromotorkraftwerkzeugs verbessert werden, ohne die Ausgabe der Batterie zu erhöhen.
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Basierend auf der oben beschriebenen Erkenntnis hat der Erfinder zuerst das herkömmliche Elektrokraftwerkzeug untersucht. Als Ergebnis hat der Erfinder festgestellt, dass sich der elektrische Gesamtwirkungsgrad dramatisch reduziert während eines Betriebs mit hoher Ausgabe (hoher Leistung) des herkömmlichen Elektrokraftwerkzeugs, was einen großen Strom in dem Motor erzeugt. Mit anderen Worten, der Erfinder hat festgestellt, dass, wenn die Nennspannung der Batterie unter 36 Volt fällt und das herkömmliche Elektrokraftwerkzeug eine Leistung von mindestens 450 Watt, jedoch nicht mehr als 550 Watt (der Bereich zwischen den gestrichelten Linie) ausgibt, der elektrische Gesamtwirkungsgrad nicht 70% erreichen würde, wie in 9 gezeigt. Der Erfinder hat auch festgestellt, dass bei dem herkömmlichen Elektrokraftwerkzeug, wenn die Nennspannung der Batterie 14,4 Volt übersteigt und der Wert des Stroms, der durch den Motor fließt, mindestens 35 Ampere beträgt, aber nicht mehr als 45 Ampere (der Bereich zwischen den gestrichelten Linien), der elektrische Gesamtwirkungsgrad nicht bei 70% oder darüber gehalten werden kann, wie in 10 gezeigt.
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Als ein Ergebnis der Untersuchung hat der Erfinder festgestellt, dass die Reduzierung des elektrischen Gesamtwirkungsgrads während des Betriebs mit hoher Ausgangsleistung hauptsächlich erfolgt aufgrund der elektrischen Widerstände, wie beispielsweise Wicklungswiderstand des Motors, Ein-Widerstand der Motorsteuerung, Knotenwiderstand des Schalters und Kontaktwiderstand eines Kabelbaumverbinders (lötfreier Anschluss, Anschlussbuchse, etc.). Mit anderen Worten, der elektrische Gesamtwirkungsgrad kann effektiv verbessert werden, indem diese elektrischen Widerstände reduziert werden.
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Basierend auf der oben beschriebenen Erkenntnis hat der Erfinder den Wicklungswiderstand des Motors reduziert, indem der Querschnittsbereich eines Wicklungsstrangs der Wicklung des Motors vergrößert und die Anzahl von Wicklungen reduziert wurde. Bezüglich des Ein-Widerstands der Motorsteuerung hat der Erfinder den Ein-Widerstand einer Schaltvorrichtung davon (beispielsweise ein MOS-FET) auf 3 Milliohm oder darunter begrenzt. Um den Kontaktwiderstand des Kabelbaumverbinders oder den Knotenwiderstand des Schalters zu eliminieren, hat der Erfinder eine Schaltung konstruiert, bei der ein Halbleiterschalter, der innerhalb der Motorsteuerung bereitgestellt ist, verwendet wird zum Blockieren des Motorstroms. Beim Konstruieren einer Schaltung zum Blockieren des Motorstroms, indem ein Kontaktschalter verwendet wird, hat der Erfinder alternativ den Kontaktwiderstand des Kabelbaumverbinders oder den Knotenwiderstand des Kontaktschalters soweit wie möglich reduziert.
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Als Ergebnis ist das Elektrokraftwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass es einen signifikant verbesserten elektrischen Gesamtwirkungsgrad aufweist, und dadurch, dass der elektrische Gesamtwirkungsgrad mindestens 70 Prozent wird, wenn das Elektrokraftwerkzeug eine Leistung von mindestens 450 Watt, aber nicht mehr als 550 Watt ausgibt, selbst wenn die Nennspannung der Batterie des Elektrokraftwerkzeugs nicht größer als 24 Volt ist.
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Das Elektrokraftwerkzeug gemäß der vorliegenden Lehre ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Gesamtwirkungsgrad mindestens 70 Prozent innerhalb eines Bereichs von großen Motorströmen zwischen 35 Ampere und 45 Ampere wird, selbst wenn die Nennspannung der Batterie mindestens 14,4 Volt beträgt.
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Gemäß der vorliegenden Lehre kann die Ausgabe bzw. Ausgangsleistung des Elektrokraftwerkzeugs verbessert werden, ohne die Ausgabe bzw. Ausgangsleistung der Batterie zu erhöhen,
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1 zeigt eine äußere Ansicht einer Kreissäge gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt einen elektrischen Aufbau der Kreissäge gemäß dem Ausführungsbeispiel.
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3 zeigt einen Graphen, der einen Grenzwert eines Tastverhältnisses eines Motorstroms zeigt.
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4 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Ausgabe und einer Effizienz der Kreissäge gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt.
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5 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen dem Motorstrom und dem Wirkungsgrad der Kreissäge gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt.
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6 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Ausgangsleistung und einem Wirkungsgrad eines Motors gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt.
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7 zeigt einen Graphen, der ein Verhältnis zeigt zwischen einem Arbeitsaufwand der Kreissäge gemäß dem Ausführungsbeispiel und einem Arbeitsaufwand einer herkömmlichen Kreissäge.
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8 zeigt einen Graphen, der ein Verhältnis zeigt zwischen der Performance bzw. Leistungsfähigkeit der Kreissäge gemäß dem Ausführungsbeispiel und der Performance bzw. Leistungsfähigkeit der herkömmlichen Kreissäge.
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9 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zeigt zwischen einer Ausgangsleistung und einem Wirkungsgrad der herkömmlichen Kreissäge.
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10 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zeigt zwischen einem Motorstrom und einem Wirkungsgrad der herkömmlichen Kreissäge.
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Ein Elektrokraftwerkzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel hat einen Motor zum Antreiben eines Werkzeugs und eine Batterie, um den Motor mit Leistung zu versorgen. Dieses Elektrokraftwerkzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Nennspannung von 18 Volt aufweist, und dass der elektrische Gesamtwirkungsgrad mindestens 70 Prozent wird, wenn das Elektrokraftwerkzeug eine Leistung von mindestens 450 Watt, aber nicht mehr als 550 Watt ausgibt.
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Im Allgemeinen kann der elektrische Gesamtwirkungsgrad eines Elektrokraftwerkzeugs in einem Bereich mit hoher Ausgangsleistung erhöht werden, indem die Nennspannung einer Batterie des Elektrokraftwerkzeugs erhöht wird. Aus diesem Grund kann die Nennspannung der Batterie des oben beschriebenen Elektrokraftwerkzeugs bis auf ungefähr 24 Volt angehoben werden. In diesem Fall kann ebenfalls der elektrische Gesamtwirkungsgrad bei 70 Prozent oder darüber gehalten werden, wenn das Elektrokraftwerkzeug eine Leistung von mindestens 450 Watt, jedoch nicht mehr als 550 Watt ausgibt. Mit anderen Worten, die Nennspannung der Batterie ist nicht auf 18 Volt begrenzt.
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Das Elektrokraftwerkzeug gemäß dem Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Gesamtwirkungsgrad mindestens 70 Prozent wird, wenn ein Wert des Stroms, der durch den Motor verläuft, mindestens 35 Ampere, aber nicht größer als 45 Ampere wird.
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In einem herkömmlichen Elektrokraftwerkzeug, wenn die gleiche Menge an Strom in den Motor von diesem fließt, nimmt der elektrische Gesamtwirkungsgrad zu, wenn die Nennspannung der Batterie des Elektrokraftwerkzeugs abfällt, Aus diesem Grund kann die Nennspannung der Batterie des oben beschriebenen Kraftwerkzeugs auf ungefähr 14,4 Volt reduziert werden. In diesem Fall kann auch der elektrische Gesamtwirkungsgrad bei 70 Prozent oder darüber gehalten werden, wenn der Wert des Stroms, der durch den Motor fließt, mindestens 35 Ampere, aber nicht mehr als 45 Ampere wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lehre kann der Motor zum Antreiben des Werkzeugs ein bürstenloser Dreiphasenmotor sein. Der bürstenlose Dreiphasenmotor ist über eine Motorantriebsschaltung, die eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen enthält, mit der Batterie verbunden. Die Motorantriebsschaltung wird hier auch als „Motorsteuerung” bezeichnet. Man beachte, dass der Motor zum Antreiben des Werkzeugs nicht nur der bürstenlose Dreiphasenmotor, sondern auch ein anderer Typ von Gleichstrommotor sein kann.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lehre ist ein Trennschalter, der einen Halbleiterschalter enthält, vorzugsweise zwischen der Batterieantriebsschaltung und der Batterie angeordnet. In diesem Fall wird der Trennschalter vorzugsweise in Antwort auf einen Schaltbetrieb, der von einem Benutzer durchgeführt wird, ein/aus-geschaltet. Gemäß diesem Aufbau kann ein Kontaktschalter, beispielsweise ein Auslöseschalter, von einem Motorleistungsversorgungspfad getrennt werden, um einen Knotenwiderstand des Kontaktschalters aus dem Leistungsversorgungspfad zu entfernen.
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Gemäß einen Aspekt der vorliegenden Lehre ist ein Pull-Up-Widerstand vorzugsweise mit einem Knoten des Trennschalters und der Motorantriebsschaltung elektrisch verbunden und aufgebaut, um eine vorbestimmte Spannung an den Knoten anzulegen. Gemäß diesem Aufbau kann ein Leiten/Unterbrechen des Trennschalters untersucht werden, indem der Trennschalter ein/aus-geschaltet wird, während die an den Knoten angelegte Spannung überwacht wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Lehre wird vorzugsweise ein III-V-Halbleitertransistor ausgewählt als eine der Schaltvorrichtungen der Motorantriebsschaltung, oder als Trennschalter. Da der III-V Halbleitertransistor eine hohe Sperrfestigkeitsspannung (off-state withstand voltage) und einen geringen Ein-Widerstand aufweist, kann der III-V Halbleitertransistor vorzugsweise in einem kabellosen Elektrokraftwerkzeug verwendet werden, bei dem ein hoher Strom an den Motor geliefert wird.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Eine Kreissäge 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel wird hier nachfolgend im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Wie in 1 gezeigt, hat die Kreissäge 10 einen Hauptkörper 12, ein Sägeblatt 30 und ein Batteriepack 22. Das Sägeblatt 30 ist beispielsweise das Werkzeug, das eine scheibenförmige Klinge aufweist, die dazu dient, ein Werkstück (ein Stück Holz) zu schneiden. Das Batteriepack 22 ist eine Leistungsquelle zur Lieferung einer elektrischen Leistung an den Hauptkörper 12 und ist entfernbar an dem Hauptkörper 12 montiert.
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Das Batteriepack 22 ist ein Batteriepack, das eine Mehrzahl von Lithiumionenzellen enthält und eine Nennspannung von 18 Volt aufweist. Das Batteriepack 22 kann von einem kleinen Typ sein, der fünf Lithiumionenzellen enthält, und von einem großen Typ, der zehn Lithiumionenzellen enthält. Die Kreissäge 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann beide Batteriepacks verwenden. Man beachte, dass das große Batteriepack 22 fünf Paare von Lithiumionenzellen aufweist, die in Serie geschaltet sind, wobei jedes Paar zwei Lithiumionenzellen aufweist, die parallel geschaltet sind.
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Der Hauptkörper 12 hat einen Motor 14 zum Antreiben des Sägeblatts 30, einen Auslöseschalter 16 zur Aktivierung des Motors 14, einen Griff 18, der von einem Benutzer ergriffen werden kann, und eine Werkzeugspindel 20 zum Halten des Sägeblatts 30. Wenn der Benutzer den Auslöseschalter 16 betätigt, wird elektrische Leistung von dem Batteriepack 22 an den Motor 14 geliefert, und folglich wird der Motor 14 angetrieben, um die Werkzeugspindel 20 zusammen mit dem Sägeblatt 30 zu drehen.
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Der Motor 14 ist ein bürstenloser Dreiphasenmotor. Wie in 2 gezeigt, hat der Motor 14 einen U-Phasenanschluss 14U, einen V-Phasenanschluss 14V, einen W-Phasenanschluss 14W und einen Positionssensor 15 zum Detektieren der Position eines Rotors.
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Wie in 2 gezeigt, hat das Sägeblatt 10 eine Motorantriebsschaltung 40 und eine Steuerung 70 zur Steuerung der Motorantriebsschaltung 40. Die Motorantriebsschaltung 40 ist zwischen dem Batteriepack 22 und dem Motor 14 angeordnet. Die Motorantriebsschaltung 40 hat eine erste bis sechste Schaltvorrichtung 41 bis 46. Die erste Schaltvorrichtung 41 ist zwischen einer positiven Elektrode 22a des Batteriepacks 22 und dem U-Phasenanschluss 14U des Motors 14 angeordnet. Die zweite Schaltvorrichtung 42 ist zwischen der positiven Elektrode 22a des Batteriepacks 22 und dem V-Phasenanschluss 14V des Motors 14 angeordnet. Die dritte Schaltvorrichtung 43 ist zwischen der positiven Elektrode 22a des Batteriepacks 22 und dem W-Phasenanschluss 14W des Motors 14 angeordnet. Die vierte Schaltvorrichtung 44 ist zwischen einem PGND und dem U-Phasenanschluss 14U des Motors 14 angeordnet. Die fünfte Schaltvorrichtung 45 ist zwischen dem PGND und dem V-Phasenanschluss 14V des Motors 14 angeordnet. Die sechste Schaltvorrichtung 46 ist zwischen denn PGND und dem W-Phasenanschluss 14W des Motors 14 angeordnet.
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Ein GaN (Galliumnitrid) Halbleitertransistor ist in jeder der Schaltvorrichtungen 41 bis 46 ausgewählt. Man beachte, dass ein anderer Typ von III-V-Halbleitertransistor für jede der Schaltvorrichtungen 41 bis 46 ausgewählt werden kann. Ein SiC (ein Siliziumkarbid)-Halbleitertransistor kann für jede der Schaltvorrichtungen 41 bis 46 ausgewählt werden. Verschiedene Typen von Halbleiterschaltern können ohne spezielle Beschränkung für die Schaltvorrichtungen 41 bis 46 ausgewählt werden.
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Der PGND der Motorantriebsschaltung 40 ist mit einer negativen Elektrode 22b des Batteriepacks 22 über einen Trennschalter 48 und einen Shunt-Widerstand 50 verbunden. Der Trennschalter 48 ist ein n-Kanal-Feldeffekttransistor (FET). Der Trennschalter 48 ist mit der Steuerung 70 verbunden und wird durch die Steuerung 70 gesteuert. Wenn der Benutzer den Auslöseschalter 16 ausschaltet, wird beispielsweise der Trennschalter 48 ausgeschaltet. Als Ergebnis wird der Motor 14 von dem Batteriepack 22 elektrisch getrennt, unabhängig von dem Zustand der Motorantriebsschaltung 40. Gemäß diesen Schaltungsaufbau, da der Auslöseschalter 16 von dem Motorleistungsversorgungspfad getrennt werden kann, können Verluste, die aufgrund des Knotenwiderstands des Auslöseschalters 16 auftreten, unterdrückt werden. Wenn der Trennschalter 48 ausgeschaltet wird, schaltet darüber hinaus die Steuerung 70 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die erste bis dritte Schaltvorrichtung 41 bis 43 ein, und bremst den Motor 14, indem eine Spule des Motors 14 kurzgeschlossen wird.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Drain-Anschluss 48a des Trennschalters 48 mit einem 5-Volt-Spannungsanschluss über ein Widerstandselement 52 verbunden, um einen Fehler in dem Trennschalter 48 zu diagnostizieren. Das Widerstandselement 52, auf das Bezug genommen wird als „Pull-Up-Widerstand”, legt eine konstante Spannung von 5 Volt an einen Knoten des Trennschalters 48 und die Motorantriebsschaltung 40. Darüber hinaus wird die Spannung des Knotens (also die Spannung des Drain-Anschlusses 48a) durch die Steuerung 70 überwacht. Die Steuerung 70 kann bestimmen, ob der Trennschalter 48 normal oder abnormal ist, indem der Trennschalter 48 ein/aus-geschaltet und die Spannung des Drain-Anschlusses 48a detektiert wird.
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Der Shunt-Widerstand 50 erzeugt eine Spannung gemäß einem Strom, der durch den Motor 14 fließt. Die Spannung, die in dem Shunt-Widerstand 50 erzeugt wird, wird durch eine Stromdetektionsschaltung 54 detektiert. Die Stromdetektionsschaltung 54 detektiert den Strom, der durch den Motor 14 fließt, basierend auf der Spannung, die an dem Shunt-Widerstand 50 erzeugt wird. Ein Detektionswert des Stroms, der durch die Stromdetektionsschaltung 54 gewonnen wird, wird in die Steuerung 70 eingegeben. Man beachte, dass eine Spannung zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des Trennschalters 48 erzeugt wird, sowie gemäß dem Strom, der durch den Motor 14 fließt. Folglich kann die Stromdetektionsschaltung 54 die Spannung detektieren, die zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des Trennschalters 48 erzeugt wird, zusätzlich zu der Spannung, die an dem Shunt-Widerstand 50 erzeugt wird.
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Die Kreissäge 10 hat eine Rotorpositionsdetektionsschaltung 56 und eine Rotordrehzahlberechnungsschaltung 58. Die Rotorpositionsdetektionsschaltung 56 ist mit dem Positionssensor 15 des Motors 14 verbunden und detektiert eine Drehposition des Rotors des Motors 14 basierend auf einem Ausgangssignal von dem Positionssensor 15. Ein Detektionswert, der von der Rotorpositionsdetektionsschaltung 56 gewonnen wird, wird in die Rotordrehzahlberechnungsschaltung 58 und die Steuerung 70 eingegeben. Die Rotordrehzahlberechnungsschaltung 58 berechnet eine Drehzahl des Rotors des Motors 14 basierend auf dem Detektionswert, der durch die Rotorpositionsdetektionsschaltung 56 gewonnen wird. Der folglich berechnete Wert der Rotordrehzahlberechnungsschaltung 58 wird in die Steuerung 70 eingegeben.
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Die Steuerung 70 hat einen Gatetreiber 72, einen PWM (Pulsbreitenmodulations)-Signalgenerator 74 und einen Überstromdetektor 76. Der Gatetreiber 72 ist mit jeder der Schaltvorrichtungen 41 bis 46 verbunden. Der Gatetreiber 72 gibt selektiv ein Ein-Signal an jede der Schaltvorrichtungen 41 bis 46 in Antwort auf die Drehposition des Rotors, die von der Rotorpositionsdetektionsschaltung 56 detektiert wird. Der PWM-Signalgenerator 74 erzeugt ein PWM-Signal gemäß einem Betriebswert, der von dem Benutzer an den Auslöseschalter 16 angelegt wird. Der PWM-Signalgenerator 74 erhöht ein Tastverhältnis des PWM-Signals, wenn der an den Auslöseschalter 16 angelegte Betriebswert zunimmt. Der Gatetreiber 72 steuert PWM der Schaltvorrichtungen 41 bis 46 in Antwort auf das von dem PWM-Signalgenerator 74 erhaltene PWM-Signal. Dadurch führt der Gatetreiber 72 vorzugsweise eine komplementäre PWM-Steuerung durch. Als Ergebnis können Verluste aufgrund der PWM-Steuerung reduziert werden.
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Der Überstromdetektor 76 speichert einen ersten Grenzwert und einen zweiten Grenzwert relativ zu dem Strom des Motors 14. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Grenzwert auf 50 Ampere gesetzt, und der zweite Grenzwert ist auf 60 Ampere gesetzt. Man beachte, dass der erste Grenzwert und der zweite Grenzwert nicht auf diese Werte eingeschränkt sind. Der Überstromdetektor 76 detektiert einen Überstrom, der durch den Motor 14 fließt, in zwei Stufen, indem der detektierte Stromwert des Motors 14 mit dem ersten Grenzwert und dem zweiten Grenzwert verglichen wird. Das folglich gewonnene Ergebnis der Detektion durch den Überstromdetektor 76 wird in den Gatetreiber 72 eingegeben.
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Der Gatetreiber 72 begrenzt das maximale Tastverhältnis des Motors 14 in Antwort auf das Ergebnis der Detektion, das von dem Überstromdetektor 76 gewonnen wird. Wie in 3 gezeigt, wenn der Stromwert des Motors 14 den ersten Grenzwert (50 Ampere) übersteigt, wird das maximale Tastverhältnis des Motors 14 auf 70 Prozent begrenzt. Wenn der Stromwert des Motors 14 den zweiten Grenzwert (60 Ampere) übersteigt, wird das maximale Tastverhältnis des Motors 14 auf 40 Prozent begrenzt. Das Begrenzen des Tastverhältnisses des Motors 14 hat eine signifikante Reduzierung der Ausgangsleistung der Kreissäge 10 zur Folge, Das Reduzieren der Ausgangsleistung der Kreissäge 10 veranlasst den Benutzer naturgemäß dazu, die an die Kreissäge 10 angelegte Last zu reduzieren. Als Ergebnis kann der Benutzer die Kreissäge 10 verwenden, während eine entsprechende Last an diese angelegt wird. Es wird dann verhindert, dass der Motor 14 blockiert, wodurch verhindert wird, dass die Motorspule durchbrennt. Man beachte, dass wenn der Stromwert des Motors 14 den zweiten Grenzwert (60 Ampere) übersteigt, das Tastverhältnis des Motors 14 derart begrenzt werden kann, dass der Stromwert des Motors 14 auf einem konstanten Wert (60 Ampere oder weniger) gehalten werden kann.
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Die Kreissäge 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen hohen elektrischen Gesamtwirkungsgrad aufweist. Die Kreissäge 10 ist speziell derart designed, dass ihr elektrischer Gesamtwirkungsgrad hoch wird, wenn die Kreissäge 10 betrieben wird, um eine hohe Leistung auszugeben, wenn der Stromwert des Motors 14 hoch ist. Speziell, wie in 4 gezeigt, ist die Kreissäge 10 dadurch gekennzeichnet, dass deren elektrischer Gesamtwirkungsgrad zu allen Zeiten mindestens 70 Prozent wird, wenn die Kreissäge 10 eine Leistung von mindestens 450 Watt, jedoch nicht mehr als 550 Watt ausgibt. Wie in 5 gezeigt, ist der elektrische Gesamtwirkungsgrad zu allen Zeitpunkten mindestens 70 Prozent, wenn ein Strom von mindestens 35 Ampere, jedoch nicht mehr als 45 Ampere durch den Motor 14 fließt. Man beachte, dass in den 4 und 5 die Daten, die durch kreisförmige Zeichen (•) gezeigt sind, gewonnen werden, wenn der Motor 14 von einem kleinen Typ verwendet wird, und die Daten, die durch quadratische Zeichen (✦) gezeigt sind, gewonnen werden, wenn der Motor 14 von einem großen Typ verwendet wird.
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In diesem Fall ist der elektrische Gesamtwirkungsgrad einen Prozentsatz der Leistung, die tatsächlich von dem Motor 14 ausgegeben wird, relativ zu einer elektrischen Leistung, die von dem Batteriepack 22 geliefert wird. Die Leistung, die tatsächlich von dem Motor 14 ausgegeben wird, geht teilweise mechanisch verloren in einem Verzögerer und dergleichen, und der Rest der Leistung wird eine tatsächliche Ausgangsleistung, die von dem Werkzeug (der Kreissäge 10) dem Werkstück bereitgestellt wird. Selbst wenn sich die Kapazität des Batteriepacks 22 nicht ändert, kann folglich die tatsächliche Ausgangsleistung des Werkzeugs (der Kreissäge 10) erhöht werden, indem deren elektrischer Gesamtwirkungsgrad verbessert wird.
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Der elektrische Verlust, der in dem Bereich zwischen dem Batteriepack 22 und dem Motor 14 (einschließlich dem Motor 14) erzeugt wird, muss reduziert werden, um den elektrischen Gesamtwirkungsgrad zu verbessern. Spezieller kann zuerst der Wicklungswiderstand des Motors 14 reduziert werden, um das Auftreten eines Verlusts in dem Motor 14 zu reduzieren (also den Motorwirkungsgrad zu verbessern). In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden der Querschnittsbereich eines Wicklungsstrangs der Wicklung des Motors 14 vergrößert und die Wicklungsanzahl reduziert, um den Wicklungswiderstand des Motors 14 zu reduzieren. Als Ergebnis erreicht die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad ungefähr 80 Prozent innerhalb eines Ausgangsleistungsbereichs des Motors 14 zwischen 450 Watt und 550 Watt, wie in 6 gezeigt. Dies bedeutet, dass das Auftreten eines Verlusts, der durch den Wicklungswiderstand des Motors 14 verursacht wird, signifikant innerhalb des gleichen Ausgangsleistungsbereichs verhindert werden kann, verglichen mit einem herkömmlichen Motor, bei dem die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad bei ungefähr 62 Prozent bleibt.
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Das Reduzieren des Leistungsversorgungswiderstands der Matorantriebsschaltung (Motorsteuerung) 40 oder mit anderen Worten, das Reduzieren des Ein-Widerstands der ersten bis sechsten Schaltvorrichtung 41 bis 46, ist darüber hinaus auch effektiv, um den elektrischen Gesamtwirkungsgrad zu verbessern. Aus diesem Grund wird vorzugsweise ein Halbleitertransistor mit kleinem Ein-Widerstand für jede der ersten bis sechsten Schaltvorrichtungen 41 bis 46 ausgewählt, und es ist wirkungsvoll einen III-V-Halbleitertransistor oder einen SiC-Halbleiter auszuwählen, wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. In diesem Fall beträgt der Ein-Widerstand des Halbleitertransistors vorzugsweise drei Milliohm oder weniger.
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Um den elektrischen Gesamtwirkungsgrad zu verbessern, ist es darüber hinaus effektiv, den Knotenwiderstand des Auslöseschalters 16 und der anderen Betriebsschalter aus dem Motorleistungsversorgungspfad zu eliminieren, indem die Betriebsschalter von dem Motorleistungsversorgungspfad getrennt werden. In diesem Fall wird der Trennschalter 48, der den Halbleiterschalter enthält, vorzugsweise in dem Motorleistungsversorgungspfad angeordnet, wie oben beschrieben. Darüber hinaus ist ein Reduzieren des Kontaktwiderstands eines Kabelbaumverbinders, beispielsweise ein lötfreier Anschluss, ein Stecker, etc., ebenfalls effektiv bei der Verbesserung des elektrischen Gesamtwirkungsgrads.
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Durch das oben beschriebene Verbessern des elektrischen Gesamtwirkungsgrads kann der elektrische Gesamtwirkungsgrad bei 70 Prozent oder darüber zu allen Zeitpunkten gehalten werden, wenn die Kreissäge 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels mindestens 450 Watt, jedoch nicht mehr als 550 Watt Leistung ausgibt. Als Ergebnis, wie in 7 gezeigt, kann der Arbeitsaufwand der Kreissäge 10 um ungefähr 40 Prozent verbessert werden, verglichen zu einer herkömmlichen Kreissäge. Der Arbeitsaufwand bedeutet hier die Arbeitsleistung, die pro Ladebetrieb des Batteriepacks 22 durchgeführt werden kann. Mit anderen Worten, die Kreissäge 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann ungefähr 1,4-mal länger arbeiten als die herkömmliche Kreissäge, indem einzig und allein das voll geladene Batteriepack 22 verwendet wird.
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Wie in 8 gezeigt, wird darüber hinaus die Betriebseffizienz der Kreissäge 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels um ungefähr 20 Prozent verbessert, verglichen zu der herkömmlichen Kreissäge. Die Betriebseffizienz bedeutet hier das Ausmaß an Arbeit, die pro Zeiteinheit durchgeführt werden kann, und ist äquivalent zu einer Ausgangsleistung, die erhalten wird, wenn die Kreissäge 10 tatsächlich verwendet wird. Es wird berücksichtigt, dass die Arbeitseffizienz verbessert wird, da das Ausmaß des Stroms, der durch das Batteriepack 22 fließt, abfällt in Relation zu der Ausgangsleistung des Motors, und die Verluste, die in dem Batteriepack 22 auftreten, als Ergebnis der Verbesserung des elektrischen Gesamtwirkungsgrads reduziert weiden können. Die tatsächliche Ausgangsleistung der Kreissäge 10 kann in dieser Art und Weise verbessert werden, indem deren elektrischer Gesamtwirkungsgrad verbessert wird, ohne dass die Ausgangsleistung des Batteriepacks 22 erhöht wird.
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Der elektrische Gesamtwirkungsgrad des Elektrokraftwerkzeugs kann wie folgt gewonnen werden. Wie oben beschrieben, ist der elektrische Gesamtwirkungsgrad ein Prozentsatz der Leistung, die tatsächlich durch den Motor 14 ausgegeben wird, relativ zu der elektrischen Leistung, die von dem Batteriepack 22 geliefert wird. Die elektrische Leistung, die von dem Batteriepack 22 geliefert wird, kann gewonnen werden, indem die Spannung und der Strom des Batteriepacks 22 gemessen werden. Darüber hinaus kann die tatsächliche Ausgangsleistung des Motors 14 gewonnen werden, indem ein Ausgangsdrehmoment und eine Drehzahl des Motors 14 gemessen werden. Mit anderen Worten, der elektrische Gesamtwirkungsgrad η wird ausgedrückt durch: η = (T × ω)/(V × I), wobei V die Spannung des Batteriepacks 22 darstellt, I den Strom des Batteriepacks 22 darstellt, T das Ausgangsdrehmoment des Motors 14 darstellt und ω die Drehzahl des Motors 14 darstellt.
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Wenn es schwierig ist, jede der oben beschriebenen Notationen zu messen, kann der elektrische Gesamtwirkungsgrad η geschätzt werden, indem ein Strom Io des Batteriepacks 22 verwendet wird, der gewonnen wird, wenn das Werkzeug in einem nicht belasteten Zustand (als einem Leerlaufzustand) ohne den Verzögerer betrieben wird, und indem ein Strom Is verwendet wird, der gewonnen wird, wenn das Werkzeug arretiert ist. Der Strom Is kann tatsächlich gemessen werden, wenn das Werkzeug arretiert ist, kann jedoch auch gewonnen werden unter Verwendung einer Gleichung Is = Vo/(Rc + Rm), wobei Vo eine Leerlaufspannung des Batteriepacks 22 darstellt, Re einen Steuerungswiderstand zwischen dem Ausgang des Batteriepacks 22 und dem Motor 14 über die Motorantriebsschaltung (Motorsteuerung) 40 darstellt und Rm den Leitungswiderstand des Motors 14 darstellt. Der elektrische Gesamtwirkungsgrad η kann durch eine Gleichung gewonnen werden: η = (1 – Io/I) × (1 – I/Is), wobei I einen Strom des Batteriepacks 22 darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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