TW202319188A - 用於工具的馬達控制器 - Google Patents

Abstract

一種用於具有端蓋的馬達的馬達控制器。馬達控制器包括：配電板，其適於在馬達的內側上與端蓋的第一表面聯接，並且包括相對的第一側和第二側；以及控制板，其適於在馬達的外側上聯接到端蓋的第二表面，並且包括處理器。配電板包括佈置在第一側上的位置傳感器和佈置在第二側上的開關元件。

Description

用於工具的馬達控制器

本發明大體上涉及用於電動工具的馬達控制器。

電動工具（例如電鑽、螺絲刀、衝擊起子、研磨機、棘輪、切割機、拋光機等）通常包括由可充電電源（例如電池）供電的馬達。在這些常規工具中，馬達通常是經由換向控制的無刷直流（Brushless DC，BLDC）馬達。BLDC馬達換向通常使用馬達控制器來實現，該馬達控制器包括佈置在印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）上的微控制器或微處理器設備。

目前使用了許多不同的三相無刷直流（BLDC）馬達的換向技術。通常，換向基於馬達轉子的位置來控制。轉子的位置由位置傳感器（例如霍爾效應傳感器）檢測。然後，微控制器或微處理器設備以特定順序控制馬達的各相的高側和低側開關（例如金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-oxide Semiconductor Field-effect Transistor，MOSFET）），以根據換向方案（例如六步換向）控制馬達。例如，在三相無刷直流馬達中，三個位置傳感器相隔60或120度定位，並且具有六個轉變點（即，三個傳感器，各個傳感器響應於轉子的位置在高與低之間致動）。

常規的電動工具使用包括微控制器、開關、傳感器等的單個馬達控制器PCB。因此，這些常規的馬達控制器PCB相對較大，並且需要工具殼體具有足夠的空間來圍封馬達控制器PCB。這些常規的電動工具還包括一個或多個散熱器，以從馬達控制器PCB散熱，這進一步增大了容納這些部件所需的空間，並且需要額外的組裝。

本發明廣泛地涉及一種用於BLDC馬達的馬達控制器。馬達控制器包括控制板和配電板。配電板和控制板聯接到馬達端蓋，從而成為馬達的一部分。配電板佈置在馬達端蓋的內側或第一側上並與其聯接。導熱墊佈置在配電板與馬達端蓋之間。控制板佈置在馬達端蓋的外側或相對的第二側上並與其聯接。馬達端蓋用作散熱器，以耗散由配電板和控制板產生的熱量，從而消除對單獨散熱器的需要。與當前設計相比，本發明導致更少的部件和更簡單的製造，並且能夠用於更緊湊的物品（例如電動工具）。

在一實施例中，本發明廣泛地包括一種電動工具。該工具包括佈置在殼體中並適於從電源接收電力的馬達。該電機包括：端蓋，其具有相對的第一表面和第二表面；配電板，其聯接到第一表面並包括相對的第一側和第二側、佈置在第一側上的位置傳感器和佈置在第二側上的開關元件；以及控制板，其聯接到第二表面並包括處理器。

在另一個實施例中，本發明廣泛地包括一種用於具有端蓋的馬達的馬達控制器。馬達控制器包括：配電板，其適於與端蓋的第一表面聯接並包括相對的第一側和第二側；和控制板，其適於聯接到端蓋的第二表面並包括處理器。配電板包括佈置在第一側上的位置傳感器和佈置在第二側上的開關元件。

在另一個實施例中，本發明廣泛地包括一種適於由電源供電的馬達。該馬達包括：端蓋，其具有相對的第一表面和第二表面；配電板，其聯接到第一表面並包括相對的第一側和第二側、佈置在第一側上的位置傳感器和佈置在第二側上的開關元件；以及控制板，其聯接到第二表面並包括處理器。

儘管本發明容許有許多不同形式的實施例，但是在附圖中示出了並且將在本文中詳細描述本發明的實施例，包括優選實施例，應當理解，本公開應當被認為是本發明的原理的範例，並且不旨在將本發明的廣泛方面限制于本文例示的任何一個或多個實施例。如本文所用的，術語“本發明”不旨在限制所要求保護的發明的範圍，而是僅為了解釋的目的而用於討論本發明的示例性實施例。

本發明廣泛地涉及一種用於BLDC馬達（例如與電動工具一起使用的BLDC馬達）的馬達控制器。馬達控制器包括控制板和配電板。配電板和控制板聯接到馬達端蓋。配電板佈置在馬達端蓋的內側或第一側上並與其聯接。導熱墊佈置在配電板與馬達端蓋之間。控制板佈置在馬達端蓋的外側或相對的第二側上並與其聯接。馬達端蓋用作散熱器，以耗散在馬達和控制板的使用期間產生的熱量，從而消除對單獨散熱器的需要。與當前設計相比，本發明導致更少的部件和更簡單的製造，並且能夠用於更緊湊的電動工具。

參考圖1至圖5，描述了結合了本發明實施例的示例性工具100（例如電鑽）。然而，應當理解，本發明並不局限於此，並且不僅可以在其它電動工具（例如衝擊扳手、電動螺絲刀、電動棘輪、衝擊起子等）中實現，而且可以在包括電機的其它設備（例如廚房電器）中實現。在一實施例中，工具100包括由第一掀蓋式殼體部和第二掀蓋式殼體部組裝而成的殼體102，第一掀蓋式殼體部和第二掀蓋式殼體部以公知的方式聯接在一起，以共同形成殼體102。殼體102包括適於由使用者抓握的手柄部104。殼體圍封馬達106、齒輪組件142和用於操作工具100的其它額外部件。工具100包括與齒輪組件142聯接或接合的輸出驅動器108，並且齒輪組件142適於接收來自馬達106的扭矩並將扭矩傳遞到輸出驅動器108。輸出驅動器108適於與合適工具（例如套筒、刀頭等）聯接，以便與將被施加扭矩的緊固件等接口連接，這全部以已知的方式進行。

用於控制馬達106的操作的扳機110佈置在手柄部104上。壓下扳機110促使電力輸送到馬達106，因此使得馬達106選擇性地沿第一旋轉輸出方向和第二旋轉輸出方向（例如，順時針和逆時針）中的任一者旋轉，從而經由齒輪組件142選擇性地沿第一方向和第二方向中的任一者驅動輸出驅動器108。扳機110可偏置，使得使用者可使用已知方法相對于工具100向內壓下扳機110，這由觸發開關114檢測，以使馬達106操作，並且使用者可以釋放扳機110（其中，扳機110的偏置性質使扳機110相對于工具100向外偏置），這由扳機開關114檢測，以停止馬達106的操作。觸發開關114佈置在手柄部104中。

在一實施例中，扳機110可以是位置敏感扳機或可變速度扳機，其也以變化的速度操作馬達106。例如，扳機110被壓下得越遠，馬達106操作得越快。馬達106的旋轉輸出方向以及因此輸出驅動裝置108的旋轉輸出方向由方向選擇器116以已知方式選擇性地控制。方向選擇器116可以是例如杠杆或旋鈕。

在一實施例中，工具100由電池（未示出）供電，該電池可拆卸地聯接在手柄部104的電池接口112處。在一實施例中，電池可以是可充電的。然而，本發明不限於電池供電的工具，並且可以在從其他電源（例如經由電線從外部電源）接收電力的工具中實現。

參照圖3至圖5，馬達106包括第一端蓋120和第二端蓋122、定子124、轉子126、以及包括配電板128和控制板130的馬達控制器。第一端蓋120和第二端蓋122適於聯接到定子124的相對端，從而圍封轉子126和配電板128。第一端蓋120佈置在定子124與齒輪組件142之間和/或當第一端蓋120聯接到定子124時面向齒輪組件142的方向。第二端蓋122包括第一表面132（也稱為內表面）和第二表面134（也稱為外表面），其中，第一表面132面向馬達106的內部，第二表面134在馬達106的外部。在一實施例中，第二端蓋122由金屬材料（例如鋁、鎂和碳鋼中的一者或多者）組成。第二端蓋122因此用作定子124和轉子126的結構支撐，同時還用作散熱器，以降低配電板128和控制板130的溫度。在一實施例中，馬達106是經由換向控制的無刷直流（BLDC）馬達。

轉子126包括輸出軸144，其延伸穿過第一端蓋120中的開口158，並適於接合齒輪組件142。在一實施例中，第一端蓋120的開口158包括第一軸承（未示出），輸出軸144延伸穿過該第一軸承，以便於輸出軸144相對于第一端蓋120的旋轉。在一實施例中，第二端蓋122包括具有第二軸承156的開口150，該第二軸承156接收轉子126的後部148，以便於轉子126相對于第二端蓋122的旋轉。

齒輪組件142接收來自輸出軸144的扭矩，並將來自輸出軸144的扭矩傳遞到輸出驅動器108。轉子126還可以包括轉子葉片或翅片146，其用作熱交換器和/或便於空氣流動通過馬達106，以便冷卻馬達106。如圖例示，當第一端蓋120聯接到定子124時，轉子葉片或翅片146由第一端蓋120圍封。

在一實施例中，配電板128使用例如緊固件、粘合劑等聯接到第二端蓋122的第一表面132（也稱為內表面），從而佈置在馬達106內部。配電板128可以是印刷電路板（PCB），並且電聯接到定子124。在一實施例中，配電板還可以具有與馬達形狀相對應的橫截面形狀（例如圓形、正方形、矩形等）。

配電板128包括相對的第一側和第二側。配電板128的第一側面向朝向定子124（遠離第一表面132）的方向，並且第二側面向朝向第二端蓋122的第一表面132的方向。配電板128的第一側包括一個或多個位置傳感器138（例如霍爾效應傳感器），其檢測轉子126的永磁體相對於定子124的旋轉位置。在一實施例中，馬達106是三相BLDC馬達，並且配電板128包括三個位置傳感器138。配電板128的第二側包括一個或多個開關元件136，其適於選擇性地將電力從電源（例如電池）提供到定子124。開關元件136包括高側和低側開關元件。在一實施例中，開關元件是金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。在一實施例中，馬達106是三相BLDC馬達，並且配電板128包括六個開關元件136（例如用於各個相的高側和低側開關元件）。在一實施例中，配電板128包括適於允許轉子126的後部148延伸穿過的開口152。

控制板130使用例如緊固件、粘合劑等聯接到第二端蓋122的第二表面134（也稱為外表面）。控制板130可以是印刷電路板（PCB），並且電聯接到電源和配電板128中的一者或多者。在一實施例中，控制板130包括適於允許轉子126的後部148延伸穿過的開口154。在一實施例中，控制板130包括用於處理數據和計算機可讀指令的處理器（例如微控制器或微處理器設備）以及用於存儲數據和指令的存儲器。存儲器可以包括易失性隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）、非易失性只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）和/或其他類型的存儲器。還可以包括數據存儲組件，以用於存儲數據和控制器/處理器可執行指令（例如，用於工具100的操作和功能的指令）。數據存儲組件可以包括一種或多種類型的非易失性固態存儲器，例如閃存、只讀存儲器（ROM）、磁阻RAM（Magnetoresistive RAM，MRAM）、鐵電RAM（Ferroelectric RAM，FRAM）、相變存儲器等。

用於操作工具100及其各種部件的計算機指令可由控制板130來執行，這在運行時使用存儲器作為臨時“工作”儲存器。計算機指令可以以非瞬態方式存儲在非易失性存儲器、儲存器或外部設備中。備選地，除了軟件之外或代替軟件，一些可執行指令可以嵌入在硬件或固件中。

在操作中，可以使用已知方法使用從位置傳感器138接收的信號確定轉子126相對於定子124的位置。基於轉子126相對於定子124的位置選擇性地致動開關元件136，以從電源（例如電池）向定子124供電，從而實現期望的換向。通過選擇性地致動開關元件136，通過發送電流信號穿過位於定子124上的線圈來操作馬達106。當電流通過線圈時，線圈使得磁力施加到轉子126，這使轉子126旋轉。轉子126包含與定子124的繞組產生的磁力相互作用的永磁體。通過基於轉子126的位置以特定順序啟動高側和低側開關元件的連續組合，從而發送特定順序的電流信號穿過定子124的繞組，定子124產生旋轉磁場，該旋轉磁場與轉子126相互作用，使其旋轉並產生扭矩。然後，扭矩可施加到齒輪組件142和輸出驅動器108。

在配電板128與第二端蓋122的第一表面132（內表面）之間也可以佈置熱界面材料140（例如導熱墊或導熱膏）。熱界面材料140適於幫助將熱量從配電板128傳遞走並傳遞到第二端蓋122中，該第二端蓋用作散熱器，以耗散在配電板128和控制板130的使用期間產生的熱量。在一實施例中，熱界面材料140包括適於允許轉子126的後部148延伸穿過的開口160。

如本文所用的，術語“聯接的”可以意指兩方之間的直接或間接的任意物理、電、磁或其它連接。術語“聯接的”不限於兩個實體之間的固定直接聯接。

在上述說明書和附圖中闡述的內容僅作為例示而不是作為限制來提供。儘管已經示出和描述了特定實施例，但是對於本領域技術人員而言將顯而易見的是，在不脫離發明人貢獻的更廣泛方面的情況下可以進行改變和修改。當基於現有技術以適當的觀點來看時，所尋求保護的實際範圍旨在由所附申請專利範圍限定。

100:工具 102:殼體 104:手柄部 106:馬達 108:輸出驅動器 110:扳機 112:電池接口 114:觸發開關 116:方向選擇器 120:第一端蓋 122:第二端蓋 124:定子 126:轉子 128:配電板 130:控制板 132:第一表面 134:第二表面 136:開關元件 138:位置傳感器 140:熱界面材料 142:齒輪組件 144:輸出軸 146:轉子葉片或翅片 148:後部 150:開口 154:開口 156:第二軸承 158:開口 160:開口

為了便於理解尋求保護的主題，在附圖中例示了其實施例，當結合以下描述考慮時，從對其實施例的檢查中，尋求保護的主題、其構造和操作及其許多優點應當容易理解和領會。 圖1是結合了本發明的實施例的示例性工具的透視圖。 圖2是圖1的示例性工具的剖視圖。 圖3是圖1的工具的示例性馬達的剖視圖。 圖4是圖3的馬達的分解透視圖。 圖5是圖3的馬達的示例性配電板的側視圖。

100:工具

102:殼體

104:手柄部

108:輸出驅動器

110:扳機

112:電池接口

116:方向選擇器

Claims (20)

1. 一種具有殼體的工具，包括： 馬達，其佈置在所述殼體中並且適於從電源接收電力，其中，所述馬達包括： 端蓋，其具有相對的第一表面和第二表面； 配電板，其聯接到所述第一表面並且包括相對的第一側和第二側，其中，所述配電板包括佈置在所述第一側上的位置傳感器和佈置在所述第二側上的開關元件；以及 控制板，其聯接到所述第二表面並且包括處理器。
2. 如請求項1所述的工具，還包括佈置在所述配電板與所述第一表面之間的熱界面材料。
3. 如請求項2所述的工具，其中所述熱界面材料是導熱墊和導熱膏中的一者。
4. 如請求項1所述的工具，還包括佈置在所述殼體中的齒輪組件，並且其中，所述馬達包括接合所述齒輪組件的輸出軸。
5. 如請求項1所述的工具，其中所述端蓋由鋁、鎂和碳鋼中的一者或多者組成。
6. 如請求項1所述的工具，其中所述配電板的所述第一側面向遠離所述端蓋的所述第一表面的方向，並且所述第一表面面向所述馬達的內部。
7. 如請求項1所述的工具，其中所述配電板的所述第二側面向朝向所述端蓋的所述第一表面的方向，並且所述第一表面面向所述馬達的內部。
8. 如請求項1所述的工具，其中所述開關元件是金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），並且所述位置傳感器是霍爾效應傳感器。
9. 一種用於馬達的馬達控制器，所述馬達具有端蓋，所述端蓋具有相對的第一表面和第二表面，其中，所述第一表面面向所述馬達的內部，所述馬達控制器包括： 配電板，其適於聯接到所述第一表面並且包括相對的第一側和第二側，其中，所述配電板包括佈置在所述第一側上的位置傳感器和佈置在所述第二側上的開關元件；以及 控制板，其適於聯接到所述第二表面並且包括處理器。
10. 如請求項9所述的馬達控制器，還包括佈置在所述配電板與所述第一表面之間的熱界面材料。
11. 如請求項10所述的馬達控制器，其中所述熱界面材料是導熱墊和導熱膏中的一者。
12. 如請求項9所述的馬達控制器，其中所述配電板的所述第一側適於面向遠離所述端蓋的所述第一表面的方向。
13. 如請求項9所述的馬達控制器，其中所述開關元件是金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），並且所述位置傳感器是霍爾效應傳感器。
14. 一種適於由電源供電的馬達，所述馬達包括： 端蓋，其具有相對的第一表面和第二表面，其中，所述第一表面面向所述馬達的內部； 配電板，其聯接到所述第一表面並且包括相對的第一側和第二側，其中，所述配電板包括佈置在所述第一側上的位置傳感器和佈置在所述第二側上的開關元件；以及 控制板，其聯接到所述第二表面並且包括處理器。
15. 如請求項14所述的馬達，還包括佈置在所述配電板與所述第一表面之間的熱界面材料。
16. 如請求項15所述的馬達，其中所述熱界面材料是導熱墊和導熱膏中的一者。
17. 如請求項14所述的馬達，其中所述馬達是無刷直流（BLDC）馬達，並且其中，所述電源是電池。
18. 如請求項14所述的馬達，其中所述端蓋由鋁、鎂和碳鋼中的一者組成。
19. 如請求項14所述的馬達，其中相應的配電板和控制板中的每一者是印刷電路板（PCB），並且 其中，所述開關元件是金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），並且所述位置傳感器是霍爾效應傳感器。
20. 如請求項14所述的馬達，還包括轉子和定子，其中，所述端蓋聯接到所述定子。

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