专利名称：带有驱动单元的手持式或固定式电动工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有一个驱动单元的手持式或固定式电动工具、特别是一种蓄电池供电的电动工具例如无线螺丝刀。
众所周知，许多电动工具都可用电动机来驱动。其中部分配置无电刷的所谓EC电动机，亦即转子配有永久磁铁，该永久磁铁在一个通过定子线圈产生的磁场内旋转。EC电动机的转速一般通过施加的电动机电压来控制。
电动机电压的施加通常是通过驱动单元的功率晶体管的脉宽调制来实现的。在这种情况下，电动机的整流是依赖于固定的转子位置来实现的。EC电动机一般按电动工具的最大转速进行设计。由于为此需要的较少的匝数，这就导致了相对于定子电流的相当小的转矩。该电流由功率电子装置、电动机和/或蓄电池的极限值来决定。所以，转矩在整个转速范围内都被这些极限值限制。
这种情况对这类EC电动机用于电动工具是不利的，因为电动工具经常需要的是，在低转速时提供高转矩和在高转速时提供低转矩。就现今的电动工具来说，这是通过配置可转换的传动机构来实现的，用这种传动机构把电动工具的高转速转变成低转速，以便达到低转速的高转矩。配置可转换的传动机构花费大，而且导致摩擦损失，从而增加电动工具的功率消耗。
由于迄今为止的电动工具都是按高转速设计的，定子线圈具有低的欧姆电阻和较低的电感，这在线圈短路时会导致相当高的电流，从而可造成电动机或电子装置的损坏。在故障情况中或在某种不允许的运行状态下，例如在旋转着的电动机情况下，从蓄电池供电的电动工具中取出蓄电池时即可产生这种运行状态，由于电动机的短路而可损坏电动机或电子装置。基于这个原因，一般都必须采用措施来防止电动机的损坏。
本发明的目的是提出一种改进的电动工具，该电动工具无须配置可转换的传动机构并满足低转速时高转矩的要求和高转速时低转矩的要求，而且该电动工具比较耐受由故障或不允许的运行状态所引起的损坏。
这个目的是通过按权利要求1的电动工具以及权利要求9的方法来实现的。
本发明的其他有利改进方案可从各项从属权利要求中得知。
根据本发明，该电动工具配有一个驱动单元，该驱动单元包括一台电动机，该电动机具有一个带一永久磁铁的转子和一个定子。此外，该驱动单元具有一个电动机控制装置，该控制装置是这样设计的，即该电动机在第一转速范围内按一种电压控制的运行方式进行控制并在紧接第一转速范围的转速变高的第二转速范围内按磁场减弱运行进行控制。
根据本发明的电动工具规定，电动机转速既可通过电压控制的运行方式调节，又可通过磁场减弱运行进行调节。这就具有这样的优点电动机在电方面不必再按最大转速设计，而是按平均转速设计，从而在相同最大电压的情况下，比按较高转速设计的常规电动机在平均转速范围内达到相应较高的转矩。所以在低(第一)转速范围内可达到较高的转矩。为了达到超过平均转速的高转速，电动机在所谓的磁场减弱运行状态内运行。磁场减弱运行考虑了转子磁场和定子磁场的相位变化，从而可把转速提高到一个超过电压控制运行时最大转速的转速。在相对于最大电压时的转矩减少转矩的情况下可达到较高的转速。这种运行特性对电动工具是有利的，因为该电动工具不是要求低转速的高转矩，便是要求低转矩的高转速。所以，驱动单元可覆盖在常规驱动装置或常规EC电动机时只能通过使用相应可转换的传动机构才能达到的工作范围。
通过电动机按比较低的电动机转速的设计，即按低于电动工具工作时所用的最大转速的电动机转速设计，定子绕组的电阻和电感比在常规电动工具时的高，所以定子绕组可耐受短路，因而电动机可通过电子装置短路而立即停止在任何运行状态内，而电动机或电子装置不因短路电流受到损坏。这样，在故障情况中或在例如电动机旋转时突然去掉电压供给所引起的不允许的运行状态中，通过驱动装置的功率电子装置使电动机短路就能以最快的方式脱离危险的运行状态。
此外，在磁场减弱运行时，电动机电流的时间变化与时俱增地接近于正弦形状并由此减少磁铁和电动机铁心内的脉动损耗的增加，所以电动工具能够以改善的效率运行。
另一个优点在于定子绕组采用高的匝数，所以线圈的线直径可选择得较小，从而方便电动机的制造。
根据本发明的一种实施方式，电动机控制装置按电压控制的运行方式在电动机上施加一个电压，以便预先给定电动机的转速。其中，第一转速范围由0和预定平均转速之间的范围所决定，而该平均转速是在电压控制运行方式情况下施加一个最大电压时达到的。
电动工具的电动机控制装置可具有一个移相器，以便通过相位移在定子磁势和转子磁势之间调节磁场减弱运行。特别是移相器被设计成在磁场减弱运行中可在定子磁势和转子磁势之间调节大于90°的相位。
根据一种优选的实施方式，电动工具具有一个可再充电的蓄电池形式的供电。特别是该电动工具可设计成无线螺丝刀，其中，电动机的一根轴通过一个具有固定传动的传动机构与加工工具连接，亦即该电动工具不带可转换的传动机构。
下面结合附图来详细说明本发明的优选实施方式。附图表示
图1是电动工具驱动单元的框图；图2是电压控制运行和磁场减弱运行说明用的矢量图；图3示出在一种常规电动工具和一种按本发明一种实施方式的电动工具的情况下与转速有关的转矩变化曲线。
图1示出了一种电动工具、特别是蓄电池供电的电动工具、尤其是无线螺丝刀的驱动单元1。该驱动单元具有一台电动机2，该电动机通过一个功率电子装置3供电。电动机2的控制通过脉宽调制的电压脉冲来实现，这种电压脉冲借助晶体管电桥来产生并在电动机2上引起一个有效电压。电动机2是具有三个定子绕组4的三相电动机，这三个定子绕组分别通过晶体管电桥之一来控制。
功率电子装置3通过一个电动机控制装置5来控制，该控制装置在脉宽调制单元6中产生功率电子装置3的脉宽调制控制信号。脉宽调制控制信号取决于电动机2的转子(未示出)的位置和取决于一个由外部预先给定的理论值借助一个调节单元7在脉宽调制单元6内进行调节。该理论值直接地或间接地由使用者借助一个操作元件预先给定。
电动机2的转子位置通过一个位置传感器8进行测定，所以在调节单元7内通过绝对的转子位置提供信息。位置传感器8可测定到前一位置的绝对位置或相对位置。在这种情况中，通过位置变化在调节单元7中决定绝对位置。
调节单元7设计成可实现两种运行方式。第一运行方式规定电动机2按电压控制的运行方式进行控制，所以转速、尤其是在没有负荷或在相同负荷情况下的转速是与通过功率电子装置3施加的有效电压成比例的。在由一个超过预定转速的转速范围所决定的第二运行方式中，调节单元7在调节控制电动机2用的功率电子装置时转换到所谓的磁场减弱运行。为此配置了一个移相器9，其作用是保证由转子提供的转子磁场与由定子产生的激励磁场之间的相位变成大于90°，其中相位移的大小决定转速。
电动机控制装置5可设计成微控制器的形式，它提供功率电子装置3的控制信号。驱动单元1可通过一个蓄电池10、尤其是通过一个可再充电的蓄电池供电。此外，调节单元7可测定定子电流和功率电子装置3的电压，以便获得在电动机2上施加的有关负荷的信息。
图2表示在电压控制运行和磁场减弱运行时的定子磁势和转子磁势的矢量图。左方矢量图表示电压控制运行时的状态。在这种运行方式时，可达到的最大电动机转速由施加到功率电子装置上的供电电压的数值固定地预先给定。定子电流或定子磁势θ1的空间矢量几乎与转子的磁等效磁势θPM的空间矢量保持垂直。通过施加到定子绕组上的电压的改变几乎可成比例地调节转速。
图2右边的矢量图表示磁场减弱运行时的状态。定子磁势θ1的空间矢量和转子的磁等效磁势θPM的空间矢量不再相互保持垂直，而是定子磁势和转子磁势此时具有一个明显大于90°的角度。如果把定子磁势按矢量分解成一个平行于转子磁势(X轴)的分量和一个与之垂直(Y轴)的分量，则可看出定子磁势的X轴分量θ1，x与转子磁势方向相反并由此减弱它的作用，其作用是磁极电压的减少。这种作用机理相当于在他激直流并励电机时众所周知的机理。在该处，如果在电机运行中减少激励磁势，则引起旋转感应的电枢电压的减少，这将导致不断增加的电枢电流并由此导致加速的力矩。电机一直加速，直至感应电压和电枢电阻上的电压降与电源电压保持平衡为止。从而可提高直流电机的转速。
图3表示转矩与电动机转速的关系曲线。在用EC电动机的常规设计的电动工具的常规驱动单元(虚线)的情况下，可提供的转矩一直到最大转速时几乎都是恒定的，因为该据矩是由电子装置和电动机的极限电流来决定的。
在本发明电动工具(实线)时，在第一转速范围内同样选择电压控制的运行方式，其中电动工具的电动机是这样设计的，为了在平均转速nM时获得最大转矩，由提供的最大功率或最大容许极限电流来决定最大转矩。这导致在0至nM范围的较小转速时由于较高的匝数而在相同电流情况下就获得了比常规电动工具高的转矩。在转速介于nM和nmax(最大转速)之间的第二转速范围内，电动机在磁场减弱运行状态内运行，此时提供一个比在平均转速时所达到的最大转矩小的转矩。电动机的转速越大，转矩越小，该转矩一直到达最大转速nmax呈反比例减小。
转矩特性曲线相当于一条很适合电动工具运行的特性曲线。在常规电动工具时，这样的一条特性曲线通常是通过使用一个具有可转换的传动比的传动机构来实现的，这种传动机构在低转速范围内提供高转矩并在高转速范围内提供较低的转矩。所以，本发明电动工具具有这样的优点它可以不用可转换的传动机构，从而可避免由于传动机构引起的摩擦损失。此外，这种电动工具可实现定子绕组的较牢固的设计，这样的定子绕组以其较大的电阻和电感而可在任何运行状态通过电子装置短路，而不损坏电动机或电子装置。较高的电阻和电感导致在预定最大电压时在电压控制运行中电动机可按较低的转速设计，因为较高的转速可通过磁场减弱运行来实现。
权利要求
1.手持式或固定式电动工具，包括一个驱动单元(1)，该驱动单元包括一台电动机(2)，该电动机具有一个带一永久磁铁的转子和一个定子；所述电动工具还包括一个电动机控制装置(5)，设计该电动机控制装置，使得它在第一转速范围内按电压控制运行方式控制电动机(2)，并在紧接第一转速范围的转速变高的第二转速范围内按磁场减弱运行进行控制。
2.按权利要求1所述的电动工具，其中设置一个操作元件，以便预先设定无负荷的转速。
3.按权利要求1所述的电动工具，其中所述电动机控制装置(5)在电压控制运行方式中在电动机(2)上施加一个电压，以便预先给出电动机(2)的转速，其中第一转速范围由0和平均转速之间的范围所决定，而该平均转速是在电压控制运行方式情况下施加一个最大电压时达到的。
4.按权利要求1至3中任一项所述的电动工具，其中所述电动机控制装置(5)具有一个移相器，以便在磁场减弱运行中调节定子磁势和转子磁势之间的相位。
5.按权利要求4所述的电动工具，所述移相器(9)设计成在磁场减弱运行中可在定子磁势和转子磁势之间调节大于90°的相位。
6.按权利要求1至5中任一项所述的电动工具，所述电动工具具有一个可再充电的蓄电池形式的电源(10)。
7.按权利要求6所述的电动工具，所述电动工具是无线螺丝刀。
8.按权利要求1至7中任一项所述的电动工具，所述电动机(2)的一根轴直接与一个加工工具连接。
9.手持式或固定式电动工具的驱动单元(1)的运行方法，所述电动工具包括一个转子和一个定子，所述转子具有一个永久磁铁，其中电动机(2)在第一转速范围内按电压控制运行方式进行控制并在第二转速范围内按磁场减弱运行进行控制。
全文摘要
本发明涉及一种带有一个驱动单元(1)和一个电动机控制装置(5)的手持式或固定式电动工具。所述驱动单元包括一台电动机(2)，该电动机具有一个包括一永久磁铁的转子和一个定子；设计所述电动机控制装置，使得它在第一转速范围内按电压控制运行方式控制电动机(2)，并在紧接第一转速范围的转速变高的第二转速范围内按磁场减弱运行进行控制。
文档编号B25B21/00GK1965470SQ200580018183
公开日2007年5月16日 申请日期2005年5月3日 优先权日2004年6月5日
发明者K·罗伊特林格, V·博施 申请人:罗伯特·博世有限公司