专利名称：电池式电动工具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及将电池作为电源的电动工具，即所谓的电池式电动工具。
背景技术：
专利文献I中公开了电池式电动工具。该电池式电动工具具备对工具进行驱动的电动机以及向该电动机供给电力的电池。专利文献I :日本特开2003 - 200363号公报
发明内容在电池式电动工具中电池会产生功率损耗。该功率损耗缘于电池的内部阻抗,并根据电池中流通的电流而变大。为了抑制电池的功率损耗并提高电动工具的输出，也可以考虑采用高输出的电池。然而，本实用新型提供一种无需使电池高输出化便能够提高电动工具的输出的技术。从电池向电动机供给的电力中减去电线束(harness)(电气配线)的电阻损耗、基于开关的触点电阻的损耗、电动机控制器(电动机驱动电路)的接通电阻损耗、电动机的损耗以及减速机构等的机械损耗便成为电池式电动工具的输出。本实用新型特别着眼于其中与电气有关的损耗，并如下述这样定义电气综合效率H。·电气综合效率η = {(工具输出+机械损耗)/ (电池电压X电池电流)} X 100%以往，通过提高电池的输出(例如电压)来实现电动工具的输出的提高。与此相对地，本实用新型通过提高上述电气综合效率来提高电动工具的输出。根据该方法，无需使电池高输出化便能够提高电动工具的输出。基于上述见解，本实用新型发明人首先对现有的电动工具进行了验证。根据其结果判明现有的电动工具在电动机的电流较大的高输出运转时，电气综合效率显著降低。具体地说，如图9所示，判明了下述情况在现有的电动工具中，当电池的公称电压低于36伏特时，电气综合效率在450瓦特以上550瓦特以下的输出时(虚线所夹的范围)未达到70%。并且，如图10所示，还判明了下述情况在现有的电动工具中，当电池的公称电压超过14. 4伏特时，电气综合效率在35安培以上至45安培的电流在电动机中流通时(虚线所夹的范围)无法保持在70%以上。基于本实用新型发明人的调查结果判明电气综合效率在高输出运转时降低的主要原因是电动机的绕线电阻、电动机控制器的接通电阻、开关的触点电阻、电线束连接部(压接端子、插座等)的接触电阻这样的电阻率。换言之，通过降低这些电阻率能够有效地改善电气综合效率。基于上述见解，本实用新型发明人通过增大电动机绕线的线材截面积、且减少圈数而降低了电动机的线圈电阻。对于电动机控制器的接通电阻，将其开关元件(例如MOS -FET)的接通电阻限制在3毫欧姆以下。并且，为了排除电线束连接部的接触电阻、开关的触点电阻，形成为利用设置于电动机控制器内的半导体开关进行电动机电流的切断的电路结构。或者，在形成为利用有触点开关进行电动机电流的切断的电路结构的情况下，能够尽量降低电线束连接部的接触电阻、有触点开关的触点电阻。其结果是，本实用新型所涉及的电动工具有价值地改善了电气综合效率，其特征在于，即使电池的公称电压为24伏特以下，电气综合效率在450瓦特以上550瓦特以下的输出时也会达到70%以上。另外，本实用新型所涉及的电动工具的特征还在于，即使电池的公称电压为14.4伏特以上，当电动机电流处于35安培以上至45安培这样的大电流的范围时，电气综合效率也会达到70%以上。本实用新型的第一技术方案涉及一种电动工具，其特征在于，所述电动工具具备对工具进行驱动的电动机；以及向电动机供给电力的电池，所述电池的公称电压为24伏特以下，在450瓦特以上550瓦特以下的输出时，电气综合效率达到70%以上，所述电动机是 三相无刷电动机，经由内置多个开关元件的电动机驱动电路与电池连接，在所述电动机驱动电路与电池之间设置有基于半导体开关的切断开关。本实用新型的第二技术方案的电动工具特征在于，在第一技术方案所述的电动工具中，所述电池的公称电压为18伏特以上24伏特以下。本实用新型的第三技术方案的电动工具的特征在于，在第一技术方案所述的电动工具中，所述电池的公称电压为18伏特，在450瓦特以上550瓦特以下的输出时，在电动机中流通35安培以上45安培以下的电流。本实用新型的第四技术方案涉及一种电动工具，其特征在于，所述电动工具具备对工具进行驱动的电动机；以及向电动机供给电力的电池，所述电池的公称电压为14. 4伏特以上，当在电动机中流通35安培以上45安培以下的电流时，电气综合效率达到70%以上，所述电动机是三相无刷电动机，经由内置多个开关元件的电动机驱动电路与电池连接，在所述电动机驱动电路与电池之间设置有基于半导体开关的切断开关。本实用新型的第五技术方案的电动工具的特征在于，在第四技术方案所述的电动工具中，所述电池的公称电压为14. 4伏特以上18伏特以下。本实用新型的第六技术方案的电动工具的特征在于，在第一或第四技术方案所述的电动工具中，在所述切断开关与电动机驱动电路之间的触点连接有施加了规定的电压的负载电阻。本实用新型的第七技术方案的电动工具的特征在于，在第一或第四技术方案所述的电动工具中，所述电动机驱动电路的开关元件与所述切断开关的至少一方是III 一 V族半导体晶体管。本实用新型的第八技术方案的电动工具的特征在于，在第六技术方案所述的电动工具中，所述电动机驱动电路的开关元件与所述切断开关的至少一方是III 一 V族半导体
晶体管。根据本实用新型，无需使电池高输出化便能够提高电动工具的输出。
图I是表示实施例的圆盘锯的外观图。图2表示实施例的圆盘锯的电气结构。[0024]图3是表不相对于电动机电流的占空比的限制值的图表。图4是表示实施例的圆盘锯的输出与效率的关系的图表。图5是表示实施例的圆盘锯的电动机电流与效率的关系的图表。图6是表示实施例中的电动机的输出与效率的关系的图表。图7是表不实施例的圆盘锯的一次工作量相对于现有产品的比的图表。图8是表不实施例的圆盘银的工作效率相对于现有广品的比的图表。图9是表示现有的圆盘锯的输出与效率的关系的图表。图10是表示现有的圆盘锯的电动机电流与效率的关系的图表。 附图标记说明如下10…圆盘锯;12…主体;14···电动机；14U…电动机的U相端子；14V…电动机的V相端子；14W…电动机的W相端子；15…位置传感器；16…触发开关；22…电池组；22a…电池组的正极；22b…电池组的负极；30…锯齿；40···电动机驱动电路(电动机控制器)；41 46…第一 第六开关兀件；48…切断开关；50…分流电阻；54…电流检测电路；56···转子位置检测电路；58…转子速度运算电路；70···控制器；72···门极驱动电路；74…信号生成部；76…过电流检测部。
具体实施方式
实施例的电动工具具备对工具进行驱动的电动机以及向电动机供给电力的电池。该电动工具的特征在于，电池的公称电压为18伏特，并且在450瓦特以上550瓦特以下的输出时电气综合效率为70%以上。一般情况下，越是提高电池的公称电压，越能够在高输出区域提高电气综合效率。因此，即使在上述电动工具中也可以使电池的公称电压上升到24伏特左右。即使在这样的情况下，也能够在450瓦特以上550瓦特以下的输出时使电气综合效率达到70%以上。即，电池的公称电压并不局限于18伏特。实施例的电动工具的特征在于，当35安培以上45安培以下的电流在电动机中流通时，电气综合效率为70%以上。一般情况下，如果在电动机中流通的电流相同，则电池的公称电压越低、电气综合效率越高。因此，即使在上述电动工具中也可以使电池的公称电压下降到14. 4伏特左右。即使在这样的情况下，当35安培以上45安培以下的电流在电动机中流通时也能使电气综合效率达到70%以上。S卩，电池的公称电压并不局限于18伏特。在本实用新型的一个实施方式中，能够将三相无刷电动机用作对工具进行驱动的电动机。三相无刷电动机经由内置多个开关元件的电动机驱动电路与电池连接。此处，电动机驱动电路也被称作电动机控制器。此外，对工具进行驱动的电动机并不局限于三相无刷电动机，也可以是其它种类的直流电动机。在上述实施方式中，还优选在电动机驱动电路与电池之间设置基于半导体开关的切断开关。在该情况下，优选根据基于用户的切换操作对切断开关进行接通切断。根据该结构，能够使触发开关这样的有触点开关与电动机电流的通电路径分离，从而能够从该通电路径排除有触点开关的触点电阻。在上述实施方式中，优选在切断开关和电动机驱动电路之间的触点连接有施加了规定电压的负载电阻。根据该结构，通过一边监视该触点的电压一边对切断开关进行接通切断，能够对切断开关的导通/截断进行检查。在上述实施方式中，优选在电动机驱动电路的开关元件、切断开关采用III 一 V族半导体晶体管。由于III 一 V族半导体晶体管具有高切断耐压与低导通电阻的特点，因此能够适当地用于大电流在电动机中流通的电池式电动工具。[实施例]以下，参照附图并对实施例的圆盘锯10进行详细地说明。如图I所示，圆盘锯10具备主体12、锯齿30以及电池组22。锯齿30是圆板状的刃具，是切断工件(木材)的工具。电池组22是向主体供给电力的电源，相对于主体12能够装卸地安装于主体12。电池组22是内置多个锂离子电池、且公称电压为18伏特的电池组。电池组22中 存在内置5个锂离子电池的小型种类、以及内置10个锂离子电池的大型种类，这两种电池 组在本实施例的圆盘锯10均能够使用。此外，大型种类的电池组22中以并联连接的两个锂离子电池为一组而将5组锂离子电池串联连接。主体12具备对锯齿30进行驱动的电动机14 ;用于启动电动机14的触发开关16 ;用于供用户把持的手柄18 ;以及对锯齿30进行保持的工具轴20。主体12构成为当用户操作触发开关16时，从电池组22向电动机14供给电力，电动机14与锯齿30共同旋转驱动工具轴20。电动机14是三相无刷电动机。如图2所示，电动机14具备U相端子14U、V相端子14V、W相端子14W、以及对转子的位置进行检测的位置传感器15。如图2所示，圆盘锯10具备电动机驱动电路(电动机控制器)40、以及对电动机控制电路40进行控制的控制器70。电动机控制电路40被设置于电池组22与电动机14之间。电动机控制电路40具有第一开关元件 第六开关元件41 46。第一开关元件41被设置于电池组22的正极22a与电动机14的U相端子14U之间。第二开关元件42被设置于电池组22的正极22a与电动机14的V相端子14V之间。第三开关元件43被设置于电池组22的正极22a与电动机14的W相端子14W之间。第四开关元件44被设置于PGND与电动机14的U相端子14U之间。第五开关元件45被设置于PGND与电动机14的V相端子14V之间。第六开关元件46被设置于PGND与电动机14的W相端子14W之间。各个开关元件41 46采用GaN (氮化镓)半导体晶体管。此外，各个开关元件41 46也能够采用其它的III 一 V族半导体晶体管。或者各个开关元件41 46也可以采用SiC (碳化硅)半导体晶体管。对于各个开关元件41 46并未作特殊限制，能够采用各种各样的半导体开关。电动机驱动电路40的PGND经由切断开关48及分流电阻50而与电池组22的负极22b连接。切断开关48是η沟道型的电场效应晶体管(FET)。切断开关48与控制器70连接，并由控制器70控制。例如，当用户切断触发开关16时，切断开关48被关闭。由此，无论电动机驱动电路40的状态如何，电动机14都被从电池组22电切断。根据该电路结构，由于能够使触发开关16与电动机电流的通电路径分离，因此能够排除基于触发开关16的触点电阻的损耗。此外，当关闭切断开关48时，通过接通第一开关元件 第三开关元件41 43而使电动机14的线圈短路,来制动电动机14。在本实施例中，为了对切断开关48进行故障诊断，切断开关48的漏极端子48a经由电阻元件52而与5伏特的电压端子连接。该电阻元件52被称作负载电阻，对切断开关48与电动机驱动电路40的触点施加5伏特的恒定电压。并且，该触点的电压(即，漏极端子48a的电压)被控制器70监视。控制器70关闭切断开关48并能够通过对漏极端子48a的电压进行检测，由此来判断切断开关48的正常/异常。根据电动机14中流通的电流而在分流电阻50产生电压。由电流检测电路54检测出在分流电阻50产生的电压。电流检测电路54根据在分流电阻50产生的电压检测出电动机14中流通的电流。基于电流检测电路54的检测值向控制器70输入。另外，在切断开关48的漏源(drain-source)电极间也根据电动机14中流通的电流而产生电压。由此，电流检测电路54也可以对在切断开关48的漏源电极之间产生的电压进行检测，从而取代对在分流电阻50产生的电压的检测。圆盘锯10具备转子位置检测电路56和转子速度运算电路58。转子位置检测电路56与电动机14的位置传感器15连接,基于位置传感器15的输出信号来检测电动机14的转子的旋转位置。基于转子位置检测电路56的检测值向转子速度运算电路58及控制器70输入。转子速度运算电路58基于转子位置检测电路56的检测值计算出电动机14的转子的旋转速度。基于转子速度运算电路58的运算值向控制器70输入。控制器70具备门极(gate)驱动电路72、PWM信号生成部74以及过电流检测部76。门极驱动电路72与开关元件41 46的门极分别连接。门极驱动电路72根据由转子位置检测电路56检测出的转子的旋转位置向开关元件41 46选择性地输出接通信号。PWM信号生成部74根据用户对触发开关16施加的操作量而生成PWM (脉冲宽度调制)信号。对触发开关16的操作量越大，PWM信号生成部74越增大PWM信号的占空比。门极驱动电路72根据来自P丽信号生成部74的PWM信号而对开关元件41 46进行PWM控制。此时，优选门极驱动电路72进行互补PWM控制。由此能够降低伴随PWM控制的损耗。过电流检测部76对与电动机14的电流相关的第一限制值与第二限制值进行存储。在本实施例中，将第一限制值设定为50安培，将第二限制值设定为60安培。另外，第一限制值及第二限制值并不局限于这些值。过电流检测部76通过将被检测出的电动机14的电流值与第一限制值及第二限制值进行比较而分两个阶段地检测电动机14的过电流。基于过电流检测部76的检测结果向门极驱动电路72输入。门极驱动电路72根据过电流检测部76的检测结果而对电动机14的最大占空比进行限制。如图3所示，在电动机14的电流值超过第一限制值(50安培)的情况下，电动机14的最大占空比被限制为70%。并且，当电动机14的电流值超过第二限制值(60安培)时，电动机14的最大占空比被限制为40%。当电动机14的占空比被限制时，圆盘锯10的输出大幅降低。当圆盘锯10的输出降低时，用户自然使施加于圆盘锯10的负荷降低。其结果是，用户能够一边施加适度的负荷一边使用圆盘锯10。防止了电动机14的堵转并防止了电动机线圈的烧损。此外，在电动机14的电流值超过第二限制值(60安培)的情况下，也可以限制电动机14的占空比，以使电动机14的电流值形成为恒定(60安培或60安培以下)。本实施例的圆盘锯10的特征在于电气综合效率高。特别是在电动机14的电流值较大的高输出的运转时，设计成电气综合效率变高。具体地说，如图4所示，其特征在于当450瓦特以上550瓦特以下的输出时电气综合效率始终在70%以上。并且，如图5所示，其特征在于当35安培以上至45安培的电流在电动机14中流通时电气综合效率始终在70%以上。此外，在图4、图5中，以圆形的描绘点(·)示出的数据是采用小型的电动机14的情况，以四角形的描绘点( )示出的数据是采用大型的电动机14的情况。此处，电气综合效率意味着电动机14实际输出的功率相对于电池组22的供给功率的比例。电动机14实际输出的功率的一部分在减速器等中被机械性地损耗，剩余的部分成为从工具(圆盘锯10)施加给工件的实际输出。由此，即使电池组22的能力相同，通过改善电气综合效率也能够提高工具(圆盘锯10)的实际输出。为了提高电气综合效率，必须降低从电池组22到电动机14之间(包括电动机14)产生的电气损耗。具体地说，首先可以降低电动机14的绕线电阻而实现对电动机14中的损耗的抑制(即，电动机效率的提高)。在本实施例中，为了降低电动机14的绕线电阻，增大绕线的线材截面积并减少圈数。其结果是，如图6所示，本实施例中的电动机14在450瓦特 550瓦特的输出范围内，其效率达到约80%。由此可知与在相同的输出范围内停留在约62%的效率的现有电动机相比，能够大幅地抑制基于电动机14的绕线电阻的损耗。
并且，为了改善电气综合效率，降低电动机驱动电路(电动机控制器)40的通电电阻，即降低第一 第六开关元件41 46的接通电阻也很有效。由此，优选各个开关元件41 46采用接通电阻小的半导体晶体管，如本实施例这样地采用III 一 V族半导体晶体管或SiC半导体晶体管很有效。在该情况下，优选该半导体晶体管的接通电阻为3毫欧姆以下。进而，为了改善电气综合效率，使触发开关16这样的操作开关之类与电动机电流的通电路径分离，由此将操作开关之类的触点电阻从电动机电流的通电路径排除也很有效。在该情况下，如先前所说明的那样，优选将基于半导体开关的切断开关48设置于电动机电流的通电路径上。进而，降低电线束的连接部(压接端子、插座等)的接触电阻对电气综合效率的改善也很有效。通过以上所说明的对电气综合效率的改善，本实施例的圆盘锯10能够在450瓦特以上550瓦特以下的输出时使电气综合效率始终保持在70%以上。其结果是，如图7所示，圆盘锯10的一次作业量与现有产品相比大约提高40%。此处，一次作业量意味着电池组22平均充电一次后所能够完成的工作量。即，根据本实施例的圆盘锯10，使用充满电后的一个电池组22能够进行现有产品的大约I. 4倍的作业。此外，如图8所示，本实施例的圆盘锯10中，其作业效率与现有产品相比也大约提高了 20%。此处，作业效率意味着平均单位时间的工作量，相当于实际使用的输出。电气综合效率改善后的结果，电池组22中流通的电流相对于电动机的输出减少而电池组22中的损耗降低，可以认为是上述作业效率提高的原因。这样，通过改善电气综合效率，无需使电池组22高输出化便能够提高圆盘锯10的实际输出。能够通过以下方式求出电气工具的电气综合效率。如先前所说明的那样，电气综合效率意味着电动机14实际输出的功率相对于电池组22的供给功率的比例。对于电池组的供给电力，能够通过测量电池组22的电压与电流求得。并且，对于电动机14的实际输出，能够通过测量电动机14的输出扭矩与旋转速度求得。即，当将电池组22的电压设为V、电池组22的电流设为I、电动机14的输出扭矩设为T、电动机14的旋转速度设为ω时，电动综合效率n能够表示成n =(ΤΧ ω) / (vxI)。如果上述各指标的测量困难，则能够利用除减速器以外的无负荷时(B卩、空转时)的电池组的电流Ιο、堵转时的电池组22的电流Is来估计电气综合效率η。另外，电流Is虽然可以在堵转状态下进行实际测量，但是也可以根据电池组22的开放电压Vo、从电池组22的输出通过电动机驱动电路(电动机控制器)40而到电动机14为止的控制器接通电阻Re、以及电动机14的线电阻Rm而能够利用Is = Vo / (Re + Rm)的算式求得。并且，当将电池组22的电流设为I时，电气综合效率η能够通过η=(1 — Ιο/Ι)Χ (I — I/Is)的算式来求得。以上虽然对本实用新型的具体例进行了详细地说明，但是这些不过是例示而已，并非限定权利要求书。权利要求书中所记载的技术包括对以上例示的具体例所进行的各种各样的变形、变更。特别地，本实施例中所说明的技术并不局限于圆盘锯10，其它种类的电动工具中也能够广泛采用该技术。本说明书或附图中所说明的技术要素通过单独要素或各种组合而发挥技术的有用性，并不局限于申请时的技术方案所记载的组合。并且，本说明书或附图中举例示出的技 术能够同时达成多种目的，而达成这些目的的其中之一本身便具有技术上的有用性。
权利要求1.一种电动工具,其特征在于， 所述电动工具具备 对工具进行驱动的电动机；以及 向电动机供给电力的电池， 所述电池的公称电压为24伏特以下， 在450瓦特以上550瓦特以下的输出时，电气综合效率达到70%以上， 所述电动机是三相无刷电动机，经由内置多个开关元件的电动机驱动电路与电池连接， 在所述电动机驱动电路与电池之间设置有基于半导体开关的切断开关。
2.根据权利要求I所述的电动工具，其特征在于， 所述电池的公称电压为18伏特以上24伏特以下。
3.根据权利要求I所述的电动工具，其特征在于， 所述电池的公称电压为18伏特， 在450瓦特以上550瓦特以下的输出时，在电动机中流通35安培以上45安培以下的电流。
4.一种电动工具,其特征在于， 所述电动工具具备 对工具进行驱动的电动机；以及 向电动机供给电力的电池， 所述电池的公称电压为14. 4伏特以上， 当在电动机中流通35安培以上45安培以下的电流时，电气综合效率达到70%以上， 所述电动机是三相无刷电动机，经由内置多个开关元件的电动机驱动电路与电池连接， 在所述电动机驱动电路与电池之间设置有基于半导体开关的切断开关。
5.根据权利要求4所述的电动工具，其特征在于， 所述电池的公称电压为14. 4伏特以上18伏特以下。
6.根据权利要求I或4所述的电动工具，其特征在于， 在所述切断开关与电动机驱动电路之间的触点连接有施加了规定的电压的负载电阻。
7.根据权利要求I或4所述的电动工具，其特征在于， 所述电动机驱动电路的开关元件与所述切断开关的至少一方是III 一 V族半导体晶体管。
8.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于， 所述电动机驱动电路的开关元件与所述切断开关的至少一方是III 一 V族半导体晶体管。
专利摘要电池式电动工具提高电池式电动工具的输出。电动工具(10)具备对工具进行驱动的电动机(14)；向电动机(14)供给电力的电池(22)；以及设置于电动机(14)与电池(22)之间的电动机驱动电路。电动机(14)是无刷电动机。电池(22)的公称电压例如为18伏特，当35安培以上45安培以下的电流在电动机中流通而输出450瓦特以上550瓦特以下的电力时，电气综合效率达到70％以上。
文档编号B25F5/00GK202592346SQ20112053371
公开日2012年12月12日 申请日期2011年12月19日 优先权日2010年12月21日
发明者柳原健也, 市川佳孝, 大村翔洋 申请人:株式会社牧田