用于手持式电动动力工具的电驱动单元和具有电驱动单元的手持式电动动力工具的制作方法

本发明涉及一种用于手持式电动动力工具的电驱动单元以及一种具有电驱动单元的手持式电动动力工具。

背景技术：

1、手持式电动动力工具的钻孔工具(比如钻机)在钻入基底中时可能楔入该基底中。为了防止钻机在其被楔住时围绕其自身轴线旋转并防止钻机的操作者可能受伤，通常在钻机中安装呈滑动离合器的形式的机械保护装置。所述滑动离合器将驱动器与钻孔工具断开连接，切断到电动马达的电力供应，并且电动马达停止运转而不会危及操作者。如果意图是电子保护装置接管这个功能，则需要较高的制动电流，以便在几毫秒内执行这个过程，从而确保操作者的安全。

2、例如，为了使用电子电路生成较高的制动电流，在电动马达中转子绕组处的电压的极性被反转。在电动马达中，极性反转通常是使用带有triac(双向可控硅)的桥式电路来执行，该桥式电路利用ac电压进行操作。在triac的这种使用的情况下，极性反转只能发生在交流电的零交叉期间，因为triac只能在那时改变它们的状态、特别是切断。这可能导致制动过程期间的高达10ms的时间延迟(对于50hz的电源半波的周期持续时间)。为了在预定时间段内仍然停止马达，在这种情况下必须增加制动电流。然而，在电刷操作的电动马达的情况下，这导致显著更高的碳刷磨损。此外，当使用triac时，电动马达中出现的电流在使转子电压的极性反转时无法被调节。

3、针对这个背景，本发明的一个目的是提出一种用于手持式电动动力工具的改进的驱动单元。

技术实现思路

1、第一方面提出了一种用于手持式电动动力工具的电驱动单元。该电驱动单元包括具有定子绕组和转子绕组的电动马达、用于致动该电动马达的致动电路和用于耦接用于驱动该电动马达的能量源的连接单元。该定子绕组经由第一节点连接到包括第一半导体部件和第二半导体部件的定子侧第一半桥，并且经由第二节点连接到该转子绕组。该转子绕组连接到第三节点，该第三节点经由导电部件连接到连接单元。该致动电路包括第三半导体部件，该第三半导体部件经由该第二节点连接到该转子绕组和该定子绕组，并且经由第四节点直接连接到该连接单元。

2、相应的半导体部件可以有利地借助于电驱动单元的致动电路以这样的方式来致动，即，在电动马达的制动过程期间，电动马达的转子电流和定子电流可以被精确地并且彼此独立地设定。

3、结果，转子电流可以有利地被限制到预定的电流水平，并且定子电流可以独立于此被调节，使得可以在预定的时间段内但是以高制动扭矩、以保护碳刷的方式制动电动马达。同时，由于受限的转子电流和可调的定子电流，可以减少电动马达的电刷火花和发热。结果，可以减少电动马达的碳刷磨损。这使得电动马达的维护时间间隔更长，从而增加了手持式电动动力工具的电动马达的使用寿命。

4、电驱动单元的另外的优点是，电驱动单元的致动电路具有较小数量的半导体部件，特别地与常规驱动单元相比是如此的。结果，可以减少制造方面的支出，同时由于较小数量的半导体部件，增加了电驱动单元的故障安全性。

5、当相应的半导体部件被移动到导电状态时，电流可以流过半导体部件。当相应的半导体部件被移动到非导电状态时，没有电流可以流过半导体部件。

6、电动马达包括带有电刷的电动马达，优选地是通用马达或全电流马达。

7、特别地，电动马达包括至少具有定子绕组的定子和至少具有转子绕组的转子。定子绕组可以被称为电动马达的励磁绕组，而转子绕组可以被称为电动马达的电枢绕组。特别地，定子绕组具有非电抗性电阻和电感，以及转子绕组同样地具有非电抗性电阻和电感。相应的非电抗性电阻优选地尽可能小。当电压施加到定子绕组或施加到转子绕组时，电流流过相应的绕组。由于电流和电感，相应的磁场建立起来。根据定子和转子之间的相位关系、电流流动的方向(以及因此磁场的方向)以及马达的相应旋转方向来驱动或制动转子。由于转子在定子的磁场中移动，根据楞次定律，在转子绕组中感应出电压，其结果是流过抵消该原因(磁通量的变化)的电流。这意味着以这种方式感应出的电流本身导致与定子的磁场相反的磁场。因此，通过控制定子中和转子中的电流的流动，可以在驱动电动马达与制动电动马达之间切换。

8、根据电驱动单元的一个实施例，该致动电路进一步包括另一半导体部件，该另一半导体部件经由该第二节点连接到该转子绕组和该定子绕组，并且经由第五节点直接连接到该连接单元。

9、第五节点特别地不同于第四节点。例如，第五节点连接到连接单元的第一导轨，该第一导轨可以连接到能量源的第一极，以及第四节点连接到连接单元的第二导轨，该第二导轨可以连接到能量源的第二极。

10、第二半导体部件和/或另一半导体部件优选地呈比如二极管等无源部件的形式。与比如双极晶体管或mosfet等有源部件相比，这简化了致动电路的设计并降低了制造复杂性。另外，第三半导体部件可以呈晶闸管的形式。这同样降低了制造复杂性。

11、根据电驱动单元的另一实施例，该致动电路被设计成将该第一半导体部件移动到非导电状态，以便中断供电电流流动。

12、特别地，供电电流流动是由能量源生成的电流流动，并且可以经由连接单元流过电驱动单元。特别地，供电电流流动从能量源的第一极流到相应的半导体部件，并且在能量源的第二极的方向上穿过相应的半导体部件，比如第一半导体部件。

13、在这个实施例中，在利用pwm信号致动第一半导体部件的范围内，优选地不中断供电电流流动，如例如在马达操作期间使用那样。特别地，供电电流流动在其期间被中断的时间段是pwm信号的周期持续时间的几倍。

14、pwm信号的周期持续时间包括至少一个脉冲(高电平)和一个零脉冲(低电平)。占空比优选地指示脉冲持续时间或pwm信号的脉冲与pwm信号的周期持续时间的比率。例如，具有0.5的占空比的脉冲持续时间(高电平)是周期持续时间的50％。周期持续时间的剩余50％包括零脉冲(低电平)。也就是说，在具有0.5的占空比和100μs的周期持续时间的pwm信号的情况下，pwm信号在50μs的时间段内输出脉冲或高电平，并且在50μs的时间段内输出零脉冲或低电平。

15、特别地通过pwm信号的高电平或pwm信号的低电平来致动相应的半导体部件(比如第一半导体部件)的控制连接件。例如，如果相应的半导体部件是双极晶体管，则控制连接件呈基极连接件的形式。作为替代性方案，如果相应的半导体部件呈mosfet或igbt的形式，则控制连接件呈栅极连接件的形式。

16、特别地，如果高电平被施加到相应的半导体部件的控制连接件，则相应的半导体部件被移动到导电状态。另一方面，如果低电平被施加到相应的半导体部件的控制连接件，则相应的半导体部件被移动到非导电状态。应当注意，也可以使用相反的逻辑，其中高电平和低电平的角色反转。

17、通过将第一半导体部件移动到非导电状态，电动马达优选地从马达操作切换到制动操作。在供电电流流动被中断之前，电动马达被操作，特别地以便进行马达操作。在马达操作期间，优选由手持式电动动力工具的操作者执行工作过程(比如钻入到基底中或凿刻过程)。在制动操作期间，特别地电动马达以及因此还有由其驱动的工具被带到停止。在本专利申请的上下文中，术语“制动操作”旨在被理解为是指电动马达不处于马达操作中。制动操作还可以包括其中电动马达不利用制动扭矩进行制动的时间间隔，并且可以包括其中通过电动马达的电流流动具有驱动效果的时间间隔。特别地，这可以是紧接在从马达操作切换到制动操作之后的短时间间隔的情况。

18、电驱动单元的一个优点是，致动电路被设计成在马达操作期间和/或制动操作期间的任何时候将相应的半导体部件移动到导电状态或非导电状态。因此，在钻孔工具的楔入的情况下，制动操作可以在马达操作期间立即启动。这增加了手持式电动动力工具的操作者的安全性。

19、致动电路特别地优选地被设计成在电动马达的马达操作期间检测手持式电动动力工具的预定操作状态。该预定操作状态优选地包括至少一个操作中断状态、特别是该手持式电动动力工具的钻孔工具的楔入。例如，如果在使用手持式电动动力工具的钻孔过程期间，钻孔工具楔入基底(比如钢筋混凝土块中的钢筋)中，则这被检测为操作中断状态。例如借助于手持式电动动力工具的传感器，特别是借助于手持式电动动力工具的陀螺仪传感器来检测预定操作状态的存在。

20、根据电驱动单元的另一实施例，该致动电路被设计成将该第三半导体部件移动到导电状态，以便将该转子绕组与该定子绕组并联连接。

21、根据电驱动单元的另一实施例，该致动电路被设计成除了该第三半导体部件之外还将该第一半导体部件移动到导电状态，以便提供磁通量，使得与在该电动马达的马达操作期间施加到该转子绕组的电压相比，在该转子绕组处在相反的方向上感应出电压。

22、特别地，磁通量由通过定子绕组的电流生成。特别是以这样的方式提供磁通量，即旋转的转子在磁通量中移动。磁通量也可以被称为定子绕组的磁场，其是由通过定子绕组的定子电流的流动引起的。

23、在转子绕组处感应出的电压特别地由根据楞次定律在转子绕组中感应出的电流引起。由于这种电流流动是以这样的方式被引导的，即它所引起的磁场抵消了它的原因，所以产生了制动扭矩，该制动扭矩抵消转子的旋转。电动马达、特别是其转子因此被制动。

24、特别地，致动电路被设计成一旦转子电流达到或下降到低于预定切换阈值，就将第一半导体部件和第三半导体部件移动到导电状态。预定切换阈值优选地为0a。特别地，当转子电流已经达到预定切换阈值时，转子电流已经完全衰减，并且因此优选地为0a。

25、根据电驱动单元的另一实施例，该电驱动单元包括用于确定当前转子电流的第一电流测量单元，其中，该致动电路被设计成根据所确定的当前转子电流和转子电流的预定阈值将第一半导体部件移动到非导电状态，以便限制转子电流。

26、优选地以这样的方式根据预定阈值限制转子电流，即，转子电流的绝对值小于或等于预定阈值，也就是说不超过预定阈值。

27、根据电驱动单元的另一实施例，该导电部件包括第四半导体部件，并且该致动电路进一步包括第五半导体部件，该第五半导体部件经由该第三节点连接到该转子绕组，并且经由第五节点直接连接到该连接单元。

28、第五节点特别地不同于第四节点。例如，第五节点连接到连接单元的第一导轨，该第一导轨可以连接到能量源的第一极，以及第四节点连接到连接单元的第二导轨，该第二导轨可以连接到能量源的第二极。

29、根据电驱动单元的一个实施例，第一半导体部件、第二半导体部件、第三半导体部件、第四半导体部件和/或第五半导体部件呈双极晶体管的形式、特别地呈igbt的形式、或者呈mosfet的形式。

30、igbt是具有绝缘栅电极的双极晶体管。特别地，防护二极管(续流二极管)相对于能量源的供电电流在相反方向上与相应的半导体部件并联布置。续流二极管优选地用于在切断电感式dc电压负载(比如电动马达)时防止过电压。如果相应的半导体部件呈双极晶体管的形式，则续流二极管与双极晶体管的集电极连接件和发射极连接件并联连接。另一方面，如果相应的半导体部件呈mosfet的形式，则续流二极管与mosfet的漏极连接件和源极连接件并联连接。例如，相应的转子电流或定子电流可以通过相应的续流二极管衰减。

31、根据电驱动单元的另一实施例，该致动电路被设计成将该第四半导体部件移动到非导电状态，以便中断通过该转子绕组的转子电流。

32、电驱动单元的一个优点是，致动电路被设计成在马达操作期间和/或在制动操作期间的任何时候将相应的半导体部件移动到导电状态或非导电状态。因此，在钻孔工具的楔入的情况下，制动操作可以在马达操作期间立即启动。这增加了手持式电动动力工具的操作者的安全性。

33、根据电驱动单元的另一实施例，该致动电路被设计成将该第三半导体部件和该第五半导体部件移动到导电状态，用于与电机操作相比反转施加到该转子绕组的输入电压的极性。

34、致动电路优选地被设计成在极性反转之前通过将第三半导体部件移动到导电状态来将转子绕组与定子绕组并联连接。特别地，在并联连接之前，电动马达的定子绕组和转子绕组如在串励电机中那样互连，而在并联连接之后，电动马达的定子绕组和转子绕组如在并励电机中那样互连。

35、下面特别地解释转子绕组处的输入电压u输入的极性反转。以下等式(1)：

36、

37、其中，l电枢表示转子绕组的电感，以及表示转子绕组处的转子电压，该等式例如对于通过转子绕组的转子电流近似成立。

38、等式(2)：

39、

40、其中，u输入是转子绕组处的输入电压，是转子的非电抗性电阻器两端的下降的电压，以及u感应是转子绕组处感应出的电压，该等式对于极性反转之前的马达操作期间的转子电压成立，转子绕组处感应出的电压可以由等式(3)表示：

41、u感应＝ca·ψe·ω，                  等式(3)，

42、其中，ca表示机器常数，ψe表示由通过定子绕组的定子电流生成的磁激励通量，以及ω表示转子的当前转速。

43、由于将转子绕组处的输入电压u输入的极性反转，这与所感应的电压u感应具有相同的符号，这就是为什么电压现在全部以绝对值相加。因此，等式(4)：

44、

45、该等式对于极性反转之后的制动操作期间的转子电压成立。结果，在转子绕组中生成指向与通过定子绕组的定子电流方向相反的电流。因此，由转子电流生成磁场，该磁场以这样的方式与由定子绕组生成的磁场相互作用，即，产生制动扭矩。转子因此被制动。根据电驱动单元的另一实施例，该电驱动单元包括用于确定当前转子电流的第一电流测量单元，其中，该致动电路被设计成根据所确定的当前转子电流和该转子电流的预定阈值，以相反的意义同步交替地将该第四半导体部件和该第五半导体部件移动到导电状态和非导电状态，以便限制该转子电流。

46、优选地以这样的方式根据预定阈值限制转子电流，即，转子电流不超过预定阈值。

47、表述“以相反的意义同步交替地”特别地意味着两个半导体部件(比如第四半导体部件和第五半导体部件)以这样的方式交替地切换，即，例如，第四半导体部件处于导电状态，而同时第五半导体部件处于非导电状态，或反之亦然。

48、根据电驱动单元的另一实施例，该致动电路被设计成根据所确定的当前转子电流、该转子电流的预定阈值和该电动马达的当前转速，以相反的意义同步交替地将该第四半导体部件和该第五半导体部件移动到导电状态和非导电状态，以便限制该转子电流。

49、在此，优选地同样地以这样的方式根据预定阈值限制转子电流，即，转子电流不超过预定阈值。

50、根据电驱动单元的另一实施例，该电驱动单元包括用于确定当前定子电流的第二电流测量单元，其中，该致动电路被设计成将该第一半导体部件交替地移动到导电状态和非导电状态，以便根据该电动马达的当前转速来调节通过该定子绕组的定子电流。

51、在这种情况下，致动电路优选地被设计成随着当前转速下降而增加定子电流。可以通过增加定子电流来增加制动扭矩。

52、根据电驱动单元的另一实施例，该致动电路被设计成在该第三半导体部件和该第五半导体部件已经被移动到导电状态之后经过预定时间段之后，将该第一半导体部件交替地移动到导电状态和非导电状态，以便根据该电动马达的当前转速来调节通过该定子绕组的定子电流。

53、特别地，在极性反转之后，系统等待预定时间段过去。预定时间段低于5ms，优选地低于4ms，优选地低于3ms，优选地低于2ms。一旦预定时间段已经过去，定子绕组优选地根据第一半导体部件的状态被通电，并且可以增加定子电流。因此，可以独立于转子电流来调节定子电流。这种措施有利地减少了电刷火花，其结果是减少了碳刷磨损。

54、根据另一实施例，该电驱动单元被设计用于根据dc电压源、脉动dc电压源或具有整流器的ac电压源进行操作。

55、能量源优选地是具有整流器的ac电压源，附加地还可以提供平滑电容器。

56、根据电驱动单元的另一实施例，该致动电路包括多个驱动器电路，其中每个半导体部件被分配驱动器电路，用于输出用于致动相应的半导体部件的相应的控制信号。

57、借助于相应的驱动器电路由致动电路对半导体部件的这种致动使得在电动马达的制动过程期间电动马达的转子电流和定子电流能够被精确地且彼此独立地设定。相应的控制信号特别是pwm(脉宽调制)信号。

58、第二方面提出了一种具有根据第一方面的电驱动单元的手持式电动动力工具。

59、手持式电动动力工具例如呈钻机、锤钻、锯、搅拌器、研磨机、切割研磨机等的形式。手持式电动动力工具特别地可以使用线缆进行操作。作为替代性方案，手持式电动动力工具可以具有用于接纳可充电电池的接纳舱，该可充电电池为所述手持式电动动力工具供应能量。