專利名稱：可移動的無繩電動工具的雙模式非隔離式的有繩系統(tǒng)的制作方法
本申請要求1998年12月30日提出的美國臨時性申請60/114218號的提交日期。
本發(fā)明一般涉及電動工具，更具體地說，涉及可在由其自身所帶的電源驅(qū)動的無繩模式下工作，或由一個通常的交流/直流發(fā)電機電源驅(qū)動的有繩模式下工作的便攜式手持電動工具。
在無繩模式下工作的電動裝置一般包括一個殼體，該殼體具有一個容納和夾持一個可取下的電池組件的腔。該電池組件完全地封裝著一個或多個電池，并提供該電動裝置工作所需要的直流電。歷史上，無繩的電動裝置包括功率較小的裝置，例如，電動剃須刀和手持式計算器。近來，電池技術(shù)的改進開發(fā)出可以貯存較多能量，和可用于驅(qū)動功率較大的裝置的電池。這些裝置包括例如，工作功率從50瓦至數(shù)百瓦的便攜式手持電動工具和器械。一般，手持電動工具是由一個包括多個串聯(lián)的電池的電池組件供電的。為了提供大功率裝置所需要的較大功率，要將大量的電池串聯(lián)起來，使得輸入電壓增高，電池組件的體積增大。
無繩的電動裝置可以在沒有通常的交流電源，或交流電源使用不方便的地區(qū)工作。然而，該電池組件的有效的充電容量和是否具有可更換的電池組件，限制了無繩電動裝置的使用。當該電池組件放電時，必需重新充電；或是用充滿電的電池組件更換。
與電動裝置比較，電池和電池充電器都較昂貴。在大功率應(yīng)用場合中的電池價格，大約為所使用的電動裝置價格的30％。當電池重新充電時，需要另外的電池來更換電能耗盡的電池進行無繩模式的工作。電動工具工作過程中，從電池獲取的大功率，該電池的放電深度，充電/放電循環(huán)的次數(shù)，和電池重新充電的速度，所有這些都可縮短電池的使用壽命?？焖俪潆娖鞯膬r格，可能比由該電池供電的電動工具或器械的價格還高。電池充電器有二種基本形式，即涓流充電器和快速充電器。涓流充電器比快速充電器便宜得多，但涓流充電器給一個電池組件重新充電大約需要1/2天；而快速充電器大約只需1小時就可給一個電池組件重新充電。因此，必需在使用一個涓流充電器，同時備有大量的用于更換的電池組件；和使用一個價格昂貴的快速充電器，但只需非常少的、用于更換的電池組件之間作出權(quán)衡。
近來提出了使便攜式無繩電動工具裝備一個任選的有繩的交流轉(zhuǎn)換器組件的方案，該交流轉(zhuǎn)換器組件可以與一個交流電源連接，并用于代替該電池組件。該有繩的交流轉(zhuǎn)換器組件，將從交流電源來的電力，轉(zhuǎn)換成該電動裝置的電機可以使用的，可調(diào)節(jié)的直流低電壓。這種裝置可允許該電動工具的操作者，根據(jù)需要，在無繩電池模式下或有繩的交流模式下，使用該工具。這樣，擁有這樣的裝置可使無繩電動工具的操作者，在該電池組件放電時，還可完成工作；或在該電池組件正在充電中，而完全充好電的、備用的電池組件還沒有的時候，繼續(xù)使用該電動工具。因此，通過使用上述的有繩交流轉(zhuǎn)換器組件，可將對多余的電池組件的需要減至最少。
然而，該有繩的交流轉(zhuǎn)換器組件的現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計受到許多因素的限制，例如該組件的實際外殼，所需要的輸出功率電平，該轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比，保護操作者免遭電擊的安全要求和成本。該有繩交流轉(zhuǎn)換器組件的外殼，必需與該電池組件的外殼一致，以便二者可以互換。隨著電池組件所需要的體積增大，安放該有繩轉(zhuǎn)換器的容積也增大。該轉(zhuǎn)換器的輸出功率水平直接與容器外殼內(nèi)的容積有關(guān)。在商業(yè)上出售的電池組件的實際外殼內(nèi)，可以達到能夠驅(qū)動電動裝置例如，手持的電動工具的輸出功率。該轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比是經(jīng)過整流的輸入電壓，與該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓之比。該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓設(shè)定成粗略地與該電池的電壓相當。該轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比越大，則精確地調(diào)節(jié)該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓就越困難。一般，通過使該電動裝置的操作者與交流電源隔離開，就可以滿足安全的規(guī)定。商業(yè)上出售的系統(tǒng)，通過使用一個高頻的電源變壓器，將該交流轉(zhuǎn)換器組件的輸出功率與電壓較高的交流輸入電源隔開，來滿足安全要求。電源變壓器是一種常規(guī)的裝置，它與該交流轉(zhuǎn)換器組件的其他電子裝置比較，價格昂貴而且笨重。對于一個給定的電動裝置，最大限度地減小該有繩交流轉(zhuǎn)換器組件的成本的努力，主要集中在優(yōu)化該轉(zhuǎn)換器組件的輸出功率容量上。通過設(shè)計輸出功率最小，而能滿意地驅(qū)動電動裝置的上述交流轉(zhuǎn)換器組件，可以為該轉(zhuǎn)換器選擇一些成本低廉的電子元件。
已經(jīng)面對著電池組件和電池充電器成本問題的無繩電動工具的設(shè)計者，還必需為其電動工具的昂貴的有繩交流轉(zhuǎn)換器組件投資。作為一種可供選擇的辦法，當附近有交流電源時，許多人購買有繩的電動工具代替該無繩工具使用。最大限度地減小有繩的轉(zhuǎn)換器組件的成本的努力，還受到使用隔離式變壓器來滿足政府對安全的要求時的成本的限制。通過降低有繩轉(zhuǎn)換器組件的輸出功率，來進一步降低成本會使電動裝置的功率不足。雖然，現(xiàn)有技術(shù)可以為手持電動工具提供有繩的轉(zhuǎn)換器組件，但卻不能提供方便使用的低成本的該轉(zhuǎn)換器組件。
本發(fā)明通過用一種獨特的方式來滿足政府對安全的要求，從而達到降低成本。本發(fā)明的電動工具不使用變壓器隔離，而使用一個雙重絕緣的殼體。從該有繩轉(zhuǎn)換器組件中取消該電源變壓器，可大大降低該轉(zhuǎn)換器組件的成本和重量。一個低成本的交流轉(zhuǎn)換器組件，可使無繩電動工具的操作者，在有交流電源時，也可以低成本地使用該有繩的轉(zhuǎn)換器組件。運就免除了購買單獨的有繩的電動裝置的費用，并可減少必需購買的電池組件的數(shù)目。
不帶電源變壓器的有繩的電力轉(zhuǎn)換器，比帶有電源變壓器的轉(zhuǎn)換器便宜得多。另外，取消電源變壓器，使該交流轉(zhuǎn)換器的重量減小，因此可改善操作者操作的舒適性。
為了更全面地理解本發(fā)明及本發(fā)明的目的和優(yōu)點，可參見以下的說明和附圖。


圖1為部分地表示一個電池組件與電動裝置的連接方式的三維視圖；圖2為部分地表示一個交流/直流功率轉(zhuǎn)換器組件與該電動裝置的連接方式的三維視圖；圖3A為該電池組件的三維分解視圖；圖3B為該功率轉(zhuǎn)換器組件的三維分解視圖；圖4為表示一個連接的端子塊體的該電池組件的末端視圖；圖5為與該電池組件的端子塊體配合的該電動工具的端子塊體的三維視圖；圖6為該電池組件端子塊體和該電動工具端子塊體之間的界面的二維視圖；圖7為上述交流/直流功率轉(zhuǎn)換器組件和該電動工具的端子塊體之間的界面的二維視圖；圖8為安裝好的和包含在圖2所示的交流/直流功率轉(zhuǎn)換器組件內(nèi)的一個功率轉(zhuǎn)換器的方塊圖；圖9為圖8所示的功率轉(zhuǎn)換器的功率級的示意圖；圖10為圖8所示的功率轉(zhuǎn)換器的控制線路的示意圖；圖11為表示上述功率轉(zhuǎn)換器的電壓和電流波形的信號圖；圖12為一個非雙重絕緣的直流電動工具的電機的電樞的橫截面圖；圖13為使用雙重絕緣的第一種方法的直流電動工具電機的電樞的橫截面圖；圖14為使用雙重絕緣的第二種方法的直流電動工具的電機電樞的橫截面圖；圖15為使用雙重絕緣的第三種方法的直流電動工具的電機電樞的橫截面圖；圖16為通過一個使用雙重絕緣的直流電動工具電機電樞的一疊鐵芯片的中心的橫截面圖；圖17為使用雙重絕緣的一個直流電動工具的殼體的橫截面圖。
參見圖1和圖2，圖中表示根據(jù)本發(fā)明的一個雙模式的便攜式電動工具12。雖然，本發(fā)明所示和所說明的是一個往復式鋸12，但應(yīng)當理解，該具體的工具只是示例性的，它可以是一個圓鋸，一個鉆，或任何其他根據(jù)本發(fā)明的教導制造的類似的便攜式電動工具。
該電動工具12包括一個直流電機(沒有示出)。該直流電機，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，是由電壓較低例如24伏的一個直流電源供電的，但也可以使用其他的低電壓例如12伏或18伏的直流電源。在圖1所示的第一個工作模式中，該電動工具12由一個可取下的電池電源組件14供電。另外，如圖2所示，該電動工具12可以由一個電壓較高例如，普通為115伏的交流電源，通過一個交流/直流功率轉(zhuǎn)換器組件16供電。該交流/直流功率轉(zhuǎn)換器組件16插入該電動工具中，代替上述的電池電源組件14。另外，該電動工具12還可以由一個電壓較高的直流發(fā)電機(沒有示出)、通過該交流/直流功率轉(zhuǎn)換器組件16供電。在本說明書和所附權(quán)利要求書中所用的術(shù)語“較高的電壓”指電壓為40伏或更大，而術(shù)語“較低的電壓”指電壓小于40伏。
參見圖3A和圖4，一般，圖示的本發(fā)明的可重新充電的電池電源組件14包括一個殼體18、一個電池20(在所示的實施例中為24伏的鎳-鎘電池)和一個電池組件端子塊體22。為了使該電池電源組件14容易與電動工具12可拆開地連接，該殼體18的上部25上，作有二條導軌24。該導軌24可滑動地放入在該電動工具12的殼體中作出的配合槽13(圖1)中。為了使上述電池電源組件14更加容易與該電動工具12可拆卸地連接，在該殼體18的上部25上，還作有一個凹部26。該凹部26可以容納一個該電動工具12的殼體的帶的卡爪(沒有示出)。該卡爪的結(jié)構(gòu)和動作都是通常眾所周知的，并由彈簧壓在向下位置，以便當插入上述可重新充電的電池電源組件14時，與該凹部26接合。因此，就本發(fā)明而言，在用通常的方法克服該卡爪的彈簧偏置力之前，可防止取出該電池電源組件14。
再參見圖3A和圖4，該電池組件端子塊體22包括一個由剛性塑料或其他適當材料制成的主體部分28，和許多葉片式的端子30。在所示的示例性實施例中，該電池組件端子塊體22包括四個葉片式端子30。該葉片式端子30中的二個端子，包括上述電池20的正極端子和負極端子。第三個端子30可用于監(jiān)視電池20的溫度，而第四個端子可用于辨識該電池的形式(例如，24伏的鎳-鎘電池)。從圖4可以清楚地看出，在一排葉片式端子30的每一側(cè)，在上述電池組件殼體18的上部25上的二個導軌24上，作有二個孔32。下面來說明這二個孔的作用。
現(xiàn)參見圖5，圖中表示電動工具12的端子塊體34。該電動工具的端子塊體34的主體，也由剛性塑料制成，并作一排四個U形導軌36。當上述電池組件插入該電動工具12中時，該U形導軌36給上述電池電源組件14的四個相應(yīng)的葉片式端子30導向。在該導軌36內(nèi)放置著凹形接頭38，這些凹形接頭可與上述電池電源組件14的葉片式端子30接合和實行電氣接觸。雖然，對于四個電池組件的葉片式端子30中的每一個端子，圖示的工具端子塊體34，可以容納四個凹形的接頭，但在上述工具端子塊體34中，只有二個凹形接頭38可與該電池電源組件14的正極葉片式端子30和負極葉片式端子30接合；而只有當重新給該電池電源組件14充電時，才使用其余的二個電池組件的葉片式端子30。
在上述導軌排36的每一側(cè)，通過上述端子塊體上的孔42中突出出來的正極凸形端子40和負極凸形端子40，與上述工具端子塊體34中的正極凹形端子38，和其負極凹形端子38連接。如下面所討論的那樣，該正極凸形端子40和負極凸形端子40，用于使該工具12與上述的交流/直流轉(zhuǎn)換器組件16電氣上連接。
再參見圖6，圖中表示上述電池端子塊體22和工具端子塊體34之間的界面。當該電池電源組件14的導軌24滑入該電動工具殼體中的槽13中時，該電池組件端子塊體22與該工具端子塊體34對準，如圖所示。為了使二個端子塊體22和34更容易對準，該工具端子塊體34的主體部分上包括二個在橫向隔開一定距離的軌道44。該軌道44可放置在位于導軌24下面的上述電池組件殼體18的槽46內(nèi)。進一步將該電池電源組件14插入電動工具12中，可使該電池電源組件14的正極和負極葉片式端子30，通過作在U-形導軌36上的開口，與該工具端子塊體34上的凹形接頭38接合。另外，該工具端子塊體34上的凸形正極和負極端子40，同時插入作在該電池組件殼體18的上部25上的導軌24中的開口32中，但并不與該電池電源組件14的任何一個端子電氣接觸。同樣，該電池端子塊體22上的剩余二個葉片式端子30，伸入該工具端子塊體34上的空導軌36中。
再參見圖2和圖3B，根據(jù)本發(fā)明的交流/直流轉(zhuǎn)換器組件16可將115伏的交流室內(nèi)電流轉(zhuǎn)換為24伏的直流電流。在優(yōu)選實施例中的該轉(zhuǎn)換器組件16的殼體48的外形，與上述電池電源組件14的殼體18基本上相同。該殼體48包括第一和第二個蛤殼式的半邊殼體，這二個半邊殼體在沿著縱向延伸的分開線上連接在一起。該殼體48的上部50，包括二個與在上述電池電源組件14上作的，用于與工具殼體上的槽13接合的導軌相同的導軌52。為了防止該轉(zhuǎn)換器組件16無意中脫出，上述殼體48的上部50上也作有一個凹部(沒有示出)，該凹部包括一個卡爪(沒有示出)。該殼體48還有一個凹部51，風扇45放在該凹部中，用于為該轉(zhuǎn)換器組件16提供冷卻氣流。風扇45上連接著一個風扇蓋47，用于防止外來物體妨礙該風扇45的工作。在該殼體48內(nèi)還有幾塊散熱片43，用于使熱量散開，冷卻所選擇的功率轉(zhuǎn)換器零件。
圖7中表示了上述轉(zhuǎn)換器組件16和工具端子塊體22之間的界面。該轉(zhuǎn)換器組件16包括二個凹形端子54，可容納該工具端子塊體22上的二個凸形端子40。與上述的電池電源組件14安裝在該電動工具12上的方法相似，當將上述轉(zhuǎn)換器組件16安裝在工具12上時，為了保證該轉(zhuǎn)換器組件16的二個凹形接頭54，與工具12上的凸形接頭40對準，該轉(zhuǎn)換器組件殼體48的上部50上的導軌52，可與上述工具端子塊體34上的，在橫向隔開一定距離的導軌44接合。
由于本發(fā)明中的交流/直流轉(zhuǎn)換器組件16是不隔離的，為了滿足安全的要求，上述二個凹形端子54凹陷在該轉(zhuǎn)換器組件16的殼體48的上部50內(nèi)。在優(yōu)選實施例中，該凹形端子54凹陷在該轉(zhuǎn)換器組件16的殼體48的上部50內(nèi)至少8mm。該轉(zhuǎn)換器組件16將115伏的交流電轉(zhuǎn)換為24伏的直流電，并通過上述二個凹形端子54，送至電動工具12中。當該轉(zhuǎn)換器組件16安裝在工具12上工作時，上述工具端子塊體34上的凹形端子38，電氣上是不工作的。
上述交流/直流功率轉(zhuǎn)換器組件16的優(yōu)選實施例是固定頻率、不隔離和反極性分路(buck-derive)布局式的；然而，本發(fā)明的原理可以擴展至變頻的轉(zhuǎn)換器，和布局不是反極性分路式的，例如，Cük和回掃式轉(zhuǎn)換器。該功率轉(zhuǎn)換器組件16設(shè)計成可將不可調(diào)節(jié)的交流電壓，轉(zhuǎn)換為可調(diào)節(jié)的，可供電動工具12使用的直流電壓。例如，該轉(zhuǎn)換器組件16可將120伏，60Hz的交流輸入，轉(zhuǎn)換為該電動工具12所需要的42伏以下(例如24伏直流)的任何一種直流低電壓。
如圖8的方框圖所示，該功率轉(zhuǎn)換器組件16包括一個與二極管電橋102串聯(lián)的保險絲101。一個電源插頭和電線(參見圖2)，通過該保險絲101，與該二極管電路102的另一輸入端連接。該二極管電橋102的輸出，加在高壓側(cè)電線104，和與參考地線106連接的起動功率限制器103之間。二極管電橋102的經(jīng)過整流的輸出電壓，由輸入電容器108濾波。所得到的經(jīng)過濾波的電壓額定為165伏直流。輸入電容器108與作為一個電壓控制的開關(guān)使用的并聯(lián)的功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管)110a和110b的漏極連接。當MOSFET 110a和110b在導通狀態(tài)時，漏極和源極之間的阻抗小。當在斷開狀態(tài)時，漏極和源極之間的阻抗非常大，可以有效地防止電流流動。MOSFET 110a和110b的源極與輸出電感112和單向?qū)щ姷妮敵龆O管114(free-wheeling output diode)的陰極的連接處連接。該輸出電感112的另一端與輸出電容器116連接。檢測電流的電阻118連接在該輸出電容116和單向?qū)щ姷亩O管114的陽極之間。輸出二極管114的陽極也與參考地線106連接。輸出電容116兩端之間的電壓，加在功率轉(zhuǎn)換器組件16的輸出端，在輸出端VOUTHI 120和VOUTLO 122二端之間，而該輸出端VOUTHI 120和VOUTLO 122與上述二個凹形端子54連接。風扇123與該輸出電容116并聯(lián)。二極管電橋102，MOSFET 110和單向?qū)щ姷妮敵龆O管114全部安裝在散熱和成為消耗的電能的熱通道的散熱片上。
圖8和圖10表示功率轉(zhuǎn)換器組件16的控制和保護電路。該電路包括電壓可調(diào)的電源124，PWM(脈沖寬度調(diào)制控制)控制126，電壓反饋128，電流限制130和溫度檢測134多個部分。該電壓可調(diào)的電源124與輸入電容108的二端連接，將一個低功率的、可調(diào)節(jié)的低電壓輸出送至該功率轉(zhuǎn)換器組件16的內(nèi)部電路。該可調(diào)的低電壓輸出，以及該功率轉(zhuǎn)換器組件的內(nèi)部電路的其余部分稱為參考地線106。VOUTHI 120與連接PWM控制部分126的電壓反饋128連接。檢測電流用的電阻118與和濕度檢測部分134連接的電流限制部分130連接。電流限制部分130的輸出，與PWM控制部分126連接。組成上述電壓可調(diào)的電源124，PWM控制部分126，電壓反饋部分128，電流限制部分130和溫度檢測部分134的元件布局是技術(shù)上眾所周知的。
圖9和圖10表示形成功率轉(zhuǎn)換器組件16的功率轉(zhuǎn)換功能的電路。該電路包括高電壓激勵器132和功率級元件。PWM控制部分126的輸出與該高電壓激勵器132連接，后者使PWM控制部分126的輸出電平偏移，以驅(qū)動MOSFET 110a和110b的柵極。組成高電壓激勵器132的元件布局是技術(shù)上已熟知的。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，帶有相應(yīng)元件的一個SGS-ThomsonL6381高壓激勵器127即構(gòu)成該高電壓激勵器132。然而，用于使PWM輸出電壓偏移的其他電路也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)(例如，分立元件電路和Motorola高壓激勵器芯片)。
參見圖8，在開始使功率轉(zhuǎn)換器組件16通電時，將電源插頭和電線與一個交流電源連接。交流電壓由二極管電橋102整流，并加在輸入電容108的二端。從該交流電源流出的電流，在通過保險絲101，起動功率限制器103，和二極管電橋102時，急劇增大，并開始使輸入電容108充電。該起動功率限制器103的工作，將急劇增大的電流幅值限制在安全水平上。開始時，該起動功率限制器103的阻抗很大，但迅速改變成低阻抗。在本實施例中，該起動功率限制器103由電阻150與三端雙向可控硅開關(guān)元件152并聯(lián)組成，并由通過輸出電感112的電流觸發(fā)。然而，也可以采用其他已知的電路，例如一個串聯(lián)熱敏電阻；和與由溫度、時間、或電流大小觸發(fā)的一個可控制的半導體并聯(lián)的一個高阻值串聯(lián)電阻。當輸入電容108二端的電壓升高至其額定值165伏直流電壓時，該電壓可調(diào)的電源124被激活，開始將電壓送至包括PWM控制部分126在內(nèi)的該功率轉(zhuǎn)換器組件16的內(nèi)部電路。在輸入電容108開始充電過程中，上述三端雙向可控硅開關(guān)152保持斷開，迫使返回電流流過電阻150，因此可以限制起動電流的峰值。該三端雙向可控硅開關(guān)152保持斷開，直至PWM控制部分126的輸出，將MOSFET 110a和110b激勵至導通狀態(tài)為止。這時，通過輸出電感112的電流，與通過電感112的一個檢測線圈的電流耦合，將該三端雙向可控硅開關(guān)觸發(fā)至導通狀態(tài)。
在本實施例中的該PWM控制部分126，為帶有相應(yīng)元件的TexasInstruments公司生產(chǎn)的TL 494，如圖10所示。還有許多其他的控制芯片可以使用，例如，UC 1845和SG 1625。在上述電壓可調(diào)的電源124的可調(diào)輸出超過6.4伏以前，PWM控制部分126沒有輸出，這時是軟起動狀態(tài)。在軟起動開始以前，PWM控制部分126的振蕩器開始工作。本實施例在固定頻率40KHz下開關(guān)，但是，更高或更低的開關(guān)頻率也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在功率轉(zhuǎn)換器組件16穩(wěn)態(tài)工作過程中，該PWM控制部分126的輸出為脈沖寬度變化的低電壓方波信號，調(diào)整該脈沖寬度，可保持在輸出端VOUTHI 120和VOUTLO 122上的輸出電壓可以調(diào)節(jié)。在軟起動過程中，PWM控制部分126的輸出的脈沖寬度開始為零，然后逐漸增加至一個穩(wěn)態(tài)值，結(jié)果可將輸出電壓調(diào)節(jié)至所希望的電壓。軟起動模式的持續(xù)時間由PWM控制部分126中的元件特性值的選擇控制，這在技術(shù)上是眾所周知的。軟起動的目的，是要在輸出電容116被充電至其額定穩(wěn)態(tài)值的時間過程中，限制該功率轉(zhuǎn)換器16的元件上，由電流和電壓引起的應(yīng)力。當輸出電容116二端的電壓接近其穩(wěn)態(tài)值時，上述電壓反饋部分128的輸出，上升至其穩(wěn)態(tài)值，使PWM控制部分126的脈沖寬度達到穩(wěn)態(tài)值，從而將輸出電容116二端的電壓調(diào)節(jié)至希望的值。本實施例中的反饋網(wǎng)絡(luò)為滯后-超前-滯后-超前形式，其設(shè)計要求是眾所周知的，用以保持該功率轉(zhuǎn)換器組件16的穩(wěn)定工作。在穩(wěn)定工作過程中，由高電壓激勵器132作電平偏移的PWM控制部分126的輸出，在開關(guān)頻率下，重復地將MOSFET 110a和110b激勵至導通狀態(tài)和斷開狀態(tài)。
除了圖8之外，再參見圖11的VS，iL和Vout的波形可看出，當MOSFET110a和110b在導通狀態(tài)時，輸入電容108的電壓VS加在MOSFET 110a和110b的源極上，并加在輸出電感112的輸入端上，使上述單向?qū)щ姷亩O管114受到反向偏壓作用。在導通狀態(tài)過程中，輸出電感112二端的電壓等于輸入電器108二端的電壓，減去輸出電容116二端的電壓Vout。電感112二端的正電壓，使得通過電感112的電流iL，以線性速度增加。電流在VOUTHI120和輸出電容116之間分離開來，直流分量流至VOUTHI 120，而交流分量基本上通過輸出電容116。從負載121返回的電流，從VOUTLO 122流過檢測電流用的電阻118和輸入電容108，從而完成了電流通道。
當MOSFET 110a和110b切換至斷開狀態(tài)時，它們對從輸入電容108送出的電壓形成高阻抗，使該電壓與電路的其余部分去耦。在這期間，單向?qū)щ姷亩O管114被激活。當前流過MOSFET 110a和110b的、從輸出電感112出來的電流iL，現(xiàn)在通過單向?qū)щ姷妮敵龆O管114。當輸出二極管114導通時，在輸出電感112的輸入端上的電壓VS，大約為低于參考地線106電壓的一個二極管的電壓降。輸出電感112二端的電壓，等于-1伏減去輸出電容116二端的電壓。電感112二端的負電壓，使通過該電感112的電流，以線性速率減小。電流再在VOUTHI 120和輸出電容116之間分離開來，直流分量流過VOUTHI 120，而交流分量基本上流過輸出電容116。從負載121返回的電流，從VOUTLO 122流過檢測電流用的電阻118和單向?qū)щ姷妮敵龆O管114，從而完成了電流通道。在剩余的循環(huán)時間內(nèi)，該MOSFET 110a和110b保持在斷開狀態(tài)。
再參見圖8和圖11中的Vg和Vpwm波形可看出，為了驅(qū)動功率MOSFET110a和110b至導通狀態(tài)或斷開狀態(tài)，PWM控制部分126的輸出，由高電壓激勵器132進行電平偏移。在從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變至導通狀態(tài)的過程中，PWM控制部分126的輸出電壓Vpwm很低，造成上述激勵器132的輸出增大，這樣，就給PNP晶體管178的基極和發(fā)射極的結(jié)處加偏壓，使該晶體管斷開。同時，NPN晶體管174導通。電流通過NPN晶體管174和電阻176a，176b，流入MOSFET 110a和110b的柵極中，使柵極和源極之間的內(nèi)部電容充電，在從MOSFET 110a和110b的源極返回的電流，流至濾波電容器168之前，將MOSFET 110a和110b的柵極電壓V。升高至接地電壓以上。MOSFET 110a和110b的柵極和源極二端的增大的電壓，使MOSFET 110a和110b開始導通，使MOSFET 110a和110b的源極電壓，從相對于參考地線106的-1伏，增加至接近輸入電容108二端的電壓的一個值。另外，還可使MOSFET 110a和110b的柵極電壓Vg，增加至輸入電容108二端的電壓，加上MOSFET柵極和源極電壓的值。當MOSFET 110a和110b的源極電壓增加時，去耦二極管166被加上反向偏壓，使該二極管166與高電壓激勵器132的其余部分去耦。濾波電容168仍以MOSFET 110a和110b的源極為基準，因此，在導通狀態(tài)剩余的時間過程中，提供保持MOSFET 110a和110b的柵極和源極之間的電壓所需要的能量。
為了開始起動斷開狀態(tài)，PWM控制部分126的輸出電壓Vpwm，從低轉(zhuǎn)換至高。高電壓激勵器172使造成NPN晶體管174斷開，而PNP晶體管178導通的信號倒轉(zhuǎn)，并使信號電平偏移。貯存在MOSFET 110a和110b的柵極和源極之間的內(nèi)部電容中的能量，通過電阻176和PNP晶體管178放出。當MOSFET 110a和110b的柵極和源極之間的電壓減小至小于大約4伏時，MOSFET 110a和110b斷開。單向?qū)щ姷亩O管114被激活，使MOSFET 110a和110b源極上的電壓減少至-1伏。然后，電流通過去耦二極管166，流入濾波電容168中，重新使電容器168充電。并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管170將濾波電容168二端的電壓箝制至一個安全值，不使MOSFET 110a和110b的柵極和源極結(jié)處受應(yīng)力過大。電路保持在斷開狀態(tài)，直至PWM控制部分126的輸出再次變小為止。
除了控制脈沖寬度，保持輸出電壓恒定以外，PWM控制部分126還可根據(jù)從電流限制部分130發(fā)出的輸出，來改變脈沖寬度，以保護該功率轉(zhuǎn)換器組件16，不會受到過大的輸出電流負載的作用。輸出電流通過上述檢測電流用的電阻118，形成一個與該輸出電流成比例的電壓。電阻118二端的電壓，與從PWM控制部分得出的一個參考電壓比較。當該輸出電流比預先確定的最大電流大時，則上述電流限制部分130的輸出使得PWM控制部分126將輸出的脈沖寬減小。工作循環(huán)時間減小，造成VOUTHI 120和VOUTLO122輸出端的電壓減小，直至所得到的輸出電流，小于預先確定的最大值為止。
溫度檢測部分134保護該功率轉(zhuǎn)換器組件16，不使MOSFET 110和輸出二極管114受到過高溫度的應(yīng)力作用。在本優(yōu)選實施例中，使用一個熱敏電阻作為溫度檢測部分134。用以監(jiān)視散熱片43的溫度。如果由于過載，碎屑堵塞空氣入口，或其他故障原因造成溫度升高，則溫度檢測部分134修正上述電流限制部分的參考電壓，使PWM控制部分126產(chǎn)生較短的脈沖寬度。脈沖寬度較短可降低輸出電壓和輸出電流，這相當于降低總的輸出功率。輸出功率降低可減小功率轉(zhuǎn)換器組件16的元件所消耗的功率，從而降低元件溫度。
再回到圖1，雖然本發(fā)明的電動工具12設(shè)計是由較低電壓的直流電源(例如，小于50伏的直流電源)供電的；但是，作為優(yōu)選實施例的該電動工具的殼體201，與該工具的電氣系統(tǒng)仍是雙重絕緣的。技術(shù)經(jīng)驗豐富的人們都知道，為了安全的原因，設(shè)計用高電壓電源工作的電動工具，例如，通常的利用交流電或電線供電的電動工具，一般作成與該工具的殼體與該工具的電氣系統(tǒng)是雙重絕緣的。這樣，當該工具電氣系統(tǒng)短路時，可保護操作者，不致受到電擊。無繩或直流的電動工具是用低電壓電源供電的，因此，不需要這些安全措施。因此，通常的直流電動工具的殼體與該工具的電氣系統(tǒng)不絕緣。
當然，也有許多直流供電的便攜式裝置是由高電壓的室內(nèi)交流電供電的。然而，為了使這另一種方案可行，交流/直流供電的裝置廣泛采用變壓器，來降低交流高電壓，并使該裝置與高電壓的交流電源隔離開來。
雖然，對于功率較小的裝置，例如，便攜式立體聲收音機這種方法是可以接受的，但許多便攜式的電動工具的功率，要求必需使用很大的降壓變壓器。這種變壓器不但體積龐大，而且非常笨重。因此，商業(yè)上很少出售這種可由交流的室內(nèi)電流供電的直流電動工具。
本發(fā)明通過提供一種重量較輕的，非隔離式的交流變直流轉(zhuǎn)換器，和按照與通常的交流電動工具的雙重絕緣安全要求相一致的方法，制造該直流電動工具來解決上述這個問題。換句話說，通過取消在交流/直流功率轉(zhuǎn)換器組件16中的隔離的變壓器，供給該電動工具電機的直流輸出電壓是從115伏的交流輸入電壓產(chǎn)生的。因此，需要使工具殼體與該電動工具的電氣系統(tǒng)雙重絕緣。
另外，如以上針對圖5～圖7所述的那樣，根據(jù)本發(fā)明的電動工具的端子塊體34帶有獨立的凸形接頭40。該凸形接頭40與該交流/直流轉(zhuǎn)換器組件16中的特殊形狀的凹進去的凹形接頭54電氣上接觸，并從該凹形接頭獲取電能。這樣，盡管本發(fā)明的交流/直流轉(zhuǎn)換器組件16為非隔離式結(jié)構(gòu)，但它可滿足由較高電壓電源供電的電動工具的所有的安全操作要求。
圖12～圖17表示在電機和電動工具殼體內(nèi)，采用雙重絕緣的效果。雙重絕緣技術(shù)在技術(shù)上是眾所周知的。一般，雙重絕緣的電動工具的結(jié)構(gòu)，是在操作者和工具的電氣系統(tǒng)之間有二個單獨的電氣絕緣層，或具有一個雙倍厚度的絕緣層。在圖12中，具體地表示了一個非雙重絕緣的直流電機電樞200的橫截面圖。該電樞200由一根軸202組成，該軸上裝有一個鐵芯。該鐵芯由許多鐵芯片206組成，沿著該鐵芯片的外圓周作有許多缺口，用以夾持該電樞的繞組204。在該電樞200的一端，在上述軸上裝有一個齒輪或卡頭(沒有示出)，用于形成一個將回轉(zhuǎn)能量傳遞至電動工具12的工作端208(參見圖1)的裝置。例如，一個齒輪機構(gòu)可將回轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換為用于驅(qū)動一個往復式鋸的前后運動的能量。從該電樞軸202，至齒輪機構(gòu)或卡頭，并最后通至該電動工具工作端的通路是導電的。因此，在該電樞軸202上的電能，可傳導至暴露在電動工具12的操作者面前的該工具的工作端上。位置208，210，212表示，如果不使用絕緣時，可以通過與帶電組件的接觸而帶電的轉(zhuǎn)子的幾個區(qū)域。在位置208上，通過與帶電的電樞鐵芯片206的接觸，電樞軸202可以帶電。在位置210上，通過與上述電樞繞組204的末端幾圈接觸，該電樞軸202可能帶電。在位置212上，通過與該電樞繞組204的末端幾圈接觸，該電樞鐵芯片206可以帶電。
圖13表示在一個電動工具的電機電樞220上，采用雙重絕緣的第一種方法。該電樞220由其上裝有一個鐵芯的一根軸222構(gòu)成。該鐵芯由許多鐵芯片226組成，沿著該鐵芯片的外圓周作出許多缺口，用以夾持電樞繞組224。在該電樞鐵芯片206的一端，在上述軸上裝有一個卡頭228，用于形成一個將一個裝置，例如，一個鉆頭固定在該電動工具12的工作端208(參見圖1)上的裝置。一個模制的塑料絕緣體230形成了該電樞繞組224和該鐵芯片226之間，以及該軸222和繞組224之間的基本絕緣。一個壓配合的塑料管絕緣體232包裹著該軸222，形成補充的絕緣，可以防止如果上述基本絕緣破壞時，該軸帶電。
圖14表示在一個電動工具的電機電樞220上，采用雙重絕緣的第二種方法。一個紙質(zhì)絕緣體240形成了該電樞繞組224和該鐵芯片226之間的基本絕緣。雙倍厚度，2mm，的第二個絕緣體242包裹著軸222，形成代替上述補充絕緣的加強絕緣，可防止該軸因為鐵芯片226或電樞繞組224電氣上短路，而帶電。
圖15表示在一個電動工具的電機電樞220上，采用雙重絕緣的第三種方法。由紙或模制塑料制成的一個絕緣體250，形成該電樞的繞組224和鐵芯片226之間的基本絕緣。一個雙倍厚度的現(xiàn)場模制熱成形的塑料絕緣體252，包套著軸222，在原來位置形成一個代替上述補充絕緣的加強絕緣，可防止該軸因為鐵芯片226或電樞繞組224的電氣上短路，而帶電。
圖16表示通過一個電動工具的電機電樞220的一疊鐵芯片的中心的橫截面。一個嵌入槽中的襯里式絕緣體260形成該電樞繞組224和鐵芯片226之間的基本絕緣。該嵌入槽中的襯里式絕緣體可由任何適當?shù)碾姎饨^緣材料例如紙、涂層紙、聚酯、和硫化纖維制成。上述補充絕緣由一個用玻璃增強的聚酯絕緣體套筒262形成，該套筒包裹著軸222。如果該由嵌入槽中的襯里260形成的基本絕緣破壞，則該絕緣體套筒可防止該軸帶電。
圖17表示一個電動工具的雙重絕緣的殼體270。如技術(shù)上眾所周知的那樣，所用的雙重絕緣方法的目的是，要防止該殼體270內(nèi)部的電能，使該殼體270的外表面帶電。圖示的殼體270利用在該電動工具殼體外表面上的一個假想的金屬箔覆蓋層272，未模擬與操作者的相互作用。圖中還表示了一個圓環(huán)形端子274，和包括一個導電金屬絲278和金屬絲絕緣280的一根絕緣電線276。在該圓環(huán)形端子274和導電金屬絲278上都有電能。該圓環(huán)形端子274的雙重絕緣是由雙倍厚度，2mm，的殼體材料提供的，該殼體材料起加強絕緣體的作用。上述金屬絲絕緣280是該導電金屬絲278的基本絕緣。補充絕緣由上述殼體270形成，該殼體可防止擊穿上述金屬絲絕緣的電能，使該殼體270的外表面帶電。
上述功率轉(zhuǎn)換器組件16開始將低頻的交流輸入轉(zhuǎn)換為高電平的直流電壓，然后再轉(zhuǎn)換為高頻的電壓電平，該高頻電壓電平再被濾波為電動工具12的低電壓電源電平。該電動工具采用電機的雙重絕緣，而不是功率轉(zhuǎn)換器16的變壓器隔離，因而可大大降低該功率轉(zhuǎn)換器組件16的成本和重量。
另外，該轉(zhuǎn)換器組件16的元件數(shù)目較少，而轉(zhuǎn)換過程的效率較高。這進一步強化了該轉(zhuǎn)換器組件16的重量輕和結(jié)構(gòu)緊湊的特點。該轉(zhuǎn)換器組件16的尺寸可允許將該轉(zhuǎn)換器用在以前因尺寸太小，難以支承和包含可提供至少是50瓦或更高的功率范圍的轉(zhuǎn)換裝置的電動工具，例如，往復式鋸12中。
另外，雖然該轉(zhuǎn)換器組件16的優(yōu)選實施例可將低頻的高電壓電平，轉(zhuǎn)換為低的直流電壓電平，但通過直接將高的直流電平加在連接該轉(zhuǎn)換器組件16的輸入端的相應(yīng)電線和插頭上，也可以用于將高的直流電壓電平轉(zhuǎn)換為低的直流電壓電平。這樣，該電動工具12可由高的直流電壓電源供電，而不是由電池26的低的直流電壓供電工作，并從而可保持該電池的充電壽命。
該轉(zhuǎn)換器組件16可以設(shè)計成用不是120伏的60Hz的外部交流電源供電工作。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，該轉(zhuǎn)換器組件16也可設(shè)計成能提供3.6～48伏范圍的直流電壓電平輸出。在一個特殊的例子中，當采用相應(yīng)的電線插頭和電線時，可以調(diào)整該轉(zhuǎn)換器，在VOUTHI 120和VOUTLO 120輸出端之間，由外部的220伏，50Hz的交流電源，獲得24伏的直流輸出。這樣，該轉(zhuǎn)換器組件16可以為由24伏的直流電壓電源驅(qū)動工作的電動裝置，提供廉價的雙模式工作能力。
往復式鋸12只是許多電動的，無繩模式裝置中的一個例子，這種裝置由于本發(fā)明的、高效和價格低廉的雙模式工作能力而變得更加萬能了。由于本發(fā)明的概念性能得到提高的無繩電動裝置的其他例子包括，但不限于鉆，螺絲改錐，改錐-鉆，錘鉆，曲線鋸，圓鋸，柵欄修整器，剪草機，以及電池驅(qū)動的家用電器產(chǎn)品等。
從以上所述可以知道，本發(fā)明提供了一種完全能達到本發(fā)明的主要目的的、價格低廉的、電動裝置的雙模式有繩/無繩系統(tǒng)。同樣可以理解和預期的是，在不偏離本發(fā)明的精神的條件下，可以對所示的實施例作各種改進和/或改變。因此，上述的說明和附圖只是對優(yōu)選實施的說明，而不是限制性的。本發(fā)明的精神和范圍將由所附的權(quán)利要求書和它的法律上等價的文件決定。
權(quán)利要求
1.一種電動工具的有繩/無繩系統(tǒng)，它包括一個在預先選擇的電壓范圍內(nèi)工作的直流低電壓的電動工具；所述電動工具具有一個外部、一個內(nèi)部和一個預先形成的界面，用于在機械上和電氣上與一個電源組件匹配；另外還具有一個雙重絕緣的殼體，以防止電荷從該電動工具的內(nèi)部傳導至其外部；和一個有繩的非隔離式的電源組件，該組件在機械上和電氣上與一個較高電壓的電源連接，并與上述直流低電壓的電動工具匹配；所述有繩的非隔離式的電源組件，可將從該電源來的所述較高的電壓，轉(zhuǎn)換為在預先選擇的電壓范圍內(nèi)的，適合給該直流低電壓電動工具供電的直流電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的有繩/無繩系統(tǒng)，它還包括一個無繩的電池電源組件，該組件在機械上和電氣上與上述直流低電壓的電動工具匹配，并包含一個直流電壓在預先選擇的電壓范圍內(nèi)，適合于給該直流低電壓電動工具供電的電池組件；所述電池電源組件將從該電池組件發(fā)出的電力，送至該直流電動工具；其中，該電動工具可以接受從該有繩的非隔離式的電源組件，或該電池電源組件送出的電力。
3.如權(quán)利要求1所述的有繩/無繩系統(tǒng)，其中，該電動工具包括一個電機。
4.如權(quán)利要求2所述的有繩/無繩系統(tǒng)，其中，該電動工具的預先形成的界面還包括一個實際的外殼結(jié)構(gòu)，用于容納所述有繩的非隔離式電源組件，和所述無繩的電池電源組件中的任何一個組件。
5.如權(quán)利要求4所述的有繩/無繩系統(tǒng)，其中，該電動工具的預先形成的界面還包括一個電氣接頭，該接頭可在電氣上，與連接在所述有繩的非隔離式電源組件，和所述無繩的電池電源組件中的任一個組件上的一個電氣接頭連接。
6.如權(quán)利要求5所述的有繩/無繩系統(tǒng)，其中，該有繩的非隔離式電源組件的電氣接頭為一個端子塊體；而該電池電源組件的電氣接頭也是一個端子塊體。
7.如權(quán)利要求4所述的有繩/無繩系統(tǒng)，其中，該電動工具的預先形成的界面還包括一個卡爪，用于可松開地固定所述有繩的非隔離式的電源組件，和所述無繩的電池電源組件中的任何一個組件。
8.如權(quán)利要求1所述的有繩/無繩系統(tǒng)，其中，該有繩的非隔離式電源組件包括一個將從電壓較高的電源送出的電力，轉(zhuǎn)換為在預先選擇的電壓范圍內(nèi)的直流電壓的電路，其中，該直流電壓是從該較高電壓的電源發(fā)出的電力產(chǎn)生的。
9.如權(quán)利要求8所述的有繩/無繩系統(tǒng)，其中，該較高電壓的電源提供大約為120伏，60Hz的電力。
10.一種電動工具的有繩/無繩系統(tǒng)，它包括一個在預先選擇的電壓范圍內(nèi)工作的直流低電壓的電動工具，所述電動工具具有一個外部，一個內(nèi)部，和一個用于防止電荷從該電動工具的內(nèi)部傳導至其外部的雙重絕緣的殼體，另外還具有一個在機械上和電氣上與一個電源組件匹配的預先形成的界面；所述電動工具的預先形成的界面包括一個實際的外殼結(jié)構(gòu)，用于容納該電源組件；一個端子塊體，它電氣上與連接在該電源組件上的一個端子塊體連接；知一個卡爪，用于可松開地固定該電源組件；一個有繩的非隔離式電源組件，它機械上和電氣上與一個較高電壓的電源連接，并與該直流低電壓的電動工具匹配；所述有繩的非隔離式的電源組件包括一個將從較高電壓的電源發(fā)出的電力，轉(zhuǎn)換為在該預先選擇的電壓范圍內(nèi)，適合于給該直流低電壓的電動工具供電的直流電壓的電路，其中，該直流電壓是從該較高電壓的電源發(fā)出的電力產(chǎn)生的；一個無繩的電池電源組件，該組件機械上和電氣上與該直流低電壓的電動工具匹配，并包含一個直流電壓在預先選擇的電壓范圍內(nèi)，適合于給該直流低電壓的電動工具供電的電池組件；所述電池電源組件將從該電池組件發(fā)出的電力，送至該直流電動工具；和其中，該電動工具可接受從該有繩的非隔離式的電源組件，或該電池電源組件送出的電力。
11.一種將電力送至在一個預先選擇的電壓范圍內(nèi)工作的直流電動工具上的方法，所述電動工具具有暴露的表面，該方法包括下列步驟使該直流電動工具的暴露表面絕緣，以防止該表面帶電；使一個有繩的非隔離式電源組件與該電動工具，和一個較高電壓的電源連接；將從該較高電壓的電源發(fā)出的電力，轉(zhuǎn)換為直流電壓，該轉(zhuǎn)換器不是與該較高電壓的電源隔離的變壓器；其中，所述直流電壓在該預先選擇的電壓范圍內(nèi)，適合于給該直流電動工具供電；和用該直流電壓給該直流電動工具供電。
12.一種直流低壓電動工具，它在預先選擇的電壓范圍內(nèi)工作，包括一個用于操作所述工具的電氣系統(tǒng)；一個預定電氣界面，用于和電源組件機械匹配和電匹配，從而激勵電氣系統(tǒng)；以及雙重絕緣工具外殼，它容納所述電氣系統(tǒng)，以防止自電動工具的內(nèi)部向外部的電荷傳導。
13.如權(quán)利要求12所述的工具，包括一個無繩式電源組件，用于有選擇地和所述電氣界面連接，從而激勵所述電氣系統(tǒng)，以及一個有繩式非隔離式變換電源，用于有選擇地和所述電界面連接，從而激勵所述電氣系統(tǒng)。
全文摘要
一種用于廉價地驅(qū)動雙重絕緣的電動裝置工作的雙模式系統(tǒng)。包括一個在無繩模式下,給該裝置供應(yīng)所需功率和電流的電池組件;和一個放置在一個外殼中,尺寸與該電池組件相同,并且可與該電池組件互換的、供給該裝置所需的功率和電流的有繩的、非隔離式的電壓轉(zhuǎn)換器。該電壓轉(zhuǎn)換器帶有一個非隔離式的,高效率的電源,可使該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生驅(qū)動上述裝置所必需的功率和電流。上述被驅(qū)動的裝置的雙重絕緣不需要隔離變壓器式的電壓轉(zhuǎn)換器。
文檔編號B25F5/02GK1260263SQ99127410
公開日2000年7月19日 申請日期1999年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月30日
發(fā)明者戴維·A·卡里爾 申請人:布萊克和戴克公司