ИНСТРУМЕНТЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ Российский патент 2012 года по МПК B25F5/00 H02P6/12 

Данная заявка притязает на приоритет заявки на патент Японии, регистрационный номер 2008-333526, содержание которой включено сюда посредством ссылки.

Известный уровень техники изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к инструментам с электрическим приводом, содержащим корпусную деталь кожуха для размещения бесщеточного электродвигателя постоянного тока в качестве приводного источника, элемент рукоятки, выполненный выступающим от боковой части корпусной детали кожуха, переключательный элемент, установленный с таким местоположением, которое обеспечивает пользователю возможность зацепления (для приведения в действие) переключательного элемента с помощью пальца, в то время как пользователь удерживает рукоятку рукой, аккумуляторную батарею, которая обеспечивает подачу энергии в бесщеточный электродвигатель постоянного тока, трехфазную мостовую схему для управления бесщеточным электродвигателем постоянного тока, переключательное устройство, составляющее часть элемента трехфазной мостовой схемы, и конденсатор, соединенный параллельно с трехфазной мостовой схемой.

Описание предшествующего уровня техники

Во многих инструментах с электрическим приводом, таких как отвертка или сверло, для затягивания шурупов или сверления отверстий напряжение, приложенное к электродвигателю, может быть изменено для того, чтобы управлять числом оборотов двигателя в зависимости от положения нажатия на переключатель, который содержит элемент для приведения в действие пускового устройства.

Обычно переключательное устройство управляется посредством широтно-импульсной модуляции (PWM) для изменения напряжения, подаваемого на электродвигатель. Когда переключательное устройство управляется этой широтно-импульсной модуляцией, происходит выброс напряжения. Кроме того, когда напряжение, поданное на двигатель, управляется широтно-импульсной модуляцией, то чем более сильный электрический ток поступает на переключательное устройство, тем больше возрастает импульсное напряжение. Когда двухпозиционное управление током большой силы выполняется переключательным устройством для управления числом оборотов мощного электродвигателя, который может быть установлен в инструменте с электрическим приводом, выброс напряжения, который при этом происходит, становится особенно значительным. Для поглощения этого выброса напряжения конденсатор соединен параллельно с частью трехфазной мостовой схемы, которая содержит переключательное устройство.

Переключательное устройство, которое выдерживает высокое напряжение, является относительно большим по размерам, а переключательное устройство, выдерживаемое напряжение которого является невысоким, является относительно небольшим по размерам. Использование переключательного устройства небольшого размера с невысоким выдерживаемым напряжением обеспечивает преимущество компактного размещения этих переключательных устройств, но максимальный ток ограничивается для подавления выброса напряжения и требуется большой конденсатор большой емкости. Таким образом, для компактификации переключательного устройства требуется большой по размерам конденсатор.

В инструменте с электрическим приводом, как описано в выложенной патентной публикации № 2003-305667, конденсатор 108 расположен в нижней части 103 рукоятки, как показано на фиг.4, для того, чтобы использовать конденсатор большой емкости. Кроме того, электрическая монтажная плата 106, на которой выполнен элемент трехфазной мостовой схемы, содержащей переключательное устройство, при этом расположена в граничной области между элементом корпусной детали 101 кожуха и элементом рукоятки 103 поблизости от бесщеточного электродвигателя 105 постоянного тока.

В известном инструменте с электрическим приводом, как описано выше, большое расстояние от электрической монтажной платы 106, на которой выполнен элемент трехфазной мостовой схемы, до конденсатора 108 в результате приводит к удлинению токопроводящего проводника, который соединяет электрическую монтажную плату 106 и конденсатор 108. Токоподводящий проводник может быть равнозначно представлен резистивным элементом (R) и составляющей (L) индуктивности. Если длина токоподводящего проводника увеличивается, резистивный элемент (R) и составляющая (L) индуктивности увеличивается пропорционально длине. В частности, если составляющая (L) индуктивности увеличивается, выброс напряжения (e=Ldi/dt), который будет произведен тогда, когда переключательное устройство будет приведено в действие, при этом станет большим.

Следовательно, если токопроводящий проводник является длинным, и ток, подведенный к переключательному устройству во время управления широтно-импульсной модуляцией, является большим, это может воздействовать обратным образом при определении выдерживаемого напряжения переключательного устройства и емкости конденсатора, соединенного параллельно с элементом трехфазной мостовой схемы.

Кроме того, в случае, когда используют переключательное устройство относительно небольших размеров и с невысоким выдерживаемым напряжением, то ток, подводимый к переключательному устройству, следует регулировать и мощность не может быть произведена полностью от мощного двигателя, который может быть установлен в инструменте с электрическим приводом. Кроме того, это может неблагоприятно воздействовать на увеличение напряжения батареи.

Следовательно, в данной области техники есть потребность в инструменте с электрическим приводом, в котором может быть уменьшено выдерживаемое напряжение переключательного устройства в максимально возможной степени, при этом обеспечивающем возможность уменьшения емкости конденсатора в наименьшей степени посредством подавления выброса напряжения, вызванного в результате приведения в действие переключательного устройства.

Сущность изобретения

В соответствии с одной особенностью инструмента с электрическим приводом настоящего изобретения конденсатор установлен по схеме управления ближе к электродвигателю, чем переключатель, электрически подсоединенный к схеме управления электродвигателем.

Краткое описание чертежей

Фиг.l - вид в вертикальном разрезе инструмента с электрическим приводом в соответствии с осуществлением настоящего изобретения;

Фиг.2 - схематическое изображение конфигурации задающей схемы электродвигателя постоянного тока в инструменте с электрическим приводом;

Фиг.3(A) и Фиг.3(B) являются схематическими изображениями, показывающими инструмент с электрическим приводом в соответствии с альтернативными вариантами осуществления; и

Фиг.4 - схематическое изображение, показывающее известный инструмент с электрическим приводом.

Подробное описание изобретения

Каждая из раскрытых выше и ниже дополнительных особенностей и идей может быть использована отдельно или в соединении с другими особенностями и идеями для предложения усовершенствованного инструмента с электрическим приводом. Представительные примеры настоящего изобретения, в примерах которых использованы многие из этих дополнительных особенностей и идей, как в отдельности, так и в соединении одних с другими, описаны ниже подробно в отношении приложенных чертежей. Это подробное описание просто предназначено для того, чтобы предоставить специалисту в данной области техники дополнительные детали для осуществления на практике предпочтительных особенностей настоящих идей, и не предназначено для ограничения объема изобретения. Только пункты формулы изобретения определяют объем заявленного изобретения. Следовательно, комбинации особенностей и уровня изобретения, раскрытые в нижеследующем подробном описании, возможно, не требуются для использования изобретения на практике в самом широком смысле и вместо этого представлены просто для конкретного описания представительных примеров изобретения. Более того, различные особенности представительных примеров и зависимых пунктов многозвенной формулы изобретения могут быть объединены способами, которые специально не перечислены, чтобы обеспечить другие полезные варианты осуществления настоящих идей.

В одном варианте осуществления инструмент с электрическим приводом содержит корпусную деталь кожуха для размещения бесщеточного электродвигателя постоянного тока в качестве источника привода, элемент рукоятки, выполненный выступающим от боковой части корпусной детали кожуха, переключательный элемент, установленный с местоположением, позволяющим пользователю зацеплять (для приведения в действие) переключательный элемент пальцем, в то время как пользователь удерживает элемент рукоятки рукой, аккумуляторную батарею, от которой энергия подводится к бесщеточному электродвигателю постоянного тока, трехфазную мостовую схему для управления бесщеточным электродвигателем постоянного тока, переключательное устройство, составляющее часть трехфазной мостовой схемы, и конденсатор, соединенный параллельно с трехфазной мостовой схемой. Трехфазная мостовая схема расположена близко к бесщеточному электродвигателю постоянного тока в корпусной детали кожуха, и конденсатор расположен в местоположении, ближайшем к переключательному элементу, или расположен ближе к трехфазной мостовой схеме, чем к переключательному элементу. Инструмент с электроприводом, кроме того, содержит проводник, который электрически соединяет конденсатор и трехфазную мостовую схему, и трехфазная мостовая схема сконфигурирована для соединения конденсатора и трехфазной мостовой схемы на самом коротком расстоянии.

С такой схемой расположения, конденсатор размещен в местоположении, ближайшем к переключательному элементу, или размещен ближе к трехфазной мостовой схеме, чем к переключательному элементу. Таким образом, конденсатор расположен около трехфазной мостовой схемы. Кроме того, электрический провод, такой как токопроводящий проводник, сконфигурирован так, что конденсатор и трехфазная цепь являются соединенными на самом коротком расстоянии. Таким образом, отрезок провода, такого как токопроводящий проводник, который соединяет конденсатор и трехфазную мостовую схему, может быть выполнен по возможности минимально коротким. Вследствие этого, составляющая (L) индуктивности электрического провода становится небольшой и выброс напряжения, который вызван посредством составляющей (L) индуктивности, когда приводится в действие переключательное устройство, имеющее часть трехфазной мостовой схемы, становится небольшим (e=Ldi/dt). Следовательно, выдерживаемое напряжение переключательного устройства становится небольшим и емкость конденсатора становится относительно небольшой.

Следовательно, выдерживаемое напряжение переключательного устройства может быть понижено, конденсатор может быть изготовлен с относительно небольшой емкостью, насколько это возможно, посредством подавления выброса напряжения, вызванного приведением в действие переключательного устройства.

Трехфазная мостовая схема может быть размещена на задней стороне бесщеточного электродвигателя постоянного тока, а конденсатор установлен на электрической монтажной плате переключательного элемента или его выводах.

Так как часть трехфазной мостовой схемы размещена на задней стороне бесщеточного электродвигателя постоянного тока, переключательное устройство может эффективно охлаждаться с помощью охлаждающего вентилятора электродвигателя.

Кроме того, так как конденсатор установлен на электрической монтажной плате переключательного элемента или его выводах и при этом расположен снаружи корпусной детали кожуха, корпусная деталь кожуха может быть выполнена компактной.

Трехфазный мост может быть размещен на задней стороне бесщеточного электродвигателя постоянного тока, а конденсатор может быть расположен в граничной области между корпусной деталью кожуха и элементом рукоятки.

Таким образом, так как конденсатор размещен в граничной области между корпусной деталью кожуха и частью рукоятки, токопроводящий проводник и т.п. может быть выполнен коротким по сравнению с вариантом, где конденсатор установлен на электрической монтажной плате переключательного элемента.

Трехфазная мостовая схема может быть расположена в задней части бесщеточного электродвигателя постоянного тока, а конденсатор установлен на электрической монтажной плате, на которой установлен элемент трехфазной мостовой схемы.

Таким образом, длина проводника между конденсатором и частью трехфазной мостовой схемы может быть минимизирована.

Инструмент с электрическим приводом в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения описан ниже со ссылкой на Фиг.l-Фиг.3(A) и Фиг.3(B). Инструмент с электрическим приводом настоящего осуществления является вращающимся ударным инструментом, в частности отверткой ударного действия, которая приводится в действие бесщеточным электродвигателем постоянного тока.

Общая конструкция инструмента с электрическим приводом

Как показано на Фиг.l, кожух 11 инструмента 10 с электрическим приводом в соответствии с вариантом настоящего осуществления включает в себя трубчатую корпусную деталь 12 кожуха и элемент рукоятки 15 (для удерживания рукой), выполненный выступающим от боковой части корпусной детали 12 кожуха (нижняя часть на Фиг.l). Элемент рукоятки 15 включает в себя часть 15h рукоятки, которая может быть захвачена рукой пользователя, использующего инструмент 10 с электрическим приводом, и нижнюю часть 15p, расположенную на стороне выступающего конца (нижнего конца) части 15h рукоятки для захвата рукой. Переключательный элемент 18 пускового устройства установлен на опорном конце части 15h рукоятки для захвата рукой и может быть нажат пальцем пользователя.

Кроме того, нижняя часть 15p элемента рукоятки 15 может быть открыта в направлении вперед-назад относительно части 15h рукоятки для захвата рукой, и соединяющая часть 16 для аккумуляторной батареи установлена с нижней стороны нижней части 15p для присоединения аккумуляторной батареи (не показана).

Внутри корпусной детали 12 кожуха, в порядке, начиная с задней стороны корпусной детали 12 кожуха, расположены соосно бесщеточный электродвигатель 20, планетарная зубчатая передача 24, шпиндель 25, устройство 26 для выработки энергии удара и наковальня 27. Вращательная энергия бесщеточного электродвигателя 20 постоянного тока передается на шпиндель 25 через планетарную зубчатую передачу 24, вращательная энергия шпинделя 25 преобразовывается в энергию удара с поворотом посредством устройства 26 для выработки энергии удара, и затем энергия удара с поворотом передается на наковальню 27. На наковальню 27 опирается подшипник 12j, установленный на переднем конце корпусной детали 12 кожуха так, что наковальня 27 может вращаться на оси, но не может перемещаться в осевом направлении. На переднем конце наковальни 27 установлен зажимной патрон 27t с тем, чтобы в зажимном патроне можно было закреплять жало отвертки и тому подобное (не показано).

Бесщеточный электродвигатель постоянного тока

Как показано на Фиг.l, бесщеточный электродвигатель 20 постоянного тока включает в себя ротор 22, содержащий постоянный магнит, и статор 23, содержащий катушку 23c возбуждения. Охлаждающий вентилятор 22f электродвигателя установлен на одной оси с валом 22j вращения электродвигателя 20, с местоположением с передней стороны статора 23. Статор 23 включает в себя трубчатую часть (не показана) и шесть зубчатых элементов 23p, радиально выступающих внутрь от внутренней периферийной поверхности цилиндрической части. Витки обмоток катушки 23c возбуждения намотаны вокруг зубчатых элементов 23p с помощью изоляционного материала.

Кроме того, в задней части конца статора 23 на электрической монтажной плате установлены три магнитных датчика 32 для детектирования местоположений магнитных полюсов ротора 22, элемент трехфазной мостовой схемы 45 цепи 40 управления электродвигателем и т.д. Таким образом, ток может быть подведен к виткам катушки 23c возбуждения для того, чтобы посредством цепи 40 управления электродвигателем вращать ротор 22, в то время как местоположения магнитных полюсов ротора 22 детектируются магнитными датчиками 32.

Цепь управления электродвигателем

Как показано на Фиг.2, цепь 40 управления бесщеточным электродвигателем 20 постоянного тока включают в себя элемент 42 электропитания, элемент трехфазной мостовой схемы 45, содержащей шесть переключательных устройств 44, элемент со схемой 46 управления, которая управляет переключательными устройствами 44 трехфазной мостовой схемы 45. Элемент 42 электропитания является элементом (цепи), который получает энергию, подводимую к инструменту 10 с электрическим приводом от аккумуляторного элемента 42v в аккумуляторной батарее через выводы 42t соединительного элемента 16 аккумуляторной батареи. Элемент 42 электропитания включает в себя провода 42c для подвода питания, соединенные с выводами 42t, и конденсатор 43c, соединенный параллельно проводами 42c для подвода питания.

Элемент трехфазной мостовой схемы 45 соединен проводами 42c питания параллельно с конденсатором 43c, и три выходных линии 41 от элемента трехфазной мостовой схемы 45 (в дальнейшем называемые линиями 41 электропитания) соединены с соответствующим витками обмоток 23c катушек возбуждения. Например, полевые транзисторы (FET) могут использоваться в качестве переключательных устройств 44 элемента трехфазной мостовой схемы 45.

Элемент схемы 46 управления состоит из электронных устройств, таких как микрокомпьютер, интегральных схем (IC) или подобных им, которые могут управлять переключательными устройствами 44 на основе управляющего сигнала от переключательного элемента 18 пускового устройства. Элемент схемы 46 управления принимает сигналы от вышеописанных трех магнитных датчиков 32 и на основе этих сигналов (см. схематические стрелки на Фиг.2) элемент схемы 46 управления выполняет операцию «включено/выключено» каждого из переключательных устройств 44, образующих элемент трехфазной мостовой схемы 45. Таким образом, ток может быть подведен к обмоткам катушки возбуждения 23c бесщеточного электродвигателя постоянного тока 20 в порядке заданной скорости переключения.

Кроме того, сигналы от различных переключателей, таких как переключатели 46a и 46b, для переключения скорости затягивания крепежных средств, которые приводятся в действие инструментом, вводятся в элемент схемы 46 управления.

Как показано на Фиг.l, переключательный элемент 18 пускового устройства содержит пусковой рычаг 18r и электрическую монтажную плату 18c, которая может преобразовывать перемещение пускового рычага 18r в электрический сигнал и передавать его к элементу схемы 46 управления. Конденсатор 43c элемента 42 электропитания установлен на электрической монтажной плате 18c в положении электрического разъединения.

Конденсатор 43c соединен проводами 42c для подвода питания (на элементах R токоподводящих проводников на Фиг.2) параллельно элементу трехфазной мостовой схемы 45, выполненной на электрической монтажной плате 30, установленной сзади концевой части статора 23. Элементы R токоподводящих проводников подсоединены между конденсатором 43c и элементом трехфазной мостовой схемы 45 проводами для того, чтобы иметь самое короткое расстояние в пределах кожуха 11. То есть провода 42с для подвода питания (содержащие элементы R токоподводящих проводников) служат в качестве электрических проводников.

Преимущества инструмента с электрическим приводом в соответствии с вариантом осуществления

В соответствии c инструментом с электрическим приводом 10 с электронным управлением в варианте настоящего осуществления, конденсатор 43c расположен около переключателя 18. Таким образом, конденсатор 43c расположен относительно близко к элементу трехфазной мостовой схемы 45. Кроме того, провода, такие как элементы R токоподводящих проводников, сконфигурированы для соединения между конденсатором 43c и элементом трехфазной мостовой схемы 45 по самому короткому расстоянию. Таким образом, длина элементов R токоподводящих проводников (проводов), которые выполнены для соединения между конденсатором 43c и элементом трехфазной мостовой схемы 45, может быть настолько короткой, насколько это возможно. Следовательно, составляющая (L) индуктивности элементов R токоподводящих проводников (проводов) становится меньше и выброс напряжения, который может быть вызван составляющей (L) индуктивности при приведении в действие переключательного устройства 44, может быть снижен.

Следовательно, выдерживаемое напряжение переключательного устройства 44 может быть снижено и, кроме того, емкость конденсатора 43c может быть относительно небольшой.

Кроме того, так как элемент трехфазной мостовой схемы 45 расположен на задней стороне бесщеточного электродвигателя 20 постоянного тока, переключательное устройство 44 может эффективно охлаждаться посредством охлаждающего вентилятора 22f электродвигателя. К тому же, так как конденсатор 43c установлен на электрической монтажной плате 18c элемента переключателя 18 и расположен снаружи корпусной детали 12 кожуха, корпусная деталь 12 кожуха может быть изготовлена компактной.

Возможные модификации

Настоящее изобретение не может быть ограничено вышеописанным вариантом осуществления изобретения и различные изменения могут быть произведены без выхода из объема изобретения. Например, в вышеупомянутом варианте осуществления показано, что конденсатор 43c установлен на электрической монтажной плате 18c элемента переключателя 18, но, как показано на Фиг.3(A), является возможным определить местонахождение для конденсатора 43c в граничной области между корпусной деталью 12 кожуха и элементом рукоятки 15. Таким образом, длина элементов R токоподводящих проводников может быть минимизирована по сравнению с вариантом, где конденсатор 43c установлен на электрической монтажной плате 18c элемента переключателя 18.

Кроме того, как показано на Фиг.3(B), является возможным установить конденсатор 43c на электрической монтажной плате 30, на которой установлен элемент трехфазной мостовой схемы 45. Таким образом, длина проводов между конденсатором 43c и элементом трехфазной мостовой схемы 45 может быть минимизирована.

В вышеупомянутом варианте осуществления вращающийся ударный инструмент (отвертка ударного действия), в качестве примера инструмента с электрическим приводом, приводится в действие посредством бесщеточного электродвигателя 20 постоянного тока. Однако настоящее изобретение может быть применено с любым другим инструментом с электрическим приводом, таким как электрический шуруповерт и электродрель, содержащим бесщеточный электродвигатель 20 постоянного тока.

Изобретение относится к инструментам с электрическим приводом. Инструмент содержит корпусную, деталь кожуха, бесщеточный электродвигатель постоянного тока, элемент рукоятки, элемент переключателя, аккумуляторную батарею и трехфазную мостовую схему для управления бесщеточным электродвигателем постоянного тока. Трехфазная мостовая схема содержит переключательные устройства и конденсатор. Конденсатор соединен параллельно с трехфазной мостовой схемой. Трехфазная мостовая схема расположена вблизи к бесщеточному электродвигателю постоянного тока внутри корпусной детали кожуха. Конденсатор расположен вблизи к переключательному элементу. В результате обеспечивается возможность использования переключательного устройства с меньшим выдерживаемым напряжением, а конденсатора - с меньшей емкостью. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Инструмент с электрическим приводом, содержащий
корпусную деталь кожуха, способную вмещать бесщеточный электродвигатель постоянного тока в качестве приводного источника;
элемент рукоятки, выполненный выступающим от боковой части корпусной детали кожуха;
элемент переключателя, расположенный в таком местоположении, которое обеспечивает пользователю возможность приведения пальца пользователя в зацепление с переключательным элементом, в то время как пользователь удерживает элемент рукоятки;
аккумуляторную батарею, способную обеспечивать подачу энергии в бесщеточный электродвигатель постоянного тока;
трехфазную мостовую схему, сконфигурированную для управления бесщеточным электродвигателем постоянного тока и при этом содержащую переключательные устройства; и конденсатор, соединенный параллельно с трехфазной мостовой схемой;
при этом трехфазная мостовая схема расположена вблизи к бесщеточному электродвигателю постоянного тока внутри корпусной детали кожуха, а конденсатор расположен вблизи к переключательному элементу.

2. Инструмент по п.1, содержащий, кроме того, провода, выполняющие электрическое соединение между конденсатором и трехфазной мостовой схемой и сконфигурированные для соединения конденсатора и трехфазной мостовой схемы на самом коротком расстоянии.

3. Инструмент по п.1, в котором элемент переключателя установлен с передней стороны корпусной детали кожуха, причем трехфазная мостовая схема расположена на задней стороне бесщеточного электродвигателя постоянного тока, а конденсатор установлен на электрической монтажной плате элемента переключателя.

4. Инструмент по п.1, в котором элемент переключателя установлен с передней стороны корпусной детали кожуха, причем трехфазная мостовая схема расположена на задней стороне бесщеточного электродвигателя постоянного тока, а конденсатор расположен в граничной области между корпусной деталью кожуха и элементом рукоятки.

5. Инструмент по п.1, в котором элемент переключателя установлен с передней стороны корпусной детали кожуха, причем трехфазная мостовая схема расположена на задней стороне бесщеточного электродвигателя постоянного тока, а конденсатор установлен на электрической монтажной плате, содержащей трехфазную мостовую схему.

6. Инструмент с электрическим приводом, содержащий
корпусную деталь кожуха, способную вмещать бесщеточный
электродвигатель постоянного тока в качестве приводного источника;
элемент рукоятки, выполненный выступающим от боковой части корпусной детали кожуха;
элемент переключателя, установленный с таким местоположением, которое дает возможность пользователю вводить в зацепление палец пользователя с переключательным элементом, в то время как пользователь удерживает элемент рукоятки;
аккумуляторную батарею, способную обеспечивать подачу энергии в бесщеточный электродвигатель постоянного тока;
трехфазную мостовую схему, сконфигурированную для управления бесщеточным электродвигателем постоянного тока и при этом содержащую переключательные устройства; и
конденсатор, соединенный параллельно с трехфазной мостовой схемой;
при этом трехфазная мостовая схема расположена вблизи к бесщеточному электродвигателю постоянного тока внутри корпусной детали кожуха, а конденсатор расположен ближе к трехфазной мостовой схеме, чем переключательный элемент.

7. Инструмент по п.6, содержащий, кроме того, провода, выполняющие электрическое соединение между конденсатором и трехфазной мостовой схемой, и при этом сконфигурированные для соединения конденсатора и трехфазной мостовой схемы на самом коротком расстоянии.

8. Инструмент по п.6, который является вращающейся отверткой ударного действия.