电动工具及其输出特性控制方法

[技术领域]

本发明涉及电动工具领域，具体涉及一种电动工具及其输出特性控制方法。

[背景技术]

目前，电动工具大多采用直流电源供电，以直流无刷电机驱动工作头运转。然而，现有的直流无刷电机的定子绕组大多采用集中绕线的方式，单个定子齿上缠绕的线圈与电机驱动电路的连接方式固定，一旦电机制造完成，电机的输出特性即被固定下来，电机的最佳效率点固定，从而导致电动工具的用途单一。

对于圆锯等一类切割工具来说，利用圆锯切割木材时具有低载高速的使用需求，而利用圆锯切割石材时则具有高载低速的使用需求。为提高工作效率，这两种使用场景下需运用具有两种不同输出特性的电动工具。以往，虽可通过改变工具内传动机构的传动比解决，但这造成电动工具的传动机构复杂且重量增大，不利于使用者的操作。

鉴于此，确有必要提供一种改进的电动工具及其输出特性控制方法，以克服先前技术存在的缺陷。

[发明内容]

基于此，有必要提供一种电动工具及其输出特性控制方法，在不改变原有的传动机构的前提下，可满足多种工况使用需求，且能兼顾工作效率。

本发明提供了一种电动工具，包括：外壳；直流电源，可拆卸地安装在所述外壳上，向所述电动工具提供电能；电机，位于所述外壳内，包括具有数个齿的定子，相对于定子旋转的转子，以及缠绕在齿上的数个绕组；工作头，由所述电机驱动旋转；控制单元，连接所述绕组，控制所述电机的旋转；负载检测单元，检测所述电动工具的负载参数；至少一所述绕组包括多个相互独立的线圈，所述电动工具还包括接线变更单元，串联在所述控制单元与所述绕组之间。

进一步改进方案为：每个所述绕组均包括多个相互独立的线圈，所述接线变更单元根据负载状态选择将所述多个线圈中的一个线圈与所述控制单元连接，或所述多个线圈中的至少两个线圈组合串联与所述控制单元连接。

进一步改进方案为：至少一所述绕组包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈与所述第二线圈的匝数或线径不同。

进一步改进方案为：所述电机为三相无刷电机，每一相包括至少两个所述绕组，所述电机的三相绕组之间为星形或三角形连接。

进一步改进方案为：所述电动工具还包括显示单元，用于指示所述电动工具的负载状态。

进一步改进方案为：电动工具初始启动时，所述多个线圈中仅一个与所述控制单元连接。

进一步改进方案为：所述负载参数为所述电机的工作电流、工作转速、扭矩、温度中的一个或多个。

本发明还提供了一种电动工具的输出特性控制方法，具有前述的电动工具，所述输出特性控制方法包括：启动电动工具，所述负载检测单元检测所述电动工具的负载参数；所述控制单元接收所述负载参数，根据所述负载参数确定所述电动工具的负载状态；所述接线变更单元根据负载状态切换所述控制单元与所述绕组之间的连接关系。

进一步改进方案为：每个所述绕组均包括第一线圈和第二线圈，且所述第一线圈的匝数小于所述第二线圈的匝数，当所述电动工具处于第一负载状态时，所述接线变更单元将所述第一线圈与所述控制单元连接；当所述电动工具处于第二负载状态时，所述接线变更单元将所述第二线圈与所述控制单元连接；当所述电动工具处于第三负载状态时，所述接线变更单元将所述第一线圈和所述第二线圈串联与所述控制单元连接。

进一步改进方案为：每个所述绕组均包括三个线圈，当所述电动工具处于第一负载状态时，所述接线变更单元将所述三个线圈中的一个与所述控制单元连接；当所述电动工具处于第二负载状态时，所述接线变更单元将所述三个线圈中的两个串联与所述控制单元连接；当所述电动工具处于第三负载状态时，所述接线变更单元将所述三个线圈串联与所述控制单元连接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供的电动工具及电动工具控制方法，能够根据负载状况自动变换各个定子齿上缠绕的线圈与控制单元之间的连接关系，从而改变电机的通电线圈的匝数，在不改变传动机构的基础上，可在不同工况下输出不同的电机特性，使电动工具可满足不同工况的使用需求且工作效率始终维持较佳。

[附图说明]

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明:

图1是本发明的第一实施例的电动工具示意图；

图2是图1所示的电动工具内控制电路构造框图；

图3是图1所示的电动工具内控制电路的一种改进的构造框图；

图4是图1所示的电动工具内电机的结构图；

图5是图1所示的电动工具内接线变更单元处于不同状态时电机每个绕组内线圈的连接关系图；

图6是接线变更单元处于不同状态时图4所示的电机内线圈的连接关系图；

图7是接线变更单元处于不同状态时图4所示的电机的速度-扭矩和效率-扭矩特性曲线图；

图8是本发明的第一实施例的电动工具当承受的负载增大的过程中电机速度和效率的变化曲线图；

图9是本发明的第二实施例的电动工具内电机的结构图；

图10是本发明的第一实施例的电动工具的输出特性控制方法的流程图；

图11是本发明的第二实施例的电动工具的输出特性控制方法的流程图。

图中附图标记的含义：

100 电动工具

11 外壳

12 直流电源

13 工作头

14 显示单元

15 电机

151 定子

152-1 齿

153-1、153-2、153-3、153-4、153-5、153-6 绕组

16控制单元17 电机驱动电路

18 负载检测单元

181 电流检测电路

19、191 接线变更单元

[具体实施方式]

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参阅图1和图2，本发明的第一实施例的电动工具100，包括扳机开关、外壳11、工作头13、直流电源12，以及位于机壳11内的电机、动力传动机构和控制电路板。直流电源12作为电动工具100的电源可拆卸地安装在外壳11上，工作头13安装在外壳11的前端。直流电源12为单个电池包，电池包内包括至少一个电池单元，每个电池单元由多节电芯串联而成。优选地，直流电源12可由多个锂电电池包串联或并联组成。电机包括具有数个齿的定子，相对于定子旋转的转子，以及缠绕齿上的数个绕组，至少一个绕组包括多个相互独立的线圈。电机15为无刷电机，包括三相绕组U、V、W，每一相绕组包括至少两个绕组，所述电机15的三相绕组之间尾部连接，作为一种可选的实施方式，电机15的三相绕组之间为三角形连接。转子包括多个永磁磁体，内嵌在转子铁芯内，给电机绕组通电时，绕组产生的磁场与永磁磁体产生的磁场相互作用以驱动转子相对于定子旋转。电机还包括输出轴，转子与输出轴通过过盈配合的方式固定在一起形成一个整体。输出轴通过动力传递机构连接工作头13，转子旋转时，输出轴通过动力传动机构带动工作头13旋转工作。

电动工具100的控制电路设置于所述控制电路板上，控制电路包括控制单元，控制单元与电机的绕组连接，用于控制电机的旋转。控制单元包括控制器16和电机驱动电路17，电机驱动电路17配置为将直流电源12提供的驱动电压供应至电机15的三相绕组，控制器16控制电机驱动电路17以控制电机的转动。电机驱动电路17包括上桥臂和下桥臂，上桥臂包括开关管Q1、Q2、Q3，下桥臂包括开关管Q4、Q5、Q6，所述每一开关管分别反向并联有二极管D1～D6，开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的控制极均电性连接至控制器16。本实施例中，控制器16通过过零检测电路与电机15连接，用于检测电机15的转子的位置，根据转子位置控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的导通顺序使电机15电子换相，从而控制电机15转动。其中，开关管为场效应管或绝缘栅双极型晶体管。作为一种可选的实施方式，替换地，控制器16通过位置检测传感器检测电机的转子位置，如图3所示，控制器16通过转子位置检测电路与电机15连接，转子位置检测电路包括霍尔检测传感器H1、H2、H3，用于检测电机15的转子位置，并生成霍尔检测信号。控制器17根据接收的霍尔检测信号，确定电机15的转子的位置，根据转子位置控制电机驱动电路17内的开关管的导通顺序使电机15电子换相，从而控制电机15转动，通过改变开关管的导通宽度或频率，可改变电机15的旋转速度。

当用户按下扳机开关时，直流电源12对工具内的控制电路板和电机15供电，控制单元通电后控制电流流入电机的绕组，驱动电机转子产生旋转运动，转子的旋转运动产生的驱动力矩通过输出轴传递给动力传动机构，动力传动机构以固定的传动比将驱动力矩再传递到工作头13，工作头13在驱动力矩的作用下产生旋转运动，从而工作头13在电机15的驱动下可实现对木材、石材、金属等材料的切割。本发明的电动工具，还可以是电钻、螺丝批、摆动机、圆锯、角磨、打草机、修枝机、割灌机等电动工具，以及任何可在电机产生的驱动力矩的作用下执行钻/锤/磨/切等各种形态的工作的电动设备。

参见图2所示，电动工具100内的控制电路还包括负载检测单元18。负载检测单元18用于检测电动工具100的负载参数，生成检测信号并输出给控制器16，负载参数为电机的工作电流、工作转速、扭矩、温度中的一个或多个。作为一种可选的实施方式，如图3所示，负载检测单元18包括电流检测电路181。电流检测电路181检测电机15的工作电路的大小，生成检测信号并传输给控制器16，控制器16根据检测信号计算电机15的工作电流的大小，将电机15的工作电流与预设电流值进行比较以确定电动工具的负载状态。具体地，控制器16内可设置两档预设电流值，电动工具的负载状态包括三种不同的负载状态，当工作电流大于第一预设电流时控制器16确定电动工具处于第一负载状态；当工作电流大于第二预设电流且小于等于第一预设电流时，控制器16确定电动工具处于第二负载状态；当工作电流小于等于第二预设电流时，控制器16确定电动工具处于第三负载状态。其中，第一预设电流大于所述第二预设电流。

参阅图3至图6，本发明的第一实施例的电动工具内电机15包括具有六个齿的定子151，六个相同的绕组153-1、153-2、153-3、153-4、153-5、153-6。同一绕组(153-1、153-2、153-3、153-4、153-5、153-6)由两个相互独立的第一线圈K1和第二线圈K2组成，第一线圈K1和第二线圈K2分别由两根金属漆包线绕制而成，相互之间绝缘分离，且缠绕在同一齿上。电机15为三相无刷电机，相对的两个齿上缠绕的绕组串联连接构成电机15的一相绕组，电机15的三相绕组的一端连接在一个中构成星形绕组结构，三相绕组的另一端分别与电机驱动电路17连接。

参阅图2，电动工具100内的控制电路还包括接线变更单元19，接线变更单元19串联在控制单元与电机15的绕组之间，控制器16电性连接接线变更单元19和负载检测单元18。接线变更单元19包括六个开关单元，分别连接至绕组153-1、153-2、153-3、153-4、153-5、153-6，每个开关单元均包括5个开关Q181、Q182、Q183、Q184、Q185，对应连接至每个绕组内的第一线圈K1和第二线圈K2的两端，通过控制开关181、182、183、184、185的通断可选择性地使每个绕组内多个线圈中的一个单独与电机驱动电路17连接或多个线圈组合串联与电机驱动电路17连接。其中，开关单元的形式不局限于继电器开关或电子开关，任何能实现上述每个绕组内线圈与电机驱动电路17之间连接关系改变的组件都可以考虑。

参见图2至图6所示，通过接线变更单元19，可对应设置每个绕组内第一线圈K1和第二线圈K2与电机驱动电路17之间的连接状态，当第一线圈K1的匝数n1小于第二线圈K2的匝数n2时，第一线圈K1和第二线圈K2与电机驱动电路17之间的连接状态具有三种。如表1所示，状态一时对应每个绕组内的第一线圈K1均单独与电机驱动电路17连接，电机15每个齿上可通电线圈的匝数为n1；状态二时对应每个绕组内的第二线圈K2均单独与电机驱动电路17连接，每个齿上可通电线圈的匝数为n2；状态三时对应每个绕组内的第一线圈K1和第二K2串联与电机驱动电路17连接，每个齿上可通电线圈的匝数为n1+n2。

表1第一线圈K1、第二线圈K2与电机驱动电路17之间的三种连接状态

上述三种状态下，电机的输出特性如图7所示，状态一时每个绕组内第一线圈K1单独与电机驱动电路17连接，此时电机15的每个齿上通电线圈的匝数为n1，对应的此时电机15的速度-扭矩特性曲线为N1，电机15的效率-扭矩特性曲线为E1；状态二时，每个绕组内第二线圈K2单独与电机驱动电路17连接，此时电机15的每个齿上通电线圈的匝数为n2，对应的此时电机15的速度-扭矩特性曲线为N2，电机15的效率-扭矩特性曲线为E2；状态三时，每个绕组内第一线圈K1和第二线圈K2串联与电机驱动电路17连接，此时电机15的每个齿上通电线圈的匝数为n1+n2，对应的此时电机15的速度-扭矩特性曲线为N3，电机15的效率-扭矩特性曲线为E3。

由图7可知，当电机的输出特性固定时，电动工具的最大输出扭矩固定。工具启动后，随着负载的增大，电机的速度逐渐减小，电机的输出扭矩逐渐增大，电机效率升高至最佳效率点后逐渐下降。当电机承受的负载进一步增大时，若此时电机的承受的负载扭矩大于当前电机的最大输出扭矩，此时很容易发生堵转，导致电动工具停机，从而导致用户无法完成操作。电机的通电线圈匝数不同，电机的输出特性不同，电机的通电线圈的匝数越多，电机的输出特性越强，电机的最大输出扭矩越大，且电机的最佳效率点越靠后。

基于此，参阅图10，本发明提供了一种第一实施例的电动工具的输出特性控制方法，包括如下步骤：

步骤S10，用户按下扳机开关，启动电动工具开始工作；

步骤S11，电流检测电路181检测电动工具内电机的工作电流的大小；

步骤S12，控制器16根据电机的工作电路的大小判断电动工具的负载状态；

步骤S13，接线变更单19根据电动工具的负载状态切换第一线圈K1和第二线圈K2与电机驱动电路17之间的连接状态。

本实施例中，控制器16根据电机的工作电流与预设电流值的大小判断电动工具的负载状态，电动工具的负载状态包括小负载状态、中负载状态及大负载状态，第一线圈K1和第二线圈K2与电机驱动电路17之间的连接状态包括三种状态(如表1所示)，上述步骤S12和S13具体包括：

步骤S121，判断工作电流是否大于第一预设电流，当工作电流大于第一预设电流时，确定所述电动工具处于大负载状态，转步骤S233；否则，转步骤S122；

步骤S122，判断工作电流是否大于第二预设电流，当工作电流小于等于第一预设电流且大于第二预设电流时，确定所述电动工具处于中负载状态，转步骤S132；否则，转步骤S131；

步骤S131，每个绕组内的第一线圈K1与电机驱动电路17连接；

步骤S132，每个绕组内的第二线圈K2与电机驱动电路17连接；

步骤S133，每个绕组内的第一线圈K1和第二线圈K2串联与电机驱动电路17连接。

参见图8所示，本实施例中电机15的转速与电动工具承受的负载的变化趋势如曲线N0所示，电机的工作效率与电动工具承受的负载的变化趋势如曲线E0所示。由图可知，采用上述控制方法，本发明的第一实施例的电动工具根据电机的工作电流判断电动工具的负载大小，工作电流越大，判断电动工具所承受的负载越大。电动工具的负载增大时，通过接线变更单元19切换第一线圈K1和第二线圈K2与电机驱动电路17之间的连接关系，使得负载越大，电机的每个绕组内可通电线圈的匝数越多。随着电机通电线圈匝数的增多，电机的输出特性增强，电机的最大输出扭矩增大，使得电动工具的可承受的负载范围变宽，电动工具可满足小负载、中负载、大负载三种工况的使用需求，且工作效率在较宽范围内始终维持较佳。由于工作效率的改善，电动工具用直流电源12的续航能力也得到了有效提升。

如图2所示，电动工具100还包括显示单元14，用于指示电动工具的负载状态或电机15内绕组与电机驱动电路17之间的连接关系。显示单元14包括多个显示灯，连接控制器16，控制器16控制显示灯的亮灯个数以指示电动工具的负载状态。优选地，显示单元14包括LED灯、或发光二级管，或显示屏。作为一种可选的实施方式，显示单元14仅包括一个显示灯，控制器16控制显示灯的亮度或亮灯颜色以指示电动工具的负载状态。通过显示单元14，用户使用电动工具时可清晰地获知当前电动工具所处的状态，以及时调整电动工具的相关操作，从而优化工具的使用体验。

参阅图9所示，本发明的第二实施例的电动工具内电机15的每个绕组包括三个相互独立的线圈K3、K4、K5，线圈K3、K4、K5分别由3根金属线在同一齿上并列绕制而成，相互之间绝缘分离。电机切换电路18对应连接至每个绕组，通过线圈K3、K4、K5进行组合串联或单独与电机驱动电路17连接，线圈K3、K4、K5与电机驱动电路17之间具有多种连接方式，对应的电机可具有多种输出特性。当电动工具设置支持三种负载状态下电机的输出特性的变换时，线圈K3、K4、K5与电机驱动电路17之间的连接状态，如表2所示，状态一时线圈K3、K4、K5中任意一个单独与电机驱动电路17连接；状态二时线圈K3、K4、K5中任意两个串联与电机驱动电路17连接；状态三时线圈K3、K4、K5相互串联与电机驱动电路17连接。

表2线圈K3、K4、K5与电机驱动电路17之间的三种连接状态

对应上述三个线圈K3、K4、K5与电机驱动电路17的三种连接状态，电动工具可设置支持三种负载状态下电机的输出特性的切换，电动工具的输出特性控制方法满足负载越大电机每个绕组内可通电线圈的匝数越多，从而电机的输出特性越强，使得电动工具可满足多种工况的使用需求且对应的工作效率均较佳。

如图11所示，当电动工具的负载状态包括小负载状态、中负载状态、大负载状态时，本发明的第二实施例的电动工具的输出特性控制方法包括：

步骤S20，用户按下扳机开关，启动电动工具开始工作；

步骤S21，负载检测单元检测电动工具的负载参数；

步骤S22，控制单元接收负载参数，根据负载参数判断电动工具的负载状态；

步骤S23，当电动工具处于小负载状态时，控制每个绕组内的线圈K3、K4、K5与电机驱动电路17之间的连接状态为状态一；当电动工具处于中负载状态时，控制每个绕组内的线圈K3、K4、K5与电机驱动电路17之间的连接状态为状态二；当电动工具处于大负载状态时，控制每个绕组内的线圈K3、K4、K5与电机驱动电路17之间的连接状态为状态三。

根据组合方式的不同，当线圈K3、K4、K5的匝数不同时，线圈K3、K4、K5与电机驱动电路19之间最多可具有7种连接方式，对应地电机15可具有7种可变的输出特性。以线圈K3、K4、K5的匝数分别为n3、n4、n5，且n3

表3线圈K3、K4、K5与电机驱动电路17之间的七种连接方式

对应电机的七种可变输出特性，电动工具可设置支持七种负载状态下电机的输出模式的切换，控制策略满足负载越大电机的每个绕组内可通电线圈的匝数越多，使得电机的输出特性越强，从而电动工具可满足多种工况的使用需求且对应的工作效率均较佳。

为避免对直流电源12的电能的浪费，本发明前述实施例的电动工具初始启动时，接线变更单元控制电机内每个绕组中仅一个线圈与控制单元连接。优选地，电动工具初始启动时，电机的可通电线圈的匝数最少，使电动工具以最弱输出特性启动工作。

根据本发明的上述实施例可知，本发明提供的电动工具及其输出特性控制方法，电动工具的负载状态包含按负载大小划分的多等级负载，每个等级的负载对应特定的电机绕组与电机驱动电路之间的连接方式。通过改变每个绕组内多个线圈与电机驱动电路之间的连接关系，可改变电机的每个绕组内可通电线圈的匝数，从而改变电机的输出特性。线圈的不同的通电匝数对应不同等级的负载，从而不同等级的负载状态下电机可输出不同的电机特性，且负载越大，电机的通电线圈匝数越多，从而电机特性越强。使得电动工具可满足更宽范围内负载状态的工作需求。此外，通过电机特性的切换，解决了负载增大时电机效率快速下降的问题，当负载增大到下一等级时，自动增强电机特性，减弱电机效率的下降趋势，使得电动工具始终能维持较佳的电机效率。对于本发明提供的电动工具来说，直流电源的续航时间得到延长，且能满足操作者的多用途需求，更符合操作者的使用需要。

此外，本发明的电动工具内电机的绕组内多个线圈之间的差异不仅局限于线圈匝数的不同，可选地，通过设置线圈的线径不同，改变多个线圈之间的连接关系，同样可达到改变电机输出特性的目的。对应地，本发明提供的电动工具及其输出特性控制方法，将电动工具的负载状态划分为多个等级，不同等级下设置每个绕组内多个线径不同的线圈之间的连接关系，以匹配合适的电机输出特性。从而同样能达到使电动工具适应多工况使用需求的目的，这里不进一步详细描述。

本发明不局限于上述具体实施方式。本领域普通技术人员可以很容易地理解到，在不脱离本发明原理和范畴的前提下，本发明的电动工具和电动工具控制方法还有很多其他的替代方案。本发明的保护范围以权利要求书的内容为准。