CN1260263A - 可移动的无绳电动工具的双模式非隔离式的有绳系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于廉价地驱动双重绝缘的电动装置工作的双模式系统。包括一个在无绳模式下,给该装置供应所需功率和电流的电池组件;和一个放置在一个外壳中,尺寸与该电池组件相同,并且可与该电池组件互换的、供给该装置所需的功率和电流的有绳的、非隔离式的电压转换器。该电压转换器带有一个非隔离式的,高效率的电源,可使该转换器产生驱动上述装置所必需的功率和电流。上述被驱动的装置的双重绝缘不需要隔离变压器式的电压转换器。

Description

可移动的无绳电动工具的双模式 非隔离式的有绳系统
本申请要求1998年12月30日提出的美国临时性申请60/114218号的提交日期。
本发明一般涉及电动工具，更具体地说，涉及可在由其自身所带的电源驱动的无绳模式下工作，或由一个通常的交流/直流发电机电源驱动的有绳模式下工作的便携式手持电动工具。
在无绳模式下工作的电动装置一般包括一个壳体，该壳体具有一个容纳和夹持一个可取下的电池组件的腔。该电池组件完全地封装着一个或多个电池，并提供该电动装置工作所需要的直流电。历史上，无绳的电动装置包括功率较小的装置，例如，电动剃须刀和手持式计算器。近来，电池技术的改进开发出可以贮存较多能量，和可用于驱动功率较大的装置的电池。这些装置包括例如，工作功率从50瓦至数百瓦的便携式手持电动工具和器械。一般，手持电动工具是由一个包括多个串联的电池的电池组件供电的。为了提供大功率装置所需要的较大功率，要将大量的电池串联起来，使得输入电压增高，电池组件的体积增大。
无绳的电动装置可以在没有通常的交流电源，或交流电源使用不方便的地区工作。然而，该电池组件的有效的充电容量和是否具有可更换的电池组件，限制了无绳电动装置的使用。当该电池组件放电时，必需重新充电；或是用充满电的电池组件更换。
与电动装置比较，电池和电池充电器都较昂贵。在大功率应用场合中的电池价格，大约为所使用的电动装置价格的30％。当电池重新充电时，需要另外的电池来更换电能耗尽的电池进行无绳模式的工作。电动工具工作过程中，从电池获取的大功率，该电池的放电深度，充电/放电循环的次数，和电池重新充电的速度，所有这些都可缩短电池的使用寿命。快速充电器的价格，可能比由该电池供电的电动工具或器械的价格还高。电池充电器有二种基本形式，即涓流充电器和快速充电器。涓流充电器比快速充电器便宜得多，但涓流充电器给一个电池组件重新充电大约需要1/2天；而快速充电器大约只需1小时就可给一个电池组件重新充电。因此，必需在使用一个涓流充电器，同时备有大量的用于更换的电池组件；和使用一个价格昂贵的快速充电器，但只需非常少的、用于更换的电池组件之间作出权衡。
近来提出了使便携式无绳电动工具装备一个任选的有绳的交流转换器组件的方案，该交流转换器组件可以与一个交流电源连接，并用于代替该电池组件。该有绳的交流转换器组件，将从交流电源来的电力，转换成该电动装置的电机可以使用的，可调节的直流低电压。这种装置可允许该电动工具的操作者，根据需要，在无绳电池模式下或有绳的交流模式下，使用该工具。这样，拥有这样的装置可使无绳电动工具的操作者，在该电池组件放电时，还可完成工作；或在该电池组件正在充电中，而完全充好电的、备用的电池组件还没有的时候，继续使用该电动工具。因此，通过使用上述的有绳交流转换器组件，可将对多余的电池组件的需要减至最少。
然而，该有绳的交流转换器组件的现有技术的设计受到许多因素的限制，例如：该组件的实际外壳，所需要的输出功率电平，该转换器的电压转换比，保护操作者免遭电击的安全要求和成本。该有绳交流转换器组件的外壳，必需与该电池组件的外壳一致，以便二者可以互换。随着电池组件所需要的体积增大，安放该有绳转换器的容积也增大。该转换器的输出功率水平直接与容器外壳内的容积有关。在商业上出售的电池组件的实际外壳内，可以达到能够驱动电动装置例如，手持的电动工具的输出功率。该转换器的电压转换比是经过整流的输入电压，与该转换器的输出电压之比。该转换器的输出电压设定成粗略地与该电池的电压相当。该转换器的电压转换比越大，则精确地调节该转换器的输出电压就越困难。一般，通过使该电动装置的操作者与交流电源隔离开，就可以满足安全的规定。商业上出售的系统，通过使用一个高频的电源变压器，将该交流转换器组件的输出功率与电压较高的交流输入电源隔开，来满足安全要求。电源变压器是一种常规的装置，它与该交流转换器组件的其他电子装置比较，价格昂贵而且笨重。对于一个给定的电动装置，最大限度地减小该有绳交流转换器组件的成本的努力，主要集中在优化该转换器组件的输出功率容量上。通过设计输出功率最小，而能满意地驱动电动装置的上述交流转换器组件，可以为该转换器选择一些成本低廉的电子元件。
已经面对着电池组件和电池充电器成本问题的无绳电动工具的设计者，还必需为其电动工具的昂贵的有绳交流转换器组件投资。作为一种可供选择的办法，当附近有交流电源时，许多人购买有绳的电动工具代替该无绳工具使用。最大限度地减小有绳的转换器组件的成本的努力，还受到使用隔离式变压器来满足政府对安全的要求时的成本的限制。通过降低有绳转换器组件的输出功率，来进一步降低成本会使电动装置的功率不足。虽然，现有技术可以为手持电动工具提供有绳的转换器组件，但却不能提供方便使用的低成本的该转换器组件。
本发明通过用一种独特的方式来满足政府对安全的要求，从而达到降低成本。本发明的电动工具不使用变压器隔离，而使用一个双重绝缘的壳体。从该有绳转换器组件中取消该电源变压器，可大大降低该转换器组件的成本和重量。一个低成本的交流转换器组件，可使无绳电动工具的操作者，在有交流电源时，也可以低成本地使用该有绳的转换器组件。运就免除了购买单独的有绳的电动装置的费用，并可减少必需购买的电池组件的数目。
不带电源变压器的有绳的电力转换器，比带有电源变压器的转换器便宜得多。另外，取消电源变压器，使该交流转换器的重量减小，因此可改善操作者操作的舒适性。
为了更全面地理解本发明及本发明的目的和优点，可参见以下的说明和附图。
图1为部分地表示一个电池组件与电动装置的连接方式的三维视图；
图2为部分地表示一个交流/直流功率转换器组件与该电动装置的连接方式的三维视图；
图3A为该电池组件的三维分解视图；
图3B为该功率转换器组件的三维分解视图；
图4为表示一个连接的端子块体的该电池组件的末端视图；
图5为与该电池组件的端子块体配合的该电动工具的端子块体的三维视图；
图6为该电池组件端子块体和该电动工具端子块体之间的界面的二维视图；
图7为上述交流/直流功率转换器组件和该电动工具的端子块体之间的界面的二维视图；
图8为安装好的和包含在图2所示的交流/直流功率转换器组件内的一个功率转换器的方块图；
图9为图8所示的功率转换器的功率级的示意图；
图10为图8所示的功率转换器的控制线路的示意图；
图11为表示上述功率转换器的电压和电流波形的信号图；
图12为一个非双重绝缘的直流电动工具的电机的电枢的横截面图；
图13为使用双重绝缘的第一种方法的直流电动工具电机的电枢的横截面图；
图14为使用双重绝缘的第二种方法的直流电动工具的电机电枢的横截面图；
图15为使用双重绝缘的第三种方法的直流电动工具的电机电枢的横截面图；
图16为通过一个使用双重绝缘的直流电动工具电机电枢的一叠铁芯片的中心的横截面图；
图17为使用双重绝缘的一个直流电动工具的壳体的横截面图。
参见图1和图2，图中表示根据本发明的一个双模式的便携式电动工具12。虽然，本发明所示和所说明的是一个往复式锯12，但应当理解，该具体的工具只是示例性的，它可以是一个圆锯，一个钻，或任何其他根据本发明的教导制造的类似的便携式电动工具。
该电动工具12包括一个直流电机(没有示出)。该直流电机，在本发明的优选实施例中，是由电压较低例如24伏的一个直流电源供电的，但也可以使用其他的低电压例如12伏或18伏的直流电源。在图1所示的第一个工作模式中，该电动工具12由一个可取下的电池电源组件14供电。另外，如图2所示，该电动工具12可以由一个电压较高例如，普通为115伏的交流电源，通过一个交流/直流功率转换器组件16供电。该交流/直流功率转换器组件16插入该电动工具中，代替上述的电池电源组件14。另外，该电动工具12还可以由一个电压较高的直流发电机(没有示出)、通过该交流/直流功率转换器组件16供电。在本说明书和所附权利要求书中所用的术语“较高的电压”指电压为40伏或更大，而术语“较低的电压”指电压小于40伏。
参见图3A和图4，一般，图示的本发明的可重新充电的电池电源组件14包括：一个壳体18、一个电池20(在所示的实施例中为24伏的镍-镉电池)和一个电池组件端子块体22。为了使该电池电源组件14容易与电动工具12可拆开地连接，该壳体18的上部25上，作有二条导轨24。该导轨24可滑动地放入在该电动工具12的壳体中作出的配合槽13(图1)中。为了使上述电池电源组件14更加容易与该电动工具12可拆卸地连接，在该壳体18的上部25上，还作有一个凹部26。该凹部26可以容纳一个该电动工具12的壳体的带的卡爪(没有示出)。该卡爪的结构和动作都是通常众所周知的，并由弹簧压在向下位置，以便当插入上述可重新充电的电池电源组件14时，与该凹部26接合。因此，就本发明而言，在用通常的方法克服该卡爪的弹簧偏置力之前，可防止取出该电池电源组件14。
再参见图3A和图4，该电池组件端子块体22包括一个由刚性塑料或其他适当材料制成的主体部分28，和许多叶片式的端子30。在所示的示例性实施例中，该电池组件端子块体22包括四个叶片式端子30。该叶片式端子30中的二个端子，包括上述电池20的正极端子和负极端子。第三个端子30可用于监视电池20的温度，而第四个端子可用于辨识该电池的形式(例如，24伏的镍-镉电池)。从图4可以清楚地看出，在一排叶片式端子30的每一侧，在上述电池组件壳体18的上部25上的二个导轨24上，作有二个孔32。下面来说明这二个孔的作用。
现参见图5，图中表示电动工具12的端子块体34。该电动工具的端子块体34的主体，也由刚性塑料制成，并作一排四个U形导轨36。当上述电池组件插入该电动工具12中时，该U形导轨36给上述电池电源组件14的四个相应的叶片式端子30导向。在该导轨36内放置着凹形接头38，这些凹形接头可与上述电池电源组件14的叶片式端子30接合和实行电气接触。虽然，对于四个电池组件的叶片式端子30中的每一个端子，图示的工具端子块体34，可以容纳四个凹形的接头，但在上述工具端子块体34中，只有二个凹形接头38可与该电池电源组件14的正极叶片式端子30和负极叶片式端子30接合；而只有当重新给该电池电源组件14充电时，才使用其余的二个电池组件的叶片式端子30。
在上述导轨排36的每一侧，通过上述端子块体上的孔42中突出出来的正极凸形端子40和负极凸形端子40，与上述工具端子块体34中的正极凹形端子38，和其负极凹形端子38连接。如下面所讨论的那样，该正极凸形端子40和负极凸形端子40，用于使该工具12与上述的交流/直流转换器组件16电气上连接。
再参见图6，图中表示上述电池端子块体22和工具端子块体34之间的界面。当该电池电源组件14的导轨24滑入该电动工具壳体中的槽13中时，该电池组件端子块体22与该工具端子块体34对准，如图所示。为了使二个端子块体22和34更容易对准，该工具端子块体34的主体部分上包括二个在横向隔开一定距离的轨道44。该轨道44可放置在位于导轨24下面的上述电池组件壳体18的槽46内。进一步将该电池电源组件14插入电动工具12中，可使该电池电源组件14的正极和负极叶片式端子30，通过作在U-形导轨36上的开口，与该工具端子块体34上的凹形接头38接合。另外，该工具端子块体34上的凸形正极和负极端子40，同时插入作在该电池组件壳体18的上部25上的导轨24中的开口32中，但并不与该电池电源组件14的任何一个端子电气接触。同样，该电池端子块体22上的剩余二个叶片式端子30，伸入该工具端子块体34上的空导轨36中。
再参见图2和图3B，根据本发明的交流/直流转换器组件16可将115伏的交流室内电流转换为24伏的直流电流。在优选实施例中的该转换器组件16的壳体48的外形，与上述电池电源组件14的壳体18基本上相同。该壳体48包括第一和第二个蛤壳式的半边壳体，这二个半边壳体在沿着纵向延伸的分开线上连接在一起。该壳体48的上部50，包括二个与在上述电池电源组件14上作的，用于与工具壳体上的槽13接合的导轨相同的导轨52。为了防止该转换器组件16无意中脱出，上述壳体48的上部50上也作有一个凹部(没有示出)，该凹部包括一个卡爪(没有示出)。该壳体48还有一个凹部51，风扇45放在该凹部中，用于为该转换器组件16提供冷却气流。风扇45上连接着一个风扇盖47，用于防止外来物体妨碍该风扇45的工作。在该壳体48内还有几块散热片43，用于使热量散开，冷却所选择的功率转换器零件。
图7中表示了上述转换器组件16和工具端子块体22之间的界面。该转换器组件16包括二个凹形端子54，可容纳该工具端子块体22上的二个凸形端子40。与上述的电池电源组件14安装在该电动工具12上的方法相似，当将上述转换器组件16安装在工具12上时，为了保证该转换器组件16的二个凹形接头54，与工具12上的凸形接头40对准，该转换器组件壳体48的上部50上的导轨52，可与上述工具端子块体34上的，在横向隔开一定距离的导轨44接合。
由于本发明中的交流/直流转换器组件16是不隔离的，为了满足安全的要求，上述二个凹形端子54凹陷在该转换器组件16的壳体48的上部50内。在优选实施例中，该凹形端子54凹陷在该转换器组件16的壳体48的上部50内至少8mm。该转换器组件16将115伏的交流电转换为24伏的直流电，并通过上述二个凹形端子54，送至电动工具12中。当该转换器组件16安装在工具12上工作时，上述工具端子块体34上的凹形端子38，电气上是不工作的。
上述交流/直流功率转换器组件16的优选实施例是固定频率、不隔离和反极性分路(buck-derive)布局式的；然而，本发明的原理可以扩展至变频的转换器，和布局不是反极性分路式的，例如，Cük和回扫式转换器。该功率转换器组件16设计成可将不可调节的交流电压，转换为可调节的，可供电动工具12使用的直流电压。例如，该转换器组件16可将120伏，60Hz的交流输入，转换为该电动工具12所需要的42伏以下(例如24伏直流)的任何一种直流低电压。
如图8的方框图所示，该功率转换器组件16包括一个与二极管电桥102串联的保险丝101。一个电源插头和电线(参见图2)，通过该保险丝101，与该二极管电路102的另一输入端连接。该二极管电桥102的输出，加在高压侧电线104，和与参考地线106连接的起动功率限制器103之间。二极管电桥102的经过整流的输出电压，由输入电容器108滤波。所得到的经过滤波的电压额定为165伏直流。输入电容器108与作为一个电压控制的开关使用的并联的功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)110a和110b的漏极连接。当MOSFET 110a和110b在导通状态时，漏极和源极之间的阻抗小。当在断开状态时，漏极和源极之间的阻抗非常大，可以有效地防止电流流动。MOSFET 110a和110b的源极与输出电感112和单向导电的输出二极管114(free-wheeling output diode)的阴极的连接处连接。该输出电感112的另一端与输出电容器116连接。检测电流的电阻118连接在该输出电容116和单向导电的二极管114的阳极之间。输出二极管114的阳极也与参考地线106连接。输出电容116两端之间的电压，加在功率转换器组件16的输出端，在输出端VOUTHI 120和VOUTLO 122二端之间，而该输出端VOUTHI 120和VOUTLO 122与上述二个凹形端子54连接。风扇123与该输出电容116并联。二极管电桥102，MOSFET 110和单向导电的输出二极管114全部安装在散热和成为消耗的电能的热通道的散热片上。
图8和图10表示功率转换器组件16的控制和保护电路。该电路包括电压可调的电源124，PWM(脉冲宽度调制控制)控制126，电压反馈128，电流限制130和温度检测134多个部分。该电压可调的电源124与输入电容108的二端连接，将一个低功率的、可调节的低电压输出送至该功率转换器组件16的内部电路。该可调的低电压输出，以及该功率转换器组件的内部电路的其余部分称为参考地线106。VOUTHI 120与连接PWM控制部分126的电压反馈128连接。检测电流用的电阻118与和湿度检测部分134连接的电流限制部分130连接。电流限制部分130的输出，与PWM控制部分126连接。组成上述电压可调的电源124，PWM控制部分126，电压反馈部分128，电流限制部分130和温度检测部分134的元件布局是技术上众所周知的。
图9和图10表示形成功率转换器组件16的功率转换功能的电路。该电路包括高电压激励器132和功率级元件。PWM控制部分126的输出与该高电压激励器132连接，后者使PWM控制部分126的输出电平偏移，以驱动MOSFET 110a和110b的栅极。组成高电压激励器132的元件布局是技术上已熟知的。在本发明的优选实施例中，带有相应元件的一个SGS-ThomsonL6381高压激励器127即构成该高电压激励器132。然而，用于使PWM输出电压偏移的其他电路也在本发明的范围之内(例如，分立元件电路和Motorola高压激励器芯片)。
参见图8，在开始使功率转换器组件16通电时，将电源插头和电线与一个交流电源连接。交流电压由二极管电桥102整流，并加在输入电容108的二端。从该交流电源流出的电流，在通过保险丝101，起动功率限制器103，和二极管电桥102时，急剧增大，并开始使输入电容108充电。该起动功率限制器103的工作，将急剧增大的电流幅值限制在安全水平上。开始时，该起动功率限制器103的阻抗很大，但迅速改变成低阻抗。在本实施例中，该起动功率限制器103由电阻150与三端双向可控硅开关元件152并联组成，并由通过输出电感112的电流触发。然而，也可以采用其他已知的电路，例如：一个串联热敏电阻；和与由温度、时间、或电流大小触发的一个可控制的半导体并联的一个高阻值串联电阻。当输入电容108二端的电压升高至其额定值165伏直流电压时，该电压可调的电源124被激活，开始将电压送至包括PWM控制部分126在内的该功率转换器组件16的内部电路。在输入电容108开始充电过程中，上述三端双向可控硅开关152保持断开，迫使返回电流流过电阻150，因此可以限制起动电流的峰值。该三端双向可控硅开关152保持断开，直至PWM控制部分126的输出，将MOSFET 110a和110b激励至导通状态为止。这时，通过输出电感112的电流，与通过电感112的一个检测线圈的电流耦合，将该三端双向可控硅开关触发至导通状态。
在本实施例中的该PWM控制部分126，为带有相应元件的TexasInstruments公司生产的TL 494，如图10所示。还有许多其他的控制芯片可以使用，例如，UC 1845和SG 1625。在上述电压可调的电源124的可调输出超过6.4伏以前，PWM控制部分126没有输出，这时是软起动状态。在软起动开始以前，PWM控制部分126的振荡器开始工作。本实施例在固定频率40KHz下开关，但是，更高或更低的开关频率也在本发明的范围内。在功率转换器组件16稳态工作过程中，该PWM控制部分126的输出为脉冲宽度变化的低电压方波信号，调整该脉冲宽度，可保持在输出端VOUTHI 120和VOUTLO 122上的输出电压可以调节。在软起动过程中，PWM控制部分126的输出的脉冲宽度开始为零，然后逐渐增加至一个稳态值，结果可将输出电压调节至所希望的电压。软起动模式的持续时间由PWM控制部分126中的元件特性值的选择控制，这在技术上是众所周知的。软起动的目的，是要在输出电容116被充电至其额定稳态值的时间过程中，限制该功率转换器16的元件上，由电流和电压引起的应力。当输出电容116二端的电压接近其稳态值时，上述电压反馈部分128的输出，上升至其稳态值，使PWM控制部分126的脉冲宽度达到稳态值，从而将输出电容116二端的电压调节至希望的值。本实施例中的反馈网络为滞后-超前-滞后-超前形式，其设计要求是众所周知的，用以保持该功率转换器组件16的稳定工作。在稳定工作过程中，由高电压激励器132作电平偏移的PWM控制部分126的输出，在开关频率下，重复地将MOSFET 110a和110b激励至导通状态和断开状态。
除了图8之外，再参见图11的VS，iL和Vout的波形可看出，当MOSFET110a和110b在导通状态时，输入电容108的电压VS加在MOSFET 110a和110b的源极上，并加在输出电感112的输入端上，使上述单向导电的二极管114受到反向偏压作用。在导通状态过程中，输出电感112二端的电压等于输入电器108二端的电压，减去输出电容116二端的电压Vout。电感112二端的正电压，使得通过电感112的电流iL，以线性速度增加。电流在VOUTHI120和输出电容116之间分离开来，直流分量流至VOUTHI 120，而交流分量基本上通过输出电容116。从负载121返回的电流，从VOUTLO 122流过检测电流用的电阻118和输入电容108，从而完成了电流通道。
当MOSFET 110a和110b切换至断开状态时，它们对从输入电容108送出的电压形成高阻抗，使该电压与电路的其余部分去耦。在这期间，单向导电的二极管114被激活。当前流过MOSFET 110a和110b的、从输出电感112出来的电流iL，现在通过单向导电的输出二极管114。当输出二极管114导通时，在输出电感112的输入端上的电压VS，大约为低于参考地线106电压的一个二极管的电压降。输出电感112二端的电压，等于-1伏减去输出电容116二端的电压。电感112二端的负电压，使通过该电感112的电流，以线性速率减小。电流再在VOUTHI 120和输出电容116之间分离开来，直流分量流过VOUTHI 120，而交流分量基本上流过输出电容116。从负载121返回的电流，从VOUTLO 122流过检测电流用的电阻118和单向导电的输出二极管114，从而完成了电流通道。在剩余的循环时间内，该MOSFET 110a和110b保持在断开状态。
再参见图8和图11中的Vg和Vpwm波形可看出，为了驱动功率MOSFET110a和110b至导通状态或断开状态，PWM控制部分126的输出，由高电压激励器132进行电平偏移。在从断开状态转变至导通状态的过程中，PWM控制部分126的输出电压Vpwm很低，造成上述激励器132的输出增大，这样，就给PNP晶体管178的基极和发射极的结处加偏压，使该晶体管断开。同时，NPN晶体管174导通。电流通过NPN晶体管174和电阻176a，176b，流入MOSFET 110a和110b的栅极中，使栅极和源极之间的内部电容充电，在从MOSFET 110a和110b的源极返回的电流，流至滤波电容器168之前，将MOSFET 110a和110b的栅极电压V。升高至接地电压以上。MOSFET 110a和110b的栅极和源极二端的增大的电压，使MOSFET 110a和110b开始导通，使MOSFET 110a和110b的源极电压，从相对于参考地线106的-1伏，增加至接近输入电容108二端的电压的一个值。另外，还可使MOSFET 110a和110b的栅极电压Vg，增加至输入电容108二端的电压，加上MOSFET栅极和源极电压的值。当MOSFET 110a和110b的源极电压增加时，去耦二极管166被加上反向偏压，使该二极管166与高电压激励器132的其余部分去耦。滤波电容168仍以MOSFET 110a和110b的源极为基准，因此，在导通状态剩余的时间过程中，提供保持MOSFET 110a和110b的栅极和源极之间的电压所需要的能量。
为了开始起动断开状态，PWM控制部分126的输出电压Vpwm，从低转换至高。高电压激励器172使造成NPN晶体管174断开，而PNP晶体管178导通的信号倒转，并使信号电平偏移。贮存在MOSFET 110a和110b的栅极和源极之间的内部电容中的能量，通过电阻176和PNP晶体管178放出。当MOSFET 110a和110b的栅极和源极之间的电压减小至小于大约4伏时，MOSFET 110a和110b断开。单向导电的二极管114被激活，使MOSFET 110a和110b源极上的电压减少至-1伏。然后，电流通过去耦二极管166，流入滤波电容168中，重新使电容器168充电。并联的稳压二极管170将滤波电容168二端的电压箝制至一个安全值，不使MOSFET 110a和110b的栅极和源极结处受应力过大。电路保持在断开状态，直至PWM控制部分126的输出再次变小为止。
除了控制脉冲宽度，保持输出电压恒定以外，PWM控制部分126还可根据从电流限制部分130发出的输出，来改变脉冲宽度，以保护该功率转换器组件16，不会受到过大的输出电流负载的作用。输出电流通过上述检测电流用的电阻118，形成一个与该输出电流成比例的电压。电阻118二端的电压，与从PWM控制部分得出的一个参考电压比较。当该输出电流比预先确定的最大电流大时，则上述电流限制部分130的输出使得PWM控制部分126将输出的脉冲宽减小。工作循环时间减小，造成VOUTHI 120和VOUTLO122输出端的电压减小，直至所得到的输出电流，小于预先确定的最大值为止。
温度检测部分134保护该功率转换器组件16，不使MOSFET 110和输出二极管114受到过高温度的应力作用。在本优选实施例中，使用一个热敏电阻作为温度检测部分134。用以监视散热片43的温度。如果由于过载，碎屑堵塞空气入口，或其他故障原因造成温度升高，则温度检测部分134修正上述电流限制部分的参考电压，使PWM控制部分126产生较短的脉冲宽度。脉冲宽度较短可降低输出电压和输出电流，这相当于降低总的输出功率。输出功率降低可减小功率转换器组件16的元件所消耗的功率，从而降低元件温度。
再回到图1，虽然本发明的电动工具12设计是由较低电压的直流电源(例如，小于50伏的直流电源)供电的；但是，作为优选实施例的该电动工具的壳体201，与该工具的电气系统仍是双重绝缘的。技术经验丰富的人们都知道，为了安全的原因，设计用高电压电源工作的电动工具，例如，通常的利用交流电或电线供电的电动工具，一般作成与该工具的壳体与该工具的电气系统是双重绝缘的。这样，当该工具电气系统短路时，可保护操作者，不致受到电击。无绳或直流的电动工具是用低电压电源供电的，因此，不需要这些安全措施。因此，通常的直流电动工具的壳体与该工具的电气系统不绝缘。
当然，也有许多直流供电的便携式装置是由高电压的室内交流电供电的。然而，为了使这另一种方案可行，交流/直流供电的装置广泛采用变压器，来降低交流高电压，并使该装置与高电压的交流电源隔离开来。
虽然，对于功率较小的装置，例如，便携式立体声收音机这种方法是可以接受的，但许多便携式的电动工具的功率，要求必需使用很大的降压变压器。这种变压器不但体积庞大，而且非常笨重。因此，商业上很少出售这种可由交流的室内电流供电的直流电动工具。
本发明通过提供一种重量较轻的，非隔离式的交流变直流转换器，和按照与通常的交流电动工具的双重绝缘安全要求相一致的方法，制造该直流电动工具来解决上述这个问题。换句话说，通过取消在交流/直流功率转换器组件16中的隔离的变压器，供给该电动工具电机的直流输出电压是从115伏的交流输入电压产生的。因此，需要使工具壳体与该电动工具的电气系统双重绝缘。
另外，如以上针对图5～图7所述的那样，根据本发明的电动工具的端子块体34带有独立的凸形接头40。该凸形接头40与该交流/直流转换器组件16中的特殊形状的凹进去的凹形接头54电气上接触，并从该凹形接头获取电能。这样，尽管本发明的交流/直流转换器组件16为非隔离式结构，但它可满足由较高电压电源供电的电动工具的所有的安全操作要求。
图12～图17表示在电机和电动工具壳体内，采用双重绝缘的效果。双重绝缘技术在技术上是众所周知的。一般，双重绝缘的电动工具的结构，是在操作者和工具的电气系统之间有二个单独的电气绝缘层，或具有一个双倍厚度的绝缘层。在图12中，具体地表示了一个非双重绝缘的直流电机电枢200的横截面图。该电枢200由一根轴202组成，该轴上装有一个铁芯。该铁芯由许多铁芯片206组成，沿着该铁芯片的外圆周作有许多缺口，用以夹持该电枢的绕组204。在该电枢200的一端，在上述轴上装有一个齿轮或卡头(没有示出)，用于形成一个将回转能量传递至电动工具12的工作端208(参见图1)的装置。例如，一个齿轮机构可将回转能量转换为用于驱动一个往复式锯的前后运动的能量。从该电枢轴202，至齿轮机构或卡头，并最后通至该电动工具工作端的通路是导电的。因此，在该电枢轴202上的电能，可传导至暴露在电动工具12的操作者面前的该工具的工作端上。位置208，210，212表示，如果不使用绝缘时，可以通过与带电组件的接触而带电的转子的几个区域。在位置208上，通过与带电的电枢铁芯片206的接触，电枢轴202可以带电。在位置210上，通过与上述电枢绕组204的末端几圈接触，该电枢轴202可能带电。在位置212上，通过与该电枢绕组204的末端几圈接触，该电枢铁芯片206可以带电。
图13表示在一个电动工具的电机电枢220上，采用双重绝缘的第一种方法。该电枢220由其上装有一个铁芯的一根轴222构成。该铁芯由许多铁芯片226组成，沿着该铁芯片的外圆周作出许多缺口，用以夹持电枢绕组224。在该电枢铁芯片206的一端，在上述轴上装有一个卡头228，用于形成一个将一个装置，例如，一个钻头固定在该电动工具12的工作端208(参见图1)上的装置。一个模制的塑料绝缘体230形成了该电枢绕组224和该铁芯片226之间，以及该轴222和绕组224之间的基本绝缘。一个压配合的塑料管绝缘体232包裹着该轴222，形成补充的绝缘，可以防止如果上述基本绝缘破坏时，该轴带电。
图14表示在一个电动工具的电机电枢220上，采用双重绝缘的第二种方法。一个纸质绝缘体240形成了该电枢绕组224和该铁芯片226之间的基本绝缘。双倍厚度，2mm，的第二个绝缘体242包裹着轴222，形成代替上述补充绝缘的加强绝缘，可防止该轴因为铁芯片226或电枢绕组224电气上短路，而带电。
图15表示在一个电动工具的电机电枢220上，采用双重绝缘的第三种方法。由纸或模制塑料制成的一个绝缘体250，形成该电枢的绕组224和铁芯片226之间的基本绝缘。一个双倍厚度的现场模制热成形的塑料绝缘体252，包套着轴222，在原来位置形成一个代替上述补充绝缘的加强绝缘，可防止该轴因为铁芯片226或电枢绕组224的电气上短路，而带电。
图16表示通过一个电动工具的电机电枢220的一叠铁芯片的中心的横截面。一个嵌入槽中的衬里式绝缘体260形成该电枢绕组224和铁芯片226之间的基本绝缘。该嵌入槽中的衬里式绝缘体可由任何适当的电气绝缘材料例如纸、涂层纸、聚酯、和硫化纤维制成。上述补充绝缘由一个用玻璃增强的聚酯绝缘体套筒262形成，该套筒包裹着轴222。如果该由嵌入槽中的衬里260形成的基本绝缘破坏，则该绝缘体套筒可防止该轴带电。
图17表示一个电动工具的双重绝缘的壳体270。如技术上众所周知的那样，所用的双重绝缘方法的目的是，要防止该壳体270内部的电能，使该壳体270的外表面带电。图示的壳体270利用在该电动工具壳体外表面上的一个假想的金属箔覆盖层272，未模拟与操作者的相互作用。图中还表示了一个圆环形端子274，和包括一个导电金属丝278和金属丝绝缘280的一根绝缘电线276。在该圆环形端子274和导电金属丝278上都有电能。该圆环形端子274的双重绝缘是由双倍厚度，2mm，的壳体材料提供的，该壳体材料起加强绝缘体的作用。上述金属丝绝缘280是该导电金属丝278的基本绝缘。补充绝缘由上述壳体270形成，该壳体可防止击穿上述金属丝绝缘的电能，使该壳体270的外表面带电。
上述功率转换器组件16开始将低频的交流输入转换为高电平的直流电压，然后再转换为高频的电压电平，该高频电压电平再被滤波为电动工具12的低电压电源电平。该电动工具采用电机的双重绝缘，而不是功率转换器16的变压器隔离，因而可大大降低该功率转换器组件16的成本和重量。
另外，该转换器组件16的元件数目较少，而转换过程的效率较高。这进一步强化了该转换器组件16的重量轻和结构紧凑的特点。该转换器组件16的尺寸可允许将该转换器用在以前因尺寸太小，难以支承和包含可提供至少是50瓦或更高的功率范围的转换装置的电动工具，例如，往复式锯12中。
另外，虽然该转换器组件16的优选实施例可将低频的高电压电平，转换为低的直流电压电平，但通过直接将高的直流电平加在连接该转换器组件16的输入端的相应电线和插头上，也可以用于将高的直流电压电平转换为低的直流电压电平。这样，该电动工具12可由高的直流电压电源供电，而不是由电池26的低的直流电压供电工作，并从而可保持该电池的充电寿命。
该转换器组件16可以设计成用不是120伏的60Hz的外部交流电源供电工作。在不偏离本发明的精神和范围的条件下，该转换器组件16也可设计成能提供3.6～48伏范围的直流电压电平输出。在一个特殊的例子中，当采用相应的电线插头和电线时，可以调整该转换器，在VOUTHI 120和VOUTLO 120输出端之间，由外部的220伏，50Hz的交流电源，获得24伏的直流输出。这样，该转换器组件16可以为由24伏的直流电压电源驱动工作的电动装置，提供廉价的双模式工作能力。
往复式锯12只是许多电动的，无绳模式装置中的一个例子，这种装置由于本发明的、高效和价格低廉的双模式工作能力而变得更加万能了。由于本发明的概念：性能得到提高的无绳电动装置的其他例子包括，但不限于：钻，螺丝改锥，改锥-钻，锤钻，曲线锯，圆锯，栅栏修整器，剪草机，以及电池驱动的家用电器产品等。
从以上所述可以知道，本发明提供了一种完全能达到本发明的主要目的的、价格低廉的、电动装置的双模式有绳/无绳系统。同样可以理解和预期的是，在不偏离本发明的精神的条件下，可以对所示的实施例作各种改进和/或改变。因此，上述的说明和附图只是对优选实施的说明，而不是限制性的。本发明的精神和范围将由所附的权利要求书和它的法律上等价的文件决定。

Claims (13)

1.一种电动工具的有绳/无绳系统，它包括：
一个在预先选择的电压范围内工作的直流低电压的电动工具；所述电动工具具有一个外部、一个内部和一个预先形成的界面，用于在机械上和电气上与一个电源组件匹配；另外还具有一个双重绝缘的壳体，以防止电荷从该电动工具的内部传导至其外部；和
一个有绳的非隔离式的电源组件，该组件在机械上和电气上与一个较高电压的电源连接，并与上述直流低电压的电动工具匹配；所述有绳的非隔离式的电源组件，可将从该电源来的所述较高的电压，转换为在预先选择的电压范围内的，适合给该直流低电压电动工具供电的直流电压。
2.如权利要求1所述的有绳/无绳系统，它还包括：
一个无绳的电池电源组件，该组件在机械上和电气上与上述直流低电压的电动工具匹配，并包含一个直流电压在预先选择的电压范围内，适合于给该直流低电压电动工具供电的电池组件；所述电池电源组件将从该电池组件发出的电力，送至该直流电动工具；
其中，该电动工具可以接受从该有绳的非隔离式的电源组件，或该电池电源组件送出的电力。
3.如权利要求1所述的有绳/无绳系统，其中，该电动工具包括一个电机。
4.如权利要求2所述的有绳/无绳系统，其中，该电动工具的预先形成的界面还包括一个实际的外壳结构，用于容纳所述有绳的非隔离式电源组件，和所述无绳的电池电源组件中的任何一个组件。
5.如权利要求4所述的有绳/无绳系统，其中，该电动工具的预先形成的界面还包括一个电气接头，该接头可在电气上，与连接在所述有绳的非隔离式电源组件，和所述无绳的电池电源组件中的任一个组件上的一个电气接头连接。
6.如权利要求5所述的有绳/无绳系统，其中，该有绳的非隔离式电源组件的电气接头为一个端子块体；而该电池电源组件的电气接头也是一个端子块体。
7.如权利要求4所述的有绳/无绳系统，其中，该电动工具的预先形成的界面还包括一个卡爪，用于可松开地固定所述有绳的非隔离式的电源组件，和所述无绳的电池电源组件中的任何一个组件。
8.如权利要求1所述的有绳/无绳系统，其中，该有绳的非隔离式电源组件包括：
一个将从电压较高的电源送出的电力，转换为在预先选择的电压范围内的直流电压的电路，其中，该直流电压是从该较高电压的电源发出的电力产生的。
9.如权利要求8所述的有绳/无绳系统，其中，该较高电压的电源提供大约为120伏，60Hz的电力。
10.一种电动工具的有绳/无绳系统，它包括：
一个在预先选择的电压范围内工作的直流低电压的电动工具，所述电动工具具有一个外部，一个内部，和一个用于防止电荷从该电动工具的内部传导至其外部的双重绝缘的壳体，另外还具有一个在机械上和电气上与一个电源组件匹配的预先形成的界面；
所述电动工具的预先形成的界面包括：
一个实际的外壳结构，用于容纳该电源组件；
一个端子块体，它电气上与连接在该电源组件上的一个端子块体连接；知
一个卡爪，用于可松开地固定该电源组件；
一个有绳的非隔离式电源组件，它机械上和电气上与一个较高电压的电源连接，并与该直流低电压的电动工具匹配；所述有绳的非隔离式的电源组件包括一个将从较高电压的电源发出的电力，转换为在该预先选择的电压范围内，适合于给该直流低电压的电动工具供电的直流电压的电路，其中，该直流电压是从该较高电压的电源发出的电力产生的；
一个无绳的电池电源组件，该组件机械上和电气上与该直流低电压的电动工具匹配，并包含一个直流电压在预先选择的电压范围内，适合于给该直流低电压的电动工具供电的电池组件；所述电池电源组件将从该电池组件发出的电力，送至该直流电动工具；和
其中，该电动工具可接受从该有绳的非隔离式的电源组件，或该电池电源组件送出的电力。
11.一种将电力送至在一个预先选择的电压范围内工作的直流电动工具上的方法，所述电动工具具有暴露的表面，该方法包括下列步骤：
使该直流电动工具的暴露表面绝缘，以防止该表面带电；
使一个有绳的非隔离式电源组件与该电动工具，和一个较高电压的电源连接；
将从该较高电压的电源发出的电力，转换为直流电压，该转换器不是与该较高电压的电源隔离的变压器；其中，所述直流电压在该预先选择的电压范围内，适合于给该直流电动工具供电；和
用该直流电压给该直流电动工具供电。
12、一种直流低压电动工具，它在预先选择的电压范围内工作，包括：
一个用于操作所述工具的电气系统；
一个预定电气界面，用于和电源组件机械匹配和电匹配，从而激励电气系统；以及
双重绝缘工具外壳，它容纳所述电气系统，以防止自电动工具的内部向外部的电荷传导。
13、如权利要求12所述的工具，包括：
一个无绳式电源组件，用于有选择地和所述电气界面连接，从而激励所述电气系统，以及
一个有绳式非隔离式变换电源，用于有选择地和所述电界面连接，从而激励所述电气系统。
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