CN201307701Y - 电动工具 - Google Patents

Abstract

一种具有电子换向直流电机的电动工具，能够提供从最大效率操作模式到最大功率操作模式范围的各种操作模式。该电机具有转子，其具有安装在转子的背铁中的凹陷中的永久磁铁。在一个实施例中，电机具有三相绕组，每一个具有至少一对线圈。相绕组通过工具内的控制器经由机电的或者电子的开关部件或者二者的组合以三角形或者星形构型连接。每一相绕组中的线圈也可在串联和并联构型之间切换来配置电机以提供其各种操作模式。在一个实施例中，公开一种双绕组电机，其具有可以在串联和并联构型之间动态地或者静态地切换的相线圈。

Description

电动工具

技术领域

本实用新型涉及电机，更具体地，涉及电子换向电机，其具有提供给工具操作者的多种操作模式，其中以多种电机性能特征来使用电机以适合广泛地改变的使用电动工具的工作任务。本实用新型还涉及一种用于电子换向电机的新的转子设计。本实用新型还涉及一种具有电机的电动工具。

背景技术

电子换向电机用于各式各样的应用，特别是电动工具，例如钻、锯、磨沙机等。这样的电机用于从可再充电的直流电池供电的无缆电动工具。对于无缆电动工具，经常需要执行各式各样的任务，其需要不同的电机性能特征以最好地执行工作任务。例如，当用无缆钻在软木中钻孔时，需要的扭矩量以及从而需要的从电机的功率输出可以仅仅为钻通一块硬木或者压制木材所需要的一小部分。但是，从功率的立场来看，如果同一钻将频繁地用于仅包括其中对于工作任务只需要低的扭矩的轻任务钻削的任务，设计用于高功率应用的电机是没有效率的。相应地，设计来提供高功率的电机将汲取额外的电池电流，其对于许多钻削任务并不需要。与设计用于较低的最大功率输出的电机可以获得运行时间相比，这将降低电池给工具供电的运行时间。

相应地，提供具有多种明显不同的操作模式的电机是有利的，其提供变化程度的电机速度、扭矩和功率输出以更好地匹配特定工作任务的需要。例如，如果提供电机和相关的控制系统，其当执行给定任务时可以自动传感何时需要额外的电机动力，并且电机自动切换到特定的操作模式以增加或者减少电机的扭矩和/或操作速度，这将是非常有利的。或者，如果可以由用户通过电动工具上的控制来选择电机的不同操作模式，这将是期望的。这将使得能够根据不同工作任务的需要应用和改变优化的电机操作特征。优化电机性能还将导致最有效地使用可用的电池动力。这可以用以明显地延长在给定充电量下的电池的运行时间。

在优化电子换向电机的性能中还有另一因素是用于这样的电机的转子的构造。这样的转子的典型构造可以泛泛地分类为“表面安装”或者“内部安装”。对于表面安装构造，转子的永久磁铁固定到转子背铁(back iron)的外表面。对于内部安装构造，永久磁铁在形状上典型地为矩形并固定在形成在转子背铁中的凹槽或凹陷中。表面安装转子构造也并不适于用于将在宽的操作速度范围操作的电机。在高的操作速度，保持附着到转子背铁的外表面的磁体会带来挑战。但是，表面安装磁体构造可以实现相对简单的电子控制器，其控制在定子上的绕组的供电。对于其中实现具有表面安装磁体的转子的给定的电机尺寸，表面安装磁体构造还提供更高的磁通输出以及从而更高的功率输出。

借助内部安装磁体构造，维持附着到转子背铁的磁体的问题得以缓解，并且转子非常适于用于具有宽范围的操作速度的电机。但是，内部安装磁体构造要求使用相对复杂的控制器以补偿每个磁体的纵轴(direct axis)和象限轴之间的磁“间隙”中的差异。对于给定尺寸的电机，内部安装磁体同样并不产生与表面安装磁体相同程度的磁通输出，其将有利于其中使用所述转子的电子换向电机的较低功率输出。

结果，同样期望提供用于电子换向电机的转子，其提供表面安装永久磁铁构造的性能优点，而没有与该类型的构造相关的构造缺点。

更进一步，在电动工具应用中，如果可以控制电机以更好地匹配其速度-扭矩性能曲线和用于工具的齿轮系统的速度-扭矩性能曲线是理想的。对于电动工具，例如，磨机、钻、锯等，耦合到电机的输出的齿轮系统典型地制造的足够结实以使得其速度-扭矩性能特征大于电机的速度-扭矩性能特征一预定程度。这将保证电机的速度-扭矩性能能力可以易于通过齿轮系统处理，而没有齿轮系统的失效或者不可接受的应力的危险。如果通过对电机的电子控制，电机速度-扭矩性能特征可以与齿轮系统的速度-扭矩性能特征紧密地配合，而没有超过齿轮系统的速度-扭矩性能特征，那么可以使得齿轮系统最佳使用。或者，这将允许较便宜和更加不结实的齿轮系统应用于给定电机，因为将不需要通常需要设计到齿轮系统中的速度-扭矩性能“上裕量(headroom)”。

实用新型内容

本实用新型涉及电子换向电机以及相关的控制系统，其尤其适于用于各式各样的电动工具，但并不限于包括电动工具的应用。在一个实施例中，电机包括具有包括三相绕组的定子的电子换向直流电机。三相可以连接为星形(Y)构型或者三角形(Δ)构型。每一相由至少一个线圈组成，更优选地由多个线圈组成。在替代的优选实施例中，每一相绕组中的线圈也可以以不同的串联和并联的构型连接。

在一种形式中，借助可移动的元件和形成在定子上的触点，其耦合到选定的线圈的端子末端，实现三角形和星形构型中的绕组的连接。可移动元件选择性地移动以使得在各个触点之间形成电连接来以三角形构型或者星形构型连接绕组。

在另一实施例中，控制器和相关联的电子开关元件用于电子地产生需要的连接来以三角形构型或者星形构型布置相绕组。控制器还用于在串联和并联构型之间控制每一绕组相中的线圈的连接。

在另一实施例中，电机包括多个相绕组，每一相绕组具有多个相线圈。可移动元件用于承载多个传导部件。当可移动元件处于相对于电机的第一位置时，每一相绕组的相线圈串联耦合。当可移动元件移动到第二位置时，每一相绕组中的相线圈并联耦合。与可移动元件相关联的控制使得用户能够根据需要手动地选择可移动件的位置以优化用于给定工作任务电机的性能。在另一实施例中，串联和并联构型之间的切换通过与电机相关联的控制器动态地进行。

在又另一替代的实施例中，控制系统包括可由用户接近的用户可控选择器开关。选择器开关使得用户能够为电动工具的电机选择多种操作模式中的一种。在一种形式中，选择器开关允许用户选择提供从电机的最大功率或者最大效率的多种不同操作模式或者提供中间程度的功率和效率的一中或多种中间模式中的一种。选择器开关还可使得用户能够选择期望的电机速度。在另一替代的实施例中，控制器传感电机上的负载并自动地在功率和效率模式之间实时切换以最大化电动工具的电池的运行时间。

在又另一实施例中，控制器用于与电机相连以实现适当的控制算法以完成电压控制和速度匹配来由电机产生期望的速度/扭矩性能输出。

在另一实施例中，公开一种双绕组无刷直流电机。双绕组电机利用双线绕组以在多相电机的每一相中提供一对线圈。线圈可以在串联和并联构型之间静态地、由用户通过利用手动控制或者通过电子控制器动态地切换。公开多种用于电性连接线圈以使得能够实施串联和并联构型的安置。

本实用新型的电机还利用具有提供表面安装永久磁铁的益处而没有传统的表面安装磁体构造的性能缺点的构造的转子。转子包括多个间隔开的凹槽或凹陷，其形成在转子的外表面中。凹陷形状适合以容纳多个拱形的永久磁铁。磁体具有允许其留置为其外拱的表面基本与背铁的外表面部分平齐的厚度。保持套可以固定或者形成在磁体和背铁上面以封装磁体并将其牢固地保持在各自的背铁中的凹陷中。拱形的磁体使得能够在转子和定子内表面之间维持均一空气间隙。这从结合该转子的电机中提供增加的磁通输出和更大的功率。该构造还提供磁体的改进的结实度和优良的保持，从而使得转子非常适于用于高速电机。转子可以容易地在电机中实现为具有比否则传统的具有内部安装永久磁铁的转子所需要的更加简单的控制器。该构造同样允许其中磁通并不通过的背铁中的材料的去除，其因而允许生产更轻的转子，同时确保大部分磁通抵达气隙并用于产生输出功率。

在另一实施例中，本实用新型的系统使用控制系统来电子地控制电机以匹配其速度-扭矩性能特征和耦合到电机的输出轴的齿轮系统的速度-扭矩性能特征。以这种方式，电机可以得以控制以使得齿轮系统的最优的速度-扭矩性能特征可以最有效地利用。相反，该特征可以允许齿轮系统用于本系统而不需要齿轮系统设计为具有典型的增加程度的速度-扭矩“上裕量”，其一般是需要的以保证齿轮系统的速度-扭矩特征并且在电机的操作过程中不被电机的速度-扭矩超过。这将允许比没有由用于电机的控制系统执行的速度-扭矩匹配所必需的更小和更不结实的齿轮系统用于给定的电机。

在本实用新型的一方面，提供一种电动工具，包括：电机，其具有多个绕组，电机用壳体支持；用于选择性地耦合绕组的切换系统；齿轮减速单元，其布置在工具壳体内并耦合到电机的输出轴，齿轮减速单元具有输出并提供多个可选择的齿轮比；和控制器，其用于控制切换系统以选择性地以多种不同的构型连接绕组，并且选择性地控制齿轮减速单元，从而使得能够在齿轮减速单元的输出处获得比通过仅控制齿轮减速单元的齿轮比的选择能够提供的更多的多种不同的操作速度。

在本实用新型的另一方面，提供一种电动工具，包括：电机，其具有多个绕组，电机支持在工具的壳体内；切换系统，其用于选择性地以多种不同的构型耦合绕组；和控制器，其用于选择性地连接绕组以从电机提供最大效率或者最大功率。

在本实用新型的另一方面，提供一种电动工具，包括：具有多个绕组的电机；切换系统，其用于选择性地以多种不同的构型耦合绕组以提供：第一工具操作模式，其调节电机的输出以执行第一工具功能；和第二工具操作模式，其调节电机的输出以执行第二工具功能。

在本实用新型的另一方面，提供一种电动工具，包括：电机，其具有多个绕组，电机支持在工具的壳体内；切换系统，其用于选择性地以多种不同的构型耦合绕组；齿轮减速单元，其具有输入和输出，输入耦合到电机的输出轴，和控制器，其用于根据工具执行的工作任务的需要选择性地连接绕组和选择性地控制齿轮减速单元以提供从高效率模式到高功率模式范围的多种不同的操作特征。

在本实用新型的另一方面，提供一种电动工具，包括：电机，其具有多个绕组，电机支持在工具的壳体内；切换系统，其用于选择性地以多种不同的构型耦合绕组；和控制器，其用于选择性地连接绕组以选择性地最大化电机速度、电机效率和电机功率的至少之一。

在本实用新型的另一方面，提供一种电动工具，包括：电机，其具有多个相绕组，每一相绕组包括多个线圈；切换系统，其用于当电动工具用于执行第一功能时选择性地串联耦合线圈以配置用于第一操作模式的电机，并且当电动工具用于执行第二功能时并联耦合线圈以配置用于第二操作模式的电机；和控制器，其用于选择性地以串联和并联构型连接线圈。

在此所述的系统和方法的应用的其它方面将从在此及后提供的详细描述变得明显。应当理解，在表明各个实施例或者操作的方法时，详细描述和特定的例子意在仅为示例性目的，并不意在限制本实用新型的范围。

附图说明

从详细描述和附图，将更全面地理解本实用新型，其中：

图1是示例性的电动工具的侧视图，其在该例子中为无缆钻，根据本实用新型的实施例的电机表示在虚线中；

图2是图1的电动工具的内部部件的简化的示意性方框图；

图3是图1的电动工具的简化的侧面截面视图，示出某些电动工具的内部部件，特别是定子；

图4是电机定子的示意性端视图，示出耦合成星形构型的相绕组；

图5是图4的定子的示意性端视图，但是具有通过利用图3的可移动触点环上的可转动地移动的端子块以选择性地连接绕组部分而耦合成三角形构型的绕组；

图6是示出在定子上的三相绕组如何能够通过单一的可移动继电器触点和多个闸流晶体管连接成三角形或者星形构型的示意图；

图7是示出在定子上的三相绕组如何能够通过利用多个继电器触点和多个闸流晶体管连接成三角形或者星形构型的示意图；

图8是示出在定子上的三相绕组如何能够通过仅利用闸流晶体管而在三角形和星形构型之间切换的示意图；

图9是图8的电路的简化的示意图，但是还包括其它的闸流晶体管，其用于使得每一相绕组中的每一对线圈能够在串联和并联连接之间切换；

图10-13是图1的电动工具的顶部视图，其示出选择器开关和用于显示工具操作模式和电池充电水平的显示系统；

图14是三角形和星形绕组连接构型的速度/扭矩关系的比较图表；

图15是示出“轻型”、“中型”和“重型”钻应用中的电机效率和电机的可用扭矩输出之间的关系的图表；

图16是示出每一“轻型”、“中型”和“重型”钻应用中的电机速度和扭矩之间的关系的图表；

图17-22是示出速度、功率、电机电流和电机效率之间的各种关系的图表；

图23是示出表示串联和并联的线圈连接的一对速度/扭矩性能曲线以及进一步示出使用并联和串联连接的线圈的电机的最大功率范围、最大扭矩范围和最大效率范围的图表；

图24是示出三条电机性能曲线以示出速度控制的使用如何能够得以完成以产生作为通过并联和串联连接的线圈产生的曲线的修改的速度/扭矩性能曲线的图表；

图25-30示出电机和齿轮减速单元的简化的示意性表示以及通过与齿轮减速单元的不同的内部级有关地利用三角形/星形连接构型如何能够获得多种不同的输出；

图31是电机的传统的速度-扭矩曲线以及典型的齿轮箱的速度-扭矩性能曲线的图表，示出需要设计到齿轮箱中的典型的速度-扭矩“上裕量”；

图32是示出在此所述的新式的电机的速度-扭矩性能如何由电机系统的控制器控制以实质上匹配但不超过齿轮减速单元的速度-扭矩能力的图表；

图33是示出新式的电机的速度-扭矩性能如何能够由电机系统的控制器控制以匹配和定期地超过齿轮减速单元的速度-扭矩性能能力一段短的时间的图表；

图34是用于在此所述的电机的新式的转子的优选实施例的透视图；

图34是根据本实用新型的实施例的电机位于其中的电机壳体的简化的侧视图，示出用于产生必要的连接来以串联或者并联构型配置电机的每一相绕组中的线圈的外部定位的可移动触点环；

图35是根据图34中的箭头35的图35中的触点环的后部表面的视图，示出用于转动触点环的用户可启动件；

图36是根据图34的箭头36取向的触点环的平面视图，示出用于帮助产生电机的每一相绕组的线圈的串联和并联连接的传导跳线；

图37是图34的电机壳体的端视图，示出用于产生到安装在电机壳体内的电机的相线圈的电连接的连接器块的安置；

图38示出用于产生到与电机的A相的线圈相关联的连接器块以并联地布置A相绕组的一对线圈的跳线端子；

图39示出用于串联连接A相线圈的图38的跳线端子；

图39A示出用于连接电机的所有相线圈到其各自的连接器块的一个实施例；

图40示出图34的电机的简化的侧视图，示出用于从电机的定子组件支持连接器块的安装结构；

图41是示出安装结构怎样能够用于支持电机壳体内部的连接器环的电机的另一实施例的侧视图；

图42透视地示出图41的组件以示出通过其驱动销可以从电机壳体突出的凹槽；

图43示出用于以串联和并联构型耦合本实用新型的双绕组无刷直流电机的每一相的线圈的切换子系统；

图44-46示出用于将图43所示的系统的一个相从并联构型切换到串联构型的切换顺序；

图47示出用于在三角形和星形构型之间切换三相无刷直流电机的线圈的切换子系统；

图48示出用于形成一路开关的多个二极管的使用；

图49示出当电流在第一方向流动时电流流动通过第一对二极管的路径；

图50示出当电流在第二方向流动时电流流动通过图48的子系统的第二对二极管的路径；

图51示出一图表，其示出用于双绕组无刷直流电机的数个性能曲线，并示出每一串联和并联连接构型提供的优点；

图52是用于在此所述的电机的新式的转子的实施例的透视图；

图53是根据图52的方向箭头53的图52的转子的端视图；

图54是图52的转子的分解透视图；

图55是利用每一个具有70°弧度的永久磁铁的转子的替代的构造的端视图；

图56是利用每一个具有60°弧度的永久磁铁的转子的替代的构造的端视图；以及

图57-59是具有背铁没有重量降低孔的转子的替代实施例的端视图，其具有带不同弧度尺度的永久磁铁。

具体实施方式

下面各实施例和方法的描述在本质上仅仅是示例性的，并不意在限制本实用新型及其应用或使用。

参照图1，示出根据本实用新型的实施例的结合电机系统10的钻12形式的电动工具。应该立即认识到，尽管电动工具示出为钻12，但是电机系统10可以实施为各式各样的其它的电动工具，例如，锯、磨沙机、刳刨机以及实际上任何其它形式的直流电动工具或装置。但是，电机系统10期望在无缆电动工具中找到特别的用处。

进一步参照图1，示例性钻12典型地包括耦合到齿轮减速单元16的输出的卡盘14。齿轮减速单元的输入耦合到系统10的电子换向电机10a的输出轴18。扳机20用于打开和关闭电机10a，并还可用于控制电机的速度。可再充电的电池22保持在钻12的壳体26的把手部分24中，或附着到其上。控制器28也布置在把手部分24中，但是也可替代地位于工具12中的其它位置。控制器28与扳机20和电机10a连通。控制器28用于控制电机10a，并将随即进行更加详细的描述。

同样与控制器28连通的是用户可接合的选择器30。选择器30使得用户能够从用于电机10a的多个操作模式之一中选择，其使得电机10a的操作特征适合于特定的任务。例如，如在下面的段落中将更加详细地描述的，如果工作任务包括驱动螺钉进入软木中，用户可以使用选择器30以选择高速、小功率输出。如果工作任务包括钻入到硬木中，其中需要更大的扭矩，用户可选择用于电机10a的更高的功率输出模式。可以结合显示器18以显示电机10a的各操作模式。显示器18可包括LCD、LED或者任何其它的适当形式的具有小功率需求的显示装置。

参照图2，示出电机系统10部件的高度简化框图。传统的电压调节器34用于提供调制的直流电压到控制器28以及其它用于钻12的电子部件。控制器28可以是8位、16位或者更加强大的控制器，例如，数字信号处理器(DSP)。MOSFET功率桥36由控制器28控制并用于提供驱动信号到电机10a的相绕组。电机速度传感器38可用于传感电机10a的速度，电流传感电路40可用于传感通过电机的电流并根据传感的电流施加控制信号到控制器28。定子连接系统42用于与电机10a连接以选择性地以各种构型连接定子上的相绕组以根据需要的任务调节电机10a的性能。定子连接系统42，如将在下面的段落更加详细地描述，可以是机械系统，其中一个或多个部件物理地移动以在应用在定子上的各个相绕组之间进行连接。或者，连接系统42可形成电子切换系统，其根据需要产生或者断开与各相绕组的连接来以三角形构型或者星形构型连接绕组。定子连接子系统42还可用于根据需要串联或者并联地连接每个相绕组中的各线圈以实现电机10a的特定的操作特征。

再次参照图2，温度传感器43用于监视形成用于连接电机10a的输出轴18到钻12的卡盘14的齿轮系统的齿轮减速单元16的温度。温度传感器43产生代表齿轮减速单元16内的齿轮的温度的信号。该信号通过控制器28监视和使用以帮助匹配电机10a和齿轮减速单元16的速度-扭矩性能曲线。这使得齿轮减速单元16的速度-扭矩性能能力能够最有效的利用，而没有对齿轮减速单元的破坏或者损坏的危险。该特征将在下面的段落中更加详细地描述。部件28、30、18、34、38、40、42和43可以一起视为钻12的“控制”部分。

参照图3，示出钻12内部的电机10a的一优选的实施例的简化的侧视图。电机10a包括具有前端部分46的定子44。在该实施例中，连接器块48支持在前端部分46附近。可移动触点环50定位为与连接器块48相邻，并可以关于延伸通过电机10a的轴向中心线52可转动地移动。可移动触点环50可以通过适当的齿轮系统54关于轴向中心线52可转动地移动。在该优选实施例中，部件48、50和54包括图2所示的定子连接子系统42。或者，可以采用任何形式的能够可转动地移动触点环50的促动器。可移动触点环50用于产生与连接器块48上的触点(在图3中未示出)的电连接以选择性地以期望的构型连接定子44上的相绕组(未示出)。如在此所用的，术语“相绕组”是指包括一个或多个线圈，其共同组成绕组，不管两个或多个线圈是连接为串联构型还是并联构型或者串联/并联构型的组合。

如前所述，期望构型中的绕组的连接也可完全电子地实现。这通过用具有包含必要的用于电子地产生和断开通向定子44上的绕组的各触点的开关部件的适当的电路组件替代可移动触点环50完成。

三角形和星形方案

参照图4和5，示出定子44的图解性的端视图以示出示例性的星耦合构型(图4)和示例性的三角形耦合构型(图5)。首先参照图4，将描述三角形构型的绕组的安置。在该例子中，线圈56A和56B彼此串联连接并形成第一相绕组56。线圈58A和58B类似地串联连接并形成第二相绕组58。线圈60A和60B也串联连接并形成第三相绕组60。线圈56A连接到传导触点或触板62和64。线圈58A和58B连接到电性触点66和68。线圈60A和60B连接到电性触点70和72。为了以星形构型布置绕组56、58和60，线圈56B的一侧通过导体74与电性触点76连接。线圈58B的一侧通过导体78与电性触点80连接。线圈60B的一侧通过导电体82与电性触点84连接。端子块86位于可移动触点环50上(图3)，并且当处于图4所示的位置时，电性连接触点64和72。端子88类似地定位在可移动触点环50上并电性连接触点76和80。端子90，其同样定位在可移动触点环50上，电性连接触点68和84。在上述的安置中，绕组56、58和60以星形构型连接。

参照图5，绕组56、58和60示出为连接成三角形构型。这通过在图5的图中以逆时针方向转动地移动端子86、88和90(也就是，移动可移动触点环50)实现。这样，电触点62和84电性连接，触点70和80电性连接，触点64和66电性连接。这样，通过简单的转动触点环50A一小的角距离，绕组56、58和60可以快速地连接为三角形构型或者星形构型。

图6示出用于在三角形构型和星形构型之间电性连接绕组56、58和60的替代安置。这通过连接在线圈56B的一侧和线圈58A的一侧之间的闸流晶体管92的一侧，连接线圈58B的一侧和线圈60A的一侧之间的闸流晶体管94，以及连接线圈60B的一侧和线圈58A的一侧之间的闸流晶体管96的一侧而实现。继电器触点98用于产生或者断开与触点100、102和104和106的电性连接。当绕组56、58和60将以星形构型连接时，闸流晶体管92、94和96关闭，继电器触点98移动到与电性触点100、102、104和106电性连接。继电器触点98与传统的继电器108连接，其由控制器28(图2)控制。这样，触点100、102、104和106形成三角形“结”点。当构型将从星形变化为三角形时，继电器108除能，其将继电器触点98拉到图6所示位置。闸流晶体管92、94和96然后由来自施加到每一闸流晶体管的栅极的控制器28的信号供电。

参照图7，示出图6的电路的替代实施例，其包括替代闸流晶体管92、94和96的继电器触点110、112和114，以及替代继电器触点98和继电器108的闸流晶体管116和118。图7的电路允许更低的电流通过电子元器件，因为每一闸流晶体管并不需要处理通过给定相的全部相电流。

参照图8，示出相绕组56、58和60的连接的另一替代实施例。该实施例使用闸流晶体管120、122和124，与闸流晶体管116和118一起形成用于在绕组56、58和60的星形和三角形构型之间切换的完全电子化的开关电路(也就是，没有移动部件)。

参照图9，示出一电路图，其类似于图8的电路图，但是其还使得每一相A、B和C的绕组56、58和60能够以串联或者并联形式耦合。这是通过三相中每一相的三个附加的闸流晶体管126、128和130而实现。用于三相的每一相中的闸流晶体管126-130的每一个的操作顺序是相同的，因此将仅描述对于相A的线圈56A和56B的在串联和并联构型之间切换的操作。

当闸流晶体管126通过其栅极上的信号打开，而闸流晶体管128和130关闭时，线圈56A和56B串联连接。但是，当闸流晶体管126关闭，而闸流晶体管128和130均打开时，线圈56B的右侧将并联连接到线圈56A的右侧，线圈56A的左侧将并联连接到线圈56B的左侧。这样，线圈56A和56B将相对于点A₁和A₂并联。闸流晶体管120用于与闸流晶体管116和118连接以在三角形和星形构型之间相对于相B和C切换相A，如前面参照图7和8描述的。

现参照图10、11、12和13，将进一步描述用户选择器30。在一优选的形式中，选择器30包括多位置开关，其可以由用户在多个位置的一个之间手动定位以选择多个不同模式之一。在该例子中，示出四种操作模式。模式“1”提供最大功率模式，而模式“4”提供最大效率操作模式。在模式“4”中，例如，从电机10a的功率输出，在第四开关位置，可以由控制器28限制到例如300瓦输出的最大值。在“1”位置，选择例如600瓦的最大功率输出。控制器28还根据选择器30位置在多个预定速度之间改变电机10a的速度以最好地适合目前的任务(也就是，提供最大功率、最大效率或者其间的一些组合)。作为一个例子，开关位置“1”可包括450rpm的卡盘速度，位置“2”可包括850rpm的速度，位置“3”可包括1400rpm的速度，而位置“4”可包括2,000rpm的速度。或者，当控制器28传感电机10a上的负载时，选择器30可以耦合到齿轮减速单元16以使得选择器从一种模式自动移动到另一模式。例如，如果传感到额外的电机负载度，控制器28可用于从最大效率模式(也就是，模式4)瞬时切换到中间模式(也就是，模式2)。负载的增加的程度通过电机10a的电流汲取的增加而被传感到。如果增加的负载的期间减少，那么控制器28可再次将操作模式切换回到用户选择的模式。控制器28可以以闭环方案或者开环方案实现以在三角形和星形构型之间切换相绕组56、58和60之间的连接，以及线圈在串联和并联之间的连接，其取决于一个或多个传感的操作参数，例如速度或者扭矩。

显示器18可包括第一组多个LED18a以指示用户控制器28已经超越用户选择的操作模式，并提供电机10a当前正在操作的操作模式。LED组18b可用于表明钻12的电池22的充电水平。

执行定子44的绕组56、58和60的切换以匹配电机10a的操作特征和钻12正在执行的特定的应用或者任务。以这种方式，当执行仅需要低的电机功率的任务时，可以选择较低的功率输出，其将有利于节省可用的电池电量。

星形和三角形绕组构型的性能特征

提供一种具有上述操作模式的电机需要考虑电子换向电机的基本的操作特征。例如，为较高的功率设计的电机在低的扭矩和高速应用下，例如当驱动小的螺钉或者在软木中钻小的孔时，变得较没有效率。对此的主要原因是由于具有高的无负载速度和少的数量的线圈匝数，为最大功率设计的电机将具有低的每安扭矩比。图14示出比较当使用星形和三角形构型时的电机10a的速度/扭矩特征的图表。三角形构型产生更高的功率输出，并具有高的热效率。效率在高负荷时良好，但在低负载时较差。速度控制典型地需要限制电机10a的无负载RPM。星形构型产生较低的最大输出功率，并具有较低的热能力。效率在低负载时良好，但在高负载时下降。电流控制典型地需要限制堵转电流以防止热散失。

但是，通过使得电机10a的每一相绕组的线圈能够串联或者并联构型耦合，电机的操作特征可以适合于提供最大功率或者最大效率，或者一些中间功率模式。当每一相中的线圈串联连接时，与并联连接的每一相中的线圈所获得的相比，电机10a将产生一半的功率，并将以无负载速度的一半操作。但是，串联连接每一相的线圈将产生在当线圈并联连接时将获得的两倍的每安扭矩比。相应地，对于串联连接的线圈，对于相同的低扭矩高速应用，电机10a将仅汲取大约一半的电流。这样，对于以给定的充电量对给定电机供电，串联连接每一相中的线圈将提高电池22的运行时间。

简要地参照图15和16，图表示出在电机10a的不同操作模式中产生的不同的效率和扭矩。在图15中，以最大效率模式例如模式“1”操作电机10a，产生由曲线118表示的效率/扭矩曲线。以最大“功率”模式操作电机10a产生由曲线134表示的效率/扭矩曲线。系统优化以在中等到重型应用获得优化的效率。图16示出可以控制电机10a的速度以将其适应到需要不同程度的输出扭矩的轻型、中型或者重型任务应用。曲线136和曲线138示出利用更高的电机速度(也就是，曲线138)以获得用于重型任务应用的最大扭矩。系统优化以在中等到重型应用获得性能差。

图17-22示出三相绕组56、58和60之间的并联连接的线圈和串联连接的线圈之间的比较图表。图17示出当操作工具时如何能够切换线圈以实际上瞬时地变化工具的操作特征。从串联到并联连接的转换(或者反之亦然)可以是“硬”转换，其中改变电性连接，而没有任何过渡的电性“平缓”。这样的转换在图17中用曲线140示出。一旦电机10a速度下降到大约11,000rpm，线圈56A/56B，58A/58B和60A/60B的串联连接变化到并联连接，从而从电机10a提供更大的功率输出。这提供的优点是对于给定电机和电池充电量，在轻负载工作任务期间，与并联连接的线圈可以实现的相比，结合电机10a的工具将具有明显增加的运行时间。但是，切换线圈对56A/56B、58A/58B和60A/60B到并联连接使得电机10a的最大功率输出能够增加超过串联连接的线圈可能实现的。这使得当执行重负载工作任务时从相同的电机10a产生更大的可用功率。

对于钻12，在串联和并联构型之间连接每一相绕组56、58、60中的线圈56A、56B、58A、58B和60A、60B使得电机10a的输出特征能够实时变化。参照图23，串联连接提供最大效率范围和最大扭矩范围。但是，并联连接提供最大操作速度和最大功率范围。

图24示出电机10a输出特征如何能够通过串联/并联切换的组合改变和利用齿轮减速单元16以进一步适应输出速度。在电动锯应用中，当切割不同类型的材料(例如，软木与硬木)和/或当使用不同类型的锯条时，这对于调节锯条的速度以优化锯的性能是尤其有用的。

通过电机和齿轮减速单元的控制获得增加数量的电机性能输出曲线

电机10a和齿轮减速单元16可以通过控制器28控制以提供一定数量的单元16输出速度，其超过可以仅通过控制齿轮减速单元16而实现的不同速度的数量。例如，参照图25-30，示出多个简图，其示出齿轮减速单元16的一个实施例，其在该例子中包括双级齿轮减速单元。通过仅选择不同个的双级齿轮减速单元的级，可以从电机/齿轮减速单元组合获得三个不同输出速度，如图25-27所示。但是，以三角形或者星形构型连接电机10a的绕组56、58、60的能力使得能够从双级齿轮减速单元16获得总共六种不同的输出速度。这使得能够采用比如果没有三角形和星形连接能力所需要的更低成本、更小和更轻重量的齿轮减速单元以提供给定数量的不同的输出曲线。在手持电动工具中使用较小、较轻的齿轮减速单元是尤其有利的，其中工具的重量和尺度是重要的设计考虑。

如果线圈56A/56B、58A/58B、60A/60B的串联/并联切换与三角形/星形选择切换一起实现，那么可以从图25-30中的双级的齿轮减速单元实现甚至更多数量的电机速度。在该例子中，对于总共十二种不同的速度，仅从双级的齿轮减速单元16可以获得额外的六种输出速度。有利地，这得以完成，而无需电子地限制无负载电机10a速度。

组合电机绕组56、58、60的连接构型(也就是，三角形/星形)、线圈56A/56B、58A/58B、60A/60B的连接(串联或者并联)和齿轮减速单元16的电子控制的能力使得可能获得具有不同性能特征的宽范围的输出。例如，对于相同的电机，串联连接定子44的每一线圈对56A/56B、58A/58B、60A/60B将在给定的低功率输出提供比并联连接(参见图35)所能够获得的更高的效率。这样，电机线圈56的串联构型能够用于齿轮减速单元16的高速齿轮比以优化钻12以用于驱动小的螺钉或者用小直径钻头钻削，其中期望高电机速度。相反，线圈56A/56B、58A/58B、60/60B的并联连接(其提供更大的最大输出功率)可以用于较低速度齿轮比。该组合将提供用于重型工作任务的最大应用速度和热稳定性。这样，应当认识到，通过绕组56、58、60和每一绕组中的线圈的选择切换以及齿轮减速单元16的控制，可以获得具有不同速度/扭矩/功率/效率特征的宽范围的不同电机输出。

利用控制器以匹配电机速度-扭矩曲线和齿轮减速单元速度-扭矩能力

控制器28也可以用于匹配电机10a速度-扭矩性能曲线和齿轮减速单元16速度-扭矩性能曲线。这消除了设计足够量的速度-扭矩“上裕量”到齿轮减速单元16中以保证在钻12的操作过程中电机10a不会损坏或者齿轮减速单元16不产生过度应力的需要。简要地参照图31-33，能够进一步地解释该特征。图31示出需要设计到齿轮减速系统(经常简单地称作“齿轮箱”)中以保证使用其的电机不会损坏或者齿轮系产生过度应力的典型的“上裕量”的示例性的程度。曲线150表示直流电机的示例性的速度-扭矩性能曲线，曲线152表示示例性的传统的齿轮箱的速度-扭矩性能曲线。设计到齿轮箱中的速度-扭矩“上裕量”由两条曲线150和152之间的区域154表示。区域154实质上是设计到齿轮箱中的超过电机能够形成的增加程度的速度-扭矩处理能力。该上裕量保证电机不能使其产生过度应力或者损坏齿轮箱。

图32示出控制电机10a速度-扭矩特征以实质上“推动”电机速度-扭矩性能曲线直到匹配齿轮减速单元16的最大速度-扭矩性能能力。在该例子中，曲线156表示电机10a控制器28实现的电机10a速度扭矩性能曲线。曲线158表示设计到齿轮减速单元16中的速度-扭矩性能曲线。控制器28控制电机10a以为电机10a“推动”或者增加速度扭矩曲线直到实质上匹配齿轮减速单元16的速度-扭矩曲线。这允许通过消除一般会设计到齿轮减速单元16中的上裕量区域154而最有效地利用齿轮减速单元16的速度-扭矩能力。通过监视重要的电机操作特征，例如电机速度和电机电流，控制器28保证电机10a操作在任何时候不会超过齿轮减速单元16的速度-扭矩性能能力。相反，通过利用控制器28以监视和精密地控制电机10a速度-扭矩性能能力，对于给定的电机可以实现较便宜的齿轮减速单元。

参照图33，也可采用替代的控制方法，其中控制器28控制电机10a速度-扭矩性能以使得其仅在一短的时间周期定期地增加到齿轮减速单元16的速度-扭矩性能。曲线160表示通过控制器28实现的不变的电机10a速度-扭矩曲线。曲线162示出速度-扭矩曲线160的操作点，其通过控制器28增加以周期地“向上推动”到齿轮减速单元16的速度-扭矩曲线164一短的时间。以这种方式，可以通过控制器28控制电机10a以匹配，或者甚至稍微超过，齿轮减速单元16的速度-扭矩性能能力一短的时间，其不会产生过度应力或者引起损坏齿轮减速单元的危险。这还将允许使用较便宜和较不结实的齿轮减速单元，因为齿轮减速单元不需要设计为具有足够的上裕量以能连续地适应电机10a的全速度-扭矩能力。

利用控制器以进一步调节电机操作特征

在相绕组56、58和60的任何的连接构型中，控制器28可实现预先的换向和电压控制以提供上述的效率/扭矩和速度/扭矩曲线的进一步的调节。此外，电机10a的最大电流(也就是，堵转电流)可以由控制器28控制。例如，控制器28在当其传感由电机10a汲取的电流时，可以在最大电流汲取的预定时间限制已经被超过之后降低电机的输出扭矩。例如，如果堵转电流持续超过两秒，控制器28能够降低电机10a的扭矩输出到预定的较低水平以防止电池22上的过度的电流汲取。

再者，可以通过控制器28实现脉冲模式(也就是，低功率模式)以通知用户由于上述堵转情形钻12已经进入保护模式。例如，利用选择器控制30以布置控制在位置“1”能够得以完成以在满功率模式(也就是，模式“1”)重新启动钻12。控制器28还可编程以在其效率模式之一时一旦电机被推动超过安全操作范围逐渐降低施加到电机10a的电压以模拟功率损失。如果钻12在其效率模式之一使用，可以使用最大电流限制。

控制器28还可用于当钻12在特定的齿轮比中堵转时自动切换电机10a从其效率模式之一中出来并进入到其功率模式之一中，以从电机10a产生更高的功率输出。优选地，监视并限制在可以在更高的功率模式操作钻12的过程的时间段以防止电机10a过热。

控制器28还可用于实现一种或多种制动模式以降低钻12的各内部部件上应力。例如，再生制动可以通过从电机10a惯性产生电流并将其导向回到电池22中而实现。

控制器28还可用于实现用于防锁的扭矩控制特征，从而实现“电子”形式的离合器。例如，传感电机10a汲取的电流的瞬时改变率可用于控制电机的扭矩输出。这可以提供防反冲或者防锁特征给钻12。在给定操作模式可以由电机10a汲取的最大电流可以由例如软件限制，如果期望的话。控制器28也可用于实现用于电机10a的反转能力。任何适当的提供正转/反转信号给绕组56、58和60的方法都可使用。优选地，当工具12切换到反向时最大效率模式是“默认”模式。当电机反向操作时可以为电机10a设定不同的电流极限值。例如，如果当钻12以反向模式操作时设定相对高的电流，这将使得电机10a能够产生更高的扭矩，从而使得更快地从工件拆除螺纹螺丝。

再者，可以利用闭环或者开环方法配置控制器28。如果使用闭环方法，控制器28将使用来自电流传感系统40和电机速度传感器38的反馈以修改电机10a的操作特征。如果使用开环方法，控制器28可以使用具有存储信息的一个或多个查询表(也就是，不同的电机10a的电机速度和/或电流汲取)以在给定的工作任务过程中选择优化的操作模式。而且，控制器28可以集成到具有电机10a的单一组件(也就是，“封装”)中，或者位于远离电机10a，如图1所示。控制器28将全部位于具有MOSFET功率桥36的公共的印刷电路组件上，或者远离MOSFET功率桥。又再者，MOSFET功率桥36可以位于电机10a的后部的位置(也就是，在图3的电机10a的相对端上)。

这样，电机系统10使得能够从单一的电机实现多种不同的操作模式。从最大效率模式到最大功率模式范围的模式可以通过用户选择或者由控制器28自动完成。再一次，可以从电机10a通过用户选择或者通过控制器自动地实现多种中间水平的效率和/或扭矩输出。当工具用于其中需要较小量的电机功率的应用时，系统10使得能够延长电池运行时间，并且容易地手动或者自动切换以提供更高的电机功率，如果工作任务需要如此的话。

电机封装

参照图34-37，现将描述电机10a的封装和在可移动触点环50和连接器块48之间进行电性连接的一个实施例。对于图34-37，假设电机10a在三相绕组的每一相中包括一对相线圈。相绕组可以以三角形或者星形构型连接。触点环50和连接器块48使得用户能够在其中相线圈串联连接的第一位置和其中相线圈并联连接的第二位置之间手动移动触点50。对于下面的例子，其中将讨论线圈的串联和并联连接，假设相绕组是以星形构型耦合。但是，也可以容易地使用三角形构型。

连接器块48定位在外壳200的末端204中的凹陷202中。电机10a支持在外壳200内。触点环50典型地通过形成在壳体中的内部凹槽206或者从工具外壳的内部区域突起的内部圆周地间隔开的多个凸片保持在与电机外壳200的端壁204相邻。通过任一方法，触点环50能绕其轴中心转动地移动。

再参照图34、35和36，触点环50包括从第一表面210突起的销208。在图35中，销208可以耦合到可手动滑动件50a，用户可以用手指或者拇指将其接合以在其第一和第二位置之间移动触点环50。触点环50还可耦合到螺线管或者其它形式的机电装置，其接合销208并根据需要转动地移动触点环50以将其布置就位以为电机10a的每一相绕组中的相线圈进行串联连接或者并联连接。

参照图36，触点环50的表面214包括多组跳线端子216a、216b、218a、218b和220a、220b。在该例子中，示出三组跳线端子，因为在该例子中的电机是三相电机。多组跳线端子将对应应用于电机10a中的相数。每一对跳线端子216a、216b、218a、218b和220a、220b彼此紧邻地定位并围绕表面214圆周地间隔开。

参照图37，连接器块48包括三个不同的连接器块48a、48b和48c，其围绕电机外壳200的末端圆周地间隔开。再一次，三个不同的连接器块48a、48b、48c被包括，因为在该例子中的电机是三相电机。每一连接器块48a、48b和48c包括四个触板。触板标识为48a1-48a4、48b1-48b4和48c1-48c4。触板48a1-48a4用于产生第一相绕组的线圈的串联或者并联连接。触板48b1-48b4用于产生第二相绕组的线圈的串联或者并联连接，触点48c1-48c4用于第三组绕组的线圈的串联和并联构型连接。

现参照图38和39，示出由用于并联地配置一相绕组的线圈的触点环50和跳线端子216a、216b进行的连接。在图38中，到MOSFET功率桥36的连接(如图2所示)产生在触板48a4处，其连接到线圈222的一侧。MOSFET功率桥36供应驱动电流以赋能相线圈222和224。触板48a3连接到线圈224的一侧。触板48a2耦合到线圈222的另一侧。触板48a1耦合到中性总线226。跳线端子216、216b示出在虚线中以表明当产生串联或者并联连接时它们假定的位置。

在图38中，当相线圈222和224并联连接时，可移动触点环50定位在其“并联”连接位置，跳线端子216a、216b处于与所示的触板48a1、48a2、48a3和48a4接触的位置。实际上，触板48a3和48a4电性耦合，而触板48a1和48a2电性耦合。这通过跳线端子216b耦合每一线圈222和224的一侧在一起，而通过跳线端子216a耦合线圈的另一侧在一起，其并联布置线圈。

在图39中，当可移动触点环50可转动地移动以布置触点环50在其“串联”连接位置时，跳线端子216b电性耦合到触板48a2和48a3，而跳线端子216a电性耦合到中性总线226。这形成具有通过触板48a4、通过线圈222、经由跳线端子216b通过触板48a2、48a3、通过线圈224和通过中性总线226供应的驱动电流的完整的串联电路。

图39示出三相无刷直流电机的相绕组如何能够耦合到连接器块48a、48b和48c。在该例子中，每一相绕组包括两相线圈。相A的绕组包括标识有“A1”和“A2”的相线圈。相B绕组包括标识有“B1”和“B2”的线圈，而相C绕组包括标识有“C1”和“C2”的线圈。4层的2oz，Cu是0.28毫米厚。

进一步参照图34，为了帮助保证触板48a1-48a4、48b1-48b4、48c1-48c4和跳线端子216、218、220之间充分接触，可以使用传导片弹簧228来支持每一跳线端子。例如，单独的片弹簧228可用于独立支持跳线端子216a和216b。可以采用替代的偏压安置，例如通过使用图34中的与电机10a的输出轴18共轴布置的单一螺旋弹簧。如果跳线端子216、218、220每一个具有它们自己的可用于连接的导体，片弹簧228还可由非传导材料形成。

现参照图40，示出用于支持连接器块48a、48b、48c的安置。该安置利用端子板230来支持连接器块48a、48b、48c。每一端子板230包括平面部分232、至少一对腿234。腿234可压入定子44的塑料绝缘材料中，借助其相绕组的线圈222和224绕在上面。转子位置传感板236可以定位在定子44的相对端上。用于形成相线圈的各导体的末端可以靠近其端子板230的腿234布线并根据需要耦合到平面部分232。在平面部分232上或者内的传导迹线可以耦合到各自的连接器块48a、48b、48c的触板。

参照图41和42，示出另一实施例，其支持触点环50在电机外壳200内部，其利用内部方向环的电机构思，相同的设置，在定子/端子块组装之前将切换环下降到罩子中。在图41中，端子板230’每一个包括支持可移动触点环50的部分240。电机外壳200还包括拱式的凹槽242(图42)，其允许销208突起通过电机外壳200的端壁204。此外，将认识到，如图40所示的转子位置传感板236可以形成在每一端子板230’的平面部分232’上。

现参照图43-46，示出用于动态控制双绕组三相无刷直流电机的切换的系统300。通过“双绕组”，应当认识到，双线绕组用于形成每一相中的一对线圈302、304。在该例子中，采用三相绕组，尽管可以实现更多或者更少数量的相数。因为相绕组是相同构造的，所以将仅描述第一相绕组(相A)及其操作。参照图43，单刀单掷(SPST)开关306耦合跨过线圈304和双刀双掷(DPDT)开关308的一对刀之一。DPDT开关308跨过线圈302耦合。SPST开关306和DPDT开关308是每一个具有“先接后离”触点安置的单向开关。开关310用于供应驱动电流到相线圈302、304。

当从并联连接切换到串联连接时，开关310(图43)，其可以表示MOSFET装置，由控制器28关闭。这中断通过相线圈302、304的电流流动。DPDT开关308然后将其掷移动到其中刀连接到触点1的位置。SPST开关306保留在图46所示的位置。在该点，DPDT开关308形成其触点1和2之间的传导路径。因为每一线圈302、304中的电流不能瞬时到达零，所以开关302、304有利于形成续流路径，通过其电流可以通过线圈302、304循环。开关保持在上述位置一段短的时间，例如约1-20毫秒，更优选地，大约1-2毫秒。确切的优选的时间参数将取决于电机10a的精确的构造以及采用的精确的控制方案。

注意到当开关308闭合以短路电机10a时事件的顺序和改变电流水平是重要的。在接触时，通过线圈304的瞬时电流将保持不变，但是将迅速衰退，原因有二：1)线圈中的感应能量正在消散；和2)转动的电机10a产生将抵抗电流的反电动势。这将导致正向电流在非常短的时间，约为1-2毫秒，达到零，其取决于电机10a的感应时间常数和电磁设计。在电机10a的反电动势产生跨过短路的明显量的反向电流之前，第二套开关306必须在约零电流通过时打开。该未阻止的反向电流将导致电机10a的不期望的制动。

DPDT开关308然后被控制以断开与触点1的连接，然后SPST开关306由控制器28打开。这串联地布置线圈203、304，如图45所示。当从串联切换到并联时，开关310再次由控制器28关闭。DPDT开关308然后移动以使得其连接到触点1，同时仍与触点2连接。该构型被维持一段短的时间，例如1-2毫秒，直到电流抵达零以形成用于电流流动通过线圈302的续流路径。DPDT开关308然后断开与触点2的连接，SPST开关闭合。这布置线圈203、304为并联构型，如图44所示。

借助利用上述切换方案的双线绕组电机，仅需要前述实施例中需要的一半的开关来运转电机10a。再者，由于开关的单向的属性，跨过每一开关306、308的电压降是低的。切换系统300等同地可应用到三角形或者星形相线圈。切换系统300可以容易地在电机中实现，其中在串联和并联构型之间的切换由用户通过手动地启动电动工具的壳体上的开关而手动地完成。这也可用于使得用户在用户期望最大化电机的特定操作特征(例如，运行时间、最大扭矩等)时能够手动地超越控制自动串联/并联切换。

现参照图47，示出用于耦合三角形或者星形构型的三相电机的绕组402、404和406切换系统400。开关408、410和412每个都是DPDT开关。为了从三角形变化到星形构型，控制器28首先关闭，从而中断到线圈402的驱动电流。控制器28然后在切换开关402、404、406以每一个与其第一触点连接之前等待一短的时间间隔(例如，1-20毫秒)。控制器28然后再次打开MOSFET(未示出)以施加电流到绕组402、404、406。为了从星形切换到三角形构型，重复该过程，但是开关402、404、406的开关触点的每一个移动以断开与各开关的第二触点的连接，然后与各开关的连接1连接。应当认识到，上述动态切换方案也可应用到其它形式的无刷电机，并不限于仅用于双绕组无刷电机。

参照图48，示出双向开关500的例子，其可以被结合用于上述切换系统300和400。双向开关系统500利用多个二极管，其有效地操作作为单一的单向开关以帮助控制电流流动到期望的方向。图49示出二极管D1、D4和单向开关502，其形成串联电路以在一个方向传导电流。图50示出二极管D2、D3和开关502，其形成串联电路。双向切换系统还可由电子控制的三端双向可控硅开关形成。

应当认识到，上述SPST和DPDT开关的每一个可以通过利用半导体开关和二极管以及机械开关实现。如果SPST和DPDT开关是半导体开关，那么其可以通过利用脉宽调制(PWM)技术控制以实现平稳过渡。

双绕组无刷直流电机的优点

如上所述的双绕组无刷电机提供优化电动工具应用中的电机性能方向的重要优点和灵活性。参照图51，示出双绕组电机速度/扭矩曲线，图表600示出数条性能曲线，其示出双绕组无刷直流电机的绕组的构型(也就是，要么串联连接，要么并联连接)可以怎样明显地改变电机的工作特征。应用双绕组BLDC电机以实现电动工具中的多种功能。曲线602描述设计用于需要较低的扭矩和较高的速度的应用的电机性能。为了达到这样的要求，双绕组无刷直流电机的各相绕组的线圈可以并联耦合以产生具有例如曲线604的性能曲线的电机。这样的电机将运转得更加有效率并且提供在曲线602的操作点“A”处的更长的运行时间。

图51中的曲线606描述设计用于需要较高的扭矩和较低的电机操作速度的应用的电机性能曲线。双绕组无刷直流电机可以具有它的在各相串联连接的绕组以产生操作曲线608。配置的以提供操作曲线608的电机将运转的更加有效率并提供基于给定的电池充电量在曲线606上的给定的负荷点“B”处的更长的运行时间。

这样，通过调节电机性能特征以最佳匹配正进行的工作任务和/或以最大化运行时间，配置双绕组构型的电机10a的能力以及(静态地或者动态地)串联或者并联连接每一相的线圈的能力提供用于各种工作任务的提高的生产率。例如，曲线602上的点“A”可以更加适合于其中对于工具并不需要高扭矩的锤钻应用。但是，电机10a将能以高的电机速度操作以提供锤钻所需要的必需的“撞击频率”。相反，曲线604上的点“B”可以是用于其中需要低的速度和较高的扭矩的钻削应用的适当的操作点。下面是用于各种类型的结合了本实用新型的电机，特别地，双绕组无刷直流电机的电动工具的期望的电机操作特征的列表：

工具         操作特征

钻           对于小直径钻头，快速低扭矩；对于大直

                          径钻头，低速高扭矩

锤钻/钻                   对于锤，快速运转；对于钻，较慢。

横切/直切混合锯           对于直切，在直切模式高扭矩；对于更好

                          质量的横切，在横切锯模式更高速度

钻驱动器/冲击驱动器       对于冲击，高速；对于钻削，高扭矩

往复锯                    对于切割铸铁和钢，低速高扭矩；对于切

                          割木材，较高速度，较低扭矩

金属/木材带锯             对于切割金属，低速，较高扭矩；对于切

                          割木材，较高速度，较低扭矩。对于特定

                          几何形状的刀片，速度可以基于传感的刀

                          片齿节距和齿间负载和/或速度调节；相线

                          圈连接可以由控制器28自动的设置

旋转锤                    对于旋转，较高速度；对于钻削，较低速

                          度。

静止的磨机/抛光机         对于金属磨削，较低速度；对于抛光，较

                          高速度

转子构造

参照图52，示出用于电机10a的转子700。转子700定位在电机10a的定子44内部并支持以旋转运动。转子700包括具有支持在其上的多个永久磁铁704的背铁702。保持套706用于保持磁体704到背铁702。轴708延伸通过在背铁702中的中心开口710并形成转子700的输出轴。

参照图53和54，更加详细地示出转子700的构造。转子700的主要优点是转子利用传统的表面永久磁铁安装转子构造和内部安装永久磁铁转子构造二者的品质。转子700通过利用定位在形成在背铁702中的凹槽或者凹陷712中的拱形的永久磁铁704而完成此。磁体704具有拱形形状，其匹配凹陷712的曲率半径，其整体弧长仅稍微小于拱的距离，在图54中用线713表示。突起部分714有利于限定每一凹陷712。

背铁702还包括多个孔716，其用以降低转子700的重量。孔716同样形成在背铁702的区域，其中不需要有磁通通过。可以形成额外的多个椭圆形或者长型形状的较小的孔718以延伸通过桥部分714。孔718有利于降低转子700中的磁漏以及磁阻扭矩，从而提高功率输出。孔718还提供进一步降低背铁702的总重量的辅助优点，其提高功率密度。孔716还提供促进导向磁通以增加气隙磁通并从而也提高输出功率的益处。

背铁702可以形成为具有从每一叠片层冲出来的孔708、716、718和凹陷712的叠片钢组件。或者，背铁可以由金属粉末形成，在一个或多个随后的机械加工操作中形成孔716、718、708和凹陷712。保持套706可以通过用适当的非传导材料例如塑料过模塑处理形成，以使得其在磁体704的整个外表面和桥部分714的最外层表面上形成均一厚度的层。或者，保持套706可以由适当的非传导材料单独形成，然后在单独的加工步骤中挤压在背铁702和磁体704组件上面。轴708可以由任何适当的材料但优选地包括不锈钢形成。保持套706可以在厚度方面变化，但是在一种优选的形式中是至少约0.5毫米厚。

桥部分714同样可以在厚度方面变化，但是在一种优选的形式中是每一个约0.5毫米宽。图55和56分别示出转子800和900的替代的优选实施例，其中桥部分714的厚度增加超过转子700的桥部分714的厚度。转子700的共同的部件或者特征通过用于描述转子700的那些标号增加100后的标号表示。在图56中，与转子700共同的部件，通过用于描述转子700的标号增加200后的标号表示。由于桥部分的增加的宽度，永久磁铁将具有更小的弧尺度。转子800(图55)具有永久磁铁804，每一个具有大约70°的弧。转子900(图56)具有永久磁铁904，每一个具有大约60°的弧。

但是，桥部分越厚，磁漏增加的越多，磁阻扭矩越大。这样，控制桥部分714的厚度可以提供设计者用以优化转子700的性能特征的方法。

图57-59示出转子700的三个替代的实施例，其中背铁702中没有使用孔。图57示出转子1000，除了转子1000并不包括在其背铁1002中的任何孔外，其否则与转子700相同。与转子700共同的特征或者部件通过用于描述转子700的标号增加300的标号表示。转子1000仍利用多个拱形的永久磁铁1004，其布置在背铁1002的凹陷1012中。在该例子中，桥部分1014形成以有利于限定凹陷1012，并使得每一个具有80°弧尺度的磁体1004能够被利用。

在图58中，转子1100具有背铁1102，其包括定位在凹陷1112中的永久磁铁1104。桥部分1114更厚，这样磁体1104每一个被限制到70°弧尺度。

在图59中，转子1200具有背铁1202，其包括定位在凹陷1212中的永久磁铁1204。桥部分1214甚至更厚，并限制每一磁体1204到60°弧尺度。

尽管在此所述的每一个转子的实施例示出圆柱形状的转子，但是，应当认识到，可以成形转子700、800、900、1000、1100或者1200的任一的外径以优化期望的性能特征，例如磁通密度、齿槽效应扭矩降低、扭矩脉动降低和功率输出。在此所述的各实施例都提供优良的永久磁铁保持，其允许转子用于高速电机并且还有利于降低转子中的涡流损失。

各实施例的描述，如在此提供的，本质上仅仅是示例性的，这样，并不脱离提供的描述的主旨的变化是在本实用新型的范围内。

附图中的部分标记的说明：

1B2     从MOSFET驱动器

2B2     到控制器

3B2     相A

4B2     相B

5B2     相C

6B2     到控制器

7B2     速度控制

8B2     三角形构型

9B2     星形构型

10B2    电流限制

11B2    轻

12B2    中等

13B2    重

14B2    双速度模式

15B2    最高功率范围

16B2    最大扭矩范围

17B2    最高效率范围

18B2    齿轮箱速度限制(理想)

19B2    齿轮箱扭矩限制(1理想)

20B2    齿轮箱S-T曲线(实际)

21B2    电机S-T曲线

22B2     电机S-T曲线(在电子控制的帮助下匹配到齿轮箱的S-T曲线)

33B2     在从MOSFET中

Claims (31)

1.一种电动工具，其特征在于，包括：

电机，其具有多个绕组，所述电机用壳体支持；

用于选择性地耦合所述绕组的切换系统；

齿轮减速单元，其布置在所述工具壳体内并耦合到所述电机的输出轴，所述齿轮减速单元具有输出并提供多个可选择的齿轮比；和

控制器，其用于控制所述切换系统以选择性地以多种不同的构型连接所述绕组，并且选择性地控制所述齿轮减速单元，从而使得能够在所述齿轮减速单元的所述输出处获得比通过仅控制所述齿轮减速单元的所述齿轮比的选择能够提供的更多的多种不同的操作速度。

2.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述切换系统包括配置的以用多个电触点进行电连接的可移动件，所述电触点与所述绕组的特定绕组连通。

3.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，每一所述绕组包括形成所述电机的一相的至少一对线圈。

4.如权利要求3所述的电动工具，其特征在于，所述切换系统操作以并联连接预定的所述线圈对。

5.如权利要求3所述的电动工具，其特征在于，所述切换系统操作以串联连接预定的所述线圈对。

6.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，还包括用于传感所述电机的速度的电机速度传感器，所述电机速度传感器提供输出到所述控制器。

7.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，还包括用于提供表明流动通过所述电机的所述绕组的电流的信号的与所述控制器连通的电流传感器。

8.一种电动工具，其特征在于，包括：

电机，其具有多个绕组，所述电机支持在所述工具的壳体内；

切换系统，其用于选择性地以多种不同的构型耦合所述绕组；和

控制器，其用于选择性地连接所述绕组以从所述电机提供最大效率或者最大功率。

9.如权利要求8的所述电动工具，其特征在于，所述切换系统包括具有用于选择性地耦合所述绕组的多个电触点的可移动环。

10.如权利要求9所述的电动工具，其特征在于，所述切换系统操作来以三角形构型或者星形构型连接所述绕组，其取决于从所述控制器接收的信号。

11.如权利要求8所述的电动工具，其特征在于，所述绕组包括三相绕组，每一所述相绕组包括至少一个线圈。

12.如权利要求11所述的电动工具，其特征在于，每一所述绕组包含至少一对线圈。

13.如权利要求12所述的电动工具，其特征在于，所述控制器控制所述切换系统以选择性地以串联或者并联构型耦合每一所述相绕组的所述线圈。

14.如权利要求8所述的电动工具，其特征在于，还包括耦合到所述电机的输出轴的齿轮减速单元，所述齿轮减速单元响应从所述控制器的信号提供多级齿轮减速以进一步控制所述电动工具的输出部件。

15.如权利要求14所述的电动工具，其特征在于：

所述绕组包括三相绕组；和

其中所述控制器控制所述齿轮减速单元和所述切换系统以进一步调节所述电机的输出以达到所述电动工具执行的必需的工作任务。

16.如权利要求15所述的电动工具，其特征在于，所述切换系统操作来以三角形构型或者星形构型连接所述相绕组，其取决于从所述控制器接收的信号。

17.如权利要求16所述的电动工具，其特征在于，至少一个所述相绕组包括至少一对线圈，其中所述切换系统以串联或者并联构型连接所述线圈，其取决于从所述控制器接收的信号。

18.一种电动工具，其特征在于，包括：

具有多个绕组的电机；

切换系统，其用于选择性地以多种不同的构型耦合所述绕组以提供：

第一工具操作模式，其调节所述电机的输出以执行第一工具功能；和

第二工具操作模式，其调节所述电机的所述输出以执行第二工具功能。

19.如权利要求18所述的电动工具，其特征在于，还包括用于控制所述切换系统的控制器。

20.如权利要求18所述的电动工具，其特征在于，还包括用于控制所述切换系统的手动控制。

21.如权利要求18所述的电动工具，其特征在于，还包括耦合到所述电机的输出轴的齿轮减速单元，所述齿轮减速单元具有多级齿轮减速并且由所述控制器控制以进一步调节所述电机的输出以提供期望的操作特征。

22.如权利要求19所述的电动工具，其特征在于，所述控制器选择性地耦合所述绕组以提供用于所述电动工具的最大效率操作模式。

23.如权利要求19所述的电动工具，其特征在于，所述控制器响应传感的操作情形自动地选择性地以多种不同的构型连接所述绕组。

24.如权利要求19所述的电动工具，其特征在于，所述控制器控制所述切换系统来以三角形构型耦合所述绕组。

25.如权利要求19所述的电动工具，其特征在于，所述控制器控制所述切换系统来以星形构型耦合所述绕组。

26.一种电动工具，其特征在于，包括：

电机，其具有多个绕组，所述电机支持在所述工具的壳体内；

切换系统，其用于选择性地以多种不同的构型耦合所述绕组；

齿轮减速单元，其具有输入和输出，所述输入耦合到所述电机的输出轴，和

控制器，其用于根据所述工具执行的工作任务的需要选择性地连接所述绕组和选择性地控制所述齿轮减速单元以提供从高效率模式到高功率模式范围的多种不同的操作特征。

27.一种电动工具，其特征在于，包括：

电机，其具有多个绕组，所述电机支持在所述工具的壳体内；

切换系统，其用于选择性地以多种不同的构型耦合所述绕组；和

控制器，其用于选择性地连接所述绕组以选择性地最大化电机速度、电机效率和电机功率的至少之一。

28.一种电动工具，其特征在于，包括：

电机，其具有多个相绕组，每一所述相绕组包括多个线圈；

切换系统，其用于当所述电动工具用于执行第一功能时选择性地串联耦合所述线圈以配置用于第一操作模式的所述电机，并且当所述电动工具用于执行第二功能时并联耦合所述线圈以配置用于第二操作模式的所述电机；和

控制器，其用于选择性地以所述串联和并联构型连接所述线圈。

29.如权利要求28所述的电动工具，其特征在于，所述电机包括无刷电机。

30.如权利要求28所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具包括锤钻，其中所述第一功能包括所述锤钻的锤功能，并且其中所述第二功能包括所述锤钻的螺丝刀模式。

31.如权利要求28所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具包括锯，其中所述第一功能包括用所述锯执行横切，并且其中所述第二功能包括用所述锯执行直切。

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