CN1153336C - 混合ac/dc电机 - Google Patents

Abstract

一种用于适合由交流电源或直流电源工作的电力工具的电机，该电机(12)包括一永磁场(30)，磁场内设有电枢(34)。该电枢(34)包括一枢轴(36)，在枢轴的一端设有DC转接器(38)。该DC转接器(38)跟第一电枢绕组(40)相连。AC转接器(42)共轴地设于DC转接器(38)部分的上方，并与第二电枢绕组(44)相连。第一对电刷(46)设于DC转接器(38)上以便将DC电源跟第一电刷绕组相接供电。第二对电刷(48)将整流AC电源跟第二电刷绕组(44)相接。包含AC/DC选择开关(26)的功率组件使得使用者可选择用AC或DC电源给工具供电。

Description

混合AC/DC电机

发明背景

技术领域

本发明涉及电机，尤其涉及具有适合用AC电源或DC电池供电的电机的电力工具。

讨论

电机的应用领域很广。在电力工具业，电机用来给各种工具供给动力，如电钻、研磨机、圆锯及其他各种便携式电动工具。近年来，电池供电的手提工具越来越普及。电池供电大大提高了这种手提工具的利用率，使之可用于没有交流电源的地方。

尽管电池供电的手提工具有其优越性，然而还有时候用交流电源比较理想，比如电力工具的电池差不多用尽而不能再用，但是交流电仍可用的时候。这种情况下，只要将电动工具通过电线连接交流电源就可使电动工具用来完成手头的任务。

从而，本发明的首要目标是提供一种能用AC或DC电源供电而无需对工具作更改的电动工具。

本发明的另一个目的是提供一种电动工具，具有能用AC或DC电源供电的电机，而且电机无需太多增加电动工具的总尺寸，不太多增加电动工具的总重量，也不太多增加电动工具的制造成本。

发明概述

本发明涉及一种结合用AC或DC电源供电的电机使用的电力工具。该电力工具备有一带开关的功率模块电路，用此开关，电动工具可调节至用AC或DC电源。电机包括一永磁场，  其中装有一电枢。电枢被支撑在电枢轴上旋转。在枢轴的一端装有第一(即“DC”)转接器。第一场绕组跟该DC转接器电耦合，将DC功率送给第一电枢绕组。第二电枢绕组跟装在电枢轴上的第二(即“AC”)转接器电耦合。在一优选实施例中，AC转接器装在DC转接器部分的上方。第一对电刷配合DC转接器工作将DC功率送给第一电枢绕组。第二对电刷配合AC转接器工作将整流的AC功率送给第二电枢绕组。

使用中，配合AC转接器的第二电枢绕组使电机用整流的AC信号供电。若使电机以DC模式工作，配合电机的开关被用来将电机跟AC电源隔开而将工具的电池组连到DC转接器。这样，跟DC转接器配合的第一电枢绕组就从电池组获得DC信号的能量。

在优选实施例中，功率模块电路也配有制动电路。制动电路配有置于跨AC或DC绕组之一的通常闭合的开关，用于以AC与DC工作模式制动电机。所需的制动特性(即硬制动或软制动)确定开关跨于哪个绕组。

本发明电力工具的电机的尺寸较小、重量轻，并提供高效率。电机及其相关电路对手持电力工具是理想的，因为这种工具在设计和工作中首先要考虑尺寸和重量。

附图简述

本领域技术人员通过阅读如下说明、权利要求及如下附图即可明了本发明的各种优点。

图1为与本发明的电机配合使用的示例性的电力工具的立视图；

图2为本发明电机的简化截面图；

图3为图2的电机及其相关电路的简化示意图；

图4为非双绝缘DC电力工具电机的电枢截面图；

图5为采用第一种双绝缘方法的DC电力工具电机的电枢的截面图；

图6为采用第二种双绝缘方法的DC电力工具电机的电枢的截面图；

图7为采用第三种双绝缘方法的DC电力工具电机的电枢的截面图；

图8为穿过采用双绝缘的DC电力工具电机的电枢叠层中心的截面图；以及

图9为采用双绝缘的DC电力工具的外壳截面图。

优选实施例详述

参考图1，示出了结合根据本发明的电机12使用的示例性手持电动工具10。很快会明白，电机12及其相关电路可广泛用于电驱动的电动工具。因此，图1示出的手持电驱动钻可以理解成仅为示例的目的，而非将电机12及其相关电路限制于任何特定形式的工具。可以预见，电机12可用于电驱动手持研磨机、圆锯、钢丝锯和基本上任何其他电驱动动力工具，其中，转换AC或DC电源的能力更进一步提高了工具的利用率。

再参照图1，电动工具10一般配合有使用者的致动扳机14，把手部分16和卡盘18。卡盘与齿轮减速装置20相连，该装置又跟连接电机12的电枢轴输出端相连。电动工具10装有电池组24给电机12工作提供DC功率用于运行。手动AC/DC选择开关26使使用者将工具调至AC或DC电源。当开关26被移至“AC”位置，电机12能通过插座28接受AC功率，电线即跟该插座可松开地相接。当电池组24充足电，开关处于“DC”位置时，电动工具10可以精确地从提供的DC功率的电池组24转出。在优选实施例中，电池组24包括一可拆卸、可充电的12伏DC电池组。

可看到，选择开关26和AC插座28可置于其他位置的电钻10上。有一种选择可以是将开关26置于凹槽24a，这样，当电池组24插入时可自动起作用，从而自动地将工具10调至DC电源工作。卸下DC电池组24并松开开关26会自动将工具10截止AC电源。

图2较详细示出电机12。电机带有永磁场30。永磁场30最好有两部分30a和30b，每部分包括一永久陶瓷磁铁。每一永磁铁30a和30b与电机外壳32粘结，最好是冷轧钢电机外壳。永磁铁磁场30内是电枢34，它由通过电枢共轴地延伸的枢轴36支撑。枢轴36包括第一端36a和第二端36b。DC转接器38同心地装在第二端36b上，并牢牢固定于第二端36b上以便随轴36旋转。酚醛塑料绝缘部分38a将转接器38跟枢轴36绝缘。第一(即“DC”)电枢绕组40跟DC转接器38电耦合，该绕组按常规“飞线”α绕线图形在电枢34上方部分缠绕。第一电枢绕组40最好用粗线，比如20AWG线。

AC转接器42固定地并共轴地装于DC转接器38部分的上方。AC转接器42通过酚醛塑料绝缘部分42a跟DC转接器38绝缘并与第二(即“AC”)电枢绕线44电耦合。第二电枢绕组44也按常规“飞线”α绕线图形在第一绕组40上方部分缠绕。更可取地，第二绕组44在第一电枢绕组40电枢缠绕，因为第二绕组44的线较细，比如28AWG线，如果首先绕在顶上34上易于断裂。

再参阅图2，第一对电刷46跟DC转接器38配合并且，当电池24被用作电机12的电源时用于从电池24(图1)将DC电源与第一电刷绕组40连接。第二对电刷48被共轴地装于AC转接器42上方，并且当AC电源用作给电机12供电时，用于发送整流AC电源给第二电枢绕组44。

可看到，当两个转接器38和42均装在枢轴36的第二端36b上，转接器38或42中一个很容易装在枢轴36的第一端36a上。然而，将两个转接器均共轴地装在电枢34的一侧能使电机装置更紧凑，更适于手持电动工具，这种工具的紧凑度是理想的特征。将两个转接器38和42装在枢轴36的同一端也降低布线的复杂度，减少电机12所需的总部件数。

参阅图3，示出了配合本发明电机12使用的组成电机控制电路的电源组件50。一120伏AC电源52跨接于由二极管52a-52d组成的全波电桥整流电路52上以提供波动DC信号。滤波电容器53给电刷48提供滤波的DC信号。

AC/DC选择开关包括一额定的单极、双掷开关。当AC/DC开关26处于“AC”位置时，如图3所示，扳机14位置如图3虚线所示，然后AC电源可用于给电机12供电。用这种模式，电流是通过电刷48向第二电枢绕组44供给的。当开关26移进图3所示虚线位置时，扳机14在虚线所示位置，然后，电机12由电池组24供电。用这种“DC”工作模式，将DC电源供给电刷46。电刷46将DC电流通过DC转接器38转送给第一电枢绕组40，这样电机12由电池组24供电。制动开关54跨接于AC电刷48给电机12提供制动。然而还可看到，制动以AC和DC两种工作模式发生。

第二(即AC)电枢绕组44的电阻比第一电枢绕组高，这使得可进行“较软”制动动作。如希望“较硬”(即更突然)的制动动作，制动开关54可跨接于DC电刷46上。这样，制动动作可以按特定种类的电动工具设计。制动开关54是”通常“闭合”的开关，当使用者一放开扳机开关14进入“正常开”位置就自动闭合。

再回到图1，尽管本发明的电机12被设计成用相对低压DC电源供电(即低于50伏的DC电源)，然而，优选实施例中的电动工具10的外罩还是与工具的电系统双绝缘的。如本领域的技术人员所知，设计成用高压电源工作的电力工具，如常规AC或有线电动工具的结构通常为工具外罩跟工具的电系统“双绝缘”以保安全。这样，工具操作人员可防止在工具电系统短路时受到电击。无绳或DC供电的工具由低压电源供电，从而就无需这种安全措施。结果，常规DC供电的工具就不跟工具的的电系统绝缘。

当然，有许多DC供电的手提装置也用高压AC市电供电。然而，为使这种交替操作，AC/DC供电装置普遍采用变压器降低高AC电压，从而将装置与高压AC电源隔开。

这种方案可由相对低功率装置接受，许多便携式电力工具的功率要求需要使用大幅降压变压器，这种变压器不但庞大而且笨重。结果，可交替使用AC市电供电的DC电动工具很少商用。

本发明的电动工具10可用多种方法进行双绝缘。一种方法是通过在齿轮变速箱20的输入侧使用塑料齿轮，其中变速箱20的输出跟卡盘18连接。这种安排起到在电机12短路时将工具10的导电部分跟AC电源隔离的作用。

如果上述安排适于具有相对小力矩输出的电机，在许多应用中，如电驱动的电力锯，电机12所需的电机力矩太大而不能通过塑料齿轮及/或轴元件传递。在这些情况下，需要采用其他安排来使工具双绝缘。

图4-9描述电机及外罩内采用双绝缘的效果。双绝缘在本领域是公知的。双绝缘的工具由两隔开的电绝缘层或在操作人员与工具的电系统之间双绝缘的厚度构成。特别参阅图4，示出了标准的非双绝缘的DC电机电枢200的截面图。电枢200由轴202构成，其上方有一芯。芯包括多叠层206，其外周有凹槽卡住电枢绕组204。齿轮与/或卡盘(未示出)设在电枢206一端的轴上提供将旋转能传递给电力工具工作端的方法。比如，齿轮机构将旋转能转换成用于驱动往复运动的锯的来回移动。从电枢轴202到齿轮机构或卡盘，最后到工作端的路径是导电的。因此，任何存在于电枢轴202的电能都导通到工作端，而暴露于电动工具12的操作人员。位置208、210和212标志转子的范围，如果没有绝缘，通过跟带电组件接触就会带电。在208位置，电枢轴202会通过与带电的电枢叠层206接触而带电。在210位置，电枢轴202会通过与电枢绕组204的末匝接触而带电。在212位置，电枢叠层206会通过与电枢绕组204的末匝接触而带电。

图5示出了电动工具的电机电枢200采用双绝缘的第一种方法。电枢220包括枢轴222，一芯设于其上方。芯包括多叠层226，其外周有凹槽卡住电枢绕组224。卡盘228设在电枢叠层206一端的轴上提供将装置如钻锥，固定在电力工具工作端208(见图4)的方法。模压塑料绝缘体230在电枢绕组224和叠层226之间及轴222和绕组224之间提供基本的绝缘。压塑管绝缘体232罩住轴222，以提供补充绝缘而防止万一基本绝缘失效枢轴带电。

图6示出了电动工具的电机电枢220采用双绝缘的第二种方法。纸绝缘体240在电枢绕组224和叠层226之间提供基本的绝缘。双厚度2毫米的第二绝缘体包住枢轴222，提供加强绝缘，取代补充绝缘，以防止枢轴由于跟叠层226或电枢绕组224短路而带电。

图7示出了电动工具的电机电枢220采用双绝缘的第三种方法。纸或模压塑料绝缘体250在电枢绕组224和叠层226之间提供基本的绝缘。双厚度就地模压热塑绝缘体252包住枢轴222，提供加强绝缘，取代补充绝缘，以防止枢轴由于跟叠层226或电枢绕组224短路而带电。

图8示出了通过电力工具的电机电枢220叠层的中心剖开的截面图。窄缝衬绝缘体260在电枢绕组224和叠层226之间提供基本的绝缘。窄缝衬绝缘体由纸、涂层纸、聚乙烯和硫化纤维等适于电绝缘的材料构成。玻璃加强聚乙烯绝缘套262包住枢轴222提供补充绝缘。绝缘套防止枢轴万一窄缝衬260提供的基本绝缘失效而带电。

图9示出了电力工具的双绝缘外罩270。如本领域所公知，所采用的双绝缘方法是希望在外罩270内带电但在其外表面不带电。外罩270被描述成在外表面用假设的金属箔盖272模拟与操作人员互作用。图中还示出了环形端274和包括导线278和线绝缘280的绝缘线276。电能存在于环形端274和导线278中。环形端274的双绝缘由起加强绝缘套作用的双厚度2毫米外罩材料提供。线绝缘280为导线278提供基本绝缘。补充绝缘由外罩270提供，防止因线绝缘失效的电能使外罩270的外表面带电。

所以，本发明的电机12代表一种给工具供AC或DC电源的重量轻、精巧方式。这样，电机12可由充电DC电池组供电，或如果没有充电电池组或如果手头任务完成前电池组的电用完，可由标准AC电源供电。电机12用AC或DC电源工作，只需几个附加元部件，但电力工具的总重量、尺寸或成本不会增加多少。

本领域技术人员从以上描述可知，本发明的上述广泛教导可以多种形式实施。因此，本发明针对其特定例子描述，但本发明的真正范围并不限于此，因为只要研究了附图、说明书和权利要求后，专业人员即可明了其他修改。

Claims (9)

1.一种由交流电源或直流电源操作的混合AC/DC电机，其包括：

一永磁场；

一设于上述永磁场内的电枢；

一从所述电枢同心延伸并在上述永磁场内支撑所述电枢旋转的枢轴；

一固定于所述枢轴的一端的DC转接器；

一缠绕于所述电枢并电连接于所述DC转接器的第一电枢绕组；

一固定于所述枢轴的AC转接器；

一缠绕于所述电枢并电连接于所述AC转接器的第二电枢绕组；

一对DC电刷，其跟所述DC转接器接触，以在所用的电源包括所述直流电源时将所述DC电流与所述DC转接器连接；

一对AC电刷，其跟所述AC转接器接触，以在所用的电源包括所述交流电源时将所述AC电流与所述AC转接器连接；以及

一使用者配合开关，其可操作地与所述对AC电刷和所述对DC电刷相连，以一次只将所述对AC电刷和所述对DC电刷之一与所述AC、DC电源的相关的之一连接。

2.权利要求1所述的电机，其特征在于，所述AC转接器共轴地置于所述DC转接器部分的上方。

3.权利要求1所述的电机，其特征在于，所述AC转接器和所述DC转接器置于所述电枢轴的共同端。

4.权利要求1所述的电机，其特征在于，所述AC电枢绕组置于所述DC电枢绕组之上方。

5.一种由交流电源或直流电源操作的混合AC/DC电机，其包括：

一永磁场；

一设于上述永磁场内的电枢；

一从所述电枢同心地延伸并在上述永磁场内支撑所述电枢旋转的枢轴；

一固定于所述枢轴的一端的DC转接器；

一缠绕于所述电枢并电连接于所述DC转接器的第一电枢绕组；

一固定于同心地位于所述DC转接器部分上方的所述枢轴的所述端的AC转接器；

一缠绕于所述电枢并电连接于所述AC转接器的第二电枢绕组；

一对DC电刷，其跟所述DC转接器接触，并与所述直流电源电连接，用于在所述直流电源包括DC电池时将所述DC转接器与所述直流连接；

一对AC电刷，其跟所述AC转接器接触，并与所述直流电源电连接，用于在所述电源包括所述交流电源时将所述AC转接器与所述交流连接；以及

一开关，其用于一次仅将所述交流电源或所述直流电源分别与所述AC或DC电刷连接。

6.权利要求5所述的电机，其特征在于，所述第二电枢绕组是绕在所述第一电枢绕组上。

7.权利要求5所述的电机，其特征在于，所述永磁场包括一对固定于电机套上的陶瓷磁性扇形体。

8.一种能使AC或DC功率用于给电驱动工具供电的功率组件，所述功率组件包括：

一接受AC输入信号并从其产生DC信号的整流电路；

一用于滤波所述DC信号的电容器；

一电池；

一电机，其包括一个具有枢轴的电枢，所述电枢包括放置在所述枢轴的一端并与放置在所述电枢上的A相关AC场绕组电连接的AC转接器、以及一放置在所述枢轴上并与DC转接器电连接的DC场绕组；

所述DC转接器和所述AC转接器还被放置在所述枢轴的公共端上；

一对与所述AC转接器配合使用的AC电刷；

一对与所述DC转接器配合使用的DC电刷；以及

一仅将所述电池或所述AC电源之一与所述电机在任何给定时间连接的开关。

9.权利要求8所述的功率组件，还包括：

一跨接于所述成对的AC或DC电刷当所述电动工具的通/断功率开关置于关位置时制动所述电机的制动开关。

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