CN103595302B - 用于起动手持工作器具中的电马达的切换电路 - Google Patents

用于起动手持工作器具中的电马达的切换电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于起动手持工作器具中的电马达尤其用于直流马达的切换电路，包括：主电路，其带有电马达、作为能量源的蓄电池组和用于起动电马达的操作开关；以及相对于蓄电池组和操作开关的并联支路，其中，在该并联支路中布置有电容。为了降低操作开关的电气的触点负载设置成在并联支路中布置有相对电容处在串联中的电子开关。由电容和电子开关构成的串联电路具有第一端部和第二端部，其中，这些端部形成电容至主电路的唯一的电功率连接部。串联电路的电子开关直到闭合操作开关之后经过一段时间间隔后才使由蓄电池组提供的供给电压施加到电容处。

Description

用于起动手持工作器具中的电马达的切换电路
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于起动手持工作器具中的电马达的切换电路。
背景技术
用于起动手持工作器具中的电马达的切换电路通常是已知的且主要包括带有电马达、作为能量源的蓄电池组以及用于起动电马达的操作开关的主电路。为了满足电马达的暂时提高的电流需求，已知并联于电马达或者并联于蓄电池组和操作开关布置有电容，其在特殊的工况中提供马达电流的一部分。
如果以蓄电池来运行的工作器具在较长的运行间断之后从静止状态投入到运行中，那么利用闭合操作开关来唤醒控制电子***且同时给处在并联支路中的电容充电。由于电容的很大的充电电流而出现操作开关的显著的电气切换负载。在此，在机械式操作开关中触点由于触点颤动而强烈地磨损。
发明内容
本发明的目的在于如此构造一种用于起动电马达的已知的切换电路使得在接通工作器具时降低操作开关的电气切换负载。
该目的根据权利要求1的特征部分的特征来解决。
将电子开关与电容串联地安装到并联支路中，其中，包括电容和电子开关的该串联电路具有第一端部和第二端部。这些端部与主电路相连接，从而电容的充电电流和放电电流仅流经串联电路的端部。因此电容至主电路的电气功率连接部仅经由串联电路的两个端部形成。
根据本发明，处在并联支路的串联电路中的开关直到在闭合主电路中的操作开关之后经过一段时间间隔后才经由操控电路投入运行，以便将由蓄电池组提供的供给电压施加到电容处。在此可使串联电路的与电容处在串联中的电子开关作为接通/断开开关运行或甚至使之在时间间隔上缓慢地偏置导通以避免部件的突然的电流负载。
通过根据本发明的切换电路，操作开关的电气切换负荷在接通的时刻中已经显著降低，从而能够无破坏地实现超过50000次切换过程的切换循环。在此，直至连通串联电路的电子开关的时间间隔有利地如此选择使得在机械式开关中典型的触点颤动被衰减，因此触点平静地彼此贴靠。
在优选的实施形式中，电子开关处在电容的接地支路中，也就是说电子开关处在电容的接地端子与切换电路的接地线之间的电气连接部中；电子开关设置在电容的高压侧上，即设置在电容的正极与蓄电池组的正极的电气连接部中，这可是适宜的。
电容优选为电解电容；实施为双层电容、薄膜电容等等同样是适宜的。
电容具有大于10μF的电容量，电容尤其具有在100μF与5000μF之间的电容量。即使在高达5000μF的非常大的电容量的情形中，通过切换电路的根据本发明的构造方案避免操作开关的太高的切换负载。
操作开关优选地为机械式接通/断开开关；适宜地还可将该机械式开关构造为带有在断开位置与全负荷位置之间的特征曲线的比例开关。
串联电路的电子开关尤其为功率晶体管，优选为MOSFET、双极晶体管或相应的功率开关。为了进一步降低操作开关在接通时的电流负载和其它部件的电气负载而设置成在经历时间间隔之后未突然连通串联电路的电子开关，而是以预定的控制时间控制电子开关从闭锁位置中到完全连通的位置中。
施加到电容处的供给电压适宜地为蓄电池电压；经由电压分配器等等将供给电压设计成小于蓄电池电压，这可是有利的。
如果保持机械式操作开关接通，则设置成在识别出电气运行状态且经过时间间隔之后串联电路的电子开关使电容与供给电压分开。因此操控电路例如可经由其电压供给来确定蓄电池电压是否低于临界极限值；如果出现该情况，则其被识别出且在经过时间间隔之后使串联电路的电容与供给电压分开，使得例如无泄漏电流可流经电容。因此还可使用带有很高的泄漏电流的成本有利的电容，否则其应用是不合适的。
在优选的实施形式中，根据本发明的切换电路设置在机械整流式直流马达中，即设置在DC马达中；同样切换电路设置成与电子整流式电马达相结合，这可是适宜的。
附图说明
本发明的其它的特征从其它的权利要求、说明和附图中得出，在附图中示出了本发明的下面详细说明的实施例。其中：
图1显示了手持工作器具(例如洁地机)的透视图，
图2显示了根据图1的洁地机的俯视图，
图3显示了用于手持工作器具中的作为驱动马达的电马达的原理电路图，
图4显示了电气式机动链锯的示意性的视图，
图5显示了电动树篱修剪机的透视图，
图6显示了电动送风机的侧视图，
图7显示了用于运行工作器具中的作为驱动马达的电子整流式马达的示意性的电路图，
图8显示了关于操作开关的工作电压U和运行电流IA的在时间上的经过的示意图。
具体实施方式
在图1和2中示出的工作器具1为洁地机20，其经由轮子21站立在地面上且在前部的区域中具有围绕竖直的轴线转动的、作为工作工具的清洁刷22。旋转的清洁刷22将捕获的脏物输送到后部的收集容器23中。
在前部的壳体区域中在清洁刷之间设置有用于工作器具1的高度调整的旋钮24；在壳体中将蓄电池井状件25(将蓄电池块26推入到该蓄电池井状件中)构造在旋钮与收集容器23之间。在壳体中在蓄电池井状件25与收集容器23之间设置有操作开关4，其构造为机械式开关10(图3、7)。
此外，洁地机20具有用于引导工作器具1的弓形把手27，该弓形把手构造成U形且以其支脚端部固定在洁地机的壳体处。
工作器具1的用作驱动马达的电马达经由机械式开关10来投入运行。图3中示出的电马达2为直流马达100。电马达2处在用于起动电马达2的示出的切换电路7的主电路11中。主电路11主要包括电马达2、作为能量源9的蓄电池组3以及操作开关4，操作开关4实施为可手动操纵的机械式开关10，尤其实施为机械式接通/断开开关。
如果为了驱动清洁刷22而布置多个电马达，例如为每个清洁刷22布置一个电马达，那么电马达在电气方面彼此并联，如在图3中用虚线示出的那样。根据本发明的切换电路7本身保持不变。
蓄电池组3包括单个电池3.1、3.2、3.3至3.n，其中，单个电池可彼此处在串联和/或并联电路中。
此外，在所显示的实施例中，在主电路11中在电马达2的高压侧上(即在正极侧上)设置有电子功率开关5，其在所显示的实施例中构造为MOSFET 6。控制端子或者栅极8经由控制线路12与操控电路13相连接。代替在电马达2的高压侧上而在电马达2的低压侧上(即在接地端子的侧部上)设置电子功率开关5，这可是适宜的。
此外，电子功率开关35(其有利地构造为MOSFET 36)处成并联于电马达2。功率开关35处成并联于电马达2且在切换感应负荷时用作续流电路(Freilaufpfad)；有利地，经由该续流电路在断开操作开关4时还可降低马达2的停转时间(Auslaufzeit)。栅极38经由控制线路37与操控电路13相连接。
此外，切换电路7包括由电容14和电子开关15构成的串联电路，其中，串联电路16相对于主电路11中的功率开关5和电马达2作为并联支路存在。电子开关15有利地设置在电容14的接地支路中，即处在电容14的负极与切换电路7的接地端子或者蓄电池组3的负极之间的电气连接部中。
串联电路16具有第一端部16a和第二端部16b。这些端部16a和16b为电容14至主电路11的唯一的直接的电功率连接部。
优选构造为MOSFET 19的电子开关15的控制端子(栅极17)与操控电路13相连接；与主电路11的该间接连接不是功率连接，因为电容14的大的充电电流或放电电流未流动通过控制端子17。电容14的电的充电电流和放电电流流动通过串联电路的端部16a和16b，从而端部16a、16b为电容14与主电路11的唯一的电功率连接部。适宜地，操控电路13还控制切换电路7的其它的电子功率开关5、35。
操控电路13例如经由自身的电压供应部18或信号线路33(经由其将操作开关4的切换位置传给操控电路13)探测机械式操作开关4的接通。
如果使用者手动地经由机械式操作开关4在时刻t0(图8)接通切换电路7的主电路11，那么首先唤醒控制电子***，即使操控电路13投入运行。在此在时间t1上出现较小的运行电流IB，如在图8中示出的那样。该较小的运行电流IB由操作开关4来切换，该运行电流(仅该较小的运行电流)IB尤其在机械式开关10的触点颤动的时间间隔tK=t2-t0期间存在。触点颤动在每个机械式开关10中出现且表示从断开状态转换直至接通状态(在其中操作开关4或者机械式开关10的触点平静地彼此贴靠)的转换的时间间隔。
在经过预定的时间间隔t3-t0(其可处在从1至300毫秒的范围中，优选地处在从1至50ms的范围中)之后，操控电路13在时刻t3(图8)操控在串联电路16中的电子开关15-在该实施例中操控MOSFET 19的栅极17-使得开关15完全或部分地连通且因此电流IC流进相对于蓄电池组3和操作开关4作为并联支路的串联电路16中；电容14充电到电压UC上。在电容14处存在供给电压，其优选为蓄电池电压UA。
因为MOSFET 19在操纵操作开关4之后时间延迟从大约1ms直至50ms(有利地大约10ms)的时间间隔闭合，所以优选地基本上或完全使触点颤动衰减且电容14的充电电流IC不可在接通的时刻中且在触点颤动期间加载操作开关4。如果使电马达2优选地通过功率开关5例如在时刻t4中投入运行，则电容14的充电电流IC已经降低。有利地，除了马达电流IM之外，穿过电容14的充电电流IC未导致蓄电池组3的增加的电负载。因此在接通操作开关4之后在时刻t4之后的时间内从蓄电池组3获得的电流IA基本上是马达电流IM。由操控电路13连通的电子开关5(即MOSFET 6)经由栅极8来操控且闭合主电路11；马达电流IM流过直流马达100；电马达2转动且驱动工作器具1的工作工具。
可在许多以蓄电池来运行的工作器具1(如其示例地在图1、2以及4至6中示出的那样)中使用根据图3的操控电路13和用于工作工具的作为驱动马达的直流马达100。
图4显示了机动锯40作为工作器具1，在其壳体中构造有蓄电池井状件45。在蓄电池井状件45中推入有蓄电池块46，其由布置在蓄电池壳体中的单个电池3.1至3.n形成为蓄电池组3。
机动锯40具有在工作器具1的纵向方向上取向的后手柄41以及布置在壳体的前部区域中的、处成横向于纵向方向的弓形把手42作为前手柄。蓄电池井状件45处在弓形把手42与后手柄41之间，其中，在后手柄41中设置有用于作为驱动马达设置在壳体中的电马达2的操作开关4。操作开关4未设置为接通/断开开关，而是设置为比例调节的油门杆，其取决于所实施的调节行程将信号发送到操控电路13处。根据调节行程来控制电马达2(图3)的转速。
图5中示出的工作器具1为带有在工作器具1的纵向方向上取向的后手柄51的树篱修剪机50，其中，在壳体的前部区域中布置有处成横向于纵向方向的弓形把手52作为前手柄。前弓形把手52构造为双壳式把手，其中，两个子壳可相对彼此运动且例如操纵双手保护装置的开关。
在树篱修剪机50的壳体中将蓄电池井状件55构造在前部的弓形把手52与后手柄51之间，蓄电池组56作为能量源被推入到该蓄电池井状件中。
在树篱修剪机的后手柄51中布置有操作开关4，其实施为接通/断开开关。
另一工作器具1在图6中示出且构造为送风机60。送风机60的壳体具有在工作器具1的纵向方向上取向的手柄61，其在所显示的实施例中实施为上手柄。在壳体中设置有处在手柄61之下的抽吸开口63；由鼓风机产生的吹气流通过风管64被向前发出。
在手柄61的后端处设置有壳体附件67，其在工作器具1的纵向方向上延伸且形成蓄电池井状件65。蓄电池组66作为能量源被推入到该蓄电池井状件中。
所示出的以蓄电池来运行的工作器具1为电工作器具的示例，在其中可有利地应用根据本发明的切换电路。作为工作器具，以蓄电池来运行的切断机、以蓄电池来运行的背携式送风机、自由切割机、收获器具等等也是适宜的。
在根据图7的实施例中示意性地描述了用于作为电子整流式马达200(EC马达)的电马达2的实施方案的根据图3的根据本发明的切换电路。相同的构件、电路以及信号线路如图3中那样以相同的参考标号表示。
电子整流式电马达200经由操控电桥201操控，其中，操控电桥将蓄电池电压UA转换成用于EC马达200的三个相U、V和W。为此在操控电路中设置有三个并联支路，在其中相应布置有两个MOSFET' 6.1、6.2；6.3、6.4；6.5、6.6。相端子U、V和W在并联支路的相应两个MOSFET'之间进行截取；相U在MOSFET' 6.1与6.2之间进行截取，相V在MOSFET' 6.3与6.4之间进行截取，且相W在MOSFET' 6.5与6.6之间进行截取。
MOSFET'的控制端子(栅极)通过控制线路12.1至12.6由操控电路13操控，该操控电路13还通过控制线路17操控由电容14和MOSFET 19构成的串联电路16的MOSFET 19。此外经由信号线路33将操作开关4的运行状态传给操控电路13。
为了操控在串联电路16中的电子开关15而设置与操控电路13分开的控制电路13a且与之分开地实施电桥电路13b，这可是适宜的。有利地设置成控制电路13a和电桥电路13b由微处理器30控制，其中，有利地将电路和微处理器30一起整合在操控电路13中。
串联电路16的电容14可为任意结构类型的单个电容(图3、7)，例如双层电容、薄膜电容、电解电容等等。优选地，本发明以电解电容来实施。作为电容还可设置成使相同或不同的电容量的构件串联或并联。
所使用的电容14具有大于10μF的电容量，电容14的电容量尤其处在100μF至5000μF的范围中。
在所示出的实施形式中，串联电路16的电子开关15为功率晶体管。优选地使其不突然从闭锁位置切换到完全传导的位置中，而是使其在预定的控制时间内偏置导通使得充电电流受控地上升。由此可降低切换电路的部件的峰值电流负载且还降低蓄电池组3的电气负载。
在实践中例如在根据图1和2的洁地机中可发生机械式操作开关4保持在其接通位置中，因为使用者如此长地使用洁地机直至操控电路13由于降低的蓄电池电压而断开电马达。如果出现这种情况，该运行状态例如通过低于蓄电池极限电压来识别出且在识别该状态和经过预定的时间间隔之后使串联电路的电容与供给电压分开，以便由电容的结构类型决定的泄漏电流未导致蓄电池组的过放电和可能的损坏。
由单个电池3.1、3.2、3.3至3.n形成的蓄电池组3优选地为锂离子子蓄电池组；在化学上基于锂的其它的实施方案(例如锂聚合物(电池)、铁锂(电池)等等)也是适宜的。在蓄电池组3中，任意数量、结构类型和任意化学结构的单个电池3.1至3.n可彼此连接以形成能量源9。
在根据图8的图示中，作为实施例描绘了接通工作器具的时间经过。在时刻t0接通操作开关4－优选机械式的接通/断开开关10，由此将蓄电池电压UA施加到切换电路11和操控电路13处。出现由操控电路13采集的第一运行电流IB。运行电流IB作为切换电流由操作开关4切换且即使在触点颤动的时间间隔tK期间也存在。在操作开关4的触点颤动衰减之后，在时刻t3(其处在接通的时刻t0之后大约1ms至50ms)中连通串联电路16，从而为电容14充电且充电电流IC流动。在电容14的充电之后(充电电流IC优选地衰减)电马达2在时刻t4中被接通，从而马达电流IM流动。时刻t4处在在t0时刻(手动式操作开关4的接通时刻)之后大约1ms至300ms的范围中。在手动式操作开关4的接通时刻t0与接通马达电流IM时刻t4之间存在从1ms至300ms的时间间隔tG。

Claims (15)

1.一种用于起动手持工作器具(1)中的电马达(2)的切换电路，该切换电路包括：
a. 主电路(11)，
b. 作为能量源的蓄电池组(3)，
c. 电马达(2),
d. 和用于起动所述电马达(2)的机械式操作开关(4)，
e. 其中所述电马达在所述操作开关(4)闭合时与所述蓄电池组(3)电连接并且在运行时从所述蓄电池组(3)中给所述电马达供给能量，
f. 以及带有并联支路(16)，
g. 其中该并联支路(16)形成相对于所述蓄电池组(3)和所述操作开关(4)并联的电流路径，从而在所述操作开关(4)闭合的情况下所述并联支路(16)的串联电路(16)处于所述蓄电池组(3)的电压上，
h. 其中，在所述并联支路中布置有电容(14)，
i. 并且在所述并联支路中布置有相对于所述电容(14)处于串联中的电子开关(15)，
j. 其中所述并联支路由所述电容(14)与所述电子开关(15)构成的串联电路(16)形成，
k. 并且所述并联支路的串联电路(16)具有第一端部(16a)和第二端部(16b)，
l. 并且所述串联电路(16)的所述端部(16a,16b)形成所述电容(14)至所述主电路(11)的唯一的电功率连接部，从而所述电容(14)的充电电流和放电电流仅流经所述串联电路(16)的所述端部(16a,16b)，
1.2：并且通过闭合所述串联电路(16)的电子开关(15)使由所述蓄电池组(3)提供的供给电压施加到所述电容(14)处，
1.3：其中为了起动所述电马达(2)首先闭合所述操作开关(4)，而所述电子开关(15)为断开的，
1.4：并且为了在接通时降低所述操作开关(4)的电流负载在闭合所述操作开关(4)之后经过一段时间间隔后才闭合所述串联电路(16)的电子开关(15)。
2.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述电子开关(15)处在所述电容(14)的接地支路中。
3.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述电容(14)为电解电容。
4.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述电容(14)具有大于10μF的电容量。
5.根据权利要求4所述的切换电路，其特征在于，所述电容(14)的电容量处在100μF至5000μF的范围中。
6.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述操作开关(4)为机械式接通/断开开关(10)。
7.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述串联电路(16)的电子开关(15)为功率晶体管。
8.根据权利要求7所述的切换电路，其特征在于，所述功率晶体管为MOSFET(19)。
9.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述电子开关(15)在预定的控制时间中从其闭锁位置中被调节到传导的位置中。
10.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述供给电压为蓄电池电压(UA)。
11.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，在识别出电气运行状态且经过一段时间间隔之后所述串联电路(16)的电子开关(15)使所述电容(14)与所述供给电压分开。
12.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述电马达(2)为电子整流式电马达(200)。
13.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，设置有多个电马达且所述电马达(2)为机械整流式电马达，其中，所述电马达(2)在电气方面彼此并联地接在所述主电路(11)中。
14.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述电马达(2)为直流马达(100)。
15.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，当所述电容(14)的充电电流(IC)已经降低时，使所述电马达(2)通过功率开关(5)投入运行。
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