電動(dòng)工具，特別是無繩電動(dòng)工具，在1961年問世，當(dāng)時(shí)百得 (Black and Decker) 創(chuàng)造了第一個(gè)無繩電鉆，主要面向工業(yè)和商業(yè)公司銷售。1969年，牧田 (Makita) 發(fā)布了6500D，這是第一個(gè)向大眾銷售的可充電無繩電鉆。

 

今天的電動(dòng)工具供應(yīng)商正經(jīng)歷爆發(fā)式增長(zhǎng)，由于個(gè)人在家的時(shí)間增加，許多人自己進(jìn)行改造，另外一些正在雇用承包商進(jìn)行改進(jìn)或升級(jí)，以改變風(fēng)景。此外，工業(yè)4.0的增長(zhǎng)引起了最近無刷直流 (BLDC) 電機(jī)和鋰電的技術(shù)創(chuàng)新。電動(dòng)工具買主得益于實(shí)用的、對(duì)買方友好的、易于使用的無繩電動(dòng)工具生態(tài)系統(tǒng)，包括幾百種工具類型，由兩到四個(gè)電池系統(tǒng)供電。

 

例如，表 1 列舉了一家公司的幾百種電動(dòng)工具的生態(tài)系統(tǒng)，這些產(chǎn)品由3個(gè)不同的鋰離子電池系統(tǒng)供電；M12、M18 和 MX Fuel，自然而然地?cái)U(kuò)展到相應(yīng)工作所需的功率。無論是什么工作或項(xiàng)目，這家電動(dòng)工具公司可提供所需的一切工具，從簡(jiǎn)單的鉆頭到手提鉆、工地照明、鏈鋸、釘槍、砂光機(jī)、重型鋸、鉚縫甚至電熱服裝。

 

 

工業(yè)4.0

 

無繩電動(dòng)工具也正獲得汽車工人、航空航天、白家電和農(nóng)業(yè)設(shè)備制造商以及工業(yè) 4.0 等各行各業(yè)的市場(chǎng)份額。這是由于移動(dòng)性、安全性、更高的扭矩、更高的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)收集能力的提高。鋰電技術(shù)的進(jìn)步減少電纜和絆倒危險(xiǎn)，使工人能夠在狹窄的范圍內(nèi)自由移動(dòng)并消除對(duì)電源電纜意外割裂的擔(dān)憂，從而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)自由。

 

產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性和壽命可直接歸功于在工廠制造和裝配期間保持精確校準(zhǔn)的扭矩和每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) (RPM) 控制指標(biāo)。在BLDC 電機(jī)控制的最新創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了對(duì)扭矩和 RPM 的非常嚴(yán)格的控制和精度。一些無繩電動(dòng)工具包括 Wi-fi 或藍(lán)牙低功耗 (BLE)，以便一個(gè)集中的控制器可確保所有設(shè)備的組裝準(zhǔn)確一致。例如，五名工廠工人可在三個(gè)不同班次的五條裝配線上安裝緊固件。無線連接可在所有 5 條裝配線上實(shí)現(xiàn) 24/7 用戶認(rèn)證的 RPM/扭矩控制精度和可重復(fù)性，更不用說自動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄以符合質(zhì)量制造合規(guī)性指標(biāo)和歷史程序跟蹤。

 

移動(dòng)性

 

電動(dòng)工具的移動(dòng)性有多種含義。拖拉機(jī)駕駛員在機(jī)艙里有一個(gè)無繩鋰離子電鉆，以備故障時(shí)使用，這對(duì)他們大有好處。農(nóng)業(yè)工人可以進(jìn)行小型設(shè)備維修，而不必返回他們的谷倉(cāng)。風(fēng)力和太陽(yáng)能安裝技術(shù)人員受益，因?yàn)檫\(yùn)行超過100英尺的電力電纜是不現(xiàn)實(shí)的。對(duì)于住宅/商業(yè)設(shè)備如燃油/燃?xì)鉅t、暖通空調(diào) (HVAC)、電氣更新和管道系統(tǒng)的檢查、預(yù)防性維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)維修服務(wù)也是如此。而且，對(duì)于新的建筑工地，在還沒有主電源的情況下，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)電源可能會(huì)由于線上電源的波動(dòng)而給有線電動(dòng)工具的電機(jī)帶來應(yīng)力，特別是在許多電動(dòng)工具并聯(lián)工作時(shí)。或者，如果發(fā)電機(jī)的燃料在使用過程中意外耗盡，電機(jī)就會(huì)損壞。許多新的建筑工地現(xiàn)在使用發(fā)電機(jī)為多個(gè)電池充電，以緩沖電動(dòng)工具電機(jī)受到交流電的波動(dòng)影響。鋰離子電池為電機(jī)提供非常干凈的直流電壓，最大限度地延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。在工人難以進(jìn)入的任何地方，無繩工具都可提供幫助。

 

鋰離子電池

 

大多數(shù)無繩電動(dòng)工具使用18650外形的圓柱形鋰離子電池。18表示直徑為18毫米，650表示長(zhǎng)度為65.0毫米。18650的額定電壓范圍為3.3 V至3.7 V，取決于其陰極化學(xué)成分。有時(shí)被稱為 "果凍卷電池"（內(nèi)部的陽(yáng)極、陰極和分離器以及電解質(zhì)被卷在一個(gè)中心軸上），18650可以串聯(lián)起來以增加電壓，或并聯(lián)起來以增加容量，或兩者兼而有之。例如，五個(gè)3.6 V (額定的) 3 Ah的電池串聯(lián)起來=18 V (5 x 3.6 V)，或54 Wh (3 Ah x 18 V)。

 

無繩電動(dòng)工具供應(yīng)商與鋰離子電池供應(yīng)商密切合作，以優(yōu)化“最大連續(xù)放電”(MCD) 性能與成本、重量、充電率、循環(huán)壽命、容量和耐用性 (沖擊、振動(dòng)和溫度耐受性) 的關(guān)系。表 2 列舉了當(dāng)今無繩電動(dòng)工具中使用的 18650 鋰離子電池的幾個(gè)例子。

 

 

 

一個(gè)周期被定義為完全充電，加上完全放電。三星的25R規(guī)定循環(huán)壽命為："在250次標(biāo)準(zhǔn)充電和20 A MCD的循環(huán)后，保留至少60%的原始面板容量。" LG的HG2規(guī)定循環(huán)壽命為："在200次標(biāo)準(zhǔn)充電和20 A MCD的循環(huán)后，保留至少70%的原始面板容量。"

 

無刷直流電機(jī) (BLDC)

 

BLDC 電機(jī)與有刷永磁直流 (PMDC) 電機(jī)相比具有許多優(yōu)勢(shì)，特別是更高的可靠性、幾乎無需維護(hù)、更低的電氣和聲學(xué)噪聲、更好的熱性能、更高的速度范圍和功率密度。典型的無繩電動(dòng)工具BLDC 電機(jī)在轉(zhuǎn)子上使用永磁體，在定子上使用三個(gè)電樞繞組 (U、V、W)。微控制器 (MCU) 實(shí)施多種控制和調(diào)制方案 (梯形、正弦、帶 SVM 的 FOC、DTC 等) 中的一種，以策略性地為電機(jī)繞組供電。這會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而在轉(zhuǎn)子磁鐵和定子繞組之間產(chǎn)生相互作用力。如果處理得當(dāng)，這種交互作用可以在所需方向上精確控制電機(jī)的速度、扭矩或功率。

 

圖 1 顯示了 基于 3 相 BLDC 電機(jī)的無繩電動(dòng)工具的典型框圖。MCU 執(zhí)行控制和調(diào)制方案固件，它命令其 PWM 外設(shè)向三個(gè)NCP81080 (2 mm x 2 mm) 半橋門極驅(qū)動(dòng)器輸出六個(gè)協(xié)調(diào)的占空比。這三個(gè)驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)輸出橋中六個(gè)功率 MOSFET 的動(dòng)力轉(zhuǎn)向，為下橋 (LS) 和上橋 (HS)的 U、V 和 W MOSFET 供電。

 

 

這些通常是額定電壓為1.5~2.0倍電池電壓的N-溝道MOSFET，如表3所示。漏源 (VDSS) 電壓是選擇MOSFET的一階近似參數(shù)。選擇MOSFET還有許多其他考慮因素，包括BLDC功率，以及成本、RDS(on)、QG、封裝等。

 

 

MCU可通過NCS2007x（3MHz的典型帶寬）測(cè)量通過每個(gè)繞組的電流，并可選擇用霍爾效應(yīng)傳感反饋來評(píng)估轉(zhuǎn)子的角度位置。另外，還可實(shí)現(xiàn)一個(gè)無傳感器的架構(gòu)，但有更多的處理開銷。RSL10 BLE可用于電池/工具資產(chǎn)跟蹤、固件無線更新（FOTA）、功能選擇/調(diào)整和遙測(cè)數(shù)據(jù)收集。

 

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