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

 

今天的電動(dòng)工具供應商正經(jīng)歷爆發(fā)式增長(cháng)，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，以改變風(fēng)景。此外，工業(yè)4.0的增長(cháng)引起了最近無(wú)刷直流 (BLDC) 電機和鋰電的技術(shù)創(chuàng )新。電動(dòng)工具買(mǎi)主得益于實(shí)用的、對買(mǎi)方友好的、易于使用的無(wú)繩電動(dòng)工具生態(tài)系統，包括幾百種工具類(lèi)型，由兩到四個(gè)電池系統供電。

 

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，這些產(chǎn)品由3個(gè)不同的鋰離子電池系統供電；M12、M18 和 MX Fuel，自然而然地擴展到相應工作所需的功率。無(wú)論是什么工作或項目，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、重型鋸、鉚縫甚至電熱服裝。

 

 

工業(yè)4.0

 

無(wú)繩電動(dòng)工具也正獲得汽車(chē)工人、航空航天、白家電和農業(yè)設備制造商以及工業(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、更高的準確性和數據收集能力的提高。鋰電技術(shù)的進(jìn)步減少電纜和絆倒危險，使工人能夠在狹窄的范圍內自由移動(dòng)并消除對電源電纜意外割裂的擔憂(yōu)，從而實(shí)現了移動(dòng)自由。

 

產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性和壽命可直接歸功于在工廠(chǎng)制造和裝配期間保持精確校準的扭矩和每分鐘轉數 (RPM) 控制指標。在BLDC 電機控制的最新創(chuàng )新實(shí)現了對扭矩和 RPM 的非常嚴格的控制和精度。一些無(wú)繩電動(dòng)工具包括 Wi-fi 或藍牙低功耗 (BLE)，以便一個(gè)集中的控制器可確保所有設備的組裝準確一致。例如，五名工廠(chǎng)工人可在三個(gè)不同班次的五條裝配線(xiàn)上安裝緊固件。無(wú)線(xiàn)連接可在所有 5 條裝配線(xiàn)上實(shí)現 24/7 用戶(hù)認證的 RPM/扭矩控制精度和可重復性，更不用說(shuō)自動(dòng)實(shí)時(shí)數據記錄以符合質(zhì)量制造合規性指標和歷史程序跟蹤。

 

移動(dòng)性

 

電動(dòng)工具的移動(dòng)性有多種含義。拖拉機駕駛員在機艙里有一個(gè)無(wú)繩鋰離子電鉆，以備故障時(shí)使用，這對他們大有好處。農業(yè)工人可以進(jìn)行小型設備維修，而不必返回他們的谷倉。風(fēng)力和太陽(yáng)能安裝技術(shù)人員受益，因為運行超過(guò)100英尺的電力電纜是不現實(shí)的。對于住宅/商業(yè)設備如燃油/燃氣爐、暖通空調 (HVAC)、電氣更新和管道系統的檢查、預防性維護和現場(chǎng)維修服務(wù)也是如此。而且，對于新的建筑工地，在還沒(méi)有主電源的情況下，傳統的發(fā)電機電源可能會(huì )由于線(xiàn)上電源的波動(dòng)而給有線(xiàn)電動(dòng)工具的電機帶來(lái)應力，特別是在許多電動(dòng)工具并聯(lián)工作時(shí)?；蛘?，如果發(fā)電機的燃料在使用過(guò)程中意外耗盡，電機就會(huì )損壞。許多新的建筑工地現在使用發(fā)電機為多個(gè)電池充電，以緩沖電動(dòng)工具電機受到交流電的波動(dòng)影響。鋰離子電池為電機提供非常干凈的直流電壓，最大限度地延長(cháng)了電機的使用壽命。在工人難以進(jìn)入的任何地方，無(wú)繩工具都可提供幫助。

 

鋰離子電池

 

大多數無(wú)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(cháng)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(chēng)為 "果凍卷電池"（內部的陽(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(lái)以增加電壓，或并聯(lián)起來(lái)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(lái)=18 V (5 x 3.6 V)，或54 Wh (3 Ah x 18 V)。

 

無(wú)繩電動(dòng)工具供應商與鋰離子電池供應商密切合作，以?xún)?yōu)化“最大連續放電”(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 列舉了當今無(wú)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規定循環(huán)壽命為："在250次標準充電和20 A MCD的循環(huán)后，保留至少60%的原始面板容量。" LG的HG2規定循環(huán)壽命為："在200次標準充電和20 A MCD的循環(huán)后，保留至少70%的原始面板容量。"

 

無(wú)刷直流電機 (BLDC)

 

BLDC 電機與有刷永磁直流 (PMDC) 電機相比具有許多優(yōu)勢，特別是更高的可靠性、幾乎無(wú)需維護、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(wú)繩電動(dòng)工具BLDC 電機在轉子上使用永磁體，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，以策略性地為電機繞組供電。這會(huì )產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而在轉子磁鐵和定子繞組之間產(chǎn)生相互作用力。如果處理得當，這種交互作用可以在所需方向上精確控制電機的速度、扭矩或功率。

 

圖 1 顯示了 基于 3 相 BLDC 電機的無(wú)繩電動(dòng)工具的典型框圖。MCU 執行控制和調制方案固件，它命令其 PWM 外設向三個(gè)NCP81080 (2 mm x 2 mm) 半橋門(mén)極驅動(dòng)器輸出六個(gè)協(xié)調的占空比。這三個(gè)驅動(dòng)器充當輸出橋中六個(gè)功率 MOSFET 的動(dòng)力轉向，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。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(guò)NCS2007x（3MHz的典型帶寬）測量通過(guò)每個(gè)繞組的電流，并可選擇用霍爾效應傳感反饋來(lái)評估轉子的角度位置。另外，還可實(shí)現一個(gè)無(wú)傳感器的架構，但有更多的處理開(kāi)銷(xiāo)。RSL10 BLE可用于電池/工具資產(chǎn)跟蹤、固件無(wú)線(xiàn)更新（FOTA）、功能選擇/調整和遙測數據收集。

 

詳細了解我們在此博客中談到的產(chǎn)品：

 

• 門(mén)極驅動(dòng)器 - NCP81080

• RSL10

• LDO 穩壓器 – NCP718

• 集成的 DC-DC 轉換器 –NCP1032

• MOSFET - NTMFS4C302N、NTMFS5C410N、NTMFS5C604、NTMFS6H800、FDMS4D0N12C

 

 

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