電動工具，特別是無繩電動工具，在1961年問世，當時百得 （Black and Decker） 創(chuàng)造了第一個無繩電鉆，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，這是第一個向大眾銷售的可充電無繩電鉆。

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

例如，表 1 列舉了一家公司的幾百種電動工具的生態(tài)系統(tǒng)，這些產(chǎn)品由3個不同的鋰離子電池系統(tǒng)供電；M12、M18 和 MX Fuel，自然而然地擴展到相應工作所需的功率。無論是什么工作或項目，這家電動工具公司可提供所需的一切工具，從簡單的鉆頭到手提鉆、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

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

產(chǎn)品質量、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的扭矩和每分鐘轉數(shù) （RPM） 控制指標。在BLDC 電機控制的最新創(chuàng)新實現(xiàn)了對扭矩和 RPM 的非常嚴格的控制和精度。一些無繩電動工具包括 Wi-fi 或藍牙低功耗 （BLE），以便一個集中的控制器可確保所有設備的組裝準確一致。例如，五名工廠工人可在三個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 條裝配線上實現(xiàn) 24/7 用戶認證的 RPM/扭矩控制精度和可重復性，更不用說自動實時數(shù)據(jù)記錄以符合質量制造合規(guī)性指標和歷史程序跟蹤。

移動性

電動工具的移動性有多種含義。拖拉機駕駛員在機艙里有一個無繩鋰離子電鉆，以備故障時使用，這對他們大有好處。農(nóng)業(yè)工人可以進行小型設備維修，而不必返回他們的谷倉。風力和太陽能安裝技術人員受益，因為運行超過100英尺的電力電纜是不現(xiàn)實的。對于住宅/商業(yè)設備如燃油/燃氣爐、暖通空調(diào) （HVAC）、電氣更新和管道系統(tǒng)的檢查、預防性維護和現(xiàn)場維修服務也是如此。而且，對于新的建筑工地，在還沒有主電源的情況下，傳統(tǒng)的發(fā)電機電源可能會由于線上電源的波動而給有線電動工具的電機帶來應力，特別是在許多電動工具并聯(lián)工作時?；蛘?，如果發(fā)電機的燃料在使用過程中意外耗盡，電機就會損壞。許多新的建筑工地現(xiàn)在使用發(fā)電機為多個電池充電，以緩沖電動工具電機受到交流電的波動影響。鋰離子電池為電機提供非常干凈的直流電壓，最大限度地延長了電機的使用壽命。在工人難以進入的任何地方，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，取決于其陰極化學成分。有時被稱為 “果凍卷電池”（內(nèi)部的陽極、陰極和分離器以及電解質被卷在一個中心軸上），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）。

無繩電動工具供應商與鋰離子電池供應商密切合作，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、振動和溫度耐受性） 的關系。表 2 列舉了當今無繩電動工具中使用的 18650 鋰離子電池的幾個例子。

一個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(guī)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、幾乎無需維護、更低的電氣和聲學噪聲、更好的熱性能、更高的速度范圍和功率密度。典型的無繩電動工具BLDC 電機在轉子上使用永磁體，在定子上使用三個電樞繞組 （U、V、W）。微控制器 （MCU） 實施多種控制和調(diào)制方案 （梯形、正弦、帶 SVM 的 FOC、DTC 等） 中的一種，以策略性地為電機繞組供電。這會產(chǎn)生電磁場，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 電機的無繩電動工具的典型框圖。MCU 執(zhí)行控制和調(diào)制方案固件，它命令其 PWM 外設向三個NCP81080 （2 mm x 2 mm） 半橋門極驅動器輸出六個協(xié)調(diào)的占空比。這三個驅動器充當輸出橋中六個功率 MOSFET 的動力轉向，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(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）測量通過每個繞組的電流，并可選擇用霍爾效應傳感反饋來評估轉子的角度位置。另外，還可實現(xiàn)一個無傳感器的架構，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)整和遙測數(shù)據(jù)收集。

審核編輯：郭婷