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1、四川大学 硕士学位论文 中频电动工具电源 姓名：贺明智 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：黄念慈 20040420 J 业查堂堡主兰垡堡壅! ! ! ! 竺 ：! ! ! ! ! ； 护 中频电动工具电源 电力电子及电力传动专业 研究生贺明智 指导教师黄念慈 随着现代工业的加速发展，电能的地位越发重要，电动工具则不断涌现出 来。但是，当人们体验到电动工具利于提高工作效率的同时，也不得不承认， 电动工具的不安全因素以及因其体积、质量过大导致人们长期使用后身体疲劳 的问题。 如何提高电动工具的安全性、可移动性，成为一项极具意义的工程。中频 电源以其不可比拟的优势解决了电动工具
2、的这些问题，是电动工具不可缺少的 部分。因此，如何设计出最优的电源解决方案至关重要。 本文在分析可能采取的方案之后，进行优缺点比较，得到了较为合理、具 有可行性的方案。并在阐述相关原理后，进行了系统设计的详细介绍，同时进 行实验和试用。结果证明采用本文介绍的方案所形成的电源系统，能为电动扳 手提供适宜的电能，能完成市电情况下的所有功能。同时，电动扳手的体积和 重量都在一定程度上得以优化。这些改进都为我们更安全、更方便地使用电动 丁具提供了条件。 关键词：电动工具中频电源 四川I 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 1 P o w e rS u p p l yf o rE l e c t r i
3、 c a lT o o l s B a s e do nM i d d l eF r e q u e n c y P o w e rE l e c t r o n i c sa n dP o w e rT r a n s m i s s i o n P o s t g r a d u a t e H eM i n g z h i S u p e r v i s o rH u a n gN i a n c i E l e c t r i cp o w e ri sp l a y i n gam o r ei m p o r t a mr o l ei ns o c i e t y , w i t
4、 ht h ea c c e l e r a t i v e d e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r yn o w a d a y s A n di tc o n t r i b u t e st ot h er a p i di n c r e a s e o fe l e c t r i ct o o l s N o w , w ea r ea l lc o n v i n c e dt h a ti tc a r li m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y w h e r e a sh a v
5、 et oa d m i tt h ed e f e c ti ni t sh e a v i n e s so ru n s a f ef a c t o n I t i sa ni m p o r t a n tt a s kt oi m p r o v et h es a f e t ya n dp o r t a b i l i t yo fe l e c t r i ct o o l s T h e r e f 0 1 e ，i ti ss i g n i f i c a n tf o ru st od e s i g no p t i m i z e dm i d d l ef r
6、 e q u e n c yp o w e r s u p p l y T h i sa r t i c l ep r e s e n t ss o m ea p p r o a c h e st os u p p l yt h em i d d l ef r e q u e n c ye l e c t r i c t o o l s A f t e rc o m p a r i n ga d v a n t a g e sw i t hd i s a d v a n t a g e s ，t h ep a p e ru l t i m a t e l yp r o j e c t s a
7、no p t i m u mm e t h o d T h er e l a t e dt h e o r ya n dt h ep r o c e s so fd e s i g na r ee x p l a i n e d T h e e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u t ，w h i c ho b t a i n sp e r f e c tr e s u l t s T h ep o w e rs u p p l yc a n p r o v i d ea p p r o p r i a t ee l e c t r i c i t yf
8、o rt h er e l a t e dm i d d l ef r e q u e n c ye l e c t r i ct o o l s ，o f w h i c hp e r f o r m a n c ei se x c e l l e n t K e yW o r d s ：E l e c t r i cT o o l sM i d d l e f r e q u e n c y P o w e r S u p p l y 四川大学硕士学位论1 3 7 ( 2 0 0 4 、 1 概述 1 1 电动工具的发展及现状 1 1 1 电动工具的起源 电动工具是一种运用小容量电动机，通
9、过传动机构驱动工作头的手持式或 叮移动式的机械化工具。 世界上第一台电动工具是1 8 9 4 年制造，由直流电动机驱动的电钻。1 9 0 0 年 制造出三相J i 频电钻，由三相异步电动机驱动。1 9 1 3 年生产出首批由单相串激 电机驱动的交、直流两用电钻。2 0 世纪8 0 年代后，随着世界经济的发展，电动工 具技术得到迅速发展。到新世纪初，世界电动工具的品种发展到近千个，年产量 超过l 亿台。 电动工具结构轻巧，携带方便。它比手工工具可提高劳动生产率几倍到几十 倍，比传统的风动工具效率高、费用低( 勿需空压机) 、震动和噪声小、易于自 动控制。因此，电动工具逐步取代手工工具，已广泛应用
10、于机械，建筑、机电、冶 金设备安装，桥梁架设，住宅装修，农牧业生产，医疗、卫生等各个方面。并且广 为个体劳动者及家庭使用，是一种量大面广的机械化工具，发展前景十分广阔。 在机械_ _ _ 业中使用的电动工具就有几十种，分别用于钻孔、攻丝、割锯、剪切、 去锈、磨光、抛光、胀管以及螺钉、螺栓和螺母的紧固等。农田改造、水利建 设、隧道施工和矿山开采中的凿岩、混凝土夯实，铁路建设和养护中的夯实，农 牧业中的农药喷洒、剪毛、采茶和林业部门的伐木、造林、打枝、木材加工中 的锯、刨、开榫、砂光均有相应的电动工具。在医疗方面，外科手术中的锯骨、 钻骨、拆石膏也有专用的电动工具，工艺美术中的雕刻，地毯剪绒及其他
11、方面也 使用相应的电动工具。 建筑、装修业的发展对电动工具的品种及数量的需求，刺激了电动工具的迅 速发展。过去，在钢筋混凝土上打孔用的是钢钎手工操作，不仅劳动强度大、效 率低，而且成孔的质量差。使用电锤不仅提高了工效，成孔质量也大大提高。在 砖墙上打孔，只需使用冲击电钻就能获得令人满意的孔洞。房屋敷设电线，埋设 管道也有相应的电动工具，地板的铺设、家具制造、安装等离不开木工电刨、电 圆锯、电动螺丝刀等。 有些电动工具还具有特殊的功效。如电剪刀可按所需曲线剪切钢板：电冲 剪能在钢板上开出各种形状的孔，且不会使工件弯曲变形；角向电钻能在比较狭 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 窄的场合对
12、工件钻孔；磁座钻能吸附在被加工钢铁件上钻孔作业：自爬式锯管 机能自动的切断大直径的钢管；定扭矩扳手能控制螺栓达到恒定预紧力；电动 胀管机能自动控制管子和管、板联接的胀紧度等。 电动工具除单独使用外，还可组合使用。如多头钻、组合扳手等。有的电动 工具还可以安装在机械手上进行自动加工或装配，电钻、电圆锯、电刨等增加菜 些附件( 如台架) 即能成为台式工具。有些电动工具可以代替专用机床，如曲轴 修磨机、气门研磨机可以代替磨床，用于内燃机维修。此外，还有配备多种可置 换传动机构和工作头的电动工具，实现一机多用，以适应农村或其它流动机修工 作的需要。 1 1 2 电动工具使用中存在的问题 电动工具由于工
13、作效率高被广泛使用，但在使用的过程中也暴露出一些问 题。 l 、有些电动工具由于体积、质量过大，使用不够方便，导致操作人员疲惫 工作。 2 、电动工具采用电能作驱动。在使用过程中，因绝缘损坏或其他原因导致 工具机身带电或漏电，对人员的安全构成了严重的威胁。此类操作工人被电击 致死致残的报道屡见不鲜。 1 2 使用中频电动工具的意义 1 21 中频电动工具的概念及特点 目前电动工具基本类型有单相串激式、三相工频式和三相中频式 ( 国外称高频) 三种。单相串激式电动工具采用单相串激电动机，其特点是转 速高，单位重量功率大，重量轻、体积小。三相工频电动工具采用三相工频异 步电动机，其结构简单、运行可
14、靠、维护方便。而三相中频电动工具是采用三 相中频异步电机，其电机作用原理、结构与三相工频异步电动机完全一样，只 是供给三相中频电，它兼有单相串激和三相工频两者的优点，具体如下： i 、重量轻 电机重量决定于电机转速和电源频率，其公式为 2 蒌l 引火学硬士学氆论文( 2 0 0 4 G 崛J 等( 爷( 公斤) 其中，G 为电瓿震量，G 。为熏鳖系数，对予瓣对磁稷，三裙稼罐獗率嚣言， G ，约为1 1 ；对于两对磁极三相2 0 0 赫兹频率G 。一1 2 萑1 3 ，f 为电源频率，最为电 机输出功率( 瓦) ，1 1 为电动机转逋( 转分) ，a 为指数，对于小型电机而言该 值为0 ，j 。
15、 由公式可知，当输出功率只一定时，转逮增麓，电孝凡藏璧降低。丽蠡l 公式 n 。塑( 其中p 为磁极对数，伪频率) 可翔，频率塘翔，转速方麓撬离。 这里以只= 1 1 0 0 瓦的三相圆缀工频和三桐四级中频电机进行比较。按三相 电机转差率S = 3 5 ，选s = 5 ，工频n = 1 0 2 5 转分( 频率5 0 H Z ) ，中频n 一5 7 0 0 转，分，( 中凝取2 0 0 H Z ) 。将有关数据戗入公式褥妥如下的诗簿： 鱼：当鳖一 G 中l 沁型堕 2 0 0 1 1 4 0 0 目, I C E 频1 1 K W 的工频电机的质量为中频2 0 0 H Z 四级电帆质量的3 3
16、 8 倍。当然 艟错i 地) | I f 、 l5 旗盘 I 、 、l 一圣一 1 1 -一一 - “ l v _ | ll1 撼 ，一一 01 0 02 0 0 3 0 0 4 0 05 0 0 额率( 1 1 7 , ) 图】，1 电机、减速机构及整机的璧量与频率的关系 3 匹! q ) J l 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 这个数据只能做定性对比的参数。频率也不能无限地提高，因为频率提高引起 转速增加；同时为了维持工作转速就要增大传动比，带来减速机构的重量增加。 从上可得知，频率的提高可以带来电机质量得到减轻的好处，同时有不得 不增大减速机构的缺点。那么，在什么时候能达到得到整机质量最小呢? 由西 德B O S C H 电动工具资料和英国工厂工程师杂志资料，它们有如图1 1 所示的 关系。 从图l ，l 可以看出，随着频率的升高，电机质量会下降，同时也会引起减速 机构质量增加。总的质量随着频率的变化不是单调变化的。在频
