CN102647898A - 工作机及无刷电动机 - Google Patents

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吉水智海
高野信宏
小泽广身
船桥一彦
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Hitachi Koki Co Ltd
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Abstract

一种电动割草机包括对旋转刀片(42)进行驱动的电动机(50)。电动机(50)是容纳在电动机外壳(51)中的无刷电动机，并且包括与输出轴(52)整体提供的转子(53)，和固定至电动机外壳(51)的定子(54)。对电动机(50)进行驱动的电动机控制电路容纳在电动机外壳(51)中。电动机控制电路包括具有作为开关元件的FET(81至86)的逆变器，以及对FET(81至86)进行控制的控制部分。FET(81至86)与电动机外壳(51)相接触地被固定。

Description

工作机及无刷电动机
技术领域
本发明涉及一种具有作为驱动源的电动机的工作机，并且涉及无刷电动机。
背景技术
专利文献1公开了一种具有作为驱动源的电动机的电动割草机。由于电动割草机与使用汽油的引擎驱动的割草机相比具有较低的运行成本，并且电动机的性能被改进，因此电动割草机正在广泛普及。
此外，已经出现了使用具有高功效和长寿命的无刷电动机作为驱动源以替代曾经是主流的整流式电动机的电动割草机。
引用列表
专利文献
PTL 1：日本实用新型申请KOKAI公开No.H7-036612
发明内容
技术问题
无刷电动机由驱动电路进行驱动，该驱动电路包括具有FET作为开关元件的逆变器。由于FET随着电动机负载增加而增加了热量产生，因此它们成为导致缺陷的因素，这些缺陷诸如驱动电路烧毁和电动机功率降低。特别是在像是电动割草机那样的电动机负载变化很大的工作机中，这经常成为一个问题。
考虑到该问题，本发明的一个目的是提供一种具有作为驱动源的无刷电动机的工作机，其防止了由FET过热而引起的驱动电路烧毁和电动机功率降低，并且无刷电动机具有高功效。
针对问题的方案
为了实现该目的，根据本发明的第一方面的工作机包括：
外壳；
输出轴，其在外壳处可旋转地被支撑；
无刷电动机，其容纳在外壳中，并且包括与输出轴整体提供的转子和固定于外壳的定子；
驱动电路，其容纳在外壳中，包括作为开关元件的FET和对FET进行控制的控制部分，并且用于对无刷电动机进行驱动；
工作工具，其可被附接至输出轴；
操作部分，其与外壳分离地布置；以及
连接部分，其将外壳连接至操作部分，
其中，FET被固定为与外壳或者与在外壳处提供的散热片相接触。
理想地，外壳由铝合金形成。
理想地，FET布置为靠近外壳上的面向工作工具的部分。
转子理想地配备有风扇。
理想地，在外壳中形成排气孔，并且在连接部分中远离工作工具形成与外壳的内部连通的进气孔。
理想地，转子包括具有沿圆周方向布置的多个磁极的环形磁体且转子形成为盘状，并且定子面向磁体的一个主表面且包括沿圆周方向布置的多个线圈，并且定子形成为盘状。
理想地，转子还包括固定至输出轴并且覆盖磁体的另一主表面的磁性凸缘，并且磁体固定至该凸缘。
理想地，在凸缘处以从转子突出的方式形成刀片。
凸缘理想地配备有用于对转子的不平衡进行校正的平衡部件。
理想地，在输出轴的外周边与磁体内周边之间的凸缘中形成孔或凹槽用于减轻重量。
理想地，工作机还包括：
电源单元，其向驱动电路提供电力；以及
电压检测电路，其对电源单元的输出电压进行检测，
其中，控制部分根据由电压检测电路检测到的电源单元的输出电压来以使得施加至无刷电动机的电压变为预定值的方式控制FET。
理想地，工作机还包括：
电流检测电路，其对流入无刷电动机的电流进行检测，
其中，控制部分对由电流检测电路检测到的流入无刷电动机的电流与预定参考值进行比较来以使得当流入无刷电动机的电流超过预定参考值时停止驱动无刷电动机的方式对FET进行控制。
理想地，操作部分包括触发开关，并且控制部分以使得施加至无刷电动机的电压变为对应于触发开关的触发量的预定值的方式对FET进行控制。
此外，根据本发明的第二方面的无刷电动机包括：
转子，其包括具有沿圆周方向布置的多个磁极的环形磁体，并且被形成为盘状；
定子，其面向磁体的一个主表面，其包括沿圆周方向布置的多个线圈，并且被形成为盘状；以及
磁凸缘，其设置在转子处，并且覆盖磁体的另一主表面，
其中，在凸缘处以从转子突出的方式形成刀片。
此外，根据本发明的第三方面的无刷电动机包括：
转子，其包括具有沿圆周方向布置的多个磁极的环形磁体，并且被形成为盘状；
定子，其面向磁体的一个主表面，包括沿圆周方向布置的多个线圈，并且被形成为盘状；以及
磁凸缘，其设置在转子处，并且覆盖磁体的另一主表面，
其中，凸缘配备有用于对转子的不平衡进行校正的平衡部件。
理想地，凸缘被固定至输出轴，并且在输出轴的外周边与磁体的内周边之间的凸缘中形成孔或凹槽用于减轻重量。
本发明的有益效果
本发明可以提供一种具有作为驱动源的无刷电动机的工作机，并且防止了由FET过热而引起的驱动电路烧毁和电动机功率降低，并且提供了具有高功效的无刷电动机。
附图说明
[图1]图1是示出了根据本发明的一个实施例的电动割草机的透视图。
[图2]图2是示出了图1所示的电动割草机的电动机的截面图。
[图3]图3是示出了图2所示的电动机的输出轴和转子的分解截面图。
[图4]图4是示出了图3所示的转子的凸缘的底视图。
[图5]图5是示出了图3所示的转子的磁体的底视图。
[图6]图6是示出了图3所示的转子的风扇的底视图。
[图7]图7是示出了图2所示的电动机的定子绕组的顶视图。
[图8]图8是图1所示的电动割草机的功能框图。
具体实施方式
下面将参考附图对用于执行本发明的实施例进行说明。
图1是示出了根据本发明的一个实施例的电动割草机1的透视图。电动割草机1包括电源单元10、操作部分20、连接部分30以及驱动单元40。
电源单元10处于电动割草机1的后端。电源单元10包括电源外壳11、电池12、和电源电路14。
电源外壳11容纳电源电路14。在电源外壳11的顶部表面提供有用于设置电源电路14的主电源接通或断开的主开关15。
将电池12安装至在电源外壳11的后端处提供的未示出的电池盒。电池12向电源电路14供电。
电源电路14将电池12的输出电压输出至稍后将要说明的驱动单元40的电动机50。
操作部分20固定至电源单元10的前端。操作部分20包括手柄21和触发开关22。
手柄21固定至电源外壳11的前端，并且固定至连接部分30的后端。触发开关22具有驱动/停止电动机50并且根据触发量调节电动机50的输出(转数)的功能。
连接部分30是由铝合金、纤维增强塑料等形成的中空管，并且连接部分30将操作部分20的手柄21与驱动单元40的电动机50连接在一起。从电源单元10的电源电路14延伸至驱动单元40的电动机50的未示出的电源线插入到连接部分30中。辅助手柄36附接至连接部分30。此外，覆盖驱动单元40的旋转刀片(工作工具)42的一部分的保护罩37附接至连接部分30。
驱动单元40固定至连接部分30的前端，并且处于电动割草机1的前端。驱动单元40包括电动机50和旋转刀片42。
电动机50固定至连接部分30的前端。下面将参考图2对电动机50进行详细描述。
电动机50是包括电动机外壳51、输出轴52、转子53和定子54的无刷DC电动机。
电动机外壳51由铝合金形成并且固定至连接部分30的前端。在电动机外壳51中形成排气孔56。另一方面，在连接部分30中形成与电动机外壳51的内部和排气孔56连通的进气孔38。
输出轴52由提供在电动机外壳51处的轴承57、58可旋转地支撑。输出轴52的下端从电动机外壳51突出，并且旋转刀片42固定至该下端。
转子53容纳在电动机外壳51中，并且与输出轴52整体地提供。如图3所示，转子53包括凸缘61、磁体62和风扇68。
凸缘61由诸如铁之类的磁性物质形成。凸缘61包括环形圆柱固定元件611、从固定元件611的外周表面放射延伸的多个肋613、以及在肋613的外周边处提供的盘状支撑元件612。固定元件611套在输出轴52上来定位，使得凸缘61与输出轴52一起旋转。如图4所示，由各个肋613附近以及在各个肋613之间形成多个孔614以便减轻重量。替代孔614，可以在输出轴52的外周边与磁体62的内周边之间的凸缘61中形成凹槽以便减轻重量。
如图3所示，磁体62形成为环形且扁平的形状，并且通过粘合剂等牢固地固定至凸缘61的支撑元件612的底部表面。如图5所示，磁体62具有沿圆周方向布置的多个磁极(N极和S极)。参考图2和图3，由磁性物质形成的凸缘61的支持元件612形成磁路以在上下方向上集中磁体62的磁通量。
如图3所示，风扇68由合成树脂形成为环形形状，其套在凸缘61和磁体62的外周表面上，并且通过粘合剂等牢固地固定至凸缘61的顶部表面。风扇68具有在外径方向上突出形成的多个叶片681。如图6所示，各个叶片681在圆周方向上以基本上相等的间距布置。
如图2所示，在凸缘61的支持元件612的顶部表面中形成孔615以校正转子53的不平衡(针对旋转轴的重量不平衡)。即，支持元件612构成了根据本发明的平衡部件。可以在支持元件612的顶部表面上提供未示出的配重以校正转子53的不平衡。
定子54包括定子绕组71和轭铁(yoke)72。定子54固定至电动机外壳51，面向磁体62的底部表面。如图7所示，定子绕组71包括沿圆周方向布置的多个线圈711，并且形成为环形且扁平的形状。根据由稍后将要说明的电动机驱动板55提供的电流，每个线圈711都在图2的上下方向上产生磁场。轭铁72由类似铁的磁性物质形成为环形且扁平的形状，并且牢固地固定至定子绕组71的底部表面。轭铁72形成磁路以在上下方向上集中磁通量。
电动机外壳51容纳用于驱动电动机50的电动机驱动板55。电动机驱动板55是印刷板，在其上安装了稍后将要说明的包括FET 81至86的电动机驱动电路300。电动机驱动板55固定至电动机外壳51，面向定子54和电动机外壳51的底表面。FET 81至86是构成稍后将要描述的逆变器301的开关元件，它们固定为与电动机外壳51的底层表面接触。即，由铝合金形成的电动机外壳51作为FET 81至86的散热片。电动机驱动板55经由插入在连接部分30中的未示出的电源线连接至电源单元10的电源电路14。
从电源单元10的电源电路14施加至电动机驱动板55的电压随后经由电动机驱动电路300被施加至定子54的定子绕组71的各个线圈711。由于在受激励线圈711与转子53的磁体62之间产生的吸引力，转子53与固定至转子53的输出轴52转动。
旋转刀片42附接至电动机50的输出轴52。旋转刀片42通过接收电动机50的动力而转动以对草等进行切割。
参考图8，下面将说明电源单元10、电动机50和电动机驱动电路300的电路构造。
如上所述，电源单元10包括电池12和电源电路14。电池12输出DC电压。电源电路14将电池12的输出电压施加至电动机驱动电路300的逆变器301。
如上所述，电动机50包括转子53和定子54。转子53包括磁体62。定子54包括定子绕组71。定子绕组71包括星形连接的三相线圈U、V、W。线圈U、V、W包括上述线圈711。为了便于理解，在图8中示意性地示出转子53(磁体62)和定子54(定子绕组71)。
电动机驱动电路300包括逆变器301、控制信号输出电路302、操作单元303、旋转位置检测元件304、旋转位置检测电路305、转数检测电路306、施加电压设定电路307、电压检测电路308以及电流检测电路309。
逆变器301包括以三相桥构造进行连接的六个FET 81至86，以及连接在各个FET 81至86的集电极与发射极之间的未示出的六个续流二极管。三个FET 81至83将其集电极连接至电源电路14的正输出端子，而其发射极分别连接至定子绕组71的线圈U、V、W。三个FET 84至86将其集电极分别连接至定子绕组71的线圈U、V、W，而其发射极连接至电源电路14的负输出端子。六个FET 81至86的栅极连接至控制信号输出电路302。
根据从操作单元303输入的开关元件驱动信号，控制信号输出电路302向FET 81至86的栅极输出控制信号(PWM信号)，以按照预定顺序执行FET 81至86的开关操作。从而，将从电源电路14施加至逆变器301的DC电压转换为三相(U相、V相、W相)驱动电压以驱动电动机50。
操作单元303是微型计算机，其包括存储处理程序和控制数据的ROM，执行处理程序以产生开关元件驱动信号的CPU，临时存储数据的RAM，以及对时间进行计数的内部计时器。操作单元303向控制信号输出电路302输出开关元件驱动信号以控制FET 81至86的开关操作，从而控制电动机50的施加电压和输出(转数)。
三个旋转位置检测元件304靠近转子53布置，在其间具有120度(电角度)的相差。由霍尔元件等构成的旋转位置检测元件304对磁体62的磁极进行检测，并且将检测信号输出至旋转位置检测电路305。
旋转位置检测电路305根据从旋转位置检测元件304输入的检测信号来对转子53的旋转位置进行检测，并且将表示所检测到的旋转位置的旋转位置检测信号输出至操作单元303和转数检测电路306。
转数检测电路306根据从旋转位置检测电路305输入的旋转位置检测信号来对转子53的转数进行检测，并且将表示所检测到的转数的转数检测信号输出至操作单元303。
根据从旋转位置检测电路305输入的旋转位置检测信号和从转数检测电路306输入的转数检测信号，操作单元303以这样的方式向控制信号输出电路302输出开关元件驱动信号，即，使得FET 81至86以适当的顺序在适当的定时执行开关操作。
上述操作控制电动机50以稳定的输出(转数)进行旋转。
触发开关22向施加电压设定电路307输出表示触发量的触发信号。
根据从触发开关22输入的触发信号，施加电压设定电路307通过查阅预存的表来设定针对定子绕组71的施加电压的目标值。然后，施加电压设定电路307输出表示针对施加电压的设定目标值的施加电压设定信号。
根据从施加电压设定电路307输入的施加电压设定信号，操作单元303以这样的方式向控制信号输出电路302输出开关元件驱动信号，即，使得FET 81至86的输出电压(施加到定子绕组71的电压)与设定目标值匹配。
控制信号输出电路302根据从操作单元303输入的开关元件驱动信号来对将要输出至FET 81至86的控制信号的脉宽进行调制。
因此，在不对逆变器301的施加电压进行调整的情况下，电动机驱动电路300可以根据触发开关22的触发量对电动机的输出(转数)进行调整。
电压检测电路308对电源电路14的输出电压(施加到逆变器301的电压)进行检测，并且将表示所检测到的电压的电压检测信号输出至操作单元303。
根据从电压检测电路308输入的电压检测信号，操作单元303以这样的方式向控制信号输出电路302输出开关元件驱动信号，即，使得FET 81至86的输出电压(施加到定子绕组71的电压)与设定目标值匹配。
控制信号输出电路302根据从操作单元303输入的开关元件驱动信号来对将要输出至FET 81至86的控制信号的脉宽进行调制。
因此，电动机驱动电路300可以在不对电源电路14的输出电压进行调整的情况下针对电池12的输出电压中的改变来稳定电动机50的输出(转数)。此外，即使例如当替代电池12而安装不同电池电压的电池时，也可以稳定电动机50的输出(转数)。
电流检测电路309对流过逆变器301和定子绕组71的电流进行检测，并且将表示所检测到的电流的电流检测信号输出至操作单元303。
根据从电流检测电路309输入的电流检测信号，操作单元303对流过逆变器301和定子绕组71的电流与预定参考值进行比较。当识别出流过逆变器301和定子绕组71的电流超过预定参考值时，操作单元303以这样的方式向控制信号输出电路302输出开关元件驱动信号，即，使得所有FET 81至86都将被关断。
然后，控制信号输出电路302根据从操作单元303输入的开关元件驱动信号来禁用将要被输出至FET 81至86的控制信号。
因此，在不阻断电源电路14的输出电压(施加到逆变器301的电压)的情况下，电动机驱动电路300可以根据流过逆变器301和定子绕组71的电流中的改变来阻断流过逆变器301和定子绕组71的电流。因此，可以防止例如由超载时的过电流所引起的电动机驱动板55和定子绕组71烧毁。
操作单元303和控制信号输出电路302构成了根据本发明的控制部分。
如上所述，电动割草机1构造为具有电动机50(其为无刷DC电动机)作为驱动源。驱动电动机50的电动机驱动板55包括具有作为开关元件的FET 81至86的逆变器301。FET 81至86安装在容纳于电动机外壳51中的电动机驱动板55上，并且与电动机外壳51相接触地被固定。由于电动机外壳51作为FET 81至86的散热片，因此防止了由FET 81至86过热引起的电动机驱动板55烧毁和电动机50的输出降低。
另外，由于电动机外壳51由具有相对较高导热性的铝合金形成，所以其对于FET 81至86具有较高的冷却效果。
FET 81至86与电动机外壳51的底表面相接触地被固定，电动机外壳51的底表面形成为靠近面对旋转刀片42的部分。因此，由旋转叶片42产生的气流对电动机外壳51的底表面进行冷却，从而提高了对FET 81至86进行冷却的效果。另外，粘附在要被旋转刀片42切割的植物上的水滴、潮气等对电动机外壳51的底表面进行冷却，从而提高了对FET 81至86进行冷却的效果。
由于转子53配备有风扇68，所以容纳在电动机外壳51中的电动机驱动板55和定子54的定子绕组71被冷却，从而防止了电动机驱动板55烧毁和电动机50的输出下降。
此外，在电动机外壳51中形成排气孔56，并且在连接部分30中形成进气孔38。因此，电动机外壳51的吸气和排气提高了对容纳在电动机外壳51中的电动机驱动板55和定子54的定子绕组71进行冷却的效果。另外，进气孔38被定位在远离旋转刀片42的位置以防止外来物质进入电动机外壳51。
转子53和定子54形成为盘状。这使得电动机50小型化，并且因为定子54具有较大的表面积，所以提高了对定子54的定子绕组71进行冷却的效果。
在转子53处提供磁性物质的凸缘61，使得增大了转子53的惯性，从而抑制了转子53的不规则旋转以及由此产生的振动和噪声。此外，由于凸缘61配备有平衡部件，所以抑制了由转子53的不平衡引起的振动和噪音。
本发明并不限于上述实施例，而在权利要求范围之内的各种变形也被涵盖在本发明的范围之内。
例如，尽管FET 81至86与铝合金电动机外壳51相接触地被固定，但根据本发明的FET并不限于此，而是可以与在诸如纤维增强塑料之类的合成树脂电动机外壳处提供的铝合金、铜合金等金属散热片相接触地被固定。
尽管在转子53处提供了具有多个叶片681的风扇68，但根据本发明的风扇并不限于这种风扇，而是可以包括例如以从转子突出的方式在凸缘处形成的多个叶片。
本发明并不限于在上述实施例中示例的电动割草机，而可以应用于广泛的使用无刷电动机作为驱动源的各种工作机，并且特别适合于诸如粉碎机、抛光机、刳刨机和吸尘器之类的工作机，其中无刷电动机的动力在没有插入任何减速齿轮的情况下被直接传递至工作工具(旋转刀片、风扇等)。
另外，针对各个组件的材料，及其形状、数量、布局、功能等可以在实现本发明的目的的范围之内进行适当地改变。
已经通过参考一个优选实施例对本申请的原理进行了说明和示例，显然，在不背离在此公开的原理的情况下可以在布置和细节上对该优选实施例进行修改，并且旨在将本申请解释为包括所有这些修改和变形，这是因为这些修改和变形都落入在此公开的主题的精神和范围之内。
本申请要求基于2009年9月30日提交的日本专利申请No.2009-229095的优先权，其全部公开内容通过引用的方式合并于此。
参考标记列表
1电动割草机
10电源单元
11电源外壳
12电池
14电源电路
15主开关
20操作部分
21手柄
22触发开关
30连接部分
36辅助手柄
37保护罩
38进气孔
40驱动单元
42旋转刀片(工作工具)
50电动机
52输出轴
53转子
54定子
55电动机驱动板
56排气孔
57、58轴承
59轭铁
61凸缘
62磁体
68风扇
71定子绕组
72轭铁
81-86 FET
300电动机驱动电路
301逆变器
302控制信号输出电路
303操作单元
304旋转位置检测元件
305旋转位置检测电路
306转数检测电路
307施加电压设定电路
308电压检测电路
309电流检测电路
611固定元件
612支持元件
613肋
614孔
615孔
681叶片
711线圈

Claims (16)

1.一种工作机，包括：
外壳；
输出轴，其在外壳处可旋转地被支撑；
无刷电动机，其容纳在外壳中，并且包括与输出轴整体提供的转子和固定于外壳的定子；
驱动电路，其容纳在外壳中，包括作为开关元件的FET和对FET进行控制的控制部分，并且用于对无刷电动机进行驱动；
工作工具，其附接至输出轴；
操作部分，其与外壳分离地布置；以及
连接部分，其将外壳连接至操作部分，
其中，FET被固定为与外壳或者与在外壳处提供的散热片相接触。
2.根据权利要求1的工作机，其中外壳由铝合金形成。
3.根据权利要求1的工作机，其中FET布置为靠近外壳上的面向工作工具的部分。
4.根据权利要求1的工作机，其中转子配备有风扇。
5.根据权利要求1的工作机，其中在外壳中形成排气孔，并且
在连接部分中远离工作工具形成与外壳的内部连通的进气孔。
6.根据权利要求1的工作机，其中转子包括具有沿圆周方向布置的多个磁极的环形的磁体，且转子形成为盘状，并且
定子面向磁体的一个主表面，定子包括沿圆周方向布置的多个线圈，并且定子形成为盘状。
7.根据权利要求6的工作机，其中转子还包括固定至输出轴并且覆盖磁体的另一主表面的磁性的凸缘，并且
磁体固定至该凸缘。
8.根据权利要求7的工作机，其中在凸缘处以从转子突出的方式形成刀片。
9.根据权利要求7的工作机，其中凸缘配备有用于对转子的不平衡进行校正的平衡部件。
10.根据权利要求7的工作机，其中在输出轴的外周边与磁体的内周边之间的凸缘中形成孔或凹槽用于减轻重量。
11.根据权利要求1的工作机，还包括：
电源单元，其向驱动电路提供电力；以及
电压检测电路，其对电源单元的输出电压进行检测，
其中，控制部分根据由电压检测电路检测到的电源单元的输出电压来以使得施加至无刷电动机的电压变为预定值的方式对FET进行控制。
12.根据权利要求1的工作机，还包括：
电流检测电路，其对流入无刷电动机的电流进行检测，
其中，控制部分对由电流检测电路检测到的流入无刷电动机的电流与预定参考值进行比较，来以使得当流入无刷电动机的电流超过预定参考值时停止对无刷电动机进行驱动的方式对FET进行控制。
13.根据权利要求1的工作机，其中操作部分包括触发开关，并且
控制部分以使得施加至无刷电动机的电压变为对应于触发开关的触发量的预定值的方式对FET进行控制。
14.一种无刷电动机，包括：
转子，其包括具有沿圆周方向布置的多个磁极的环形磁体，并且形成为盘状；
定子，其面向磁体的一个主表面，其包括沿圆周方向布置的多个线圈，并且形成为盘状；以及
磁性的凸缘，其设置在转子处，并且覆盖磁体的另一主表面，
其中，在凸缘处以从转子突出的方式形成刀片。
15.一种无刷电动机，包括：
转子，其包括具有沿圆周方向布置的多个磁极的环形磁体，并且形成为盘状；
定子，其面向磁体的一个主表面，其包括沿圆周方向布置的多个线圈，并且形成为盘状；以及
磁性凸缘，其设置在转子处，并且覆盖磁体的另一主表面，
其中，凸缘配备有用于对转子的不平衡进行校正的平衡部件。
16.根据权利要求15的无刷电动机，其中凸缘固定至输出轴，并且在输出轴的外周边与磁体的内周边之间的凸缘中形成孔或凹槽用于减轻重量。
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