CN108602183A - 电动工具 - Google Patents

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Abstract

在将从商用电源所供给的交流电压整流成直流电压的整流电路、使整流电路的输出平滑的平滑电容器、及利用反相器电路将已平滑的进行脉动的直流电压供给至马达中的电动工具中，当在前端工具不承受负荷的状态下驱动马达时，已平滑的直流电压以与交流电压的变动同步的方式反复产生极大值与极小值。以在此变动的极小值附近不产生电流变成零的区间的方式，将无负荷时的PWM控制的占空比161～占空比166限制得低。在无负荷旋转时以如下方式进行控制：在速度刻度盘设定值1～速度刻度盘设定值6的任一者下，均以比开始响起齿轮声的占空比的阈值D1小的值进行驱动。由此，可抑制在无负荷旋转时从动力传送机构中产生的齿轮声。

Description

电动工具
技术领域
本发明涉及一种具备通过从商用电源所供给的交流电压来驱动的马达的电动工具，且特别涉及一种马达的旋转控制的改良。
背景技术
对从商用电源所供给的交流电压进行整流来驱动无刷马达(brushless motor)的电动工具已为人所知。无刷马达使用磁传感器检测转子的旋转位置，并利用控制器进行控制，由此从反相器电路朝马达的规定的线圈中供给驱动电流。作为使用此种无刷马达的电动工具的一例(研磨机)，已知有专利文献1的技术。在专利文献1中，在与筒状的壳体相同的轴上收容无刷马达。马达在外周侧配置具有线圈的定子，在内周侧设置通过旋转轴来旋转且保持永久磁铁的转子芯(rotor core)。旋转轴在马达的前方侧与后方侧通过轴承来轴支，在后方侧轴承的后方设置用以检测转子的旋转位置的圆筒形的传感器磁铁。在壳体的后方侧的内部收容进行马达的控制的控制器与电源电路。另外，在马达的线圈上搭载用以供给旋转磁场(三相交流电)的反相器电路。
通常，在具备通过商用电源来驱动的马达的电气设备中，设置将从商用电源所供给的交流电压整流成进行脉动的直流电压的整流电路、及包含使进行脉动的直流电压平滑的平滑电容器的平滑电路。此时，大多将平滑电容器的电容设定得比较大，由此将进行脉动的直流电压平滑成足够平坦的直流电压。但是，在此种电路中存在如下的特性：仅在从整流电路所输出的直流电压比在平滑电容器中产生的电压高的期间内，电流从整流电路朝平滑电容器流动。
当已增大平滑电容器的电容时，存在电流从整流电路朝平滑电容器流动的期间变短的倾向，其结果，包含高次谐波成分的电流在商用电源中流动，输电设备所承受的负荷变大，因此不优选。另外从输电设备所供给的商用电源经由配置在家庭中的配电盘而与电动工具连接，但可在配电盘中流动的电流的大小存在上限值，因此不使电流超过此上限值也重要。进而，若电流中所含有的高次谐波成分变大，则功率因数恶化，因此仅少许的电流在电动工具的马达中流动，便导致大的电流在商用电源中流动，因此重要的是谋求功率因数的改善。
在专利文献2中揭示有一种电动工具，其具备：将从商用电源所供给的交流电压整流成进行脉动的直流电压的整流电路、及使进行脉动的直流电压略微平滑的平滑电容器。在此技术中，通过将平滑电容器的电容设定得比较小，而使电流从整流电路朝平滑电容器流动的期间变长，并减少在商用电源中流动的电流中所含有的高次谐波成分。另外，通过将平滑电容器的电容设定得比较小，而节约收容空间，并可将整流电路与平滑电容器内置在电动工具内。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2010-269409号公报
专利文献2：日本专利特开2012-196725号公报
专利文献3：日本专利特开2013-202774号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在专利文献2中所记载的电动工具中，由于平滑电容器的电容比较小，因此从平滑电容器供给至马达中的电压以与商用电源的频率同步的方式大幅度地进行脉动。因此，当马达旋转时，在从平滑电容器朝马达输出的电压大于通过马达的旋转所产生的感应起电压的期间内，电流从平滑电容器朝马达流动，但在从平滑电容器朝马达输出的电压变成通过马达的旋转所产生的感应起电压以下的期间内，电流不再从平滑电容器朝马达流动。因此，从马达中产生的扭矩大幅度地进行脉动，存在由于此脉动而难以控制电动工具的担忧。
相对于此，在专利文献3的图9及图10中所记载的电动工具中，在从整流电路中输出的电压位于极大值的附近的期间内，以从平滑电容器朝马达输出的电压变小的方式，将脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制的占空比设定得小，在从整流电路中输出的电压位于极小值的附近的期间内，以从平滑电容器朝马达输出的电压变大的方式，将PWM控制的占空比设定得大。以所述方式使从平滑电容器朝马达输出的电压的脉动变小，由此抑制从马达中产生的扭矩的脉动。但是，如此频繁地切换PWM控制的占空比会对进行PWM控制的微型计算机(以下，称为“微机”)施加大的负担，必须使用处理速度高的昂贵的微机。
在对这些问题点进行研究的过程中，发明者等人发现通过交替地产生电流不在马达中流动的期间与电流在马达中流动的期间，存在从马达中产生的扭矩进行脉动，从将马达的驱动力传送至前端工具中的动力传送机构中产生噪音的情况。具体而言，当在马达不承受负荷的状态下从马达中产生的扭矩进行脉动时，前端工具欲通过惯性来维持固定的旋转速度，相对于此，马达欲以进行脉动的旋转速度进行旋转，因此构成介于前端工具与马达之间的动力传送机构的齿轮彼此反复碰撞与背离，由此产生与通常不同的旋转声或打击声等。
本发明是鉴于所述背景而成者，其目的在于提供一种抑制在无负荷旋转时从动力传送机构中产生的噪音的电动工具。本发明的另一目的在于提供一种可抑制在商用电源中流动的电流中所含有的高次谐波成分的电动工具。
解决问题的技术手段
若对本申请案中所揭示的发明中的代表性的发明的特征进行说明则如下所述。根据本发明的一个特征，在具备将从商用电源所供给的交流电压整流成进行脉动的直流电压的整流电路、具有减少进行脉动的直流电压的脉动状态的平滑电容器的平滑电路、将已平滑的直流电压供给至马达中的电路、以及将马达的驱动力传送至前端工具中且使用多个齿轮的动力传送机构的电动工具中，以如下方式构成：当在前端工具不承受负荷的状态下驱动马达时，电流在马达中连续地流动，当在前端工具已承受负荷的状态下驱动马达时，电流在马达中断续地流动。另外，设置设在平滑电路与马达之间且用以控制供给至马达中的电压的开关元件、及对开关元件进行驱动来控制马达的旋转的控制部，当在前端工具不承受负荷的状态下使马达旋转时，控制部以供给至开关元件中的已平滑的直流电流以所输入的商用电源的频率的两倍的频率进行脉动，且在此进行脉动的直流电流的极小时以不存在电流为零的区间的方式降低开关元件的PWM占空。通过以当在前端工具不承受负荷的状态下驱动马达时，电流在马达中连续地流动的方式构成，从马达中产生的扭矩稳定，可抑制从动力传送机构中产生的噪音。另外，通过以当在前端工具已承受负荷的状态下驱动马达时，电流在马达中断续地流动的方式构成，可减少在商用电源中流动的电流中所含有的高次谐波成分。
根据本发明的另一特征，使用多个开关元件来构成反相器电路，并将反相器电路设置在平滑电路与马达之间，控制部在马达的无负荷旋转时，控制反相器电路的PWM占空，由此将以与交流电压的变动同步的方式在极大值与极小值之间反复变动的直流电流的极小值的实效值维持成零以上。另外，设置与控制部连接且用以设定马达的旋转速度的旋转速度设定部件，即便由旋转速度设定部件设定任一个旋转速度，在无负荷旋转时直流电流的极小值的实效值也被维持成零以上。进而，以存在通过前端工具来进行对于被加工材料的作业的负荷时的直流电流的实效值的极小值变成零的区间的程度，将平滑电容器的电容设定得小。当在前端工具已承受负荷的状态下驱动马达时，存在大的电流进行流动的倾向，且存在电流中所含有的高次谐波成分变得更大的倾向，但在此种情况下，可将平滑电容器的电容设定得小至电流在马达中断续地流动的程度为止，可抑制电流中所含有的高次谐波成分。
根据本发明的又一特征，在电动工具中设置控制马达的转数的控制部，控制部以维持所设定的转数的方式对马达进行定速控制，由控制部所设定的无负荷旋转时的占空比以在已平滑的直流电压的极小值附近也不变成零的方式设定。另外，设置设定马达的目标转数的旋转速度设定部件，控制部以维持由旋转速度设定部件所设定的目标转数的方式对马达进行定速控制，由控制部所设定的无负荷旋转时的占空比以在由旋转速度设定部件所设定的任一个目标转数下，在已平滑的直流电压的极小值附近均不变成零的方式构成。
根据本发明的又一特征，在电动工具中以如下方式构成：当将设定部设定成供给至马达中的电压变成最大值的第1设定值(速度设定刻度盘的速度最高的设定值、或将速度调整用的触发开关拉至极限的状态)，且在前端工具不承受负荷的状态下驱动马达时，已平滑的直流电压以与交流电压的变动同步的方式反复产生极大值与极小值，并且遍及已平滑的直流电压位于极大值的附近的期间、及已平滑的直流电压位于极小值的附近的期间的两个期间，将PWM控制的占空比限制成小于100％的第1占空比。如此，当将设定部设定成供给至马达中的电压变成最大值的第1值，且在前端工具不承受负荷的状态下驱动马达时，遍及已平滑的直流电压位于极大值的附近的期间、及已平滑的直流电压位于极小值的附近的期间的两个期间，将PWM控制的占空比限制成小于100％的第1占空比，因此从平滑电容器朝马达流动的电流得到抑制，平滑电容器的电压变得难以下降。由于平滑电容器的电压变得难以下降，因此从平滑电容器朝马达输出的电压变成通过马达的旋转所产生的感应起电压以下的期间变短，电流容易在马达中连续地流动。因此，从马达中产生的扭矩稳定，可抑制从动力传送机构中产生的噪音。另外，由于无需频繁地切换占空比，因此可通过处理速度不高的廉价的微机来实现，而可提供廉价的电动工具。
发明的效果
根据本发明，可提供一种抑制从动力传送机构中产生的噪音，并且抑制在商用电源中流动的电流中所含有的高次谐波成分的电动工具。
附图说明
图1是表示本发明的实施例的电动工具1的整体结构的纵剖面图，电动工具1的内部中所示的箭头表示使开关变成开启的状态下的冷却风的流动。
图2是表示从A方向观察图1的后方部分的箭视图，且为表示箱40与电路基板60的图。
图3是表示图1的马达5的驱动控制系统的电路构成的方块图。
图4是表示图1的电动工具1中的主轴转数、PWM的占空比、来自平滑电路的输出电压、施加至马达5中的在马达中流动的电流的关系的图。
图5是说明本实施例的马达的控制顺序的流程图。
图6是表示变速刻度盘17的设定值与目标转数及占空比的关系的表。
图7是表示变速刻度盘17的各设定值的负荷的大小与所设定的占空比的关系的图。
具体实施方式
实施例1
以下，根据附图对本发明的实施例进行说明。再者，在以下的图中，对具有相同的功能的部分标注相同的符号，并省略重复的说明。另外，在本说明书中前后左右、上下方向作为图中所示的方向来进行说明。
图1是本发明的实施例的电动工具1的俯视图。此处，作为电动工具1的一例，表示设置有在与马达5的旋转轴6正交的方向上进行旋转的主轴24，且与主轴24连接的作业机器为圆形的磨石30的盘式研磨机(disk grinder)。电动工具1的壳体(外壳或框体)包含如下三个主要零件：收容动力传送机构的齿轮箱(gear case)21、收容马达5的筒形状的马达壳体(motor housing)2、以及安装在马达壳体2的后方并收容电气设备类的后盖(rearcover)3。壳体的形成方法任意，可如本实施例般包含在前后方向上分割成三块的部分，也可以由其他分割形状来形成。马达壳体2是树脂或金属的一体构成，且构成为在前方侧具有开口的大致圆筒形。马达壳体2的内径具有比马达5的定子芯(stator core)9的外径略大的直径，马达壳体2的外表面侧构成作业人员利用单手进行握持的部分(握持部)。在马达壳体2的后方安装后盖3。后盖3构成为在穿过长边方向中心轴(马达的旋转轴的延长线)的垂直面上可在左右方向上进行分割，通过未图示的螺钉来将左右的零件固定在夹持马达壳体2的后方侧开口部的位置上。另外，后盖3的外径与马达壳体2的外径相比，变成大致同等或略小的外径。
马达5以沿着马达壳体2的中心轴方向(前后方向)的方式配置有旋转轴6，控制部利用包含霍尔集成电路(Integrated Circuit，IC)的旋转位置检测元件69检测转子芯(rotor core)7的旋转位置，并对包含多个开关元件Q1～开关元件Q6(参照后述的图2)的反相器电路80进行控制，由此对马达5的规定的线圈13中依次供给驱动电力，由此形成旋转磁场来使转子旋转。马达5是三相无刷直流(Direct Current，DC)马达，且为转子在具有大致圆筒状的形状的定子芯9的内周侧空间内进行旋转者，即所谓的内转子(inner rotor)型。定子芯9由将通过压制加工所制造的圆环状的薄铁板在轴方向上层叠多片而成的层叠结构来制造。在定子芯9的内周侧形成六个齿(teeth)(未图示)，在各齿的轴方向前后方向上安装树脂制的绝缘体(insulator)11、绝缘体12，以在绝缘体11、绝缘体12间夹持齿的形式缠绕铜线来形成线圈13。在本实施例中，优选将线圈13设为具有U相、V相、W相的三相的星形结线，用以朝线圈13中供给驱动电力的U相、V相、W相用的三根导线(未图示)连接在电路基板60上。在定子芯9的内周侧，转子芯7固定在旋转轴6上。转子芯7与轴方向平行地形成在将通过压制加工所制造的圆环状的薄铁板在轴方向上层叠多片而成的转子芯上，在其剖面形状为长方形的狭槽部分中插入具有N极及S极的平板状的永久磁铁8。
旋转轴6通过两个轴承14a、轴承14b而可旋转地得到保持。在旋转轴6的轴方向上观察，在轴承14b与马达5之间设置冷却风扇15。冷却风扇15例如为塑料制的离心风扇，若马达5进行旋转，则与旋转轴6同步地进行旋转，由此在壳体的内部，在由多个黑箭头所示的方向上产生用以对马达5或控制电路等进行冷却的风的流动(冷却风)。在电路基板60的后端附近，从设置在后盖3的上下表面上的吸入口3a抽吸冷却风，冷却风在收容电路基板60的箱40的周围从后方朝前方侧流动，穿过设置在马达壳体2的轴承保持架部20上的开口(未图示)后，流入马达5的收容空间内。流入马达5的收容空间内的冷却风穿过定子芯9的外周侧即与马达壳体2之间的间隙(参照图中的黑箭头)或定子芯9的内侧空间后，由冷却风扇15抽吸，穿过风扇盖16的贯穿孔后从齿轮箱21的贯穿孔21b朝前方侧排出、或从风扇盖16的下侧的贯穿孔21c朝前方排出。在本实施例中，在马达5的旋转轴6的轴线上观察，从后方(上风侧)至前方侧，电路基板60、传感器磁铁18、轴承14a、马达5、冷却风扇15、及轴承14b在轴方向上串联(一条直线上)地配置。而且，作为吸入外部气体的通风窗的吸入口3a配置在电路基板60的周围且配置在比发热大的元件，特别是整流电路71或开关元件Q1～开关元件Q6(参照后述的图2)更后方侧。如此，在本实施例中，在马达5的旋转轴方向上观察，冷却风以从壳体的后方侧大致接触至前方侧的整个外周面的方式流动。
齿轮箱21例如通过铝等金属的一体成形来构成，其收容一组伞齿轮机构(22、23)，并且可旋转地保持成为输出轴的主轴24。主轴24以在与马达5的旋转轴的轴线方向(此处为前后方向)大致正交的方向(此处为上下方向)上延长的方式配置，在旋转轴6的前端部分设置第1伞齿轮22，第1伞齿轮22与安装在主轴24的上侧端部上的第2伞齿轮23咬合。第2伞齿轮23的直径大，且齿轮数比第1伞齿轮22多，因此这些动力传送机构作为减速部件发挥作用。主轴24的上端侧通过金属25而可旋转地轴支在齿轮箱21上，在中央附近由利用球轴承(ball bearing)的轴承26来轴支。轴承26经由主轴盖27而固定在齿轮箱21上。
在主轴24的前端设置安装底座28，通过垫圈螺母(washer nut)31来安装磨石30等前端工具。磨石30例如为直径100mm的树脂状柔性磨石(resinoid flexible grindstone)、柔性磨石(flexible grindstone)、树脂状磨石(resinoid grindstone)、砂盘(sandingdisk)等，通过选择所使用的研磨粒的种类而可进行金属、合成树脂、大理石、混凝土等的表面研磨、曲面研磨。磨石30的后方侧的径向外侧及上侧由砂轮护罩(wheel guard)32覆盖。再者，作为安装在电动工具1上的前端工具，并不仅限于磨石30，也可以安装斜钢丝刷(bevel wire brush)、无纺布刷、金刚石砂轮等其他工具。
在马达5的旋转轴6的后端，安装作为在旋转方向上磁极不同的磁性体的传感器磁铁18。传感器磁铁18是为了检测转子芯7的旋转位置而安装的薄的圆筒形的永久磁铁，在圆周方向上每隔90度而依次形成NSNS极。在传感器磁铁18的后侧且在箱40的内侧部分，设置在与旋转轴6垂直的方向上配置的大致半圆形的传感器基板68，在传感器基板68上设置检测传感器磁铁18的位置的旋转位置检测元件69。旋转位置检测元件69是通过检测进行旋转的传感器磁铁18的磁场的变化来检测转子芯7的旋转位置者，在旋转方向上每隔规定角度，此处是每隔60°而设置三个。
在形成为大致圆筒形的后盖3的内部收容进行马达5的旋转控制的控制部(后述)、用以驱动马达5的反相器电路80、以及用以将通过电源线3b而从外部所供给的交流电转换成直流电的电源电路70。在本实施例中，这些电路搭载在共同的电路基板60上。电路基板60是以相对于电动工具1的长边方向中心轴(与马达5的旋转轴6同轴)变成平行的方式配置。此处，以基板的表面及背面在前后方向及左右方向上延长的方式配置。电路基板60配置在一面成为开口部的大致长方体的容器状的箱40的内部，箱40通过螺钉42c、螺钉42d而螺接在马达壳体2的轴承保持架部20上。进而，箱40的后端侧通过螺钉42e而固定在后盖3上。通过使未图示的液体状的树脂硬化而成的硬化性树脂来对箱40的内部进行整体加固。此处，当电动工具1的磨石30朝下时(图1的方向时)，箱40的开口部以朝向下侧的方式配置，反相器电路80中所含有的多个开关元件Q1～开关元件Q6(后述)以从电路基板60朝下侧延长的方式配置。开关元件Q1～开关元件Q6的靠近电路基板60之侧的大致一半左右位于树脂的内部，一半左右未被树脂覆盖而露出至外部。
由于必须在线圈13中通上大驱动电流，因此反相器电路80例如使用如场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)或绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)般的电容大的输出晶体管作为开关元件Q1～开关元件Q6。在开关元件Q1～开关元件Q6的散热板上进而安装冷却用的金属板。在开关元件Q1～开关元件Q6的后方侧设置电源电路。本实施例的电源电路70包含将从外部所供给的商用电源(交流电)转换成直流电的整流电路来构成。就布线的效率性而言，将电源电路70搭载在靠近以从后盖3的后端面朝外部延伸的方式布线的电源线3b的位置上，即箱40的后方侧。
在反相器电路80的旁边设置用以使马达5开启或关闭的开关64。在图的圆圈的内部，以透视图表示开关64的部分。开关64具有柱塞64a、及用以按压柱塞64a的金属制的板弹簧64b，与在图2中后述的开关操作部联动来进行移动的抵接部4b使板弹簧64b变形，由此使开关64变成开启。在图1中表示柱塞64a未被按压的状态，若抵接部4b从图1的状态朝前方侧移动，则开关64变成开启。
图2是从箭头A的方向观察图1的后半部分的箭视图，且为表示箱40及电路基板60的图。在此图中，表示已从马达壳体2上卸除后盖3的状态。收容在箱40的内部的电路基板60的形状是具有与箱40的内部形状大致同等的外侧轮廓来形成。虽然在图中未表示，但电路基板60利用从液体状态进行硬化而凝固的树脂来浸渍容器内的一半以上的空间。搭载在电路基板60上的主要是：电源电路70，主要包括包含二极管电桥(diode bridge)72的整流电路71、及包含电解电容器76的平滑电路；反相器电路80，包含六个开关元件Q1～开关元件Q6；控制部，控制反相器电路80且包含微机101；以及恒定电压电源电路(未图示)，生成控制部用的恒定电压的直流电。在电路基板60的输入侧，从电动工具1的外部连接电源线3b，商用交流电被输入至电源电路70中。电源线3b通过电源线保持部43来固定。在反相器电路80的右侧配置开关64。在马达壳体2的左侧侧面设置用以开启或关闭马达5的旋转的开关操作部4。开关操作部4连接在可在轴方向上移动的开关杆4a的前端附近，并被设为可在马达壳体2的前后方向上滑动。在马达壳体2上形成突起部2b，通过与开关操作部4的凹部进行扣合，而实现在马达5的开启状态下进行保持的所谓的开启锁定(on lock)机构。在开关杆4a的后方端部设置用以使开关64的板弹簧64b(参照图1)变形的抵接部4b，开关杆4a通过压缩弹簧4c而朝后方侧(开关64变成关闭的方向)施力。
反相器电路80是以三个开关元件Q1～开关元件Q3、三个开关元件Q4～开关元件Q6分别在轴方向上排成一列的方式配置。开关元件Q1～开关元件Q6是半导体元件被封入至陶瓷等的大致长方体的封装体中、且三根金属端子从封装体的下侧延长者，在封装体的背面侧嵌入金属制的散热板。此散热板为面状，且以面的展开方向变成与电路基板60的长边方向(图2中为前后方向)水平且正交的方向的方式配置开关元件Q1～开关元件Q6。另外，在封装体背面的散热板上进而设置散热用的金属板82。通常，IGBT的集电极(collector)端子、FET的漏极(drain)端子与封装体背面侧的散热板导通，因此在电路构成上，当集电极端子或漏极端子共同连接时，在多个开关元件Q1～开关元件Q3上设置共同的金属板82。另一方面，反相器电路80的剩余的三个开关元件Q4～开关元件Q6以排成一列的方式配置，且以变成与开关元件Q1～开关元件Q3平行的方式配置。在开关元件Q4～开关元件Q6的封装体背面的散热板上设置散热用的金属板，但由于这些集电极端子或漏极端子并非共同连接，因此设置相互独立的金属板。
在电路基板60上，进而搭载构成进行马达5的旋转控制的控制部的微机(微型计算机)101。微机101通过驱动反相器电路80来进行马达5的启动及停止与旋转速度的控制。在电路基板60上进而搭载后述的恒定电压电源电路。这些可搭载在电路基板60上的任意的空间内。在本实施例中，微机101搭载在开关64的后方侧。在电路基板60的前方侧，搭载三个旋转位置检测元件69(参照图1)的传感器基板68以与电路基板60正交的方式配置。电路基板60与传感器基板68通过分隔构件50来固定。分隔构件50是兼任用以使电路基板60保持在箱40上的固定构件、及用以在开关元件Q1～开关元件Q6之间设置抑制开关元件彼此的短路的分隔板的划分构件者。在箱40的后方侧设置搭载可变电阻66的开关基板65。开关基板65设置在从箱40的容器状的部分朝后方侧突出的独立的部分上，在可变电阻66的旋转轴上设置一部分从后盖3的后壁面露出的变速刻度盘17。
继而，使用图3对马达5的驱动控制系统的电路构成进行说明。电源电路70包含整流电路71与平滑电路75。此处，整流电路71包含二极管电桥72。在整流电路71的输出侧且在与反相器电路80之间连接平滑电路75。平滑电路75包含减少直流电压的脉动状态的电解电容器76与放电用的电阻78来构成。反相器电路80包含六个开关元件Q1～开关元件Q6来构成，通过从控制部100所供给的栅极信号H1～栅极信号H6来控制开关动作。反相器电路80的输出与马达5的线圈13的U相、V相、W相连接。在整流电路71的输出侧连接恒定电压电源电路90。
整流电路71的输入侧与例如商用交流电源35连接，对所输入的交流电进行全波整流，并朝平滑电路75中输出。平滑电路75将由整流电路71所整流的电流中所含有的脉动电流尽可能平滑化后朝反相器电路80中输出。在电动工具1为盘式研磨机的情况下，需要比其他电动工具(例如冲击式螺丝改锥(impact driver)等)大的输出，因此从电源电路70输入至平滑电路75中的电压值也高，例如在输入电压为交流230V的情况下，峰值约为324V。
反相器电路80包含连接成三相桥式的六个开关元件Q1～开关元件Q6来构成。此处，开关元件Q1～开关元件Q6为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，但也可以使用金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET)。
在马达5的定子芯9的内侧，具有永久磁铁8的转子进行旋转。在转子的旋转轴6上连接位置检测用的传感器磁铁18，通过霍尔集成电路等旋转位置检测元件69来检测传感器磁铁18的位置，由此控制部100检测马达5的旋转位置。
控制部100是用以进行马达的开启·关闭及旋转控制的部件，其包含微机101(参照图2)来构成。控制部100搭载在电路基板60上，根据伴随开关64的开启操作而输入的启动信号、及由变速刻度盘17所设定的可变电阻66的输出信号，设定马达5的旋转速度，并以使马达5以所设定的转数进行定速旋转的方式，控制对于线圈13的U相、V相、W相的通电时间与驱动电压。来自控制部100的信号(驱动信号H1～驱动信号H6)与反相器电路80的六个开关元件Q1～开关元件Q6的各栅极连接，用于对各开关元件Q1～开关元件Q6进行开启·关闭控制。反相器电路80的六个开关元件Q1～开关元件Q6的各漏极或各源极与经星形连接的线圈13的U相、V相、W相连接。另一方面，开关元件Q4～开关元件Q6的漏极端子与马达的V相、U相、W相的端子分别连接。
开关元件Q1～开关元件Q6根据从控制部100所输入的驱动信号H1～驱动信号H6进行开关动作，将从商用交流电源35经由整流电路71及平滑电路75所供给的直流电压作为三相(U相、V相、W相)电压Vu、Vv、Vw，供给至马达5中。供给至马达5中的电流的大小是通过检测连接在平滑电路75与反相器电路80之间的电流检测电阻102的两端的电压值而由控制部100来检测。在控制部100中，事先设定有与马达5的设定旋转相对应的规定的电流阈值，若所检测到的电流值超过阈值，则使反相器电路80的开关动作停止，以停止马达5的驱动。由此，防止由过电流在马达5中流动所引起的烧毁等的产生。
恒定电压电源电路90是直接连接在整流电路71的输出侧，用以对包含微机等的控制部100供给已稳定化的基准电压(低电压)的直流电的电源电路。恒定电压电源电路90包含二极管96、平滑用的电解电容器94、智能功率器件(Intelligent Power Device，IPD)电路91、电容器93及调节器(regulator，Reg)92来构成。虽然除电解电容器94以外，恒定电压电源电路90的各部在图2中未图示，但搭载在电路基板60上。
图4是用以说明施加至马达5中的电压与电流的关系的图，且为将作为设定马达5的目标转数的旋转速度设定部件的变速刻度盘17设定成旋转速度最快的“刻度盘1”的状态。横轴为时间(单位为毫秒)，使(1)～(4)的横轴的时间一致来进行图示。纵轴为主轴24的转数、PWM控制的占空比、马达电压、马达电流。此处，将开关64设为开启且马达5进行旋转，在时间从0至时刻t1的期间内，马达5在无负荷状态下进行旋转。在时刻t2处将磨石30轻轻地按压在被研磨材料上，由此马达5承受中等程度的负荷，时刻t2以后表示根据对于被研磨材料的进一步的按压或被研磨材料等的状态而以最高的高负荷状态进行旋转的状态。再者，马达刚启动后的加速过程的部分未图示。另外，为便于说明，作为分成无负荷、中负荷、高负荷的阶段来切换负荷者进行说明(在实际的研磨作业中，负荷的大小因按压磨石的强度、被加工材料的接触部位的牢固性或状态、磨石的种类等而每时每刻地变动)。此处所述的无负荷旋转是指在将前端工具安装在电动工具上并可进行作业的状态下使马达5旋转，且使前端工具完全不接触被加工材料等的状态下的旋转状态。再者，也存在根据所安装的前端工具的种类，无负荷状态的负荷略微不同的情况。
在图4(1)中，主轴转数110在无负荷时～中负荷时维持9500min-1。此时的占空比120如图4(2)所示。为68％、85％。在高负荷时占空比120被设为100％而为马达5的满功率状态，但由于负荷大，因此例如减少至8500min-1。图4(3)表示平滑电路75的输出电压130。输出电压130通过二极管电桥72来进行全波整流，因此以所输入的交流电压的频率的两倍的频率进行脉动。图4(4)表示此时的在马达5中流动的电流波形。在马达5中流动的电流值140通过对开关元件Q1～开关元件Q6进行PWM(Pulse Width Modulation)控制来调整。在无负荷旋转时占空比为68％而被设定得低，因此连结其波形的峰值位置的线以具有如大致对应于输出电压130般的极大值140a、极大值140c与极小值140b、极小值140d的方式变动。在极小值140b、极小值140d处不存在连结峰值位置的线变成零的区间，在进行脉动的直流电流的极小时电流不变成零，电流连续地流动。此处，所谓连续，是指无视为了PWM控制而转换的第2频率的1个周期部分的期间内的断续状态，在连结波形的峰值位置的线中观察，换言之以第1频率为基准观察时的状态。
若变成中负荷时，则占空比被设定得较高，例如变成85％，因此连结电流值140波形的峰值位置的线的峰值位置(箭头140e、箭头140g)变高。另一方面，在作为变成极小值的部分的箭头140f、箭头140h处存在电流不流动的时间TA，因此电流以断续地流动的方式在马达5中流动。此处，所谓断续，并非是指为了PWM控制而转换的第2频率的1个周期部分的期间内的断续状态，而是指在连结波形的峰值位置的线中观察的以第1频率观察时的状态。在高负荷时占空比被设定得更高而变成100％，因此PWM控制的关闭期间消失。此时的电流值140如箭头140i、箭头140k般峰值变大，且如箭头140j般电流不流动的时间TB变长。
在本实施例中，以供给至开关元件中的已平滑的直流电流以所输入的商用电源的频率的两倍的频率进行脉动，且在此进行脉动的直流电流的极小时以不存在电流为零的区间的方式降低开关元件的PWM占空。其结果，在无负荷运转时的极小值140b、极小值140d附近也不存在电流变成零的区间，即PWM控制的频率(第2频率)的1个周期部分以上的零电流区间，可将电流的实效值维持成零以上。通过此控制，马达5的驱动力不会丧失，因此齿轮彼此不会反复分离或接触，可维持接触状态而持续旋转，并可防止齿轮碰撞的声音的产生。再者，在中负荷时或高负荷时，如极小值140f、极小值140h、极小值140j般存在电流变成零的区间(时间TA、时间TB)，但当在前端工具已承受负荷的状态下驱动马达5时，通常在前端工具与对象材料之间产生的噪音大于从动力传送机构中产生的噪音，此时从动力传送机构中产生的噪音并非由作业人员感觉到大的不协调感者。
图5是表示马达5的电流控制的顺序的流程图。图5中所示的一连串的顺序可通过事先储存在控制部100的微机101中的程序而以软件方式执行。作业人员使开关杆4a变成开启，由此开始图4的顺序的控制。最初，微机101读取变速刻度盘17的设定位置(步骤151)。继而，微机101决定对应于变速刻度盘17的马达5的目标转数(步骤152)。图6是表示变速刻度盘17的刻度盘设定值191与主轴24的设定转数192、及无负荷旋转时的占空比193的关系的图。在电动工具1中，以变成对应于刻度盘设定值191的设定转数192的方式进行马达5的定速控制。此处，对应于刻度盘1～刻度盘6，将主轴24的设定转数192设定成2800min-1～9500min-1。所述刻度盘设定值191与设定转数192的关系优选事先登记在微机101的非易失性存储器区域中。
回到图5，若在步骤152中决定目标转数，则微机101使马达5起动(步骤153)。马达5的起动优选按照事先决定的控制顺序来使马达软起动(soft start)。继而，微机101根据旋转位置检测元件69的输出测定马达5的转数(步骤154)，并判定马达5的转数是否到达目标转数或维持成目标转数(步骤155)。当在步骤155中并非目标转数时且马达的转数低时，微机101使所设定的占空比增加，当马达的转数低时使所设定的占空比增加来变更占空比，并回到步骤154(步骤156)。当即使在步骤155中马达5的转数处于目标转数时，微机101检测开关64是否已变成关闭(步骤157)，当未变成关闭时回到步骤154，若已变成关闭，则停止马达5的旋转并结束处理(步骤158)。
如在图5的流程图中所说明般，使马达5启动并使PWM的占空比逐渐地上升来到达目标转数。而且，以维持此目标转数的方式进行定速控制，但到达此目标转数时的占空比在“刻度盘6”时大概变成68％，在“刻度盘1”时大概变成10％。因此，在”刻度盘6”的状态下，当持续无负荷运转时占空比为68％而大致变成固定。
图7是表示变速刻度盘17的各设定值的负荷的大小与所设定的占空比的关系的图。横轴为马达5所承受的负荷的大小，纵轴为开关元件Q1～开关元件Q6的PWM控制的占空比。在本实施例的电动工具1中，变速刻度盘17的设定值可设定为从1至6为止的六个阶段，以各个设定值下的主轴24的转数从2800rpm变化至9500rpm为止的方式，设定供给至马达5中的电压的大小。而且，前端工具所承受的负荷从无负荷状态起逐渐地增加，若马达的转数将要下降，则为了通过利用微机101的定速控制来维持目标转数，以使占空比增加的方式进行控制。
无负荷运转，即在使磨石30不接触任何物体的状态下进行旋转时的占空比161～占空比166变成如黑圆点般，若从此状态起将磨石30按压在被加工材料上而开始作业，则负荷增大，因此控制部100以使占空比161～占空比166增加来保持设定转数192(参照图6)的方式进行控制。例如，在“刻度盘5”中，在无负荷旋转时箭头165a的占空比，即为47％，伴随负荷上升而增加占空比，在箭头165b时间点超过第一阈值D1，并增加至箭头165c所示的100％的位置为止。若占空比变成100％，则无法进一步使其增加，因此在保持100％的状态下进行旋转。再者，在如刻度盘1～刻度盘2般的低速旋转模式中，从无负荷时的占空比161、占空比162起伴随负荷的上升而使占空比161、占空比162增加，但即便不使其上升至100％为止，也可以维持设定转数。
在本实施例中，以在刻度盘1～刻度盘6的任一者中，无负荷旋转时的占空比161～占空比166均低于第一阈值(第一占空比)D1的方式进行设定。若无负荷旋转时的占空比低于第一阈值D1，则在电流值的极小值附近不产生电流变成零的区间(例如，如图4(4)的时间TA、时间TB般的区间)，因此不会产生声音的问题。此占空比未满D1的区域是不从动力传送机构中产生齿轮声的范围171，占空比为D1以上的区域是从动力传送机构中产生齿轮声的范围172。本实施例的控制可通过变更马达5的先前的特性(线圈的卷数等)，并且变更利用微机101的PWM控制的参数而容易地实现，因此几乎不存在用以实现本实施例的成本上升，可提供廉价的电动工具。再者，作为在无负荷旋转时电流的极小值变成零的最低占空比的第一阈值D1根据商用交流电源的电压、平滑电路的电容器的大小、所使用的马达或动力传送机构的特性、前端工具的种类而变动，因此只要在电动工具的设计时间点求出第一阈值D1，并以由黑圆点所表示的占空比全部低于第一阈值D1的方式进行设定即可。
图7中的虚线的圆形标记181～圆形标记186是先前的电动工具中的无负荷旋转时的占空比的一例。先前的电动工具的控制的想法是通过将马达的线圈缠绕得多来提高马达的输出，并仅在占空比高的区域中进行控制。因此，无负荷旋转时的占空比已变成比第一阈值D1高的值。因此在本实施例中，减少马达的线圈来比先前提高转数，对应于此，取得比先前大的减速机构的减速比。若反过来说，则使用输出比先前所使用的马达更高的马达，在已降低占空比的状态下使其运转。如此，以在无负荷时遍及已平滑的直流电压位于极大值的附近的期间、及已平滑的直流电压位于极小值的附近的期间的两个期间，将PWM控制的占空比限制成未满比100％小的第1阈值D1的方式构成，因此可实现在无负荷旋转时顺利且低噪音地进行旋转的电动工具。
以上，根据实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于所述实施例，可在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。例如，在所述实施例中，作为电动工具的例子，使用盘式研磨机进行了说明，但不仅限于盘式研磨机，可应用于将通过开关元件来进行旋转控制的马达用于动力源、且在动力传送机构中具有齿轮的任意的工具。另外，工具的种类不仅限于磨石，可同样地应用于使用钻刀的钻头、使用锯齿的圆锯或电动链锯、使用除草刀的除草机、使用进行往返移动的刀的树篱修剪机(hedge trimmer)等具有不将工具按压在对象物上而使马达旋转的无负荷旋转状态的任意的工具。进而，设定马达5的转数的设定部不仅限于速度设定刻度盘，也可以使用利用马达的旋转速度对应于拉长量而变更的可变开关的触发机构。
符号的说明
1：电动工具
2：马达壳体
2b：突起部
3：后盖
3a：吸入口
3b：电源线
4：开关操作部
4a：开关杆
4b：抵接部
4c：压缩弹簧
5：马达
6：旋转轴
7：转子芯
8：永久磁铁
9：定子芯
11、12：绝缘体
13：线圈
14a、14b：轴承
15：冷却风扇
16：风扇盖
17：变速刻度盘
18：传感器磁铁
20：轴承保持架部
21：齿轮箱
21b、21c：贯穿孔
22、23：伞齿轮
24：主轴
25：金属
26：轴承
27：主轴盖
28：安装底座
30：磨石
31：垫圈螺母
32：砂轮护罩
35：商用交流电源
40：箱
42c、42d、42e：螺钉
43：电源线保持部
50：分隔构件
60：电路基板
64：开关
64a：柱塞
64b：板弹簧
65：开关基板
66：可变电阻
68：传感器基板
69：旋转位置检测元件
70：电源电路
71：整流电路
72：二极管电桥
75：平滑电路
76：电解电容器
78：电阻
80：反相器电路
82：金属板
90：恒定电压电源电路
91：IPD电路
92：调节器
93：电容器
94：电解电容器
96：二极管
100：控制部
101：微机(微型计算机)
102：电流检测电阻
110：主轴转数
120：占空比
130：输出电压
140：电流值
191：刻度盘设定值
192：设定转数
193：占空比
Q1～Q6：开关元件
TA、TB：(电流不流动的)时间
D1：第一阈值(第一占空比)

Claims (9)

1.一种电动工具，其包括：
整流电路，将从商用电源所供给的交流电压整流成进行脉动的直流电压；
平滑电路，具有减少进行脉动的直流电压的脉动状态的平滑电容器；
电路，将已平滑的直流电压供给至马达中；以及
动力传送机构，将所述马达的驱动力传送至前端工具中；所述电动工具的特征在于：
以如下方式构成，即当在所述前端工具不承受负荷的状态下驱动所述马达时，电流在所述马达中连续地流动，当在所述前端工具已承受负荷的状态下驱动所述马达时，电流在所述马达中断续地流动。
2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：所述动力传送机构包含使用多个齿轮的减速机构。
3.根据权利要求1或2所述的电动工具，其特征在于：包括
开关元件，设置在所述平滑电路与所述马达之间，控制供给至所述马达中的电压；以及
控制部，对所述开关元件进行驱动来控制所述马达的旋转；
当在所述前端工具不承受负荷的状态下使所述马达旋转时，所述控制部以供给至所述开关元件中的已平滑的直流电流以所输入的商用电源的频率的两倍的频率进行脉动，且在所述进行脉动的直流电流的极小时以不存在电流为零的区间的方式降低所述开关元件的PWM占空。
4.根据权利要求3所述的电动工具，其特征在于：使用多个所述开关元件来构成反相器电路，并将所述反相器电路设置在所述平滑电路与所述马达之间，
所述控制部在所述马达的无负荷旋转时，控制所述反相器电路的PWM占空，由此将以与所述交流电压的变动同步的方式在极大值与极小值之间反复变动的所述直流电流的极小值的实效值维持成零以上。
5.根据权利要求3或4所述的电动工具，其特征在于：设置与所述控制部连接且用以设定所述马达的旋转速度的旋转速度设定部件，
即便由所述旋转速度设定部件设定任一个旋转速度，在无负荷旋转时所述直流电流的极小值的实效值也被维持成零以上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电动工具，其特征在于：以存在通过所述前端工具来进行对于被加工材料的作业的负荷时的直流电流的实效值的极小值变成零的区间的程度，设定所述平滑电容器的电容。
7.一种电动工具，其包括：
整流电路，将从商用电源所供给的交流电压整流成进行脉动的直流电压；
平滑电路，具有减少进行脉动的直流电压的脉动状态的平滑电容器；
电路，将已平滑的直流电压供给至马达中；以及
动力传送机构，将所述马达的驱动力传送至前端工具中；所述电动工具的特征在于：
设置控制所述马达的转数的控制部，
所述控制部以维持所设定的转数的方式对所述马达进行定速控制，
由所述控制部所设定的无负荷旋转时的占空比以在所述已平滑的直流电压的极小值附近也不变成零的方式设定。
8.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于：设置设定所述马达的目标转数的旋转速度设定部件，
所述控制部以维持由所述旋转速度设定部件所设定的目标转数的方式对所述马达进行定速控制，
由所述控制部所设定的无负荷旋转时的占空比以在由所述旋转速度设定部件所设定的任一个目标转数下，在所述已平滑的直流电压的极小值附近均不变成零的方式构成。
9.一种电动工具，其包括：
马达；
整流电路，将从商用电源所供给的交流电压整流成进行脉动的直流电压；
平滑电路，具有使进行脉动的直流电压平滑的平滑电容器；
开关元件，设置在所述平滑电路与所述马达之间，控制供给至所述马达中的电压；
控制部，与所述开关元件连接，对所述开关元件进行PWM控制；
设定部，与所述控制部连接，为了控制供给至所述马达中的电压而得到操作；以及
动力传送机构，将所述马达的驱动力传送至前端工具中；所述电动工具的特征在于：
以如下方式构成，即当将所述设定部设定成供给至所述马达中的电压变成最大值的第1设定值，且在所述前端工具不承受负荷的状态下驱动所述马达时，所述已平滑的直流电压以与所述交流电压的变动同步的方式反复产生极大值与极小值，并且遍及所述已平滑的直流电压位于所述极大值的附近的期间、及所述已平滑的直流电压位于所述极小值的附近的期间的两个期间，将所述PWM控制的占空比限制成小于100％的第1占空比。
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