JP2011078256A - 作業機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】ブラシレスモータを駆動源とする作業機械であって、FETの過熱による駆動回路の焼損及びモータ出力の低下が防止された作業機械を提供する。
【解決手段】電動刈払い機を駆動するモータ50は、ハウジング51に回転可能に支持された出力軸52と、ハウジング51に収容され、出力軸52と一体に設けられた回転子53と、ハウジング51に固定された固定子54と、から構成されたブラシレスモータである。ハウジング51には、FET81〜86をスイッチング素子とするインバータ等から構成され、モータ50を駆動するモータ制御基板55が収容されている。FET81〜86は、ハウジング51又はハウジング51に設けられた放熱器に接触して固定されている。
【選択図】図2

Description

本発明は電動モータを駆動源とする作業機械に関する。
特許文献1には、電動モータを駆動源とする電動刈払い機が開示されている。電動刈払い機は、ガソリンを利用するエンジン刈払い機と比較してランニングコストが低く、またモータ性能も向上していることから、普及台数を伸ばしている。
また、従来の主流であった整流子モータに代わり、高効率かつ長寿命なブラシレスモータを駆動源とする電動刈払い機も、多くみられるようになった。
実開平7−036612号公報
ブラシレスモータは、FETをスイッチング素子とするインバータ等から構成された駆動回路により駆動される。FETは、モータ負荷が増加するにつれて発熱量が増加するため、駆動回路の焼損やモータ出力の低下等の不具合の要因となる場合がある。これは、モータ負荷の変動が大きい電動刈払い機のような作業機械において、特に問題となることが多い。
上記課題に鑑み、本発明は、ブラシレスモータを駆動源とする作業機械であって、FETの過熱による駆動回路の焼損及びモータ出力の低下が防止された作業機械を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明による作業機械は、
ハウジングと、
前記ハウジングに回転可能に支持された出力軸と、
前記ハウジングに収容され、前記出力軸と一体に設けられた回転子と、前記ハウジングに固定された固定子と、から構成されるブラシレスモータと、
前記ハウジングに収容され、前記ブラシレスモータを駆動する駆動手段と、
前記出力軸に固定された作業具と、
前記ハウジングから離間して配置された操作部と、
前記ハウジングと前記操作部とを連結する連結部と、を備え、
前記駆動手段は、
FETをスイッチング素子とするインバータと、
前記FETを駆動する制御部と、から構成され、
前記FETは、前記ハウジング又は前記ハウジングに設けられた放熱器に接触して固定されている、
ことを特徴とする。
前記ハウジングは、アルミニウム合金から形成されている、
ことが望ましい。
前記FETは、前記ハウジングの前記作業具と対向する部位に配置されている、
ことが望ましい。
前記回転子には、ファンが設けられている、
ことが望ましい。
前記ハウジングには、排気口が形成され、
前記連結部には、前記作業具から離間して、前記ハウジング内に連通する吸気口が形成されている、
ことが望ましい。
前記回転子は、周方向に配列された磁極を有する円環状のマグネットを備えると共に、円板状に形成されており、
前記固定子は、前記マグネットの一面と対向して配置され、周方向に配列されたコイルを備えると共に、円板状に形成されている、
ことが望ましい。
前記回転子は、
前記出力軸に固定され、前記マグネットの他面を覆う磁性体のフランジを更に備え、
前記マグネットは前記フランジに固定されている、
ことが望ましい。
前記フランジには、前記回転子から突出するブレードが形成されている、
ことが望ましい。
前記フランジには、前記回転子の不釣合いを修正するためのバランス部が設けられている、
ことが望ましい。
前記フランジには、前記出力軸と前記マグネットとの間に、軽量化のための空孔又は溝が形成されている、
ことが望ましい。
前記駆動手段に電力を供給する電源部と、
前記電源部の出力電圧を検出する電圧検出手段と、を更に備え、
前記制御部は、前記電圧検出手段が検出した前記電源部の出力電圧に基づいて、前記ブラシレスモータの印加電圧が所定の値となるように、前記FETを駆動する、
ことが望ましい。
前記ブラシレスモータを流れる電流を検出する電流検出手段を更に備え、
前記制御部は、前記電流検出手段が検出した電流と所定の基準値とを比較して、前記電流が前記所定の基準値を超えると前記ブラシレスモータの駆動を停止するように、前記FETを制御する、
ことが望ましい。
前記操作部はトリガスイッチを備え、
前記制御部は、前記ブラシレスモータの印加電圧が前記トリガスイッチの引き量に対応する所定の値となるように、前記FETを駆動する、
ことが望ましい。
本発明によれば、ブラシレスモータを駆動源とする作業機械であって、FETの過熱による駆動回路の焼損及びモータ出力の低下が防止された作業機械を提供することができる。
本発明の実施形態に係る電動刈払い機を示す斜視図。 図1に示された電動刈払い機のモータを示す断面図。 図2に示されたモータの出力軸と回転子とを分解して示す断面図。 図3に示された回転子のフランジを示す下面図。 図3に示された回転子のマグネットを示す下面図。 図3に示された回転子のファンを示す下面図。 図2に示されたモータの固定子巻線を示す上面図。 図1に示された電動刈払い機の駆動制御回路を示す機能ブロック図。
以下、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。
本実施形態に係る作業機械は、図1に示す電動刈払い機1である。電動刈払い機1は、電源部10と、操作部20と、連結部30と、駆動部40と、から構成されている。
電源部10は、電源ハウジング11と、電池12と、電源回路14と、から構成されている。
電源ハウジング11は、電源回路14を収容している。また、電源ハウジング11の上面には、電源回路14の主電源を投入及び切断するためのメインスイッチ15が設けられている。
電池12は、電源ハウジング11に設けられた図略の電池ホルダに装着されており、電源回路14に電力を供給する。
電源回路14は、電池12の出力電圧を、駆動部40の後述するモータ50に出力する。
操作部20は、ハンドル21と、トリガスイッチ22と、から構成されている。
ハンドル21は、電源部10の電源ハウジング11に固定されると共に、連結部30の一端に固定されている。トリガスイッチ22は、モータ50を駆動/停止すると共に、引き量に応じてモータ50の出力(回転数)を調整する機能を備える。
連結部30は、アルミニウム合金や強化プラスチック等から形成された中空管であり、操作部20と駆動部40とを連結している。連結部30には、電源部10の電源回路14から駆動部40のモータ50へと延びる図略の電源線が挿通されている。また、連結部30には補助ハンドル36が設けられている。さらに、連結部30には、駆動部40の回転刃(作業具)42の一部を覆う保護カバー37が設けられている。
駆動部40は、モータ50と、回転刃42と、から構成されている。モータ50は、電源部10の電源回路14から電力の供給を受けて、回転刃42を回転させる。
次に、図2を参照して、モータ50について詳細に説明する。
モータ50は、モータハウジング51と、出力軸52と、回転子53と、固定子54と、モータ制御基板55と、から構成される、ブラシレス直流モータである。
モータハウジング51は、アルミニウム合金から形成されており、連結部30の他端に固定されている。モータハウジング51には排気口56が形成されている。なお、連結部30にはモータハウジング51内に連通する吸気口38が形成されている。
出力軸52は、モータハウジング51に設けられた軸受57,58により回転可能に支持されている。出力軸52の下端は、モータハウジング51から突出しており、回転刃42が固定されている。
回転子53は、モータハウジング51に収容され、出力軸52と一体に設けられている。回転子53は、図3に示すように、フランジ61と、マグネット62と、ファン68と、から構成されている。
フランジ61は、鉄等の磁性体から形成されており、円筒状の固定部材611と、固定部材611の外周面から放射状に延出する複数のリブ613と、リブ613の外周に設けられた円板状の支持部材612と、から構成されている。フランジ61は、固定部材611が出力軸52と嵌合すると共に回転止めされ、出力軸52と一体に回転する。なお、図4に示すように、リブ613は、軽量化のための複数の空孔614を形成している。
図3に示すように、マグネット62は、円環状かつ板状に形成されており、フランジ61の支持部材612の下面に固着されている。マグネット62は、図5に示すように、周方向に配列する複数の磁極を有する。図2及び図3において、磁性体から形成されたフランジ61の支持部材612は、上下方向に磁束を集中させる磁路を構成する。
図3に示すように、ファン68は、合成樹脂から円環状に形成されており、フランジ61とマグネット62との外周面に嵌合すると共に、フランジ61の上面に固着されている。ファン68は、外径方向に突出して形成された複数のブレード681を備える。ブレード681は、図6に示すように、周方向に略等間隔に配列されている。
なお、回転子53の不釣合い(回転軸に対する重量のアンバランス)を修正するため、図2に示すように、フランジ61の支持部材612の上面には穴615が加工されている。すなわち、支持部材612は、本発明のバランス部を構成している。なお、回転子53の不釣合いを修正するため、支持部材612の上面にはウェイトが付されていても良い。
固定子54は、固定子巻線71とヨーク72とから構成されており、円環状かつ板状に形成され、マグネット62の下面に対向してモータハウジング51に固定されている。固定子巻線71は、図7に示すように、周方向に配列された複数のコイル711から構成されている。各コイル711は、図2において、モータ制御基板55から供給される電流により、上下方向の磁界を発生するように構成されている。また、ヨーク72は、鉄等の磁性体から円環状に形成されており、固定子巻線71の下面に固着されている。ヨーク72は、上下方向に磁束を集中させる磁路を構成する。
モータ制御基板55は、FET81〜86等が実装されたプリント基板であり、固定子54とモータハウジング51の床面とに対向して、モータハウジング51に固定されている。FET81〜86は、後述するインバータ301を構成するスイッチング素子であり、モータハウジング51の床面に接触して固定されている。すなわち、アルミニウム合金から形成されたモータハウジング51は、FET81〜86の放熱器として機能している。なお、モータ制御基板55は、連結部30に層通された図略の電源線を介して、上述の電源部10の電源回路14に接続されている。
電源部10の電源回路14からモータ制御基板55に印加される電圧は、FET81〜86から構成された後述するインバータ301を介して、固定子54の固定子巻線71のコイル711に順次印加される。そして、励磁されたコイル711と回転子53のマグネット62との間に発生する吸引力により、回転子53及び回転子53に固定された出力軸52にトルクが発生し、回転刃42が回転する。
次に、図8を参照して、上記構成の電動刈払い機1を駆動する駆動制御回路300について説明する。
駆動制御回路300は、電源回路14と、回転子53と、固定子54と、インバータ301と、制御信号出力回路302と、演算部303と、回転位置検出素子304と、回転位置検出回路305と、回転数検出回路306と、トリガスイッチ22と、印加電圧設定回路307と、電圧検出回路308と、電流検出回路309と、から構成されている。
なお、インバータ301、制御信号出力回路302、演算部303、回転位置検出素子304、回転位置検出回路305、回転数検出回路306、印加電圧設定回路307、電圧検出回路308、及び電流検出回路309は、上述のモータ制御基板55に設けられている。
電源回路14は、電池12の出力電圧をインバータ301に印加する。
回転子53は、上述のマグネット62から構成されている。固定子54は、上述の固定子巻線71から構成されている。また、固定子巻線71は、スター結線された3相のコイルU,V,Wから構成されている。なお、コイルU,V,Wは、上述のコイル711から構成されている。
インバータ301は、3相ブリッジ形式に接続された6つのFET81〜86と、各FET81〜86のコレクタ−エミッタ間に接続された図略の6つのフライホイールダイオードと、から構成されている。3つのFET81〜83のコレクタは電源回路14の正極側出力端子に接続され、エミッタは固定子巻線71のコイルU,V,Wにそれぞれ接続されている。また、3つのFET84〜86のコレクタは固定子巻線71のコイルU,V,Wにそれぞれ接続され、エミッタは電源回路14の負極側出力端子に接続されている。6つのFET81〜86のゲートは、制御信号出力回路302に接続されている。
制御信号出力回路302は、演算部303から入力されるスイッチング素子駆動信号に従って、FET81〜86のゲートに制御信号を出力し、FET81〜86をスイッチング動作させる。これにより、電源回路14からインバータ301に印加される直流電圧は、モータ50を駆動する3相の駆動電圧に変換される。
3つの回転位置検出素子304は、回転子53に近接して、相互に120°(電気角)の位相差を持って配置されている。回転位置検出素子304は、ホール素子から構成されており、マグネット62の磁極を検出し、検出信号を回転位置検出回路305に出力する。
回転位置検出回路305は、3つの回転位置検出素子304から入力される検出信号に基づいて回転子53の回転位置を検出し、検出した回転位置を示す回転位置検出信号を演算部303及び回転数検出回路306に出力する。
回転数検出回路306は、回転位置検出回路305から入力される回転位置検出信号に基づいて回転子53の回転数を検出し、検出した回転数を示す回転数検出信号を演算部303に出力する。
演算部303は、回転位置検出回路305から入力される回転位置検出信号及び回転数検出回路306から入力される回転数検出信号に基づいて、回転子53が一定の回転数で回転するように、FET81〜86のスイッチング動作を制御するスイッチング素子駆動信号を制御信号出力回路302に出力する。
以上により、モータ50は安定した出力(回転数)で回転するように制御される。
また、トリガスイッチ22は、引き量を示すトリガ信号を印加電圧設定回路307に出力する。
印加電圧設定回路307は、トリガスイッチ22から入力されるトリガ信号に基づいて、予め記憶されたテーブルを参照して、固定子巻線71の印加電圧の目標値を設定する。そして、印加電圧設定回路307は、設定した印加電圧の目標値を示す印加電圧設定信号を演算部303に出力する。
演算部303は、印加電圧設定回路307から入力される印加電圧設定信号に基づいて、FET81〜86の出力電圧(固定子巻線71の印加電圧)が設定された目標値に一致するように、スイッチング素子駆動信号を制御信号出力回路302に出力する。
制御信号出力回路302は、演算部303から入力されるスイッチング素子駆動信号に従って、FET81〜86に出力する制御信号のパルス幅を変調する。
これにより、駆動制御回路300は、インバータ301の印加電圧を調整する手段を備えることなく、トリガスイッチ22の引き量に応じてモータ50の出力(回転数)を調整することができる。
また、電圧検出回路308は、インバータ301の印加電圧(電源回路14の出力電圧)を検出し、検出した電圧を示す電圧検出信号を演算部303に出力する。
演算部303は、電圧検出回路308から入力される電圧検出信号に基づいて、FET81〜86の出力電圧(固定子巻線71の印加電圧)が上記設定された目標値に一致するように、スイッチング素子駆動信号を制御信号出力回路302に出力する。
制御信号出力回路302は、演算部303から入力されるスイッチング素子駆動信号に従って、FET81〜86に出力する制御信号のパルス幅を変調する。
これにより、駆動制御回路300は、インバータ301の印加電圧を調整する手段を備えることなく、電源回路14の出力電圧の変動に対してモータ50の出力(回転数)を安定させることができる。さらに、例えば、電池12の代わりに電池電圧の異なる電池を装着しても、モータ50の出力(回転数)を安定させることができる。
また、電流検出回路309は、インバータ301及び固定子巻線71を流れる電流を検出し、検出した電流を示す電流検出信号を演算部303に出力する。
演算部303は、電流検出回路309から入力される電流検出信号に基づいて、インバータ301及び固定子巻線71を流れる電流と所定の基準値とを比較する。そして、インバータ301及び固定子巻線71を流れる電流が所定の基準値を超えたことを判別すると、演算部303は、FET81〜86が全てOFFとなるように、スイッチング素子駆動信号を制御信号出力回路302に出力する。
そして、制御信号出力回路302は、演算部303から入力されるスイッチング素子駆動信号に従って、FET81〜86に出力する制御信号を停止する。
これにより、駆動制御回路300は、電源回路14の出力電圧(インバータ301の印加電圧)を遮断する手段を備えることなく、インバータ301及び固定子巻線71に流れる電流の変動に応じて、インバータ301及び固定子巻線71に流れる電流を遮断することができる。従って、例えば過負荷時の過電流によるモータ制御基板55及び固定子巻線71の焼損を防止することができる。
なお、演算部303と制御信号出力回路302とは、本発明の制御部を構成している。
以上説明したように、上記構成の電動刈払い機1は、ブラシレス直流モータであるモータ50を駆動源として構成されている。そして、モータ50を駆動するモータ制御基板55は、FET81〜86をスイッチング素子とするインバータ301を備える。FET81〜86は、モータハウジング51に収容されたモータ制御基板55に実装されており、モータハウジング51に接触して固定されている。従って、モータハウジング51がFET81〜86の放熱器として機能することにより、FET81〜86の過熱によるモータ制御基板55の焼損及びモータ50の出力の低下が防止される。
また、モータハウジング51は、比較的高い熱伝導率を有するアルミニウム合金から形成されているため、FET81〜86の冷却効果が高い。
また、FET81〜86は、モータハウジング51の回転刃42と対向する部位に形成された床面に接触して固定されている。従って、回転刃42が起こす空気の流れにより、モータハウジング51の床面が冷却され易いことから、FET81〜86の冷却効果が向上する。また、回転刃42が刈る草木に付着している水滴等により、モータハウジング51の床面が冷却され易いことから、FET81〜86の冷却効果が向上する。
また、回転子53にはファン68が設けられているため、モータハウジング51に収容されたモータ制御基板55及び固定子54の固定子巻線71が冷却され、モータ制御基板55の焼損及びモータ50の出力低下が防止される。
また、モータハウジング51には排気口56が形成され、連結部30には吸気口38が形成されている。従って、モータハウジング51の吸気及び排気により、モータハウジング51に収容されたモータ制御基板55及び固定子54の固定子巻線71の冷却効果が向上する。また、吸気口38が回転刃42から離間して配置されているため、モータハウジング51内への異物の浸入が防止される。
また、回転子53と固定子54とがそれぞれ円板状に形成されている。従って、モータ50が小型化されるほか、固定子54の表面積が大きいことから、固定子54の固定子巻線71の冷却効果が向上する。
また、磁性体のフランジ61が回転子53に設けられているため、回転子53のイナーシャが増加することから、回転子53の回転むらが抑制され、振動及び騒音が抑制される。さらに、フランジ61にバランス部が設けられているため、回転子53の不釣合いに起因する振動及び騒音が抑制される。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形をしたものも、本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、本発明は、上述の実施形態に例示された電動刈払い機に限定されず、ブラシレスモータを動力源とする作業機械に広く応用することが可能であり、特に、サンダ、ポリッシャ、ルータ、集じん機等、ブラシレスモータの回転が減速機を介さず作業具(回転刃、ファン等)に直接伝達されるものに適する。
また、実施形態では、FET81〜86はアルミニウム合金製のモータハウジング51に接触して固定されていたが、これに限定されず、例えば合成樹脂製のモータハウジングに設けられた金属製の放熱器に接触して固定されていても良い。
また、実施形態では、回転子53に外径方向に突出するブレード681を有するファン68が取り付けられていたが、本発明のファンは、これに限定されず、例えば回転子53,53Aから突出するようにフランジ61に形成されたブレードから構成されていても良い。
その他、各構成の材質、形状、数量、配置、機能等についても、本発明の目的を達成することが可能な範囲において、適宜変更することができる。
1 電動刈払い機
10 電源部
11 電源ハウジング
12 電池
14 電源回路
15 メインスイッチ
20 操作部
21 ハンドル
22 トリガスイッチ
30 連結部
36 補助ハンドル
37 保護カバー
38 吸気口
40 駆動部
42 回転刃(作業具)
50 モータ
51 モータハウジング
52 出力軸
53 回転子
54 固定子
55 モータ制御基板
56 排気口
57,58 軸受
59 ヨーク
61 フランジ
62 マグネット
68 ファン
71 固定子巻線
72 ヨーク
81〜86 FET
300 駆動制御回路
301 インバータ
302 制御信号出力回路
303 演算部
304 回転位置検出素子
305 回転位置検出回路
306 回転数検出回路
307 印加電圧設定回路
308 電圧検出回路
309 電流検出回路
611 固定部材
612 支持部材
613 リブ
614 空孔
615 穴
681 ブレード
711 コイル

Claims (13)

  1. ハウジングと、
    前記ハウジングに回転可能に支持された出力軸と、
    前記ハウジングに収容され、前記出力軸と一体に設けられた回転子と、前記ハウジングに固定された固定子と、から構成されるブラシレスモータと、
    前記ハウジングに収容され、前記ブラシレスモータを駆動する駆動手段と、
    前記出力軸に固定された作業具と、
    前記ハウジングから離間して配置された操作部と、
    前記ハウジングと前記操作部とを連結する連結部と、を備え、
    前記駆動手段は、
    FETをスイッチング素子とするインバータと、
    前記FETを駆動する制御部と、から構成され、
    前記FETは、前記ハウジング又は前記ハウジングに設けられた放熱器に接触して固定されている、
    ことを特徴とする作業機械。
  2. 前記ハウジングは、アルミニウム合金から形成されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の作業機械。
  3. 前記FETは、前記ハウジングの前記作業具と対向する部位に配置されている、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の作業機械。
  4. 前記回転子には、ファンが設けられている、
    ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の作業機械。
  5. 前記ハウジングには、排気口が形成され、
    前記連結部には、前記作業具から離間して、前記ハウジング内に連通する吸気口が形成されている、
    ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の作業機械。
  6. 前記回転子は、周方向に配列された磁極を有する円環状のマグネットを備えると共に、円板状に形成されており、
    前記固定子は、前記マグネットの一面と対向して配置され、周方向に配列されたコイルを備えると共に、円板状に形成されている、
    ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の作業機械。
  7. 前記回転子は、
    前記出力軸に固定され、前記マグネットの他面を覆う磁性体のフランジを更に備え、
    前記マグネットは前記フランジに固定されている、
    ことを特徴とする請求項6に記載の作業機械。
  8. 前記フランジには、前記回転子から突出するブレードが形成されている、
    ことを特徴とする請求項7に記載の作業機械。
  9. 前記フランジには、前記回転子の不釣合いを修正するためのバランス部が設けられている、
    ことを特徴とする請求項7又は8に記載の作業機械。
  10. 前記フランジには、前記出力軸と前記マグネットとの間に、軽量化のための空孔又は溝が形成されている、
    ことを特徴とする請求項7乃至9の何れか1項に記載の作業機械。
  11. 前記駆動手段に電力を供給する電源部と、
    前記電源部の出力電圧を検出する電圧検出手段と、を更に備え、
    前記制御部は、前記電圧検出手段が検出した前記電源部の出力電圧に基づいて、前記ブラシレスモータの印加電圧が所定の値となるように、前記FETを駆動する、
    ことを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載の作業機械。
  12. 前記ブラシレスモータを流れる電流を検出する電流検出手段を更に備え、
    前記制御部は、前記電流検出手段が検出した電流と所定の基準値とを比較して、前記電流が前記所定の基準値を超えると前記ブラシレスモータの駆動を停止するように、前記FETを制御する、
    ことを特徴とする請求項1乃至11の何れか1項に記載の作業機械。
  13. 前記操作部はトリガスイッチを備え、
    前記制御部は、前記ブラシレスモータの印加電圧が前記トリガスイッチの引き量に対応する所定の値となるように、前記FETを駆動する、
    ことを特徴とする請求項1乃至12の何れか1項に記載の作業機械。
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