JP2012130980A - コードレス電動工具 - Google Patents

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H7/00Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors

Abstract

【課題】 コードレス電動工具では、コードレス電動工具の出力を向上させる。
【解決手段】 電動工具10は、工具を駆動するモータ14と、モータ14へ電力を供給するバッテリ22と、モータ14とバッテリ22の間に設けられているモータ駆動回路を備えている。モータ14はブラシレスモータである。バッテリ22の公称電圧は、例えば18ボルトであり、モータに35アンペア以上45アンペア以下の電流が流れ、450ワット以上550ワット以下の出力時に、電気総合効率が70パーセント以上となることを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、バッテリを電源とする電動工具、いわゆるコードレス電動工具に関する。
特許文献1に、コードレス電動工具が開示されている。このコードレス電動工具は、工具を駆動するモータと、そのモータへ電力を供給するバッテリを備えている。
特開2003−200363号公報
コードレス電動工具では、バッテリにおいて電力損失が発生する。この電力損失は、バッテリの内部インピーダンスに起因し、バッテリに流れる電流に応じて大きくなる。バッテリにおける電力損失を抑制し、電動工具の出力を向上させるために、高出力のバッテリを採用することも考えられる。しかしながら、本発明は、バッテリを高出力化することなく、電動工具の出力を向上させることができる技術を提供する。
コードレス電動工具の出力は、バッテリがモータへ供給する電力から、ハーネス(電気配線)の抵抗損失、スイッチの接点抵抗による損失、モータコントローラ(モータ駆動回路)のオン抵抗損失、モータの損失、減速機構などの機械損失を差し引いたものとなる。本発明では、そのなかで特に電気に係わる損失に着目し、電気総合効率ηを次のように定義する。
・電気総合効率η={(工具出力+機械損失)/(バッテリ電圧×バッテリ電流)}×100%
従来は、バッテリの出力(例えば電圧)を高めることによって、電動工具の出力向上が図られてきた。それに対して、本発明は、上記した電気総合効率を高めることによって、電動工具の出力を向上させる。この手法によれば、バッテリを高出力化することなく、電動工具の出力を向上させることができる。
上記の知見に基づいて、本発明者は、先ず、従来の電動工具を検証した。その結果、従来の電動工具は、モータの電流が大きい高出力の運転時において、電気総合効率が著しく低下することが判明した。具体的には、図9に示すように、従来の電動工具では、バッテリの公称電圧が36ボルトを下回ると、450ワット以上550ワット以下の出力時(破線で挟まれた範囲)において、電気総合効率が70パーセントに達しないことが判明した。また、図10に示すように、従来の電動工具では、バッテリの公称電圧が14.4ボルトを上回ると、モータに35アンペア以上45アンペアの電流が流れるとき(破線で挟まれた範囲)に、電気総合効率を70パーセント以上に保てないことが判明した。
本発明者による調査の結果、高出力運転時において電気総合効率が低下する主な原因は、モータの巻線抵抗、モータコントローラのオン抵抗、スイッチの接点抵抗、ハーネス接続部(圧着端子、リセプタクル等)の接触抵抗といった電気的抵抗であることが判明した。換言すれば、これらの電気的抵抗を低減させることによって、電気総合効率を効果的に改善することが可能となる。
上記の知見に基づき、本発明者は、モータ巻線の素線断面積を大きくするとともに、巻数を少なくすることによって、モータの巻線抵抗を低減させた。モータコントローラのオン抵抗については、そのスイッチング素子(例えばMOS−FET)のオン抵抗を3ミリオーム以下に制限した。また、ハーネス接続部の接触抵抗やスイッチの接点抵抗を排除するために、モータ電流の遮断をモータコントローラ内に設けた半導体スイッチで行う回路構成とした。あるいは、有接点スイッチによってモータ電流の遮断を行う回路構成とする場合は、ハーネス接続部の接触抵抗や有接点スイッチの接点抵抗をできる限り低減させるようにした。
その結果、本発明に係る電動工具は、電気総合効率が有意に改善され、バッテリの公称電圧が24ボルト以下であっても、450ワット以上550ワット以下の出力時において、電気総合効率が70パーセント以上となることを特徴とする。
さらに、本発明に係る電動工具は、バッテリの公称電圧が14.4ボルト以上であっても、モータ電流が35アンペア以上45アンペアという大電流の範囲において、電気総合効率が70パーセント以上となることを特徴とする。
本発明によると、バッテリを高出力化することなく、電動工具の出力を向上させることができる。
実施例のマルノコの外観図を示す。 実施例のマルノコの電気的な構造を示す。 モータ電流に対するデューティ比の制限値を示すグラフ。 実施例のマルノコの出力と効率の関係を示すグラフ。 実施例のマルノコのモータ電流と効率の関係を示すグラフ。 実施例におけるモータの出力と効率の関係を示すグラフ。 従来品に対する実施例のマルノコの一作業量の比を示すグラフ。 従来品に対する実施例のマルノコの作業能率の比を示すグラフ。 従来のマルノコの出力と効率の関係を示すグラフ。 従来のマルノコのモータ電流と効率の関係を示すグラフ。
実施例の電動工具は、工具を駆動するモータと、モータへ電力を供給するバッテリを備える。この電動工具は、バッテリの公称電圧が18ボルトであるとともに、450ワット以上550ワット以下の出力時に、電気総合効率が70パーセント以上となることを特徴とする。
一般に、バッテリの公称電圧を高くするほど、高出力域において電気総合効率を高めることができる。そのことから、上記した電動工具においても、バッテリの公称電圧は、24ボルト程度まで上昇させてもよい。この場合でも、450ワット以上550ワット以下の出力時において、電気総合効率を70パーセント以上とすることができる。即ち、バッテリの公称電圧は18ボルトに限定されない。
実施例の電動工具は、モータに35アンペア以上45アンペア以下の電流が流れるときに、電気総合効率が70パーセント以上となることを特徴とする。
一般に、モータに流れる電流が同じであれば、バッテリの公称電圧が低くなるほど、電気総合効率は高くなる。そのことから、上記した電動工具においても、バッテリの公称電圧は、14.4ボルト程度まで低下させてもよい。この場合でも、モータに35アンペア以上45アンペア以下の電流が流れるときに、電気総合効率を70パーセント以上とすることができる。即ち、バッテリの公称電圧は18ボルトに限定されない。
本発明の一実施形態では、工具を駆動するモータを、三相ブラシレスモータとすることができる。三相ブラシレスモータは、複数のスイッチング素子を内蔵するモータ駆動回路を介してバッテリに接続される。ここで、モータ駆動回路は、モータコントローラとも称される。なお、工具を駆動するモータは、三相ブラシレスモータに限られず、他の種類の直流モータであってもよい。
上記した実施形態では、モータ駆動回路とバッテリの間に、半導体スイッチによるカットオフスイッチを設けることも好ましい。この場合、カットオフスイッチは、ユーザによるスイッチ操作に応じて、オンオフされることが好ましい。この構成によると、トリガスイッチのような有接点スイッチを、モータ電流の通電経路から分離することができ、当該通電経路から有接点スイッチの接点抵抗を排除することができる。
上記した実施形態では、カットオフスイッチとモータ駆動回路との接点に、所定の電圧を印加するプルアップ抵抗が接続されていることが好ましい。この構成によると、当該接点の電圧を監視しながらカットオフスイッチをオンオフさせることによって、カットオフスイッチの導通/遮断を検査することができる。
上記した実施形態では、モータ駆動回路のスイッチング素子や、カットオフスイッチに、III−V族半導体トランジスタを採用することが好ましい。III−V族半導体トランジスタは、高いオフ耐圧と低いオン抵抗と有しているので、モータに大電流が通電されるコードレス電動工具へ好適に採用することができる。
以下、図面を参照しながら、実施例のマルノコ10を詳細に説明する。図1に示すように、マルノコ10は、本体12と、鋸刃30と、バッテリパック22を備えている。鋸刃30は、円板状の刃物であり、ワーク(木材)を切断する工具である。バッテリパック22は、本体12へ電力を供給する電源であり、本体12へ着脱可能に取り付けられている。
バッテリパック22は、複数のリチウムイオンセルを内蔵する、公称電圧が18ボルトのバッテリパックである。バッテリパック22には、5本のリチウムイオンセルを内蔵する小型タイプと、10本のリチウムイオンセルを内蔵する大型タイプが存在し、本実施例のマルノコ10はいずれも使用することができる。なお、大型タイプのバッテリパック22では、並列に接続された2本のリチウムイオンセルを1組として、5組のリチウムイオンセルが直列に接続されている。
本体12は、鋸刃30を駆動するモータ14、モータ14を起動するためのトリガスイッチ16、ユーザが把持するためのグリップ18、鋸刃30を保持している工具軸20を備えている。ユーザがトリガスイッチ16を操作すると、バッテリパック22からモータ14へ電力が供給され、モータ14が鋸刃30とともに工具軸20を回転駆動するように構成されている。
モータ14は、三相ブラシレスモータである。図2に示すように、モータ14は、U相端子14Uと、V相端子14Vと、W相端子14Wと、ロータの位置を検知する位置センサ15を備えている。
図2に示すように、マルノコ10は、モータ駆動回路(モータコントローラ)40と、モータ駆動回路40を制御するコントローラ70を備えている。モータ駆動回路40は、バッテリパック22とモータ14の間に設けられている。モータ駆動回路40は、第1〜第6スイッチング素子41〜46を有している。第1スイッチング素子41は、バッテリパック22の正極22aとモータ14のU相端子14Uの間に設けられている。第2スイッチング素子42は、バッテリパック22の正極22aとモータ14のV相端子14Vの間に設けられている。第3スイッチング素子43は、バッテリパック22の正極22aとモータ14のW相端子14Wの間に設けられている。第4スイッチング素子44は、PGNDとモータ14のU相端子14Uの間に設けられている。第5スイッチング素子45は、PGNDとモータ14のV相端子14Vの間に設けられている。第6スイッチング素子46は、PGNDとモータ14のW相端子14Wの間に設けられている。
各々のスイッチング素子41〜46には、GaN(窒化ガリウム)半導体トランジスタが採用されている。なお、各々のスイッチング素子41〜46には、他のIII−V族半導体トランジスタを採用することもできる。あるいは、各々のスイッチング素子41〜46には、SiC(炭化シリコン)半導体トランジスタを採用してもよい。各々のスイッチング素子41〜46には、特に限定されることなく、様々な種類の半導体スイッチを採用することができる。
モータ駆動回路40のPGNDは、カットオフスイッチ48及びシャント抵抗50を介して、バッテリパック22の負極22bへ接続されている。カットオフスイッチ48は、nチャネル型の電界効果トランジスタ(FET)である。カットオフスイッチ48は、コントローラ70に接続されており、コントローラ70によって制御される。例えば、ユーザがトリガスイッチ16をオフすると、カットオフスイッチ48はターンオフされる。それにより、モータ駆動回路40の状態にかかわらず、モータ14はバッテリパック22から電気的に切断される。この回路構成によると、トリガスイッチ16をモータ電流の通電経路から分離することができるので、トリガスイッチ16の接点抵抗による損失を排除することができる。加えて、本実施例のコントローラ70は、カットオフスイッチ48をターンオフする際に、第1〜第3スイッチング素子41〜43をターンオンし、モータ14のコイルを短絡させることによって、モータ14を制動する。
本実施例では、カットオフスイッチ48の故障診断のために、カットオフスイッチ48のドレイン端子48aが、抵抗素子52を介して5ボルトの電圧端子に接続されている。この抵抗素子52は、プルアップ抵抗と称され、カットオフスイッチ48とモータ駆動回路40との接点に5ボルトの定電圧を印加する。また、当該接点の電圧(即ち、ドレイン端子48aの電圧)は、コントローラ70によって監視されている。コントローラ70は、カットオフスイッチ48をオンオフするとともに、ドレイン端子48aの電圧を検出することによって、カットオフスイッチ48の正常/異常を判断することができる。
シャント抵抗50には、モータ14に流れる電流に応じて電圧が発生する。シャント抵抗50に生じた電圧は、電流検出回路54によって検出される。電流検出回路54は、シャント抵抗50に生じた電圧によって、モータ14に流れる電流を検出する。電流検出回路54による検出値は、コントローラ70へ入力される。なお、カットオフスイッチ48のドレイン−ソース間にも、モータ14に流れる電流に応じて電圧が生じる。そのことから、電流検出回路54は、シャント抵抗50に生じる電圧に代えて、カットオフスイッチ48のドレイン−ソース間に生じる電圧を検出してもよい。
マルノコ10は、ロータ位置検出回路56とロータ速度演算回路58を備えている。ロータ位置検出回路56は、モータ14の位置センサ15に接続されており、位置センサ15の出力信号に基づいて、モータ14のロータの回転位置を検出する。ロータ位置検出回路56による検出値は、ロータ速度演算回路58及びコントローラ70へ入力される。ロータ速度演算回路58は、ロータ位置検出回路56の検出値に基づいて、モータ14のロータの回転速度を算出する。ロータ速度演算回路58による演算値は、コントローラ70へ入力される。
コントローラ70は、ゲート駆動回路72とPWM信号生成部74と過電流検出部76を備えている。ゲート駆動回路72は、スイッチング素子41〜46のゲートにそれぞれ接続されている。ゲート駆動回路72は、ロータ位置検出回路56によって検出されたロータの回転位置に応じて、オン信号をスイッチング素子41〜46へ選択的に出力する。PWM信号生成部74は、ユーザがトリガスイッチ16に加えた操作量に応じて、PWM(パルス幅変調)信号を生成する。PWM信号生成部74は、トリガスイッチ16への操作量が大きいときほど、PWM信号のデューティ比を大きくする。ゲート駆動回路72は、PWM信号生成部74からのPWM信号に応じて、スイッチング素子41〜46をPWM制御する。このとき、ゲート駆動回路72は、相補PWM制御を行うことが好ましい。それにより、PWM制御に伴う損失を低減することができる。
過電流検出部76は、モータ14の電流に関して、第1制限値と第2制限値を記憶している。本実施例では、第1制限値が50アンペアに設定されており、第2制限値が60アンペアに設定されている。なお、第1制限値及び第2制限値は、これらの値に限定されない。過電流検出部76は、検出されたモータ14の電流値を、第1制限値及び第2制限値と比較することによって、モータ14の過電流を二段階で検出する。過電流検出部76による検出結果は、ゲート駆動回路72へ入力される。
ゲート駆動回路72は、過電流検出部76の検出結果に応じて、モータ14の最大デューティ比を制限する。図3に示すように、モータ14の電流値が第1制限値(50アンペア)を超える場合、モータ14の最大デューティ比は70パーセントに制限される。また、モータ14の電流値が第2制限値(60アンペア)を超えると、モータ14の最大デューティ比は40パーセントに制限される。モータ14のデューティ比が制限されると、マルノコ10の出力が大きく低下する。マルノコ10の出力が低下すると、ユーザは自然とマルノコ10に加えている負荷を低下させる。その結果、ユーザは、適度な負荷を加えながらマルノコ10を使用することができる。モータ14のロックが防止され、モータコイルの焼損が防止される。なお、モータ14の電流値が第2制限値(60アンペア)を超えた場合は、モータ14の電流値が一定(60アンペア又はそれ以下)となるように、モータ14のデューティ比を制限してもよい。
本実施例のマルノコ10は、電気総合効率が高いことを特徴とする。特に、モータ14の電流値が大きい高出力の運転時において、電気総合効率が高くなるように設計されている。具体的には、図4に示すように、450ワット以上550ワット以下の出力時には常に、電気総合効率が70パーセント以上となることを特徴とする。また、図5に示すように、モータ14に35アンペア以上45アンペアの電流が流れるときには常に、電気総合効率が70パーセン以上となることを特徴とする。なお、図4、図5において、円形のプロット点(●)で示されるデータは、小型のモータ14を採用した場合のものであり、四角形のプロット点(◆)で示されるデータは、大型のモータ14を採用した場合のものである。
ここで、電気総合効率とは、バッテリパック22の供給電力に対して、モータ14が実際に出力するパワーの割合を意味する。モータ14が実際に出力するパワーの一部は、減速機等において機械的に損失され、残余の部分が工具(マルノコ10)からワークに与えられる実出力となる。そのことから、バッテリパック22の能力が同じであっても、電気総合効率を改善することによって、工具(マルノコ10)の実出力を高めることができる。
電気総合効率を改善するためには、バッテリパック22からモータ14の間(モータ14を含む)で生じる電気的損失を低減する必要がある。具体的には、第1に、モータ14の巻線抵抗を低減し、モータ14における損失の抑制(即ち、モータ効率の向上)を図るとよい。本実施例では、モータ14の巻線抵抗を低減するために、巻線の素線断面積を大きくするとともに、巻数を減少させている。その結果、図6に示すように、本実施例におけるモータ14は、450〜550ワットの出力範囲において、その効率がおよそ80パーセントに達する。これは、同じ出力範囲においておよそ62パーセントの効率に留まる従来のモータと比較して、モータ14の巻線抵抗による損失が大幅に抑制されていることがわかる。
また、電気総合効率を改善するためには、モータ駆動回路(モータコントローラ)40の通電抵抗、即ち、第1〜第6スイッチング素子41〜46のオン抵抗を低減することも有効である。そのことから、各々のスイッチング素子41〜46には、オン抵抗の小さい半導体トランジスタを採用することが好ましく、本実施例のようにIII−V族半導体トランジスタ又はSiC半導体トランジスタを採用することが効果的である。この場合、当該半導体トランジスタのオン抵抗は、3ミリオーム以下であることが好ましい。
さらに、電気総合効率を改善するためには、トリガスイッチ16といった操作スイッチ類を、モータ電流の通電経路から分離することによって、操作スイッチ類の接点抵抗をモータ電流の通電経路から排除することも有効である。この場合、先にも説明したように、半導体スイッチによるカットオフスイッチ48を、モータ電流の通電経路へ設けることが好ましい。さらに、ハーネスの接続部(圧着端子、リセプタクル等)における接触抵抗を低下させることも、電気総合効率の改善に有効である。
以上に説明した電気総合効率の改善により、本実施例のマルノコ10は、450ワット以上550ワット以下の出力時において常に、電気総合効率を70パーセント以上に保つことができる。その結果、図7に示すように、マルノコ10の一作業量は、従来品に対して、およそ40パーセント向上している。ここで、一作業量とは、バッテリパック22の一充電あたりで可能な仕事量を意味する。即ち、本実施例のマルノコ10によれば、満充電した一つのバッテリパック22を用いて、従来品よりもおよそ1.4倍の作業を行うことができる。
加えて、図8に示すように、本実施例のマルノコ10では、その作業能率も従来品に対しておよそ20パーセント向上している。ここで、作業能率とは、単位時間あたりの仕事量を意味し、実使用における出力に相当する。この作業能率の向上は、電気総合効率が改善された結果、モータの出力に対してバッテリパック22に流れる電流が相対的に減少し、バッテリパック22における損失が低下したためと考えられる。このように、電気総合効率を改善することによって、バッテリパック22を高出力化することなく、マルノコ10の実出力を向上することができる。
電動工具の電気総合効率は、次のように求めることができる。先に説明したように、電気総合効率は、バッテリパック22の供給電力に対して、モータ14が実際に出力するパワーの割合である。バッテリパック22の供給電力は、バッテリパック22の電圧と電流を測定することによって求めることができる。また、モータ14の実出力については、モータ14の出力トルクと回転速度を測定することによって求めることができる。即ち、電気総合効率ηは、バッテリパック22の電圧をV、バッテリパック22の電流をI、モータ14の出力トルクをT、モータ14の回転速度をωとすると、η=(T×ω)/(V×I)と表される。
上記した各指標の測定が困難であれば、減速機を除いた無負荷時(即ち、空運転時)におけるバッテリパック22の電流Ioと、ロック時におけるバッテリパック22の電流Isを用いて、電気総合効率ηを推定することができる。なお、電流Isは、ロック状態で実際に測定してもよいが、バッテリパック22の開放電圧Voと、バッテリパック22の出力からモータ駆動回路(モータコントローラ)40を通ってモータ14に至るまでのコントローラオン抵抗Rc、モータ14の線間抵抗Rmから、Is=Vo/(Rc+Rm)の式で求めることもできる。そして、バッテリパック22の電流をIとすると、電気総合効率ηは、η=(1−Io/I)×(1−I/Is)の式によって求めることができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
特に、本実施例で説明した技術は、マルノコ10に限定されず、他の種類の電動工具にも広く採用することができる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的な有用性を持つものである。
10:マルノコ
12:本体
14:モータ
14U:モータのU相端子
14V:モータのV相端子
14W:モータのW相端子
15:位置センサ
16:トリガスイッチ
22:バッテリパック
22a:バッテリパックの正極
22b:バッテリパックの負極
30:鋸刃
40:モータ駆動回路(モータコントローラ)
41〜46:第1〜第6スイッチング素子
48:カットオフスイッチ
50:シャント抵抗
54:電流検出回路
56:ロータ位置検出回路
58:ロータ速度演算回路
70:コントローラ
72:ゲート駆動回路
74:信号生成部
76:過電流検出部

Claims (10)

  1. 工具を駆動するモータと、
    モータへ電力を供給するバッテリを備え、
    前記バッテリの公称電圧が24ボルト以下であり、
    450ワット以上550ワット以下の出力時において、電気総合効率が70パーセント以上となることを特徴とする電動工具。
  2. 前記バッテリの公称電圧が18ボルト以上24ボルト以下であることを特徴とする請求項1に記載の電動工具。
  3. 前記バッテリの公称電圧が18ボルトであり、
    450ワット以上550ワット以下の出力時において、モータに35アンペア以上45アンペア以下の電流が流れることを特徴とする請求項1に記載の電動工具。
  4. 工具を駆動するモータと、
    モータへ電力を供給するバッテリを備え、
    前記バッテリの公称電圧が14.4ボルト以上であり、
    モータに35アンペア以上45アンペア以下の電流が流れるときに、電気総合効率が70パーセント以上となることを特徴とする電動工具。
  5. 前記バッテリの公称電圧が14.4ボルト以上18ボルト以下であることを特徴とする請求項4に記載の電動工具。
  6. 前記バッテリの公称電圧が18ボルトであり、
    前記モータに35アンペア以上45アンペア以下の電流が流れるときに、450ワット以上550ワット以下を出力することを特徴とする請求項4に記載の電動工具。
  7. 前記モータは、三相ブラシレスモータであり、複数のスイッチング素子を内蔵するモータ駆動回路を介してバッテリに接続されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の電動工具。
  8. 前記モータ駆動回路とバッテリの間には、半導体スイッチによるカットオフスイッチが設けられていることを特徴とする請求項7に記載の電動工具。
  9. 前記カットオフスイッチとモータ駆動回路との接点には、所定の電圧を印加するプルアップ抵抗が接続されていることを特徴とする請求項8に記載の電動工具。
  10. 前記モータ駆動回路のスイッチング素子と前記カットオフスイッチの少なくとも一方は、III−V族半導体トランジスタであることを特徴とする請求項7から9のいずれか一項に記載の電動工具。
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