JP2012151917A - インバータ装置及びそれを備えた電動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 インバータ装置を提供する。
【解決手段】 インバータ装置１は、トランス１０１と、整流ダイオード１０７、１０８と、平滑コンデンサ１１１と、インバータ回路１２と、リレー１０６と、を備えている。トランス１０１は、一次側巻線１０１ａ、１０１ｂと二次側巻線１０１ｃとを有し、一次側巻線１０１ａ、１０１ｂに入力された直流電圧を変圧して二次側巻線１０１ｃから交流電圧を出力する。整流ダイオード１０７、１０８及び平滑コンデンサ１１１は、二次側巻線１０１ｃから出力された交流電圧を整流・平滑して直流電圧として出力する。インバータ回路１２は、整流・平滑された直流電圧を交流電圧に変換して出力する。リレー１０６は、トランス１０１の一次側の電圧に基づき一次側巻線１０１ａ、１０１ｂと二次側巻線１０１ｃの巻数比を切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置及びそれを備えた電動工具に関する。

従来より、インバータ回路を備えた電子機器が知られている。このような電子機器は、商用電源からの交流電力をトランスで変圧し、整流・平滑回路で直流電力に整流・平滑した後、インバータ回路で所定の交流電力に変換してＡＣモータ等に出力している。

また、電子機器のＡＣモータを作動させるために、電池パックからの直流電力を交流電力に変換して電子機器に供給するという構成も考えられる。（例えば、特許文献１）

特開２００９−２７８８３２号公報

ところで、電池パックからの直流電力を交流電力に変換して電子機器に供給するという構成の場合、直流電力を交流電力に変換するために、スイッチング回路と、トランスと、整流・平滑回路と、インバータ回路と、を備えたインバータ装置を電池パックと電子機器の間に接続することとなる。

しかしながら、電池パックには様々な定格電圧を有するものがあるのに対し、トランスの一次側巻線と二次側巻線との巻数比は所定の値に設定されているため、接続された電池パックによってはトランスにおける電力変換効率が著しく低下してしまう虞がある。

本発明は、トランスの一次側の電力が異なる場合でも電力変換効率を維持することのできるインバータ装置を提供することを目的としている。

本発明のインバータ装置は、一次側巻線と二次側巻線とを有し、前記一次側巻線に入力された直流電圧を変換して前記二次側巻線から直流電圧として出力するトランスと、前記二次側巻線から出力された交流電圧を整流・平滑して直流電圧として出力する整流・平滑回路と、前記整流・平滑回路から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、前記トランスの一次側の電圧に基づき前記一次側巻線と前記二次側巻線の巻数比を切り替える切替手段と、を備えたことを特徴としている。

このような構成によれば、トランスの一次側の電圧に基づき一次側巻線と二次側巻線の巻数比を切り替えるので、トランスの一次側の電圧が変化した場合であっても、トランスの電力変換効率を維持することができる。

また、本発明のインバータ装置は、前記直流電圧を供給する電池パックと、前記電池パックの定格電圧を判別する判別手段と、を更に備え、前記切替手段は、前記定格電圧に基づき前記巻数比を切り替えることが好ましい。

このような構成によれば、定格電圧に基づき巻数比を切り替えるので、異なる定格電圧を有する電池パックがインバータ装置に接続された場合であっても、トランスの電力変換効率を維持することができる。

また、本発明のインバータ装置は、前記直流電圧を供給する電池パックと、前記電池パックの電池電圧を検出する電圧検出手段と、を更に備え、前記切替手段は、前記電池電圧に基づき前記巻数比を切り替えることが好ましい。

このような構成によれば、電池パックの電池電圧に基づき巻数比を切り替えるので、異なる定格電圧を有する電池パックがインバータ装置に接続された場合や電池パックの電圧が低下した場合であっても、トランスの電力変換効率を維持することができる。

また、定格電圧が異なる複数の前記電池パックを接続可能であり、前記切替手段は、前記電池パックの種類に対応する数の巻数比を切り替え可能であることが好ましい。

このような構成によれば、各電池パックに対応する巻線比に切り替え可能であるため、種々の定格電圧であっても最適な変換効率を維持することができる。

また、前記一次側巻線に直列に接続され、スイッチングすることで前記直流電圧を交流電圧に変換して前記二次側巻線に出力するスイッチング手段を備え、前記スイッチング手段はプッシュプル方式により前記直流電圧を前記交流電圧に変換することが好ましい。

このような構成によれば、電力の損失を抑制することができる。

本発明のインバータ装置によれば、トランスの一次側の電力が異なる場合でも電力変換効率を維持することができる。

本発明の実施の形態によるインバータ装置の回路図 トランスの一次側巻線と二次側巻線との巻数比が異なる場合の入力電圧と変換効率との関係を示す図 本発明の実施の形態による巻数比の切り替え制御について説明するフローチャート 本発明の変形例による巻数比の切り替え制御について説明するフローチャート

図１乃至図３を用いて、本発明の実施の形態によるインバータ装置１について説明する。

図１は、インバータ装置１の回路図である。インバータ装置１は、電池パック３から供給された直流電力を交流電力に変換して電子機器２、例えば芝刈機等の電動工具のＡＣモータ２１に出力するために、電池パック３と電子機器２の間に接続されている。インバータ装置１は、電池パック３及び電子機器２に対して着脱可能であるが、以下では、接続されているものとして説明する。

電池パック３は、電池組３１と、電池パック３の定格電圧に応じた抵抗値を有する定格電圧判別素子３２と、プラス側端子３３と、マイナス側端子３４と、定格電圧判別端子３５と、を備えており、インバータ装置１には、異なる定格電圧の電池パック３が装着可能である。なお、図１の電池パック３は、１セル当たり３．６Ｖの定格電圧を有するリチウム電池を４本直列に接続し定格電圧１４．４Ｖである。

インバータ装置１は、電圧検出部１３と、変圧回路１０と、インバータ回路１２と、を備えている。

電圧検出部１３は、レギュレータ１３１と、定格電圧判別抵抗１３２と、電池電圧検出抵抗１３４−１３５と、第１制御部１３３と、を備えている。なお、電池電圧検出抵抗１３４−１３５は電池電圧検出手段を構成する。

レギュレータ１３１と定格電圧判別抵抗１３２と電池パック３の定格電圧判別素子３２は、電池パック３のプラス側端子３３と定格電圧判別端子３５に直列に接続されており、レギュレータ１３１から出力された所定電圧（例えば５Ｖ）の、定格電圧判別抵抗１３２と定格電圧判別素子３２とによる分圧電圧が第１制御部１３３に入力される。定格電圧判別素子３２は、電池パック３の定格電圧に応じた異なる抵抗値を有しているため、第１制御部１３３は、入力された分圧電圧に基づき電池パック３の定格電圧を判別し、後述する第２制御部１０５に定格電圧識別信号を出力する。なお、定格電圧判別抵抗１３２は定格電圧判別素子３２と共に判別手段を構成する。

また、電池パック３のプラス側端子３３とマイナス側端子３４の間には、電池電圧検出抵抗１３４及び１３５が直列に接続されており、電池パック３の電池電圧の、電池電圧検出抵抗１３４と電池電圧検出抵抗１３５とによる分圧電圧が第１制御部１３３に入力される。第１制御部１３３は、入力された分圧電圧に基づき電池パック３の現在の電池電圧を判別し、後述する第２制御部１０５に電池電圧識別信号を出力する。

変圧回路１０は、トランス１０１と、ＦＥＴ１０２−１０３と、第１のＰＷＭ信号出力部１０４と、第２制御部１０５と、リレー（切替手段）１０６と、整流ダイオード１０７−１１０と、平滑コンデンサ１１１と、カップリングコンデンサ１１２と、を備えている。

トランス１０１は、一次側に、電池パック３のプラス側端子３３とマイナス側端子３４の間に並列に接続された第１一次側巻線１０１ａ及び第２一次側巻線１０１ｂを備えている。また、第１一次側巻線１０１ａとマイナス側端子３４の間にはＦＥＴ１０２が、第２一次側巻線１０１ｂとマイナス側端子３４の間には、ＦＥＴ１０３が、それぞれ配置されている。

ＦＥＴ１０２及びＦＥＴ１０３のゲートには、ＦＥＴ１０２及びＦＥＴ１０３をオン・オフさせるための第１のＰＷＭ信号が第１のＰＷＭ信号出力部１０４から入力され、ＦＥＴ１０２及び１０３のオン・オフにより、電池パック３からトランス１０１の一次側に供給された直流電力は交流電力に変換されてトランス１０１の二次側に出力される。本実施の形態では、ＦＥＴ１０２とＦＥＴ１０３とを交互にオンさせる、いわゆるプッシュプル方式により直流電力を交流電力に変換しているので、電力の損失が抑制されている。

また、トランス１０１は、二次側に、二次側巻線１０１ｃを備えており、二次側巻線１０１ｃは、第１出力端子１０１ｄと、第２出力端子１０１ｅと、第１出力端子１０１ｄと第２出力端子１０１ｅの間から延出した第３出力端子１０１ｆと、を備えている。

リレー１０６は、第１接点ａと、第２接点ｂと、出力端子ｃと、を備えている。第１接点ａは、トランス１０１の第２出力端子１０１ｅと接続されており、第２接点ｂは、トランス１０１の第３出力端子１０１ｆと接続されている。リレー１０６は、第２制御部１０５からの切替制御信号に基づきトランス１０１の第２出力端子１０１ｅ及び第３出力端子１０１ｆの一方を出力端子ｃと接続させる。これにより、トランス１０１の一次側巻線と二次側巻線の巻数比が切り替わることとなるが、第２制御部１０５による巻数比の切り替え制御については後述する。このようにして、トランス１０１の一次側に入力された直流電力は、巻数比に応じて交流電力に変圧されて二次側から出力される。

リレー１０６の出力端子ｃは、整流ダイオード１０７のアノードと接続されており、トランス１０１の第１出力端子１０１ｄは、整流ダイオード１０８のアノードと接続されている。このような構成により、整流ダイオード１０７から電力が出力される場合には、電流は、整流ダイオード１１０、二次側巻線１０１ｃ、整流ダイオード１０７の順に流れることとなり、整流ダイオード１０８から電力が出力される場合には、電流は、整流ダイオード１０９、二次側巻線１０１ｃ、整流ダイオード１０８の順に流れることとなる。

整流ダイオード１０７及び１０８のカソードと、整流ダイオード１０９及び１１０のアノードの間には平滑コンデンサ１１１が接続されており、これにより、トランス１０１から出力された脈動電力（交流電力）は整流・平滑されて出力されることとなる。なお、整流ダイオード１０７−１１０及び平滑コンデンサ１１１は整流・平滑回路を構成する。また、ＦＥＴ１０２及び１０３のソースと、整流ダイオード１０９及び１１０のアノードとの間にはトランス１０１の一次側と二次側を絶縁するためのカップリングコンデンサ１１２が接続されている。

インバータ回路１２は、ＦＥＴ１２１−１２４と、第２のＰＷＭ信号出力部１２５と、を備えている。ＦＥＴ１２１及びＦＥＴ１２３は、直列に接続された状態で、平滑コンデンサ１１１に並列に接続されている。同様に、ＦＥＴ１２２と１２４も、直列に接続された状態で、平滑コンデンサ１１１に並列に接続されている。詳細には、ＦＥＴ１２１のドレインは、整流ダイオード１０７及び１０８のカソードと接続され、ＦＥＴ１２１のソースは、ＦＥＴ１２３のドレインに接続されている。また、ＦＥＴ１２２のドレインは、整流ダイオード１０７及び１０８のカソードと接続され、ＦＥＴ１２２のソースは、ＦＥＴ１２４のドレインに接続されている。

更に、ＦＥＴ１２１のソース及びＦＥＴ１２３のドレインは、電子機器２のＡＣモータ２１の一方の端子に接続されており、ＦＥＴ１２２のソース及びＦＥＴ１２４のドレインは、電子機器２のＡＣモータ２１の他方の端子に接続されている。

ＦＥＴ１２１−１２４のゲートには、ＦＥＴ１２１−１２４をオン・オフさせるための第２のＰＷＭ信号が第２のＰＷＭ信号出力部１２５から入力され、ＦＥＴ１２１−１２４のオン・オフにより、変圧回路１０から出力された直流電力は交流電力に変換されて電子機器２のＡＣモータ２１に出力される。

変圧回路１０の第２制御部１０５は、第１制御部１３３から入力された電池電圧識別信号に基づき、目標実効値（例えば、１４１Ｖ）を有する交流電力がトランス１０１の二次側から出力されるような第１のＰＷＭ信号をＦＥＴ１０２及び１０３のゲートに出力する。なお、平滑コンデンサ１１１の電圧は図示していない電圧検出部により検出され、第２制御部１０５は、平滑コンデンサ１１１の電圧が目標値（１４１Ｖ）になるように、第１のＰＷＭ信号出力部１０４を介してＦＥＴ１０２及び１０３をフィードバック制御する。

また、第２制御部１０５は、目標実効値（例えば、１００Ｖ）を有する交流電力が電子機器２のＡＣモータ２１に出力されるような第２のＰＷＭ信号を第２のＰＷＭ信号出力部１２５を介してＦＥＴ１２１−１２４のゲートに出力する。本実施の形態では、第２制御部１０５は、ＦＥＴ１２１とＦＥＴ１２４（以降、第１のセット）と、ＦＥＴ１２２とＦＥＴ１２３（以降、第２のセット）とを、それぞれ１セットとして、第１のセットと第２のセットをデューティ比１００％で交互にオン・オフさせるような第２のＰＷＭ信号を出力する。

上記したような構成により、電池パック３からの直流電力は、目標実効値を有する交流電力に変換されて電子機器２のＡＣモータ２１に供給される。

ところで、通常、トランスの一次側巻線と二次側巻線との巻数比は、所定の電圧が入力された場合に最大の変換効率が得られるような値に設定されている。ところが、本実施の形態によるインバータ装置１には、異なる定格電圧を有する電池パック３が接続可能であるため、接続された電池パック３によってはトランス１０１における変換効率が著しく低下してしまう虞がある。

図２は、トランスの一次側巻線と二次側巻線との巻数比が異なる場合の入力電圧と変換効率との関係を示した図であるが、図２に示すように、巻数比によって、変換効率が最大となる入力電圧は異なる。

そこで、本実施の形態によるインバータ装置１では、インバータ装置１に接続された電池パック３の定格電圧に応じてトランス１０１の第２出力端子１０１ｅと第３出力端子１０１ｆのいずれかをリレー１０６の出力端子ｃに接続させることにより、トランス１０１の一次側巻線と二次側巻線の巻数比を切り替えている。

次に、図３のフローチャートを用いて本実施の形態の第２制御部１０５による巻数比の切り替え制御について説明する。

図３のフローチャートは、電池パック３がインバータ装置１に装着されている状態でインバータ装置１の電源スイッチ（図示せず）がオンされた時、又は、電源スイッチがオンされた状態で電池パック３がインバータ装置１に装着された時にスタートする。なお、電源スイッチをオンすることによって、電池パック３の電力が第２制御部１０５に供給され、第２制御部１０５が動作可能となる。なお、電池パック３をインバータ装置１に接続したときに第２制御部１０５等に電力が供給されるようにしても良いが、電池パック３の消費電力を抑えるために、電源スイッチのオン後に電力供給する方が好ましい。また、本実施の形態では、定格電圧（定格電圧）１４．４Ｖと１８．０Ｖのいずれかの電池パック３がインバータ装置１に装着されたものとする。

まず、第２制御部１０５は、第１制御部１３３から入力された定格電圧識別信号を検出し（Ｓ３０１）、定格電圧判別信号に基づき、電池パック３の定格電圧が１４．４Ｖと１８．０Ｖのいずれであるかを判別する（Ｓ３０２）。

電池パック３の定格電圧が１４．４Ｖであると判別した場合には（Ｓ３０２：１４．４Ｖ）、トランス１０１の第２出力端子１０１ｅ（第１接点ａ）をリレー１０６の出力端子ｃに接続させるための切替制御信号をリレー１０６に出力する（Ｓ３０３）。

一方、電池パック３の定格電圧が１８．０Ｖであると判別した場合には（Ｓ３０２：１８．０Ｖ）、トランス１０１の第３出力端子１０１ｆ（第２接点ｂ）をリレー１０６の出力端子ｃに接続させるための切替制御信号をリレー１０６に出力する（Ｓ３０４）。

続いて、目標実効値（例えば、１４１Ｖ）を有する交流電力がトランス１０１の二次側から出力されるような、すなわち、平滑コンデンサ１１１の電圧が目標昇圧電圧１４１Ｖになるように第１のＰＷＭ信号をＦＥＴ１０２及び１０３のゲートに出力し（Ｓ３０５）、トランス１０１で昇圧された電圧の実効値（平滑コンデンサ１１１の電圧）が目標実効値（目標昇圧電圧１４１Ｖ）より大きいか否かを判断する（Ｓ３０６）。詳細には、図示していないが、図１における平滑コンデンサ１１１の後段に昇圧電圧検出部を設け、昇圧電圧検出部によって検出された電圧が目標実効値より大きいか否かを判断する。

昇圧された電圧の実効値が目標実効値より大きい場合には（Ｓ３０６：ＹＥＳ）、ＦＥＴ１０２及び１０３のデューティ比を減少させ（Ｓ３０７）、昇圧された電圧が目標実効値以下の場合には（Ｓ３０６：ＮＯ）、ＦＥＴ１０２及び１０３のデューティ比を増加させる（Ｓ３０８）。

続いて、目標実効値（例えば、１００Ｖ）を有する交流電力が電子機器２のＡＣモータ２１に供給されるような第２のＰＷＭ信号を第２のＰＷＭ信号出力部１２５を介してＦＥＴ１２１−１２４のゲートに出力した後（Ｓ３０９）、再びＳ３０１に戻る。

以上のように、本実施の形態によるインバータ装置１では、インバータ装置１に装着された電池パック３の定格電圧に適した値にトランス１０１の一次側巻線と二次側巻線の巻数比を切り替えている。従って、異なる定格電圧の電池パック３がインバータ装置１に接続された場合であっても、図２に示すように、トランス１０１の高い電力変換効率を維持することが可能となる。

尚、本発明のインバータ装置は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。

例えば、上記実施の形態では、インバータ装置１に装着された電池パック３の定格電圧に応じてトランス１０１の一次側巻線と二次側巻線の巻数比を切り替えたが、電池パック３の電池電圧に応じて切り替えてもよい。この場合、図４に示すように、図３におけるＳ３０１及びＳ３０２の代わりに、Ｓ４０１で、第１制御部１３３から入力された電池電圧識別信号（電圧検出部１３で検出した電池パック３の電池電圧）を検出し、Ｓ４０２で、電池電圧が１６．２Ｖより大きいか否かを判断すればよい。閾値１６．２Ｖは、２つの定格電圧１４．４Ｖと１８．０Ｖの中間値としている。

なお、電池パック３の満充電状態での電池電圧は、定格電圧より高い値となる。例えば、定格電圧１４．４Ｖの満充電状態の電池電圧は１６．８Ｖ、定格電圧１８Ｖの満充電状態の電池電圧は２１．０Ｖである。本実施の形態では、定格電圧に関係なく電池電圧に応じて巻数比を切り替えるようにしている。このような構成によれば、異なる定格電圧の電池パック３がインバータ装置１に接続された場合や電池パック３の電圧が低下した場合であっても、トランス１０１の高い電力変換効率を維持することができる。

また、電池電圧検出抵抗１３４及び１３５で検出された電圧に限らず、トランス１０１の一次側のいずれかの位置で検出された電圧に応じて巻数比を切り替えてもよい。

また、上記実施の形態では、電池パック３の定格電圧を１４．４Ｖと１８.０Ｖの２種類で説明したが、他の定格電圧に応じて巻数比を切り替えてもよいし、３以上の定格電圧に応じて巻数比を切り替えてもよい。更に、電池電圧に応じて巻数比を切り替える場合には、複数の電圧範囲を予め設定しておき、各範囲に対応するように巻数比を切り替えてもよい。

また、上記実施の形態では、電池パック３から供給された直流電力をプッシュプル方式により交流電力に変換したが、フライバック方式等の他の方式により変換してもよい。

また、上記実施の形態では、電子機器２として芝刈機を用いたが、交流電力で駆動する工具や他の機器であってもよい。

１ インバータ装置
３ 電池パック
１０ 変圧回路
１２ インバータ回路
１３ 電圧検出部
１０１ トランス
１０１ａ 第１一次側巻線
１０１ｂ 第２一次側巻線
１０１ｃ 二次側巻線
１０５ 制御部
１０６ 切替部
１０７、１０８ 整流ダイオード
１１１ 平滑コンデンサ
１３２ 定格電圧判別抵抗
１３４、１３５ 電池電圧検出抵抗

Claims (6)

1. 一次側巻線と二次側巻線とを有し、前記一次側巻線に入力された直流電圧を変換して前記二次側巻線から交流電圧として出力するトランスと、
   前記二次側巻線から出力された交流電圧を整流・平滑して直流電圧として出力する整流・平滑回路と、
   前記整流・平滑回路から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、
   前記トランスの一次側の電圧に基づき前記一次側巻線と前記二次側巻線の巻数比を切り替える切替手段と、
   を備えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記直流電圧を供給する電池パックと、
   前記電池パックの定格電圧を判別する判別手段と、
   を更に備え、
   前記切替手段は、前記定格電圧に基づき前記巻数比を切り替えることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記直流電圧を供給する電池パックと、
   前記一次側巻線に接続される電池パックと、
   前記電池パックの電池電圧を検出する電圧検出手段と、
   を更に備え、
   前記切替手段は、前記電池電圧に基づき前記巻数比を切り替えることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
4. 定格電圧が異なる複数の前記電池パックを接続可能であり、
   前記切替手段は、前記電池パックの種類に対応する数の巻数比を切り替え可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインバータ装置。
5. 前記一次側巻線に直列に接続され、スイッチングすることで前記直流電圧を交流電圧に変換して前記二次側巻線に出力するスイッチング手段を備え、
   前記スイッチング手段はプッシュプル方式により前記直流電圧を前記交流電圧に変換することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のインバータ装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のインバータ装置に接続されるモータを有する電動工具。

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