JP2014087926A - コンパクト電動研削盤 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧を整流する際に発生する非常に高い高調波成分を防ぐ研磨機ないし電動研磨機の制御方法を提供する。
【解決手段】ハンドヘルド研磨機は、外側ハウジング１、ツール軸２、および、回転子７が研磨機のツール軸２に固定され、固定子６が外側ハウジング１内に位置決めされるブラシレス電気駆動モータを有する。電動研磨機の制御方法は、整流された電源電圧がモータの公称電圧よりも高い部分サイクル中に電流が消耗され、前記電圧がモータの公称電圧よりも低い時は電流が消耗されないように制御して発生する高調波成分を許容値以内とする。
【選択図】図３

Description

（技術分野）
本発明は外側ハウジングおよびツール軸付きコンパクト電動携帯研磨機に関する。

（従来技術）
同じタイプの電動研磨機が、たとえば、特許文献１によって従来から知られている。ここでは、ブラシレス・モータを使い、かつモータ直径とモータ高さ間の比率を大きくすることにより比較的コンパクトな安い研磨機を作ることを意図している。この構成の欠点はモータ直径が不可避的に大きくなるため片手で掴むのが困難なことである。さらに、直径が大きいため、外側だけで冷却する密封型モータを作るのが困難になる。研磨機が最も頻繁に使用される場所の空気が塵（元来導電性で細かいことが多い）で充満されるため、これは非常に不利である。

電動研磨機は従来非常に大型で重かったため、たとえば、壁の研削には特殊な研磨機が必要とされてきている。この種の機械は、たとえば、特許文献２や特許文献３によって従来から知られている。これらの特許文献では、モータをアームの遠端へ動かし、たとえば、研削ヘッドへ電力を送るケーブルを使用して壁用研磨機が作られている。この方法では、機械に対するバランスは達成されるが、機械が高価となり製作が困難となる。

ＥＵおよび他の多くのマーケット内では、ネットワークにどれだけ多くの干渉を発生してもよいかに関する規制がある。ＥＵ内では、改正Ａ１４付き標準ＥＮ６１００００−３−２が適用される。図５に従って電源電圧を整流し、その後に後続パルスが来るまで後続制御が連続的に電流を受け取ることができるような大きなコンデンサを有することにより可能な最も簡単な方法でスイッチで制御する制御装置が作られると、電気的ネットワークと干渉する非常に高い高調波成分が発生する。

米国特許第０２４５１８２号 米国特許第５２３９７８３号 欧州特許第０７２７２８１号

この問題を解決するための従来の２つの方法がある。電流および電圧をインダクタンスおよびコンデンサによりフィルタリングする受動法、および能動法である。受動法は体積および重量が大きいだけでなく、スペースが必要である。能動法は、入力電流と入力電圧間の関係が抵抗負荷に対応するように、電圧が最初に図６に従った既知の「昇圧」結線によりスイッチされるように機能する。出力電圧は常に入力電圧の最高値よりも高い。能動法の欠点は電流が余分なインダクタンスＬ１を通り、さらに、電力補正には常にスイッチで制御する制御装置が続くため、１回多くスイッチされることである。

（発明の簡単な説明）
本発明の目的は前記した欠点を軽減することである。本発明に従った研磨機は、ブラシレスでそれ自体の軸が無く、回転子がツール軸に固定され固定子が外側ハウジング内に位置決めされるように搭載される電気駆動モータを有することを特徴とする。このように作られた研磨機は片手で人間工学的に掴めるようなコンパクトな構造を有する。コンパクトな構造により研磨機に固定して楽な両手掴みができるアーム状の装置および使用方法が可能となり、機械の操作範囲が拡張される。同時に、本発明により冷却空気が固定子の外側しか通過せず、冷却空気中の不純物に非常に鈍感な密封型構造が可能となる。また、研磨機は低重心であるため、機械の研削特性は良好である。

本発明で使用されるモータ・タイプはいわゆるＢＬＤＣ（ブラシレス直流）モータである。新しいＮｄＦｅＢ磁石の強い磁界により、モータは体積当たり電力が高く効率も高い。これらの特徴により、本発明を可能とする十分小さなモータを作ることができる。有利な構成はＢＬＤＣモータのスロットレス・バージョンを使用することである。スロットレス・モータは鉄損がより小さく、また積層スタックの鉄心はより単純な形状でありかつ巻線はより単純に行えるため、より有利な価格となる。

ツール軸は偏心的に位置決めされたツールホルダを有し、それ自体の軸が無い駆動モータの回転子はツール軸に固定され、固定子は外側ハウジング内に位置決めされる。ツール軸は駆動モータの回転子内を延びるように配置され、そのためそれ自体の軸に取って代わる。

従来技術のツールは偏心および釣合い重りの無いツール軸を有する。偏心はモータ軸に固定される外部部品により生じる。外部部品により偏心を生じさせる理由は、それにより回転子を従来の方法で軸に固定することができベアリングを両端から組み立てられるためである。この構成では研磨機はほとんどコンパクトにならない。

冷却空気はツール軸上に搭載されその釣合い重りと同じ垂直方向に有利に一体化できる送風機により発生される。モータを冷却するのと同じ冷却空気が最初に制御装置を冷却する。

本発明のおかげで、研磨機は既知の電動研磨機よりも遥かに軽量かつコンパクトとなるため、壁を研削するための特殊な研磨機は完全に不要となっている。従来は、モータをアームの他端へ動かして研削ヘッドをより軽量とする必要があったが、その結果ケーブルによる送電や軸が必要となる。本研磨機は１つ以上の柔軟な方向に自由に移動できるようにアームの端部に固定することができる。研磨機は非常に軽いため、複雑かつ高価な変速装置を有する特殊な壁研磨機のように容易に取り扱うことができる。塵抽出が必要であれば、抽出物を中空アームへ導くのが有利である。

モータの制御は回転速度を変えられるように電子的に行われる。制御装置は機械の負荷に無関係に回転速度が定められたレベルに維持されるように作られる。好ましくは、制御装置は研磨機と関連して位置決めされる。好ましい構成はセンサレス制御、すなわち、電子転流において回転子の位置を決定する感知装置の無い制御を使用することである。通常、センサレス制御は回転子の位置を決定するのに導通していない位相内に発生される電圧を利用する。

電気転流における回転子の位置も異なる位相内に発生された電流または位相内の電流および電圧間の関係に基づいて決定することができる。

センサ（最も多いのはホールセンサである）はモータを著しく長くするため、制御がセンサレスの場合、モータはよりコンパクトになる。

スイッチで制御する制御装置に対する新しく好ましい構成に従って、モータはその公称電圧が整流された電源電圧の最高値よりも低くなるような寸法とされる。電圧がモータの公称電圧よりも高い部分サイクル中に電流が消費され、電圧がモータの公称電圧よりも低い部分サイクル中に電流は消費されなければ、公称電圧がどれだけ低いかに応じて異なる程度の電力補正が得られる。全サイクルに関して電流が最適負荷に対応する時間が十分長ければ、電気ネットワークへ発生し戻される高調波成分は許容値内となる。２３０Ｖの電源電圧が整流されると、３２５Ｖの最高値が得られる。たとえば、モータの公称電圧が２００Ｖであれば、時間のおよそ６０％の電流の流れがある。電流は整流された電源電圧が公称電圧に等しい時には流れないように発生され、電圧が３２５Ｖである時に１０Ａとなるように線形に増加する。これはおよそ１，１００Ｗの有効電力を与える。それゆえ、第３調波電流成分は２．４Ａとなり、持ち運べる携帯道具に対する許容限界内である。他の高調波成分も許容値を有する。モータの巻線は自己インダクタンスＬ１を有するコイルを形成するため、好ましくは、スイッチで制御する制御装置も外部インダクタンス無しで作ることができる。

研磨機の平面図である。 研磨機の側面図である。 Ａ−Ａ線に沿った断面図である。 Ｂ−Ｂ線に沿った断面図である。 従来技術による制御の電気回路図である。 従来技術による電力補正を示す図である。 新しいモータ制御の第１の実施例を示す図である。 モータ制御の第２の実施例を示す図である。

（好ましい実施例）
次に、添付図を参照して本発明をより詳細に説明する。図１−４に示す研磨機はモータの全部品を密閉するハウジング１により形成される。モータは、冷却フィン１２付きケーシングを含む固定子６、および回転子７により形成される。これらの部品は、回転子７がツール軸２に固定されるように、ツール軸２、両端のベアリング・ハウジング４、１１、およびベアリング１０を適所に保つ部品と一体化される。固定子６のケーシングおよび冷却フィンはケーシング、研磨機のハウジングおよび冷却フィンにより制限されるエアスロットが発生されるような形状とされる。研削ディスク３が偏心ベアリング８を介して自由に回転可能にツール軸２に固定されている。好ましくは釣合い重りと同じ高さでツール軸２に固定されている送風機９が穴１４を通って空気を吸い込む。空気は制御装置１５を冷却し、次に冷却フィン１２を介してモータを冷却する。空気は穴５から吹き出される。研削ディスク３を通りさらには抽出パイプ１７を通って吸い出された研削塵をシュラウド１６が集める。スイッチ１３が制御装置と接続されて、人間工学的にスイッチ・オンおよびスイッチ・オフを行う。ケーシング周りの柔らかい部分１８が機械を掴み易くする。もう１つの実施例では、ディスクは自由に回転せず、ツール軸２に接続されて偏心運動有りまたは無しで回転する。

回転子は対応するスロットが図４の回転子内に示されている半月キーにより軸に関して回転することを防止される。回転子は他のキーまたはスプラインにより回転を防止することもできる。

ツール軸内に一体化される釣合い重りは非常に大きいためベアリング１０（下部）は回転子がツール軸に固定される前に搭載しなければならない。

コンパクトさを向上させるために、ベアリング１０およびベアリング・ハウジング４、１１は部分的にまたは全体が固定子６や巻線の内側とされる。

もう１つの実施例では、空気の一部がモータおよび冷却フィンを介して吸い込まれるように塵抽出はモータの冷却も行い、モータは別個の送風機無しで冷却される。

第１の実施例における制御装置の電力補正の作用が図７について説明される。電源電圧が整流され、その後のコンデンサＣ２は非常に小さいため電圧は整流された電圧に従う。モータはその公称電圧が所要電力に関して整流された電源電圧の最高値よりも遥かに低くなるような寸法とされるため、電圧がモータの公称電圧よりも高い部分サイクル中に電流が消費され、電圧がモータの公称電圧よりも低い時は電流は消費されない電力補正が得られる。制御装置は可能な最小高調波成分が発生されるように電流と電圧間の関係が最適化され、したがって、電圧がモータの公称電圧よりも高い部分サイクルにおいて可能な最善の電力補正が達成されるように既知の「降圧」結線を利用する。電圧が公称電圧よりも低ければ、モータに電力が受け取られることはない。電流が全サイクルに関して最適負荷に対応する時間が所要電力に関して十分長ければ、電気ネットワークへ発生し戻される高調波成分は許容値以内となる。モータの自己インダクタンスＬ１が十分大きければ、好ましくは、制御装置は外部インダクタンス無しで作ることができる。図７のモータは１個のスイッチＳＷ１しか図示されないように簡略化されている。実際には、電子転流３相制御が直接モータに対して実施される。

得られた電力補正が十分でなければ、図８の実施例に従って機能をさらに改善することができる。ここでは、「昇圧」結線に従った外部インダクタンスＬ１および追加スイッチは内蔵されて、電圧がモータの公称電圧よりも低い時間中でも電力補正を行う。電流および電圧は全サイクル中電力補正を行わなければならないケースよりも低いため、接続はまだ好ましい。スイッチングが行われる時に電圧は低くなるため、とくわけ、外部インダクタンスＬ１の値は低くなることがある。

前記説明および関連図は研磨機の構造に対する本ソリューションを例示するにすぎない。それゆえ、本ソリューションは前記または添付特許請求の範囲に記述された実施例だけに限定されるのではなく、添付特許請求の範囲に記述されたアイデア内で複数のバリエーションや代替実施例が実現可能である。

Claims (19)

1. 外側ハウジング（１）、ツール軸（２）およびブラシレス電気駆動モータを有する携帯研磨機であって、固定子（６）が前記外側ハウジング（１）内に位置決めされ、
   −前記ツール軸（２）は偏心位置決めされたツールホルダを有し、
   −軸が無い前記駆動モータの回転子は取り外しが可能なように前記ツール軸に固定され、前記ツール軸は前記駆動モータの前記回転子内に延びる、
   ことを特徴とする研磨機。
2. 請求項１記載の研磨機であって、前記ブラシレス電気駆動モータはスロットレスである、ことを特徴とする研磨機。
3. 請求項１または２記載の研磨機であって、研削ディスクが前記ツール軸上に偏心的にかつ自由に回転可能に搭載される、ことを特徴とする研磨機。
4. 請求項３記載の研磨機であって、前記研削ディスク（３）は回転運動が発生されるように前記ツール軸（２）上に配置され、減速機を有するまたは有しない、ことを特徴とする研磨機。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の研磨機であって、前記モータの制御装置は負荷に無関係に回転速度が一定であるようにされる、ことを特徴とする研磨機。
6. 請求項５記載の研磨機であって、前記制御装置はセンサレス制御装置である、ことを特徴とする研磨機。
7. 請求項６記載の研磨機であって、前記センサレス制御装置は導通していない位相内に発生された電圧により電子整流における前記回転子の位置を決定するように配置される、ことを特徴とする研磨機。
8. 請求項６記載の研磨機であって、前記センサレス制御装置は異なる位相内に発生された電流または位相内の電流および電圧間の関係に基づいて前記回転子の位置を決定する、ことを特徴とする研磨機。
9. 制御装置（１５）を有する請求項１から８記載の研磨機であって、前記電源電圧が整流され、それに続くコンデンサ（Ｃ２）容量は、使用時に該コンデンサの電圧が前記整流された電源電圧に従うほど小さく、前記コンデンサの電圧が負荷で消費される時間中に電力網から電流が消耗され、前記モータはその公称電圧が前記所要電力に関する前記整流された電源電圧の前記最高値よりも遥かに低いために、前記コンデンサの電圧がモータの前記公称電圧よりも高い部分サイクル中に電流が消耗され、前記電圧がモータの前記公称電圧よりも低い時は電流が消耗されない電力補正が得られる値とされることを特徴とする研磨機。
10. 請求項９記載の研磨機であって、電流および電圧間の関係は前記コンデンサの電圧がモータの前記公称電圧よりも高い部分サイクルにおいて最適化されて、最少高調波成分が発生されることを特徴とする研磨機。
11. 請求項９または１０記載の研磨機であって、スイッチ制御の電力回路はスイッチングにおける誘導分としてモータ自体のインダクタンス（Ｌ１）しか使用しないことを特徴とする研磨機。
12. 請求項１から１１のいずれか１項記載の研磨機であって、前記モータは前記ツール軸（２）上に搭載される送風機（９）により冷却されることを特徴とする研磨機。
13. 請求項１から１２のいずれか１項記載の研磨機であって、冷却空気は前記外側ハウジング（１）の内側と前記固定子（６）の外側間に発生されたスロット中を流れて前記モータの前記固定子（６）を冷却することを特徴とする研磨機。
14. 請求項１から１３のいずれか１項記載の研磨機であって、前記固定子（６）はそれが、同時に、前記研磨機のハウジングであるような形状とされることを特徴とする研磨機。
15. 請求項１４記載の研磨機であって、前記固定子（６）は穴（１４）から吸気し、穴（１５）から排気し、冷却フィン（１２）を有する冷却システムを有することを特徴とする研磨機。
16. 請求項１から１５のいずれか１項記載の研磨機であって、前記固定子、ベアリング・ハウジングおよびベアリングの構造は前記冷却空気が前記モータの外側しか通らない密封型であることを特徴とする研磨機。
17. 電動研磨機の制御方法であって、前記電源電圧の整流およびスイッチ制御の制御を含み、前記モータはその公称電圧が前記所要電力に関する前記整流された電源電圧の前記最高値よりも遥かに低いために、前記電圧が前記モータの前記公称電圧よりも高い部分サイクル中に電流が消耗され、前記電圧が前記モータの前記公称電圧よりも低い時は電流が消耗されないことを特徴とする制御方法。
18. 請求項１７記載の制御方法であって、前記電圧が前記モータの前記公称電圧よりも高い部分サイクル中において電流および電圧間の関係が最適化されて、可能な最少高調波成分が発生され、可能な最善の電力補正も得られることを特徴とする制御方法。
19. 請求項１０または１１記載の研磨機であって、電力補正は前記整流された電圧が前記モータの前記公称電圧よりも低い時間中にも行われることを特徴とする研磨機。