JP2014107964A - Electric tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシレスモータを備える電動工具に関する。 The present invention relates to an electric tool including a brushless motor.
インパクトドライバ等の電動工具では、駆動源としてブラシレスモータが用いられる。ブラシレスモータでは、シャフトの外周に設けられたロータコアの磁石挿入穴に平板状の永久磁石を挿入保持するロータ構成が一般的である。 In an electric tool such as an impact driver, a brushless motor is used as a drive source. A brushless motor generally has a rotor configuration in which a flat permanent magnet is inserted and held in a magnet insertion hole of a rotor core provided on the outer periphery of a shaft.
高出力化のためには、永久磁石の特に外周側の表面積を大きくして磁束量を増やす必要がある。ここで、ロータコア表面に円管磁石を接着する構成もあるが、接着のみによる固定のため円管磁石が衝撃印加時に空転する等の問題がある。 In order to increase the output, it is necessary to increase the amount of magnetic flux by increasing the surface area of the permanent magnet, particularly on the outer peripheral side. Here, there is a configuration in which a circular tube magnet is bonded to the surface of the rotor core, but there is a problem that the circular tube magnet idles when an impact is applied because of fixing only by bonding.
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、永久磁石をロータコアの磁石挿入部に配設する構成において従来と比較して外周側の磁石表面積を大きくすることの可能な電動工具を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to increase the magnet surface area on the outer peripheral side in comparison with the conventional structure in the configuration in which the permanent magnet is disposed in the magnet insertion portion of the rotor core. It is to provide a power tool.
本発明のある態様は、ブラシレスモータを備える電動工具であり、前記ブラシレスモータは、シャフトと、前記シャフトの外周に設けられたロータコアと、前記ロータコアの磁石挿入部に配設されて前記ロータコアの外周面に沿う複数の永久磁石とを備え、各々の永久磁石の外周側の面は、前記シャフトが曲率中心側となるように湾曲した湾曲面を含む。 An aspect of the present invention is an electric tool including a brushless motor, and the brushless motor is disposed on a shaft, a rotor core provided on an outer periphery of the shaft, and a magnet insertion portion of the rotor core, and is provided on an outer periphery of the rotor core. A plurality of permanent magnets along the surface, and the surface on the outer peripheral side of each permanent magnet includes a curved surface curved so that the shaft is on the curvature center side.
前記磁石挿入部は前記ロータコアの外周面に設けられた溝部であり、各々の永久磁石の前記湾曲面が露出していてもよい。 The magnet insertion portion may be a groove provided on the outer peripheral surface of the rotor core, and the curved surface of each permanent magnet may be exposed.
各々の永久磁石の外周側の面は、前記湾曲面から凹んだ段差面を前記湾曲面の軸周り方向一端側又は両端側に有し、前記ロータコアは、前記段差面と係合して各々の永久磁石の外周側への抜けを防止する抜止め部を有してもよい。 The surface on the outer peripheral side of each permanent magnet has a stepped surface recessed from the curved surface on one end side or both end sides in the axial direction of the curved surface, and the rotor core engages with the stepped surface to You may have a retaining part which prevents the permanent magnet from coming off to the outer peripheral side.
本発明のもう1つの態様は、ブラシレスモータを備える電動工具であって、前記ブラシレスモータは、シャフトと、前記シャフトの外周に設けられたロータコアと、前記ロータコアの磁石挿入部に配設されて前記ロータコアの外周面に沿う複数の永久磁石とを備え、各々の永久磁石の外周側の面は、前記シャフトが曲率中心側となる湾曲面に沿う複数の平面を含む。 Another aspect of the present invention is an electric tool including a brushless motor, wherein the brushless motor is disposed on a shaft, a rotor core provided on an outer periphery of the shaft, and a magnet insertion portion of the rotor core. A plurality of permanent magnets along the outer peripheral surface of the rotor core, and the outer peripheral surface of each permanent magnet includes a plurality of flat surfaces along the curved surface where the shaft is on the curvature center side.
各々の永久磁石の軸方向から見た少なくとも一部の角部が面取りされていてもよい。 At least a part of the corners of each permanent magnet viewed from the axial direction may be chamfered.
前記ロータコアは隣り合う永久磁石の間を仕切る仕切り部を有してもよい。 The said rotor core may have a partition part which partitions off between adjacent permanent magnets.
本発明のもう1つの態様は、ブラシレスモータを備える電動工具であって、前記ブラシレスモータは、シャフトと、前記シャフトの外周に設けられたロータコアと、前記ロータコアの磁石挿入部に配設されて前記ロータコアの外周面に沿う複数の永久磁石とを備え、各々の永久磁石の外周側の面は、前記シャフトが曲率中心側となる湾曲面に沿う平面であり、ロータの1極につき2個以上の同極性の前記永久磁石が設けられている。 Another aspect of the present invention is an electric tool including a brushless motor, wherein the brushless motor is disposed on a shaft, a rotor core provided on an outer periphery of the shaft, and a magnet insertion portion of the rotor core. A plurality of permanent magnets along the outer peripheral surface of the rotor core, and the outer peripheral surface of each permanent magnet is a flat surface along the curved surface where the shaft is on the center of curvature, and two or more per one pole of the rotor The permanent magnet having the same polarity is provided.
前記湾曲面が略円弧面であってもよい。 The curved surface may be a substantially arc surface.
各々の永久磁石の内周側の面が平面を含んでもよい。 The inner peripheral surface of each permanent magnet may include a flat surface.
本体胴体部と前記本体胴体部から延びるハンドル部とを有する略T字状のハウジングを備え、前記ブラシレスモータは、前記本体胴体部内の、前記ハンドル部の付け根部分より後方に存在し又は延在してもよい。 A substantially T-shaped housing having a main body body portion and a handle portion extending from the main body body portion, wherein the brushless motor is present behind or extends from a base portion of the handle portion in the main body body portion; May be.
前記ブラシレスモータによって駆動されるインパクト機構が前記本体胴体部内に設けられてもよい。 An impact mechanism driven by the brushless motor may be provided in the main body body.
電源となる電池パックを装着可能であってもよい。 A battery pack serving as a power source may be attached.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements, and those obtained by converting the expression of the present invention between methods and systems are also effective as aspects of the present invention.
本発明によれば、永久磁石をロータコアの磁石挿入部に配設する構成において従来と比較して外周側の磁石表面積を大きくすることの可能な電動工具を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electric tool which can enlarge the magnet surface area of an outer peripheral side compared with the former in the structure which arrange | positions a permanent magnet in the magnet insertion part of a rotor core can be provided.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or equivalent component, member, etc. which are shown by each drawing, and the overlapping description is abbreviate | omitted suitably. In addition, the embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
図1は、本発明の実施の形態に係る電動工具(インパクトドライバ)の内部構成図である。この電動工具のハウジング1は、本体胴体部1aと、ハンドル部1bとを有する。本体胴体部1aの中間部からハンドル部1bが下方に延び、ハウジング1は全体として略T字状となっている。本体胴体部1a内にはブラシレスモータ2及び回転打撃機構が設けられる。すなわち、本体胴体部1a内において、ブラシレスモータ2に減速機構3(例えば遊星歯車機構)を介してスピンドル4が連結され、スピンドル4にはスプリング5(圧縮ばね)及びスチールボール6を介してハンマ7が連結され、ハンマ7の先端側にアンビル8が設けられる。アンビル8の先端にはドライバビット等の先端工具を装着する先端工具取付穴9が設けられる。ネジ締め等の作業の際には、使用者がハンドル部1bを握ってトリガ10を引くと、ハンドル部1bの下端に取り付けられた電池パック11からブラシレスモータ2に電力が供給され、ブラシレスモータ2の回転によりスピンドル4及びハンマ7が回転し、ハンマ7がアンビル8に回転打撃力を印加する。なお、こうした回転打撃機構の構成、動作は周知なのでこれ以上の詳細な説明は省略する。
FIG. 1 is an internal configuration diagram of a power tool (impact driver) according to an embodiment of the present invention. A
図2は、図1のブラシレスモータ2近傍の拡大図である。図3(A)〜(E)はそれぞれ、ブラシレスモータ2のロータの好ましい例を示す正面図(軸方向から見た図)である。図4は、ブラシレスモータ2の正面図(軸方向から見た図)である。但し、図4において、図2に示されるインシュレータ34とコイル35の図示を省略している。図2に示すように、ブラシレスモータ2は、ハウジング1の本体胴体部1aの、ハンドル部1bの付け根部分より後方に存在し又は延在する。
FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the
シャフト21の周囲にロータコア22が設けられる。ロータコア22は、例えば電磁鋼板を積層して円筒形状にしたものである。図3に示すように、ロータコア22は中心にシャフト挿入穴27を有する。本実施の形態ではロータが4極であり、ロータコア22は、シャフト挿入穴27の周囲に4つの磁石挿入部24を有する。隣り合う磁石挿入部24の間は仕切り部25によって仕切られる。シャフト挿入穴27をシャフト21が貫通し、各々の磁石挿入部24には永久磁石23が挿入保持される。
A
図4に示すように、ロータコア22の外周には、ステータコア31がハウジング1の本体胴体部1aに保持される。ステータコア31は、ヨーク部32とティース部33とを有する。ヨーク部32は、円筒状にロータコア22を囲む。ティース部33は、ヨーク部32からロータコア22側に延びる。本実施の形態ではステータが6スロットであり、6つのティース部33が等角度間隔でヨーク部32から延びる。各々のティース部33には図2に示すようにインシュレータ34を介してコイル35が巻回される。
As shown in FIG. 4, a
図3(A)〜(E)により永久磁石23の形状のバリエーションを説明する。
Variations on the shape of the
図3(A)では、永久磁石23の外周側の面は、シャフト21が曲率中心側となるように湾曲した湾曲面(好ましくはシャフト21を中心とする円弧面)であり、ロータコア22の外周部29に覆われている。永久磁石23の内周側の面は、シャフト21と正対する3つの平面(シャフト21を中心とする円弧面に沿う3つの平面)からなる。永久磁石23の外周側の面及び内周側の面の両端角部はそれぞれ面取り部28となっている。図3(A)に示すように永久磁石23の外周側の面を湾曲面とすることで、従来のように平板状の永久磁石を用いる場合と比較して、永久磁石23の外周側の表面積が大きく、磁束量が増して高出力化に有利である。また、永久磁石23の内周側の面を曲面と比較して加工精度の良い平面の組合せとしているため、衝撃を面で受けやすくなり、衝撃印加時に破損しにくい。さらに、面取り部28を設けることで尖った部分を無くしているため、応力集中が無くなり、永久磁石23が破損しにくい。さらに、ハウジング1の本体胴体部1aのうちハンドル部1bの付け根部分より後方に突出した箇所はたわみやすく、ここにブラシレスモータ2が延在することで、(1)外周部29が緩衝バネの役割を果たし、永久磁石23に加わる径方向の衝撃を緩和するため、永久磁石23が薄型でよく低コスト化に有利であるとともに、(2)径方向に延びる仕切り部25が緩衝バネの役割を果たし、永久磁石23に加わる円周方向の衝撃を緩和するため、永久磁石23の空転も防止できる。
In FIG. 3A, the outer peripheral surface of the
この構成の永久磁石23は、電動工具全般に使用することができるが、特にドライバドリル等の電動工具に比べて作業時のモータへの衝撃が大きいインパクトドライバに使用することが有効である。インパクトドライバは周知の通り、ハンマ7がアンビル8を打撃することでトルクを発生し、先端工具取付穴9に取り付けられた先端工具に回転力を伝達する構成である。ハンマ7とアンビル8の打撃により生じる衝撃がブラシレスモータ2に伝達される。この衝撃は磁石挿入部24に挿入された永久磁石23に伝達される。従来のように平板状の永久磁石を用いる場合、永久磁石の外周側に位置する外周部29は、径方向において永久磁石からロータ外周部までの厚みが厚くなってしまう。ロータに伝達された衝撃力は永久磁石に加わるが、外周部29は厚いため衝撃力によって変形して緩衝することができない。そのため、永久磁石が破損してしまう可能性がある。これに対して本実施の形態は、永久磁石を円弧状に構成することで外周部29が薄くできるため、永久磁石に衝撃が加わっても外周部29が変形して衝撃を緩和することができ、永久磁石の破損を防止することができる。特に、永久磁石として割れやすいサマリウムコバルト磁石を使用した場合や、薄型のネオジム磁石を使用した場合に有効である。すなわち、上述したような永久磁石の形状と配置を組み合わせることにより、インパクトドライバ等の打撃力が発生する電動工具に使用することができる。
Although the
図3(B)では、図3(A)と異なり、永久磁石23の外周側の面は、シャフト21が曲率中心側となる湾曲面(好ましくはシャフト21を中心とする円弧面)に沿う3つの平面からなる。この場合も、従来のように平板状の永久磁石を用いる場合と比較して、永久磁石23の外周側の表面積が大きく、磁束量が増して高出力化に有利である。図3(B)におけるその他の点は図3(A)と同様であり、同様の作用効果を奏する。
3B, unlike FIG. 3A, the surface on the outer peripheral side of the
図3(C)では、図3(A)と異なり、永久磁石23の内周側の面は単一の平面からなる。また、永久磁石23の内周側の面の両端には面取り部28が設けられていない。図3(C)におけるその他の点は図3(A)と同様であり、同様の作用効果を奏する。
3C, unlike FIG. 3A, the inner peripheral surface of the
図3(D)では、図3(A)と異なり、永久磁石23の外周側の円弧状湾曲面30aがロータコア22から露出し、円弧状湾曲面30aの軸周り方向両端側に円弧状湾曲面30aから凹んだ段差面30bが設けられる。また、図3(A)では磁石挿入部24が孔であったが、図3(D)では磁石挿入部24はロータコア22の外周面に設けられた溝である。ロータコア22は、永久磁石23の段差面30bを覆う抜止め部26を有する。抜止め部26が段差面30bを係止することで永久磁石23の外周側への抜けが防止される。図3(D)におけるその他の点は図3(A)と同様であり、同様の作用効果を奏する。また、抜止め部26が図3(A)等の外周部29と同様に、従来の外周部と比較して薄くなっているため、永久磁石に加わる衝撃力を緩和することができるため永久磁石の破損を防止することができる。
3 (D), unlike FIG. 3 (A), the arcuate
図3(E)では、ロータの4極に対し平板状の永久磁石23を8つ、すなわちロータの1極につき永久磁石23を2つ用いる。各々の対を成す2つの永久磁石23は、シャフト21が曲率中心側となる湾曲面(好ましくはシャフト21を中心とする円弧面)に沿う配置である。4つの磁石挿入部24(孔)はそれぞれロータの同じ極に属する2つの永久磁石23を挿入保持する。図3(E)のようにロータの1極につき永久磁石23を2つ用いることで、従来のようにロータの1極につき永久磁石23を1つのみ用いる場合と比較して永久磁石23の外周側の表面積(1極あたりの表面積)を大きくすることができ、磁束量を増やすことができ高出力化に有利である。また、外周部29の厚みも薄くできるため、永久磁石23に衝撃が加わった際に変形することで衝撃を緩和できるため、永久磁石の破損を防止することができる。
In FIG. 3E, eight plate-like
以下、ステータ側の各種パラメータについて説明する。 Hereinafter, various parameters on the stator side will be described.
ステータ外径(ステータコア31の外径)は、48.5±2mmとする。ステータ外径を大きくするほどステータコア31のヨーク部32を太くして磁束を出しやすい(高出力化に有利である)とともに、太い線径のコイルを巻けるので銅損低減により温度上昇を低減できる。従来、ブラシレスモータ2を収納する本体胴体部1aの最大外径はブラシレスモータ2の先端側の機構部(例えば減速機構3からハンマ7までの機構)の外径で決まっていた。本体胴体部1aの最大外径は作業性に影響するため大きくしないという制約の下で、ステータ外径は、機構部の外径とほぼ同等の48.5±2mmとする。また、ステータ厚さ(ステータコア31の軸方向長さ(積厚))は、電動工具の全長の制約の中でできるだけ長い8〜12mmとする。
The outer diameter of the stator (outer diameter of the stator core 31) is 48.5 ± 2 mm. As the stator outer diameter is increased, the
ティース幅(ティース部33の幅)は5.4〜6.6mmとし、ヨーク幅(ヨーク部32の幅)はティース幅の1/2とする。図5は、ティース部33に流れる磁束量(縦軸)とティース幅(横軸)の特性図である。縦軸はティース幅4.8mmにおける磁束量を100%とする比率で示している。本図に示すように、ティース幅を6mm以上に大きくしても磁束量はほとんど変わらず高出力化に寄与しないで、ティース幅の最適値は6mmであることが分かる。このため、ティース幅は6mmの近傍(6mm±10%)とする。また、ステータコア31において、ヨーク部32に流れる磁束量は、図4に示すようにティース部33に流れる磁束量の1/2である。このため、ヨーク幅はティース幅の1/2とする。
The teeth width (the width of the tooth portion 33) is 5.4 to 6.6 mm, and the yoke width (the width of the yoke portion 32) is 1/2 of the teeth width. FIG. 5 is a characteristic diagram of the amount of magnetic flux (vertical axis) and the tooth width (horizontal axis) flowing through the
図6は、ブラシレスモータ2の回転数(横軸)と、120mmのビス締めに要する時間(左側の縦軸)及び運転電流(右側の縦軸)との特性図である。ブラシレスモータ2の回転数は、実作業時のブラシレスモータ2のトルク範囲(例えば0.15〜0.20N・m)のうち0.15N・mにおける回転数であり、コイル35の巻数を変えることで変化させている。なお、所定のトルクにおける回転数はモータ特性測定装置にて測定可能である。また、ブラシレスモータ2に印加する電圧(電池パック11の電圧)は14.4Vで、デューティ比は100%としている。一般的に、コイル巻数を減らせばモータ回転数が増加し、コイル巻数を増やせばモータ回転数が低下する関係にある。ビス締めを例えば5秒以下まで高速化するためには、図6から明らかなようにブラシレスモータ2の回転数を14600min-1(rpm)以上とする必要がある。一方、図6に示すように、ブラシレスモータ2の回転数を19000min-1以上に高めても、ビス締めに要する時間は短くならず、むしろ長くなる。これは、ブラシレスモータ2の回転数が高すぎると回転打撃機構が追従しなくなるためと考えられる。よって、ブラシレスモータ2の回転数を14600〜19000min-1(図6の点線の範囲内)とすることが重要である。ブラシレスモータ2の回転数は、電池パック11の定格電圧14.4〜18V(最大電圧16〜20V)のときに、実作業時のブラシレスモータ2のトルク範囲(例えば0.15〜0.20N・m)の全域で14600〜19000min-1にすることが可能であるとよい。このため、ステータ外径、ステータ厚さ、ティース幅、及びヨーク幅を上記の範囲にするとともに、コイル35の巻数を8.5〜11.5ターン/スロットとする。特に、運転電流とビス締め時間のバランスを考えるとブラシレスモータ2の回転数は15600min-1が最適であり、コイル35の巻数は10.5ターン/スロットが最適である。
FIG. 6 is a characteristic diagram of the rotation speed (horizontal axis) of the
図7はコイル35のターン数とブラシレスモータ2の回転数との特性図である。従来(図中の▲)はターン数が12.5ターン/スロットと多いため回転数が13500min-1となり低い。これに対し、コイル35の巻数を8.5〜11.5ターン/スロットとすると(図中の●)回転数を14600〜19000min-1にすることが可能である。一方、運転電流を大きくしすぎるとブラシレスモータ2の温度上昇が問題になる場合がある。コイル35の線径は、できるだけ太くして銅損を減らすのが好ましく、ここではスロットサイズとの関係も考慮して1.1〜1.3mmとする。また、図1に示すように電動工具の全長は120〜138mmとする。なお、スロット面積(スロットサイズ)は、ステータ外径が48.5±2mm(46.5mm〜50.5mm)で外径の二乗に比例する。ステータ外径が48.5mmのときのスロット面積は28.7mm2であるから、スロット面積の最小値は、28.7×(46.5/48.5)2=26.4mm2、同様に最大値は31.1mm2となる。従って、スロット面積は26.4mm2〜31.1mm2が最適である。
FIG. 7 is a characteristic diagram of the number of turns of the
また、図8はブラシレスモータ2のトルクと回転数との特性図である。従来(図中の○)はトルクが0.15〜0.20N・mの領域において14600min-1以上の高い回転数とすることができなかった。これに対し、ステータ外径、ステータ厚さ、ティース幅、及びヨーク幅を上記の範囲にする設定することにより(図中の□)、トルクが0.15〜0.20N・mの領域でブラシレスモータ2の回転数を14600〜19000min-1にすることが可能となる。なお、この特性は、ブラシレスモータ2に印加する電池パック11が定格14.4Vで満充電の状態であって、ティース幅が6.0mm、ヨーク幅が3.0mmの場合である。
FIG. 8 is a characteristic diagram of torque and rotation speed of the
本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。 According to the present embodiment, the following effects can be achieved.
(1) 図3(A)〜(E)で説明したとおり、従来と比較して永久磁石23の外周側の表面積が大きいため、磁束量が増して高出力化に有利である。また、高価なネオジム磁石に替えて安価な例えばサマリウムコバルト磁石を用いても必要な磁束量を得ることができ、低コスト化に有利である。
(1) As described with reference to FIGS. 3A to 3E, the surface area on the outer peripheral side of the
(2) 上記の構成によりインパクト工具の実作業トルク範囲においてブラシレスモータ2の回転数を14600〜19000min-1にすることができるため、従来構成(12800〜13500min-1)と比較して1本あたりのビス締め時間を短くすることができ、作業効率が高められる。
(2) Since the rotation speed of the
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。 The present invention has been described above by taking the embodiment as an example. However, it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to each component and each processing process of the embodiment within the scope of the claims. By the way. Hereinafter, modifications will be described.
永久磁石23の形状工夫による高出力化に関しては、電動工具は実施の形態で例示したインパクトドライバに限定されず他の種類の電動工具であってもよく、またステータ側の各種パラメータも特に限定されない。
Regarding the increase in the output by devising the shape of the
1 ハウジング、1a 本体胴体部、1b ハンドル部、2 ブラシレスモータ、3 減速機構、4 スピンドル、5 スプリング、6 スチールボール、7 ハンマ、8 アンビル、9 先端工具取付穴、10 トリガ、11 電池パック、21 シャフト、22 ロータコア、23 永久磁石、24 磁石挿入部、25 仕切り部、26 抜止め部、27 シャフト挿入穴、28 面取り部、29 コア外周部、30a 円弧状湾曲面、30b 段差面、31 ステータコア、32 ヨーク部、33 ティース部、34 インシュレータ、35 コイル
DESCRIPTION OF
Claims (12)
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2012
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