JP2015070788A - 電気駆動原動機を制動する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子整流型電動機を制動する方法において、技術的コストを少なくして非常に短い制動時間が得られるように構成する。
【解決手段】ロータ（９）を制動するため、電子スイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を介して複数の界磁コイル（３，４，５）のそれぞれ２つの位相接続部（Ｕ−Ｖ，Ｖ−Ｗ，Ｗ−Ｕ）の間に所定の時間系列で位相短絡を形成させ、他の前記位相接続部（Ｗ，Ｕ，Ｖ）を開いたままにする。前記電子スイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を介して短絡させる前記位相接続部（Ｕ−Ｖ，Ｖ−Ｗ，Ｗ−Ｕ）は、回転している前記ロータ（９）の磁場（２１）によって生成される誘導電圧（Ｕ_Ｉ）がその最大値を通るような前記界磁コイル（３，４，５）が短絡されるように、前記ロータ（９）の回転位置に対応して選定される。
【選択図】図７

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、ステータとロータとを備えた電気駆動原動機を制動する方法に関するものである。

電気駆動原動機、特に直流モータ（ＤＣモータ）またはブラシレス直流モータ（ＥＣモータ）は、手で操縦される作業機の工具を駆動する電気駆動装置として知られている。この種の可搬式作業機とはドリル機、コードレスドライバー、パワーチェーンソー、砥石型切断機、送風機、刈払い機、剪定ばさみ機等の作業機である。

ブラシレス電子整流型３相直流モータ(BEC-Motor / Brushless Electronically Commutated Motorまたは単にEC-Motor/Electronically Commutated Motor)を作動させるには、ステータの位相接続部を通電させて直流モータのロータを駆動する回転磁場を生成させる制御回路用の電子制御ユニットが必要である。この種の制御回路は特許文献１に記載され、好ましくはＭＯＳＦＥＴ等の電子パワースイッチから成っている。第１の位相接続部から次の位相接続部へのステータの通電の切換えはロータの位置に依存して行われ、ロータの位置は適当な手段によって確定される。ロータの位置を検知するために磁場センサ、いわゆるホールセンサが使用されることが多い。ホールセンサは回転しているロータの磁場に応答して出力信号を出力する。たとえば３つのホールセンサをステータの周方向に配置すれば、制御ユニットはホールセンサの出力信号を評価することによってロータの回転位置を正確に検知し、この回転位置に適合するように付設の界磁コイルを通電する。

たとえばパワーチェーンソーのような手で操縦される可搬式作業機は、たとえばソーチェーンのような工具を迅速に停止させるために、たとえば特許文献２に記載されているような安全制動装置を必要とする。この種の安全制動装置は駆動装置の従動側に配置され、工具を迅速に停止させることを保証するためのものである。安全制動装置が起動すると、工具は停止までほぼ１２０ｍｓｅｃの範囲で制動されて停止する。

電気駆動原動機をたとえばパワーチェーンソーのような手で操縦される可搬式作業機で使用する場合、たとえば特許文献３に記載されているような電気制動システムも使用される。駆動電動機はその界磁コイルを短絡することによって制動されるが、その際に得られる制動時間は満足なものではなく、また安全制動装置を使用することができない。それ故、工具をほぼ１２０ｍｓｅｃの範囲で制動するためには、帯ブレーキとして実施される安全制動装置が必要である。

手で操縦される可搬式作業機にバッテリー装置を装備させると、必要なバッテリーパックによって作業機の総重量が大きくなり、迅速な停止に必要な補助ブレーキ装置がこの重量をさらに増大させる。というのは、安全製造装置は構造的に複雑であり、重いからである。

独国特許出願公開第１０２０１００２０２１５Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０２４１７０Ａ１号明細書 独国特許第３５３０６８５Ｃ２号明細書

本発明の課題は、電子整流型電動機を制動する方法において、技術的コストを少なくして非常に短い制動時間が得られるように構成することである。

この課題は、請求項１の特徴ある構成によって解決される。

電子整流型駆動原動機のロータを制動するため、ロータを駆動するためのモータ３相の位相接続部を電圧源と接続させる電子スイッチを使用する。本発明によれば、電気駆動原動機を駆動電圧から切り離し、ロータを制動するため、電子スイッチを介して界磁コイルのそれぞれ２つの位相接続部の間に所定の時間系列で位相短絡を形成させ、他方他の位相接続部は開いたままにする。電子スイッチを介して短絡させる位相接続部は、回転しているロータの磁場によって生成される誘導電圧がその最大値を通るような界磁コイルが短絡されるように、ロータの回転位置に対応して選定される。

従って、本発明によれば、モータ相の位相接続部を継続的に短絡させるのではなく、ロータの回転位置に依存して、ロータの電気回転角を制限するためのそれぞれ２つの位相接続部のみを介して位相短絡を行なう。これを短絡制御と呼ぶ。短絡制御の処置により、多相電気駆動原動機の制動時間を特に高回転数から急激に低下させることができることが明らかになった。３相駆動モータの場合には、ほぼ１００００回転／分の高回転数から、３つの位相接続部のすべてを制動過程中全体にわたって短絡させたままにしておくいわゆるハードな短絡による制動時間に比べて、著しく短い制動時間を得ることができた。３相駆動原動機の場合、ハードな短絡の場合よりも５０％以下だけ短いロータ停止までの制動時間を測定できた。

さらに、本発明に従って３相モータを短絡制御する場合、コイルおよび電子部品の電流負荷は平均してハードな短絡の場合よりも小さい。従って本発明による短絡制御は、駆動原動機および電子制御部品の電流負荷を小さくして制動時間を著しく短くさせる。

本発明に従って、１つの界磁コイルが誘導電圧の最大値の範囲にあるときには常に界磁コイルから界磁コイルへと整流することにより、１回の電気回転にわたって、界磁コイル内を流れる制動電流を生成させ、個の制動電流が主に減速トルクのみを発生させてロータを急激に制動する。有利には、誘導電圧が電気角のほぼ４０゜ないし７０゜の後にゼロ通過点を通過した界磁コイルを常に短絡させる。短い制動時間と部品の小さな電流負荷とから成る好適な整流は、誘導電圧が電気角のほぼ６０゜の後にゼロ通過点を通過した多相モータの界磁コイルを短絡させるならば、達成される。

第１の界磁コイルでの第１の位相短絡から、ロータの回転方向とは逆の方向に続いている界磁コイルの次の位相短絡への切換えは、好ましくはそれぞれ６０゜の電気角の後に行なわれる。これにより、１つの界磁コイルが、誘導電圧の最大値前の３０゜の電気回転角にわたって、誘導電圧の最大値後の３０゜の電気回転角まで短絡されることが達成される。

本発明の有利な実施態様では、３相モータ内に回転磁場を生成させるために３つの界磁コイルが設けられ、これらの界磁コイルは互いに電気接続され、複数のスイッチを介して供給電圧に接続される。

３相駆動モータの場合には、制動を行うため、第１のステップで、第１の界磁コイルの位相接続部を付設のスイッチを介して短絡させ、その結果制動電流が第１の界磁コイルを介して流れ、直列回路としての第２および第３の界磁コイルは第１の界磁コイルに対し並列に位置する。第２のステップでは、ロータの機械的回転方向とは逆方向に続く第２の界磁コイルの位相接続部を付設のスイッチを介して短絡させ、その結果制動電流が第２の界磁コイルを介して流れ、直列回路としての第３および第１の界磁コイルは第２の界磁コイルに対し並列に位置する。第３のステップでは、ロータの機械的回転方向とは逆方向に続く第３の界磁コイルの位相接続部を付設のスイッチを介して短絡させ、その結果制動電流が第３の界磁コイルを介して流れ、直列回路としての第１および第２の界磁コイルは第３の界磁コイルに対し並列に位置する。これら３つのステップは連続的に反復され、すなわちロータの回転数が所定の下限回転数に達するまで反復する。

ロータの１回の電気回転にわたって、複相モータの、特に３相モータの各界磁コイルを２回短絡させる。

１つの界磁コイルの各位相接続部をスイッチを介して供給電圧のハイサイドへ１回接続させ、且つスイッチを介して供給電圧のロウサイドへ１回接続させる。ロータの１回の電気回転にわたって１つの界磁コイルの位相接続部をロウサイドのスイッチを介して１回短絡させ、且つハイサイドのスイッチを介して１回短絡させる。

高出力の３相電動機を得るため、ステータの界磁コイルを電気三角回路内で結線する。従って、それぞれ２つの界磁コイルの間に３相電動機の１つの位相接続部が形成されている。位相短絡が第１の界磁コイルの２つの位相接続部を介して行われると、直列回路の他の界磁コイルは第１の界磁コイルに対し並列である。これにより、短絡させた界磁コイル内に制動電流が流れるばかりでなく、他の界磁コイルの直列回路内にも制動電流が流れるが、この電流成分は短絡させた界磁コイル内に流れる制動電流よりも小さい。

本発明による制動方法により、ロータを停止まで急速に制動することが達成される。

本発明の簡潔な構成では、ロータの回転位置をセンサを介して、合目的にはホールセンサを介して確定する。本発明の他の構成では、ロータの回転位置をセンサなしで、特に界磁コイル内に誘導される電圧または誘導される電流の大きさおよび／または推移を介して確定することもできる。これとは択一的に、ロータの回転位置を、誘導によって生じる誘導電流を評価することによっても確定することが可能である。

本発明の更なる構成では、本発明による方法は、作業機において、特に手で操縦される可搬式作業機において、電気駆動原動機によって駆動される工具を停止させるための安全制動装置として使用される。この場合、機械的な安全制動装置は設けずに済む。可搬式作業機とは、特にパワーチェーンソー、砥石型切断機、または剪定ばさみ機である。

本発明の他の構成は、他の従属項、以下の説明、図面から明らかである。

図面には、以下に詳細に述べる本発明の実施形態が図示されている。
整流用電子制御ユニットを備えたブラシレス直流モータ（ＥＣモータ）の図である。 ＥＣモータを第１のロータ位置で示した図である。 図２の３相ＥＣモータを、ロータが回転方向にさらに３０゜回転した位置で示した図である。 図３の３相ＥＣモータを、ロータが回転方向にさらに３０゜回転した位置で示した図である。 図４の３相ＥＣモータを、ロータが回転方向にさらに３０゜回転した位置で示した図である。 図５の３相ＥＣモータを、ロータが回転方向にさらに３０゜回転した位置で示した図である。 ３相ＥＣモータの１つの界磁コイル内に発生する誘導電圧を３６０゜の電気角度にわたって召した図である。 ロータの回転の際に発生するホールセンサの出力信号と、コイル内に誘導される電圧とを、短絡制御用の論理表で示した図である。 位相短絡の際に発生するコイル電流を、第１の界磁コイルから回転方向において次の界磁コイルへの整流前後において示した図である。 界磁コイル内に誘導される電圧を示す図である。 本発明に従って整流によって短絡制御する際のロータの電気角、発生するコイル電流、これから生じる全トルクを示す図である。 ＥＣモータのステータの界磁コイルを星形回路に配置した図である。 本発明による工具制動回路を備えたパワーチェーンソーの図である。 ハードな短絡と短絡制御とを比較するための、制動時間と回転数との関係を示すグラフである。 駆動原動機と工具とを制動するための本発明による制動回路を備えた剪定ばさみ機の図である。

図１には、電子整流型電動機１が図示されている。電子整流型電動機１はいわゆるBrushless Electronically Commutated Motor (BEC-Motor)またはElectronically Commutated Motor (EC-Motor)として構成されていてよい。この種の電子整流型電動機１は、界磁コイル３，４，５を備えたステータ２を有している。界磁コイル３，４，５は、本実施形態では電気的に三角回路６として接続されている。この三角回路６内では、互いに隣接しあっている界磁コイル３，４，５のコイル端が互いに電気接続されており、その際このコイル装置のそれぞれ２つの界磁コイル３，４，５の間には電気位相接続部Ｕ，Ｖ，Ｗが形成されている。以下では、本発明をこの三角回路６を用いて説明する。図１２に示すように、界磁コイル３，４，５はいわゆる星形回路１６の形態でも互いに接続されていてよい。星形回路の場合には、３つのコイル端が接続されて１つの共通のスターポイント７が形成される。界磁コイル３，４，５の、残っているコイル接続部は、星形回路１６の位相接続部Ｕ，Ｖ，Ｗを形成する。

ステータ２には、回転軸線８のまわりに回転するロータ９が付設されている。図示した実施形態では、ロータ９は、その最も簡潔な構成で、Ｎ極ＮとＳ極Ｓとを備えた２極永久磁石の形態で図示されている。

ロータ９は、ステータ２内で回転するロータとして構成されていてよい（内側回転体）。ロータ９をグラス状に構成し、ステータ２の極２３，２４，２５（図２）の上に巻回される界磁コイル３，４，５の配置とオーバーラップさせてもよい。このように構成された電動機１はいわゆる外側回転体型のものである。

ロータ９は、界磁コイル３，４，５によって生成される回転磁場内で回転駆動される。このためには、界磁コイル３，４，５の配置によって形成される回転磁場をロータ９の回転方向２０において連続的に切換えることが必要である。これは、図示したブラシレス直流モータの場合、電子整流によって行われる。このため、界磁コイル３，４，５の装置の位相接続部Ｕ，Ｖはサーボユニット１０を介して所定のシーケンスで供給電圧Ｕ_Ｖの作用を受ける。供給電圧Ｕ_Ｖは電圧源１１によって直流電圧として提供される。電圧源１１は好ましくはアキュムレータであり、たとえば、供給電圧Ｕ_Ｖを電動機１の作動のために提供する、リチウムをベースにした化学畜電池である。

サーボユニット１０は、回路遮断器として多数のＭＯＳＦＥＴ Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を有している。これらのＭＯＳＦＥＴを介して、界磁コイル３，４，５の装置の各位相接続部Ｕ，Ｖ，Ｗを供給電圧Ｕ_Ｖのプラス極（ハイサイド）および供給電圧Ｕ_Ｖのマイナス極（ロウサイド）と交互に接続させることができる。ＭＯＳＦＥＴ Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、有利にはマイクロプロセッサを含んでいる制御ニット１２を介して制御される。このため、制御ユニット１２は制御線１３を介してＭＯＳＦＥＴ Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のそれぞれの制御接続部１４と接続されている。制御ユニット１２には、さらにセンサ線１５を介して、ホールセンサ１７，１８，１９の出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３（図８）が供給される。ホールセンサ１７，１８，１９はステータの周方向に互いに間隔をもって配置され、回転しているロータ９の磁場に応答する。ホールセンサ１７，１８，１９の出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３（図８）を介して制御ユニット１２はロータ９の回転位置を検知することができ、ロータ９の回転位置に応じてＭＯＳＦＥＴ Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を制御する。

たとえば位相接続部ＵとＶにトルクを形成する整流子電圧を印加させるため、ＭＯＳＦＥＴ Ｈ１とＬ２を通電し、その結果界磁コイル５を介して、トルクを形成させる整流子電流Ｉ_Ｋを形成させることができる。界磁コイル５を介して形成させる整流子電流Ｉ_Ｋは矢印で示唆している。通電される界磁コイル５に対し並列に位置している２つの界磁コイル３と４を介して半分の大きさの電流Ｉ_Ｒが流れる。

ホールセンサ１７，１８，１９を介して、回転方向２０でのロータ９の更なる回転が検知され、このときのロータ９の回転位置に対応して、角度に適合して、位相接続部Ｖ，Ｗを備えた界磁コイル３へ切換える。このようにしてロータ９のその都度の回転位置に対応する駆動回転磁場が生成される。

すべてのＭＯＳＦＥＴ Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が遮断状態にあれば、すなわち遮断回路が開いていれば、外部から位相接続部Ｕ，Ｖ，Ｗに駆動電圧は印加されない。ロータ９が回転方向２０にさらに回転すると、界磁コイル３，４，５を、ロータ９の回転位置に応じて該ロータの磁場２１が貫通する。回転している永久磁石の、界磁コイル３，４，５を貫通している磁束は、１つのコイル内に誘導電圧Ｕ_Ｉを誘導する。その大きさは単位時間当たりの磁束密度の変化に依存している。

図２ないし図６には、極２３，２４，２５を備えた１つのステータ２が図示されている。極２３，２４，２５はステータ２の周方向に等しい周角２８で互いに間隔をもって位置している。各極２３，２４，２５は界磁コイル３，４，５を担持し、これら界磁コイルは、本実施形態では、三角回路６（図１）内で互いに電気接続されている。図２のロータ位置では、界磁コイル５の磁束密度がもっとも大きく、図２の位置から図５の位置へロータ９がさらに回転すると、最小値へ低下し、または、ゼロ通過点をもつにいたる。図３で、ロー９がさらに３０゜だけ回転することにより、界磁コイル３内に誘導される電圧Ｕ_３はゼロ通過点を持ち、他方誘導電圧Ｕ_５は低下し、電圧Ｕ_４は増大する。図４に示したようにロータ９がさらに３０゜回転すると、界磁コイル４内に最大誘導電圧Ｕ_４が発生し、他方誘導電圧Ｕ_５はさらに低下し、誘導電圧Ｕ_３はさらに増大し、すなわち大きくなる。図５では、界磁コイル５内に誘導される電圧Ｕ_５はゼロ通過点を有し、他方誘導電圧Ｕ_３はさらに増大し、誘導電圧Ｕ_４はさらに低下する。ロータ９が回転方向２０でさらに回転すると、誘導電圧Ｕ_５は再び最大値（図６）まで上昇するが、この時点で誘導電圧Ｕ_５の極性が交替または回転する。というのは、１８０゜の回転が実施されてＳ極ＳとＮ極Ｎの位置が交替したために、磁場２１の磁力線が界磁コイル５を１８０゜回転して貫通するからである。図９では、磁場２０の、界磁コイル５を貫通している磁力線は、ロータの回転方向２０に延びている。図２では、磁場２０の、界磁コイル５を貫通している磁力線は、ロータの回転方向２０とは逆方向に延びている。

この時点で、本発明に従って、ロータ９を作動させるために、回転しているロータ９によって誘導される電圧Ｕ_３，Ｕ_４，Ｕ_５がその最大値をとるような界磁コイル３，４，５を常に短絡させると、図２では界磁コイル５が短絡し、図では界磁コイル４が短絡する。また、図６では界磁コイル５が短絡する。

図７には、図２ないし図６の界磁コイル５内での電圧Ｕ_５に対する誘導電圧Ｕ_Ｉの推移が３６０゜の電気角にわたって図示されている。界磁コイル５が図２のロータ９の位置で短絡されると、誘導電圧Ｕ_１は正の制動電流Ｉ_Ｂになり、この正の制動電流Ｉ_Ｂは対応する制動トルクＭ_Ｂになる。

誘導電圧Ｕ_Ｉが極性を変えると、これは対応する負の制動電流Ｉ_Ｂになり、この場合誘導電圧が正の範囲から負の範囲へ交替するときに整流が行なわれ、すなわちゼロ通過点で整流が行なわれ（整流Ｋ）、これによって、制動中に界磁コイル５を流れる電流は正のトルクを発生させることができず、すなわち駆動トルクを発生させることができない。

従って、本発明によれば（「短絡制御」とも呼ぶことができる）、ロータの位置に依存した整流Ｋを行うことで、界磁コイル３，４，５内の制動電流Ｉ_Ｂと界磁コイル３，４，５内に誘導される電圧Ｕ_３，Ｕ_４，Ｕ_５との間での位相ずれの問題を解消する。本発明による整流Ｋにより、制動電流Ｉ_Ｂを、誘導される電圧Ｕ_３，Ｕ_４，Ｕ_５と同期化させることができる。このことは、コイル電流がロータ制動中に駆動トルクを発生させないようにするには、１つの界磁コイル内での誘導電圧の電気角がゼロ通過点をもっている場合には常に、この界磁コイルによる制動電流も同じ方向でゼロ通過点を有していなければならないことを意味している。この点を図６で、それぞれ整流Ｋを示す垂直方向の実線で示した。

電動機１のロータを駆動するため、ロータ９の回転位置に依存して、サーボユニット１０のＭＯＳＦＥＴ Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ２，Ｌ３を介して界磁コイル３，４，５のそれぞれの位相接続部Ｕ，Ｖ，Ｗに供給電圧Ｕ_Ｖが印加される。回転しているロータ９が界磁コイル３，４，５内に電圧を誘導するので、印加される供給電圧Ｕ_Ｖは、回転しているロータ９によって界磁コイル３，４，５内に生成される誘導電圧よりも大きくなければならない。供給電圧とは逆方向のこの誘導電圧Ｕ_Ｉは、BEMF(Back electromotive Force)電圧とも呼ばれる。供給電圧Ｕ_ＶがＢＥＭＦ電圧よりも大きければ、それぞれの界磁コイルに駆動電圧Ｕ_Ａが生じる。ロータの回転数が増大すると、誘導電圧Ｕ_Ｉは大きくなる。誘導電圧Ｕ_Ｉが印加された供給電圧に接近したときには、電動機の最大回転数が存在する。ロータ９を制動するために誘導電圧Ｕ_Ｉを利用する場合には、界磁コイルを供給電圧Ｕ_Ｖから切り離し、且つ界磁コイルを短絡させ、その結果界磁コイル内に発生する誘導電圧はロータを制動するための制動電圧Ｕ_Ｂとして利用される。

界磁コイルは自然誘導を持ち、界磁コイルにおいては電流は電圧よりも遅れるので、誘導電圧の極性が交替し、そのときに正の電流がまだ流れていれば、ロータを駆動するトルクが発生する可能性がある。このトルクは制動にとって不具合なものであり、制動時間を延長させる。それ故、図７に示したように、適当に性粒Ｋを行うことによって、誘導電圧Ｕ_Ｉの極性交替の際に制動電流のゼロ通過を強制的に発生させる。ロータ９を制動するため、ＭＯＳＦＥＴとして構成されたスイッチを介して、それぞれ２つの位相接続部（たとえばＵ，Ｖ）を所定の時系列で短絡させ、他の位相接続部Ｗは開いたままにする。短絡される位相接続部のスイッチまたはＭＯＳＦＥＴ Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ２，Ｌ３は、ロータ９の回転位置に対応して、常に界磁コイル３，４，５が短絡され、該界磁コイル内で、回転するロータ９によって誘導される電圧Ｕ_３，Ｕ_４，Ｕ_５が最大値を通過するように選定される。

接続されている位相短絡の列を図８に示す。上側の信号はホールセンサ１７，１８，１９の出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３である。ホールセンサ１７，１８，１９は、ステータの周部に、１２０゜の電気角にわたって出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を出力するように、配置されている。ステータの周方向には３つのホールセンサ１７，１８，１９が配置され、これらのホールセンサは、６０゜の角度部分に対してはこれら３つのホールセンサ１７，１８，１９すべてが同じ出力信号Ｕ_３，Ｕ_４，Ｕ_５を出力しないように、互いにずらして位置している。これにより、３つのホールセンサ１７，１８，１９の出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３から、（３６０゜の電気角に対して）６０゜のどの角度部分Ｗ１ないしＷ６にロータ９があるかを検知することが可能になる。

ホールセンサの出力信号の下には、界磁コイル３，４，５内に誘導される電圧Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３が図示されている。誘導される各電圧Ｕ_３，Ｕ_４，Ｕ_５は、３６０゜の電気角にわたってほぼ正弦状の推移を有し、その際各信号Ｕ_３，Ｕ_４，Ｕ_５は角度部分Ｗ１ないしＷ６の１つで正のまたは負の最大値を有している。

本発明による短絡制御方法は、１つの界磁コイル３，４，５がその誘導電圧Ｕ_３，Ｕ_４，Ｕ_５（ＢＥＭＦ電圧）の最大値を通過したときには常に、この１つの界磁コイル３，４，５が短絡されるようになっている。たとえば界磁コイル５の角度部分Ｗ１で最大の（負の）電圧Ｕ_５があれば、好ましくは６０゜の電気角のこの角度部分Ｗ１で位相接続部ＵとＶを短絡させ、すなわち界磁コイル５を短絡させる。誘導電圧の最大値をもっている、これに電気的に続いている界磁コイル３に対する整流は、好ましくは、この界磁コイル３内に誘導された電圧が所定の閾値を越えた瞬間に行ない、すなわち整流Ｋ１の時点で行う。このケースでは、位相接続部Ｖ−Ｗが短絡され、その結果界磁コイル３が短絡される。界磁コイル４がその誘導電圧Ｕ_４の最大値を越えると、所定の電気角の後に、界磁コイル４に対する次の整流Ｋ２を行う。すなわち位相接続部Ｕ−Ｗを短絡させる。これに続いて、整流Ｋ３の時点で再び位相短絡を界磁コイル５を介して行う。すなわち位相接続部Ｕ−Ｖを短絡させる。というのは、次の角度部分Ｗ４で誘導電圧の最大値が界磁コイル５で発生するからである。次の整流Ｋ４のために、位相接続部Ｖ−Ｗを介して界磁コイル３の短絡を行う。というのは、角度部分Ｗ５で界磁コイル３に誘導電圧Ｕ_３の最大値が通過するからである。整流Ｋ５の時点で再び界磁コイル４に切換える。というのは、角度部分Ｗ６で界磁コイル４内に（負の）誘導電圧Ｕ_４の最大値が印加されるからである。さらに６０゜の電気角の後に、整流Ｋ６の時点で再び界磁コイル５に切換え、すなわち位相接続部Ｕ−Ｖを短絡させる。このようにして、３６０゜の電気角にわたって、６０゜の電気角ごとに、機械的な回転方向とは逆方向に続いている界磁コイルに切換えられる。というのは、ロータ９が回転しているために、機械的な回転方向とは逆の方向に続いているコイル内に最大誘導電圧が達成されるからである。ロータ９の電気的な回転を介して各界磁コイル３，４，５は２回短絡される。

短絡された界磁コイル内と、（三角回路６において）並列な界磁コイル内とに流れる電流は、ロータをもっぱら減速させる制動トルクＭ_Ｂを生成させる制動電流を形成する。整流Ｋ１ないしＫ６によって、１つの界磁コイル内の誘導電圧Ｕ_Ｉがそれぞれの界磁コイル内の制動電流と常に同期し、その結果制動を行う制動トルクＭ_Ｂのみが発生することが達成される。このような整流により、コイルの誘導性により生じる電圧と電流との位相ずれは、制動中に起こりうるロータを加速させるような駆動トルクが減少或いは十分に回避されるように、制御されることができる。適当にコントロールすることにより、制動中にロータを加速させる駆動トルクを抑止することも達成できる。

図９には、界磁コイル５から界磁コイル３への整流が図示されている。第１の状態では、界磁コイル５が短絡され、すなわち位相接続部ＵとＶが短絡されている。界磁コイル５内に誘導される電圧Ｕ_５は最大値を有し、対応的に大きな制動電流Ｉ_Ｂが界磁コイル５を介して流れる。

位相接続部Ｕ−Ｖを介しての位相短絡状態は、実線で示してある。Ｕ−Ｖを介しての位相短絡に対応して、界磁コイル３と４は短絡された界磁コイル５の直列回路として並列に接続されている。界磁コイル３と４内に誘導される電圧Ｕ_３とＵ_４は、図１０に対応的に示したように、界磁コイル３と４の空間的配置に対応して合算されて、全電圧Ｕ_Ｓを形成する。全電圧Ｕ_Ｓは並列回路によって電流Ｉ_Ｒを生じさせる。

発生させた制動トルクが電圧と電流との間の位相ずれのために加速トルクへ変化する傾向が現れる前に、界磁コイル５から界磁コイル３へ整流を行う。すなわち位相接続部Ｕ−Ｖを介しての位相短絡は位相接続部Ｕ−Ｗへ引き継がれ、その結果整流後に界磁コイル３が短絡される。この状態を図９で一点鎖線で示した。

界磁コイル３を流れる制動電流Ｉ_Ｂは、（本整流において）直列回路を流れる電流Ｉ_Ｒと同じ方向に流れる。しかし、正量によって、界磁コイル４を流れる電流の方向が変化する。誘導される電圧Ｕ_４は極性を交替する。対応的に、界磁コイル４と５の直列回路を流れる電流Ｉ_Ｒの電流方向が交替する。これにより、制動トルクが短時間の加速トルクに変化する傾向を回避することができる。

図１１は、最も上の図に、３つのすべての界磁コイル３，４，５の電圧Ｕ_３，Ｕ_４，Ｕ_５としての誘導電圧Ｕ_Ｉの位相位置を一般的に示している。その下の図には、それぞれの界磁コイルに流れる制動電流Ｉ_Ｂが図示されている。その下には、制動電流Ｉ_Ｂから生じる、各コイルのための制動トルクＭ_Ｂの推移が図示されている。１つの界磁コイル５の誘導電圧Ｉ_Ｉ，制動電流Ｉ_Ｂ，生じるトルクＭは、３つのすべての図示において実線で示されている。第２の界磁コイル４のサイズは破線で示し、第３の界磁コイル３のサイズは点線で図示されている。

３６０゜の電気角にわたって６０゜ごとに１つの界磁コイルから次の界磁コイルへの整流Ｋ１ないしＫ６を行なう。

まず、６０゜の第１の角度部分Ｗ１で界磁コイル４を短絡させ（破線の特性曲線）、これにより、界磁コイル４内の制動電流のために制動部分トルクＴＭ１が生じる。この点を一番下の図に示した。この第１の角度部分Ｗ１は、界磁コイル４が誘導電圧Ｕ_４の最大値到達後のほぼ３０゜まで短絡されるように選定されている。電気角６０゜の後で、整流Ｋ１により位相接続部が界磁コイル５へ切換えられ、これによって制動部分トルクＴＭ２が生じる。この点を一番下の図に示した。さらに６０゜の電気角の後、整流Ｋ２により界磁コイル３へ切換えられ、これによって制動部分トルクＴＭ３が生じる。更なる整流Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６を介して再び界磁コイル４，５，３をそれぞれ６０゜の電気角の後に短絡させる。このようにして、制動トルクとして３６０゜の電気角にわたって制動部分トルクＴＭ１ないしＴＭ６を系列化させる。次の界磁コイルの誘導電圧がその最大値を通過するときには常にこの次の界磁コイルへ整流するように整流Ｋが選定されていることは明らかである。図７の図示では、この範囲Ｂがハッチングして示されている。図７は、１つの界磁コイルの誘導電圧がゼロ通過点を通過したときには、すなわちゼロ通過点Ｎの後のほぼ６０゜の電気角で、常にこの界磁コイルを短絡させることをも示している。

三角回路のために、短絡される界磁コイルに対しそれぞれ並列に位置している、残っている界磁コイルの直列回路は、誘導電圧とこれから生じる制動電流とを生じさせ、制動電流は制動部分トルク加算され、これによって制動トルクＭ_ＢはΔＭだけ高くなる。制動トルクＭ_Ｂのトルク推移は、図１１の一番下の図で実線で示されている。

本発明による方法は、三角回路の界磁コイルで使用可能なばかりでなく、星形回路の界磁コイルにおいても有利に使用可能である。これを図１２に図示した。星形回路に対しては、制動トルクの推移は量的に異なっている。この理由から、本発明による方法は、星形回路内に配置される界磁コイルを備えたＥＣモータにおいて使用しても同等の利点が得られる。

図１３は、手で操縦される可搬式作業機の一例としてパワーチェーンソー３０を示している。パワーチェーンソー３０はケーシング３１を有し、ケーシング３１は、後部ハンドグリップ３２と、ケーシング３１を跨ぐように延在している前部湾曲グリップ３３とを有している。パワーチェーンソー３０の長手軸線に対し横方向に配置されている湾曲グリップ３３の前方には、安全制動機構用の起動手段としての手保護部３４が設けられている。

パワーチェーンソー３０のケーシング３１内には電気駆動原動機、特に制御ユニット１２を介して制御されるＥＣモータ１（図１を参照）が設けられている。ケーシング３１内にはさらにバッテリーパック３５が設けられ、該バッテリーパック３５は電動機１および制御ユニット１２の供給電圧Ｕ_Ｖを確保する。電動機１は、電気駆動原動機として、詳細には図示していないピニオンを介して工具３６を駆動する。工具３６は、図示した実施形態では、ガイドレール３７上を周回するソーチェーン３８である。手保護部３４は、該手保護部３４の起動を検知して出力信号を制御ユニット１２へ出力するセンサ３９を有していてよい。

本発明による方法を用いると、工具３６を瞬時に停止させることができる。

手保護部３４が起動すると、これはセンサ３９を介して制御ユニット１２に報知される。制御ユニット１２は瞬時に駆動を停止させ、駆動モータを電気的に制動させる。駆動モータ内では、第１のステップで、第１の界磁コイルの位相接続部を付設のスイッチ（図１）を介して短絡させ、その結果制動電流が第１の界磁コイルを介して流れ、直列回路としての第２および第３の界磁コイルは、第１の界磁コイルに対し並列になる。第２のステップで、ロータの回転方向に続いている第２の界磁コイルの位相接続部を付設のスイッチを介して短絡させ、その結果制動電流が第２の界磁コイルを介して流れ、直列回路としての第３および第１の界磁コイルは第２の界磁コイルに対し並列になる。第３のステップで、第３の界磁コイルの位相接続部を付設のスイッチを介して短絡させ、その結果制動電流が第３の界磁コイルを介して流れ、直列回路としての第１および第２の界磁コイルは第３の界磁コイルに対し並列になる。これらのステップを、すなわちロータの回転位置に依存して位相短絡を位相接続部Ｕ，Ｖ，Ｗを介して時間系列で反復スイッチングするステップを、ロータが所定の下限回転数に達するか、または、ロータが制動されて停止するまでの間続行する。

図１４には、制動時間と回転数との関係が図示されている。上の線は、「ハードな短絡」のケース、すなわち位相接続部Ｕ，Ｖ，Ｗを同時に互いに継続的に短絡させるケースでの制動時間と回転数との関係を表わしている。下の線は、本発明による「短絡制御」を表わすもので、すなわち制動中に、誘導電圧の最大値が印加されている界磁コイルを短絡させるケースを表わしている。これにより制動時間が著しく短くなっていることが明らかであり、特にたとえば１００００回転／分の高回転数ではほぼ５０％の制動時間に短縮されている。

手で操縦される可搬式作業機の他の実施形態を図１５に示す。ここに示した作業機は剪定ばさみ機４０であり、後部ハンドグリップ４２と前部湾曲グリップ４３とを備え、前部湾曲グリップ４３は作業機の長手方向に対し横方向に位置している。剪定ばさみ機４０のケーシング４１内にはバッテリーパック４５が挿入され、バッテリーパック４５は図１３でパワーチェーンソー３０に対し説明した態様で駆動原動機を駆動し、駆動原動機は電動装置を介して工具４６を駆動する。工具４６は、本実施形態ではカッティングバー４７である。湾曲グリップ４３は、互いに相対移動可能な２つの部分シェル４４と４８から成っている。利用者が手で湾曲グリップ４３を把持すると、部分シェル４４と４８は互いに重なりあって移動し、利用者が湾曲グリップ４３を把持したことを示す接点をオンする。このいわゆる両手型安全装置は、利用者が剪定ばさみ機４０を規定どおりに把持したときだけ作動するよう保証している。片手が後部ハンドグリップまたは前部湾曲グリップから離れると、対応する接点がスイッチングされて制御ユニットがモータを停止させる。この場合も本発明による短絡制御方法を使用できる。工具４６は非常に短い制動時間で停止する。

界磁コイル３，４，５は、最大制動電流を得るためにダイレクトに短絡させることができる。図９に示したように、１つの界磁コイルを制動抵抗器５０を介して短絡させるのが合目的である。この種の制動抵抗器により、発生する短絡電流の緩衝または制限が得られ、電気的に部品にやさしいので合目的である。

１ 電子整流型電動機
２ ステータ
３，４，５ 界磁コイル
９ ロータ
２１ 磁場
Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ スイッチ
Ｕ，Ｖ，Ｗ 位相接続部
Ｕ_Ｉ 誘導電圧

Claims (17)

1. ステータ（２）とロータ（９）とを備えた電気駆動原動機を制動する方法であって、前記電気駆動原動機の前記ステータ（２）が、その周部に、互いに空間的に間隔をもって位置する複数の界磁コイル（３，４，５）を担持し、これら界磁コイルが少なくとも３つの原動機位相のための電気位相接続部（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を有し、前記ロータ（９）を駆動する回転電磁場を生成させるため、前記電気位相接続部（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に電子スイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を介して供給電圧（Ｕ_Ｖ）が供給され、前記電子スイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）が制御ユニット（１２）により操作され、該制御ユニットが前記ロータ（９）の回転位置に依存して前記電子スイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）閉じ、回転している前記ロータ（９）を前記電気位相接続部（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の短絡によって制動するために制動電流（Ｉ_Ｂ）を生成させるようにした前記方法において、
   前記ロータ（９）を制動するため、前記電子スイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を介して前記界磁コイル（３，４，５）のそれぞれ２つの前記位相接続部（Ｕ−Ｖ，Ｖ−Ｗ，Ｗ−Ｕ）の間に所定の時間系列で位相短絡を形成させ、他の前記位相接続部（Ｗ，Ｕ，Ｖ）を開いたままにし、前記電子スイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を介して短絡させる前記位相接続部（Ｕ−Ｖ，Ｖ−Ｗ，Ｗ−Ｕ）は、回転している前記ロータ（９）の磁場（２１）によって生成される誘導電圧（Ｕ_Ｉ）がその最大値を通るような前記界磁コイル（３，４，５）が短絡されるように、前記ロータ（９）の回転位置に対応して選定されることを特徴とする方法。
2. 誘導電圧（Ｕ_Ｉ）が電気角で４０゜ないし７０゜の後でゼロ通過点（Ｎ）を通過した界磁コイル（３，４，５）を短絡させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気角が６０゜であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. １つの位相短絡から次の位相短絡への切換えをそれぞれ６０゜の電気角の後に行なうことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 回転磁場を生成させるため、複数の前記界磁コイル（３，４，５）を３相モータ内で互いに接続させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 以下の一連の方法ステップを含み、すなわち
   第１の界磁コイル（５）の位相接続部（Ｕ，Ｖ）を付設のスイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２）を介して短絡させ、その結果制動電流（Ｉ_Ｂ）が前記第１の界磁コイル（５）を介して流れ、直列回路としての第２および第３の界磁コイル（３，４）が前記第１の界磁コイル（５）に対し並列に位置する第１の方法ステップと、
   前記ロータ（９）の機械的回転方向（２０）とは逆方向に続く第２の界磁コイル（３）の位相接続部（Ｖ，Ｗ）を付設のスイッチ（Ｈ１，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ３）を介して短絡させ、その結果制動電流（Ｉ_Ｂ）が前記第２の界磁コイル（３）を介して流れ、直列回路としての第３および前記第１の界磁コイル（４，５）が前記第２の界磁コイル（３）に対し並列に位置する第２の方法ステップと、
   前記ロータ（９）の前記機械的回転方向（２０）とは逆方向に続く前記第３の界磁コイル（４）の位相接続部（Ｗ，Ｕ）を付設のスイッチ（Ｈ２，Ｈ３，Ｌ２，Ｌ３）を介して短絡させ、その結果制動電流（Ｉ_Ｂ）が前記第３の界磁コイル（４）を介して流れ、直列回路としての前記第１および前記第２の界磁コイル（３，５）が前記第３の界磁コイル（４）に対し並列に位置する第３の方法ステップと、
   前記ロータ（９）の回転数が所定の下限回転数に達するまで、該ロータ（９）の回転位置に依存して位相短絡を時間系列で反復する方法ステップと
   を含んでいることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記ロータ（９）の１回の電気回転にわたって各界磁コイル（３，４，５）を２回短絡させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. １つの界磁コイル（３，４，５）の位相接続部（Ｕ，Ｖ，Ｗ）をスイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３）を介して供給電圧（Ｕ_Ｖ）のハイサイドへ接続させ、スイッチ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を介して前記供給電圧（Ｕ_Ｖ）のロウサイドへ接続させ、前記ロータ（９）の１回の電気回転にわたって１つの界磁コイル（３，４，５）の位相接続部（Ｕ，Ｖ，Ｗ）をロウサイドの前記スイッチを介して１回短絡させ、且つハイサイドの前記スイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３）を介して１回短絡させることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記ロータ（９）を制動するため、１つの界磁コイル（３，４，５）を第１の短絡の際にハイサイドの前記スイッチ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３）を介して短絡させ、次の短絡の際にロウサイドの前記スイッチ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を介して短絡させることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記界磁コイル（３，４，５）を三角回路（６）内に電気接続させ、２つの界磁コイル（３，４，５）の間にそれぞれ１つの位相接続部（Ｕ，Ｖ，Ｗ）があり、該１つの位相接続部は、位相短絡の際に第１の界磁コイル（３，４，５）が他の界磁コイル（３，４，５）の直列回路に対し電気的に並列に位置するように、位置していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 前記ロータ（９）を停止まで制動することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 前記ロータ（９）の回転位置をセンサを介して確定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
13. 前記センサがホールセンサ（１７，１８，１９）であることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ロータ（９）の回転位置をセンサなしで確定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
15. 前記ロータ（９）の回転位置を、前記界磁コイル（３，４，５）内に誘導される電圧（Ｕ_３，Ｕ_４，Ｕ_５）または誘導される電流の大きさおよび／または推移を介して確定することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 工具のための電気駆動原動機を備えた作業機において、前記工具（３６，４６）を駆動する前記電気駆動原動機を停止させるための安全制動装置として請求項１に記載の方法を使用することを特徴とする作業機。
17. 前記作業機が手で操縦される可搬式作業機であることを特徴とする、請求項１６に記載の作業機。