JP2017017770A

JP2017017770A - 電動工具

Info

Publication number: JP2017017770A
Application number: JP2015128923A
Authority: JP
Inventors: 谷本　英之; Hideyuki Tanimoto; 英之谷本; 祐貴武田; Yuki Takeda
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-01-19

Abstract

【課題】高トルク、低振動、低騒音なモータを有する電動工具を提供する。【解決手段】複数の巻線が巻回されたステータ１０３と、ステータ１０３に対して回転可能で複数の磁石８が設置されたロータ１０６と、ロータ１０６に設けられロータ１０６の軸方向断面から見て磁石８の端部に対向する端部空隙１０５と、を有するモータ５を備え、磁石端部１０９のＮ極側端部１０９ｂとＳ極側端部１１０がロータコアで磁気的に短絡されている。【選択図】図５

Description

本発明はモータによって駆動される電動工具に関し、特に、高トルク、低振動、低騒音なモータに関するものである。

電動工具は手持ち工具のため、搭載されるブラシレスモータには小形、軽量、高出力、高トルク、低振動、低騒音が要望されている。なかでも高トルクを達成するために、モータのロータが有するロータコア形状、磁石形状、磁石の短絡磁束を減らすための空隙形状が工夫されてきた。

また、モータを低振動、低騒音にするためには、ロータの回転角度に応じて発生するトルクの変動値（以下、コギングトルクと呼ぶ）を小さくするために、上記と同様の工夫がされてきた。

特開平０１−１５７２５３号特開２００７−２８８５７号特開平０９−２２４３３８号

特許文献１の技術では、短絡磁束流を抑えるためにロータコアの外周にスリットを設けている。しかしながら、磁石両端部はロータコアで短絡されている状態なので短絡磁束が大きくなり、モータトルクは低いという課題があった。

特許文献２の技術では、コギングトルクを低減するために、磁石の両端に傾斜を設け、隣り合う磁石の間のロータコア外周部に凹部を設けている。しかしながら、磁石両端部はロータコアで短絡されている状態なので短絡磁束が大きくなり、モータトルクは低くなるという課題があった。

特許文献３の技術では、板形磁石の両端全体を空隙で覆い、短絡磁束を減らして高トルクなモータを構成している。しかしながら、ロータが回転したときにステータに流れる磁束分布の変化が大きくコギングトルクが大きいため、振動・騒音が大きいという課題があった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、高トルク、低振動、低騒音なモータを有する電動工具を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、複数の巻線が巻回されたステータと、前記ステータに対して回転可能で複数の磁石が設置されたロータと、前記ロータの軸方向断面から見て前記磁石の端部に対向する前記ロータに設けられた端部空隙と、を有するモータを備え、前記磁石端部のＮ極とＳ極がロータコアで磁気的に短絡されていることを特徴とする電動工具を提供する。

このような構成によると、Ｎ極とＳ極の短絡磁束を適正な範囲で調整できるため、高トルクで低コギングトルク・低振動・低騒音なモータを有する電動工具を提供できる。

上記構成において、前記磁石はロータ外周方向に弓形状を有することが望ましい。

このような構成によると、端部空隙の寸法によって磁石両端の短絡磁束を調整しやすくなり、より高トルクで低コギングトルク、低振動、低騒音なモータを有する電動工具を提供できる。

上記構成において、前記端部空隙は、前記ロータの軸方向断面から見て磁石端部の中央付近に配置することが望ましい。

上記構成において、前記磁石両端部を二面幅で形成されていることが望ましい。

上記構成において、隣り合う前記磁石の間でロータ外周部が凹部を有することが望ましい。

本発明によれば、高トルク、低コギングトルクで低振動、低騒音なモータを搭載した電動工具を提供できる。

本発明の実施例に係る電動工具１の全体構造を示す縦断面図であり、黒矢印はトリガスイッチをオンにした状態における冷却風の流れを示す。図１のＡ方向から見た矢視図であり、ケース４０と回路基板６０を示す図である。図２のＢ−Ｂ部の断面図である。図１のモータ５の駆動制御系の回路構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態によるモータ正面図である。本発明の実施の形態による反対側のモータ正面図である。本発明の実施の形態によるステータ側面図である。本発明の実施の形態によるコイル結線図である。本発明の実施の形態によるロータ正面図である。本発明の実施の形態による磁束変化図である。本発明の実施の形態による、図１０（ａ）の状態からロータを回転させた状態の磁束変化図である。本発明の実施の形態による、図１０（ｂ）の状態からロータを回転させた状態の磁束変化図である。ロータの比較例１を示したロータ断面図である。ロータの比較例２を示したロータ断面図である。ロータの比較例３を示したロータ断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、前後左右、上下の方向は図中に示す方向であるとして説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る電動工具１の縦断面図である。ここでは電動工具１の一例として、モータ５の回転軸６と直交方向に回転するスピンドル２４を設け、スピンドル２４に接続される作業機器が円形の砥石３０であるディスクグラインダを示している。電動工具１のハウジング（外枠又は筐体）は、動力伝達機構を収容するギヤケース２１と、モータ５を収容するモータハウジング２と、モータハウジング２の後方に取り付けられ電気機器類を収容するリヤカバー３の３つの主要部品により構成される。ハウジングの形成の仕方は任意であり、本実施の形態のように前後方向に３つに分割された部分により構成しても良いし、その他の分割形状で形成しても良い。モータハウジング２は樹脂又は金属の一体構成であって、前方側に開口を有する略円筒形に構成される。モータハウジング２の内径はモータ５のステータコア９の外径よりも僅かに大きい径を有し、モータハウジング２の外面側は作業者が片手で把持する部分（把持部）を構成する。

モータハウジング２の後方には、リヤカバー３が取り付けられる。リヤカバー３は、長手方向中心軸（モータ５の回転軸６の延長線）を通る鉛直面で左右方向に分割可能に構成され、モータハウジング２の後方側開口部を挟む位置にて左右の部品が図示しないネジによって固定される。また、リヤカバー３の外径はモータハウジング２の外径と比較して、ほぼ同等もしくは僅かに小さい外径となっている。

モータ５はモータハウジング２の中心軸方向（前後方向）に沿うように回転軸６が配置され、後述する演算部がロータコア７の回転位置をホールＩＣから構成される回転位置検出素子６９にて検出し、複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６（後述する図２参照）で構成されるインバータ回路８０を制御することにより、モータ５の所定のコイル１３に順次駆動電力を供給することにより回転磁界を形成してロータ（ロータコア７）を回転させる。モータ５は３相ブラシレスＤＣモータであり、略円筒状の外形をもつステータコア９の内周側空間内にてロータが回転するもので、いわゆるインナーロータタイプである。ステータコア９は、プレス加工によって製造された円環状の薄い鉄板を軸方向に多数枚積層した積層構造で製造される。ステータコア９の内周側には６つのティースが形成され、各ティースの軸方向前後方向には、樹脂製のインシュレータ１１、１２が装着され、インシュレータ１１、１２間にティースを挟んだ形で銅線が巻かれてコイル１３が形成される。本実施の形態では、コイル１３をＵ、Ｖ、Ｗ相の３相を有するスター結線とすることが好ましく、コイル１３へ駆動電力を供給するためのＵ、Ｖ、Ｗ相用の３本のリード線（図示せず）が回路基板６０に接続される。ステータコア９の内周側では、回転軸６にロータコア７が固定される。ロータコア７はプレス加工にて製造した円環状の薄い鉄板を軸方向に多数枚積層したロータコアに、軸方向と平行して形成され、その断面形状が長方形のスロット部分にＮ極およびＳ極を有する平板状の永久磁石８が挿入される。

回転軸６は、モータハウジング２に固定される後方側の軸受（第一の軸受）１４ａと、ギヤケース２１とモータハウジング２との接続部付近で固定される前方側の軸受（第二の軸受）１４ｂとにより回転可能に保持される。回転軸６の軸方向に見て軸受１４ｂとモータ５の間には冷却ファン１５が設けられる。冷却ファン１５は例えばプラスチック製の遠心ファンであって、モータ５が回転すると回転軸６と同期して回転することにより、ハウジングの内部において複数の黒矢印で示す方向に、モータ５や制御回路等を冷却するための風の流れ（冷却風）を発生させる。冷却風は、回路基板６０の後端付近においてリヤカバー３の左右両側面に設けられた吸入口（図１では断面位置の関係で図示されない）から吸引され、回路基板６０を収容するケース４０の周囲を後方から前方側に流れて、モータハウジング２の軸受ホルダ部２０に設けられた開口（後述する図３参照）を通過して、モータ５の収容空間内に流入する。モータ５の収容空間に流入した冷却風は、ステータコア９の外周側であってモータハウジング２との間の隙間（図中の黒矢印参照）やステータコア９の内側空間を通って冷却ファン１５によって吸引され、ファンカバー１６の貫通穴を通ってギヤケース２１の貫通穴２１ｂから前方側に、又はファンカバー１６の下側の穴２１ｃから前方に排出される。本実施の形態では、モータ５の回転軸６の軸線上に見て、後方（風上側）から前方側にかけて、回路基板６０、センサ磁石１８、軸受１４ａ、モータ５、冷却ファン１５、及び、軸受１４ｂが軸方向に直列（一直線上）に配置される。そして、外気の吸入口となる風窓（図示せず）は、回路基板６０の周囲であって発熱の大きい素子、特にダイオードブリッジ７１やスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６（後述する図２参照）よりも後方側に配置される。このように、本実施の形態ではモータ５の回転軸方向にみて、ハウジングの後方側から前方側の全外周面にほぼ接するようにして冷却風が流れるものである。

ギヤケース２１は、例えばアルミニウム等の金属の一体成形により構成され、１組の傘歯車機構（２２、２３）を収容すると共に、出力軸となるスピンドル２４を回転可能に保持する。スピンドル２４は、モータ５の回転軸の軸線方向（ここでは前後方向）とは略直交方向（ここでは上下方向）に延びるように配置され、回転軸６の前端部分には第１の傘歯車２２が設けられ、第１の傘歯車２２はスピンドル２４の上側端部に取り付けられた第２の傘歯車２３に噛合する。第２の傘歯車２３は直径が大きく、第１の傘歯車２２に比べて歯車数が多いので、これらの動力伝達手段は減速機構として作用する。スピンドル２４の上端側はメタル２５によって回転可能にギヤケース２１に軸支され、中央付近にはボールベアリングによる軸受２６によって軸支される。軸受２６はスピンドルカバー２７を介してギヤケース２１に固定される。

スピンドル２４の先端には取付ベース２８が設けられ、ワッシャナット３１によって砥石３０等の先端工具が装着される。砥石３０は、例えば直径１００ｍｍのレジノイドフレキシブルトイシ、フレキシブルトイシ、レジノイドトイシ、サンディングディスク等であり、用いる砥粒の種類の選択により金属、合成樹脂、大理石、コンクリートなどの表面研磨、曲面研磨が可能である。砥石３０の後方側の径方向外側及び上側はホイールガード３２にて覆われる。尚、電動工具１に装着される先端工具としては、砥石３０だけに限られず、ベベルワイヤブラシ、不織布ブラシ、ダイヤモンドホイール等のその他の工具を取り付けるようにしても良い。

モータ５の回転軸６の後端には、回転方向に磁極が異なる磁性体であるセンサ磁石１８が取り付けられる。センサ磁石１８はロータコア７の回転位置の検出のために取り付けられる薄い円柱形の永久磁石であって、周方向に９０度ずつ隔ててＮ極とＳ極が順（ＮＳＮＳ）に形成される。センサ磁石１８の後ろ側であってケース４０の内側部分には、回転軸６と垂直方向に配置される略半円形のセンサ基板６８が設けられ、センサ基板６８にはセンサ磁石１８の位置を検出する回転位置検出素子６９が設けられる。回転位置検出素子６９は、回転するセンサ磁石１８の磁界の変化を検出することにより、ロータコア７の回転位置を検出するものであり、回転方向に所定角度毎、ここでは６０°毎に３つ設けられる。

略円筒形に形成されるリヤカバー３の内部には、モータ５の回転制御を行う演算部（制御部）１００と、モータ５を駆動させるためのインバータ回路８０と、外部から図示しない電源コードにて供給される交流を直流に変換するための電源回路７０が収容される。本実施の形態では、これらの回路を共通する回路基板６０に搭載しているが、これらを分割した回路基板に搭載するようにしても良い。回路基板６０は電動工具１の長手方向中心軸（モータ５の回転軸６と同軸）に対して平行になるように配置される。ここでは、基板の表及び裏面が、前後及び左右方向に延びるように配置される。回路基板６０は、一面が開口部４０ａとなっている容器状のケース４０の内部に配置され、液体状の樹脂を硬化させる硬化性樹脂によって全体が固められる。ここでは電動工具１の砥石３０が下になる時（図１の向きの時）に、ケース４０の開口部４０ａが下側を向くように配置され、インバータ回路８０に含まれる複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が、回路基板６０から下側に延びるように配置される。硬化した後の樹脂の液面は矢印４８の位置となり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は略半分程度が樹脂の内部に位置し、半分程度が樹脂に覆われずに露出する。

インバータ回路８０は、コイル１３に大駆動電流を通電する必要があるため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６として、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のような大容量の出力トランジスタが用いられる。これらスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は発熱が大きいので冷却効果を向上させるための放熱構造が考慮され、本実施の形態ではスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の放熱板に冷却用の金属板が更に取り付けられる。放熱板と金属板は、吸入口となる図示しない風窓よりも風下側（モータ側）に配置されるので、黒矢印で示す冷却風に直接晒されることになる。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の後方側には電源回路が設けられる。本実施の形態の電源回路７０は、外部から供給される商用電源（交流）を直流に変換する整流回路を含んで構成される。整流回路は配線の効率性から、リヤカバー３の後端面から外部に伸びるように配線される電源コード（図示せず）に近いようにケース４０の後方側であって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６よりも後方側（モータ５から遠い反モータ側）に搭載される。

回路基板６０にはさらに、モータ５の回転制御を行う演算部１００（図４参照）が搭載される。演算部１００は、マイクロコンピュータ１０１（以下、「マイコン」と称する）を含んで構成されるものであって、インバータ回路８０を駆動することによりモータ５の起動及び停止と回転速度の制御を行う。ケース４０により画定される空間内（容器内）には、回路基板６０に加えてさらに、回転位置検出素子６９を搭載するセンサ基板６８が設けられる。また、ケース４０の容器部分の外側であって後方側にはスイッチ基板６５が搭載され、変速ダイヤル１７により調整される可変抵抗６６が設けられる。センサ基板６８はモータ５の回転軸方向と直交するように配置され、スイッチ基板６５は回転軸方向と平行になるように配置される。

図２は図１の矢印Ａの方向から見た矢視図であって、ケース４０及び回路基板６０を示す図である。ケース４０の内部に収容される回路基板６０の形状は、ケース４０の内形とほぼ同等の外側輪郭をもって形成される。図では示していないが、回路基板６０は液体状態から硬化させて固める樹脂４８にて浸漬される。回路基板６０に搭載されるのは、主に、整流回路と平滑回路７４を含む電源回路７０と、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含むインバータ回路８０と、インバータ回路８０を制御するものであってマイコン１０１を含む制御部と、制御部用の定電圧の直流を生成する定電圧電源回路である。回路基板６０の入力側には、電動工具１の外部から図示しない電源コードが接続され、商用交流が電源回路７０に入力される。電源コードは電源コード保持部４３によって固定される。回路基板６０の出力側は、端子８４ａ〜８４ｃであって、モータ５のコイル１３に接続される３本の図示しないリード線（Ｖ相、Ｕ相、Ｗ相）がそれぞれ半田付けされる。

回路基板６０は、単層又は多層のプリント基板であって、ここでは多層のガラスコンポジット基板が用いられる。電源回路７０は、整流回路と平滑回路を含んで構成され、整流回路はダイオードブリッジ７１と、チョークコイル７２と、バリスタ７３と、を有し、平滑回路７４は電解コンデンサ７５ａと、フィルムコンデンサ７５ｂと、を有している。

インバータ回路８０は３個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３、Ｑ４〜Ｑ６がそれぞれ軸方向に一列に並ぶように配置される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、３本の金属端子が略直方体のセラミック等のパッケージの下側から延びるものであって、パッケージの背面側には金属製の放熱板が埋め込まれる。この放熱板は面状であって面の広がり方向が、回路基板６０の長手方向（図２では前後方向）と水平かつ直交方向となるようにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が配置される。また、パッケージ背面の放熱板には、放熱用の金属板８２がさらに設けられる。通常、ＩＧＢＴのコレクタ端子、ＦＥＴのドレイン端子がパッケージ背面側の放熱板と導通されているので、回路構成上、コレクタ端子又はドレイン端子が共通接続の場合には、複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３に共通の金属板８２、８３ａ〜８３ｃが設けられる。他方、インバータ回路８０の残りの３個のスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６は一列に並ぶように配置され、かつ、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３と平行になるように配置される。スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６のパッケージ背面の放熱板には、放熱用の金属板が設けられるが、これらのコレクタ端子又はドレイン端子は共通接続ではないため、互いに独立した金属板８３ａ〜８３ｃが設けられる。この金属板８３ａ〜８３ｃの面は、回路基板６０の長手方向（前後方向、モータの回転軸方向）と水平かつ直交方向となるように配置される。このように配置したため、金属板８３ａ〜８３ｃのスイッチグ素子と反対側の面が冷却風の流れる方向（図１中の黒矢印参照）と平行に向くために、放熱効果を高めることができる。

回路基板６０には更にマイコン１０１や、後述する定電圧電源回路、図示しないトリガレバーと連動して動作するトリガスイッチ６４が搭載される。これらは回路基板６０上の任意のスペースに搭載することができる。本実施の形態ではマイコン１０１は、電解コンデンサ７５ａと回路基板６０の間付近に搭載される。回路基板６０の前方側には、３つの回転位置検出素子６９（図１参照）を搭載するセンサ基板６８が、回路基板６０と直交するように配置される。回路基板６０とセンサ基板６８は、仕切り部材５０によって固定される。仕切り部材５０は、回路基板６０をケース４０に保持させるための固定部材と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の間にスイッチング素子同士の短絡を抑制する仕切り板を設けるための区画部材を兼ねるものであって、左右方向に延びる両端側のネジボス５９ａ、５９ｂ部分で、２つのネジによってケース４０にネジ止めされる。回路基板６０はケース４０に対して後方側のネジ穴６７にてネジ止めされ、前方側にて仕切り部材５０によって挟持されることによりケース４０に保持される。

ケース４０の後方側には可変抵抗６６を搭載するスイッチ基板６５が設けられる。スイッチ基板６５はケース４０の容器状の部分から後方側に突出する独立した部分に設けられ、可変抵抗６６の回転軸にはリヤカバー３の開口部３ｂ（図１参照）から一部が露出する変速ダイヤル１７が設けられる。回路基板６０とスイッチ基板６５は、リード線６３によって配線される。

図３は図２のＢ−Ｂ部の断面図である。リヤカバー３の図示は書略している。ケース４０は開口面４０ａを有する容器状であって、内部空間に液体を入れてもこぼれないように形成されるが、電動工具１に配置した際には開口面４０ａの法線方向が下側を向くように倒立した状態で配置される。これは、冷却風と共に内部に水滴や塵埃が流入した際に、ケース４０の内部にたまることを極力防止するためである。このように容器状のケース４０が倒立した状態で電動工具のハウジング内に配置したことで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６等を樹脂で完全に覆わないで、半分程度だけ覆うようにしても耐久性を高めることが可能となった。特に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の間にたまった鉄粉等が、電動工具１を図１の方向に置く際に、その衝撃によってゴミや水滴がリヤカバー３の内部の下面に落ちやすくなる。

ケース４０の前方側の端部には、モータハウジング２に図示しないネジにて固定するためのネジ穴４２ａ、４２ｂが形成される。モータハウジング２の軸受ホルダ２０は、軸受１４ａ（図１参照）の外輪部分を保持する円筒部分から外側に向けて複数の支柱２０ａ〜２０ｆが形成され、支柱以外の場所では空洞となっているので、ケース４０が収容される空間からモータ５側が収容される空間へ冷却風が流れる構造となっている。回路基板６０は両面基板であって、その表側（図３でみると下面）にはダイオードブリッジ７１とその放熱板７１ａ、チョークコイル７２等が搭載される。フィルムコンデンサ７５ａ、７５ｂは略直方体状であって、ここでは長手方向の断面形状が正方形状のものを用いている。フィルムコンデンサ７５ａ、７５ｂは回路基板６０の表面（電子素子が搭載されている場合はその電子素子より）に絶縁シート９８を介して固定される。この固定はケース４０内に充填されるウレタン等の樹脂４８によって固定される。フィルムコンデンサ７５ａ、７５ｂは、図２のように開口部３ａの法線方向矢視図で見た際にケース４０の内側領域に収まるように配置され、好ましくは、回路基板６０の基板平面の寸法内に配置される。また、図３のようにハウジングの軸方向断面図で見た際には、ハウジングの内部であって、ハウジングの内壁（リヤカバー３の内壁）と所定の距離を隔てるように配置される。この際、フィルムコンデンサ７５ａ、７５ｂの配置により冷却風の流れを乱さないように配慮すると良い。樹脂４８はケース４０の開口面４０ａが上側になるように載置して、その内部に固まる前の液体状の樹脂を満たして硬化させるもので、その硬化が完了する前にフィルムコンデンサ７５ａ、７５ｂを樹脂４８の液面から部分的に浸すように半没させてから樹脂４８を硬化させる。従って、ケース４０内は底面４１ｅ部分から液面（矢印４８）まで全ての部分が樹脂で満たされており、硬化後は樹脂が強固に固まるのでフィルムコンデンサ７５ａ、７５ｂが安定して保持される。通常、フィルムコンデンサ７５ａ、７５ｂのパッケージは非絶縁体であり、樹脂４８自体も非導電材であるが、ここでは絶縁状態をより完全に保つためにさらなる絶縁部材、ここでは絶縁シート９８を介在させている（省略しても良い）。このようにフィルムコンデンサ７５ａ、７５ｂを回路基板６０に対して離間さえて樹脂４８にて固定するように搭載すれば、回路基板６０の上に搭載される高さの低い電子素子、例えばＬＳＩやマイコン等の素子の上側部分に、フィルムコンデンサを搭載させることが可能となる。

回路基板６０の裏面には定電圧電源回路９０で用いられる電解コンデンサ９４ａが搭載される。電解コンデンサ９４ａは樹脂にて完全に浸されることになる。回路基板６０と電解コンデンサ９４ａの間には絶縁シート９７ａを介在させて、その絶縁性を高めているが、絶縁シート９７ａを省略しても良い。ケース４０の底面４１ｅの形状は、回路基板６０のすぐ下に僅かな距離を隔ててほぼ平行になるようにしても良い。しかしながら、本実施の形態では下側に円筒形の電解コンデンサ９４ａを収容できるようなスペースを確保した。電解コンデンサ９４ａは左側にだけ配置されているが、右側の空間にもコンデンサを配置するようにしても良い。また、回路基板６０の表面（下側）に配置したコンデンサ７５ａ、７５ｂを、回路基板６０の裏面に配置するように構成しても良い。但し、回路基板６０と底面４１ｅとの間の空間は、樹脂４８が充填されて硬化する部分なので、発熱の度合いや冷却効果を考えてその搭載位置やその搭載方法を決定することが好ましい。

次に図４を用いてモータ５の駆動制御系の回路構成を説明する。電源回路７０にはダイオードブリッジ７１が搭載される。電源回路７０の出力側であって、インバータ回路８０との間には平滑回路７４が接続される。インバータ回路８０は６つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含んで構成され、演算部１００から供給されるゲート信号Ｈ１〜Ｈ６によってスイッチング動作が制御される。インバータ回路８０の出力は、モータ５のコイル１３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。電源回路７０の出力側には定電圧電源回路９０が接続される。ここでは、電源回路７０、平滑回路７４、インバータ回路８０、定電圧電源回路９０、演算部１００の回路を同一の回路基板６０上にまとめて搭載した。

電源回路７０は、ダイオードブリッジ７１によって主に構成される整流回路を含み、入力側が例えば商用交流電源３５に接続され、出力側が平滑回路７４に接続される。電源回路７０は、商用交流電源３５から入力される交流を全波整流し、平滑回路７４へ出力する。平滑回路７４は、電源回路７０とインバータ回路８０との間に配置され、電源回路７０によって整流された電流の中に含まれている脈流を、直流に近い状態に平滑化してインバータ回路８０へ出力する。平滑回路７４は、電解コンデンサ７５ａと電解コンデンサ７５ａ及びフィルムコンデンサ７５ｂと放電用の抵抗７８を含んで構成される。電動工具１がディスクグラインダの場合は、他の電動工具（例えばインパクトドライバ等）に比較して大きな出力が必要となることから、電源回路７０から平滑回路７４に入力される電圧値も高くなっている。従って、平滑回路７４に設けられるコンデンサ（電解コンデンサ７５ａ及びフィルムコンデンサ７５ｂ）は静電容量が大きいものが要求される。

電解コンデンサ７５ａ及びフィルムコンデンサ７５ｂは無極性のコンデンサであり、電解コンデンサ７５ａと並列に接続することで回路の平滑性能を向上させている。これらは平滑回路７４の入力側である電源回路７０と出力側であるインバータ回路８０との間に配置される。インバータ回路８０は、３相ブリッジ形式に接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含んで構成される。ここで、スイッチング素子Ｑｌ〜Ｑ６は、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるが、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いても良い。

モータ５のステータコア９の内側では、永久磁石８を有するロータが回転する。ロータの回転軸６には位置検出用のセンサ磁石１８が接続され、センサ磁石１８の位置をホールＩＣ等の回転位置検出素子６９にて検出することにより演算部１００はモータ５の回転位置を検出する。

演算部１００は、モータのオン・オフ及び回転制御を行うための制御手段であって、マイクロコンピュータ（マイコン）１０１を用いて主に構成される。演算部１００は回路基板６０に搭載され、トリガスイッチ６４の操作に伴い入力される起動信号と、変速ダイヤル１７によって設定された速度信号に基づき、モータ５の回転速度を制御し、コイルＵ、Ｖ、Ｗへの通電時間と駆動電圧を制御する。演算部１００は、インバータ回路８０の６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートに接続され、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオン・オフするための駆動信号Ｈ１〜Ｈ６を供給する。

インバータ回路８０の６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ドレイン又は各ソースは、スター接続されたコイル１３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。

インバータ回路８０の６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ドレイン又は各ソースは、スター接続されたコイル１３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。スイッチング素子Ｑｌ〜Ｑ３のドレイン端子が電源回路７０の正極側に共通に接続されているので、これらには共通の放熱用の金属板８２を設けることができる。一方、スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６のドレイン端子はモータのＶ相、Ｕ相、Ｗ相の端子にそれぞれ接続されるため、スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６用の放熱用の金属板８３ａ〜８３ｃは個別に設けられる。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、演算部１００から入力される駆動信号Ｈ１〜Ｈ６に基づきスイッチング動作を行い、商用交流電源３５から電源回路７０及び平滑回路７４を介して供給された直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして、モータ５に供給する。モータ５に供給される電流の大きさは、平滑回路７４とインバータ回路８０との間に接続された電流検出抵抗１０２の両端の電圧値を検出することにより演算部１００によって検出される。演算部１００には、モータ５の設定回転に応じた所定の電流閾値が予め設定されており、検出した電流値が閾値を超えると、モータ５の駆動を停止すべく、インバータ回路８０のスイッチング動作を停止させる。これにより、過電流がモータ５に流れることによる焼損等の発生が防止される。

定電圧電源回路９０は、電源回路７０の出力側に直接接続され、マイコン等により構成される演算部１００への低電圧の直流を供給するための電源回路である。定電圧電源回路９０は、ダイオード９６、平滑用の電解コンデンサ９４ａ、９４ｂ、ＩＰＤ回路９１、コンデンサ９３及びレギュレータ９２を含んで構成される。定電圧電源回路９０は、電源回路７０からの出力に基づいて、演算部１００等へ安定化した基準電圧を供給するための回路である。定電圧電源回路９０の各部は、図２には図示していないが回路基板６０に搭載される。また、電解コンデンサ９４ａ、９４ｂは回路基板６０の裏面側に搭載される。

次に図５〜図９を用いてモータ５の構成について説明する。モータ５はステータ１０３とロータ１０６とを有する。ロータ１０６は、ロータコア７と、磁石８とを有している。磁石８はロータ外周に弓形形状を有し、磁石８の端部１０９に対向するロータコア７には端部空隙１０５が設けられ、隣り合う磁石８の間のロータコア７の外周には凹部１０７が設けられている。ステータ１０３は、ステータコア９と複数のコイル１３を有する。図８はコイル１３の結線状態を示しており、複数のコイル１３は並列巻のスター結線となるよう接続されている。回路の中性点１０４は、ハンダで３本の渡りコイルを短絡している。

ロータコア７に設けた端部空隙１０５は磁石端部１０９の径方向中央付近、すなわちＮ極側端部１０９ｂの端部とＳ極側端部１１０の端部とを径方向に跨ぐように配置されている。このためＮ極側端部１０９ｂの端部とＳ極側端部１１０の端部はロータコア７で磁気的に短絡している。なお、磁石端部１０９は二面幅を形成している。すなわち、磁石端部１０９は略直線状に形成されている。

次に図１０（ａ）〜図１０（ｃ）を用いて端部空隙１０５によるコギングトルクの低減効果について説明する。図１０（ａ）では磁極１１４（ティース）に磁束Ａ１１１が流れている。その状態からロータ１０６が回転すると図１０（ｂ）において磁極１１４には磁束Ｃ１１３が大きく流れる。この時、磁極１１４に流れる磁束の変化が大きいほどコギングトルクが大きくなる。しかしながら、Ｎ極側端部１０９ｂが端部空隙１０５によって露出しているため、磁極１１４には磁束Ｂ１１２も流れ、磁極１１４に流れる磁束の変化を緩和する。さらにロータ１０６が回転すると、磁極１１４には磁束Ｂ１１２が徐々に流れなくなり、磁束Ｃ１１３へとスムーズに切り替わる（図１０（ｃ））。

このように、端部空隙１０５を設けることによってコギングトルクを低減し、低振動、低騒音のモータ５、及びそのモータ５を備えた電動工具１を提供することができる。さらに、端部空隙１０５によって、Ｎ極側端部１０９ｂ、Ｓ極側端部１１０を適度に短絡しているため、高トルクなモータ５とすることができる。もし仮に、図１１のように端部空隙１０５が磁石端部１０９の内周側（磁石８の径方向中心よりも内周側）に偏っていると、磁石端部１０９から発生する磁束Ｄ（図中の矢印）が強くなり過ぎてしまい、コギングトルクが増加するという問題が発生する。逆に、図１２のように端部空隙１０５が磁石端部１０９の外周側（磁石８の径方向中心よりも外周側）に偏っていると、図１０（ｂ）の磁束Ｂ１１２が著しく減少するため、やはりコギングトルクが増加する。また、図１３のように端部空隙１０５が無いと、Ｎ極側端部１０９ｂとＳ極側端部１１０がロータコア７によって磁気的に完全に短絡するため、ステータコア９に磁束が流れにくくなり、モータトルクが低下してしまう。

以上、本実施の形態によれば、Ｎ極側端部１０９ｂとＳ極側端部１１０が露出するようにロータコア７に端部空隙１０５を設けることによって、高トルク、低振動、低騒音な電動工具を実現することができる。

さらに隣り合う磁石８の間でロータコア７の外周に凹部１０７を設けることで、Ｎ極側端部１０９ｂとＳ極側端部１１０の磁気的な短絡状態を微調整することができるので、最適に高トルク、低振動、低騒音なモータ５を有する電動工具１を実現することができる。

１電動工具、２モータハウジング、２ｂ軸受ホルダ部、３リヤカバー、３ｂ開口部、５モータ、６回転軸、７ロータコア、８永久磁石、９ステータコア、１１、１２インシュレータ、１３コイル、１４ａ、１４ｂ軸受、１５冷却ファン、１６ファンカバー、１７変速ダイヤル、１８センサ磁石、２０軸受ホルダ、２０ａ〜２０ｄ支柱、２１ギヤケース、２１ｂ貫通穴、２１ｃ穴、２２傘歯車、２３傘歯車、２４スピンドル、２５メタル、２６軸受、２７スピンドルカバー、２８取付ベース、３０砥石、３１ワッシャナット、３２ホイールガード、３５商用交流電源、４０ケース、４０ａ開口面、４１ａ前面、４１ｂ後面、４１ｃ、４１ｄ側面、４１ｅ底面、４２筒部、４２ａ、４２ｂネジ穴、４３電源コード保持部、４４スイッチ基板保持部、４５ａ、４５ｂ段差部、４６ａネジボス、４７案内レール部、４８樹脂、５０仕切り部材、５１長手方向仕切り板、５２ａ、５２ｂ横方向仕切り板、５３押さえ板、５４ａ、５４ｂアーム部、５５ａ、５５ｂネジ穴、
５６押さえ片、５９ａ、５９ｂネジ、６０回路基板、６１端子、６２ａ、６２ｂリード線、６３、６４端子、６４トリガスイッチ、６５スイッチ基板、６６可変抵抗、６７ネジ穴、６８センサ基板、６９回転位置検出素子、７０電源回路、７１ダイオードブリッジ、７１ａ放熱板、７２チョークコイル、７３バリスタ、７４平滑回路、７５ａ、７５ｂフィルムコンデンサ、７７ａ、７７ｂ半田付け、７８抵抗、７９電解コンデンサ、８０インバータ回路、８２金属板、８３ａ〜８３ｃ金属板、８４ａ〜８４ｃ端子、９０定電圧電源回路、９１ＩＰＤ回路、９２レギュレータ、９３コンデンサ、９４ａ、９４ｂ電解コンデンサ、９５ａ、９５ｂリード線、９６ダイオード、９７ａ、９７ｂ、９８絶縁シート、１００演算部、１０１マイコン、１０２電流検出抵抗、Ｑ１〜Ｑ６スイッチング素子、１０３ステータ、１０４中性点、１０５端部空隙、１０６ロータ、１０７凹部、１０８渡りコイル、１０９磁石端部、１０９ｂＮ極側端部、１１０Ｓ極側端部、１１１磁束Ａ、１１２磁束Ｂ、１１３磁束Ｃ、１１４磁極、１１５磁束Ｄ、１１６短絡磁束

Claims

複数の巻線が巻回されたステータと、前記ステータに対して回転可能で複数の磁石が設置されたロータと、前記ロータに設けられ前記ロータの軸方向断面から見て前記磁石の端部に対向する端部空隙と、を有するモータを備え、
前記磁石端部のＮ極とＳ極がロータコアで磁気的に短絡されていることを特徴とする電動工具。
前記磁石はロータ外周方向に弓形状を有することを特徴とする請求項１記載の電動工具。
前記端部空隙は、前記ロータの軸方向断面から見て磁石端部の径方向中央付近に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。
前記磁石両端部を二面幅で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動工具。
隣り合う前記磁石の間で前記ロータの外周部が凹部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電動工具。