JP2023518764A - 掃除機又は工具用の駆動モータ - Google Patents

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Abstract

本発明は、掃除機又は工具用の駆動モータ(10)に関し、その駆動モータ(10)は、ステータコイル配列(26)を有するステータ(20)と、回転軸(D)の周りを回転できるように、ステータに取り付けられたモータ軸(33)を有するロータ(30)と、を備え、ロータ(30)は、回転軸の周りに環状に配置された永久磁石(38)を有する磁石配列(37)を備え、ステータに対するロータ(30)の回転位置のそれぞれの角度を検出するために、センサ配列(60)が、ステータ(20)に対して固定的に配置され、センサ配列は、特にステータコイル配列(26)に通電するための通電装置(85)用のデジタル切替信号(SA、SB、SC)を生成するように構成された少なくとも2つのセンサ(67A、67b、67C)を備え、これによりロータ(30)は、ステータコイル配列(26)の通電により回転軸(D)の周りに回転駆動できる。少なくとも2つのセンサは、ロータ(30)の磁気回転磁界(FB)の2つの波を検出するように構成され、それら波は、回転角の周りで位相シフトされ、センサは、センサ(67A、67b、67C)の切替閾値(SH、SL)を超えるか又は下回る磁気回転磁界(FB)の波に依存する方法で、切替信号を生成し、波は、それぞれセンサを通過すること、及び、磁石配列(37)の永久磁石(38)は、回転軸に関して互いに角度間隔を有し、その結果、磁気回転磁界(FB)の波は、それぞれのセンサ(67A、67b、67C)の位置で、連続的な立ち上がりエッジと立ち下がりエッジ(AF、DF)の間に頂点を有する、連続的な、特にほぼ正弦波の半波(HO、HU)を含み、それぞれ連続する半波(HO、HU)の間の遷移区間(UG)における波は、異なる極性を含み、遷移区間(UG)における波は、少なくとも1つのステップ(ST)又はジャンプ又は凹凸を含むこと、及び、センサの切替閾値は、半波の連続的な立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジの領域に配置されることが意図される。

Description

本発明は、手持ち式工具又は半固定式工具の形態である、掃除機又は工具用の駆動モータであって、駆動モータは、ステータコイル配列を有するステータと、回転軸の周りを回転できるように、ステータに取り付けられるか、又はベアリング配列を用いてステータに対して取り付けられたモータ軸を有するロータと、を備え、ロータは、回転軸の周りに環状に配置された永久磁石を有する磁石配列を備え、ステータに対するロータの回転位置のそれぞれの角度を検出するために、センサ配列が、ステータに対して固定的に配置され、センサ配列は、特にステータコイル配列に通電するための通電装置用のデジタル切替信号を生成するように構成された少なくとも2つのセンサを備え、これによりロータは、ステータコイル配列の通電により回転軸の周りに回転駆動できる駆動モータに関する。
そのような駆動モータは、例えば、いわゆる電子整流式モータ又はECモータである。モータのステータコイル配列への通電のために、通電装置が設けられる。ステータコイル配列の正確な通電を可能にするため、すなわち、特にステータコイルを適切な切替時間で通電するために、通電装置はロータのそれぞれの回転角度位置に関する情報を必要とし、そのためにセンサ配列が設けられる。しかし、そのような駆動モータの動作中に、例えば、永久磁石の磁界とステータコイル配列によって生成される磁界との重なりによって、センサ配列の通常利用可能な切替信号が最適でないという妨害効果が生じる。
したがって、本発明の目的は、改良された駆動モータ、特に改良された電子整流式駆動モータを提供することである。
この目的を達成するために、冒頭に述べたタイプの駆動モータにおいて、少なくとも2つのセンサは、ロータの回転磁界の2つの波を検出するように構成され、それら波は回転角の周りで位相シフトされ、センサは、センサの切替閾値を超えるか下回る回転磁界の磁気波に依存する方法で切替信号を生成し、その波はそれぞれセンサを通過すること、及び、回転軸に対する磁石配列の永久磁石は、互いに角度間隔を含み、その結果、回転磁界の波が、それぞれのセンサの位置で、連続的な立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの間に頂点を有する連続的な、特にほぼ正弦波の半波を含み、それら波は、異なる極性のそれぞれの連続する半波の間の遷移区間を含み、その遷移区間の波は、少なくとも1つのステップ又はジャンプ又は凹凸を含み、センサの切替閾値が半波の連続的な立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジの領域に配置されることが意図される。
さらに、本発明は、本発明による駆動モータを有する工具、特に手持ち式工具又は半固定式工具を提供する。工具は、例えば、マシンソー、電動ドリル、電動ドライバなどである。半固定式工具は、例えば、適用現場、例えば建設現場に輸送できる移動式機械であり、特に円形テーブルソーなどであると理解される。
ここで、基本的な考え方は、センサ配列が、ステップ、ジャンプ、又は他の同様な凹凸が観測される遷移区間の領域に正確に配置されておらず、切替閾値が遷移区間の外側に配置されていることである。
本発明による駆動モータは、例えば、BLDC又はBLモータ(BL=ブラシレス、DC=直流)とも略称されるブラシレスDCモータである。駆動モータは、BLACモータ(BL=ブラシレス、AC=交流)にすることもできる。また、駆動モータは、電子整流モータ(ECモータ)、永久磁石同期モータ(PMSM)などにすることもできる。
本発明の目的のためのセンサのそれぞれのヒステリシスは、センサの切替閾値が、半波の連続的な立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジの領域に位置するように設定されることが好ましい。
有利には、センサ配列は、デジタル切替信号を出力するように構成された磁気センサ又は磁界センサを備え、例えば、ホールセンサ、磁気抵抗センサ(MRセンサ)、特に異方性MRセンサ又はAMRセンサ、GMRセンサ、又は磁気光学センサなどを備える。
例えば、センサ配列の評価装置が、センサのアナログ測定信号からデジタル切替信号を生成し、評価装置が、アナログ測定信号をそれぞれの切替閾値と比較することが可能である。しかし、センサは、デジタル切替信号を既に出力していることが好ましい。それに対応して、切替閾値がセンサ内又はセンサ上で提供及び/又は設定されると有利である。センサ内又はセンサ上の切替閾値は、例えば、生産精度又は生産条件によって予め設定及び/又は予め決定されることも可能である。
実のところ、原理的には、いわば切替磁石又はセンサ磁石として構成された磁石が、ロータ上に存在することは確かに可能であり、その磁石は、ロータの回転駆動する目的でステータコイル配列と協働するために設けられていない。しかし、ロータは、ロータの回転駆動のため、又はその回転の作動のために設けられたそのような磁石のみを備えることが好ましい。したがって、磁石配列の永久磁石は、ステータコイル配列と協働してロータの回転駆動のために使用されるか、又はこの目的のために構成及び提供されることが好ましい。ロータの回転駆動、ひいては駆動モータの回転駆動に既に必要な永久磁石は、したがって、追加の目的、すなわちセンサ又はセンサ配列を作動させるために使用される。
しかし、モータの回転駆動のために設けられた永久磁石に加えて、少なくとも1つの追加の磁石又は磁気エンコーダ又は磁気スイッチを問題なく設けることが可能であり、その磁界はセンサ配列の少なくとも1つのセンサによって掃引されることをここで言及すべきである。
しかし、専らセンサ配列の作動のためで、ロータの回転駆動のためでない磁性送信機又は磁石は、ロータに設けないことが好ましい。ロータには、好ましくはロータの回転駆動のために設けられた磁石配列の永久磁石のみが、永久磁石部品又は永久磁石として配置される。
磁石配列の永久磁石の間に、特に隣接する永久磁石の相互に面する側面の間に、回転軸に対する角度間隔及び/又は間隙(ギャップ)及び/又は割れ目が存在することが好ましい。回転軸に対する角度間隔は、例えば、回転軸に対して少なくとも5°、好ましくは少なくとも10°、特に少なくとも15°である。したがって、永久磁石の間に疑似間隙が存在し、それ自体がセンサ配列に作用する回転磁界の質に悪影響を及ぼす。しかし、センサの切替閾値により、回転磁界の不均一性(凹凸)、段差(ステップ)、又は飛び跳ね(ジャンプ)をいわば除去又はマスクすることができる。
永久磁石は、好ましくは、シート、シート状、又はディスクの様式で構成されている。
永久磁石及び/又はロータが全体として、ステータの前又はステータの前側でセンサ配列方向に突出していると有利である。それによって、永久磁石の磁界は、センサでよりよく検出できる。
磁石配列とセンサ配列の間、つまり、例えば、ロータ永久磁石の互いに向かい合う側面とセンサの間で、最小間隔が有利であり、例えば、少なくとも0.4mm、好ましくは少なくとも0.8mm、特に少なくとも1mmの最小間隔である。磁石配列とセンサ配列の間の公称最小間隔は、例えば1mmであり、公差により0.4mmから1.6mmの間の間隔が可能である。
実際、センサ配列のセンサは、ステータ上に、又はステータに対して個別に又は一つずつ固定的に配置されているか、又は配置される可能性がある。しかし、センサ配列のセンサは、センサ支持体上、例えば回路基板上に配置されることが好ましい。センサ支持体は、好ましくは、ステータへの嵌め合い締結のための嵌め合い輪郭、例えば、嵌め合い突起、嵌め合い凹部などを備え、及び/又は、例えば、クランプ装置を用いて、ステータに非嵌め合い方式で固定される。
センサ支持体が、モータカバーに、又はモータカバーとステータのシートスタックとの間に取り付けられるように構成されていると、特に有利である。モータカバーは、例えば、いわゆるエンジンプレートである。モータカバーには、例えば、センサ支持体のための凹部、特に、受け窪みを設けることができる。モータカバーは、例えば、モータ軸のための軸受配列のピボット軸受、又は軸受配列のピボット軸受のための軸受凹部を含む。モータカバーは、センサ支持体を形成することもでき、すなわち、複数のセンサ、又はセンサ配列がモータカバー上に配置される。
有利には、センサ支持体は、ステータに又はステータに対して取り付けるための少なくとも1つの嵌め合い輪郭をさらに備えることが意図され、ステータ上の、又はステータに対するセンサ支持体が、駆動モータの回転軸に対して1つの角度位置にのみ取り付けられるか、又はセンサ配列の各センサと、そのセンサに隣接して配置されるステータコイルのコイルとの間に、所定の角度間隔が設けられるような角度位置にのみ取り付けることができる。したがって、センサ支持体又はセンサ配列をステータの回転軸に対して配置できる、複数の角度位置を提供することが確かに可能である。しかし、これらの角度位置は、有利には所定の角度位置であり、センサ配列のセンサとステータコイルとの間に、回転軸に対する所定の角度間隔が設けられる。有利には、角度間隔はゼロである。
センサ支持体の嵌め合い輪郭の係合のための嵌め合い対向輪郭は、ステータ及び/又はモータカバーに配置することができる。モータカバーは、好ましくは、ステータの単一の回転角度位置か、又は所定の回転角度位置に固定することができる。これにより、所定の角度位置でモータカバーに保持されたセンサ支持体は、ステータに対して所定の角度位置に取り付けることができる。駆動モータの回転軸に関して、互いに角度間隔、特に等距離の角度間隔を備える、複数の嵌め合い輪郭及び嵌め合い対向輪郭が好ましい。
少なくとも1つのセンサ、好ましくはセンサ配列の各センサが、いずれの場合も、センサに関連付けられたステータコイルに対して中心に配置されると有利である。しかし、少なくとも1つのセンサ、好ましくはセンサ配列の各センサが、いわば歯の中心に配置され、及び/又は隣接するステータコイル間の中心に配置されていることも有利に可能である。
切替閾値は、それぞれのセンサに直接設けることができ、それらセンサは、それぞれ、切替閾値を超えたとき及び/又は下回ったときに、そのセンサ信号又は切替信号のデジタル値を変更する。しかし、切替閾値を超えたとき及び/又は下回ったときに、評価装置が、センサ信号又は切替信号の値をデジタル的に変更することも可能である。
実際の最適な構成は、次のような切替閾値を提供する。
磁気回転磁界のそれぞれの半波は、180°の位相角範囲を通過し、磁気回転磁界の全波は、これに対応して360°の位相角範囲を通過する。全波は、2つの連続する半波、すなわち正の半波と負の半波、又は互いに反対の極性(例えば、第1極性と第2極性)を有する半波を含む。負の半波と正の半波の間、又は極性の異なる半波の間には、いわばゼロクロス(ゼロ交差)が存在する。
極対の数が1のロータ、つまり2つの磁極を有するロータでは、ロータの機械的な1回転中にそれぞれのセンサで磁気回転磁界の全波が発生し、極対の数が2つのロータでは、例えば全波が2回発生する。磁気回転磁界の波について以下に説明する範囲において、それらは電気角で記述される。
磁気回転磁界の波が正の半波から負の半波へ、又は負の半波から正の半波へ遷移した後の約30°又は正確に30°の電気位相角における、それぞれのセンサの切替信号が切替信号変化を含むように、センサの又はセンサのための切替閾値が有利に選択される。言い換えれば、磁気回転磁界の波が第1極性を有する半波から第2極性を有する半波へ遷移した後の約30°の位相角における、それぞれのセンサの切替信号が切替信号変化を含むように、センサの又はセンサのための切替閾値が提供されることも意図され得る。
ここでの切替信号変化又は切替信号の変更は、例えば、論理ゼロから論理1への変化、又はその逆の変化である。30°の角度に関して一定の公差が可能である。しかし、第1極性から第2極性への磁気回転磁界の波の遷移後、30°の位相角における最も正確な信号変化のために、切替閾値の正確な設定が好ましい。
上記の切替閾値により、駆動モータは、互いに反対の回転方向に問題なく動作させることができる。
さらに、正確に又は約30°での切替閾値の選択により、駆動モータの機械的に同一の設計で、デルタ結線又はスター結線のステータコイル配列の異なる配線であっても、センサ配列は、機械的又は電気的に変更されずに動作することが可能である。さらに、正確に又は約30°での切替閾値の選択はまた、ステータコイル配列の異なる巻線配置及び/又は異なる配線を可能にする。
有利には、位相角を設定するため、及び/又は切替閾値を設定するために、それぞれのセンサ、例えばホールセンサの磁気ヒステリシスが使用される。好ましくは、約30°の位相角及び/又は切替閾値を、それぞれのセンサの磁気ヒステリシスを用いて設定することが意図される。
通電装置は、好ましくは、駆動モータの構成要素を形成する。駆動モータと通電装置とで、システムを形成することもできる。特に、冒頭で述べたタイプの工具、例えば手持ち式工具又は半固定式工具は、駆動モータ及び通電装置を備える。
ステータコイル配列は、例えばデルタ結線又はスター結線で接続することができ、及び/又は通電装置に接続することができる。
通電装置は、好ましくは、ステータコイル配列のブロック通電のために構成される。通電装置は、好ましくは、ステータコイル配列の通電のためのブリッジ接続部を備える。
好ましくは、通電装置は、ステータコイル配列のデルタ結線用の整流表と、ステータコイル配列のスター結線用の整流表とを備える。整流表は、例えば、通電装置の記憶装置に格納することができる。通電装置のプログラムモジュールは、スター結線又はデルタ結線に適したそれぞれの整流表にアクセスするために、パラメータ化可能である。
移動可能なエネルギー貯蔵部、例えば電池パック又は充電式電池パックを介して駆動モータの電力供給を行う場合、デルタ結線が行われることが好ましい。特に好ましいのは、本発明による駆動モータを有する工具であり、そのステータコイル配列はデルタ結線を含み、電気エネルギー貯蔵部を介して電流が供給される通電装置に接続される。したがって、工具は、例えば、電気エネルギー貯蔵部を着脱可能に配置するための供給接続部を備える。蓄電装置は、例えば、通電装置、ひいては駆動モータへの供給電圧として、10.8V、12V、14V、18V、36Vなどの直流電圧を供給する。したがって、エネルギー貯蔵部は、有利には、比較的に低い供給電圧で大電流を供給する。工具は、有利には、電動ドライバ又はねじ締め装置である。
スター結線は、例えば120V、230Vなどの交流電圧ネットワークを介して駆動モータに電流を供給する場合に好ましい。交流電圧ネットワークは、比較的高い供給電圧を供給するので、通電装置は、交流電圧ネットワークからより小さな電流を引き出す。スター結線で、通電装置に接続されたステータコイル配列を有する駆動モータは、有利には、交流電圧ネットワークへの供給接続部を有する工具の構成要素である。例えば、工具は、交流電圧ネットワークに接続するための接続ケーブル及び/又は交流電圧ネットワーク用の接続ケーブルを接続するためのプラグ接続部を有する。
センサ配列の切替信号を使用して、通電装置はニュートラル整流を目的としてステータコイル配列を作動させることができるが、原理的には、プレ整流又はポスト整流を目的とすることもできる。
ニュートラル整流は、ステータコイルによって生成される回転磁界が、ロータ位置又はロータの回転角度位置と同期又は一致するようにステータコイルの電圧を設定するものである。
プレ整流は、回転磁界がロータ位置又はロータの回転角度位置よりも前に進むか、又は先行するようにステータコイルの電圧を設定するものである。
それに対応して、ポスト整流は、ステータコイルによって生成される回転磁界が、ロータ位置又はロータの回転角度位置に追従するようにステータコイルの電圧を設定するものである。
好ましい概念は、センサ配列が、ニュートラル整流を目的として、ステータコイル配列のデルタ結線において切替信号を生成することである。有利には、センサがニュートラル整流を目的としてステータコイル配列のデルタ結線で切替信号を生成するように、センサ配列がステータに対して配置されていることが意図される。特に、エネルギー貯蔵部を介して駆動モータ又は工具に電流を供給する場合、好ましくは12~48Vの範囲の直流電圧を供給するこの設計が有利である。この設計は、例えば電動ドライバとして工具を設計するなど、高い起動トルクが望まれる工具で駆動モータを使用する場合に特に有利である。
ニュートラル整流は、特に、磁気回転磁界の波のゼロ交差の前後の約30°の位相角で、センサが切替信号変化を出力するように、センサの切替閾値を設定することによって実現される。
さらに、プレ整流を目的として、センサ配列がステータコイル配列のスター結線において切替信号を生成することが可能である。プレ整流を目的として、センサが、ステータコイル配列のスター結線において切替信号を生成するように、センサ配列がステータに対して配置されていることが有利である。特に、この設計は、交流電圧ネットワークを介した電流供給のために提供され、この目的に適した供給接続部を備える工具において有利である。例えば、この工具は機械鋸であり、駆動モータの起動トルクが低くても許容される。なぜなら、最初に作業工具(例えば鋸刃)が所定の回転速度になってから、作業工具が被加工物に係合又は切り込むからである。プレ整流は、好ましくは電気的に約30°に対応する。
しかし、ニュートラル整流を目的としてセンサが、ステータコイル配列のスター結線で切替信号を生成する一方、デルタ結線において、ポスト整流又はプレ整流を目的として切替信号が生成されるように、センサ配列がステータに対して配置されることも可能である。
センサで測定される波は、永久磁石で発生した波だけである可能性はある。しかし、実際には、ステータコイルの配置によって生成される磁気回転磁界によるオーバーラップ効果がある。センサによって測定されるか、又はセンサに作用する磁気回転磁界は、例えば、ステータコイル配列によって生成される磁気サブフィールドと、永久磁石によって生成される磁気サブフィールドとを含み、それらサブフィールドは互いに重なり合う。
ロータ及び/又はステータは、好ましくは、シートスタックを含む。ロータ及び/又はステータのシートスタックは、好ましくは、層状の電気シート又は変圧器シートから製造される。
モータ軸は、例えば、モータ軸上に保持されたシートスタックの軸通過開口部を通過する。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態が2極ロータを表しているとしても、これは本発明の適用の限定を意味するものではない。この原理は、追加の極を有するロータ、例えば、4極又は6極ロータ、又は別の磁石配列を有するロータの場合にも問題なく実施することができる。また、ステータコイル配列を変更することもできる。同様に、以下の実施形態のステータコイル配列は、例えばスター結線とデルタ結線、直列接続又は並列接続などの組み合わせを使用して、デルタ結線又はスター結線以外の方法で配線又は相互接続することもできる。
駆動モータの分解図である。 横から見た図である。 先行図による駆動モータを通る長手方向断面である。 コード付き機械の形態の、先行図による駆動モータを有する手持ち式工具である。 図1~3による駆動モータだけでなく、移動式エネルギー貯蔵部で操作される手持ち式工具の形態の手持ち式工具である。 先行図による駆動モータのロータ及びセンサ配列の分解図である。 図6のD1部分にほぼ対応する、ロータ及びロータ上の永久磁石の詳細図である。 駆動モータ及び通電装置の回路図である。 駆動モータ及びセンサ配列の図式正面図である。 図9による駆動モータのセンサ配列によって測定可能な磁界の曲線である。 先行図による駆動モータのセンサ配列の切替信号の図式表示である。 通電装置にスター結線で接続された、先行図による駆動モータのステータコイル配列のための整流表である。 通電装置とデルタ結線された、先行図による駆動モータのステータコイル配列のための整流表である。 逆起電力(EMF=起電力)に対応する、スター結線のステータコイル配列の相電圧を示す図である。 図14によるスター結線のステータコイル配列上の駆動モータの通電装置によって設定されたブロック電圧曲線であり、理想的な電圧曲線と概観的に示す図である。 デルタ結線のステータコイル配列の逆起電力曲線と、個々の例示的なブロック電圧曲線を示す図である。
駆動モータ10は、回転軸Dを中心に回転できるようにロータ(回転子)30が取り付けられたステータ(固定子)20を備え、ステータ20は、複数のシート22を有するステータシートスタック21を備える。シートスタック21は、ロータ30が収容される凹部23を有する。互いに対向する端面24、25には、凹部23を閉塞するモータカバー50、40が配置されている。
さらに、ステータ20は、ステータコイル27A、27B、27Cを有するステータコイル配列(ステータコイル装置)26を支持している。
ロータ30は、凹部23に収容されるロータシートスタック31を備える。シートスタック31は、互いの上に積層されたシート32から構成されている。シートスタック31は、回転軸Dを中心に回転できるようにステータ20に対して軸受装置47Aを用いて取り付けられたモータ軸33が貫通している。ロータ30の端面34、35は、モータカバー50、40に面している。
ロータシートスタック31には、磁石配列37の永久磁石38のための磁石凹部36が設けられている。永久磁石38は、例えば、付勢方向SRでプラグイン取り付けによって、磁石凹部36に挿入される。
永久磁石38は、シートの形態で構成され、例えば、平坦な側面38Fを備え、その間に小側面38Sが延在する。永久磁石38は、小側面38Sによって互いに隣り合って配置され、その結果、環状構成が形成される。
しかし、永久磁石38の間には、角度間隔Wが存在する。角度間隔Wには、永久磁石は存在しない。
平坦な側面38fは、例えば、回転軸Dから離れて延びる半径線に対して直角に延びる。
モータカバー40、50は、軸受装置47Aのピボット軸受47、57が収容され、モータ軸33を回転可能に取付ける軸受凹部43、53を備える。ピボット軸受47、57は、例えば、転がり軸受、特に玉軸受けである。モータ軸33は、例えば、ステータ30又はモータカバー40、50の前方に片側又は両側で突出する。実施形態例では、それは両側であって、すなわちモータカバー40、50の端面又は前面45、54に突出している。モータカバー40、50の端面44、55は、ステータ20に面し、その端面において当該ステータを閉鎖する。
ステータコイル配列26は、ステータコイル27A、27B、27Cに接続された接続部28A、28B、28Cを用いて通電装置85に接続される。
通電装置85は、回転磁界が形成されるようにステータコイル27に通電し、磁石配列37と交互に作用して(交番作用により)、回転軸Dを中心にロータ30を回転駆動する。
通電装置85は、例えば、ブリッジ接続部86を作動させることができる制御部80を備える。ブリッジ接続部86は、上側スイッチSA1、SB1、SC1及び下側スイッチSA2、SB2、SC2を含む。上側スイッチSA1、SB1、SC1は、供給電位V1に接続され、下側スイッチSA2、SB2、SC2は、例えば接地などの電位V0に接続される。それぞれの上側スイッチSA1、SA2又はSB1、SB2又はSC1、及びSC2の間には、それぞれの接続ラインLA、LB、及びLCが接続され、接続部28A~28Cに接続される。
ステータコイル27を最適に作動させるために、制御部80は、回転軸Dに関して、ステータ20に対するロータ30のそれぞれの回転位置に関する情報を必要とする。この目的のために、センサ配列60が設けられる。センサ配列60は、センサ支持体61と、例えば、ステータ20に対して静止している回路基板62とを含む。例えば、センサ支持体61は、モータカバー40上に及び/又はモータカバー40とステータ20との間に挟まれて保持される。
センサ支持体61は、モータカバー40の凹部41に収容される。そのモータカバーは、その半径方向外周上に嵌め合い凹部42、すなわち嵌め合い対向輪郭42Aを備え、そこにセンサ支持体61の嵌め合い突起63、すなわち嵌め合い輪郭63Aが係合する。嵌め合い突起は、例えば、星形に構成されているので、それらは嵌め合い方式で、それと相補的な嵌め合い凹部42に納まる。これにより、センサ支持体61は、回転軸Dに対して回転方向に固定された方法で凹部41内に保持される。
モータカバー40から凹部41の方向に突出する嵌め合い突起46が係合する追加の嵌め合い輪郭、すなわち、例えば差し込み凹部の形態の嵌め合い凹部66によって、追加の回転固定の保持が確保される。嵌め合い突起63及び嵌め合い凹部66は、これらの嵌め合い部品を保持するモータカバー40の相補的な嵌め合い凹部42及び嵌め合い突起46と同様に、回転軸Dに関して角度的に離間している。
ロータ30の端面35は、ステータ20の端面25の前に所定量39だけ突出しているので、磁界、ひいては永久磁石38の磁界が、センサ配列60のセンサ67A、67B、67Cをより良好に通過することができる。
センサ67A、67B及び67Cは、有利には、ロータ30に面するセンサ支持体61の端面64に配置される。そこには、例えば抵抗器などの他の電気部品も配置することができる。センサ67は、例えば、プリセットされた又は設定可能な切替閾値を含むホールセンサである。しかし、センサ67が、それらに作用する磁界に対応する方法でアナログ測定信号を発生するセンサであることも可能であり、測定信号は、その後、センサ配列60の評価装置70(例えば、閾値論理)によって評価される。
センサ配列60は、制御部80に接続するための接続装置68を備える。接続装置68は、例えばプラグ69を含み、それは、ライン69Lを介してセンサ支持体61及びその上に配置された電気部品(例えばセンサ67)に接続される。ライン69Lは、それに対応して、センサ67A、67B、67C又は評価装置70の切替信号SA、SB、SCの伝送を可能にする。前述のように、センサ67A、67B、67Cが、既にデジタル切替信号を生成していることが可能である。しかし、評価装置70が、センサ67A、67B、67Cのアナログ測定信号又はセンサ信号を用いて、デジタル切替信号SA、SB、SCを生成することも可能である。しかし、原則として、センサ67A、67B、67Cがアナログ測定信号を制御部80に送信し、制御部80がそれからデジタル切替信号67A、67B、67Cを生成することも考えられる。このように、制御部80は、いわばセンサ配列60の評価装置又はセンサ配列60の構成要素を形成する。
制御部80は、通電装置85を作動させるための制御プログラム83が格納された記憶部82と通信するプロセッサ81を含む。通電装置85、特にブリッジ接続部86は、インターフェース84を介して制御部80によって作動できるパワーエレクトロニクスを表している。スイッチSA1~SC2は、例えば、パワートランジスタなどである。これはそれ自体が既知である。
ステータコイル配列26は、例えばデルタ結線で、通電装置85に接続することができる。ステータコイル27は、27Ad、27Bd、及び27Cdによって示される。一方、破線で表されるスター結線では、ステータコイル27は、27As、27Bs、及び27Csによって示される。
デルタ結線は、例えば、充電式バッテリパック用の電気エネルギー貯蔵部206によって電源電圧P2を供給することができる手持ち式工具200にとって有利である。
他方、スター結線は、例えば、電気エネルギー供給ネットワークEVによって供給電圧P1を供給することができる、例えば丸鋸などの工具300に適している。
手持ち式工具200、300は、工具取付け部201、301を駆動するためのそれぞれの駆動モータ10が配置されたハウジング203、303を備える。工具取付け部201、301は、作業工具202、302、例えば、穴あけ工具若しくはねじ・ナット組立工具202、又は鋸切断工具302を着脱可能に固定するために使用される。
スイッチ204又は304を用いて、手持ち式工具200及び300の通電装置85を起動して、駆動モータ10をオン又はオフに切り替え、及び/又はその回転速度及び/又はその電力を変更することができる。
手持ち式工具200、例えば、ねじ締め装置又は穴あけ装置は、例えば、プラグ接点、プラグインターフェースなどを有する、エネルギー貯蔵部206のための供給接続部205を備える。
一方で、手持ち式工具300は、供給ネットワークEVに接続される接続装置に差し込むための、例えば電源プラグ付き電源コードなどの供給接続部305を備える。
図9には、駆動モータ10が概略的に示されている。それぞれのセンサ27A、27B、27Cが、いわば磁極の中心のステータコイル27A、27B、27Cに関連付けられていることが分かる。
ステータコイル配列26は、多相方式、例えば三相方式で配線される。
ロータ30は、例えば2極ロータであり、相互に対向する合う永久磁石38は、回転軸Dに対して半径方向外側に、すなわちロータ30とステータ20との間のエアギャップ方向に同じ極性を有する一方、回転軸Dに対して角度的に90度ずれている永久磁石38は、それと反対の極性を有する。これは、図9において永久磁石38の参照番号38S(例えば磁気S極)及び38N(例えば磁気N極)で示されている。
図10には、磁界曲線、すなわち、ゼロ位置(位相角γ=0)から準正弦曲線状に進行する理想的な磁界曲線FBIが表されている。このゼロ位置から進む、駆動モータ10の時計回りの回転RL及び反時計回りの回転LLと、それから生じる回転磁界の波の時間曲線がそれぞれ表されている。回転磁界は、ステータ20に位置する静止観測者、この場合はそれぞれのセンサ67に対して、γ=X°の回転後、ロータ30の極対の数に関連して示されている。
理想的な磁界曲線FBIは、永久磁石38は、互いに直接隣り合って配置され、すなわち角度間隔が無く、及び/又はステータコイル配列26から生じる回転磁界による影響がない、いわば理想的なロータ30の場合に与えられる。磁気回転磁界の、例えば波FBIの態様の理想的な波の場合、センサ67A、67B及び67Cは、磁気回転磁界の理想波のゼロ交差で、すなわち図10による切替閾値N又はゼロ交差Nで、それぞれ準理想切替信号SAI、SBI及びSCIを切り替える。
しかし、磁気センサ、例えばホールセンサは、いわゆるヒステリシスを有する。そのヒステリシスは、以下で明らかになるように、センサ67又は評価装置70に、上限切替閾値SH及び下限切替閾値SLを設定することで、最適に設定及び使用される。上限切替閾値SHと下限切替閾値SLは、対称になっている。
これに対し、永久磁石38間の角度間隔に起因して、センサ67によって検出される回転磁界の波の実際の曲線、例えば、センサ67A、67B、67Cによって検出されるか、又はそれらに作用する回転磁界FA、FB、FCの実際の曲線が生じる。
しかし、加えて、ステータコイル27A~27Cへの通電又はそれによって生成される磁界の影響があるので、センサ67A、67B、67Cが検出する磁気回転磁界の波も最大曲線又は最小曲線を有することがある。例えば、センサ67Bに作用する磁気回転磁界の最大曲線FBOと最小曲線FBUが起こりうる。
回転磁界FA、FB、FCの上側半波HO及び下側半波HUの連続的な立ち上がりエッジAF又は連続的な立ち下がりエッジDFの間には、ステップ(段差)STを有する遷移区間UGがあり、そこでは磁気回転磁界FBの波が連続していない。このいわばニュートラル領域、すなわち遷移区間UGは、センサ67A、67B、67Cの上限切替閾値SH及び下限切替閾値SLによってマスクされる(隠される)。上限切替閾値SH及び下限切替閾値SLは、適宜選択及び/又は設計される。
センサ67Bの例を用いると、これは以下でより明確になるであろう。
ロータ30の時計回りの回転RLの間、位相角γ=0°から進み、センサ67Bに作用する、及び/又はそのセンサによって検出される磁気回転磁界は、最初は正又は上側半波HOを含み、切替閾値N又はゼロ交差Nで、その極性を変化し、下側半波HUとなる。時間T1Rにて、その下側半波HUは下限切替閾値SLを通過し、これにより、センサ67Bの切替え、すなわち、切替信号変化SW1(例えば、論理1から論理0への変化)をもたらす。
回転磁界FBが位相角γ=180°で、その下限最大値を通過した後、いわば下側半波HUは、位相角γ=270°で上側半波HOに遷移し、時刻T2Rで上限切替閾値SHを超えるため、センサ67Bはいわば再び切り替えられ、例えば論理0から論理1への切替信号変化SW2を生成する。
ロータ30の反時計回りの回転LLの間、この方式は同様に機能する。再度、正又は上側半波HOから位相角γ=0°で進み、回転磁界FBは負の半波HUに遷移し、時間T1Lで下限切替閾値SLをアンダーシュートする。その結果、センサ67Bは、切替信号SBのレベルを論理1から論理0に変更し、すなわち、切替信号変化SW2を実行する。
ロータ30のさらなる反時計回りの回転LLの間、回転磁界FBはまず最小値を通過し、次に再び上昇して切替閾値N又はゼロ交差Nを通過し、その後位相角γ=-300°で上限切替閾値SHを通過する。これにより、時刻T2Lで切替信号変化SW1がもたらされる。
図12に、スター結線のステータコイル配列26に通電するための例示的な整流表KSを示す。図13に、デルタ結線で通電するための例示的な整流表KDを示す。整流表KS及びKDは、例えば、制御部80の記憶部82に記憶され、ブリッジ接続部86を作動するために、プログラム83によって必要に応じて使用することができる。ここで、プログラム83は、スター結線のステータコイル配列26に対して整流表KSを使用し、デルタ結線のステータコイル配列26に対して整流表KDを使用する。
2つの整流表KS、KDには、値1~6のセクタSが示されており、これらは、切替信号SA、SB、SCの信号レベルの2進加算から生じる。ここで、値1を有する切替信号SA、値2を有する切替信号SB、及び値4を有する切替信号SCは、セクタSのそれぞれの値1~6に含まれる。
さらに、整流表KS、KDのそれぞれの左側列には、通電装置26がステータコイル配列26の接続ラインLA、LB、及びLCに供給する電位が、LA、LB、及びLCで示されている。整流表KS、KDにおいて、「+」は、それぞれの接続ラインLA、LB及びLCが供給電位V1に接続されていることを表し、「-」は、それぞれの接続ラインLA、LB及びLCが電位V0(例えば、グランド)に接続されていることを表している。それぞれの接続ラインLA、LB、及びLCが電位V1又はV0のいずれにも接続されていない場合、それぞれの整流表KS、KDには「0」が示される。
図14において、スター結線で接続されたステータコイル27As、27Bs、及び27Csに印加される逆起電力が、電圧USA、USB、及びUSC(EMF=起電力)又は英語でBEMF(=逆起電力)の形で示されており、それらはロータ30の回転中に設定される。理想的には、これらの電圧USA、USB、USCに対応する、例えば図15に示されている電圧USAs、USBs、USCsは、通電装置85によって設定され得る。理想的には、いわば正弦波電圧USAs、USBs、USCsが通電装置85によって設定され、ステータコイル27As、27Bs、及び27Csに印加される。しかし、通電装置85は、実際にはブロック通電を有利に実行し、その結果、例えばステータコイル27As、27Bs、及び27Csの電圧をブロック電圧曲線USAb、USBb、及びUSCbとして設定し、いわばおおよそ電圧USAs、USBs、USCsになる。ブロック位相電圧USAb、USBb、USCbを生成するための切替方式は、整流表KSによって予め決定されている。1から6の値を持つセクタSが概略的に表示されている。ここで、スター結線ではプレ整流が発生することが分かる。
図16に表されているのは、デルタ結線で接続されたステータコイル27Ad、27Bd、及び27Cdに印加される逆起電力電圧UDA、UDB、及びUDCであり、これらはロータ30の回転中に設定される。ここでも、これらの電圧UDA、UDB、及びUDCは、いわば理想的な場合では、通電装置85が設定電圧曲線として理想的に設定する電圧、すなわち、通電装置85によってステータコイル27Adに設定される電圧UDAの電圧UDAsに対応するものである。しかし、スター結線と図14及び図15に関連して既に説明したように、通電装置85は、整流表KDを用いて、ブロック電圧、したがって例えば、ブロック電圧UDAbを設定する。通電装置85が整流表を用いてステータコイル27Bd、27Cdに設定する追加のブロックデルタ電圧は、簡略化のために図16の表には含まれていないが、値1~6のセクタSは含まれている。デルタ結線では、いわば理想的な整流又は中立な(ニュートラルな)整流が起こることが明らかになる。それぞれの切替時間又は整流時間において、最大電圧がステータコイル27Ad、27Bd、及び27Cdに印加され、これにより駆動モータ10の高トルク、ひいては高出力がもたらされる。特に、停止状態からの起動でも高い起動トルクで作動するように意図されたねじ締め装置において、したがって、理想的な整流又はニュートラル整流を実施することができる。
10 駆動モータ
20 ステータ
21 シートスタック
22 シート
23 凹部
24、25、34、35、44、55、64 端面
26 ステータコイル配列
27 ステータコイル
27Ad、27Bd、27Cd (デルタ結線の)ステータコイル
27As、27Bs、27Cs (スター結線の)ステータコイル
28A、28B、28C 接続部
30 ロータ
31 ロータシートスタック
32 シート
33 モータ軸
36 磁石凹部
37 磁石配列
38 永久磁石
38F 側面
38S 小側面
38f 側面
39 所定量
40、50 モータカバー
41 凹部
42、66 嵌め合い凹部
42A 嵌め合い対向輪郭
43、53 軸受凹部
45、54 前面
46、63 嵌め合い突起
47、57 ピボット軸受
47A 軸受装置
60 センサ配列
61 センサ支持体
62 回路基板
63A 嵌め合い輪郭
67A、67B、67C センサ
68 接続装置
69 プラグ
69L ライン
70 評価装置
80 制御部
81 プロセッサ
82 記憶部
83 (制御)プログラム
84 インターフェース
85 通電装置
86 ブリッジ接続部
200、300 手持ち式工具
201、301 工具取付け部
202 作業工具(穴あけ工具、ねじ・ナット組立工具)
302 作業工具(鋸切断工具)
203、303 ハウジング
204、304 スイッチ
205 供給接続部
206 電気エネルギー貯蔵部
305 供給接続部
AF 立ち上がりエッジ
DF 立ち下がりエッジ
D 回転軸
EV (電気エネルギー)供給ネットワーク
FA、FB、FC 回転磁界
FBI 磁界曲線(波)
FBO 最大曲線
FBU 最小曲線
HO 上側半波
HU 下側半波
KD、KS 整流表
LA、LB、LC 接続ライン
N 切替閾値(ゼロ交差)
P1 供給電圧
P2 電源電圧
RL 時計回り回転
LL 反時計回り回転
S セクタ
SA、SB、SC 切替信号
SA1、SB1、SC1 上側スイッチ
SA2、SB2、SC2 下側スイッチ
SAI、SBI、SCI 準理想切替信号
SH 上限切替閾値
SL 下限切替閾値
SR 付勢方向
ST ステップ(段差)
SW1、SW2 切替信号変化
UDA、UDB、UDC デルタ結線での逆起電力電圧
USA、USB、USC スター結線での逆起電力電圧
USAb、USBb、USCb ブロック電圧曲線
W 角度間隔
γ 位相角

Claims (20)

  1. 手持ち式工具(200、300)又は半固定式工具の形態である、掃除機又は工具用の駆動モータであって、
    前記駆動モータ(10)は、ステータコイル配列(26)を有するステータ(20)と、回転軸(D)の周りを回転できるように、前記ステータ(20)に取り付けられるか、又はベアリング配列(47)を用いて前記ステータに対して取り付けられたモータ軸(33)を有するロータ(30)と、を備え、
    前記ロータ(30)は、前記回転軸(D)の周りに環状に配置された永久磁石(38)を有する磁石配列(37)を備え、
    前記ステータ(20)に対する前記ロータ(30)の回転位置のそれぞれの角度を検出するために、センサ配列(60)が、前記ステータ(20)に対して固定的に配置され、
    前記センサ配列は、特に前記ステータコイル配列(26)に通電するための通電装置(85)用のデジタル切替信号(SA、SB、SC)を生成するように構成された少なくとも2つのセンサを備え、これにより前記ロータ(30)は、前記ステータコイル配列(26)の通電により前記回転軸(D)の周りに回転駆動できる、駆動モータにおいて、
    前記少なくとも2つのセンサ(67A、67b、67C)は、前記ロータ(30)の磁気回転磁界(FB)の2つの波を検出するように構成され、前記波は、回転角の周りで位相シフトされ、前記センサ(67A、67b、67C)は、前記センサ(67A、67b、67C)の切替閾値(SH、SL)を超えるか又は下回る前記磁気回転磁界(FB)の波に依存する方法で、前記切替信号(SA、SB、SC)を生成し、前記波は、それぞれ前記センサ(67A、67b、67C)を通過すること、及び、
    前記磁石配列(37)の前記永久磁石(38)は、前記回転軸(D)に関して互いに角度間隔を有し、その結果、前記磁気回転磁界(FB)の前記波は、それぞれの前記センサ(67A、67b、67C)の位置で、連続的な立ち上がりエッジと立ち下がりエッジ(AF、DF)の間に頂点を有する、連続的な、特にほぼ正弦波の半波(HO、HU)を含み、それぞれ連続する半波(HO、HU)の間の遷移区間(UG)における前記波は、異なる極性を含み、前記遷移区間(UG)における前記波は、少なくとも1つのステップ(ST)又はジャンプ又は凹凸を含むこと、及び、
    前記センサ(67A、67b、67C)の前記切替閾値(SH、SL)は、前記半波(HO、HU)の前記連続的な立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ(AF、DF)の領域に配置されることを特徴とする、駆動モータ。
  2. 前記磁石配列(37)の前記永久磁石(38)は、前記ステータコイル配列(26)と協働して前記ロータ(30)を回転駆動するように設けられ、構成されることを特徴とする請求項1に記載の駆動モータ。
  3. 前記ロータ(30)には、前記センサ配列(60)を専ら作動するために設けられる磁性送信機がなく、及び/又は前記ロータ(30)を専ら回転駆動するために設けられる前記磁石配列(37)の永久磁石(38)が、永久磁石(38)の部品又は永久磁石(38)として前記ロータ(30)に配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の駆動モータ。
  4. 前記磁石配列(37)の隣接する永久磁石(38)の互いに向き合う側面の間に、回転軸に対する角度間隔があり、特に少なくとも5°、好ましくは少なくとも10°、特に少なくとも15°の角度間隔が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駆動モータ。
  5. 前記磁石配列(37)、特に前記ロータ(30)は全体として、前記センサ配列(60)の方向で前記ステータ(20)の前に突出してい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駆動モータ。
  6. 前記磁石配列(37)と前記センサ配列(60)との間に、少なくとも0.4mm、特に少なくとも0.8mm、好ましくは少なくとも1mmの間隔が設けられることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の駆動モータ。
  7. 前記センサ配列(60)は、前記センサ(67A、67b、67C)が配置される、特に回路基板(62)の形態のセンサ支持体(61)を備えることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の駆動モータ。
  8. 前記センサ支持体(61)は、モータカバー(50)に、又はモータカバー(50)と前記ステータ(20)のステータシートスタック(21)との間に取り付けられるように構成されるか、又は前記モータカバー(50)が前記センサ支持体(61)を形成することを特徴とする、請求項7に記載の駆動モータ。
  9. 前記センサ支持体(61)は、前記ステータ(20)に、又は前記ステータ(20)に対して取り付けるための少なくとも1つの嵌め合い輪郭(63A)を備え、前記ステータ(20)に対する前記センサ支持体(61)が、前記駆動モータ(10)の前記回転軸(D)に対して1つの角度位置でのみ取り付けできるか、又は前記センサ配列(60)の各センサ(67A、67b、67C)と、前記センサ(67A、67b、67C)に隣接して配置される前記ステータコイルのコイル(26A、26B、26C)との間に、所定の角度間隔が設けられるような角度位置でのみ取り付けできることを特徴とする、請求項7又は8に記載の駆動モータ。
  10. 前記センサ配列(60)の少なくとも1つのセンサ(67A、67b、67C)又は各センサ(67A、67b、67C)は、それぞれ、隣接するステータコイル(27A、27B、27C)の間の中央に配置されるか、又は前記センサ(67A、67b、67C)に関連付けられる前記ステータコイル(27A、27B、27C)に関して中央に配置されることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の駆動モータ。
  11. 前記磁気回転磁界(FB)の全波は、それぞれ180°の位相角を通過する異なる極性の半波(HO、HU)を含むこと、及び
    前記切替閾値(SH、SL)は、一方の極性の半波(HO、HU)から他方の極性の半波(HO、HU)への前記磁気回転磁界(FB)の波の遷移後の約30°の位相角におけるそれぞれのセンサ(67A、67b、67C)の前記切替信号(SA、SB、SC)が、切替信号変化(SW1、SW2)を含むように設けられることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の駆動モータ。
  12. 約30°の位相角及び/又は前記切替閾値(SH、SL)は、それぞれのセンサ(67A、67b、67C)の磁気ヒステリシスを用いて設定されることを特徴とする、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の駆動モータ。
  13. 前記センサ配列(60)は、前記センサ(67A、67b、67C)が、ニュートラル整流のために前記ステータコイル配列(26)のデルタ結線で前記切替信号(SA、SB、SC)を生成するように、前記ステータ(20)に対して配置されることを特徴とする、請求項1乃至12のいずれか一項に記載の駆動モータ。
  14. 前記ニュートラル整流は、前記センサ(67A、67b、67C)が、前記磁気回転磁界(FB)の波のゼロ交差の前及び/又は後の約30°の位相角で切替信号変化(SW1、SW2)を出力するように、前記センサ(67A、67b、67C)の切替閾値が設定されることによって、もたらされることを特徴とする、請求項13に記載の駆動モータ。
  15. 前記センサ配列(60)は、前記センサ(67A、67b、67C)が、プレ整流のために前記ステータコイル配列(26)のスター結線で前記切替信号(SA、SB、SC)を生成するように、前記ステータ(20)に対して配置されることを特徴とする、請求項1乃至14のいずれか一項に記載の駆動モータ。
  16. 前記プレ整流は、電気的に正確に、又は約30°に一致することを特徴とする、請求項15に記載の駆動モータ。
  17. 前記通電装置(85)は、デルタ結線のステータコイル配列(26)用の整流表、及び/又はスター結線のステータコイル配列(26)用の整流表を備えるか、あるいは、デルタ結線及びスター結線の整流表でパラメータ化できることを特徴とする、請求項1乃至16のいずれか一項に記載の駆動モータ。
  18. 前記センサ(67A、67b、67C)に作用する前記磁気回転磁界(FB)は、前記ステータコイル配列(26)によって生成される磁気サブフィールドを含み、及び、前記永久磁石(38)によって生成される磁気サブフィールドを含み、前記サブフィールドは互いに重なり合うことを特徴とする、請求項1乃至17のいずれか一項に記載の駆動モータ。
  19. 請求項1乃至18のいずれか一項に記載の駆動モータ(10)と、前記駆動モータに通電するための通電装置(85)とを有する、工具、特に手持ち式工具(200、300)又は半固定式工具。
  20. 前記駆動モータ(10)の前記ステータコイル配列(26)は、前記通電装置(85)にデルタ結線で接続され、前記工具は電気DC電圧エネルギー貯蔵部(206)を接続するための供給接続部(205)を備えること、又は、
    前記駆動モータ(10)の前記ステータコイル配列(26)は、前記通電装置(85)にスター結線で接続され、前記工具は電気AC電圧ネットワーク(305)用の供給接続部(305)を備えることを特徴とする、請求項19に記載の工具。
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