JP5082717B2

JP5082717B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP5082717B2
Application number: JP2007244918A
Authority: JP
Inventors: 智雅西河
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: JP2009072867A

Description

本発明は、駆動源としてブラシレスモータを使用した電動工具、特に、モータハウジング部に収容されたブラシレスモータのスイッチング素子の冷却効果を高めた電動工具に関するものである。

一般に、ブラシレスモータ（ＤＣモータ）は、小型化が可能であり、回転軸に取り付けられるロータに対してブラシ及び整流子を用いる電気的接続が不要となるために高寿命が可能である。

しかし、ブラシレスモータを駆動すると、比較的大きな電力損失が熱となって発生し、熱の影響によりモータの高出力化や正常な動作が阻害される場合がある。電力損失の大部分は、ステータコイルに電流が流れることにより生じる銅損と、磁束密度の変化によってステータコア材に生じる鉄損であり、特に、ステータ部の鉄損が大きな発熱源となる。このため、ブラシレスモータのステータを冷却するための冷却構造が種々提案されている。

例えば、特許文献１には、ステータの冷却構造として、モータハウジング内に外気を吸入する開口部とハウジング内の冷却風をハウジング外へ排気する開口部とをステータを挟んで回転軸方向に離間させて設け、ロータに一体的に取り付けられた冷却ファンによってハウジング内に外気を導入し、特に、ステータコイルとハウジングの間に冷却風を流動させることによってステータコイル部を直接冷却する構造が提案されている。

ところで、ブラシレスモータにおいて、インバータ回路基板（モータ駆動回路基板）のスイッチング素子を構成する出力トランジスタは、ステータコイルに大電流の駆動信号を供給することから発熱量が多くなるため、これに対する冷却対策が要求される。インバータ回路基板の冷却構造に関して、特許文献２には、モータハウジング内の冷却気体の流路上にモータのステータ部と共にインバータ回路基板を配置する構成が提案されている。
特開２００４−２７４８００号公報特開２００５−１０２３７０号公報

ブラシレスモータにおいては、インバータ回路基板（モータ駆動回路基板）のスイッチング素子を構成する出力トランジスタは、ステータコイルに大電流の駆動信号を供給することから発熱量が多くなり、これに対する冷却対策が要求される。ブラシレスモータを使用する電動工具においては、多くの作業を行った場合において、スイッチング素子への冷却特性が低いときにはスイッチング素子が熱により動作不良となり、電動工具が動作しなくなるという問題が発生する。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、回路基板のスイッチング素子を効果的に冷却してブラシレスモータの安定した動作を可能とする電動工具を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、吸気口及び排気口を有しブラシレスモータを収容する筒状のモータハウジング部と、該モータハウジング部の一端部に連続して形成された動力伝達ハウジング部を備え、前記ブラシレスモータを、円筒状のステータと、回転軸を有し該ステータの内部に略同心状に配置されたロータと、該ロータの回転を制御するスイッチング素子を有し前記回転軸と略直交するように配置される回路基板と、該回路基板や前記ステータ等を冷却する冷却風を前記吸気口からモータハウジング内に導入する冷却ファンを含んで構成して成る電動工具において、前記吸気口を前記回転軸から見て径方向外側の前記モータハウジング部に設け、前記ステータから見て前記吸気口側に前記回路基板を配置し、前記ステータから見て前記排気口側に前記冷却ファンを配置し、モータハウジング部内壁から径方向内方に向かい該内壁に沿って略円弧状に延びる気流制御リブを設け、該気流制御リブを前記モータハウジング部内壁の前記吸気口の近傍であって前記吸気口から見て前記冷却ファン側に配置すると共に、前記スイッチング素子を前記吸気口と対向するように配置したことを特徴とする。

本発明によれば、冷却ファンによって吸気口からモータハウジング部内に導入された冷却風は、気流制御リブによってスイッチング素子の近傍を通過するため、スイッチング素子近傍の風速が増加し、該スイッチング素子が冷却風によって直接効率良く冷却される。又、スイッチング素子を冷却した冷却風は、モータハウジング部内壁とステータの間隙に設けられた空気通路を流れる過程でステータを冷却する。このため、スイッチング素子及びステータを含むブラシレスモータの冷却効率が高められ、該ブラシレスモータ、延いては電動工具の安定した動作が可能となる。

また、本発明によれば、気流制御リブをモータハウジング部内壁に沿って略リング状に設置したため、吸気口からモータハウジング部内に取り込まれた冷却風は、全てのスイッチング素子を効率良く冷却することができ、スイッチング素子の冷却効率が一層高められる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る電動工具の一形態としてのインパクトドライバの破断側面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図、図４は図１のＣ−Ｃ線断面図である。

本実施の形態に係るインパクトドライバ５０は、ブラシレスモータ３の回転軸１１と同一方向に沿って一端部（図１の左端部）から他端部（図１の右端部）へと延在する合成樹脂製のモータハウジング部５０ａと、該モータハウジング部５０ａの他端部に連続して形成された動力伝達ハウジング部５０ｂと、モータハウジング部５０ａ及び動力伝達ハウジング部５０ｂから一体に垂下するハンドルハウジング部５０ｃとで構成される工具本体を有している。

上記工具本体のモータハウジング部５０ａ内にはブラシレスモータ３が収納され、動力伝達ハウジング部５０ｂ内には動力伝達機構部４が収容されており、動力伝達ハウジング部５０ｂの先端部からはアンビル１０の端部が突出し、アンビル１０の角穴部１０ａにはドライバビット等の不図示の先端工具が着脱自在に差し込まれて取付部材１０ｂによって固定される。尚、アンビル１０の角穴部１０ａには、他の先端工具としてボルト締付用ビットも装着することができる。

前記モータハウジング部５０ａは円筒状に成形されており、その内周部内には駆動源としてのブラシレスモータ３が収容又は装着されている。又、モータハウジング部５０ａに連続する動力伝達ハウジング部５０ｂ内には、ブラシレスモータ３の回転力を回転打撃力としてアンビル１０に伝達するための動力伝達機構部４が収容されている。ここで、動力伝達機構部４は、遊星ギヤ６とリングギヤ７で構成された減速機構部と、スピンドル８とハンマ９から成るインパクト機構部と、ハンマ９によって回転打撃力が与えられるアンビル１０とで構成されている。ここで、ハンマ９は、スピンドル８上に前後摺動可能に配され、スプリング５によって打撃力が与えられる。又、アンビル１０には不図示の先端工具が着脱可能に装着される。

又、ハンドルハウジング部５０ｃの下端部には、ブラシレスモータ３の駆動電源である電池パックを収容した電池パックッケース１が着脱可能に装着されている。ここで、電池パックケース１は、不図示のリチウムイオン二次電池、ニッケル・カドミウム二次電池等から成る電池パックを収容し、該電池パックの大半はハンドルハウジング部５０ｃ内に挿入されて収容される。

電池パックケース１は、ハンドルハウジング部５０ｃの一部に設けられたトリガスイッチ５０ｄを介してモータ駆動回路装置２に電気的接続されており、モータ駆動回路装置２は、ブラシレスモータ３のステータコイル１２ａに電気的接続され、ブラシレスモータ３のロータ１３を回転駆動する。尚、ステータコイル１２ａは、例えばスター結線された３相コイルで構成されている。

而して、ブラシレスモータ３を電気的に駆動するには、該ブラシレスモータ３のステータコイル１２ａに駆動電流を通電するためのブリッジ回路から成るインバータ回路基板２２と、該インバータ回路基板２２を制御するＣＰＵ等から成るモータ駆動回路装置２が必要となる。特に、インバータ回路基板２２には、ステータコイル１２ａに大駆動電流を通電する必要があることから、例えば、スイッチング素子２１として動作する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を使用しなければならない。このため、出力トランジスタの電力損失が大きくなり、その発熱が問題となる。

以上のように構成されたインパクトドライバ５０によれば、作業者がハンドルハウジング部５０ｃを把持しながら、トリガスイッチ５０ｄを引けば、該トリガスイッチ５０ｄがＯＮ状態となり、インパクトドライバ５０の動作が開始可能となる。

ねじ締め作業時、ブライレスモータ３の回転軸１１の回転は遊星ギヤ６とリングギヤ７から成る減速機構部によって減速されてスピンドル８に伝達されるとともに、ネジ締め中にアンビル１０（先端工具）に所定以上の負荷トルクが掛かるとスプリング５の作用によってハンマ９が回転力を打撃力へと変換する。これによりハンマ９は、アンビル１０に装着されている先端工具に回転打撃力を与えてネジを締め付ける。

次に、本発明の要旨を構成するスイッチング素子２１の冷却構造について説明する。

ブラシレスモータ３は、図２に示すように、円筒形のステータ１２と、該ステータ１２の内周部内に配設されたロータ１３を有しており、ロータ１３には回転軸方向に４つの永久磁石部材が埋め込まれている。そして、ステータ１２の内周部とその外周部との間には、回転軸方向に延びるスロットが設けられており、このスロット内においては、ステータコアにステータコイル１２ａが巻回されている。ステータコイル１２ａは、スター結線された３相コイルを形成し、モータ駆動回路装置２を構成するインバータ回路基板２２には、ステータコイル１２ａに大駆動電流を通電するための６つのスイッチング素子２１（ＩＧＢＴ（出力トランジスタ））が取り付けられている。

又、図１に示すように、ロータ１３の回転軸１１には冷却ファン１５とスリーブ２４が設けられており、ロータ１３の回転時には、冷却ファン１５とスリーブ２４も同時に回転する。ステータ１２には、インバータ回路基板２２とカバー２５が設けられており、これらによってロータ１３が密封されている。

図２に示すように、モータハウジング部５０ａには、ステータ１２を把持するための把持部材２３が設けられており、この把持部材２３は、面状把持部２３ａと棒状把持部２３ｂとで構成されている。ここで、棒状把持部２３ｂは複数のリブで構成されており、リブの間には空気通路１９が形成されている。

次に、図１を用いて冷却風２０の流れを説明する。

ブラシレスモータ３が起動されてその回転軸１１が回転すると、該回転軸１１に結着された冷却ファン１５が回転駆動され、この冷却ファン１５の回転によって冷却風２０が吸気口１７からモータハウジング５０ａの内部へ流入し、インバータ回路基板２２に設けられたスイッチング素子２１を冷却する。その後、冷却風２０は、モータハウジング部５０ａの内壁とステータ１２の間隙に設けられた空気通路１９を流れる過程でステータ１２を冷却し、冷却ファン１５へと吸引される。そして、この冷却風２０は、冷却ファン１５の回転による遠心作用によって径方向外方へと流れ、図３に示す排気口１８から大気中に排出される。

而して、本実施の形態では、図３及び図４に示すように、モータハウジング部５０ａ内壁の吸気口１７の近傍（具体的には、吸気口１７の冷却ファン１５側）には、モータハウジング部５０ａ内壁から径方向内方に向かって一体に延びる気流制御リブ５０ｇがモータハウジング部５０ａ内壁に沿ってリング状に設けられている。この気流制御リブ５０ｇによって、冷却風２０は、インバータ流れ２０ａに示すようにスイッチング素子２１の近傍を通過し、これによってスイッチング素子２１近傍の風速が増加し、該スイッチング素子２１が冷却風２０によって直接効率良く冷却される。又、スイッチング素子２１を冷却した冷却風２０は、モータハウジング部５０ａ内壁とステータ１２の間隙に設けられた空気通路１９を流れる過程でステータ１２を冷却する。このため、スイッチング素子２１及びステータ１２を含むブラシレスモータの冷却効率が高められ、該ブラシレスモータ３、延いてはインパクトドライバ５０の安定した動作が可能となる。

又、図４に示すように、気流制御リブ５０ｇはモータハウジング部５０ａ内壁に沿って略リング状に設置されているため、吸気口１７からモータハウジング部５０ａ内に取り込まれた冷却風２０は、全てのスイッチング素子２１を効率良く冷却することができ、スイッチング素子２１の冷却効率が一層高められる。

尚、以上は本発明をインパクトドライバに対して適用した形態について説明したが、本発明は、駆動源としてブラシレスモータを用いる他の任意の電動工具に対しても同様に適用可能であることは勿論である。

本発明に係る電動工具の一形態としてのインパクトドライバの破断側面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図１のＢ−Ｂ線断面図である。図１のＣ−Ｃ線断面図である。

符号の説明

１電池パックケース
２モータ駆動回路装置
３ブラシレスモータ
４動力伝達機構部
５スプリング
６遊星ギヤ
７リングギヤ
８スピンドル
９ハンマ
１０アンビル
１０ａアンビルの角穴部
１０ｂ取付部材
１１回転軸
１２ステータ
１２ａステータコイル
１３ロータ
１５冷却ファン
１７吸気口
１８排気口
１９空気通路
２０冷却風
２０ａ冷却風のインバータ流れ
２１スイッチング素子
２２インバータ回路基板（回路基板）
２３把持部材
２３ａ把持部材の面状把持部
２３ｂ把持部材の棒状把持部
２４スリーブ
２５カバー
５０インパクトドライバ（電動工具）
５０ａモータハウジング部
５０ｂ動力伝達ハウジング部
５０ｃハンドルハウジング部
５０ｄトリガスイッチ
５０ｅ気流制御リブ

Claims

吸気口及び排気口を有しブラシレスモータを収容する筒状のモータハウジング部と、該モータハウジング部の一端部に連続して形成された動力伝達ハウジング部を備え、前記ブラシレスモータを、円筒状のステータと、回転軸を有し該ステータの内部に略同心状に配置されたロータと、該ロータの回転を制御するスイッチング素子を有し前記回転軸と略直交するように配置される回路基板と、該回路基板や前記ステータ等を冷却する冷却風を前記吸気口からモータハウジング内に導入する冷却ファンを含んで構成して成る電動工具において、
前記吸気口を前記回転軸から見て径方向外側の前記モータハウジング部に設け、
前記ステータから見て前記吸気口側に前記回路基板を配置し、前記ステータから見て前記排気口側に前記冷却ファンを配置し、
モータハウジング部内壁から径方向内方に向かい該内壁に沿って略円弧状に延びる気流制御リブを設け、
該気流制御リブを前記モータハウジング部内壁の前記吸気口の近傍であって前記吸気口から見て前記冷却ファン側に配置すると共に、前記スイッチング素子を前記吸気口と対向するように配置したことを特徴とする電動工具。
前記モータハウジング部内壁と前記ステータの間隙に前記冷却風が通る空気通路を設けたことを特徴とする請求項１記載の電動工具。