JP5170222B2 - Charging tool - Google Patents
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Description
本発明は、インパクトドライバ等の充電工具に供されるDCブラシレスモータで、特にスイッチング素子やコイルを冷却する冷却機構を改善したDCブラシレスモータ及びこのDCブラシレスモータを搭載した充電工具に関する。 The present invention relates to a DC brushless motor used for a charging tool such as an impact driver, and more particularly to a DC brushless motor with an improved cooling mechanism for cooling a switching element and a coil, and a charging tool equipped with the DC brushless motor.
最近、インパクトドライバ等の充電工具には、従来のブラシモータに代ってDCブラシレスモータが用いられている。DCブラシレスモータは、複数のスイッチング素子(FET)により各スイッチング素子に対応する巻き線に順次振り分けて通電させ、これによって連続的に磁場を作ってロータコアを回転させるようにしたものである。 Recently, DC brushless motors are used for charging tools such as impact drivers in place of conventional brush motors. The DC brushless motor is configured such that a plurality of switching elements (FETs) sequentially distribute and energize windings corresponding to each switching element, thereby continuously generating a magnetic field and rotating the rotor core.
ところで、DCブラシレスモータの弱点は、スイッチング素子や巻き線コイルが発熱することである。そのため、DCブラシレスモータを搭載した多くの充電工具には、スイッチング素子や巻き線コイルを冷却する冷却ファンが設けられている。 By the way, the weak point of a DC brushless motor is that a switching element and a winding coil generate heat. Therefore, many charging tools equipped with a DC brushless motor are provided with a cooling fan for cooling the switching element and the winding coil.
例えば、モータハウジングの前側(出力側)に冷却ファンを設け、後側(反対側)にスイッチング素子が設けられたものが知られている(特許文献1)。これは、冷却ファンを回転させることにより、モータハウジングの後方から取り込んだ冷却空気をスイッチング素子とコアの後部に突出した巻き線の一部に接触させた後、コアとモータハウジングとの間を通ってコアの前部に突出した巻き線に接触させて冷却し、さらにモータハウジングの外側に排出する構造である。 For example, it is known that a cooling fan is provided on the front side (output side) of the motor housing and a switching element is provided on the rear side (opposite side) (Patent Document 1). By rotating the cooling fan, the cooling air taken from the rear of the motor housing is brought into contact with the switching element and a part of the winding protruding from the rear of the core, and then passes between the core and the motor housing. In this structure, the coil is brought into contact with the winding protruding from the front of the core, cooled, and discharged to the outside of the motor housing.
しかしながら、上記構造には次のような問題点がある。 However, the above structure has the following problems.
まず、冷却ファンがモータハウジングの前側に配置されているため、モータの軸方向の寸法が嵩み、工具の全長が長くなってしまう。次に、スイッチング素子が工具の後部にあるので、工具を後部を下にして落としてしまったときなど、スイッチング素子が落下時の衝撃で破損したり、ダメージを受けたりするおそれがある。この点を考慮してスイッチング素子を工具のグリップなどの他の部位に設けたものもあるが、スイッチング素子の温度上昇を抑えるのが不十分で、精密なスイッチング制御ができなくなるなど、モータの回転数制御の性能が損なわれるという問題がある。 First, since the cooling fan is arranged on the front side of the motor housing, the axial dimension of the motor increases, and the overall length of the tool becomes long. Next, since the switching element is located at the rear part of the tool, there is a possibility that the switching element may be damaged or damaged due to an impact at the time of dropping, such as when the tool is dropped with the rear part down. Considering this point, some switching elements are provided in other parts such as the grip of the tool, but it is not enough to suppress the temperature rise of the switching elements, and precise switching control cannot be performed. There is a problem that the performance of numerical control is impaired.
本発明は、上記問題点を解消し、全長が長くなるのを最小限に抑えることができ、さらには、スイッチング素子も効果的に冷却し、しかも落下時等の衝撃から保護することができる充電工具を提供することをその課題とする。 The present invention solves the above-mentioned problems, can minimize the increase of the total length, and further effectively cools the switching element and can protect the battery from an impact when dropped. The problem is to provide a tool.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、モータハウジングに軸受を介して回転自在に設けられた回転軸と、この回転軸に固定されたマグネットを有するロータコアと、このロータコアの周囲に複数の巻き線を有するステータコアと、このステータコアの出力側の端面に配置された基板とを備え、複数のスイッチング素子により直流電流を回転中のステータコアの巻き線に振り分けて順次磁場を形成することにより上記ロータコアを回転させるDCブラシレスモータを設けたモータ部と、このモータ部の回転力を駆動源とした動力伝達部とを、それぞれ後部から前部に直列に配置した充電工具であって、上記スイッチング素子を上記モータ部と動力伝達部との間に配置し、上記回転軸のステータコアの基板と反対側に設けた冷却ファンを最後部に配置し、上記冷却ファンによって上記モータハウジングの外側から取り込まれた冷却風が、上記基板の表裏両面に沿って流れ、さらに上記基板の開口部からステータコアの内側を通って上記モータハウジングの外側に吹き出すように、冷却風の通路を形成したことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, an invention according to claim 1 is directed to a rotating shaft provided rotatably on a motor housing via a bearing, a rotor core having a magnet fixed to the rotating shaft, and around the rotor core. By providing a stator core having a plurality of windings and a substrate disposed on the end face on the output side of the stator core, a direct current is distributed to the windings of the rotating stator core by a plurality of switching elements, and a magnetic field is sequentially formed a motor unit provided with a DC brushless motor for rotating the rotor core, and a power transmission portion which is a drive source thereof, a torque of the motor unit, a charging tool arranged in series to the front from the rear, respectively, the switching An element is disposed between the motor unit and the power transmission unit, and a cooling fan provided on the opposite side of the rotating shaft from the stator core substrate. Was placed at the end portion, the cooling air taken in from the outside of the motor housing by the cooling fan flows along the front and back surfaces of the substrate, the motor housing further through the inside of the stator core from the opening of the substrate A cooling air passage is formed so as to blow out to the outside .
請求項2に係る発明は、請求項1において、上記スイッチング素子を上記基板上に取り付けるとともに、上記スイッチング素子と上記ロータコアの回転軸に設けた軸受とを、上記回転軸と直交する方向において重なり合うように配置したことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the switching element is mounted on the substrate, and the switching element and a bearing provided on the rotation shaft of the rotor core are overlapped in a direction orthogonal to the rotation axis. It is characterized by having been arranged in.
請求項3に係る発明は、請求項1又は2において、上記スイッチング素子は上記基板の開口部の周囲に間隔をおいて配置されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect , the switching element is disposed around the opening of the substrate with a space therebetween.
請求項4に係る発明は、請求項1〜3のいずれかにおいて、上記基板及び上記スイッチング素子をコーティング材により防塵防水コーティングしたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the substrate and the switching element are dustproof and waterproof coated with a coating material.
請求項5に係る発明は、請求項4において、上記コーティング材は熱伝導率0.5W/m・k以上であることを特徴とする。
The invention according to
請求項1に係る発明によれば、スイッチング素子を上記モータ部と動力伝達部との間に配置し、上記冷却ファンを最後部に配置したから、工具の後部を下にして落としてしまったときでも、スイッチング素子は直接的な衝撃を受けないので、落下時のショックで破損したり、ダメージを受けたりする可能性は小さく、このようなときでも、モータの回転数制御の性能は確保され、精密なスイッチング制御を維持することができる。 According to the first aspect of the present invention, when the switching element is disposed between the motor unit and the power transmission unit and the cooling fan is disposed at the rearmost part, the tool is dropped with the rear part of the tool down. However, since the switching element does not receive a direct impact, the possibility of being damaged or damaged by a shock at the time of dropping is small. Even in such a case, the performance of the motor speed control is ensured, Precise switching control can be maintained.
また、デザイン的にみても、後部に比較的外径の小さい冷却ファンを設けた構造であるから、モータハウジングの後部を絞ることができ、工具全体をコンパクトにすることができ、視覚的にも小さく見える構成とすることができる。 In terms of design, the rear part has a cooling fan with a relatively small outer diameter, so the rear part of the motor housing can be narrowed down, the entire tool can be made compact, and visually. It can be configured to look small.
また、冷却ファンによって上記モータハウジングの外側から取り込まれた冷却風が、上記基板の表裏両面に沿って流れ、さらに上記開口部からコアの内側を通って上記モータハウジングの外側に吹き出すように冷却風の通路を形成したから、スイッチング素子には外部から取り込まれたばかりの新鮮な空気が接触することになり、その冷却効果は高い。このときコアの巻き線のうち基板側に露出した部分も同様に冷却される。さらに、基板と反対側に露出した巻き線部分も、コアの内側を通り抜けて再び流速が増した冷却風に接触するので、巻き線は効果的に冷却される。Further, the cooling air taken from the outside of the motor housing by the cooling fan flows along both the front and back surfaces of the substrate, and further blown out from the opening through the inside of the core to the outside of the motor housing. Therefore, fresh air just taken in from the outside comes into contact with the switching element, and the cooling effect is high. At this time, the portion of the core winding exposed to the substrate side is similarly cooled. Furthermore, the winding portion exposed on the side opposite to the substrate also contacts the cooling air that has passed through the inside of the core and increased again in flow rate, so that the winding is effectively cooled.
請求項2に係る発明によれば、スイッチング素子を基板上に取り付けるとともに、上記スイッチング素子とロータコアの回転軸に設けた軸受とを、上記回転軸と直交する方向において重なり合うように配置したから、DCブラシレスモータの軸方向の寸法は、スイッチング素子と前部軸受とを直列的に配置するよりも短くなるので、全長が長くなるのを最小限に抑えることができる。
According to the invention of
請求項3に係る発明によれば、スイッチング素子は基板の開口部の周囲に間隔をおいて配置されているから、冷却風が基板の表面に沿って流れるときに各スイッチング素子の表面全体に接触するので、冷却効果が高い。
According to the invention of
請求項4に係る発明によれば、上記基板及び上記スイッチング素子をコーティング材により防塵防水コーティングしたため、導電部を粉塵や水の浸入による腐食や短絡から保護することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the substrate and the switching element are dust-proof and waterproof-coated with the coating material, the conductive portion can be protected from corrosion and short circuit due to intrusion of dust and water.
請求項5に係る発明によれば、0.5W/m・k以上の熱伝導率が良いコーティング材を使用することにより、発熱源のスイッチング素子と冷却風が効率よく熱交換ができ、冷却効果が高くすることができる。
According to the invention of
図1は本発明に係るDCブラシレスモータを搭載したインパクトドライバの一部の断面図で、同図において符号1はドライバ本体を示す。ドライバ本体1の下部にはグリップ2が形成され、グリップ2にはトリガスイッチ3が配置されている。グリップ2の下部には電池パック4が着脱自在に設けられている。
FIG. 1 is a sectional view of a part of an impact driver on which a DC brushless motor according to the present invention is mounted. In FIG. A
ドライバ本体1は筒状に形成され、後部のモータ部1aと前部の動力伝達部1bとから構成されている。 The driver main body 1 is formed in a cylindrical shape and includes a rear motor portion 1a and a front power transmission portion 1b.
モータ部1aには、動力伝達部1bの動力源として回転力を供給するDCブラシレスモータ5が設けられている。このDCブラシレスモータ5については後に詳述する。
The motor unit 1a is provided with a DC
動力伝達部1bの内部には、DCブラシレスモータ5の回転軸6と同軸上に、後ろ側から順に遊星歯車機構7、スピンドル8、打撃機構9及びアンビル10が直列に設けられている。アンビル10の先端部にはドライバビット(図示せず)が装着可能になっている。これにより、DCブラシレスモータ5の回転が遊星歯車機構7によって減速回転されてスピンドル8に伝達され、さらにスピンドル8の回転がハンマー11や圧縮バネ12等から構成されて打撃力を発生させる打撃機構9によって回転打撃力に変換され、この回転打撃力が、ハウジングに回転自在に支持されたアンビル10に伝えられる。動力伝達部1bの構造は公知である。
Inside the power transmission unit 1b, a
次に、モータ部1aに設けられたDCブラシレスモータ5は、図2及び図3に示されるように、ドライバ本体1の一部をなすモータハウジング13に軸受20、21を介して回転自在に設けられた回転軸6と、この回転軸6に固定されたマグネット14を有するロータコア15と、このロータコア15の周囲に複数の巻き線16を有するステータコア17と、このステータコア17の出力側の端面に配置された基板18とを備えている。
Next, as shown in FIGS. 2 and 3, the DC
軸受20、21は回転軸6の前後に各1個が配置され、それぞれ回転軸6に圧入されて固定されている。ハウジング22の内部には、動力伝達部1bの遊星歯車機構7の軸受23に嵌合固定するための第1の筒状固定部24が形成された部品が配置され、第1の筒状固定部24の後方には第2の筒状固定部25が延長形成されている。前部軸受20は第2の筒状固定部25に嵌合固定されている。そして、後部軸受21はモータハウジング13の後壁13aの中央部の凹部26に嵌合固定されている。
One bearing 20, 21 is arranged before and after the rotating
ロータコア15は回転軸6に固定され、その外周は断面円形に形成され、内周には断面長方形の空間が形成され、この空間内に立方体形状のマグネット14が配置されている。
The
ステータコア17は断面が方形のリング状に形成され、モータハウジング13の内側に固定されている。ステータコア17の内側には複数の鉄芯がステータコア17の中心に向けて放射状に設けられ、各鉄芯の周囲には絶縁材を介して巻き線16が巻装されている。
The
次に、基板18はモータ部1aの前側(動力伝達部1b側)に配置されている。図3に示されるように、基板18には、回転軸6のまわりに前部軸受20よりも大きい円形の開口部28が貫通形成されている。また、基板18の後ろ側(マグネット14側)には、磁気センサ(図示せず)が取り付けられていてもよい。磁気センサは、ロータコア15の磁極の位置を検出し、モータ駆動回路(図示せず)で各巻き線16に順次に電流を流して磁場を形成することによりロータコア15を回転させるもので、上記基板18はDCブラシレスモータ5の電気回路基板を構成している。
Next, the board |
ところで、上記各巻き線16に順次に電流を振り分けるのは6個のスイッチング素子(FET:Field Effect Transistor)27によって行われている。スイッチング素子27は、基板18の前部で、開口部28の周囲に、つまり回転軸6から遠い位置に、互いに間隔をおいて配置されている。
By the way, it is performed by six switching elements (FET: Field Effect Transistor) 27 that sequentially distribute the current to each winding 16. The switching
また、スイッチング素子27は、回転軸6と直交する方向において回転軸6の前部軸受20と重なり合うように配置されている。つまり、前部軸受20を外周側に延長したときに、スイッチング素子27が、幅W分だけ干渉するように配置されている。ただし、スイッチング素子27と前部軸受20とは完全に重なり合うのではなく、少しずれて重なり合うように配置されている。このため、基板18の開口部28と、前部軸受20を固定した第2の筒状固定部25との間に冷却風が通るのに十分な空間が形成される。もちろん、開口部28を大きくし、スイッチング素子27と前部軸受20とが完全に重なり合うように構成してもよい。
Further, the switching
次に、ステータコア17の上記基板18とは反対側の後部には冷却ファン30が設けられている。冷却ファン30は回転軸6のロータコア15と後部軸受21との間に固定されている。後部軸受21はモータハウジング13の後壁13aに固定されているから、冷却ファン30は最後部に配置されている。
Next, a cooling
また、モータハウジング13には、基板18と冷却ファン30とに対応する位置にそれぞれ空気孔31、32が形成されている。これにより、図2に矢印で示されるように、モータハウジング13の空気孔31から、基板18の表裏両面に沿って流れ、さらに開口部28からステータコア17の内側を通ってモータハウジング13の空気孔32から外側に吹き出す冷却風の通路が形成される。
Air holes 31 and 32 are formed in the
したがって、回転軸6とともに冷却ファン30が回転すると、モータハウジング13の空気孔31から冷却風が内部に取り込まれる。そして、冷却風は基板18の端面に当って表裏に分けられ、それぞれ表裏両面に沿って流れてスイッチング素子27と巻き線16を冷却する。その後、両方の流れは基板18の開口部28で一緒になり、さらにステータコア17とロータコア15の間を通ってモータハウジング13の空気孔32に向かうがその途中で巻き線16を冷却し、最後に空気孔32から外側に排出される。このように、スイッチング素子27には外部から取り込まれたばかりの新鮮な空気が接触することになり、その冷却効果は高い。このときステータコア17の巻き線16のうち基板18側に露出した部分も同様に冷却される。さらに、基板18と反対側に露出した巻き線16部分も、ステータコア17の内側を通り抜けて再び流速が増した冷却風に接触するので、巻き線16は効果的に冷却される。
Therefore, when the cooling
また、上記構成によれば、冷却ファン30が配置されているため、DCブラシレスモータ5の軸方向の寸法が嵩み、インパクトドライバの全長が長くならざるを得ない。しかし、スイッチング素子27は、回転軸6と直交する方向において回転軸6の前部軸受20と重なり合うように配置されている。したがって、DCブラシレスモータ5の軸方向の寸法は、スイッチング素子27と前部軸受20とを直列的に配置するよりも短くなるので、インパクトドライバの全長が長くなるのを最小限に抑えることができる。
Moreover, according to the said structure, since the cooling
さらに、スイッチング素子27はインパクトドライバの前部、つまりモータ部1aと動力伝達部1bとの間に配置されているので、インパクトドライバを後部を下にして落としてしまったときでも、スイッチング素子27は直接的な衝撃を受けないので、落下時のショックで破損したり、ダメージを受けたりする可能性は小さく、このようなときでも、モータの回転数制御の性能は確保され、精密なスイッチング制御を維持することができる。
Further, since the switching
さらにまた、デザイン的にみても、図1に示されるように、後部に比較的外径の小さい冷却ファン30を設けた構造であるから、モータハウジング13の後部を絞ることができ、全体をコンパクトにすることができ、視覚的にも小さく見える構成とすることができる。
Furthermore, from a design point of view, as shown in FIG. 1, since the cooling
なお、本実施形態においては、上記した基板18及びスイッチング素子27が、熱伝導率0.5W/m・k以上のコーティング材(例えば、高熱伝導率シリル基含有特殊ポリマー系の接着剤)により防塵防水コーティングされている。このため、導電部を粉塵や水の浸入による腐食や短絡から保護することができる。
しかも、熱伝導率が良いコーティング材を使用することにより、発熱源のスイッチング素子と冷却風が効率よく熱交換ができ、冷却効果が高くなっている。すなわち、熱伝導率0.5W/m・k未満の熱伝導率が悪いコーティング材を使用すると、冷却風との熱交換が効率良く行えず、スイッチング素子に熱がこもって、場合によっては破損してしまうおそれがあるが、熱伝導率が良いコーティング材を使用することにより、このような問題を起きないようにすることができる。
In the present embodiment, the
In addition, by using a coating material with good thermal conductivity, the switching element of the heat source and the cooling air can efficiently exchange heat, and the cooling effect is enhanced. In other words, if a coating material with a thermal conductivity of less than 0.5 W / m · k is used, heat exchange with the cooling air cannot be performed efficiently, and the switching element gets hot and may be damaged in some cases. However, such a problem can be prevented by using a coating material having good thermal conductivity.
1a モータ部
1b 動力伝達部
13 モータハウジング
14 マグネット
15 ロータコア
16 巻き線
17 ステータコア
18 基板
20 前部軸受
27 スイッチング素子
28 開口部
30 冷却ファン
31、32 空気孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Motor part 1b
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