JP5671198B2 - 手持ち式作業機および電動モータの制御方法 - Google Patents
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Description
これに対し、内燃機関は低回転速度で比較的低いトルクを示し、中間回転速度領域で比較的高いトルクを示し、かつ高回転速度領域で比較的低いトルクを示す特性曲線を有している。
しかしながら、本発明は電流消費量を特に低回転速度領域において全体的に、つまり他のパラメータとは無関係に制限することを提案する。換言すると、制御装置は電動モータに新規な特性曲線を付与し、この特性曲線によって低回転速度領域における電流消費量が低減される。
農業、林業、および園芸に適用される作業機において、作業機は大抵の場合、基本回転速度に設定される。次いで電動モータにかかる負荷は、特に例えばユーザの動作の変化や状態の変化(例えば枝の太い/細いなど)に起因して、連続的に変化する。
低回転速度領域における「動的な」電流制限の結果、このような状況下での電流消費量が低減される。これよってエネルギー貯蔵手段の動作時間が長くなる。ユーザもまた、作業機に過大な力をかけると、より良好な「フィードバック」を受ける。従来の電動モータ付駆動機構の場合、電動モータは低回転速度領域においてより高いトルクを発生していたため、このことはユーザにとってそれほど明白ではなかった。これに対し、本発明による駆動機構を備えた作業機のユーザは自身の行った動作に対してより良好な反応を受ける。
前記目的はまた、電動モータの対応する制御方法および本発明による駆動機構を備えた手持ち式作業機によっても達成される。
上述の通り、低回転速度領域における電流消費量は全体的、つまり前記駆動機構の他の動作パラメータとはほぼ無関係に制限される。
さらに好ましい実施形態によると、前記制御装置は前記電動モータの前記特性曲線によってあらかじめ規定される前記回転速度領域を少なくとも3つの複数の回転速度領域に分割し、前記電動モータの前記特性曲線よりも勾配の緩い(浅い)制御特性曲線部が少なくとも中間回転速度領域に形成される。
その結果、制御装置の中間回転速度領域における制御特性曲線を、例えば定性的および/または定量的に内燃機関の特性曲線に一致させることが可能となる。これにより特定の種類の作業機を、本発明による駆動機構による駆動または内燃機関を備えた駆動機構による駆動の別にかかわりなく動作させることが可能となる。したがってユーザは、異なった種類の動作に備える必要がなくなる。
これにより、低回転速度において中間回転速度におけるよりもさらに強度の動的な電流制限を実現することができる。
さらに、電流制限を一つの制御特性曲線部から他の制御特性曲線部へほぼ連続的に変化させることが可能となる。安定した制御曲線プロフィルを形成することができ、その結果作業機の円滑動作が可能となる。
この様にして電流を超低回転速度領域においてかなり厳密に制限することができ、こうしてモータの過負荷や持ち運び可能なエネルギー貯蔵手段からの過剰電力引き出しに対抗することができる。
また、概して、電流消費量は高回転速度領域において実質的に制限されないことが好ましい。
概して、前記制御装置は少なくとも前記低回転速度領域における前記電動モータの前記電流消費量を、前記電動モータの前記特性曲線がこれらの回転速度に与える特性曲線値よりも少なくとも20%低い値に全体的に制限することが好ましい。
概して、制御特性曲線は作業機の各用途に合わせ、電動モータが同一でも作業機が異なれば異なった制御特性曲線が与えられるようにすることが好ましい。
また、電流制限を電圧調整に基づき行うことも好ましい。この場合、制御変数として、計測された回転速度かまたは各電動モータに固有の特性図のいずれかを用いることができる。
さらにユーザを、最適効率かまたはそれに近い効率で作業機を操作するように、電流制限およびトルクプロフィルを用いて「制御」することが可能である。
言い換えると、ヒステリシス部内の電流は回転速度が増加するか減少するかにより異なる方法で制限される。
この場合、前記回転速度の増加時に比較的高い電流が消費され、かつ前記回転速度の減少時に比較的低い電流が消費されるよう前記ヒステリシス部が設計されていると特に有利である。
一方、例えば前記電動モータの静止状態からの始動時など回転速度が増加する場合、高始動トルクが望ましい用途(例えば電動鋸または刈り込み鋏)もある。そのため、回転速度の増加時に電流がほんのわずかだけ制限される。
この実施形態において制御特性曲線は、一般に中間回転速度領域においてさえ最大トルクを有し、特に低回転速度領域においては低トルクのみを提供することが可能な内燃機関の典型的な特性曲線に、さらにはっきりと近似している。
あるいは、前記電流制限により生じる前記制御特性曲線は、電流が制限される領域に、前記電動モータの静止状態からの始動時に極めて高い電流が消費される始動部を包含することも可能である。
電流消費量は電動モータの回転速度に応じて制限されるが、電動モータの回転速度は例えば回転速度センサによって計測可能である。
本実施形態においては別体の回転速度センサを必要としない。
前記特徴および以下に説明する特徴を、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ記載した組み合せのみならず他の組み合せにおいても、または単独ででも用いることができることは言うまでもない。
図1において、農業、林業、および園芸に適用される作業機が参照符号10により模式的に示されている。
作業機10は、この場合には刈り込み鋏の刃14として模式的に示される工具12と、全体を参照符号20で示す駆動機構とを有している。
作業機10は、操作者による移動または案内が可能な手持ち式作業機の形をとることが好ましい。作業機10は概して業務用に設計されている。
エネルギー貯蔵手段Aは、より正確には制御装置S用に電源電圧UAを供給している。制御装置Sは電動モータMに電流iを供給している。電動モータMは出力シャフト22を有している。出力シャフト22は工具12に直接接続されているか、または、例えば回転/並進コンバータおよび/またはステップダウンギヤ機構等の任意の所望のコンバータによって接続されている。この種のコンバータは図1に参照符号24によって示されている。
電流制限手段26は電動モータMに、電動モータM自身の電流消費量が低回転速度および場合により中間回転速度領域において全体的に制限される制御特性曲線を付与する働きをする。電流制限手段26はその入力端に出力電圧UAを受ける。電流制限手段26にはまた、出力シャフト22の回転速度nに関する情報が供給される。
あるいは、電動モータMそれぞれに固有の特性図であって、回転速度と、電流と、電圧との間に固定的な関係が成立する特性図を制御装置Sに記憶させることも可能である。
図2はまた、農業、林業、または園芸に適用される作業機に通常用いられる内燃機関の特性曲線32を点線で示している。ある無負荷の回転速度から始動した内燃機関はまず、当初はかなり低いトルクを無負荷の回転速度領域において生ずることが可能である。このトルクは次いで、中間回転速度領域においてある程度増加し、高回転速度において再び減少する。内燃機関の特性曲線32は高回転速度においては電動モータMの特性曲線30と実質的に一致するものの、中間および低回転速度において特性曲線30および32の特性は全く異なっている。電動モータにおいては、低回転速度でエネルギー所要量が大幅に増加し、その結果生ずるトルクも大幅に増加する。内燃機関においては、発生するトルクが低回転速度で減少する。この状況下で、特性曲線32においてはy軸が内燃機関が生ずるトルクと一致する、つまり、例えばスロットルバルブ位置に比例することは言うまでもない。通常の電動モータにおいては、モータ電流が同様に所定のトルクに比例する。
制御特性曲線34は複数の制御特性曲線部から構成されている。この場合、モータ特性曲線30がカバーする回転速度領域は複数の個別の回転速度領域に分割されている。具体的には低回転速度を包含する第1回転速度領域36、いくぶん高い回転速度を包含する第2回転速度領域38、前記回転速度領域38に続く第3回転速度領域40であって、中間回転速度を包含する第3回転速度領域40、前記回転速度領域40に続く第4回転速度領域42であって、同様に中間回転速度を包含する第4回転速度領域42、および前記第4回転速度領域42に続く第5回転速度領域44であって、最大回転速度までの高回転速度を包含する第5回転速度領域44である。
第2回転速度領域38において、制御特性曲線34は、直線形状であって、モータ特性曲線30の勾配にほぼ一致する第2制御特性曲線部38を有している。第3回転速度領域40において、制御特性曲線34は、また直線形状で、モータ特性曲線30よりも勾配のかなり緩い第3制御特性曲線部41を有している。第4回転速度領域42において、制御特性曲線34は、また直線形状の制御特性曲線部43を有している。第4制御特性曲線部43の勾配は、制御特性曲線部41の勾配と制御特性曲線部39の勾配との中間である。
第5回転速度領域44において、制御特性曲線34はモータ特性曲線30の対応部と同一の制御特性曲線部45を有している。
換言すると、第5回転速度領域44においてモータ電流iは、与えられた制御特性曲線34による制限を全く受けない。第4回転速度領域42においてモータ電流iは、ある程度の制限を相対的に受ける。第3回転速度領域40においてモータ電流iは、より強い制限を相対的に受ける。第2回転速度領域38において電流は再び、いくぶん程度の低い制限を相対的に受ける。第1回転速度領域36において、モータ電流iは常に固定電流imaxに制限される、つまり相当強い制限を相対的に受ける。
さらにまた電動モータMの効率は、通常、低回転速度においていくぶん低くなっている。したがって、本発明による制御特性曲線34は電流消費量を低減して作業機10の効率を全体的に上げることができる。さらに、エネルギー貯蔵手段Aの動作時間を特に長くすることが可能である。
図3もモータ特性曲線30に加えて、2つの代替的な制御特性曲線34’および34”を示している。
制御特性曲線34”は、利用可能な回転速度領域において3つの回転速度領域にのみ分割されている。そのうち、第1制御特性曲線部37”においてモータ電流iは固定値に制限され、最後の制御特性曲線部45”において制御特性曲線34”はモータ特性曲線30と一致し、中間制御特性曲線部39”はモータ特性曲線30よりもいくぶん緩い勾配を有している。
図4は、制御特性曲線部45’’’と第1電流制限制御特性曲線部41’’’とを有する制御特性曲線部34’’’を示している。さらに第2電流制限制御特性曲線部がヒステリシス部37a’’’,37b’’’として形成されている。前記ヒステリシス部は、回転速度の増加時に比較的高い電流37b’’’が消費されるように設計されている。回転速度の減少時には、比較的低い電流37a’’’が消費される。
一般に、電動モータの通常の特性曲線30が始動時に一般に「用いられ」、回転速度が減少する逆方向のみにおいて電流が制限されるようにヒステリシス部を形成することも可能である。
制御特性曲線34IVは第1の「通常の」制御特性曲線部41IVと、制御特性曲線34IVの勾配が負となる第2の制御特性曲線部37IVとを有している。
したがって、制御特性曲線34IVの形状は概して、図2の参照符号32によって示されるような内燃機関の特性曲線の形状と一致している。
上記説明における勾配の大きさとは、言うまでもなく、通常、特性曲線または特性曲線部の勾配に言及するときに意味するものである。
Claims (7)
- 農業、林業、または園芸に適用される手持ち式作業機(10)であって、電動モータ(M)と、電気エネルギー貯蔵手段(A)と、前記エネルギー貯蔵手段(A)から供給を受ける前記電動モータ(M)用の制御装置(S)とを有する駆動機構(20)を備え、
前記電動モータ(M)は、当該電動モータ(M)が消費する電流(i)と、当該電動モータ(M)の出力シャフト(22)の回転速度(n)との間に、低い回転速度(n)で高い電流消費量を示し、高い回転速度(n)で低い電流消費量を示すモータ特性曲線(30)を有し、
前記制御装置(S)は、前記電動モータ(M)を過負荷から保護し、前記電動モータ(M)を流れる前記電流(i)を最大値に制限するために、低回転速度領域における前記電動モータ(M)の電流(i)を、前記回転速度の関数として、前記モータ特性曲線(30)がこれらの回転速度に対して与える特性曲線値よりも少なくとも15%小さい値に制限する制御特性曲線(34IV)を前記電動モータ(M)に付与し、
前記制御特性曲線(34IV)は、前記電動モータ(M)の電流(i)が制限される低回転速度領域において、前記回転速度の関数として前記モータ特性曲線(30)の勾配とは逆符号の勾配を持つ制御特性曲線部(37IV)を有し、その結果、前記制御特性曲線(34IV)は、中間回転速度領域において最大トルクを示すことを特徴とする、手持ち式作業機。 - 前記電流消費量は前記電動モータ(M)の温度とは無関係に制限されることを特徴とする、請求項1に記載の手持ち式作業機。
- 前記制御装置(S)は、前記電動モータ(M)の前記モータ特性曲線(30)によってあらかじめ規定される前記回転速度領域を、少なくとも3つの複数の回転速度領域に分割し、前記電動モータ(M)の前記モータ特性曲線(30)よりも勾配の緩い制御特性曲線部が、少なくとも中間回転速度領域に形成されることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の手持ち式作業機。
- 前記電流消費量は高回転速度領域において実質的に制限されないことを特徴とする、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の手持ち式作業機。
- 前記制御装置(S)は前記低回転速度領域における前記電動モータ(M)の前記電流(i)を、前記電動モータ(M)の前記モータ特性曲線(30)がこれらの回転速度に対して与える特性曲線値よりも少なくとも20%低い値に全体的に制限することを特徴とする、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の手持ち式作業機。
- 農業、林業、または園芸に適用される持ち運び可能な作業機(10)の駆動機構(20)用の、電気エネルギー貯蔵手段(A)から供給を受ける電動モータ(M)を制御する方法であって、
前記電動モータ(M)は、当該電動モータが消費する電流(i)と当該電動モータの出力シャフト(22)の回転速度(n)との間に、低い回転速度(n)で高い電流(i)を示し、高い回転速度(n)で低い電流消費量を示すモータ特性曲線(30)を有し、
前記電動モータ(M)を過負荷から保護し、前記電動モータ(M)を流れる前記電流(i)を最大値に制限するために、低回転速度領域における前記電動モータ(M)の電流(i)を、前記回転速度の関数として、前記モータ特性曲線(30)がこれらの回転速度に対して与える特性曲線値よりも少なくとも15%低い値に制限する制御特性曲線(34IV)を前記電動モータ(M)に付与し、
前記制御特性曲線(34IV)は、前記電動モータ(M)の電流(i)が制限される低回転速度領域において、前記電流(i)が、前記回転速度の関数として前記モータ特性曲線(30)の勾配とは逆符号の勾配を持つ制御特性曲線(37IV)で表され、その結果、前記制御特性曲線(34IV)は、中間回転速度領域において最大トルクを示すことを特徴とする方法。 - 前記回転速度は、前記電動モータの電気的変数から導出されることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
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