JP6024872B2 - ディスクモータ及びそれを備えた電動作業機 - Google Patents

Description

本発明は、電流の流れるコイルディスク及びそれに対向する複数の磁石を有して出力軸を回転駆動するディスクモータ及びそれを備えた電動作業機に関する。

従来のディスクモータは、出力軸と、出力軸に固定され略円板状であってコイルパターンが印刷されたコイルディスクと、コイルパターンと接続される整流子と、コイルパターンに対向するように配置される磁石と、整流子に電流を供給するためのブラシとから主に構成される。

ディスクモータの回転数は、ブラシから供給される電圧、ディスクモータの電流、コイルディスクのコイルパターン、磁石の磁束、ブラシの数（極数）等により決定される。ブラシから供給される電圧及びディスクモータの電流が一定である場合には、コイルディスクのコイルパターン、磁石の磁束、ブラシの数を変更することによりディスクモータを所望の回転数に設定することが可能となる。

特許３８４７７１７号公報

特許文献１のディスクモータは、高出力を得るために導体パターンに流す運転電流を増加すると電気抵抗によって発熱が生じるため、磁石としてディスプロシウム等のレアメタルを多く含むネオジム磁石を使用しなければ、高熱により磁石が永久減磁してしまう。しかし、ディスプロシウムは非常な高価な材料であるため、多く用いると製品価格が高騰してしまうという課題があった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、磁石の放熱性を良好にして従来よりも磁石が減磁しにくい構成としたディスクモータ及びそれを備えた電動作業機を提供することにある。

本発明のある態様は、電動作業機である。この電動作業機は、
ディスクモータを備える電動作業機であって、前記ディスクモータは、
出力軸と、
前記出力軸に同軸的に固定されたコイルディスクと、
前記コイルディスクに電流を供給する電流供給部と、
前記コイルディスクに対向し、前記出力軸を周回するように配列された複数の磁石と、
前記複数の磁石を保持し、前記コイルディスクが内側に位置するケースと、
隣り合う磁石の間を通り、各々の磁石の前記出力軸側とその反対側を渡す磁石風路と、
前記磁石風路を通る気流を発生させる気流発生手段とを備え、
前記ケースは、前記出力軸の径方向で各々の磁石の前記出力軸側とその反対側にそれぞれ風路排出口と風路吸入口とを有し、
前記磁石風路により前記風路排出口と前記風路吸入口とが連通し、
前記風路排出口と前記風路吸入口がそれぞれ使用時に下方となる方向に開口する、ことを特徴とする。

前記風路排出口は各々の磁石の前記出力軸側に設けられ、前記気流発生手段は、前記出力軸に同軸的に設けられて前記出力軸の回転力で回転する遠心ファンであって前記風路排出口から前記ケース内の空気を引き込んでもよい。

前記出力軸を支持するベアリングが前記ケースに設けられ、前記出力軸方向の座標に関して前記遠心ファンの羽根の可動範囲と前記ベアリングの存在範囲とが少なくとも部分的に重複していてもよい。

前記ディスクモータは、前記遠心ファンの外周側を覆うファンカバーを備え、前記ファンカバーの側面のうち前記風路吸入口から離れた部分に、前記遠心ファンから外周側に抜ける風の排気部が設けられていてもよい。

前記ケースは、前記複数の磁石を保持するベース部と、前記ベース部に被せられたカバー部とを有し、前記ベース部に前記風路排出口と前記風路吸入口とが設けられていてもよい。

前記風路排出口と前記風路吸入口は前記複数の磁石の各々に対して別々に設けられ、前記出力軸方向から見て、前記出力軸と各々の磁石の中心とを結ぶ仮想直線上又はその近傍に前記風路排出口と前記風路吸入口の中心が位置してもよい。

各々の磁石の側面の少なくとも一部が前記磁石風路の内面の一部を構成していてもよい。

前記ディスクモータは、前記ケースの内側において前記磁石風路から前記コイルディスク側への風漏れを規制するガイドを備えてもよい。

前記ガイドが前記磁石風路の内面の一部を構成していてもよい。

本発明の別の態様は、ディスクモータである。このディスクモータは、
出力軸と、
前記出力軸に同軸的に固定されたコイルディスクと、
前記コイルディスクに電流を供給する電流供給部と、
前記コイルディスクに対向し、前記出力軸を周回するように配列された複数の磁石と、
前記複数の磁石を保持し、前記コイルディスクが内側に位置するケースと、
隣り合う磁石の間を通り、各々の磁石の前記出力軸側とその反対側を渡す磁石風路と、
前記磁石風路を通る気流を発生させる気流発生手段とを備え、
前記ケースは、各々の磁石の前記出力軸側とその反対側にそれぞれ風路排出口と風路吸入口とを有し、前記磁石風路により前記風路排出口と前記風路吸入口とが連通し、
前記気流発生手段は、前記出力軸に同軸的に設けられて前記出力軸の回転力で回転する遠心ファンであって前記風路排出口から前記ケース内の空気を引き込み、
前記遠心ファンの外周側を覆うファンカバーを備え、前記ファンカバーの側面のうち前記風路吸入口から離れた部分に、前記遠心ファンから外周側に抜ける風の排気部が設けられている。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、隣り合う磁石の間を通り、各々の磁石の出力軸側とその反対側を渡す磁石風路と、前記磁石風路を通る気流を発生させる気流発生手段とを備えるため、磁石の放熱性を良好にして従来よりも磁石が減磁しにくい構成とすることが可能となる。

本発明の実施の形態にかかる刈払い機１の斜視図。 図１に示す刈払い機１の駆動部６の断面図。 駆動部６における隣り合う磁石４１及びその近傍の拡大断面図。 図２Ａに示すステータ８１の模式的平面図。 図２Ａに示すロータ８２の側面図。 図２ＡのＡ断面図。 図２ＡのＢ断面図。 図２Ａに示すガイド１１の平面図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態にかかる刈払い機１の斜視図である。電動作業機の例示である刈払い機１は、電源部３と、パイプ部４と、ハンドル部５と、駆動部６と、刈刃７とを備える。

電源部３は、電源たるバッテリ３０１を装着可能に有する。パイプ部４は、電源部３と駆動部６とを機械的に接続する(連結する)。また、パイプ部４の内部には、電源部３と駆動部６とを電気的に接続する配線（図示せず）が挿通されている。この配線により、電源部３から駆動部６に電力が供給される。駆動部６は、ヘッドハウジング６１の内部にディスクモータを収容しており、電源部３からの供給電力により刈刃７を回転駆動する。ディスクモータの構成は後述する。

ハンドル部５は、パイプ部４の中間、すなわち電源部３と駆動部６との間に取り付け固定されている。ハンドル部５は、一対のアーム５１の先端にそれぞれグリップ５２を取り付けてなる。一方のグリップ５２には、スロットル５３が設けられている。作業者は、スロットル５３を操作することにより、駆動部６への供給電力を調整可能、すなわち、刈刃７の回転数を調整可能である。刈刃７は、略円板状で、その周縁に鋸刃が形成されている。また、刈刃７中心には後述するディスクモータの出力軸に装着される孔（図には表れず）が形成されている。

図２Ａは、図１に示す刈払い機１の駆動部６の断面図である。なお、図２Ａに示すように、出力軸３１の延出方向を上下方向と定義する。駆動部６は、ケース６１の内部にディスクモータ８０を有する。ケース６１は、例えばアルミ等の金属製であり、カバー部６２及びベース部６３を嵌合しネジ止め等で一体化してなる。ディスクモータ８０は、ステータ８１と、ロータ８２と、一対のブラシ８３とを有する。一対のブラシ８３は、ディスクモータ８０の回転軸（出力軸３１）について対称に設けられ、カバー部６２のブラシホルダ６５に支持される。各ブラシ８３は、下面が後述する整流子ディスク３５上の銅等の導体の整流子パターンと当接するように、バネ８３Ａによって整流子ディスク３５側（下側）に付勢される。ブラシ８３は、図１の電源部３に接続されており、ロータ８２の後述するコイルパターンに電流を供給する電流供給部として機能する。

ステータ８１は、磁束発生部としての磁石４１と、軟磁性体である上ヨーク４２及び下ヨーク４３とを有する。リング状の上ヨーク４２は、カバー部６２の下面に例えば不図示のネジで固定される。上ヨーク４２と略同径のリング状の下ヨーク４３は、ベース部６３の下面に形成されたリング状溝部６３１内に例えばネジで固定される。磁石４１は、ベース部６３の上面に形成された穴部６３３内に嵌め込み固定される。なお、穴部６３３はベース部６３に貫通孔として形成されるが、下ヨーク４３が穴部６３３の下側を塞ぐため、下ヨーク４３の上面の一部が穴部６３３の底面を成している。穴部６３３の深さ（上部開口から下ヨーク４３の上面までの深さ）は、磁石４１の高さよりも小さい。このため、磁石４１の側面の一部は穴部６３３の開口から上に出てケース６１内で露出している。なお、穴部６３３をベース部６３に非貫通孔として形成してもよく、この場合も、磁石４１の側面の一部が穴部６３３の開口から上に出てケース６１内で露出するように穴部６３３の深さを設定する。

図３は、図２Ａに示すステータ８１の模式的平面図である。本図に示すように、例えば円板形状の磁石４１は、例えば１０個、円周上に等角度ピッチで並んで配置される（磁石４１を収容する図２Ａの穴部６３３も円周上に同数並んで存在する）。円周の中心は、ディスクモータ８０の回転中心と略一致する。隣り合う磁石４１は、上面の磁極が相互に異なる。磁石４１としては、ネオジム磁石等の希土類磁石が好ましい。上ヨーク４２及び下ヨーク４３は、後述するロータ８２のコイルパターンに印加される磁束密度を高めるものである。

図２Ａに示すように、ロータ８２は、出力軸３１（ロータシャフト）と、整流子ディスク３５と、コイル部３６と、支持部材３７とを有する。出力軸３１は、カバー部６２に固定された上側軸受け３１１（ベアリング）及びベース部６３に固定された下側軸受け３１２（ベアリング）によって回転自在に支持される。出力軸３１の下方側端部には雄ネジ３１ａが形成されており、留め具８によって刈刃７が固定される。整流子ディスク３５の上面は、ブラシ８３の摺動面である。図１に示す電源部３からブラシ８３及び整流子ディスク３５を介してコイル部３６に電流が供給される。

図４は、図２Ａに示すロータ８２の側面図である。本図に示すように、出力軸３１に同軸的に固定された支持部材３７は、略円筒形状の円筒部３７Ａと、略円板形状のボス３７Ｂとから構成される。ボス３７Ｂは、円筒部３７Ａの側面から出力軸３１と垂直に外側に突出する。軸方向視でボス３７Ｂと同形状の絶縁板３８，３９が、同じく同形状のシート状の接着層５０２，５０３（絶縁性）によってボス３７Ｂの上下面に接着固定される。絶縁板３８の上面には、シート状の接着層５０１（絶縁性）を介して整流子ディスク３５が接着固定される。絶縁板３９の下面には、エポキシ樹脂などの接着性の部材であるシート状の接着層５０５（絶縁性）を介してコイル部３６が接着固定される。

コイル部３６は、第１コイルディスク３６１〜第４コイルディスク３６４をシート状の接着層５０７（絶縁性）を挟んで積層してなる。シート状の接着層５０７は、各コイルディスクと軸方向視で同形状であり、各コイルディスクの表面略全体を覆う。第１コイルディスク３６１〜第４コイルディスク３６４は、ボス３７Ｂよりも大径であり、それぞれ両面にコイルパターンが形成されている。整流子ディスク３５はボス３７Ｂとほぼ同外径であり、第１コイルディスク３６１に接着されている。

次に、磁石４１を冷却する風路の構成について図２Ａ、図２Ｂ、図５〜図７を参照して説明する。

ベース部６３には、磁石４１の外周側に風路吸入口９、内周側に風路排出口１０を設けている。風路吸入口９及び風路排出口１０は共に外部に対して下方に開口する。図６に示すように、風路排出口１０と風路吸入口９は複数の磁石４１の各々に対して別々に設けられる。出力軸３１の軸方向から見て、出力軸３１と各々の磁石４１の中心とを結ぶ仮想直線１３１上又はその近傍に風路排出口１０と風路吸入口９の中心が位置する。

磁石４１とコイル部３６の間にはガイド１１（保護板）が設けられる。ガイド１１は、ケース６１の内側において磁石風路１２から上方（コイル部３６側）への風漏れを規制する。ガイド１１は、図７に示すように、中央に孔部１１１を有する例えば薄い円板形状であり、電気的絶縁性の高い例えば樹脂材料から成る。ガイド１１は、剛性のある板状であってもよいし可撓性のある板状（シート状）であってもよい。図２Ａに示すように、ガイド１１の外周部上面は全周に渡ってカバー部６２の外周凸部６２ａと接触し、ガイド１１の外周部下面は風路吸入口９に臨む部分を除いて全周に渡ってベース部６３の外周凸部６３ａと接触し、またガイド１１の内周部下面は全周に渡ってベース部６３の内周凸部６３ｂと接触している。さらに、ガイド１１は、磁石４１の上面と接触ないし近接する。

図２Ｂに示すように、隣り合う磁石４１の間は、磁石風路１２となっている。磁石風路１２は、ベース風路部６３ｃの上面（ベース部６３の内底面）と、ガイド１１の下面と、磁石４１の側面のうちベース部６３の内底面から上に出ている部分とにより規定される。磁石風路１２の一端（入り口）は風路吸入口９であり、他端（出口）は風路排出口１０である。

図２Ａに示すように、出力軸３１には、遠心力で冷却風を外周側に送り出す遠心ファンとしての冷却ファン１４（気流発生手段の例示）が出力軸３１の回転力により回転可能に（例えば出力軸３１と一体に回転可能に）取り付けられている。出力軸３１の軸方向の座標に関して冷却ファン１４の羽根の可動範囲と前述の下側軸受け３１２の存在範囲とが少なくとも部分的に重複している。冷却ファン１４の外周側には、ファンカバー１６がベース部６３の下部に設置（例えばネジ止め固定）されている。ファンカバー１６は、風路吸入口９よりも出力軸３１側となる位置においてベース部６３の下面から下方に立ち上がる例えば円筒側面形状であり、下端縁が刈刃７に近接対向するとともに、下端縁の一部が凹状に切り欠かれて排気部１５が設けられている。排気部１５は出力軸３１回りで複数設けられる。なお、排気部１５はファンカバー１６の下端縁近傍に貫通孔として形成されてもよい。

上記構成によって、冷却風１３は、風路吸入口９からケース６１内部に入り、磁石風路１２を通って磁石４１を効率よく冷却し、風路排出口１０を通ってケース６１から排出され、冷却ファン１４の遠心力によってファンカバー１６の排気部１５を通って外周側（大気中）に排出される。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 冷却ファン１４で発生する多量の風量を磁石４１に直接吹き当て、磁石４１を効率良く冷却可能である。すなわち、磁石４１の放熱性を良好にして従来よりも磁石４１が減磁しにくい構成のディスクモータとなり、高価なディスプロシウムを用いない安価な磁石が使用可能なため、ディスクモータ及びそれを用いた刈払い機１（電動作業機）を安価に実現できる。

(2) 磁石風路１２はガイド１１によりコイル部３６等の発熱源と仕切られているため、低温の冷却風を磁石風路１２に直接当てることができ、冷却効率が高い。

(3) 風路排出口１０と風路吸入口９は複数の磁石４１の各々に対して別々に設けられ、かつ出力軸３１の軸方向から見て出力軸３１と各々の磁石４１の中心とを結ぶ仮想直線１３１上又はその近傍に風路排出口１０と風路吸入口９の中心が位置するため、磁石４１の上側の側面（磁石風路１２の内面の一部を成す側面）全周に効率良く冷却風を当てることが可能で、冷却効率が高い。

(4) 風路吸入口９及び風路排出口１０が共に外部に対して下方に開口しているため、水滴やゴミなどが磁石風路１２に侵入し難くなる。このため、高効率の磁石冷却機能を有しながら防塵防滴機能も持たせることができる。

(5) コイル部３６と磁石４１の間にガイド１１が備えられているため、冷却風に水滴、ゴミが混じっていたとしてもガイド１１が保護板として機能して水滴、ゴミはコイル部３６には付着しない。このため、高効率の磁石冷却機能を有しながら防塵防滴機能も持たせることができる。

(6) 出力軸３１に冷却ファン１４が備えられているため、強制的に冷却風を発生させることができ、自然には冷却風が得られない環境下でも磁石４１を効率的に冷却できる。

(7) 出力軸３１の軸方向の座標に関して冷却ファン１４の羽根の可動範囲と下側軸受け３１２の存在範囲とが少なくとも部分的に重複しているため、下側軸受け３１２の側方の空間を有効に使うことができて冷却ファン１４の設置スペース効率が良い。

(8) ファンカバー１６の下端縁又はその近傍に排気部１５が設けられるため、排気部１５はファンカバー１６の側面の中では風路吸入口９（ファンカバー１６の上端部の外側に位置する）から離れた位置となり、排気部１５から排出される温風は風路吸入口９に戻りにくく、冷却効率の悪化を防ぐことができる。

(9) ファンカバー１６により、冷却ファン１４にゴミが絡まることが防止でき、冷却ファン１４の故障が発生しにくい。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素には請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

風路吸入口９はカバー部６２に設けられてもよい。

ファンカバー１６は、有底筒形状であってもよい。この場合、ファンカバー１６の底部と刈刃７とが近接対向する。

磁石４１の個数とその配置角度ピッチは、要求される性能やコストに応じて適宜設定可能である。

電動作業機は、実施の形態で示した刈払機のほか、ディスクモータを搭載したベルトサンダーやロータリバンドソー等、ディスクモータによる回転駆動部を有する種々の電動工具であってもよい。

１・・刈払い機、１０・・風路排出口、１１・・ガイド、１２・・磁石風路、１３・・冷却風、１４・・冷却ファン、１５・・排気部、１６・・ファンカバー、３・・電源部、３０１・・バッテリ、３１・・出力軸、３１１・・上側軸受け、３１２・・下側軸受け、３１ａ・・雄ネジ、３５・・整流子ディスク、３６・・コイル部、３６１・・第１コイルディスク、３６２・・第２コイルディスク、３６３・・第３コイルディスク、３６４・・第４コイルディスク、３７・・支持部材、３７Ａ・・円筒部、３７Ｂ・・ボス、４・・パイプ部、４１・・磁石、４２・・上ヨーク、４３・・下ヨーク、５・・ハンドル部、５０７・・接着層、５１・・アーム、５２・・グリップ、５３・・スロットル、６・・駆動部、６１・・ケース、６２・・カバー部、６３・・ベース部、６３ａ・・外周凸部、６３ｂ・・内周凸部、６３ｃ・・ベース風路部、６３１・・リング状溝部、６３３・・穴部、６５・・ブラシホルダ、７・・刈刃、８・・止め具、８０・・ディスクモータ、８１・・ステータ、８２・・ロータ、８３・・ブラシ、８３Ａ・・バネ、９・・風路吸入口

Claims (10)

1. ディスクモータを備える電動作業機であって、前記ディスクモータは、
   出力軸と、
   前記出力軸に同軸的に固定されたコイルディスクと、
   前記コイルディスクに電流を供給する電流供給部と、
   前記コイルディスクに対向し、前記出力軸を周回するように配列された複数の磁石と、
   前記複数の磁石を保持し、前記コイルディスクが内側に位置するケースと、
   隣り合う磁石の間を通り、各々の磁石の前記出力軸側とその反対側を渡す磁石風路と、
   前記磁石風路を通る気流を発生させる気流発生手段とを備え、
   前記ケースは、前記出力軸の径方向で各々の磁石の前記出力軸側とその反対側にそれぞれ風路排出口と風路吸入口とを有し、
   前記磁石風路により前記風路排出口と前記風路吸入口とが連通し、
   前記風路排出口と前記風路吸入口がそれぞれ使用時に下方となる方向に開口する、ことを特徴とする電動作業機。
2. 前記風路排出口は各々の磁石の前記出力軸側に設けられ、前記気流発生手段は、前記出力軸に同軸的に設けられて前記出力軸の回転力で回転する遠心ファンであって前記風路排出口から前記ケース内の空気を引き込む、請求項１に記載の電動作業機。
3. 前記出力軸を支持するベアリングが前記ケースに設けられ、前記出力軸方向の座標に関して前記遠心ファンの羽根の可動範囲と前記ベアリングの存在範囲とが少なくとも部分的に重複している、請求項２に記載の電動作業機。
4. 前記ディスクモータは、前記遠心ファンの外周側を覆うファンカバーを備え、前記ファンカバーの側面のうち前記風路吸入口から離れた部分に、前記遠心ファンから外周側に抜ける風の排気部が設けられている、請求項２又は３に記載の電動作業機。
5. 前記ケースは、前記複数の磁石を保持するベース部と、前記ベース部に被せられたカバー部とを有し、前記ベース部に前記風路排出口と前記風路吸入口とが設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の電動作業機。
6. 前記風路排出口と前記風路吸入口は前記複数の磁石の各々に対して別々に設けられ、前記出力軸方向から見て、前記出力軸と各々の磁石の中心とを結ぶ仮想直線上又はその近傍に前記風路排出口と前記風路吸入口の中心が位置する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電動作業機。
7. 各々の磁石の側面の少なくとも一部が前記磁石風路の内面の一部を構成している請求項１から６のいずれか一項に記載の電動作業機。
8. 前記ディスクモータは、前記ケースの内側において前記磁石風路から前記コイルディスク側への風漏れを規制するガイドを備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の電動作業機。
9. 前記ガイドが前記磁石風路の内面の一部を構成している請求項８に記載の電動作業機。
10. 出力軸と、
    前記出力軸に同軸的に固定されたコイルディスクと、
    前記コイルディスクに電流を供給する電流供給部と、
    前記コイルディスクに対向し、前記出力軸を周回するように配列された複数の磁石と、
    前記複数の磁石を保持し、前記コイルディスクが内側に位置するケースと、
    隣り合う磁石の間を通り、各々の磁石の前記出力軸側とその反対側を渡す磁石風路と、
    前記磁石風路を通る気流を発生させる気流発生手段とを備え、
    前記ケースは、各々の磁石の前記出力軸側とその反対側にそれぞれ風路排出口と風路吸入口とを有し、前記磁石風路により前記風路排出口と前記風路吸入口とが連通し、
    前記気流発生手段は、前記出力軸に同軸的に設けられて前記出力軸の回転力で回転する遠心ファンであって前記風路排出口から前記ケース内の空気を引き込み、
    前記遠心ファンの外周側を覆うファンカバーを備え、前記ファンカバーの側面のうち前記風路吸入口から離れた部分に、前記遠心ファンから外周側に抜ける風の排気部が設けられている、ディスクモータ。