JPS63257495A - 電動工具の電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は非同期モータ駆動電動工具用の電源装置に係る
もので、整流された交流電圧を多様な周波数と振幅の三
相電流へ変換するための発振器を備えた変換器と、発振
器へ作用する変速器とを有し、またモータ負荷を検知す
る負荷センサが発振器と少なくとも所定時間は作動係合
している。

従来電動工具用、主に手持工作機械用の駆動装置として
、電灯線交流電源へ接続可能な整流子電動機（万能モー
タ）が使用されているこのモータはそのブラシが火花を
生じさせるという欠点があり、点火可能または爆発性環
境では使用できない。

他の欠点は、ブラシと整流子がひどく摩耗されることと
回転数と負荷とを比較して、空転が多く極めて軟弱なト
ルク／回転数特性である。回転数と負荷の低下は、工具
の摩耗と加工時間の上昇ならびに品質的に劣った仕事結
果となる。

ざらに電動工具の駆動用に整流子の無い非同期モータを
例えばＯ〜４００Ｈｚという電灯線電源より高い周波数
で動作させることが可能である。

断る非同期モータは強力な、したがって好適な１〜ルク
／回転数特性を有し、モータ負荷が増大しても回転数は
ほぼ一定に保たれる。寿命および生産性は向上する。ま
た出力と重量ないしサイズが好適な比率なので、強力か
つコンパクトな手持工作機械の製作が可能である。断る
非同期モータを一定周波数で動作させて一定の限界負荷
を超えるとモータの過熱および破損の危険がある。

その危険に遭遇するのがドイツ連邦共和国公開公報３２
４７０４６にて公知の調整デバイスとして形成された電
源装置であり、その調整デバイスによって、周波数と振
幅がモータ回転数とモータ負荷とに従って常時調整され
る。この方式では負荷の増大時にはその大きさに応じた
調整がされて過熱を生じなくさせる。しかしモータ負荷
がプリセット（予め設定）可能な水準を超えれば結局、
終段トランジスタの一部がカットオフになる。

公知の電源装置の欠点の一つは、周波数と振幅という２
つのパラメータに従った調整に高価かつ面倒な調整装置
が必要なことである。このパラメータの確定的比率によ
る最適な動作点は、極めて困難かつ極めて大きな出費に
よってしか獲得されない。限界モータ負荷到達時の終段
トランジスタの一部力ットオフは有害な急変と回転数の
突然の低下を生じさせる。

したがって本発明の目的は冒頭に述べた種類の電源装置
を案出し、それにより正確に確定された動作点および周
波数と回転数との最適な特性曲線を達成可能にし、同時
に単純化された回路により過熱の危険を急変なく防止で
きるようにすることである。

その目的は、互いに一定した相関関係にある周波数と振
幅とが所定の特性曲線に従って調整可能である。またピ
ーク負荷に相当する限界値が予め決定されており、その
限界値を超えると、周波数を低下させるように特性曲線
の動作点へ負荷センサによってモータ負荷が合致させら
れるという発明の方式により達成される。

通常運転時、即ちプリセットされた負荷限界値以下では
主にポテンショメータとして形成された変速器によって
特性曲線の各動作点が極めて正確に選択できるので、一
方で回路的に極めて簡単であり、他方で振幅と周波数と
の常に最適な一定した比率関係が保たれる。調整時に発
生する可能な問題はこれで無くなる。まず上限値を達成
ないし超過して仮にモータの過熱または破損の危険が生
じる恐れがあるとしても、スライサ（制限回路）が柔軟
に作用して、確定したモータ負荷に従って周波数を低下
させるように特性曲線上の動作点を移動させる。したが
ってトルクの急変は発生しない。モータ負荷を超えた特
性曲線への操作は単なる安全回路およびスライサ（制限
回路）として動作するので、高度の調整精度を必要とせ
ず、したがってこの場合極めて簡単な回路が使用できる
。□特許請求の範囲各項に記載の装置によって特許請求
の範囲第１項に記載の電動工具の電源装置の効果的な展
開および改良が可能である。

互いに相関関係にある周波数と振幅というパラメータの
最適な調整を行なうために関数発生器が発振器へ直列に
前結合されているのが特徴で、その関数発生器は、周波
数にて決定された振幅の関数を発生させる。

モータの回転を制御する主に積分器として形成されたラ
ンプ発生器が変速器へ直列に後結合されているので、急
変の無い滑らかな起動が確保される。回転数は所定のラ
ンプ関数に従ってスイッチオンの際に確定され制御され
て上昇する。

動作点に対するモータ負荷の操作が開始される限界値を
検知するために限界値到達以前に遮断される少なくとも
１つのしきい（閾）値段が負荷センサと発振器との間に
接続されている。そのしきい値段は動作点を連続的に移
動させるために負荷センサの信号と限界値とを比較する
コンパレータを有するのが特徴でコンパレータのアウト
プットは極性信号用に遮断されている。したがってモー
タ負荷がざらに上昇して限界値を超えると動作点が連続
的に下がり、周波数の低下となる。

第一のしきい値段は正上限値用に、また第二のしきい値
段は制動動作時に到達可能な負下限値用に設けられてい
るのが特長である。

整流された電流の流れる方向に従って切換わるスイッチ
ングデバイスによって２つのしきい値段の一方がその都
度選択的に遮断され、また他方は、主に変速器の信号と
結びついて発振器へ作用し得るようになっている。この
方式では非同期モータの発生器による運転および動力駆
動運転（パワードライブ）におけるピーク負荷時の安全
性が確保される。

電流センサとして主に整流回路内の抵抗として形成され
た負荷センサは、負荷に関する信号を発生するほか、動
力駆動運転か発生器による運転になっているかの情報を
発生する。

モータ負荷に対する限界値はモータパラメータの関数ま
たは定数であって例えば温度、非同期モ−タの種類、手
持工作機械の使用方式などが考えられる。

整流回路の両極間に半導体スイッチが接続されているの
が特長で、非同期モータの発生器による運転時に所定の
電圧を超えると前記半導体スイッチによって導通状態へ
切換え可能であり、また制動動作時にはモータから帰還
したエネルギーが吸収され、本体防護のために発生器で
作られた電圧の危険な上昇が阻止される。同時に急速な
制動動作が可能となる。このように本発明の効果的な構
成によって発生器にて作られたピーク負荷の検知が可能
かつ改善され、また他の形式の電源装置用の制動デバイ
スとしての使用も可能であり、そのデバイスだけでも本
発明の意義は十分ある。

整流回路の両極間の電圧を、半導体スイッチのサイクル
操作によって、所定の最大値に制限するように調整デバ
イスが形成されているのが特長である。

図面には本発明の実施例が示してあり、下記説明におい
て詳細に説明する。

第１図に示した実施例では端子１０．１１に印加された
通常２２０ボルトの電灯線交流電圧が整流器１２へ導か
れ、整流された交流電圧を送り出す電極が平滑コンデン
サ］３へ接続されている。

この平滑コンデンサ１３に並列に、各々２つのパワート
ランジスタ１４．１５ないし１６．１７ないし１８．１
９から成る３組の直列接続回路が接続されている。パワ
ートランジスタ１４〜１９の電極間は各々リカバリダイ
オード２０〜２５にて橋絡されている。パワートランジ
スタ１４と１５ないし１６と１７ないし１８と１９の間
の接続点は差込みコネクタ２６にて整流子の無い非同期
モータ２７へ連結されている。接地されているトランジ
スタ１５．１７．１９のソース電極と整流器１２の負出
力電極との間には負荷センサないし電流センサとして適
用されている抵抗器２８が接続されている。またリカバ
リダイオード９にて橋絡された制動抵抗器２９と同様に
リカバリダイオード３１にて電極間を橋絡された他のパ
ワートランジスタ３０との直列接続回路が平滑コンデン
サ１３に並列に接続されている。

パワートランジスタ１４〜１９．３０には酸化膜半導体
電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）が使用されてい
る。当然ながら他の形式の半導体スイッチも使用可能で
ある。

電子制御デバイス３２はアウトプット３３〜３９によっ
てパワートランジスタ１４〜１９．３０のゲート電極が
制御される。平滑コンデンサ１３に印加された整流され
た交流電圧ないし直流電圧はインプット４０へ、また抵
抗器２８での降下電圧はモータ負荷信号としてインプッ
ト４１へ送られる。電子制御デバイス３２はマイクロコ
ンピュータとして構成されているか、または第３図に示
した回路によって達成可能となっている。

平滑コンデンサ１３に印加された直流電圧は電子制御デ
バイス３２と共に三相電流変換器を成すトランジスタ１
４〜１９によって、例えばＯ〜４００Ｈｚの変動範囲の
周波数をもつ三相電流へ変換される。周波数の調節はポ
テンショメータとして作られた変速器（回転速度比の遠
隔位置指示器）４２にて行われ、その変速器は電子制御
デバイス３２へ接続されており、その電子制御デバイス
内部で後で述べるごとく発振器へ作用する。直流電流か
ら６つのパワートランジスタのパルス操作による三相電
流の生起は例えば冒頭で述べた従来技術の水準によって
公知である。

第２図は多様な周波数ｆ１．ｆ２．ｆ３．ｆ４・・・に
対するモータ負荷Ｍの関係において、ある非同期モータ
の回転数ｎの回転数特性を示す。一定周波数の場合、こ
の種の非同期モータの回転数は一定のトルクで急降下し
始め、それがモータの過熱および破損を招来する。これ
は周波数の連続した適合化（電圧振幅に対応して）を行
なうことによって防止可能であり、図でほぼ水平な線で
示されているごとく、全回転数範囲にわたり、モータの
トルクを極めて高い値に維持可能である。同時に高い駆
動系統の効率が得られ過負荷が避けられる。電灯線から
受取る実効電力は変換器の整流された電流の電流値に相
当する固定子電流の実効弁に比例する。モータ軸へ出さ
れる機械的出力も同じく固定子電流の実効分に比例した
回転子電流の実効分に比例する。周知のごとくトルクは
エアギャップ磁束密度と回転子電流分布との積ないし磁
束と回転子電流との積として求められる。変換器内部の
周波数変動が所定のｕ／ｆ特性（Ｕ＝電電圧幅幅に従っ
て行われると非同期モータの電流増加は最大値にまで達
するので可能最大トルクで、回転数変化が行われること
になる。

所定の特性曲線通りの非同期モータ２７の制御は第３図
に図示された回路を基にざらに詳細に説明する。

例えば急速な変速器４２の調節にてより低い回転数とな
る非同期モータ７の発電機的な運転では、非同期モータ
２７がエネルギーを帰還させ、そのエネルギーが平滑コ
ンデンサ１３の電圧上昇となってあられれる。同時に通
常運転においては遮断されているパワートランジスタ３
０が導通接続となり前記エネルギーを制動抵抗器（ダン
ピングレジスタンス）２９を通して逃がすことができる
。

これは詳細に図示されていない調整器によってインプッ
ト４０の電圧が最適に定常値へ調整され。

パワートランジスタ３０がその定常値を超えるとサイク
ル演算にて導通状態へ転換される。これにより過電圧防
止の他に非同期モータ２７の急制動が可能となるので、
変速器４２を調節すれば新たにセットされた回転数が急
速に達成されることになる。

第１図に示した全回路は主にマイクロプロセッサによる
電子制御デバイス３２として形成されるので、極めて小
型のケーシングに納置可能で、そのケーシングの端子１
０にて電源コードへ接続される。またこのケーシングへ
は非同期モータを備えた種々の手持工作機械が差込みコ
ネクタ２６を介して連続され運転される。

第３図に示した電子制御デバイスの実施例の場合、モー
タ負荷信号を導くインプット４１は抵抗器２８を通る電
流流れ方向検知のためにインプット増幅器４３と積分器
４４とへ接続されている。

インプット増幅器４３は抵抗器４５にて負帰還のかけら
れた演算増幅器４６から成り、その演算増幅器の非反転
インプットは接地され、また反転インプットはインプッ
ト抵抗器４７にてインプット４１へ連接されている。

積分器４４はコンデンサ４８にて負帰還のかけられた演
算増幅器４９から成り、その演算増幅器はインプット増
幅器４３と同様、インプット抵抗器５０にて連接されて
いる。

インプット増幅器４３の増幅された出力信号はコンパレ
ータとして接続された２つの演算増幅器５３．５４の非
反転インプットへ、各々抵抗器５１．５２にて導かれて
いる。積分器４４のアウトプットはダイオード５５ない
し５６と抵抗器５７ないし５８との直列接続回路を介し
て、同じく演算増幅器５３．５４の非反転インプットへ
連接されている。またダイオード５５．５６は互いに逆
極性になっている。所定のピーク負荷に対応した限界値
信号が印加される端子５つは演算増幅器５３の反転イン
プットへ抵抗器６０にて連接されているほか、演算増幅
器５４の非反転インプットへ、抵抗器６１にて連接され
ており、その演算増幅器５４の反転インプットは接地さ
れている。

演算増幅器５３．５４のアウトプットは互いに逆極性の
ダイオード６２．６３と抵抗器６４とを介して、積分器
として形成されたモータ回転制御用ランプ発生器６５へ
各々連接されている。さらにこのランプ発生器には変速
器４２の信号が印加されている。非同期モータ２７の周
波数ｆを決定するランプ発生器６５の出力信号の一方は
直接に、またもう一方は間接的に関数発生器６６を介し
て発振器６７へ連結されており、その発振器内部では印
加されている制御信号に従って非同期モータ用の制御周
波数が作られる。制御周波数は変換器用の通常の方式で
６つのアウトプット３３〜３８を介して、パワートラン
ジスタ１４〜１９の６つの制御電極へ送られる。端子５
９の限界値信号にて決定されているピーク負荷以下の通
黛運転では、ダイオード６２．６３によって演算増幅器
５３゜５４の両アウトプットが遮断されるので、非同期
モータ２７の運転に対して抵抗器６４を介して作用が及
ぶことはない。変速器４２によって所定の回転数Ｎが制
御信号ｆを介して決定される。同時に滑らかな起動にす
るためにランプ発生器６５による、信＠ｆの所定値への
ゆるやかな上昇が行われる。関数発生器６６内部では所
定の特性曲線に従って各周波数ｆに対する最適な振幅値
Ｕがプリセット（決定）される。この振幅値はパワート
ランジスタ１４〜１つ用の制御信号のパルス幅として出
される。即ち適合した特性曲線に従って確定される周波
数および振幅値が変速器４２によってプリセット（決定
）されるので第２図に示した特性曲線が確実に守られ、
また高い駆動系統の効率が得られる。

モータ負荷が所定の限界値を超えて上昇すると、変速器
４２にてプリセットされた値となるように抵抗器６４を
介して周波数が低下する操作が行われるので、過負荷は
発生しない。積分器４４とこれに直列に後接続された互
いに逆極性のダイオード５５．５６によって２つの演算
増幅器５３，５４の各一方のみが動作し、また所定のピ
ーク負荷に到達の際には前記演算増幅器の一方が非同期
モータ２７の動力駆動運転（パワードライブ）の、そし
て他方が非同期モータ２７の発生器による運転の出力信
号を作ることができる。抵抗器２８を流れる２つの対応
する電流流れ方向によってそれぞれ逆の信号が積分器４
４のアウトプットに生じる。所定のピーク負荷を超える
と、出力周波数の自動的な低下および適合化によって、
起動、制動突発的負荷など動力駆動工程時にピーク電流
が非同期モータ２７に対して有害な作用を及ぼすことが
ないので、常に最大可能出力および最大効率の運転が可
能である。また発生器による運転のピーク過負荷は演算
増幅器５３にて形成されたコンパレータが遮断され、か
つ演算増幅器５４が導通接続されることによって補整さ
れる。

即ち過負荷発生時には電圧振幅と周波数とは所定の特性
曲線に従って平衡するまで低下する。発生器による過電
流の場合、それに対応して電圧振幅および周波数が上昇
する。このピーク負荷操作の時定数は非同期モータの時
定数に暴き動カニ程を確実に駆動するのに十分な速さで
ある。端子５９の最も単純な事例の定常限界値信号は、
例えばアナログファンクションネットとしてのファンク
ションとして、弱め界磁制御範囲の適合化のための、例
えば電流／抵抗補整用（ＩＸＲ８補整）、または他のモ
ータパラメータのファンクションとしてプリセット（決
定）される。モータの定常・電圧・周波数比において非
同期モータ内部の電圧降下が生じると、低い周波数なら
ば使用可能トルクは公称トルク以下に低下する。またそ
の範囲内でも公称トルク一杯に使用するには、その範囲
内のｕ／ｆ特性曲線が適切に上昇されなければならない
（ＩＸＲ８補整）。弱め界磁制御動作は、公称モータ周
波数以上に周波数を高めることにより達成される。最大
出力電圧に達しているのでモータ界磁および公称モータ
トルクは低下する。なおこの場合、適切な補整が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は電源装置の回路図、第２図は動作説明用信号図
、第３図は変換器の制御デバイスの詳細図を示す。 ２７・・・非同期モータ　２８・・・負荷センサ　３０
・・・半導体スイッチ　４２・・・変速器　４４・・・
スイッチングデバイス　５３．５４・・・しきい値段　
５５゜５６・・・ダイオード　６５・・・ランプ発生器
　６６・・・関数発生器　６７・・・発振器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　整流された交流電圧を、変動する周波数と振幅の三
   相電流へ変換するための発振器を備えた変換器と、前記
   発振器へ作用する変速器とを有し、またモータ負荷を検
   知する負荷センサが、発振器へ少なくとも時間的に作動
   係合している非同期モータ駆動電動工具電源装置であっ
   て、所定の特性曲線に従って互いに一定の相関関係にあ
   る周波数と振幅が変速器（４２）にて調節可能であるこ
   と、そして、ピーク値に相当する少なくとも１つの限界
   値が、予め決定されていて、その限界値を超えると周波
   数と電圧を低下させるように負荷センサを通じて特性曲
   線の動作点へモータ負荷の操作が行われることを特徴と
   する電動工具の電源装置。 ２　特性曲線を予め決定するために関数発生器（６６）
   が、発振器へ直列に前結合されていることを特徴とする
   第１項に記載の電動工具の電源装置。 ３　周波数（ｆ）にて決定されている振幅（ｕ）の関数
   が関数発生器（６６）により発生されることを特徴とす
   る第２項に記載の電動工具の電源装置。 ４　主に積分器として形成されたモータ起動制御用ラン
   プ発生器（６５）が、変速器（４２）へ直列に後結合さ
   れていることを特徴とする第１項に記載の電動工具の電
   源装置。 ５　前記限界値へ到達以前に遮断される少なくとも１つ
   のしきい値段（５３、５４）が負荷センサ（２８）と発
   振器６７との間へ接続されていることを特徴とする第１
   項に記載の電動工具の電源装置。 ６　少なくとも１つのしきい値段（５３、５４）が負荷
   センサの信号を前記限界値と比較するためのコンパレー
   タを有し、そのコンパレータのアウトプットが極性信号
   用に遮断されていることを特徴とする第５項に記載の電
   動工具の電源装置。 ７　第一のしきい値段（５３）が正上限値用に、また第
   二のしきい値段（５４）が制動動作時に到達可能な頁下
   限値用に設けられていることを特徴とする第５項に記載
   の電動工具の電源装置。 ８　負荷センサ（２８）が電流センサとして整流された
   回路内の抵抗として形成されていることを特徴とする第
   １項に記載の電動工具の電源装置。 ９　整流された電流の流れる方向に従って切換わるスイ
   ッチングデバイス（４４）が設けられており、そのスイ
   ッチングデバイスが両しきい値段（５３、５４）の一方
   を選択的に遮断することを特徴とする第７項に記載の電
   動工具の電源装置。 １０　スイッチングデバイス（４４）が積分器として形
   成されており、その積分器のアウトプットが互いに逆極
   性のダイオード（５５、５６）によって、しきい値段（
   ５３、５４）へ連接されていることを特徴とする第９項
   に記載の電動工具の電源装置。 １１　少なくとも１つのしきい値段（５３、５４）の出
   力が変速信号を変化される作用をし、主に変速器のアウ
   トプットへ結合されていることを特徴とする第５項に記
   載の電動工具の電源装置。 １２　前記限界値が定数であることを特徴とする第１項
   に記載の電動工具の電源装置。 １３　前記限界値がモータパラメータの１つの関数であ
   ることを特徴とする第１項に記載の電動工具の電源装置
   。 １４　整流された回路に組込まれていて非同期モータ（
   ２７）の３つの接続部へ配設されていて、発振器（６７
   ）にて制御されるトランジスタスイッチング終段（１４
   〜１９）が変速器に設けられていることを特徴とする第
   １項に記載の電動工具の電源装置。 １５　整流された回路の両極へ接続された半導体スイッ
   チ（３０）が設けられていて、非同期モータ（２７）の
   発振器領域が所定の電圧を超えると前記半導体スイッチ
   が導通状態へ切換可能であることを特徴とする第１４項
   に記載の電動工具の電源装置。 １６　調整デバイスが設けられており、その調整デバイ
   スの両極の電圧が半導体スイッチ（３０）の正確な制御
   によって、予め定められた所定の最大値に制限されるこ
   とを特徴とする第１５項に記載の電動工具の電源装置。 １７　制動抵抗器（２９）が半導体スイッチ（３０）へ
   直列接続されていることを特徴とする第１５項に記載の
   電動工具の電源装置。