JPWO2018198673A1

JPWO2018198673A1 - 電動工具

Info

Publication number: JPWO2018198673A1
Application number: JP2019515182A
Authority: JP
Inventors: 健熊倉; 谷本　英之; 英之谷本; 拓家吉成; 慎治倉賀野
Original assignee: Koki Holdings Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: WO2018198673A1; JP7095688B2; US11211894B2; US20210119566A1

Abstract

ブラシレスモータの電気進角を可変とすることで重負荷時にも作業を続行可能な電動工具を提供する。ブラシレスモータ１と、ブラシレスモータの駆動を制御するコントローラ３０と、交流電源入力を全波整流した脈動電圧の供給を受け、コントローラ３０の制御信号に従ってブラシレスモータ１に通電するインバータ回路２０とを備え、コントローラ３０はブラシレスモータ１の電気進角を変更可能であり、コントローラ３０はブラシレスモータ１に流れるモータ電流を検出し、当該モータ電流が所定の閾値に到達すると、電気進角を大きくする。

Description

本発明は、商用交流電源を使用する電動工具に係り、とくにブラシレスモータを駆動源とする電動工具に関するものである。

商用交流電源を使用する電動工具にあっては、商用交流電源入力を整流する整流回路とインバータ回路との間の平滑コンデンサを省略するか、又は小容量として小型化を図り、ブラシレスモータに脈動電圧を供給する構成が知られている（特許文献１）。

ＷＯ２０１６／１５８１３１号公報

特許文献１に記載したような電動工具の場合、モータへ流入する電流量を制限するため、モータ電流のピーク値を検知してピーク値が所定値に達するとモータへの通電を停止する過電流保護機能を有している。このため、重負荷時に発生するモータピーク電流により過電流保護が働いて作業が中断してしまい、丸鋸等の切断工具においては切断面にムラができる等、仕上がりに悪影響を来す可能性があった。

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、ブラシレスモータの電気進角を可変とすることで重負荷時にも作業を続行可能な電動工具を提供することにある。

本発明の第１の態様は電動工具である。この電動工具は、ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータを収容するハウジングと、前記ブラシレスモータの駆動を制御するコントローラと、交流電源入力を全波整流した脈動電圧の供給を受け、前記コントローラの制御信号に従って前記ブラシレスモータに通電するインバータ回路と、を備え、前記コントローラは前記ブラシレスモータの電気進角を変更可能であり、前記コントローラは前記ブラシレスモータへの負荷を検出し、当該負荷が大きくなると、前記電気進角を大きくすることを特徴とする。

本発明の第２の態様も電動工具である。この電動工具は、ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータを収容するハウジングと、前記ブラシレスモータの駆動を制御するコントローラと、交流電源入力を全波整流した脈動電圧の供給を受け、前記コントローラの制御信号に従って前記ブラシレスモータに通電するインバータ回路と、を備え、前記コントローラは前記ブラシレスモータの電気進角を手動切替手段で変更可能であることを特徴とする。

前記第１の態様において、前記電気進角を徐々に又は瞬時に切り替えるとよい。

前記第１の態様において、前記ブラシレスモータの前記電気進角をθとし、前記ブラシレスモータのロータ磁極数をＰとしたとき、前記モータ電流が所定の閾値に到達した場合には、θ＜３６０°／Ｐを満足する範囲内で前記電気進角を大きくするとよい。

前記第１の態様において、前記ブラシレスモータが３相ブラシレスモータであって、前記ロータ磁極数Ｐが４の場合、前記モータ電流が所定の閾値に到達したときに、前記電気進角θを６０°≦θ＜９０°に設定するとよい。

前記第１又は第２の態様において、前記ブラシレスモータは丸鋸刃を回転駆動するものであるとよい。

前記コントローラは、前記ブラシレスモータに流れる電流によって、前記負荷の大きさを判断するとよい。

前記コントローラは、前記負荷が閾値を超えたときに前記電気進角を大きくするとよい。

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。

本発明に係る電動工具によれば、ブラシレスモータの電気進角を可変とすることで重負荷時にも作業を続行可能である。

本発明に係る電動工具の実施の形態を示す回路ブロック図。実施の形態の正面図。同正断面図。同平面図。同背面図。同側面図。実施の形態におけるモータ電流波形であって、（Ａ）は電気進角４０度のときのモータ電流波形図、（Ｂ）は電気進角８０度のときのモータ電流波形図。電気進角４０度、６０度及び８０度のときのモータピーク電流とモータ出力との関係を示すグラフ。電気進角４０度及び８０度のときのモータ回転数とモータ電流との関係を示すグラフ。電気進角４０度及び８０度のときのモータトルクとモータ電流との関係を示すグラフ。定速制御を継続するように電気進角を切り替える場合のモータ回転数とモータ電流との関係を示すグラフ。定速制御を継続するように電気進角を切り替える場合のモータトルクとモータ電流との関係を示すグラフ。電気進角を徐々に切り替える場合のモータ回転数とモータ電流との関係を示すグラフ。電気進角を徐々に切り替える場合のモータトルクとモータ電流との関係を示すグラフ。

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、処理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は本発明に係る電動工具の実施の形態であって、外部の交流商用電源（ＡＣ１００Ｖ商用電源）から電力供給を受けるコード付き携帯用電気丸鋸の回路ブロック図、図２は携帯用電気丸鋸の正面図、図３は内部構造を示すための同正断面図、図４は同平面図、図５は同背面図、及び図６は同側面図である。ここでは、まず図２乃至図６を用いて実施の形態における携帯用電気丸鋸の構造について説明する。

図２乃至図６において、携帯用電気丸鋸は、ブラシレスモータ１を収容したハウジング２と、ハウジング２に一体的に設けられた、作業者が把持するためのハンドル３と、モータ１により回転駆動される丸鋸刃４と、ハウジング２に取付けられ、丸鋸刃４外周のほぼ上側半分を覆う形状をし、丸鋸刃４の外周及びモータ１側の側面の一部を収納するソーカバー５と、ソーカバー５を介してハウジング２と連結され、木材等の被切断材上を摺動可能な底面６ａを持ち、丸鋸刃４を底面６ａより下方に突出可能な開口部を有するベース６と、モータ１の出力軸１ａに固定して設けられ、モータ１の駆動により回転し、回転時に発生するファン風によってモータ１の冷却を行なう遠心ファン７とを備えている。図６のようにハンドル３には携帯用電気丸鋸の運転開始、停止を切り替えるスイッチ３ａが設けられている。

携帯用電気丸鋸には、丸鋸刃４外周のほぼ半分を覆う形状をしたセーフティーカバー１７が設けられている。セーフティーカバー１７はソーカバー５内において丸鋸刃４の駆動軸１０と同軸上で回動可能に保持され、ソーカバー５内に収納可能で、セーフティーカバー１７は図示しないスプリング等の付勢手段によって付勢されており、大半部分がベース６の底面６ａよりも下方に突出し丸鋸刃４外周が露出するのを防止する回動位置が初期状態となっている。切断作業時には、セーフティーカバー１７の切断方向前方側端部（図６の右側）が被切断材の端部に当接し、その状態で携帯用電気丸鋸が切断方向に摺動することによってスプリングに抗してソーカバー５内に収納されるように回動し、ベース６の底面６ａにおいて丸鋸刃４が露出する。被切断材上面に端面と連続しない切断加工を行う窓抜き作業等の場合には、作業者がレバー操作等でセーフティーカバー１７を回動させベース６の底面６ａにおいて丸鋸刃４を露出させることができる。なお、丸鋸刃４が取り付け固定される駆動軸１０はモータ１の出力軸１ａとギヤ機構を介して連動する。図４に示すように、ハウジング２の後部からは外部の交流商用電源と接続するための電源コード２５が引き出されている。

上記したようなソーカバー５は、ベース６の長手方向両端側付近において丸鋸刃４を挟むようにベース６と連結されている。詳細は省略するが、レバー操作等でベース６底面からの丸鋸刃４の突出量を調整する機構、及びベース６に対して丸鋸刃４の回転面を傾斜させる（つまりベース６に対してハウジング２を傾ける）機構が設けられている。

前述したように、携帯用電気丸鋸は、交流商用電源を利用するものであり、ブラシレスモータ１を起動、回転制御するために図１に示す回路構成、すなわち、ブラシレスモータ１への供給電力をスイッチングするスイッチング素子を含むインバータ回路２０と、これを制御するコントローラ（制御回路）３０と、ハウジング２背面から引き出された電源コード２５からの交流電源（ＡＣ１００Ｖ商用電源）入力をフィルタ回路３５を介して受けてブラシレスモータ駆動用の脈動電圧（全波整流波形電圧）に変換する全波整流器（ダイオードブリッジ）４０、及びブラシレスモータ１の回転位置に応じて信号を発生する回転状態検出手段５０をハウジング２内に有している。また、コントローラ３０への駆動用電源として、交流電源入力を整流平滑する整流平滑回路６０と、この直流出力電圧を降圧しかつ安定化する定電圧回路７０とがハウジング２内に設けられている。定電圧回路７０は、ＩＰＤ回路７１、コンデンサ７２及びレギュレータ７３を含んで構成され、コントローラ３０に安定化された駆動用直流電圧を供給する。

図１のブラシレスモータ１は、ロータ１Ａと、ステータ１Ｂと、ロータ１Ａに一体化されたセンサマグネット（図示せず）とを有している。ロータ１Ａは外周面に４つの磁極を有し、ステータ１Ｂはスター結線されたステータ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを有しており、ブラシレスモータ１は３相ブラシレスモータである。

交流電源入力は全波整流器４０で全波整流され、脈動電圧（全波整流波形電圧）とされてインバータ回路２０に供給される。インバータ回路２０は、３相ブリッジ形式に接続されたＦＥＴ等の６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含む。ブリッジ接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートには、コントローラ３０からの制御信号Ｈ１〜Ｈ６がそれぞれ印加され、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ドレインまたは各ソースは、スター結線されたモータ１のステータ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される。６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、制御信号Ｈ１〜Ｈ６によってスイッチング動作を行い、インバータ回路２０に供給される脈動電圧を３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ，Ｖｗとしてステータ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに電力を供給して、ブラシレスモータ１を起動、回転させる。インバータ回路２０の負側通電経路にはモータ電流検出抵抗Ｒ１が挿入されており、検出抵抗Ｒ１両端の電圧降下からコントローラ３０はモータ電流を検出する。コントローラ３０は例えばマイクロコンピュータ等を含む。

回転状態検出手段５０は、モータ１のロータ１Ａと一体のセンサマグネットに対面するように、図３の基板５１上に配置された回転位置検出素子５２（例えばホール素子等）とを有している（但し、図３では回転位置検出素子５２の図示は省略）。図３に示すように基板５１はモータ１の背後位置で、センサマグネットが一体化されたロータ１Ａに近接対向する配置である。三相ブラシレスモータの場合、回転位置検出素子５２を６０度間隔で３個配置する。コントローラ３０は回転位置検出素子５２のロータ位置検出信号を受信し、インバータ回路２０にモータ１の駆動を制御する制御信号Ｈ１〜Ｈ６を送信する。

一般的にはステータ１Ｂの隣り合う磁極同士の間隔を２等分する位置に回転位置検出素子５２を配置してロータ１Ａの磁極の反転を検出する。この回転位置検出素子５２の配置において、ロータ１Ａの磁極の反転を回転位置検出素子５２で検出するのと同じタイミングでスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の通電の切替を行う場合が電気進角０度であるが、これよりも早いタイミングで、つまり電気進角を進めて（増加させて）スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の通電の切替を行う制御が行われている。なお、ＰＷＭ制御はハイサイドのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３又はローサイドのスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６の導通期間を、コントローラ３０の制御信号Ｈ１〜Ｈ３又は制御信号Ｈ４〜Ｈ６で制御することで行うことができる。

図７（Ａ）は脈動電圧として全波整流波形電圧をインバータ回路２０に供給した場合で、電気進角４０度のときのブラシレスモータ１のモータ電流波形を示す。この場合、モータ１の誘起電圧に起因して無通電区間が発生し、モータ電流波形は尖った波形で、電流ピーク値に比べて電流実効値は低い値となる。

一方、図７（Ｂ）は同じく全波整流波形電圧をインバータ回路２０に供給した場合で、電気進角８０度のときのブラシレスモータ１のモータ電流波形を示す。この場合、電気進角４０度ときの無通電区間にもモータ電流が流れ、モータ電流波形の電流ピーク値は低下し、電気進角４０度のときと比較して電流実効値は高くなる。なお、電気進角９０度までは電気進角を大きくすればするほどモータ出力に対するモータピーク電流は下がる。但し、電気進角９０度以上は前記無通電区間に流れる電流の方が大きくなり電気進角を大きくする効果は却って減少する。

図８は進角４０度、６０度及び８０度のときのモータピーク電流とモータ出力との関係を示すグラフであり、過電流保護機能によりモータピーク電流の最大値に制約がある場合、電気進角４０度よりも電気進角６０度の方が、得られるモータ出力の最大値が大きく、さらに電気進角６０度よりも電気進角８０度の方が、得られるモータ出力の最大値が大きくなることがわかる。

図９はブラシレスモータ１をコントローラ３０で定速制御した場合において、電気進角４０度及び８０度のときのモータ回転数とモータ電流との関係を示すグラフであり、電気進角４０度よりも電気進角８０度の方がモータ電流が大きい領域にまで定速制御が可能になっている。

図１０はブラシレスモータ１をコントローラ３０で定速制御した場合において、電気進角４０度及び８０度のときのモータトルクとモータ電流との関係を示すグラフである。同一トルクを発生するためのモータ電流は進角４０度の方が小さくて済むが、電気進角８０度の方がモータ電流を、より大きい領域にまで流せるため、最大トルクは電気進角８０度の方が大きくできる。

図７乃至図１０のブラシレスモータ１の電気進角とモータ特性との関係に鑑み、本実施の形態では、コントローラ３０はブラシレスモータ１に流れるモータ電流を検出して常時監視し、モータ電流が所定の閾値（図９において電気進角４０度の場合に回転数が低下し始める電流値よりも少し低い電流値）に到達すると、電気進角を大きくして電気進角８０度でブラシレスモータ１を駆動制御する。このように進角切替の結果、図１１及び図１２に示すように、軽負荷領域では同じモータ電流で発生トルクの大きい方の電気進角４０度でブラシレスモータ１を駆動制御でき、さらに重負荷領域ではモータ電流を大きくして定速回転を重負荷時にも維持できる電気進角８０度でブラシレスモータ１を駆動制御可能である。

なお、本実施の形態では、コントローラ３０による電気進角の自動切替の他に、手動切替手段を作業者が手動操作することによっても電気進角の切替が可能である。携帯用電気丸鋸の運転開始、停止、電気進角の自動切替、手動切換等の動作モードの選択は、ハウジング２のハンドル対向面に設けられた図４の操作パネル９で行うことができる。

以上の実施の形態に示した携帯用電気丸鋸において、切断作業時には、ハンドル３を把持した作業者はベース６の底面６ａを被切断材上に載せた状態でスイッチ３ａをオンとしてブラシレスモータ１を起動し、丸鋸刃４を回転駆動しつつベース６を摺動させて被切断材を切断していく。被切断材に対する通常の切断域ではコントローラ３０で電気進角を４０度に設定することでモータ電流を低く、効率的な運転を行う。また、重負荷となる切断域では電気進角を大きくする方向にコントローラ３０で自動的に切替えて、つまり電気進角を８０度に進めることで、モータピーク電流を抑制して過電流保護機能が働くのを回避し、モータ通電停止に起因する切断ムラの発生を防ぎながら切断動作を継続する。

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) コントローラ３０でブラシレスモータ１の電気進角を変更可能とし、かつコントローラ３０はブラシレスモータ１に流れるモータ電流を検出し、当該モータ電流が所定の閾値に到達すると、電気進角を大きくする制御を行う構成としたので、軽負荷領域では同じモータ電流で発生トルクの大きい方の比較的小さい電気進角（例えば４０度前後）で駆動制御でき、さらに重負荷領域ではモータ電流を大きくして定速回転を重負荷時にも維持できる比較的に大きな電気進角（たとえば８０度前後）でブラシレスモータ１を駆動制御可能である。このため、商用交流電源を整流した全波整流波形電圧をインバータ回路２０に供給した場合であっても、重負荷時におけるモータピーク電流を抑制して過電流保護機能が働くのを回避し、モータ通電停止に起因する不都合を回避できる。

(2) ハウジング２に設けられた操作パネル９で、作業内容に応じて作業者が予め電気進角を手動でも設定でき。このため、重負荷が想定される場合には予め電気進角を８０度前後に設定することができる。

(3) 商用交流電源を整流した全波整流波形電圧をインバータ回路２０に供給すればよく、大型の平滑コンデンサを省略可能で（但し、小容量のコンデンサを付加する場合有り）、装置の小型化が可能である。

本発明の他の実施の形態であって、電気進角を４０度から８０度に向けて徐々に切り替える場合を図１３及び図１４に示す。図１３は電気進角４０度から８０度に徐々に切り替える場合のモータ回転数とモータ電流との関係を示すグラフ、図１４は電気進角４０度から８０度に徐々に切り替える場合のトルクとモータ電流との関係を示すグラフである。電気進角を徐々に変化させることで、モータ電流の急激な変化を抑制可能である。

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や各処理プロセス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。

本発明の実施の形態では電動工具として携帯用電気丸鋸を例示したが、卓上切断機等にも適用可能である。

用途やブラシレスモータの構造によって電気進角は変更可能であり、例えばロータが４極の３相ブラシレスモータの場合、軽負荷時の電気進角を０度から４５度の範囲に設定し、重負荷時の電気進角を軽負荷時の電気進角よりも大きい４５度から９０度の範囲に設定することが可能である。

図８からモータピーク電流の最大値において、電気進角６０度でも電気進角４０度のときより出力が増加していることに鑑み、電気進角をθとしたとき、重負荷時は６０°≦θ＜９０°に設定することも有効である。

さらに、ブラシレスモータの電気進角をθとし、前記ブラシレスモータのロータ磁極数をＰとしたとき、前記モータ電流が所定の閾値に到達した場合には、θ＜３６０°／Ｐを満足する範囲内で電気進角を大きくする構成でもよい。

さらに、モータへかかる負荷の大小の判断に、モータに流れる電流の大きさで判断したが、モータへの負荷によって変化する値を用いてもよく、例えばモータの回転数などによってモータへの負荷を判断しても良い。

１…ブラシレスモータ、１Ａ…ロータ、１Ｂ…ステータ、２…ハウジング、３…ハンドル、４…丸鋸刃、６…ベース、７…遠心ファン、１０…駆動軸、２０…インバータ回路、３０…コントローラ、４０…全波整流器、５０…回転状態検出手段、５２…回転位置検出素子、Ｑ１〜Ｑ６…スイッチング素子

本発明の第１の態様は電動工具である。この電動工具は、ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータを収容するハウジングと、前記ブラシレスモータの駆動を制御するコントローラと、交流電源入力を全波整流した脈動電圧の供給を受け、前記コントローラの制御信号に従って前記ブラシレスモータに通電するインバータ回路と、を備え、
前記ブラシレスモータの負荷が小さい状態では、前記ブラシレスモータに電流が流れない無通電区間が発生し、
前記コントローラは前記ブラシレスモータの電気進角を変更可能であり、
前記コントローラは前記負荷を検出し、当該負荷が大きくなると、前記電気進角を大きくすることで、前記無通電区間を小さくすることを特徴とする。
前記第１の態様において、前記負荷が大きくなると、前記コントローラは、前記無通電区間が発生しないように前記電気進角を大きくしてもよい。

Claims

ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータを収容するハウジングと、前記ブラシレスモータの駆動を制御するコントローラと、交流電源入力を全波整流した脈動電圧の供給を受け、前記コントローラの制御信号に従って前記ブラシレスモータに通電するインバータ回路と、を備え、前記コントローラは前記ブラシレスモータの電気進角を変更可能であり、前記コントローラは前記ブラシレスモータへの負荷を検出し、当該負荷が大きくなると、前記電気進角を大きくすることを特徴とする電動工具。
ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータを収容するハウジングと、前記ブラシレスモータの駆動を制御するコントローラと、交流電源入力を全波整流した脈動電圧の供給を受け、前記コントローラの制御信号に従って前記ブラシレスモータに通電するインバータ回路と、を備え、前記コントローラは前記ブラシレスモータの電気進角を手動切替手段で変更可能であることを特徴とする電動工具。
前記電気進角を徐々に又は瞬時に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記ブラシレスモータの前記電気進角をθとし、前記ブラシレスモータのロータ磁極数をＰとしたとき、前記モータ電流が所定の閾値に到達した場合には、θ＜３６０°／Ｐを満足する範囲内で前記電気進角を大きくすることを特徴とする請求項１又は３に記載の電動工具。
前記ブラシレスモータが３相ブラシレスモータであって、前記ロータ磁極数Ｐが４の場合、前記モータ電流が所定の閾値に到達したときに、前記電気進角θを６０°≦θ＜９０°に設定する請求項４に記載の電動工具。
前記ブラシレスモータは丸鋸刃を回転駆動することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電動工具。
前記コントローラは、前記ブラシレスモータに流れる電流によって、前記負荷の大きさを判断することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電動工具。
前記コントローラは、前記負荷が閾値に到達したときに前記電気進角を大きくすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電動工具。