WO2018061554A1

WO2018061554A1 - 電動工具

Info

Publication number: WO2018061554A1
Application number: PCT/JP2017/030546
Authority: WO
Inventors: 拓家吉成
Original assignee: 日立工機株式会社
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2018-04-05

Abstract

モータの電流経路にリアクトルを設ける構成において製品サイズの大型化を抑制可能な電動工具を提供するため、電動工具１は、モータ６と、交流電力を直流電力に変換してモータ６に供給するダイオードブリッジ１５と、ダイオードブリッジ１５の出力端子間に設けられた電解コンデンサＣ２と、ダイオードブリッジ１５とモータ６との間の電流経路に設けられたチョークコイルＬ２と、チョークコイルＬ２と並列に設けられたスイッチング素子Ｑ７と、を備える。演算部２１は、負荷が所定値未満のときはスイッチング素子Ｑ７を遮断とし、負荷が前記所定値以上のときはスイッチング素子Ｑ７を導通とする。

Description

電動工具

本発明は、交流駆動の電動工具に関する。

ブラシレスモータを駆動源とする交流駆動の電動工具は、ダイオードブリッジ等の整流回路、モータに駆動電流を供給するインバータ回路、及びインバータ回路のサージ電圧を吸収する電解コンデンサを備える。グラインダ等の出力の高い電動工具の場合、大きなリプル電流を許容するために、電解コンデンサの容量を大きくする必要がある。

特開２０１５－１００８８７号公報

交流駆動の電動工具では、無負荷時の高調波を小さくすることが求められるが、電解コンデンサの容量を大きくすると、高調波も大きくなるという問題がある。他方、交流駆動の電動工具では、モータ電流の脈動により、特に無負荷時に振動や騒音が大きくなるという問題がある。これらの問題の対策として、モータの電流経路にリアクトル（コイル）を設けることが考えられる。このリアクトルは、高調波を小さくしたり、モータ電流を平滑して脈動を抑制したりする役割を持つ。しかし、負荷が大きいときのモータ電流を許容するリアクトルを設けると、リアクトルのサイズが大きいため、製品サイズが大型化する。

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、モータの電流経路にリアクトルを設ける構成において製品サイズの大型化を抑制可能な電動工具を提供することにある。

本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、モータと、交流電力を直流電力に変換して前記モータに供給する整流回路と、前記整流回路の出力端子間に設けられたコンデンサと、前記整流回路と前記モータとの間の電流経路に設けられたリアクトルと、前記リアクトルと並列に設けられ、導通、遮断の切替えが可能な開閉手段と、を備える。

前記モータがブラシレスモータであり、前記整流回路と前記モータとの間に設けられ、前記モータに駆動電流を供給するインバータ回路を備え、前記リアクトル及び前記開閉手段が、前記整流回路と前記インバータ回路との間に設けられてもよい。

前記開閉手段が、前記インバータ回路を構成するスイッチング素子と同種類のスイッチング素子であってもよい。

本発明のもう１つの態様は、電動工具である。この電動工具は、交流駆動の電動工具であって、モータと、前記モータの電流経路に設けられたリアクトルと、前記リアクトルと並列に設けられ、導通、遮断の切替えが可能な開閉手段と、を備えることを特徴とする。

前記モータに駆動電流を供給するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子のサージ電圧を吸収するためのコンデンサと、を備えてもよい。

前記開閉手段の導通、遮断を制御する制御部を備え、前記制御部は、負荷が所定値未満のときは前記開閉手段を遮断とし、負荷が前記所定値以上のときは前記開閉手段を導通としてもよい。

前記開閉手段の導通、遮断を制御する制御部を備え、前記制御部は、無負荷時には前記開閉手段を遮断とし、有負荷時には前記開閉手段を導通としてもよい。

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。

本発明によれば、モータの電流経路にリアクトルを設ける構成において製品サイズの大型化を抑制可能な電動工具を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る電動工具１の側断面図。電動工具１の回路図。電動工具１の動作の一例を示すタイムチャート。電動工具１の制御フローチャート。比較例に係る電動工具の回路図。比較例における無負荷状態でのモータ電流及びモータ回転数のグラフ。電動工具１における無負荷状態でのモータ電流及びモータ回転数のグラフ。本発明の実施の形態２に係る電動工具１Ａの回路図。

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、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。

（実施の形態１）　図１は、本発明の実施の形態１に係る電動工具１の側断面図である。図１により、上下前後各方向を定義する。電動工具１は、ここではグラインダである。電動工具１は、モータハウジング２、テールカバー３、及びギヤケース４により、外殻が形成される。モータハウジング２の後端部にテールカバー３が取り付けられ、モータハウジング２の前端部にギヤケース４が取り付けられる。

テールカバー３の後端部からは、外部の交流電源５０（図２）に接続するための電源コード９が延びる。テールカバー３内の後部には、フィルタ基板１０が設けられる。テールカバー３は、電動工具１のハンドルを構成しており、テールカバー３の下部にはトリガスイッチ（操作スイッチ）７が設けられる。トリガスイッチ７は、使用者がモータ６への電力供給を制御するためのスイッチである。テールカバー３内の前部には、補助電源・制御基板２０及びチョークコイルＬ２が設けられる。

モータハウジング２には、モータ６が収容されると共に、モータ６の後部にブリッジ・インバータ基板３０が設けられる。モータ６は、ブラシレスモータであり、出力軸６ａ、ロータ６ｂ及びステータを含む。ロータ６ｂは、ロータマグネット６ｅを含んで構成され、出力軸６ａの周囲に一体に設けられる。ステータは、モータハウジング２に保持されたステータコア６ｃ、及びステータコア６ｃに設けられたステータコイル６ｄ（図２）を含む。フィルタ基板１０、補助電源・制御基板２０、及びブリッジ・インバータ基板３０に設けられる回路については図２で後述する。

ギヤケース４内には、減速機構５が設けられる。減速機構５は、一対のベベルギアを組み合わせたものであり、モータ６の回転を減速すると共に９０度変換してスピンドル８に伝達する。スピンドル８の下端部には先端工具としての砥石８ａが一体回転可能に設けられる。モータ６の回転から砥石８ａの回転に至るまでの構成、動作は周知なので、これ以上の詳細な説明は省略する。

図２は、電動工具１の回路図である。図２において、交流電源５０は、商用電源等の外部交流電源である。交流電源５０には、フィルタ基板１０に設けられたフィルタ回路が接続される。フィルタ回路は、フィルタ基板１０に搭載された、ヒューズＦin、バリスタＺ１、パターンヒューズＦ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、及びチョークコイルＬ１を含む。ヒューズＦinは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６が短絡した場合の保護用である。バリスタＺ１は、サージ電圧吸収用である。パターンヒューズＦ１は、バリスタＺ１が働いた場合に線間がショートするのを防止する役割を持つ。コンデンサＣ１及びチョークコイルＬ１は、線間のノイズ除去用である。抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１の放電抵抗である。　

整流回路としてのダイオードブリッジ１５は、前述のフィルタ回路からの出力電圧を全波整流して直流に変換する。電解コンデンサＣ２は、サージ吸収用であり、ダイオードブリッジ１５の出力端子間に設けられる。リアクトルとしてのチョークコイルＬ２は、ダイオードブリッジ１５とモータ６との間の電流経路に設けられる。詳細には、チョークコイルＬ２は、ダイオードブリッジ１５とインバータ回路４７との間であって、電解コンデンサＣ２より前段（ダイオードブリッジ１５側）に設けられる。チョークコイルＬ２の許容電流は、例えば３～５Ａであり、有負荷時のモータ電流（電動工具１の定格電流）よりも小さい。ＩＧＢＴやＦＥＴ等のスイッチング素子Ｑ７は、チョークコイルＬ２と並列に設けられる。スイッチング素子Ｑ７のオンオフは、後述のように制御部としての演算部（マイコン）２１によって制御される。スイッチング素子Ｑ７は、好ましくはインバータ回路４７を構成するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６と同種類である。抵抗Ｒｓは、モータ６に流れる電流を検出するための検出抵抗であり、モータ６の電流経路に設けられる。ダイオードブリッジ１５、電解コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｑ７、インバータ回路４７、及び抵抗Ｒｓは、ブリッジ・インバータ基板３０に設けられる。

インバータ回路４７は、三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴやＦＥＴ等のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を含み、演算部２１の制御に従ってスイッチング動作し、モータ６のステータコイル６ｄ（Ｕ，Ｖ，Ｗの各巻線）に駆動電流を供給する。抵抗Ｒsの両端間の電圧により、演算部２１はモータ６の電流を検出する。また、演算部２１は、複数のホール素子（磁気センサ）４２の出力電圧により、ロータ６ｂの回転位置を検出する。演算部２１は、トリガスイッチ７の操作に応じて、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をスイッチング制御（例えばＰＷＭ制御）する。

ダイオードブリッジ１５の出力側には、ＩＰＤ回路２２が設けられる。ＩＰＤ回路２２は、インテリジェント・パワー・デバイス（Intelligent Power Device）であるＩＰＤ素子やコンデンサ等により構成された回路であり、ダイオードブリッジ１５及びサージ吸収用の電解コンデンサＣ３によって整流、平滑された電圧を例えば約１８Ｖに降圧するＤＣ－ＤＣスイッチング電源回路である。ＩＰＤ回路２２は、集積回路であり、消費電力が小さく省エネルギーであるというメリットがある。ＩＰＤ回路２２の出力電圧は、レギュレータ２６によって例えば約５Ｖに更に降圧され、演算部２１に動作電圧（電源電圧Ｖcc）として供給される。演算部２１、ＩＰＤ回路２２、及びレギュレータ２６等は、補助電源・制御基板２０に設けられる。

図３は、電動工具１の動作の一例を示すタイムチャートである。図３において、「マイコン状態」は、演算部２１が起動しているか否か（オン又はオフ）を示す。「トリガスイッチ」は、使用者の操作によるトリガスイッチ７のオン又はオフを示す。「負荷（モータ電流）実効値」は、モータ６に流れる電流の実効値であり、抵抗Ｒｓの両端の電圧により演算部２１が検出するものである。６Ａという電流値は、スイッチング素子Ｑ７のオンオフを切り替える閾値（所定値）の例示である。「スイッチング素子Ｑ７」は、演算部２１の制御によるスイッチング素子Ｑ７のオン又はオフを示す。

時刻ｔ１において電源コード９（図１）が交流電源５０（図２）に接続されると、演算部２１に動作電圧が供給され、演算部２１が起動する。その後、時刻ｔ２において使用者がトリガスイッチ７をオンすると、演算部２１はインバータ回路４７を制御し、モータ６に電流が供給される。なお、時刻ｔ２では、砥石８ａが被削材に接触していない無負荷運転であり、モータ６に流れる電流の実効値は、閾値である６Ａより小さい。その後、使用者が砥石８ａを被削材に接触させていき、時刻ｔ３においてモータ６に流れる電流の実効値が６Ａ以上になると、演算部２１はスイッチング素子Ｑ７の制御端子としてのゲートの電圧をローレベルからハイレベルに切り替え、スイッチング素子Ｑ７がターンオンする。その後、使用者が砥石８ａを被削材から離間させ、時刻ｔ４においてモータ６に流れる電流の実効値が６Ａ未満になると、演算部２１はスイッチング素子Ｑ７のゲート電圧をハイレベルからローレベルに切り替え、スイッチング素子Ｑ７がターンオフする。その後、時刻ｔ５において使用者がトリガスイッチ７をオフすると、演算部２１はインバータ回路４７のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を全てオフし、モータ６の電流は０となる。

図４は、電動工具１の制御フローチャートである。使用者が電源コード９を交流電源５０に接続すると（Ｓ１）、演算部２１が起動し、演算部２１はスイッチング素子Ｑ７をオフにする（Ｓ２）。演算部２１は、その後トリガスイッチ７がオンされると（Ｓ３のYes）、インバータ回路４７のスイッチング制御により、モータ６を回転駆動する（Ｓ４）。演算部２１は、抵抗Ｒｓの両端の電圧により負荷、すなわちモータ６に流れる電流を監視し、負荷が閾値以上の場合（Ｓ５のYes）、スイッチング素子Ｑ７をターンオン又はオンに維持する（Ｓ６）。演算部２１は、負荷が閾値未満の場合（Ｓ５のNo）、スイッチング素子Ｑ７をターンオフ又はオフに維持する（Ｓ７）。演算部２１は、トリガスイッチ７がオフの場合（Ｓ３のNo）、モータ６を停止する（Ｓ８）、スイッチング素子Ｑ７をターンオフ又はオフに維持する（Ｓ９）。

図５は、比較例に係る電動工具の回路図である。図５に示す比較例の回路は、図２に示す実施の形態１の回路から、スイッチング素子Ｑ７及びチョークコイルＬ２を無くしたものである。図６は、比較例における無負荷状態でのモータ電流及びモータ回転数のグラフである。図５の構成では、チョークコイルＬ２による電流平滑作用が無いため、図６に示すように、無負荷状態でのモータ電流及びモータ回転数の脈動が共に大きくなっている。図７は、電動工具１における無負荷状態でのモータ電流及びモータ回転数のグラフである。図６及び図７の比較から明らかなように、本実施の形態では、チョークコイルＬ２による電流平滑作用が働くため、無負荷状態でのモータ電流及びモータ回転数の脈動が共に小さくなっている。無負荷時はモータ回転数（及び砥石８ａの回転数）が高いため、モータ回転数の脈動が大きいと、振動や騒音が大きくなって使い勝手が悪いが、本実施の形態ではそうした問題を好適に解決できる。

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) チョークコイルＬ２による電流平滑作用により、回転数が高く脈動による振動や騒音が問題となりやすい無負荷状態におけるモータ回転数（及び砥石８ａの回転数）の脈動を抑制でき、使い勝手が良い。

(2) 交流駆動の場合、無負荷時の高調波が問題とされるが、チョークコイルＬ２により高調波を抑制でき、系統側への悪影響を低減できる。

(3) 負荷が所定値以上の場合はスイッチング素子Ｑ７をオンしてチョークコイルＬ２に流れる電流を抑制するため、チョークコイルＬ２の許容電流を有負荷時のモータ電流（例えば１５Ａ）ほど大きくしなくて済み、製品サイズの大型化を抑制できる。

（実施の形態２）　図８は、本発明の実施の形態２に係る電動工具１Ａの回路図である。図８に示す実施の形態２の回路は、図２に示す実施の形態１のものと比較して、開閉手段がスイッチング素子Ｑ７からリレーＳＷに替わり、開閉手段とチョークコイルＬ２との並列接続の位置がダイオードブリッジ１５の前段（交流電源５０からダイオードブリッジ１５への電流入力経路）に替わった点で相違し、その他の点で一致する。演算部２１によるリレーＳＷのオンオフ制御は、実施の形態１におけるスイッチング素子Ｑ７のオンオフ制御と同様に行われる。本実施の形態の場合、ダイオードブリッジ１５の出力電流をチョークコイルＬ２によって平滑する作用は無いものの、その他の点（無負荷時の高調波抑制及び製品サイズの大型化抑制）においては実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

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。

実施の形態１において、開閉手段を、スイッチング素子Ｑ７に替えてリレーとしてもよい。実施の形態２において、開閉手段を、リレーＳＷに替えてトライアック等のスイッチング素子としてよい。「直流」は、一定値であることに限定されず、電圧の正負と電流の方向が一定であれば脈動を含んでもよい。実施の形態では、電動工具としてグラインダを例示したが、本発明は、丸のこ等のグラインダ以外の電動工具にも有効である。

１…電動工具、２…モータハウジング、３…テールカバー、４…ギヤケース、５…減速機構、６…モータ、６ａ…出力軸、６ｂ…ロータ、６ｃ…ステータコア、６ｄ…ステータコイル、６ｅ…ロータマグネット、７…トリガスイッチ（操作スイッチ）、８…スピンドル、８ａ…砥石、９…電源コード、１０…フィルタ基板、１５…ダイオードブリッジ、２０…補助電源・制御基板、２１…演算部（制御部）、２２…ＩＰＤ回路、２６…レギュレータ、３０…ブリッジ・インバータ基板、４２…ホール素子（磁気センサ）、５０…交流電源

Claims

モータと、
交流電力を直流電力に変換して前記モータに供給する整流回路と、
前記整流回路の出力端子間に設けられたコンデンサと、
前記整流回路と前記モータとの間の電流経路に設けられたリアクトルと、
前記リアクトルと並列に設けられ、導通、遮断の切替えが可能な開閉手段と、を備えることを特徴とする、電動工具。
前記モータがブラシレスモータであり、
前記整流回路と前記モータとの間に設けられ、前記モータに駆動電流を供給するインバータ回路を備え、
前記リアクトル及び前記開閉手段が、前記整流回路と前記インバータ回路との間に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の電動工具。
前記開閉手段が、前記インバータ回路を構成するスイッチング素子と同種類のスイッチング素子であることを特徴とする、請求項２に記載の電動工具。
交流駆動の電動工具であって、
モータと、
前記モータの電流経路に設けられたリアクトルと、
前記リアクトルと並列に設けられ、導通、遮断の切替えが可能な開閉手段と、を備えることを特徴とする、電動工具。
前記モータに駆動電流を供給するためのスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のサージ電圧を吸収するためのコンデンサと、を備えることを特徴とする、請求項４に記載の電動工具。
前記開閉手段の導通、遮断を制御する制御部を備え、
前記制御部は、負荷が所定値未満のときは前記開閉手段を遮断とし、負荷が前記所定値以上のときは前記開閉手段を導通とすることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の電動工具。
前記開閉手段の導通、遮断を制御する制御部を備え、
前記制御部は、無負荷時には前記開閉手段を遮断とし、有負荷時には前記開閉手段を導通とすることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の電動工具。