WO2018230309A1

WO2018230309A1 - 電動工具

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Publication number: WO2018230309A1
Application number: PCT/JP2018/020163
Authority: WO
Inventors: 谷本　英之
Original assignee: 工機ホールディングス株式会社
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2018-12-20
Also published as: JPWO2018230309A1

Abstract

運転電流のピーク値を抑制することの可能な電動工具を提供する。モータ６０を駆動源とする電動工具であって、モータ６０は、複数の磁石挿入穴６２ａを有するロータコア６２と、複数の磁石挿入穴６２ａに挿入保持された複数の永久磁石６３と、ロータコア６２の外周を囲むステータコア６５及びステータコイル６６と、を備える。ロータコア６２は、軸周り方向において隣り合う磁石挿入穴６２ａとなる位置に、外周面が径方向内側に凹んだ凹部６２ｃを有し、かつ、磁石挿入穴６２ａに連通し磁石挿入穴６２ａからモータ６０の径方向外側に凸となる空間を形成するスリット６２ｂを有する。

Description

電動工具

本発明は、ブラシレスモータを駆動源とする電動工具に関する。

下記特許文献１は、ブラシレスモータを駆動源とする交流駆動の卓上切断機に関し、断面円形に形成したロータコアに複数の平板状の磁石を挿入したロータ構造を開示する。

特開２０１６－２０９９３９号公報

特許文献１に開示されたロータ構造では、ロータの回転に伴うステータコイル内側の磁束変化が急激となり、運転電流の実効値に対してピーク値が大きくなる。このため、ステータコイルに通電するためのスイッチング素子には、大きなピーク電流も許容できる耐久性の高い高価なスイッチング素子を使用しなければならない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、運転電流のピーク値を抑制することの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、ブラシレスモータを駆動源とする電動工具であって、
前記ブラシレスモータは、
複数の磁石挿入穴を有するロータコアと、
前記複数の磁石挿入穴に挿入保持された複数の永久磁石と、
前記ロータコアの外周を囲むステータと、を備え、
前記ロータコアは、軸周り方向において隣り合う磁石挿入穴間となる位置に、外周面が径方向内側に凹んだ凹部を有し、かつ、前記磁石挿入穴に連通し前記磁石挿入穴から前記ブラシレスモータの径方向外側に凸となる空間を形成するスリットを有する。

前記スリットは、前記磁石挿入穴の幅方向略中央に設けられてもよい。

軸周り方向において隣り合う磁石挿入穴間となる位置の各々に前記凹部が設けられ、各々の磁石挿入穴に対して前記スリットが設けられてもよい。

前記ロータコアが前記凹部及び前記スリットを有することにより、前記ロータコアが前記凹部及び前記スリットを有さない場合と比較して、前記ブラシレスモータの駆動電流のピーク値が小さくてもよい。

本発明のもう１つの態様は、ブラシレスモータを駆動源とする電動工具であって、
前記ブラシレスモータは、
複数の磁石挿入穴を有するロータコアと、
前記複数の磁石挿入穴に挿入保持された複数の永久磁石と、
前記ロータコアの外周を囲むステータと、を備え、
前記ロータコアは、軸周り方向において隣り合う磁石挿入穴間となる位置に、外周面が径方向内側に凹んだ凹部を有し、
各々の磁石挿入穴及び永久磁石は、前記ブラシレスモータの回転軸と垂直な断面が、前記ブラシレスモータの径方向外側に湾曲した形状である。

前記電動工具は、外部の交流電源からの供給電力で動作してもよい。

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、運転電流のピーク値を抑制することの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に係る電動工具１の正断面図。図１からモータ６０及びその近傍を抜き出した拡大図。電動工具１の側断面図。モータ６０を出力軸６１と垂直な平面で切断した断面図。比較例１における、ロータの回転に伴う磁束変化を示す説明図。比較例２における、ロータの回転に伴う磁束変化を示す説明図。実施の形態における、ロータの回転に伴う磁束変化を示す説明図。比較例３における、ロータの回転に伴う磁束変化を示す説明図。図５に示す比較例１の構成における、１つのティース部６５ｂの磁束量の時間変化の概略を示すグラフ。図７に示す実施の形態の構成における、１つのティース部６５ｂの磁束量の時間変化の概略を示すグラフ。電動工具１の回路図。図１１における交流電源５０からの入力電圧の波形図。図１１におけるダイオードブリッジ５２の出力電圧の波形図。比較例１におけるモータ駆動電流の概略波形図。実施の形態におけるモータ駆動電流の波形図。図４に示す構成に対してロータコア６２のスリット６２ｂを１つの磁石挿入穴６２ａに対して３つとした実施の形態におけるモータの断面図。図４に示す構成に対して、ロータコア６２のスリット６２ｂを無くして磁石挿入穴６２ａ及び永久磁石６３をモータの径方向外側に湾曲させた実施の形態におけるモータの断面図。

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係る電動工具１の正断面図である。図２は、図１からモータ６０及びその近傍を抜き出した拡大図である。図３は、電動工具１の側断面図である。図４は、モータ６０を出力軸６１と垂直な平面で切断した断面図である。図１及び図３において、外部の交流電源に接続するための電源コードの図示は省略している。電動工具１は、携帯用切断機（丸鋸）であり、本体１０及びベース３０を備える。本体１０は、ベース３０に対して、周知の傾動支持機構及び揺動支持機構により、左右方向又は左右の一方向に傾動可能かつ上下方向に揺動可能に連結される。

本体１０は、モータハウジング１１、ハンドルハウジング１２及びギヤカバー１３により外殻が形成される。モータハウジング１１は、例えば樹脂成形体であり、モータ６０を内部に収容する。ハンドルハウジング１２は、例えば樹脂成形体であり、ネジ止め等によりモータハウジング１１と相互に固定される。ハンドルハウジング１２内の、モータ６０の後方となる位置に、図１１に示す制御部４０及びインバータ回路４７等を搭載した回路基板１７が設けられる。ハンドルハウジング１２には、使用者がモータ６０の駆動、停止を切り替えるためのトリガ１２ａが設けられる。

ギヤカバー１３は、例えばアルミ等の金属製であり、ネジ止め等によりモータハウジング１１及びハンドルハウジング１２と相互に固定される。ギヤカバー１３は、モータ６０の回転を減速して鋸刃１６に伝達する減速機構１４を覆うと共に、鋸刃１６の上半分を覆う。保護カバー１５は、例えば樹脂成形体であり、鋸刃１６の下半分を開閉可能に覆う。鋸刃１６は、円板状の回転刃であり、モータ６０によって回転駆動される。鋸刃１６は、ベース３０の図示しない貫通穴を通ってベース３０の下面から下方に突出する。ベース３０は、例えばアルミ等の金属製の略長方形の板材である。ベース３０の長手方向は切断進行方向と一致する。ベース３０の底面は、被削材との摺動面である。

モータ６０は、インナーロータ型のブラシレスモータであり、ロータコア６２、複数の（ここでは４つの）永久磁石６３、ステータコア６５、及びステータコイル６６を含む。ロータコア６２は、出力軸（回転軸）６１の周囲に設けられて出力軸６１と一体に回転可能である。ロータコア６２は、断面長方形の複数の（ここでは４つの）磁石挿入穴６２ａを有する。各々の磁石挿入穴６２ａに、平板状の永久磁石６３がそれぞれ挿入保持される。

ロータコア６２は、各々の磁石挿入穴６２ａに対して１つずつ、合計４つのスリット６２ｂを有する。各スリット６２ｂは、磁石挿入穴６２ａに連通し、磁石挿入穴６２ａからモータ６０の径方向外側に凸となる空間を形成する。各スリット６２ｂは、好ましくは磁石挿入穴６２ａの幅方向略中央に設けられる。ロータコア６２は、軸周り方向において隣り合う磁石挿入穴６２ａ間となる位置の各々に、外周面が径方向内側に凹んだ凹部６２ｃを有する。凹部６２ｃは、ここでは断面略Ｖ字状に凹む。出力軸６１を挟んで対向する凹部６２ｃの底面間距離Ｌｂは、隣り合う永久磁石６３の最も離間した角部同士の距離Ｌａよりも小さい。スリット６２ｂ及び凹部６２ｃは、後述のように、それらを設けない場合と比較してモータ６０の駆動電流のピーク値を抑制するように作用する。

ステータコア６５は、モータハウジング１１に支持されて、ロータコア６２の外周を囲む。ステータコア６５は、円環状のヨーク部６５ａと、ヨーク部６５ａから径方向内側に突出するティース部６５ｂと、を有する。ティース部６５ｂは、複数（ここでは６つ）設けられ、ヨーク部６５ａに等角度間隔で設けられる。各ティース部６５ｂに、ステータコイル６６が設けられる。

以下、図５～図８を参照し、ロータコア６２のスリット６２ｂ及び凹部６２ｃが磁束の流れに及ぼす作用を説明する。なお、図５～図８において、ステータコイル６６の図示は省略している。図５～図８に示す磁束の流れは、永久磁石６３によって発生する磁束の流れを示しており、ステータコイル６６に流れる電流によって発生する磁束は考慮していない。

図５は、比較例１における、ロータの回転に伴う磁束変化を示す説明図である。本比較例におけるモータは、図４に示すモータ６０と比較して、ロータコア６２がスリット６２ｂ及び凹部６２ｃを有さない。ティース部６５ｂの１つであるＡ部に注目すると、ロータ回転角度が０度の状態では、Ａ部に径方向外側に向かう漏れ磁束が流れている。そして、ロータ回転角度が３０度になると、Ａ部に径方向内側に向かう主磁束が流れる。このため、ロータ回転角度が０度から３０度になる過程でＡ部の磁束が径方向外側から径方向内側に急激に変化し、Ａ部に巻かれたステータコイル（図示省略）の誘起電圧が高くなり、当該ステータコイル及びインバータ回路４７に過大な電流が流れ、モータ駆動電流のピーク値が高くなる。ここでモータ駆動電流のピーク値とは、上記した磁束変化に伴って瞬間的にモータ６０に流れる電流の値である。

図６は、比較例２における、ロータの回転に伴う磁束変化を示す説明図である。本比較例におけるモータは、図４に示すモータ６０と比較して、ロータコア６２がスリット６２ｂを有さない。図５に示す比較例１との関係では、ロータコア６２に凹部６２ｃが追加されている。ティース部６５ｂの１つであるＢ部に注目すると、ロータ回転角度が０度の状態では、凹部６２ｃがあることで漏れ磁束が無くなり、図５の場合と比較してＢ部に流れる主磁束が大きくなっている。ロータ回転角度が３０度になってもＢ部には同様に大きな主磁束が流れ、ロータ回転角度が６０度になるとＢ部に流れる磁束が急激にゼロになる。このため、ロータ回転角度が３０度から６０度になる過程でＢ部の磁束が急激に変化し、Ｂ部に巻かれたステータコイル（図示省略）の誘起電圧が高くなり、当該ステータコイル及びインバータ回路４７に過大な電流が流れ、モータ駆動電流のピーク値が図５の構成と同様に高くなる。

図７は、実施の形態における、ロータの回転に伴う磁束変化を示す説明図である。ティース部６５ｂの１つであるＢ部に注目すると、ロータ回転角度が０度の状態において、図６の場合と比較して、スリット６２ｂがあることにより、Ｂ部に流れる主磁束が小さくなっている。これは、スリット６２ｂにより、Ｂ部と対向する永久磁石６３の磁極面のうちスリット６２ｂの図７中時計回り方向側の部分からＢ部に向かう磁束の流れが妨げられていることによる。ロータ回転角度が１５度になると、スリット６２ｂがＢ部の正面に来て、スリット６２ｂによる磁束の流れの阻害が無くなるため、Ｂ部に流れる主磁束は最大となる。ロータ回転角度が３０度になると、図６の場合と比較して、スリット６２ｂにより、Ｂ部と対向する永久磁石６３の磁極面のうちスリット６２ｂの図７中反時計回り方向側の部分からＢ部に向かう磁束の流れが妨げられ、Ｂ部に流れる主磁束が小さくなる。ロータ回転角度が６０度になると、Ｂ部に流れる磁束はゼロになる。図７に示す本実施の形態の構成によれば、図６に示す比較例２の構成と比較して、ロータ回転角度が３０度から６０度になる過程におけるＢ部の磁束変化が緩やかになり、Ｂ部に巻かれたステータコイル（図示省略）の誘起電圧が抑制され、当該ステータコイル及びインバータ回路４７に流れる電流が抑制され、モータ駆動電流のピーク値が抑制される。

図８は、比較例３における、ロータの回転に伴う磁束変化を示す説明図である。本比較例におけるモータは、図４及び図７に示すスリット６２ｂが、磁石挿入穴６２ａと連通しないスリット６２ｄに替わっている。ティース部６５ｂの１つであるＢ部に注目すると、ロータ回転角度が０度の状態では、図７の場合と比較して、スリット６２ｄと磁石挿入穴６２ａとの間からの磁束の流れ込みにより、Ｂ部に流れる主磁束が大きくなっている。スリット６２ｄと磁石挿入穴６２ａとの間の磁路は、スリット６２ｄとロータコア６２の外周面との間の磁路と比較して永久磁石６３に近いことから、僅かな幅の磁性体でも、Ｂ部と対向する永久磁石６３の磁極面のうちスリット６２ｄの図８中時計回り方向側の部分から多くの磁束が流れ込む。同様の理由により、ロータ回転角度が３０度の場合も、図７の場合と比較してＢ部に流れる主磁束が大きくなる。したがって、図７に示す実施の形態の構成と比較して、ロータ回転角度が３０度から６０度になる過程におけるＢ部の磁束変化が急になり、Ｂ部に巻かれたステータコイル（図示省略）の誘起電圧が高くなり、当該ステータコイル及びインバータ回路４７に流れる電流が大きくなり、モータ駆動電流のピーク値が大きくなる。

図９は、図５に示す比較例１の構成における、１つのティース部６５ｂの磁束量の時間変化の概略を示すグラフである。図１０は、図７に示す実施の形態の構成における、１つのティース部６５ｂの磁束量の時間変化の概略を示すグラフである。図９及び図１０の対比から明らかなように、本実施の形態では、比較例１と異なり、ティース部６５ｂにおける磁束の時間変化の傾きが緩やかであり、ステータコイル６６の誘起電圧が抑制され、モータ６０の駆動電流（電動工具１の運転電流）のピーク値が抑制される。

図１１は、電動工具１の回路図である。電動工具１の回路構成は、従来と同じでよいので、ここでは簡単な説明に留める。電動工具１は、交流駆動であり、外部の交流電源５１から供給される交流を直流に変換する整流回路としてのダイオードブリッジ５２を有する。ダイオードブリッジ５２の出力電圧は、インバータ回路４７に供給される。ダイオードブリッジ５２の出力電圧を平滑する平滑コンデンサは設けられない。インバータ回路４７は、３相ブリッジ接続されたＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を有する。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、制御信号出力回路４２からの駆動信号（例えばＰＷＭ制御信号）によってスイッチング動作し、ステータコイル６６のＵ，Ｖ，Ｗ相の各巻線に駆動電流を供給する。抵抗Ｒｓは、モータ６０の駆動電流を電圧に変換する。制御部４０は、マイクロコントローラ等の演算部４１を含む。モータ電流検出回路４３は、抵抗Ｒｓの電圧によりモータ６０の駆動電流を検出し、演算部４１に送信する。演算部４１は、モータ電流検出回路４３によって検出されたモータ６０の駆動電流が所定の閾値以上のときに過電流と判断しモータ６０の駆動を停止する、いわゆる過電流保護を働かせる。当然、モータ電流検出回路４３はモータ６０に流れるピーク電流が閾値を超えたときにもモータ６０の駆動を停止するので、ピーク電流は小さい方が好ましい。電圧検出回路４４は、ダイオードブリッジ５２の出力電圧を検出し、演算部４１に送信する。スイッチ操作検出回路４５は、使用者によるトリガ１２ａの操作を検出し、演算部４１に送信する。回転子位置検出回路４６は、磁気センサとしての３つのホールＩＣ４９（図２に示すセンサ基板７０に搭載）の出力信号により、モータ６０のロータ回転位置を検出し、演算部４１及びモータ回転数検出回路４８に送信する。モータ回転数検出回路４８は、回転子位置検出回路４６の出力信号によりモータ６０の回転数を検出し、演算部４１に送信する。制御信号出力回路４２は、演算部４１の制御に従い、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のゲート（制御端子）に駆動信号を印加する。

図１２は、図１１における交流電源５０からの入力電圧の波形図である。図１３は、図１１におけるダイオードブリッジ５２の出力電圧の波形図である。図１４は、比較例１におけるモータ駆動電流の概略波形図である。図１５は、実施の形態におけるモータ駆動電流の波形図である。図１４及び図１５の対比から明らかなように、本実施の形態におけるモータ駆動電流のピーク値は、比較例１のモータ駆動電流のピーク値の半分程度に抑制されている。

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) ロータコア６２が、磁石挿入穴６２ａに連通してモータ６０の径方向外側に凸となる空間を形成するスリット６２ｂを有し、かつ、軸周り方向において隣り合う磁石挿入穴６２ａ間となる位置の各々に外周面が径方向内側に凹んだ凹部６２ｃを有するため、ロータコア６２の回転に伴うティース部６５ｂの磁束変化が緩やかとなり、モータ駆動電流のピーク値が抑制される。このため、同じ実効値のモータ駆動電流であれば、モータ駆動電流のピーク値が大きい比較例１～３の構成と比較して、インバータ回路４７を構成するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６として耐久性の低い安価なものを使用でき、コスト面で有利である。一方、同じ耐久性のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を用いる場合、比較例１～３の構成と比較して、大きな実効値のモータ駆動電流を許容できるため、演算部４１による過電流保護の閾値を超えないようにモータ駆動電流のピーク値を抑制（減少）させつつ、パワーを向上させることができる。

(2) ロータコア６２の凹部６２ｃにより漏れ磁束が低減されるため、パワーを向上させることができる。

(3) スリット６２ｂは、永久磁石６３を磁石挿入穴６２ａ内に接着する際の接着性向上にも寄与するため、図５の比較例１のように接着性向上のために余分な空間（永久磁石６３が入らない空間）を設ける必要がなく、パワー面で有利である。

図１６は、図４に示す構成に対してロータコア６２のスリット６２ｂを１つの磁石挿入穴６２ａに対して３つとした実施の形態におけるモータの断面図である。図１６において、ステータコイルの図示は省略している。３つのスリット６２ｂは、共に磁石挿入穴６２ａから径方向外側に凸となる空間を形成する。本実施の形態の構成も、図４に示す構成と同様に、ティース部６５ｂの磁束変化を緩やかにでき、モータ駆動電流のピーク値を抑制できる。

図１７は、図４に示す構成に対して、ロータコア６２のスリット６２ｂを無くして磁石挿入穴６２ａ及び永久磁石６３をモータの径方向外側に湾曲させた実施の形態におけるモータの断面図である。図１７において、ステータコイルの図示は省略している。磁石挿入穴６２ａ及び永久磁石６３は、出力軸６１と垂直な断面がモータの径方向外側に湾曲しており、磁石挿入穴６２ａとロータコア６２の外周面との間の厚さが僅かとなっている。このため、永久磁石６３のうちティース部６５ｂと対面していない部分からティース部６５ｂに向かう磁束の流れが妨げられ、ティース部６５ｂの磁束変化を緩やかにでき、モータ駆動電流のピーク値を抑制できる。

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。

本発明の電動工具は、ＡＣ駆動に限定されず、電池パックの電力で動作するＤＣ駆動（コードレスタイプ）であってもよい。モータ駆動電流のピーク値は、実効値が同じであればＡＣ駆動のほうがＤＣ駆動よりも大きくなるため、ピーク値抑制の必要性はＡＣ駆動のほうが高いが、ＤＣ駆動においてもピーク値抑制による効果は得られる。本発明の電動工具は、携帯用切断機に限定されず、グラインダ等の他の種類のものであってもよい。

１…電動工具（携帯用切断機）、１０…本体、１１…モータハウジング、１２…ハンドルハウジング、１２ａ…トリガ、１３…ギヤカバー、１４…減速機構（回転伝達機構）、１５…保護カバー、１６…鋸刃、１７…回路基板、３０…ベース、６０…モータ（ブラシレスモータ）、６１…出力軸、６２…ロータコア、６２ａ…磁石挿入穴、６２ｂ…スリット、６２ｃ…凹部、６３…永久磁石、６５…ステータコア、６５ａ…ヨーク部、６５ｂ…ティース部、６６…ステータコイル、７０…センサ基板

Claims

ブラシレスモータを駆動源とする電動工具であって、
前記ブラシレスモータは、
複数の磁石挿入穴を有するロータコアと、
前記複数の磁石挿入穴に挿入保持された複数の永久磁石と、
前記ロータコアの外周を囲むステータと、を備え、
前記ロータコアは、軸周り方向において隣り合う磁石挿入穴間となる位置に、外周面が径方向内側に凹んだ凹部を有し、かつ、前記磁石挿入穴に連通し前記磁石挿入穴から前記ブラシレスモータの径方向外側に凸となる空間を形成するスリットを有する、電動工具。
前記スリットは、前記磁石挿入穴の幅方向略中央に設けられる、請求項１に記載の電動工具。
軸周り方向において隣り合う磁石挿入穴間となる位置の各々に前記凹部が設けられ、
各々の磁石挿入穴に対して前記スリットが設けられる、請求項１又は２に記載の電動工具。
前記ロータコアが前記凹部及び前記スリットを有することにより、前記ロータコアが前記凹部及び前記スリットを有さない場合と比較して、前記ブラシレスモータの駆動電流のピーク値が小さい、請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。
ブラシレスモータを駆動源とする電動工具であって、
前記ブラシレスモータは、
複数の磁石挿入穴を有するロータコアと、
前記複数の磁石挿入穴に挿入保持された複数の永久磁石と、
前記ロータコアの外周を囲むステータと、を備え、
前記ロータコアは、軸周り方向において隣り合う磁石挿入穴間となる位置に、外周面が径方向内側に凹んだ凹部を有し、
各々の磁石挿入穴及び永久磁石は、前記ブラシレスモータの回転軸と垂直な断面が、前記ブラシレスモータの径方向外側に湾曲した形状である、電動工具。
外部の交流電源からの供給電力で動作する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電動工具。