CN102739124B - 单相串励换向器电动机的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单相串励换向器电动机的驱动装置，不用因散热对策而使装置大型化，就能够抑制制动时的发热。将驱动开关(12、14)从接点(a)切换到接点(b)，形成了从电枢(4)的一端经由二极管(D1)→FET(16)→电流检测用电阻器(R1)→励磁绕组(8、6)直至电枢(4)的另一端的制动电流路径时，通过控制电路(20)，使FET(16)导通、截止以使得经由电流检测用电阻器(R1)检测的制动电流达到规定电流。由此，驱动装置中，虽然在FET(16)的截止时形成用于将回流电流流过励磁绕组(8、6)的回流路径，但是该回流路径仅由二极管(D2)构成，而不设置用于回流电流消耗的电阻器。该结果，没有该电阻器的发热，能够防止在制动时产生的温度上升。

Description

单相串励换向器电动机的驱动装置

技术领域

本发明涉及单相串励换向器电动机的驱动装置。

背景技术

(单相串励换向器电动机的概要)

单相串励换向器电动机在直流、交流这两电源中都能够旋转驱动，并且被称为交直流两用电动机。由于能够高速旋转，并且电源频率的影响很微少，能够以低价进行制作，因此被更好地利用于使用交流电源的电动工具。

而且单相串励换向器电动机串联地连接有电枢绕组和励磁绕组，若在此连接电源则产生转矩，从而进行旋转驱动。

给单相串励换向器电动机赋予特征的构造是只要没有电枢绕组和励磁绕组的连接变更，就无论交流电源、直流电源的极性如何，产生转矩总是被固定为单向。

在想要切换产生转矩的方向的情况下，通过使电枢绕组或励磁绕组中的某一个的连接方向变为相反而被实现。

在存在切换单相串励换向器电动机的产生转矩的方向的用途时，为了在励磁绕组两端切换连接方向而能够通过使用单极双掷开关来实现。

(对于制动器制动)

作为切换产生转矩的方向的用途，在想要使单相串励换向器电动机尽快停止时所需的制动器制动为其一例。

从基于某一方向的转矩的通常使用，通过在停止时产生相反方向的转矩而实现制动器制动。

通常处于在以串联的方式连接的电枢绕组和励磁绕组连接有电源的状态，通过将电枢绕组或励磁绕组中的某一个的连接方向设为相反而在串联连接的绕组形成短路以及形成经由电阻的电流环路从而产生与通常相反朝向的转矩，并进行制动器制动。

(基于电阻、短路的制动器制动的问题点)

当这样的进行制动器制动时，进行制动器制动的期间与电动机的转数相应的制动器电流在所形成的环路内流动，在制动器制动开始时会流动过大的电流。位于电流环路内的马达的换向器因该过大电流会导致恶化。

(制动器电流、定电流控制的实例)

于是，为了防止这样的问题，提出有如下方案：在电动机制动时检测在由电枢和励磁绕组形成的制动电流路径流动的制动电流，若制动电流达到一定的上限，则切断该制动电流路径，将励磁绕组的两端经由电流消耗用的电阻器进行连接(例如，参照专利文献1等)。

换句话说，在该提案的装置，若制动电流达到一定的上限，则将励磁绕组的两端经由电流消耗用的电阻器进行连接，由此回流电流经由电阻器流过励磁绕组，而使励磁绕组所积蓄的能量经由电阻器而释放出。

而且，在上述提案的装置中，若经由电阻器在励磁绕组流动的回流电流降低，则再次形成由电枢和励磁绕组构成的制动电流路径。

因此，根据上述提案的装置，在制动器制动时，通过将制动电流抑制在上限值以下，并且使电动机产生制动转矩，能够使电动机停止。

专利文献1：日本专利2735771号公报

然而，在上述提案的装置中，由于若制动电流达到一定的上限，则将励磁绕组的两端与电流消耗用的电阻器连接，所以存在因在该电阻器流动的电流而导致电阻器自身发热这样的问题。

由此，为了使上述提案的装置实用化，必须如下述那样实施用于使电阻器产生的热进行散热的散热对策，例如，在电阻器设置散热用的散热片，或者使用散热特性好的大型的电阻器，由此存在导致电动机以及使用该电动机构成的电动工具的大型化这样的问题。

发明内容

本发明是鉴于这样的问题而提出的，其目的在于在单相串励换向器电动机的驱动装置中，不用因散热对策而使装置大型化，就能够抑制制动时的发热。

根据为了实现这样的目的而做出的技术方案1所记载的单相串励换向器电动机的驱动装置，在驱动开关被切换到驱动位置时，将励磁绕组和电枢串联连接在外部电源，电动机向规定的一个方向进行旋转。

而且，由于经由第l二极管将电容器并列连接在电枢，所以电动机进行旋转时，经由第l二极管向电容器施加直流电压，通过该施加电压在电容器中积蓄电荷。

接下来，电动机处于旋转状态时，若驱动开关被切换到制动位置，则励磁绕组沿与电动机的旋转驱动时相反的方向连接在电枢，通过电枢和励磁绕组形成制动电流路径。

该制动电流路径上，从电枢的一端侧起按顺序设置有上述的第1二极管、开关元件以及电流检测单元。而且，开关元件被电流控制单元控制以使得由电流检测单元检测的制动电流达到规定电流。

由此，若将驱动开关从驱动位置切换到制动位置，则开关元件变为接通状态，电容器所积蓄的电荷以开关元件→电流检测单元→励磁绕组→电容器的路径进行放电。

此时，由于电动机进行旋转，所以在电枢产生电动势，制动电流在制动电流路径开始流动。另外，若制动电流这样地流动，则在电动机(换而言之电枢)产生与旋转方向相反方向的转矩(制动转矩)，电动机的转速降低。在该状态下，电动机作为发电机发挥作用，由此制动电流上升。

并且，若制动电流进一步上升超过规定电流，则电流控制单元为了抑制制动电流的上升，将开关元件切换为断开状态，切断从电枢到励磁绕组的制动电流路径。

另一方面，本发明的驱动装置中，设有直接连接开关元件和电流检测单元之间的制动电流路径、与电枢的另一端的第2二极管。

由此，若如上述那样开关元件被切换为断开状态，切断从电枢到励磁绕组的制动电流路径，则制动电流经由第2二极管继续流动在励磁绕组。

该制动电流是在由励磁绕组和第2二极管构成的闭环路中流动的回流电流，因励磁绕组的电阻的量、设置在该闭合环路的电流检测单元的电阻的量而减少。而且，若该制动电流(回流电流)低于规定电流，则通过电流控制单元，开关元件被切换为接通状态。

此外，这样将开关元件切换为接通状态后，以与上述同样的顺序切换开关元件的接通、断开状态，直到电动机的旋转停止为止。

而且，如上述那样将开关元件控制为断开状态，制动电流(回流电流)经由第2二极管流过励磁绕组时，也在电动机产生制动转矩，从而其转速降低。

并且，在本发明中，通过第2二极管构成在开关元件为断开状态时制动电流(回流电流)继续流过励磁绕组的回流路径，没有如现有技术那样在该回流路径中设置电阻器。

因此，根据本发明的驱动装置，与现有技术相比，虽然从驱动开关被切换到制动位置之后到电动机的旋转停止为止的时间稍变长，但制动电流(回流电流)不流过电阻器，因此无需进行用于防止电阻器的发热的散热对策，能够实现驱动装置(以及，将单相串励换向器电动机作为动力源的电动工具)的小型化。

此外，在本发明中，由第2二极管构成励磁绕组的回流路径，这是为了抑制因回流电流流过励磁绕组的路径的电阻成分产生的发热。

由此，例如，可以在该回流路径上也设置有开关元件，将通常的制动电流路径和回流路径的切换用2个开关元件进行，或者，也可以使用能够切换电流路径的开关元件，选择性的切换制动电流路径和回流路径中的任意一个。

换句话说，如果是开关元件等、能够以低损失形成回流路径的元件，则也可以与第2二极管一起设置在励磁绕组的回流路径。

另外，电流检测单元在驱动开关为断开状态时能够检测在包含上述回流路径的制动电流路径中流动的制动电流的大小，并将其检测结果向电流控制单元输出即可。

由此，电流检测单元构成为在其制动电流路径设置电流检测用的电阻器，并将其两端电压作为制动电流的检测结果向电流控制单元输出即可。

而且，此时，由于电流检测用电阻器只要能够检测制动电流即可，所以能够减小电阻值，抑制因制动电流流动而产生的发热，但由于无法除掉其发热，所以在因该发热而产生不良影响的情况下，使用利用电磁感应等以非接触的方式能够检测电流的电流传感器构成电流检测单元即可。

接下来，电流控制单元如技术方案2所述那样，可以被构成为：在开关元件为接通状态时，若制动电流大于第一阈值，则开关元件被切换为断开状态，在开关元件为断开状态时，若制动电流低于比第一阈值还低的第二阈值，则开关元件被切换为接通状态。

换句话说，如果这样，对开关元件被切换为断开状态时的电流值(第一阈值)和将开关元件切换到导通状态时的电流值(第二阈值)设置磁滞，则能够防止产生开关元件在一个阈值附近被接通断开的所谓振荡。

附图说明

图1是表示实施方式的单相串励换向器电动机的驱动装置整体的构成的电路图。

图2是表示通过控制电路执行的制动电流控制处理的流程图。

图3是表示通过制动电流控制处理切换的制动电流路径的说明图。

图4是表示测定了在制动时产生的损失以及停止时间的测定结果的说明图。

附图标记说明：

2...马达，4...电枢，6、8励磁绕组，10...交流电源，12、14...驱动开关，16...FET，18...电流检测电路，20...控制电路，C1...电容器，Dl、D2...二极管，R1...电流检测用电阻器。

具体实施方式

以下，将本发明的实施方式与附图一同进行说明。

如图l所示，本实施方式的驱动装置是用于从外部的交流电源10接受电源供给来驱动由单相串励换向器电动机构成的马达2的装置，具有在与构成马达2的一对励磁绕组(所谓的磁场线圈(fieldcoil))6、8彼此的连接点相反的一侧(换句话说励磁绕组6、8的两端)分别设置的一对驱动开关12、14。

本实施方式的马达2被用作电动工具(例如电动螺丝刀等)的动力源，上述各驱动开关12、14与电动工具的操作开关连动，在操作开关未***作时，切换到在图1用黑圆点表示的接点b侧，如操作操作开关，则切换到图1白圆点所示的接点a侧。

并且，在驱动开关12、14被切换到接点a侧(以下，称为驱动位置)时，励磁绕组6经由驱动开关12与交流电源10连接，励磁绕组8经由驱动开关14与电枢4连接。此外，电枢4是所谓的转子，在本实施方式中设为包含换向器。

其结果，在驱动开关12，14被切换到接点a侧(以下，称为驱动位置)时，形成由交流电源10、电枢4、励磁绕组8、6构成的马达2的驱动电流路径，驱动电流流过电枢4(详细来说换向器和电枢绕组)以及励磁绕组8、6，马达2单向地进行旋转。

另一方面，若停止电动工具的操作开关的操作，并且驱动开关12、14被切换到接点b侧(以下，称为制动位置)，则励磁绕组6、8沿与马达2的驱动时相反的方向连接在电枢4上。

换句话说，在与交流电源10连接的电枢4的一端侧，经由驱动开关14连接着励磁绕组8，在驱动马达2时连接励磁绕组的电枢4的另一端侧，经由驱动开关12连接着励磁绕组6。

另外，在连接电枢4的一端侧和驱动开关14的接点b的路径上，从电枢4的一端侧起按顺序设置有：从电枢4向驱动开关14侧流过电流的二极管D1、用于对该电流路径进行导通、截止的FET16和用于检测流过该电流路径的电流的电流检测用电阻器R1。

而且，二极管D1和FET16之间的电流路径经由电荷积蓄用的电容器C1而与电枢4的另一端连接，电枢4的另一端经由二极管D2而连接在FET16和电流检测用电阻器R1之间的电流路径。

此外，二极管D2的正极与电枢4的另一端(换而言之驱动开关12的接点b)直接连接，负极直接连接在FET16和电流检测用电阻器R1之间的电流路径。

而且，在二极管D1和FET16之间的电流路径、与二极管D2和FET16以及电流检测用电阻器R1之间的电流路径之间，连接着从上述各电流路径接受电源供给、用于驱动控制FET16的控制电路20。

而且，该控制电路20连接有根据电流检测用电阻器R1的两端电压检测电流并将检测信号向控制电路20输出的电流检测电路18。

该控制电路20是在驱动开关12、14位于接点b侧的制动位置时，执行经由电流检测电路18检测流过励磁绕组6、8的电流(制动电流)，并切换FET16的导通、截止(ON-OFF)状态以使得该电流值达到所希望的电流值的制动电流控制处理(参照图2)的电路，并且该控制电路20由微型计算机、未使用微型计算机的磁滞电路等构成。

以下，按照通过该控制电路20执行的制动电流控制处理(图2)，说明在马达2的旋转驱动时将驱动开关12、14切换到制动位置之后，到马达2的旋转停止为止的驱动装置的动作。

首先，在驱动开关12、14位于驱动位置、马达2被旋转驱动时，经由二极管D1将电容器C1并联连接在电枢4上，因此对电容器C1施加直流电压，在电容器C1中积蓄电荷。

接下来，在马达2被旋转驱动时，若将驱动开关12，14切换到制动位置，则控制电路20从电容器C1接受电源供给而进行动作，执行图2所示的制动电流控制处理。

并且，在该制动电流控制处理中，首先，通过S110(S表示步骤)，生成FET16的驱动电压执行使FET16导通的准备处理，通过接着的S120，对FET16的栅极施加驱动电压，由此使FET16导通。

于是，形成有从电容器C1经由FET16→电流检测用电阻器R1→励磁绕组8→励磁绕组6而直至电容器C1的电流路径，电容器C1中积蓄的电荷被放电。

然后，此时，马达2正在旋转，由此在电枢4产生电动势，在从电枢4经由二极管D1→FET16→电流检测用电阻器R1→励磁绕组8→励磁绕组6而直至电枢4的、图3(a)所示的制动电流路径中制动电流开始流动。

而且，若这样制动电流流动，则在马达2(换而言之电枢4)产生与旋转方向相反方向的转矩(制动转矩)，马达2的旋转速度降低。在该状态中，马达2作为发电机发挥作用，因此制动电流上升。

若该制动电流过度上升，则产生换向器的恶化等上述的不良情况，因此在制动电流控制处理中，通过S120使FET16导通后，移至S130，经由电流检测电路18，检测流过励磁绕组6、8的制动电流(所谓的场电流)If。

然后，在接着的S140中，判断通过S130检测到的制动电流If是否超过了预先设定的第一阈值If1，如果制动电流If没有超过第一阈值If1(If≤If1)，就移到S120，再次执行上述S120、S130的处理。

另一方面，如果制动电流If超过第一阈值If1(If＞If1)，则移至S150，停止对FET16的栅极施加驱动电压，由此使FET16截止。

于是，将从电枢4经由二极管D1以及FET16直至电流检测用电阻器R1的制动电流路径切断，形成从励磁绕组6经由二极管D2以及电流检测用电阻器R1直至励磁绕组8的、图3(b)所示的电流路径(回流路径)。

通过励磁绕组6、8所积蓄的能量，制动电流继续流动在该回流路径，但该制动电流由于是回流电流，所以因励磁绕组6、8的电阻的量和电流检测用电阻器R1的电阻的量而减少。

由此，在制动电流控制处理中，在S150使FET16截止后，移至S160，经由电流检测电路18，检测流过励磁绕组6、8的制动电流If。

然后，在接着的S170中，判断通过S160检测到的制动电流If是否低于预先设定的第二阈值If2(其中，If2＜If1)，如果制动电流1f不低于第二阈值If2(If≥If2)，则移至S150，再次执行上述S150、S160的处理。

另外，如果制动电流If低于第二阈值If2(If＜If2)，则移至S120，再次执行S120以下的处理。

并且，上述制动电流控制处理被反复执行，直到马达2的旋转充分地降低，通过电枢4的发电电力控制电路20不再动作。

此外，如上述那样FET16被切换到截止状态，回流电流经由二极管D2在励磁绕组6、8流动时，也在马达2产生制动转矩，其旋转速度降低。

换句话说，如果回流电流在励磁绕组6、8中流动时，马达2进行旋转，则在电枢4产生电动势。此时在马达2内部的电枢绕组被换向器短路的部分，流过短路电流，因该短路电流产生铜损。此外，对于该铜损，马达2的转数越低，其损失的比例越多。

而且，马达2进行旋转时，通过在励磁绕组6、8中流动的回流电流而产生的磁通量也发生变化，因此在励磁绕组6、8的铁心内产生涡流损失、磁滞损耗。此外，对于该损失，马达2的转数越高，其损失的比例越多。

因此，回流电流在励磁绕组6、8中流动时，也因上述铜损、涡流损失、磁滞损耗等，在马达2中产生制动力，马达2的转速降低。

如以上说明的那样，在本实施方式的马达2的驱动装置中，仅由二极管D2构成在FET16为截止状态时励磁绕组6、8中持续流过制动电流(回流电流)的回流路径，从而如现有的技术那样，在该回流路径不设置电流消耗用的电阻器。

因此，根据本实施方式的马达2的驱动装置，与现有技术相比，虽然从驱动开关12、14被切换到制动位置之后到马达2的旋转停止为止的时间多少变长，但由于在电流消耗用的电阻器中不流过制动电流(回流电流)，因此无需进行用于防止该电阻器的发热的散热对策，能够实现驱动装置乃至以马达2作为动力源的电动工具的小型化。

换句话说，在上述的现有技术中，使回流电流迅速地降低，通过控制电路20将FET16在更短时间内切换为导通状态，由此如图4(a)所例示的那样，在由二极管D2形成的回流路径上，设置有积极地消耗马达2的旋转能量的电阻值较大的电阻器Ra。

但是，在本实施方式中，通过仅由二极管D2构成回流路径，使电阻器Ra的电阻值为“0”，因此能够防止电阻器Ra的发热，能够实现装置的小型化。

此外，图4(b)是表示在使图4(a)所示的回流路径上的电阻器Ra的电阻值为5Ω、0Ω，将驱动开关12、14从驱动位置切换到制动位置，控制FET16以使得控制电路20经由电流检测用电阻器R1检测的制动电流If成为5A时，测定到马达2停止为止的停止时间、和在电阻器Ra、除电阻器Ra以外的电路以及驱动装置整体产生的电力损失而得的测定结果。

根据该测定结果可知，在如本实施方式那样使电阻器Ra的电阻值为0Ω(换句话说没有电阻器Ra)的情况下，与如以往那样例如设置有电阻值5Ω的电阻器Ra的情况相比，没有在电阻器Ra产生的电力损失，因此能够减少在驱动装置整体产生的电力损失，并能够减少发热量。

而且，在本实施方式中，虽然无法通过电阻器Ra消耗励磁绕组6、8所积蓄的能量，但是通过上述的铜损、涡流损失、磁滞损耗等，能够消耗能量，因此马达2的停止所需的时间(停止时间)仅从2.2秒变化到2.6秒。

由此，根据本实施方式，马达2的停止时间与以往相比不会显著变长，能够得到实用上没有问题的制动性能。

而且接下来，在本实施方式中，作为控制电路20切换FET16的导通、截止状态所使用的制动电流的阈值，设定有第l阈值If1和比第一阈值If1小的第二阈值If2这2个阈值。

而且，在FET16为导通状态，制动电流If增加时，若制动电流If超过了第一阈值If1，则将FET16切换为截止状态，在FET16为截止状态，制动电流If减少时，若制动电流If低于第二阈值If2，则将FET16切换为导通状态。

由此，根据本实施方式，如使制动电流If的阈值为l个的情况那样，在制动电流If为阈值附近时，能够防止产生FET16反复进行导通截止的振荡。

在此，在本实施方式中，二极管D1相当于本发明的第l二极管，二极管D2相当于本发明的第2二极管，FET16相当于本发明的开关元件，电流检测用电阻器R1以及电流检测电路18相当于本发明的电流检测单元，控制电路20相当于本发明的电流控制单元。

以上，针对本发明的一实施方式进行说明，但本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够得到各种方式。

例如，在上述实施方式中，FET16为截止状态时，形成针对励磁绕组6、8的回流路径是作为仅由二极管D2构成的例子进行说明，但例如，也可以对该二极管D2设置用于切换是否形成回流路径的开关元件(FET等)。

换句话说，此时，如果使开关元件为开状态，则回流路径的电阻量能够为与仅由二极管D2形成的情况大致同等，因此能够得到与上述实施方式同样的效果。

而且，例如，上述实施方式中，说明了在制动电流路径和回流路径的共用路径上，设置有用于检测在励磁绕组6、8中流动的制动电流(回流电流)的电流检测用电阻器R1的例子，也可以取代该电流检测用电阻器Rl，而设置能够以非接触的方式检测流过该路径的制动电流(回流电流)的电流传感器。

而且如果这样一来，还能够防止因电流检测用电阻器R1中的消耗电力导致的发热，因此能够更良好地防止驱动装置的温度上升。

而且，在上述实施方式中，作为用于电流控制的开关元件，说明使用FET16的例子，但该开关元件只要是能够导通和切断电流路径的元件即可，也可以使用双极型晶体管等其他半导体元件。

Claims (2)

1.一种单相串励换向器电动机的驱动装置，其特征在于，具备驱动开关，该驱动开关分别设置在电动机的励磁绕组的两端，并且能够在将该励磁绕组和上述电动机的电枢与外部电源串联连接来使上述电动机旋转的驱动位置、和将上述励磁绕组与上述电枢在与上述电动机旋转驱动时的方向相反的方向连接来使上述电动机制动的制动位置之间进行切换，

在上述驱动开关位于上述制动位置时由上述电枢和上述励磁绕组形成的制动电流路径上，从上述电枢的一端侧起依次设置有：

第1二极管，其使制动电流单向地流过该制动电流路径；

开关元件，其对该制动电流路径进行导通或切断；和

电流检测单元，其对在该制动电流路径中流动的制动电流进行检测，该电流检测单元包含电流检测用电阻器和电流检测电路，

该单相串励换向器电动机的驱动装置还具有：

用于积蓄电荷的电容器，其设置在上述第1二极管和上述开关元件之间的制动电流路径与上述电枢的另一端之间；

第2二极管，其通过使上述开关元件和上述电流检测单元之间的制动电流路径与上述电枢的另一端直接连接，从而在上述开关元件为断开状态时使上述制动电流继续流过上述励磁绕组，形成从所述励磁绕组经由所述第2二极管以及所述电流检测单元直至所述励磁绕组的回流路径；和

电流控制单元，其在上述驱动开关位于上述制动位置时，切换上述开关元件的接通、断开状态，使得由上述电流检测单元检测的制动电流达到规定电流。

2.根据权利要求1所述的单相串励换向器电动机的驱动装置，其特征在于，

在上述开关元件为接通状态时，若上述制动电流大于第一阈值，则上述电流控制单元将上述开关元件切换为断开状态，在上述开关元件为断开状态时，若上述制动电流比低于上述第一阈值的第二阈值还低，则上述电流控制单元将上述开关元件切换为接通状态。