JP5879712B2

JP5879712B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP5879712B2
Application number: JP2011060932A
Authority: JP
Inventors: 和隆岩田
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: JP2012196725A

Description

本発明は電動工具に関する。

従来、交流電圧を整流する整流回路と、整流された交流電圧を直流電圧に平滑する平滑コンデンサと、スイッチング動作を行うことにより、平滑された直流電圧をブラシレスモータの複数の固定子巻線に順次出力するインバータ回路と、を備えた電動工具が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４４８７８３６号公報

しかしながら、上記したような従来の電動工具では、平滑コンデンサとして大容量のものを用いていたため、交流電力の力率が悪くなっていた。

また、力率を改善するために、電動工具に力率改善回路を備える構成も考えられるが、このような構成にすると、電動工具のサイズが大きくなったり、コストが増加してしまう。

そこで、本発明は、力率改善回路を備えずに力率を改善することのできる電動工具を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明は、複数の固定子巻線を有するステータと、前記ステータに対し回転可能なロータとを有し、前記ロータが回転すると前記ロータの回転数に応じた誘起起電圧が発生するブラシレスモータと、交流電圧を整流する整流回路と、前記整流された交流電圧を、リプルを含む電圧である脈動電圧とする平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの端子間電圧を前記固定子巻線に順次出力して通電される前記固定子巻線を順次切り替えるスイッチング動作を行うインバータ回路と、ユーザにより前記ブラシレスモータの駆動指示が入力される入力部と、前記インバータ回路を制御する制御部と、を備え、前記整流された交流電圧の変動に伴って前記平滑コンデンサの端子間電圧が前記回転数に応じた誘起起電圧よりも高い領域で変動して前記ブラシレスモータに電流が流れる第１の区間と、前記端子間電圧が前記回転数に応じた誘起起電圧と均衡して前記ブラシレスモータに電流が流れなくなる第２の区間と、が交互に生じるように、前記平滑コンデンサの容量は設定され、前記制御部は、前記入力部に前記駆動指示が入力されている間は、前記第１の区間及び前記第２の区間の両区間において前記インバータ回路が前記スイッチング動作を行うように前記インバータ回路を制御し、前記整流回路及び前記平滑コンデンサは、工具本体に設けられていることを特徴とする電動工具を提供している。このような構成によれば、平滑コンデンサとして小容量のものを用いることができるので、力率改善回路を備えずに交流電力の力率を改善することが可能となる。

上記課題を解決するために本発明はさらに、複数の固定子巻線を有するステータと、前記ステータに対し回転可能なロータとを有し、前記ロータが回転すると前記ロータの回転数に応じた誘起起電圧が発生するブラシレスモータと、交流電圧を整流する整流回路と、前記整流された交流電圧を、リプルを含む電圧である脈動電圧とする平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの端子間電圧を前記固定子巻線に順次出力して通電される前記固定子巻線を順次切り替えるスイッチング動作を行うインバータ回路と、ユーザにより前記ブラシレスモータの駆動指示が入力される入力部と、前記インバータ回路を制御する制御部と、を備え、前記整流された交流電圧の上昇下降に伴って前記平滑コンデンサの端子間電圧が前記回転数に応じた誘起起電圧よりも高い領域で上昇下降して前記ブラシレスモータに電流が流れる第１の区間と、前記端子間電圧が前記回転数に応じた誘起起電圧と均衡して前記ブラシレスモータに電流が流れなくなる第２の区間と、が交互に生じるように、前記平滑コンデンサの容量は設定され、前記制御部は、前記入力部に前記駆動指示が入力されている間は、前記第１の区間及び前記第２の区間の両区間において前記インバータ回路が前記スイッチング動作を行うように前記インバータ回路を制御し、前記整流回路及び前記平滑コンデンサは、工具本体に設けられていることを特徴とする電動工具を提供している。このような構成によれば、平滑コンデンサとして小容量のものを用いることができるので、力率改善回路を備えずに交流電力の力率を改善することが可能となる。

また、本発明の電動工具は、ユーザにより前記ブラシレスモータの駆動指示が入力される入力部と、前記入力部に駆動指示が入力されている間は、前記脈動電圧の大きさが前記誘起起電圧以下の区間であっても前記スイッチング動作を継続するよう前記インバータ回路を制御する制御部と、を更に備えたことが好ましい。

このような構成によれば、脈動電圧の大きさが誘起起電圧以下の区間でスイッチング動作が停止され、固定子巻線に蓄積されたエネルギーが平滑コンデンサに向けて逆流することが防止される。

また、前記制御部は、前記モータに流れる電流が過電流閾値を超えていた場合には、前記入力部に駆動指示が入力されている間であっても、前記スイッチング動作を停止させるよう前記インバータ回路を制御することが好ましい。

このような構成によれば、過電流が発生した場合にもモータに電流が流れ続けることが防止される。

また、本発明の別の観点によれば、複数の固定子巻線を有するステータと、前記ステータに対して回転可能なロータと、を有するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータにより駆動される先端工具と、を有し、前記固定子巻線に交流電源からの交流電圧を印加可能な電動工具であって、前記交流電圧が所定の電圧以下であっても、スイッチング動作を行うことにより前記交流電圧を前記固定子巻線に順次出力するインバータ回路を更に備えたことを特徴とする電動工具を提供している。

本発明の電動工具によれば、力率改善回路を備えずに力率を改善することが可能となる。

実施の形態による電動工具の回路図リプルを含んだ電圧波形について比較する図正常時に平滑コンデンサから出力される電圧及びモータに流れる電流について説明する図インバータ回路の動作に応じた電流経路について比較する図異常時に平滑コンデンサから出力される電圧及びモータに流れる電流について説明する図

以下、本発明の実施の形態による電動工具１について、図１〜図５を参照して説明する。

図１は、本実施の形態による電動工具１の回路図である。図１に示すように、電動工具１は、トリガスイッチ（入力部）３と、制御回路電圧供給回路４と、モータ５と、回転子位置検出素子６と、制御回路７と、インバータ回路８と、ノーマルモードフィルタ９と、整流回路１０と、平滑コンデンサ１１と、を備えており、トリガスイッチ３が操作されると、商用電源２から出力された交流電圧が整流回路１０及び平滑コンデンサ１１によって整流・平滑され、インバータ回路８を介してモータ５に供給されるものである。また、トリガスイッチ３が操作されると、制御回路電圧供給回路４により商用電源２からの交流電圧が降圧され、制御回路用駆動電圧として制御回路７に供給される。

モータ５は、３相のブラシレスＤＣモータであり、複数組（本実施の形態では２組）のＮ極とＳ極を含む永久磁石からなるロータ５Ａと、スター結線された３相の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなるステータ５Ｂと、を備えている。モータ５（ロータ５Ａ）は、電流が流れる固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗが順次切り替わることにより回転する。固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの切り替えについては後述する。

回転子位置検出素子６は、ロータ５Ａの永久磁石に対向する位置に、ロータ５Ａの周方向に所定の間隔毎（例えば角度６０°毎）に配置されており、回転子（ロータ６Ａ）の回転位置に応じた信号を出力する。

制御回路７は、モータ電流検出回路７１と、整流電圧検出回路７２と、制御回路電圧検出回路７３と、スイッチ操作検出回路７４と、印加電圧設定回路７５と、回転子位置検出回路７６と、モータ回転数検出回路７７と、演算部７８と、制御信号出力回路７９と、ＡＣ入力電圧検出回路８０と、を備えている。

ＡＣ入力電圧検出回路８０は、商用電源２から出力された交流電圧のピーク値を検出し、演算部７８に出力する。なお、本実施の形態では、実際のピーク値と十分に近似した値を検出することができるようなサンプリング期間で交流電圧を検出するものとする。

モータ電流検出回路７１は、モータ５に供給される電流を検出し、演算部７８に出力する。整流電圧検出回路７２は、整流回路１０及び平滑コンデンサ１１から出力された電圧を検出し、演算部７８に出力する。制御回路電圧検出回路７３は、制御回路電圧供給回路４から供給された制御回路用駆動電圧を検出し、演算部７８に出力する。スイッチ操作検出回路７４は、トリガスイッチ３の操作の有無を検出し、演算部７８に出力する。印加電圧設定回路７５は、トリガスイッチ３の操作量を検出し、演算部７８に出力する。

回転子位置検出回路７６は、回転子位置検出素子６からの信号に基づき回転子（ロータ６Ａ）の回転位置を検出し、モータ回転数検出回路７７及び演算部７８に出力する。モータ回転数検出回路７７は、回転子位置検出回路７６からの信号に基づき回転子（ロータ６Ａ）の回転数を検出し、演算部７８へ出力する。

演算部７８は、回転子位置検出回路７６とモータ回転数検出回路７７からの信号に基づき、切替信号Ｈ１−Ｈ６を生成し、制御信号出力回路７９に出力する。また、演算部７８は、印加電圧設定回路７５からの信号に基づき、切替信号Ｈ４−Ｈ６をパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）として調整し、制御信号出力回路７９に出力する。切替信号Ｈ１−Ｈ６は、制御信号出力回路７９を介してインバータ回路８に出力される。なお、切替信号Ｈ１−Ｈ３をＰＷＭ信号として調整する構成であってもよい。

インバータ回路８は、スイッチング素子Ｑ１−Ｑ６から構成されている。各スイッチング素子Ｑ１−Ｑ６のゲートは、制御信号出力回路７９に接続され、各スイッチング素子Ｑ１−Ｑ６のドレイン又はソースは、ステータ５Ｂの固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに接続されている。

各スイッチング素子Ｑ１−Ｑ６は、制御信号出力回路７９から入力される切替信号Ｈ１−Ｈ６に基づきスイッチング動作を行い、インバータ回路８に印加される電池パック２の直流電圧を３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに電力を供給する。

詳細には、スイッチング素子Ｑ１−Ｑ６には切替信号Ｈ１−Ｈ６がそれぞれ入力され、これにより、通電される固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗ、すなわち、ロータ５Ａの回転方向が制御される。また、その際、ＰＷＭ信号でもあるＨ４−Ｈ６によって、固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの電力供給量が制御される。

以上の構成により、電動工具１は、トリガスイッチ３の操作量に応じた駆動電圧をモータ５に供給することが可能となる。

ところで、従来の電動工具では、平滑コンデンサ１１として大容量のものを用いていたため、交流電力の力率が悪くなっていた。また、力率を改善するために、電動工具に力率改善回路を備える構成も考えられるが、このような構成にすると、電動工具のサイズが大きくなったり、コストが増加してしまう。

そこで、本実施の形態では、力率を改善するために、平滑コンデンサ１１として小容量のものを用いる。平滑コンデンサ１１として小容量のものを用いた場合には、整流回路１０から出力された交流電圧は完全には平滑されず、リプルを含む脈動電圧が平滑コンデンサ１１から出力されることとなる。本実施の形態では、特に、平滑コンデンサ１１として、整流回路１０から出力された交流電圧を、モータ５に発生する誘起起電圧よりも小さな最小値を有する脈動波形に平滑するような容量のものを用いる。

図２は、（ａ）リプルが１００％のときの電圧波形、（ｂ）リプルが５０％のときの電圧波形、及び、（ｃ）リプルが０％のときの電圧波形、示したものであり、リプルの割合は、平滑コンデンサ１１の容量が大きくなるに連れて減少する。従って、本実施の形態による平滑コンデンサ１１の容量は、このような関係と、モータ５に発生する誘起起電圧と、に基づき決定することができる。以降では、仮に、リプルが１００％の脈動電圧が平滑コンデンサ１１から出力された場合について説明を行う。

ところで、モータ５を駆動させるためには、モータ５に発生する誘起起電圧よりも大きな電圧がモータ５に供給される必要があるところ、モータ５に脈動電圧が供給された場合には、脈動電圧の大きさが誘起起電圧未満の区間Ｙ（図３）では、モータ５を駆動させることができない。すなわち、図４（ａ）に示すように、脈動電圧の大きさが誘起起電圧以上の区間Ｘでは、電流が電動工具１内を流れるが、図４（ｂ）に示すように、脈動電圧の大きさが誘起起電圧未満の区間Ｙでは、電流が電動工具１内を流れないこととなる。

しかしながら、モータ５は、区間Ｘで一旦駆動されたため、区間Ｙでも慣性により回転しており、区間Ｘで周期的に駆動されていれば回転を継続することが可能である。従って、本実施の形態による電動工具１では、平滑コンデンサ１１として、モータ５に発生する誘起起電圧よりも小さな最小値を有する脈動波形を出力可能な容量のものを用いることにより、力率改善回路を備えずに力率を改善することが可能となる。

ところで、脈動電圧の大きさが誘起起電圧未満の区間Ｙでは、省エネのためにインバータ回路８の動作を停止させるという制御も考えられる。

しかしながら、区間Ｙでインバータ回路８を停止させたとすると、インバータ回路８を停止させた直後の区間Ｚ（図５）では、モータ５の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに蓄積されたエネルギーが平滑コンデンサ１１に向けて逆流する（図４（ｃ））。その結果、平滑コンデンサ１１の電圧が急上昇し、コンデンサ１１の破損や品質の低下が防止される。

そこで、本実施の形態では、脈動電圧が誘起起電圧未満の電圧の区間Ｙでも、インバータ回路８の動作を停止させないように制御する。これにより、モータ５の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに蓄積されたエネルギーが平滑コンデンサ１１に向けて逆流して平滑コンデンサ１１の電圧が急上昇し、コンデンサ１１の破損や品質の低下が防止される。

尚、本発明の電動工具は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。

例えば、上記実施の形態では、脈動電圧の大きさが誘起起電圧未満の区間Ｙでもインバータ回路８の動作を停止させないように制御したが、モータ電流検出回路７１により検出された電流が過電流閾値を超えていた場合には、インバータ回路８を停止させるように制御してもよい。

また、上記実施の形態では、平滑コンデンサ１１を備えた状態でインバータ回路８の動作を停止させないようにしたが、他の構成においても本発明の効果を奏することができる。例えば、平滑コンデンサ１１を備えていない状態でインバータ回路８の動作を停止させなければ、モータ５の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに蓄積されたエネルギーが平滑コンデンサ１１に向けて逆流してコンデンサ１１の電圧が急上昇することが抑制することができる。

１電動工具
３トリガスイッチ
３モータ
７制御回路
８インバータ回路
１０整流回路
１１平滑コンデンサ
７８演算部

Claims

複数の固定子巻線を有するステータと、前記ステータに対し回転可能なロータとを有し、前記ロータが回転すると前記ロータの回転数に応じた誘起起電圧が発生するブラシレスモータと、
交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流された交流電圧を、リプルを含む電圧である脈動電圧とする平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの端子間電圧を前記固定子巻線に順次出力して通電される前記固定子巻線を順次切り替えるスイッチング動作を行うインバータ回路と、
ユーザにより前記ブラシレスモータの駆動指示が入力される入力部と、
前記インバータ回路を制御する制御部と、を備え、
前記整流された交流電圧の変動に伴って前記平滑コンデンサの端子間電圧が前記回転数に応じた誘起起電圧よりも高い領域で変動して前記ブラシレスモータに電流が流れる第１の区間と、前記端子間電圧が前記回転数に応じた誘起起電圧と均衡して前記ブラシレスモータに電流が流れなくなる第２の区間と、が交互に生じるように、前記平滑コンデンサの容量は設定され、
前記制御部は、前記入力部に前記駆動指示が入力されている間は、前記第１の区間及び前記第２の区間の両区間において前記インバータ回路が前記スイッチング動作を行うように前記インバータ回路を制御し、
前記整流回路及び前記平滑コンデンサは、工具本体に設けられていることを特徴とする電動工具。
複数の固定子巻線を有するステータと、前記ステータに対し回転可能なロータとを有し、前記ロータが回転すると前記ロータの回転数に応じた誘起起電圧が発生するブラシレスモータと、
交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流された交流電圧を、リプルを含む電圧である脈動電圧とする平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの端子間電圧を前記固定子巻線に順次出力して通電される前記固定子巻線を順次切り替えるスイッチング動作を行うインバータ回路と、
ユーザにより前記ブラシレスモータの駆動指示が入力される入力部と、
前記インバータ回路を制御する制御部と、を備え、
前記整流された交流電圧の上昇下降に伴って前記平滑コンデンサの端子間電圧が前記回転数に応じた誘起起電圧よりも高い領域で上昇下降して前記ブラシレスモータに電流が流れる第１の区間と、前記端子間電圧が前記回転数に応じた誘起起電圧と均衡して前記ブラシレスモータに電流が流れなくなる第２の区間と、が交互に生じるように、前記平滑コンデンサの容量は設定され、
前記制御部は、前記入力部に前記駆動指示が入力されている間は、前記第１の区間及び前記第２の区間の両区間において前記インバータ回路が前記スイッチング動作を行うように前記インバータ回路を制御し、
前記整流回路及び前記平滑コンデンサは、工具本体に設けられていることを特徴とする電動工具。
前記制御部は、前記ブラシレスモータに流れる電流が過電流閾値を超えていた場合には、前記入力部に前記駆動指示が入力されている間であっても、前記スイッチング動作を停止させるよう前記インバータ回路を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動工具。