(57)【要約】  本発明は、モータ（２）を備える駆動ユニット（１）と、モータ制御部（５）とを有する携帯型または定置型電動工具であって、前記モータは、永久磁石を含むロータと、ステータとを有する電動工具に関する。前記モータ制御部（５）は、モータ（２）を第１回転数領域では電圧制御動作モードで駆動制御し、該第１回転数領域に比較的高い回転数の方向で続く第２回転数領域では磁界抑制モードで駆動制御するように構成されている。
2008502290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ（２）を備える駆動ユニット（１）と、モータ制御部（５）とを有する携帯型または定置型電動工具であって、
前記モータは、永久磁石を含むロータと、ステータとを有し、
前記モータ制御部（５）は、モータ（２）を第１回転数領域では電圧制御動作モードで駆動制御し、該第１回転数領域に比較的高い回転数の方向で続く第２回転数領域では磁界抑制モードで駆動制御するように構成されている電動工具。
【請求項２】
請求項１記載の電動工具であって、
負荷なしでの回転数を設定するために操作エレメントが設けられている電動工具。
【請求項３】
請求項１記載の電動工具であって、
モータ制御部（５）は電圧制御動作モードでは電圧をモータ（２）に印加し、これによりモータ（２）の回転数を設定し、
第１回転数領域は０から中程度の回転数の間の領域により規定され、
当該中程度の回転数は、電圧制御動作モードで最大電圧を印加する際に達成される電動工具。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項記載の電動工具であって、
モータ制御部（５）は位相シフタを有し、これにより磁界抑制モードではステータ磁界とロータ磁界との間の位相を調整する電動工具。
【請求項５】
請求項４記載の電動工具であって、
位相シフタ（９）は、磁界抑制モードにおいてステータ磁界とロータ磁界との間の位相を９０°より大きくするように構成されている電動工具。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項記載の電動工具であって、
再充電可能なバッテリーの形態で電圧供給部（１０）を有する電動工具。
【請求項７】
請求項６記載の電動工具であって、電池式電動ドライバとして構成されている電動工具。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか一項記載の電動工具であって、
モータ（２）のシャフトは加工工具と直接結合されている電動工具。
【請求項９】
携帯型または設置型電動工具に対する駆動ユニット（１）の駆動方法であって、
該電動工具は、永久磁石を備えるロータとステータとを有し、
モータ（２）を、第１回転数領域では電圧制御動作モードで駆動制御し、第２回転数領域では磁界抑制モードで駆動制御する駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動ユニットを備える携帯型または定置型電動工具、とりわけ電池駆動される電動工具、例えば電池式電動ドライバに関する。
【０００２】
電気モータにより駆動することのできる多数の電動工具が公知である。部分的にはいわゆるＥＣモータがそのために設けられており、このＥＣモータはブラシレスであり、すなわちロータには永久磁石が設けられており、永久磁石は固定子コイルにより形成された磁界内を回転する。ＥＣモータの回転数は通常は、印加されるモータ電圧により制御される。
【０００３】
モータ電圧の印加は通常、駆動ユニットの電力トランジスタのパルス幅変調によって行われる。ここではモータの転流が固定のロータ位置に依存して行われる。ＥＣモータは通常、電動工具の最高回転数に設計されている。そのため所要の巻線数が比較的少ないことにより、固定子電流に関連するトルクが比較的小さい。この電流は、電力電子回路、モータおよび／またはバッテリーの限界値によって決められる。従ってトルクは全回転数領域にわたってこの最大値に制限されている。
【０００４】
この特性はこのようなＥＣモータを電動工具に使用する場合に不利である。すなわちそこでは、高いトルクを低い回転数の下で、また低いトルクを高い回転数の下で使用することがしばしば必要である。このことは現代の電動工具では、切換可能なトランスミッションを設けることにより達成されている。このトランスミッションにより、高回転数での高トルクが工具の低回転数に変換され、低い回転数により高いトルクが達成される。切換可能なトランスミッションを設けることは面倒であり、高価であり、さらに電動工具の電力消費を高める摩擦損失につながる。
【０００５】
これまでの電動工具は高回転数に設計されているから、固定子コイルは低いオーム抵抗と、小さいインダクタンスを有する。このことはコイルが短絡される際に比較大きな電流が流れ、モータまたは電子回路に損傷が発生し得ることを意味する。エラーの場合、または電池が電池駆動式電動工具からモータが回転しているときに除去される際に発生し得る許容できない動作状態では、モータの短絡によってモータないしは電子回路が破壊されることがある。この理由からモータの損傷を阻止する通常の手段を設けるべきである。
【０００６】
本発明の課題は、切換可能なトランスミッションが設けられていなくても、低回転数での高トルクの要求と、高回転数での低トルクの要求を満たす改善された電動工具を提供することであり、この電動工具がエラーまたは許容されない動作状態による損傷に対して頑強であるように構成する。
【０００７】
この課題は請求項１による電動工具、並びに請求項９による方法によって解決される。
【０００８】
従属請求項には本発明の有利な実施形態が記載されている。
【０００９】
本発明によれば電動工具に駆動ユニットが設けられており、この駆動ユニットは、永久磁石を備えるロータとステータとを有するモータを含んでいる。駆動ユニットはさらにモータ制御部を有し、このモータ制御部は、モータが第１回転数領域では電圧制御動作モードで制御され、第１回転数領域に比較的高い回転数の方向で続く第２回転数領域では磁界抑制モードで制御されるように構成されている。
【００１０】
本発明の電動工具では、モータ回転数を電圧制御動作モードでも、磁界抑制モードでも調整することができる。このことの利点は、モータを電気的に最高回転数に合わせて設計する必要がなく中程度の回転数に合わすことができることである。これにより同じ最大電圧の下で、中程度の回転数までの領域において、従来の比較的高い回転数に合わせて設計されたモータよりも相応に比較的高いトルクを達成することができる。従って下方の（第１）回転数領域で比較的に高いトルクが可能である。中程度の回転数を越える高い回転数を達成するために、モータはいわゆる磁界抑制モードで駆動される。磁界抑制モードではロータ磁界とステータ磁界の位相位置を変化させる。これにより電圧制御動作モードでの最高回転数を越える回転数にまで回転数を高めることができる。比較的に高い回転数は、最大電圧でのトルクに対して緩和されたトルクで達成される。この動作特性は電動工具に対して有利である。なぜなら電動工具では、低回転数での高トルク、または低トルクでの高回転数が要求されるからである。従ってこの駆動ユニットは、従来の駆動装置または従来のように駆動されるＥＣモータでは相応に切換可能なトランスミッションを使用することによってのみ可能である動作領域をカバーすることができる。
【００１１】
モータを比較的低い回転数に合わせて設計することにより、すなわち電動工具を最大で駆動する最高回転数よりも低いモータ回転数に合わせて設計することにより、固定子巻線の抵抗およびインダクタンスが従来の電動工具の場合よりも高くなる。従って固定子巻線を短絡に対して頑強に構成することができる。これによりモータを、どのような動作状態であっても直ちに停止するために電子回路によって短絡することができ、その際にモータまたは電子回路に短絡電流による損傷が生じる虞がない。エラーの場合、または例えばモータが回転しているときに電圧供給を突然除去することにより引き起こされ得る許容できない動作状態において、危険な動作状態を最も早く去るためにはモータを駆動部の電力電子回路によって短絡すれば十分である。
【００１２】
磁界抑制モードでは、とりわけモータ電流の時間的経過がますます正弦波に近似し、これによりモータの磁石および鉄における脈動損失の増加が減少する。従って電動工具を改善された効率で駆動することができる。
【００１３】
さらなる利点は、固定子巻線に比較的多くの巻線数を設けることができることである。これにおり巻線に対するワイヤ直径を比較的小さく選択することができ、モータの製造が簡素化される。
【００１４】
本発明の実施例によれば、モータ制御部は電圧制御動作モードでは電圧をもーたに印加してモータの回転数を設定する。ここで第１回転数領域は、０と所定の中程度回転数との間の領域によって規定される。この回転数領域は電圧制御動作モードで最大電圧を印加する際に達成される。
【００１５】
電動工具のモータ制御部は位相シフタを有することができ、磁界抑制モードはステータ磁界とロータ磁界との間の位相シフトによって調整される。とりわけ位相シフタは、磁界抑制モードにおいてステータ磁界とロータ磁界との間の位相が９０゜より大きくなるように構成することができる。
【００１６】
有利な実施例によれば、電動工具は再充電可能なバッテリーの形態で電圧供給部を有する。とりわけ電動工具は電池式電動ドライバとして構成することができ、モータのシャフトは加工工具と、固定の変速比を備えるトランスミッションによって結合されている。すなわち電動工具は切換可能なトランスミッションなしで構成されている。
【００１７】
次に、添付の図面を参照しながら本発明に実施例について詳しく説明する。
図１は、電動工具に対する駆動ユニットのブロック回路図である。
図２は、電圧制御動作モードと磁界抑制モードを概観するベクトル線図である。
図３は、従来の電動工具と本発明の実施例による電動工具とにおけるトルク経過を回転数に依存して示す線図である。
【００１８】
図１には電動工具、とりわけ電池駆動式電動工具、とりわけ電池式電動ドライバに対する駆動ユニット１が示されている。駆動ユニットはモータ２を有し、このモータには電力制御電子回路３を介して電力が供給される。モータ２の制御はパルス幅変調電圧パルスを介して行われる。この電圧パルスはトランジスタブリッジによって形成され、モータ２で有効電圧を形成する。モータ２は、３つの固定子巻線４を備える３相モータとして構成されており、固定子巻線はそれぞれトランジスタブリッジの１つを介して制御される。
【００１９】
電力制御電子回路３はモータ制御部５を介して制御される。このモータ制御部は、ＰＷＭユニット６でパルス幅変調された制御信号を電力制御電子回路３に対して発生する。パルス幅変調された制御信号は、モータ２のロータ（図示せず）の位置と、外部から設定された目標値とに依存して制御ユニット７によってＰＷＭユニット６で生成される。目標値はユーザから直接または間接的に操作エレメントによって設定される。
【００２０】
モータ２のロータの位置は位置発生器８により測定され、制御ユニット７では絶対的ロータ位置に関する情報が得られる。位置発生器８は位置を絶対的に、または所定の位置に対して相対的に測定することができる。後者の場合、位置変化を介して絶対位置が制御ユニット７で決定される。
【００２１】
制御ユニット７は、２つの動作モードが実現されるように構成されている。第１動作モードでは、モータ２を電圧制御動作モードで駆動制御する。これにより回転数は負荷がない場合、または負荷が一定である場合、電力電子回路３を介して印加される有効電圧に比例する。第２動作モードは所定の回転数にわたる回転数領域によって決定される。この第２動作モードでは、制御ユニット７がモータ２を駆動制御するために、電力電子回路の制御の際にいわゆる磁界抑制モードに切り替わる。このために位相シフタ９が設けられており、この位相シフタは、ロータから送出されるロータ磁界と、ステータにより形成される励磁磁界との間の位相角が９０°以上になるようにする。ここでは位相シフトの程度が回転数を決定する。
【００２２】
モータ制御部５はマイクロコントローラの形態で構成することができ、マイクロコントローラは制御信号を電力制御電子回路３に提供する。駆動ユニット１はバッテリー１０，とりわけ再充電可能なバッテリーを介して給電される。制御ユニット７はさらに固定子電流と、電力制御電子回路３の電圧を検出することができ、これによりモータ２に掛かる負荷に関する情報を得る。
【００２３】
図２には、ステータ磁界とロータ磁界に対するベクトル線図が、電圧制御動作モードと磁界抑制モードに対して示されている。左のベクトル線図は電圧制御動作モードでの状態を示す。この動作モードでは、達成可能な最高モータ回転数が、電力制御電子回路に印加される供給電圧の高さによって固定的に設定される。固定子電流ないしステータ磁界Θ１の空間ベクトルは、ロータΘＰＭの代替磁界の空間ベクトルに対してほぼ垂直に起立している。固定子巻線に印加される電圧を変化することによって、回転数をほぼこれに比例して調整することができる。
【００２４】
図２の右のベクトル線図には磁界抑制モードでの状態が示されている。ステータ磁界Θ１の空間ベクトルと、ロータの代替磁界ΘＰＭの空間ベクトルとは相互に垂直ではなく、ステータ磁界とロータ磁界とは９０°よりも格段に大きな角度を有する。ステータ磁界をベクトルにより、ロータ磁界に対して平行な成分（Ｘ軸）と、これに対して垂直な成分（Ｙ軸）に分解すると、ステータ磁界Θ１，ｘのＸ軸成分がロータ磁界ΘＰＭに対抗していることが分かり、従ってロータ磁界の作用は減衰される。その結果、回転子電圧が減少する。作用機序は、他励式直流シャントモータで公知のメカニズムに相当する。そこで機械の動作中に励磁磁界が減少すると、このことはロータで誘導される電機子電圧の減少に作用する。これにより電機子電流が上昇し、従ってトルクが促進される。機械は、誘導された電圧と、供給電圧による電機子抵抗での電圧降下とが平衡するまで加速する。これにより直流モータの回転数は上昇する。
【００２５】
図３には、トルクの経過がモータの回転数に依存して示されている。ＥＣモータにより従来のように設計された電動工具に対する従来の駆動ユニット（破線）の場合、使用可能なトルクは最高回転数までほぼ一定である。なぜならトルクは電子回路とモータの限界電流によって決められるからである。
【００２６】
本発明の電動工具の場合（実線）、第１回転数領域では同様に電圧制御動作モードが選択される。ここでは電動工具のモータは、中程度の回転数ｎＭにおいて最大トルクが得られるように設計され、トルクは使用可能な最大電力ないし最大許容限界電流によって決められる。これにより、０からｎＭの回転数が比較的低い領域でも巻数が比較的多いことから、同じ電流の下で従来の電動工具の場合よりも大きなトルクが得られる。ｎＭとｎＭａｘ（最高回転数）の間である第２回転数領域では、モータが磁界抑制モードで駆動される。この第２回転数領域では、中程度の回転数の場合に達成される最大トルクよりも小さいトルクが提供される。モータの回転数が高くなると、トルクはさらに小さくなり、このトルクは最高回転数ｎＭａｘに達するまで回転数に逆比例して減少する。
【００２７】
トルク特性曲線は、電動工具を駆動するのに非常に適する特性曲線に相応する。このような特性曲線は従来の電動工具では通常、切換可能な変速比を備えるトランスミッションによって達成される。このトランスミッションは、高トルクを低回転数領域で、低トルクを高回転数領域で提供する。従って本発明の電動工具は、切換可能なトランスミッションなしで設けることができるという利点を有し、これによりトランスミッションに基づく摩擦損失を回避することができる。さらにこのような電動工具により、固定子巻線を頑強に構成することができる。この固定子巻線はその抵抗およびインダクタンスが大きいので、どのような動作状態でも電子回路によって短絡することができ、モータまたは電子回路の損傷する虞がない。抵抗とインダクタンスが比較的に大きいのは、所定の最大電圧において電圧制御動作モードではモータを比較的低い回転数に合わせて設計することができるからである。比較的高い回転数は磁界抑制モードにより達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、電動工具に対する駆動ユニットのブロック回路図である。
【図２】図２は、電圧制御動作モードと磁界抑制モードを概観するベクトル線図である。
【図３】図３は、従来の電動工具と本発明の実施例による電動工具とにおけるトルク経過を回転数に依存して示す線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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