單相串勵換向器電動機的驅動裝置的製作方法
2024-03-10 07:46:15
專利名稱：單相串勵換向器電動機的驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及單相串勵換向器電動機的驅動裝置。
背景技術：
(単相串勵換向器電動機的概要)単相串勵換向器電動機在直流、交流這兩電源中都能夠旋轉驅動，並且被稱為交直流兩用電動機。由於能夠高速旋轉，並且電源頻率的影響很微少，能夠以低價進行製作，因此被更好地利用於使用交流電源的電動工具。
而且單相串勵換向器電動機串聯地連接有電樞繞組和勵磁繞組，若在此連接電源則產生轉矩，從而進行旋轉驅動。給單相串勵換向器電動機賦予特徵的構造是只要沒有電樞繞組和勵磁繞組的連接變更，就無論交流電源、直流電源的極性如何，產生轉矩總是被固定為單向。在想要切換產生轉矩的方向的情況下，通過使電樞繞組或勵磁繞組中的某ー個的連接方向變為相反而被實現。在存在切換單相串勵換向器電動機的產生轉矩的方向的用途時，為了在勵磁繞組兩端切換連接方向而能夠通過使用單極雙擲開關來實現。(對於制動器制動)作為切換產生轉矩的方向的用途，在想要使単相串勵換向器電動機儘快停止時所需的制動器制動為其一例。從基於某一方向的轉矩的通常使用，通過在停止時產生相反方向的轉矩而實現制動器制動。 通常處於在以串聯的方式連接的電樞繞組和勵磁繞組連接有電源的狀態，通過將電樞繞組或勵磁繞組中的某一個的連接方向設為相反而在串聯連接的繞組形成短路以及形成經由電阻的電流環路從而產生與通常相反朝向的轉矩，並進行制動器制動。(基於電阻、短路的制動器制動的問題點)當這樣的進行制動器制動時，進行制動器制動的期間與電動機的轉數相應的制動器電流在所形成的環路內流動，在制動器制動開始時會流動過大的電流。位於電流環路內的馬達的換向器因該過大電流會導致惡化。(制動器電流、定電流控制的實例)於是，為了防止這樣的問題，提出有如下方案在電動機制動時檢測在由電樞和勵磁繞組形成的制動電流路徑流動的制動電流，若制動電流達到一定的上限，則切斷該制動電流路徑，將勵磁繞組的兩端經由電流消耗用的電阻器進行連接(例如，參照專利文獻I
坐^
寸ノ o換句話說，在該提案的裝置，若制動電流達到一定的上限，則將勵磁繞組的兩端經由電流消耗用的電阻器進行連接，由此回流電流經由電阻器流過勵磁繞組，而使勵磁繞組所積蓄的能量經由電阻器而釋放出。
而且，在上述提案的裝置中，若經由電阻器在勵磁繞組流動的回流電流降低，則再次形成由電樞和勵磁繞組構成的制動電流路徑。因此，根據上述提案的裝置，在制動器制動時，通過將制動電流抑制在上限值以下，並且使電動機產生制動轉矩，能夠使電動機停止。專利文獻I :日本專利2735771號公報然而，在上述提案的裝置中，由於若制動電流達到一定的上限，則將勵磁繞組的兩端與電流消耗用的電阻器連接，所以存在因在該電阻器流動的電流而導致電阻器自身發熱這樣的問題。由此，為了使上述提案的裝置實用化，必須如下述那樣實施用於使電阻器產生的熱進行散熱的散熱對策，例如，在電阻器設置散熱用的散熱片，或者使用散熱特性好的大型、的電阻器，由此存在導致電動機以及使用該電動機構成的電動工具的大型化這樣的問題。
發明內容
本發明是鑑於這樣的問題而提出的，其目的在於在單相串勵換向器電動機的驅動裝置中，不用因散熱對策而使裝置大型化，就能夠抑制制動時的發熱。根據為了實現這樣的目的而做出的技術方案I所記載的単相串勵換向器電動機的驅動裝置，在驅動開關被切換到驅動位置時，將勵磁繞組和電樞串聯連接在外部電源，電動機向規定的ー個方向進行旋轉。而且，由於經由第I ニ極管將電容器並列連接在電樞，所以電動機進行旋轉時，經由第I ニ極管向電容器施加直流電壓，通過該施加電壓在電容器中積蓄電荷。接下來，電動機處於旋轉狀態時，若驅動開關被切換到制動位置，則勵磁繞組沿與電動機的旋轉驅動時相反的方向連接在電樞，通過電樞和勵磁繞組形成制動電流路徑。該制動電流路徑上，從電樞的一端側起按順序設置有上述的第I ニ極管、開關元件以及電流檢測單元。而且，開關元件被電流控制単元控制以使得由電流檢測單元檢測的制動電流達到規定電流。由此，若將驅動開關從驅動位置切換到制動位置，則開關元件變為接通狀態，電容器所積蓄的電荷以開關元件一電流檢測單元一勵磁繞組一電容器的路徑進行放電。此時，由於電動機進行旋轉，所以在電樞產生電動勢，制動電流在制動電流路徑開始流動。另外，若制動電流這樣地流動，則在電動機(換而言之電樞)產生與旋轉方向相反方向的轉矩(制動轉矩)，電動機的轉速降低。在該狀態下，電動機作為發電機發揮作用，由此制動電流上升。並且，若制動電流進一歩上升超過規定電流，則電流控制單元為了抑制制動電流的上升，將開關元件切換為斷開狀態，切斷從電樞到勵磁繞組的制動電流路徑。另ー方面，本發明的驅動裝置中，設有直接連接開關元件和電流檢測單元之間的制動電流路徑、與電樞的另一端的第2 ニ極管。由此，若如上述那樣開關元件被切換為斷開狀態，切斷從電樞到勵磁繞組的制動電流路徑，則制動電流經由第2 ニ極管繼續流動在勵磁繞組。該制動電流是在由勵磁繞組和第2 ニ極管構成的閉環路中流動的回流電流，因勵磁繞組的電阻的量、設置在該閉合環路的電流檢測單元的電阻的量而減少。而且，若該制動電流(回流電流)低於規定電流，則通過電流控制単元，開關元件被切換為接通狀態。此外，這樣將開關元件切換為接通狀態後，以與上述同樣的順序切換開關元件的接通、斷開狀態，直到電動機的旋轉停止為止。而且，如上述那樣將開關元件控制為斷開狀態，制動電流(回流電流)經由第2 ニ極管流過勵磁繞組時，也在電動機產生制動轉矩，從而其轉速降低。並且，在本發明中，通過第2 ニ極管構成在開關元件為斷開狀態時制動電流(回流電流)繼續流過勵磁繞組的回流路徑，沒有如現有技術那樣在該回流路徑中設置電阻器。因此，根據本發明的驅動裝置，與現有技術相比，雖然從驅動開關被切換到制動位置之後到電動機的旋轉停止為止的時間稍變長，但制動電流(回流電流)不流過電阻器，因此無需進行用於防止電阻器的發熱的散熱對策，能夠實現驅動裝置(以及，將單相串勵換向器電動機作為動カ源的電動工具)的小型化。 此外，在本發明中，由第2 ニ極管構成勵磁繞組的回流路徑，這是為了抑制因回流電流流過勵磁繞組的路徑的電阻成分產生的發熱。由此，例如，可以在該回流路徑上也設置有開關元件，將通常的制動電流路徑和回流路徑的切換用2個開關元件進行，或者，也可以使用能夠切換電流路徑的開關元件，選擇性的切換制動電流路徑和回流路徑中的任意ー個。換句話說，如果是開關元件等、能夠以低損失形成回流路徑的元件，則也可以與第2ニ極管一起設置在勵磁繞組的回流路徑。另外，電流檢測單元在驅動開關為斷開狀態時能夠檢測在包含上述回流路徑的制動電流路徑中流動的制動電流的大小，並將其檢測結果向電流控制單元輸出即可。由此，電流檢測單元構成為在其制動電流路徑設置電流檢測用的電阻器，並將其兩端電壓作為制動電流的檢測結果向電流控制單元輸出即可。而且，此時，由於電流檢測用電阻器只要能夠檢測制動電流即可，所以能夠減小電阻值，抑制因制動電流流動而產生的發熱，但由於無法除掉其發熱，所以在因該發熱而產生不良影響的情況下，使用利用電磁感應等以非接觸的方式能夠檢測電流的電流傳感器構成電流檢測單元即可。接下來，電流控制単元如技術方案2所述那樣，可以被構成為在開關元件為接通狀態時，若制動電流大於第一閾值，則開關元件被切換為斷開狀態，在開關元件為斷開狀態時，若制動電流低於比第一閾值還低的第二閾值，則開關元件被切換為接通狀態。換句話說，如果這樣，對開關元件被切換為斷開狀態時的電流值(第一閾值)和將開關元件切換到導通狀態時的電流值(第二閾值)設置磁滯，則能夠防止產生開關元件在一個閾值附近被接通斷開的所謂振蕩。
圖I是表示實施方式的單相串勵換向器電動機的驅動裝置整體的構成的電路圖。圖2是表示通過控制電路執行的制動電流控制處理的流程圖。圖3是表示通過制動電流控制處理切換的制動電流路徑的說明圖。圖4是表示測定了在制動時產生的損失以及停止時間的測定結果的說明圖。附圖標記說明
2...馬達，4...電樞，6、8勵磁繞組，10...交流電源，12、14. . 驅動開關，16. . .FET, 18...電流檢測電路，20. 控制電路，CL 電容器，D1、D2... ニ極管，Rl.. 電
流檢測用電阻器。
具體實施例方式以下，將本發明的實施方式與附圖一同進行說明。如圖I所示，本實施方式的驅動裝置是用於從外部的交流電源10接受電源供給來驅動由單相串勵換向器電動機構成的馬達2的裝置，具有在與構成馬達2的ー對勵磁繞組(所謂的磁場線圈(field coil))6、8彼此的連接點相反的ー側(換句話說勵磁繞組6、8的兩端)分別設置的ー對驅動開關12、14。本實施方式的馬達2被用作電動工具(例如電動螺絲刀等)的動カ源，上述各驅 動開關12、14與電動工具的操作開關連動，在操作開關未被操作時，切換到在圖I用黑圓點表示的接點b側，如操作操作開關，則切換到圖I白圓點所示的接點a側。並且，在驅動開關12、14被切換到接點a側(以下，稱為驅動位置)時，勵磁繞組6經由驅動開關12與交流電源10連接，勵磁繞組8經由驅動開關14與電樞4連接。此外，電樞4是所謂的轉子，在本實施方式中設為包含換向器。其結果，在驅動開關12，14被切換到接點a側(以下，稱為驅動位置)時，形成由 交流電源10、電樞4、勵磁繞組8、6構成的馬達2的驅動電流路徑，驅動電流流過電樞4 (詳細來說換向器和電樞繞組)以及勵磁繞組8、6，馬達2單向地進行旋轉。另ー方面，若停止電動工具的操作開關的操作，並且驅動開關12、14被切換到接點b側(以下，稱為制動位置)，則勵磁繞組6、8沿與馬達2的驅動時相反的方向連接在電樞4上。換句話說，在與交流電源10連接的電樞4的一端側，經由驅動開關14連接著勵磁繞組8，在驅動馬達2時連接勵磁繞組的電樞4的另一端側，經由驅動開關12連接著勵磁繞組6。另外，在連接電樞4的一端側和驅動開關14的接點b的路徑上，從電樞4的一端側起按順序設置有從電樞4向驅動開關14側流過電流的ニ極管D1、用於對該電流路徑進行導通、截止的FET16和用於檢測流過該電流路徑的電流的電流檢測用電阻器R1。而且，ニ極管Dl和FET16之間的電流路徑經由電荷積蓄用的電容器Cl而與電樞4的另一端連接，電樞4的另一端經由ニ極管D2而連接在FET16和電流檢測用電阻器Rl之間的電流路徑。此外，ニ極管D2的正極與電樞4的另一端(換而言之驅動開關12的接點b)直接連接，負極直接連接在FET16和電流檢測用電阻器Rl之間的電流路徑。而且，在ニ極管Dl和FET16之間的電流路徑、與ニ極管D2和FET16以及電流檢測用電阻器Rl之間的電流路徑之間，連接著從上述各電流路徑接受電源供給、用於驅動控制FET16的控制電路20。而且，該控制電路20連接有根據電流檢測用電阻器Rl的兩端電壓檢測電流並將檢測信號向控制電路20輸出的電流檢測電路18。該控制電路20是在驅動開關12、14位於接點b側的制動位置時，執行經由電流檢測電路18檢測流過勵磁繞組6、8的電流(制動電流)，並切換FET16的導通、截止(ON-OFF)狀態以使得該電流值達到所希望的電流值的制動電流控制處理(參照圖2)的電路，並且該控制電路20由微型計算機、未使用微型計算機的磁滯電路等構成。以下，按照通過該控制電路20執行的制動電流控制處理(圖2)，說明在馬達2的旋轉驅動時將驅動開關12、14切換到制動位置之後，到馬達2的旋轉停止為止的驅動裝置的動作。首先，在驅動開關12、14位於驅動位置、馬達2被旋轉驅動時，經由ニ極管DI將電容器Cl並聯連接在電樞4上，因此對電容器Cl施加直流電壓，在電容器Cl中積蓄電荷。接下來，在馬達2被旋轉驅動時，若將驅動開關12，14切換到制動位置，則控制電路20從電容器Cl接受電源供給而進行動作，執行圖2所示的制動電流控制處理。並且，在該制動電流控制處理中，首先，通過SI 10 (S表示步驟)，生成FET16的驅動 電壓執行使FET16導通的準備處理，通過接著的S120，對FET16的柵極施加驅動電壓，由此使FET16導通。於是，形成有從電容器Cl經由FET16 —電流檢測用電阻器Rl —勵磁繞組8 —勵磁繞組6而直至電容器Cl的電流路徑，電容器Cl中積蓄的電荷被放電。然後，此時，馬達2正在旋轉，由此在電樞4產生電動勢，在從電樞4經由ニ極管Dl — FET16 —電流檢測用電阻器Rl —勵磁繞組8 —勵磁繞組6而直至電樞4的、圖3 (a)所示的制動電流路徑中制動電流開始流動。而且，若這樣制動電流流動，則在馬達2 (換而言之電樞4)產生與旋轉方向相反方向的轉矩(制動轉矩)，馬達2的旋轉速度降低。在該狀態中，馬達2作為發電機發揮作用，因此制動電流上升。若該制動電流過度上升，則產生換向器的惡化等上述的不良情況，因此在制動電流控制處理中，通過S120使FET16導通後，移至S130，經由電流檢測電路18，檢測流過勵磁繞組6、8的制動電流(所謂的場電流)If。然後，在接著的S140中，判斷通過S130檢測到的制動電流If是否超過了預先設定的第一閾值Ifl，如果制動電流If沒有超過第一閾值Ifl (If ^ Ifl)，就移到S120，再次執行上述S120、S130的處理。另ー方面，如果制動電流If超過第一閾值Ifl (If > Ifl)，則移至S150，停止對FET16的柵極施加驅動電壓，由此使FET16截止。於是，將從電樞4經由ニ極管Dl以及FET16直至電流檢測用電阻器Rl的制動電流路徑切斷，形成從勵磁繞組6經由ニ極管D2以及電流檢測用電阻器Rl直至勵磁繞組8的、圖3(b)所示的電流路徑(回流路徑)。通過勵磁繞組6、8所積蓄的能量，制動電流繼續流動在該回流路徑，但該制動電流由於是回流電流，所以因勵磁繞組6、8的電阻的量和電流檢測用電阻器Rl的電阻的量而減少。由此，在制動電流控制處理中，在S150使FET16截止後，移至S160，經由電流檢測電路18，檢測流過勵磁繞組6、8的制動電流If。然後，在接著的S170中，判斷通過S160檢測到的制動電流If是否低於預先設定的第二閾值If2(其中，If2 < Ifl)，如果制動電流If不低於第二閾值If2(If彡If2)，則移至S150，再次執行上述S150、S160的處理。另外，如果制動電流If低於第二閾值If2 (If < If2)，則移至S120，再次執行S120以下的處理。並且，上述制動電流控制處理被反覆執行，直到馬達2的旋轉充分地降低，通過電樞4的發電電カ控制電路20不再動作。此外，如上述那樣FET16被切換到截止狀態，回流電流經由ニ極管D2在勵磁繞組6、8流動時，也在馬達2產生制動轉矩，其旋轉速度降低。換句話說，如果回流電流在勵磁繞組6、8中流動時，馬達2進行旋轉，則在電樞4產生電動勢。此時在馬達2內部的電樞繞組被換向器短路的部分，流過短路電流，因該短路電流產生銅損。此外，對於該銅損，馬達2的轉數越低，其損失的比例越多。、
而且，馬達2進行旋轉時，通過在勵磁繞組6、8中流動的回流電流而產生的磁通量也發生變化，因此在勵磁繞組6、8的鉄心內產生渦流損失、磁滯損耗。此外，對於該損失，馬達2的轉數越高，其損失的比例越多。因此，回流電流在勵磁繞組6、8中流動時，也因上述銅損、渦流損失、磁滯損耗等，在馬達2中產生制動力，馬達2的轉速降低。如以上說明的那樣，在本實施方式的馬達2的驅動裝置中，僅由ニ極管D2構成在FET16為截止狀態時勵磁繞組6、8中持續流過制動電流(回流電流)的回流路徑，從而如現有的技術那樣，在該回流路徑不設置電流消耗用的電阻器。因此，根據本實施方式的馬達2的驅動裝置，與現有技術相比，雖然從驅動開關12、14被切換到制動位置之後到馬達2的旋轉停止為止的時間多少變長，但由於在電流消耗用的電阻器中不流過制動電流(回流電流)，因此無需進行用於防止該電阻器的發熱的散熱對策，能夠實現驅動裝置乃至以馬達2作為動カ源的電動工具的小型化。換句話說，在上述的現有技術中，使回流電流迅速地降低，通過控制電路20將FET16在更短時間內切換為導通狀態，由此如圖4(a)所例示的那樣，在由ニ極管D2形成的回流路徑上，設置有積極地消耗馬達2的旋轉能量的電阻值較大的電阻器Ra。但是，在本實施方式中，通過僅由ニ極管D2構成回流路徑，使電阻器Ra的電阻值為「0」，因此能夠防止電阻器Ra的發熱，能夠實現裝置的小型化。此外，圖4 (b)是表示在使圖4 (a)所示的回流路徑上的電阻器Ra的電阻值為5 Q、OQ，將驅動開關12、14從驅動位置切換到制動位置，控制FET16以使得控制電路20經由電流檢測用電阻器Rl檢測的制動電流If成為5A時，測定到馬達2停止為止的停止時間、和在電阻器Ra、除電阻器Ra以外的電路以及驅動裝置整體產生的電カ損失而得的測定結果。根據該測定結果可知，在如本實施方式那樣使電阻器Ra的電阻值為0 Q (換句話說沒有電阻器Ra)的情況下，與如以往那樣例如設置有電阻值5 Q的電阻器Ra的情況相比，沒有在電阻器Ra產生的電カ損失，因此能夠減少在驅動裝置整體產生的電カ損失，並能夠減少發熱量。而且，在本實施方式中，雖然無法通過電阻器Ra消耗勵磁繞組6、8所積蓄的能量，但是通過上述的銅損、渦流損失、磁滯損耗等，能夠消耗能量，因此馬達2的停止所需的時間(停止時間)僅從2. 2秒變化到2. 6秒。由此，根據本實施方式，馬達2的停止時間與以往相比不會顯著變長，能夠得到實用上沒有問題的制動性能。而且接下來，在本實施方式中，作為控制電路20切換FET16的導通、截止狀態所使用的制動電流的閾值，設定有第I閾值Ifl和比第一閾值Ifl小的第二閾值If2這2個閾值。而且，在FET16為導通狀態，制動電流If增加時，若制動電流If超過了第一閾值Ifl，則將FET16切換為截止狀態，在FET16為截止狀態，制動電流If減少時，若制動電流If低於第二閾值If2，則將FET16切換為導通狀 態。由此，根據本實施方式，如使制動電流If的閾值為I個的情況那樣，在制動電流If為閾值附近時，能夠防止產生FET16反覆進行導通截止的振蕩。在此，在本實施方式中，ニ極管Dl相當於本發明的第I ニ極管，ニ極管D2相當於本發明的第2 ニ極管，FET16相當於本發明的開關元件，電流檢測用電阻器Rl以及電流檢測電路18相當於本發明的電流檢測單元，控制電路20相當於本發明的電流控制単元。以上，針對本發明的ー實施方式進行說明，但本發明並不限定於上述實施方式，在不脫離本發明的主g的範圍內能夠得到各種方式。例如，在上述實施方式中，FET16為截止狀態時，形成針對勵磁繞組6、8的回流路徑是作為僅由ニ極管D2構成的例子進行說明，但例如，也可以對該ニ極管D2設置用於切換是否形成回流路徑的開關元件(FET等)。換句話說，此時，如果使開關元件為開狀態，則回流路徑的電阻量能夠為與僅由ニ極管D2形成的情況大致同等，因此能夠得到與上述實施方式同樣的效果。而且，例如，上述實施方式中，說明了在制動電流路徑和回流路徑的共用路徑上，設置有用於檢測在勵磁繞組6、8中流動的制動電流(回流電流)的電流檢測用電阻器Rl的例子，也可以取代該電流檢測用電阻器R1，而設置能夠以非接觸的方式檢測流過該路徑的制動電流(回流電流)的電流傳感器。而且如果這樣一來，還能夠防止因電流檢測用電阻器Rl中的消耗電カ導致的發熱，因此能夠更良好地防止驅動裝置的溫度上升。而且，在上述實施方式中，作為用於電流控制的開關元件，說明使用FET16的例子，但該開關元件只要是能夠導通和切斷電流路徑的元件即可，也可以使用雙極型電晶體等其他半導體元件。
權利要求
1.一種單相串勵換向器電動機的驅動裝置，其特徵在於，具備驅動開關，該驅動開關分別設置在電動機的勵磁繞組的兩端，並且能夠在將該勵磁繞組和上述電動機的電樞與外部電源串聯連接來使上述電動機旋轉的驅動位置、和將上述勵磁繞組與上述電樞在與上述電動機旋轉驅動時的方向相反的方向連接來使上述電動機制動的制動位置之間進行切換， 在上述驅動開關位於上述制動位置時由上述電樞和上述勵磁繞組形成的制動電流路徑上，從上述電樞的一端側起依次設置有 第I ニ極管，其使制動電流單向地流過該制動電流路徑； 開關元件，其對該制動電流路徑進行導通或切斷；和 電流檢測單元，其對在該制動電流路徑中流動的制動電流進行檢測， 該單相串勵換向器電動機的驅動裝置還具有 用於積蓄電荷的電容器，其設置在上述第I ニ極管和上述開關元件之間的制動電流路徑與上述電樞的另一端之間； 第2 ニ極管，其通過使上述開關元件和上述電流檢測單元之間的制動電流路徑與上述電樞的另一端直接連接，從而在上述開關元件為斷開狀態時使上述制動電流繼續流過上述勵磁繞組；和 電流控制単元，其在上述驅動開關位於上述制動位置時，切換上述開關元件的接通、斷開狀態，使得由上述電流檢測單元檢測的制動電流達到規定電流。
2.根據權利要求I所述的單相串勵換向器電動機的驅動裝置，其特徵在幹， 在上述開關元件為接通狀態時，若上述制動電流大於第一閾值，則上述電流控制単元將上述開關元件切換為斷開狀態，在上述開關元件為斷開狀態時，若上述制動電流比低於上述第一閾值的第二閾值還低，則上述電流控制單元將上述開關元件切換為接通狀態。
全文摘要
本發明涉及單相串勵換向器電動機的驅動裝置，不用因散熱對策而使裝置大型化，就能夠抑制制動時的發熱。將驅動開關(12、14)從接點(a)切換到接點(b)，形成了從電樞(4)的一端經由二極體(D1)→FET(16)→電流檢測用電阻器(R1)→勵磁繞組(8、6)直至電樞(4)的另一端的制動電流路徑時，通過控制電路(20)，使FET(16)導通、截止以使得經由電流檢測用電阻器(R1)檢測的制動電流達到規定電流。由此，驅動裝置中，雖然在FET(16)的截止時形成用於將回流電流流過勵磁繞組(8、6)的回流路徑，但是該回流路徑僅由二極體(D2)構成，而不設置用於回流電流消耗的電阻器。該結果，沒有該電阻器的發熱，能夠防止在制動時產生的溫度上升。
文檔編號H02P1/16GK102739124SQ20121009648
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月1日 優先權日2011年4月5日
發明者藤波克人, 須田秀和 申請人:株式會社牧田