CN101415527A - 电动工具 - Google Patents

Abstract

电动工具(A)通过重复一次以上的电机(4)的正反转来使作业部(5)动作。所述电机(4)由无刷电机构成。在该电机(4)中，检测转子(15)的位置的传感器(H)配置为：在转子(15)的正转方向上比定子齿部(16)之间的中间提前30°±θ°的电角。控制所述电机(4)的旋转的控制部(20)基于所述传感器(H)的检测结果控制电机(4)的驱动信号。另外，控制部(20)选择所述传感器(H)的检测信号，使得无论所述转子(15)是正转还是反转，所述转子(15)和传感器(H)的检测信号之间的关系都相同。

Description

电动工具

技术领域

本发明涉及一种电动工具，详细来说，涉及通过电机的正反转使作业部动作的由无刷电机构成电机的电动工具。

背景技术

作为通过使电机正反转而使作业部动作的电动工具，有利用金属丝捆扎钢筋的钢筋捆扎机(例如日本特开2003—267307)。在该钢筋捆扎机中，一般使用有刷电机作为驱动源。使用该有刷电机的理由是：基于可以实现小型且高转矩的考虑，可以通过使用有刷电机实现设备的小型化。

在上述的现有钢筋捆扎机中，作为确定有刷电机的正转、停止、反转动作的转换时机的装置，在作业部的各处配置了位置传感器，根据是否通过传感器的位置来掌握作业部的状态。然而，为了进行复杂的旋转转换需要较多的传感器，为了得到高精度的位置信息，需要有调整传感器位置的工序。

另外，在以某基准位置为基点通过时间监控来推测位置的情况下，由于伴随电池电压的变化，电机速度变化，故存在推测位置的误差大这样的问题。

另外，短时间内反复急加减速时可能会发生以下的问题。

(1)电机每次正反转时会有冲击电流流过而将绕组加热。为了急反转而在旋转过程中切换电刷极性时，产生火花，电刷磨损，必需进行更换等维修。

(2)在达到电机寿命的过程中，电机的特性(转速、加速度)降低，故设备的性能不可避免地降低。

(3)电机的特性降低时，不能以高效率的状态使用，消耗电力增大，在电池驱动的情况下，每次充电的作业量降低，因此充电次数增加，结果电池的寿命缩短。

另外，在有刷电机的构造中存在以下问题：由于以物理方式确定转子角度和绕组的通电时间，故存在正转时高效率的设定在反转时却变成效率低且噪声大的设定，在正反转混合存在的控制中，不能期待高效率的操作等。

发明内容

本发明的一个以上的实施例提供一种电动工具，其通过使用无刷电机代替有刷电机，能够长时间地发挥稳定的功能，并且便于维修。

根据本发明一个以上的实施例，一次以上重复进行电机的正反转而使作业部动作的电动工具具有检测所述电机的转子的位置的传感器，根据该传感器的检测信号计测所述电机的转速和旋转位置中的任一方或两方，并根据计测结果识别所述作业部的动作状态。

根据上述电动工具，由于可以根据传感器的检测信号判断转子的转速及旋转位置，无需设置多个用于检测作业部的动作状态的位置传感器，所以可削减零件数量，同时可以得到伴随电机转速的高分解能的位置信息。因此，可以提供一种高品质的电动工具，其消除了位置传感器的调整工序，提高了作业确认等组装作业的效率，同时不会再发生因位置传感器的故障所引起的故障。

另外，上述电动工具具备限制上述电机的驱动电流的限制装置，该限制装置可以将所述电流的限制值控制在至少两个阶段以上的电流值。

根据上述电动工具，可以在需要大转矩的情况(需要急加速，负荷转矩大)下以大驱动电流驱动电机，在采用小驱动转矩即可时以小驱动电流驱动电机，由此可以抑制消耗电流，同时可以抑制电机发热。

另外，上述电动工具可以具有3个以上上述传感器，可以由无刷电机构成上述电机。

根据上述电动工具，通过以无刷电机代替有刷电机，可以除去决定电机寿命的电刷本身，从而可以极大地延长电动工具的寿命。

可以将上述传感器配置为从定子的齿部之间的中间使电角提前30°±θ°，控制上述电机转速的控制部根据由上述传感器获得的转子位置的检测结果控制驱动电机的驱动信号，该控制部选择上述传感器的检测信号，使得无论上述转子是正转还是反转，上述转子和传感器的检测信号之间的关系都相同。

根据上述电动工具，通过将检测转子位置的传感器的位置从定子齿部之间的中间向旋转的反方向错开30度的电角来配置，从而无论是正转时还是反转时都可以先检测出施加电压的时机，因此正转和反转都可以使电机以高效的提前角进行旋转。

另外，上述电动工具可以具备限制上述电机的驱动电流的限制装置，该限制装置将上述电流的限制值控制在至少两个阶段以上的电流值。

根据上述电动工具，由于可以在正反转时均可进行高效的运转，故相对于所需转矩的电流减小，可将限制值设定得较低，因此可以进一步实现降低消耗电流、抑制发热的效果。

其它特征及效果可以根据实施例的记述及本申请所请求保护的范围获知。

附图说明

图1为表示本发明的典型实施例的电动工具的说明图；

图2(a)为说明有刷电机和传感器的关系的正面图；

图2(b)为说明有刷电机和传感器的关系的自侧面观察时的立体图；

图3(a)为设于无刷电机上的传感器的位置的说明图；

图3(b)为设于无刷电机上的传感器的位置的说明图；

图4为说明上述无刷电机的驱动的方框图；

图5(a)为说明上述无刷电机正转时的传感器和逆变器的驱动信号之间的关系的时间图；

图5(b)为说明上述无刷电机反转时的传感器和逆变器的驱动信号之间的关系的时间图；

图6为无刷电机的其它示例的说明图；

图7为以电机的转速控制钢筋捆扎机的一系列流程的流程图；

图8为说明发生故障时的恢复的流程图；

图9为流入上述钢筋捆扎机的电机的电流的变化和控制后的电流的说明图；

图10为用于进行上述电流控制的方框图。

附图标记说明

4  电机

15 转子

16 定子齿部

20 控制部

21 逆变器

A  电动工具

H  传感器

具体实施方式

图1表示本发明的电动工具A的一例。以下，作为本发明的典型实施例，对将本发明应用于捆扎钢筋的钢筋捆扎机的情况进行说明。在该钢筋捆扎机A中，将金属丝100由进给电机2从绕线筒(cartridge)1送出到导向臂3，缠绕于钢筋200后，使扭转电机4旋转，用金属丝100捆扎钢筋200。使进给电机2正转而将金属丝100缠绕于钢筋200上。其后，使扭转电机4正转，以使套筒(作业部)5向前方滑动移动时，设于前端的挂钩6钩挂住金属丝100。其后，使进给电机3反转，以使金属丝100松弛。然后，再一次使扭转电机4正转而使套筒5前进时，连接于该套筒5的刀具7工作，切断金属丝100。

在此，挂钩6为钩挂住缠绕于钢筋200上的金属丝100的一部分的状态。而且，使扭转电机4进一步正转而使套筒5进一步前进时，套筒5从抑制套筒5旋转的未图示的卡爪脱离而开始旋转。而且，设于套筒5的前端的挂钩6也和套筒5一体旋转，扭转所钩挂住的金属丝100以捆扎钢筋200。在捆扎结束时，使扭转电机4反转，松开挂钩6对金属丝100的钩挂，使套筒5返回到原点。

本发明的典型实施例的钢筋捆扎机如图2所示，在电机4的旋转轴10上安装在周面的一部分配置有传感器磁铁11的大致圆板状的磁铁单元12。在磁铁单元12的附近设有与传感器11发生反应的霍尔传感器及探测线圈等检测传感器13。若检测传感器13为霍尔传感器时，则根据磁通变化的周期检测转子14的转速，根据电压检测转子14的位置。若检测传感器9为探测线圈，则可以根据感应电压作为模拟值检测出转速，并根据转子14的旋转位置及转速掌握套筒5的状态。这样，无需使用位置检测传感器即可判断出上述套筒5的位置。例如，根据在送出套筒5时进行了几次正转，即可掌握套筒5所在的位置。

另外，在根据动作时间掌握设备的状态时，由于因电池电压的变化而使电机的速度发生变化，因此不能准确掌握设备的状态，但如果根据旋转量掌握，则可以与速度无关地掌握状态。

由于上述扭转电机4要求小型、高转矩，故一般使用有刷电机，但存在如现用技术中的问题点中说明的各种问题。因此，本发明的典型实施例中，该扭转电机4使用代替有刷电机的无刷电机(例如6槽4极无刷电机。)

在该扭转电机4中，转子15的位置由3个传感器H检测。基于该检测结果电流流入定子绕组C，通过在定子齿部16产生的磁场和转子15的永久磁铁17产生的吸引排斥，使转子旋转。将检测转子15的位置的霍尔传感器H(H1、H2、H3)如图3(a)所示那样配置于齿部16之间的中间(提前角0度)时，正反转时都可得到相同的特性。然而，对于产生最大转矩的电流通电时机，考虑到绕组电感引起的电流的延迟时间，有必要提早施加电压。因此，在埋入了永久磁铁17的转子15中，为了有效使用磁阻转矩，电流必需在旋转方向上先于上述时间流入定子绕组C。于是，为了尽早检测施加电压的时机，在本发明中，如图3(b)所示，检测转子15的位置的传感器H的位置从定子齿部16之间的中间在反转方向上错开30°电角地进行配置。由此，可以在正转时以高转矩旋转。但是，在转子15反转时，上述传感器H和转子15的位置延迟30°电角，以与正转时相同的逻辑应对传感器而控制流入定子绕组C的电流时，不能以高转矩旋转。然而，选择上述传感器H的检测信号，使得在上述转子15正转和反转时都可同等地检测出上述转子15的位置。

图4为说明扭转电机4的电气控制的方框图。由霍尔传感器H1～H3检测转子15的位置。基于霍尔传感器H1～H3的检测结果，控制部20向逆变器21输出驱动信号，使驱动电流流入U相、V相、W相的定子绕组C(C1～C3)，在产生的磁场中与转子15的永久磁铁17反复吸引排斥而使转子15旋转。

该控制部20在使转子15正转时，如图5(a)所示，以如下方式控制逆变器21：在传感器H1、H2、H3为ON时，逆变器21的上臂(U+、V+、W+)的栅极G1～G3按顺序ON，在传感器H1、H2、H3为OFF时，逆变器21的下臂(U—、V—、W—)的栅极G4～G6按顺序ON，使驱动电流流入定子绕组(C1～C3)。另外，控制部20在使转子15反转时，如图5(b)所示，以如下方式控制逆变器21：在传感器H3、H2、H1为OFF时，逆变器21的上臂的(W+、V+、U+)的栅极按顺序ON，在传感器H3、H2、H1为ON时，逆变器21的下臂(W—、V—、U—)的栅极按顺序ON，使驱动电流流入定子绕组C1～C3。这样，控制转子15的旋转方向。

另外，在配置于上述转子15的永久磁铁17如图6所示形成弯曲为圆弧状的形状的情况下，磁阻转矩的作用较强。因此，以提前40°电角的程度施加电压有时更有效。由于认为根据设备的正转和反转的比率确定哪方优先地对传感器进行配置可以降低综合的输入，因此，在重视正转的情况下，可以考虑相对于正转例如提前40°电角地进行配置，在重视反转时可以提前20°电角地驱动电机。

上述控制部20通过对检测转子15的位置的传感器H的检测信号进行计数来识别电机的转速。因此，与上述有刷电机的情况相同，无需使用位置检测传感器即可识别套筒5的位置。即，只要知道在送出套筒5时进行了几次正转，就可以掌握套筒5所处的位置。

例如，在图7的流程图中说明，使金属丝的进给电机旋转以送出金属丝(步骤ST1)，若进给电机N1旋转(步骤ST2)，则判断为金属丝缠绕在钢筋上，进入步骤ST3使进给电机停止。接下来，使扭转电机正转，使套筒前进(步骤ST4)，若N2旋转，则判断为挂钩前进至钩挂住金属丝的位置(步骤ST5)，进入步骤ST6使扭转电机停止。其后，使进给电机反转(步骤ST7)，若N3旋转，则判断为消除了金属丝的松弛(步骤ST8)，进入步骤ST9，使进给电机停止旋转，使扭转电机再次正转(步骤ST10)。

扭转电机旋转，若N4旋转(步骤ST11)，则判断为套筒前进，且前进至金属丝刀具发挥作用的位置，切断了金属丝。在步骤ST12判断为转矩的负荷变为规定值时，对钢筋的捆扎结束，进入步骤ST13，为了将挂钩从金属丝解除并使套筒返回到原点，使扭转电机反转。扭转电机N5旋转时，判断为套筒返回到原点(步骤ST14)，进入步骤ST15，使扭转电机停止，一系列的捆扎作业结束。

另外，虽然在金属丝的捆扎失败、且金属丝缠绕于挂钩的状态的情况下，必须将电源断开，用手转动挂钩而除去金属丝，但和上述电机的动作控制相同，出现故障时也可应对。

由于转子的位置由传感器检测，故可以根据传感器的检测结果判断转子的旋转位置。如果判断出转子的旋转位置，则也判断挂钩的旋转位置。因此，例如图8的流程图所示，在发生错误时，按压未图示的错误解除按钮(步骤ST20)，转子旋转(步骤ST21)，由传感器H1、H2、H3的组合判断出转子的旋转位置变为规定的位置(解除位置)时(步骤ST22)，进入步骤ST23，电机停止。因此，即使不用手转动而除去缠绕的金属丝，也可以使挂钩停止在能够除去金属丝的位置处，在步骤ST24中，可以很容易地进行故障解除作业。

而且，上述控制部20控制逆变器21的栅极，控制转子的正反转，同时还控制流入电机的电流的大小。通常，电机启动时，在转换旋转时流入大的冲击电流，由于流过该冲击电流而使电机发热，因此上述控制部20监视、控制冲击电流，以抑制该发热。

图9(a)表示流过现有捆扎机的扭转电机4的电流。T1的时间段为电机4正转而使套筒5前进的时间段，T2的时间段为电机4正转而扭转金属丝并捆扎钢筋的时间段，T3的时间段表示挂钩6从扭转的金属丝脱离而使套筒5后退的时间段。

图9(a)所示的现有的捆扎机中，各时间段的最初流过大的冲击电流。然而，在本发明的典型实施例中，如图9(b)所示，由于T1的时间段只是使套筒5前进，故负荷少，而无需大的转矩，因此将限制电流值为设定25A。另外，在本发明的典型实施例中，如图9(c)所示，T2的时间段是为了扭转金属丝并捆扎钢筋，而需要大负荷，大转矩，因此将限制电压值设定为40A，由于T3的时间段需要强的制动力，故冲击时虽然将限制电流值设定为40A，但由于如果改变旋转方向则无需大的转矩，因此将限制电流值切换为25A，以降低输入电力。

如图10的方框图所示，预先将限制电流值设定为电流设定部25。控制部20根据扭转电机4处于哪一阶段，从电流设定部25中选择设定值s，通过比较电路26对流入电机4的电流的实测值d和设定值s进行比较。在电流的实测值d超过设定值s的情况下，电流限制信号s2短时间(大约为数百us以下)处于Lo之后立即恢复为Hi。在实测值d超过设定值s的期间，重复Lo/Hi。该电流限制信号s2为与电路27的输入信号。因此，从控制部20输出的驱动信号s3只有在电流限制信号s2为Hi时，才作为驱动逆变器21的逆变器驱动信号s4输出，其结果是，可以通过分时通电等价地降低向电机施加的电压，以对电流进行控制(所谓PWM控制)。

在本发明的典型实施例中，例如图9所示，在使套筒5前进的时间T1，将驱动电流限制为25A。在扭转金属丝的时间T2，将驱动电流限制为40A。在扭转结束后的时间T3、使电机反转的阶段，将驱动电流限制为40A。旋转方向变化后，与时间T1同样地仅使套筒5后退，因而无需转矩，所以将驱动电流限制为25A。这样，控制各阶段施加于电机的电流。

上述限制电流值只要作为模拟电路的电阻值进行设定即可，例如，该模拟电路的电阻值通过连接多个电阻(连接怎样的电阻由微机决定)而使基准电压模拟变化来改变限制电流值。

另外，根据传感器的检测结果，利用电机的当前转速及其积算值，可以由至目标地点的剩余旋转次数和容许的时间预测出必要的减速力。因此，能够调整开始制动的时机，抑制在最低限度的制动力(冲流)且到达目的地点，可以抑制电机的发热。

如上所述，为使电机旋转所需的霍尔传感器不仅可用于电机的旋转，还可用于对设备状态的掌握。这样，由于不必另行设置检测设备状态的检测传感器而由用于使电机旋转的位置传感器兼任，因而不仅可以以机械方式进行位置检测，而且可以以电方式进行位置检测。因此，可以减少传感器的数量。其结果是，无需传感器的组装及调整，组装性提高，零件数量减少，因此实现了品质稳定、提高的电动工具。

另外，上述典型实施例中，以钢筋捆扎机为例进行了记述，但本发明可以适用于包含以使电机正反转来进行控制的捆扎机类的电动工具。

参照特定实施方式对本发明进行了详细说明，但对于本领域技术人员来说，很明显可以在不脱离本发明的精神及范围的条期间下进行各种变更及修正。

本申请基于2006年4月5日提出的日本专利申请(特愿2006—104591)，在此引用其内容作为参考。

工业实用性

本发明可以利用于电动工具、详细来说可以利用于通过电机的正反转使作业部动作的电动工具。

Claims (5)

1.一种电动工具，其重复一次以上电机的正反转而使作业部动作，其中，

具备检测所述电机的转子的位置的传感器，

根据所述传感器的检测信号计测所述电机的转速和旋转位置中的任一方或两方，

根据计测结果识别所述作业部的动作状态。

2.如权利要求1所述的电动工具，其中，

所述电动工具具备限制所述电机的驱动电流的限制装置，该限制装置将所述电流的限制值控制为至少两个阶段以上的电流值。

3.如权利要求1所述的电动工具，其中，

所述电动工具具有3个以上所述传感器，所述电机由无刷电机构成。

4.如权利要求3所述的电动工具，其中，

所述传感器配置于从定子的齿部之间的中间使电角提前30°±θ°的位置处，

控制所述电机的转速的控制部基于由所述传感器得到的转子位置的检测结果控制驱动电机的驱动信号，

所述控制部选择所述传感器的检测信号，使得无论所述转子正转还是反转，所述转子和传感器的检测信号之间的关系都相同。

5.如权利要求4所述的电动工具，其中，

所述电动工具具备限制所述电机的驱动电流的限制装置，

所述限制装置将所述电流的限制值控制为至少两个阶段以上的电流值。

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