特許 6899654 屋外電力設備用のフェイルセーフのハードウェアブレーキ機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6899654

(24)【登録日】2021年6月17日

(45)【発行日】2021年7月7日

(54)【発明の名称】屋外電力設備用のフェイルセーフのハードウェアブレーキ機構

(51)【国際特許分類】

   H02P 3/22 20060101AFI20210628BHJP

【ＦＩ】

   H02P3/22 B

【請求項の数】12

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-574289(P2016-574289)

(86)(22)【出願日】2014年6月23日

(65)【公表番号】特表2017-522846(P2017-522846A)

(43)【公表日】2017年8月10日

(86)【国際出願番号】EP2014063136

(87)【国際公開番号】WO2015197103

(87)【国際公開日】20151230

【審査請求日】2017年5月16日

【審判番号】不服2019-7655(P2019-7655/J1)

【審判請求日】2019年6月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】511268591

【氏名又は名称】ハスクバーナ・アーベー

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】マルティン・ラーセン

(72)【発明者】

【氏名】テッド・ヴォルフラム

(72)【発明者】

【氏名】マティアス・コニーソン

【合議体】

【審判長】 柿崎 拓

【審判官】 長馬 望

【審判官】 鶴江 陽介

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０３１５４９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−２４３８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１１１４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１６５６７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H02P 3/22

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

装置(100)であって、
作業組立体(220)と、
前記作業組立体(220)に動力を供給するブラシレス直流電動機(230)と、
前記ブラシレス直流電動機(230)に選択的に給電するように構成された電源(210)と、
前記ブラシレス直流電動機(230)の動作を制御するための制御回路(240)と、
ブレーキ起動イベントに応答して、前記ブラシレス直流電動機(230)に対して選択的に制動を適用するように構成されたブレーキ機能(270)と、
を備え、
前記ブレーキ機能(270)が、前記制動の適用中に外部電源を必要とすることなく、前記ブラシレス直流電動機(230)の相巻線を短絡することによって前記制動を適用するように構成されており、
前記ブレーキ機能(270)が第1の相(330)、第2の相(340)、および第3の相(350)を備え、その各々が、前記ブレーキ起動イベントに応答して前記ブラシレス直流電動機(230)の対応する相を共通ポイントに接続するための独立した回路を含み、前記ブラシレス直流電動機(230)を効果的に短絡させ、
前記制御回路(240)は、
ブレーキ起動回路(310)から出力される駆動信号により制御されるMOSFETドライバ(360)と、
ブレーキ信号により制御されるブレーキゲート駆動回路(370)と、
を具備し、
前記駆動信号とブレーキ信号は、ブレーキ起動イベントの場合に制御され、
前記MOSFETドライバ(360)は、高電圧側MOSFET(362)および低電圧側MOSFET(364)と電気的に結合されるとともに、通常の電動機制御機能のために使用され、
絶縁スイッチ(366)が前記MOSFETドライバ(360)と前記低電圧側MOSFET(364)との間に直列に配置され、
前記ブレーキゲート駆動回路(370)の出力は、前記絶縁スイッチ(366)と前記低電圧側MOSFET(364)との間に電気的に結合され、
前記MOSFETドライバ(360)は、前記MOSFETドライバ(360)の電源が前記駆動信号から生じるように構成され、前記絶縁スイッチ(366)は、前記駆動信号が非活性化されることにより開かれると前記MOSFETドライバ(360)の低電圧側出力が無効になるように構成され、
前記ブレーキゲート駆動回路(370)は、前記ブレーキ起動イベントの場合に、前記ブレーキ信号により前記低電圧側MOSFET(364)を制御するように構成されている、装置(100)。

【請求項2】

前記ブレーキ機能(270)が、前記第1の相(330)、前記第2の相(340)、および前記第3の相(350)のうちいずれか2つが前記ブレーキ起動イベントを受け取るのに応答して前記制動を適用するように構成されている請求項1に記載の装置(100)。

【請求項3】

前記ブレーキ起動イベントが、
トリガスイッチ(300)の解放、
前記電源(210)の喪失、または
前記装置(100)の電源がオフになることを含む請求項1から2のいずれか一項に記載の装置(100)。

【請求項4】

前記制御回路(240)がタイマ(245)をさらに含み、前記ブレーキ起動イベントが、前記トリガスイッチ(300)の解放に応答して、前記タイマ(245)のあらかじめ構成された遅延時間の後に始動される請求項3に記載の装置(100)。

【請求項5】

前記あらかじめ構成された遅延時間が、オペレータによって調整可能であるか、または前記装置(100)のデバイスタイプに基づいて決定された工場設定である請求項4に記載の装置(100)。

【請求項6】

前記トリガスイッチ(300)のトリガスイッチケーブルが取り外されると制動が適用される請求項3から5のいずれか一項に記載の装置(100)。

【請求項7】

前記装置(100)が屋外電力設備である請求項1から6のいずれか一項に記載の装置(100)。

【請求項8】

前記ブレーキ機能(270)が、前記ブラシレス直流電動機(230)の3相のうちいずれか1つの断線に対応した前記ブレーキ起動イベントに応答して前記ブラシレス直流電動機(230)に制動を適用するように構成されている請求項1から7のいずれか一項に記載の装置(100)。

【請求項9】

電源(210)によって給電される屋外電力設備(100)が備える作業組立体(220)に動力を供給するブラシレス直流電動機(230)の動作を制御するための制御回路(240)であって、
ブレーキ起動イベントに関連した少なくとも1つの信号を生成するように構成されたブレーキ起動イベント発生回路(310)と、
前記ブレーキ起動イベントに応答して、前記ブラシレス直流電動機(230)に対して選択的に制動を適用するように構成されたブレーキ機能(270)と、
を備え、
前記ブレーキ機能(270)が、前記制動の適用中に外部電源を必要とすることなく、前記ブラシレス直流電動機(230)の相巻線を短絡することによって前記制動を適用するように構成され、
前記ブレーキ機能(270)が第1の相(330)、第2の相(340)、および第3の相(350)を備え、その各々が、前記ブレーキ起動イベントに応答して前記ブラシレス直流電動機(230)の対応する相を共通ポイントに接続するための独立した回路を含み、前記ブラシレス直流電動機(230)を効果的に短絡させ、
前記制御回路(240)は、
前記ブレーキ起動イベント発生回路(310)から出力される駆動信号により制御されるMOSFETドライバ(360)と、
ブレーキ信号により制御されるブレーキゲート駆動回路(370)と、
を具備し、
前記駆動信号とブレーキ信号は、ブレーキ起動イベントの場合に制御され、
前記MOSFETドライバ(360)は、高電圧側MOSFET(362)および低電圧側MOSFET(364)と電気的に結合されるとともに、通常の電動機制御機能のために使用され、
絶縁スイッチ(366)が前記MOSFETドライバ(360)と前記低電圧側MOSFET(364)との間に直列に配置され、
前記ブレーキゲート駆動回路(370)の出力は、前記絶縁スイッチ(366)と前記低電圧側MOSFET(364)との間に電気的に結合され、
前記MOSFETドライバ(360)は、前記MOSFETドライバ(360)の電源が前記駆動信号から生じるように構成され、前記絶縁スイッチ(366)は、前記駆動信号が非活性化されることにより開かれると前記MOSFETドライバ(360)の低電圧側出力が無効になるように構成され、
前記ブレーキゲート駆動回路(370)は、前記ブレーキ起動イベントの場合に、前記ブレーキ信号により前記低電圧側MOSFET(364)を制御するように構成されている、制御回路(240)。

【請求項10】

前記ブレーキ機能(270)が、前記第1の相(330)、前記第2の相(340)、および前記第3の相(350)のうちいずれか2つが前記ブレーキ起動イベントを受け取るのに応答して前記制動を適用するように構成されている請求項9に記載の制御回路(240)。

【請求項11】

前記ブレーキ機能(270)が、前記電源(210)によって給電される屋外電力設備(100)が備える前記作業組立体(220)に動力を供給する前記ブラシレス直流電動機(230)の3相のうちいずれか1つの断線の検出に対応した前記ブレーキ起動イベントに応答して前記ブラシレス直流電動機(230)に制動を適用するように構成されている請求項9または10に記載の制御回路(240)。

【請求項12】

前記ブレーキ起動イベント発生回路(310)が、マイクロプロセッサ(320)と協調して、前記ブレーキ起動イベントに関連した少なくとも1つの信号を生成するように構成されている請求項9から11のいずれか一項に記載の制御回路(240)。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

例示的実施形態は、一般に屋外電力設備に関し、より詳細には、オペレータがスロットルを解放した後に作業組立体を減速させるための制動の解決策に関するものであり、この解決策はフェイルセーフである。

【背景技術】

【0002】

屋外電力設備には、草刈り機、刈り込み機械、芝生の縁を刈り取る機械、チェーンソー、刈払機(brushcutter)、ブロワなどのデバイスが含まれる。これらのデバイスは、本質的に可動性のデバイスを必要とする作業を実施するためにしばしば使用される。したがって、これらのデバイスは、一般的には比較的頑健であって厳しい環境において困難な業務を処理することができるように作製される一方で、可動性に関する要件とバランスをとっている。

【0003】

そのようなデバイスの動力は、いくつものやり方で供給され得る。しかしながら、可動性であるように意図された、そのデバイスにより発生する排出物(すなわちノイズおよび/または汚染物質の点で)も重要な考慮事項になり得る屋外電力設備については、そのようなデバイスに動力を供給するための人気の高い選択肢は、大抵の場合電動機である。屋外電力設備が厳しい環境において動作することを考えると、ブラシレス直流電動機はそのようなデバイス向けの電動機として人気の高い選択肢であり得る。

【0004】

この点で、ブラシレス直流電動機は整流子およびブラシ組立体を含まず、したがって、ブラシレス直流電動機によってイオン化するスパークが生成されることがなく、ブラシと整流子の侵食がない。ブラシレス直流電動機は、直流電源(たとえばバッテリ)から交流電流を生成するためにソリッドステート回路を使用する。したがって、ブラシレス直流電動機は、整流子およびブラシを採用する直流電動機に対して、より長寿命であり、ノイズを低減し、かつ信頼性が向上し得る。その上、ブラシレス直流電動機は完全に密閉された環境において動作することができ、そのため、ほこりおよび砕片から絶縁され得る。

【0005】

ブラシレス直流電動機が作業組立体(たとえばブレード、チェーン、ファン組立体、刈り込み機械のヘッドなど)に動力を供給するために使用されるとき、作業組立体は、たとえばスロットル制御オペレータ(operator)などのある種の動作可能な部材による電源オン(application of power)に応答して、一般的には回転される、または他の方法で動作される。しかしながら、それらの作業組立体のうちのいくつかについては、回転部材は、望ましくは、動作中に比較的低摩擦または低抵抗で回転するよう設けられる。したがって、スロットル制御オペレータが解放されると、作業組立体は慣性によっていくらかの期間にわたって回転し続ける可能性がある。作業組立体が所望の期間(安全基準によって定義されることがある)以内で減速され得ることを保証するために、作業組立体を減速させて停止するようにブレーキ機構が採用され得る。

【0006】

作業組立体を減速させて停止するために2つの主要な機構が存在する。第1に、ブラシレス直流電動機を停止するためにハードウェアのみの機構が採用されてよい。第2に、ソフトウェアの構成要素とハードウェアの構成要素の組合せが採用されてよい。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0007】

したがって、いくつかの例示的実施形態は、(たとえばブラシレス直流電動機といった)電動の屋外電力設備に適用するための、フェイルセーフのハードウェアブレーキ機構を与えることを容易にするための構造体および方法を提供し得るものである。

【0008】

例示的実施形態によれば、装置(たとえば屋外電力設備)は、作業組立体の動作に応答して作業機能を実施するように構成された作業組立体と、作業組立体に動力を供給する電動機と、電動機に選択的に給電するように構成された電源と、電動機の動作を制御するための制御回路と、ブレーキ起動イベントに応答して、電動機に対して選択的に制動を適用するように構成されたブレーキ機能とを含み得る。ブレーキ機能は、制動の適用中に外部電源を必要とすることなく、電動機の相巻線を短絡することによって制動を適用するように構成されてよい。

【0009】

別の例示的実施形態では、電源によって給電される屋外電力設備の作業組立体に動力を供給する電動機の動作を制御するための制御回路が提供される。制御回路は、マイクロプロセッサと、ブレーキ起動イベントに関連した少なくとも1つの信号を生成するように構成されたブレーキ起動イベント発生回路と、ブレーキ機能とを含み得る。ブレーキ機能は、ブレーキ起動イベントに応答して、電動機に対して選択的に制動を適用するように構成されてよい。ブレーキ機能は、制動の適用中に外部電源を必要とすることなく、電動機の相巻線を短絡することによって制動を適用するように構成されてよい。

【0010】

このように本発明を総括的に説明してきたが、次に添付図面が参照され、添付図面は必ずしも原寸に比例しない。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】例示的実施形態による電動デバイスのブロック図である。

【図2】例示的実施形態による使用可能な制御回路の様々な構成要素のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

次に、いくつかの例示的実施形態が添付図面を参照しながら以下でより十分に説明され、添付図面では、すべてではなくいくつかの例示的実施形態が示される。実際は、本明細書で説明され、かつ図示される例は、本開示の範囲、適用可能性または構成に関して限定するものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの例示的実施形態は、この開示が、適用可能な法的必要条件を満たすように提供されるものである。全体にわたって、同じ参照数字は同じ要素を表す。その上、本明細書で使用される「または」という用語は、そのオペランドの1つまたは複数が真であるとき常に真になる論理演算子として解釈されるべきである。本明細書で使用される動作可能な結合は、互いに動作可能に結合される構成要素の機能的な相互接続を可能にする、直接的または間接的な接続に関するものと理解されるべきである。

【0013】

金属ブレードを有する刈払機については、何らかの形のブレーキ機構が採用されることなくスロットルが解放されると、ブレードが70秒まで回転する可能性がある。一方、ブレードは10秒以内に停止すること、さらには2〜4秒以内で迅速に停止することが、必要とされるかまたは望まれる可能性がある。植木用の電気バリカン(hedge trimmer)にブレーキ機構が採用されていなければ、切断ブレードが約3秒間止まらない可能性があるが、2秒以内でブレードを停止することが必要とされるかまたは望まれる可能性がある。芝刈機にブレーキ機構が採用されていなければ、切断ブレードが約10秒間停止しない可能性があるが、3秒以内でブレードを停止することが必要とされるかまたは望まれる可能性があり、緊急停止が最も望まれ得る。電動機で動作される他の屋外電力設備にも、作業組立体の回転を停止するための所望の時間と、ブレーキ機構なしで回転が止まるのに要する時間との間に類似のずれが生じる可能性がある。

【0014】

本明細書で説明されるいくつかの例示的実施形態は、電動機(たとえばブラシレス直流電動機)を採用する屋外電力設備によって採用されるべき、フェイルセーフのハードウェアブレーキ機構を提供するための構造体および方法を提供するものである。この点で、いくつかの例示的実施形態によって屋外電力設備に含有され得る回路は、フェイルセーフのハードウェアブレーキ機構が、適切な時間に起動し、しかも耐故障性と制動強さの制御とを伴って最小限の消費電力で動作し得ることを保証するためのものである。

【0015】

図1は、例示的実施形態による電動デバイス100のブロック図を示す。図1の電動デバイス100は、例示的実施形態が採用され得る電力設備の一般的な例の1つを表すのみであることを理解されたい。しかしながら、特定の例示的実施形態が、たとえば草刈り機、刈り込み機械、ブロワ、芝生の縁を刈り取る機械、チェーンソーなどのデバイスに関連して実行され得ることを理解されたい。したがって、図1のデバイス100は、作業組立体に動力を供給するために、電源スイッチおよび速度制御を使用して、ハウジングの内部にブラシレス直流電動機または他の直流電動機を採用し得るデバイスの一例でしかない。

【0016】

図1を参照すると、電動デバイス100は、電動デバイス100の様々な構成要素が収容されているハウジング110を含み得る。電動デバイス100は、電源210、作業組立体220およびブラシレス直流電動機230をさらに含み得る。ブラシレス直流電動機230は、制御回路240(電動機ドライバの構成要素を含み得る)によって制御され得る。速度制御がオプションである場合、電源スイッチ250はブラシレス直流電動機230に対する電源オンを制御してよく、スロットル制御オペレータ260(たとえばトリガ)がブラシレス直流電動機230の速度を制御してよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、スロットル制御オペレータ260と電源スイッチ250は同一のデバイスでよい(たとえば1つの機械的組立体の中に1つの個別のスイッチおよび1つのポテンショメータが設けられ、または単に1つの個別のスイッチが設けられる)ことを理解されたい。デバイス100は、適切な状況の下で(たとえばブラシレス直流電動機230にブレーキをかけることによって)作業組立体220の動作を停止させるように構成されたブレーキ機能270も含み得る。

【0017】

図1に示されるように、ブレーキ機能270は、場合によっては制御回路240によっても制御され得る。その上、場合によっては、ブレーキ機能270は制御回路240に組み込まれてよく、または制御回路240のモジュールでもよい。しかしながら、ブレーキ機能270は、制御回路240と通信するか、または制御回路240の制御下でさえあってよいが、ソフトウェア制御または命令なしで動作するように構成されてよい。そのため、ブレーキ機能270は、ハードウェアの解決策によってブラシレス直流電動機230の電動機制動を達成するように利用され得る。そのため、対応するレベルの開発保証および製品認定を伴う、安全策の重要なソフトウェアを開発する必要はない。

【0018】

ブレーキ機能を実施するために使用される安全策の重要なソフトウェアは、バッテリ電源が除去されると不確実になり得る。明らかに、ソフトウェア制御に応答して動作する電子部品は、電力なしで機能することはできないであろう。したがって、例示的実施形態のブレーキ機能270によってもたらされるハードウェアベースの解決策は、バッテリ電源が除去されても動作することができる限りにおいて、かなりの利点を提供することができる。たとえば、バックパックのバッテリまたは他のバッテリパック用のケーブルコネクタが外されるかまたは分離されると、バッテリ電源の除去が容易に起こり得る。その上、回生制動が使用されている場合、必要に応じて、使用可能なバッテリへ戻る電力経路が存在しないこともある。したがって、ブレーキ機能270は、より少ない消費電力およびエネルギー貯蔵要求で、必要な制動を達成する。実際、例示的実施形態のブレーキ機能270は、制動動作中に外部電源を必要とすることなく動作することができる。したがって、例示的実施形態は、電力が失われたとき、または電力の1相が失われてさえ、ブラシレス直流電動機230に対するブレーキ機能270のブレーキをかける動作が妨げられないので、フェイルセーフであり得る。

【0019】

例示的実施形態のブレーキ機能270は、ハードウェアの解決策として実施され得るが、例示的実施形態のブレーキ機能270は、動作するためにブレーキ抵抗器または継電器を必要としないことに留意されたい。ブレーキ抵抗器および継電器は、機械的にかさばるうえに高くつく可能性がある。そのような構成要素は相当なサイズを占めることもあり、特に継電器は寿命に限界があり得る。

【0020】

例示的実施形態のブレーキ機能270は、いくつかの状況下では、あらかじめ構成された遅延時間を採用するように構成されてよい。したがって、たとえば特定の場合には、ブレーキ機能270によって起動される制動作用が遅れることがある。たとえば、刈払機の場合には、スロットルまたはトリガが解放された後に、刈払機の動きを停止するのが2〜4秒間遅れるのが望ましいであろう。

【0021】

例示的実施形態では、ブレーキ機能270は、短絡回路電流を供給することにより、ブラシレス直流電動機230の電動機巻線において回転エネルギーを放散することによって動作するように構成されてよい。短絡回路電流により、ブラシレス直流電動機230の回転構成要素のエネルギーが電動機巻線において熱を発生することができ、次いで、熱は、ブラシレス直流電動機230から離れて放散され得る。したがって、熱発生は、回転エネルギーを放散して、電動機の回転に対する抵抗として働く。したがって、特別な構成要素を設けることなく、ブレーキ抵抗器の効果が、短絡回路電流によって電動機巻線内の回転エネルギーを放散することによって達成され得る。したがって、ブラシレス直流電動機230は放熱構造を備えてよく、そうでなければ電動機巻線からの熱の除去を助長するように設計されてよい。

【0022】

例示的実施形態では、ブレーキ機能270は、少なくとも3つの特定の場合において動作するように構成され得る。たとえば、ブレーキ機能270は、1)スロットル制御オペレータ260(たとえばトリガ)が解放されること、2)(電源スイッチ250によって)デバイスの電源がオフにされること、または3)電源210(たとえばバッテリ)が除去されるかもしくは取り外されることを含む、ブレーキ起動刺激に応答して、(たとえば電動機巻線に短絡回路電流を供給することによって)ブラシレス直流電動機230を減速させるように構成されてよい。ブレーキ起動刺激は、それぞれブレーキ起動イベントまたはトリガと称され得る。場合によっては、制御回路240は、ブレーキ起動イベントが検知されたときと、ブラシレス直流電動機230(および作業組立体220)を減速させるためにブレーキ機能270が起動されるときの間に遅延を開始させるように構成されたタイマ245をさらに含み得る。例示的実施形態では、タイマ245は、スロットル制御オペレータ260(たとえばトリガ)が解放されることのみに応答して使用されてもよい。そのため、電源がオフにされたとき、または電源210が失われたとき、すぐにブレーキがかけられ得る。

【0023】

図2は、例示的実施形態による制御回路240およびブレーキ機能270の部分を実施するために使用され得る構造体を説明するためのブロック図および対応する回路を提供するものである。図2に示されるように、制御回路240に対する外部入力にはトリガスイッチ入力300が含まれ、トリガスイッチ入力300は、トリガスイッチ(たとえば図1のスロットル制御オペレータ260)が押されたかどうかを示してよく、場合によってはトリガスイッチの速度設定をさらに示してもよい。トリガスイッチ入力300は、スロットル制御オペレータ260が解放されたとき開くノーマルオープンスイッチを含み得る。ノーマルオープンスイッチが開かれると、そのことがブレーキ起動回路310によって検知され得、様々なブレーキ起動刺激またはブレーキ起動イベントの生成を助長する。ブレーキ起動回路310は、制御回路240のマイクロコントローラ320とインターフェースで連結してもよい。

【0024】

例示的実施形態では、ブレーキ起動回路310は、ブレーキ機能270の第1の相330、第2の相340および第3の相350に対する駆動信号(DRIVE)およびブレーキ信号(BRAKE)の供給を助長してよい。駆動信号およびブレーキ信号の生成は、論理関係および機能関係を使用して示されているが、対応する電気回路の設計は様々に実現され得ることを理解されたい。第1の相330の1つの例示的実装形態の詳細が図2に示されており、第2の相340および第3の相350も同様に構築されて同様に動作し得ることを理解されたい。

【0025】

ブレーキ信号(BRAKE)は、トリガスイッチ信号の非活性化後にタイマ回路245の事前設定時間が経過すること、電動デバイスに対する電源210が除去されること、電源スイッチ250がオフにされること、またはマイクロコントローラ320がブレーキ指令を供給することのいずれかに応答して活性状態になり得る。

【0026】

図2に示されるように、第1の相330は、高電圧側MOSFET 362および低電圧側MOSFET 364に電気的に結合されているMOSFETドライバ360を含み得る。デバイスに対する電源がオフにされると、駆動信号が非活性化され得、ブレーキ信号が活性化され得る。駆動信号が非活性化されることにより、絶縁スイッチ366が開かれ得、MOSFETドライバ360の低電圧側出力が無効になり、ブレーキゲート駆動回路370は、低電圧側MOSFET 364を干渉なしで活性化することができる。これは、ブラシレス直流電動機の対応する相(すなわち第1の相330(相U))を、すべての3つの相に関する共通のポイントであるGNDポイントに接続し得る。高電圧側MOSFETは、MOSFETドライバ360の電源が駆動信号から生じるので、制動中は無効にされ得る。

【0027】

前述のように、第2の相340および第3の相350は同様に構築されてよく、そのため、電源がオフにされるのに応答して他の2つの相(相VおよびW)もGNDノードに接続するために同一の作用が繰り返され得、それによってブラシレス直流電動機の3相を効果的に短絡する。

【0028】

注目すべきは、絶縁スイッチ366により、ブレーキゲート駆動回路370が、通常の電動機制御機能に使用されるMOSFETドライバ360からの干渉なしで、低電圧側MOSFET 364を制御し得ることが保証されることである。

【0029】

ブレーキゲート駆動回路370は、キャパシタであり得るエネルギー貯蔵ユニットを内蔵してよい。ブレーキ信号は、さらに、その活性状態が、駆動されていない状態またはGND電位にある負論理(active low)信号でよく、それ故に、ブレーキ起動回路310が給電されないときにも有効なブレーキ信号を供給する。ブレーキゲート駆動回路370を専用の機能に分離することによって消費電力を最小限に保つことができ、それによってエネルギー貯蔵の必要性が最小限になり、電動デバイスのための外部電源の必要性なしでブレーキ機能が動作することが可能になる。

【0030】

トリガスイッチが解放されたとき、駆動信号が非活性化することによって絶縁スイッチ366が開く。タイマ245はカウントを開始して、ブレーキ信号が生成される前の遅延を発生させてよい。ブレーキ信号が生成されると、ブレーキ信号は、ブレーキゲート駆動回路370を起動し、低電圧側MOSFET 364を活性化して、ブラシレス直流電動機230の対応する相(相U)を、すべての3つの相に関する共通のポイントであるGNDポイントに接続することができる。再び、第2の相340および第3の相350は同様に動作し得る。したがって、電源の損失による低電圧側MOSFET 364の活性化と電源がオフになることよる低電圧側MOSFET 364の活性化の両方が、対応するイベントに対して即時であり得る。しかしながら、トリガスイッチ信号の非活性化をもたらすトリガの解放による低電圧側MOSFET 364の活性化は、タイマ245によって遅れてよい。

【0031】

タイマ245は、任意の望ましい遅延時間を有するように構成されてよい。場合によっては、望ましい遅延時間は、作業組立体220に基づいて多様であり得る。したがって、たとえばいくつかのデバイスは、より大きい遅延が所望の作業組立体を採用してよく、一方、他のデバイスは、より小さい遅延が望ましい作業組立体を採用してよい。さらに他のデバイスは、いかなる遅延もなく停止されるべき作業組立体を有することさえある。したがって、タイマ245は、制御回路240が使用されているデバイスのタイプに基づいて、ゼロ遅延から、望まれ得る遅延時間の他の任意の大きさまで構成されてよい。したがって、1組の制御回路が、電動機(またはブラシレス直流電動機)を使用する複数の様々なデバイス向けに使用され得、必要とされる変更はタイマ245の調整のみであり得る。場合によっては、タイマ245は工場設定を有してよく、オペレータによる調整は不可能でよい。しかしながら、他の場合には、オペレータによる調整が可能にされてよく、オペレータがユーザ体験をカスタマイズすることを可能にするように奨励されることさえある。場合によっては、マイクロコントローラ320は、ブレーキ信号を直ちに活性化するために、ブレーキ指令出力を使用することによってタイマ設定を覆すようにも使用され得る。しかしながら、マイクロコントローラ320はタイマの事前設定時間を延長することはできず、その結果としてブレーキ起動イベントを遅らせることはできない。

【0032】

いくつかの実施形態では、製品安全要件によって、特定の設計基準を満たすことが規定されることがある。たとえば、1つの構成要素が故障したとしても対応する機能(たとえば制動)は依然として実施されなければならないことを規定し得る「単一故障」方式を使用するための設計考察が採用されることがある。したがって、例示的実施形態のブレーキ機能270は、ブラシレス直流電動機の各相に対して個別の独立した回路を使用するという原則に基づいて設計されてよい。その結果、いずれかの単一の相(たとえば第1の相330、第2の相340または第3の相350)に故障が含まれていたとしても(may include a fault)、他の相には動作上の影響が及ばないはずである。そこで、単一故障によって1つの相が無能になったとしても、他の2つの相が使用可能であるため、ブレーキ機能270は依然として動作可能であり得る。さらに頑健な耐故障性をもたらすために、3相回路以外の部品のいくつかも余分に設けられてよい。1つの相の制動が故障した場合、他の2つの相の動作により、ブラシレス直流電動機230が何らかのブレーキ時間要件以内で停止することが依然として保証されることになる。

【0033】

例示的実施形態は、ブレーキ機能270が15Vにおいて消費電力を50μA未満に制限するようにも構成されている。したがって、少なくとも10秒間の動作のために必要なエネルギー貯蔵が保証され得る。これは、(たとえばバッテリの喪失または取外しによって)電力が失われるかまたは遮断されたときでさえ、依然として制動が実行可能であることを保証するのに役立つ。

【0034】

例示的実施形態では、特定の考察に照らして、3相を短絡させることによってブラシレス直流電動機230の制動が達成され得る。第1に、電動機、ワイヤリングおよび制御電子回路の電力段MOSFETによって許容される範囲を電動機電流が超過することがある。第2に、制動作用が、望ましいものよりも弱い(leaner)かまたはより強いことがある。一般的な状況は、制動が強すぎてユーザにとって不快となり得る反力の原因となる可能性がある。

【0035】

制動の強度および時間は、電動機の速度および磁極数と組み合わせて電動機のインダクタンスによってかなりの程度まで制御され得る。電動機のインダクタンスは、高速における電動機のインピーダンスを全体的に支配することになる。支配方程式

【0036】

【数1】

【0037】

の範囲内で、vおよびiは、それぞれ相電動機の電圧および電流を表し、mは電動機の磁極対の数を表し、wは電動機の機械的角速度であり、LおよびRはそれぞれ電動機のインダクタンスおよび抵抗を表す。m=7、L=200μH、およびw=2π*7000/60(7000rpm)の例では、項mwl≒1(オーム)である。

【0038】

実際、これは、電動機が短絡されたとき、R<<mwlであるならば、電流は電動機の逆起電力と同一の大きさを有するはずであることを意味する。v(t)の大きさがwに比例することもあり、R<<mwlであるならば、制動中に電流の大きさが一定に保たれるはずであることを意味する。そこで、1)インダクタンスが支配的である制動の第1段階中に定電流の大きさを得ることができ、2)制動特性に関する設計パラメータとして電動機のインダクタンスおよび磁極数を使用して、制動電流の大きさを制御し得ることが理解され得る。したがって、このシステムは、十分な制動が保証され得るばかりでなく、電流を電力段および電動機が許容し得るレベルに制限することができる。一般的には、設計基準は、通常の動作速度において、電動機の定格電流の0.5〜4倍のmwl積を使用するものでよい。

【0039】

したがって、ブレーキ機能270とともに動作する制御回路240によって、電動機の相巻線において電動機の回転エネルギーの約70%〜約95%を放散するためのブレーキ起動の刺激またはイベントに応答して電力段MOSFETを用いた電動機短絡を使用することにより、電動機制動を実施することが可能になり得る。実施される制動は、制動中に外部電源の必要性なしで達成され得る。したがって、電源がオフなるかまたは完全に失われることさえあり得る(すなわちバッテリの取外しまたは除去によって)が、このブレーキ方式は依然として正常に動作し得る。制動を実施するための回路は、各相の個別の回路にわたって分配されてもよく、その結果、1つの相が故障によって失われても、制動は依然として効果的に動作することができる。したがって、いかなる単一の故障または機能不全によっても、このブレーキ方式が動作不能になることはなく、その結果、このブレーキ方式は基本的にフェイルセーフである。

【0040】

場合によっては、このブレーキ方式は、1つまたは複数のブレーキ起動イベントに応答して制動作用を起動する前に、遅延を組み込んでよい。いくつかの実施形態は、公称速度における制動中の短絡回路電流が定格電流の約0.5〜約4倍に制御されるように調節されたインダクタンスおよび磁極数を有する電動機を採用してよい。いくつかの実施形態は、ブレーキ機能270のために、設定可能な時間の後に、電力段MOSFETのゲート電荷が印加され、残りのブレーキ時間の間、十分なゲート電荷で維持されるという動作原理に基づくブレーキ回路を採用してもよい。外部電源なしで制動を可能にするために、ブレーキ回路は、15Vにおいて50μA未満という消費電力の要件も満たし得る。加えて、トリガスイッチケーブルが取り外されると制動が活性化されることになる。

【0041】

したがって、例示的実施形態の装置(たとえば屋外電力設備)は、作業組立体の動作に応答して作業機能を実施するように構成された作業組立体と、作業組立体に動力を供給する電動機(たとえばブラシレス直流電動機)と、選択的に電動機に給電するように構成された電源と、電動機の動作を制御するための制御回路と、ブレーキ起動イベントに応答して、電動機に対して選択的に制動を適用するように構成されたブレーキ機能とを含み得る。ブレーキ機能は、制動の適用中に外部電源を必要とすることなく、電動機の相巻線を短絡することによって制動を適用するように構成されてよい。制御回路は、マイクロプロセッサと、マイクロプロセッサと協調してブレーキ起動イベントに関連した少なくとも1つの信号を生成するように構成されたブレーキ起動イベント発生回路と、(前述のような)ブレーキ機能とを含み得る。ブレーキ機能の、制動の適用中に外部電源を必要とすることなく、電動機の相巻線を短絡することによって制動を適用する能力は、デバイスおよび制御回路に対するすべての電力が失われたとしても、ブレーキ機能が依然として効果的に動作し得ることを意味する。そのため、ブレーキ機能は、いかなる外部電源とも無関係に動作することができ、様々な故障条件の下でブレーキ機能の動作が保証され得る。

【0042】

いくつかの実施形態の装置(または制御回路)は、単独で、または互いに組み合わせて、任意選択で追加され得るさらなる特徴を含んでよい。たとえばいくつかの実施形態では、(1)ブレーキ機能は、第1の相、第2の相、および第3の相を含んでよく、その各々が、ブレーキ起動イベントに応答して、電動機の対応する相を共通ポイントに接続するための独立した回路を含み、それによって電動機の相巻線を効果的に短絡する。場合によっては、(2)ブレーキ機能は、第1の相、第2の相、および第3の相のうちいずれか2つがブレーキ起動イベントを受け取るのに応答して制動を適用するように構成されてよい。例示的実施形態では、(1)および/または(2)が採用されてよく、(3)ブレーキ起動イベントは、スロットル制御オペレータの解放、電源の喪失、または装置の電源がオフにされることであり得る。いくつかの例では、(4)制御回路がタイマをさらに含み、ブレーキ起動イベントは、スロットル制御オペレータの解放に応答して、タイマのあらかじめ構成された遅延時間の後に始動されてよい。いくつかの実施形態では、(5)あらかじめ構成された遅延時間は、オペレータによって調整可能であり、または装置のデバイスタイプに基づいて決定された工場設定である。

【0043】

いくつかの実施形態では、(1)〜(5)のうちのいずれかまたはすべてが、以下で説明される任意選択の変更または増強に加えて採用され得る。たとえば、いくつかの実施形態では、ブレーキ機能は、15Vにおいて50μA未満を消費するように構成されてよい。それに加えて、またはその代わりに、スロットル制御オペレータのトリガスイッチケーブルが取り外されるとブレーキが適用される。それに加えて、またはその代わりに、ブレーキが適用されると、電動機の相巻線において電動機の回転エネルギーの約70%〜約95%が放散される。それに加えて、またはその代わりに、電動機の3相のうちいずれか1つが断線するのに応答して、ブレーキ機能がブレーキ起動イベントに応答して電動機に制動を適用するように構成されてよい。

【0044】

本明細書で説明された本発明の多くの修正形態および他の実施形態が、前述の説明および関連する図面において示された教示の利益を有する、これらの発明に関係する技術分野の当業者には思い浮かぶであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、修正形態および他の実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれるように意図されていることを理解されたい。その上、前述の説明および関連する図面は、要素および/または機能の特定の例示的組合せの状況において例示的実施形態を説明しているが、要素および/または機能の様々な組合せが、添付の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく、代替実施形態によって提供され得ることを理解されたい。この点に関して、たとえば、要素および/または機能の、上記で明示的に説明されたものとは異なる組合せも、添付の特許請求の範囲のうちのいくつかにおいて説明され得ることが企図されている。利点、利益または課題に対する解決策が本明細書に説明されている場合には、そのような利点、利益および/または解決策は、いくつかの例示的実施形態に適用可能であり得るが、必ずしもすべての例示的実施形態に対して適用可能ではないことを理解されたい。したがって、本明細書で説明されたいかなる利点、利益または解決策も、すべての実施形態または本明細書で請求されるものにとって、決定的なもの、必要なもの、または不可欠なものと見なされるべきではない。特定の用語が本明細書に採用されるが、それらは一般的かつ説明的な意味のみにおいて使用されており、限定するためのものではない。

【符号の説明】

【0045】

100 電動デバイス
110 ハウジング
210 電源
220 作業組立体
230 ブラシレス直流電動機
240 制御回路
245 タイマ
250 電源スイッチ
260 スロットル制御オペレータ
270 ブレーキ機能
300 トリガスイッチ入力
310 ブレーキ起動回路
320 マイクロコントローラ
330 第1の相
340 第2の相
350 第3の相
360 MOSFETドライバ
362 高電圧側MOSFET
364 低電圧側MOSFET
366 絶縁スイッチ
370 ブレーキゲート駆動回路

【図1】

【図2】