JP2004104921A - High response stepping motor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータに関し、さらに詳しくは高速応答が可能な簡潔構造の高速応答型ステッピングモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年PM型ステッピングモータは、その制御性の良さから各種機器のアクチュエータとして利用範囲は拡大の一途を辿っているが、各種機器の高性能化に伴い、PM型ステッピングモータにも高速応答性が求められている。
【0003】
図6は、従来のPM型ステッピングモータの斜視図を示し、図6(A)は、従来のPM型ステッピングモータの分解斜視図であり、図6(B)は、従来のPM型ステッピングモータに用いられるステータの分解斜視図である。
【0004】
図6(A)に示すように、従来のPM型ステッピングモータは、互いに背中合わせに固定された第1のステータユニット30Aと第2のステータユニット30Bと、第1のステータユニット30Aと第2のステータユニット30Bとに回転自在に配設され、界磁用ロータマグネット44を外周に有するロータ40とで構成されている。
【0005】
図6(B)に示すように、第1のステータユニット30Aは、上下に組合わされた上部ステータヨーク31と下部ステータヨーク33と、励磁用のコイル部35とで構成されている。上部ステータヨーク31と下部ステータヨーク33は、内側の円周縁に沿って抜き起こしにより複数の極歯32が形成されている。第1のステータユニット30Aに背中合わせに固定される第2のステータユニット30Bも同様の構成となっている。
【0006】
いずれのステータヨークにおいても、極歯はステッピングモータに要求される1回転のステップ数に対応した数の極歯が等間隔に配列されており、第1のステータユニット30Aと第2のステータユニット30Bは、それぞれ上部ステータヨーク31と下部ステータヨーク33との上下に対向する極歯32どうしが互いに電気角で180°ずれて配列されている。また、第1のステータユニット30Aの極歯32と第2のステータユニット30Bの極歯32どうしは電気角で90°ずれるような位置関係で配置されており、第1のステータユニット30Aと第2のステータユニット30Bにより、ロータ40を回転駆動することができる。
【0007】
PM型ステッピングモータの動きは、コイル部35の通電により上部ステータヨーク31と下部ステータヨーク33の極歯32がN極とS極に励磁され、これに対応して界磁用ロータマグネット44によりロータ40が回転軸41を中心として回転するもので、その出力は、全周積分された磁極の値となる。第1のステータユニット30Aと第2のステータユニット30Bの磁路は、コイル部35の通電により発生した磁束が上部ステータヨーク31か下部ステータヨーク33かの一方の極歯32のN極から出て界磁用ロータマグネット44のS極に入り、界磁用ロータマグネット44のN極から反対側のステータヨークの極歯32のS極に入ってステータヨークの外周まで行き嵌合されている反対側のステータに帰る経路となる。
【0008】
ここで磁束の最も集中するところ、所謂磁束密度が最も高くなるところは上部ステータヨーク31と下部ステータヨーク33の極歯32の根元であり、他の部分は磁路の断面積も大きく磁束密度は低くなっている。基本的に磁路における磁束の量は、磁束密度の最も高い位置(場所)で制限されるため、他の部分はインダクタンスとして存在し鉄損を大きくするだけで不要であるが、実際には強度上の構造体として、また、磁気シールドとして磁気的には余分な部分を存在させている。
【0009】
従って、従来のPM型スッテピングモータは、上部ステータヨーク31と下部ステータヨーク33どうしの嵌合量が多くなり、インダクタンスが大きくなっている。そのため電気時定数が大きくなり高速応答のための高周波駆動では、電流の立ち上がりに時間が掛かり規定時間内では十分な電流を流すことができず、回転を継続するだけのトルクが発生できずに停止し高速応答の要求に応えられないでいた。
【0010】
また、上部ステータヨーク31と下部ステータヨーク33の嵌合は、一方のカップ形状に形成された上部ステータヨーク31の内側面31aと、他方の環状形状に形成された下部ステータヨーク33の外周面33aとを嵌め合せるが、全面を嵌合させるには非常に高い寸法精度が必要なことと、カップ状形状に形成された上部ステータヨーク31に各種切欠きがあり真円性が悪いがために実際には隙間があり、嵌合のレベルがバラツキ、磁気抵抗を安定させることが不可能であった。そのため、特性のバラツキが大きくなる傾向があり、上部ステータヨーク31と下部ステータヨーク33との嵌合を安定させることができずコストパフォーマンスの悪いものとなっていた。
【0011】
さらに、高速応答を必要とする機器には、ハイブリッド型のステッピングモータを用いることもできるが、ロータとステータヨークの構造が極めて複雑であり、また、DCモータなどを用い回転角検出用などの各種センサーを配してクローズドループ制御を行っているものもあるがやはり極めて複雑であり、極めて高価で時代の要求する低価格で高性能な装置には使用できないという問題もあった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであって、安定した特性を維持し、簡潔構造で高速応答を可能とする高速応答型ステッピングモータを提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の高速応答型ステッピングモータは、軟磁性材の鋼板を折り曲げ内周に沿って形成した極歯が互いに組み合わされた2個のステータヨークの内側にコイルを挟み込みステータユニットを構成し、前記ステータユニットが2個背中合わせに固定されたステータアッシィと、界磁用ロータマグネットを外周に有し前記極歯と対向して前記ステータアッシィに配設されたロータとを備え、前記2個のステータヨークが嵌合する嵌合部の長さの合計を前記ステータヨークの極歯の根元の長さの合計の2倍以下とした。
【0014】
また、本発明の高速応答型ステッピングモータは、一方の前記ステータヨークをカップ形状とし、他方の前記ステータヨークを前記カップ形状のステータヨークの内側に嵌合する環状形状とし、前記環状形状のステータヨークの外周形状により前記嵌合部の長さの設定を行うこととした。
【0015】
さらに、本発明の高速応答型ステッピングモータは、前記環状形状のステータヨークが、外周に沿って予め定めた間隔で切欠部を形成し、前記嵌合部の長さの設定を行うこととした。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0017】
図1は、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータの構成図である。
【0018】
図1に示すように、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータは、PM型のステッピングモータであり、1と2は亜鉛メッキ鋼板を打抜いて造られたフランジ、3は含油合金からなる軸受、11は軟磁性材の鋼板を3次元的にカップ状に折曲げ内周に極歯12を持つカップ形状の上側ステータヨーク、15はポリウレタン銅線などを巻回して構成したコイル、14はコイル15を保持するボビン、13は軟磁性材の鋼板を抜き起こし、内周に極歯12を持つ環状形状の下側ステータヨークで、第1のステータユニット10Aは、上側ステータヨーク11と下側ステータヨーク13とでボビン14に保持されたコイル15を挟み組み合わされる。第2のステータユニット10Bは、第1のステータユニット10Aと同一構成であり、第1のステータユニット10Aと背中合わせに固定される。第1のステータユニット10Aと第1のステータユニット10Bとでステータアッシィが構成される。
【0019】
21は回転中心となるシャフト、24は外周に着磁が施されて形成された複数の磁極を持ち、上側ステータヨーク11と下側ステータヨーク13の極歯12と対向して配設される界磁用ロータマグネット、23は界磁用ロータマグネット24とシャフト21を締結保持するスリーブである。シャフト21と、界磁用ロータマグネット24と、スリーブ23とでロータ20が構成され、ロータ20は、回転中心となるシャフト21を基準としてスリーブ23を圧入固定し、スリーブ23の外周に接着材を塗布し界磁用ロータマグネット24を同軸となるように挿入し接着固定して製造される。
【0020】
ロータ20は、界磁用ロータマグネット24が第1のステータユニット10Aと第2のステータユニット10Bの極歯12と微小間隔で対向するように、フランジ1にカシメ固定された含油合金から成る軸受3にシャフト21が下側から挿入されてフランジ1が第1のステータユニット30Aにプラズマ溶接などにより固定され、フランジ2にカシメ固定した軸受(図示せず)にシャフト21が上側から挿入されフランジ2が第2のステータユニット30Bにプラズマ溶接などにより固定され、第1のステータユニット10Aと第2のステータユニット10Bとに回転自在に取り付けられる。
【0021】
図2は、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータで使用される第1のステータユニット10Aの断面図である。
【0022】
図2に示すように、第1のステータユニット10Aは、カップ形状に形成された上側ステータヨーク11の内側面と、環状形状に形成された下側ステータヨーク13の外周面とで嵌め合せ嵌合させている。この嵌合により、上側ステータヨーク11の内側面と下側ステータヨーク13の外周面とは断続的に嵌合する。又、上側ステータヨーク11と下側ステータヨーク13とが嵌合したとき、上側ステータヨーク11と下側ステータヨーク13の極歯12どうしが等間隔で組み合うように配置される。上側ステータヨーク11と下側ステータヨーク13の内側には、コイル15が納められている。なお、図1に示す第2のステータユニット10Bは、第1のステータユニット10Aと背中合わせに重ね、高分子材料を用いたモールド成形などの手法により一体化している。
【0023】
図3は、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータで使用される環状形状に形成された下側ステータヨークの平面図である。
【0024】
図3に示すように、環状形状に形成された下側ステータヨーク13は、外周に沿って予め定めた間隔で切欠部13aが形成され、切欠部13aの形成により嵌合部13bが形成されている。下側ステータヨーク13の嵌合部13bは、図1に示すカップ形状に形成された上側ステータヨーク11の端部の内側面に嵌合面13cで嵌合する。切欠部13aにより嵌合を全周ではなく数箇所として、嵌合部13bの長さLaの合計である嵌合長を、極歯12の根元の長さLbの合計の長さの2倍以下とした。そのため、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータは、必要以上のインダクタンスを抑えることができ、上側ステータヨーク11や下側ステータヨーク13の寸法精度を上げることなく嵌合が安定できるため、磁気結合が安定し低価格で高速応答を行うことができる。
【0025】
図4は、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータにおいて嵌合長によるインダクタンスの変化とトルクの変化を表すグラフである。
【0026】
図4に示すように、このグラフは、図3で説明した極歯の合計の長さを基準とした嵌合長との嵌合長比率に対するインダクタンスの変化とトルクの変化を変化率として表している。図4のグラフから明らかなように、嵌合長比率が低くなると、即ち嵌合長が短くなればインダクタンスは減少し、トルクは嵌合長比率2、即ち極歯長さの2倍以下はあまり変化していないことが分かる。
【0027】
図5は、従来のPM型ステッピングモータと本発明の高速応答型ステッピングモータの嵌合長の違いによる特性を示すグラフである。
【0028】
このグラフは、本発明の高速応答型ステッピングモータを32ステップとして嵌合長比率を1.3としたときの回転周波数に対するトルクと電流の関係を従来品(嵌合長比率2.4)と比較している。Tjは、従来のPM型ステッピングモータのトルク特性を示し、Tnは、本発明の高速応答型ステッピングモータのトルク特性を示し、Ijは、従来のPM型ステッピングモータの電流特性を示し、Inは、本発明の高速応答型ステッピングモータの電流特性を示す。
【0029】
本発明の高速応答型ステッピングモータは、従来のPM型ステッピングモータに対し電流は全体的に多めではあるが、従来のPM型ステッピングモータに対し特に高速域でトルク特性が良くなっていることが分かる。
【0030】
なお、本発明の実施の形態では、環状形状に形成された下側ステータヨーク13の外周に沿って予め定めた間隔で切欠部13aを形成し、嵌合部13bの長さの設定を行っているが、カップ形状に形成された上側ステータヨーク11の外周の下端に切欠部を形成することもできる。
【0031】
さらに、本発明の実施の形態では、インナーロータ型であるPM型ステッピングモータにつき説明したが、当然ながら、本発明の骨子はアウターロータ型のステッピングモータにも適用することができるる。
【0032】
以上述べたごとく、本発明の実施の形態によればPM型ステッピングモータは、安定した特性を維持し、簡潔構造で高速応答を可能とすることができる。
【0033】
【発明の効果】
本発明の高速応答型ステッピングモータは、軟磁性材の鋼板を折り曲げ内周に沿って形成した極歯が互いに組み合わされた2個のステータヨークの内側にコイルを挟み込みステータユニットを構成し、前記ステータユニットが2個背中合わせに固定されたステータアッシィと、界磁用ロータマグネットを外周に有し前記極歯と対向して前記ステータアッシィに配設されたロータとを備え、前記2個のステータヨークが嵌合する嵌合部の長さの合計を前記ステータヨークの極歯の根元の合計の長さの2倍以下としたため、高速応答性の阻害要因であるインダクタンスの最適化と、ステータヨークどうしの嵌合の安定化ができ、安定した特性を維持し、低価格で高速応答を可能とすることができる。
【0034】
また、本発明の高速応答型ステッピングモータは、一方の前記ステータヨークをカップ形状とし、他方の前記ステータヨークを前記カップ形状のステータヨークの内側に嵌合する環状形状とし、前記環状形状のステータヨークの外周形状により前記嵌合部の長さの設定を行うこととしたため、嵌合部の長さの設定を的確にでき、ステータヨークどうしの嵌合を安定することができる。
【0035】
さらに、本発明の高速応答型ステッピングモータは、前記環状形状のステータヨークが、外周に沿って予め定めた間隔で切欠部を形成し、前記嵌合部の長さの設定を行うこととしたため、嵌合部の長さの設定をより的確にでき、ステータヨークどうしの嵌合を安定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に関わる高速応答型ステッピングモータの構成図である。
【図2】本発明に関わる高速応答型ステッピングモータで使用される第1のステータユニット10Aの断面図である。
【図3】本発明に関わる高速応答型ステッピングモータで使用される環状形状に形成された下側ステータヨークの平面図である。
【図4】本発明に関わる高速応答型ステッピングモータにおいて嵌合長によるインダクタンスの変化とトルクの変化を表すグラフである。
【図5】従来のPM型ステッピングモータと本発明の高速応答型ステッピングモータの嵌合長の違いによる特性を示すグラフである。
【図6】従来のPM型ステッピングモータの斜視図を示し、図6(A)は、従来のPM型ステッピングモータの分解斜視図であり、図6(B)は、従来のPM型ステッピングモータに用いられるステータの分解斜視図である。
【符号の説明】
1、2 フランジ
3 軸受
10A 第1のステータユニット
10B 第2のステータユニット
11 上側ステータヨーク
12 極歯
13 下側ステータヨーク
13a 切欠部
13b 嵌合部
13c 嵌合面
14 ボビン
15 コイル
21 シャフト
23 スリーブ
24 界磁用ロータマグネット
20 ロータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a stepping motor, and more particularly to a high-speed response stepping motor having a simple structure capable of high-speed response.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the use range of PM type stepping motors as actuators for various devices has been steadily expanding due to its good controllability. However, with the high performance of various devices, PM type stepping motors also require high-speed response. Have been.
[0003]
FIG. 6 shows a perspective view of a conventional PM type stepping motor, FIG. 6 (A) is an exploded perspective view of the conventional PM type stepping motor, and FIG. 6 (B) shows a conventional PM type stepping motor. FIG. 4 is an exploded perspective view of a stator used.
[0004]
As shown in FIG. 6A, a conventional PM type stepping motor includes a
[0005]
As shown in FIG. 6B, the
[0006]
In any of the stator yokes, the pole teeth of the number corresponding to the number of steps of one rotation required for the stepping motor are arranged at regular intervals, and the
[0007]
The movement of the PM type stepping motor is such that the
[0008]
Here, the place where the magnetic flux is concentrated most, that is, the place where the so-called magnetic flux density becomes the highest, is the root of the
[0009]
Therefore, in the conventional PM stepping motor, the fitting amount between the
[0010]
The
[0011]
In addition, a hybrid type stepping motor can be used for equipment requiring high-speed response, but the structure of the rotor and stator yoke is extremely complicated. There are sensors that perform closed-loop control by arranging sensors, but they are still extremely complicated, and have a problem that they cannot be used for very expensive and low-priced, high-performance devices required by the times.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such a conventional problem, and has as its object to provide a high-speed response type stepping motor that maintains stable characteristics, has a simple structure, and enables high-speed response.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The high-speed responsive stepping motor according to the present invention comprises a stator unit in which a coil is sandwiched inside two stator yokes in which pole teeth formed by bending a steel plate of a soft magnetic material along an inner circumference are combined with each other, A stator assembly having two units fixed back-to-back, and a rotor having a field rotor magnet on the outer periphery and disposed on the stator assembly so as to face the pole teeth; The total length of the fitting portion where the yoke is fitted is set to be not more than twice the total length of the pole teeth of the stator yoke.
[0014]
Further, in the high speed response type stepping motor according to the present invention, the one stator yoke has a cup shape and the other stator yoke has an annular shape fitted inside the cup shaped stator yoke. The length of the fitting portion is set based on the outer peripheral shape of.
[0015]
Further, in the high-speed response stepping motor according to the present invention, the annular stator yoke has cutouts formed at predetermined intervals along the outer periphery, and sets the length of the fitting portion.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0017]
FIG. 1 is a configuration diagram of a high-speed response type stepping motor according to the present invention.
[0018]
As shown in FIG. 1, a high-speed response type stepping motor according to the present invention is a PM type stepping motor, wherein 1 and 2 are flanges formed by punching a galvanized steel sheet, 3 is a bearing made of an oil-impregnated alloy,
[0019]
[0020]
The
[0021]
FIG. 2 is a sectional view of the
[0022]
As shown in FIG. 2, the first stator unit 10 </ b> A is fitted with an inner surface of an
[0023]
FIG. 3 is a plan view of an annular lower stator yoke used in the high-speed stepping motor according to the present invention.
[0024]
As shown in FIG. 3, the
[0025]
FIG. 4 is a graph showing a change in inductance and a change in torque depending on the fitting length in the high-speed response stepping motor according to the present invention.
[0026]
As shown in FIG. 4, this graph shows the change in inductance and the change in torque with respect to the fitting length ratio to the fitting length based on the total length of the pole teeth described in FIG. I have. As is clear from the graph of FIG. 4, when the fitting length ratio is low, that is, when the fitting length is short, the inductance is reduced, and the torque is very small when the fitting length ratio is 2, that is, when the pole tooth length is twice or less. It can be seen that it has not changed.
[0027]
FIG. 5 is a graph showing characteristics of the conventional PM type stepping motor and the high-speed response type stepping motor of the present invention depending on the fitting length.
[0028]
This graph compares the relationship between torque and current with respect to rotation frequency when the high-speed response type stepping motor of the present invention is 32 steps and the fitting length ratio is 1.3, as compared with the conventional product (fitting length ratio of 2.4). are doing. Tj indicates the torque characteristic of the conventional PM stepping motor, Tn indicates the torque characteristic of the high-speed response stepping motor of the present invention, Ij indicates the current characteristic of the conventional PM stepping motor, and In indicates 4 shows current characteristics of the high-speed response type stepping motor of the present invention.
[0029]
The high-speed response type stepping motor of the present invention has a larger current than the conventional PM type stepping motor as a whole, but has a better torque characteristic especially in the high speed region than the conventional PM type stepping motor. .
[0030]
In the embodiment of the present invention, the
[0031]
Further, in the embodiment of the present invention, the PM type stepping motor which is an inner rotor type has been described. However, naturally, the gist of the present invention can be applied to an outer rotor type stepping motor.
[0032]
As described above, according to the embodiment of the present invention, the PM type stepping motor can maintain stable characteristics, and can achieve a high-speed response with a simple structure.
[0033]
【The invention's effect】
The high-speed responsive stepping motor according to the present invention comprises a stator unit in which a coil is sandwiched inside two stator yokes in which pole teeth formed by bending a steel plate of a soft magnetic material along an inner circumference are combined with each other, A stator assembly having two units fixed back-to-back, and a rotor having a field rotor magnet on the outer periphery and disposed on the stator assembly so as to face the pole teeth. Since the total length of the fitting portion to which the yoke is fitted is less than twice the total length of the roots of the pole teeth of the stator yoke, optimization of inductance, which is a hindrance to high-speed response, and improvement of the stator yoke It is possible to stabilize the fitting between each other, maintain stable characteristics, and enable high-speed response at low cost.
[0034]
Further, in the high speed response type stepping motor according to the present invention, the one stator yoke has a cup shape and the other stator yoke has an annular shape fitted inside the cup shaped stator yoke. Since the length of the fitting portion is set based on the outer peripheral shape, the length of the fitting portion can be accurately set, and the fitting between the stator yokes can be stabilized.
[0035]
Furthermore, in the high-speed response type stepping motor of the present invention, the annular stator yoke forms cutouts at predetermined intervals along the outer periphery and sets the length of the fitting portion. The length of the fitting portion can be set more accurately, and the fitting between the stator yokes can be stabilized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a high-speed response type stepping motor according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a
FIG. 3 is a plan view of an annular lower stator yoke used in the high-speed response stepping motor according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a change in inductance and a change in torque depending on a fitting length in a high-speed response type stepping motor according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing characteristics according to a difference in fitting length between a conventional PM type stepping motor and a high-speed response type stepping motor of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view of a conventional PM stepping motor, FIG. 6A is an exploded perspective view of the conventional PM stepping motor, and FIG. 6B is a perspective view of the conventional PM stepping motor. FIG. 4 is an exploded perspective view of a stator used.
[Explanation of symbols]
1, 2
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002264381A JP2004104921A (en) | 2002-09-10 | 2002-09-10 | High response stepping motor |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2002264381A JP2004104921A (en) | 2002-09-10 | 2002-09-10 | High response stepping motor |
Publications (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101006932B1 (en) * | 2008-08-19 | 2011-01-10 | 엘지이노텍 주식회사 | Stepping motor |
-
2002
- 2002-09-10 JP JP2002264381A patent/JP2004104921A/en active Pending
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KR101006932B1 (en) * | 2008-08-19 | 2011-01-10 | 엘지이노텍 주식회사 | Stepping motor |
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