JP2005117731A - 永久磁石式２相回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価な２相回転電機の実現を目的とする。主極数を２個の安価な２相機の実現を課題とする。また主極数を４個として、従来技術では安価に不平衡電磁力をキャンセルできなかった。そのため従来は８主極（コイル数が８個）であったが、これとほぼ同等の性能の回転電機を４主極で可能にすることを課題とする。
【解決手段】 複数個の歯を有したギャ状磁性体２個でお互いに歯ピッチを３６０度（電気角）として１８０度（電気角）ずらした位置で永久磁石を挟持した所謂ハイブリッド型回転子と、エアギャップを介して対向した固定子で、１個の集中巻きしたコイルによりその先端部は複数の誘導子歯を備えた主極とコイルを有しないでその先端に該主極から１８０度（電気角）の位置に配置された複数の誘導子歯を有する補助極にて１相を形成し、これらを２組にて２相を形成し、主極同士は９０度（電気角）の位相差を有したことを特徴とする永久磁石式２相回転電機。
【選択図】 図１

Description

本発明はＯＡ機器等に使用される高トルクで、構造が簡素で安価な２相式ステッピングモータ等の回転電機に関する。

永久磁石型２相式ステッピングモータは、複数個の歯を有したギャ状磁性体２個でお互いに歯ピッチを３６０度（電気角）として１８０度（電気角）ずらした位置で永久磁石を挟持した所謂ハイブリッド型回転子と各々集中巻きされたコイルを有し、その先端に複数の誘導子歯を有する図５に示すような８個の主極構造が主流で広く使用されている。

本願で、主極とはその先端に複数の誘導子磁歯を有してその首部にコイルを集中巻きした固定子ポールをいう。

特開２００３−１３４７８８

１）ハイブリッド型８主極の構造ではコイルが多くその複雑な渡り線処理で高価であった。
２）そのために８主極から４主極にコイル数を減らすと、サイドプルと称する不平衡なラジアル方向の吸引力が発生し、軸受け等に余分なストレスを与えていた。
３）特開２００３−１３４７８８にて２相ＨＢ型４主極構造で不平衡なラジアル方向の吸引力の発生をキャンセルできる構造の提案がなされているが、そのためには回転子を２連の特殊構造とすることになり、安価という観点からは問題があった。

本発明を解決するには以下の手段による。
「手段１」
複数個の歯を有したギャ状磁性体２個でお互いに歯ピッチを３６０度（電気角）として１８０度（電気角）ずらした位置で永久磁石を挟持した所謂ハイブリッド型回転子と、エアギャップを介して対向した固定子で、１個の集中巻きしたコイルによりその先端部は複数の誘導子歯を備えた主極とコイルを有しないでその先端に該主極から１８０度（電気角）の位置に配置された複数の誘導子歯を有する補助極にて１相を形成し、これらを２組にて２相機を形成し、主極同士は９０度（電気角）の位相差を有したことを特徴とする永久磁石式２相回転電機。
「手段２」
複数個の歯を有したギャ状磁性体２個でお互いに歯ピッチを３６０度（電気角）として１８０度（電気角）ずらした位置で永久磁石を挟持した所謂ハイブリッド型回転子と、エアギャップを介して対向した固定子で、１個の集中巻きしたコイルによりその先端部は複数の誘導子歯を備えた主極とコイルを有しないでその先端に該主極から１８０度（電気角）の位置に配置された複数の誘導子歯を有する補助極を１セットとして、同一の計２セットをお互いに略１８０度（機械角）に配置して、１相を形成し、これらの相を２組にて２相を形成し、相間の主極同士は９０度（電気角）の位相差を有したことを特徴とする永久磁石式２相回転電機。
「手段３」
手段１または２で、回転子が円筒形永久磁石の外周にN極S極を交互に磁化した永久磁石式回転子であるもの。但し、回転子の極対数ピッチを３６０度（電気角）とする。
「手段４」
手段２で、ハイブリッド型回転子の歯数が１００であることを特徴とする２相永久磁石式回転電機。
「手段５」
手段１から５において、２相回転電機がステッピングモータであるもの。
「手段６」
手段１または２で、固定子の各誘導子磁歯群を回転子に近い場所で細部で連結して主極の首部を一体に同一磁性体で構成し、コイルを挿入後、それらの外周を環状磁性体の内周部に密着させて固定子を２分割式の合体として構成するか、または主極部のみを分割してコイル挿入後環状ヨーク内周部に密着させたことを特徴とする２相永久磁石式回転電機。

上述の如き構成においては、以下の理由で課題が解決できる。
１）
コイルが従来の８個から２個となるので、構造が簡素となりその結果、安価となる。不平衡電磁力は発生するが従来方式が４個方式で発生したのに対し２個方式と簡素になる。
２）本発明でコイルを４個とした場合は従来の４個方式に対し、ラジアル方向不平衡電磁力が発生しない。また特開２００３−１３４７８８のように２連型HB回転子と、しなくてよいので安価となる。

１）
コイルが従来の８個から２個となるので、構造が簡素となりその結果、安価となる。不平衡電磁力は発生するが従来方式が４個方式で発生したのに対し２個方式と簡素になる。
２）
本発明でコイルを４個とした場合は従来の４個方式に対し、ラジアル方向不平衡電磁力が発生しない。即ち従来のコイル８個方式とほぼ同じ性能をコイル４個方式で可能になり、そのため安価となる。
３）
回転子歯数を１００（ＮＳ交互の円筒磁石回転子では極対数が１００）とすると固定子形状の対称性が向上するので特性が更に向上する。
４）
固定子を一部分割式とすればトータルとして更に安価となる。

以下図面によって説明する。
図１は本発明による２相ハイブリッド（以下ＨＢと略す）型ステッピングモータであり、（Ａ）は正面図（軸に垂直）、（Ｂ）は側面断面図である。１は磁性体よりなる固定子ヨーク、２〜５はは複数（図では各２個）の誘導子である磁歯である。６はインシュレータであり、コイル７を保持している。８及び９は磁性体よりなる回転子であり、その外周に複数（図では１０個）の磁歯を等ピッチで設けてある。ＨＢ型回転子なので、軸方向に磁化した永久磁石１０を８と９で挟持して、また８と９は歯ピッチの（１／２）づらして回転軸１１に固定されている。今８がＮ極、９がＳ極に永久磁石１０で磁化されているとすると、固定子磁歯２と対向している回転子８の磁歯から出た磁束の大半ははコイル７と鎖交し、固定子磁歯３から対向している回転子９の磁歯を通り永久磁石１０に戻る。回転子歯ピッチを３６０度（電気角）とすれば、２と３は回転子歯を基準としてお互いに１８０度異なる位置配置関係にあることになる。即ち２を含む歯群部を１相の主極とすれば３を含む歯群部は１相の補助極の役割となる。４と５の位置関係も同様であり４を含む歯群部が２相側の主極、５を含む歯群部が２相側の補助極となる。また２と４は回転子歯を基準として電気角で９０度の位置関係にある。この様な関係位置で２個のコイル７に９０度位相の異なる交番電流を流すことで、回転子を一方向に回転させることが出来、２相式の同期電動機やステッピングモータやブラシレスモータとなる。図１では軸１１を支える構造体は省略してある。

図１はコイルが２個と簡素な構造となるが、ラジアル方向の不平衡電磁力が発生する。しかし従来方式では図４で後述するがコイル４個の構造でも発生していたことからすればコイル２個と構造が簡素になり改善といえる。

図２は別の本発明による２相HB型ステッピングモータの正面図であり、上記のラジアル方向の不平衡電磁力を集中巻きしたコイル４個の構造でキャンセルさせるものである。側面図は図１の側面図とほぼ同じなので省略する。図２で磁性体よりなる固定子２０には４個の主極２１，２２，２３，２４が内径方向に突き出し、その先端部には複数（図では６個）の誘導子磁歯があり、その首の部分には集中巻きされたコイル３１、３２、３３，３４がそれぞれ巻かれている。また２５、２６、２７、２８は補助極であり、コイルは設けず、その先端部には複数（図では６個）の誘導子磁歯を設けている。そしてこれらの誘導子磁歯とエアギャップを介して、磁性体よりなりその外周に複数Nr個の歯を有した回転子２個をその歯ピッチの（１／２）ずらせて、軸方向に磁化した永久磁石を挟持したHB型回転子と対向している。図では背面の永久磁石及び後側回転子の図示は省略してある。
この様な構成で、１相分コイルは２１，２３に巻かれた３１、３３となり、１相分磁歯は２１、２５、２３、２７で構成される。この時、図示したように１相分コイルコイル３１、３３に図示の方向で電流を流すと、図示の位置で回転子３５の磁歯と対向し図示されている前側回転子３５の極性がＳ極とするとＮ極である後ろ側回転子歯と対向している固定子補助極２５、２７から回転子の永久磁石の磁束が入り２１、２３を経由して対向している磁歯から回転子３５に入り永久磁石に戻る１相分磁気回路を形成する。この場合、２１と２３は機械角で１８０度の位置で回転子を吸引し、また２５、２７も機械角で１８０度の位置で後ろ側回転子を吸引するので、不平衡電磁力はキャンセルされることになる。同様に残りの２２、２６、２４、２８で２相目の磁気回路を構成し、同様に２相目分の不平衡電磁力も常にキャンセルされる。

図３は図１に示した本発明の構造の場合の２相ステッピングモータとしての回転原理を示したものである。Ｓｔは固定子、ＲｏはＨＢ型回転子を表し図のように磁化されている。即ちN極は軸方向で手前、Ｓ極は軸方向で後ろ側に位置している。Ａ１、Ａ２、が各々１相の主極と補助極。Ｂ１、Ｂ２が２相目の主極と補助極を表す。この場合、回転子歯との対向関係から明らかなように、Ａ１を基準にすると電気角表示で、Ａ２は１８０度、Ｂ１は９０度異なる位置となる。またＢ１とＢ２も１８０度異なる位置関係となっていることが分かる。さて、１）では１相コイルが通電されＡ１がＳ極に磁化され、回転子のＮ極と対向している。次に１）の１相コイルの電流が切れて２）のように２相目のコイルが通電されると回転子はその歯ピッチの（１／４）左方向に歩進し、Ｂ１の歯と回転子のN極が対向する。次に３）に移り、２相目電流が切れて１相コイルに１）とは方向が逆の電流が流れ、回転子は更にその歯ピッチの（１／４）左方向に歩進し、Ａ１の歯と回転子のＳ極が対向する。次に４）に移り、同様に２相目コイルに２）の時とは逆方向の電流が流れて回転子は更にその歯ピッチの（１／４）左方向に歩進し、Ｂ１の歯と回転子のS極が対向する。これを１）に戻り繰り返すことで一方向に回転をすることになる。図２の場合も回転原理は同じである。またＨＢ型回転子に変えて同一平面状にＮ極とＳ極が交互に分布する円筒型永久磁石と図１、図２に示した固定子と組み合わせても動作可能である。この方式はＨＢ型に対し、永久磁石の磁束が正弦波状に分布するので低振動となる。

図２でコイル４個の構造で不平衡電磁力が発生しない本発明の構造は簡素であり安価となる。これに対し従来の構造の正面図を図５に示す。コイル８個の構造で不平衡電磁力が発生しない従来の構造は組み立て時間も多くなり図２と比較して高価となる。図５と図２は回転子歯数Nrは同じ場合（５０個）で示してある。永久磁石式２相ステッピングモータのステップ角は電気角で９０度であるので、その機械角は（９０°／Ｎｒ）となり、Ｎｒ＝５０では１．８度がステップ角となる。
また図示は省略するが、Ｎｒ＝１００ではステップ角は０．９°となり、１００歯をHB型なのでピッチの（１／２）ずらすと任意の回転子Ｎ極歯位置から機械角で４５度の位置に回転子Ｓ極歯位置を向けられるので図２の例えば２１と２５、２３と２７が機械角４５度となり、２２と２６、また２４と２８の関係も４５度となるので、各主極や補助極位置関係の対称性を向上でき、本発明の構造では都合の良い回転子歯数となる。また回転子歯数は上述したような５０個や１００個の様に偶数とすれば、例えば図２の２１と２３及び２２と２４の位置関係はお互いに機械角で１８０度となり、不平衡電磁力を完全にキャンセルできて望ましいが歯数が例えば５０以上と多くなれば、奇数の歯数でも、２１と２３及び２２と２４の位置関係はお互いに機械角で１８０度に近い値とできるので、不平衡電磁力を完全ではないが実用上問題にならない程度にキャンセルさせることが出来る。

図６は４個コイルの従来方式のHB型回転電機の簡略立体図である。図を簡単にするために固定子主極の誘導子磁歯は省略してある。図６より、回転子Ｓ極は上側に、回転子N極は下側に吸引されて、不平衡電磁力が発生していることが分かる。この軸に加わる偶力は回転時に軸はすりこぎ棒状に力を受けて騒音や振動を誘発することになるがコイルが４個と簡素な構造なのでその安価性から一部で使用されている。図１は同様に不平衡電磁力が起きるが、コイルが２個とその安価性では従来の図６の回転電機に勝ることになる。

図１、図２等で示した回転電機は安価な２相ステッピングモータに適した構造
であるが、回転子の極位置を検出して次の相電流を切り替え歩進させるブラシレスモータとしても良い。

図４に本発明の変形例を示す。例えば図２で固定子の外周部分（図４の（Ａ））と各８個の誘導子磁歯群を細部で連結して歯部と２１、２２、２３、２４の首部を一体に同一磁性体で構成した部分とに２分し、ボビン等に巻いたコイルを挿入後、それらの外周を環状磁性体の内周部に密着させて固定子を２分割式の合体として構成（図４の（Ｂ））しても良い。この場合は図２がスロット部からコイルを巻き込むのに対し別に巻いたコイルを挿入するのでコイル占積率を向上できる。
各８個の誘導子磁歯群を細部で連結するので回転子永久磁石のコイルとの鎖交磁束はやや減少するがコイル銅量が増加するので、トルクの減少はなく、スロットからコイルを巻き込む時間がボビン巻きで短縮されるので安価となる。
または２１、２２、２３、２４の主極のみ分割コアとしてボビン巻きしたコイル挿入後、溶接やはめ込み等で合体させても良い。

本発明の回転電機の正面図（Ａ）と側面図（Ｂ） 本発明の別の図 本発明の回転原理説明図 本発明の別の図 従来技術の図 別の従来技術の図

符号の説明

１：固定子
２〜５：誘導子磁歯、
６：インシュレータ、
７：コイル、
８〜９：回転子、
１０：永久磁石、
１１：回転軸、
２０：固定子
２１，２２，２３，２４：固定子主極、
２５、２６、２７、２８：補助極、
３１、３２、３３，３４：コイル、
３５：回転子

Claims (6)

1. 複数個の歯を有したギャ状磁性体２個で、お互いに歯ピッチを３６０度（電気角）として１８０度（電気角）ずらした位置で、永久磁石を挟持した所謂ハイブリッド型回転子と、エアギャップを介して対向した固定子で、１個の集中巻きしたコイルによりその先端部は複数の誘導子歯を備えた主極とコイルを有しないで、その先端に該主極から１８０度（電気角）の位置に配置された複数の誘導子歯を有する補助極にて１相を形成し、これらを２組にて２相機を形成し、主極同士は９０度（電気角）の位相差を有したことを特徴とする永久磁石式２相回転電機。
2. 複数個の歯を有したギャ状磁性体２個で、お互いに歯ピッチを３６０度（電気角）として１８０度（電気角）ずらした位置で、永久磁石を挟持した所謂ハイブリッド型回転子と、エアギャップを介して対向した固定子で、１個の集中巻きしたコイルによりその先端部は、複数の誘導子歯を備えた主極とコイルを有しないで、その先端に該主極から１８０度（電気角）の位置に配置された複数の誘導子歯を有する補助極を１セットとして、同一の計２セットを配置して、１相を形成し、これらの相を２組にて２相機を形成し、相間の主極同士は９０度（電気角）の位相差を有したことを特徴とする永久磁石式２相回転電機。
3. 請求項１または２に記載した永久磁石式２相回転電機で、回転子が円筒形永久磁石の外周にＮ極Ｓ極を交互に磁化した永久磁石式回転子である永久磁石式２相回転電機。但し、回転子の極対数ピッチを３６０度（電気角）とすることを特徴とする永久磁石式２相回転電機。
4. 請求項２に記載した永久磁石式２相回転電機で、ハイブリッド型回転子の歯数が１００であることを特徴とする永久磁石式２相回転電機。
5. 請求項１から５に記載した永久磁石式２相回転電機おいて、２相回転電機がステッピングモータであるもの。
6. 請求項１または２に記載した永久磁石式２相回転電機で、固定子の各誘導子磁歯群を回転子に近い場所で細部で連結して、主極の首部を一体に同一磁性体で構成し、コイルを挿入後、それらの外周を環状磁性体の内周部に密着させて固定子を２分割式の合体として構成するか、または主極部のみを分割してコイル挿入後、環状ヨーク内周部に密着させたことを特徴とする永久磁石式２相回転電機。