JP2005151741A - Permanent magnet type stepping motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プリンタ、高速ファクシミリ、PPC用複写機等のOA機器用として好適な永久磁石形(PM形)ステッピングモータに関する。 The present invention relates to a permanent magnet type (PM type) stepping motor suitable for use in office automation equipment such as printers, high-speed facsimiles, and PPC copying machines.
PM形ステッピングモータには、単相、2相、3相以上といった相数の異なる複数の種類がある。
単相PM型ステッピングモータは、アナログ時計用の針駆動に主として用いられているが、固定子と回転子の磁極間の磁気パーミアンスや位相を、モータの回転方向が定まるようにずらす必要があり、高速回転や高トルクを必要とされる機器には不向きである。
There are a plurality of types of PM stepping motors having different numbers of phases, such as single phase, two phases, three phases or more.
Single-phase PM type stepping motors are mainly used for driving hands for analog watches, but it is necessary to shift the magnetic permeance and phase between the magnetic poles of the stator and rotor so that the rotation direction of the motor is determined. It is not suitable for equipment that requires high speed rotation and high torque.
そこで、プリンタ、高速ファクシミリ、PPC用複写機等のOA機器には、2相以上のステッピングモータが使用されている。
図6は、特許文献1に記載された従来の2相PM形ステッピングモータの縦断側面図である。図6に示す2相PM形ステッピングモータ10は、固定部を構成する2枚の平行なプレート11、12と、このプレート11、12に囲まれた空間内で回転自在に支持された回転子13と、この回転子13を囲むようにプレート11、12間に配置された固定子14とを備えている。
回転子13は、プレート11の中心に固定された軸受11aと、プレート12の中心に固定された軸受12aとを介して取り付けられた回転軸13aと、この回転軸13aに一体に固定され、円周方向にS極、N極を同一ピッチで交互に着磁した円筒状の永久磁石13bとから構成されている。
Therefore, stepping motors of two or more phases are used in office automation equipment such as printers, high-speed facsimiles, and PPC copying machines.
FIG. 6 is a longitudinal side view of a conventional two-phase PM type stepping motor described in Patent Document 1. In FIG. A two-phase PM
The
一方、固定子14は、軸方向に併置された2つの環状の単位固定子14a、14bを備えている。個々の単位固定子14a、14bは、クローポール形の固定子であり、それぞれ回転子13の磁極に対向するピッチで形成された櫛歯状の極歯を有する一対のヨーク素子15、16を備えている。
On the other hand, the
ヨーク素子15は、図7にその一部を示すように、1枚の鋼板を打ち抜いて極歯15aを形成し、この極歯15aを周囲のリング部15bに対して垂直に折り曲げることにより形成される。他方のヨーク素子16も、同様にして形成されている。
このようにして形成されたヨーク素子15、16を、図8に示すように、極歯が等ピッチで交互に配列するよう対向させ、対向させた一対のヨーク素子の内側にボビン17に巻かれたコイル18を配置し、このコイル18を挟み込むように一対のヨーク素子15、16を組み合わせて構成されている。
As shown in part in FIG. 7, the
As shown in FIG. 8, the
上述した従来のPM形ステッピングモータのサイズを拡大して出力トルクを向上させるには、ヨーク素子15、16を形成している鋼板の板厚を厚くして流れる磁束を多くする必要がある。
しかしながら、従来のヨーク素子の板厚を厚くすると、高い周波数で駆動した際に、櫛歯15aの部分で鋼板に流れる渦電流損により発熱が大きくなるという問題があった。
このため、高速回転させる場合には、放熱板を取り付ける等の発熱対策が必要であり、コストアップを招いていた。
また、過大な発熱を防ぐため、PM形ステッピングモータのサイズも直径70mm程度が上限であった。
In order to increase the size of the conventional PM stepping motor described above and improve the output torque, it is necessary to increase the flowing magnetic flux by increasing the thickness of the steel plate forming the
However, when the plate thickness of the conventional yoke element is increased, there is a problem that heat generation increases due to eddy current loss flowing in the steel plate at the
For this reason, when rotating at high speed, it is necessary to take measures against heat generation such as attaching a heat radiating plate, resulting in an increase in cost.
In order to prevent excessive heat generation, the upper limit of the size of the PM type stepping motor is about 70 mm in diameter.
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑み、高速回転時の発熱を抑えつつ、モータサイズを拡大して出力トルクの向上を図ることができるPM形ステッピングモータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a PM type stepping motor that can increase the output torque by enlarging the motor size while suppressing heat generation during high-speed rotation in view of the above-described problems of the prior art. .
本発明の請求項1にかかるPM形ステッピングモータは、固定部の軸方向の両端に配置された一対の軸受を介して固定部に取り付けられた回転軸に、外周部に円周方向にS極、N極を交互に着磁した円筒状の永久磁石を一体に固定して構成される回転子と、回転子の外周に所定の間隙を介して対向し、内周側に回転子の磁極に対向する櫛歯状の極歯を有する一対のヨーク素子を極歯が交互に配列するよう組み合わせ、組み合わされた一対のヨーク素子の内側にコイルを配置して構成される環状の単位固定子を軸方向にn個(nは2以上の整数)併置して固定部に取り付けて構成される固定子とを有し、ヨーク素子は、絶縁物を介して積層された複数の鋼板を折り曲げて形成されていることを特徴とする。 A PM type stepping motor according to a first aspect of the present invention includes a rotating shaft attached to a fixed portion via a pair of bearings arranged at both ends in the axial direction of the fixed portion, and an S pole in the circumferential direction on the outer peripheral portion. , A rotor configured by integrally fixing cylindrical permanent magnets alternately magnetized with N poles, and an outer periphery of the rotor facing each other with a predetermined gap, and a magnetic pole of the rotor on the inner periphery side A pair of yoke elements having opposing comb-shaped pole teeth are combined so that the pole teeth are alternately arranged, and an annular unit stator configured by arranging coils inside the pair of combined yoke elements is used as a shaft. The yoke element is formed by bending a plurality of steel plates stacked via an insulator. The stator is configured by attaching n (n is an integer of 2 or more) in the direction and being attached to the fixing portion. It is characterized by.
また、請求項2にかかるPM形ステッピングモータは、請求項1の構成を前提として、固定子を、3個の単位固定子から構成したことを特徴とする。 A PM type stepping motor according to a second aspect is characterized in that the stator is constituted by three unit stators on the premise of the configuration of the first aspect.
さらに、請求項3にかかるPM型ステッピングモータは、請求項1または2の構成を前提として、ヨーク素子を、制振樹脂を2枚の表皮鋼板で挟み込んで積層された制振鋼板により形成したことを特徴とする。
Furthermore, in the PM type stepping motor according to
本発明の請求項1の構成によれば、それぞれの単位固定子を構成するヨーク素子を、絶縁物を介して積層された複数の鋼板を折り曲げて形成することにより、高周波駆動時にも渦電流損を減少させ、発熱を少なくすることができる。
このため、モータ全体のサイズを大型化し、発熱を抑えつつ、ヨーク素子の板厚を増加させて磁束を増加させることができ、高回転数、高出力トルクのステッピングモータを提供することができる。
According to the configuration of the first aspect of the present invention, the yoke element constituting each unit stator is formed by bending a plurality of steel plates stacked with an insulator interposed therebetween, so that eddy current loss can be achieved even during high frequency driving. Can be reduced and heat generation can be reduced.
For this reason, the size of the entire motor can be increased, and the magnetic flux can be increased by increasing the plate thickness of the yoke element while suppressing heat generation, thereby providing a stepping motor having a high rotational speed and a high output torque.
また、n=3の場合には、請求項2の構成となり、従来の3相PM形ステッピングモータと比較して、高速回転時の発熱が少ない3相PM形ステッピングモータを提供することができる。
Further, when n = 3, the configuration of
さらに、請求項3のように制振樹脂を2枚の表皮鋼板で挟み込んで積層された制振鋼板によりヨーク素子を構成すれば、単層鋼板と同様の基本成型特性が得られ、かつ、既存の制振鋼板を使用できるため、低コストで発熱の少ないPM形ステッピングモータを構成することができる。
Furthermore, if the yoke element is constituted by a damping steel plate in which damping resin is sandwiched between two skin steel plates as in
以下、本発明にかかるPM形ステッピングモータを実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、n=3として、3相PM形ステッピングモータの例を説明する。図1は、本実施の形態の3相PM形ステッピングモータ100の縦断側面図、図2は図1に示すPM形ステッピングモータ100の分解斜視図、図3は図1に示すPM形ステッピングモータ100の回転子磁極と固定子の極歯との位置関係を示す説明図、図4は図1に示すPM形ステッピングモータ100を構成する単位固定子のヨーク素子の一部を示す斜視図、図5は図4のヨーク素子に用いられる制振鋼板の斜視図である。
The best mode for carrying out a PM stepping motor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, an example of a three-phase PM type stepping motor will be described with n = 3. 1 is a longitudinal side view of a three-phase
最初に、図1〜図3に基づいて、全体構成を説明し、その後に本発明の特徴であるヨーク素子の構成を図4及び図5に基づいて説明する。
図1に示すように、本実施の形態である3相PM形ステッピングモータ100は、固定部を構成する2枚の平行なプレート111、112と、このプレート111、112に囲まれた空間内で回転自在に支持された回転子120と、この回転子120を囲むようにプレート111、112間に配置された固定子130とを備えている。
回転子120は、固定部の軸方向の両端、即ち、プレート111の中心とプレート112の中心とにそれぞれ固定された軸受113、114を介して取り付けられた回転軸121と、この回転軸121に一体に固定され、円周方向にS極、N極を同一ピッチで交互に着磁した円筒状の永久磁石122とから構成されている。
First, the overall configuration will be described with reference to FIGS. 1 to 3, and then the configuration of the yoke element, which is a feature of the present invention, will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
As shown in FIG. 1, the three-phase PM
The
一方、固定子130は、軸方向に併置されたn個、この例では3つの環状の単位固定子130a、130b、130cを備えている。第1の単位固定子130aは、図2にも示すように、クローポール形の単位固定子であり、それぞれ回転子120の磁極に対向するピッチで形成された櫛歯状の極歯131a、132aを有する一対のヨーク素子131、132を組み合わせ、組み合わされた一対のヨーク素子の内側にボビン133に巻かれたコイル134を配置して構成されている。
第2、第3の単位固定子130b、130cも上記の単位固定子130aと同様に構成されている。
On the other hand, the
The second and
図1の状態に組み立てられたプレート111、112、回転子120、固定子130は、図2に示すカップ状のケーシング115内に収納され、その上部を蓋体116により封止してモータとして完成する。図1では、ケーシング115と蓋体116は図示されておらず、図2では、プレート111、112は図示省略されている。
The
次に、各単位固定子130a、130b、130cのヨーク素子に形成された極歯と、回転子120の外周に形成された永久磁石122の磁極との位置関係を図3の展開図に基づいて説明する。
Next, the positional relationship between the pole teeth formed on the yoke elements of the
各単位固定子の一方のヨーク素子131の極歯131aの間隔をτsとする。他方のヨーク素子132の極歯132aの間隔もτsである。一対のヨーク素子131、132は、極歯131a、132aが等ピッチで交互に配列するよう組み合わされている。
即ち、各単位固定子内では、一方のヨーク素子131の極歯131aは、他方のヨーク素子132の極歯132aに対してτs/2だけずれて配置されている。
Let τs be the interval between the
That is, in each unit stator, the
次に、回転子120の異極間(N極と隣接するS極との間隔)の着磁ピッチ角度をPとする。ここでは、τs=2Pである。n個の単位固定子は、各一方のヨーク素子の極歯が角度2P/nずれるよう配置される。この例では、3個の単位固定子130a、130b、130cが、各一方のヨーク素子131の極歯131aが順に角度2P/3ずれるよう配置されている。
ちなみに、他方のヨーク素子132の極歯132aも同一ピッチであるため、ヨーク素子132の極歯も、順に角度2P/3ずれている。このような配置によると、図3に示すように、第1の単位固定子130aの一方のヨーク素子131の極歯131aが永久磁石122のN極に対向しているとき、第1の単位固定子130aの他方のヨーク素子132の極歯132aはS極に対向し、第2、第3の単位固定子130b、130cの極歯は、至近の磁極に対してそれぞれP/3だけずれた位置にある。
Next, let P be the magnetization pitch angle between the different poles of the rotor 120 (the distance between the N pole and the adjacent S pole). Here, τs = 2P. The n unit stators are arranged such that the pole teeth of each one of the yoke elements are shifted by an angle of 2P / n. In this example, three
Incidentally, since the
駆動時には、各単位固定子130a、130b、130cのコイルに順に正逆方向の電流を流すことにより、τs/6のステップ角で回転子120を回転させることができる。
At the time of driving, the
各単位固定子130a、130b、130cを構成する一方のヨーク素子131は、図4に示すように、絶縁物である制振樹脂Rを挟んで積層された複数、この例では2枚の表皮鋼板S1、S2から構成される制振鋼板を打ち抜いて極歯131aを形成し、この極歯131aを周囲のリング部131bに対して垂直に折り曲げることにより形成されている。他方のヨーク素子132も、同様にして形成されている。
As shown in FIG. 4, one
制振鋼板は、一般に、図4に示すように、中間層である制振樹脂Rを2枚の表皮鋼板S1、S2により挟んだサンドイッチ構造をしており、固体伝播振動による曲げ変形で制振樹脂Rに付与されるずれ変形エネルギー(せん断変形エネルギー)を樹脂の粘弾性特性により熱エネルギーに変換して振動を減衰させるものである。
本発明は、制振鋼板をこのような振動減衰に用いるのではなく、積層により各鋼板S1、S2の厚さを薄くすることで渦電流損による発熱を抑えるために用いている。
制振鋼板は、深絞り成型性及び曲げ成形性が良好であるため、PM形ステッピングモータのヨーク素子のような折り曲げ加工が必要な部品に適用することができる。
As shown in FIG. 4, the damping steel plate generally has a sandwich structure in which a damping resin R as an intermediate layer is sandwiched between two skin steel plates S1 and S2, and is damped by bending deformation due to solid propagation vibration. The shear deformation energy (shear deformation energy) imparted to the resin R is converted into thermal energy by the viscoelastic property of the resin to attenuate the vibration.
In the present invention, the damping steel plate is not used for such vibration damping, but is used to suppress heat generation due to eddy current loss by reducing the thickness of each of the steel plates S1 and S2 by lamination.
Since the damping steel sheet has good deep drawability and bendability, it can be applied to parts that require bending such as a yoke element of a PM type stepping motor.
一般にモータの発熱は、鉄心で発生する鉄損と、コイルで発生する銅損とに起因する。このうち鉄損Wfは、下記の(1)式で表されるように、鉄心内を磁束が通ることにより生じる渦電流損と、ヒステリシス損とからなる。
Wf=B2{σh(f/100)+σed2(f/100)2} [W/kg]・・・(1)
但し、σh:ヒステリシス損係数、
σe:渦電流損係数、
B:鋼板磁束密度(T)、
d:鋼板の厚さ(mm)、
f:駆動電流の周波数(Hz)である。
In general, motor heat is caused by iron loss generated in an iron core and copper loss generated in a coil. Of these, the iron loss Wf is composed of an eddy current loss caused by a magnetic flux passing through the iron core and a hysteresis loss, as represented by the following equation (1).
Wf = B 2 {σ h (f / 100) + σ e d 2 (f / 100) 2 } [W / kg] (1)
Where σ h is the hysteresis loss coefficient,
σ e : eddy current loss coefficient,
B: Steel plate magnetic flux density (T),
d: the thickness of the steel sheet (mm),
f: frequency (Hz) of the drive current.
一般にモータに使用される鋼板では、渦電流損係数σeは、ヒステリシス損係数σhの約6倍であり、鉄損による発熱の大部分は渦電流損に起因する。
また、渦電流損による鉄損は、鋼板の厚さdの自乗に比例するため、発熱を抑えるには薄い鋼板を用いる必要がある。
このため、一般のモータには、渦電流を低減して発熱を抑えるため薄板状に圧延した鋼板が用いられている。従来のPM形ステッピングモータは、ヨーク素子に単層の鋼板を用いており、積層鋼板を用いるという発想がなく、鋼板の厚みにより一様に発熱が生じていた。本実施の形態のPM形ステッピングモータ100は、筐体等に使用されている鋼板で騒音対策用の技術として開発された樹脂複合鋼材である制振鋼板を利用し渦電流を少なくし、発熱を抑えている。
In general, in a steel sheet used for a motor, the eddy current loss coefficient σ e is about 6 times the hysteresis loss coefficient σ h , and most of the heat generated by iron loss is caused by eddy current loss.
Further, since iron loss due to eddy current loss is proportional to the square of the thickness d of the steel plate, it is necessary to use a thin steel plate to suppress heat generation.
For this reason, in general motors, steel plates rolled into thin plates are used in order to reduce eddy currents and suppress heat generation. The conventional PM type stepping motor uses a single-layer steel plate for the yoke element, and has no idea of using a laminated steel plate, and heat is generated uniformly depending on the thickness of the steel plate. The
上記の(1)式でヒステリシス損を無視すると、鉄損Wfは、以下の(2)式の通りとなる。
Wf≒σeB2d2(f/100)2 [W/kg]・・・・(2)
即ち、板厚を半分にした制振鋼板を用いることにより、鉄損Wfは約1/4に減じ渦電流損による発熱が大幅に低減されることがわかる。即ち、ある厚さの鋼板を単層で用いる場合の鉄損を1とすると、その半分の厚さの鋼板で生じる鉄損は1/4となる。従って、半分の厚さの鋼板を2枚用いた場合にも、これらの間が絶縁されていれば、鉄損の合計は1/2となり、流れる磁束の量を保ちつつ、鉄損の発生を半減させることができる。
When the hysteresis loss is ignored in the above equation (1), the iron loss Wf is as shown in the following equation (2).
Wf ≈ σ e B 2 d 2 (f / 100) 2 [W / kg] (2)
That is, it can be seen that by using a damping steel plate having a half thickness, the iron loss Wf is reduced to about ¼ and the heat generation due to the eddy current loss is greatly reduced. That is, when the iron loss when a steel sheet having a certain thickness is used as a single layer is 1, the iron loss generated in the steel sheet having a half thickness is ¼. Therefore, even when two half-thick steel plates are used, if they are insulated, the total iron loss will be halved, and iron loss will be generated while maintaining the amount of flowing magnetic flux. Can be halved.
以下の表1に、3相PM形ステッピングモータを従来の単層鋼板で構成されるヨーク素子を用いた場合(従来構造)と、本実施の形態の制振鋼板で構成されるヨーク素子を用いた場合(発明構造)とにおける鉄損の試算値を示す。
ここでは、単位固定子の外径を81mmとし、従来構造のヨーク素子は厚さ1.6mmの単層鋼板で構成され、実施の形態のヨーク素子は厚さ0.8mmの2枚の表皮鋼板で厚さ0.05〜0.15mm程度の制振樹脂を挟んで積層した制振鋼板で構成される。この場合、駆動電流の周波数fは150Hzとする。
表1において、損失項目(1)、(2)は、ヨーク素子131、132の極歯131a、132aにおけるヒステリシス損と渦電流損、損失項目(3)、(4)は、ヨーク素子131、132の極歯以外の部分におけるヒステリシス損と渦電流損、損失項目(5)、(6)は、ケース115におけるヒステリシス損と渦電流損を示している。
Table 1 below shows a case where a three-phase PM type stepping motor uses a yoke element composed of a conventional single-layer steel plate (conventional structure) and a yoke element composed of a damping steel plate of the present embodiment. The estimated value of the iron loss in the case of being present (invention structure) is shown.
Here, the outer diameter of the unit stator is 81 mm, the yoke element of the conventional structure is composed of a single-layer steel plate having a thickness of 1.6 mm, and the yoke element of the embodiment is composed of two skin steel plates having a thickness of 0.8 mm. And a damping steel plate laminated with a damping resin having a thickness of about 0.05 to 0.15 mm interposed therebetween. In this case, the frequency f of the drive current is 150 Hz.
In Table 1, loss items (1) and (2) are hysteresis loss and eddy current loss at
上記の比較では、発明構造による鉄損の合計値が従来構造による値の約1/3に抑えられている。従って、発熱量も1/3程度に抑えることができ、特別な放熱対策を講じなくとも、高速回転、高出力トルクのPM形ステッピングモータを構成することができる。
なお、実施の形態では、n=3の場合について説明したが、nが2以上であれば、適用可能である。
In the above comparison, the total value of iron loss due to the inventive structure is suppressed to about 1 / of the value due to the conventional structure. Therefore, the heat generation amount can be suppressed to about 1/3, and a PM type stepping motor with high speed rotation and high output torque can be configured without taking any special heat dissipation measures.
Although the case where n = 3 has been described in the embodiment, the present invention can be applied if n is 2 or more.
事務用機器、産業機器等の分野で、特に高回転数、高出力トルクが要求される用途に対して好適である。 In the field of office equipment, industrial equipment, etc., it is particularly suitable for applications requiring high rotational speed and high output torque.
100: 3相PM形ステッピングモータ
111、112: プレート
120、回転子:
121:回転軸
122:永久磁石
130:固定子
130a、130b、130c:単位固定子
131、132:ヨーク素子
S1、S2:表皮鋼板
R:制振樹脂
131a、132a:極歯
131b:リング部
133:ボビン
134:コイル
100: Three-phase PM
121: rotating shaft 122: permanent magnet 130:
Claims (3)
該回転子の外周に所定の間隙を介して対向し、内周側に前記回転子の磁極に対向する櫛歯状の極歯を有する一対のヨーク素子を前記極歯が交互に配列するよう組み合わせ、組み合わされた一対の前記ヨーク素子の内側にコイルを配置して構成される環状の単位固定子を、軸方向にn個(nは2以上の整数)併置して前記固定部に取り付けて構成される固定子とを有し、
前記ヨーク素子は、絶縁物を介して積層された複数の鋼板を折り曲げて形成されていることを特徴とする永久磁石形ステッピングモータ。 A cylindrical permanent magnet in which S and N poles are alternately magnetized in a circumferential direction on an outer peripheral portion on a rotating shaft attached to the fixed portion via a pair of bearings arranged at both ends in the axial direction of the fixed portion. A rotor configured by fixing magnets integrally;
A pair of yoke elements having comb-shaped pole teeth facing the outer circumference of the rotor with a predetermined gap and facing the magnetic poles of the rotor on the inner circumference side are combined so that the pole teeth are alternately arranged. A ring-shaped unit stator constituted by arranging a coil inside a pair of the combined yoke elements is attached to the fixing portion in the axial direction by arranging n pieces (n is an integer of 2 or more). And a stator to be
The permanent magnet type stepping motor, wherein the yoke element is formed by bending a plurality of steel plates laminated via an insulator.
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