JP2007097383A

JP2007097383A - 無鉄心電動機

Info

Publication number: JP2007097383A
Application number: JP2005287140A
Authority: JP
Inventors: Noboru Nagaoka; 暢長岡
Original assignee: FIT Co Ltd Japan
Current assignee: FIT Co Ltd Japan
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】巻き線に鉄心を使用しない無鉄心電動機（ステッピングモータ）を提供すること。
【解決手段】軸芯を有する回転軸１０と、この回転軸１０に支持され軸芯に直交する方向にＮＳ極に着磁された永久磁石２０と、この永久磁石２０を取り囲むように配置されるｎ組（ｎ≧２）の無鉄心巻き線であって、励磁されたときの磁束が軸芯と直交するように配置される巻き線５０，５５と、永久磁石２０の軸芯方向両側に配置され、巻き線５０，５５を支持するための突起４０ａ，４０ｂと、巻き線５０，５５が永久磁石２０及び回転軸１０に接触することを規制する規制面４０ｃとを有する樹脂性の巻き線支持部材４０とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、無鉄心電動機に関するものである。

一般的な電動機（モーター）として、積層鉄心に巻き線を巻いた電機子（回転子）を薄型永久磁石界磁で囲んだインナーロータ型のものが知られている。つまり、巻き線には鉄心が設けられている。また、無鉄心電動機（コアレスモータ）として、巻き線を樹脂のみで固めたカップ状電機子に永久磁石界磁を内蔵したアウターロータ型の電動機も知られている。

鉄心を設けている電動機の場合、原理的に鉄損が避けられないという問題がある。鉄損が存在すると、電力の損失が大きくなり効率も悪くなる。この点は、巻き線に鉄心を設けているステッピングモータについても同様である。無鉄心電動機については、一部特殊な電動機として知られてはいるものの、ステッピングモータにおいては無鉄心タイプのものは存在しなかった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、巻き線に鉄心を使用しない無鉄心電動機（ステッピングモータ）を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る無鉄心電動機は、
軸芯を有する回転軸と、
この回転軸に支持され軸芯に直交する方向にＮＳ極に着磁された永久磁石と、
この永久磁石を取り囲むように配置されるｎ組（ｎ≧２）の無鉄心巻き線であって、励磁されたときの磁束が前記軸芯と直交するように配置される巻き線と、
永久磁石の軸芯方向両側に配置され、巻き線を支持するための支持部と、巻き線が永久磁石及び回転軸に接触することを規制する規制部とを有する巻き線支持部材とを備えたことを特徴とするものである。

かかる構成による無鉄心電動機の作用・効果を説明する。この無鉄心電動機は、回転軸に支持される永久磁石を備え、ｎ組の巻き線を励磁させることで回転するロータとして機能する。永久磁石の着磁方向は、軸芯に直交する方向である。同じく、ｎ組の巻き線が励磁されることで発生する磁束の方向も軸芯に直交する方向である。巻き線への通電制御に関しては、従来のステッピングモータと同様に行なうことができる。また、巻き線は無鉄心であるため、その形状を維持するため、例えば、樹脂で固めるなどの方法を採用する。また、永久磁石の軸芯方向の両側には、巻き線支持部材が配置される。この巻き線支持部材は、巻き線を支持する支持部を備えている。これにより、無鉄心でありながら巻き線を支持すると共に位置決めも可能になる。また、巻き線支持部材は規制部を有しており、巻き線が永久磁石や回転軸に不用意に接触してしまうことを規制することができる。これにより、無鉄心でありながら、巻き線を確実に所定の位置に配置することができ、所望の性能を発揮させることができる。以上のように、巻き線に鉄心を使用しない無鉄心電動機を提供することができる。

本発明において、前記永久磁石を内部に包囲する非磁性の包囲部材を設け、永久磁石と巻き線との接触を防止することが好ましい。

かかる包囲部材を設けることで、永久磁石と巻き線の接触防止を確実に行なうことができ、また非磁性であることから、発生する磁界に対して何らの作用を及ぼすこともない。

本発明において、前記包囲部材と前記巻き線支持部材を樹脂により一体形成することが好ましい。

これにより、部材点数を削減すると共に、組立性も向上しコスト削減に寄与することができる。

本発明において、巻き線支持部材の中心部に、回転軸の回転支持をするための軸受を配置したことが好ましい。

巻き線支持部材の中心部に軸受を配置することで、モータの軸線方向の高さ寸法を抑制することができ、小型化に寄与することができる。

本発明に係る無鉄心電動機の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本実施形態にかかる無鉄心電動機の回転軸に垂直な面で切断した断面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面図、図３は主要な部分を示す分解斜視図、図４は無鉄心電動機を駆動するときの通電パルスを示す図である。

図において、回転軸１０が円筒形の永久磁石２０を貫通する形で取り付けられており、永久磁石２０が回転することで回転軸１０が回転し、出力として取り出すことができる。図１において、軸芯を通る中性面Ｐが示されており、永久磁石２０の着磁方向（ＮＳ２極）は軸芯に直交する方向になるように設定されている。本実施形態において、永久磁石２０は円筒形であるが多角形に形成してもよい。永久磁石２０は、適宜の方法で回転軸１０に対して固定される。

また、永久磁石２０を包囲するように２組の巻き線５０，５５が配置されており、隣接する巻き線５０，５５の配置角度θ＝９０゜である。本発明において、巻き線はｎ組（ｎ≧２）配置することができ、ｎ＝３であればθ＝６０゜、一般式で表すとθ＝３６０／２ｎである。回転軸１０を挟んで点対称的に向かい合う一対の巻き線により、１組の巻き線が構成される。１組の巻き線の電気的な接続は、並列と直列のいずれであってもよい。各巻き線５０，５５は円周方向に等ピッチで配置される。

巻き線の組数ｎにより、図１において巻き線ｎ組が形成する外観形状が異なってくる。図１の場合は、ｎ＝２であるため、正方向の配置形状となっているが、一般式で表現すると正２ｎ角形の外観形状を呈することになる。

永久磁石２０の周囲を取り囲むように樹脂製の包囲部材２１が配置される。包囲部材２１の中央には貫通孔２１ａが形成されており、永久磁石２０の外径寸法よりも僅かに大きな寸法を有しており、永久磁石２０の回転動作を許容する。包囲部材２１は、樹脂製であるため、発生する磁界に対して何らの作用（悪影響）を及ぼすことはない。包囲部材２１の軸線に沿った長さＬ１は、永久磁石２０の軸線に沿った長さＬ２よりも少し長い長さとなるように設定される。これにより、永久磁石２０が回転するための空間を確実に確保することができる。また、包囲部材２１を設けることで、永久磁石２０の周囲に配置される巻き線５０，５５が永久磁石２０に接触することを防止する。

各巻き線５０，５５の巻きの中心軸は、回転軸１０の軸芯に直交する方向になるように配置され、従って、巻き線５０，５５に通電を行うことで、軸芯に直交した方向の磁束が発生する。かかる方向の磁束と、永久磁石２０の磁化方向との作用により、フレミングの法則に従って、永久磁石２０を回転させるような力が作用する。

永久磁石２０の軸線方向の両側には、軸受３０と巻き線支持部材４０が配置される。巻き線支持部材４０も樹脂製であり、発生する磁束に対して何らの作用も及ぼさない。巻き線支持部材４０は、正方形状のプレートから４つの突起４０ａ，４０ｂが一体形成された形状を有している。この突起４０ａ，４０ｂは、巻き線５０，５５を支持するための支持部として機能する。

本発明において、巻き線５０，５５の内部には鉄心が設けられていないが、巻き線５０，５５自体は予め成型して樹脂で固めておくことにより、その巻き形状を維持することができる。巻き線支持部材４０は軸線に沿って１対設けられており、その上下の突起４０ａにより巻き線５０を支持する。巻き線５０の巻きの内径部の両側５０ａを夫々突起４０ａに嵌め込むような形で、取り付けることができる。巻き線５０を突起４０ａに嵌め込んだ後、更に接着剤で固めることで取り付け状態をより強固にすることができる。もう１組の巻き線５５に関しても同じように取り付けることができる。かかる取り付け構造によれば、無鉄心の巻き線５０，５５であっても、確実に内部に支持させることができる。

また、巻き線支持部材４０には、規制面４０ｃ（規制部に相当）が設けられており、巻き線５０，５５がこの規制面４０ｃよりも回転軸１０方向に近づくことを防止する。これにより、巻き線５０，５５が永久磁石２０や回転軸１０と接触することをより確実に防止することができる。規制面４０ｃの位置は、包囲部材２１の外周面と同じ位置とすることができる。このような突起４０ａ，４０ｂや規制面４０ｃを設けることで、無鉄心の巻き線５０，５５を所定の位置に確実に位置決めすることができる。

巻き線支持部材４０の中央部には、貫通孔４０ｄが形成されており、回転軸１０を支持するための軸受３０が取り付けられる。軸受３０は圧入等の方法により、貫通孔４０ｄ内に固定される。また、巻き線支持部材４０の内部に軸受３０が配置されるため、軸受３０（あるいは巻き線支持部材４０）を設けることによる高さ方向の寸法増加を抑制することができ、小型化に寄与することができる。従って、軸受３０の軸線方向の長さは、巻き線支持部材４０の軸線方向の長さとほぼ同じとすることが好ましい。

なお、巻き線支持部材４０を自己潤滑性を有する材料で形成する場合には、巻き線支持部材４０に形成した嵌合孔（軸受として機能する）により、直接回転軸１０を支持することができ、軸受３０を廃止することができる。

巻き線５０，５５の更に外側には、筐体６０が設けられ、この筐体６０の外周には端子台７０が取り付けられる。端子台７０には、４つの端子が設けられており、巻き線５０，５５の巻き始め部分と巻き終わり部分が半田付けあるいは溶接により接続される。

＜通電制御＞
次に、巻き線５０，５５に対する通電制御によりモーターが回転するときの動作を説明する。巻き線５０，５５に対して通電されるパルス信号の形状を図４に示すが、（ａ）は右回転させるときのパルス信号、（ｂ）は左回転させるときのパルス信号を示している。巻き線５０，５５への通電制御は、一般的なステッピングモータの１−２相励磁と同じシーケンスで行なうことができる。

（１）最初に１組の巻き線５０に通電する（ｔ₁）。巻き線５０により発生した磁束により、その内側に配置された永久磁石２０に対してフレミングの法則により回転力が発生する。そのまま通電を維持すると、永久磁石２０は回転し始め、負荷トルクと磁力による回転トルクのバランスする角度まで回転した後、停止する。（４５゜回転）
（２）ここで、巻き線５０に直交するもう１組の巻き線５５に通電する（ｔ₂）。巻き線５０，５５により夫々発生する２方向の磁束の合成ベクトルの方向の磁束が生成する。これにより、永久磁石２０は停止バランスを崩して回転し始め、再び負荷トルクと磁力による回転トルクのバランスする角度まで回転した後、停止する。（９０゜回転）
（３）次に、最初に励磁した巻き線５０の励磁を断つ（ｔ₃）。これにより、２番目に励磁した巻き線５５の磁束のみとなり、再び永久磁石２０は回転して、回転トルクのバランスする位置で停止する。（１３５゜回転）
（４）次に、２番目に励磁した巻き線５５に対する通電を維持しながら、最初に励磁した巻き線５０に対し、最初とは逆方向に電流が流れるように通電する（ｔ₄）。これにより、２つの巻き線５０，５５による合成ベクトルの方向に磁束が発生し、永久磁石２０は停止バランスを崩して再び回転し、負荷トルクと磁力による回転トルクのバランスする角度まで回転した後、停止する。（１８０゜回転）
（５）次に２番目に励磁した巻き線５５の励磁を断つ（ｔ₅）。これにより、１番目に励磁した巻き線５０の逆方向磁束により、永久磁石２０は回転して、回転トルクのバランスする位置で停止する。（２２５゜回転）
（６）次に、最初に励磁した巻き線５０への通電状態を維持し、２番目に励磁した巻き線５５に対して、最初とは逆方向に電流が流れるように通電する（ｔ₆）。これにより、２つの巻き線５０，５５による合成ベクトルの方向に磁束が発生し、永久磁石２０は停止バランスを崩して再び回転し、負荷トルクと磁力による回転トルクのバランスする角度まで回転した後、停止する。（２７０゜回転）
（７）次に、最初に励磁した巻き線５０の通電を断つ（ｔ₇）。これにより、２番目に励磁した巻き線５５による逆方向の磁束のみとなり、再び永久磁石２０は回転して、回転トルクのバランスする位置で停止する。（３１５゜回転）
（８）次に、最初に励磁した巻き線５０に対して最初と同じ方向に電流が流れるように通電すると、巻き線５０，５５により夫々発生する２方向の磁束の合成ベクトルの方向の磁束が生成する（ｔ₈）。これにより、永久磁石２０は回転し始め、負荷トルクと磁力による回転トルクのバランスする角度まで回転した後、停止する。（３６０゜回転）
以上のようなシーケンスを繰り返すことにより、永久磁石２０が連続的に回転動作する。

上記とは逆方向に永久磁石２０を回転させたいときは、上記において２番目に励磁した巻き線５５への通電方向を上記と逆にすればよい（図４（ｂ）参照）。

図４に図示されるパルス信号は、矩形波であるが、これを正弦波とすることもできる。正弦波とする場合は、正弦波形の立ち上がり及び立下りで駆動することになり、滑らかな回転動作を実現することができる。

上記説明では、巻き線５０，５５が２組の場合を説明したが、巻き線の組みが更に多いときは、巻き線に生じる磁界の向きをステップごとに切り換えて、連続的に永久磁石２０が１方向に回転するように、巻き線を順次励磁すればよい。

＜効果＞
本発明にかかる構造を有する無鉄心電動機は、一般的なステッピングモータと同様に１ステップごとの動作が可能であり、しかも無鉄心であるから鉄損がなくエネルギ効率がよい電動機を提供することができる。また、無鉄心であることから鉄心の組立作業が不要であると共に、巻き線そのものの組立作業も簡素化する。従って、組み立て時間の短縮化や、部品点数の削減、部品コストの削減を図ることができ、信頼性の高い無鉄心電動機を提供することができる。なた、部品点数が少なくなり、構造の簡素化や電動機の小型化を図ることもできる。

本発明において電動機の回転方向は前述のように任意に定めることができる。また、回転速度については、各巻き線に印加するパルス信号の周波数を変えることで、回転速度を任意に変えることができる。出力されるトルクは、磁界の強さと、永久磁石の残留磁束密度により決定されるので、設計的に設定することができる。

巻き線については、本実施形態よりも更に組み数を増やすことができ、この場合は、１ステップあたりの角度が小さくなる。巻き線の励磁により発生する磁界の方向については、回転軸１０に対して厳密に垂直でなくてもよく、多少傾斜させてもよい。

永久磁石２０を貫通する回転軸１０の一端側を長くして出力軸とすることができる。この出力軸にギヤ等の駆動系を連結することができる。回転軸１０の他端側については突出していなくてもよく、他端側から巻き線を取り出すように構成することができる。

本実施形態において包囲部材２１と巻き線支持部材４０は別部材で構成しているが、これを樹脂成型により一体化した形状にしてもよい。これにより、更に部品点数の削減を図ることができる。また、包囲部材２１と巻き線支持部材４０は、非磁性材料で形成すればよく、樹脂のほか、磁性を有しない金属材料で形成してもよい。

ステッピングモータの回転軸に垂直な面で切断した断面図図１のＡ−Ａ断面図主要な部分を示す分解斜視図ステッピングモータを駆動するときの通電パルスを示す図

符号の説明

１０回転軸
２０永久磁石
２１包囲部材
４０巻き線支持部材
４０ａ，４０ｂ突起
４０ｃ規制面
４０ｄ貫通孔
５０，５５巻き線
６０筐体
７０端子台
Ｐ中性面

Claims

軸芯を有する回転軸と、
この回転軸に支持され軸芯に直交する方向にＮＳ極に着磁された永久磁石と、
この永久磁石を取り囲むように配置されるｎ組（ｎ≧２）の無鉄心巻き線であって、励磁されたときの磁束が前記軸芯と直交するように配置される巻き線と、
永久磁石の軸芯方向両側に配置され、巻き線を支持するための支持部と、巻き線が永久磁石及び回転軸に接触することを規制する規制部とを有する巻き線支持部材とを備えたことを特徴とする無鉄心電動機。
前記永久磁石を内部に包囲する非磁性の包囲部材を設け、永久磁石と巻き線との接触を防止することを特徴とする請求項1に記載の無鉄心電動機。
前記包囲部材と前記巻き線支持部材を樹脂により一体形成することを特徴とする請求項２に記載の無鉄心電動機。
巻き線支持部材の中心部に、回転軸の回転支持をするための軸受を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無鉄心電動機。