JP2007135318A - Stepping motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ステッピングモータに関するもので、より具体的には、ロータに誘導子を配列し、A相,B相2つのステータはそれぞれ界磁石に対してコイルを軸方向に連ねるようにした2相構造における磁気回路の改良に関する。 The present invention relates to a stepping motor. More specifically, the present invention relates to a two-phase structure in which an inductor is arranged in a rotor, and two phase A and phase B stators each have a coil axially connected to a field magnet. It relates to the improvement of the magnetic circuit in the structure.
近年、デジタルカメラや小型カメラ付き携帯電話機などが普及しており、これらの製品は小型,軽量化の開発要求が特に高く、このためレンズ駆動等の駆動源には小型の駆動モータが求められている。 In recent years, digital cameras and mobile phones with small cameras have become widespread, and these products are particularly demanded for development of small size and light weight. For this reason, a small drive motor is required for a drive source such as a lens drive. Yes.
小型で小径化に適したステッピングモータには、例えば特許文献1や特許文献2などに開示されるように、ステータ側の各構成要素は軸方向で順に配置する構成とし、ロータの外周に位置する構成要素を減らすようにしたものが提案されている。一例を示すと、図1,図2に示すような構造を採る。同図は特許文献2に示された構成例であって、モータ構造の小径化のために、ロータ側に誘導子217,218を設け、永久磁石215,216はステータ側に配置して磁気回路を構成する。そして、この磁気回路の軸方向の両側に駆動ソレノイド巻線213,214を含む第1磁気回路と第2磁気回路との2つの磁気回路を対向させて配置するようにしている。
In a small stepping motor suitable for reducing the diameter, as disclosed in, for example,
図1,図2において、207は第1磁気回路をなす円筒状の外側ヨーク、208は第1磁気回路をなす円筒状の内側ヨーク、209は外側ヨーク207と内側ヨーク208とを磁気的に連結する環状板ヨークであり、210は第2磁気回路をなす円筒状の外側ヨーク、211は第2磁気回路をなす円筒状の内側ヨーク、212は外側ヨーク207と内側ヨーク208とを磁気的に連結する環状板ヨークであり、これらは軟磁性材料により形成している。
1 and 2, 207 is a cylindrical outer yoke forming a first magnetic circuit, 208 is a cylindrical inner yoke forming a first magnetic circuit, and 209 is a magnetic coupling between the
永久磁石215,216は周方向にn分割して異なる極に交互に着磁してある。誘導子217,218は、軟磁性材料により形成し、非磁性材料による軸接続部材219を介して回転軸220に結合している。また、2つの永久磁石215,216は、周方向での着磁位置をずらしてあり、第1,第2磁気回路の両者が電気角で90度の位相差をもつ電機子となるように設定している。221は非磁性材料からなるヨーク結合部材であり、軸接続部材219とともに第1,第2磁気回路の両者の距離を保ち、磁気的な結合を低減させるものとなっている。
しかしながら、係る従来のステッピングモータでは以下に示すような問題がある。特許文献1や特許文献2などに示されたステッピングモータは、ロータの外周に位置する構成要素が少ないため小径化には適した構造ではあるが、駆動コイル等の構成要素は軸方向に連なることから、逆に軸方向の全長が長くなる問題がある。
However, such conventional stepping motors have the following problems. The stepping motors described in
また、軸方向でA相,B相磁気回路が連なる構成になるので、両者が磁気的に結合し、この結合による干渉があって出力特性が悪化する問題がある。このため、例えば特許文献2に見られるように、A相磁気回路とB相磁気回路との間に非磁性体のスペーサを配置したり、あるいは間隔を大きく設定するなど、磁気的な結合を低減するようにした構成を採ることになる。しかしその場合は、軸方向の全長がさらに長くなってしまい、小型化のための解決にはならない。
Further, since the A-phase and B-phase magnetic circuits are connected in the axial direction, there is a problem that both are magnetically coupled, and there is interference due to this coupling, resulting in deterioration of output characteristics. For this reason, as seen in
ところで、図6に示す本発明に係る代表的な構成例を援用して説明するが、この種のステッピングモータ、つまりロータ2に誘導子3を配列し、2つのステータ(A相,B相)がそれぞれ界磁石(永久磁石5)に対してコイル7を軸方向に連ねた2相構造を採る構成では、永久磁石5の磁極6と、これに相対するロータ2側の誘導子3との両者の対面関係が、トルク特性に相関する要素として重要であり、両者の対面関係は後述するように比率(極対面比Z)として定義し、トルク特性を解析するためのパラメータにしている。
By the way, a typical configuration example according to the present invention shown in FIG. 6 will be described with reference to this type of stepping motor, that is, an
この極対面比Zをパラメータとして解析演算を実行し、ディテントトルクを求めると、図3に示すような特性が得られる。図3はA相,B相が単独に存在すると仮定した単相動作の解析であり、ディテントトルクは、
Z = 0.6
近辺で小値となり概ねゼロになることが知られている。このとき永久磁石5の磁化分布は、磁極6の表面において回転角に対してほぼ正弦波状であるものとしてあり、実際に多極の着磁で得られる磁化分布に近いと言える。なお、図3にはディテントトルクは規格化単位によりグラフ表示している。
When analytical calculation is performed using the pole-to-face ratio Z as a parameter to obtain the detent torque, the characteristics shown in FIG. 3 are obtained. FIG. 3 is an analysis of single-phase operation assuming that phase A and phase B exist independently, and the detent torque is
Z = 0.6
It is known that it becomes a small value in the vicinity and becomes almost zero. At this time, the magnetization distribution of the
次に、誘導子3を流れてコイル7と鎖交する磁束は単相動作の解析によれば、図4に示すように、極対面比Zの変化に対してあまり大きくは変化しない特性がある。図4に示す鎖交磁束はその振幅であり、この鎖交磁束振幅も解析上の規格化単位で表している。
Next, according to the analysis of the single-phase operation, the magnetic flux flowing through the
電気角360度を基本周期とすると、磁気回路の対称条件からはディテントトルクは偶数次の高調波成分のみとなり、このうち2次と4次の高調波成分は比較的に振幅が大きくなり得るため影響が大きい。単相動作の解析によれば、ディテントトルクの2次成分と4次成分は図5に示すような特性となり、極対面比Zに対しては4次成分の振幅の変化は少なく、2次成分の振幅は極対面比Zが0.6近辺で正負が大きく変化し、トルクのゼロ点が存在する。 If the electrical angle is 360 degrees, the detent torque is only an even harmonic component from the symmetry condition of the magnetic circuit, and the second and fourth harmonic components can have a relatively large amplitude. A large impact. According to the analysis of the single-phase operation, the secondary component and the fourth component of the detent torque have the characteristics as shown in FIG. 5, and the change of the amplitude of the fourth component with respect to the pole-to-face ratio Z is small. As for the amplitude of, the pole-to-face ratio Z changes greatly in the vicinity of 0.6, and there is a zero point of torque.
したがって、極対面比Zは主としてディテントトルクの2次成分に注目して設定する。通常の設計では極対面比Zは0.6程度に設定すれば、ディテントトルクの2次成分を最小値に抑えることができ、鎖交磁束も良好に得られて好ましい。ただし、これは永久磁石5の着磁が理想的であると仮定した解析解であるため、現実にはそのような着磁は行えなく、磁極6の着磁では途中に遷移領域ができる。その結果、極対面比Zは、ディテントトルクの2次成分がゼロになる値が変わり、それは0.5から0.6程度になる。
Therefore, the pole-to-face ratio Z is set by paying attention mainly to the secondary component of the detent torque. In a normal design, if the pole-to-face ratio Z is set to about 0.6, the secondary component of the detent torque can be suppressed to the minimum value, and the interlinkage magnetic flux can be obtained well, which is preferable. However, since this is an analytical solution assuming that the
ディテントトルクの4次成分は、駆動コイルを励磁しない際に自己の停止位置を保持するように作用し、保持トルクとなる。これを積極的に利用するには、4次成分以外の他の高調波成分を十分に小さくしておく必要があり、誘導子3の停止位置が電気角で90度間隔となるようにするためである。また、ステッピングモータを滑らかに回転させるには、ディテントトルクの4次成分も十分に小値にする必要があることも配慮したい。
The quaternary component of the detent torque acts to hold its own stop position when the drive coil is not excited, and becomes a holding torque. In order to utilize this positively, it is necessary to make the other harmonic components other than the fourth-order component sufficiently small, so that the stop position of the
2相モータの構造では、A相,B相の互いを周方向に電気角で90度ずらして構成することから、理論的な理想状態ではディテントトルクの2次成分は両相でちょうど逆相となり、同値で相似した波形になるので互いに打ち消し合って出力軸にはディテントトルクの2次成分が現れなくなる。しかし実際には、A相,B相磁気回路の両者間で磁気的な結合があり、それを巡る磁束によってディテントトルクが発現する。 In the structure of the two-phase motor, the A-phase and B-phase are shifted by 90 degrees in the electrical direction in the circumferential direction. Therefore, in the theoretical ideal state, the secondary component of the detent torque is exactly opposite in both phases. Since the waveforms are similar to each other with the same value, they cancel each other and the secondary component of the detent torque does not appear on the output shaft. However, in practice, there is a magnetic coupling between the A-phase and B-phase magnetic circuits, and a detent torque is generated by the magnetic flux surrounding them.
また、各相がディテントトルクの2次成分をもっていると、それらによってA相,B相の両者間には「ねじれトルク」は発生するので、不要な振動を起こしてしまう問題がある。このため、低振動化のためにも各相ではディテントトルクの2次成分をゼロとするように設計することが望ましい。 Further, if each phase has a secondary component of detent torque, a “torsion torque” is generated between both the A phase and the B phase, thereby causing a problem of causing unnecessary vibration. For this reason, it is desirable to design the secondary component of the detent torque to be zero in each phase in order to reduce vibration.
この発明は上述した課題を解決するもので、第1の目的は、ロータにA相,B相誘導子を連ねて配列する構成において、A相,B相磁気回路の間隔を短縮でき、そしてディテントトルクは低値に抑え得て軸方向の全長を短くすることができるステッピングモータを提供することにある。 The present invention solves the above-mentioned problems, and a first object is to reduce the interval between the A-phase and B-phase magnetic circuits in the configuration in which the A-phase and B-phase inductors are arranged in a row on the rotor, and the detent. An object of the present invention is to provide a stepping motor that can suppress the torque to a low value and shorten the overall length in the axial direction.
そして第2の目的は、ロータにA相,B相誘導子を連ねて配列する構成において、A相,B相磁気回路の磁気的な結合に起因したディテントトルクを抑制でき、A相,B相磁気回路の両者間での磁気的な結合の許容量を大きく得られて軸方向の全長をより短縮し得るステッピングモータを提供することにある。 The second object is to suppress the detent torque caused by the magnetic coupling of the A-phase and B-phase magnetic circuits in the configuration in which the A-phase and B-phase inductors are arranged in a row on the rotor. It is an object of the present invention to provide a stepping motor capable of obtaining a large allowable amount of magnetic coupling between both magnetic circuits and further shortening the overall axial length.
上記した第1の目的を達成するために、本発明に係るステッピングモータは、ロータに誘導子を放射状に配列し、それら誘導子の外周を囲んで永久磁石による多数の磁極を配列させて界磁石とし、A相,B相2つのステータはそれぞれ界磁石に対してコイルを軸方向に連ねるステッピングモータであって、
回転中心に対する垂直面において、磁極が回転中心となす角αと、誘導子の表面が回転中心となす角βとの比を極対面比Zとし、当該極対面比Zは
Z = β/α
と定義するとき、
Z < 0.5
となる設定にする。
In order to achieve the first object described above, a stepping motor according to the present invention has a field magnet in which inductors are arranged radially on a rotor, and a large number of magnetic poles made of permanent magnets are arranged around the circumference of the inductors. And the A-phase and B-phase two stators are stepping motors in which coils are connected to the field magnet in the axial direction,
In the plane perpendicular to the center of rotation, the ratio of the angle α formed by the magnetic pole to the center of rotation and the angle β formed by the surface of the inductor and the center of rotation is defined as the pole-to-face ratio Z, and the pole-to-face ratio Z is Z = β / α.
When defining
Z <0.5
Set as follows.
また、誘導子としては、磁極と相対する表面形状を、周方向に非対称に突起部を有する段差形状とすることもよく、あるいは他に、周方向で斜めに傾いた傾斜形状としたり、軸線に沿って見て一方の端縁が細幅になる凸形状あるいは略三角形状として、A相,B相の両者で細幅側を向き合わせることもよい。 In addition, as the inductor, the surface shape opposite to the magnetic pole may be a stepped shape having protrusions asymmetrically in the circumferential direction, or alternatively, an inclined shape inclined obliquely in the circumferential direction, It is also possible to make the narrow side face in both the A phase and the B phase as a convex shape or a substantially triangular shape with one end edge being narrow as viewed along.
また、A相誘導子とB相誘導子は、両者の向き合い端が隣り合うズレ位置で互いに突き出て所定にオーバーラップする位置関係の設定にする。 The A phase inductor and the B phase inductor are set to have a positional relationship in which the facing ends of the A phase inductor and the B phase inductor protrude from each other at adjacent shift positions and overlap each other.
そして、上記した第2の目的を達成するために、本発明に係るステッピングモータは、ロータに第3の誘導子を設け、当該第3の誘導子は、A相,B相の両ステータに関して磁気的な間隔が略中間となる位置に配列する構成にするとよい。 In order to achieve the second object, the stepping motor according to the present invention is provided with a third inductor in the rotor, and the third inductor is magnetic with respect to both the A-phase and B-phase stators. It is preferable to arrange at a position where the general interval is substantially in the middle.
係る構成にすることにより本発明では、磁極と誘導子との対面関係は比率(極対面比Z)として定義するので、トルク特性の解析が容易であり、その極対面比Zを
Z < 0.5
に設定することで、誘導子の周方向での幅を細幅にできる。このため、A相誘導子とB相誘導子は、両者の向き合い端が隣り合うズレ位置で互いに突き出て所定にオーバーラップする位置関係に設定でき、このとき隣り合う両者は機械的に接触する位置関係にはならない。したがって、A相,B相間で誘導子が重なり合った分だけ永久磁石の全長を短縮でき、当該モータの軸方向の全長を短縮することができる。また、極対面比Zを適正に設定するので、トルク特性を良好に保つことができ、ディテントトルクは低値に抑え得る。
With this configuration, in the present invention, since the facing relationship between the magnetic pole and the inductor is defined as a ratio (pole-to-face ratio Z), it is easy to analyze the torque characteristics, and the pole-to-face ratio Z is set to Z <0. 5
By setting to, the width of the inductor in the circumferential direction can be narrowed. For this reason, the A-phase inductor and the B-phase inductor can be set in a positional relationship in which the facing ends of the two protrude from each other at adjacent shift positions and overlap each other at a predetermined position. It doesn't matter. Therefore, the total length of the permanent magnet can be shortened by the amount that the inductors overlap between the A phase and the B phase, and the total length of the motor in the axial direction can be shortened. Further, since the pole-to-face ratio Z is set appropriately, the torque characteristics can be kept good, and the detent torque can be suppressed to a low value.
そこで、A相,B相誘導子としては、隣り合う両者で機械的な接触を避けた形態で、向き合い端が互いに突き出て所定にオーバーラップできればよい。したがって、誘導子の表面形状は、周方向に非対称に突起部を有する段差形状としてもよく、あるいは他に、周方向で斜めに傾いた傾斜形状としたり、軸線に沿って見て一方の端縁が細幅になる凸形状あるいは略三角形状として、A相,B相の両者で細幅側を向き合わせたりしてもよい。 Therefore, as the A-phase and B-phase inductors, it is only necessary that the adjacent ends protrude from each other and overlap each other in a form that avoids mechanical contact between the two adjacent ones. Therefore, the surface shape of the inductor may be a stepped shape having a protruding portion asymmetrically in the circumferential direction, or may be an inclined shape that is inclined obliquely in the circumferential direction, or one edge when viewed along the axis. As a convex shape or a substantially triangular shape, the narrow side may be faced in both the A phase and the B phase.
また、第3の誘導子を設けることでは、第3の誘導子は永久磁石をA相,B相磁気回路の両者と共有し、新たな第3磁気回路を構成するので、これはA相,B相とは磁気的に相互に結合することになる。このため、A相,B相磁気回路の磁気的な結合によるディテントトルクを打ち消す向きに磁場を生成でき、出力として発現するディテントトルクは結果的には小値にすることができる。 Further, by providing the third inductor, the third inductor shares a permanent magnet with both the A-phase and B-phase magnetic circuits, and constitutes a new third magnetic circuit. The B phase is magnetically coupled to each other. For this reason, a magnetic field can be generated in a direction that cancels the detent torque due to magnetic coupling of the A-phase and B-phase magnetic circuits, and the detent torque that appears as an output can be reduced to a small value as a result.
本発明に係るステッピングモータでは、A相,B相誘導子の表面形状を適正に設定できるので、両者の向き合いは機械的な接触を避けた状態でオーバーラップさせることができ、間隔を狭めることができる。その結果、A相,B相間で誘導子が重なり合った分だけ永久磁石の全長を短縮でき、細径化とともに軸方向の全長を短縮することができる。そして、極対面比Zを適正に設定するので、トルク特性を良好に保つことができ、ディテントトルクは低値に抑え得る。 In the stepping motor according to the present invention, the surface shapes of the A-phase and B-phase inductors can be set appropriately, so that their orientation can be overlapped while avoiding mechanical contact, and the interval can be reduced. it can. As a result, the total length of the permanent magnet can be shortened by the amount of overlapping of the inductors between the A phase and the B phase, and the total length in the axial direction can be shortened as the diameter is reduced. Since the pole-to-face ratio Z is set appropriately, the torque characteristics can be kept good, and the detent torque can be suppressed to a low value.
また第2にはロータに第3の誘導子を設けるので、永久磁石を共有する形態で新たな第3磁気回路を構成し、A相,B相とは磁気的に相互に結合するため、A相,B相磁気回路の磁気的な結合によるディテントトルクを打ち消す向きに磁場を生成でき、出力として発現するディテントトルクは結果的には小値にすることができる。したがって、A相,B相磁気回路の磁気的な結合に起因したディテントトルクを抑制でき、設計面から言えば、A相,B相磁気回路の両者間での磁気的な結合の許容量を大きく得ることができる。その結果、永久磁石の軸方向の全長はより短くすることができ、当該モータの軸方向の全長をさらに低減できる。 Second, since the rotor is provided with a third inductor, a new third magnetic circuit is formed in a form sharing a permanent magnet, and the A phase and the B phase are magnetically coupled to each other. The magnetic field can be generated in a direction that cancels the detent torque due to the magnetic coupling of the phase and B phase magnetic circuits, and the detent torque that appears as an output can be reduced to a small value as a result. Therefore, the detent torque caused by the magnetic coupling of the A-phase and B-phase magnetic circuits can be suppressed, and in terms of design, the allowable amount of magnetic coupling between both the A-phase and B-phase magnetic circuits is increased. Obtainable. As a result, the axial length of the permanent magnet can be further shortened, and the axial length of the motor can be further reduced.
図6,図7は、本発明の第1の実施の形態を示している。本実施の形態においてステッピングモータは、ロータ2に誘導子3を放射状に配列し、2つのステータ(A相,B相)がそれぞれ界磁石(永久磁石5)に対してコイル7を軸方向に連ねた2相構造を採る。つまり、円筒形状のハウジング10(外ヨーク)内に、A相ステータ1aとB相ステータ1bとを連ねて組み込み、ハウジング中央には誘導子3有するロータ2を配置して、前後にブラケット11を嵌め合わせて回転軸4の支持とする構成になっている。
6 and 7 show a first embodiment of the present invention. In the present embodiment, the stepping motor is configured such that the
A相,B相は、回転方向に電気角で90度を移相させている他は構成が同一であり、回転軸4には複数の突起片を放射状に張り出させ、それら突起片は、外側に位置した円筒形状の永久磁石5がなす磁極6とそれぞれ対面して誘導子3となり、各相ステータ1に配置したコイル7に通電することでN極,S極と順次に磁化する。
The A phase and the B phase have the same configuration except that the electrical angle is shifted by 90 degrees in the rotation direction, and a plurality of projecting pieces project radially on the
永久磁石5は、円筒形状のその内周面を周方向にn分割してN極,S極と交互の極に着磁させてあり、それぞれを磁極6にしている。本実施の形態では磁極6は5対10極とし、これに対して誘導子3は5極となる設定であり、図7はA相,B相ひとつ組の誘導子3に係る部分のみを切り出して示している。なお、磁極6は単体の磁石から成形し、これらを一体に連結することで円筒形状の永久磁石5を形成することもよい。
The
ハウジング10およびブラケット11は、鉄などの軟磁性材料から形成しており、前後のブラケット11は、円形板材の中央に筒状の軸受け12を一体に組み付けてある。前後のブラケット11をハウジング10に嵌め合わせた状態では、各ブラケット11の裏側にそれぞれコイル7が位置し、これによりハウジング10が外ヨークをなし、ブラケット11の円形板部分が端面ヨーク、そして筒状の軸受け12が内ヨークとなり、これらが全体で当該モータのヨークとなる構成になっている。
The
したがって、A相側は永久磁石5が界磁石、コイル7aが磁束源となり、これらを囲む各ヨークおよび誘導子3aを巡る閉磁路がA相磁気回路となる。そして同様に、B相側は永久磁石5が界磁石、コイル7bが磁束源となり、これらを囲む各ヨークおよび誘導子3bを巡る閉磁路がB相磁気回路となる。
Therefore, on the A phase side, the
ここで磁場解析に関して、永久磁石5の磁極6と、その磁極6に対面する誘導子3との関係を次のように定義しておく。回転軸4に対する垂直面において、磁極6が回転中心Oとなす角をαとし、そして磁極6に対面する誘導子3の表面が回転中心Oとなす角をβとするとき、これらの比は極対面比Zとして、
Z = β/α
と定義する。
Here, regarding the magnetic field analysis, the relationship between the
Z = β / α
It is defined as
本実施の形態では磁極6は10極なので、回転中心Oとのなす角αは36度であり、誘導子3は5極なので周方向に1/5の磁気回路の機械角は72度になる。この機械角72度を電気角では360度とし、これによる電気角を用いて説明する。
In this embodiment, since the
誘導子3は磁極6と相対する表面形状を、一方の端縁が細幅になる略三角形状に形成してあり、A相,B相の両者で細幅側を向き合わせとし、図8に示すように、両者の向き合い端が隣り合うズレ位置で互いに突き出て所定量だけオーバーラップする位置関係の設定になっている。この図8には磁極6を横軸方向に電気角で展開して示してあり、誘導子3はA相側は電気角で0度および360度に位置するもの、B相側は電気角で90度および450度に位置するものをそれぞれ図示している。
The
この誘導子3は極対面比Zが、
Z = 0.6
に相当する表面積としており、これは後述する他例4の傾斜形状を軸方向で略中央から分けて一方を折り返したような略三角形状としている。
This
Z = 0.6
The inclined surface of the other example 4 which will be described later is formed in a substantially triangular shape obtained by dividing the inclined shape from the substantially central portion in the axial direction and folding one side.
このような表面形状を採ることで、A相磁気回路の誘導子3aとB相磁気回路の誘導子3bは両者の向き合いを軸方向で重なり合う位置関係とするため、重なり合った分だけ永久磁石5の筒長さを短縮でき、当該モータの軸方向の全長を短くすることができ、磁石材料の使用量が減るのでコスト低減の面でも有利である。つまり、誘導子3の形状を一方の端縁が細幅になる略三角形状に形成することで、A相,B相の両者を機械的な接触を避けた状態でオーバーラップさせることができ、軸方向で部分的に重なり合う位置関係を採るので当該モータの軸方向の全長を短縮することができる。
By adopting such a surface shape, the
この場合、誘導子3は極対面比Zが0.6に相当する面積なので、前述したトルク特性から分かるように、ディテントトルクは各相単独についての2次成分は略ゼロ値にできる。また、略三角形状の基部縁を電気角で90度にすると、誘導子3は略三角形状の互いの基部縁が、回転角の位置で見たときはディテントトルクの4次成分について逆相となり、このため4次成分の発生を抑制することができる。
In this case, the
誘導子3の形状は本実施の形態のような略三角形状に限定されるものではない。例えば、図9〜図12は誘導子3の他例1〜4を説明する模式図である。これら図9〜図12にあっても図8と同様に、磁極6を横軸方向に電気角で展開して示してあり、誘導子3はA相側は電気角で0度および360度に位置するもの、B相側は電気角で90度および450度に位置するものをそれぞれ図示している。
The shape of the
(誘導子3の他例1:細幅形状)
図9に示す誘導子3は、軸方向の幅を細くして細幅形状に形成している。つまりこの他例1では、誘導子3は極対面比Zが、
Z < 0.5
となる設定にしており、これは図示するような細幅形状となる。
(Other example of
The
Z <0.5
This is a narrow shape as shown in the figure.
このような表面形状を採ることで、A相磁気回路の誘導子3aとB相磁気回路の誘導子3bは両者の向き合いを隣り合うズレ位置で互いに突き出て所定量をオーバーラップする位置関係に設定できる。したがって、A相,B相間で誘導子3a,3bが重なり合った分だけ永久磁石5の筒長さを短縮できる。
By adopting such a surface shape, the
コイル7と鎖交する磁束は電気角360度を1周期として変化し、極対面比Zはトルク特性に相関がある。極対面比Zを小値にすることでは、前述した図4に示すように、鎖交磁束の振幅の減少はそれほど大きくない。鎖交磁束の減少分は、細幅形状とした誘導子3の軸方向長さをほんのわずか長くすることにより補うことができる。また、ディテントトルクの2次成分は、前述した図5から読み取れるように若干大きくなるが、2相構造であることから2次成分は当該モータにおいて相殺し、実用上は不都合にはならない。
The magnetic flux interlinking with the coil 7 changes with an electrical angle of 360 degrees as one cycle, and the pole-to-face ratio Z is correlated with the torque characteristics. When the pole-to-face ratio Z is set to a small value, the decrease in the amplitude of the interlinkage magnetic flux is not so large as shown in FIG. 4 described above. The decrease in the interlinkage magnetic flux can be compensated for by slightly increasing the axial length of the narrow-shaped
(誘導子3の他例2:段差形状)
図10に示す誘導子3は、周方向に非対称に突起部を設けて段差形状に形成している。つまりこの他例2では、誘導子3は極対面比Zが、
Z = 0.6
に相当する表面積としており、これは周方向について2等分した互いを当該方向にズレ量γだけずらして段差形状としている。
(Other example 2 of inductor 3: step shape)
The
Z = 0.6
The surface area is divided into two equal parts in the circumferential direction, and a step shape is formed by shifting each other in the direction by a shift amount γ.
このような表面形状を採ることで、A相磁気回路の誘導子3aとB相磁気回路の誘導子3bは両者の向き合いを隣り合うズレ位置で互いに突き出て所定量をオーバーラップする位置関係に設定できる。したがって、A相,B相間で誘導子3a,3bが重なり合った分だけ永久磁石5の筒長さを短縮できる。
By adopting such a surface shape, the
この場合、誘導子3は極対面比Zが0.6に相当する面積なので、ディテントトルクは各相単独についての2次成分は略ゼロ値にできる。また、ズレ量γを電気角で略45度にすると、誘導子3は段差形状の位置ズレした互いの部位が、回転角の位置で見たときはディテントトルクの4次成分について逆相となり、このため4次成分の発生を抑制することができる。
In this case, since the
(誘導子3の他例3:中央が凸形状)
図11に示す誘導子3は、中央が凸形状に形成している。つまりこの他例3では、上記した他例2の段差形状から一方の張り出し部位を軸方向にずらしたような中央が凸形状としている。そして他例2と同様に誘導子3は極対面比Zが、
Z = 0.6
に相当する表面積になっている。
(Other example 3 of the inductor 3: the center is convex)
The
Z = 0.6
The surface area is equivalent to
このような表面形状を採ることで、A相磁気回路の誘導子3aとB相磁気回路の誘導子3bは両者の向き合いを隣り合うズレ位置で互いに突き出て所定量をオーバーラップする位置関係に設定できる。したがって、A相,B相間で誘導子3a,3bが重なり合った分だけ永久磁石5の筒長さを短縮できる。
By adopting such a surface shape, the
この場合も、誘導子3は極対面比Zが0.6に相当する面積なので、ディテントトルクは各相単独についての2次成分は略ゼロ値にできる。また、凸形状の肩部の幅γを電気角で略45度にすると、誘導子3は凸形状の互いの肩部が、回転角の位置で見たときはディテントトルクの4次成分について逆相となり、このため4次成分の発生を抑制することができる。
In this case as well, since the
(誘導子3の他例4:斜めに傾いた傾斜形状)
図12に示す誘導子3は、周方向で斜めに傾いた傾斜形状に形成している。つまりこの他例4では、誘導子3は極対面比Zが、
Z = 0.6
に相当する表面積としており、これは周方向で斜めに傾けていき、所定の傾斜としたような傾斜形状としている。
(Other example 4 of the inductor 3: an inclined shape inclined obliquely)
The
Z = 0.6
The surface area is inclined in the circumferential direction so as to have a predetermined inclination.
このような表面形状を採ることで、A相磁気回路の誘導子3aとB相磁気回路の誘導子3bは両者の向き合いを隣り合うズレ位置で互いに突き出て所定にオーバーラップする位置関係に設定できる。したがって、A相,B相間で誘導子3a,3bが重なり合った分だけ永久磁石5の筒長さを短縮できる。
By adopting such a surface shape, the
この場合も、誘導子3は極対面比Zが0.6に相当する面積なので、ディテントトルクは各相単独についての2次成分は略ゼロ値にできる。また、傾斜形状の端縁を電気角で90度にすると、誘導子3は傾斜形状の互いの端縁が、回転角の位置で見たときはディテントトルクの4次成分について逆相となり、このため4次成分の発生を抑制することができる。
In this case as well, since the
このように、他例1〜4の何れについても同様に、A相,B相の両者を機械的な接触を避けた状態でオーバーラップさせることができ、軸方向で部分的に重なり合う位置関係を採るので当該モータの軸方向の全長を短くすることができる。そして、極対面比Zを適正に設定するので、トルク特性を良好に保つことができ、ディテントトルクは低値に抑え得る。 Thus, similarly in any of the other examples 1 to 4, both the A phase and the B phase can be overlapped in a state avoiding mechanical contact, and the positional relationship partially overlapping in the axial direction can be obtained. Therefore, the total axial length of the motor can be shortened. Since the pole-to-face ratio Z is set appropriately, the torque characteristics can be kept good, and the detent torque can be suppressed to a low value.
図13は、本発明の第2の実施の形態を示している。本実施の形態においてステッピングモータは、ロータ2に誘導子3を放射状に配列し、2つのステータ(A相,B相)がそれぞれ界磁石(永久磁石5)に対してコイル7を軸方向に連ねた2相構造を採り、これらA相,B相の磁気回路は第1の実施の形態と同一の構成になっているが、ロータ2にはA相とB相の間に第3の誘導子8を設けている。
FIG. 13 shows a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the stepping motor is configured such that the
つまり、第3の誘導子8は、回転軸4の略中央に複数を放射状に張り出させて設けてあり、これらは外側に位置した永久磁石5がなす磁極6とそれぞれ対面し、各相ステータ1に配置したコイル7に通電することでN極,S極と順次に磁化する。本実施の形態では永久磁石5の磁極6が5対10極なので、誘導子8は5極を設け、磁極6と相対する表面形状を小さな矩形状に形成している。
In other words, a plurality of
この誘導子8は、A相誘導子3a,B相誘導子3bの略中間に位置し、A相,B相の両ステータに関して磁気的な間隔が略中間となる位置に配列している。具体的には図14に示すように、周方向では電気角でA相側0度,B相側90度に対して−135度に配置し、A相側360度,B相側450度に対しては225度に配置するようになっている。したがって、誘導子8は永久磁石5をA相,B相磁気回路の両者と共有し、新たな第3磁気回路を構成しており、これはA相,B相とは磁気的に相互に結合することになる。
The
この新たな第3の磁気回路は、永久磁石5をA相,B相磁気回路と共有するので、永久磁石5の軸方向の全長は何ら変更する必要がない。逆に、誘導子3aと誘導子3bとのオーバーラップを大きくした場合、A相,B相磁気回路の両者の磁気的な結合が密になり、この結合によってディテントトルクが増大するが、これは誘導子8を巡る第3磁気回路により発生する磁場が打ち消す向きに作用し、出力として発現するディテントトルクは結果的には小値にすることができる。
Since this new third magnetic circuit shares the
したがって、第3の誘導子8を設けることでは、A相,B相磁気回路の磁気的な結合に起因したディテントトルクを抑制でき、設計面から言えば、A相,B相磁気回路の両者間での磁気的な結合の許容量を大きく得ることができることになる。その結果、永久磁石5の軸方向の全長は第1の実施の形態に比べてより短くすることができ、当該モータの軸方向の全長をさらに低減でき、よりさらなる小型化が行える。
Therefore, the provision of the
本発明の効果を実証するため、図13に示す第2の実施の形態について磁場解析を行い、トルク特性を検証した。第3磁気回路の誘導子8は、磁極6と相対する表面形状を適宜に設定することで、A相磁気回路とB相磁気回路とによって発生するディテントトルクに対して、打ち消す向きの磁場作用を調整でき、出力として発現するディテントトルクが最小値となるように設定することになる。
In order to verify the effect of the present invention, magnetic field analysis was performed on the second embodiment shown in FIG. 13 to verify the torque characteristics. The
そこで、永久磁石5の磁化分布は理想状態であると仮定し、極対面比Zをパラメータとして解析演算を実行し、誘導子8が発生するディテントトルクの2次成分と4次成分を求めた。その結果、図15に示す特性を得た。このとき永久磁石5の磁化分布は、磁極6の表面において周回角に対してほぼ正弦波状であるものとしてあり、実際に多極の着磁で得られる磁化分布に近いと言える。また、図15にはディテントトルクは振幅として規格化単位によりグラフ表示しており、ディテントトルク振幅の正負は、電気角0度でのトルクの正負で定義している。
Therefore, assuming that the magnetization distribution of the
その結果、図15に示すように、ディテントトルクの2次成分は、極対面比Zが0.5の近辺で極性が正から負へ変化する特性であることを確認した。 As a result, as shown in FIG. 15, it was confirmed that the secondary component of the detent torque has a characteristic that the polarity changes from positive to negative in the vicinity of the pole-to-face ratio Z of 0.5.
ところで、誘導子8を設けない構成では、A相磁気回路とB相磁気回路とによって発生するディテントトルクは、電気角で見ると図16に示すような特性を示す。つまり、A相,B相磁気回路の磁気的な結合では、ディテントトルクD0に沿う波形として本来存在する4次成分D4の他に2次成分D2が発生していて、この2次成分D2の位相は、極対面比Zを0.6とした場合に対して電気角で約45度進んでしまう特性となる。この2次成分D2の振幅を小さくするためには、A相誘導子3a,B相誘導子3bの両者の隙間を広く大きくする必要があり、これがステッピングモータの軸方向の全長を短縮できない原因になっている。
By the way, in the configuration in which the
そこで、A相,B相磁気回路の磁気的な結合によるディテントトルクの2次成分D2は、振幅に変換すると負なので、第3磁気回路により適宜な正の振幅のトルクを発生させれば、ディテントトルクを打ち消すことができる。特に、図15から明らかなように、極対面比Zが0.28の近辺では4次成分DW4の振幅がほとんどゼロとなっているので、極対面比Zを0.28に選定した場合は2次成分DW2だけをターゲットにした打ち消しが行える。 Therefore, since the secondary component D2 of the detent torque due to magnetic coupling of the A-phase and B-phase magnetic circuits is negative when converted to amplitude, the detent can be generated by generating a torque with an appropriate positive amplitude by the third magnetic circuit. Torque can be canceled out. In particular, as apparent from FIG. 15, the amplitude of the fourth-order component DW4 is almost zero in the vicinity of the pole-to-face ratio Z of 0.28. It is possible to cancel with only the next component DW2 as a target.
以上のことから次に、極対面比Zを0.28とし、電気角で表したロータの回転角に対して第3磁気回路が発生するトルクを求めた。その結果、図17に示すトルク特性を得た。この場合、図16の2次成分D2とほぼ同振幅で逆相となっていることを確認した。したがって、図15の2次成分DW2を打ち消すことができる。 From the above, next, the pole-to-surface ratio Z was set to 0.28, and the torque generated by the third magnetic circuit with respect to the rotor rotation angle expressed in electrical angle was obtained. As a result, the torque characteristic shown in FIG. 17 was obtained. In this case, it was confirmed that the secondary component D2 of FIG. Therefore, the secondary component DW2 in FIG. 15 can be canceled out.
すなわち、極対面比Zの値を適切に設定することにより、第3磁気回路では、A相,B相磁気回路によるディテントトルクに対して逆相のディテントトルクを発生させることができ、これには第3の誘導子8の表面形状、相対する磁極6との隙間、そして周方向での位置などを適宜に調整すればよい。
That is, by appropriately setting the value of the pole-to-face ratio Z, the third magnetic circuit can generate a detent torque that is opposite in phase to the detent torque generated by the A-phase and B-phase magnetic circuits. What is necessary is just to adjust the surface shape of the
1 ステータ
2 ロータ
3 誘導子
4 回転軸
5 永久磁石
6 磁極
7 コイル
8 第3の誘導子
10 ハウジング
11 ブラケット
12 軸受け
DESCRIPTION OF
Claims (6)
回転中心に対する垂直面において、前記磁極が回転中心となす角αと、前記誘導子の表面が回転中心となす角βとの比を極対面比Zとし、当該極対面比Zは
Z = β/α
と定義するとき、
Z < 0.5
となる設定にすることを特徴とするステッピングモータ。 Inductors are arranged radially on the rotor, and a large number of magnetic poles made of permanent magnets are arranged around the circumference of the inductors to form field magnets. Each of the two A-phase and B-phase stators has a coil as an axis for the field magnets. A stepping motor linked to the direction,
In the plane perpendicular to the center of rotation, the ratio of the angle α formed by the magnetic pole to the center of rotation and the angle β formed by the surface of the inductor and the center of rotation is defined as a pole-to-face ratio Z, and the pole-to-face ratio Z is Z = β / α
When defining
Z <0.5
A stepping motor characterized by the following setting.
前記誘導子は前記磁極と相対する表面形状を、周方向に非対称に突起部を有する段差形状とすることを特徴とするステッピングモータ。 Inductors are arranged radially on the rotor, and a large number of magnetic poles made of permanent magnets are arranged around the circumference of the inductors to form field magnets. Each of the two A-phase and B-phase stators has a coil as an axis for the field magnets. In stepping motors that run in the direction,
The stepping motor is characterized in that the inductor has a stepped shape having a protruding portion asymmetrically in the circumferential direction with respect to the magnetic pole.
前記誘導子は前記磁極と相対する表面形状を、周方向で斜めに傾いた傾斜形状とすることを特徴とするステッピングモータ。 Inductors are arranged radially on the rotor, and a large number of magnetic poles made of permanent magnets are arranged around the circumference of the inductors to form field magnets. Each of the two A-phase and B-phase stators has a coil as an axis for the field magnets. In stepping motors that run in the direction,
The stepping motor according to claim 1, wherein the inductor has a surface shape opposite to the magnetic pole, which is inclined obliquely in a circumferential direction.
前記誘導子は前記磁極と相対する表面形状を、軸線に沿って見て一方の端縁が細幅になる凸形状あるいは略三角形状とし、A相,B相の両者で細幅側を向き合わせることを特徴とするステッピングモータ。 Inductors are arranged radially on the rotor, and a large number of magnetic poles made of permanent magnets are arranged around the circumference of the inductors to form field magnets. Each of the two A-phase and B-phase stators has a coil as an axis for the field magnets. In stepping motors that run in the direction,
The inductor has a surface shape opposite to the magnetic pole, a convex shape or a substantially triangular shape whose one edge is narrow when viewed along the axis, and faces the narrow side in both the A phase and the B phase. Stepping motor characterized by that.
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