JP2013042640A - Stepping motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動防止と放熱のための構造に特徴のあるステッピングモータに関する。 The present invention relates to a stepping motor characterized by a structure for preventing vibration and radiating heat.
ステッピングモータはステップ角度だけ回転して次の安定点に移動することで回転するが、停止の際に、回転子(ロータ)の慣性力により減衰振動をしながら振動が収束しつつ停止する。このため、従来から振動対策としてダンパーを用いることが知られている。この問題に対応する技術として、例えば、特許文献1には、ロータ軸にゴム(天然ゴムまたは合成ゴム)を用いた円板形状のダンパーを取り付けた技術が記載されている。この技術では、ゴム材料から形成されたダンパーによってステッピングモータのロータの振動を抑制できるとされている。 The stepping motor rotates by rotating by the step angle and moves to the next stable point. However, at the time of stopping, the stepping motor stops while the vibration converges while performing the damped vibration by the inertia force of the rotor (rotor). For this reason, it is conventionally known to use a damper as a vibration countermeasure. As a technique for dealing with this problem, for example, Patent Document 1 describes a technique in which a disk-shaped damper using rubber (natural rubber or synthetic rubber) is attached to a rotor shaft. In this technique, it is said that the vibration of the rotor of the stepping motor can be suppressed by a damper formed from a rubber material.
他方において、ステッピングモータを連続駆動させた場合、発熱し、ステッピングモータの温度が上昇する問題がある。この発熱は、主にコアの鉄損に起因して発生する。ここで、鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損に分けられる。特許文献2には、インナーロータ型のステッピングモータにおいて、固定子鉄心から発生する熱の放熱を促進させるために、固定子鉄心を挟持する前後のブラケットの表面に黒色アルマイト処理を施すことにより、集熱・放熱効果を生じさせる構成が記載されている。
On the other hand, when the stepping motor is continuously driven, heat is generated and the temperature of the stepping motor rises. This heat generation is mainly caused by the core iron loss. Here, the iron loss is divided into hysteresis loss and eddy current loss. In
ところで、インナーロータ型のHB(ハイブリッド)型ステッピングモータは、ステータ側のコアからの発熱に加えて、ロータもコア(ロータコア)を有するので、このロータコアからの発熱も問題となる。ロータは、一般的に通気性のほとんどないステータの内側に配置されているので、その温度上昇はモータ全体の温度上昇を促進させる。また、ロータの温度上昇は、特に耐熱温度の低いネオジム系マグネットでロータマグネットを構成している場合、ロータマグネットの磁力低下の要因となる。しかしながら、特許文献1および2の技術では、ロータコアからの発熱に対応することはできない。
By the way, in the inner rotor type HB (hybrid) type stepping motor, in addition to the heat generation from the stator-side core, the rotor also has the core (rotor core), so the heat generation from the rotor core is also a problem. Since the rotor is generally disposed inside a stator that is hardly air permeable, the temperature increase promotes the temperature increase of the entire motor. Further, when the rotor magnet is composed of a neodymium magnet having a low heat-resistant temperature, the rise in the temperature of the rotor becomes a factor in reducing the magnetic force of the rotor magnet. However, the techniques of
このような背景において、本発明は、ロータコアから発生する熱を効率よく放熱させ、更にステッピングモータで問題となる振動の発生を抑えることができる技術の提供を目的とする。 In such a background, an object of the present invention is to provide a technique capable of efficiently dissipating heat generated from a rotor core and further suppressing generation of vibration that causes a problem in a stepping motor.
請求項1に記載の発明は、固定子鉄心と、前記固定子鉄心を挟持する一対のブラケットと、前記固定子鉄心の内側において回転自在な状態で保持され、軟磁性材料により構成されるロータコアを備えたロータと、前記ロータの回転中心に固定されたシャフトと、前記シャフトの前記ブラケットの外側に突出した部分に取り付けられ、回転中心から離れた方向に延在する形状を有する金属製の部材とを備え、前記金属製の部材が、前記ロータコアで発生する熱を外部に放熱する放熱部および前記ロータに慣性モーメントを付加する慣性負荷として機能することを特徴とするステッピングモータである。請求項1に記載の発明によれば、ロータコアで発生する熱が金属製の部材に伝わり、更にそこから空気中に放熱される。この放熱により、ロータの温度上昇が抑えられる。また、金属製の部材が慣性負荷となり、ロータの回転モーメントが増加するので、振動抑制効果も得られる。 The invention according to claim 1 includes a stator core, a pair of brackets that sandwich the stator core, and a rotor core that is held in a rotatable state inside the stator core and is made of a soft magnetic material. A rotor provided with the shaft, a shaft fixed to the rotation center of the rotor, and a metal member attached to a portion of the shaft that protrudes to the outside of the bracket and extending in a direction away from the rotation center; And the metal member functions as a heat radiating portion that radiates heat generated in the rotor core to the outside and an inertia load that adds an inertia moment to the rotor. According to the first aspect of the present invention, the heat generated in the rotor core is transmitted to the metal member, and is further radiated from there to the air. By this heat dissipation, the temperature rise of the rotor is suppressed. Further, since the metal member becomes an inertia load and the rotational moment of the rotor increases, a vibration suppressing effect can also be obtained.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記金属製の部材が円盤形状を有した円盤状プレートであり、前記円盤状プレートに凹凸が形成されていることを特徴とする。請求項2に記載の発明によれば、円盤状プレートの表面積が増大し、回転時における円盤状プレートからの放熱効率が高くなる。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記金属製の部材が円盤形状を有した円盤状プレートであり、前記円盤状プレートに複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする。請求項3に記載の発明によれば、貫通孔の内周面からの放熱も加わるので、貫通孔を設けない場合に比較して円盤状プレートからの放熱効果が高くなる。
The invention according to claim 3 is the invention according to
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発明において、前記一対のブラケットが金属により構成されていることを特徴とする。請求項4に記載の発明によれば、固定子鉄心で発生した熱が、金属により構成されたブラケットに伝導し、そこから放熱される。一対のブラケットを金属で構成することで、この放熱の効率を高くできる。 The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the pair of brackets are made of metal. According to invention of Claim 4, the heat | fever which generate | occur | produced in the stator core conducts to the bracket comprised with the metal, and is thermally radiated from there. The heat radiation efficiency can be increased by configuring the pair of brackets with metal.
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の発明において、前記金属製の部材は回転することで気流を発生させる形状を有することを特徴とする。請求項5に記載の発明によれば、回転時に金属製の部材から気流が発生することで、当該金属製の部材自体からの放熱の効率が向上すると共にし、発生する気流により、ハウジングや固定子鉄心からの放熱の効率も向上する。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the metal member has a shape that generates an airflow by rotating. According to the fifth aspect of the present invention, an air flow is generated from the metal member during rotation, thereby improving the efficiency of heat dissipation from the metal member itself. The efficiency of heat dissipation from the core is also improved.
本発明によれば、ロータコアから発生する熱を効率よく放熱させ、更にステッピングモータで問題となる振動の発生を抑えることができる技術が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the technique which can thermally radiate the heat which generate | occur | produces from a rotor core, and can suppress generation | occurrence | production of the vibration which becomes a problem with a stepping motor is provided.
(構成)
図1には、本発明の実施形態のHB(ハイブリッド)型ステッピングモータ100が示されている。HB型ステッピングモータ100は、固定子鉄心(ステータコア)101を備えている。固定子鉄心101は、通常のHB型ステッピングモータの固定子鉄心と同じ構造を有している。固定子鉄心101は、軟磁性材料により構成されている。この例において、固定子鉄心101は、軟磁性材料であるSECC(電磁鋼板)を積層したもので構成されている。図1からは明らかではないが、固定子鉄心101は、一般的なHB型ステッピングモータにおける固定子鉄心の場合と同様に、周方向に沿って複数配置された軸中心の方向に延在する突極を備えている。この突極には、樹脂性のボビン102が装着され、ボビン102には、界磁コイル103が巻回されている。
(Constitution)
FIG. 1 shows an HB (hybrid)
固定子鉄心101は、軸方向の前後からアルミダイカストにより構成された一対のブラケット104,105によって挟まれた状態で保持されている。ブラケット104,105および固定子鉄心101の結合は、図示しない螺子やボルト等の結合部材により行われている。ブラケット104には、軸受106を介して回転軸となるシャフト108が回転自在な状態で保持されている。また、ブラケット105には、軸受107を介してシャフト108が回転自在な状態で保持されている。シャフト108には、ロータ110が固定されている。この構造により、固定子鉄心101の内側でロータ110が回転自在な状態で保持されている。なお、シャフト108は、ロータ110で発生する熱を効率よく伝導させるために金属製の材料(例えば、ステンレス鋼)により構成されている。
The
ロータ110は、一対のロータコア111,112および略円板形状(あるいは略円筒形状)のロータマグネット113を備えている。ロータマグネット113は、軸方向において異なる極性となるように着磁されており、ロータコア111と112を異なる極性に磁化する。ロータマグネット113は、軸方向においてロータコア111と112との間に挟まれて保持されている。このロータ110の構造は、通常のHB型ステッピングモータの場合と同じである。ロータコア111,112は、軟磁性材料により構成されている。この例において、ロータコア111,112は、電磁鋼板を積層したもので構成されている。固定子鉄心101やロータコア111,112が電磁鋼板を積層した構造を有しているのは、渦電流の発生を抑え、鉄損を抑えるためである。また、ロータコア111,112は、シャフト108に直接接触する構造とし、ロータコア111,112で発生する熱がシャフト108に伝導し易い構造とされている。
The
シャフト108の一端には、ギア115が取り付けられ、シャフト108の他端には、円盤状プレート116が取り付けられている。ギア115は、図示しない他のギアと噛み合い、ロータ110の回転を外部に伝える。円盤状プレート116は、回転中心から離れた方向に延在する形状を有する金属製の部材の一例である。この例において、円盤状プレート116は、ロータコア111,112と同じ電磁鋼板を積層したものにより構成されている。円盤状プレート116には、中央に圧入孔が設けられ、そこにシャフト108が圧入されることで、シャフト108に固定されている。円盤状プレート116とシャフト108とが直接接触する構造とすることで、ロータ110の熱がシャフト108を介して円盤状プレート116に伝導し、円盤状プレート116から効率よく放熱される構造が得られている。ここでは、コスト削減のために、円盤状プレート116を電磁鋼板により構成する例を説明したが、円盤状プレート116の材質は、質量を稼ぐことができ、且つ、良好な熱伝導を有した材質であれば、他の金属材料であってもよい。
A
円盤状プレート116は、ロータ110の回転モーメントを増大させる慣性負荷としても機能する。円盤状プレート116があることで、ロータ110の慣性モーメントが増大し、振動の抑制効果が得られる。円盤状プレート116を取り付けることで発生するイナーシャの値は、円盤状プレート116の厚みや直径を選択することで調整することができる。
The disk-shaped
(放熱機能)
HB型ステッピングモータ100を連続駆動すると、固定子鉄心101およびロータコア111,112において鉄損が生じ、固定子鉄心101およびロータコア111,112が発熱する。固定子鉄心101で発生した熱は、固定子鉄心101の外周から放熱され、またアルミダイカスト製のブラケット104,105に伝わり、そこから放熱される。ロータコア111,112で発生した熱は、シャフト108を介して、円盤状プレート116に伝わり、円盤状プレート116から放熱される。円盤状プレート116は、熱伝導性の高い金属材料により構成され、また他の部材に対して相対的に大きな面積を有し、更に回転し空冷されるので、放熱効率の高い放熱器として機能する。このため、密閉された(または密閉に近い)環境にあるロータコア111,112から発生する熱がロータ110に集中せず、円盤状プレート116から効果的に放熱され、ロータ110の温度上昇が抑えられる。
(Heat dissipation function)
When the HB
(実証実験)
図1に示すHB型ステッピングモータ100とは別に、HB型ステッピングモータ100の構造から、円盤状プレート116を取り外した構造の比較サンプルを作製した。そして、HB型ステッピングモータ100と上記比較サンプルとを同じ回転速度(回転数/分)になるように駆動し、固定子鉄心101外周の温度を熱電対で測定した。
(Demonstration experiment)
Separately from the HB
図2に上記実験の結果を示す。図2には、駆動時間の経過と共にモータの温度が上昇してゆく様子が示されている。図2において、上記の比較サンプル(円盤状プレートなし)のデータが(a)のプロット点で示され、実施形態のHB型ステッピングモータ100のデータが(b)のプロット点で示されている。図2に示されるように、円盤状プレート116をシャフト108に装着した本実施例のHB型ステッピングモータ100は、円盤状プレート116を装着していないHB型ステッピングモータ(比較サンプル)に比べて、モータの表面温度が約20℃低い結果が得られた。この結果は、ロータコア111,112において鉄損に起因して発生した熱が、シャフト108から円盤状プレート116へと伝導し、円盤状プレート116から放熱されることで、固定子鉄心101の内側にこもる熱量が減少することに起因すると考えられる。
FIG. 2 shows the results of the above experiment. FIG. 2 shows how the temperature of the motor rises as the drive time elapses. In FIG. 2, the data of the above comparative sample (without the disc-shaped plate) is shown by the plot points of (a), and the data of the
(優位性)
以上述べたように、実施形態のHB型ステッピングモータ100は、ロータコア111,112を備えたロータ110の回転中心に金属製のシャフト108が固定され、シャフト108のブラケット105の外部に突出した部分に金属製の円盤状プレート116が固定されている。駆動時にロータコア111,112は、鉄損に起因して発熱するが、この熱は、シャフト108から円盤状プレート116に伝導し、円盤状プレート116から周囲の空間に放熱される。円盤状プレート116は、放熱に寄与するのに加えて、慣性負荷としても機能し、振動を抑える機能も発現する。
(Superiority)
As described above, in the HB
ステッピングモータが通気性の悪い密閉された空間などで使用されている場合、放熱の効率が低く、ステッピングモータが高温化しやすい。このような状況であっても、本願発明を利用したHB型ステッピングモータ100では、効率よく放熱が行われ、モータ特性の低下が抑えられる。
When the stepping motor is used in a sealed space where air permeability is poor, the efficiency of heat dissipation is low, and the stepping motor is likely to be heated. Even in such a situation, the HB
ロータマグネット113として耐熱温度の低いネオジム磁石等を用いた場合、熱減磁(温度上昇によって磁力が弱まる現象)によってモータの特性が低下する虞がある。これに対して、本実施例のHB型ステッピングモータ100では、ロータ110の温度上昇が抑えられるので、ロータマグネット113として熱に弱い磁石を用いても、上記の熱減磁に起因するモータ特性の低下が生じ難いものとできる。
When a neodymium magnet having a low heat-resistant temperature is used as the
また、円盤状プレート116は、慣性負荷としても機能し、ロータ110の慣性質量を増大させる。ロータ110の慣性質量が増大することで、ステッピングモータで問題となる振動を抑える効果が得られる。
The disk-shaped
また、安価なSECC(電磁鋼板)からなる円盤状プレート116を慣性体としているため、弾性型ダンパーに比べて安価にできる。
In addition, since the
(その他)
図1には、円盤状プレート116の表面にはなんら加工を施していない例が示されているが、円盤状プレート116の円盤部表面に凹凸状の形状を有するように突起や溝を形成することによって表面積を増加させてもよい。円盤状プレート116の表面に突起や溝を形成することで、放熱される熱量が増大し、放熱効果を高めることができる。また、円盤状プレート116に複数の貫通孔を形成しても良い。貫通孔を設けることで、この貫通孔の内周面も放熱に寄与することとなり、放熱効果を高めることができる。
(Other)
FIG. 1 shows an example in which the surface of the disk-shaped
円盤状プレート116の軸方向から見た形状は、円形に限定されず、回転中心に対するバランスが確保された形状であれば他の形状も選択可能である。例えば、円盤状プレート116の代わりに軸方向から見た形状が正六角形や正八角形等の多角形状の盤状の構造体を用いることができる。また、円盤状プレート116を回転により気流の流れを生じさせる形状とし、放熱手段、慣性負荷および冷却ファン(あるいは放熱ファン)として機能させることもできる。この場合、円盤状プレート116に当たる空気の量が増大するので、円盤状プレート自体の空冷による冷却効果が更に向上し、それに加えて円盤状プレート116が起こす気流によるブラケット105およびその他の部分の空冷効果も得られる。この回転により気流を生じさせる形状としては、ファンやプロペラと同様な原理で気流を生じさせる形状を利用することができる。
The shape of the disc-shaped
この回転時に円盤状プレート116に気流を生じさせる構造としては、円盤状プレート116に軸から離れる方向に延在した複数の切り込みを入れ、その部分を折り曲げることで、回転時に軸流を生じさせる羽を形成する例等を挙げることができる。
As a structure for generating an air flow in the disk-shaped
円盤状プレート116を図1におけるブラケット105の右側に配置する構造に加えて、更にブラケット104の左側に配置する構造も可能である。この構造によれば、シャフト108を介しての放熱の経路が図1の場合よりも増え、ロータ110で発生する熱の放熱を更に効率よく行うことができる。
In addition to the structure in which the disk-shaped
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。 The aspect of the present invention is not limited to the individual embodiments described above, and includes various modifications that can be conceived by those skilled in the art, and the effects of the present invention are not limited to the contents described above. That is, various additions, modifications, and partial deletions can be made without departing from the concept and spirit of the present invention derived from the contents defined in the claims and equivalents thereof.
本発明は、ステッピングモータに利用することができる。 The present invention can be used for a stepping motor.
100…HB型ステッピングモータ、101…固定子鉄心、102…ボビン、103…界磁コイル、104…ブラケット、105…ブラケット、106…軸受、107…軸受、108…シャフト、110…ロータ、111…ロータコア、112…ロータコア、113…ロータマグネット、115…ギア、116…円盤状プレート。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記固定子鉄心を挟持する一対のブラケットと、
前記固定子鉄心の内側において回転自在な状態で保持され、軟磁性材料により構成されるロータコアを備えたロータと、
前記ロータの回転中心に固定されたシャフトと、
前記シャフトの前記ブラケットの外側に突出した部分に取り付けられ、回転中心から離れた方向に延在する形状を有する金属製の部材と
を備え、
前記金属製の部材が、前記ロータコアで発生する熱を外部に放熱する放熱部および前記ロータに慣性モーメントを付加する慣性負荷として機能することを特徴とするステッピングモータ。 A stator core,
A pair of brackets sandwiching the stator core;
A rotor having a rotor core that is held in a rotatable state inside the stator core and is made of a soft magnetic material;
A shaft fixed to the rotation center of the rotor;
A metal member attached to a portion of the shaft that protrudes outside the bracket, and having a shape extending in a direction away from the rotation center;
The stepping motor, wherein the metal member functions as a heat radiating portion that radiates heat generated in the rotor core to the outside and an inertia load that applies an inertia moment to the rotor.
前記円盤状プレートに凹凸が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のステッピングモータ。 The metal member is a disk-shaped plate having a disk shape,
The stepping motor according to claim 1, wherein unevenness is formed on the disk-shaped plate.
前記円盤状プレートに複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のステッピングモータ。 The metal member is a disk-shaped plate having a disk shape,
The stepping motor according to claim 1, wherein a plurality of through holes are formed in the disk-shaped plate.
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CN106026514A (en) * | 2016-07-14 | 2016-10-12 | 江苏华源防爆电机有限公司 | Driving magnetic gear combined motor of hybrid electric vehicle |
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- 2011-08-19 JP JP2011179562A patent/JP5937316B2/en not_active Expired - Fee Related
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