JP2013090430A - Ｐｍ型ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】高価な材料である希土類磁石を使用せず、低コスト材料であるフェライト磁石を用いても従来と同等以上の特性を有したステッピングモータを提供する。
【解決手段】円柱状を有し、外周面の円周方向に複数の磁極が配置されたロータ３００と、筒形状の外周部、および前記ロータを内側に納め、軸方向の一方の方向に延在する複数の第１の極歯とこの複数の第１の極歯と隙間を隔てて噛み合う複数の第２の極歯を有する内周部を有したステータヨーク２００と、このステータヨーク２００に対してロータ３０２を回転自在な状態で保持する軸受５０１，５０２とを備え、ロータ３００の外径ｄとステータヨークの外径Ｄの比が、ｄ／Ｄ＞０．６であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータのマグネット径とステータヨークの外径との関係に特徴のあるＰＭ型ステッピングモータに関する。

特許文献１には、ＰＭ（パーマネントマグネット）型ステッピングモータが示されている。このＰＭステッピングモータは、クローポール型のステッピングモータである。このＰＭ型ステッピングモータは、ボビンにコイルが巻回され、このボビンが外側ヨークと内側ヨークを組み合わせた構造の内側に納められた第１のステータと、この第１のステータと同様な構造の第２のステータを備えている。そして、これら第１のステータと第２のステータが軸方向で重ねられてステータが構成されている。ステータの内側には、ロータがステータに対して回転可能な状態で配置されている。ステータは、外周に多極着磁されたマグネット（永久磁石）と、シャフトと、ロータスリーブとで構成されている。特許文献１には、ロータのマグネットの外径φｄと、ステータヨークの外径φＤをφｄ／φＤ＜０．４とする点が記載されている。

特開平６―１０５５２６号公報

ところで、上記のような構造を有するＰＭ型ステッピングモータは、励磁によりステータコアで発生する磁力とロータマグネットの磁力との関係により、回転と停止の制御が行われる。この際、ステータコアが生成する磁力とロータ側のマグネットの磁力のバランスが重要な設計要件となる。また、一般的に永久磁石として、高い磁力が得られる希土類を用いた磁石が用いられるが、コストの点でフェライト磁石を用いる方が有利となる。

このような背景において、本発明は、高価な材料である希土類磁石を使用せず、低コスト材料であるフェライト磁石を用いても従来と同等以上の特性を有したステッピングモータを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、円柱状を有し、外周面の円周方向に複数の磁極が配置されたロータと、筒形状の外周部、および前記ロータを内側に納め、軸方向の一方の方向に延在する複数の第１の極歯と、この複数の第１の極歯に対して隙間を隔てて噛み合う複数の第２の極歯を有する内周部を有したステータヨークと、前記ステータヨークに対して前記ロータを回転自在な状態で保持する保持部材とを備え、前記ロータの外径ｄと前記ステータヨークの外径Ｄの比が、ｄ／Ｄ＞０．６であることを特徴とするＰＭ型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、安価なフェライト磁石をロータマグネットとして用いた場合であっても希土類磁石を用いた場合を凌ぐ性能を得ることができる。

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、前記ロータの前記磁極がフェライト磁石により構成されていることを特徴とする。

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、前記ステータヨークの外径が５５ｍｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、高価な材料である希土類磁石を使用せず、低コスト材料であるフェライト磁石を用いても従来と同等以上の特性を有したステッピングモータが提供される。

発明の実施形態におけるステッピングモータの断面図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。 第１のステータを示す斜視図である。 発明の実施形態と従来例のトルク特性を示すグラフである。

（構成）
図１には、実施形態のＰＭ型ステッピングモータ１００が示されている。図１（Ａ）には、軸方向で切断した断面の状態が示され、図１（Ｂ）には、正面から見た外観が示されている。ＰＭ型ステッピングモータ１００は、クローポール型のステッピングモータである。ＰＭ型ステッピングモータ１００は、ステータヨーク２００を備えている。ステータヨーク２００は、第１のステータヨーク２０１と第２のステータヨーク２０２とにより構成されている。第１のステータヨーク２０１と第２のステータヨーク２０２とは、軸方向における向きが反対なだけで同じ構造を有している。以下、代表して第１のステータヨーク２０１について説明する。

図２には、第１のステータヨーク２０１の斜視図が示されている。図２では、第１のステータヨーク２０１の部分のみが示され、それ以外の部材の記載は省略されている。第１のステータヨーク２０１は、軟磁性材料の鋼板（例えば、電磁鋼板や珪素鋼板）により構成された外側ヨーク２１０および内側ヨーク２２０により構成されている。外側ヨーク２１０は、第１のステータヨークの外周側を構成する円筒形状の外筒部２１１、この外筒部２１１の軸方向端部縁の部分から軸中心の方向に延在した円環部２１２、円環部２１２の軸中心側において、軸方向に折り曲げられた複数の極歯２１３を有している。

内側ヨーク２２０は、円環部２２１、この円環部２２１の軸中心側において、軸方向に折り曲げられた複数の極歯２２２を有している。円環部２２１の外縁部は、円筒部２１１の内側に接合されている。この接合構造により、外側ヨーク２１０と内側ヨーク２２０との結合が行われている。外側ヨーク２１０の極歯２１３と、内側ヨーク２２０の極歯２２２は、互いに逆方向に延在し、隙間を有した状態で互い違いに噛み合った位置関係を有している。複数の極歯２１３と２２２とが隙間を隔てて噛み合った状態で対向した部分により、第１のステータヨーク２０１の内周側が構成されている。

外側ヨーク２１０と内側ヨーク２２０によって構成される第１のステータヨーク２０１は、円環状の中空部分を内側に有している。この円環状の中空部分に、界磁コイル２３１が巻回された樹脂製のボビン２３２が収められている（図１参照）。界磁コイル２３１の巻線の端部は、端子２３３に接続されている。端子２３３に外部からの駆動信号を供給する配線が接続される。第１のステータヨーク２０１と同様に、第２のステータヨーク２０２も円環状の中空部分を有し、この中空部分に界磁コイル２４１が巻回された樹脂製のボビン２４２が収められている。界磁コイル２４１の巻線の端部は、端子２４３に接続されている。そして、第１のステータヨーク２０１と第２のステータヨーク２０２を軸方向で積層することで、ステータヨーク２００が構成されている。なお、第１のステータヨーク２０１と第２のステータヨーク２０２とは、一方を他方に対して軸方向で反転させた状態で重ねられている。

ステータヨーク２００の内側は、略円柱形状の空間とされており、そこにロータ３００が回転自在な状態で収められている。ロータ３００は、全体が円柱状の形状を有し、円柱形状のコア部材３０１、コア部材３０１の外周に固定された厚みのある筒状のロータマグネット３０２を有している。コア部材３０１は、中心に回転軸となるシャフト４００が固定されている。ロータマグネット３０２は、厚みのある円筒形状を有したフェライト系の永久磁石であり、周方向に沿って交互に極性が反転する状態の着磁がされている。ロータマグネット３０２としては、フェライト磁石が用いられている。このフェライト磁石には、焼結磁石、樹脂磁石、極異方性磁石、ラジアル配向磁石、等方性磁石が含まれる。

シャフト４００は、軸受５０１および５０２によって回転自在な状態で保持されている。軸受５０１は、第１のステータヨーク２０１に固定されたフロントプレート５０３に固定されている。また、軸受５０２は、第２のステータヨーク２０２に固定されたエンドプレート５０４に固定されている。この構造により、ロータ３００が回転自在な状態でステータヨーク２００の内側で保持されている。

第１のステータヨーク２０１および第２のステータヨーク２０２の外径Ｄと、ロータマグネット３０２の外径ｄとは、ｄ／Ｄ＞０．６の関係を満たす値とされている。また、Ｄの最大値は５５ｍｍである。ｄ／Ｄ＞０．６とすることで、希土類磁石よりも磁力の弱いフェライト磁石であっても、希土類磁石を用いた場合よりも高い性能が得られる。なお、ロータマグネット３０２としてフェライト磁石を採用した場合、ｄ／Ｄ≦０．６となると、希土類磁石を採用した場合よりも性能が低下する傾向が見られる。

（性能評価）
図３には、ロータマグネットとして希土類磁石を用いた場合のモータ（従来のモータ）と、本発明を利用した実施形態のモータとの性能試験の結果が示されている。図３の横軸は、駆動信号の周波数（界磁コイルの極性を切り替える周波数）である。横軸の値は、回転数に比例するパラメータとして把握できる。図３の縦軸は、トルクである。

図３に示すデータが得られた試験体の条件は、下記の通りである。なお、ステータとロータの間の隙間は、両者で同じである。
（従来のモータ）
ステータの外径Ｄ：３５ｍｍ
ロータマグネットの外径ｄ：１８ｍｍ
ロータマグネットの材質：希土類ボンド磁石
ｄ／Ｄ≒０．５１
駆動方法：定電流駆動方式
（実施形態のモータ）
ステータの外径Ｄ：３５ｍｍ
ロータマグネットの外径ｄ：２２ｍｍ
ロータマグネットの材質：フェライト極異方性磁石
ｄ／Ｄ≒０．６３
駆動方法：定電流駆動方式

図３に示すように、ロータマグネットとして希土類磁石を用いｄ／Ｄ≒０．５１としたサンプルに比較して、ロータマグネットとしてフェライト磁石を用いｄ／Ｄ≒０．６３としたサンプルは、低駆動周波数および高駆動周波数におけるトルクが大きい。特に、駆動周波数が高い領域におけるトルクの低下が小さい。

図３に示すように、本実施形態では、ロータマグネットとして希土類磁石に比較して磁力の弱いフェライト磁石を用いても、希土類磁石を用いた従来のモータに比較して、トルク特性の低下が生じていない。これは、ロータの径を大きくすることで、その表面積を増やし、全体として見た場合のステータ／ロータ間に作用する磁力の強さが低下しないようにしているためであると考えられる。

駆動周波数が低い領域でトルクが大きいのは、ロータ径が大きくなることで、ロータ側の着磁ピッチが大きくなり、またそれに対応してステータ側の極歯の幅（周方向における極歯２１３，２２２の寸法）も大きくなるので、低速回転時のトルクが大きくなるためであると考えられる。

定電流駆動において、駆動周波数が高い領域におけるトルクの低下が抑えられているのは、ｄ／Ｄの値を大きくすることで、界磁コイル２３１，２４１の巻き数を減らし、コイルのインピーダンスを下げることができるからである。さらに、本実施形態では、ステータヨークの板厚を薄くすることにより（たとえば従来の０．９ｍｍを０．８ｍｍへあるいは０．８ｍｍを０．７ｍｍ）、ステータヨーク２００中における鉄損を小さくしている。鉄損は、駆動周波数が高くなる程大きくなるので、鉄損の影響を抑えることで、高駆動周波数時におけるトルク特性が従来構造のものに比較して良好になると考えられる。また、ステータの板厚を薄くすることにより磁束密度は低下するがロータのピッチ幅が広がることにより、ロータに対向するステータの極歯の幅も広がるのでトルクに寄与する磁束の低下は起こらない。このように、Ｄ≦５５ｍｍ、ｄ／Ｄ＞０．６の条件において、ステータヨークの板厚を０．８ｍｍ以下とすることで、駆動周波数が高い領域におけるトルクの低下を抑えることができる。

なお、ロータマグネット３０２としてフェライト磁石を用いた場合において、ｄ／Ｄ≦０．６となると、図３の従来モータ（希土類磁石利用のモータ）に比較しての性能上の優位性は現れず、逆にロータマグネット３０２の磁力の弱さに起因する全体的なトルクの低下が目立ってくる。また、ロータマグネット３０２として希土類磁石を利用し、ｄ／Ｄ＞０．６とした場合、図３にも現れている高駆動周波数におけるトルクの低下がより顕著になる。

（優位性）
図１および図２に示すように、本実施形態では、円柱状を有し、外周面の円周方向に複数の磁極が配置されたロータ３００と、筒形状の外周部２１１、およびロータ３００を内側に納め、軸方向の一方の方向に延在する複数の第１の極歯２１３とこの複数の第１の極歯２１３と隙間を隔てて噛み合う複数の第２の極歯２２２を有する内周部を有したステータヨーク２００と、このステータヨーク２００に対してロータ３０２を回転自在な状態で保持する軸受５０１，５０２とを備え、ロータ３００の外径ｄとステータヨークの外径Ｄの比をｄ／Ｄ＞０．６としている。

この構造によれば、ロータマグネットとして高価な希土類磁石を利用せず、安価なフェライト磁石を利用することで、性能を低下させずにコストを下げることができる。また、ｄ／Ｄの値を大きくすることで、界磁コイルを構成する巻線の使用量を減らすことができ、この点でも低コスト化が図れる。また、界磁コイルが生成する磁場の磁束密度を小さくできるので、ステータヨーク２００を構成する軟磁性材料の板材の板厚を削減でき、軽量化、加工精度の向上、材料費削減といった効果が得られる。

（その他）
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。

本発明は、クローポール構造のＰＭ型ステッピングモータに利用することができる。

１００…ＰＭ型ステッピングモータ、２００…ステータヨーク、２０１…第１のステータヨーク、２０２…第２のステータヨーク、２１０…外側ヨーク、２１１…外筒部、２１２…円環部、２１３…極歯、２２０…内側ヨーク、２２１…円筒部、２２２…極歯、２３１…界磁コイル、２３２…ボビン、２３３…端子、２４１…界磁コイル、２４２…ボビン、２４３…端子、３００…ロータ、３０１…コア部材、３０２…ロータマグネット、４００…シャフト、５０１…軸受、５０２…軸受、５０３…フロントプレート、５０４…エンドプレート。

Claims (3)

1. 円柱状を有し、外周面の円周方向に複数の磁極が配置されたロータと、
   筒形状の外周部、および前記ロータを内側に納め、軸方向の一方の方向に延在する複数の第１の極歯とこの複数の第１の極歯に対して隙間を隔てて噛み合う複数の第２の極歯を有する内周部を有したステータヨークと、
   前記ステータヨークに対して前記ロータを回転自在な状態で保持する保持部材と
   を備え、
   前記ロータの外径ｄと前記ステータヨークの外径Ｄの比が、ｄ／Ｄ＞０．６であることを特徴とするＰＭ型ステッピングモータ。
2. 前記ロータの前記磁極がフェライト磁石により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＰＭ型ステッピングモータ。
3. 前記ステータヨークの外径が５５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のＰＭ型ステッピングモータ。

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