JP2016059220A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】巻線工数を低減するとともに、巻線の占積を有効利用してトルク低下分を補い、巻線の絶縁不良を防止することができるステッピングモータを実現する。
【解決手段】ステッピングモータ１００は、回転子コアに挟まれた永久磁石を有し、複数の小歯２１Ａ、２２Ａを有する回転子２と、回転子２の周囲に空隙を隔てて配置され、複数の小歯３３を有し、回転子２側へ向けて突設した複数の磁極歯３１を有する固定子３とを備える。１つおきの磁極歯３１に巻線４０が巻装される。巻線４０が施されていない磁極歯３１の小歯３３の位相が他の磁極歯３１の小歯３３に対してずれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子の磁極歯の構造、および当該磁極歯への巻線構造を改良したステッピングモータに関する。

一般に、ステッピングモータは、ＯＡ機器や産業用機器等において、精密位置決め制御用モータとして使用される。

ステッピングモータは、固定子と、当該固定子の内側に回転可能に支持された回転子とを備える。ハイブリッド型ステッピングモータは、固定子の磁極歯に巻線が巻装され、回転子に永久磁石が配置される。

ステッピングモータは、各巻線に電流が流されることにより回転磁界を発生させて、回転子を所定ステップ角度で回転駆動するように構成される。ステッピングモータは、固定子と回転子の極数により、回転のステップ角が決定される。

ステッピングモータは、通常、固定子の全ての磁極歯に巻線を巻装しているので、巻線工数が多くなる。近年、ステッピングモータの巻線数を低減するため、当該ステッピングモータの固定子の巻線構造に関連する技術が種々提案されている。

たとえば、固定子の１スロットおきにバックヨークに巻線が巻かれ、巻線が巻かれたスロットを形成する２つのティースが同相で逆極性となる同期電動機が開示されている（特許文献１参照）。

また、固定子の隣り合う突極同士を一対にして、これら突極同士を磁性材料の連結部材で一体的に連結し、各対の連結部材に単一の駆動巻線をそれぞれ巻装した永久磁石型ステッピングモータが開示されている（特許文献２参照）。

特開２００９−６０７６５号公報 特開２０００−５０６１０号公報

上述したように、従来のステッピングモータは、固定子の全ての磁極歯に巻線を巻装しているので、巻線工数が多いという問題があった。また、全ての磁極歯に巻線を巻装しているので、隣接巻線が存在し、巻線の占積を有効利用できないという問題があった。さらに、隣接巻線に自動巻線機のノズルが干渉し易く、電線被膜を傷つける虞れがある。電線被膜が傷つくと、巻線の絶縁不良に繋がるという問題があった。

また、特許文献１の技術にあっては、磁極歯ではなく、バックヨークに巻線を巻装するので、自動巻線機の巻装作業が煩雑である。

さらに、特許文献２の技術にあっては、隣接した一対の突極同士を連結部材で連結し、各対の連結部材に巻線を巻装しているので、部品点数が増加し、特許文献１と同様に、自動巻線機の巻装作業が煩雑である。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、巻線工数を低減するとともに、巻線の占積を有効利用してトルク低下分を補い、巻線の絶縁不良を防止することができるステッピングモータの提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るステッピングモータは、回転子と、該回転子の周囲に空隙を隔てて配置された固定子を備える。上記回転子は、回転子コアに挟まれた永久磁石を有し、複数の小歯を有する。上記固定子は、複数の小歯を有し、上記回転子側へ向けて突設した複数の磁極歯を有する。

１磁極歯おきに巻線が巻装される。該巻線が施されていない上記磁極歯の小歯の位相は、他の磁極歯の小歯に対してずれている。

本発明に係るステッピングモータによれば、１磁極歯おきに巻線が巻装されるので、巻線工数を低減できる。また、隣接巻線が存在しないため、巻線の占積を有効利用でき、巻線数低減によるトルク低下分を補うことができる。さらに、隣接巻線が存在しないため、自動巻線機のノズルの干渉による電線被膜の傷つきがなくなり、巻線の絶縁不良を防止することができる。

加えて、巻線が施されていない磁極歯の小歯の位相を他の磁極歯の小歯とずらしているので、１磁極歯おきに巻線を巻装した巻線構造であっても、磁束経路を確保することができる。

本実施形態係るステッピングモータの全体構成の概略図である。 本実施形態における回転子の側面図である。 本実施形態における回転子の平面図および一部拡大図である。 本実施形態における固定子の正面図である。 本実施形態における固定子の発生磁極の説明に供する図である。 本実施形態係るステッピングモータの磁束経路の説明に供する図である。 従来の巻線構造を備えた固定子の正面図である。 従来のステッピングモータにおける固定子の発生磁極の説明に供する図である。 従来のステッピングモータの磁束経路の説明に供する図である。

以下、図面を参照して、本実施形態に係るステッピングモータについて説明する。

本実施形態に係るステッピングモータは、１磁極歯おきに巻線が巻装され、該巻線が施されていない磁極歯の小歯の位相を他の磁極歯の小歯とずらしている。したがって、本実施形態によれば、巻線工数を低減するとともに、巻線の占積を有効利用してトルク低下分を補い、巻線の絶縁不良を防止することができるステッピングモータを実現できるようになる。

〔ステッピングモータの構成〕
まず、図１から図４を参照して、本実施形態に係るステッピングモータの構成について説明する。図１は本実施形態に係るステッピングモータの全体構成の概略図である。図２は本実施形態における回転子の側面図である。図３は本実施形態における回転子の平面図および一部拡大図である。図４は本実施形態における固定子の正面図である。

図１に例示するステッピングモータ１００は、２相ハイブリッド型（ＨＢ型）のステッピングモータであり、回転子２と、当該回転子２の周囲に空隙を隔てて配置された固定子３を備える。

図１から図３に示すように、回転子２は、回転軸１の周りに、軸方向に２段の回転子コア２１，２２を有する。回転子コア２１，２２は、回転軸１の周囲に設けられたほぼ厚肉円筒体状の金属部材である。回転軸１は回転子２の回転中心となる。

回転子コア２１，２２の外周面には、それぞれ外歯歯車状の複数の小歯２１Ａ，２２Ａが形成されている。小歯２１Ａ，２２Ａは、回転子コア２１，２２の円周方向に均等間隔で配置されている。上側回転子コア２１の小歯同士２１Ａ，２１Ａの間に、下側回転子コア２２の小歯２２Ａが臨むように配置されている（図３参照）。

回転子コア２１，２２の構成材料としては、たとえば、珪素鋼板が用いられるが、例示の材料に限定されない。

永久磁石２３は、軸方向の上下に配置された一対の回転子コア２１，２２の間に挟まれた円板状磁石により構成されている（図２参照）。本実施形態では、永久磁石２３によって、上側回転子コア２１がＮ極で、下側回転子コア２２がＳ極となるように着磁される。永久磁石２３としては、たとえば、ネオジウム磁石等の希土類磁石が挙げられるが、例示の材質に限定されない。

図１および図４に示すように、固定子３は、固定子コア３０および巻線４０を有する。

固定子コア３０は、厚肉筒体状の金属部材である。固定子コア３０の内周面は内歯歯車状を呈しており、外周面はほぼ八角形状を呈している。本実施形態の固定子コア３０は、たとえば、薄板を積層したスタック構造であるが、これに限定されず、単体構造や圧粉鉄心であっても構わない。

固定子コア３０の内周側には、回転子２側に向けて複数の磁極歯３１が突設されている（図１および図４参照）。本実施形態では、１つおきの磁極歯３１に巻線４０が巻装される。具体的には、８極の磁極歯３１のうち、１つおきの４つの磁極歯３１（３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇ）のみに巻線４０が巻装されている。巻線４０が巻装された磁極歯３１の基端部は、巻線４０に電流が流されるとＮ極もしくはＳ極の突極となる。

各磁極歯３１の内周面には、歯車状の複数の小歯３３が突設されている。本実施形態では、巻線４０が施されていない一対の磁極歯３１（３１ｂ，３１ｆ）の小歯３３の位相を他の磁極歯３１の小歯３３とずらしている。具体的には、巻線４０が施されていない４つの磁極歯３１（３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ，３１ｈ）のうち、相対向して位置する一対の磁極歯３１（３１ｂ，３１ｆ）の小歯３３の位相が、他の磁極歯３１（３１ｄ，３１ｈ）の小歯３３と１８０度ずらされている。これに限定されず、相対向して位置する一対の磁極歯３１（３１ｄ，３１ｈ）の小歯３３の位相が、他の磁極歯３１（３１ｂ，３１ｆ）の小歯３３と１８０度ずれていてもよい。

隣接する磁極歯３１，３１同士の間には、回転子２に臨むように放射線状に、巻線４０を収容するための空間としての複数のスロット３４が区画形成される。

固定子コア３０の構成材料としては、たとえば、珪素鋼板が用いられるが、例示の材料に限定されない。

巻線４０は、不図示の電気絶縁部材を介して１つおきの磁極歯３１に巻装され、スロット３４内に配置される。電気絶縁部材の構成材料としては、たとえば、フェノール、ナイロン、ＰＢＴ等の合成樹脂が挙げられるが、例示の構成材料に限定されない。

〔ステッピングモータの作用］
次に、図１から図７Ｂを参照して、本実施形態に係るステッピングモータの作用について説明する。

図１から図４に示すように、本実施形態に係るステッピングモータ１００の固定子３は、回転子２の周りを、空隙を隔てて囲むように設けられる。固定子コア３０は、回転子２側へ向けて突設した複数の磁極歯３１を有する。

本実施形態は、１つおきの磁極歯３１に巻線４０が巻装される。図１に例示するステッピングモータ１００では、８極の磁極歯３１のうち、１つおきの４つの磁極歯３１（３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇ）のみに巻線４０が巻装されている。１つおきの磁極歯３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇに巻線４０が巻装されるので、巻線工数を低減できる。また、巻線４０を巻装する磁極歯３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇに隣接する磁極歯３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ，３１ｈには巻線４０が存在しない。

したがって、巻線４０の占積を有効利用することができ、巻線数低減によるトルク低下分を補うことができる。さらに、隣接する磁極歯３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ，３１ｈには巻線４０が存在しないため、自動巻線機のノズルの干渉による電線被膜の傷つきがなくなり、巻線４０の絶縁不良を防止することができる。

巻線４０が巻装された磁極歯３１の基端部は、巻線４０への電流の流す方向によってＮ極もしくはＳ極の突極となる。すなわち、本実施形態に係るステッピングモータ１００は、各巻線４０に電流が流されることにより回転磁界を発生させて、回転子２を所定ステップ角度で回転駆動するように構成される。

本実施形態に係るステッピングモータ１００の作用を明確にするため、まず、従来のステッピングモータ２００の巻線構造による磁束経路について説明する。

図６、図７Ａおよび図７Ｂを参照して、比較例として、従来のステッピングモータ２００の磁束経路について説明する。図６は従来の巻線構造を備えた固定子の正面図である。図７Ａは従来のステッピングモータにおける固定子の発生磁極の説明に供する図である。図７Ｂは従来のステッピングモータの磁束経路の説明に供する図である。なお、図７Ｂは、固定子２０３および回転子２０２を回転方向に展開して表している。

図６に例示する比較例のステッピングモータ２００の固定子２０３は、８極の磁極歯２３１を有している。比較例のステッピングモータ２００では、８極の磁極歯２３１の全てに巻線２４０が巻装されている。また、上側回転子コア２２１はＮ極に着磁され、下側回転子コア２２２はＳ極に着磁されている（図７Ａおよび図７Ｂ参照）。

図６、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、励磁順序（１）では、磁極歯２３１ｈから２３１ｇは、順次ＳＳ−ＮＮ，ＳＳ−ＮＮの突極となるように、巻線２４０に電流が流される。Ｎ極とＳ極とが隣り合う対の磁極歯２３１（２３１ａと２３１ｂ，２３１ｃと２３１ｄ，２３１ｅと２３１ｆ，２３１ｇと２３１ｈ）において、Ｎ極の磁極歯２３１から回転子２を通過して、Ｓ極の磁極歯２３１へ向けて磁束経路Ｒ１１が形成される。具体的には、たとえば、Ｎ極の磁極歯２３１ｂの小歯２３３から下側回転子コア２２２の小歯２２２Ａおよび上側回転子コア２２１の小歯２２１Ａを通過して、Ｓ極の磁極歯２３１ａの小歯２３３へ向けて磁束経路Ｒ１１が形成される。

次に、励磁順序（２）では、磁極歯２３１ｈから２３１ｇは、順次ＮＳ−ＳＮ，ＮＳ−ＳＮの突極となるように、巻線２４０に電流が流される。Ｎ極とＳ極とが隣り合う対の磁極歯２３１（２３１ｈと２３１ａ，２３１ｂと２３１ｃ，２３１ｄと２３１ｅ，２３１ｆと２３１ｇ）において、Ｎ極の磁極歯２３１から回転子２を通過して、Ｓ極の磁極歯２３１へ向けて磁束経路Ｒ１２が形成される。具体的には、たとえば、Ｎ極の磁極歯２３１ｃの小歯２３３から下側回転子コア２２２の小歯２２２Ａおよび上側回転子コア２２１の小歯２２１Ａを通過して、Ｓ極の磁極歯２３１ｂの小歯２３３へ向けて磁束経路Ｒ１２が形成される。

次に、励磁順序（３）では、磁極歯２３１ｈから２３１ｇは、順次ＮＮ−ＳＳ，ＮＮ−ＳＳの突極となるように、巻線２４０に電流が流される。Ｎ極とＳ極とが隣り合う対の磁極歯２３１（２３１ａと２３１ｂ，２３１ｃと２３１ｄ，２３１ｅと２３１ｆ，２３１ｇと２３１ｈ）において、Ｎ極の磁極歯２３１から回転子２を通過して、Ｓ極の磁極歯２３１へ向けて磁束経路Ｒ１３が形成される。具体的には、たとえば、Ｎ極の磁極歯２３１ａの小歯２３３から下側回転子コア２２２の小歯２２２Ａおよび上側回転子コア２２１の小歯２２１Ａを通過して、Ｓ極の磁極歯２３１ｂの小歯２３３へ向けて磁束経路Ｒ１３が形成される。

次に、励磁順序（４）では、磁極歯２３１ｈから２３１ｇは、順次ＳＮ−ＮＳ，ＳＮ−ＮＳの突極となるように、巻線２４０に電流が流される。Ｎ極とＳ極とが隣り合う対の磁極歯２３１（２３１ｈと２３１ａ，２３１ｂと２３１ｃ，２３１ｄと２３１ｅ，２３１ｆと２３１ｇ）において、Ｎ極の磁極歯２３１から回転子２を通過して、Ｓ極の磁極歯２３１へ向けて磁束経路Ｒ１４が形成される。具体的には、たとえば、Ｎ極の磁極歯２３１ｂの小歯２３３から下側回転子コア２２２の小歯２２２Ａおよび上側回転子コア２２１の小歯２２１Ａを通過して、Ｓ極の磁極歯２３１ｃの小歯２３３へ向けて磁束経路Ｒ１４が形成される。

また、図４、図５Ａおよび図５Ｂを参照して、本実施形態に係るステッピングモータ１００の磁束経路について説明する。図５Ａは本実施形態における固定子の発生磁極の説明に供する図である。図５Ｂは本実施形態係るステッピングモータの磁束経路の説明に供する図である。なお、図５Ｂは、固定子３および回転子２を回転方向に展開して表している。

図４に例示する本実施形態に係るステッピングモータ１００の固定子３は、８極の磁極歯３１を有している。本実施形態に係るステッピングモータ１００は、８極の磁極歯３１のうち、１つおきの磁極歯３１（３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇ）に巻線４０が巻装されている。また、本実施形態に係るステッピングモータ１００では、巻線４０が施されていない磁極歯３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ，３１ｈのうち、相対向して位置する磁極歯３１ｂ，３１ｆの小歯３３の位相を他の磁極歯３１ｄ，３１ｈの小歯３３に対して位相を１８０度ずらしている。さらに、上側回転子コア２１はＮ極に着磁され、下側回転子コア２２はＳ極に着磁されている（図２参照）。

図４、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、励磁順序（１）では、巻線４０の巻装された磁極歯３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇは、順次Ｓ−Ｎ，Ｓ−Ｎの突極となるように、巻線４０に電流が流される。磁極歯３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ，３１ｈには巻線４０が施されていないため、巻線４０の巻装された磁極歯３１ａと３１ｃ，３１ｃと３１ｅ，３１ｅと３１ｇ，３１ｇと３１ａにおいて、Ｎ極の磁極歯３１から回転子２を通過して、Ｓ極の磁極歯３１へ向けて磁束経路Ｒ１が形成される。具体的には、たとえば、Ｎ極の磁極歯３１ｃの小歯３３から下側回転子コア２２の小歯２２Ａおよび上側回転子コア２１の小歯２１Ａを通過して、Ｓ極の磁極歯３１ａの小歯３３へ向けて磁束経路Ｒ１が形成される。

次に、励磁順序（２）では、巻線４０の巻装された磁極歯３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇは、全てＳ極となるように、巻線４０に電流が流される。当該磁極歯３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇの全てがＳ極となると、巻線４０の施されていない磁極歯３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ，３１ｈは全てＮ極となり、Ｎ極の磁極歯３１から回転子２を通過して、Ｓ極の磁極歯３１へ向けて磁束経路Ｒ２が形成される。具体的には、たとえば、Ｎ極の磁極歯３１ｂの小歯３３から下側回転子コア２２の小歯２２Ａおよび上側回転子コア２１の小歯２１Ａを通過して、Ｓ極の磁極歯３１ａの小歯３３へ向けて磁束経路Ｒ２が形成される。

次に、励磁順序（３）では、巻線４０の巻装された磁極歯３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇは、順次Ｎ−Ｓ，Ｎ−Ｓの突極となるように、巻線４０に電流が流される。磁極歯３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ，３１ｈには巻線４０が施されていないため、巻線４０の巻装された磁極歯３１ａと３１ｃ，３１ｃと３１ｅ，３１ｅと３１ｇ，３１ｇと３１ａにおいて、Ｎ極の磁極歯３１から回転子２を通過して、Ｓ極の磁極歯３１へ向けて磁束経路Ｒ３が形成される。具体的には、たとえば、Ｎ極の磁極歯３１ａの小歯３３から下側回転子コア２２の小歯２２Ａおよび上側回転子コア２１の小歯２１Ａを通過して、Ｓ極の磁極歯３１ｃの小歯３３へ向けて磁束経路Ｒ３が形成される。

次に、励磁順序（４）では、巻線４０の巻装された磁極歯３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇは、全てＮ極となるように電流が流される。当該磁極歯３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇの全てがＮ極となると、巻線４０の施されていない磁極歯３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ，３１ｈは全てＳ極となり、Ｎ極の磁極歯３１から回転子２を通過して、Ｓ極の磁極歯３１へ向けて磁束経路Ｒ４が形成される。具体的には、たとえば、Ｎ極の磁極歯３１ａの小歯３３から下側回転子コア２２の小歯２２Ａおよび上側回転子コア２１の小歯２１Ａを通過して、Ｓ極の磁極歯３１ｂの小歯３３へ向けて磁束経路Ｒ４が形成される。

すなわち、本実施形態に係るステッピングモータ１００によれば、巻線４０が施されていない磁極歯３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ，３１ｈのうち、相対向して位置する磁極歯３１ｂ，３１ｆの小歯３３の位相を他の磁極歯３１ｄ，３１ｈの小歯３３に対して位相を１８０度ずらしている。したがって、本実施形態に係るステッピングモータ１００は、１つおきの磁極歯３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｇに巻線４０を巻装した巻線構造であっても、磁束経路を確保することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

たとえば、本実施形態は、２相ＨＢ型のステッピングモータについて例示したが、２相に限定されず、全ての相数に適用可能である。

１ 回転軸、
２ 回転子、
３ 固定子、
２１Ａ、２２Ａ、３３ 小歯、
２３ 永久磁石、
３１ 磁極歯、
４０ 巻線、
１００ ステッピングモータ。

Claims (2)

1. 回転子コアに挟まれた永久磁石を有し、複数の小歯を有する回転子と、該回転子の周囲に空隙を隔てて配置され、複数の小歯を有し、前記回転子側へ向けて突設した複数の磁極歯を有する固定子と、
   を備えたステッピングモータであって、
   １磁極歯おきに巻線が巻装され、該巻線が施されていない前記磁極歯の小歯の位相を他の磁極歯の小歯に対してずらしたことを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記巻線が施されていない前記磁極歯のうち、相対向して位置する一対の磁極歯の小歯の位相を他の磁極歯の小歯に対して位相を１８０度ずらした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。