JP2018019561A - ２相ハイブリッド型ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転することができ、かつ振動及び騒音を低減することができる２相ハイブリッド型ステッピングモータを提供する。
【解決手段】８本の主磁極７を備え、各主磁極７の先端に４個の小歯５を有するステータコア２と、ステータコア２の内側に配置され、外周に３０個の小歯１１を備えたロータコア１０とを有し、ステップ角が３°において、ステータコア２の小歯５のピッチθ_Ｓ（°）、ステータコア２の小歯５の歯幅Ｗ_Ｓ、ロータコア１０の小歯１１の歯幅Ｗ_Ｒとしたとき、１１．５°≦θ_Ｓ＜１２°で、０．７３≦Ｗ_Ｓ／Ｗ_Ｒ≦１．１１ である２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
【選択図】図２

Description

本発明は、２相ハイブリッド型ステッピングモータに関する。

ハイブリッド型ステッピングモータは、プリンタ等のＯＡ機器や搬送装置等の産業用機器のアクチュエータとして使用され、高精度な位置決め用モータとして広く使用されている。この高精度な位置決めを行うためには、１パルス入力した時の回転角であるステップ角を小さくして分解能を高くする必要がある。

現在、２相ハイブリッド型ステッピングモータではステップ角が１．８°構成のハイブリッド型ステッピングモータが多用されている。ステップ角が１．８°の２相ハイブリッド型ステッピングモータとして、例えば、特許文献１がある。

しかし、ステップ角が１．８°では、ステップ角が小さいため、高速回転ができない。このため、高速回転でき、かつトルクを低下させることのない２相ハイブリッド型ステッピングモータがある（例えば、特許文献２参照）。特許文献２には、２相ハイブリッド型ステッピングモータにおいて、ステータは環状磁性体から内側に放射状に延びる８個のステータポールを有し、それぞれのステータポールの先端に４個の小歯を有し、前記ロータの外周に３０個の小歯を有して、ステップ角が３°であることを特徴とするモータ構造が記載されている。

特開２００８−２２８４４２号公報 特開２０１２−０４４８２６号公報

しかしながら、特許文献２に記載の２相ハイブリッド型ステッピングモータは、ステップ角が３°であるため、２相ハイブリッド型ステッピングモータで多用されているステップ角が１．８°構成のハイブリッド型ステッピングモータに比べて高速回転することができるが、ステップ角を大きくして高速回転する構成のため、振動及び騒音については考慮していない。

このような背景において、本発明は、高速回転することができ、かつ振動及び騒音を低減することができる２相ハイブリッド型ステッピングモータを提供することを目的とする。

本発明は、８本の主磁極を備え、前記各主磁極の先端に４個の小歯を有するステータコアと、前記ステータコアの内側に配置され、外周に３０個の小歯を備えたロータコアとを有し、ステップ角が３°において、前記ステータコアの前記小歯のピッチθ_Ｓ（°）、前記ステータコアの前記小歯の歯幅Ｗ_Ｓ、前記ロータコアの前記小歯の歯幅Ｗ_Ｒ、としたとき、１１．５°≦θ_Ｓ＜１２°で、 ０．７３≦Ｗ_Ｓ／Ｗ_Ｒ≦１．１１ である２相ハイブリッド型ステッピングモータである。

本発明によれば、高速回転することができ、かつ振動及び騒音を低減することができる２相ハイブリッド型ステッピングモータが得られる。

実施形態の２相ハイブリッド型ステッピングモータの構造を示した図である。 図１に示したステータコアの小歯とロータコアの小歯の部分拡大図である。

図１は、実施形態の２相ハイブリッド型ステッピングモータの構造を示した図である。図２は、図１に示したステータコアの小歯とロータコアの小歯の部分拡大図である。図１には、本実施形態におけるステッピングモータ１が示されている。ステッピングモータ１は、ステップ角が３°の２相ハイブリッド型ステッピングモータである。

ステッピングモータ１は、ステータコア２を有している。この例において、ステータコア２の外径（矩形形状の一辺の寸法）は、４２ｍｍである。ステータコア２は、環状磁性体であり、図１に示す形状の磁性鋼板（例えば、電磁鋼板）を複数積層した構造を有している。ステータコア２は、回転中心の方向に延在した８個の主磁極７を有している。主磁極７は、延在部３と先端部４を有している。延在部３には、図示省略したステータコイルを構成する巻線が巻かれている。先端部４は、後述するロータコア１０の回転中心を中心とする円弧に沿って延在した形状を有している。図２に示すように、先端部４のロータコア１０と対向する側には、４個の小歯５が設けられている。小歯５は、周方向において一定のピッチで設けられている。小歯５は、軸方向に延在し、隣接する小歯５の間には、軸方向に延在する溝６が設けられている。

ステータコア２の内側には、略円筒形状のロータコア１０が配置されている。ロータコア１０は、回転軸１３を備え、回転軸１３を中心として回転自在な状態で配置されている。ロータコア１０は、永久磁石をロータコアＡとロータコアＢで挟持した構成で、ロータコアＡとロータコアＢともに磁性鋼板からなるコアを所定枚数、積層して構成されている。ロータコアＡとロータコアＢ、それぞれの外周面には均等配置された３０個の小歯１１を備え、ロータコアＡとロータコアＢの小歯１１は互いに電気角で１８０°位相がずれるように配置されている。小歯１１は、軸方向に延在し、隣接する小歯１１の間には、軸方向に延在する溝１２が設けられている。

図２において、θ_Ｓはステータコア２の各主磁極７の小歯５のピッチ（°）、Ｗ_Ｓはステータコア２の各主磁極７の小歯５の歯幅、Ｗ_Ｒはロータコア１０の小歯１１の歯幅である。なお、ロータコア１０の小歯１１のピッチθ_Ｒは、小歯１１の数が３０個であるので、θ_Ｒ＝３６０°÷３０＝１２°である。

（１）解析結果
ハイブリッド型ステッピングモータの振動及び騒音を低減するために、ステッピングモータ１におけるステータコア２の小歯５とロータコア１０の小歯１１の関係を、表１のモデルＡ〜Ｎについて磁界解析を実施し、磁界解析に基づいたステッピングモータ１のホールディングトルクおよび最大ホールディングトルクの変化率を調べた。変化率（％）は、モデルＢを基準とし、モデルＢに対して、各モデルにおける最大ホールディングトルクの相違を変化率（％）として示したものである。

（２）ステータコアの小歯のピッチθ_Ｓと、小歯の歯幅の比率Ｗ_Ｓ／Ｗ_Ｒについて
ステータコア２の小歯５のピッチθ_Ｓを一定にし、小歯５とロータコア１０の小歯１１の歯幅の比率Ｗ_Ｓ／Ｗ_Ｒを可変した。表２に示すように、ピッチθ_Ｓ＝１０．５°の場合、ステッピングモータ１のホールディングトルクはモデルＢよりも小さく、そのため変化率が大きくなっている。また、隣接する主磁極７の間のスロット幅が大きくなり、ステータコア２の小歯５は、効率的な配置とはならない。

表３に示すように、ピッチθ_Ｓ＝１１．０°の場合、ホールディングトルク及び変化率は、表２の結果よりは改善傾向を示すが、モデルＢに対して劣っている。

表４に示すように、ピッチθ_Ｓ＝１１．５°の場合、ホールディングトルクおよび変化率は、モデルＢに対して改善される結果を示している。表４の結果から、ステータコア２の小歯５とロータコア１０の小歯１１の歯幅の比率Ｗ_Ｓ／Ｗ_Ｒは、その値が大きい方が改善傾向を有していると認められる。また、磁界解析によって得られたホールディングトルク波形を見ると、ホールディングトルクの値が大きくなると、ホールディングトルク波形におけるひずみが減少していることが観察された。これは、ホールディングトルクの基本波に含まれる高調波成分（コギングトルクなどによる高調波成分）が減少していることによるものと思われる。

表５に示すように、ピッチθ_Ｓ＝１２．０°の場合、ホールディングトルクが小さくなり、歯幅の比率も小さくなるほど、ホールディングトルクが小さくなる傾向を示している。ピッチθ_Ｓ＝１２°でステータコア２の小歯５とロータコア１０の小歯１１の歯幅の比率Ｗ_Ｓ／Ｗ_Ｒを大きくすると、隣接する主磁極７の間のスロット幅が小さくなり、主磁極７に巻線を巻回する作業に支障をきたす虞がある。なお、ピッチθ_Ｓ＝１２°よりも少し小さくしたモデルＬ（ピッチθ_Ｓ＝１１．８°）の場合、ホールディングトルクおよび変化率は、モデルＢに対して改善される結果を示している。このことから、ピッチθ_Ｓ＝１１．８°に設定すること、すなわちは、θ_Ｓを１２°より僅かに小さくすることは、ホールディングトルクを改善するための有効手段となり得る。

（３）結論
上記の表１〜表５の結果に基づいた結果、表６に示すモデルＡ、Ｉ、Ｍ、Ｌの構成が、ホールディングトルクを大きくすることができ、ひずみを減少したホールディングトルクの基本波形を得られる。この結果、低振動、低騒音のハイブリッド型ステッピングモータを得ることができる。したがって、１１．５°≦θ_Ｓ＜１２°、好ましくは１１．５°≦θ_Ｓ＜１１．８°で、 ０．７３≦Ｗ_Ｓ／Ｗ_Ｒ≦１．１１ に設定することによって、ホールディングトルクを大きくすることができ、その結果、低振動、低騒音の２相ハイブリッド型ステッピングモータを提供することができる。

上記の各サンプルにおいて、ロータコア１０の小歯１１のピッチθ_Ｒは、小歯１１の数が３０個であるので、θ_Ｒ＝３６０°÷３０＝１２°である。よって、上記表５のθ_Ｓの好ましい範囲の下限は、１１．５°÷１２°≒０．９６より、θ_Ｒの０．９６倍程度となる。また、θ_Ｓの好ましい範囲の上限は、ロータコア１０の小歯１１のピッチよりも小さい値（すなわちθ_Ｓ＜θ_Ｒ）、より好ましくは、１１．８÷１２≒０．９８より、θ_Ｒの０．９８倍程度となる。このことから、θ_Ｓの好ましい範囲は、ロータコア１０の小歯１１のピッチをθ_Ｒとして、０．９６θ_Ｒ≦θ_Ｓ＜θ_Ｒ、より好ましくは０．９６θ_Ｒ≦θ_Ｓ≦０．９８θ_Ｒと表現できる。

（むすび）
以上述べたように、２相ハイブリッド型のステッピングモータ１は、８本の主磁極７を備え、各主磁極７の先端に４個の小歯５を有するステータコア２と、ステータコア２の内側に配置され、外周に３０個の小歯１１を備えたロータコア１０とを有し、ステップ角が３°において、ステータコア２の小歯５のピッチθ_Ｓ（°）、ステータコア２の小歯５の歯幅Ｗ_Ｓ、ロータコア１０の小歯１１の歯幅Ｗ_Ｒとしたとき、１１．５°≦θ_Ｓ＜１２°で、 ０．７３≦Ｗ_Ｓ／Ｗ_Ｒ≦１．１１とすることで、高速回転することができ、かつ振動及び騒音を低減することができる。

Claims (1)

1. ８本の主磁極を備え、前記各主磁極の先端に４個の小歯を有するステータコアと、
   前記ステータコアの内側に配置され、外周に３０個の小歯を備えたロータコアと
   を有し、
   ステップ角が３°において、
   前記ステータコアの前記小歯のピッチθ_Ｓ（°）、前記ステータコアの前記小歯の歯幅Ｗ_Ｓ、前記ロータコアの前記小歯の歯幅Ｗ_Ｒ、としたとき、
   １１．５°≦θ_Ｓ＜１２°で、０．７３≦Ｗ_Ｓ／Ｗ_Ｒ≦１．１１ である２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
   
   

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