JP2835070B2

JP2835070B2 - ステッピングモータ

Info

Publication number: JP2835070B2
Application number: JP1083538A
Authority: JP
Inventors: 和人堺
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1998-12-14
Anticipated expiration: 2013-12-14
Also published as: JPH02262867A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は巻線と永久磁石を有したハイブリッド形ステ
ッピングモータに関する。

（従来の技術） OA用、FA用の精密制御機器の駆動機構部のアクチュエ
ータとして、小形・軽量である高出力密度（＝モータト
ルク／モータ重量）のモータの開発が要望されている。

一般的に高トルクを発生するモータとして多数の歯
（誘導子）を有するステッピングモータがあげられる。
このステッピングモータは、空隙面に多数の歯（誘導
子）を有するため、ロータ位置による磁気抵抗の変化に
伴い、空隙磁束密度が変化する。これにより、磁気エネ
ルギが変化して、トルクを生じる。従って、トルクは、
磁気吸引力の接線方向成分により発生する。

第11図および第12図はそれぞれ従来のステッピングモ
ータの一例を示す軸方向断面図および径方向断面図であ
る。これはステータＳと、この内周面に回転可能に支持
されたロータＲとからなっている。ステータＳはステー
タ鉄心１と巻線４を有し、ステータ鉄心１には８個の極
歯２があり、その各極歯２の先端の内周面には、それぞ
れ５個のステータ小歯３を有する。またステータ鉄心１
には、各極歯２相互間のスロットには励磁用の多相巻線
４が巻かれている。

ロータＲのロータ鉄心６と回転軸10を有し、ロータ鉄
心６は２個のブロック状からなり、この間に円盤状の永
久磁石９を挾み込み、回転軸10に取付けられている。ま
た、ロータ鉄心６には、前記ステータ鉄心１の内周面と
対向する外周面に50個のロータ歯７が等ピッチで形成さ
れており、ステータ鉄心１とロータ鉄心６とは空隙Ｇを
介して対向している。

（発明が解決しようとする課題）第13図（ａ），（ｂ）は第11図および第12図の従来ス
テッピングモータの空隙歯間部の磁束線図を示すもの
で、第13図（ａ）はステータ小歯３とロータ歯７が対向
した場合（ステータ小歯３の中心とロータ歯７の中心が
一致している場合）を示し、第13図（ｂ）はステータ小
歯３がロータ歯７の溝に対向している場合を示してい
る。

ステータ小歯３とロータ歯７が対向した時の平行空隙
磁束密度Bgmaと、ステータ小歯３がロータ７の溝に面し
ている時の平均空隙磁束密度Bgmiを用いてトルクを表す
と下記（１）式に示す簡易式の様になる。

Ｔ＝Ｋ・（Bgma−Bgmi）／（Bgma＋Bgmi）・tn・Ｉ・Lm ……（１） k:定数、tn:ロータ歯数、 I:巻線電流、Lm:鉄心長。

第13図（ａ），（ｂ）の磁束線図に示す様に、実際
は、高トルクを発生させるため、空隙Ｇ寸法が30〜200
μｍとなり狭いこともあり、空隙磁束は、ステータ小歯
３とロータ歯７が対向面だけでなく、歯の側面からも多
く漏れている。従って、平均空隙磁束密度Bgmiがかなり
大きくなり、（Bgma−Bgmi）／（Bgma＋Bgmi）の値が小
となるため、モータのトルクは小さくなる。

また第14図は、最大トルクを発生するロータ位置での
磁束線図であり、ロータ歯７を通り左隣のステータ小歯
３に入る磁束は、負の接線方向成分により回転方向の逆
方向のトルクを発生してブレーキトルクとなることを示
している。正の接線方向成分は回転方向の正方向のトル
クとして作用する。

以上により、従来のモータ空隙面に歯（誘導子）を有
するモータは、原理的には、磁気吸引力を利用したもの
で、かなりの高トルクを発生できる可能性を秘めている
のにもかかわらず、歯側面への磁束の漏れのため、ロー
タ回転角に対するロータ空隙面の磁束密度変化（磁気エ
ネルギ変化分）は小となり、磁気吸引力を有効に利用し
ておらず、高トルクを得ていない。

本発明は、歯側面への磁束の漏れを抑え、ロータ回転
角に対するロータ空隙面の磁束密度変化分（磁気エネル
ギ変化分）を効果的に大とし、磁気吸引力の接線方向成
分を有効に利用することにより、小形で高トルクを発生
することができるステッピングモータを提供することを
目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明による請求項１項に係るステッピングモータ
は、ステータ鉄心の円周方向に複数個の極歯を設け、こ
の各極歯には巻線を巻回し、かつ各極歯の内周面に複数
個のステータ小歯を有したステータと、前記ステータ小歯と対向する外周面に複数個のロータ
歯を有し、かつ、軸方向に２分割され、互いにロータ歯
を1/2歯ピッチずらして配設されたロータ鉄心と、この
ロータ鉄心の分割部に配設され軸方向に着磁された円盤
状永久磁石を有したロータを備えたステッピングモータ
において、前記ステータ小歯相互間に存在する溝および
前記ロータ歯相互間に存在する溝の少なくとも一方側
に、径方向に着磁された溝部永久磁石を、前記円盤状永
久磁石により発生する主磁束を打消す方向に挿入固定
し、前記溝部永久磁石の磁化方向厚さが前記円盤状永久
磁石の磁化方向厚さの0.3倍以上にしたことを特徴とす
るものである。

（作用）本発明によれば、空隙磁界の変化率を大きくすること
ができ、これにより従来にない高トルクを発生すること
ができる。すなわち、ロータにある円盤状永久磁石から
発生する主磁束と逆極性の永久磁石をモータ空隙歯の溝
部に溝部永久磁石を埋めこむことにより、歯が相対向し
ない空隙面の磁束においては、歯の空隙面よりでた磁束
は対向する溝部にある溝部永久磁石により曲げられ、ま
たは、打消される。従って、歯が相対向しない空隙部分
では、磁界は弱くなり、対向する歯の側面へ漏れる磁束
はほとんどない。これにより、このロータ位置での
（１）式の平均空隙磁束密度Bgmiは、小となるので、大
トルクを発生することができる。しかし、この効果は、
溝部永久磁石の磁化方向厚み対円盤状永久磁石の磁化方
向厚みの比に大きく依存しており、該比の値によっては
平均空隙磁束密度が小さくならないことがあり、このた
め請求項１項に係る本発明では該比を0.3以上とするこ
とにより、大トルクを発生できる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。第１図は本発明によるステッピングモータの一実施
例を示す軸方向断面図であり、第２図および第３図はそ
れぞれ第１図のII−II線およびIII−III線に沿って切断
し矢印方向に見た断面図である。これはステータ鉄心１
と巻線４とからなるステータＳと、ロータ鉄心６と回転
軸10とからなるロータＲとで構成されている。ステータ
鉄心１は、第１図に示すように内周面の円周方向に＃１
〜＃８で示す８個の極歯２をもち、各極歯２の内周面に
は、それぞれ５個の小歯3a,3bが形成されている。各極
歯２相互間のスロットには２相の巻線４を設ける。

ロータＲは、回転軸10に貫通固着される２つのロータ
鉄心6a,6bの間に、軸方向に磁化されたロータの円盤状
永久磁石９を軸方向に挾み込む形で固着される。

両ロータ鉄心6a,6bの外周面には、それぞれ等間隔ピ
ッチで複数個例えば50個のロータ歯7a,7bが設けられて
おり、２つのロータ鉄心6a,6bは、ロータ歯ピッチの1/2
分、互いに周方向にずれた位置で回転軸10に固着されて
いる。

以上述べた構成は前述した従来例と同一構成であるが
次に述べる点が従来例とは異る。すなわち、円盤状永久
磁石９に対応する位置を除いた左右の位置に形成されて
いるステータ小歯３相互間にそれぞれ存在する各溝にス
テータの溝部永久磁石例えば棒状永久磁石5a,5bがそれ
ぞれ埋められており、この場合１つの溝に対し、２つの
ステータＳの棒状永久磁石5a,5bが、磁気的に２分割さ
れる様にステータ鉄心１の中心から任意の間隔で離して
配置されており、磁化方向は径方向で、ロータＲの円盤
状永久磁石９により発生する磁束を打消す方向とし、棒
状永久磁石5a,5bの磁化方向厚みはロータ円盤状永久磁
石９の磁化方向厚みの0.9倍とする。これと同じ状態で
周方向全てのステータ小歯3a,3b相互間の溝にステータ
Ｓの棒状永久磁石5a,5bを配置する。

さらに２つのロータ鉄心6a,6bのロータ歯7a,7b相互間
にそれぞれ存在する各溝には、ロータの溝部永久磁石例
えば棒状永久磁石8a,8bがそれぞれ埋め込まれている。
このロータの棒状永久磁石8a,8bの磁化方向は、ロータ
Ｒにある円盤状永久磁石９により発生する磁束を打消す
方向で、径方向とする。本実施例では、II−II断面側で
はロータの棒状永久磁石8aの空隙面がＳ極なり、III−I
II断面側のロータの棒状永久磁石8bの空隙面がＮ極とな
る。ロータの棒状永久磁石8a,8bの磁化方向厚みはロー
タＲの円盤状永久磁石９の磁化方向厚みの0.9倍とす
る。これと同じ状態で周方向全てのロータ歯7a,7bの相
互間に存在する各溝にロータの棒状永久磁石8a,8bを配
置する。第４図（ａ），（ｂ）はそれぞれ第２図のＡ部
および第３図のＢ部を拡大した拡大図である。

以下、このように構成された本発明によるステッピン
グモータの一実施例の作用について、第５図、第６図お
よび後述する第１表により説明する。第５図（ａ），
（ｂ）は、それぞれ本発明のステッピングモータの空隙
歯間部の磁束線図を示すものであり、第５図（ａ）はス
テータ小歯3aとロータ歯7aが対向した場合を示し、第５
図（ｂ）はステータ小歯3bがロータ歯7B相互間の溝に面
している場合を示している。

ロータＲにある円盤状永久磁石９が発生する主磁束と
逆極性の永久磁石をモータ空隙歯の溝部に棒状永久磁石
5a,5b,8a,8bを埋めこむことにより、第５図（ｂ）に表
わされている様に歯が相対向しない空隙面の磁束におい
ては、歯の空隙面よりでた磁束は対向する溝部にある棒
状永久磁石により曲げられ、または、打消される。従っ
て、歯が相対向しない空隙部分では、磁界は弱くなり、
対向する歯の側面へ漏れる磁束はほとんどない。これに
より、このロータ位置での平均空隙磁束密度Bgmiは、小
となるので、上記（１）式より大トルクを発生すること
ができる。

しかし、この効果は、棒状永久磁石5a,5bの磁化方向
厚み対円盤状永久磁石９の磁化方向厚みの比に大きく依
存しておく、第１表よりわかる様に厚みの比をうまく設
定しないことには平均空隙密度Bgmiの値がより小さくな
らず、本来の効果は得られない。

第１表より、棒状永久磁石5a,5b,8a,8bの磁化方向に
厚み対円盤状永久磁石９の磁化方向の厚みの比率を0.3
以上の範囲とすれば、大トルクを発生することができ
る。

次に、最大トルクが発生するロータ位置（基本的に電
気角θ＝π/2）のときの作用を第６図に参照し、説明す
る。

第６図（ａ）は、棒状永久磁石5a,5bの磁化方向の厚
み対円盤状永久磁石９の磁化方向の厚みの比率が0.3と
小さな値であるときのモータ空隙歯部の拡大図を示して
いる。これより歯相互間の溝底を貫く磁束はないが、歯
側面では磁束は曲げられながらも貫いているため、ロー
タ回転角に対する磁気エネルギ変化率は、それほど大き
くならず、トルクは、あまり増加しない。

一方、第６図（ｂ）は、本発明である棒状永久磁石5
a,5b,8a,8bの磁化方向の厚み対円盤状永久磁石９の磁化
方向の厚みの比率が、0.9のときのモータ空隙歯部の拡
大図を示している。モータ空隙歯部の磁束は、歯頭部間
のみ貫き、歯側面へは、ほとんど漏れない。

したがって、ロータ回転角に対する磁気エネルギ変化
率は、大きくなり、トルクは、大幅に増大する。

また、本発明は、第６図（ｂ）の空隙磁束線の傾きか
らもわかり、棒状永久磁石5a,5b,8a,8bの磁化方向の厚
み対円盤状永久磁石９の磁化方向の厚みの比率を大きく
するにつれて、空隙を通る主磁束は、棒状永久磁石によ
り周方向に大きく曲げられる。従って、強大な力を有す
る電磁吸引力の接線方向成分が増し、高トルクが得られ
る。

次に、本発明の作用を（１）式を用いて具体的例によ
り説明する。

棒状永久磁石5a,5b,8a,8bの磁化方向の厚み対円盤状
永久磁石９の磁化方向の厚みの比率に対するオープン磁
路でのロータ表面磁束密度の変化分とモータの誘起電圧
増加分を第１表に示す。

（１）式のBgmaとBgmiは、クローズド磁路での表面磁
束密度であるが、オープン磁路での表面磁束密度変化分
であるBgma′−Bgmi′でも評価ができる。第１表より、
棒状永久磁石5a,5b,8a,8bの磁化方向の厚み対円盤状永
久磁石９の磁化方向の厚みの比率が0.9のときに、Bgm
i′はほぼ零となり、Bgma′−Bgmi′が大となる。従っ
て、このとき、Bgma−Bgmiも大となり、（１）式よりト
ルクが増加する。

また、（１）式の（Bgma−Bgmi）／（Bgma＋Bgmi）
は、磁束密度の交流成分であり、この交流成分の時間微
分は、単位面積当りの誘起電圧である。従って、（１）
式より、誘起電圧が大であればトルクも大となる。第１
表より、棒状永久磁石5a,5b,8a,8bの磁化方向の厚み対
円盤状永久磁石９の磁化方向の厚みの比率が0.9のとき
の誘起電圧増加が、1.9倍であるのに対し、比率が0.3の
ときの誘起電圧増加が、1.3倍となっている。これよ
り、棒状永久磁石5a,5b,8a,8bの磁化方向の厚み対円盤
状永久磁石９の磁化方向の厚みの比率が、約1.3近くの
値のときトルクが増加することがわかる。

次に本発明によるステッピングモータの他の実施例に
ついて、第７図、第８図および第２表を参照して説明す
る。第７図および第８図はステッピングモータの軸方向
および径方向断面図である。この実施例の基本的構成
は、前述の実施例のように棒状永久磁石5a,5bの厚さに
対する円盤状永久磁石９の厚さの比を所定値とせず、棒
状永久磁石5a,5bを、円盤状永久磁石９より大きな最大
磁気エネルギ積を有する磁石材としたものからなる。

具体的には第２表を示す磁石材によるモータ特性変化
に基づき、最大磁気エネルギ積が23MGOeの円盤状永久磁
石９に対し、27MGOeの特性を有する棒状永久磁石5a,5b,
8a,8bに用いたものである。

このように構成することにより、棒状永久磁石5a,5b,
8a,8bの起磁力を大きくとれるため、ロータ空隙面の磁
束密度変化分は大きくなり、トルクアップとなる。空隙
磁束線図は、前述の実施例と第６図（ｂ）のようにな
り、磁束は、歯頭部に集中する。このことは第２表から
も明らかなように誘起電圧は従来機の1.6倍となり、ト
ルクアップしていることがわかる。

前述した実施例はステータ小歯3a,3bとロータ歯7a,7b
にそれぞれ溝部永久磁石として棒状永久磁石5a,5b,8a,8
bを設けたものであるが、これに限らず次のようにして
もよい。

第３表はこれを説明するためのものであり、棒状永久
磁石をステータ又はロータのみに設けた場合の誘起電圧
比の比較を示すものであり、棒状永久磁石の磁化厚さが
円盤状永久磁石の磁化方向厚さの比を0.9としたときの
例である。この第３表から明らかなようにステータ鉄心
１のステータ小歯3a,3b相互間の溝又はロータ鉄心6a,6b
のロータ歯7a,7b相互間の溝の一方に棒状永久磁石5a,5b
又は8a,8bを設けるだけでも従来機より誘起電圧比を高
くできる。

第９図は以上述べた本発明について実験した結果を示
すホールディング・トルク（静止トルク）励磁電流特性
を示すものであり、φ56形モータ（寸法：鉄心外径φ56
mm−鉄心長さ25mm）とφ142形モータ（寸法：鉄心外径
φ142mm−鉄心長さ40mm）について、前述の実施例と同
様にステータ鉄心１のステータ小歯3a,3b相互間の溝お
よびロータ鉄心6a,6bのロータ歯7a,7bの相互間の溝にそ
れぞれ棒状永久磁石5a,5b,8a,8bを設けた場合と、また
ロータ歯7a,7b相互間の溝にのみ棒状永久磁石8a,8bを設
けた場合と、従来のステッピングモータのようにロータ
鉄心およびステータ鉄心のいずれにも棒状永久磁石を設
けない場合の実験結果である。第９図から明らかなよう
に、ロータ歯及びステータ小歯相互の溝に永久磁石を入
れた場合従来機に対し、1.6〜２倍のホールディングト
ルクが得られ、特に高電流（アンペアターン）領域にお
いて、従来機は鉄心歯部の飽和が顕著となり、トルク増
加分が微小となるが、本発明のモータでは高電流領域ま
でトルクが伸びている。なお、円盤状永久磁石として希
土類永久磁石（SmCo系）を使用し、また棒状永久磁石と
して希土類永久磁石（SmCo系）を使用した例である。

第10図は本発明と従来機についてプルアップ・トルク
（Ｔ）と回転速度（Ｎ）の特性を示すものであり、これ
から明らかなようにステータのみに棒状永久磁石を設け
ても従来機より高いトルク特性が得られ、またロータの
みに棒状永久磁石を設けるとさらに高いトルク特性が得
られ、あるいは前述の実施例と同様にスタータとロータ
に棒状永久磁石を設けると一番高いトルク特性が得られ
る。

以上述べた本発明の一実施例また他の実施例を用いれ
ば、ロータ回転角に対するロータ空隙面の磁束密度変化
分（磁気エネルギ変化分）を効果的に大きくすることが
できるため、小形・高トルクのステッピングモータを提
供できる。

なお、本発明は、モータであるが、発電機として用い
れば高出力が得られる。また、リニアモータに用いても
同様な効果が得られるのはもちろんである。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、歯側への磁束
の漏れを抑え、ロータ回転角に対するロータ空隙面の磁
束密度変化分（磁気エネルギ変化分）を効果的に大と
し、磁気吸引力の接線方向成分の有効に利用することに
より、小形で高トルクを発生することができるステッピ
ングモータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるステッピングモータの一実施例を
示す軸方向断面、第２図および第３図は第１図のII−II
線およびIII−III線に沿って切断し矢印方向に見た断面
図、第４図（ａ），（ｂ）はそれぞれ第２図の“A"およ
び“B"部を拡大して示す拡大図、第５図（ａ），（ｂ）
は本発明の作用を説明するためのステータ小歯とロータ
歯の間の磁束の流れを示す説明図、第６図（ａ），
（ｂ）は最大トルクを発生するロータ位置での本発明の
空隙部の磁束の流れを説明するための説明図、第７図お
よび第８図は本発明によるステッピングモータの他の実
施例を示す軸方向断面図および径方向断面図、第９図お
よび第10図はそれぞれ本発明の実施例の作用効果を説明
するためのホーディング・トルク励磁電流特性図および
プルアップ・トルクと回転速度の特性図、第11図および
第12図は従来のステッピングモータの軸方向断面図と径
方向断面図、第13図（ａ），（ｂ）は従来のステッピン
グモータのステータ小歯とロータ歯との間の磁束の流れ
を示す説明図、第14図は従来のステッピングモータにお
ける最大トルクを発生するロータ位置での空隙部の磁束
の流れを示す説明図である。１……ステータ鉄心、２……極歯、３……ステータ小
歯、４……巻線、5a,5b……ステータの棒状永久磁石、6
a,6b……ロータ鉄心、７……ロータ歯、8a,8b……ロー
タの棒状永久磁石、９……円盤状永久磁石、10……回転
軸。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ステータ鉄心の円周方向に複数個の極歯を
設け、この各極歯には巻線を巻回し、かつ各極歯の内周
面に複数個のステータ小歯を有したステータと、前記ステータ小歯と対向する外周面に複数個のロータ歯
を有し、かつ、軸方向に２分割され、互いにロータ歯を
1/2歯ピッチずらして配設されたロータ鉄心と、このロータ鉄心の分割部に配設され軸方向に着磁された
円盤状永久磁石を有したロータを備えたステッピングモ
ータにおいて、前記ステータ小歯相互間に存在する溝および前記ロータ
歯相互間に存在する溝の少なくとも一方側に、径方向に
着磁された溝部永久磁石を、前記円盤状永久磁石により
発生する主磁束を打消す方向に挿入固定し、前記溝部永
久磁石の磁化方向厚さが前記円盤状永久磁石の磁化方向
厚さの0.3倍以上にしたことを特徴とするステッピング
モータ。