JP3045936B2 - PM type stepping motor - Google Patents

PM type stepping motor

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JP3045936B2
JP3045936B2 JP6208843A JP20884394A JP3045936B2 JP 3045936 B2 JP3045936 B2 JP 3045936B2 JP 6208843 A JP6208843 A JP 6208843A JP 20884394 A JP20884394 A JP 20884394A JP 3045936 B2 JP3045936 B2 JP 3045936B2
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stepping motor
permanent magnet
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利彦 渡辺
一隆 本間
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富士電気化学株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、多極着磁された永久
磁石を回転子とするPM(永久磁石)型ステッピングモ
ータに関するものであり、特に、低速で滑らかな動きを
直接駆動で実現するのに適したステッピングモータに関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a PM (permanent magnet) type stepping motor using a multi-pole magnetized permanent magnet as a rotor. The present invention relates to a stepping motor suitable for:

【0002】[0002]

【従来の技術】PM型ステッピングモータの代表的な構
成として、広く利用されている2相または4相駆動巻線
のクローポール磁極を利用したステッピングモータを図
9に示し、4相巻線の突極型磁極を利用したステッピン
グモータを図10に示す。
2. Description of the Related Art As a typical configuration of a PM type stepping motor, FIG. 9 shows a stepping motor using a claw pole of a two-phase or four-phase drive winding which is widely used. FIG. 10 shows a stepping motor using a pole-type magnetic pole.

【0003】図9において、91は円筒形状でその外周
面にN極とS極を交互多極着磁した永久磁石を使用した
回転子である。ステータ92は、回転子91の磁極数に
対応した数のクローポール型の極歯93を持つヨーク9
4とソレノイド巻線95,96とを持つ2組の電磁石で
構成されている。2組の電磁石は、各々の巻線を駆動し
た時に発生する磁界分布が互いに回転子の磁極ピッチの
2分1だけ回転子の回転方向にずれるように配置されて
いる。回転子の磁極ピッチの角度に対応する機械的な回
転角度(これを機械角と呼ぶ)で回転子91の永久磁石
磁極からヨーク94に流入する磁束は1周期変化する。
この1周期の変化を360°として計った回転子の回転
角を電気角と呼ぶ。この表現を用いれば、2組の電磁石
は電気角で90°ずれて配置されていることになる。巻
線95に電流を流した場合に発生する磁束分布電気角で
計る原点を0°とすると、巻線96に同じ方向に電流を
流すと電気角で90°の磁束分布が発生する。このとき
巻線95を0°の巻線と呼び、巻線96を90°の巻線
と呼ぶ。巻線95の電流の向きを反転させれば180°
の磁束分布が発生し、、巻線96の電流の向きを反転さ
せれば270°の磁束分布が発生する。これらの駆動巻
線と通電方向の切り換え毎に、回転子91は電気角90
°、機械角では回転子91の磁極ピッチの1/2ずつ歩
進する。
In FIG. 9, reference numeral 91 denotes a rotor having a cylindrical shape and using a permanent magnet having an N-pole and an S-pole alternately and multipolarly magnetized on the outer peripheral surface thereof. The stator 92 has a yoke 9 having claw-pole-type pole teeth 93 of a number corresponding to the number of magnetic poles of the rotor 91.
4 and two sets of electromagnets having solenoid windings 95 and 96. The two sets of electromagnets are arranged such that the magnetic field distribution generated when each of the windings is driven is shifted from each other in the rotation direction of the rotor by a half of the magnetic pole pitch of the rotor. The magnetic flux flowing from the permanent magnet magnetic pole of the rotor 91 to the yoke 94 changes by one cycle at a mechanical rotation angle (this is called a mechanical angle) corresponding to the angle of the magnetic pole pitch of the rotor.
The rotation angle of the rotor measured by setting the change of one cycle to 360 ° is called an electrical angle. Using this expression, the two sets of electromagnets are arranged at an electrical angle of 90 °. Assuming that the origin measured by the electrical angle of the magnetic flux distribution generated when a current flows through the winding 95 is 0 °, a magnetic flux distribution having an electrical angle of 90 ° is generated when a current flows through the winding 96 in the same direction. At this time, the winding 95 is called a 0 ° winding and the winding 96 is called a 90 ° winding. 180 ° if the current direction of winding 95 is reversed
When the direction of the current of the winding 96 is reversed, a 270 ° magnetic flux distribution is generated. Each time these drive windings and energization directions are switched, the rotor 91
In the case of the mechanical angle, the rotor 91 advances by ず つ of the magnetic pole pitch of the rotor 91.

【0004】クローポール磁極のステッピングモータで
は0°の巻線と90°の巻線は、回転子の軸方向に積み
重ねられている。突極磁極ステッピングモータでは、巻
線は周方向に配置されている。図10は突極磁極ステッ
ピングモータの構成例を回転軸101の軸方向を紙面に
垂直に配置した状態で示している。この例では、円筒形
状の永久磁石回転子102は、2極着磁されているので
電気角と機械角ともに回転子1回転が360°となって
いる。4つの突極を持つヨーク103の各突極には巻線
104,105,106,107の4つの巻線が施され
ている。巻線104を0°の巻線とすると、巻線105
は90°、巻線106は180°、巻線107は270
°の巻線となる。この順序で駆動する巻線を切り換える
ことにより回転子102は機械角で90°ずつ歩進す
る。0°の巻線と180°の巻線とを逆位相となるよう
に直列接続し、90°の巻線と270°の巻線とを逆位
相となるように直列接続して2組の巻線とすると、図9
の2組の巻線と同様に、2相の駆動巻線として動作させ
ることができる。
In a claw-pole magnetic pole stepping motor, 0 ° windings and 90 ° windings are stacked in the axial direction of the rotor. In the salient pole stepping motor, the windings are arranged in the circumferential direction. FIG. 10 shows a configuration example of the salient pole stepping motor in a state where the axial direction of the rotating shaft 101 is arranged perpendicular to the paper surface. In this example, since the cylindrical permanent magnet rotor 102 is magnetized in two poles, one rotation of the rotor is 360 ° in both the electrical angle and the mechanical angle. Each of the salient poles of the yoke 103 having four salient poles is provided with four windings 104, 105, 106, and 107. If the winding 104 is a 0 ° winding, the winding 105
Is 90 °, winding 106 is 180 °, winding 107 is 270
° winding. By switching the windings to be driven in this order, the rotor 102 advances by 90 ° in mechanical angle. 0 ° winding and 180 ° winding are connected in series so as to have opposite phases, and 90 ° winding and 270 ° winding are connected in series so as to have opposite phases. As a line, FIG.
Can be operated as two-phase drive windings, like the two sets of windings.

【0005】以上はステッピングモータの基本的な動作
である。この動作では、回転子は階動的な動きをする。
より滑らかな動きを実現するためには、マイクロステッ
プ駆動が用いられている。マイクロステップ駆動では、
2組の駆動巻線のそれぞれに流す電流の大きさも制御し
て滑らかな動きを実現している。図11は、マイクロス
テップ駆動による2組の駆動巻線に流す電流の例であ
る。この例では電気角で360°の区間を40の微小区
間に、すなわち90°の区間を10の微小区間に分割し
て2組の駆動巻線に流す電流の大きさを制御している。
電流の大きさは、0°の駆動巻線には回転角に対して余
弦波に近い波形で変化させ、90°の駆動巻線には正弦
波に近似した波形で変化させている。この結果、通常の
駆動では電気角で90°ずつ歩進するのに対して、この
マイクロステップ駆動方式では電気角で9°ずつ歩進す
ることになり、振動の少ない滑らかな動きを可能として
いる。
The above is the basic operation of the stepping motor. In this operation, the rotor moves in a staggered manner.
In order to realize smoother movement, micro-step driving is used. In micro step drive,
The magnitude of the current flowing through each of the two drive windings is also controlled to realize a smooth movement. FIG. 11 is an example of a current flowing through two sets of drive windings by micro-step drive. In this example, the section of 360 ° in electrical angle is divided into 40 minute sections, that is, the section of 90 ° is divided into 10 minute sections, and the magnitude of current flowing through two sets of drive windings is controlled.
The magnitude of the current is changed with a waveform close to a cosine wave with respect to the rotation angle for the drive winding of 0 °, and with a waveform approximating a sine wave for the drive winding of 90 °. As a result, while the normal drive advances in steps of 90 degrees in electrical angle, the micro-step drive method steps in steps of 9 degrees in electrical angle, enabling smooth movement with less vibration. .

【0006】マイクロステップ駆動のもう1つの目的
は、トルク脈動の少ない回転トルクを発生させることで
ある。駆動巻線に流す電流の波形を図11に示すように
正弦波、余弦波に近似させている。回転角をθとして、
0°の駆動巻線に電流Iを流したときの発生トルクがI
・K・cos θであり、90°の駆動巻線に電流Iを流し
たときの発生トルクがI・K・sin θとなるようにモー
タが設計されていれば、0°の駆動巻線に流す電流をI
m・cos θとし、90°の駆動巻線に流す電流をIm・
sin θとすることにより、モータの発生するトルクT
は、T=Im・K・(cos 2 θ+sin 2 θ)となる。
(cos 2 θ+sin 2 θ)=1であるから、この条件では
角度θによらず一定のトルク、Im・Kを得ることがで
き、速度変動の小さい滑らかな回転を実現することがで
きる。
[0006] Another purpose of the micro-step drive is to generate a rotational torque with little torque pulsation. The waveform of the current flowing through the drive winding is approximated to a sine wave and a cosine wave as shown in FIG. Assuming that the rotation angle is θ,
When the current I flows through the 0 ° drive winding, the generated torque is I
K · cos θ, and if the motor is designed so that the torque generated when current I flows through the 90 ° drive winding becomes I · K · sin θ, the drive winding of 0 ° The flowing current is I
m · cos θ, and the current flowing through the 90 ° drive winding is Im ·
By setting sin θ, the torque T generated by the motor
Is T = Im · K · (cos 2 θ + sin 2 θ).
Since (cos 2 θ + sin 2 θ) = 1, under this condition, a constant torque and Im · K can be obtained irrespective of the angle θ, and smooth rotation with small speed fluctuation can be realized.

【0007】[参考文献] (1)突極磁極のステッピングモータについて 見城尚志:「電子機器用精密小型モータ」総合電子出版
pp.108-109(1977) (2)マイクロステップ駆動について 渡辺秀次:回転子構造の違いに注目周波数でトルク特性
が変化,モータ全活用術,日経BP社pp.98-111(1990)
[References] (1) Stepping motor with salient magnetic poles Takashi Mishiro: "Precision small motor for electronic equipment" General Electronic Publishing
pp.108-109 (1977) (2) Regarding micro-step drive Hideji Watanabe: Focus on differences in rotor structure Changes in torque characteristics at frequency, full motor utilization, Nikkei BP pp.98-111 (1990)

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】実際のステッピングモ
ータでは、駆動電流によるトルクや力以外のトルクや力
が回転子に働いており、振動の発生や滑らかな動きの実
現を阻んでいる。図9や図10に示した極歯や突極を持
つステッピングモータは駆動巻線に電流を流さない状態
でも永久磁石とヨーク磁極との間に磁気的吸引力が働い
ている。この吸引力の総和の回転トルク成分がディテン
ト・トルクとなっている。ディテント・トルクの存在
は、マイクロステップ駆動での振動の低減や滑らかな動
きの実現を制約する主要な要因の1つとなっている。
In an actual stepping motor, a torque and a force other than the torque and the force due to the drive current act on the rotor, thereby preventing the generation of vibration and the realization of a smooth movement. In the stepping motor having pole teeth and salient poles shown in FIGS. 9 and 10, magnetic attraction acts between the permanent magnet and the yoke magnetic pole even when no current flows through the drive winding. The rotational torque component of the sum of the suction forces is the detent torque. The presence of detent torque is one of the main factors that limit the reduction of vibration and the achievement of smooth movement in microstep driving.

【0009】ディテント・トルクによる振動や速度変動
を低減する方法としては、1つには、マイクロステップ
駆動の電流波形にディテント・トルクを丁度打ち消すよ
うな電流変化を重畳する方法がとられている。この方式
の欠点はディテント・トルクの正確な設計あるいは計測
が必要であり、回路的にも複雑になることである。抜本
的な対応はディテント・トルクを抑えることである。
As a method of reducing vibration and speed fluctuation due to detent torque, one method is to superimpose a current change that just cancels out detent torque on a current waveform of microstep driving. The disadvantage of this method is that it requires precise design or measurement of the detent torque, and the circuit becomes complicated. The drastic response is to reduce the detent torque.

【0010】図12は、多極着磁された永久磁石の磁極
とヨークの1つの突極とこれらの間で発生するトルクの
関係を回転角方向に展開して示している。図12におい
て、電機子磁極121−1はステッピングモータの極歯
あるいは突極の1つを模式的に表している。電機子磁極
121−1は回転子の多極着磁された永久磁石磁極13
2に対向している。永久磁石磁極132は等しい間隔で
N極とS極が交互に着磁されている。N極S極一対の着
磁ピッチが電気角360°である。
FIG. 12 shows the relationship between the magnetic poles of the multi-pole magnetized permanent magnet, one salient pole of the yoke, and the torque generated between them in the direction of the rotation angle. In FIG. 12, the armature magnetic pole 121-1 schematically represents one of the pole teeth or salient poles of the stepping motor. The armature magnetic pole 121-1 is a multi-pole magnetized permanent magnet magnetic pole 13 of the rotor.
2. In the permanent magnet magnetic pole 132, N poles and S poles are alternately magnetized at equal intervals. The magnetization pitch of the pair of N and S poles is an electrical angle of 360 °.

【0011】121−1,121−2,121−3,1
21−4は、回転子が回転して、電機子磁極が電気角で
それぞれ0°,90°,180°,270°の位置にな
った状態を示している。123は電気角で計った回転角
に対するディテント・トルクの変化の様子である。この
例では0°,180°の近傍でディテント・トルクの値
が急峻に変化しており、90°,270°の近傍ではや
や緩やかである。変化の急峻さは、永久磁石の着磁ピッ
チや電機子磁極の寸法形状によって逆転することもあ
る。どちらの場合でも原理的には、電気角0°,90
°,180°,270°で回転方向の相互吸引力はつり
あった状態になっているので、結果として現われるトル
クの大きさは0である。
121-1, 121-2, 121-3, 1
Reference numeral 21-4 denotes a state where the rotor rotates and the armature magnetic poles are at electrical angles of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °, respectively. Reference numeral 123 denotes a state of a change in detent torque with respect to a rotation angle measured by an electrical angle. In this example, the value of the detent torque changes sharply near 0 ° and 180 °, and is slightly gentle near 90 ° and 270 °. The steepness of the change may be reversed depending on the magnetization pitch of the permanent magnet or the size and shape of the armature magnetic pole. In either case, in principle, the electrical angle is 0 °, 90 °.
At 180 °, 270 ° and 270 °, the mutual attraction in the rotational direction is in a balanced state, and the magnitude of the resulting torque is zero.

【0012】このためディテント・トルクは、発生する
吸引力の対称性から、電気角360°で1周期となる成
分を基本成分とすると、2次成分124と4次成分12
5などの偶数次の高周波成分を多く含むことになる。図
9や図10に示した2相あるいは4相のステッピングモ
ータは電気角で90°間隔で電機子磁極を持っている。
このため、電気角180°で1周期となる2次成分12
4は、電気角で90°ずれた電機子磁極の発生するディ
テント・トルクの2次成分と打ち消し合う。したがっ
て、モータのディテント・トルクとしては、4次成分1
25より高次のトルクのみが外部に現われることにな
る。
For this reason, the detent torque is based on the symmetry of the generated attraction force, and if the component having one cycle at an electrical angle of 360 ° is the basic component, the secondary component 124 and the fourth component 12
It contains many even-order high-frequency components such as 5. The two-phase or four-phase stepping motor shown in FIGS. 9 and 10 has armature magnetic poles at 90 ° electrical angle intervals.
For this reason, the second-order component 12 having one cycle at an electrical angle of 180 °
Numeral 4 cancels out the secondary component of the detent torque generated by the armature magnetic pole shifted by an electrical angle of 90 °. Therefore, as the detent torque of the motor, the fourth-order component 1
Only torques higher than 25 will appear to the outside.

【0013】電気角90°を1周期とするディテント・
トルクはステッピングモータの停止位置保持機能として
有用なものであり、この成分を強く出したモータは、駆
動電流を切ってもディテント・トルクで停止位置を保持
することができる。しかしモータを低振動で滑らかに動
かすには障害となる。
A detent having an electric angle of 90 ° as one cycle
The torque is useful as a stop position holding function of the stepping motor, and a motor that strongly outputs this component can hold the stop position with detent torque even when the drive current is cut off. However, it is an obstacle to smoothly move the motor with low vibration.

【0014】電機子磁極121−1に巻かれた駆動巻線
130に一定の電流を流した時に発生するトルクを符号
126として示している。電機子磁極が永久磁石磁極の
中央の位置(図12における0°,180°の位置)に
あるときには発生するトルクは0であり、電機子磁極が
N極とS極の変り目、つまり図12における90°,2
70°の位置にあるときに発生するトルクは最大とな
る。発生トルク126の基本波成分の1周期は符号12
7で示すように電気角360°である。永久磁石の磁極
幅に比べて電機子磁極の幅が図のように小さい場合に
は、0°,180°の近傍での駆動電流によるトルクは
小さいので、駆動電流による発生トルクは126に示す
ような波形となり、符号129に示す3次高周波成分を
含むことになる。更に高次の成分も存在するが、駆動電
流によって発生するトルクの波形が正弦波あるいは余弦
波となるのを妨げている最大の要因は3次の高周波成分
の存在である。
The torque generated when a constant current flows through the drive winding 130 wound around the armature magnetic pole 121-1 is indicated by reference numeral 126. When the armature magnetic pole is located at the center of the permanent magnet magnetic pole (positions of 0 ° and 180 ° in FIG. 12), the generated torque is 0, and the armature magnetic pole changes between the N pole and the S pole, that is, in FIG. 90 °, 2
The torque generated at the position of 70 ° becomes maximum. One cycle of the fundamental wave component of the generated torque 126 is 12
7, the electrical angle is 360 °. When the width of the armature magnetic pole is smaller than that of the permanent magnet as shown in the figure, the torque generated by the drive current near 0 ° and 180 ° is small. And a third high-frequency component indicated by reference numeral 129. Although higher-order components also exist, the largest factor preventing the waveform of the torque generated by the drive current from becoming a sine wave or a cosine wave is the presence of a third-order high-frequency component.

【0015】本発明は、ディテント・トルクに4次高周
波成分を原理的に含まず、しかも駆動電流によって発生
するトルクに3次高周波成分を原理的に含まない磁極構
成を持ち、低速でも滑らかな動きが可能なステッピング
モータを提供することを目的としている。
The present invention has a magnetic pole configuration in which the detent torque does not include the fourth-order high-frequency component in principle and the torque generated by the drive current does not include the third-order high-frequency component in principle, so that the motor can move smoothly even at a low speed. It is an object of the present invention to provide a stepping motor capable of performing the following.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】この発明によるPM型ス
テッピングモータは、回転軸を中心とし周方向に等間隔
でNS交互に多極着磁された永久磁石回転子と、この回
転子を取り囲む周方向に等間隔の角度で配置されたそれ
ぞれに駆動巻線が施された4つの突極を1単位とする電
機子とを持つPM型ステッピングモータにおいて、前記
永久磁石回転子の磁極と対向している前記電機子の前記
突極の先端が4つの部位に分れており、前記永久磁石回
転子のNS一対の磁極着磁ピッチを360°として表し
た電気角で、第一の部位に対して第二の部位は電気角で
45°ずれて配置されており、第三の部位は第一の部位
に対して電気角で60°ずれて配置されており、第四の
部位は第一の部位に対して電気角で105°ずれて配置
されているものである。この構成において、前記電機子
のヨークを粉末冶金法あるいは金属射出成形法で成形す
ることができる。
SUMMARY OF THE INVENTION A PM stepping motor according to the present invention comprises a permanent magnet rotor which is multipole-magnetized alternately by NS at equal intervals in a circumferential direction around a rotating shaft, and a peripheral magnet surrounding the rotor. In a PM type stepping motor having four armatures each having four salient poles, each of which is provided with a drive winding and arranged at equal intervals in the direction, the armature having one unit, the armature is opposed to the magnetic poles of the permanent magnet rotor. The tip of the salient pole of the armature is divided into four portions, and the NS of the permanent magnet rotor has an electrical angle expressed as 360 ° of the magnetic pole magnetization pitch of the pair of NS, and is relative to the first portion. The second part is arranged at an electrical angle of 45 °, the third part is arranged at an electrical angle of 60 ° with respect to the first part, and the fourth part is the first part. Are placed at an electrical angle of 105 ° with respect to . In this configuration, the yoke of the armature can be formed by powder metallurgy or metal injection molding.

【0017】[0017]

【作用】図1は本発明の原理説明図である。図中、2は
回転方向に展開したNS交互に等間隔で多極着磁された
永久磁石回転子である。N極とS極一対の磁極が着磁さ
れているピッチを1周期とする。この1周期のピッチの
実際の寸法はモータの大きさや着磁極数によって異なる
ので、このピッチを電気角360°として他の部位の寸
法との相対的な大きさを表現する。
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention. In the drawing, reference numeral 2 denotes a permanent magnet rotor which is multiply-polarized and magnetized at equal intervals alternately with NS developed in the rotation direction. A pitch at which a pair of N and S poles is magnetized is defined as one cycle. Since the actual size of the pitch of one cycle differs depending on the size of the motor and the number of magnetized poles, the pitch is expressed as an electrical angle of 360 ° to express the relative size with the dimensions of other parts.

【0018】本発明の原理では、永久磁石磁極と対向す
る1つの電機子突極は、図1の1−1,1−2,1−
3,1−4で示されるように少なくとも四つの部位に分
れている。前記のように、第一の部位に対して第二の部
位は電気角で45°ずれて配置されており、第三の部位
は第一の部位に対して電気角で60°ずれて配置されて
おり、第四の部位は第一の部位に対して電気角で105
°ずれて配置されている。
According to the principle of the present invention, one armature salient pole facing the permanent magnet magnetic pole is defined as 1-1, 1-2, 1--1 in FIG.
It is divided into at least four parts as shown by 3, 1-4. As described above, the second portion is arranged at an electrical angle of 45 ° with respect to the first portion, and the third portion is arranged at an electrical angle of 60 ° with respect to the first portion. And the fourth part is 105 electrical degrees with respect to the first part.
° are offset.

【0019】図2はこれらは4つの部位によって発生す
るディテント・トルクの4次成分の関係を示している。
部位1−1による4次成分は21であり、部位1−1か
ら電気角45°ずれた部位1−2によるディテント・ト
ルクの4次成分は22である。両者は丁度逆位相となり
打ち消される。部位1−3によるディテント・トルク2
3と部位1−4によるディテント・トルク24も同様の
関係にあり、打ち消し合う。
FIG. 2 shows the relationship between the fourth-order components of the detent torque generated by the four parts.
The fourth-order component of the portion 1-1 is 21 and the fourth-order component of the detent torque by the portion 1-2 shifted by 45 ° in electrical angle from the portion 1-1 is 22. Both are just out of phase and canceled. Detent torque 2 by parts 1-3
3 and the detent torque 24 by the parts 1-4 have the same relationship, and cancel each other out.

【0020】図3は前記の4つ部位による駆動電流によ
って発生するトルクの3次高調波成分の相互関係を示し
ている。部位1−1によるトルクは31であり、部位1
−1から電気角で60°ずれて配置された部位1−3に
よるトルクは33である。両者は丁度逆位相となり打ち
消される。部位1−2によるトルク32と部位1−4に
よるトルク34も同様の関係にあり、打ち消し合う。
FIG. 3 shows the interrelationship between the third harmonic components of the torque generated by the drive currents generated by the four portions. The torque by the part 1-1 is 31 and the part 1
The torque of the portion 1-3 arranged at an electrical angle of 60 ° from -1 is 33. Both are just out of phase and canceled. The torque 32 due to the portion 1-2 and the torque 34 due to the portion 1-4 have a similar relationship, and cancel each other out.

【0021】この結果、ディテント・トルクに4次高周
波成分と駆動電流によるトルクに3次高周波成分を原理
的にもたない磁極構成のステッピングモータを実現する
ことができる。
As a result, it is possible to realize a stepping motor having a magnetic pole configuration in which the detent torque has no fourth-order high-frequency component and the drive current has no third-order high-frequency component.

【0022】[0022]

【実施例】図4は本発明の一実施例の電機子ヨークの形
状を示している。図1の4つの部位に対応する磁極を4
つの突極に対応させている。この配置では、永久磁石回
転子45が6極着磁されている場合を示している。6極
着磁なので電気角で360°は機械角120°に対応し
ている。4つの突極41,42,43,44は機械角で
互いに90°の角度に対して、図示のように時計回り方
向に、41は−17.5°、42は−2.5°、43は
+17.5°、44は+2.5°ずれた位置に形成され
ている。モータとしての電機子ヨークは、図5に示すよ
うに、図4の電機子ヨークを4枚積層し、かつ4枚それ
ぞれを90°ずつ回転させて積層して構成する。図5の
構成では、1つの突極は4つの部位に分かれており、そ
れぞれの部位は図4の41の部位を原点として42に対
応する部位は機械角で20°,43に対応する部位は3
5°、44に対応する部位は15°ずれた位置にある。
これらを電気角で表示すると、60°,105°,45
°となるので、図1に示した関係を満足した配置となっ
ている。
FIG. 4 shows an armature yoke according to an embodiment of the present invention. The magnetic poles corresponding to the four portions in FIG.
It corresponds to three salient poles. This arrangement shows a case where the permanent magnet rotor 45 is magnetized with six poles. Since it is magnetized with six poles, an electrical angle of 360 ° corresponds to a mechanical angle of 120 °. The four salient poles 41, 42, 43, 44 are in a clockwise direction as shown in the figure, with respect to a 90 ° mechanical angle, 41 is −17.5 °, 42 is −2.5 °, 43 Is formed at a position shifted by + 17.5 ° and 44 is formed at a position shifted by + 2.5 °. As shown in FIG. 5, the armature yoke as a motor is formed by stacking four armature yokes of FIG. 4 and rotating each of the four by 90 °. In the configuration of FIG. 5, one salient pole is divided into four portions, and each portion has a mechanical angle of 20 ° and a portion corresponding to 43 with the origin of 41 in FIG. 3
The portions corresponding to 5 ° and 44 are at positions shifted by 15 °.
When these are expressed in electrical angles, 60 °, 105 °, 45 °
°, the arrangement satisfies the relationship shown in FIG.

【0023】図5に示した実施例においては、4枚の積
層構造で電機子ヨークを構成しているが、3層の構成で
同様の効果を得ることも可能である。
In the embodiment shown in FIG. 5, the armature yoke is constituted by a four-layer structure, but the same effect can be obtained by a three-layer structure.

【0024】図6および図7は4枚の積層構成から3枚
での積層構成に変更する原理を示している。図6におい
て、61,62,63,64は、4つの部位を永久磁石
側から見た図である。3枚構成とするためには、1つの
部位の回転方向の幅は電気角で105°以下であること
が必要である。図6は丁度105°の場合を示してい
る。部位63の一部て電気角で15°に相当する部位6
5は矢印で示すように、3枚構成では部位67の一部に
移動させており、部位64は3枚構成の部位67の一部
に移動させている。このような変更をしても、磁性材料
が線型に動作する範囲においては、4枚構成の突極と3
枚構成の突極とは磁気的には全く等価である。したがっ
て、3枚構成でも図1に示した条件を満足することがで
きる。
FIGS. 6 and 7 show the principle of changing from a four-layer structure to a three-layer structure. In FIG. 6, reference numerals 61, 62, 63, and 64 denote four parts viewed from the permanent magnet side. In order to form a three-sheet configuration, it is necessary that the width of one part in the rotation direction be 105 ° or less in electrical angle. FIG. 6 shows the case of just 105 °. Part 6 of part 63 corresponding to an electrical angle of 15 °
5 is moved to a part of the part 67 in the three-piece configuration as shown by the arrow, and the part 64 is moved to a part of the part 67 in the three-piece configuration. Even if such a change is made, the four salient poles and the three
A salient pole having a single sheet configuration is completely magnetically equivalent. Therefore, the condition shown in FIG. 1 can be satisfied even with the three-sheet configuration.

【0025】図7は、1つの部位の回転方向の幅が10
5°よりも小さい場合を示しており、部位71,72,
73,74の幅が電気角で90°の場合を示している。
この場合は部位77は2つの部分に分れることになる
が、実際には磁極の先端に切れ目に対応する切欠を設け
ることで、図6と同様に3枚構成で実現することができ
る。
FIG. 7 shows that the width of one part in the rotation direction is 10
The case where the angle is smaller than 5 ° is shown, and the portions 71, 72,
The case where the width of 73 and 74 is 90 electrical degrees is shown.
In this case, the part 77 is divided into two parts. However, in practice, by providing a notch corresponding to the cut at the tip of the magnetic pole, it is possible to realize a three-piece configuration as in FIG.

【0026】図8は、3枚を積層した電機子ヨークと等
価な電機子ヨークを一体で形成した形状を示している。
このような形状の磁性体の形成には、粉末冶金法や金属
射出成形法が適している。粉末冶金法や金属射出成形法
は、図8のような形状を金型を使って直接形成できる特
徴の他に、鉄コバルト合金やセンダストなど硬度が高く
て加工が困難な磁性出力材料を利用できるという特徴が
ある。鉄コバルト合金は飽和磁束密度が高く、小型で高
トルクのモータを実現するのに適している。センダスト
は特に比抵抗が高く鉄損が小さい特徴を持っている。本
発明では個々の突極の各部位の相互間で、ディテント・
トルクの4次高周波成分を打ち消している。しかし、各
磁極では4次高周波成分に対応する磁束変化は発生して
いる。この磁束変化の周波数はトルクを発生する斜の磁
束変化の4倍の周波数となる。したがって、高い周波数
の磁束変化においては損失の少ない材料を選択する必要
があり、材料選択の自由度の高い粉末冶金法や金属射出
成形法は、この発明に極めて適した方法である。
FIG. 8 shows a shape in which an armature yoke equivalent to a three-layer armature yoke is integrally formed.
Powder metallurgy and metal injection molding are suitable for forming a magnetic body having such a shape. The powder metallurgy method and the metal injection molding method can use a magnetic output material having a high hardness such as an iron-cobalt alloy or sendust which is difficult to process, in addition to a feature that a shape as shown in FIG. 8 can be directly formed using a mold. There is a feature. Iron-cobalt alloy has a high saturation magnetic flux density and is suitable for realizing a small-sized and high-torque motor. Sendust has particularly high resistivity and small iron loss. In the present invention, the detent and the detent
The fourth order high frequency component of the torque is canceled. However, a magnetic flux change corresponding to the fourth high-frequency component occurs at each magnetic pole. The frequency of this magnetic flux change is four times the frequency of the oblique magnetic flux change that generates torque. Therefore, it is necessary to select a material having a small loss in a high-frequency magnetic flux change, and a powder metallurgy method and a metal injection molding method, which have a high degree of freedom in material selection, are extremely suitable methods for the present invention.

【0027】本発明の効果は、永久磁石磁極の着磁ピッ
チに対する電機子の突極先端形状の相対的配置状態に由
来している。したがって、図4における回転子と固定子
の位置関係を逆転した、いわゆるアウター・ロータ型モ
ータや直線状に展開したリニアモータについても相対的
な位置関係を得ることは可能であり、本発明を適用でき
ることは明らかである。また、突極の数は4として説明
したが、4つの突極を単位としてその整数倍、例えば8
つの突極で構成することも明らかである。
The effect of the present invention is derived from the relative arrangement of the salient pole tip shape of the armature with respect to the magnetization pitch of the permanent magnet magnetic pole. Therefore, it is possible to obtain a relative positional relationship even for a so-called outer-rotor type motor or a linear motor developed linearly, in which the positional relationship between the rotor and the stator in FIG. 4 is reversed, and the present invention is applied. Clearly what you can do. Also, the number of salient poles has been described as four, but the unit of four salient poles is an integral multiple thereof, for example, eight.
It is clear that it consists of one salient pole.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ステッピングモータの電機子の突極と永久磁石との吸引
力で発生するディテント・トルクのうちで、従来の構成
では、モータ内部で打ち消すことの困難であった4次の
周期に対応する回転角や変位で発生する成分を打ち消す
ことができる、しかも同時に、駆動電流によって発生す
るトルクの3次高調波成分をも打ち消すことができる。
従来の構成でも、ディテント・トルクの2次高周波成分
はモータ内部で原理的に打ち消されており、本発明の適
用により、ディテント・トルクの2次だけでなく4次の
高周波成分を持たず、かつ駆動電流によるトルクには3
次高周波成分を含まない。したがって、一定量の駆動電
流当たりの発生トルクは回転角に対して正弦波形とな
り、低速でも滑らかな動きを直接駆動で実現することが
できる。
As described above, according to the present invention,
Among the detent torques generated by the attractive force between the salient poles of the armature of the stepping motor and the permanent magnets, the rotation angle and the rotation angle corresponding to the fourth order cycle, which were difficult to cancel in the motor in the conventional configuration, The component generated by the displacement can be canceled, and at the same time, the third harmonic component of the torque generated by the drive current can be canceled.
Even in the conventional configuration, the secondary high-frequency component of the detent torque is canceled in principle inside the motor. By applying the present invention, not only the secondary but also the fourth-order high-frequency component of the detent torque is not provided, and The torque due to the drive current is 3
Does not contain secondary high frequency components. Therefore, the generated torque per a fixed amount of drive current has a sine waveform with respect to the rotation angle, and a smooth movement can be realized by direct drive even at low speed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の原理説明図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention.

【図2】図1に付随したディテント・トルク4次成分の
説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a detent torque fourth-order component accompanying FIG. 1;

【図3】図1に付随した駆動電流トルクの3次成分の説
明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a third-order component of the driving current torque accompanying FIG. 1;

【図4】この発明の一実施例による電機子ヨークの形状
説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a shape of an armature yoke according to an embodiment of the present invention.

【図5】同上電機子ヨークのより具体的な構成を示す斜
視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a more specific configuration of the armature yoke according to the first embodiment.

【図6】同上電機子ヨークの構成変更の原理説明図であ
る。
FIG. 6 is a view for explaining the principle of a configuration change of the armature yoke according to the first embodiment;

【図7】同上電機子ヨークの構成変更の他の例の原理説
明図である。
FIG. 7 is an explanatory view of the principle of another example of the configuration change of the armature yoke according to the embodiment.

【図8】この発明の他の実施例による電機子ヨークの斜
視図である。
FIG. 8 is a perspective view of an armature yoke according to another embodiment of the present invention.

【図9】従来のクローポール型ステッピングモータの概
略構成図である。
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a conventional claw-pole type stepping motor.

【図10】従来の突極磁極型ステッピングモータの概略
構成図である。
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a conventional salient magnetic pole type stepping motor.

【図11】マイクロステップ駆動の一例を示す電流波形
図である。
FIG. 11 is a current waveform diagram illustrating an example of micro-step driving.

【図12】永久磁石の磁極とヨーク突極とトルクとの関
係を示す説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a relationship among a magnetic pole of a permanent magnet, a yoke salient pole, and torque.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1−1,1−2,1−3,1−4 電機子磁極の四つに
分れた部位 2 永久磁石回転子 41,42,43,44 突極 45 永久磁石回転子
1-1, 1-2, 1-3, 1-4 Sections divided into four armature magnetic poles 2 permanent magnet rotors 41, 42, 43, 44 salient poles 45 permanent magnet rotor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02K 37/00 - 37/24 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H02K 37/00-37/24

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 回転軸を中心とし周方向に等間隔でNS
交互に多極着磁された永久磁石回転子と、この回転子を
取り囲む周方向に等間隔の角度で配置されたそれぞれに
駆動巻線が施された4つの突極を1単位とする電機子と
を持つPM型ステッピングモータにおいて、前記永久磁
石回転子の磁極と対向している前記電機子の前記突極の
先端が4つの部位に分れており、前記永久磁石回転子の
NS一対の磁極着磁ピッチを360°として表した電気
角で、第一の部位に対して第二の部位は電気角で45°
ずれて配置されており、第三の部位は第一の部位に対し
て電気角で60°ずれて配置されており、第四の部位は
第一の部位に対して電気角で105°ずれて配置されて
いることを特徴とするPM型ステッピングモータ。
1. NS at equal intervals in the circumferential direction about a rotation axis
An armature having, as a unit, a permanent magnet rotor alternately magnetized with multiple poles, and four salient poles, each of which is provided with a drive winding and arranged at equal intervals in a circumferential direction surrounding the rotor. Wherein the tip of the salient pole of the armature facing the magnetic pole of the permanent magnet rotor is divided into four parts, and a pair of NS poles of the NS of the permanent magnet rotor. An electrical angle represented by a magnetization pitch of 360 °, and the second portion is 45 ° in electrical angle with respect to the first portion.
The third part is arranged at an electrical angle of 60 ° with respect to the first part, and the fourth part is arranged at an electrical angle of 105 ° with respect to the first part. A PM type stepping motor, which is disposed.
【請求項2】 請求項1における前記電機子のヨークを
粉末冶金法あるいは金属射出成形法で成形したことを特
徴とするPM型ステッピングモータ。
2. The PM type stepping motor according to claim 1, wherein the yoke of the armature according to claim 1 is formed by powder metallurgy or metal injection molding.
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