JP3131403B2 - ステッピングモータ - Google Patents
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Description
タに関するもので、特に固定子巻線の相数が3相及び2
相に適用可能なステッピングモータの改良に関するもの
である。
タ及び永久磁石形ステッピングモータは2相形のものが
主流を占めており、その構造は、例えばハイブリッド形
ステッピングモータで示すと、特開平2−1642号公
報に記載するように構成されているが、これを図3又は
図4に示す。
ングモータ10の構成を示す縦断側面図で、図4は図3
のA−A′断面図である。図3、4において、1は固定
子ハウジング、2は固定子鉄心、3−1〜3−8は固定
子巻線、4、4′は前後夫々のブラケットであり、固定
子鉄心2は、主極2−1〜2−8を構成して、2−10
は各主極2−1〜2−8の内周に形成された極歯であ
る。前記各主極2−1〜2−8に固定子巻線3−1〜3
−8が巻装されている。これら固定子ハウジング1、固
定子鉄心2及び固定子巻線3−1〜3−8により固定子
Sが構成される。
6は回転子軸、7及び8は回転子磁極、図4の7−10
及び8−10は上記回転子磁極7、8の外周に形成され
た極歯であって、極歯7−10及び極歯8−10は互い
に夫々の極歯ピッチの1/2ピッチずれて配置されてい
る。また、2つの回転子磁極7、8の間に挟持されてい
る9は永久磁石であり、これら回転子軸6、回転子磁極
7、8、永久磁石9により回転子Rが構成される。この
ように、極歯7−10、8−10の配列が1/2ピッチ
ずれた2個の回転子磁極7、8で永久磁石9を挟んだ構
成の回転子Rはハイブリッド形回転子と呼ばれ、上記し
た固定子Sと回転子Rとにより、従来の2相のハイブリ
ッド形ステッピングモータ10が構成される。
グモータの性能を示す指数の中で重要なものとしてステ
ップ角θsがある。通常ステップ角θs(単位は度。以
下省略)は、固定子巻線の相数あるいは回転子磁極の相
数Pと回転子磁極の1個の磁極に設けた極歯数Ztによ
り決定され、 θs=180/(P・Zt) ・・・・・・・・・・ (1) と表される。
相の巻線を順次通電した場合の1相励磁の場合に得られ
る角度で、そのステッピングモータ固有のものである。
そして(1)式は分母の回転子磁極の相数P及び極歯数
Ztを大きくするとθsが小さくなることを示してい
る。
がZtである場合の永久磁石形ステッピングモータのス
テップ角は、(1)式により、θs=180/(2・Z
t)となり、当該ステップ角を微少角とするには極歯数
Ztを大きく、即ちロータ歯幅を小さくしなければなら
ないが、これには工作技術上の制約があった。
ータは振動・騒音が大きく、固定子主極数を増やして磁
気的バランスを向上させることでこれらを低減すること
は可能であるが、2相ステッピングモータでは従来は主
極数が8もしくはその倍数のものしかなかった。
回転子を有する従来の構成のものでは、固定子主極数が
6の場合、回転子の歯数が6n+5又は6n+1(nは
1以上の整数)であるから歯数は奇数となる。従って、
1相励磁すると1相分が180゜離れた2つの主極で構
成されるため、例えばハイブリッド形回転子の永久磁石
を挟持する2つの回転子磁極は互いに異極に磁化され、
一方の回転子磁極は上に吸引されると共に他方の回転子
磁極は下に吸引されるため、1相励磁での駆動では回転
子軸が軸方向の偶力を受けつつ回転することになり、振
動・騒音の要因となっていた。
タは、特開平6−14514号公報に示すように、1相
分の主極の極性が同極性となるように巻線が巻装されて
おり、1相分が同極性に励磁される場合には、1相励磁
駆動では1相内に異極が存在しないので、磁路が充分に
形成されず、次の2相分を逆極性に励磁して異極性を形
成して2つの相間で磁路を形成することが必要で、2相
励磁もしくはそれ以上の多相励磁しか実用にならないと
いう欠点があった。
の相数Pを増加させることも考えられるが、この場合に
は駆動回路のスイッチ数が増加し、回路が複雑且つ高価
になるという問題があった。
モータ(永久磁石形のステッピングモータ)の課題(問
題点)を解決するため、ステップ角のより小さな、しか
も1相励磁起動を可能とする3相の永久磁石形ステッピ
ングモータと、固定子主極を12個で構成する2相機と
して低振動・低騒音を実現する2相の永久磁石形のステ
ッピングモータを提供することを目的とする。
ータは、上記従来のステッピングモータの課題を解決す
るため、大別して次の2つの構成とする。 第1の構成: まず、3相の永久磁石形ステッピングモータとしては、
次の特徴を有する固定子と回転子を備えた構成とする。 (1)固定子巻線の相数は3相であって、固定子主極数
は6m個(mは1以上の整数)であり、その内の1相分
の固定子主極は2つおきに2m個となるように選定さ
れ、前記固定子主極の1相分を直流励磁すると交互にN
極がm個、S極がm個となるように巻線されている固定
子。 (2)Z/2個のN極及びこれと同数のS極を交互に円
周方向に磁化した円筒状永久磁石より形成される回転
子。但し、Zは回転子極数とする。この場合、回転子極
数Zは、Z=m・(12n±2)に設定する。但し、n
は1以上の整数とし、nが2以上の場合には上記6m個
の各固定子主極は複数の極歯を有するものとする。
次の特徴を有する固定子と回転子を備えた構成とする。 (1)固定子巻線の相数は2相であって、固定子主極数
は12個であり、その内の1相分は1つおきに6個で構
成され、1相分を直流励磁するとN極が3個、S極が3
個となるように巻線されている固定子。 (2)Z/2個のN極及び同数のS極を交互に円周方向
に磁化した円筒状永久磁石より形成される回転子。但
し、Zは回転子極数とする。この場合、回転子極数Z
は、Z=24n±6に設定する。但し、nは1以上の整
数とし、nが2以上の場合には上記12個の各固定子主
極は複数の極歯を有するものとする。
極の3相の永久磁石形ステッピングモータ20の構成を
図1を用いて説明する。図1は上記第1の構成例に対応
する一実施の形態を示すが、回転子磁極の相数が3相
で、上述のように固定子主極が主極数6m、回転子極数
Z=m・(12n±2)で表されたが、同図はこの場合
においてm=1とし、主極数を6個、n=4とし、Z=
50とした場合の簡略化して示した具体例を示す。
0の回転子R2は、図3に示す従来例の2相のステッピ
ングモータ10の回転子Rと異なり、図1に示すように
円筒状永久磁石23を備え、またバックヨーク24を有
することが望ましく、回転子軸26を中心に回転自在に
軸支されている。円筒状永久磁石23の外周面には極歯
27−10、28−10が回転方向にN極とS極が交互
となるように合計50個形成されるように磁化されてい
る。
を介して6個の固定子主極22−1〜22−6の内周面
が対向し、当該固定子主極22−1〜22−6先端内周
面には夫々の主極に3個の極歯22−10が形成されて
いる。そして6個の固定子主極22−1〜22−6は、
互いに60゜の等ピッチに配置されて、夫々に固定子巻
線21−1〜21−6が巻装されている。上述巻線は3
相巻線であり、固定子巻線21−1と21−4が1相分
を形成し、この1相分を直流励磁した場合固定子主極2
2−1と22−4とは互いに異極性となるように巻装さ
れている。
テッピングモータ10では、1相励磁駆動ができなかっ
たが、本発明の永久磁石形ステッピングモータ20で
は、1相内に同数の異極が常に存在するので、1相励磁
駆動が可能となる。即ち、図1において、円筒状永久磁
石23のN極から出た磁束は異極性の主極22−1に入
り、巻線21−1と鎖交し、固定子S2の環状ヨーク部
25を通って主極22−4に入って巻線21−4と鎖交
し、該主極22−4の極歯に対向する円筒状永久磁石2
3のS極に入り、バックヨーク24を通って元のN極に
戻り磁路を閉じる。このようにして1相励磁駆動が可能
となる。
流を遮断すると同時に、2相分の巻線21−2及び21
−5に通電すると、回転子永久磁石の磁極が2相分の主
極22−2及び22−5の極歯22−10に対し所定の
角度でずれるように構成されているので、このずれの分
だけ回転子R2は転回移動する。このずれ角がステップ
角θsである。
に巻装された巻線21−3及び21−6を励磁すると、
上述と同様に1ステップ角θsだけ転回移動し、このよ
うにして最も簡単な1相励磁での駆動が可能となる。
別の優れた点は、図3、図4の従来例のものと対比する
と明白である。即ち、図1の固定子主極22−1及び2
2−4が励磁されている状態において、一方の主極22
−1の極歯22−10が回転子R2を構成する円筒状永
久磁石23を吸引する径方向の力と、他方の主極22−
4の極歯22−10が同じ円筒状永久磁石23を吸引す
る径方向の力とは向きが逆で夫々の大きさが等しいため
互いに相殺され、常に回転子軸26を軸支する軸受部材
には径方向の力は作用せず、従って回転時の振動・騒音
が少なくなる。
従来のハイブリッド形ステッピングモータでは得られな
かった低振動・低騒音での駆動が可能となる。
ッピングモータにおける回転子極数ZのZ=m・(12
n±2)の誘導について説明する。ステッピングモータ
のステップ角θsは上記(1)式で与えられるが、本発
明のステッピングモータでは固定子巻線の相数が3相で
あるので、(1)式でP=3とすると、本発明のステッ
ピングモータ20ではN極S極を交互に配置したリング
マグネット形回転子の場合、Zt=Z/2であるから、
ステップ角θsは、 θs=180/{3・Z・(1/2)}=120/Z ・・・ (2) となる。
れ、その固定子主極の極歯に最も近い回転子磁極は{3
60/(Z/2)}・n等分されているから、その差が
ステップ角θsで、これは、 θs=±[360/6m−360n/{Z・(1/2)}] ・・(3) で表される。
Z=m・(12n±2)が得られる。このとき、nが2
以上の場合は、各6m個の主極の先端に複数の極歯を設
けた方がステッピングモータのトルクを大きくできる。
更に、固定子巻線の相数が3相の場合は2相に対し、
(1)式に示されるように回転子磁極に設けた極歯数Z
tが同じでもステップ角θsを小さくでき、従ってステ
ッピングモータの分解能を大きくできるので、本発明の
ステッピングモータが上記従来技術の欠点を改善できる
ことが判る。
2の実施の形態である12極の2相の永久磁石形ステッ
ピングモータ30の構成について説明する。回転子R3
は図1の回転子R2と同じ構造で、円筒永久磁石33の
外周にN極及びS極が交互に多極着磁されている。固定
子S3は12個の等ピッチに配置された主極32−1〜
32−12を有し、また、2相の固定子巻線31−1〜
31−12が設けられている。当該主極32−1〜32
−12の12個の内1相分は1つおきに6個で、この1
相分を直流励磁すると、6個の主極中に交互に、N極性
が3個、S極性が3個となるように巻線31−1〜31
−12が巻装されている。
〜32−12の12個の1個おきに構成され、その主極
6個は交互に異極性となるように構成されるのが望まし
い。図2は、その一例の1相分巻線について極性表示し
たものである。このように構成すると図1の例と同じよ
うに、回転子R3に作用する径方向の力は常に相殺され
る。
多いほど、駆動時の振動・騒音は小さくなることから、
2相機の一般的構成である主極数8の固定子より、本発
明のステッピングモータに係る固定子S3は主極数が1
2であるので、振動・騒音は小さくできる。この場合
も、上述で(1)式〜(3)式と同様の誘導により、回
転子極数ZのZ=24n±6が得られる。ここでnは1
以上の整数で、n≧2の場合は、12個の主極31−1
〜31−12の先端に複数の極歯32−20を設けるこ
とが望ましい。
周方向に等分間隔となるように対称型に配置した最も望
ましい実施の形態を示し、その場合、第1の実施の形態
では、固定子磁極数Zが、Z=m・(12n±2)であ
る場合、また、第2の実施の形態では、Z=24n±
6)である場合を説明した。このように固定子主極を対
称型に形成した方がステップ角精度は優れ、特性面でも
有利となるが、固定子を非対称型に形成しても、特性面
では若干落ちるが本発明の作用効果を備えているので、
用途によっては、実用可能である。
項1のように構成される永久磁石形ステッピングモータ
では、次のような優れた効果を有する。 (1)固定子巻線の相数を3相とすることで、従来の2
相機に比較してステップ角を小さくでき、従ってステッ
ピングモータの分解能を上げることができる。 (2)本発明である3相機の永久磁石形ステッピングモ
ータの1相励磁駆動が可能となる。 (3)円筒状永久磁石回転子であるので、振動・騒音が
小さくできる。また、請求項2のように構成される永久
磁石形のステッピングモータでは、2相機でありながら
固定子主極が12極構成であるので、従来の2相機8極
構成に対し、低振動・低騒音を実現できる。
形ステッピングモータの構成を示す縦断正面図である。
造の永久磁石形ステッピングモータの構成を示す縦断正
面図である。
の構成を示す縦断側面図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 次の構成を有する固定子と回転子を備え
たことを特徴とする永久磁石形ステッピングモータ。 (1)固定子巻線の相数は3相であって、固定子主極数
は6m個(mは1以上の整数)であり、その内の1相分
の固定子主極は2つおきに2m個で構成され、前記固定
子主極の1相分を直流励磁すると交互にN極がm個、S
極がm個となるように巻線されている固定子。 (2)Z/2個のN極及びこれと同数のS極を交互に円
周方向に磁化した円筒状永久磁石より形成される回転
子。但し、Zは回転子極数であり、かつ、Z=m・(1
2n±2)である。また、nは1以上の整数とし、nが
2以上の場合には上記6m個の各固定子主極は複数の極
歯を有するものとする。 - 【請求項2】 次の構成を有する固定子と回転子を備え
たことを特徴とする永久磁石形ステッピングモータ。 (1)固定子巻線の相数は2相であって、固定子主極数
は12個であり、その内の1相分は1つおきに6個で構
成され、1相分を直流励磁すると交互にN極が3個、S
極が3個となるように巻線されている固定子。 (2)Z/2個のN極及び同数のS極を交互に円周方向
に磁化した円筒状永久磁石より形成される回転子。但
し、Zは回転子極数であり、かつ、Z=24n±6であ
る。また、nは1以上の整数とし、nが2以上の場合に
は上記12個の各固定子主極は複数の極歯を有するもの
とする。
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