JP3517556B2 - モータ - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K37/00—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors
- H02K37/10—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type
- H02K37/12—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
Description
形状のモータに関する。
しては、図13に示すものがある。ボビン101にステ
ータコイル105が同心状に巻回され、ボビン101は
2個のステータヨーク106で軸方向から挟持固定され
ており、かつステータヨーク106にはボビン101の
内径円周方向にステータ歯106aと106bが交互に
配置され、ケース103には、ステータ歯106aまた
は106bと一体のステータヨーク106が固定されて
ステータ102が構成されている。
15と軸受108が固定され、他方のケース103には
他の軸受108が固定されている。ロータ109はロー
タ軸110に固定されたロータ磁石111から成り、ロ
ータ磁石111はステータ102のステータヨーク10
6aと放射状の空隙部を形成している。そして、ロータ
軸110は2個の軸受108の間に回転可能に支持され
ている。このように小型に構成されたステップモータに
よってカメラのレンズを駆動するようにしたものが特開
平3−180823号公報で公知のものになっている。
来例の小型のステップモータはロータの外周にケース1
03、ボビン101、ステータコイル105、ステータ
ヨーク106等が同心状に配置されているためにモータ
の外形寸法が大きくなってしまう欠点があった。また、
ステータコイル105への通電により発生する磁束は図
14に示すように主としてステータ歯106aの端面1
06a1とステータ歯106bの端面106b1とを通
過するためロータ磁石111に効果的に作用しないので
モータの出力は高くならない欠点がある。
でしかも回転力の高いモータを提供することにある。
に、本発明は、外周面が周方向に分割され異なる極に交
互に着磁されたロータであるマグネットと、前記マグネ
ットの軸方向であって前記マグネットを挟む位置に配置
された第1のコイルおよび第2のコイルと、前記第1の
コイルによって励磁されるとともに前記マグネットの一
端側の外周面に対向する磁極部と前記第1のコイルの外
周面に対向する外円筒部を備えた筒状の第 1 の外側磁極
と、前記第1のコイルによって励磁されるとともに前記
マグネットの一端側の内周面に対向する筒状の第1の内
側磁極と、前記第2のコイルによって励磁されるととも
に前記マグネットの他端側の外周面に対向する磁極部と
前記第2のコイルの外周面に対向する外円筒部を備えた
筒状の第2の外側磁極と、前記第2のコイルによって励
磁されるとともに前記マグネットの他端側の内周面に対
向する筒状の第2の内側磁極と、を有し、前記第1の外
側磁極の外円筒部が前記第1のコイルの外周と対向する
部分の面積が前記第1のコイルの外周の面積の3/4以
下であり、前記第2の外側磁極の外円筒部が前記第2の
コイルの外周面と対向する部分の面積が前記第2のコイ
ルの外周の面積の3/4以下であることを特徴とするモ
ータとするものである。
のうち、ロータであるマグネットを横切ることなく、外
側磁極の根元手前でループを描く磁束を少なくできると
ともに、その分外側磁極からマグネットを横切って内側
磁極に流れる磁束の量を多くすることができ、モータの
発生する回転力を向上できるものである。
モータを示す図であり、そのうち、図1はステップモー
タの分解斜視図であり、図2はステップモータの2つの
対向するステータだけを拡大表示した斜視図であり、図
3はステップモータの組み立て後の断面図であり、図4
は図3のA−A線の断面図およびB−B線での断面図で
ある。
円筒形状のマグネットであり、このロータであるマグネ
ット1は、その外周表面をn分割して(本実施例では4
等分して)S極、N極が交互に着磁された着磁部1a、
1b、1c、1dを有し、この着磁部1a、1cがS極
に着磁され、着磁部1b、1dがN極に着磁されてい
る。そして、マグネット1の内周表面は隣接する外周表
面と異なる極に着磁されており、着磁部1a、1cの内
周表面がN極に着磁され、着磁部1b、1dの内周表面
がS極に着磁されている。7はロータ軸となる出力軸
で、この出力軸7はロータであるマグネット1に固着さ
れている。これら出力軸7とマグネット1とでロータを
構成している。2及び3は円筒形状のコイルであり、コ
イル2及び3は前記マグネット1と同心でかつ、マグネ
ット1を軸方向に挟む位置に配置され、コイル2及び3
はその外径が前記マグネット1の外径とほぼ同じ寸法で
ある。
ステータ及び第2のステータであり、第1のステータ1
8及び第2のステータ19の位相は180/n度、即ち
45°ずれて配置され、これらの第1のステータ18及
び第2のステータ19は外筒及び内筒からなっている。
第1のステータ18の外筒及び内筒の間にコイル2が設
けられ、このコイル2が通電されることにより第1のス
テータ18が励磁される。
タ19を拡大した斜視図を示す。第1のステータ18の
外筒及び内筒はその先端部が外側磁極18a、18b及
び内側磁極18c、18dを形成しており、この内側磁
極18cと内側磁極18dの位相は互いに同位相となる
ように360/(n/2)度、即ち180°ずれて形成
され、内側磁極18cに対して外側磁極18aが対向配
置しており、また内側磁極18dに対し外側磁極18b
が対向配置している。なおここでは第1のステータの外
筒及び内筒の円筒形状をした部分をそれぞれ外円筒18
f、内円筒18gと呼び、マグネット寄りの外円筒18
fの端の部分を外円筒端18h、内円筒18gと外円筒
18fを接続している部分を内外円筒接続部18jと呼
ぶことにする。
磁極18a、18b及び内側磁極18c、18dはマグ
ネット1の一端側の外周面及び内周面に対向してマグネ
ット1の一端側を挟み込むように設けられる。また第1
のステータ18の穴18eには回転軸7の一端部が回転
可能に嵌合する。
コイル3が設けられ、このコイル3が通電されることに
より第2のステータ19が励磁される。図2にあるよう
に、第2のステータ19の外筒及び内筒はその先端部が
外側磁極19a、19b及び内側磁極19c、19dを
形成しており、この内側磁極19cと内側磁極19dの
位相は互いに同位相となるように360/(n/2)
度、即ち180°ずれて形成され、内側磁極19cに対
し外側磁極19aが対向配置しており、内側磁極19d
に対し外側磁極19bが対向配置している。なお、ここ
では第2のステータの外筒及び内筒の円筒形状をした部
分をそれぞれ外円筒19f、内円筒19gと呼び、マグ
ネット寄りの外円筒19fの端の部分を外円筒端19
h、内円筒と外円筒を接続している部分を内外円筒接続
部19jと呼ぶことにする。
磁極19a、19b及び内側磁極19c、19dは永久
磁石1の他端側の外周面及び内周面に対向して永久磁石
1の他端側を挟み込むように設けられる。また第2のス
テータ19の穴19eには回転軸7の他端部が回転可能
に嵌合する。したがって、コイル2により発生する磁束
は外側磁束18a、18bと内側磁束18c、18dと
の間のロータであるマグネット1を横切るので、効果的
にロータであるマグネット1に作用し、コイル3により
発生する磁束は外側磁束19a、19bと内側磁束19
c、19dとの間のロータであるマグネットを横切るの
で、効果的にロータであるマグネット1に作用し、モー
タの出力を高める。
しての連結リングであり、この連結リング20の内側の
一端側には溝20a、20bが設けられ、他端側には2
0a、20bに対し位相を45°ずらした溝20c、2
0dが設けられ、溝20a、20bに第1のステータ1
8の外側磁極18a、18bを嵌合し、溝20c、20
dに第2のステータ19の外側磁極19a、19bを嵌
合し、これら嵌合部分を接着剤により固定して、連結リ
ング20に第1のステータ18及び第2のステータ19
が取り付けられるものである。これら第1のステータ1
8と第2のステータ19は互いに外側磁極18a、18
b及び内側磁極18c、18dと外側磁極19a、19
b及び内側磁極19c、19dを対向させ、連結リング
20の内面側の突出部20e、20fにより或る距離だ
け間隔を隔てて固定されている。
4(a)、(b)、(c)、(d)は図3のA−A線で
の断面図を示し、図3の(e)、(f)、(g)、
(h)は図2のB−B線での断面図を示している。図4
の(a)と(e)とが同時点での断面図であり、図4の
(b)と(f)が同時点での断面図であり、図4の
(c)と(g)とが同時点での断面図であり、図4の
(d)と(h)とが同時点での断面図である。
明する。図4の(a)、(e)の状態からコイル2およ
び3に通電して、第1のステータ18の外側磁極18
a、18bをN極とし、内側磁極18c、18dをS極
とし、第2のステータ19の外側磁極19a、19bを
S極とし、内側磁極19c、19dをN極に励磁する
と、ロータであるマグネット1は反時計方向45°回転
し、図4の(b)、(f)に示す状態となる。
のステータ18の外側磁極18a、18bをS極とし、
内側磁極18c、18dをN極とし、第2のステータ1
9の外側磁極19a、19bをS極とし、内側磁極19
c、19dをN極に励磁すると、ロータであるマグネッ
ト1は更に反時計方向に45°回転し、図4の(c)と
(g)に示す状態になる。
のステータ19の外側磁極19a、19bをN極とし、
内側磁極19c、19dをS極とし、第1のステータ1
8の外側磁極18a、18bをS極とし、内側磁極18
c、18dをN極に励磁すると、ロータであるマグネッ
ト1はさらに反時計方向に45°回転し、図4の(d)
と(h)に示す状態となる。以後、このようにコイル2
及び3への通電方向を順次切り替えていくことによりロ
ータであるマグネット1は通電位相に応じた位置へと回
転していくものである。
いて、大きな回転力性能を得るためにはロータの回転軸
7を軟磁性材料にするのがよい。また、回転力性能と頑
強性を両立させるために、第1のステータの外円筒端1
8hは、ロータ軸の方向に、コイルの中心よりも内外円
筒接続部18jの側に位置させるのがよい。また第2の
ステータの外円筒端19hも、ロータ軸の方向に、コイ
ルの中心よりも内外円筒接続部19j側に位置させるの
がよい。このことを図5〜図11を用いて説明する。
ータ19の磁界分布を断面及び斜視図上に表示したもの
である。図5は断面位置を示すための断面図であり、図
6はロータの中心軸を面内に持ち、第2のステータ19
の外側磁極19a、19b及び内側磁極19c、19d
の中心を通る図5の面Cでの断面図であり、図7は面C
をロータ中心軸の周りに80°回転させた図5の面Dで
の断面図である。なお、両面ともロータ軸に対して磁界
分布は対称になることから、片側磁極部分だけを表示し
ている。図8は第2のステータ19の斜視図上に磁界分
布を表示したものであり、対称性からステータの半分だ
けを表示している。
束は主として、第2のステータ19の内円筒19gから
内外円筒接続部19jを経て、外円筒19f、外側磁極
19aに順に行き、マグネット1を挟む空隙を通って内
側磁極19cへ行き、内円筒19gに帰るループとなる
ことがわかる。そして、磁束のうち、ロータであるマグ
ネット1を横切る磁束が磁気回転力を発生する。
束は、第2のステータ19の内円筒19gから内円筒接
続部19jを経て外円筒19fへ行き、その一部は外円
筒19fからコイル3を横切って内円筒19gに帰るこ
とがわかる。また図8から内円筒19gから内外円筒接
続部19jを経て外円筒19fへ行った磁束の一部は、
図6における外円筒19fを通る磁束と合流して外側磁
極19aに行き、ロータの回転に寄与することがわか
る。
うであることから、磁路の断面積の小さい内側磁極19
c、内円筒19gでは磁気飽和が発生する。そして、磁
気飽和はロータ軸7を軟磁性材料、例えば磁性SUS、
鉄等にすることにより緩和できる。すなわちロータ軸7
を軟磁性材料にすることによって、ロータ軸7が内側磁
極19c及び内円筒19gの磁路のバイパスとして機能
する。その結果、磁路全体としての磁気抵抗が小さくな
り、図6に示したマグネット1を横切る磁束量が増える
ことによって、モータの回転性能を向上させることがで
きる。
円筒19gとロータ軸7との間には空隙を設けなくては
ならないこと、小型化のためにロータ軸の断面積を小さ
くする必要がある等の制約から磁気飽和を完全に抑える
ことは困難である。
は、この内側磁極19c、内円筒19g、ロータ軸7を
流れる磁束をできるだけマグネット1を横切るようにす
ることで、有効磁束の効率を高める必要がある。そし
て、このことは、外円筒端19hの位置を内外円筒接続
部19jの近くに配置することで実現できる。
を横切る磁束(本磁束はマグネット1を横切らないこと
からロータの回転に寄与しない)は、外円筒端19hの
位置を内外円筒接続部19jの近くに移動させること
で、外円筒19fと内円筒19gの対向面積が小さくな
ることから、減少する。その結果、内側磁極19c、内
円筒19gの磁気飽和は緩和され、その分だけ、図6に
示した、第2のステータ19の内円筒19gから内外円
筒接続部19jを経て、外円筒19f、外側磁極19a
に順に行き、マグネット1を挟む空隙を通って内側磁極
19cへ行き、内円筒19gに帰る磁束が増える。つま
りマグネット1を横切る磁束が増えることになる。そし
て、このような構造の変更があっても、コイルのインダ
クタンスは増大しないことから、高速回転域における回
転力の性能も向上する。
続部19jの近くに移動させることで、内側磁極19
c、内円筒19gを通る磁束の量は減ることから、構造
の変更の際、ロータ軸7を軟磁性材料にしておけば、こ
の部分における磁気飽和はほぼ解消される。すなわち、
回転力性能は一層向上する。
値シュミレーションにより求めた結果を図9〜図11に
示す。図9は外円筒端19hの位置を説明するための断
面図である。外円筒端19hの位置を内外円筒接続部1
9jの近傍(図9の8c)からコイル中心、コイル端部
と変えたときの回転力の変化は図10を参照して説明す
る。なお、このとき、内外円筒接続部19jから外側磁
極19aの先端までの距離は一定している。
9hの位置と回転力との関係を示すグラフである。図1
0から明らかなように、回転力は、外円筒端19hが外
側磁極19aの端部側(マグネット1側)から内外円筒
接続部19jに近づくに従って増大することがわかる。
そして、その増大の傾向は、外円筒端19hがコイル中
心よりもマグネット1側にあるときの方が顕著である。
なお、外円筒端19hがコイル中心よりも内外円筒接続
部19j側に位置するとき変化が少ないのは、ステータ
19を通る磁束がコイル3の中心の周りでループを描こ
うとするため、もともと図7におけるコイル3の中心か
ら内外円筒接続部19jにかけてのコイル3を横切る磁
束が少ないことに起因する。
おける8a、及び8cにあるときの、ロータの回転数と
回転力の関係を示すグラフである。上述の理由および図
11から、外円筒端19hの位置を内外円筒接続部19
jの近傍にすることで、低速回転域のみならず高速回転
域においても回転力が大きくなっていることがわかる。
だけ内外円筒接続部19jに近づけた方がよいというこ
とが理解できるが、実際には外円筒端19hを内外円筒
接続部19jに極めて近づけたとき、第2のステータ1
9の強度が低下し、モータ全体としての頑強性、信頼性
に悪影響を与えることが予想される。その理由は、外円
筒端19hを内外円筒接続部19jに近づけると、外側
磁極19a、19bを支持する部分がなくなり、機械的
衝撃に対して弱くなるからである。特に、外側磁極19
a、19bとマグネット1の間隙長は、安定した回転力
を得る上において非常に重要であるが、外側磁極19
a、19bを支持する部分がなくなることにより、間隙
長は非常に変化しやすくなる。その結果、出力が不安定
となる。しかし、実際には、外円筒端19hがコイル中
心と内外円筒接続部19jの中間に位置するようにする
と、回転力と強度を最も適切に両立できることが見い出
されている。
して、外円筒端19hの位置を内外円筒接続部19jの
近くに配置するとよいと説明したが、正確に表現するな
らば、上記説明から明らかなように、コイル3の内外円
筒接続部19jに近い側の端部(上記例の場合両者は同
じになる)に配置するとよい。
筒端19hの位置を変化させることは、外円筒19fの
内周と、コイル3の外周の対向面積を規定していること
にほかならない。すなわち、図7に示したコイル3を横
切る磁束の量は、外円筒19fの内周と、コイル3の外
周の対向面積を小さくすることで抑制でき、本対向面積
を小さくすることで、モータの回転力を上げることがで
きる。
イル3の外周の対向面積をコイル3の外周面積の3/4
以下にすることによって、外円筒端19hの位置を内外
円筒接続部19jの近くに配置した場合と同様に、非常
に強力なモータが得られることが見い出されている。
して、第2のステータ19について述べたが、第1のス
テータ18における外円筒端18hの位置についても、
同様である。なお、数値シュミレーションによって得ら
れた前述の推論を確認するために、外円筒端の位置を内
外円筒接続部に対して変化させて実験を行ったが、その
結果、回転力性能の向上が数値シュミレーションに対応
した形態で確認された。
力を向上させるという目的のために、外円筒端19hを
できるだけ内外円筒接続部19jに近づけるように構成
している。しかし、磁界分布を示す図8からわかるよう
に、外円筒19fの一部は、内外円筒接続部19jから
外側磁極19aへの磁路として寄与している。
に示すように、外円筒19fの形状のうち、図8に表示
された外側磁極19aへ向かう磁束の少ない部分を除去
している。すなわち外側磁束19aの幅が内外円筒接続
部19jに近くなるにつれて広くなる形状にしている。
こうすることにより、実施例1に関連して説明した外円
筒19fからコイル3を横切って内円筒19gに行く磁
束を抑え、更に内外円筒接続部19jから効率よく外側
磁極19aへ磁束を通せる磁路が設定できる。また、幅
広の部分によって外側磁極19a、19bを支持する部
分は確保されているので、機械的強度も問題ない。この
結果、更に強力な回転力のモータが得られる。
ロータ回転軸を軟磁性材料にすること、及びステータの
形状において外円筒端部の位置を限定することで、コン
パクトでしかも回転力の大きなモータが得られる。
タの分解斜視図である。
部分の拡大図である。
完成状態の断面図である。
回転動作説明図である。
を示す断面の説明図である。
ける磁界分布である。
ける磁界分布である。
を示す斜視図である。
形状の説明図である。
ータ形状と回転力の関係の説明図である。
ータ形状と回転力の関係の説明図である。
モータのステータ形状の説明図である。
図である。
タの磁束の説明図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 外周面が周方向に分割され異なる極に交
互に着磁されたロータであるマグネットと、 前記マグネットの軸方向であって前記マグネットを挟む
位置に配置された第1のコイルおよび第2のコイルと、 前記第1のコイルによって励磁されるとともに前記マグ
ネットの一端側の外周面に対向する磁極部と前記第1の
コイルの外周面に対向する外円筒部を備えた筒状の第1
の外側磁極と、 前記第1のコイルによって励磁されるとともに前記マグ
ネットの一端側の内周面に対向する筒状の第1の内側磁
極と、 前記第2のコイルによって励磁されるとともに前記マグ
ネットの他端側の外周面に対向する磁極部と前記第2の
コイルの外周面に対向する外円筒部を備えた筒状の第2
の外側磁極と、 前記第2のコイルによって励磁されるとともに前記マグ
ネットの他端側の内周面に対向する筒状の第2の内側磁
極と、を有し、 前記第1の外側磁極の外円筒部が前記第1のコイルの外
周と対向する部分の面積が前記第1のコイルの外周の面
積の3/4以下であり、前記第2の外側磁極の外円筒部
が前記第2のコイルの外周面と対向する部分の面積が前
記第2のコイルの外周の面積の3/4以下であることを
特徴とするモータ。 - 【請求項2】 前記外円筒部は前記第1の外側磁極ある
いは前記第2の外側磁極へ向かう磁束の少ない部分を除
去した形状であることを特徴とする請求項1に記載のモ
ータ。 - 【請求項3】 前記第1の外側磁極と前記第2の外側磁
極は非磁性材料からなる連結部材に固定されていること
を特徴とする請求項1または2に記載のモータ。 - 【請求項4】 前記第1の内側磁極は前記マグネットの
一端を挟んで前記第1の外側磁極と対向する位置にあ
り、前記第2の内側磁極は前記マグネットの他端を挟ん
で前記第2の外側磁極と対向する位置にあることを特徴
とする請求項1から3のいずれかに記載のモータ。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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