JP3595788B2 - 低コギングトルクのマイクロモーター - Google Patents
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロモーターに関するもので、特に低コギングトルクのマイクロモーターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コギングトルクというのは、モーターに電流が流れていない時、永久磁石と固定子との間に存在する磁気相互作用のことである。このコギングトルクと通電後に生じるランニングトルクの方向は反対であるため、コギングトルクは一部のランニングトルクを相殺する。即ち、ランニングトルクはコギングトルクを克服しないと、モーターを回転させることが出来ない。過大なコギングトルクはモーターの振動、騒音、寿命及び操作に影響を与える。
【０００３】
コギングトルクの問題に対して、公知技術は一般に永久磁石の着磁方式又は特殊なモーター固定子の形状設計により解決してきた。その中でも、特殊なモーター固定子の形状設計は特殊な固定アーク方式により、コギングトルクを低減させるが、非常に複雑な数学の公式計算が必要である。例えば、図１Ａ及び図１Ｂの米国特許NO．6044737（Yao，et al，April 4.2000）で開示されるように、図１Ａのケイ素鋼片中、Ｐ点、Ｃ点及びＧ点に沿って、突極の点線部を整える。そして、固定アークが基づく公式及び説明は以下のようである：
径方向巻線の径方向空隙のモーター中、中央円弧の中心角Ａと修正円弧の半径ｒは以下の公式に符合する：
【０００４】
【数１】
Ａは中央円弧の中心角であり、Ｎは固定子の突極数であり、ｂ０は開口の中心角である；第１修正円弧と第２修正円弧の半径は以下の公式に符号する。図１Ｂを参考にする：
【０００５】
【数２】
【０００６】
【数３】
Ｒは中央円弧の半径、ｔはコグ部の厚さである。
【０００７】
もう一つの公知技術は特殊な“スロットポール比”により、コギングトルクを低減させる。スロットポール比は“開口角度とピッチ角の比例”のことである。例えば、図１Ｃの台湾特許第４０４６２１で開示されるように、軸方向巻線の径方向空隙のモーター中、ケイ素鋼片４１は数個の突極４３を備え、前記突極４３は対象の外形（例えば円弧）を備え、２つの突極４３の間に開口４４を備え、前記単一開口の角度（Ｂ−Ａ）を突極の節角（Ｂ）を割った値は０．５５〜０．６８の間である。
【０００８】
しかし、上述の公知技術は欠点を有し、例えば固定アーク方式が元にする公式は複雑であると共に、固定アーク方式はサイズが更に小さいマイクロモーターには適用できない。これにより、公知技術の欠点を改善する必然性がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
公知技術のコギングトルクを低減させる方式と構造が複雑であるため、本発明は公知技術より簡単な低コギングトルクのマイクロモータ構造を提供する。
【００１０】
本発明は、コギングトルクを低減させるマイクロモータを提供することを目的とする。注目すべきことは、本発明のコギングトルクを低減させる方式は、公知技術よりも簡単であり、既存のケイ素鋼片を援用することが出来るため、別途にケイ素鋼片の形状をデザインする必要がなく、大幅にコストと時間を節約することが出来る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のモーターは固定子とローターを備える。前記固定子は複数の導磁片が重畳した導磁スタックを備える。どの導磁片もその中心線に関して“非対称”形状の凸歯を複数有する。導磁スタックは、他の導磁片に対し表裏反転されて“倒置”されている導磁片を備える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
上述した本発明の目的、特徴、及び長所をより一層明瞭にするため、以下に本発明の好ましい実施の形態を挙げ、図を参照にしながらさらに詳しく説明する。
【００１３】
図２Ａ及び図２Ｂを参照する。図２Ａは本発明の分解図で、図２Ｂは、本発明の立体断面図である。本発明のマイクロモーターは主に固定子１００及びローター２００からなる。前記固定子１００は第１導磁スタック１１０と、ボビン１３０及び第２導磁スタック１２０を更に含む。前記ボビン１３０は軸方向に沿って第１導磁スタック１１０上に形成され、前記ボビン１３０上には少なくとも一つのコイル（図示せず）を備える。前記第２導磁スタック１２０は軸方向に沿って前記ボビン１３０上に形成される。つまり、前記ボビン１３０は第１導磁スタック１１０及び第２導磁スタック１２０に挟着されて軸方向巻線のモーター固定子になる。
【００１４】
図３Ａを参照する。前記本発明の単一導磁片１１５の正面図である。図で示されるように、どの導磁片１１５も中央開口１４０（例えば円形開口）及び複数個の“中心線Ｘ，Ｙに関して非対称である形状”の凸歯１１７を備える。この中央開口１４０は幾何学中心１４５を備える。明らかに、前記中央開口１４０が円形で、導磁片１１５の幾何学中心１４５は中心である。この“非対称”は凸歯１１７の外縁と幾何学中心１４５の距離（半径）が外縁の全体に亘って完全に同じではないことを指す。例えば、ｒ１≠ｒ２である。また、凸歯１１７の一端が広く、もう一端に向かって狭くなっている。また、幾何学中心１４５から径方向に延伸して出た中心線（例えば中心線Ｘ及び中心線Ｙ）により分割された凸歯１１７の二つの部分は異なった形状を備える。
【００１５】
図３Ｂは、本発明の第１導磁スタック１１０（或いは第２導磁スタック１２０）の立体透視図で、本発明のスタック方式の実施例を詳細に説明している。前記第１導磁スタック１１０は複数個（例えば２個）のスタックの導磁片１１５を備え、少なくとも一つの導磁片はその他の導磁片に対し表裏反転されて“倒置”されている。図中で導磁片がその他の導磁片に対し表裏反転されて“倒置”されているのがはっきり表示され、点線は下方の導磁片を表している。例えば、図３Ｂ中の下方に置かれた導磁片１１５ｂ（点線にて表示）は、上方におかれた導磁片１１５ａに対して“倒置”される。更に詳しく述べると、各導磁片１１５の一表面上にしるしをつけ（例えば点或いは線、図示せず）、スタックした後の上導磁片１１５ａのしるしは、下導磁片１１５ｂのしるしに面する（下導磁片１１５ｂは倒置されているため）。注目すべきは、この下導磁片１１５ｂと上導磁片１１５ａは完全に同様の外形を備えており、この“上”“下”は”倒置”を説明するために使用したものである。同様に、第２導磁スタック１２０は複数個のスタックの導磁片１１５を備え、各導磁片１１５は複数個の非対称の凸歯１１７を備えている。
【００１６】
この他、本発明の固定子構造１００及びその他部分は図３Ｃで示されるように、第１導磁スタック１１０がｎ個の凸歯１１７を備え、第２導磁スタック１２０がｎ個の凸歯１１７を備える場合、この固定子１００は２ｎ個の突極（salient pole）を形成する。この導磁片は導磁可能な薄片であり、例えばケイ素鋼片、ニッケル鋼片等である。
【００１７】
図２Ａ及び図２Ｂへ戻る。本発明のローター２００は前記固定子１００の外側を覆うように設けてある。ローター２００は、マグネットリング２１０と、スチールハウジング２２０と、回転軸２３０と、を備える。
【００１８】
この他、本発明のマイクロモーターは回路板１５０、ベース３００及びスリーブ５００を備える。前記ベース３００は回路板１５０を搭載し、回路板１５０上は駆動ＩＣ及びホール素子を備え、それぞれ固定子の駆動及び固定子の磁場変化の検出に用いられる。
【００１９】
図２Ａで、ベース３００は突起の軸管３５０を更に備え、この軸管３５０は外壁が第１導磁スタック１１０、ボビン１３０及び第２導磁スタック１２０と結合すると共に、軸管３５０の内部にスリーブ５００を嵌入する。その後、一端が固定子２００の回転軸２３０がスリーブ５００を貫通して固定子２００とローター１００とが組合わされる。
【００２０】
図４で示されるように、本発明はコギングトルクの振幅を低減させ頻度を変更（偏移）するものである。このように、コギングトルクの波形の零点はランニングトルクの波形の零点と交差せず、死点（ｄｉｅ ｐｏｉｎｔ）を形成してモーターの特性を改善する。曲線７００は本発明のコギングトルクの波形で、曲線６００は公知のコギングトルクの波形である。この他、本発明の導磁片スタック構造がコギングトルクを低減させる効果は固定アーチだけの公知技術より効果的である。
【００２１】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変形を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のコギングトルクを低減させる方式は、公知技術よりも簡単であり、既存のケイ素鋼片を援用することが出来るため、別途にケイ素鋼片の形状をデザインする必要がなく、大幅にコストと時間を節約することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】径方向巻線の径方向空隙のモーターのケイ素鋼片である。
【図１Ｂ】図１Ａのケイ素鋼片の突極である。
【図１Ｃ】公知の軸方向径方向空隙のモーターのケイ素鋼片である。
【図２Ａ】本発明の分解図である。
【図２Ｂ】本発明の立体断面図である。
【図３Ａ】本発明の単一導磁片の正面図である。
【図３Ｂ】本発明の導磁スタックの立体透視図である。
【図３Ｃ】本発明の固定子結合を示す図である。
【図４】本発明の固定子構造のトルクと機械角の関係図である。
【符号の説明】
４１ ケイ素鋼片
４３ 突極
４４ 開口
１００ 固定子
１１０ 第１導磁スタック
１１５ 導磁片
１１７ 凸歯
１１５ａ 上導磁片
１１５ｂ 下導磁片
１２０ 第２導磁スタック
１３０ ボビン
１５０ 回路板
２００ ローター
２１０ マグネットリング
２２０ スチールハウジング
２３０ 回転軸
３００ ベース
３５０ 軸管
５００ スリーブ
６００、７００ 曲線
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロモーターに関するもので、特に低コギングトルクのマイクロモーターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コギングトルクというのは、モーターに電流が流れていない時、永久磁石と固定子との間に存在する磁気相互作用のことである。このコギングトルクと通電後に生じるランニングトルクの方向は反対であるため、コギングトルクは一部のランニングトルクを相殺する。即ち、ランニングトルクはコギングトルクを克服しないと、モーターを回転させることが出来ない。過大なコギングトルクはモーターの振動、騒音、寿命及び操作に影響を与える。
【０００３】
コギングトルクの問題に対して、公知技術は一般に永久磁石の着磁方式又は特殊なモーター固定子の形状設計により解決してきた。その中でも、特殊なモーター固定子の形状設計は特殊な固定アーク方式により、コギングトルクを低減させるが、非常に複雑な数学の公式計算が必要である。例えば、図１Ａ及び図１Ｂの米国特許NO．6044737（Yao，et al，April 4.2000）で開示されるように、図１Ａのケイ素鋼片中、Ｐ点、Ｃ点及びＧ点に沿って、突極の点線部を整える。そして、固定アークが基づく公式及び説明は以下のようである：
径方向巻線の径方向空隙のモーター中、中央円弧の中心角Ａと修正円弧の半径ｒは以下の公式に符合する：
【０００４】
【数１】
【０００５】
【数２】
【数３】
【０００７】
もう一つの公知技術は特殊な“スロットポール比”により、コギングトルクを低減させる。スロットポール比は“開口角度とピッチ角の比例”のことである。例えば、図１Ｃの台湾特許第４０４６２１で開示されるように、軸方向巻線の径方向空隙のモーター中、ケイ素鋼片４１は数個の突極４３を備え、前記突極４３は対象の外形（例えば円弧）を備え、２つの突極４３の間に開口４４を備え、前記単一開口の角度（Ｂ−Ａ）を突極の節角（Ｂ）を割った値は０．５５〜０．６８の間である。
【０００８】
しかし、上述の公知技術は欠点を有し、例えば固定アーク方式が元にする公式は複雑であると共に、固定アーク方式はサイズが更に小さいマイクロモーターには適用できない。これにより、公知技術の欠点を改善する必然性がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
公知技術のコギングトルクを低減させる方式と構造が複雑であるため、本発明は公知技術より簡単な低コギングトルクのマイクロモータ構造を提供する。
【００１０】
本発明は、コギングトルクを低減させるマイクロモータを提供することを目的とする。注目すべきことは、本発明のコギングトルクを低減させる方式は、公知技術よりも簡単であり、既存のケイ素鋼片を援用することが出来るため、別途にケイ素鋼片の形状をデザインする必要がなく、大幅にコストと時間を節約することが出来る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のモーターは固定子とローターを備える。前記固定子は複数の導磁片が重畳した導磁スタックを備える。どの導磁片もその中心線に関して“非対称”形状の凸歯を複数有する。導磁スタックは、他の導磁片に対し表裏反転されて“倒置”されている導磁片を備える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
上述した本発明の目的、特徴、及び長所をより一層明瞭にするため、以下に本発明の好ましい実施の形態を挙げ、図を参照にしながらさらに詳しく説明する。
【００１３】
図２Ａ及び図２Ｂを参照する。図２Ａは本発明の分解図で、図２Ｂは、本発明の立体断面図である。本発明のマイクロモーターは主に固定子１００及びローター２００からなる。前記固定子１００は第１導磁スタック１１０と、ボビン１３０及び第２導磁スタック１２０を更に含む。前記ボビン１３０は軸方向に沿って第１導磁スタック１１０上に形成され、前記ボビン１３０上には少なくとも一つのコイル（図示せず）を備える。前記第２導磁スタック１２０は軸方向に沿って前記ボビン１３０上に形成される。つまり、前記ボビン１３０は第１導磁スタック１１０及び第２導磁スタック１２０に挟着されて軸方向巻線のモーター固定子になる。
【００１４】
図３Ａを参照する。前記本発明の単一導磁片１１５の正面図である。図で示されるように、どの導磁片１１５も中央開口１４０（例えば円形開口）及び複数個の“中心線Ｘ，Ｙに関して非対称である形状”の凸歯１１７を備える。この中央開口１４０は幾何学中心１４５を備える。明らかに、前記中央開口１４０が円形で、導磁片１１５の幾何学中心１４５は中心である。この“非対称”は凸歯１１７の外縁と幾何学中心１４５の距離（半径）が外縁の全体に亘って完全に同じではないことを指す。例えば、ｒ１≠ｒ２である。また、凸歯１１７の一端が広く、もう一端に向かって狭くなっている。また、幾何学中心１４５から径方向に延伸して出た中心線（例えば中心線Ｘ及び中心線Ｙ）により分割された凸歯１１７の二つの部分は異なった形状を備える。
【００１５】
図３Ｂは、本発明の第１導磁スタック１１０（或いは第２導磁スタック１２０）の立体透視図で、本発明のスタック方式の実施例を詳細に説明している。前記第１導磁スタック１１０は複数個（例えば２個）のスタックの導磁片１１５を備え、少なくとも一つの導磁片はその他の導磁片に対し表裏反転されて“倒置”されている。図中で導磁片がその他の導磁片に対し表裏反転されて“倒置”されているのがはっきり表示され、点線は下方の導磁片を表している。例えば、図３Ｂ中の下方に置かれた導磁片１１５ｂ（点線にて表示）は、上方におかれた導磁片１１５ａに対して“倒置”される。更に詳しく述べると、各導磁片１１５の一表面上にしるしをつけ（例えば点或いは線、図示せず）、スタックした後の上導磁片１１５ａのしるしは、下導磁片１１５ｂのしるしに面する（下導磁片１１５ｂは倒置されているため）。注目すべきは、この下導磁片１１５ｂと上導磁片１１５ａは完全に同様の外形を備えており、この“上”“下”は”倒置”を説明するために使用したものである。同様に、第２導磁スタック１２０は複数個のスタックの導磁片１１５を備え、各導磁片１１５は複数個の非対称の凸歯１１７を備えている。
【００１６】
この他、本発明の固定子構造１００及びその他部分は図３Ｃで示されるように、第１導磁スタック１１０がｎ個の凸歯１１７を備え、第２導磁スタック１２０がｎ個の凸歯１１７を備える場合、この固定子１００は２ｎ個の突極（salient pole）を形成する。この導磁片は導磁可能な薄片であり、例えばケイ素鋼片、ニッケル鋼片等である。
【００１７】
図２Ａ及び図２Ｂへ戻る。本発明のローター２００は前記固定子１００の外側を覆うように設けてある。ローター２００は、マグネットリング２１０と、スチールハウジング２２０と、回転軸２３０と、を備える。
【００１８】
この他、本発明のマイクロモーターは回路板１５０、ベース３００及びスリーブ５００を備える。前記ベース３００は回路板１５０を搭載し、回路板１５０上は駆動ＩＣ及びホール素子を備え、それぞれ固定子の駆動及び固定子の磁場変化の検出に用いられる。
【００１９】
図２Ａで、ベース３００は突起の軸管３５０を更に備え、この軸管３５０は外壁が第１導磁スタック１１０、ボビン１３０及び第２導磁スタック１２０と結合すると共に、軸管３５０の内部にスリーブ５００を嵌入する。その後、一端が固定子２００の回転軸２３０がスリーブ５００を貫通して固定子２００とローター１００とが組合わされる。
【００２０】
図４で示されるように、本発明はコギングトルクの振幅を低減させ頻度を変更（偏移）するものである。このように、コギングトルクの波形の零点はランニングトルクの波形の零点と交差せず、死点（ｄｉｅ ｐｏｉｎｔ）を形成してモーターの特性を改善する。曲線７００は本発明のコギングトルクの波形で、曲線６００は公知のコギングトルクの波形である。この他、本発明の導磁片スタック構造がコギングトルクを低減させる効果は固定アーチだけの公知技術より効果的である。
【００２１】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変形を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のコギングトルクを低減させる方式は、公知技術よりも簡単であり、既存のケイ素鋼片を援用することが出来るため、別途にケイ素鋼片の形状をデザインする必要がなく、大幅にコストと時間を節約することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】径方向巻線の径方向空隙のモーターのケイ素鋼片である。
【図１Ｂ】図１Ａのケイ素鋼片の突極である。
【図１Ｃ】公知の軸方向径方向空隙のモーターのケイ素鋼片である。
【図２Ａ】本発明の分解図である。
【図２Ｂ】本発明の立体断面図である。
【図３Ａ】本発明の単一導磁片の正面図である。
【図３Ｂ】本発明の導磁スタックの立体透視図である。
【図３Ｃ】本発明の固定子結合を示す図である。
【図４】本発明の固定子構造のトルクと機械角の関係図である。
【符号の説明】
４１ ケイ素鋼片
４３ 突極
４４ 開口
１００ 固定子
１１０ 第１導磁スタック
１１５ 導磁片
１１７ 凸歯
１１５ａ 上導磁片
１１５ｂ 下導磁片
１２０ 第２導磁スタック
１３０ ボビン
１５０ 回路板
２００ ローター
２１０ マグネットリング
２２０ スチールハウジング
２３０ 回転軸
３００ ベース
３５０ 軸管
５００ スリーブ
６００、７００ 曲線
Claims (8)
- 固定子とローターとを有する低コギングトルクのマイクロモーターであって、
該固定子は、形状が同じである導磁片が複数個重畳されてなる導磁部と、コイルとが、該マイクロモーターの軸方向に並ベて配置してある構成であり、
各導磁片は、該導磁片の中心を通る中心線上に延伸した凸歯を複数個有し、且つ、該凸歯の形状が該中心線に関して非対称であるものであり、
該導磁部は、複数の導磁片がそのうちの少なくとも一つの導磁片がその他の導磁片に対して倒置して重畳してある構成としたことを特徴とする低コギングトルクのマイクロモーター。 - 請求項１に記載の低コギングトルクのマイクロモーターにおいて、
上記導磁部は、第１導磁部と第２導磁部とよりなり、
該第１導磁部と該第２導磁部導磁部とが、コイルの相反する両側に配置してある構成としたことを特徴とする低コギングトルクのマイクロモーター。 - 請求項１又は請求項２に記載の低コギングトルクのマイクロモーターにおいて、
該ローターは、
該固定子を囲むようにその外周に設けられたマグネットリングと、
該マグネットリングを覆うスチールハウジングと、
該スチールハウジングに固定してあり、上記固定子に回転可能に支持される回転軸とよりなる構成としたことを特徴とする低コギングトルクのマイクロモーター。 - ベースと、
前記ベース中に形成され、前記回転軸を支持するスリーブと、
前記ベース上に形成され、前記固定子を駆動し磁場変化を検出する回路板とを更に有することを特徴とする請求項３に記載のマイクロモーター。 - 前記ベースは更に突起した軸管を備え、前記軸管はその外壁により、前記導磁群及び前記コイルを連結すると共に、前記軸管の内部に前記スリーブを嵌入することを特徴とする請求項４に記載のマイクロモーター。
- 前記導磁片は、更に中央開口を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロモーター。
- 前記導磁片の凸歯は、該凸歯の外縁の各位置と該導磁片の中心との距離が完全に同じではない形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロモーター。
- 前記導磁片は、ケイ素銅片またはニッケル銅片であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロモーター。
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