JP3679294B2

JP3679294B2 - 環状コイル式回転電機

Info

Publication number: JP3679294B2
Application number: JP2000021284A
Authority: JP
Inventors: 正文坂本
Original assignee: 日本サーボ株式会社
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2020-01-31
Also published as: JP2001218442A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンターや複写機等に使用される駆動用モータとして適用して好適な環状コイル式ステッピングモータ等の環状コイル式回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種用途に使用されるステッピングモータとしては、次のものがある。図８は第１の従来例としてのクローポール式永久磁石型（以下ＰＭ型という）ステッピングモータの斜視図である。
同図において、固定子Ｓは２相を構成する第１の固定子部分１０１と第２の固定子部分１０２より成り、第１の固定子部分１０１はその内周側に相互に組み合わされる櫛歯状の極歯１０１ａ、１０１ｂとこれらの極歯１０１ａ、１０１ｂ内に収納される環状コイル１０１ｃとより、また、第２の固定子部分１０２は同様に極歯１０２ａ、１０２ｂとこれらの極歯１０２ａ、１０２ｂ内に収納される環状コイル１０２ｃとより構成される。
ここで、極歯１０１ａと１０２ａは電気角で例えば９０°ずれて配置されている。
Ｒは回転子で、この回転子Ｒは外周側に円周方向にＮ、Ｓ極が交互に配置されるように着磁された永久磁石１０３、中子１０４、回転子軸１０５より構成され、回転子軸１０５は軸受（図示せず）を介して固定子Ｓに支承される。
この場合、固定子Ｓの各相のクローポールの分割角ピッチと回転子Ｒの着磁ピッチ角は相互に一致するように構成されている。
このクローポール式のＰＭ型ステッピングモータはコイルがボビン巻きのため、巻線時間が早くまた巻線後の渡り線処理が簡単なため安価であり、ＯＡ機器等に広く使用されている。
図９は、第２の従来例としてのハイブリッド型（以下ＨＢ型という）ステッピングモータの要部を切り欠いて示した斜視図である。
図９において、１５は回転子軸、１７は固定子ポール、１８及び１９は１対の回転子の回転子歯である。
このＨＢ型ステッピングモータは固定子及び回転子に多数の歯を設けることが出来るのでステップ角度を小さく出来、従って位置決め精度に優れ、低速時の回転ムラも小さいという長所があるため、プリンターや複写機等のＯＡ機器に広く使用されている。
本構造の場合、固定子のコイルは固定子内径部に設けたスロットに巻きこむ方式で通常２相機の場合でも図９に示すように８個の固定子ポール１７に装着されるから８個のコイルが必要とされていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の構成のものでは、次のような問題点があつた。
即ち、図８に示す第１の従来例のものでは、ボビン巻の永久磁石型の構造のため安価であるが、固定子がクローポール（櫛歯）で且つこれらの櫛歯を交互にかみ合わせた構造とするため、また回転子が着磁するためどちらも、その極数を多くすることが困難であり、通常モータ径４０ｍｍ程度のもので２４極程度、２相機にすると，ステップ角度が７．５度程度の分解能のものしか、製作できなかった。
また、図９に示す第２の従来例のものでは、ＨＢ型であるから分解能は高いが、固定子巻線が固定子のスロットに内径側から巻きこむため、巻線の速度が遅く、また巻線後の渡り線の処理が複雑で、高価になる。
本発明は従来のものの上記問題点（課題）を解決するようにした環状コイル式回転電機を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の環状コイル式回転電機では、上記課題を解決するために、次のように構成される。即ち、請求項１に記載のものは、磁極芯と、該磁極芯の両端面に、その外周より軸方向に伸延する複数の極歯を設けた２個の固定子鉄心を当接固着し、前記磁極芯の外周に環状コイルを巻装した固定子と、該固定子の前記極歯の内径部に空隙を介して対向し、磁性体より成り、その外周全域に亙りＮｒ個の歯を等ピッチに設けた２個の回転子鉄心で軸方向に磁化した永久磁石を挟持したハイブリッド（以下ＨＢと称する）型回転子、又は円筒形永久磁石の外周にＮ極、Ｓ極を交互にＮｒ極対数磁化した永久磁石型回転子の何れかの回転子を配置した回転電機であって、前記固定子は、２個の固定子鉄心の外周に設けられた複数の極歯が全て同じ軸方向に伸延して設けられており、前記固定子２個を、該２個の固定子の軸方向に伸延した複数の極歯を対向させて同軸上に離して夫々の極歯を噛み合わせて配置し、該２個の固定子に夫々設けられた固定子鉄心にｍ個の回転方向に隣接した同極性の極歯が設けられ、前記２個の固定子において総数Ｎｓ＝４ｍｋ個の極歯が配置され、その内の２ｍｋ個はＡ相固定子、残りの２ｍｋ個はＢ相固定子に配置され、各相固定子コイルを直流励磁したとき、各相の２ｍｋ個の極歯はｍｋ個ずつが互いに異極性となるように配置され、かつ前記２個の固定子の極歯と空隙を介して上記回転子を配置して構成される。なお、磁極芯と固定子鉄心の一方は一体に形成しても良い。また、請求項２に記載のものでは、請求項１に記載の環状コイル式回転電機において、ｋ＝２とし、回転子の回転子鉄心に設けられた小歯の数Ｎｒ、又は円筒形永久磁石の外周にＮ極、Ｓ極を交互に磁化した極対数ＮｒをＮｒ＝２（４ｎ±１）としたことを特徴とする（但し、ｎは１以上の整数とする）。また、請求項３に記載のものでは、磁極芯と、該磁極芯の両端面に、その外周より軸方向に伸延する複数の極歯を設けた２個の固定子鉄心を当接固着し、前記磁極芯の外周に環状コイルを巻装した固定子と、該固定子の前記極歯の内径部に空隙を介して対向し、磁性体より成り、その外周全域に亙りＮｒ個の歯を等ピッチに設けた２個の回転子鉄心で軸方向に磁化した永久磁石を挟持したＨＢ型回転子を配置した回転電機であって、前記固定子は、２個の固定子鉄心の外周に設けられた複数の極歯が全て同じ軸方向に伸延して設けられており、該固定子Ｐ個を、その極歯が伸延する方向を同じに同軸上に連接して配置し、該Ｐ個の固定子に夫々設けられた固定子鉄心にｍ個の回転方向に隣接した同極性の極歯が設けられ、Ｐ個の固定子において総数Ｎｓ＝２ｋＰｍ個の極歯が配置され、その内の２ｍｋ個は同相の固定子に配置され、任意の固定子のコイルを直流励磁したとき、励磁相の２ｍｋ個の極歯はｍｋ個ずつが互いに異極性となるように配置され、かつ前記Ｐ個の固定子の極歯と空隙を介して上記回転子を配置したことを特徴とする（但しｋは１以上の整数、Ｐは２以上の整数とする）。なお、磁極芯と固定子鉄心の一方は一体に形成しても良い。さらに、請求項４に記載のものでは、請求項３に記載の環状コイル式回転電機において、Ｐ＝３とし、回転子の回転子鉄心に設けられた小歯の数Ｎｒ、又は円筒形永久磁石の外周にＮ極、Ｓ極を交互に磁化した極対数ＮｒをＮｒ＝２（６ｎ±１）としたことを特徴とする（但しｎは１以上の整数とする）。なお、請求項１乃至４のいずれかに記載の環状コイル式回転電機の構成は詳細な説明は省略するが、回転子を固定子の外周で回転するアウターロータ型の回転電機にも適用可能である。
【０００５】
上記のような構成の環状コイル式回転電機においては、従来技術の欠点であつた事項が次のように解決される。
本発明のものでは、従来技術のものと比べ、次の理由から構造が簡単で安価となり且つ分解能は同等となる。
即ち、図８に示す第１の従来例のものでは固定子が回転子の外周に配置されているので、同一モータ外径で本発明の構造と比較すると回転子径は本構造の方がコイルが両サイド配置なのでその分大きくでき、従ってクローポールのポール幅も従来構造品より広くとれその分磁気飽和も起こりづらく、高分解能化や高トルク化でも有利である。
また、図９に示す第２の従来例のＨＢ型ステッピングモータでは、同図に示すように固定子のコイル数は８個もあり、また、それらのコイルは固定子の内径側のスロットの内径から巻きこむので巻線速度が遅く、またコイル占積率も低く、渡り線処理も複雑でコスト高でトルクもモータサイズの割には高くないという問題があったのに対し、例えば、請求項１記載のＨＢ型回転子ものでは、コイルが２個で構成され、ボビン巻きコイルとすれば、巻線速度も早くなり、渡り線処理も無いので安価となる。固定子は磁性板の打ち抜き折り曲げ成形による所謂クローポール式固定子の使用が可能なため固定子も安価となり得る。
更に、図８の第１の従来例のものでは、固定子クローポールは交互に噛み合っているためポール数を増加させると漏洩磁束が多く高分解能化ができなかったのに対し、請求項１に記載の本発明の円筒状永久磁石の回転子のものでは、環状コイルが回転子の外周にではなく両サイドに配置されているので、モータ外径を従来の構造の図８や図９のものと同一としても従来のモータより回転子外径が大きくできることと、本発明の構造はクローポール固定子でもポールが図１の構造となるため高分解能としても、漏洩磁束も少なく従来構造の欠点が解消される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下図面に示す本発明の各実施の形態により本発明を具体的に説明する。
第１の実施の形態：
図１は本発明の第１の実施の形態の環状コイル式ステッピングモータ等の環状コイル式回転電機の縦断側面図、図２は図１に示す環状コイル式回転電機のＸ−Ｘ断面図である。
図１、図２に示すものは、請求項１に記載するＨＢ型回転子の構成例を示すもので、Ｎｒ＝２２、Ｎｓ＝１６、ｋ＝２、ｍ＝２の場合である。
図１及び図２において、１ａは磁性体より構成される第１の固定子鉄心で、回転子１Ｒと対向する内周部に図３に示すように４個の極歯ａ１〜ａ４を有している。１ｃは磁極芯で、この磁極芯１ｃの両端面に、その外周より軸方向に伸延する４個の極歯ａ１〜ａ４を設けた第１の固定子鉄心１ａと、その外周より軸方向に伸延する４個の極歯ｂ１〜ｂ４を設けた第２の固定子鉄心１ｂとを当椄固着し、第１の固定子鉄心１ａの極歯ａ１〜ａ４と第２の固定子鉄心１ｂの極歯ｂ１〜ｂ４は各固定子鉄心１ａ、１ｂから全て同じ方向に伸延して設けられている。
そして、極歯ａ１〜ａ４及び極歯ｂ１〜ｂ４は固定子鉄心より全て同じ軸方向に伸延して設けられている。
第１及び第２の固定子鉄心１ａ及び１ｂは、図１に示すように絶縁体よりなるボビン３ａに巻かれたコイル４ａによりお互いにそれらの歯は異極性に励磁される。
固定子鉄心１ａ、１ｂでコイル４ａを挟持して構成される単位となる固定子組を、便宜上、固定子ユニットＳ１と呼ぶことにすると、図１に示すものでは、固定子ユニットＳ１と、この固定子ユニットＳ１と同じ構成の固定子ユニットＳ２を夫々の固定子鉄心に設けられた極歯を対向させ離間して配置し、その中間に前記固定子ユニットＳ１、Ｓ２に設けられた軸受７ａ、７ｂにより支承された回転子軸６に固着された回転子１Ｒを前記極歯に対向させて配置することで２相のステッピングモータを構成している。
なお、固定子ユニットＳ２は、固定子ユニットＳ１と同等の構成要素である固定子鉄心２ａ、２ｂ、磁極芯２ｃ、コイルボビン３ｂ、コイル４ｂにより構成される。
５は固定子ユニットＳ１、Ｓ２の固定子鉄心の外周部を連結するハウジングで、その材料は固定子歯の磁気短絡を避けるため非磁性体より構成するのが望ましい。
８ａ、８ｂは１対の回転子鉄心で、永久磁石９を中間に挟持し、永久磁石９は軸方向に２極に磁化され所謂ＨＢ型回転子１Ｒを構成している。
ＨＢ型回転子１Ｒを構成する１対の回転子鉄心８ａ、８ｂはお互いに異極性に磁化され、通常、図示のように１／２歯ピッチお互いにずらして配置される。
【０００７】
図２は図１のＸ−Ｘ線での断面図である。
図１の固定子鉄心１ａ、１ｂの極歯でＳ極４個とＮ極４個はコイル４ａ、４ｂが励磁されて、例えば固定子鉄心１ａがＳ極性に、固定子鉄心１ｂがＮ極性に磁化された場合を図示している。
２相励磁の場合は図２で残りの極性が表示されていない極歯の合計８個もその半分の４個がＮ極性、残りの４個がＳ極性に磁化されることになる。
【０００８】
図３は、図１に示す１相分の１つの固定子ユニットＳ１を示した斜視図である。固定子クローポールとして図示した固定子鉄心１ａや１ｂは、図示のようにホーク状に２個の極歯が空間を隔てて併設されているところを、併設された２個の極歯ａ１〜ａ４を連結して設け、前記空間の部分を径方向に部分的にくぼませた構造の固定子鉄心としても良い。
これは溝部をプレスで半抜きしても製作できる。
なお、図３はｋ＝２の場合の図示なので２個の極歯が１８０度の位置に２箇所（ｋ＝２）である。ｋは２が実用的であるが２以外の整数であれば構造の複雑さを無視すれば成立する。なお、ｍは図３では２で、即ち、極歯の数に相当する。
【０００９】
第２の実施の形態：
本発明の構造は、２相機以外の多相機であるＰ相機でも成立する。
図４はＰ＝３の場合の実施の形態を示す縦断側面図、図５は図４の正面図である。これらはＮｒ＝２６、Ｎｓ＝２４でｋ＝２の場合の図である。
２相機の例を示した図１のものでは、固定子ユニットＳ１、Ｓ２を回転子１Ｒの両側に配置し、固定子鉄心１ａ、１ｂを２個ずつ共通にしているのに対し、本実施の形態の３相機の場合では固定子ユニットＳ１、Ｓ２、Ｓ３を回転子２Ｒに対し軸方向で同一側に配置している点が構成上、相違する。
このような構成とした結果、各相の固定子鉄心に設けられた極歯１０ａ、１１ａ、１２ａ及び１０ｂ、１１ｂ、１２ｂの軸方向長は異なり部品点数が増加する欠点を有するが、長所はＨＢ型回転子が使用できること、回転子外径や固定子内径を大きくできること、固定子の極歯がクローポール化でき、しかも従来構造のクローポール構造のように各異極性のクローポールが噛み合う構造で無いので漏洩磁気の心配も無く、クローポールの幅も広くとれる。
なお、ＨＢ型回転子２Ｒを構成する１対の回転子鉄心１３ａ、１３ｂは互いに異極性に磁化され、図４に示すように１／２歯ピッチずらして配置され、これらの回転子鉄心１３ａ、１３ｂの中間に永久磁石１４が挟着し、この永久磁石１４を軸方向に２極に磁化するようにしている。
また、図５で固定子磁極でＮ極とＳ極と表示されたものはＡ相分極歯、Ｎ′極、Ｓ′極と表示されたものはＢ相分極歯であり、極性が表示されていないものがＣ相分極歯である。なお、３ａ〜３ｃは絶縁体より成るボビンで、コイル４ａ〜４ｃはボビン巻きされて固定子鉄心内に収納されている。また、６は回転子軸、７ａ〜７ｃは軸受である。
【００１０】
図６は、本発明を適用した回転電機が、例えば図１のように２相機として構成した場合の回転原理を示すための固定子と回転子の磁極部分の展開図である。
なお、同図では、簡単のため各相固定子極歯は１個で示した。
Ａ、Ｂの各相に供給する電流を、同図に示すように変えることにより、回転子歯ピッチの１／４が１ステップ角で図の左方向に回転子は移動していくことが分かる。
【００１１】
図７は、本発明を適用した回転電機が、例えば図４のように３相機として構成した場合の回転原理を示す。
簡単のため、同図では各相固定子極歯は１個で示した。Ａ、Ｂ及びＣの各相に供給する電流を、同図に示すように変えることにより、回転子歯ピッチの１／６が１ステップ角で図の右方向に回転子は移動していくことが分かる。
また、図７では、Ａ相分とその逆相分、Ｂ相分とその逆相分、Ｃ相分とその逆相分の各励磁により極歯に生じる極性を、Ｎ、Ｓ；Ｎ′、Ｓ′；Ｎ″、Ｓ″と符号をつけて表示してある。
【００１２】
上述のように、本発明は２相機にも３相機にも適用可能であるが、どちらかと言えば、本発明の構造はコイル数の少ない２相機（Ｐ＝２）に適用する方が適している。
また、構造が簡単で磁気バランスの良い構造としてはｋが２の場合である。
その理由はｋ＝１では回転子の１８０度異なる位置に回転子の異極性歯群がくるのでラジアル方向の吸引力がキャンセルされず偶力が発生し、回転時に振動騒音を引き起こすからである。
そこで、Ｐ=２、ｋ＝２とおき固定子の各ポール位置を均等に配置するとすれば、ｋ＝２であるから４ｋ＝８であり、
（３６０°／８）±（３６０°ｎ／Ｎｒ）＝９０°／Ｎｒ
からＮｒ=２（４ｎ±１）を得る。
例えばｎ＝３のときＮｒ＝２２で図２となり、ｎ＝６でＮｒ＝５０となり２相機の場合、ステップ角度が１．８度のステッピングモータとなる。
３相機の場合はＰ＝３で、ｋ＝２が実用的であり、２相機と同様にして
２ｋＰ＝１２であるから
（３６０°／１２）±（３６０°ｎ／Ｎｒ）＝６０°／Ｎｒ
からＮｒ=２（６ｎ±１）を得る。
図５に示す場合では、ｎ＝２でＮｒ＝２６となる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明のステッピングモータとして構成するのが最適な環状コイル式回転電機は、上記のように構成されるから、次のような優れた効果を有する。
（１）本発明の基本構成を示す請求項１に記載の２相式の回転電機は、複写機等のＯＡ機器用の２相式ＨＢ型ステッピングモータに適用して好適なものであり、次のような効果がある。
▲１▼回転子外径を大きくでき、従来のＨＢ型と略同等の分解能を有する。
▲２▼従来のＨＢ型回転子が使用できる。
▲３▼固定子がクローポール式の構成とすることが可能でトルクが従来のＰＭ型と比べて回転子がＨＢ型で且つ外径が大きいので大幅に改良される。
（２）請求項２に記載のように、２相機及び３相機の場合のｋとＮｒの値を選定すると、夫々に好適な特性が期待できる。
（３）請求項３に記載の構成にすると、上記（１）に記載の本発明の回転原理のものをＰ相式の回転電機にまで拡張して適用することができる。
（４）請求項４に示すように構成すると、上記（１）に記載の本発明の回転原理を３相式の回転電機に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した２相式ステッピングモータの縦断側面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】図１のステッピングモータを構成する固定子の斜視図である。
【図４】本発明を適用した３相ステッピングモータの縦断側面図である。
【図５】図４のステッピングモータの左方から見た正面図である。
【図６】図１に示す本発明の２相式ステッピングモータの回転原理を説明するための図で、固定子と回転子の磁極の展開図である。
【図７】図４に示す本発明の３相式ステッピングモータの回転原理を説明するための図で、固定子と回転子の磁極の展開図である。
【図８】第１の従来例のステッピングモータの斜視図である。
【図９】第２の従来例のステッピングモータの斜視図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ：固定子鉄心
１ｃ、２ｃ：磁極芯
３ａ、３ｂ、３ｃ：ボビン
４ａ、４ｂ、４ｃ：コイル
５：ハウジング
６：回転子軸
７ａ、７ｂ、７ｃ：軸受
１Ｒ、２Ｒ：ＨＢ型回転子
８ａ、８ｂ、１３ａ、１３ｂ：回転子鉄心
９、１４：永久磁石
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３：固定子ユニット

Claims

磁極芯と、該磁極芯の両端面に、その外周より軸方向に伸延する複数の極歯を設けた２個の固定子鉄心を当接固着し、前記磁極芯の外周に環状コイルを巻装した固定子と、該固定子の前記極歯の内径部に空隙を介して対向し、磁性体より成り、その外周全域に亙りＮｒ個の歯を等ピッチに設けた２個の回転子鉄心で軸方向に磁化した永久磁石を挟持したハイブリッド（以下ＨＢと称する）型回転子、又は円筒形永久磁石の外周にＮ極、Ｓ極を交互にＮｒ極対数磁化した永久磁石型回転子の何れかの回転子を配置した回転電機であって、
前記固定子は、２個の固定子鉄心の外周に設けられた複数の極歯が全て同じ軸方向に伸延して設けられており、
前記固定子２個を、該２個の固定子の軸方向に伸延した複数の極歯を対向させて同軸上に離して夫々の極歯を噛み合わせて配置し、
該２個の固定子に夫々設けられた固定子鉄心にｍ個の回転方向に隣接した同極性の極歯が設けられ、
前記２個の固定子において総数Ｎｓ＝４ｍｋ個の極歯が配置され、その内の２ｍｋ個はＡ相固定子、残りの２ｍｋ個はＢ相固定子に配置され、各相の固定子コイルを直流励磁したとき、各相の２ｍｋ個の極歯はｍｋ個ずつが互いに異極性となるように配置され、
かつ前記２個の固定子の極歯と空隙を介して上記回転子を配置したことを特徴とする環状コイル式回転電機。
請求項１記載の環状コイル式回転電機においてｋ＝２とし、回転子の回転子鉄心に設けられた小歯の数Ｎｒ、又は円筒形永久磁石の外周にＮ極、Ｓ極を交互に磁化した極対数ＮｒをＮｒ＝２（４ｎ±１）としたことを特徴とする請求項１に記載の環状コイル式回転電機。（但し、ｎは１以上の整数とする。）
磁極芯と、該磁極芯の両端面に、その外周より軸方向に伸延する複数の極歯を設けた２個の固定子鉄心を当接固着し、前記磁極芯の外周に環状コイルを巻装した固定子と、該固定子の前記極歯の内径部に空隙を介して対向し、磁性体より成り、その外周全域に亙りＮｒ個の歯を等ピッチに設けた２個の回転子鉄心で軸方向に磁化した永久磁石を挟持したＨＢ型回転子を配置した回転電機であって、
前記固定子は、２個の固定子鉄心の外周に設けられた複数の極歯が全て同じ軸方向に伸延して設けられており、
該固定子Ｐ個を、その極歯が伸延する方向を同じに同軸上に連接して配置し、該Ｐ個の固定子に夫々設けられた固定子鉄心にｍ個の回転方向に隣接した同極性の極歯が設けられ、
Ｐ個の固定子において総数Ｎｓ＝２ｋＰｍ個の極歯が配置され、その内の２ｍｋ個は同相の固定子に配置され、任意の固定子のコイルを直流励磁したとき、励磁相の２ｍｋ個の極歯はｍｋ個ずつが互いに異極性となるように配置され、かつ前記Ｐ個の固定子の極歯と空隙を介して上記回転子を配置したことを特徴とする環状コイル式回転電機。（但しｋは１以上の整数、Ｐは２以上の整数とする。）
請求項３に記載の環状コイル式回転電機において、Ｐ＝３とし、回転子の回転子鉄心に設けられた小歯の数Ｎｒ、又は円筒形永久磁石の外周にＮ極、Ｓ極を交互に磁化した極対数ＮｒをＮｒ＝２（６ｎ±１）としたことを特徴とする請求項３に記載の環状コイル式回転電機。（但しｎは１以上の整数とする。）