JP3882949B2

JP3882949B2 - 環状コイル式永久磁石型回転電機

Info

Publication number: JP3882949B2
Application number: JP24692896A
Authority: JP
Inventors: 正文坂本
Original assignee: 日本サーボ株式会社
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JPH1080126A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機の光学系スライダーのスキャナー駆動用等に最適な高速回転可能な固定子コイルをボビンに巻回して形成した低価格なステッピングモータ等の回転電機に適用した場合に有用な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の環状コイル式回転電機の一例である回転子の周囲に永久磁石をＮ極、Ｓ極交互に着磁したインナロータ型クローポール式２相永久磁石型ステッピングモータの構成を図５に示す。
同図において、３０は回転子で回転子軸３１と一体に構成され、表面に回転方向に着磁した同一幅の磁極３２が表面Ｎ極（Ｎと記載）と表面Ｓ極（Ｓと記載）を交互に所定数装着している。
また、３３は固定子の一部を切り取って展開して記したものである。固定子３３は第１、第２の２個の固定子ユニット３３Ａ、３３Ｂによって構成されている。各固定子ユニット３３Ａ、３３Ｂは同一構造であって、互いにπ／２（後述の磁歯３４ａのピッチの１／４）ずれて位置し、夫々、両側を櫛歯状磁歯３４ａ、３４ｂに形成した磁性鉄板３４によって回転子３０の周囲を所定間隙を設けて巻き回した巻線３５ａ、３５ｂを覆っている。
【０００３】
上述の構造において、巻線３５ａ、３５ｂに所定方向に電流を流すと、この電流を流した固定子ユニットの櫛歯状磁歯３４ａと３４ｂはその電流方向によってＮ極又はＳ極に励磁されて磁極を形成する。従って、第１の固定子ユニット３３Ａと第２の固定子ユニット３３Ｂ夫々の巻線３５ａ、３５ｂに所定のステップに従ってパルス電流を供給することによって回転磁界が形成され、この回転磁界に吸引されて回転子３０の磁極３２が回転する。従って、このモータは回転し、又停止する。
また、特開昭５８−２０７８５６号公報に示すように、図示説明は省略するが、図５に示す回転子の外周側にエアギャップを介して図５に示す１相分のクローポール式固定子をインナロータ型に形成し、回転子の内周側にエアギャップを介してもう１相分のクローポール式固定子をアウタロータ型に形成したステッピングモータもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のものは、その構成上、次のような問題点があった。
（１）固定子が鉄板を折り曲げたクローポール式固定子のため、ポールの折り曲げ構造によるスプリングバック等の影響で円形形状の加工精度が悪く、そのために、固定子と回転子の間のエアギャップは０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度に大きくなる。従って、高トルクが出ず、ステップ角度の精度も良くなかった。
（２）鉄板を折り曲げたクローポール式であって、珪素鋼板を積層した固定子ではないため、高速回転時に鉄損が大きかった。
本発明は従来のものの上記課題（問題点）を解決するようにした環状コイル式永久磁石型回転電機を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の環状コイル式永久磁石型回転電機は上記の課題（問題点）を解決するために、
円筒状に形成され、その外周側及び内周側を円周方向に、Ｎ極、Ｓ極交互に各Ｎｒ個磁化した永久磁石型回転子の外周及び内周夫々の表面との間に所定間隙のエアギャップを保って、回転子に形成した磁極対数に略等しいピッチで磁歯を形成した２個の磁性体を夫々の磁歯が回転方向に機械角でπ／Ｎｒラジアン偏位するよう配置して環状コイルを挟持させ、非回転子側は磁気的に結合した固定子ユニットを２組前記回転子の外周及び内周に形成したことを特徴とする。
【０００６】
また、回転子の外周及び内周夫々に形成させた永久磁石のＮ極とＳ極は夫々同一対向位置にした場合は、回転子の外周及び内周に形成する２組の固定子ユニットは、相互に機械角でπ／（２Ｎｒ）ラジアン回転偏移するように構成するのが望ましい。
また、回転子を構成する外周側永久磁石と内周側永久磁石の中間にバックヨークを形成するのが望ましい。
さらに、環状コイル式２相永久磁石型回転電機は、１相と２相のコイル仕様を異ならせることや、回転子の内周側に対向する固定子との間のエアギャップと回転子の外周側に対向する固定子との間のエアギャップとを異ならせる構成とすることもできる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図４に示す第１乃至第４の各実施の形態によって本発明を具体的に説明する。
第１の実施の形態：
図１、図２は本発明の第１の実施の形態であるインナロータ型２相式の場合を示し、図１は縦断側面図、図２は図１のＸ−Ｘ′線における断面図で、ケース、回転子軸の軸受等本発明の説明に直接関係のない要素機能の図示は省略している。各図において、１は夫々が珪素鋼板等の薄鉄板を複数枚積層した２個の固定子鉄心であって、環状のボビン（図示せず）に巻回した環状コイル２を挟持している。
固定子鉄心１はその内周側に等間隔で所定数の磁歯１ａを形成しており、各相２個の固定子鉄心１に形成する磁歯１ａは回転方向（円周方向）に相互に１／２の磁歯形成ピッチ、即ち、πラジアン電気角、即ち、機械角でπ／Ｎｒラジアン回転偏位させている。
本回転電機の固定子は図に示すように、上記のように構成した固定子ユニットを２組、回転子軸６の方向にカスケードに、機械角でπ／（２Ｎｒ）ラジアン回転偏位させて構成している。
上記のＮｒは後述するように、回転子に形成する磁極の対数であって、回転電機がｎ相の場合は上記の偏位角度は機械角でπ／（ｎＮｒ）ラジアン（電気角でπ／ｎラジアン）となる。
各図に示す３は固定子の磁路を形成するバックヨークであり、図示しないケースに結合される。
【０００８】
４は回転子で、円筒状の外周側をＮ極、Ｓ極交互に形成した永久磁石４ａを各極Ｎｒ、即ち、Ｎｒ対、磁化され又は配置されており、上述した固定子内面とこの回転子外面との間に所定間隙のエアギャップＧを形成させている。
５は上記の永久磁石４ａのＮ極とＳ極の内周側を磁気的に短絡する磁性体で形成したバックヨーク、また、３は固定子のバックヨークである。
７は中子で、回転子軸６と、永久磁石４ａ及びバックヨーク５の結合体である回転子４とを結合する。なお、中子７とバックヨーク５は回転子軸６の形状に対応させて一体に形成しても良い。
【０００９】
上記の構造において、回転子４の永久磁石４ａのＮ極からでる磁束φは図１に破線で示すように、エアギャップＧを通って固定子鉄心１に形成した磁歯１ａに入り、固定子のバックヨーク３から、磁束が入った固定子鉄心１と共に環状コイル２を挟持する固定子鉄心１に入り、さらに、この固定子鉄心１に形成した最初に磁束が入った磁歯１ａと対をなす磁歯１ａから再びエアギャップＧを通って永久磁石４ａのＳ極に戻り、さらに、回転子４のバックヨーク５を経由してＮ極に戻る。
上記の磁束は、図１から明らかなように環状コイル２の形成するリング状の内径と鎖交している。
従って、上記の構造において、固定子の環状コイル２に、この回転電機の設計仕様と所望特性に対応する所定値、所定周期の交流又は所定特性のパルス電流を印加すると、回転子４はコイル電流と永久磁石の磁束による相互作用によって所定の回転速度で作動する。
【００１０】
図１に示した２個の固定子鉄心１と１個のコイルで１組にした固定子ユニットをｎ個、回転子軸方向にカスケードに結合するとｎ相の回転電機を形成できる。
即ち、図１によって説明した例は前述したように２相回転電機であるが、ｎ＝３にすれば３相回転電機が得られる。
【００１１】
第２の実施の形態：
第１の実施の形態はインナロータ型の場合について説明したが、アウタロータ型の場合についても同様に形成することができる。
即ち、詳細な図示説明は省略するが、次に述べる第３の実施の形態におけるアウタロータ型構造部に対応して第１の実施の形態のインナロータ型の構造を構成すれば良い。
【００１２】
第３の実施の形態：
次に、図３、図４によって、第３の実施の形態であるインナロータ型とアウタロータ型を結合した２相式の場合を説明する。
即ち、本構造は１個の回転子の外周部と内周部夫々に永久磁石を形成させ、永久磁石の外周側に所定のエアギャップを介して１相分のアウタロータ用固定子を構成し、永久磁石の内周側に所定のエアギャップを介してもう１相分としてインナロータ用固定子を構成したものである。
本実施の形態を説明する図３は図１に対応し、図４は、図２に対応しており、図１、図２に示した要素機能と同等の要素機能は同一の符号を使用しており、インナロータ型用構造部の固定子ユニットの詳細説明は省略する。
各図において、回転子軸６から中子７Ａを介して結合される円筒状の回転子４Ａは外周側には永久磁石４ａをＮ極とＳ極を夫々所定個数交互に形成してバックヨーク５Ａに密着させ、バックヨーク５Ａの反対側、即ち、回転子４Ａの内周側には永久磁石４ｂをＮ極とＳ極を夫々外周側の永久磁石の配置に対応させて同一ピッチで形成させている。
【００１３】
回転子４Ａの外周側には所定間隙のエアギャップＧ₁を介して、１組、即ち、１相分の固定子ユニットＡが磁性体で形成した固定子用バックヨーク３Ａに固定され、回転子４Ａの内周側には所定間隙のエアギャップＧ₂を介して、夫々が内周側に固定子ユニットＡに形成した磁歯１ａと同一ピッチ角に磁歯８ａを形成した２個の固定子鉄心８の相互の磁歯８ａを１／２歯ピッチ、即ち、電気角でπラジアン（機械角でπ／Ｎｒラジアン）回転方向に偏位させて環状のボビン（図示せず）に巻回した環状コイル９を挟んで構成した固定子ユニットＢをバックヨーク３Ａに固定させている。
固定子ユニットＡと固定子ユニットＢとは回転方向に機械角でπ／（２Ｎｒ）ラジアン偏位させて固定している。
上記の構造において、環状コイル２と環状コイル９に、例えば、π／２位相偏位した電流で駆動すると２相回転電機として作動する。
図３に示す鎖線φは図１と同様回転子の永久磁石による磁束を示している。
図３、図４に示す、各永久磁石４ａと４ｂはプラスチックマグネットとしてバックヨーク５Ａに一体成形で固着しても良い。
【００１４】
上述したインナロータ型構造部のコイルとアウタロータ型構造部のコイルとは、夫々回転中心に対する径が異なるので、アウタロータ側とインナロータ側夫々の出力トルクを等しくするために、寸法の違いに対応してコイルの仕様を変えるのが適切であり、同様にエアギャップＧ₁とエアギャップＧ₂も出力特性をバランスさせために変化させるのが適切である。
上記のコイル仕様とエアギャップは、両方を異ならせても、一方のみを変えて所望するトルク特性が得られるようにしても良い。
【００１５】
本発明は以上述べた各実施の形態に限定されるものではなく、説明した技術思想を適用して各種構造とｎ相の環状コイル式永久磁石型回転電機を構成させることができる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の環状コイル式永久磁石型回転電機は、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）固定子が薄鉄板をプレス抜きだけで成形でき、従来のクローポール形状のように折り曲げないで磁歯を形成するため、精度がハイブリッド型ステッピングモータの固定子と同等に向上し、エアギャップ精度が０．０５ｍｍと従来の１／４以下になる。また、従来のクローポール式は、図５に示すようにクローポールを交互に噛み合わせるため漏洩磁束が多いが、本発明のものでは軸方向でコイルの両側に固定子磁極が離れて位置するために、漏洩磁束は少くなる。
（２）コイルはボビン巻が可能になる。
（３）固定子鉄心は珪素鋼板のような薄鉄板の積層形式を採用できるので、高速回転時の鉄損を減少させることができる。
（４）従って、ボビン巻コイルの低価格の高効率のモータが得られる。
（５）回転子軸方向に相を連結増加することで、高出力多相機が自由に得られる。従って、インナロータ型又はアウタロータ型に対して、２相式、３相式等の多相式が出力特性に対応して作成可能である。
（６）バックヨークによって磁気抵抗を下げることができ、よって、高トルクとすることができる
（７）回転子のバックヨークは回転子軸と回転子を結合する中子を兼ねることができる。
（８）環状コイル式としたから、ボビン巻は簡単な構成となり、従って低価格にできる。
（９）固定子鉄心が薄鉄板プレス抜き積層して形成することができるので、前記のように加工精度が向上できて回転子との間のエアギャップを狭くできるので高トルクが得られる。
（１０）積層固定子の場合は鉄損が少なく高効率で高速回転に適している。
（１１）回転子の内外に２つの相の固定子を形成した場合は、小型高トルクの２相機を提供できる。
（１２）インナロータ型とアウタロータ型を合成した構造の回転電機の場合は、夫々のコイル仕様を変え、及び／又は夫々のギャップ間隙を異ならせると、インナロータ側とアウタロータ側の出力トルクのバランスをとることができ、安定な出力特性の回転電機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく第１の実施の形態を説明する環状コイル式ｎ相永久磁石型回転電機の縦断側面図である。
【図２】図１に示す環状コイル式ｎ相永久磁石型回転電機のＸ−Ｘ′線における断面図である。
【図３】本発明に基づく第３の実施の形態を説明する環状コイル式２相永久磁石型回転電機の縦断側面図である。
【図４】図３に示す環状コイル式２相永久磁石型回転電機のＸ−Ｘ′線における断面図である。
【図５】従来の環状コイル式永久磁石型回転電機であるインナロータ型クローポール式２相永久磁石型ステッピングモータの構成を一部展開して示した斜視図である。
【符号の説明】
１、８：固定子鉄心
１ａ、８ａ：固定子の磁歯
２、９：環状コイル
３、３Ａ：固定子のバックヨーク
４、４Ａ：回転子、
４ａ、４ｂ：永久磁石
５、５Ａ：回転子のバックヨーク
６：回転子軸
７、７Ａ：中子
Ａ、Ｂ：固定子ユニット
Ｇ、Ｇ₁、Ｇ₂：エアギャップ

Claims

円筒状に形成され、その外周側及び内周側を円周方向に、Ｎ極、Ｓ極交互に各Ｎｒ個磁化した永久磁石型回転子の外周及び内周夫々の表面との間に所定間隙のエアギャップを保って、上記回転子に形成した磁極対数に略等しいピッチで磁歯を形成した２個の磁性体を夫々の磁歯が回転方向に機械角でπ／Ｎｒラジアン偏位するよう配置して環状コイルを挟持させ、非回転子側は磁気的に結合した固定子ユニットを２組前記回転子の外周及び内周に形成したことを特徴とする環状コイル式２相永久磁石型回転電機。
請求項１記載の回転子の外周及び内周夫々に形成させた永久磁石のＮ極とＳ極は夫々同一対向位置であって、回転子の外周及び内周に形成する２組の固定子ユニットは、相互に機械角でπ／（２Ｎｒ）ラジアン回転偏移するようにした環状コイル式２相永久磁石型回転電機。
請求項１又は２記載の回転子を構成する外周側永久磁石と内周側永久磁石の中間にバックヨークを形成した環状コイル式２相永久磁石型回転電機。
請求項１乃至３のいずれかに記載の環状コイル式２相永久磁石型回転電機において、１相と２相のコイル仕様を異ならせるか、又は／及び回転子の内周側に対向する固定子との間のエアギャップと回転子の外周側に対向する固定子との間のエアギャップとを異ならせた環状コイル式２相永久磁石型回転電機。