JP4280590B2 - 外転型ハイブリッドステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、ＯＡ機器駆動用,ＦＡ用設備等において位置決め用途に使用される外転型ハイブリッドステッッピングモータに関する。

ステッピングモータは通常、駆動用モータとして使用され、特に精密位置決め用途に使用されることが一般的である。特に、磁石とリラクタンストルクの両方を使用するハイブリッド型（以後、ＨＢ型と略称することもある）ステッピングモータは高精度な位置決めを目的として使用される。ＨＢ型ステッピングモータについては、例えば、下記特許文献１に記載されている。

ＨＢ型ステッピングモータの位置決めを高精度に行うためには、１パルス入力した時の回転角度である基本ステップ角を小さくする必要があり、その基本ステップ角を小さくするためには、周方向の歯数（極数）を増やす必要がある。一方、ステッピングモータは小型化したいという要求もある。小型化すると直径が小さくなり、加工限界によって歯数を増やせないというトレードオフの関係にある。

ＨＢ型ステッピングモータの設計は、下記の基本トルク式である、
Ｔ ∝ Nr・Um・AC・Bg・Ｌ・P₁／P₀ …（式１）
式１をもとにして、決められたモータ体格内、材料特性の範囲内でトルクＴが大きくなるように、ロータの歯数Nr，磁石の起磁力Um，巻線の巻数AC，ギャップ平均磁束密度Bg，軸方向積厚Ｌ，パーミアンス比P₁／P₀を決めている。

しかし、歯数Nrを増やすとパーミアンス比P₁／P₀が小さくなり、巻数ACは体格によってほぼ決まり、起磁力Umを増すとコスト高となる。このため、一般的な設計では採り得るパラメータの範囲が限られている。

また、パーミアンス比P₁／P₀は、下記の非特許文献１によると、歯幅Twと歯のピッチτで決まる歯幅比は0.3〜0.45の範囲で使用され、その値と歯のピッチτとギャップ幅δgとの関係から空隙の最大パーミアンスと最小パーミアンスを推定することで決めることができるとされている。この方法によると、最もパーミアンス比P₁／P₀が大きくとれるのは歯幅比が0.35程度で歯数が少ないほど大きいということになる。
このことを言い換えると、ギャップの平均磁束密度をBg、磁石の軸方向表面積をＡ，ギャップ部直径をＤ，積厚をＬとした場合に、式２の係数kが0.56〜0.66(1／T)の範囲となるように積厚ＬとBrのを決定することになる。

Ｄ・Ｌ／Ａ＝ｋ・Br [（π・Bg・Tw／τ）] …（式２）

特開２００３−７０２２２号公報 「実用モータ設計マニュアル」著者：東芝・小型モータ研究会、 発行所：総合電子リサーチ社、１９９２年１０月２５日発行

従来技術は、ＨＢ型ステッピングモータの設計手法の一つの指針として利用可能であり、ある程度の特性をもつモータの設計は可能である。しかし、極数を極端に増やしたり、小型化しようとする場合においては、その指針の範囲内でしか解を得ることが出来なくなる。また、このタイプのモータは、ギャップ幅が５０μｍ以下と非常に小さく、材料の持つ磁気特性も製作手段によって大きく変化するため、試作品を製作して評価するのが困難で、最適設計値がどこにあるのかをパラメータサーベイすることが出来ないという問題点を有する。

本発明の目的は、ＨＢ型ステッピングモータの最適設計パラメータを新しい指標、特に小型、高出力、高分解能化できる外転型ＨＢ型ステッピングモータの最適設計パラメータの新指標を決定可能な外転型ハイブリッドステッピングモータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ＨＢ型ステッピングモータを小径にするために固定子巻線を空隙の内周側に配置し、回転子を空隙の外側に配置する構造を有する外転型ハイブリッドステッピングモータとし、その空隙のギャップ幅をモータの加工、組立の品質管理限界である30〜60μｍ程度としたときの小歯幅とそのピッチの関係である歯幅比とギャップ磁束密度との関係で最大トルクが発生する磁石の残留磁束密度とモータコアの軸方向積厚を決定できるようにする。具体的な数値として、歯のピッチをτ，歯幅をTw（歯幅比Tw／τ）としたとき、Tw／τ=0.3の場合に、磁石の残留磁束密度Brと磁石の表面積Aから総磁束量を計算し回転子の小歯表面積Atで割って求めたギャップ平均磁束密度が1.6〜1.8Tのときが最大のトルクとなる。小歯表面積Atは、小歯幅Twと小歯枚数Nrと積厚Lとの積で表すことが出来るので、最適な積厚Lが一意に決まることになる。また、歯幅比が異なる場合のギャップ磁束密度は次の値が最適値となる。Tw／τ=0.3のときは1.6〜1.8T，Tw／τのときは0.35：1.4〜1.5T，Tw／τのときは0.4：1.2〜1.4T，Tw／τのときは0.45：1.0〜1.2Tとなるように設定する。

上記の値は、試作評価が困難なＨＢ型ステッピングモータを三次元磁場解析を用いて磁束密度、鎖交磁束、誘起電圧、トルク等を計算し、その値を用いて最大トルクを実現するパラメータを探索した結果から導いたものであり、従来は磁石の残留磁束密度Brが大きければ大きいほど、また、積厚Lは長いほど出力トルクが大きいとされている。

上記の関係を用いることにより、ＨＢ型ステッピングモータを簡略計算でほぼ最適設計することができ、多極化、小型化を実現することが出来る。

本発明によれば、小型、高トルク、高分解能のＨＢ型ステッピングモータを設計する際に、簡略計算で最適トルク点を求めることができる。

本発明に係るモータの実施の形態について、図１〜図７の図面を用いて説明する。

図１は本発明に係るモータの一実施の形態である基本的な外転型ステッピングモータの磁石の残留磁束密度Brによるギャップ直径Dと積厚Lを決める係数との関係を示している。

外転型ステッピングモータは、この係数kが0.56〜0.66(1／T)の範囲が最もトルク出力を効率よく出せる点となり、歯数（極数），外径制約によって積厚Lをこの範囲で決定することにより効率の良いモータを得ることができる。

以下、図面を用いて詳細に説明する。ＨＢ型ステッピングモータとは、通電する駆動コイルや電流の方向を切替える毎に回転子が一定の角度づつ回転するように作られたモータであり、同期電動機の一種である。同期電動機は、通常、交流電源で運転されるのに対して、ステッピングモータは、直流電源に対する駆動コイルの接続を切替えることにより運転される。切替えのタイミングは制御回路からのパルス信号で指示されるので、パルスモータとも呼ばれる。切替える順序で回転方向を、切替えの累積回数でモータの回転角を、切替え速度で回転速度を同時に制御できることがステッピングモータの最大の特徴である。

ＨＢ型ステッピングモータは、機械加工により回転子の小歯極を多数持つ構造とすることにより体積の割に大きなトルクを発生でき、また、微小角でのステップ動作が可能となり、産業用、ＯＡ用に多数使用されている。

図２は本発明の理解を容易にするために、最も一般的である基本ステップ角が1.8°の内転型２相ステッピングモータの構造を示す。ＨＢ型ステッピングモータはロータ，ステータとも積層鋼板で構成され、ステータ１とロータ２のギャップは製造上問題が無い程度（一般的には30〜50μm）に小さくなっている。

形状は、８個のポールが４５°ピッチ等配で配置されている各ステータポールには、それぞれ６個の小歯極１ａが７.２°ピッチでポール中央から左右振り分けて設けられる。一方、ロータ２には、外周に５０個の小歯を有するロータコア２ａ、２ｂが、軸方向に着磁されたマグネットを挟持するように構成される。また、上下２つのロータコア２ａ、２ｂの小歯極２ｃは互いに位相が電気角で１８０°ずれた状態に構成されている。磁石（マグネット）４はサマリウムコバルト，ネオジウム鉄ボロン等の希土類磁石や、アルニコ磁石、フェライト磁石等で構成されている。また、シャフト５は非磁性体である。

巻線は、構造図には省略して示していないが、第１のポールと第３のポール，第５のポールと第７のポールに、第３と第７のポールの巻方向が第１と第５ポールの方向と逆になるようにＡ相コイル（Ａと図示）が巻かれている。同様の巻き方により、第２，第４，第６,第８のポールにＢ相コイル（Ｂと図示）が巻かれる。ポールは丸囲い数字で示している。

図２の構成において、Ｎ極側ロータコア２ａの小歯極２ｃがステータ側第３のポール及び第７のポール小歯極１ａと１対１の対向状態にあるとき、Ｓ極側ロータコア２ａの小歯極２ｃは第１のポール及び第５ポールの小歯極１ａと１対１の対向状態にある。また、このとき第２と第６のポール小歯極１ａはＮ極側ロータコア２ｂの小歯極２ｃに対し1／2ピッチだけ反時計方向にずれており、Ｓ極側ロータコア２ａの小歯極２ｃに対し1／2ピッチだけ時計方向にずれた状態となっている。第４と第８ポールの小歯極１ａはＮ極側ロータコア２ｂの小歯極に対し1／2ピッチだけ時計方向にずれており、Ｓ極側ロータコア２ａの小歯極２ｃに対し1／2ピッチだけ反時計方向にずれた状態となっている。

したがって、磁石４のＮ極側から流れ出した磁束は、図２（ｂ）に磁路８として示すように、第３のポールと第７のポールを通り、外周ヨーク部を軸方向にねじれながら第１のポール及び第５ポールに入りＳ極側ロータコア２ａに達する流れとなる。その他、第２,第４，第６，第８のポールでは、Ｎ極側ロータコア２ｂから出た磁束が軸方向に流れてＳ極側ロータコア２ａに入る流れもある。

このような、複雑な磁束の流れによって、各ポールの小歯極１ａにはいろいろな大きさと方向をもった磁束密度分布ができることになる。この磁束密度に比例したトルクが各々の小歯極に働き、その総和が零となるロータ位置でバランスして停止する。

ステータ（固定子）１の巻線相数は２相が一般的であるが、相数を増加させることで良好な特性が得られることが知られている。しかし、一般に、相数を増加させていくと、固定子１の構造および駆動回路が複雑になるため、相数は５相までが実用的限界といえる。

また、ＨＢ型ステッピングモータの基本ステップ角θSは、ｍを相数，Ｎｒを回転子小歯極数とすると、次式で表すことができる。

θS＝π／（ｍ・Ｎｒ） …（式３）
式３により、回転子小歯極数Nrを増加するほど基本ステップ角θSが小さくなり、高分解能になることがわかる。しかし、一般的なステッピングモータは小歯の加工限界から、50枚歯が主流である。加工限界とは、電磁鋼板等の磁性体をプレス加工で製作するが、その加工可能な微小幅は、現在のところ板厚の80％程度が限界といわれている。一般的には、0.5mm厚みの板が主流であるため、その幅は0.4mmとなる。薄めの電磁鋼板を採用した場合、その板厚が0.35mmであるから、その場合の加工限界幅は、0.28mmとなる。加工限界幅が決まるとギャップ直径による歯数が決まる。0.35mmの電磁鋼板を使用した場合のギャップ直径と歯数の関係を図３に示す。

本発明では、モータ体格に対する出力比率を大きくし、かつ、高分解能とするために外転型とし、歯数を極限まで増やす構造にしている。外転型のＨＢ型ステッピングモータの例を図４に示す。

図４の外転型ＨＢ型ステッピングモータは基本的原理が図２に示す内転型と同じであり、ロータ側がギャップ部直径の外側に位置する構成になる。図４は磁石をステータ側に挟んだ構造にしているが、図２の内転型と同様に、ロータ側コア磁石を挟む構造とすることも可能である。

図４の構成では、磁石４の断面積，磁石４の残留磁束密度Brにもよるが、ロータ側のコアバック部の幅は小歯深さに対して数倍の厚みがあれば十分なため、一般的には5〜10ｍｍと小さくできる。これにより、モータの直径はギャップ部直径に10〜20ｍｍ加えた直径のモータとできる。このモータの出力が最大になる点は、図１で示した磁石の残留磁束密度Brによるギャップ直径Dと積厚Lを決める係数との関係で、係数kが0.56〜0.66(1／T)の範囲が最もトルク出力を効率よく出せる点となる。すなわち、最も小さい体格で最大のトルクが出せるＨＢ型ステッピングモータは外転型で図１の斜線領域内のパラメータを持つモータということになる。

ＦＥＭ（有限要素法）で外転型ＨＢステッピングモータを計算した結果を図５に示す。

図５の例で計算した外転型ＨＢステッピングモータの直径は、ほぼ50ｍｍ程度である。また、図５(ｂ)，(ｃ)，(ｄ)は、歯数は130枚程度と多く設定して計算したものである。出力トルクはNr・φに比例するので、計算結果としてはコイル鎖交磁束φの大きさを比較している。図５（ａ）は歯幅比Tw／τが0.4のものを対象にして、軸方向の積厚を短かめに固定してコイル鎖交磁束φと磁石４の残留磁束密度Brの関係を調べた結果を示す。

磁石の価格は残留磁束密度が大きいほど高くなるので、残留磁束密度が小さい磁石を使用した方が安価にモータを製造できる。図５(b)より、磁石の残留磁束密度が０．４５（T）までは、磁束密度が増加するほどコイル鎖交磁束が増加するため出力が増加し、特に０．３（T）を超えると顕著に鎖交磁束が増加することが分かる。また、残留磁束密度が０．４５（T）を超えるとコイル鎖交が減少するので、これ以上残留磁束密度が高い磁石は使用する必要がないことが分かる。したがって、磁石の残留磁束密度を０．３（T）〜０．４５（T）の範囲とすれば、外転型ハイブリッドステッピングモータを安価で、かつ高出力なものとすることができる。

従来の経験則からすると、磁石４の残留磁束密度Brが大きいほど出力が向上すると思われるが、積厚Lとの関係は最適値が存在することが理解できる。また、図５（ｂ）は同様の積厚Lで、130歯と固定して歯幅比Tw／τが0.4と0.3のものを比較した結果を示す。歯幅比Tw／τが変化しても、磁石４の残留磁束密度Brと積厚Lには最適値となる組合せが存在することが判る。

図５（ｃ）は、130歯で磁石４の残留磁束密度Brを高く設定した場合に積厚Lによる鎖交磁束φの影響を調べた結果である。積厚Lを長くすると出力が大きくなる範囲はあるものの、ある範囲を超えると飽和状態になり、積厚Lの単純増加では出力が増加しなくなることが判る。これによっても、最適な積厚Lが存在することが言える。図５（ｄ）は歯幅比Tw／τによる鎖交磁束φの変化の計算結果を示す。ギャップ寸法、歯数等の要因を固定して、歯幅比Tw／τのみを変えて計算した結果、使用される歯幅比の領域においては、0.3が最も出力が大きくなる。

上記の計算結果より、ＨＢ型ステッピングモータを設計する場合の最適点の求め方が推測できる。しかし、毎回の設計計算にＦＥＭを用いてパラメータサーベイすることは、現実には困難であるため、簡易推定法が望ましい。

ギャップの平均磁束密度Bgは、磁石の軸方向表面積をＡ，ギャップ部直径をＤ，積厚をＬとすると式4のように表すことができる。
Bg＝Br・Ａ／（π・Ｄ・Ｌ・Tw／τ） …（式４）
式４を変形すると式５が得られる。

Ｄ・Ｌ／Ａ＝ｋ・Br …（式５）
式５の係数ｋ を式６とすると、
ｋ＝１／（π・Bg・Tw／τ）Br …（式６）
各々の最適値の平均磁束密度Bgは、積厚Lや、外直径Ｄ、磁石４の残留磁束密度Brに依存せず、Tw／τによってある範囲になる。その関係は、歯幅比Tw／τが小さくなるとギャップ平均磁束密度Bgが小さくなるという関係になる。

図６は、ＦＥＭでの解析結果の最適値（90%までの出力領域を最適値と判断）のときの積厚Ｌと磁石４の残留磁束密度Brの関係を式である式５をグラフにプロットした結果を示す。この結果は、すべての結果がある範囲におさまる結果になった。このときのギャップ平均磁束密度Bgは、ほぼ歯幅比Tw／τ=0.3のときは1.6〜1.8T，Tw／τ=0.35のときは1.4〜1.5T，Tw／τ=0.4のときは1.2〜1.4T，Tw／τ=0.45のときは1.0〜1.2Tというような関係になっている。従って、ＨＢ型ステッピングモータの最適設計は、どのような場合においても、式５の係数ｋを0.56〜0.66(1／T)にとる点が最適な出力を出せる構造となる。

図７にモータ外径と積厚Lとの関係の例を示す。磁石４の内径をモータ外径の約70%の直径の大きさとした場合に式５を用いて計算した磁石４の残留磁束密度Br=0.5のときとBr=1.0のときのモータの積厚Ｌは図示の関係となる。

本発明を説明するための特性図である。 ＨＢステッピングモータの一般的構成を説明するための構成図である。 本発明を説明するための特性図である。 本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明を説明するための特性図である。 本発明を説明するための特性図である。 本発明を説明するための特性図と構成図である。 本発明の外転型ＨＢステッピングモータのモータ外径を積厚の関係の一例を示す図面である。

符号の説明

１…ステータコア，１ａ…ステータ小歯極、２ａ、２ｂ…ロータコア，２ｃ…ロータ小歯極、４…磁石，５…シャフト，６…ステータコイル，８…磁路。

Claims (2)

1. 磁石をステータまたはロータ側の軸方向断面に有し、前記ステータと前記ロータとのギャップの内側部にステータコアとそのコアに巻装されたステータ巻線を配置し、前記ロータを前記ギャップ外側に配置した構造の外転型ハイブリッドステッピングモータにおいて、前記磁石の軸方向断面積をＡ，ギャップ部直径をＤ、軸方向積厚をＬ、前記磁石の残留磁束密度をBrとした場合に、
   Ｄ・Ｌ／Ａ＝ｋ・Br
   の式におけるギャップ部直径Ｄ、軸方向積厚Ｌ、前記磁石の残留磁束密度Brを設計値として与え、係数kが0.56〜0.66(1/T)の範囲となるように前記磁石の軸方向断面積Ａを決定することを特徴とする外転型ハイブリッドステッピングモータ。
2. 請求項１において、前記係数kが0.56〜0.66(1/T)の範囲は、出力領域が９０％以上となるように定められていることを特徴とする外転型ハイブリッドステッピングモータ。

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