JP4423294B2 - 多相ステップモータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば複写機、プリンター等のＯＡ機器やコンピュータ周辺機器、自動車、ＦＡ関連の搬送装置などに用いられる多相ステップモータに関する。

多相ステップモータには、ロータに永久磁石を用いたＰＭ型、ロータに歯車状の鉄芯を用いたＶＲ型、ロータに歯車状の鉄芯と永久磁石を用いたハイブリッド（ＨＢ）型など様々なモータ（インナーロータ型、アウターロータ型）が用いられる。ＰＭ型の多相ステップモータは、軸方向に積層された複数のステータユニットに対向してＮ極とＳ極が交互に着磁された永久磁石を備えたロータが設けられる。各ステータユニットのコイルに電流方向を切り換えて通電することで、ステータ磁極とロータ磁極との吸引反発によりロータが回転するようになっている。
多相ステップモータにおいては、ステータユニットは相数と同じ数だけ積層される。この構造では、各相コイルに通電する電流方向を切り換える際に、各ステータユニットに流れる電流値の過渡的な不均衡により、ステータとロータ間で生じる作用・反作用の力の大きさが変化し、振動が発生する。また、回転方向で生じるトルクリップルを低減するため、ステータに形成されるステータ磁極の形状を隣接する磁極と異なる形状にした多相ＰＭ型ステップモータや（特許文献１参照）、ステータ磁極位置と永久磁石の着磁ピッチとの関係を励磁する相ごとに異ならせる多相ＰＭ型ステップモータ（特許文献2参照）、などが提案されている。これらの多相ステップモータは、ステータ磁極と永久磁石との間の磁束変化を緩やかになるような改善が図られている。
特開２００２−２０４５６２号公報 特開平１１−５５９２７号公報

上述した多相ステップモータにおいては、各ステータユニットにおいてコイルに通電する電流方向を切り替える際に、各ステータユニットに流れる電流値の大きさの不均衡によりステータとロータとの間で発生する作用反作用の力の大きさが変化し、振動が発生する。即ち、通電方向を切り替えるたびにロータの軸方向や径方向に振動が発生する。さらに、ステータユニットの磁極中心と永久磁石の磁極中心が同時に一致するようにすると、ステータ磁極とロータ磁極との間で急激な磁束の変化が発生する。これは、トルクリップルの要因となり周方向の振動成分となってしまう。
図１４の模式図において、従来の多相ステップモータのロータに作用する吸引力のばらつきについて説明する。ステータからロータ５３に任意の位置（ステータの軸方向中心部から軸方向に±Ｘとする）で作用する力Ｆをロータ内周面に作用する力と等価として表現すると、以下のようになる。通電方向を切り換えた際に電流値の大きさの不均衡によりＡ相ステータユニット５1側の吸引力がＢ相ステータユニット５２より大きくなったとする。ロータ５３に等価的に作用する力Ｆは、ステータの軸方向中心部から軸方向に＋Ｘだけシフトした位置において、軸方向に向かう力Ｆ１と径方向にモータの中心に向かう力Ｆ２との合力になる。次に、通電方向が切り換わりＢ相ステータユニット５２側の吸引力がＡ相ステータユニット５１より大きくなったとする。ロータ５３に等価的に作用する力Ｆは、ステータの軸方向中心部から軸方向に−Ｘだけシフトした位置において、同様に軸方向に向かう力Ｆ１と径方向にモータの中心に向かう力Ｆ２との合力になる。
ロータ５３は図示しないロータシャフトに一体に支持されているため、径方向のいずれかにロータ５３を支持する支点が存在する（支点位置は固定）。ロータ５３に作用する力は、最終的にモーメントとして支点に作用する。モーメントは（力）×（支点から作用点までの距離）で得られるので、同じ大きさの力でも支点から作用点までの距離が変わればモーメントの大きさも変わる。図１４に示す例では、ロータ５３の支点周りに作用する力のモーメントは、軸方向に等価的な力Ｆ１の大きさが同じで、ステータの軸方向中心部と直交する面Ｐに対して対称な位置で同じ大きさの力Ｆ１が逆向きに交互に作用する。このため、通電方向を切り換えるたびにロータ５３の径方向に作用する力Ｆ２の作用点が、ステータの軸方向中心部より＋Ｘ側の位置と−Ｘ側の位置とで交互に変化するので、合力Ｆによる支点回りのモーメントの大きさが変化する。このモーメントの大きさの変化によりロータ５３に振動が発生する。
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、ステータコイルへの通電電流を切換えてもロータに振動やトルクリップルを低減することが可能な多相ステップモータを提供することにある。
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
空芯状に巻かれたコイルをステータヨークにより挟み込んでクローポールどうしが噛み合うように形成される複数のステータユニットが同芯状に積層されるステータと、ステータヨークに形成されるクローポールに対向して磁極が形成された永久磁石を備えたロータを有するクローポール型の多相ステップモータにおいて、ステータユニットは１相当たり２ｎ個（ｎは1以上の整数）に分割されて同芯状に積層され、かつ同相となるステータユニットどうしは、ステータの軸方向中心部と直交する面に対して面対称となるように積層されていることを特徴とする。
また、通電により同相に励磁されるステータユニットの磁極中心は、ロータの永久磁石の磁極中心と同時に対向しないように位相差λが設けられて同芯状に積層されることを特徴とする。
また、同相に励磁されるステータユニットが２相、該同相励磁されるステータユニットの磁極中心間の位相差をλ、θをθ＝360度／{[（永久磁石の極数）／２]×４×（同相のステータユニットの数）}で求まる値とするときλが、０．５×θ≦λ≦１．５×θに設定されることを特徴とする。

発明の効果
上述した多相ステップモータを用いれば、ステータユニットは１相当たり２ｎ個（ｎは1以上の整数）に分割されて同芯状に積層され、かつ同相となるステータユニットどうしは、ステータの軸方向中心部と直交する面に対して面対称となるように積層されているので、軸方向に面対称に配置された同相のステータユニットのコイルへ通電を切換える際に、ロータに作用する軸方向及び径方向の分力の大きさと等価的な力の作用点は変化しないため、モーメントのばらつきによるロータの振動は発生しない。
また、同相のステータユニットが偶数積層され、かつステータユニットの磁極中心どうしは所定の位相差λを設けて積層される。これによりある相のステータユニットのコイルから他の相のステータユニットのコイルへ通電方向を切換えすることにより、各々モータ軸に垂直な平面上に偶数個の磁極が形成されるが、同相のステータユニットの磁極中心が同時に永久磁石の磁極中心と一致することなく積層されているので磁束変化を緩やかにすることができる。よって、ロータに急激なトルク変化が起こり難く、トルクリップルを低減することで振動を抑えることができる。

２相ステッピングモータのロータ及びステータの切欠斜視図である。 ステータユニットの半断面図である。 ステータユニットの積層例を示す切欠斜視図である。 ステータユニットの積層例を示す正面図である。 ２相ステップモータの積層例を示す模式説明図である。 ２相ステップモータへの通電状態の説明図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、ロータに等価的に作用する力の説明図である。 ロータに等価的に作用するモーメントの模式説明図である。 図９Ａ及び図９Ｂは、Ａ相及びＢ相ステータユニットどうしの磁極中心の位相差を示す説明図である。 位相差とトルクリップルとの関係を示すグラフ図である。 図１１Ａ及び図１１Ｂは、従来構造と本願発明の振動状態を示すグラフ図である。 加速度のばらつきの比較図である。 インナーロータ型の多相ステップモータの説明図である。 従来の多相ステップモータの課題を示す模式説明図である。 位相差λ＝０とλ＝θのときの回転むらの比較図である。

以下、本発明に係る多相ステップモータの最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本発明に係る多相ステップモータは、空芯状に巻かれたコイルをステータヨークにより挟み込んでクローポールどうしが噛み合うように形成される複数のステータユニットが軸方向に同芯状に積層されるステータと、ステータヨークに形成されるクローポールに対向して磁極が形成された永久磁石を備えたロータを備えたクローポール型の多相ステップモータに適用される。本実施形態では、例えばＯＡ機器やコンピュータ周辺機器、自動車、ＦＡ関連の搬送装置などに用いられるアウターロータ型の多相ステップモータを例示して説明する。
多相ステップモータの概略構成について図１を参照して説明する。図１において、ロータ１は、軸方向にＮ・Ｓ着磁された永久磁石２が筒状のロータヨーク３の内周面に設けられている。永久磁石２は、後述するステータのクローポールに対向して設けられる。ロータ１は、図示しないロータシャフト(回転軸)と一体に連結して支持される。
図２において、ステータ４は、ボビン８に空芯状に巻かれたコイル５を磁性材料からなる上下のステータヨーク６ａ、６ｂにより挟み込んで櫛歯状のクローポール７ａ、７ｂどうしが噛み合うように形成される。この上下のステータヨーク６ａ、６ｂは図示しないロータシャフトを回転可能に支持する軸受部が組み込まれたハウジング部に嵌め込まれる。
図１において、ステータ４は、１相当たり２ｎ個（ｎは1以上の整数）のステータユニットに分割されて軸方向に同芯状に積層される。本実施例では図５において、第１のステータユニット４ａ、４ｂ（Ａ相及びＢ相）及び第２のステータユニット４ｃ、４ｄ（Ｂ相及びＡ相）を各々備え、合計４個のステータユニットが同芯状に積層される（図４参照）。また、同相となるステータユニット４ａ、４ｄ（Ａ相）及びステータユニット４ｂ、４ｃ（Ｂ相）は、ステータ４の軸方向中心部と直交する面Ｐに対して面対称となるように積層されている（面Ｐはステータ４の積層高さＬとしたときにＬ／２の位置となる）。具体的には、図５において、ステータユニット４ａ〜４ｄはＡ相−Ｂ相−Ｂ相−Ａ相となるように積層される。
図３において、空芯状のコイル５は、Ａ相及びＢ相のステータヨーク６ａ、６ｂが軸芯部に挿入されるように設けられ、通電によりロータシャフトに垂直な平面上にＮ極Ｓ極Ｎ極Ｓ極…というように偶数個のステータ磁極が形成される。コイル５は、同相のステータユニット４ａと４ｄ（Ａ相）、ステータユニット４ｂと４ｃ（Ｂ相）においてそれぞれ直列又は並列に接続されている。そして、Ａ相コイル又はＢ相コイルにおいて通電する電流の方向が切り換わる際に、図６の矢印に示す通電状態でロータ１に磁気的にアンバランスな状態が生じる。
図７Ａにおいて、第１のステータユニット４ａ、４ｂ及び第２のステータユニット４ｃ、４ｄのＡ相コイル又はＢ相コイルにおいて通電する方向が切り換わる際に、電流値の大きさの不均衡によりＡ相ステータユニット４ａ、４ｄ側の吸引力がＢ相ステータユニット４ｂ、４ｃ側より大きくなったとする。ステータからロータ１に等価的に作用する力Ｆは、例えばステータ４の軸方向中心部から軸方向に＋Ｙだけシフトした位置において、軸方向に向かう力Ｆ１と径方向にモータの中心に向かう力Ｆ２との合力になる。このとき、ロータ１には、ステータの軸方向中心部と直交する面Ｐに対して対称な位置で同じ大きさの力Ｆ１が逆向きに作用するため、ロータ１には径方向にモータの中心に向かう力Ｆ２のみが作用する。
次に、図７Ｂにおいて、Ｂ相ステータユニット４ｂ、４ｃ側の吸引力がＡ相ステータユニット４ａ、４ｄ側より大きくなったとすると、ロータ１に等価的に作用する力Ｆは、例えばステータ４の軸方向中心部から軸方向に＋Ｚだけシフトした位置において、軸方向に向かう力Ｆ１と径方向にモータの中心に向かう力Ｆ２との合力になる。このとき、ロータ１には、ステータの軸方向中心部と直交する面Ｐに対して対称な位置で同じ大きさの力Ｆ１が逆向きに作用するため、ロータ１には径方向にモータの中心に向かう力Ｆ２のみが作用する。
即ち、Ａ相ステータユニット４ａ、４ｄとＢ相ステータユニット４ｂ、４ｃとで通電方向を切換えた際に、ロータ１に作用する軸方向の力Ｆ１の変動は生じないため、上記通電方向の切換えにより径方向でモータの中心に向かって作用する力Ｆ２によって生じるモーメントが変動しなければ、ロータ１に振動が発生しないことになる。
ロータ１に作用するモーメントは（力）×（支点から作用点までの距離）で得られるので、支点から作用点までの距離が変わらなければモーメントの大きさも変わらない。図８において、Ｆａ、Ｆｂを第１のステータユニット４ａ、４ｂの径方向中心に向かって等価的に作用する力と仮定し、Ｆｃ、Ｆｄを第２のステータユニット４ｃ、４ｄの径方向中心に向かって等価的に作用する力と仮定する。Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄはコイル４への通電によりロータ１が径方向に吸引される力であるので、各ステータユニットの形状、マグネットワイヤーの巻数、コイル５へ流れる電流値が同じ場合には、Ｆａ＝Ｆｂ＝Ｆｃ＝Ｆｄとなる。コイル５に流れる電流値が不均衡となる場合には、Ａ相ステータユニット４ａ、４ｄとＢ相ステータユニット４ｂ、４ｃのうち一方側が他方側より吸引力が大きくなっている。Ａ相とＢ相のうち吸引力の小さい一方側を無視できるとすると、Ａ相ステータユニット４ａ、４ｄによる吸引力がＢ相側より大きいときのロータ１に作用する支点回りのモーメントＴａｄ＝３ＦＸ＋２ＦＬ（支点からロータハブの長さＬ、永久磁石間の距離Ｘとする）、またＢ相ステータユニット４ｂ、４ｃによる吸引力がＡ相側より大きいときのロータ１に作用するモーメントＴａｄ＝３ＦＸ＋２ＦＬとなりモーメントが同じになる。即ち、第１のステータユニット４ａ、４ｂ及び第２のステータユニット４ｃ、４ｄにおいて、Ａ相コイル又はＢ相コイルにおいて通電する電流の方向が切り換わることによりモータ中心方向へ向かう径方向の力Ｆ２によるモーメントの変動は生じないため、ロータ１へ作用する振動がほとんど発生しない。
また、同相のステータユニット４ａ、４ｄ（Ａ相）及びステータユニット４ｂ、４ｃ（Ｂ相）どうしは、各々所定の位相差を設けて配置される。具体的には、図９Ａ、Ｂにおいて、通電により同相に励磁されるＡ相ステータユニット４ａと４ｄ、Ｂ相ステータユニット４ｂと４ｃとは、それぞれ位相差λを設けて配置されている。
即ち、Ａ相ステータユニット４ａ、４ｄ及びＢ相ステータユニット４ｂ、４ｃにおいて、クローポール７ａ、７ｂの磁極中心が、ロータ１の永久磁石２の磁極中心と同時に対向しないように位相差λを設けて積層される。これにより、同相のステータユニット４ａ、４ｄ及び４ｂ、４ｃどうしの磁極中心が同時に永久磁石２の磁極中心と一致することなく磁束変化を緩やかにすることができる。よって、ロータ１に急激なトルク変化が起こり難く、トルクリップルを低減することで振動を抑えることができる。
以下、図９Ａ、Ｂに示す２相ステップモータについて具体例で説明する。
同相に励磁されるステータユニットの磁極中心間の位相差λとトルクリップルとの関係を図１０のグラフ図に示す。θはθ＝360度／{[（永久磁石の極数）／２]×４×（同相のステータユニットの数）}より算出される。具体的には、同相に励磁されるステータユニットが２相（Ａ相及びＢ相）、永久磁石２の磁極数が４８極の場合、θ＝１．８７５度となる。このグラフ図から、最適な位相差λを選択することにより磁束量の変化を緩やかにしてトルクリップル分を低減することができる。例えば、トルクリップル分を概ね２ｋｇｆ・ｃｍ以下に抑えるためには、０．５×θ≦λ≦１．５×θを満たす位相差λに設定することが望ましいことが分かる。
上述した位相差λを最適な値（λ＝１．８７５°）に設定した場合と位相差を設けない場合（λ＝０°）の回転むらの波形解析結果を図１５に示す。波形解析（ＦＦＴ解析）を行ない回転むら成分の周波数分析を行った結果、ステータユニットのＡ相、Ｂ相に磁極中心の位相差λを最適値に設定した場合には位相差λを設けない場合に比べて１８０°成分が大きく減少していることが分かる。回転むらは振動の原因となるため、できる限り小さくすることが望ましい。特に１８０°成分はモータのコギングにより発生する成分と考えられることから、位相差λを最適な値に設定することでコギングの低減を実現できることが確認された。
図１１Ａ、Ｂ及び図１２は、上記２相ステップモータを用いて振動が低減したことを示すグラフ図である。図１１Ａ、Ｂはモータの円筒部端面に加速度計を設けて、ロータ１の加速度変化を測定した場合のデータ比較例に関するグラフ図である。図１１Ａは従来構造（図１３に示す２相ステップモータ構造参照）のグラフ図であり、図１１Ｂは本実施例に係る２相ステップモータのグラフ図である。本実施例は従来構造に比べて波形の振幅が小さくなっており、細かい加速度変化が少なくなっていることが確認できる。ロータの加速度変化は、振動の変化を示している（∵回転角加速度は振動数に比例する）と考えられるので振動が小さくなっていることが分かる。
また、加速度変化の大きさと頻度について対比した結果を図１２のグラフ図に示す。Ａは従来の２相ステップモータの加速度変化量を示すものであり、Ｂは同相のステータユニットを面対称に設けた２相ステップモータの加速度変化量を示すものであり、ＣはＢの構造で同相のステータユニットどうしに位相差λを設けた場合の加速度変化量を示す。これらのグラフ図より、同相のステータユニット４ａ、４ｄ（Ａ相）とステータユニット４ｂ、４ｃ（Ｂ相）を面対称に設けかつ同相のステータユニット４ａ、４ｄ（Ａ相）どうし及びステータユニット４ｂ、４ｃ（Ｂ相）どうしに位相差λを各々設けた場合（グラフ図Ｃ参照）に最も振動が低減されることが判明した。
上述した実施例では、アウターロータ型の多相ステップモータについて説明したが、図１３に示すように、ロータ１がステータ４に囲まれて配置されるインナーロータ型の多相ステップモータについても適用できる。即ちロータ１の外周面に形成される磁極とクローポール７ａ、７ｂが噛み合うように内周面側に形成されたステータユニット４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが設けられる。
また、１パルスで１ステップ角の回転駆動を行なうフルステップ駆動のみならず、分解能を高め振動低減を図るマイクロステップ駆動を行なう場合には、相乗効果として低振動性をより向上させることができる。
また、本実施例では、２相ステップモータについて説明したが、これに限定されるものではなく、軸方向の長さが長くなるが低振動を実現した３相、４相、…ｎ相などの多相ステップモータを提供することができる。

Claims (3)

1. 空芯状に巻かれたコイルをステータヨークにより挟み込んでクローポールどうしが噛み合うように形成される複数のステータユニットが同芯状に積層されるステータと、ステータヨークに形成されるクローポールに対向して磁極が形成された永久磁石を備えたロータを有するクローポール型の多相ステップモータにおいて、
   ステータユニットは１相当たり２ｎ個（ｎは1以上の整数）に分割されて同芯状に積層され、かつ同相となるステータユニットどうしは、ステータの軸方向中心部と直交する面に対して面対称となるように積層されていることを特徴とする多相ステップモータ。
2. 通電により同相に励磁されるステータユニットの磁極中心は、ロータの永久磁石の磁極中心と同時に対向しないように位相差λが設けられて同芯状に積層されることを特徴とする請求項１記載の多相ステップモータ。
3. 同相に励磁されるステータユニットが２相、該同相励磁されるステータユニットの磁極中心間の位相差をλ、θをθ＝360度／{[（永久磁石の極数）／２]×４×（同相のステータユニットの数）}で求まる値とするときλが、０．５×θ≦λ≦１．５×θに設定されることを特徴とする請求項２記載の多相ステップモータ。

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