JP5179462B2 - ２相ハイブリッド型回転電機及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、巻き線極である２ｍ個の主極に２相の巻線を施してなる固定子と、２個のハイブリッド型回転要素（単位回転子）をそれらの永久磁石を互いに逆方向に磁化した状態で同軸に近接して構成した回転子とを備えたステッピングモータ等の回転電機に関する。

小型で安価、高速高トルク、低振動回転が複写機やプリンタ等のＯＡ機器等に多用されるステッピングモータ等の回転電機に要求されている。ＯＡ機器は小型化、低コスト化、高速化、低振動化の動向にあり、その駆動モータにも同じく、小型化、低コスト化、高速化、低振動化の要求がある。この要求を満足する手段の一つとして、特開平１０−０８０１２６号公報（特許文献１）に示された回転電機がある。特に安価であることを強く要求される用途には、特許文献１の図５に示されるようなクローポール型２相環状コイル式の永久磁石（ＰＭ）式ステッピングモータが多用され、高速化対応のため、ハイブリッド（ＨＢ）型ステッピングモータよりステップ角度の大きい（ステップ角７．５°または１５°）ＰＭ形が多用される。

このクローポール型ステッピングモータは、例えば図７に示すように構成されている。すなわち、同図において、回転子１は回転子軸２と一体に構成され、回転方向に同一幅の磁極３がＮ極とＳ極とを交互に配置するように形成されている。固定子４は２個の第１、第２の固定子ユニット４Ａ、４Ｂによって構成されており、同図では固定子４の一部を切り取って展開して示している。各固定子ユニット４Ａ，４Ｂは同一構造であって、互いにπ／２（後述の磁歯ピッチの１／４）ずれて位置し、それぞれ両側に櫛歯状磁歯４Ａａ，４Ａｂを形成した磁性鉄板４Ａｘ，４Ｂｘによって回転子１の周囲を所定間隙を設けて巻回した巻き線５Ａ，５Ｂを覆っている。

上記構造において、巻き線５Ａ，５Ｂに所定方向に通電すると、この通電された固定子ユニットの櫛歯状磁歯４Ａａ，４Ｂａと櫛歯状磁歯４Ａｂ，４Ｂｂ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４Ａと第２の固定子ユニット４Ｂそれぞれの巻き線５Ａ，５Ｂ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発生し、この回転磁界と回転子１の磁極３との電磁相互作用により回転子１が回転する。

一方、２相ＨＢ型回転電機としては、図８Ａ及び図８Ｂに示すものがある。この回転電機は８主極固定子の場合であり、環状磁性体６Ａａの内周から８個の主極６Ａｂが中心に向かって放射状に延び周方向等間隔に配列されて固定子コア６Ａを構成し、この各主極６Ａｂに巻き線６Ｂが巻装されることにより固定子６が構成されている。固定子コア６Ａは９０°対称の形状となっており、各主極６Ａｂの内側面には例えば６個の誘導子歯が等間隔に突出形成されている。固定子コア６Ａの内側には各主極６Ａｂに対して所定の間隙を介して対向する回転子７が配置されている。固定子６の軸方向両側にはブラケット８Ｘ，８Ｙが固定され、これにそれぞれ保持された軸受９Ｘ，９Ｙにより回転子７の回転子軸７Ａが固定子６に対して回転自在に支持されている。回転子７は、一対の回転子磁極７Ｂ，７Ｃと、この回転子磁極７Ｂ，７Ｃ間に挟み込まれた軸方向着磁の円環状永久磁石７Ｄとを回転子軸７Ａに固定して構成され、回転子磁極７Ｂ，７Ｃの外周には５０個の磁歯が等間隔に形成され、両者が磁歯の１／２ピッチずれて対向している。これにより、ステップ角１．８°のステッピングモータが得られる。固定子コア６Ａ及び一対の回転子磁極７Ｂ，７Ｃはそれぞれ、珪素鋼板（ラミネーション）を積層して構成されている。

特開平１０−０８０１２６号公報

しかし、上述した従来構成のものでは、図７に示した環状コイル式モータの場合、１相分コイルが１個で構成される集中巻き構造のため、コイルインダクタンスが大きく、高速回転時のトルクが不足する問題がある。加えて、クローポール式ステッピングモータの固定子鉄心は、ＨＢ型のように珪素鋼板を積層したものではないため、高速回転時、電流周波数が高くなると、鉄損が増加し温度上昇が高くなる問題がある。

また、高速時のトルク確保のため、図７のＰＭ機を図８Ａ，図８Ｂで示したような２相８主極のＨＢ機に置き換える場合、７．５°または１５°のステップ角を設計しようとすると、固定子を上述のような９０°回転対称とすることはできず、非対称の形状にならざるを得ず、９０度の回転積層による効果が期待できないことになり、振動騒音が出易い構造となる問題があった。従って、このような小型安価、高速高トルク仕様に際し、ＨＢ機では、ＰＭ機のステップ角である７．５°やその半角の３．７５°は得られないため、ＰＭ機の代替としては適さないものとされていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ＨＢ機でありながらＰＭ機のステップ角である７．５°やその半角の３．７５°のステップ角を可能とし、かつ、高速化を実現した２相の回転電機を得ることを目的とする。

本発明は、上記目的を実現するために以下の手段を用いる。
「手段１」
略環状のコアバック部、及びこのコアバック部より放射状に突出形成されそれぞれの先端に複数（Ｎｓ）個の誘導子歯を形成してなる２ｍ個（ｍは２，４，６何れかの数）の主極からなる固定子コアと、該固定子コアのそれぞれの前記主極に巻回された２相の巻き線とを含む固定子と、前記固定子にエアギャップを介して回転自在に設けられ磁性材からなる１対の回転子磁極と該両回転子磁極で挟み込まれ軸方向に着磁された永久磁石とからなる単位回転子を２組共通回転軸上で軸方向に隣接させて構成された回転子とを備え、
各回転子磁極の外周面には複数（Ｎｒ＝４ｎ）個（ｎは１以上の整数）の磁歯が等ピッチで形成され、各単位回転子の１対の回転子磁極はそれぞれの磁歯が１／２ピッチ分ずらせて配置されると共に、両単位回転子はそれぞれの永久磁石の着磁方向が互いに逆になる向きで隣接する回転子磁極の歯位置が一致するように配置されてなる２相ハイブリッド型回転電機であって、
前記各主極それぞれに形成されるＮｓ個の誘導子歯は、前記固定子コアが９０°非対称となる配置に設定されており、前記回転子磁極の磁歯の歯数Ｎｒは４ｎ（ｎは１以上の整数）個に設定されていることを特徴とする２相ハイブリッド型回転電機。

「手段２」
手段１において、前記固定子の各主極の先端に設けたＮｓ個の誘導子歯を、前記回転子の回転子歯ピッチより略９０°／（Ｎｓ・Ｎｒ）異なるピッチに設定し、第４次平面でＮｓ個のパーミアンスベクトルを２つの単位回転子の磁路内の、それぞれの主極内で各磁路内１次バランスさせ、更に軸方向に２分割した２つの単位回転子の磁路による短縮磁路長効果と２磁路間境界部磁界非干渉効果を活かして、第４次平面で各主極のＮｓ個のパーミアンスベクトルを２磁路間で重畳し、２次バランスをさせる、２重バランス機能を有したことを手段とする回転電機。

「手段３」
手段１又は２において、前記固定子コアは磁性鉄板を積層させて１枚ごとに１８０°回転積層させ、４次平面で固定子コアの回転部と非回転部で作られる２種類のベクトル群の間で、１次バランスをさせ、更に軸方向に２分割した２つの単位回転子の磁路による短縮磁路長効果と２磁路間境界部磁界非干渉効果を活かして、第４次平面で各主極のＮｓ個のパーミアンスベクトルを２磁路間で重畳し、２次バランスをさせる、２重バランス機能を有したことを手段とする回転電機。

「手段４」
手段１において、手段２及び手段３の条件が同時に設定実施されることを手段とする回転電機。

「手段５」
手段１〜４のいずれかにおいて、回転子に用いる永久磁石の残留磁束密度が略０．５Ｔ以下のフェライト系永久磁石であることを手段とする回転電機。

手段１〜５のいずれかの２相ハイブリッド型回転電機において、前記回転子の永久磁石は未着磁でモータとして組み立て後に、一方の単位回転子の永久磁石を軸方向に正方向着磁され、その後、時間差を設けて他方の単位回転子の永久磁石が逆方向に部分着磁されることを手段とする回転電機の製造方法。

（１）ＨＢ型単位回転子を２組有する２分割磁路構成のため、界磁磁束が大きく、しかも２つの磁路間でのパーミアンスの第４次成分のバランス効果により、固定子が９０°非対称形で、９０°回転積層無しでも低振動となる。また固定子主極数２ｍでｍ＝４の場合、実用的な８個となり巻き線インダクタンスを小さくでき、高速回転時のトルクの減少を防ぎ、フラットなトルクカーブの低速から高速まで使いやすいステッピングモータ等の回転電機となる。主極数１２個の場合は更にフラットなトルクカーブのモータとなる。主極数４個の場合でも不平衡電磁力の起き難い且つ低速時高トルクモータとなる。

（２）本発明では固定子主極の誘導子歯ピッチを回転子磁極の磁歯ピッチと９０°／（Ｎｓ・Ｎｒ）だけ変えるバーニア効果により、パーミアンスの第４次成分を第４次高調波平面でパーミアンスベクトルのバランスをさせることで第４次高調波成分の大部分を消去できる。

（３）固定子を珪素鋼板等の磁性板からプレス打ち抜きして１８０度回転積層することで、珪素鋼板の圧延方向に対するその直角方向での板厚差を解消して主極間のパーミアンスを均一化しバランスさせることができる。手段１，２との組合わせで多重にパーミアンスベクトルをバランスさせることができる。

（４）従来モータと同一サイズで同一トルクで価格を安くしたい場合でも、本発明では軸方向で２つの磁気回路に分割構成するため、短磁気回路としてフェライト磁石等の低グレード磁石が採用でき安価にできる。またフェライト磁石のＢ―Ｈカーブのフラットな傾きによる動作点の安定化により均一な磁束密度効果となるためバラツキの小さい低振動なモータとなる。Ｂ―Ｈカーブがフラットな傾きの場合はエアギャップ等のバラツキで多少動作点が移動しても磁束の値の変化を少なくできることによる。

（５）時間差を設けた２重逆着磁によりモータ組み立て後の着磁を可能にしたので、安価で品質の高いモータが提供できる。

本発明の一実施形態による２相ハイブリッド型永久磁石回転電機の要部を示す正面図である。 図１の軸方向断面を示す側面図である。 一般的なハイブリッド型永久磁石回転電機の固定子歯と回転子歯との相対位置関係を示す一部拡大正面図である。 図３のベクトルバランスの説明図である。 図１の回転電機のパーミアンスベクトルバランスの原理説明図である。 本発明の回転電機の別の効果を説明するためのパーミアンスベクトルバランスの原理説明図である。 従来のＰＭ型回転電機の斜視図である。 従来のＨＢ型回転電機の正面図である。 図８Ａの軸断面を示す側面図である。

本発明に係る２相ハイブリッド型回転電機の実施形態につき、以下図面に基づいて説明する。

図１は本発明の１例である２相ハイブリッド（ＨＢ）型ステッピングモータの要部構成を示し、主極数２ｍにおいてｍ＝４とした８主極機の固定子とＨＢ型回転子とを組合わせたものを軸方向から見た図である。巻き線の図示は省略してあるが、８主極の巻き線極である首部にはそれぞれ巻き線が施され、１個おきの４個の主極に巻回された巻き線が連結されて１相分を形成し、残りの４主極で他の１相分を形成し、全体で２相巻き線としたＨＢ型回転電機である。固定子は不平衡電磁力が発生せず高速性に優れた８主極構造を採用した例である。

固定子１０は、外形がほぼ四辺形の環状のコアバック部１１ａとこのコアバック部１１ａより放射状に内方に突出して設けられ周方向に等間隔に配列された８個の主極１１ｂとからなる固定子コア１１と、各主極１１ｂに巻回された２相の巻き線１２（図２に示す）とからなり、巻き線極である各主極１１ｂの先端には２個（Ｎｓ個）の誘導子歯１１ｃが突出して設けられている。なお各主極１１ｂの２個の誘導子歯１１ｃの左右に突き出た鍔部は巻き線１２の脱落防止を主な役目としている。固定子コア１１は複数枚の珪素鋼板を積層して構成されている。図１に示すように、垂直軸（Ｘ軸）と水平軸（Ｙ軸）の互いに直交する２つの線上に配置された４個の主極１１ｂ、つまり９０°毎に配置された４個の主極１１ｂで１相分（Ａ相、Ｃ相）を構成し、残りの４個の機械角で互いに９０°隔てて且つ１相分主極からは機械角で４５度隔てて配置された主極１１ｂで２相分（Ｂ相、Ｄ相）を形成する。各相において、９０°毎の４個の主極１１ｂは巻き線１２への通電時に交互に異極となるように励磁され駆動される。

一方、固定子コア１１の内側に配置された回転子２０は、図２に示すように、回転軸２１に軸方向に並んで固定された４個の回転子磁極２２，２３，２４，２５と、対の回転子磁極２２，２３間及び２４，２５間でそれぞれ挟持され軸方向に着磁された円盤状の永久磁石２６，２７とにより構成されている。これら回転子磁極２２〜２５はそれぞれ珪素鋼鈑等を積層して構成され、それぞれの外周には等ピッチで複数（Ｎｒ＝４ｎ）個（ｎは１以上の整数）の磁歯が設けられている。この実施形態では、ｎ＝６として２４個の磁歯２８が形成されている。

対の回転子磁極２２，２３は互いに歯ピッチが１／２ずれて配置されて両者の間に永久磁石２６が挟持され、同様に、対の回転子磁極２４，２５は互いに歯ピッチが１／２ずれて配置され、両者の間に永久磁石２７が挟持されている。両永久磁石２６，２７は着磁方向が互いに逆になるように設定されており、永久磁石２６により磁化された回転子磁極２２，２３と永久磁石２７により磁化された回転子磁極２４，２５とのうち、向かい合う隣接磁極２３，２４が同極性になるように設定されている。図２では回転子磁極２２，２５がＳ極性に、回転子磁極２３，２４がＮ極性にそれぞれ磁化されている。このとき隣接する回転子磁極２３と２４との周方向における歯位置は原則として同じ位置である。回転子磁極２２，２３及び永久磁石２６で単位回転子２０ａを、回転子磁極２４，２５及び永久磁石２７で単位回転子２０ｂが構成される。なお、図２では単位回転子２０ａ，２０ｂが隙間なく隣接している状態を示しているが、両単位回転子２０ａ，２０ｂが軸方向に僅かに離れた状態で隣接していてもよい。

単位回転子２０ａ，２０ｂの各回転子磁極２２〜２５のそれぞれの磁歯は固定子１０の各主極１１ｂの誘導子歯１１ｃにエアギャップを介して径方向に対向する。図２において固定子１０の位置に示した点線矢印Φ１は単位回転子２０ａによる磁束とその磁路、点線矢印Φ２は単位回転子２０ｂによる磁束とその磁路であり、固定子１０の軸方向での中央部では磁束と磁路Φ１、Φ２が同一方向なので干渉効果による２つの磁束の弱め合いは発生しないことが分かる。これを２磁路間境界部磁界非干渉効果と呼ぶことにする。ここで、上記と同一寸法の回転子を従来技術の図８Ａ，図８Ｂで示したような単位回転子１個で構成する場合に比べると、軸方向の磁路が半減するため短縮磁路長効果が発揮でき、磁気抵抗が半減するため、磁気損失が少なくバラツキが小さい回転電機が得られることになる。永久磁石２６，２７をそれぞれ挟んで対向した対の回転子磁極２２，２３間及び２４，２５間では永久磁石２６，２７の外周部分での漏洩磁束はあるが、同極性に磁化された回転子磁極２３，２４同士間では漏洩磁束はなく、ほとんどの磁束が固定子１０に向かうので、磁束の無駄が極めて少なく高トルクが得られることになる。

図１は、回転子２０の回転子磁極における任意の磁歯２８の中心を前述の直交する中心線（Ｘ軸、Ｙ軸）上に図示したものである。より厳密に言えば、単位回転子２０ａにおける一方の回転子磁極２２の任意の磁歯２８がＸ軸、Ｙ軸上に位置するようにしている。

回転子磁極の磁歯の歯数Ｎｒは２４であるから回転子磁歯ピッチは、３６０°／２４＝１５°であり、ステップ角は２相機なので回転子磁歯ピッチを４等分した値となり、３．７５°である。本モータはＨＢ型であり、前述より明らかなように、図１で示された回転子磁極２２がＳ極に磁化されているとすれば、その各磁歯２８の中間にはＮ極に磁化された回転子磁極２３の磁歯が図示は省略してあるが永久磁石２６の厚み分軸方向に隔てて存在する。従って単位回転子としての磁歯のＮ極とＳ極のピッチは７．５°であり、この値を相数で割ったものがステップ角であるから、本実施形態は２相機のため、ステップ角は上述した３．７５°となる。

次に、図１における固定子１０と回転子２０とのそれぞれの歯の角度関係について説明する。図１の固定子１０の８個の主極１１ｂのうちＸ軸上に位置する２個の主極１１ｂをＡ相とし、この主極１１ｂそれぞれの２個の誘導子歯のうち時計回転方向下流側に位置する歯が回転子磁極の磁歯と一致した位置にあり、今Ａ相が励磁され回転子２０が吸引されてこの位置にあるとする。そして８個の主極１１ｂは時計回りにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ相、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ相となり、この順に巻き線が励磁されるものとする。

図１に示すように、Ａ相の次に励磁されるＢ相の主極１１ｂでは、その２個の誘導子歯１１ｃのうち時計回転方向下流側に位置する歯が回転子磁極の磁歯と３．７５°ずれて位置し、Ｃ相の主極１１ｂでは、２個の誘導子歯１１ｃのうち時計回転方向下流側に位置する歯が回転子磁極の磁歯と７．５°ずれて位置し、さらにＤ相の主極１１ｂでは、２個の誘導子歯１１ｃのうち時計回転方向下流側に位置する歯が回転子磁極の磁歯と１１．２５°ずれて位置している。

このように固定子１０と回転子２０とのそれぞれの歯の角度関係が設定されているため、図１の状態から次にＢ相が励磁されると、Ｂ相の主極１１ｂにおける誘導子歯のうち時計回転方向下流側の誘導子歯は回転子歯と３．７５°隔てているのに対して、上流側の誘導子歯は回転子磁極の磁歯と９．３７°もの角度差を有しているため、回転子２０は上記下流側の誘導子歯が回転子磁極の磁歯に吸引されるかたちで時計回転方向に３．７５°回転する。この角度がステップ角となるように固定子主極の歯が配置されている。このときＣ相の主極１１ｂについて見ると、図１の状態では主極１１ｂの誘導子歯のうち時計回転方向下流側の誘導子歯は回転子磁極の磁歯と７．５°隔てているが、Ｂ相の励磁による回転子２０の回転により７．５°−３．７５°＝３．７５°の角度差となっている。このため、次にＣ相が励磁されると、Ｃ相の主極１１ｂの誘導子歯が回転子磁極の磁歯を吸引し、回転子が時計回転方向に３．７５°回転する。同様にＤ相の主極１１ｂの誘導子歯のうち時計回転方向下流側の誘導子歯は図１の状態では回転子磁極の磁歯と１１．２５°（３．７５°の３倍）隔てているが、Ｂ相の励磁及びＣ相の励磁でそれぞれ３．７５°×２だけ回転するため、Ｄ相が励磁されれば１１．２５°−３．７５°×２＝３．７５°時計回転方向に回転し、ステップ動作することになる。

このとき、固定子各主極の２個の小歯ピッチは９０°／（Ｎｓ・Ｎｒ）だけ、即ちＮｓ＝２，Ｎｒ＝２４を代入して１．８７５°だけ回転子歯ピッチより小さく異ならせている。これはパーミアンスの第４次成分をキャンセルさせることでコギングトルクを小さくして低振動な回転電機にすることを狙うものである。図１のＹ軸線上の主極１１ｂの２個の誘導子歯のピッチは５．６２°+７．５°＝１３．１２°となり、回転子磁極の磁歯ピッチである１５°からほぼ１．８７５°小さいピッチとしてある。他の主極１１ｂの誘導子歯も同じである。Ｂ相の主極１１ｂにおける誘導子歯のうち時計回転方向上流側の誘導子歯の位置が回転子磁極の磁歯と９．３７°隔てているのは、上述した２個の誘導子歯ピッチが１３．１２°なので３．７５°を引いた角度を設定していることによる。その他の図１で図示した各主極１１ｂの時計回転方向とは反対側の誘導子歯の角度位置も回転子磁極の磁歯との角度差から同様にして得られる。

固定子１０の８個の主極１１ｂは、１８０°隔てた２個がそれぞれ点対称の関係にあり、同相同極性に巻き線電流で磁化されるので、１８０°の位置でトルク成分と直交するラジアル方向力は常に打ち消されて不平衡電磁力は起きない。そこから９０°隔てた２個の主極１１ｂは１８０°隔てた前述の２個に対して同相異極性に巻き線電流で磁化され、誘導子歯は電気角で１８０°異なる位置に配置されて、この４個で１相を形成する。２相分の誘導子歯は１相分から電気角で９０°隔てた位置になる。

図１に示した構成は、２相ＨＢ機なのでステッピングモータとしては回転子歯数Ｎｒが２４の場合であるため、ステップ角度（９０°／Ｎｒ）は、Ｎｒ＝２４により３．７５°となる。

この３．７５°は従来技術を示した図８の２相ＰＭ式ステッピングモータのステップ角度からきている。図８は２相式クローポール固定子のＰＭ式ステッピングモータの立体カット図である。この種のステッピングモータは電磁鉄板を均等ピッチで菊花状に打ち抜き後の残りの中心に向いた逆放射状クローポールを直角に曲げ立てしてクローポールの固定子歯を設けるものである。このときクローポールの数はクローポールが芯金に倣って垂直に曲げ立つために、力のバランスが向上する４の倍数の４ｎ個（但しｎは１以上の整数）が経験的に選ばれる傾向がある。その他分解能を考慮して市場で広く使用されているＰＭ式ステッピングモータはクローポールの数は１２個が採用され、マグネットロータと図示された永久磁石回転子のＮ極とＳ極の対数である極対数も磁気回路の形成から同じ１２となり、ステップ角度７．５°のものが広く使用されている。このクローポール群は図８ではＡ相歯、Ｂ相歯と図示されている。それらを環状に巻き線されたＡ相コイル、Ｂ相コイルで９０°位相の異なる電流で励磁駆動される。

図１のステップ角３．７５°はステップ角度７．５°の半角に相当するものであり、このステッピングモータを２ステップ駆動すれば７．５°となるので、ＰＭ機との互換性が得られるものとなる。ＰＭ式ステッピングモータはＨＢ型に比べてエアギャップが大きく、回転子磁石も安価なフェライト磁石を使用しており、またクローポールの根元部で磁気飽和が発生し易く、ＨＢ型のように珪素鋼板の積層構造でないので鉄損が大きく、一般に高速性が悪くトルクもＨＢ機と比較して小さい傾向がある。そのため、性能不足の場合に、ＨＢ機に置き換える必要がある。その場合、両モータの互換性にはステップ角が同じかその半角あるいは倍角であることが求められる。本発明はこのような背景から生まれたものである。

また本発明のＨＢ型回転電機の回転子歯数はＰＭ機と類似のステップ角とするために、また不平衡電磁力の発生の防止も考慮してＰＭ機と同じ４ｎ個に選べばよい。しかし２相ＨＢ機で回転子歯数を４の倍数とするとその固定子は非対称形となることを次に示す。
対称形の固定子は圧延珪素鋼板の板厚偏差や圧延時に生ずるパーミアンスの方向による偏差をキャンセルさるさせることができる９０°回転積層が可能となる。これを本願では９０°対称形、また９０°回転積層が不可能な形状は９０°非対称形と定義する。そして通常の設計では９０°対称形に設計される。そこで９０°対称形となる条件を以下に述べる。

主極数の合計は２相式の場合、１相分の主極数をｍ個とすれば２ｍ個で等ピッチに配置されているから、隣接相のＡ相、Ｂ相間のピッチは３６０°／２ｍとなる。２相機の磁路の場合は、Ａ相が励磁されて、ある極性（例えばＳ極）の回転子歯と対向している時、次にＢ相が励磁されて吸引する回転子歯の極性はＡ相と対向した回転子極性と同じ極性となる。この時、Ａ相と対向している回転子歯とＢ相と次に対向する回転子歯のピッチはｎを整数とした時、ｎ（３６０°／Ｎｒ）となる。そして上述したそれらの差がステップ角θｓとなるから次の（１）式が成立する。
θｓ＝±｛（３６０°／２ｍ） −（３６０°ｎ／Ｎｒ）｝
（１）

一方、前述したように２相機のステップ角θｓは９０°／Ｎｒであるから（１）式に代入して次の（２）式を得る。
Ｎｒ＝ｍ（２ｎ±１／２）
（２）
これが、対称形２相磁路の場合の回転子歯数Ｎｒの一般関係式となる。例えば、ｍは偶数であり８主極の場合はｍ＝４として、（２）式に代入して（３）式を得る。
Ｎｒ＝８ｎ±２
（３）
例えば、２相ＨＢ型の最も標準形で広く使用されている８主極でステップ角度１．８°のものは、（３）式で、ｎ＝６を代入して、Ｎｒ＝５０の場合であり、従来技術として示した９０°対称形の図８の例に相当する。
（２）式はその右辺のｍは２、４、６のいずれかの数ではＮｒは整数であるが４の倍数とはなり得ないため、回転子歯数を４の倍数とする本願の２相ＨＢ機の固定子形状は９０°非対称形となる。
尚、ｍは偶数であるがｍ＝８では固定子主極数は１６個となり巻き線が複雑高価となり、低速トルクも減少するので、ｍ＝８以上は現実的ではない。

また固定子主極数２ｍが４，８、１２と相違してもステップ角は２相機であれば、９０°／Ｎｒとなり、回転子歯数のみで決まる。図１の８主極の構成は９０°回転積層すると歯がずれるため、実施不可能であるが、１８０°の回転積層は可能であることが分かる。これは前述した完全対称形の９０°対称形に対し１８０°対称形ともいえる。

次に本発明に適応するパーミアンスの高調波成分の除去法について、一般的なＨＢ型ステッピングモータを例に用いて説明する。
図３は、図８Ａ，図８Ｂで説明したような、一般的なＨＢ型ステッピングモータにおける固定子の任意主極３１と回転子３２との関係を示したものである。主極３１に６個の誘導子歯３１ａが等間隔に設けられた場合において、主極３１の中央軸を回転子３２の回転子歯３２ａ間の溝幅の中央に一致させた時、６個の誘導子歯３１ａの位置を対向する回転子歯３２ａの位置とのずれ角としてθ１〜θ６と表示している。今、固定子主極の誘導子歯ピッチは均一で回転子歯ピッチよりθｓだけ小さい値とする。θｓは略３６０°／（ｆ・Ｎｓ・Ｎｒ）で決まる値となる。これはパーミアンスの第ｆ次高調波成分をNｓ個の固定子小歯（誘導子歯）数のベクトルバランスで極小化するものであり、回転子歯数をＮｒとした場合、回転子歯ピッチは機械角表示で３６０°／Ｎｒであるが、その第４次高調波ベクトル平面表示はｆ＝４として１／４の１周角が９０°／Ｎｒでその平面をＮｓ等分した放射状ベクトルにバランスすることから誘導したものである。この場合、Ｎｒ＝５０、Ｎｓ＝６、ｆ＝４とすればθｓは０．３°となる。回転子歯ピッチは７．２°なので、固定子の誘導子歯ピッチは６．９°となる。このベクトルバランスを数式で示せば以下のようになる。

この場合、図３での固定子歯位置と回転子歯位置のずれ角θ１〜θ６は、機械角７．２°を電気角の３６０°として電気角表示すれば、θ３＝θ４＝（０．３°／２）×（３６０°／７．２°）=７．５°、θ２＝θ５＝（０．３°+０．３°／２）×（３６０°／７．２°）=２２．５°、θ１＝θ６＝（０．３°+０．３°+０．３°／２）×（３６０°／７．２°）=３７．５°となる。この場合の主極と回転子の対向した位置ずれ角をθ１〜θ６として図３に示したものであるから、図３を参照して、コギングトルクを構成するパーミアンスの第４次空間高調波成分Ｐ４は次式で計算でき、その値は零となる。
Ｐ４＝ｃｏｓ（４・θ３）+ｃｏｓ（４・θ２）+ｃｏｓ（４・θ１）+ｃｏｓ（４・θ４）
+ｃｏｓ（４・θ５）+ｃｏｓ（４・θ６）
＝２（ｃｏｓ３０°+ｃｏｓ９０°+ｃｏｓ１５０°）＝０ （４）

これらの６個の小歯の第４次パーミアンス成分を第４次平面で極座標スベクトル表示すれば、図４の第４次平面の図となりベクトルの総和は零となる。ここで、図４は単位回転子に対する主極３１の６個の誘導子歯３１ａのパーミアンスを第４次高調波平面上のベクトルＶ１〜Ｖ６として示したものである。図３では主極３１の中央線に対し回転子３２が線対称に位置している時のベクトルＶ１〜Ｖ６が図４のようにバランスする図となっているが、たとえば８主極の任意の１主極では、図３に対し固定子と回転子の相対位置がλ度ずれている場合は、その第４次平面でのベクトルは図４に対しλ／４度だけ６個のベクトルを回転させただけのものとなるのでそれらのベクトルの総和は常に零となり、各主極８個ともそれぞれバランスしていることになる。従って１主極内を吟味すればよい。理論的にはこのようにすればコギングトルクはキャンセルされ、振動も小さくなることになる。
この場合の鎖交磁束となりモータトルクとなる基本波成分は次式となる。
Ｐ１＝ｃｏｓθ３+ｃｏｓθ２+ｃｏｓθ１+ｃｏｓθ４+ｃｏｓθ５+ｃｏｓθ６
＝２（ｃｏｓ７．５°+ｃｏｓ２２．５°+ｃｏｓ３７．５°）／６＝０．９０２ （５）
即ち９０％がトルク成分として残ることになる。

しかし、これは６個の固定子の誘導子歯のパーミアンスが全く等しいという仮定での話である。図３で固定子の８個の主極３１の各先端に設けた６個の誘導子歯３１ａは中央に位置する互いに隣接する一対２個の内側位置歯と、これらの歯の各々に隣接して配置される中間位置の歯と、この中間位置の歯と外側に隣接する外側位置の歯とでは、主極中央位置から見て距離が異なり特に外側に位置する歯はその外側は空間であるため磁束の漏洩状態も他と異なる。このため計算値のように第４次成分は実際には完全には零にならないという問題がある。そのため第４次成分の別のキャンセルの手段を併用して磁路を短くして重複消去することが必要となる。

次に、パーミアンスの第４次成分が主に２相機ではコギングトルク成分となることを説明する。パーミアンスは前述したように余弦表示できる。またコギングトルクＴｃはパーミアンスの角度変化率となることからパーミアンスを角度で微分して正弦成分構成で一般的にフーリエ級数で次式となる。
Ｔｃ＝ｋ_１ｓｉｎθ＋ｋ_２ｓｉｎ（２θ）＋ｋ_３ｓｉｎ（３θ）＋ｋ_４ｓｉｎ（４θ）
＋ｋ_５ｓｉｎ（５θ）＋ｋ_６ｓｉｎ（６θ）＋ｋ_７ｓｉｎ（７θ）＋… （６）
ここで、θは固定子と回転子間の角度、ｋ₁、ｋ₂、ｋ₃、…は各高調波成分の係数である。

２相機では各主極と回転子がπ／２ずれていることから、主極の数だけ加算すれば（６）式で第４項以外はその加算値は零となる。即ち（６）式の第１項〜第７項をそれぞれの調波次数の平面でベクトル表示すれば図示は省略するが奇数次調波成分のベクトルは電気角でπ／２隔てた４種類の２個ずつのベクトルで４箇所でバランスし、偶数次調波成分のベクトルは第４項以外はπ隔てた２種類で４個ずつのベクトルで２箇所でバランスする。しかし偶数次調波成分の第４項のみは８個のベクトルが１箇所に重なりバランスしない。数式で示せば第４項のみの各主極のトルクは加算されて（７）式のようになる。
Ｔｃ／ｋ_４＝ｓｉｎ（４θ）＋ｓｉｎ｛４（θ−π／２）｝＋ｓｉｎ｛４（θ−π）｝
＋ｓｉｎ｛４（θ−３π／２）｝＋ｓｉｎ｛４（θ−π）｝＋ｓｉｎ｛４（θ−π／２−π）｝
＋ｓｉｎ｛４（θ−２π）｝＋ｓｉｎ｛４（θ−π／２）｝＝８ｓｉｎ４θ （７）

以上の理由で２相機のコギングトルク成分は第４次高調波となるので、前述の（４）式を零ならしめたのはこの第４次高調波を無くすためである。パーミアンスの第４次成分が存在しなければコギングトルクは零に近くなる。コギングトルクが小さくなればモータ回転時の振動も小さくなる。

このように固定子主極の誘導子歯のピッチを回転子と所定の角度θｓ異ならせることで各単位ＨＢ型回転子に磁路毎にパーミアンスのコギングトルク成分である第４次成分をベクトルバランスさせてキャンセルでき、高速回転でも低振動で高トルクとなる。

このとき、本発明のパーミアンスベクトルのバランス効果を得る手段として、固定子主極の誘導子歯のピッチを回転子と所定の角度θｓだけ（大きく又は小さく）異ならせる場合、特に、固定子主極の誘導子歯のピッチを回転子のピッチより角度θｓ小さく選べば主極間の隙間が大きくできて巻き線が容易になる。
本発明の図５は各主極１１ｂにおける２個の誘導子歯１１ｃのパーミアンスのコギングトルク成分である第４次成分を第４次平面でベクトルバランスさせてキャンセルさせる具体例を示したものである。図１との対比で説明する。
θｓ＝９０°／（Ｎｓ・Ｎｒ） （８）
また各主極の２個の小歯ピッチをθｑとすると次式を得る。
θｑ＝（３６０°／Ｎｒ）―θｓ＝（３６０°／Ｎｒ）―９０°／（Ｎｓ・Ｎｒ）
＝（９０°／Ｎｒ）（４―１／Ｎｓ） （９）
図１よりＮｓ＝２，Ｎｒ＝２４であるから（８）、（９）式より
θｓ＝１．８７５°、θｑ＝１３．１２５°を得る。
これは即ち図１の小歯ピッチである。

一方、第４次平面の３６０°は３６０°／（４Ｎｒ）＝３．７５°＝１．８７５°×２であるから図５の如く第４次平面は３．７５°で一回りするので１．８７５°の２本のベクトルＶ_A，Ｖ_Bが点対象となりバランスして第４次高調波成分をバランスさせてキャンセルさせることができる。しかしこの２本のベクトルＶ_A，Ｖ_Bが完全に点対象でなく僅かなずれがあれば第４次高調波成分を完全にバランスさせることができずその残留成分が振動騒音発生をレベルは小さいが引き起こすこともある。そのような場合を回避する手段が本願構成の前述した回転子による効果である。次に図６にて説明する。

本発明の基本要素である前述した２連ＨＢ型単位回転子による２重磁路による第４次ベクトルパーミアンスの２重キャンセルの原理を図６に示す。図２で示した如く軸方向に２分割された２つの磁路Φ１、Φ２ができることによる第一の効果は短縮磁路長効果である。これは磁路長が約半減するため磁気抵抗も半減し界磁磁束の増加による高トルク化や、トルクは同一でその分エアギャップを拡大できたり、低い磁力の永久磁石の使用が可能になる等、エアギャップのバラツキの影響を緩和する効果がある。また２磁路Φ１、Φ２間の境界部で磁束が干渉して弱めあうことがないので、２磁路Φ１、Φ２間での磁束量の安定度が高い。これが第二の効果である。よって第４次平面でのベクトルパーミアンスは短縮磁路長効果と２磁路間境界部磁界非干渉効果により、単位回転子が１個の通常のＨＢ型回転子の場合よりベクトルのバラツキは小さくできる。ＨＢ型回転電機は固定子の内径を一種の研磨仕上げである円筒型杜石によるホーニング加工をする。この場合、内径が楕円になったり、軸方向で内径が入り口部は大きめで奥部は小さい等のバラツキも発生する。また珪素鋼板の磁気方向性による影響も受ける。このようなエアギャップや磁路の僅かな磁気抵抗のバラツキ等によりパーミアンスベクトルＶ_A，Ｖ_Bにバラツキが発生し、図５のバランスが崩れ図６の左図である磁路Φ１の如くなった場合でも、磁路Φ２が図６の右図の様であれば、２個のベクトルＶ_A，Ｖ_B間でバラツキが発生しても、２つの分割された磁路Φ１、Φ２間の４個のベクトルの合成効果によりバラツキがよりキャンセルされ易く、一般に２倍のベクトル数でバランスをとる方が飛躍的に優れた振動抑制効果が得られる。

前述したｍ＝２の４主極は一般に低速回転時に大きなトルクが得られるが巻き線インダクタンスが大きくなるので高速回転時のトルクは低下する。一般に主極数と巻き線インダクタンスは反比例する。従って２相機では４主極よりｍ＝４の８主極やｍ＝６の１２主極の方が高速時のトルクは有利となる。本発明はこの高速回転に適したモータの提供にも対応したものである。また低速時のトルクは主極数が少ない方が大きくなる。また４主極では不平衡電磁力が単位回転子１個のＨＢ型回転子の場合は起きるが本発明の２連ＨＢ型回転子との組み合わせでは不平衡電磁力をキャンセルさせるメリットもある。

次に固定子鉄芯を珪素鋼板からプレス打ち抜き後、１８０°ずつ次々に回転して積層して所定の積厚まで積み固定して固定子とする場合のパーミアンスベクトルのバラツキ抑制効果を説明する。図１に示した固定子鉄心は１８０°点対称構造であるため、１８０°回転させるて重ね合わせることができる。こうすることにより、プレス抜き型の僅かな寸法の差や珪素鋼板の板厚差によるパーミアンスベクトルのバラツキを、キャンセルさせることができる。

例えば珪素鋼板のフープ材があり圧延方向に対しその材料幅の左サイドが厚く右サイドにいくほど薄くなっているとする。図１の固定子鉄心をその珪素鋼板から打ち抜くと図１の形状で左サイドの主極が厚いのでパーミアンスが大きく、右が小さいことになる。中央の主極はその中間の板厚なのでそのパーミアンス値も中間となる。このような固定子鉄芯を１８０°回転させると、２枚の積層を単位積層として考えると、左のパーミアンス大の主極と右のパーミアンス小の主極が重なり、中央部は中間の大きさの主極同士が重なり、全体として平均化されることになり、この回転させない１枚と１８０°回転させた２枚間でパーミアンスはバランスする。この２枚による単位積層を所定の厚さまで増やせばよく、各主極の２個の小歯のパーミアンスの第４次成分も均一化されることになる。従って主極内での第４次平面でのパーミアンスベクトルはバランスし易くなり、モータ全体でも第４次平面でのパーミアンスベクトルはバランスし易くすることになる。

図８Ａ，図８Ｂで示した従来技術では、回転子永久磁石に高価な希土類磁石を使用している。本発明ではモータを同一サイズで安価なフェライト磁石で低振動回転にて同一トルクが得られる。即ち軸方向で２つの磁気回路に分割構成することで短磁気回路としてフェライト磁石等の残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以下の低グレード磁石が採用できる。例えば従来技術で用いる希土類のネオジウム磁石１個より同一サイズのフェライト磁石２個の方が安価のためモータコストも安価となる。また希土類磁石に比較してフェライト磁石のＢ―Ｈカーブのフラットな傾きによる動作点の安定化により均一な磁束密度効果のため低振動なモータとなる。Ｂ―Ｈカーブがフラットな傾きの場合はエアギャップ等のバラツキで多少動作点が移動しても磁束の値の変化が少なくできることによる。

本発明のモータは回転子の永久磁石は未着磁でモータとして組み立て後に着磁することが品質の向上と安価になるので望ましい。その着磁方法としては軸方向に時間差を設けて正方向着磁とその逆方向着磁をするものである。同時逆方向着磁では反発磁束により永久磁石へ磁化力が十分に届かないことによる。図２で説明すれば最初の磁化は永久磁石２６を主に磁化することを目的としてモータ外部から必要な強さの磁界をかける。次に永久磁石２７を磁化するのに必要なだけの磁界を部分的にかける。このときの磁化力は最初の磁化とは逆向きでその強さも最初のものとは適宜調整して強さが異なるものが望ましい。この時間差を設けて軸方向でお互いに逆方向に着磁することで、またその磁化力を正と逆で調整することで２個の磁石をお互いに逆方向に十分に磁化することができる。このようにすれば本発明の回転電機の性能をフルに発揮した永久磁石式回転電機の提供を安価で高品質で実現できる。

本発明による回転電機は、ＰＭ式回転電機が有する小型化，低コスト化の特徴と共に、従来のＰＭ式回転電機が出せない領域の高速高トルクと低振動が両立して安定して得られ、生産性も良く、安価にもなるので、ステッピングモータや交流同期電動機あるいはブラシレスＤＣモータとして、ＯＡ機器である複写機やプリンターの用途に対し安価で高速高トルク低振動の回転電機の提供が可能であり、工業的に大きな寄与が期待される。その他、医療機器、ＦＡ機器、ロボット、遊戯機械、住宅設備機器への応用も大いに期待される。

１０ ：固定子
１１ ：固定子コア
１１ｂ：主極
１１ｃ：誘導子歯
１２ ：巻き線
２０ ：回転子
２１ ：回転子軸
２２，２３，２４，２５：回転子磁極
２６，２７：永久磁石
２８ ：磁歯

Claims (6)

1. 略環状のコアバック部、及びこのコアバック部より放射状に突出形成されそれぞれの先端に複数（Ｎｓ）個の誘導子歯を形成してなる２ｍ個（ｍは２，４，６何れかの数）の主極からなる固定子コアと、該固定子コアのそれぞれの前記主極に巻回された２相の巻き線とを含む固定子と、
   前記固定子にエアギャップを介して回転自在に設けられ磁性材からなる１対の回転子磁極と該両回転子磁極で挟み込まれ軸方向に着磁された永久磁石とからなる単位回転子を２組共通回転軸上で軸方向に隣接させて構成された回転子とを備え、
   各回転子磁極の外周面には複数個の磁歯が等ピッチで形成され、各単位回転子の１対の回転子磁極はそれぞれの磁歯が１／２ピッチ分ずらせて配置されると共に、両単位回転子はそれぞれの永久磁石の着磁方向が互いに逆になる向きで隣接する回転子磁極の歯位置が一致するように配置されてなる２相ハイブリッド型回転電機であって、
   前記各主極それぞれに形成されるＮｓ個の誘導子歯は、前記固定子コアが９０°非対称となる配置に設定されており、前記回転子磁極の磁歯の歯数Ｎｒは４ｎ（ｎは１以上の整数）個に設定されていることを特徴とする２相ハイブリッド型回転電機。
2. 請求項１において、前記固定子の各主極の先端に設けたＮｓ個の誘導子歯は、前記回転子の回転子歯ピッチより略９０°／（Ｎｓ・Ｎｒ）異なるピッチである略（９０°／Ｎｒ）（４―１／Ｎｓ）に設定されていることを特徴とする２相ハイブリッド型回転電機。
3. 請求項１又は２において、前記固定子コアは磁性鉄板を積層させて１枚ごとに１８０°回転積層されていることを特徴とする２相ハイブリッド型回転電機。
4. 請求項１において、前記固定子の各主極の先端に設けたＮｓ個の誘導子歯は、前記回転子の回転子歯ピッチより略９０°／（Ｎｓ・Ｎｒ）異なるピッチである略（９０°／Ｎｒ）（４―１／Ｎｓ）に設定され、かつ、前記固定子コアは磁性鉄板を積層させて１枚ごとに１８０°回転積層されていることを特徴とする２相ハイブリッド型回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記回転子に用いる永久磁石の残留磁束密度が略０．５Ｔ以下のフェライト系永久磁石であることを特徴とする２相ハイブリッド型回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の２相ハイブリッド型回転電機において、前記回転子の永久磁石は未着磁でモータとして組み立て後に、一方の単位回転子の永久磁石を軸方向に正方向着磁され、その後、時間差を設けて他方の単位回転子の永久磁石が逆方向に部分着磁されることを特徴とする２相ハイブリッド型回転電機の製造方法。

Images