JP5937316B2

JP5937316B2 - ステッピングモータ

Info

Publication number: JP5937316B2
Application number: JP2011179562A
Authority: JP
Inventors: 慎也立花
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: JP2013042640A

Description

本発明は、振動防止と放熱のための構造に特徴のあるステッピングモータに関する。

ステッピングモータはステップ角度だけ回転して次の安定点に移動することで回転するが、停止の際に、回転子（ロータ）の慣性力により減衰振動をしながら振動が収束しつつ停止する。このため、従来から振動対策としてダンパーを用いることが知られている。この問題に対応する技術として、例えば、特許文献１には、ロータ軸にゴム（天然ゴムまたは合成ゴム）を用いた円板形状のダンパーを取り付けた技術が記載されている。この技術では、ゴム材料から形成されたダンパーによってステッピングモータのロータの振動を抑制できるとされている。

他方において、ステッピングモータを連続駆動させた場合、発熱し、ステッピングモータの温度が上昇する問題がある。この発熱は、主にコアの鉄損に起因して発生する。ここで、鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損に分けられる。特許文献２には、インナーロータ型のステッピングモータにおいて、固定子鉄心から発生する熱の放熱を促進させるために、固定子鉄心を挟持する前後のブラケットの表面に黒色アルマイト処理を施すことにより、集熱・放熱効果を生じさせる構成が記載されている。

特開平７―２３６２６３号公報特開平４―３７２５４６号公報

請求項１に記載の発明は、固定子鉄心と、前記固定子鉄心を挟持する一対のブラケットと、前記固定子鉄心の内側において回転自在な状態で保持され、軟磁性材料により構成されるロータコアを備えたロータと、前記ロータの回転中心に固定されたシャフトと、前記シャフトの前記ブラケットの外側に突出した部分に取り付けられ、回転中心から離れた方向に延在する形状を有する金属製の部材とを備え、前記金属製の部材が円盤形状を有した円盤状プレートであり、前記円盤状プレートには、複数の切り込みが形成され、この切込みが折り曲げられている、回転時に軸流を生じる羽が形成され、前記円盤状プレートが、前記ロータコアで発生する熱を外部に放熱する放熱部、前記ロータに慣性モーメントを付加する慣性負荷および冷却ファンとして機能することを特徴とするステッピングモータである。

このような背景において、本発明は、ロータコアから発生する熱を効率よく放熱させ、更にステッピングモータで問題となる振動の発生を抑えることができる技術の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、固定子鉄心と、前記固定子鉄心を挟持する一対のブラケットと、前記固定子鉄心の内側において回転自在な状態で保持され、軟磁性材料により構成されるロータコアを備えたロータと、前記ロータの回転中心に固定されたシャフトと、前記シャフトの前記ブラケットの外側に突出した部分に取り付けられ、回転中心から離れた方向に延在する形状を有する金属製の部材とを備え、前記金属製の部材が円盤形状を有した円盤状プレートであり、前記円盤状プレートには回転中心から離れる方向に延在した複数の切り込みが形成され、この切込みを折り曲げることで回転時に軸流を生じる羽が形成され、前記円盤状プレートが、前記ロータコアで発生する熱を外部に放熱する放熱部、前記ロータに慣性モーメントを付加する慣性負荷および冷却ファンとして機能することを特徴とするステッピングモータである。請求項１に記載の発明によれば、ロータコアで発生する熱が金属製の部材に伝わり、更にそこから空気中に放熱される。この放熱により、ロータの温度上昇が抑えられる。また、金属製の部材が慣性負荷となり、ロータの回転モーメントが増加するので、振動抑制効果も得られる。また、請求項１に記載の発明によれば、回転時に金属製の部材から気流が発生することで、当該金属製の部材自体からの放熱の効率が向上すると共にし、発生する気流により、ハウジングや固定子鉄心からの放熱の効率も向上する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記金属製の部材が円盤形状を有した円盤状プレートであり、前記円盤状プレートに凹凸が形成されていることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、円盤状プレートの表面積が増大し、回転時における円盤状プレートからの放熱効率が高くなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記金属製の部材が円盤形状を有した円盤状プレートであり、前記円盤状プレートに複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、貫通孔の内周面からの放熱も加わるので、貫通孔を設けない場合に比較して円盤状プレートからの放熱効果が高くなる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記一対のブラケットが金属により構成されていることを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、固定子鉄心で発生した熱が、金属により構成されたブラケットに伝導し、そこから放熱される。一対のブラケットを金属で構成することで、この放熱の効率を高くできる。

本発明によれば、ロータコアから発生する熱を効率よく放熱させ、更にステッピングモータで問題となる振動の発生を抑えることができる技術が提供される。

本発明の実施形態におけるＨＢ型ステッピングモータの断面図である。モータ表面温度の変化を示すグラフである。

（構成）
図１には、本発明の実施形態のＨＢ（ハイブリッド）型ステッピングモータ１００が示されている。ＨＢ型ステッピングモータ１００は、固定子鉄心（ステータコア）１０１を備えている。固定子鉄心１０１は、通常のＨＢ型ステッピングモータの固定子鉄心と同じ構造を有している。固定子鉄心１０１は、軟磁性材料により構成されている。この例において、固定子鉄心１０１は、軟磁性材料であるＳＥＣＣ（電磁鋼板）を積層したもので構成されている。図１からは明らかではないが、固定子鉄心１０１は、一般的なＨＢ型ステッピングモータにおける固定子鉄心の場合と同様に、周方向に沿って複数配置された軸中心の方向に延在する突極を備えている。この突極には、樹脂性のボビン１０２が装着され、ボビン１０２には、界磁コイル１０３が巻回されている。

固定子鉄心１０１は、軸方向の前後からアルミダイカストにより構成された一対のブラケット１０４，１０５によって挟まれた状態で保持されている。ブラケット１０４，１０５および固定子鉄心１０１の結合は、図示しない螺子やボルト等の結合部材により行われている。ブラケット１０４には、軸受１０６を介して回転軸となるシャフト１０８が回転自在な状態で保持されている。また、ブラケット１０５には、軸受１０７を介してシャフト１０８が回転自在な状態で保持されている。シャフト１０８には、ロータ１１０が固定されている。この構造により、固定子鉄心１０１の内側でロータ１１０が回転自在な状態で保持されている。なお、シャフト１０８は、ロータ１１０で発生する熱を効率よく伝導させるために金属製の材料（例えば、ステンレス鋼）により構成されている。

ロータ１１０は、一対のロータコア１１１，１１２および略円板形状（あるいは略円筒形状）のロータマグネット１１３を備えている。ロータマグネット１１３は、軸方向において異なる極性となるように着磁されており、ロータコア１１１と１１２を異なる極性に磁化する。ロータマグネット１１３は、軸方向においてロータコア１１１と１１２との間に挟まれて保持されている。このロータ１１０の構造は、通常のＨＢ型ステッピングモータの場合と同じである。ロータコア１１１，１１２は、軟磁性材料により構成されている。この例において、ロータコア１１１，１１２は、電磁鋼板を積層したもので構成されている。固定子鉄心１０１やロータコア１１１，１１２が電磁鋼板を積層した構造を有しているのは、渦電流の発生を抑え、鉄損を抑えるためである。また、ロータコア１１１，１１２は、シャフト１０８に直接接触する構造とし、ロータコア１１１，１１２で発生する熱がシャフト１０８に伝導し易い構造とされている。

シャフト１０８の一端には、ギア１１５が取り付けられ、シャフト１０８の他端には、円盤状プレート１１６が取り付けられている。ギア１１５は、図示しない他のギアと噛み合い、ロータ１１０の回転を外部に伝える。円盤状プレート１１６は、回転中心から離れた方向に延在する形状を有する金属製の部材の一例である。この例において、円盤状プレート１１６は、ロータコア１１１，１１２と同じ電磁鋼板を積層したものにより構成されている。円盤状プレート１１６には、中央に圧入孔が設けられ、そこにシャフト１０８が圧入されることで、シャフト１０８に固定されている。円盤状プレート１１６とシャフト１０８とが直接接触する構造とすることで、ロータ１１０の熱がシャフト１０８を介して円盤状プレート１１６に伝導し、円盤状プレート１１６から効率よく放熱される構造が得られている。ここでは、コスト削減のために、円盤状プレート１１６を電磁鋼板により構成する例を説明したが、円盤状プレート１１６の材質は、質量を稼ぐことができ、且つ、良好な熱伝導を有した材質であれば、他の金属材料であってもよい。

円盤状プレート１１６は、ロータ１１０の回転モーメントを増大させる慣性負荷としても機能する。円盤状プレート１１６があることで、ロータ１１０の慣性モーメントが増大し、振動の抑制効果が得られる。円盤状プレート１１６を取り付けることで発生するイナーシャの値は、円盤状プレート１１６の厚みや直径を選択することで調整することができる。

（放熱機能）
ＨＢ型ステッピングモータ１００を連続駆動すると、固定子鉄心１０１およびロータコア１１１，１１２において鉄損が生じ、固定子鉄心１０１およびロータコア１１１，１１２が発熱する。固定子鉄心１０１で発生した熱は、固定子鉄心１０１の外周から放熱され、またアルミダイカスト製のブラケット１０４，１０５に伝わり、そこから放熱される。ロータコア１１１，１１２で発生した熱は、シャフト１０８を介して、円盤状プレート１１６に伝わり、円盤状プレート１１６から放熱される。円盤状プレート１１６は、熱伝導性の高い金属材料により構成され、また他の部材に対して相対的に大きな面積を有し、更に回転し空冷されるので、放熱効率の高い放熱器として機能する。このため、密閉された（または密閉に近い）環境にあるロータコア１１１，１１２から発生する熱がロータ１１０に集中せず、円盤状プレート１１６から効果的に放熱され、ロータ１１０の温度上昇が抑えられる。

（実証実験）
図１に示すＨＢ型ステッピングモータ１００とは別に、ＨＢ型ステッピングモータ１００の構造から、円盤状プレート１１６を取り外した構造の比較サンプルを作製した。そして、ＨＢ型ステッピングモータ１００と上記比較サンプルとを同じ回転速度（回転数／分）になるように駆動し、固定子鉄心１０１外周の温度を熱電対で測定した。

図２に上記実験の結果を示す。図２には、駆動時間の経過と共にモータの温度が上昇してゆく様子が示されている。図２において、上記の比較サンプル（円盤状プレートなし）のデータが（ａ）のプロット点で示され、実施形態のＨＢ型ステッピングモータ１００のデータが（ｂ）のプロット点で示されている。図２に示されるように、円盤状プレート１１６をシャフト１０８に装着した本実施例のＨＢ型ステッピングモータ１００は、円盤状プレート１１６を装着していないＨＢ型ステッピングモータ（比較サンプル）に比べて、モータの表面温度が約２０℃低い結果が得られた。この結果は、ロータコア１１１，１１２において鉄損に起因して発生した熱が、シャフト１０８から円盤状プレート１１６へと伝導し、円盤状プレート１１６から放熱されることで、固定子鉄心１０１の内側にこもる熱量が減少することに起因すると考えられる。

（優位性）
以上述べたように、実施形態のＨＢ型ステッピングモータ１００は、ロータコア１１１，１１２を備えたロータ１１０の回転中心に金属製のシャフト１０８が固定され、シャフト１０８のブラケット１０５の外部に突出した部分に金属製の円盤状プレート１１６が固定されている。駆動時にロータコア１１１，１１２は、鉄損に起因して発熱するが、この熱は、シャフト１０８から円盤状プレート１１６に伝導し、円盤状プレート１１６から周囲の空間に放熱される。円盤状プレート１１６は、放熱に寄与するのに加えて、慣性負荷としても機能し、振動を抑える機能も発現する。

ステッピングモータが通気性の悪い密閉された空間などで使用されている場合、放熱の効率が低く、ステッピングモータが高温化しやすい。このような状況であっても、本願発明を利用したＨＢ型ステッピングモータ１００では、効率よく放熱が行われ、モータ特性の低下が抑えられる。

ロータマグネット１１３として耐熱温度の低いネオジム磁石等を用いた場合、熱減磁（温度上昇によって磁力が弱まる現象）によってモータの特性が低下する虞がある。これに対して、本実施例のＨＢ型ステッピングモータ１００では、ロータ１１０の温度上昇が抑えられるので、ロータマグネット１１３として熱に弱い磁石を用いても、上記の熱減磁に起因するモータ特性の低下が生じ難いものとできる。

また、円盤状プレート１１６は、慣性負荷としても機能し、ロータ１１０の慣性質量を増大させる。ロータ１１０の慣性質量が増大することで、ステッピングモータで問題となる振動を抑える効果が得られる。

また、安価なＳＥＣＣ（電磁鋼板）からなる円盤状プレート１１６を慣性体としているため、弾性型ダンパーに比べて安価にできる。

（その他）
図１には、円盤状プレート１１６の表面にはなんら加工を施していない例が示されているが、円盤状プレート１１６の円盤部表面に凹凸状の形状を有するように突起や溝を形成することによって表面積を増加させてもよい。円盤状プレート１１６の表面に突起や溝を形成することで、放熱される熱量が増大し、放熱効果を高めることができる。また、円盤状プレート１１６に複数の貫通孔を形成しても良い。貫通孔を設けることで、この貫通孔の内周面も放熱に寄与することとなり、放熱効果を高めることができる。

円盤状プレート１１６の軸方向から見た形状は、円形に限定されず、回転中心に対するバランスが確保された形状であれば他の形状も選択可能である。例えば、円盤状プレート１１６の代わりに軸方向から見た形状が正六角形や正八角形等の多角形状の盤状の構造体を用いることができる。また、円盤状プレート１１６を回転により気流の流れを生じさせる形状とし、放熱手段、慣性負荷および冷却ファン（あるいは放熱ファン）として機能させることもできる。この場合、円盤状プレート１１６に当たる空気の量が増大するので、円盤状プレート自体の空冷による冷却効果が更に向上し、それに加えて円盤状プレート１１６が起こす気流によるブラケット１０５およびその他の部分の空冷効果も得られる。この回転により気流を生じさせる形状としては、ファンやプロペラと同様な原理で気流を生じさせる形状を利用することができる。

この回転時に円盤状プレート１１６に気流を生じさせる構造としては、円盤状プレート１１６に軸から離れる方向に延在した複数の切り込みを入れ、その部分を折り曲げることで、回転時に軸流を生じさせる羽を形成する例等を挙げることができる。

円盤状プレート１１６を図１におけるブラケット１０５の右側に配置する構造に加えて、更にブラケット１０４の左側に配置する構造も可能である。この構造によれば、シャフト１０８を介しての放熱の経路が図１の場合よりも増え、ロータ１１０で発生する熱の放熱を更に効率よく行うことができる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、ステッピングモータに利用することができる。

１００…ＨＢ型ステッピングモータ、１０１…固定子鉄心、１０２…ボビン、１０３…界磁コイル、１０４…ブラケット、１０５…ブラケット、１０６…軸受、１０７…軸受、１０８…シャフト、１１０…ロータ、１１１…ロータコア、１１２…ロータコア、１１３…ロータマグネット、１１５…ギア、１１６…円盤状プレート。

Claims

固定子鉄心と、
前記固定子鉄心を挟持する一対のブラケットと、
前記固定子鉄心の内側において回転自在な状態で保持され、軟磁性材料により構成されるロータコアを備えたロータと、
前記ロータの回転中心に固定されたシャフトと、
前記シャフトの前記ブラケットの外側に突出した部分に取り付けられ、回転中心から離れた方向に延在する形状を有する金属製の部材と
を備え、
前記金属製の部材が円盤形状を有した円盤状プレートであり、
前記円盤状プレートには、複数の切り込みが形成され、この切込みが折り曲げられている、回転時に軸流を生じる羽が形成され、
前記円盤状プレートが、前記ロータコアで発生する熱を外部に放熱する放熱部、前記ロータに慣性モーメントを付加する慣性負荷および冷却ファンとして機能することを特徴とするステッピングモータ。
前記金属製の部材が円盤形状を有した円盤状プレートであり、
前記円盤状プレートに凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ。
前記金属製の部材が円盤形状を有した円盤状プレートであり、
前記円盤状プレートに複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のステッピングモータ。
前記一対のブラケットが金属により構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のステッピングモータ。