JP6285623B2 - ２相ハイブリッド型ステッピングモータ - Google Patents
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Description
本発明は、回転子に永久磁石を用いた２相ハイブリッド型ステッピングモータの構成に関するものである。
近年、モータの小型化と省エネルギ化が強く要求されるようになっている。同じ外形サイズのモータに於いて、より大きなトルクを得られるならば、モータに供給する電流をより少なくすることができ、よって省エネルギ化を実現することができる。
以下、ステッピングモータに関する技術の経過を、１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータを例に記載する。
初期の１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータでは、ステータ歯ピッチとロータ歯ピッチとが共に７．２°であった。しかし、近年のハイブリッド型ステッピングモータでは、振動対策と騒音対策のため、ステータ歯ピッチとロータ歯ピッチとが異なっている。具体的にいうと、近年のハイブリッド型ステッピングモータは、ロータ歯ピッチが７．２°のままであり、ステータ歯ピッチが６．６°〜７．０°であることが多い。
通常のステータは、１ポール（突極）中に６枚の小歯を有している。ステータ歯ピッチとロータ歯ピッチとが異なると、ステータの６枚の小歯とロータ小歯との位置関係は、それぞれ異なる。そのため、近年のハイブリッド型ステッピングモータは、初期のステッピングモータに比べて、吸引極（Ｎ極とＳ極）の相対面積が減り、反発極（Ｎ極とＮ極、Ｓ極とＳ極）の相対面積が増えて、トルクダウンとなってしまう場合があった。なお、吸引極（Ｎ極とＳ極）の相対面積と、反発極（Ｎ極とＮ極、Ｓ極とＳ極）の相対面積とは、励磁後静止時の面積のことをいう。
初期の１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータでは、ステータ歯ピッチとロータ歯ピッチとが共に７．２°であった。しかし、近年のハイブリッド型ステッピングモータでは、振動対策と騒音対策のため、ステータ歯ピッチとロータ歯ピッチとが異なっている。具体的にいうと、近年のハイブリッド型ステッピングモータは、ロータ歯ピッチが７．２°のままであり、ステータ歯ピッチが６．６°〜７．０°であることが多い。
通常のステータは、１ポール（突極）中に６枚の小歯を有している。ステータ歯ピッチとロータ歯ピッチとが異なると、ステータの６枚の小歯とロータ小歯との位置関係は、それぞれ異なる。そのため、近年のハイブリッド型ステッピングモータは、初期のステッピングモータに比べて、吸引極（Ｎ極とＳ極）の相対面積が減り、反発極（Ｎ極とＮ極、Ｓ極とＳ極）の相対面積が増えて、トルクダウンとなってしまう場合があった。なお、吸引極（Ｎ極とＳ極）の相対面積と、反発極（Ｎ極とＮ極、Ｓ極とＳ極）の相対面積とは、励磁後静止時の面積のことをいう。
トルクアップの先行技術としては、以下の文献が上げられる。
特許文献１には、単位体積当りのトルク、即ち「トルク密度」を最適化したハイブリッドステッパモータの発明が記載されている。特許文献１には、トルク密度がｉｄ／ｏｄ比０．６１で最大値に達することが記載されている。特許文献１には、歯厚さ／歯ピッチは０．３８〜０．４５が良く、特に０．４２が好ましいことが記載されている。
特許文献１には、単位体積当りのトルク、即ち「トルク密度」を最適化したハイブリッドステッパモータの発明が記載されている。特許文献１には、トルク密度がｉｄ／ｏｄ比０．６１で最大値に達することが記載されている。特許文献１には、歯厚さ／歯ピッチは０．３８〜０．４５が良く、特に０．４２が好ましいことが記載されている。
特許文献２には、ハイブリッド形のステッピングモータに於いて、回転子から最大トルクを発生させるため、固定子の外径に対する内径の比を、２相の場合で０．６２〜０．６４にすることと、５相の場合で０．６０５〜０．６２５にすることとが記載されている。更に、従来のステッピングモータでは、固定子の外径に対する内径の比は、０．５３前後であったことが記載されている。
特許文献３には、ステータコアのティース幅がロータの外径の０．１４倍以上に構成したブラシレスモータの発明が記載されている。
ステッピングモータのトルクについては、静特性と動特性に相反する部分があり、一律に定義できないこともあるが、特許文献１〜３に記載の発明は、いずれも充分に満足できるプルアウトトルクのトルクアップが行えなかった。
そこで、本発明は、外径寸法を変えず、振動と騒音とを抑制しつつトルクアップした２相ステッピングモータを提供することを課題とする。
前記した課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の発明では、外周面に複数のロータ小歯が等ピッチで配設されたロータと、ステータ外径が４２ｍｍであり、ロータ外径を前記ステータ外径で除算した値が０．６６４かつロータ内径を前記ステータ外径で除算した値が０．６６７であり、当該ロータの外周面と空隙を介して対向するように配設された６個のステータ小歯を設けた８個の突極を有するステータと、を備えた２相ハイブリッド型ステッピングモータであって、前記ステータ小歯は、所定のステータ歯厚を有し、６．９度の円弧のステータ歯ピッチで配設され、前記ロータ小歯は、先端部から所定部分は均一な所定のロータ歯厚を有し、前記所定部分から歯底部分まで所定角度で傾斜して、歯底部分ほど厚みが広がるように構成されており、かつ前記先端部は７．２度の円弧のロータ歯ピッチで配設され、励磁静止時に前記ロータと対向するすべての前記ステータ小歯の面積に対する反発極の面積である反発面積比率は、０％から４％の範囲、ステータ内径に対する前記ステータ歯厚の寸法比が０．０１５から０．０２２の範囲、及びロータ外径に対する前記ロータ歯厚の寸法比が０．０１４から０．０２０の範囲、前記ステータ歯ピッチに対する前記ステータ歯厚の寸法比が０．２４３から０．３６８の範囲、前記ロータ歯ピッチに対する前記ロータ歯厚の寸法比が０．２１７から０．３２５の範囲である、ことを特徴とする２相ハイブリッド型ステッピングモータとした。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
本発明によれば、外径寸法を変えず、振動と騒音とを抑制しつつトルクアップした２相ステッピングモータを提供することができる。
以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
（本実施形態の構成）
図１は、本実施形態に於けるハイブリッド型ステッピングモータの構成図である。
本実施形態に於けるステッピングモータ１０は、フロントフランジ１１と、ボールベアリング１３と、ロータ３０と、ステータ４０と、リードワイヤ・コネクタ１８と、ボールベアリング１４と、スプリングシム１５と、リアフランジ１２と、ボルト２０ａ〜２０ｄとを備えている。
ロータ３０の回転軸３１の前部は、ボールベアリング１３を介してフロントフランジ１１の軸受けに挿入される。ロータ３０の回転軸３１の後部は、ボールベアリング１４を介してリアフランジ１２の軸受けに挿入され、スプリングシム１５によって前面へ押圧される。
リアフランジ１２は、４つのボルト２０ａ〜２０ｄによって、ステータ４０およびフロントフランジ１１に固定される。ステータ４０は、ロータ３０の外周に近接して固定される。ステータ４０とロータ３０との関係は、図２に記載する。
本実施形態に於けるステッピングモータ１０は、フロントフランジ１１と、ボールベアリング１３と、ロータ３０と、ステータ４０と、リードワイヤ・コネクタ１８と、ボールベアリング１４と、スプリングシム１５と、リアフランジ１２と、ボルト２０ａ〜２０ｄとを備えている。
ロータ３０の回転軸３１の前部は、ボールベアリング１３を介してフロントフランジ１１の軸受けに挿入される。ロータ３０の回転軸３１の後部は、ボールベアリング１４を介してリアフランジ１２の軸受けに挿入され、スプリングシム１５によって前面へ押圧される。
リアフランジ１２は、４つのボルト２０ａ〜２０ｄによって、ステータ４０およびフロントフランジ１１に固定される。ステータ４０は、ロータ３０の外周に近接して固定される。ステータ４０とロータ３０との関係は、図２に記載する。
図１に示すように、フロントフランジ１１とリアフランジ１２とは、当該ステッピングモータ１０の外部筐体を構成している。フロントフランジ１１とリアフランジ１２とは、中心部の軸受けによってロータ３０を回転可能としている。フロントフランジ１１とリアフランジ１２とは、ボルト２０ａ〜２０ｄによって固定されていると共に、ステータ４０を挟み込んで固定している。以下、ボルト２０ａ〜２０ｄを特に区別しないときには、単にボルト２０と記載する場合がある。
ボールベアリング１３，１４は、ロータ３０の回転摩擦を軽減するものである。
スプリングシム１５は、ボールベアリング１４とリアフランジ１２との間に取り付けられ、このボールベアリング１４を前面に押圧することによって、ロータ３０の前後方向の位置決めを行うものである。
ボールベアリング１３，１４は、ロータ３０の回転摩擦を軽減するものである。
スプリングシム１５は、ボールベアリング１４とリアフランジ１２との間に取り付けられ、このボールベアリング１４を前面に押圧することによって、ロータ３０の前後方向の位置決めを行うものである。
ロータ３０は、ロータコア３３と、当該ロータコア３３の中心に配設された回転軸３１とマグネット（永久磁石）３５を備えている。ロータコア３３はマグネット３５を挟んで２つ配設され、一方は外周に向けてＮ極の磁場を発生し他方はＳ極の磁場を発生している。
ステータ４０は、駆動電力によって、所定の磁場を発生するものである。
リードワイヤ・コネクタ１８は、ステータ４０の上部に固定されている。リードワイヤ・コネクタ１８は、ステッピングモータ１０を駆動する電力を巻線４４に供給するコネクタである。
ステータ４０は、駆動電力によって、所定の磁場を発生するものである。
リードワイヤ・コネクタ１８は、ステータ４０の上部に固定されている。リードワイヤ・コネクタ１８は、ステッピングモータ１０を駆動する電力を巻線４４に供給するコネクタである。
図２（ａ），（ｂ）は、一般のステッピングモータの吸引極と反発極を示す説明図である。
図２（ａ）は、ロータ３０とステータ４０との関係を示す図である。
ステータ４０は、ステータヨーク４１を備えている。当該ステータヨーク４１の内周側には、８個のステータポール４３が等間隔に形成されている。８個のステータポール４３の内部側には、それぞれ６個のステータ小歯４２が形成されている。各ステータポール４３には、それぞれ巻線４４が巻回されている。ステータ４０は、複数の突極である複数のステータポール４３を有している。ステータポール４３は、ロータ３０の外周面と空隙を介して対向するように配設されている。
ロータ３０は、ほぼ円形であり、中心部には回転軸３１が設けられていると共に、ロータコア３３の外周部には、複数のロータ小歯３２が等間隔（等ピッチ）で設けられている。ロータコア３３はマグネット３５を挟んで２つ配設され、一方は外周に向けてＮ極の磁場を発生し他方はＳ極の磁場を発生しているが、この図２（ａ）では説明の便宜上、一方のＮ極の磁場を発生している側のみを図示している。
この図２（ａ）では、リードワイヤ・コネクタ１８を介して、Ａ相コイルおよびＢ相コイルに、それぞれ所定の電流が流れることにより、ステータ４０に所定の磁場が発生する。この図２（ａ）では、隣接するステータポール４３の順番に、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極と、同一の極の磁場が２つずつ交互に発生していることを示している。
Ｓ極が発生しているステータポール４３に於いて、ステータ小歯４２とロータ小歯３２とは、吸引相対面（吸引極面）を形成する。Ｎ極が発生しているステータポール４３に於いて、ステータ小歯４２とロータ小歯３２とは、反発相対面（反発極面）を形成する。
ステータ４０は、ステータヨーク４１を備えている。当該ステータヨーク４１の内周側には、８個のステータポール４３が等間隔に形成されている。８個のステータポール４３の内部側には、それぞれ６個のステータ小歯４２が形成されている。各ステータポール４３には、それぞれ巻線４４が巻回されている。ステータ４０は、複数の突極である複数のステータポール４３を有している。ステータポール４３は、ロータ３０の外周面と空隙を介して対向するように配設されている。
ロータ３０は、ほぼ円形であり、中心部には回転軸３１が設けられていると共に、ロータコア３３の外周部には、複数のロータ小歯３２が等間隔（等ピッチ）で設けられている。ロータコア３３はマグネット３５を挟んで２つ配設され、一方は外周に向けてＮ極の磁場を発生し他方はＳ極の磁場を発生しているが、この図２（ａ）では説明の便宜上、一方のＮ極の磁場を発生している側のみを図示している。
この図２（ａ）では、リードワイヤ・コネクタ１８を介して、Ａ相コイルおよびＢ相コイルに、それぞれ所定の電流が流れることにより、ステータ４０に所定の磁場が発生する。この図２（ａ）では、隣接するステータポール４３の順番に、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極と、同一の極の磁場が２つずつ交互に発生していることを示している。
Ｓ極が発生しているステータポール４３に於いて、ステータ小歯４２とロータ小歯３２とは、吸引相対面（吸引極面）を形成する。Ｎ極が発生しているステータポール４３に於いて、ステータ小歯４２とロータ小歯３２とは、反発相対面（反発極面）を形成する。
図２（ｂ）は、ロータ３０とステータ４０との拡大図である。
ステータヨーク４１の左上の角には、孔部４５が形成されている。この孔部４５によって、ステータ４０は筐体に固定される。
この図２（ｂ）の上部に設けられたステータポール４３は、Ｎ極の磁場を発生しており、当該ステータポール４３に於いて、ステータ小歯４２とロータ小歯３２とは、反発相対面（反発極面）を形成する。
この図２（ｂ）の左斜め上に設けられたステータポール４３は、Ｓ極の磁場を発生しており、当該ステータポール４３に於いて、ステータ小歯４２とロータ小歯３２とは、吸引相対面（吸引極面）を形成する。吸引極面の合計面積から反発極面の合計面積を差し引いた「差」を「対向面積」と呼ぶ。
ステータヨーク４１の左上の角には、孔部４５が形成されている。この孔部４５によって、ステータ４０は筐体に固定される。
この図２（ｂ）の上部に設けられたステータポール４３は、Ｎ極の磁場を発生しており、当該ステータポール４３に於いて、ステータ小歯４２とロータ小歯３２とは、反発相対面（反発極面）を形成する。
この図２（ｂ）の左斜め上に設けられたステータポール４３は、Ｓ極の磁場を発生しており、当該ステータポール４３に於いて、ステータ小歯４２とロータ小歯３２とは、吸引相対面（吸引極面）を形成する。吸引極面の合計面積から反発極面の合計面積を差し引いた「差」を「対向面積」と呼ぶ。
図３（ａ），（ｂ）は、本実施形態に於けるステータを示す概略の構成図である。
図３（ａ）は、本実施形態に於けるステータ４０の全体を示す図である。
本実施形態のステッピングモータ１０のステータ４０は、略四角形の角型コアであって、４つのコーナ部は、孔部４５を備えており、その孔部４５に沿うように角が形成されている。孔部４５は、適宜選択されてボルト２０が挿通される孔である。ステータ４０は、珪素鋼板を前述した形にプレス加工したものを積層したものである。
ステータヨーク４１の内側には、等間隔で放射状に８個のステータポール４３が設けられている。ステータヨーク４１は所定枚数積層して構成され、それぞれのステータポール４３にはＡ相コイル（不図示）とＢ相コイル（不図示）とが巻回されて、２相ハイブリッド型のステッピングモータ１０を構成している。そして、ステータポール４３のステータ小歯４２と所定のギャップを介して、ロータ３０が配設されている。
ステータヨーク４１の外径（ステータの外形は円形でなく四角形であるが、一辺の長さをステータではステータ外径と呼ぶ）は、ステータ外径Ｓｏｄである。本実施形態で説明するＳｏｄは４２ｍｍである。ステータ４０の内周の径は、ステータ内径Ｓｉｄである。
本実施形態のステッピングモータ１０のステータ４０は、略四角形の角型コアであって、４つのコーナ部は、孔部４５を備えており、その孔部４５に沿うように角が形成されている。孔部４５は、適宜選択されてボルト２０が挿通される孔である。ステータ４０は、珪素鋼板を前述した形にプレス加工したものを積層したものである。
ステータヨーク４１の内側には、等間隔で放射状に８個のステータポール４３が設けられている。ステータヨーク４１は所定枚数積層して構成され、それぞれのステータポール４３にはＡ相コイル（不図示）とＢ相コイル（不図示）とが巻回されて、２相ハイブリッド型のステッピングモータ１０を構成している。そして、ステータポール４３のステータ小歯４２と所定のギャップを介して、ロータ３０が配設されている。
ステータヨーク４１の外径（ステータの外形は円形でなく四角形であるが、一辺の長さをステータではステータ外径と呼ぶ）は、ステータ外径Ｓｏｄである。本実施形態で説明するＳｏｄは４２ｍｍである。ステータ４０の内周の径は、ステータ内径Ｓｉｄである。
図３（ｂ）は、ステータポール４３の部分を示した拡大図である。
各ステータポール４３の先端には、等ピッチで６個のステータ小歯４２が形成されている。ステータ小歯４２の厚さは、ステータ歯厚Ｗｓである。ステータ小歯４２の間隔は、ステータ歯ピッチＰｓである。本実施形態でステータ歯ピッチＰｓは６．９度の円弧である。
各ステータポール４３の先端には、等ピッチで６個のステータ小歯４２が形成されている。ステータ小歯４２の厚さは、ステータ歯厚Ｗｓである。ステータ小歯４２の間隔は、ステータ歯ピッチＰｓである。本実施形態でステータ歯ピッチＰｓは６．９度の円弧である。
図４（ａ），（ｂ）は、本実施形態に於けるロータを示す概略の構成図である。
図４（ａ）は、ロータ３０の全体を示す図である。
ロータ３０は、回転軸３１と、回転軸３１に装着されたマグネット３５（図示せず）とロータコア３３とから構成されている。ロータコア３３は所定の枚数だけ積層して構成され、軸方向にＮ極とＳ極に着磁されたマグネット３５を挟持するように両側に配置されている。ロータコア３３の外周には、等ピッチで複数のロータ小歯３２が設けられている。ロータ外径Ｒｏｄは、このロータコア３３の直径であり、従来品より１．０８倍大きく変更されている。
ロータ３０は、回転軸３１と、回転軸３１に装着されたマグネット３５（図示せず）とロータコア３３とから構成されている。ロータコア３３は所定の枚数だけ積層して構成され、軸方向にＮ極とＳ極に着磁されたマグネット３５を挟持するように両側に配置されている。ロータコア３３の外周には、等ピッチで複数のロータ小歯３２が設けられている。ロータ外径Ｒｏｄは、このロータコア３３の直径であり、従来品より１．０８倍大きく変更されている。
図４（ｂ）は、ロータ３０の外周の拡大図である。
ロータコア３３の外周には、等ピッチでロータ小歯３２が形成されている。ロータ小歯３２の歯底形状は、逆台形状である。ロータ小歯３２の先端部から所定部分は均一な厚みであり、前記所定部分から歯底部分まで所定角度で傾斜して、歯底部分ほど厚みが広がるように構成されている。これにより、ロータ小歯３２は、吸引力や反発力が横方向に加わっても、変形して破壊されないように構造的強度をアップすることができる。
ロータ小歯３２の厚さは、ロータ歯厚Ｗｒである。ロータ小歯３２の間隔は、ロータ歯ピッチＰｒである。本実施形態でロータ歯ピッチＰｒは７．２度の円弧である。
ロータコア３３の外周には、等ピッチでロータ小歯３２が形成されている。ロータ小歯３２の歯底形状は、逆台形状である。ロータ小歯３２の先端部から所定部分は均一な厚みであり、前記所定部分から歯底部分まで所定角度で傾斜して、歯底部分ほど厚みが広がるように構成されている。これにより、ロータ小歯３２は、吸引力や反発力が横方向に加わっても、変形して破壊されないように構造的強度をアップすることができる。
ロータ小歯３２の厚さは、ロータ歯厚Ｗｒである。ロータ小歯３２の間隔は、ロータ歯ピッチＰｒである。本実施形態でロータ歯ピッチＰｒは７．２度の円弧である。
（本実施形態の寸法）
本実施形態に於けるハイブリッド型のステッピングモータ１０は、低速時トルクは現行から大きく低下させずに、高速時のトルクアップを狙った構造としている。ここで、「高速」とは、２相励磁のパルスを４０００〜２００００Ｈｚとして、ステッピングモータ１０を駆動しているときをいう。「低速」とは、２相励磁のパルスを０〜１５００Ｈｚとして、ステッピングモータ１０を駆動しているときをいう。
本実施形態では、ステータ小歯４２とロータ小歯３２との対向する位置関係に注目している。すなわち、以下のようにして、最大のトルクを発生させる構造の知見を得た。
磁束φと、モータ磁気回路のインダクタンスＬとは、以下の（式１）の関係を満たす。
本実施形態に於けるハイブリッド型のステッピングモータ１０は、低速時トルクは現行から大きく低下させずに、高速時のトルクアップを狙った構造としている。ここで、「高速」とは、２相励磁のパルスを４０００〜２００００Ｈｚとして、ステッピングモータ１０を駆動しているときをいう。「低速」とは、２相励磁のパルスを０〜１５００Ｈｚとして、ステッピングモータ１０を駆動しているときをいう。
本実施形態では、ステータ小歯４２とロータ小歯３２との対向する位置関係に注目している。すなわち、以下のようにして、最大のトルクを発生させる構造の知見を得た。
磁束φと、モータ磁気回路のインダクタンスＬとは、以下の（式１）の関係を満たす。
モータ磁気回路のインダクタンスＬは、以下の（式２）の関係を満たす。
（式１）、（式２）より、磁束φを大きくするには、インダクタンスＬを大きくする必要がある。巻数Ｎと電流Ｉとが一定である場合、インダクタンスＬを大きくするためには、磁気回路断面積Ｓを大きくする必要がある。ステータ小歯４２のステータ歯厚Ｗｓとロータ小歯３２のロータ歯厚Ｗｒとを大きくすると、磁気回路断面積Ｓを大きくすることが可能である。しかし、これらの寸法を大きくしすぎると、反発極の影響が大きくなり、ステッピングモータ１０のトルクが減少してしまうという問題があった。
また、高速運転になるにつれ各相の励磁切替えのタイミングが早くなり、インダクタンスＬの影響を受けて電流が定格電流まで立ち上がる前に次の相に切り替わるようになり、トルクダウンさせるようにはたらく。したがって歯厚を小さくしてインダクタンスＬを下げたほうが寧ろトルクアップに寄与するようになってくる。
それらを考慮すると、ステッピングモータ１０の高速時のトルクを最大化するためには、ステータ小歯４２がロータ３０と対向する小歯すべての面積（本実施形態では6枚×８突極＝48枚の歯厚面積）に対する反発極の面積の比率である反発面積比率を最小化することがポイントであるとの知見を得た。
本実施形態では、ステータ小歯４２とロータ小歯３２の寸法比のパラメータ空間に於いて、反発面積比率が０％から所定値までの範囲内となり、よって高速時のトルク特性が最大となるように構成した。ステッピングモータ１０は、当該反発面積比率が０％から４％までの範囲内のときに望ましいトルク性能が得られ、当該反発面積比率が０％から１％までの範囲内のときには、更に望ましいトルク性能が得られる。具体的には、以下の図５〜図８で示す寸法関係にすることで実現した。
また、高速運転になるにつれ各相の励磁切替えのタイミングが早くなり、インダクタンスＬの影響を受けて電流が定格電流まで立ち上がる前に次の相に切り替わるようになり、トルクダウンさせるようにはたらく。したがって歯厚を小さくしてインダクタンスＬを下げたほうが寧ろトルクアップに寄与するようになってくる。
それらを考慮すると、ステッピングモータ１０の高速時のトルクを最大化するためには、ステータ小歯４２がロータ３０と対向する小歯すべての面積（本実施形態では6枚×８突極＝48枚の歯厚面積）に対する反発極の面積の比率である反発面積比率を最小化することがポイントであるとの知見を得た。
本実施形態では、ステータ小歯４２とロータ小歯３２の寸法比のパラメータ空間に於いて、反発面積比率が０％から所定値までの範囲内となり、よって高速時のトルク特性が最大となるように構成した。ステッピングモータ１０は、当該反発面積比率が０％から４％までの範囲内のときに望ましいトルク性能が得られ、当該反発面積比率が０％から１％までの範囲内のときには、更に望ましいトルク性能が得られる。具体的には、以下の図５〜図８で示す寸法関係にすることで実現した。
図５（ａ），（ｂ）は、本実施形態に於けるステータ歯厚／内径と特性との関係を示すグラフである。
図５（ａ）は、（ステータ歯厚Ｗｓ／ステータ内径Ｓｉｄ）とプルアウトトルク特性との関係を示すグラフである。
図５（ａ）の縦軸は、１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータ１０の相対トルクを示している。図５（ａ）の縦軸は、Ｗｓ／Ｓｉｄ＝０．０２５のときの値を１．０としている。図５（ａ）の横軸は、ステータ歯厚Ｗｓとステータ内径Ｓｉｄとの比を示している。
図５（ａ）の三角形マーカは、高速時の例であり、２相励磁のパルスが４０００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性を示している。このとき、１．８°ステップのステッピングモータ１０では１回転＝２００パルスなので、その回転速度は、２０回転／秒＝１２００回転／分＝１２００ｒｐｍである。
図５（ａ）の菱形マーカは、低速時の例であり、２相励磁のパルスが８００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性を示している。このとき、１．８°ステップのステッピングモータ１０では１回転＝２００パルスなので、その回転速度は、４回転／秒＝２４０回転／分＝２４０ｒｐｍである。
Ｗｓ／Ｓｉｄ＝０．０１８のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは最大となる。Ｗｓ／Ｓｉｄが０．０１５〜０．０２２の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。Ｗｓ／Ｓｉｄが０．０１７〜０．０２０の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、更に好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。
図５（ａ）の縦軸は、１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータ１０の相対トルクを示している。図５（ａ）の縦軸は、Ｗｓ／Ｓｉｄ＝０．０２５のときの値を１．０としている。図５（ａ）の横軸は、ステータ歯厚Ｗｓとステータ内径Ｓｉｄとの比を示している。
図５（ａ）の三角形マーカは、高速時の例であり、２相励磁のパルスが４０００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性を示している。このとき、１．８°ステップのステッピングモータ１０では１回転＝２００パルスなので、その回転速度は、２０回転／秒＝１２００回転／分＝１２００ｒｐｍである。
図５（ａ）の菱形マーカは、低速時の例であり、２相励磁のパルスが８００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性を示している。このとき、１．８°ステップのステッピングモータ１０では１回転＝２００パルスなので、その回転速度は、４回転／秒＝２４０回転／分＝２４０ｒｐｍである。
Ｗｓ／Ｓｉｄ＝０．０１８のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは最大となる。Ｗｓ／Ｓｉｄが０．０１５〜０．０２２の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。Ｗｓ／Ｓｉｄが０．０１７〜０．０２０の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、更に好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。
図５（ｂ）は、（ステータ歯厚Ｗｓ／ステータ内径Ｓｉｄ）と反発面積比率との関係を示すグラフである。
Ｗｓ／Ｓｉｄが０．０１５〜０．０２２の範囲内のとき、反発面積比率は、０％〜４％の範囲となる。Ｗｓ／Ｓｉｄが０．０１７〜０．０２０の範囲内とき、反発面積比率は、０％〜１％の範囲となる。
Ｗｓ／Ｓｉｄが０．０１５〜０．０２２の範囲内のとき、反発面積比率は、０％〜４％の範囲となる。Ｗｓ／Ｓｉｄが０．０１７〜０．０２０の範囲内とき、反発面積比率は、０％〜１％の範囲となる。
図６（ａ），（ｂ）は、本実施形態に於けるステータ歯厚／歯ピッチと特性との関係を示すグラフである。
図６（ａ）は、（ステータ歯厚Ｗｓ／ステータ歯ピッチＰｓ）とプルアウトトルク特性との関係を示すグラフである。
図６（ａ）の縦軸は、１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータ１０の相対トルクを示している。図６（ａ）の縦軸は、Ｗｓ／Ｐｓ＝０．４０９のときの値を１．０としている。図６（ａ）の横軸は、ステータ歯厚Ｗｓとステータ歯ピッチＰｓとの比を示している。
図６（ａ）の三角形マーカは、２相励磁のパルスが４０００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性（高速時）を示している。図６（ａ）の菱形マーカは、２相励磁のパルスが８００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性（低速時）を示している。
Ｗｓ／Ｐｓ＝０．３０２のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは最大となる。Ｗｓ／Ｐｓが０．２４３〜０．３６８の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。Ｗｓ／Ｐｓが０．２８５〜０．３２６の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、更に好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。
図６（ａ）の縦軸は、１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータ１０の相対トルクを示している。図６（ａ）の縦軸は、Ｗｓ／Ｐｓ＝０．４０９のときの値を１．０としている。図６（ａ）の横軸は、ステータ歯厚Ｗｓとステータ歯ピッチＰｓとの比を示している。
図６（ａ）の三角形マーカは、２相励磁のパルスが４０００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性（高速時）を示している。図６（ａ）の菱形マーカは、２相励磁のパルスが８００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性（低速時）を示している。
Ｗｓ／Ｐｓ＝０．３０２のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは最大となる。Ｗｓ／Ｐｓが０．２４３〜０．３６８の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。Ｗｓ／Ｐｓが０．２８５〜０．３２６の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、更に好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。
図６（ｂ）は、（ステータ歯厚Ｗｓ／ステータ歯ピッチＰｓ）と反発面積比率との関係を示すグラフである。
Ｗｓ／Ｐｓが０．２４３〜０．３６８の範囲内のときに、反発面積比率は０％〜４％の範囲となる。Ｗｓ／Ｐｓが０．２８５〜０．３２６の範囲内のときに、反発面積比率は０％〜１％の範囲となる。
Ｗｓ／Ｐｓが０．２４３〜０．３６８の範囲内のときに、反発面積比率は０％〜４％の範囲となる。Ｗｓ／Ｐｓが０．２８５〜０．３２６の範囲内のときに、反発面積比率は０％〜１％の範囲となる。
図７（ａ），（ｂ）は、本実施形態に於けるロータ歯厚／外径と特性との関係を示すグラフである。
図７（ａ）は、（ロータ歯厚Ｗｒ／ロータ外径Ｒｏｄ）とプルアウトトルク特性との関係を示すグラフである。
図７（ａ）の縦軸は、１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータ１０の相対トルクを示している。図７（ａ）の縦軸は、Ｗｒ／Ｒｏｄ＝０．０２３のときの値を１．０としている。図７（ａ）の横軸は、ロータ歯厚Ｗｒとロータ外径Ｒｏｄとの比を示している。
図７（ａ）の縦軸は、１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータ１０の相対トルクを示している。図７（ａ）の縦軸は、Ｗｒ／Ｒｏｄ＝０．０２３のときの値を１．０としている。図７（ａ）の横軸は、ロータ歯厚Ｗｒとロータ外径Ｒｏｄとの比を示している。
図７（ａ）の三角形マーカは、２相励磁のパルスが４０００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性（高速時）を示している。図７（ａ）の菱形マーカは、２相励磁のパルスが８００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性（低速時）を示している。
Ｗｒ／Ｒｏｄ＝０．０１７のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは最大となる。Ｗｒ／Ｒｏｄが０．０１４〜０．０２０の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。Ｗｒ／Ｒｏｄが０．０１６〜０．０１８の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、更に好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。
Ｗｒ／Ｒｏｄ＝０．０１７のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは最大となる。Ｗｒ／Ｒｏｄが０．０１４〜０．０２０の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。Ｗｒ／Ｒｏｄが０．０１６〜０．０１８の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、更に好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。
図７（ｂ）は、（ロータ歯厚Ｗｒ／ロータ外径Ｒｏｄ）と反発面積比率との関係を示すグラフである。
Ｗｒ／Ｒｏｄが０．０１４〜０．０２０の範囲内のとき、反発面積比率は、０％〜４％の範囲となる。Ｗｒ／Ｒｏｄが０．０１６〜０．０１８の範囲内のとき、反発面積比率は、０％〜１％の範囲となる。
Ｗｒ／Ｒｏｄが０．０１４〜０．０２０の範囲内のとき、反発面積比率は、０％〜４％の範囲となる。Ｗｒ／Ｒｏｄが０．０１６〜０．０１８の範囲内のとき、反発面積比率は、０％〜１％の範囲となる。
図８（ａ），（ｂ）は、本実施形態に於けるロータ歯厚／歯ピッチと特性との関係を示すグラフである。
図８（ａ）は、（ロータ歯厚Ｗｒ／ロータ歯ピッチＰｒ）とプルアウトトルク特性との関係を示すグラフである。
図８（ａ）の縦軸は、１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータ１０の相対トルクを示している。図８（ａ）の縦軸は、Ｗｒ／Ｐｒ＝０．３６０のときの値を１．０としている。図８（ａ）の横軸は、ロータ歯厚Ｗｒとロータ歯ピッチＰｒとの比を示している。
図８（ａ）の縦軸は、１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータ１０の相対トルクを示している。図８（ａ）の縦軸は、Ｗｒ／Ｐｒ＝０．３６０のときの値を１．０としている。図８（ａ）の横軸は、ロータ歯厚Ｗｒとロータ歯ピッチＰｒとの比を示している。
図８（ａ）の三角形マーカは、２相励磁のパルスが４０００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性（高速時）を示している。図８（ａ）の菱形マーカは、２相励磁のパルスが８００Ｈｚのときのステッピングモータ１０のトルク特性（低速時）を示している。
Ｗｒ／Ｐｒ＝０．２６８のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは最大となる。Ｗｒ／Ｐｒが０．２１７〜０．３２５の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。Ｗｒ／Ｐｒが０．２５１〜０．２８５の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、更に好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。
Ｗｒ／Ｐｒ＝０．２６８のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは最大となる。Ｗｒ／Ｐｒが０．２１７〜０．３２５の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。Ｗｒ／Ｐｒが０．２５１〜０．２８５の範囲内のとき、ステッピングモータ１０の高速時のトルクは、更に好ましい値となり、ステッピングモータ１０の低速時のトルクは、現行から大きく低下しない。
図８（ｂ）は、（ロータ歯厚Ｗｒ／ロータ歯ピッチＰｒ）と反発面積比率との関係を示すグラフである。
Ｗｒ／Ｐｒが０．２１７〜０．３２５の範囲内のとき、反発面積比率は、０％〜４％の範囲となる。Ｗｒ／Ｐｒが０．２５１〜０．２８５の範囲内のとき、反発面積比率は、０％〜１％の範囲となる。
Ｗｒ／Ｐｒが０．２１７〜０．３２５の範囲内のとき、反発面積比率は、０％〜４％の範囲となる。Ｗｒ／Ｐｒが０．２５１〜０．２８５の範囲内のとき、反発面積比率は、０％〜１％の範囲となる。
本実施形態に於ける１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータ１０は、ロータ外径Ｒｏｄとステータ外径□Ｓｏｄとの関係をＲｏｄ／Ｓｏｄ＝０．６６４とし、ステータ内径Ｓｉｄとステータ外径□Ｓｏｄとの関係をＳｉｄ／Ｓｏｄ＝０．６６７とした。
更に、当該ステッピングモータ１０は、ステータポール厚さＷｐとステータ外径Ｓｏｄとの関係を、Ｗｐ／Ｓｏｄが０．０８５〜０．０８６の範囲とし、ステータポール厚さＷｐとステータ内径Ｓｉｄとの関係をＷｐ／Ｓｉｄ＝０．１２〜０．１３の範囲とした。
更に、当該ステッピングモータ１０は、ステータポール厚さＷｐとステータ外径Ｓｏｄとの関係を、Ｗｐ／Ｓｏｄが０．０８５〜０．０８６の範囲とし、ステータポール厚さＷｐとステータ内径Ｓｉｄとの関係をＷｐ／Ｓｉｄ＝０．１２〜０．１３の範囲とした。
（本実施形態の効果）
以上説明した本実施形態では、次の（Ａ）〜（Ｃ）のような効果がある。
（Ａ） ０〜１５００Ｈｚで駆動する低速時トルクは現行から大きく低下させずに、４０００〜２００００Ｈｚで駆動する高速時トルクは、従来品と比べ、約１．３倍に改善されるという効果を奏する。
以上説明した本実施形態では、次の（Ａ）〜（Ｃ）のような効果がある。
（Ａ） ０〜１５００Ｈｚで駆動する低速時トルクは現行から大きく低下させずに、４０００〜２００００Ｈｚで駆動する高速時トルクは、従来品と比べ、約１．３倍に改善されるという効果を奏する。
（Ｂ） ロータ外径Ｒｏｄを１．０８倍大きく変更することで、トルクは１．０８倍に改善された。更に、ロータ小歯３２とステータ小歯４２の寸法の変更により、トルクは１．２１倍に改善された。このロータ外径Ｒｏｄと、ロータ小歯３２とステータ小歯４２の寸法の変更の相乗効果により、従来品と比べ、トルクが約１．３倍に改善されるという効果を奏する。
（Ｃ） 低速時トルクは、グラフ上で１００％〜９１％と低下している。しかし、ロータ径の変更に伴い、トルクが８％改善されているので、従来品とトルクを絶対値で比較すると、＋８％〜−１％の範囲である。よって、低速時トルクを現行から大きく低下させないという効果を奏する。
（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ａ）〜（ｃ）のようなものがある。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ａ）〜（ｃ）のようなものがある。
（ａ） 本実施形態は、１．８度ステップ（２００ステップ）ハイブリッド型ステッピングモータ１０に係るものである。しかし、これに限られず、別のステップ角を有しているハイブリッド型ステッピングモータであってもよい。
この場合、ステータ歯ピッチＰｓおよびロータ歯ピッチＰｒを規準とする例えばステータ歯厚Ｗｓ／ステータ歯ピッチＰｓの比（Ｗｓ／Ｐｓ）などはそのままの比（０．２４３〜０．３６８）を適用できるが、ステータ内径Ｓｉｄおよびロータ外径Ｒｏｄを規準とする例えばステータ歯厚Ｗｓ／ステータ内径Ｓｉｄの比（Ｗｓ／Ｓｉｄ）などは、ステップ角に応じて比を変更することで適用できる。
具体的にステップ角に応じた変更を例示すれば、３．６度ステップ（２倍の粗さ）に適用する場合は、１．８度ステップで適用した好ましいステータ歯厚Ｗｓ／ステータ内径Ｓｉｄ比が０．０１５〜０．０２２であるから、同比を２倍の０．０３０〜０．０４４とすることで適用するとよい。また、０．９度ステップ（１／２の細かさ）に適用する場合は、１／２の０．００７５〜０．０１１とすることで適用できる。
この場合、ステータ歯ピッチＰｓおよびロータ歯ピッチＰｒを規準とする例えばステータ歯厚Ｗｓ／ステータ歯ピッチＰｓの比（Ｗｓ／Ｐｓ）などはそのままの比（０．２４３〜０．３６８）を適用できるが、ステータ内径Ｓｉｄおよびロータ外径Ｒｏｄを規準とする例えばステータ歯厚Ｗｓ／ステータ内径Ｓｉｄの比（Ｗｓ／Ｓｉｄ）などは、ステップ角に応じて比を変更することで適用できる。
具体的にステップ角に応じた変更を例示すれば、３．６度ステップ（２倍の粗さ）に適用する場合は、１．８度ステップで適用した好ましいステータ歯厚Ｗｓ／ステータ内径Ｓｉｄ比が０．０１５〜０．０２２であるから、同比を２倍の０．０３０〜０．０４４とすることで適用するとよい。また、０．９度ステップ（１／２の細かさ）に適用する場合は、１／２の０．００７５〜０．０１１とすることで適用できる。
（ｂ） 本発明は、２相のステッピングモータ１０に限られず、例えば３相または５相のステッピングモータに適用してもよい。
（ｃ） 本発明は、ステータ外径４２ｍｍに限らず、例えばステータ外径５６．４ｍｍのステッピングモータに適用してもよい。
１０ ステッピングモータ
１１ フロントフランジ
１２ リアフランジ
１３ ボールベアリング
１４ ボールベアリング
１５ スプリングシム
１８ リードワイヤ・コネクタ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ ボルト
３０ ロータ
３１ 回転軸
３２ ロータ小歯
３３ ロータコア
３５ マグネット
４０ ステータ
４１ ステータヨーク
４２ ステータ小歯
４３ ステータポール（突極）
４４ 巻線
４５ 孔部
Ｐｒ ロータ歯ピッチ
Ｗｒ ロータ歯厚
Ｐｓ ステータ歯ピッチ
Ｗｓ ステータ歯厚
Ｓｏｄ ステータ外径
Ｓｉｄ ステータ内径
Ｒｏｄ ロータ外径
Ｗｐ ステータポール厚さ
１１ フロントフランジ
１２ リアフランジ
１３ ボールベアリング
１４ ボールベアリング
１５ スプリングシム
１８ リードワイヤ・コネクタ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ ボルト
３０ ロータ
３１ 回転軸
３２ ロータ小歯
３３ ロータコア
３５ マグネット
４０ ステータ
４１ ステータヨーク
４２ ステータ小歯
４３ ステータポール（突極）
４４ 巻線
４５ 孔部
Ｐｒ ロータ歯ピッチ
Ｗｒ ロータ歯厚
Ｐｓ ステータ歯ピッチ
Ｗｓ ステータ歯厚
Ｓｏｄ ステータ外径
Ｓｉｄ ステータ内径
Ｒｏｄ ロータ外径
Ｗｐ ステータポール厚さ
Claims (2)
- 外周面に複数のロータ小歯が等ピッチで配設されたロータと、
ステータ外径が４２ｍｍであり、ロータ外径を前記ステータ外径で除算した値が０．６６４かつロータ内径を前記ステータ外径で除算した値が０．６６７であり、当該ロータの外周面と空隙を介して対向するように配設された６個のステータ小歯を設けた８個の突極を有するステータと、
を備えた２相ハイブリッド型ステッピングモータであって、
前記ステータ小歯は、所定のステータ歯厚を有し、６．９度の円弧のステータ歯ピッチで配設され、
前記ロータ小歯は、先端部から所定部分は均一な所定のロータ歯厚を有し、前記所定部分から歯底部分まで所定角度で傾斜して、歯底部分ほど厚みが広がるように構成されており、かつ前記先端部は７．２度の円弧のロータ歯ピッチで配設され、
励磁静止時に前記ロータと対向するすべての前記ステータ小歯の面積に対する反発極の面積である反発面積比率は、０％から４％の範囲、
ステータ内径に対する前記ステータ歯厚の寸法比が０．０１５から０．０２２の範囲、及びロータ外径に対する前記ロータ歯厚の寸法比が０．０１４から０．０２０の範囲、前記ステータ歯ピッチに対する前記ステータ歯厚の寸法比が０．２４３から０．３６８の範囲、前記ロータ歯ピッチに対する前記ロータ歯厚の寸法比が０．２１７から０．３２５の範囲である、
ことを特徴とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。 - 前記ステータのステータ外径に対するステータ内径の寸法比が０．６７である、
ことを特徴とする請求項１に記載の２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
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