JP7438839B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

この発明は、ステッピングモータに関する。

ハイブリッド型ステッピングモータは、外周に一定間隔で複数のロータ歯を形成した一対のロータセグメントの間に円盤状磁石を挟持して構成したロータを備えている。そのロータの周囲にステータが配置されている。ステータは複数の主極を有し、各主極には、ロータに対向するように、複数のステータ歯が設けられている。複数のステータ歯は、ロータ歯と実質的に同じ間隔で周方向に配列されている。ハイブリッド型ステッピングモータの最大トルクは、ステータ歯とロータ歯との磁気飽和によって制限を受ける。

特許文献１は、隣接するロータ歯間および／または隣接するステータ歯間に形成されるスロットに永久磁石を挿入した構造のステッピングモータを開示している。この構造は、磁気飽和を低減し、発生磁束を有効に利用できる磁気構造を提供するので、最大トルクを増大させることができる。すなわち、スロットに埋め込まれた永久磁石が磁束の漏洩を抑制して、空隙磁束をステータ歯とロータ歯との間に集中させるように作用し、それにより、発生トルクの増大に寄与する。

特許文献１には、スロットに挿入される永久磁石の保持力と、スロット幅に対するスロット深さの比（幅深比）との間には、ある関係があり、最適な幅深比が存在する、と説明されている（同文献第６頁左欄第３７行～右欄第１８行）。

特公平７－８１２６号公報

特許文献１のような構造のステッピングモータを作製するときには、スロット内に可能な限り隙間無く永久磁石を詰めることが、基本的な設計指針となる。可能な限り磁束を増やすことがトルク増加に関して有利に働くと考えられるからである。
ところが、本件発明者は、ロータおよびステータのギャップ付近の磁束の流れを詳細に分析したところ、従来からの基本的な設計指針は、トルクの最大化の観点から、必ずしも最適でないことに気付いた。具体的には、ロータおよびステータのうちの一方のスロット内の磁石から発生した磁束の一部が、それらのうちの他方に至ることなく還流していることを発見した。このような磁束は、トルクに寄与しない無効な磁束である。

この発明の一実施形態は、上記のような未知の知見に基づき、トルクを効果的に増加することができる構造のステッピングモータを提供する。

この発明の一実施形態は、ステータと、前記ステータに対向して配置され、当該ステータに対して所定の移動方向に移動可能な移動子と、を備える、ステッピングモータを提供する。前記ステータは、複数の主極と、各主極のための巻線と、前記移動方向に間隔を空けて各主極上に配置され前記移動子に対向する複数のステータ歯と、隣接する前記ステータ歯の間に形成されたステータスロットと、を有する。前記移動子は、前記移動方向に間隔を空けて配置され、前記ステータに対向する複数の移動子歯と、隣接する前記移動子歯の間に形成された移動子スロットと、を有する。前記ステータスロットおよび前記移動子スロットのうちの少なくとも一方（好ましくは両方）のスロット内に、当該スロットの深さ方向に磁化された硬磁性挿入物（硬磁性材料の挿入物）からなるスロットマグネットが配置されている。前記スロットマグネットの前記移動方向の幅が、当該スロットの前記移動方向の幅の６０％～８０％であることが好ましい。

前記移動子歯は、前記移動方向を横切る交差方向に延びる突条であってもよい。そして、前記ステータ歯は、前記移動方向を横切る前記交差方向に延びる突条であってもよい。前記移動子歯および前記ステータ歯は平行に延びていてもよい。前記移動子歯および前記ステータ歯は、互いに対向した状態で、前記移動方向および交差方向に直交する対向方向に間隔を形成してもよい。この対向方向は、前記スロットの深さ方向と平行であってもよい。

前記移動子は、所定の回転軸線まわりに回転するロータであってもよい。この場合、前記移動方向が前記回転軸線まわりの周方向であってもよい。
前記スロットマグネットは、前記ステータスロット内に配置され前記ステータスロットの深さ方向に磁化された硬磁性挿入物からなるステータスロットマグネットを含んでいてもよい。また、前記スロットマグネットは、前記移動子スロット内に配置され前記移動子スロットの深さ方向に磁化された硬磁性挿入物からなる移動子スロットマグネットを含んでいてもよい。
前記ステータ歯の前記移動方向の幅は、前記ステータ歯の前記移動方向のピッチの３０％～４５％であることが好ましい。また、前記ステータスロットマグネットの磁石厚は前記ステータスロットの深さよりも小さくてもよい。
前記移動子歯の前記移動方向の幅は、前記移動子歯の前記移動方向のピッチの３０％～４５％であることが好ましい。また、前記移動子スロットマグネットの磁石厚は前記移動子スロットの深さよりも小さくてもよい。
前記ステータスロットマグネットおよび前記移動子スロットマグネットは、互いに対向するときに、対向する磁極が逆極性（異極性）となるように、それぞれ磁化されていてもよい。

前記ステータスロットマグネットおよび前記移動子スロットマグネットは、互いに対向した状態で、隙間を形成してもよい。この隙間は、移動子歯とステータ歯との間の隙間以下であってもよい。
前記スロットマグネットは、サマリウム系磁石を含んでいてもよい。
前記スロットマグネットは、ネオジム系磁石を含んでいてもよい。

この発明によれば、トルクを効果的に増加することができる構造のステッピングモータを提供できる。

図１は、この発明の一実施形態に係るステッピングモータの構造を説明するための斜視図である。 図２は、ステータおよびロータの構造を説明するための分解斜視図である。 図３は、ロータ歯とステータ歯とを拡大して示す部分拡大断面図である。 図４は、ロータ歯およびステータ歯の付近の磁束の流れを解析した結果の一例を示す。 図５Ａは、ネオジム系磁石を用いる場合における磁石幅比に対する発生トルクの変化の解析結果を示す。 図５Ｂは、別のネオジム系磁石を用いる場合における磁石幅比に対する発生トルクの変化の解析結果を示す。 図５Ｃは、サマリウム系磁石を用いる場合における磁石幅比に対する発生トルクの変化の解析結果を示す。 図６は、別の幅丈比を設定したときの磁石幅比に対する発生トルクの変化の解析結果を示す。 図７は、一実施例における電流トルク特性の計測結果を示す。 図８は、他の実施例における電流トルク特性の計測結果を示す。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るステッピングモータの構造を説明するための斜視図である。ステッピングモータ１は、ステータ２と、移動子の一例であるロータ３と、モータフランジ４と、ブラケット５と、一対の軸受６，７とを含む。
ステータ２は、ステータ鉄心２１および巻線２２を含む。ステータ鉄心２１の両端にモータフランジ４およびブラケット５がそれぞれ固定され、これらがモータケース８を構成している。

モータケース８の内部にロータ３が回転軸線１０まわりに回転可能に配置されている。ロータ３は、回転軸線１０に沿って配置された回転軸３０と、回転軸３０に支持されたロータ鉄心３１とを含む。回転軸３０は、一対の軸受６，７により回転自在に支持されている。一方の軸受６はモータフランジ４に装着されており、他方の軸受７はブラケット５に装着されている。

図２は、ステータ２およびロータ３の構造を説明するための分解斜視図である。
ロータ鉄心３１の外周面には、所定の歯ピッチで移動子歯の一例であるロータ歯３３が周方向１１に等間隔に形成されている。各ロータ歯３３は、回転軸線１０に平行に延びている。ただし、ロータ歯３３は、回転軸線１０に対して傾斜していてもよい。
隣接するロータ歯３３の間にロータスロット３４が形成されている。ロータスロット３４内には、移動子スロットマグネットの一例であるロータスロットマグネット３５が挿入されている。ロータスロットマグネット３５は、ロータスロット３４に沿って棒状に延びた硬磁性挿入物（典型的には永久磁石片）である。ロータスロットマグネット３５は、たとえば接着剤でロータスロット３４内に固定されている。

ステータ鉄心２１は、枠状のバックヨーク２７と、複数の主極２８とを備えている。複数の主極２８は、バックヨーク２７からロータ鉄心３１に向かって延びており、ロータ鉄心３１を取り囲むように周方向１１に間隔を空けて配置されている。それにより、複数の主極２８は、回転軸線１０を中心とした略円筒状のロータ収容空間３２を区画している。各主極２８に巻線２２（図１参照。図２では図示省略）が巻回されている。

各主極２８は、バックヨーク２７と結合された支柱部２８ａと、支柱部２８ａの先端側に結合された対向部２８ｂとを有している。対向部２８ｂは、ロータ収容空間３２に臨んでおり、したがって、ロータ鉄心３１に対向している。対向部２８ｂは、支柱部２８ａに対して周方向１１の両側に延びている。これにより、各主極２８は、周方向１１に隣接する他の主極２８との間に巻線スロット２９を形成している。これらの巻線スロット２９に巻線２２が配置されている。対向部２８ｂは、ロータ鉄心３１に対向する対向面を有している。この対向面には、回転軸線１０に向かって突出した複数のステータ歯２３が形成されている。複数のステータ歯２３は、周方向１１に沿って、所定の歯ピッチで等間隔に配置されている。各ステータ歯２３は、ロータ歯３３と整合するように、回転軸線１０に沿って延びている。ロータ歯３３が回転軸線１０に対して傾斜して配置される場合には、それに応じて、ステータ歯２３も回転軸線１０に対して傾斜して配置される。

隣接するステータ歯２３の間には、ステータスロット２４が形成されている。ステータスロット２４内には、ステータスロットマグネット２５が挿入されている。ステータスロットマグネット２５は、ステータスロット２４に沿って棒状に延びた硬磁性挿入物（典型的には永久磁石片）である。ステータスロットマグネット２５は、たとえば接着剤でステータスロット２４内に固定されている。

ロータスロットマグネット３５およびステータスロットマグネット２５は、回転軸線１０からの放射方向に磁化されている。回転軸線１０からの放射方向とは、回転軸線１０に直交する方向をいう。ロータスロットマグネット３５は、したがって、ロータスロット３４の深さ方向に磁化されている。また、ステータスロットマグネット２５は、ステータスロット２４の深さ方向に磁化されている。回転軸線１０からの放射方向に関して、ロータスロットマグネット３５の磁化方向とステータスロットマグネット２５の磁化方向とは同方向である。したがって、ロータスロットマグネット３５とステータスロットマグネット２５とが対向するとき、互いに対向するロータスロットマグネット３５の磁極とステータスロットマグネット２５の磁極とは、逆極性の磁極である。

図３は、ロータ歯３３とステータ歯２３とを拡大して示す部分拡大断面図である。
ロータ歯３３は、移動方向である周方向１１を横切る交差方向に延びる突条である。ロータ歯３３は、回転軸線１０に直交する切断面内において略一定の幅で放射方向に沿って外方（回転軸線１０から離反する方向）に向かって突出している。ロータ歯３３は、回転軸線１０から離れる方向に向いた頂面３３ａを有している。頂面３３ａは、回転軸線１０のまわりの周方向１１に沿っている。回転軸線１０に直交する切断面内において、複数のロータ歯３３は実質的に合同な断面形状を有しており、一定のロータ歯ピッチＰｒで等間隔に配置されている。隣接するロータ歯３３の間に形成されるロータスロット３４は、それらのロータ歯３３によってそれぞれ規定される一対の互いにほぼ平行な側面３４ｂ，３４ｃと、それらの側面３４ｂ，３４ｃの間に形成された底面３４ａとによって規定され、略矩形の断面形状を有している。底面３４ａは、回転軸線１０まわりの周方向１１に沿っている。

ロータ歯３３の外周面（頂面３３ａ）において、回転軸線１０まわりの周方向１１の長さ（周方向幅）を「ロータ歯幅Ｔｒ」という。一方、複数のロータ歯３３の外周面（頂面３３ａ）を連ねて規定される仮想的な円筒面において、回転軸線１０まわりの周方向１１に関するロータスロット３４の長さ（周方向幅）を「ロータスロット幅Ｓｒ」という。さらに、ロータスロット３４の底面３４ａからロータ歯３３の頂面３３ａまでの距離、すなわち、ロータ歯３３の高さを「ロータ歯丈Ｈｒ」という。

ロータスロットマグネット３５は、硬磁性材料からなり、回転軸線１０に沿って延びる棒状の挿入物（典型的には永久磁石片）である。この実施形態では、ロータスロットマグネット３５は、回転軸線１０に直交する断面が略矩形である。ロータスロットマグネット３５は、ロータスロット３４の底面３４ａに対向する底面３５ａと、底面３５ａに対して回転軸線１０とは反対側に位置する頂面３５ｄ（対向面）と、それらの間に形成された一対の側面３５ｂ，３５ｃとを有している。底面３５ａおよび頂面３５ｄと側面３５ｂ，３５ｃとの間は、円弧状断面をなす曲面で面取りされている。ロータスロットマグネット３５の底面３５ａは、たとえば接着剤によって、ロータスロット３４の底面３４ａに結合（固定）されている。

一対の側面３５ｂ，３５ｃは、ロータスロット３４の一対の側面３４ｂ，３４ｃにそれぞれ対向している。これらの一対の側面３５ｂ，３５ｃの一方または両方は、対向するロータスロット３４の側面３４ｂ，３４ｃとの間に隙間３６を形成している。したがって、ロータスロットマグネット３５の一対の側面３５ｂ，３５ｃの間の距離である磁石幅（ロータ磁石幅）ＭＷｒは、ロータスロット幅Ｓｒよりも小さい。

ロータスロットマグネット３５の頂面３５ｄは、ステータ２に対向する対向面である。この実施形態では、頂面３５ｄは、複数のロータ歯３３の外周面（頂面３３ａ）を連ねて規定される仮想円筒面よりも回転軸線１０側に後退した位置にある。すなわち、底面３５ａと頂面３５ｄとの間の距離である磁石厚（ロータ磁石厚）ＭＴｒは、ロータスロット３４の深さ（＝ロータ歯丈Ｈｒ）よりも小さい。それにより、ロータスロットマグネット３５の全体が、ロータスロット３４内に収容されている。頂面３５ｄは、当該仮想円筒面に実質的に平行である。厳密には、頂面３５ｄは平面であってもよく、この平面は、対応するロータスロット３４の開口縁を繋いでできる平面と平行であってもよい。この実施形態では、複数のロータスロット３４にそれぞれ挿入される複数のロータスロットマグネット３５は、実質的に同形同大である。

ステータ歯２３は、移動方向である周方向１１を横切る交差方向に延びる突条である。ステータ歯２３は、ロータ歯３３に平行に延びている。ステータ歯２３は、回転軸線１０に直交する切断面内において略一定の幅で放射方向に沿って内方（回転軸線１０に近づく方向）に向かって突出している。ステータ歯２３は、回転軸線１０側に向いた頂面２３ａを有している。頂面２３ａは、回転軸線１０のまわりの周方向１１に沿っている。回転軸線１０に直交する切断面内において、複数のステータ歯２３は実質的に合同な断面形状を有しており、一定のステータ歯ピッチＰｓで等間隔に配置されている。隣接するステータ歯２３の間に形成されるステータスロット２４は、それらのステータ歯２３によってそれぞれ規定される一対の互いにほぼ平行な側面２４ｂ，２４ｃと、それらの側面２４ｂ，２４ｃの間に形成された底面２４ａとによって規定され、略矩形の断面形状を有している。底面２４ａは、回転軸線１０まわりの周方向１１に沿っている。

ステータ歯２３の内周面（頂面２３ａ）において、回転軸線１０まわりの周方向１１の長さ（周方向幅）を「ステータ歯幅Ｔｓ」という。一方、複数のステータ歯２３の内周面（頂面２３ａ）を連ねて規定される仮想円筒面において、回転軸線１０まわりの周方向１１に関するステータスロット２４の長さ（周方向幅）を「ステータスロット幅Ｓｓ」という。さらに、ステータスロット２４の底面２４ａからステータ歯２３の頂面２３ａまでの距離、すなわち、ステータ歯２３の高さを「ステータ歯丈Ｈｓ」という。

ステータスロットマグネット２５は、硬磁性材料からなり、回転軸線１０に沿って延びる棒状の挿入物（典型的には永久磁石片）である。この実施形態では、ステータスロットマグネット２５は、回転軸線１０に直交する断面が略矩形である。ステータスロットマグネット２５は、ステータスロット２４の底面２４ａに対向する底面２５ａと、底面２５ａに対して回転軸線１０側に位置する頂面２５ｄ（対向面）と、それらの間に形成された一対の側面２５ｂ，２５ｃとを有している。底面２５ａおよび頂面２５ｄと側面２５ｂ，２５ｃとの間は、円弧状断面をなす曲面で面取りされている。ステータスロットマグネット２５の底面２５ａは、たとえば接着剤によって、ステータスロット２４の底面２４ａに結合（固定）されている。

一対の側面２５ｂ，２５ｃは、ステータスロット２４の一対の側面２４ｂ，２４ｃにそれぞれ対向している。これらの一対の側面２５ｂ，２５ｃの一方または両方は、対向するステータスロット２４の側面２４ｂ，２４ｃとの間に隙間２６を形成している。したがって、ステータスロットマグネット２５の一対の側面２５ｂ，２５ｃの間の距離である磁石幅（ステータ磁石幅）ＭＷｓは、ステータスロット幅Ｓｓよりも小さい。

ステータスロットマグネット２５の頂面２５ｄは、ロータ３に対向する対向面である。この実施形態では、頂面２５ｄは、複数のステータ歯２３の内周面（頂面２３ａ）を連ねて規定される仮想円筒面よりも回転軸線１０から離れる方向に後退した位置にある。すなわち、底面２５ａと頂面２５ｄとの間の距離である磁石厚（ステータ磁石厚）ＭＴｓは、ステータスロット２４の深さ（＝ステータ歯丈Ｈｓ）よりも小さい。それにより、ステータスロットマグネット２５の全体が、ステータスロット２４内に収容されている。頂面２５ｄは、当該仮想円筒面に実質的に平行である。厳密には、頂面２５ｄは平面であってもよく、この平面は、対応するステータスロット２４の開口縁を繋いでできる平面と平行であってもよい。この実施形態では、複数のステータスロット２４にそれぞれ挿入される複数のステータスロットマグネット２５は、実質的に同形同大である。

ロータスロットマグネット３５およびステータスロットマグネット２５は、実質的に、同形同大であってもよい。
ロータ歯３３とステータ歯２３とが対向するとき、それらの間には、それらの対向方向、すなわち放射方向（スロット３４，２４の深さ方向）に関して一定のギャップ（隙間）が形成される。このギャップを「鉄ギャップΔＦ」という。ロータスロット３４とステータスロット２４とが対向するとき、ロータスロットマグネット３５とステータスロットマグネット２５との間に、それらの対向方向、すなわち放射方向（スロット３４，２４の深さ方向）に関して一定のギャップが形成される。このギャップを「磁石ギャップΔＭ」という。

鉄ギャップΔＦが十分に小さいときには、ステータ歯ピッチＰｓおよびロータ歯ピッチＰｒは実質的に互いに等しく、ロータ歯幅Ｔｒおよびステータ歯幅Ｔｓは実質的に互いに等しく、それに応じてロータスロット幅Ｓｒおよびステータスロット幅Ｓｓは実質的に互いに等しくなる。そこで、以下では、ステータ歯ピッチＰｓおよびロータ歯ピッチＰｒをまとめて「歯ピッチＰ」といい、ロータ歯幅Ｔｒおよびステータ歯幅Ｔｓをまとめて「歯幅Ｔ」といい、ロータスロット幅Ｓｒおよびステータスロット幅Ｓｓをまとめて「スロット幅Ｓ」という場合がある。

この実施形態では、ロータ歯丈Ｈｒおよびステータ歯丈Ｈｓは、実質的に互いに等しくてもよい。そこで、以下では、ロータ歯丈Ｈｒおよびステータ歯丈Ｈｓをまとめて「歯丈Ｈ」という場合がある。また、この実施形態では、ロータスロットマグネット３５およびステータスロットマグネット２５は、実質的に同形同大の硬磁性挿入物（典型的には永久磁石片）からなっていてもよい。そこで、以下では、ロータ磁石幅ＭＷｒおよびステータ磁石幅ＭＷｓをまとめて「磁石幅ＭＷ」という場合がある。また、ロータ磁石厚ＭＴｒおよびステータ磁石厚ＭＴｓをまとめて「磁石厚ＭＴ」という場合がある。

さらに、ロータスロットマグネット３５およびステータスロットマグネット２５を、「スロットマグネット」と総称する場合がある。また、ロータスロット３４およびステータスロット２４を、「スロット」と総称する場合がある。
図４は、ロータ歯３３およびステータ歯２３の付近の磁束の流れを解析した結果の一例を示す。

ロータ３とステータ２とに跨がる磁束が、ロータ３を回転させるトルクに寄与する。このような磁束には、ステータ歯２３から出てロータ歯３３に入る磁束、ステータ歯２３から出てロータスロットマグネット３５に入る磁束、ステータスロットマグネット２５から出てロータ歯３３に入る磁束、およびステータスロットマグネット２５から出てロータスロットマグネット３５に入る磁束が含まれる。

一方、ロータ歯３３またはロータスロットマグネット３５を通ることなくステータ歯２３とステータスロットマグネット２５とを通る経路を循環する磁束、すなわちステータ２内で還流する磁束は、トルクに寄与しない。同様に、ステータ歯２３またはステータスロットマグネット２５を通ることなくロータ歯３３とロータスロットマグネット３５とを通る経路を循環する磁束、すなわち、ロータ３内で還流する磁束も、トルクに寄与しない。

本件発明者は、このような磁束の還流に着目し、磁束の還流を抑制することができれば、トルクに寄与する磁束を増やすことができ、その結果、トルクを増加させることができると考えた。
スロットマグネットを採用するステッピングモータにおける従来からの基本設計思想は、スロット内に隙間無くスロットマグネット（硬磁性体）を挿入する、というもので、それによりトルクの最大化を図ることができると信じられてきた。しかし、上記のような解析結果から、スロット内に隙間無くスロットマグネットを挿入する構造では、磁束の還流が多くなり、むしろ、スロット側面とスロットマグネットの間に隙間を確保する方がトルクの増大に有利であることが分かってきた。

その一方で、磁石幅ＭＷを小さくし過ぎると、歯への磁束の集中効率が低くなり、かつステータ２とロータ３との間に跨がる磁束が少なくなるおそれがある。
したがって、スロット２４，３４の側面とスロットマグネット２５，３５の側面との間に確保すべき隙間２６，３６には、トルクを極大化させる適切な範囲が存在するはずである。

このような着想に基づき、本件発明者は、上記の隙間２６，３６とトルクとの関係を調べるために、磁石幅ＭＷとトルクとの関係を調べた。その結果について、以下に説明する。
説明にあたり、次の用語を定義する。まず、「磁石幅比」とは、スロット幅Ｓに対する磁石幅ＭＷの比を表す。また、「歯幅比」とは、歯ピッチＰ（＝スロット幅Ｓ＋歯幅Ｔ）に対する歯幅Ｔの比を表す。さらに、「歯幅丈比」とは、歯幅Ｔに対する歯丈Ｈの比を表す。まとめて示すと次のとおりである。

磁石幅比＝磁石幅ＭＷ／スロット幅Ｓ
歯幅比＝歯幅Ｔ／歯ピッチＰ＝歯幅Ｔ／（スロット幅Ｓ＋歯幅Ｔ）
歯幅丈比＝歯丈Ｈ／歯幅Ｔ
図５Ａ～５Ｃは、鉄ギャップΔＦを４０μｍ、歯幅比Ｔ／Ｐを３９％、歯幅丈比Ｈ／Ｔを１．０とする一方で、さまざまな磁石厚ＭＴおよび磁石幅ＭＷに対してＦＥＭ（有限要素法）解析によってトルクを解析した結果を示す。なお、ステッピングモータにおいては、歯幅比Ｔ／Ｐ＝４０％程度（たとえば、３０％～４５％）でトルクが極大になることが経験的に知られている。

図５Ａは、エネルギー積４９ＭＧＯｅ、残留磁束密度１．４Ｔの強いネオジム焼結磁石をスロットマグネットとして用いる場合の解析結果を示す。図５Ｂは、エネルギー積４２ＭＧＯｅ、残留磁束密度１．３Ｔの弱いネオジム焼結磁石をスロットマグネットとして用いる場合の解析結果を示す。図５Ｃは、エネルギー積２６ＭＧＯｅ、残留磁束密度１．０Ｔのサマリウム系磁石（たとえばサマリウムコバルト磁石）をスロットマグネットとして用いる場合の解析結果を示す。ネオジム焼結磁石は、ネオジム系磁石の一例であり、たとえばネオジム・鉄・ボロン合金を含む。

図５Ａ～５Ｃにおいて、曲線Ｌ１００，Ｌ３００，Ｌ４００，Ｌ６００，Ｌ８００は、磁石幅比ＭＷ／Ｓに対する発生トルクの変化を示す。曲線Ｌ１００，Ｌ３００，Ｌ４００，Ｌ６００，Ｌ８００は、磁石厚ＭＴを調整して、磁石ギャップΔＭをそれぞれ１００μｍ、３００μｍ，４００μｍ、６００μｍ、８００μｍとした場合の解析結果を示す。
曲線Ｌ１００，Ｌ３００，Ｌ４００，Ｌ６００，Ｌ８００の比較から、磁石厚ＭＴを増してスロットマグネットの頂面２５ｄ，３５ｄ（ギャップ面）が歯２３，３３の頂面２３ａ，３３ａ（歯面）に近づくほど、トルクが大きくなる傾向となることが分かる。また、磁石ギャップΔＭがいずれの場合でも、特定の磁石幅ＭＷにおいてトルクが極大になることがわかる。さらに、点線Ｌ１で示すように、トルクが極大となる設計のためには、磁石ギャップΔＭが小さいときほど磁石幅ＭＷを小さくしたほうがよいことがわかる。

また、図５Ａ～図５Ｃの比較から、残留磁束密度が１Ｔ程度（たとえば１．０Ｔ～１．４Ｔ）の磁石であれば、磁束密度が異なる磁石を用いた場合でも、特定の磁石幅ＭＷでトルクが極大になることは変わらないこともわかる。
図５Ａの例では、トルクが極大となる設計のためには、磁石幅比ＭＷ／Ｓを６０％～７５％（好ましくは、６２％～７２％）の範囲に設定するとよいことが分かる。また、図５Ｂの例では、トルクが極大となる設計のためには、磁石幅比ＭＷ／Ｓを６３％～７６％（好ましくは、６５％～７３％）の範囲に設定するとよいことが分かる。さらに、図５Ｃの例では、トルクが極大となる設計のためには、磁石幅比ＭＷ／Ｓを７３％～８０％（好ましくは、７５％～８０％）の範囲に設定するとよいことが分かる。

そして、いずれの磁石の場合でも、またいずれの磁石ギャップΔＭの場合でも、磁石幅比ＭＷ／Ｓを６０％～８０％の範囲に設定することにより、大きなトルクを発生させる設計が可能であることが分かる。
図６に、歯幅丈比Ｈ／Ｔを０．６５とする以外は図５Ａの場合と同条件で、エネルギー積４９ＭＧＯｅ、残留磁束密度１．４Ｔのネオジム焼結磁石を用いる場合の同様の解析結果を示す。曲線Ｌ１００，Ｌ２００，Ｌ３００は、磁石厚ＭＴを調整して磁石ギャップΔＭをそれぞれ１００μｍ、２００μｍ，３００μｍとした場合における磁石幅比ＭＷ／Ｓに対する発生トルクの変化を示す。点線Ｌ２は、トルクを極大とするための磁石ギャップと磁石幅との関係を示す。

図５Ａの解析例と比較して、同じ磁石ギャップΔＭでも歯丈Ｈ（すなわち、スロットの深さ）が小さくなった分、磁石厚ＭＴが薄くなる。具体的には、図６における磁石ギャップΔＭ＝１００μｍ（曲線Ｌ１００）のときの磁石厚ＭＴが、図５Ａにおける磁石ギャップΔＭ＝８００μｍ（曲線Ｌ８００）のときの磁石厚ＭＴに等しい。
図５Ａ～５Ｃの解析例で説明したとおり、一般にステッピングモータの歯幅丈比は、１程度を使うことが多い。しかし、図６の解析例から、歯幅丈比Ｈ／Ｔが小さくなった場合でも、特定の磁石幅比ＭＷ／Ｓでトルクが極大になることに変わりがないことが分かる。

図６の例では、トルクを極大とする設計のためには、磁石幅比ＭＷ／Ｓを６３％～８４％（好ましくは、６８％～７６％）の範囲に設定するとよいことが分かる。そして、いずれの磁石ギャップΔＭにおいても、磁石幅比ＭＷ／Ｓを６０％～８０％の範囲とすることにより、大きなトルクを発生させる設計が可能であることが分かる。
磁石ギャップΔＭは、８００μｍ以下が好ましく、４００μｍ以下がより好ましく、２００μｍ以下が一層好ましい。磁石ギャップΔＭは、鉄ギャップΔＦ（たとえば４０μｍ）以上であることが好ましく、１００μｍ以上であってもよい。

一つの実施例として、取付角寸法６０ｍｍ、モータ長４０ｍｍ、ロータ慣性モーメント３７０×１０^－７ｋｇｍ^２、ロータ歯５０枚、歯幅比Ｔ／Ｐ＝３９％、歯幅丈比Ｈ／Ｔ＝１．０の２相スロットマグネット型ステッピングモータを準備した。そして、磁石幅比ＭＷ／Ｓを７５％とし、磁石厚ＭＴを大きくすることで磁石ギャップΔＭを狭くした。スロットマグネットには、残留磁束密度１．４Ｔのネオジム焼結磁石を用いた。この実施例のステッピングモータを２相励磁したときの電流－トルク特性を測定した。実測値を図７の曲線Ｌ２００，Ｌ４００，Ｌ８００に示す。比較例として、同体格、同モータ長、同巻線仕様のハイブリッド型ステッピングモータの実測値を曲線Ｌｈで示す。

曲線Ｌ２００，Ｌ４００，Ｌ８００は、磁石ギャップΔＭを２００μｍ、４００μｍ、８００μｍとした場合にそれぞれ対応している。これらの曲線から、磁石ギャップΔＭに応じて、トルクが大きく変化することがわかる。また、磁石ギャップΔＭが２００μｍ（曲線Ｌ２００）の場合にはハイブリッド型（曲線Ｌｈ）と比較して２倍程度のトルクが得られることがわかる。

他の実施例として、取付角寸法４２ｍｍ、モータ長５２ｍｍ、ロータ慣性モーメント５５×１０^－７ｋｇｍ^２、ロータ歯５０枚、歯幅比Ｔ／Ｐ＝３９％、歯幅丈比Ｈ／Ｔ＝１．０の２相スロットマグネット型ステッピングモータを準備した。そして、磁石ギャップΔＭ＝２００μｍとし、磁石幅比ＭＷ／Ｓ＝７６％～７０％とした。スロットマグネットには、残留磁束密度１．４Ｔのネオジム焼結磁石を用いた。この実施例のステッピングモータを２相励磁したときの電流－トルク特性を測定した。実測値を図８の曲線Ｌ７０，Ｌ７３，Ｌ７６に示す。比較例として、同体格、同モータ長、同巻線仕様のハイブリッド型ステッピングモータの実測値を曲線Ｌｈに示す。

曲線Ｌ７０，Ｌ７３，Ｌ７６は、磁石幅比ＭＷ／Ｓを７０％、７３％、７６％とした場合にそれぞれ対応している。図７および図８の比較から、取付角寸法が異なるモータにおいても、スロットマグネット型ステッピングモータは、ハイブリッド型ステッピングモータよりもトルク的に優位であることが確認できた。また、磁石幅比ＭＷ／Ｓが７３％のとき（曲線Ｌ７３）に、トルクが極大になることが実測において確認できた。

なお、ロータおよびステータの歯ピッチＰはさまざまな値を採りうるが、歯ピッチＰに応じて適切な幅の磁石（スロットマグネット）を使用することで、トルクの増加を図ることができる。
以上、この発明の実施形態について具体的に説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、回転軸線１０まわりにロータ３が回転する構造のステッピングモータについて主として説明したけれども、この発明は、リニアモータの形態を有するステッピングモータにも適用可能である。すなわち、線状の経路に沿ってステータが配置され、そのステータに沿って移動子が移動するように構成されていてもよい。

また、前述の実施形態では、ステータスロットマグネット２５およびロータスロットマグネット３５を備えた構成を示したが、ステータスロットマグネット２５を省いてロータスロットマグネット３５のみを備える構成としてもよいし、ステータスロットマグネット２５のみを備えてロータスロットマグネット３５を省いた構成としてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ ステッピングモータ
２ ステータ
３ ロータ（移動子）
１０ 回転軸線
１１ 周方向（移動方向）
２３ ステータ歯
２４ ステータスロット
２５ ステータスロットマグネット
２６ 隙間
２８ 主極
３３ ロータ歯
３４ ロータスロット（移動子スロット）
３５ ロータスロットマグネット（移動子スロットマグネット）
３６ 隙間
Ｐｒ ロータ歯ピッチ
Ｔｒ ロータ歯幅
Ｓｒ ロータスロット幅
Ｈｒ ロータ歯丈
ＭＷｒ ロータ磁石幅
ＭＴｒ ロータ磁石厚
Ｐｓ ステータ歯ピッチ
Ｔｓ ステータ歯幅
Ｓｓ ステータスロット幅
Ｈｓ ステータ歯丈
ＭＷｓ ステータ磁石幅
ＭＴｓ ステータ磁石厚
ΔＦ 鉄ギャップ
ΔＭ 磁石ギャップ

Claims (5)

1. ステータと、前記ステータに対向して配置され、当該ステータに対して所定の移動方向に移動可能な移動子と、を備え、
   前記ステータが、複数の主極と、各主極のための巻線と、前記移動方向に間隔を空けて各主極上に配置され前記移動子に対向する複数のステータ歯と、隣接する前記ステータ歯の間に形成されたステータスロットと、を有し、
   前記移動子が、前記移動方向に間隔を空けて配置され、前記ステータに対向する複数の移動子歯と、隣接する前記移動子歯の間に形成された移動子スロットと、を有し、
   前記ステータスロットおよび前記移動子スロットの両方のスロット内に、当該スロットの深さ方向に磁化された硬磁性挿入物からなるスロットマグネットが配置されており、
   前記スロットマグネットの前記移動方向の幅が、当該スロットの前記移動方向の幅の６０％～８０％であり、
   前記スロットマグネットは、前記ステータスロット内に配置され前記ステータスロットの深さ方向に磁化された硬磁性挿入物からなるステータスロットマグネットと、前記移動子スロット内に配置され前記移動子スロットの深さ方向に磁化された硬磁性挿入物からなる移動子スロットマグネットと、を含み、
   前記ステータ歯の前記移動方向の幅は、前記ステータ歯の前記移動方向のピッチの３０％～４５％であり、前記ステータスロットマグネットの磁石厚は前記ステータスロットの深さよりも小さく、
   前記移動子歯の前記移動方向の幅は、前記移動子歯の前記移動方向のピッチの３０％～４５％であり、前記移動子スロットマグネットの磁石厚は前記移動子スロットの深さよりも小さい、ステッピングモータ。
2. 前記移動子が、所定の回転軸線まわりに回転するロータであり、前記移動方向が前記回転軸線まわりの周方向である、請求項１に記載のステッピングモータ。
3. 前記ステータスロットマグネットおよび前記移動子スロットマグネットは、互いに対向するときに、対向する磁極が逆極性となるように、それぞれ磁化されている、請求項１または２に記載のステッピングモータ。
4. 前記スロットマグネットは、サマリウム系磁石を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のステッピングモータ。
5. 前記スロットマグネットは、ネオジム系磁石を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のステッピングモータ。

Images