JPH02111252A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ステッピングモータに関する。

（従来の技術） 工業用ロボットのアクチュエータとして、小形軽量化の
ためにハイパワーデンシティのステッピングモータの開
発が要望されている。

本発明は、ロータ空隙面にＮ極とＳ極が交互に形成され
、トルクを発生するための永久磁石形ステッピングモー
タであり、構造的には、へイブリットステッピングモー
タに似ている。°従来のステッピングモータである第５
図および第６図に示す永久磁石形と、第７図および第８
図に示すハイブリット形について以下に述べる。

永久磁石形ステッピングモータは、ステータはステータ
巻線（４）の巻かれた複数個の極歯（２）（第５図参照
）、又はその先端に複数の小歯（３）を有するステータ
鉄心（１）（第６図（ａ）参照）から成り、ロータは、
空隙面にＮ極、Ｓ極を交互に径方向に着磁した永久磁石
（１０）をロータ鉄心（６）に貼りつけたロータタイプ
（第５図参照）と、軸方向に着磁された円板状永久磁石
（８）を円周上に多数の爪（クロー）（７）をもつ２つ
のロータ鉄心（６）で挟みこんだ構成でロータ空隙面に
Ｎ極とＳ極をつくるクローポール形ロータ（第６図（ｂ
）、（Ｃ）参照）の２機種がある。

ロータ空隙面にＮ、Ｓ極を多数着磁した永久磁石をもつ
ロータは、極ピッチ距離が１ｍｍ近くで多極着磁するた
め、数ｌｌ１１厚の永久磁石を着磁するのに必要な十分
に大きな磁界を発生する着磁器を作ることは不可能であ
る。したがって、磁石粉を塗った様な厚さの磁石が、２
極（第５図参照）、４極のロータ磁石しか着磁できず、
高トルクのモータは望めない。

第６図のクローポール形ロータは、爪（７）が高透磁率
の磁性材であるため、Ｎ極とＳ極の爪相互間で磁束の漏
れが多い。また、爪（７）の根本部の磁束が通る断面積
はかなり小さくなるので磁気飽和が生じる。したがって
、ロータとステータ間を通る磁束量は少なくなり、高ト
ルクは発生しない。

ハイブリット形ステンピングモータの縦断面図と横断面
図をそれぞれ第７図、第８図に示す。／’％イブリット
形ステッピングモータは、ステータ巻線（４）の巻かれ
た複数個のステータ極歯（２）とその先端に複数のステ
ータ小歯（３）を有するステータ鉄心（１）と外周上に
等ピッチで複数個の歯を有する２つのロータ鉄心（６）
と、この日−タ鉄心間に挟んだ軸方向に着磁された円板
状永久磁石（８）から構成される。

ａ相巻線のあるＡ部ステータ極歯と６部ステータ極歯を
励磁した時のＩ側ロータ鉄心（６）のステータ歯（３）
とロータ歯（７）のピークトルクを発生する位置での拡
大図を第９図（ａ）、（ｂ）に示す。

第９図（ａ）のＡ部ステータ極歯（２ａ）の場合、ロー
タの円板状永久磁石（８）により、ロータ歯（７）に生
じたＳ極とステータの巻線（４）によりステータ小歯（
３）に生じたＮ極間に吸引力が作用し、トルクを生じる
。

一方、第９図（ｂ）の６部ステータ極歯の場合、ステー
タ小歯（３）はＳＶｉに、ロータ歯もＳ極となり、反発
力が生じる。

以上により、ステータ小歯（３）とロータ歯（７）間で
は吸引力か反発力のいずれか１つの力を受けていること
になる。したがって全体としては、それほど有効にトル
クを発生していないことがわかる。

その他に従来例として米国特許（Ｕ、Ｓ、Ｃ１，３１０
−１２：　０ｆｆｉｃｉａｌ　Ｇａｚｅｔｔｅ　Ｍａｒ
ｃｈ　ｌ　１９８８．　ｐ４１５〜４１６）に出願され
ているハイブリット形ステッピングモータがある。

これは、第１０図および第１１図に示す様に、ハイブリ
ット形ステッピングモータのステータ小歯（３）相互間
の溝に棒状永久磁石（９）を埋込んだものである。この
ようにすると、埋込んで棒状永久磁石（９）により正の
回転方向トルクに対して、逆方向に生じるトルクを打ち
消すものであり、Ｓ極ロータ歯とこの右対向面にあるス
テータ小歯間は正の方向に回転しようとし、Ｓ極ロータ
歯と左対向面にあるステータ歯間は負の方向に回転しよ
うとしてブレーキ力となるが、このブレーキ力を溝部棒
状永久磁石（９）により小さくして、全体のトルクを上
げるものである。

しかし、一方では、この時、Ａ部ステータ極歯から機械
角で９０″ずれた位置にある６部ステータ極歯では、第
１３図に示す様にステータ小歯（３）相互間の溝の棒状
永久磁石（９）の空隙面側はＳ極に、ステータ巻線励磁
により生じたステータ小歯の磁極もともにＳ極となり、
８部ステータ極歯の空隙面も全てＳ極となり、ロータ歯
（７）がステータ歯（３，）に対してどの位置にある支
と磁気エネルギに差がほとんどなくなり、トルクは、は
とんど生じない。

したがって、０部では一般のハイブリット形より、トル
クは小さくなっており、主に有効なトルクを発生してい
るのは、この場合、Ｉ側ロータにおいては、Ａ部および
６部ステータ極歯ではほぼＡ部のみと半分になっており
、トルクの利用率としてよくない。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように従来例はいろいろあるが、トルクが小
さくて、工業用ロボットのアクチュエータとして、小形
軽量化のためにハイパワーデンシティのステッピングモ
ータの開発が要望されている。

本発明の目的は、小形で高トルクを発生するハイパワー
デンシティのステッピングモータを提供することにある
。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明においては、円周方
向に複数個の極歯を設け、各極歯には多相巻線を有し、
各極歯の内周面に複数個の小歯を有するステータと、前
記小歯に対向する外周面に複数個のロータ歯を有し、軸
方向に２分割され、互にロータ歯を１／２歯ピッチずら
し、分割部に軸方向に着磁された円板状永久磁石を有し
、ロータ歯相互間の溝に、径方向に着磁された棒状永久
磁石が固着され、この棒状永久磁石の極性は前記円板状
永久磁石により発生する磁束を打ち消す方向としたロー
タとから成ることを特徴とするステッピングモータを提
供する。

（作　用） ロータの円板状永久磁石により、ロータ歯先部には円板
状永久磁石の極性があられれ、ロータ歯相互間の溝には
上記円板状永久磁石と逆極性で径方向に磁化された棒状
永久磁石があるので、ロータ空隙側外周面には、Ｎ極と
Ｓ極が交互に多数あられれることになる。

したがって、ロータは、ロータ外周面にＮ、　Ｓ極と多
極着磁された多数の磁極の永久磁石から成る永久磁石形
ステッピングモータの一種となる。

したがって、ステータにある巻線を励磁すれば。

ロータは吸引力と反発力の両方の力を励磁したステータ
歯とロータ歯間、全てでおこりうる。さらに、永久磁石
は任意に十分大きな厚さをとれるので、大きな磁束量を
発生することができ、耐減磁特性も十分に満足できる。

以上により、励磁したステータ空隙面、全面で大きなト
ルクを発生することができるので、小形、高トルクのス
テッピングモーダが得られる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について、第１図ないし第４図
を参照して説明する。

尚、励磁方式は２相、３相等、どの方式にも本発明は用
いることができるが、簡単のため、以下２相励磁の場合
で述べる。

ステータ鉄心（１）はＡないしＨの８個の極歯（２）を
もち、さらに極歯（２）には、５個の小歯（３）が形成
されている。

ステータ極歯（２）には、２組巻線（５）が巻かれてお
り、各相巻線は、極歯（２）の位置で幾何学的に９０°
毎に巻き方向が逆になる様に巻いている。例えば、ａ相
巻線の巻れているＡ部及び０部ステータ極歯では、巻方
向が逆である。

ロータ（５）は、モータ空隙面となる外周上には、５０
個のロータ歯（７）が設けられたロータ鉄心（６ａ）。

（６ｂ）の２組があり、この２組のロータ鉄心（６ａ）
。

（６ｂ）間には、軸方向に着磁された円板状永久磁石（
８）が挟まれた構成となっている。

円板状永久磁石（８）は、第１図のＩ側ロータ鉄心（６
ａ）方向がＳ極に■側ロータ鉄心（６ｂ）方向がＮ極と
なる様に軸方向に着磁されている。

さらに、上記ロータ鉄心（６ａ）　、’（６ｂ）には、
ロータ（７）相互間の溝部に棒状永久磁石（９ａ）　、
　（’９ｂ）が埋め込まれており、着磁方向は、上記円
板状永久磁石（８）の発生する磁束を打ち消す方向（逆
極性）で径方向に着磁されている。したがって、棒状永
久磁石（９ｂ）の極性は、モータ空隙面側がＳ極となっ
ている（第１図参照）。

また、２組のロータ鉄心（６ａ）と（６ｂ）は、１／２
歯ピッチずれた位置関係となっている。

次に、この実施例の作用について説明する。

まず、■側ロータ鉄心（６ａ）のモータ空隙面の歯先部
は１円板状永久磁石（８）により、Ｓ極があられれ、ロ
ータ鉄心（６５）の歯間の溝に埋められた棒状永久磁石
（９ａ）は、上記円板状永久磁石（８）の発生する磁束
とは逆方向の極性をもち、空隙面側は、Ｎ極である。し
たがって、■側ロータ鉄心（６ａ）の空隙面には、Ｎ極
とＳ極が交互にあられれる。

同様に■側ロータ鉄心（６ｂ）のモータ空隙面の歯先部
には、円板状永久磁石（８）によりＮ極があられれ、ロ
ータ鉄心（６ｂ）の歯（７）相互間の溝部に埋められた
棒状永久磁石（９ｂ）の空隙面側にはＳ極があられれ、
■側ロータ鉄心（６ｂ）の空隙面全体もＮ極とＳ極が交
互にあられれることになる。

今、仮に夏側ロータ鉄心分のみについての発生トルクを
考える。ステータ極歯（２）のＡ、Ｃ，Ｅ。

Ｇ部にあるａ相のみを励磁した時のＡ部と６部のステー
タ極歯とロータ歯間における発生トルクの説明図を第３
図、第４図に示している。

ａ相のみを励磁した時のピーク・トルクを発生する時の
Ａ部ステータ極歯とロータ（７）相互間の模式化した図
を第３図（ａ）に示す。この時にＡ部ステータ巻線（ａ
）により生ずる空隙磁束密度Ｂ。分布の様子と、さらに
円板状永久磁石（８）と棒状永久磁石（９ａ）によりロ
ータ空隙面につくるＮ極とＳ極を等測的な磁化電流１０
に置きかえたものを第３図（ｂ）に示す。そして、上記
の巻線による磁束密度Ｂ０と等価磁化電流１０によりＢ
。−１０・２則（一般にＢｉｆ１則と云うが符号が重複
するのでＢとｉに添字を付した）に従いトルクが生じる
が。

そのトルク式と方向を第３図（ｃ）に示す。

同様に第４図の（ａ）に０部ステータ極歯とロータ歯（
７）相互間の拡大図を、第４図（ｂ）に巻線による磁束
密度Ｂ０と永久磁石を等価な磁化電流１０に置きかえた
等価磁化電流を示し、第４図（ｃ）には、Ｂｏ・１ｏ−
２則によるトルク式と方向を示す。

Ａ部ステータ極歯とロータ歯（７）相互間では。

第３図（ａ）　？　（ｂ）から。

トルりＴ＾：ＢＯＸｉ。

＝Ｂ２Ｘｉ＋ＢｉＸ（−ｉ）＋Ｂ２Ｘ１＋Ｂ１Ｘ（−ｉ
）十Ｂ２Ｘ１＋Ｂ工Ｘ（−ｉ）＋Ｂ２Ｘ１＋Ｂ□Ｘ（−
ｉ）＋Ｂ、Ｘｉ十Ｂ工Ｘ（−ｉ） ＝５ｉ（Ｂ、−Ｂよ） となる。

０部ステータ極歯とロータ歯では、第４図（ａ）。

（ｂ）から。

トルクＴ（＝Ｂ、Ｘｉ。

ユ（−Ｂ、）Ｘ（−１）＋（−Ｂよ）Ｘｉ＋（Ｂｚ）刈
−１）＋（−Ｂ工）Ｘ　ｘ　＋　（Ｂｚ）　ｘ（−１）
　＋　（Ｂ工）Ｘｉ＋（−８２）Ｘ（−ｉ）＋（−ＢＬ
）Ｘｉ＋（−８２）Ｘ（−ｉ）＋（−Ｂ、）Ｘｉ と５ｉ（Ｂ、−８１） となる。

したがって、従来例のハイブリット形ステッピングモー
タ（第１０図：米国特許）では、ステータ極歯の半分は
、あまり有効なトルクを発生してなかったが（第１２図
、第１３図のステータ極歯とロータ歯の位置で、ａ相の
みを励磁した時は、■側（第１図参照）のステータ極歯
Ｃ，Ｇ及び■側（第１図参照）のステータ極歯Ａ、Ｅと
ロータ間では、はとんどトルクを発生していない。）、
本実施例では、励磁した全てのステータ極歯とロータ歯
間で有効なトルクを発生している。

以上により、本実施例は小形軽量で強力なトルクを発生
するステッピングモータを提供することができる。

〔発明の効果〕

以上、説明した様に、本発明によれば、大きな空隙磁束
密度が得られ、励磁したステータ空隙面金てで有効なト
ルクが発生するため、小形で高トルクを発生するハイパ
ワーデンシティのステッピングモータを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のステッピングモータの一実施例を示す
縦断面図、第２図は第１図のＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図
、第３図は（ａ）は第２図のＡ部ステータ極歯とロータ
歯間の拡大模式図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）におけ
るステータ巻線による空隙磁束密度分布図と永久磁石に
よる磁化を等価磁化電流に置き換えて示した説明図、第
３図（ｃ）は第３図（ｂ）から８１８則に従って求めた
トルク式とトルク方向を示す説明図、第４図（ａ）は第
２図の０部ステータ極歯とロータ歯間の拡大模式図、第
４図（ｂ）は第４図（、）におけるステータ巻線による
空隙磁束密度分布図と永久磁石による磁化を等価磁化電
流に置き換えて示した説明図、第４図（ｃ）は第４図（
ｂ）からＢｉＩ３則に従い求めたトルク式とトルク方向
を示す説明図、第５図は従来の２極の永久磁石形ステッ
ピングモータを示す横断面図、第６図（ａ）　、　（ｂ
）　、　（ｃ）は従来のクローポール形の永久磁石形ス
テッピングモータを示し、第６図（ａ）はステータの横
断面図、第６図（ｂ）はロータの分解斜視図、第６図（
Ｃ）はロータの組立要部斜視図、第７図は従来のハイブ
リットステッピングモータの縦断面図、第８図は第７図
のＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図、第９図（ａ）、（ｂ）は
第８図のＡ部ステータ極歯及び０部ステータ極歯とロー
タ歯間の拡大模式図、第１０図は従来のハイブリットス
テッピングモータ（米国特許）のステータ極歯とロータ
歯間の拡大断面図、第１１図は第１０図の全体の横断面
図、第１２図（ａ）は第１１図のＡ部ステータ極歯とロ
ータ歯間の拡大模式図、第１２図（ｂ）は第１２図（ａ
）におけるステータ巻線による空隙磁束密度分布図と永
久磁石による磁化を等価磁化電流に置き換えて示した説
明図、第１２図（ｃ）は第１２図（ｂ）からＢｉｕ則に
従って求めた１−ルク式とトルク方向を示す説明図、第
１３図は第１１図の０部ステータ極歯とロータ歯間の拡
大模式図である。 １・・・ステータ鉄心　　　　　　２・・・ステータ極
歯３・・・ステータ小歯　　　　　４・・・巻線５・・
・ロータ　　　　　　　　　６ａ、　６ｂ・・・ロータ
Ｍ心７・・・ロータ歯　　　　　　　８・・・円板状永
久磁石９ａ、　９ｂ・・・棒状永久磁石 代理人　弁理士　大　胡　典　夫 ＝ＢｚｙｃｔＢｌｘ＜−Ｌ）十−−−−＝占こ（Ｂｚ−
Ｂ＋） トル２の７５濁　　丁＾ ４Ｑ） ＞（−Ｂｚ）ｘ（−シンｔ（−ａｔルこ士−−−−とＳ
ム（Ｂｚ−８＋） Ｙルハカ簡　了０ （Ｃ） 箪 因 第 図 ＋相 Ａ町又す一７山＆ｆ先 Ａ Ｅｌ＠（Ｅｌ ３−し　し くｂ＞ ７４乙１トルク ＴＡ＝６゜ＸＬ。 ”　（−Ｂ２ｒ）Ｘ（−１）ｔ（−Ｂ＋ｒ）Ｘ　Ｌｔ　
−−−：　、５ｔ（Ｂ２ｒ−Ｂｎ） 丁Ａ ＣＣ） 電　１２　図 Ａ七子ス↑−７１に−６ Ｃ＠又チー７μ Ｃ襦やス↑−７′Ｍ４

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　円周方向に複数個の極歯を設け、各極歯には多相巻線
   を有し、各極歯の内周面に複数個の小歯を有するステー
   タと、前記小歯に対向する外周面に複数個のロータ歯を
   有し、軸方向に２分割され、互にロータ歯を１／２歯ピ
   ッチずらし、分割部に軸方向に着磁された円板状永久磁
   石を有し、ロータ歯相互間の溝に、径方向に着磁された
   棒状永久磁石が固着され、この棒状永久磁石の極性は前
   記円板状永久磁石により発生する磁束を打ち消す方向と
   したロータとから成ることを特徴とするステッピングモ
   ータ。