JPH0297265A - 多極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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、時計用の電動機、さらに限定的に言うと、中
心軸の周囲に分布しこの軸に対して平行な方向に磁化さ
れたＮ対の磁極を備えた永久磁化された回転子、ならび
にコアの上に取り付けられた巻線及び上記軸に対し垂直
な同一平面内で互に向かい合って延びている２つの主磁
極片を含む磁気固定子回路を有する（尚、これらの磁極
片の各々はコアの片端に接続されており、上記軸を中心
に分布した磁極歯の備わった凹形のリムを有し、前記回
転子は磁極片の平面に平行な平面内に延びている）タイ
プの多極パルスモータに関する。

〔従来の技術〕

これまで長い間、製造費用が安くしかもコンパクトであ
りながら比較的多数の磁極対をもっことのできる多極パ
ルスモータを設計しようという試みが為されてきた。

多極パルスモータは、特にスイス特許第５９９７０７号
、米国特許第４７１．３５６５号及びフランス特許第２
４０６９０７号に開示されている。これらの特許のうち
最初に挙げたものにおいては、それぞれ第１図から２図
、５図から６図に２つの実施例が記述、図示されている
。第１図及び第２図に示されている実施例において、デ
ィスク形の回転子は、磁極片（ｌａ及び５．５ａ）によ
り形成される空隙内に置かれている。さらにこれら３つ
の要素のアセンブリは、円筒コイル６上及び環状部分２
上に置かれている。このような配置は、高さ面で極めて
空間が無駄であり、組立てが複雑である。第５図及び第
６図に示されている実施例においては、磁極片（５１ａ
及び５５ａ）の重なり合いがある。

米国特許第４７１．３５６５号に置いては、磁石の平面
の両側で異なる平面内に同様に置かれた固定子磁極片を
もつモーターが記述されておるが、これは高さの空間の
無駄を表わしている。さらに１４ａと１４ｂと呼ばれて
いる内側固定子のアームは、実際回転子の磁極と同じ幅
をもつ。これらの内側固定子は各々１本のアームだけで
固定子のサポートに接続されているため、連結用アーム
のために用いることのできる残った幅の狭さから考えて
、回転子の磁極の数が大きい場合、この設計が、製造上
の問題に加えて機械的安定性及び磁気的飽和の問題によ
り困難である。

フランス特許第２４０６９０７号に記載の多極パルスモ
ータも又、中心軸の周囲に分布しこの軸に対して平行な
方向に磁化されたＮ対の磁極の備わった永久磁化された
回転子ならびに１つのコア上に取り付けられた巻線を含
む磁気固定子回路を含むタイプのものである。さらに、
これらのモーターは、前記軸に対し垂直な同一平面内に
互に向き合った２つの主磁極片を含んでいる。これらの
磁極片の各々はコアの片端に接続されており、軸を中心
として分布した磁極歯の備わった凹形のリムを有し、回
転子は、磁極片の平面に対して平行な平面内に延びてい
る。

しかしながら、この設計は、上述の欠点特に米国特許第
４７１３５６５号に開示されている設計のもつ欠点を除
去できていない。特に、回転子のシャフトの底部軸受の
保持の問題が解決されていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、固定子に対する回転子のより精確な位
置づけとパルスの時点で現われる磁束の改良された形状
を有しモータの精確かつ信頼性の高い駆動を達成できる
ようになっている改良型多極パルスモータを提供するこ
とにある。

本発明のもう１つの目的は、出力について重大な譲歩を
全くせずに単純かつ低い設計で」一回転あたり６０ステ
ツプを行うようなモータを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

この目的のため、初めに記述したタイプの本発明に従っ
た多極パルスモータにおいては、主磁極片の間に中間磁
極片が置かれ、これには、磁極歯と反対側にありその間
に噛み合った中間歯がついている。

〔実施例〕

本発明の好ましい実施態様を、図面を参照にして詳述す
る。

ここで記述されるモータは、励磁コイル４をもつコア３
の端部に磁気的に接続された２つの主磁極片（１及び２
）を含む単相多極パルスモータである。第１図の概略図
において、磁極片（１及び２）は完全に平坦で、重なり
合いによりコア３に接続されている。接続は、はんだづ
けてもその他の方法でも行うことができる。１変形例実
施態様においては、コアとモノブロックの形で打抜き加
工することによって、磁極片の一方を成形するようにす
ることも可能である。この場合、もう一方の磁極片は、
その接続用舌状部がコアの端部面の一つと接触するよう
に弯曲していなくてはならない。磁極片（１及び２）及
びコア３の材料は、高い飽和限界と低い残留磁気を有す
る強磁性金属である。

電子装置（図示せず）は、２つの主磁極片（１及び２）
の各々がＮ極とＳ極として交互に作用するようコイル４
を通して極性の交替するパルスを周期的に送る。第２図
を見ればわかるように、２つの主磁極（１及び２）は同
一平面上にある。これらは互に反対側にあり、各々、数
多くの磁極歯５を有する断面形状で打抜きされた凹状の
内側リムを有している。第１−図に示されているケース
において、磁極歯５は台形で、間にあるゾーン６で分離
され、その縁部は磁極片の平面に垂直な軸上に中心をお
く１つの円の弧の部分である。この中心軸は、モータの
回転子の軸と一致する。

図示されている実施態様において、２つの磁極片（１及
び２）の各々の磁極歯は固定子磁極ピッチα３をもつ７
つの歯のグループを形作っている。磁極片（１及び２）
の各々のグループの両端にある歯５は、第１１図に示さ
れているように、相対する磁極片の一致する歯５と向き
合って位置づけされており、これらの一致する歯５の対
の各々は、一定の幅のエアギャップを設定している。第
１図をみると明白であるように、当該２つのエアギャッ
プは同じ幅のものではない。しかしこの配置は、意図さ
れている目的を達成するのに極めて重要なことではない
。実際、磁極片（１及び２）の間には、同様に磁極片（
１及び２）と同じ厚みの平坦なプレートであり、かつ同
様に高い飽和限界をもつ低い残留磁気の強磁性材料でで
きている中間磁極片７がある。この中間磁極片は一般に
、磁極片（１及び２）との間にほぼ一定であるが狭い幅
の２つの曲折模様のエアギャップ（９及び１０）を構成
するよう磁極歯５のものと相補的でかつそれと噛み合う
断面形状でその周囲に沿って配置された２つの中間歯グ
ループ８を伴った円形形状をしている。

パルスの時点でエアギャップ（９及び１０）に隣接する
空間に延びている磁界は、軸に平行な、即ち磁気回路の
平面（１，７，２，３）に対し垂直な磁界方向に従って
、回転子の周囲に沿って交互に分布したＮ極とＳ極によ
る多極磁化を呈する永久磁化された平坦なディスク又は
リングからなる回転子１１と連動する。

第３図、第４図及び第５図は、概略的に示された回転子
が磁極片（１及び２）といかに連動するかを示している
。第４図及び第５図をみると、回転子１１は、磁極１２
が全て回転子の面１３の１つの中にみえるように設計さ
れているということがわかる。従って、この面１３の縁
部に沿って、Ｎ極及びＳ極は、値α７の磁極ピッチで交
互に分布させられている。図示されている実施態様にお
いて、回転子１１は、角ピッチαｓが２π／１６である
ように３２の磁極すなわち１−６の磁極対によって磁化
されている。磁極１２により空間内に生じた磁界の外観
は、第５図に概略的に示されている。

第３図は、記述されているモータのオプションの特性を
示している。第４図をみればわかるように回転子１１の
磁極対の角ピッチはαｓに等しいが、一方磁極片（１及
び２）の各々の磁極歯の角ピッチα５は磁極ピッチα７
とはやや異なる。実際、以下に示されているように、モ
ータの作動を妨害する可能性のある妨害トルクを、最も
望ましいと思われる程度にまで軽減するため０．８と１
．２×αｓの間で一般に含まれる値に、これを選定する
ことができる。

原則として、この作動は以下のようなものである 磁極片２をＮ極として磁極片１をＳ極として分極する長
い持続時間のパルスを仮定すると（第３図）、回転子１
１（第４図）は、２つの相対する磁極Ｓａ及びｓｂの間
の直径方向ラインにより構成されている磁気回転子軸が
磁極片（１及び２）の磁気固定子細との関係において対
称的に置かれているような位置で停止することになる。

このタイプのモータについては、ステッピング作動中に
、パルスがない場合回転子は自然にこの停止位置とは異
なる方向を向くようになっていなくてはならない。この
ため、例えば磁極片（１，２及び／又は７）の特定の場
所に、回転子が第３図に示されているものとはやや異な
る休止位置をとるようにする非対称的な輪郭を有するア
パーチュア或はその他の形の断面形状セグメントが備え
られる。次に続くパルスの時点で、１．２ 回転子１がＮ極として磁極片２がＳ極として分極された
場合、回転子は、それを１ステツプつまり１／２　αｓ
−２π／２　Ｎに等しい角度だけ回転させるような駆動
トルクを受け、そのため磁極ｓｂは磁極片１の歯５の１
つの上に対称的に置かれることになるということが理解
できる。

固定子の歯の角ピッチは回転子の磁極対の角ピッチとは
やや異なる（ここではやや大きい）ため、第４図にＳａ
及びｓｂとして示されているものに隣接する磁極は、そ
れらがカバーする磁極片（１及び２）の歯５　（第３図
）に対して対称的な位置にはない。以下に示すように、
ある種の妨害トルクを減衰させ或は除去させる効果をも
つのは、この配置なのである。

これらの妨害トルクを制御できるようにする条件の決定
に関する詳細に入る前に、ここで第６図、第７図及び第
８図を参照にしてモータの実際の応用例について記述す
る。磁極片（１及び２）は、ネジ（１５及び１６）を介
して、プレート１４の平面に平行な同一平面内にくるよ
うに、ベースプレート１４に固定されている。これらの
磁極片は、第１図及び第３図の場合と同じ形で配置され
、ネジ１６が同様に、プレート１４との関係において、
励磁コイル４が上に取り付けられたコア３を固定してい
る。

中間磁極片７は、プレート１４内の中央穴に取り付けら
れ回転子２１のシャフト１８のための軸受そして中間磁
極片７のための保持部分として同時に作用している複数
の部分からなるサポート１７上に固定されている。シャ
フト１８を案内するもう１つの軸受１９は、ネジ１５に
よりベースプレート１４から離隔された矩形のカバープ
レート２０に固定されている。

記述したモータの回転子アセンブリ２１は、その輪郭が
第８図に示されている電機子２２を含み、この中をシャ
フト１８が通過し、この中に回転子の磁化されたリング
１１が据え付けられている。シャフト１８は、プレート
２０より上に突出し、回転子により駆動されるべき全て
の要素を支持する連結部品を受は入れることができる。

大量生産では、回転子アセンブリ２１は、例えばブラス
トフェライトといった磁気材料の射出作業により全体的
に又は部分的に製造される。

ここで、望ましい性能の一関数としである一定の構造上
のパラメータを自由に決定することができるようにする
前述の設計の特性の１一つに立ち戻ることにする。

第３図をみればわかるように、中間磁極片７が存在する
ため、パルスの時点で空間内に発生ずる磁束は、曲折模
様のエアギャップ９により厳密に導かれる。

第９図のグラフは、モータを設計するために考慮に入れ
られなくてはならない様々なトルクの曲線を示している
。トルクＭｉの曲線は、固定子との関係におけるその角
位置の関数としてのパルスの時点て回転子に対して及ぼ
される力のモーメントを表している。これは周期的曲線
であり、その周期はαｓ＝２π／Ｎに等しい。曲線Ｍｐ
はパルス間の期間中の回転子の位置づけを確実にするブ
ロッキングトルクを表わす。その周期はαｓ／２又は２
π／２　Ｎに等しい。Ｍ　ｐ　ａ　ｒで示された曲線は
、数多くの妨害トルクの１つを表わす。

このトルクの存在は、磁極歯の形状及び第」園内に５と
いう参照番号で示されており、これらの歯のグループの
ピッチにより左右される。この曲線の形状は、磁極歯の
ピッチと回転子の磁極のピッチの比率を与えるパラメー
タＫを注意深く選ぶことにより変更することができる。

これらの妨害トルクは、位置決めトルクＭｉの高調波で
ある。場合に応じて、第２高調波又は第４高調波を除去
するのも有利である可能性がある。この結果がもたらさ
れうるのは、比率にの慎重な選択によってである。最後
にラインＭｒは、軸受による摩擦断面係数を示す。トル
クＭｍは、歯車列内の摩擦トルク、時計針の不平衡トル
クといった回転子に作用する外部の機械的トルクの合計
を表わす。

プロトタイプについて行なわれた実験的研究は、一定の
与えられたプロトタイプとの関係において、パラメータ
Ｋに対し選ばれた値の一つの関数としてのトルクＭ１及
びＭｐａｒの振幅の変動の曲線を示す第１０図として示
されている種類のグラフを作成することが可能であるこ
とを示した。第１０図の場合では、妨害モーメントＭｐ
ａｒは、Ｍｐの第２高調波のモーメントであり、例えば
、この妨害モーメントは係数にとして１．０４という値
を選択することにより除去することができるということ
がわかる。この係数の選択は、Ｍｌの振幅におけるわず
かな減少をもたらすが、この減少は重大なものではない
。

従って、上述の方法は、特に一回転あたり６０ステツプ
にたやすく達するため、一回転あたりのステップ数を多
くして設計することが容易にてき、特に小さく低いモー
タを製造することを可能にするばがりではなく、寸法決
定によっては消費電力が極めて低くなりうるように設計
することをも可能となる。このモータは、駆動シャフト
１８上に直接取り付けることができこうして必要な歯車
列の数を著しく減少させるような時計の製造を可能にす
る。

第５図をみればわかるように、上述の実施例において、
回転子の磁化の結果として、全ての磁極は、磁化された
リングの同一面上に互いに連続している。しがしながら
、軸に純粋に平行な磁化を伴う回転子すなわち両方の面
が磁化された回転子を含むもう１つの実施例も考えるこ
とができ、この場合、面のうちの１つの磁極セクターは
つねにもう一方の面の逆の極性の磁極セクターに対し直
接反対である。さらにもう１゜っの変形実施態様におい
ては、パルス間で停止させる目的をもつ回転子ブロッキ
ング用手段を回転子のリム又は磁極片と反対のその面前
に向い合って配置された強磁性要素で形成することもで
きる。上述の実施例に対する数多くの変更か可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、磁気回路の概略平面図である。 第２図は、第１−図のＩｒ−ＩＩ線で切り取った同図の
回路の概略的断面図である。 第３図、第４図及び第５図は、前述のモータを説明する
。その磁気回路と回転子の概略平面図及び立面図である
。 第６図、第７図及び第８図は、全体として上述されたモ
ータのそれぞれの平面図及び■−■線及び■−■線て切
り取られた断面図である。 第９図は、モータの構造特性の最適化の研究を説明する
グラフである。 第１０図は、同様に特性の最適化の研究に関するもう１
つのグラフである。 １２・・・磁極片、３・・・コア、４・・・励磁コイル
、５・・・磁極歯、６　・・ゾーン、７・・・中間磁極
片、８・・・中間歯グループ、９，１０・・・エアギャ
ップ、１１・・・回転子、１２・磁極、１３・・・回転
子面、１４・・・プレート、１５．１６・・・ネジ、１
７・・・サポート、１８・・シャフト、１９・・・軸受
、２０・・・カバープレート、２１・・・回転子アセン
ブリ。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）　中心軸、この中心軸の周囲に分布されこれに対
   して平行な方向に磁化されたＮ対の磁極を有する永久磁
   化された回転子ならびに、コアの上に取付けられた巻線
   及び前記軸に対し垂直な平面内に互いに向かい合った２
   つの主磁極片を含む磁気固定子回路を有し、かかる磁極
   片の各々は、前記コアのそれぞれの端部に接続され、か
   かる軸を中心に分布した磁極歯の備わった凹形のリムを
   有し、前記回転子は前記磁極片の平面に平行な平面内に
   ある多極パルスモータにおいて、前記主磁極片の間に配
   置され前記磁極歯と反対側に位置づけされ、これと噛み
   合う中間歯を含む中間磁極片が含まれていることを特徴
   とする多極パルスモータ。
2. （２）　前記中間磁極片及び前記主磁極片の断面形状は
   相補的であり、ほぼ一定の幅の曲折模様のエアギャップ
   を設定していることを特徴とする請求項（１）に記載の
   モーター。
3. （３）　前記磁極歯の角ピッチが前記回転子の磁極の角
   ピッチと異なることを特徴とする請求項（２）に記載の
   モーター。
4. （４）　前記磁極歯の角ピッチα＿ｓはα＿ｓ＝ｋ・２
   π／Ｎの式により決定されること（尚式中、ｋは０．８
   と１．２の間の係数であり、２π／Ｎは、前記回転子の
   前記磁極の角ピッチα＿ｒに等しい）を特徴とする請求
   項（３）に記載のモーター。
5. （５）　前記磁気固定子回路は、電流が巻線内を通過し
   たとき駆動トルクが回転子に作用するような角度的位置
   にこの回転子をパルス間の周期中維持することのできる
   少なくとも１つの非対称の保持要素を含んでいることを
   特徴とする請求項（１）に記載のモーター。
6. （６）　前記非対称要素は、前記主磁極片内に作られた
   一連の開口部からなることを特徴とする請求項（５）に
   記載のモーター。
7. （７）　前記非対称要素は、前記主磁極片内及び前記中
   間磁極片内に作られた一連の開口部からなることを特徴
   とする請求項（５）に記載のモーター。
8. （８）　前記非対称要素は、前記中間磁極片内に作られ
   た一連の開口部からなることを特徴とする請求項（５）
   に記載のモーター。
9. （９）　前記回転子には、その主磁極片の方を向いたそ
   の前面中の１面上に分布した３０の前記磁極対が含まれ
   ていることを特徴とする請求項（１）に記載のモーター
   。