JPH0356063A - ボビン巻電動機 - 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］ 本発明は永久磁石を備えた回転子を有し，ボビン巻コイ
ルで励磁される，いわゆる永久磁石型ステッピングモー
タまたはインダクタ型同期電動機等のボビン巻電動機に
関するものである，［従来の技術］ 第１９図は．従来より良く知られている永久磁石型ＣＰ
Ｍ型〉ステッピングモー夕．またはインダクタ型同期電
動機く通常，両者の構造は同一でコイル仕様のみ異なる
）の分解構造図である．同図において．１〜３は夫々櫛
状の固定子磁極歯である。

４，４”は励磁コイルであり，本図では２相モータの場
合を示しているので，コイルは２個となっている。

５はマウンテングブラケット，６はエンドキャップ．７
は軸受であり，本例では片支持軸受の場合を示した． ８は回転子で，通常，円筒形をしたフエライトマグネッ
ト等より戒り，外周は同図に示すようにＮ，Ｓ極交互に
着磁されている．なお，８′に回転子８の断面を示した
。

第２０図は回転子を支持する軸受９，９゛を前後に２個
配置した構造であり，同図（イ〉および（ロ）は夫々そ
の他の構戒素子は第１９図と共通の部品で楕戒されたＰ
Ｍ型ステッピングモータの縦断正面図と斜視図である。

第１９図に，独立して示した固定子磁極歯１，２，３を
Ａ相，Ｂ相に組み立てた場合，各磁極の配置が１つのコ
イルを挟んで互いに１／２ビッチずらして組み合わされ
た磁極歯１．２の歯が他のコイルを挟んで互いに１／２
ピッチずらして組み合わされた磁極歯２．３とさらに１
／４ピッチずらして配置されことが，第２０図では示さ
れでいる。

第２ｌ図は固定子磁極歯が櫛状ではあるが，台形状をし
た場合の例を示したもので．１１はその歯形状を示し．
１２はコイル巻用ボビン．１３はコイルである． １４は第１９図の８と同じ回転子であり，その磁化の状
態を示すもので，Ｎ極またはＳ極は軸方向に同一極で磁
化され，円周方向にはＮ，Ｓｉ交互に磁化されているこ
とを示している．ｌ５は回転子軸，１６はその軸受であ
る。

第２２図は第２１図の台形極歯１１の組み合わせ配置関
係を２相モータ，したがってＡ相とＢ相として示した展
開図である． 従来例のものは上記のように構戒されるが，第２０図，
第２２図に示すように，従来例のものでは，必ず．各磁
極歯が組み合わさった後に空間部１０．１７が形成され
．この空間部１０．１７はトルク発生には寄与しておら
ず，何にも利用されていない。

［発明が解決しようとする課題コ 最近，ステッピングモー夕の用途が多様化し，夫々の用
途に適した性能を備えたものが要求され，しかも小形で
トルクが大，がっ位置決め精度の良い製品が求められる
ようになっている．また．インダクタ型同期電動機にお
いても，小形で高効率のモータが要求されるようになっ
ている． しかるに，従来例の永久磁石型ボビン巻電動機において
は，トルクを発生させるために空間部１０または１７の
部分は利用されていなかったため，高トルクとはなり難
く，シたがって高効率とならない，という欠点があった
。

本発明は従来のものの上記課Ｍ（問題点）を解決するよ
うにしたボビン巻電動機を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明はＮ［！，Ｓ極交互に磁化された永久磁石回転子
を有し，固定子磁極は．鉄板等を櫛歯状に成し１これを
折り曲げて成形しボビン巻コイルで励磁するボビン巻電
動機において，ボビン巻コイルによってＮ極，Ｓ極に磁
極が交互配置されるように櫛状歯部同志が組み合わされ
て配置される固定子櫛状磁極間とコイル巻用ボビン内周
部間に固定子櫛状磁極鉄板厚とほぼ等しい厚みの永久磁
石部材を配置し，回転子軸と垂直平面でこの固定子を見
たとき，固定子の櫛状磁極の歯間の永久磁石部材はその
部材巾とほぼ等しい巾にこの永久磁石部材を磁化し，そ
の磁化極性は回転子軸と垂直平面でこの固定子を見たと
き，励磁コイルを任意の方向の直流電流で磁化したとき
に発生する固定子櫛状鉄板歯磁極の極性を含めて同極が
３個の次に．異極が１個という順で磁極が並ぶように磁
化するようにしたボビン巻電動機に関する。

この場合，各永久磁石のＡ相側およびＢ相側の磁極を夫
々の電動機出力軸方向にＡ，Ｂ各相のほぼ中心部から２
分して各相内でＮ極，Ｓ極と磁化し，相互に異極となる
ようにしたボビン巻電動機と構成することもできる． また．上記の永久磁石の磁化方法において，固定子磁極
間に配置した永久磁石をその磁石部材巾のほぼ１／２巾
でＮ，Ｓに磁化し，励磁コイルを任意の方向の直流電流
で磁化したときの固定子櫛状鉄板歯磁［ｉ極性を含めた
永久磁石の極性が，互いに隣りの磁極の極性が異極とな
るようにするか，同極と異極が３個ずつ並ぶようにした
ボビン巻電動機とすることが望ましい。

さらに，当該ボビン巻電動機のボビンの全部，または内
周部をプラスチック磁石で作り，ボビン内周部に上記固
定子櫛状歯が入るように櫛状歯巾に等しく．またその鉄
板厚に等しい深さで溝を設け，このボビン内周部で溝部
でない部分を磁化するように構成しても良い。

［作用］ 以下，ＰＭ型ステッピングモー夕の実施例によって，本
発明の作用を説明する。

ＰＭ型ステッピングモー夕において，励磁コイルに直流
電流を流し続けると，回転子は固定子磁極に吸引されて
静止トルクを発生する。この静止トルクＴは，回転子の
位置を所定位置に保持し続けようとするトルクで，次式
で表わされる。

Ｔ＝ＰＮΦｍＩｓＩｎθ ？こで，Ｐ，Ｎ，Φ■　■およびθは次の内容を表わす
。

Ｐ：回転子磁極の極対数（ＮまたはＳの数）Ｎ：コイル
の巻数 Φ．：回転子磁極から発生し，固定子コイルと鎖交する
磁束量 Ｉ：励磁電流 θ：対向している固定子磁歯の中心線と回転子磁極の中
心線のなす角度 上式において，固定子部に永久磁石が配置されしかも鉄
板歯磁極と両側の永久磁石が同極で，かつ対向している
回転子磁極が異極の場合には両側の永久磁石の磁束もΦ
１に加えられ．Φ，は増加する． 一方，鉄板歯磁極とその両側の永久磁石が異極で，かつ
対向している回転子の永久磁石が鉄板歯磁極に対し異極
の場合には，回転子の磁束は鉄板歯磁極を回転子磁極と
同極が両側で挟んで配置された状態のため．回転子の磁
束は鉄板歯磁極に集中するため，Φ１が増加することに
なる。

物理的に考えても，回転子と異極の固定子が対向してい
る状態で，その固定子磁極の両側で回転子と同極磁石が
存在すれば．回転子は両側の同極性で反発され，ステイ
フネストルクが増大することからも理解される。

以上の理由でΦカが増加するため，前弐でＴが増加する
ことになり．したがって，効率も向上することになる． これらの関係は，後述する第６図と第８図に示されてい
る． ［実施例コ 以下第ｌ図〜第１８図に示す実施例によって本発明を具
体的に説明する。

第２図は前述した第１９図，第２０図．第２１図に示す
２相の従来のＰＭ型ステッピングモー夕の固定子の磁極
配置と励磁コイルの関係を示す図で，実際のコイルはボ
ビン巻であるが磁気的にはこれと等価である。

この従来の第２図に示す固定子に本発明を適用したのが
第１図である。

即ち，本発明の基本的技術思想は，第１図に示すように
１第２図の各空間部１０および１０”に相当する部分に
永久磁石部材１８を充填するようにしたものである。

この永久磁石部材１８としては，焼結フエライトまたは
焼結希土類磁石片を空間部１０または１０′に接着して
もよく，またはプラスチックフエライト磁石やネオジウ
ムプラスチック磁石を射出或形や圧縮或形で形戒しても
良い。

第３図，第４図および第５図は夫々本発明の第１．第２
および第３の実施例を示すものである．即ち，第３図に
示した第１の実施例のものでは第１図の永久磁石部材１
８に対し，Ａ相側を全て一方の磁ｉ（たとえば，Ｎｉ）
，Ｂ相側を全て他方の磁極（たとえば，Ｓ極〉に磁化す
るようにしている。

また，第４図に示した第２の実施例のものでは第１図の
永久磁石部材１８に対し，Ａ相側，Ｂ相側の磁極を各々
電動機出力軸方向に２分して各相内でＮ極．Ｓ極と相互
に異極となるように磁化している。

さらに，第５図に示した第３の実施例のものでは，第１
図の永久磁石部材１８に対し，Ａ相，Ｂ相を夫々１／２
磁極巾にしてＮ，ＳおよびＳ，Ｎと相互に異極となるよ
うに磁化している．なお，第３図〜第５図において，相
互ハ・ンチで示した永久磁石部材の部分Ｐ，Ｑ（第１図
の空間部１０゜の相当部分〉は，非磁化領域とする．第
６図は第３図の着磁例を対向する回転子側，固定子側の
位置で示したものであって．Ａ相コイルを励磁して図示
のようなＳおよびＮ極の極性に，鉄板歯部が磁化され人
相側に配置されている。

補助永久磁石１９は，図示のようにＮに磁化されている
場合の回転子の安定停止位置関係を示したもので，この
関係状態にて回転子磁極から固定子をみた場合のパーミ
アンス最大の位置となっている。

次に，この固定子と回転子の関係位置のままで，Ａ相の
コイルの励磁電流の方向が逆とした場合の磁極関係を示
したのが第７図である。

この関係は，固定子磁極と回転子磁極が同極性で対向し
ているため不安定ではあるが一応バランスしている。１
相励磁，２相励磁で駆動時はＢ相のトルクが働くため，
第７図のような関係位置は起きない。

第６図の補助永久磁石１つの極性を含めた固定子の磁極
の極性配置は図示のようなＮＳＮＮＮＳＮＮＮ・・・・
・であり，同極性３個の次に，異極性１個が並んでいる
。

また，第７図でもＮＮＮＳＮＮＮＳＮ・・・・のように
同極３個，異極１個の順列となっている．もし，第６図
で補助永久磁石１９の極性がＮでなくＳであった場合，
ＳＳＳＮＳＳＳＮＳとなり，やはり同極３個，異極１個
の順列となる．第７図で補助永久磁石１９の極性がＮで
なくＳであってもＳＮＳＳＳＮＳＳＳとなり同極３個，
異極１個の順列である。

即ち，この磁極配列にすることにより，ＰＭ型ステッピ
ングモー夕の楕造で櫛状歯がＮ，Ｓ交互に励磁コイルで
磁化されている配列で．補助永久磁石でトルクアップが
可能となる。

第８図は，この補助永久磁石２０をその磁石部材巾のほ
ぼ１／２巾でＮ，Ｓ極に磁化した本発明の第３の実施例
である。

この場合も回転子側から対向している固定子磁極を見た
場合，その両面に回転子磁極性と同極性の補助永久磁石
２０が存在しているため，ステイフネトルクが増加する
。

第９図は，第８図でコイル励磁電流方向を逆転させ櫛状
歯極性を逆極性とした場合であり，回転子は不安定では
あるがバランスしており，この場合も駆動時は第８図か
ら第９図に電流が反転する前に，Ｂ相の電流が電気角で
９０’異なっているためＢ相のトルクが働く。

したがって．第８図→第９図のような固定子，回転子の
関係へ直接移行することはない．第８図での補助永久磁
石２０の極性を含めた固定子の磁極の極性配列は，図示
のようにＮＳＮＳＮＳＮＳＮＳＮＳで隣り合う極性が異
極性となる．補助永久磁石２０の極性が第８図でＮ，Ｓ
の順がＳ，Ｎとした場合には，ＳＳＳＮＮＮＳＳＳＮＮ
Ｎとなり同極３個，異極３個の順列となる。

第９図においても，上記２通りのどちらかに含まれる。

第１０図，第１１図は本発明を適用しない場合と適用し
た場合の作用の差を説明するため，図を簡単化するため
，固定子磁極２個とそれに対向する回転子についてＡ相
のみを励磁した場合の図であり，第１０図が本発明の適
用なしの図，第１１図が本発明を適用した場合の図であ
る。

第１０図では．回転子は図示のような関係にあり，永久
磁石が固定子側にないため，前述したように．回転子の
磁束を固定子磁極へ集中させることを助ける働き，また
はステイフネストルクを増加させる働６きは固定子側に
はない， これに対し，第１１図は回転子のＮ極から出た磁束Φ，
は固定子磁極Ｓにギャップを通して入るが．その両側に
Ｎ極があるため．Ｓ極に集中する．また．固定子Ｎ極を
出た磁束Φ．はＮ極の両側にＮｉがあるため，エアギャ
ップを通して回転子のｓｉに集中する。

物理的には，回転子Ｎが固定子の対向磁極Ｓの両側にＮ
が存在するため，ステイフネストルクが増加することに
なる。

Ｂ相側では回転子Ｎ極側は固定子永久磁石とは吸引し，
回転子Ｓ極は固定子永久磁石とは，同極のため反発して
いるがＢ相トータルではバランスしている． このようにΦ，が増加するため，トルクが増加し効率が
改善できるわけであるが，第１１図の例即ち１第３図に
示した第１の実施例にてＰＭ型ステッピングモータの回
転原理，動作を説明したのが第１２図〜第１６図である
。

第１７図は１相励磁の励磁電流を流した場合の動作を説
明したものである。

第１２図は，第１７図でＡ相に十の電流を流した１の状
態であり，ＳやＮが励磁コイルにより作られた固定子鉄
板歯の極性を示し，図示のような関係位置でパーミアン
スが最大で安全停止している． 次に，第１７図の電流パターンでＡ相電流がＯになり．
Ｂ相に十の電流が流れた第１７図の２の状態が第１３図
である。

回転子は．第１２図の位置から１ステップ右側へ移動し
て，Ｂ相の励磁コイルにより磁化された極歯のもとて安
定停止する． 以下第１７図の３の電流が第１４図，第１７図の４の電
流で第１５図，第１７図の５の電流で第１６図の固定子
と回転子の関係となり，各々１ステップずつ右側へ回転
子が移動していくことが判る。

このとき．前述した作用でΦ．が増加するため．駆動時
トルクも増加するわけである． 第ｌ６図は．第１２図と同一関係位置図であり，励磁が
人相へ一巡したことを意味し，連続回転時では，以下こ
の動作を繰り返すものである。

第１８図は，ハイブリッド型ステッピングモー夕の固定
子磁極の先端に設けられた同極性に励磁された磁極間（
溝部）に永久磁石を配置した先行例を示す． この先行例のものは，同極性にコイルで励磁された磁極
歯群の溝に補助永久磁石Ｈ，Ｈ’を設けるのに対し，本
発明はボビンコイル内で櫛状歯が交互に組み合わされた
ものを励磁するため，励磁された櫛状歯はＮ極，Ｓ極の
交互磁化となり，その間に永久磁石を配置するものでハ
イブリッド型の例とは，補助永久磁石を含めた主磁極性
〈鉄心歯部）の配列が全く異なるものであり，それは本
文中第６図〜第９図を使用して既に説明した通りである
。

［発明の効果１ 本発明は上記のように従来のもので必然的に生じる空間
部に永久磁石部材を充填し，これに所定の条件で磁化す
るようにして，補助永久磁石を形戊するようにしたボビ
ン巻電動機であるから，次のような優れた効果を有する
。

■補助永久磁石を固定子に備えたため，使用する補助永
久磁石材による磁力の強さによっても異なるが，トルク
増加率は１．４〜１，９倍となり，安価な構戒でトルク
を大，高効率の電動機とすることができる。

■また，ステッピングモー夕でのステイフネス特性の向
上から位置決め精度の向上，ダンピング特性（１ステッ
プ動作後の動作の安定の早さ〉の改善の効果もあり，製
品の工業的な利用価値を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第１８図は本発明を説明するためのもので，そ
の内．第１図は本発明の実施例である固定子磁極部分の
磁極配置を示した縦断正面図、第２図は本発明と比較す
るために対応して描いた従来例の固定子の縦断正面図で
ある． 第３図，第４図および第５図は夫々本発明の第１，第２
および第３の実施例を示す磁極と補助永久磁石の関係を
示す配置図である。 第６図は第１の実施例である第３図の着磁例を示す固定
子，回転子磁極の展開図，第７図は第６図においてＡ相
コイルの励磁電流のみ逆方向にした場合の磁極展開図で
ある． 第８図は第３の実施例である第５図の着磁例を示す磁極
展開図，第９図は第８図においてＡ相コイルの励磁電流
のみ逆方向にした場合の磁極展開図である。 第１０図および第１１図は夫々本発明を適用しない場合
および適用した場合における作用を比較説明するために
描いた磁極展開図である．第１２図〜第１６図は本発明
をＰＭ型ステツビングモー夕に適用した場合の回転原理
を説明するためのＡ相磁極，回転子，Ｂ相磁極相互間を
示す配置図である． 第１７図は上記第１２図〜第１６図と対応して描いたＡ
相．Ｂ相の電流バタン特性図である。 第ｌ８図は本発明の先行例として固定子磁極歯群の溝部
に，補助永久磁石を配置した例を示す縦断正面図である
． 第１９図〜第２２図は従来例を示すもので，第１９図は
分解構造を示す斜視図１第２０図（イ）は縦断正面図，
同図（ロ）は固定子側を縦断して示した斜視図，第２１
図は一部を切り欠いて示した固定子が台形状櫛歯の例の
斜視図．第２２図はＡ相， Ｂ相磁極の展開図である． １ ０ １７：空間部 ｌ８：永久磁石部材 １ ９ ２０：補助永久磁石

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｎ極、Ｓ極交互に磁化された永久磁石回転子を有し
   、固定子磁極は、鉄板等を櫛歯状に成し、これを折り曲
   げて成形しボビン巻コイルで励磁するボビン巻電動機に
   おいて、ボビン巻コイルによってＮ極、Ｓ極に磁極が交
   互配置されるように櫛状歯部同志が組み合わされて配置
   される固定子櫛状磁極間とコイル巻用ボビン内周部間に
   固定子櫛状磁極鉄板厚とほぼ等しい厚みの永久磁石部材
   を配置し、回転子軸と垂直平面でこの固定子を見たとき
   、固定子の櫛状磁極の歯間の永久磁石部材はその部材巾
   とほぼ等しい巾に、この永久磁石部材を磁化し、その磁
   化極性は回転子軸と垂直平面でこの固定子を見たとき、
   励磁コイルを任意の方向の直流電流で磁化したときに発
   生する固定子櫛状鉄板歯磁極極性を含めて同極が３個の
   次に、異極が１個という順で磁極が並ぶように磁化する
   ようにしたことを特徴とするボビン巻電動機 ２、各永久磁石のＡ相側およびＢ相側の磁極を電動機出
   力軸方向にＡ相、Ｂ相の各々のほぼ中心部から２分して
   各相内でＮ極、Ｓ極に磁化し、相互に異極となるように
   した請求項１記載のボビン巻電動機。 ３、上記の永久磁石の磁化方法において、固定子磁極間
   に配置した永久磁石をその磁石部材巾のほぼ１／２巾で
   Ｎ、Ｓに磁化し、励磁コイルを任意の方向の直流電流で
   磁化したときの固定子櫛状鉄板歯磁極の極性を含めた永
   久磁石の極性が、互いに隣りの磁極の極性が異極となる
   ようにするか、同極と異極が３個ずつ並ぶようにした請
   求項１記載のボビン巻電動機。 ４、当該ボビン巻電動機のボビンの全部、または内周部
   をプラスチック磁石で作り、ボビン内周部に上記固定子
   櫛状歯が入るように櫛状歯巾に等しく、またその鉄板厚
   に等しい深さで溝を設け、このボビン内周部で溝部でな
   い部分を磁化するようにした請求項１または２あるいは
   ３記載のボビン巻電動機。