JPH06153428A

JPH06153428A - 永久磁石式回転子

Info

Publication number: JPH06153428A
Application number: JP4226522A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Sakamoto; 正文坂本; Akira Totsune; 明戸恒
Original assignee: Japan Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 1992-08-04
Filing date: 1992-08-04
Publication date: 1994-05-31
Anticipated expiration: 2019-02-16
Also published as: JP3496951B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】本発明は、外周に等ピッチで複数個の極歯
を設けた磁性体製の回転子ヨーク２個を、其の極歯の配
設ピッチの１／２ピッチずらせて永久磁石を挟持した構
造の回転子組を２個以上同一回転子軸上に結合して配置
したハイブリッド形ステッピングモータ又は同期電動機
において、回転子の構成を改良してトルクが大きく、か
つ回転角精度が高く、振動騒音の少ないステッピングモ
ータ又は同期電動機をを得るのを目的とする。【構成】本発明に成る永久磁石式回転子は、２組以上
の回転子組を互いに其の極歯の位置を、該極歯の配設ピ
ッチの１／４未満の角度ずらせて配置する構成により目
的を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は永久磁石式回転子に係
り、特にハイブリッド形ステッピングモータ又は同期電
動機の回転子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４〜図９により従来技術の内容、構成
を説明する。永久磁石式ステッピングモータは位置決め
制御や速度制御等にＯＡ，ＦＡ等に広く利用されてい
る。又、上記のステッピングモータを正弦波電圧で駆動
する同期電動機も定速制御等に利用されている。上記の
モータの出力をモータの外径寸法を変えないで増加しよ
うとする時、上記モータの回転子単体を２個以上同一の
回転軸に結合して出力を増加する手段が広く使用されて
いる。回転子軸方向に磁化された永久磁石を、其の外周
に複数個の極歯を設けた２個の回転子ヨークで挟持した
回転子を有するハイブリッド形ステッピングモータにお
いては、固定子の軸方向の厚みを増加して出力トルクを
増加しようとする時、永久磁石の厚みを増加しても発生
する磁束量は限られている為、厚みの増加した固定子の
下で図６に示すように回転子組を２組又はそれ以上同軸
上に結合して使用することによりトルクを増加させる手
段が使用されている。

【０００３】図６は出力トルクを増加する目的で同一軸
上に２組の回転子組を結合して一個の固定子と対向させ
て配置したハイブリッド形ステッピングモータの構造を
示す断面図で、図７は図６のＡ−Ａ’線に沿った断面
図、図４は図６の回転子部分の詳細図、図５は図４に示
した回転子の極歯の配置を示す側面図である。

【０００４】図６において、巻線を巻装した固定子１０
をエンドブラケット９，１１で挟持し、エンドブラケッ
ト９，１１に設けた軸受８により回転子１２を回転自在
に支承している。固定子１０は図７に示すように、複数
個（図示例では８個）の磁極を放射状に設け、各磁極に
は巻線が巻装され、各磁極の先端には夫々複数の極歯が
設けられている。回転子１２のヨークには固定子の極歯
と対向し極歯が設けられている。図４に示す回転子１２
の詳細図においては、其の外周に極歯を設けた２個の回
転子ヨーク１と２の間の極歯の位置を１／２ピッチずら
せて永久磁石５を挟持して第１の回転子組を形成し、同
じ形状の回転子ヨーク３と４との間の極歯の位置を１／
２ピッチずらせて永久磁石５を挟持し第２の回転子組を
形成し、２個の回転子組を其の極歯の位置を回転子ヨー
ク１と３の極歯の位置が図５に示すように一致するよう
にして回転子軸７の上にスペーサ６で軸方向に離して固
着してある。

【０００５】図８は円筒形の永久磁石を回転子とするス
テッピングモータ又は同期電動機のの例で、出力トルク
を増加する為に同じ構造の固定子１３−１，１３−２
と、回転子１４−１，１４−２を同一の軸上に２個設け
てある。図９は回転子１４−１及び１４−２の詳細図で
２個の永久磁石の磁極の位置は一線上に並んで設けられ
ている。

【発明が解決しようとする課題】図４〜図９に示したよ
うな同一の軸上に２個の回転子単体を設ける構成による
と、トルクを増加することができるが、トルクが増加し
たことにより振動と騒音が増大するという問題が生ず
る。ステッピングモータはハイブリッド形の回転子が１
組、あるいは永久磁石を１個の場合でもインクレメンタ
ルな動作で回転子が回転するため、インダクションモー
タ等に比べて振動、騒音が大きく、又マイクロステップ
駆動させる時、回転子のコギングトルクの影響で回転が
滑らかにならないという問題があった。本発明の目的は
上記のような従来技術の問題点解決し、トルクが大きく
かつ回転角精度が高く振動、騒音を低減出来る永久磁石
式回転子を得るにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明においては、ハイ
ブリッド形回転子においては２組の回転子組の極歯の関
係位置をある角度ずらせて配置することにより、又、永
久磁石のみの回転子の場合は２個の永久磁石の磁極の位
置をある角度ずらせて配置することにより問題を解決す
る。

【０００７】

【作用】ステッピングモータの回転時に発生する振
動、騒音は主として回転子の永久磁石の鎖交磁束の奇数
次高調波により引き起こされていることが研究の結果判
明したので、２組の回転子組の極歯の関係位置をある角
度ずらせて配置することにより、各回転子組により発生
する高調波トルクを打ち消することができるようにした
構成により問題を解決する。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例に成るハイブリ
ッド形回転子の構造を示す断面図、図２は回転子ヨーク
の極歯の関係を示す側面図である。図１及び図２は図４
及び図５に示した従来技術と異なるところは、第１の回
転子組の回転子ヨーク１と第２の回転子組の回転子ヨー
ク３の夫々の極歯の関係位置がある角度ずらせて配置さ
れていることである。即ち従来技術の図５においては回
転子ヨーク１と３は同じ位置に配置されているのに対
し、本発明に成る図２においては、回転子ヨーク１と３
の間はθ₀だけずらせて配置されている。

【０００９】本発明に成るハイブリッド形回転子の２個
の回転子組の極歯のずらせ角θ₀と振動を低減できる作
用の関係を説明する。今、説明するステッピングモータ
の固定子は２相の巻線を有するものとし、回転子が回転
している時に固定子巻線と鎖交する奇数次高調波が有る
ために回転子の回転動作に振動が発生する。

【数１】

【００１０】本発明になる回転子の構造として示した図
２の如く、２組の回転子組の場合に第１の回転子組の極
歯の位置と第２の回転子組の極歯の位置がθ₀だけずら
せて配置されているとすると、全体の高調波トルクは
（５）式よりＴ＝−３φmＩmｋ₃〔sin４θ−sin(４θ＋３θ₀）〕上式においてＴ＝０となるには３θ₀＝πであるから
θ₀＝π／３とすれば良い。即ち２組の回転子組の極
歯の位置を電気角で６０度（図７で回転子ヨークの歯数
が５０の場合に機械角で示すと１．２度）ずらせて配置
することにより、鎖交磁束の第３高調波成分により発生
する第４調波トルクを零とする事が出来る。同様に鎖交
磁束の第５高調波成分により発生する第４調波トルクを
零とする条件はθ₀＝π／５とすれば良い。回転子組が
３個の場合は上記の考えと同じで式の説明は省略するが第３高調波によるトルクを無くするにはθ₀＝２π／９第５高調波によるトルクを無くするにはθ₀＝２π／１
５となるようにずらせてはいちすれば良い。

【００１１】従って広く使用されている２相機で２組の
回転子組を使用する例においては、上記の結果より、第
３高調波、第５高調波によるトルクを最小にする条件は π／５≦θ₀≦π／３………………………………………………（６）とすれば良いと考えられる。次に３相機の場合は、第３
高調波によるトルクは発生せず、第５高調波によるトル
クが表われる為回転子組を２個使用する場合にはθ₀＝π／５回転子組を３個使用する場合にはθ₀＝２π／１５とすれば良い。４相機の場合を計算して其の結果のみを
示すと第３高調波、第５高調波によるトルクは発生せ
ず、第７高調波、第９高調波の鎖交成分により第８高調
波のトルクが発生する為、回転子組を２個使用する場合にはθ₀＝π／７回転子組を３個使用する場合にはθ₀＝２π／２１とすれば良い。

【００１２】上記の説明は固定子巻線に正弦波状の電流
を流したときの発生トルクについて説明したが、固定子
巻線に電流を流さない無励磁状態でも回転子に永久磁石
を使用しているのでコギングトルク（あるいはデイテン
トトルク）と呼ばれるトルクが発生し、２相機の例で示
すと図１０のように破線で示したＴeは巻線に直流電流
を流した時に発生する保持トルクで正弦波状に変化する
のに対し、Ｔｄは無励磁の状態で発生するトルクで４倍
の周波数となることが知られている。従って実際の発生
トルクはＴｆ＝Ｔｅ＋Ｔｄとなり歪んだ形と成る。この
Ｔｆは極力正弦波に近いほうがマイクロステップ駆動の
時に回転子の移動ステップ角精度が良くなりモータ駆動
時の振動が小さくなることが知られている。ここで、
２組以上の回転子組をある角度ずらせて配置することに
よりコギングトルクを理論的に零とすることが出来、従
って実際の保持トルクを正弦波状に近づけることが出来
る事を説明する。

【００１３】２相機の例で回転子組を２個使用した場合
に２個の極歯のずらせ角θ₀を（６）式の範囲の角以内
でθ₀＝π／４と選定した場合に、第１の回転子組で発
生するコギングトルクをＴda,又このＴdaにより歪みを
受けた実際の保持トルクをＴaとし、同様に第２の回転
子組によるコギングトルク及び実際の保持トルクを夫々
Ｔdb,Ｔｂとすると、２個の回転子組の極歯のずらせ角
θ₀＝π／４であるから第４調波のトルクであるコギン
グトルクはＴdaとＴdbの位相が１８０度異なる為打ち消
されて零となる様子が図１１に示してある。

【００１４】従って２個の回転子組の夫々の回転子につ
いて実祭の保持トルクはコギングトルクに因り歪みを受
けているが２個の回転子組をθ₀＝π／４ずらせ配置す
ることによりコギングトルクが打ち消されて、合成の保
持トルクＴabは正弦波状に変化する。このように適切な
ずらせ角θ₀を選定することにより従来技術で問題と成
ったステッピングモータの欠点が改善される。

【００１５】ここでずらせ角θ₀の有効な上限について
説明する。ステッピングモータのステップ角θsは、θs＝θr／２Ｐ……………（７）で決まることが知られている。（７）式で示すθrは図
２，図５で示した一個の回転子ヨークの極歯の配設ピッ
チ角であり、Ｐはモータの巻線の相数である。例えば２
相機で回転子ヨークの歯数を５０とすると、 θr＝３６０／５０＝７．２であるからθs＝７．２／２
×２＝１.８度となる。即ちθsは、２相機の場合にはθ
rの１／４、３相機の場合はθrの１／６、４相機の場合
はθrの１／８となる。ここで本発明における回転子組
の間のずらせ角θ₀をステップ角θsと一致させた場合を
考えると、第１相を励磁されており第１の回転子組の極
歯が励磁されている固定子の極歯と一致している時に第
２の回転子組の極歯が第２相の極歯と一致していること
を示し、ステッピングモータとして動作出来ないことを
示している。従ってずらせ角θ₀はステップ角θs未満
であることが必要である。（７）式より２相機より相数
の多い３相機、４相機においては同一のθrの回転子の
場合でもステップ角θsが２相機より小さくなるのでθ₀
の上限は２相機の場合のθs未満となる。

【００１６】又、本発明は図１に示した構造で、スペー
サー６を除き回転子ヨーク２と３とを当接し、かつ２個
の永久磁石５を夫々反対の方向に着磁した構成のハイブ
リッド形回転子にも適用できる。

【００１７】次に第２の実施例について説明する。図８
は第２の例を実施する永久磁石を回転子とするステッピ
ングモータ又は同期電動機の従来技術の構造を示す断面
図で、出力トルクを増加するため２個の同じ構造の固定
子１３−１，１３−２と永久磁石回転子１４−１，１４
−２を同軸上に配置し、２個の回転子を一個の回転軸に
固着したもので、回転子の磁極配置は図９に示すように
一線上に並んで配置されている。図８に示すモータは前
に説明したハイブリッド形ステッピングモータの場合と
同じように出力トルクを大きくすることが出来るが振
動、騒音が大きくなるという問題があった。この第２の
実施例においても前述のハイブリッド形ステッピングモ
ータの場合と同じ理由により、２個の永久磁石回転子の
磁極の位置をθ₀だけずらせて配置する構成により解決
する。図３は本発明の第２の実施例の回転子の構造を示
す側面図で、第１の永久磁石回転子１４−１と第２の永
久磁石回転子１４−２との磁極の位置をθ₀だけずらせ
て配置されている。そしてこのずらせ角度θ₀は永久磁
石の隣接したＮ，Ｓ極のピッチの１／２未満の角度とす
る事で前述のハイブリッド形ステッピングモータの場合
と同じように高調波トルクを減少せしめ振動、騒音を低
下させる効果がある。更に他の実施例で図３に示した２
個の永久磁石を連結した長さの一個の永久磁石を回転軸
に設け、１／２の長さの位置で磁極の位置がＮ，Ｓ極の
１／２未満の角度ずらせた位置で着磁する構成でも同じ
効果が得られる。

【００１８】

【発明の効果】本発明になる永久磁石式回転子を備えた
ステッピングモータの特性改善のデータを掲げてその効
果を説明する。（１）２個の回転子組を使用した２相モータで同じ駆動
条件における振動特性を比較したデータを図１２、及び
図１３により説明する。図１２はθ₀＝π／３ずらせて
配置した本発明に成るステッピングモータの振動特性
を、図１３に従来技術になる回転子の極歯をずらせない
回転子を使用したモータの振動特性を夫々の示してい
る。両者のデータを比較すると駆動周波数が１.６〜２.
２K.P.P.Sの範囲で本発明のモータの振動は従来技術に
比べて１／３に減少していることが分かる。（２）図１４駆動周波数を変えたときのトルクの変化を
示すデータで従来技術のモータにおいては２００pps近
傍でトルクが大巾に減少するところがあるが、本発明に
なるモータの特性は同じ周波数帯におけるトルクの減少
は無いが４００pps〜２００ppsの領域では従来技術のモ
ータに比べ少しトルクが減少するが全体として安定して
いる。（３）本発明になる永久磁石式回転子は、複数個の回転
子組の極歯の位置をずらせるという簡単な構成で大きな
効果が得られるもので、その実施に当っては回転子の極
歯の位置をずらせる為の治具を準備するのみで良いとい
う経済適な構成であり産業上に大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す断面図である。

【図２】図１の例の側面図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す側面図である。

【図４】従来技術の第１の例の断面図である。

【図５】図４の例の矢視方向の側面図である。

【図６】従来技術の第１の例のステッピングモータの断
面図である。

【図７】図６の例のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【図８】本発明の第２の実施例を実施する従来技術にな
るステッピングモータの構造を示す断面図である。

【図９】図８に示す従来技術の回転子の側面図である。

【図１０】従来技術に成るステッピンクモータの保持ト
ルクを示す特性図である。

【図１１】本発明になる回転子を使用したステッピング
モータの保持トルクを示す特性図である。

【図１２】本発明になる回転子を使用したステッピング
モータの振動を測定した特性図である。

【図１３】従来技術に成るステッピングモータの振動を
測定した特性図である。

【図１４】従来技術に成るモータと本発明に成る回転子
を使用したモータトルクの特性を比較した特性図であ
る。

【符号の説明】

１，２，３，４：回転子ヨーク５：永久磁石６：スペーサー７：回転子軸８：軸受９，１１：エンドブラケット１０：固定子１２：回転子１３−１，１３−２：第２の実施例に係る固定子１４−１，１４−２：第２の実施例に係る永久磁石回
転子

【手続補正書】

【提出日】平成５年１１月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図３】

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１１】

【図１２】

【図１３】

【図１４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周に等ピッチで複数個の極歯を設けた
磁性体製の回転子ヨーク２個を、其の極歯の配設ピッチ
の１／２をづらせて永久磁石を挟持した構造の回転子組
を２組以上同一回転軸上に結合して配置したハイブリッ
ド形ステッピングモータ又は同期電動機の回転子におい
て、上記の２組以上の回転子組を互いに其の極歯の位置
を、該極歯の配設ピッチの１／４未満の角度ずらせて配
置したことを特徴とする永久磁石式回転子。
【請求項２】円筒形の永久磁石の外周に等ピッチでＮ
極、Ｓ極を交互に着磁した回転子単体を２個以上同一回
転軸上に結合配置したステッピングモータ又は同期電動
機の回転子において、上記の２個以上の回転子単体を互
いに隣接するＮ極、Ｓ極の配設ピッチの１／２未満の角
度ずらせて配置したことを特徴とする永久磁石式回転
子。