JPH06245475A

JPH06245475A - 永久磁石式ステツピングモータ

Info

Publication number: JPH06245475A
Application number: JP5461393A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Sakamoto; 正文坂本
Original assignee: Japan Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 1993-02-22
Filing date: 1993-02-22
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、円環状ヨークに放射状に植設され
其の先端に極歯を設けた複数の磁極に夫々巻線を巻装し
た固定子と、前記固定と空隙を介して対向し其の外周に
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個と該回転子ヨークで挟持された永久磁石とより成
る回転子を備えたインナーロータ永久磁石式ステッピン
グモータにおいて、前記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、振動騒音の少ない永
久磁石式ステッピングモータを得るのを目的とする。【構成】本発明に成る永久磁石式形ステッピングモー
タは、前記回転子ヨークは積層されていない磁性体で形
成され半径がｒで其の外周にＺ個の極歯を備え、前記Ｚ
個の極歯幅の中心線上で軸方向の長さｌ₀の１／２の点
を中心として前記回転子ヨークの夫々の極歯を数１に示
した角度θ₀だけスキューして設けて回転子を構成する
こと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ステッピング
モータに係り、特に高トルクで振動の少ないステッピン
グモータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来より実施されているインナー
ロータ形の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６は図５のＡ−Ａ’線に沿った断面図
である。図５に示す如く固定子鉄芯に巻線６を巻装し
た固定子５をエンドブラケット７，８で挟持し、固定子
５の内側に空隙を介して対向し、其の外周に極歯１−１
を設けた２個の回転子ヨーク１，１と該２個の回転子ヨ
ークに挟持された永久磁石２とを回転子軸３と一体的に
固着した回転子を、エンドブラケット７，８に設けた軸
受４，４により回転自在に支承している。図６は図５の
Ａ−Ａ’線に沿った断面図で、固定子５は円環状ヨーク
５−１の内側に放射状に複数の磁極（図示の例では８
個）１ｐ〜８ｐが植設され、各磁極の先端には複数個の
極歯５−２が設けられ、かつ各磁極に巻線１ｃ〜２ｃが
巻装されている。回転子ヨーク１の外周には等ピッチで
かつ固定子の磁極の先端に設けられた極歯５−２と同じ
ピッチで極歯１−１が設けられ、空隙を介して固定子の
極歯５−２と対向している。図示の例では回転子ヨーク
１の外周に設けられた極歯１−１の数Ｎrは５０個で、
固定子は２相巻線であるからこの例示したステッピング
モータのステップ角θsは１.８度となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】回転子に永久磁石を使
用した永久磁石式ステッピングモータは、永久磁石を使
用しないバリアブルレラクタンス形ステッピングモータ
に比べて界磁の一部に永久磁石を使用している為、効率
が高く、かつダンピング特性が優れている等の特徴があ
る反面、２相の電流を相対的にかつ階段状に変化させて
駆動する所謂マイクロステップ駆動を行なうと角度精度
が悪く、かつ振動が多いという問題がある。其の理由
は固定子巻線に直流を流して励磁した時に発生するホー
ルデイングトルクＴeと、巻線に電流を流さない無励磁
の状態で発生するコギングトルク又はデイテントトルク
と呼ばれるトルクＴdの間に位相差が発生するためで、
図７は図５に示した従来技術に成るハイブリッド形ステ
ツピングモータのホールデイングトルクの特性を示すも
ので、巻線に直流を流したときのホールデイングトルク
Ｔeと無励磁の時のデイテントトルクＴd及び、其の合成
トルクＴfとの関係を示している。

【０００４】２相ハイブリッド形ステッピングモータに
おけるデイテントトルクＴdは、巻線に直流を流した時
に発生するホールデイングトルクＴeに対し高調波があ
るために合成トルクＴfは歪みを生ずる。２相機ではＴd
はＴeに対し４倍の調波となる事が知られていおり図７
に例示する如く其の合成トルクＴfが正弦波より歪んだ
波形となり、マイクロステップ駆動の時の角度精度が悪
くなり、又正弦波電流で駆動する場合でも振動が大きく
なるという問題があった。本発明の目的は上記のような
従来技術の問題点を解決し、マイクロステップ駆動方式
で角度精度が高くかつ振動、騒音の少ないハイブリッド
形ステッピングモータを得るのを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、インナーロー
タ形ハイブリッドステッピングモータにおいては、２個
の回転子ヨークを積層しない磁性体で形成し、一個の回
転子ヨークの外周に設けた極歯の歯幅の中心線上で夫々
軸方向長さのほぼ１／２の点を中心にして、夫々の極歯
を回転子軸に対しθ₀だけスキューして設ける。そして
回転子ヨークの外周に設けた極歯の数をＺ個、軸方向の
長さをｌ₀、その半径をｒとした時スキューの角度θ₀を
数１に示す関係となるように構成する。

【数１】

【０００６】又円筒形の永久磁石を回転子とするＰＭ形
ステッピングモータにおいては一個の永久磁石の軸方向
の長さを１／２に分割し、永久磁石の極対数をＭ、直径
を２ｒ、全長を２ｌ₀とした時、その１／２の長さの夫
々の部分に磁極を回転軸に対しθ₀だけスキューして着
磁し、θ₀を数２の関係と成るようにし、前記２個の１
／２の長さの部分のスキューした着磁部の軸方向長さの
中央点が略同一になるように構成する。

【数２】

【０００７】

【作用】本発明による上述の構成においては、２個の
回転子ヨークの極歯の関係位置を数１で示す角度θ₀だ
けスキューして配置することにより、各回転子ヨークの
極歯に作用するデイテントトルクの位相が異なるため打
ち消しあって減少し、ホールデイングトルクの波形が正
弦波に近づけられ従って回転時の振動を少なくし、騒音
も減少できる。又回転子ヨークを積層しない磁性体で形
成することにより極歯に作用する渦電流によるダンパー
効果が作用して回転子振動を減少し騒音の低下に顕著な
効果がある。又、ＰＭ形ステッピングモータにおいても
永久磁石の磁極をスキューして着磁する構成により同じ
ような作用効果が得られる。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例に成るインナー
ロータ形のハイブリッド形ステッピングモータの構造を
示す断面図である。図１は図５に示した従来技術に成る
ステッピングモータと同じ部分は同じ符号を付けてその
説明を省略し、永久磁石２を挟んで２個の回転子ヨーク
が各々軸方向に其の極歯幅の１／２の点を中心にしてθ
₀の角度だけスキューしており、永久磁石２の両側の回
転子ヨーク１は、該回転子ヨーク１の夫々の軸方向長さ
の１／２の長さの線とθ₀だけスキューされた極歯の交
点が互いに電気角で１８０度づれるように配置されてい
る。そしてスキュー角度θ₀は回転子ヨークの軸方向の
長さをｌ₀、外周面に設けられた極歯の数をＺ、その半
径をｒ，とすると数１に示すような関係と成るように設
けられている。更に、永久磁石２の両側の回転子ヨーク
は其ののスキューの方向が図１の実線で示した極歯方向
と点線で示した極歯の方向の如く反対の方向の実施例と
がある

【数１】

【０００９】ここで図１において説明の便宜上回転子ヨ
ーク１を軸方向に２等分して図１に示すように夫々に１
１，１２，１３，１４と符号を付け、永久磁石２を挟持
している回転子ヨークの中で永久磁石２より遠い位置に
ある２個の回転子ヨーク１１と１４とで構成されるＮ極
とＳ極の一組の回転子組によつて発生する無励磁状態の
トルクであるデイテントトルクと励磁した時に発生する
ホールデイングトルクを夫々ＴdA,ＴAとし、永久磁石２
に当接している２個の回転子ヨーク１２と１３とで構成
されるＮ極とＳ極の一組の回転子組によって発生するデ
イテントトルクとホールデイングトルクとを夫々ＴdB,
ＴBとすると、分割された回転子ヨークに設けられた極
歯は全て同じ形状で、配置されている位置が異なるだけ
であるから夫々の回転子組で発生するデイテントトルク
とホールデイングトルクの大きさは相等しく、ＴdA＝Ｔ
dB,ＴA＝ＴBとなるが発生する角度位置が異なりこのト
ルクの発生状態は図８に示すようになる。

【００１０】図８は図１に示した本発明に成るステッピ
ングモータのトルクを説明する図で回転角θに対するＴ
dA,ＴdB,ＴA,ＴB及び合成のトルクＴABが示されてい
る。極歯のスキュー角度をθ₀とした時にデイテントト
ルクＴdAを発生させる回転子組とＴdBを発生させる回転
子組との平均の角度ずれは数３のようになる。

【数３】

【００１１】一方図５に示した従来技術のステッピング
モータのトルクを示す図７において、ホールデイングト
ルクＴeの周期は２πで回転子ヨークのＺ個の極歯のピ
ッチに相当し、デイテントトルクＴdの周期はπ／２で
ある。Δθがπ／４づれるということは前記のデイテン
トトルクＴdAとＴdBはトルク波形の位相がπ／４づれて
いることを示しているのでＴdAとＴdBの波形は図８に示
すように位相が１８０度反対となっている。従って図８
に示した本発明に成るステッピングモータのデイテント
トルクＴdAとＴdBの合成のトルクは固定子及び回転子ヨ
ークの極歯の幅とは関係無く理論上零となる。そしてＴ
dAで歪まされたホールデイングトルクＴAとＴdBで歪ま
されたホールデイングトルクＴBの合成のホールデイン
グトルクＴABは歪み成分が除かれて正弦波となる。

【００１２】従って回転子ヨークの外周面に設ける極歯
のスキュー角θ₀を数４に示す角度附近に選ぶと振動が
減少し騒音の少ないステッピングモータを得る事が出来
る。しかしながら量産に際しては加工精度の関係等でθ
₀の値は数４に示した理論値よりづれる場合があり、実
用的なスキュー角の範囲は数１に示す角度の範囲と成
る。スキュー角度θ₀が数１で示される角度の最大値と
なるとステップ角と同じとなるため発生するトルクが理
論上零となるので数１で示した角度以下に選定する。

【数１】

【数４】

【００１３】次に第２の実施例である円筒形永久磁石を
回転子としたＰＭ形ステッピングモータの実施例につい
て説明する。図２は本発明を実施したＰＭ形ステッピン
グモータの断面図、図３は部分的に展開した斜視図であ
る。図２、図３において２０は円環状の固定子鉄芯、２
０−１は固定子鉄芯の内側に設けた複数の櫛形の極歯、
２１は固定子巻線、２３は円筒形永久磁石で形成された
回転子、２４は軸受、２５は回転子軸である。

【００１４】図３に示す展開した斜視図で円筒形永久磁
石２３が軸方向の長さの略１／２の長さに分割着磁さ
れ、夫々のＮ，Ｓ交互にＭ極対にθ₀スキューさせて着
磁され、分割着磁された夫々の磁極の関係位置は、分割
着磁された夫々のスキュー着磁部の軸方向長さの中央点
が略同一となるようにし、円筒形永久磁石２３の直径を
２ｒ，軸方向の長さを２ｌpとすると、磁極の方向を回
転軸の方向に対し数２の関係と成るθ₀だけスキューさ
せて着磁されている。

【数２】

【００１５】又、図３に示したＰＭ型ステッピングモー
タの例で、円筒形永久磁石２３を軸方向に分割着磁をせ
ず、２ｌpの全長に亙り一体的に数２で示した角度θ₀の
１／２の角度だけスキューさせた円筒形永久磁石を使用
しても図３に示した実施例と同じ効果が得られる。

【数２】

【００１６】前記円筒形永久磁石の着磁のスキュー角度
θ₀は前記で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理論的には数４に示す値であるが
前記のハイブリッド形ステッピングモータの場合と同じ
ように実用的には数２で示される値の範囲が適当であ
る。

【数４】

【数２】

【００１７】前記の説明で例示した実施例では図１に示
したハイブリッド形ステッピングモータの例と、図３に
示したＰＭ形ステッピングモータの例においては、分割
された回転子ヨークの磁極のスキューの方向と永久磁石
の着磁のスキューの方向が同じ方向となっているが、図
４に示すように逆の方向にスキューすると前記で説明し
た効果と共に回転子に作用するスラスト方向の力が平衡
して、回転軸にスラスト方向の力が作用せず軸方向の振
動を抑制できる効果がある。

【００１８】又、図１に示したハイブリッド形ステッピ
ングモータの固定子に図２，３に示したＰＭ形ステッピ
ングモータの円筒形永久磁石を適宜の空隙を介して組合
せ、図１に示したハイブリッド形ステッピングモータの
回転子ヨークの極歯の数Ｚと円筒形永久磁石の着磁極対
数Ｍとが一致するように配置すれば、図１或いは図２，
３に示す実施例と同じような効果が得られる。

【００１９】

【発明の効果】本発明になる永久磁石式ステッピングモ
ータは第１の実施例であるハイブリッド形ステッピング
モータは上記のような構成であるので、分割した回転子
ヨークの夫々の極歯をある関係でスキューさせて配置す
ることにより、デイテントトルクを減少させトルクの波
形を正弦波に近づけることが出来るのと、回転子ヨーク
を積層しない磁性体で構成することによる過電流の作用
で振動、騒音を低減できる効果がある。又、第２の実施
例であるＰＭ形ステッピングモータにおいても円筒形永
久磁石を軸方向の長さを１／２に分割して夫々の磁極を
ある関係でスキューさせ着磁することにより、又、円筒
形永久磁石の全長に亙り前記の実施例の１／２の角度ス
キューして着磁する構成によっても同じような効果を得
る事が出来る。更にはハイブリッド形ステッピングモー
タの固定子にスキュー着磁した円筒形永久磁石回転子を
組合せた場合でも同じように振動、騒音を低減できる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すハイブリッド形ステ
ッピングモータの断面図である。

【図２】本発明の第２実施例のＰＭ形ステッピングモー
タの断面図である。

【図３】図３に示したＰＭ形ステッピングモータの部分
展開した斜視図である。

【図４】図３に示したＰＭ形ステッピングモータの他の
実施例の部分展開した斜視図である。

【図５】従来技術のハイブリッド形ステッピングモータ
の断面図である。

【図６】図５に示したステッピングモータのＡ−Ａ’線
に沿った断面図である。

【図７】従来技術のハイブリッド形ステッピングモータ
のトルクを示す特性図である。

【図８】本発明になるハイブリッド形ステッピングモー
タのトルクを示す特性図である。

【符号の説明】

１：回転子ヨーク１−１：回転子ヨークの極歯２：永久磁石３：回転子軸４：軸受５：固定子鉄芯５−１：固定子鉄芯のヨーク５−２：固定子磁極の極歯６：固定子巻線７，８：エンドブラケット１１，１２，１３，１４：仮想的に分割された回転子ヨ
ーク２０：固定子鉄芯２０−１：固定子鉄芯の極歯２１：固定子巻線２３：円筒形永久磁石２４：軸受２５：回転子軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円環状ヨークに放射状に植設され其の先
端に極歯を設けた複数の磁極に夫々巻線を巻装した固定
子と、前記固定子と空隙を介して対向し其の外周に等ピ
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
個と該回転子ヨークで挟持された永久磁石とより成る回
転子を備えたインナーロータ形永久磁石式ステッピング
モータにおいて、前記回転子ヨークは積層されていない
磁性体で形成され半径がｒで其の外周にＺ個の極歯を備
え、そのＺ個の極歯幅の中心線上で軸方向の長さｌ₀の
１／２の点を中心として前記回転子ヨークの夫々の極歯
を同じ方向に数１に示した角度θ₀だけスキューして設
けて回転子を構成することを特徴とする永久磁石式ステ
ッピングモータ。【数１】
【請求項２】前記２個の回転子ヨークの夫々の極歯を
反対方向に数１に示した角度θ₀だけスキューして設け
て回転子を構成することを特徴とする請求項１に記載の
永久磁石式ステッピングモータ。【数１】
【請求項３】円環状の固定子巻線と、その内径部に軸
方向に伸びる櫛型の磁極を交互に配置した該巻線を囲む
固定子鉄芯より成る固定子と、前記固定子の内径部と空
隙を介して回転自在に支承されその外周面に等間隔に
Ｎ，Ｓ磁極を交互にＭ対極磁化された円筒形永久磁石よ
り成る回転子を備えたＰＭ形ステッピングモータにおい
て、前記円筒形永久磁石の直径を２ｒ，軸方向長さをｌ
pとして、その１／２の長さの部分の着磁を軸方向に対
し数２に示す角度θ₀だけスキューして設け、他の１／
２の長さの部分の着磁を軸方向に数２に示す角度θ₀だ
けスキューしてその２個の１／２の長さの部分のスキュ
ー着磁分の軸方向長さの中央部が軸方向に略同一となる
ようにした回転子を使用することを特徴とする永久磁石
式ステッピングモータ。【数２】
【請求項４】前記円筒形永久磁石の夫々の１／２の長
さの部分のスキューの方向を反対の方向としたことを特
徴とする請求項３に記載の永久磁石式ステッピングモー
タ。
【請求項５】円環状の固定子巻線と、その内径部に軸
方向に伸びる櫛型の磁極を交互に配置した該固定子巻線
を囲む固定子鉄芯とより成る固定子と、前記固定子の内
径部と空隙を介して回転自在に支承されその外周面に等
間隔にＮ，Ｓ磁極を交互にＭ極対磁化された円筒形永久
磁石より成る回転子を備えたＰＭ型ステッピングモータ
において、前記円筒形永久磁石の直径を２ｒ，軸方向長
さを２ｌpとし、数２に示した角度θ₀の１／２の角度だ
けスキューして２ｌp全長に亙り着磁した回転子を備え
たことを特徴とする永久磁石式ステッピングモータ。【数２】
【請求項６】円環状ヨークに放射状に植設し其の先端
に極歯を設けた複数に磁極に夫々巻線を巻装した固定子
と、該固定子と空隙を介して対向し回転自在に支承され
た円筒形永久磁石の外周面に等間隔にＮ，Ｓ磁極を交互
にＭ極対磁化した回転子を備えたＰＭ型ステッピングモ
ータにおいて、前記円筒形永久磁石の直径を２ｒ，軸方
向長さを２ｌpとし、数２に示した角度θ₀だけスキュー
して着磁した回転子を備えたことを特徴とする永久磁石
式ステッピングモータ。【数２】