JPH07123689A

JPH07123689A - Ｐｍ型ステッピングモータ

Info

Publication number: JPH07123689A
Application number: JP26472893A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Watanabe; 利彦渡辺; Hideji Ishimaru; 英児石丸
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1995-05-12

Abstract

(57)【要約】【目的】限定されたモータ外形寸法の制約の中で消費
電力当たりの出力トルクを大きくする。【構成】２つの板状磁性体部品３，４を組み合わせる
ことでコイル５を収納するドーナツ形の空間が形成され
るとともに、その内周部または外周部に両板状磁性体部
品に付設された極歯３ａ，３４ａが交互に向かい合って
非接触の噛み合い状態に配置される組み立て品を１相分
のクローポール型ヨークユニット１とするＰＭ型ステッ
ピングモータにおいて、前記両板状磁性体部品３，４の
厚さを１としたとき、前記両板状磁性体部品３，４の間
に収納される前記コイル５の厚さを１〜１．７の範囲に
設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はＰＭ（永久磁石）型の
ステッピングモータに関し、特に、ステータを構成する
クローポール型ヨークの極歯構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】この発明の対象であるＰＭ型ステッピン
グモータの全体的な構成を図１および図２に示してい
る。両図に示すように、ほぼ同一構成の２相分のヨーク
ユニット１と２でもって円筒状のステータの主要部が構
成されている。ヨークユニット１は板金部品である外ヨ
ーク部品３と中ヨーク部品４を組み合わせることでコイ
ル５を収納するドーナツ形の空間が形成されているとと
もに、その内周部には外ヨーク部品３および中ヨーク部
品４にそれぞれ形成された極歯３ａ、４ａが交互に向か
いあって非接触の噛み合い状態に配置されている。ヨー
クユニット２も同じ構成で、外ヨーク部品６と中ヨーク
部品７を組み合わすことで形成されたドーナツ型の空間
内にコイル８が収納され、その内周部において、外ヨー
ク部品６の極歯６ａと中ヨーク部品７の極歯７ａが向か
いあって非接触状態の噛み合い状態に配置されている。
ロータ９は多極着磁された円筒形の永久磁石９ｂの中心
にロータ軸９ａを取り付けたもので、前記ステータの内
周部にロータ９が配置され、ヨークユニット１に固着さ
れた前フランジ１０の軸受１１とヨークユニット２に固
着された後フランジ１２の軸受１３とでロータ９が軸支
されている。

【０００３】なお、この種のステッピングモータについ
ては、『やさしく学ぶステッピングモータと使い方』
（総合電子出版社）に詳しく解説されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述したような構成の
従来のＰＭ型ステッピングモータでは、図２に示すよう
に、各ヨーク部品（３，４，６，７）の厚さｔｍに対し
てコイル（５，８）の厚さｔｃが圧倒的に大きく、ｔｃ
／ｔｍは最小でも３程度であった。そのため以下に詳細
に述べるような理由により磁気的効率が低く、従って出
力特性の効率が低いという問題があった。

【０００５】また良く知られているように、ＰＭ型ステ
ッピングモータは、ＯＡ機器，ＡＶ機器，住宅設備機器
あるいは自動車など多くの分野で使用されている。何れ
の分野でもモータの性能向上と併せて形状のより一層の
小型化・低消費電力化が要求されている。このため、限
られた形状体積の制約と消費電力の制約のもとで最大の
トルクを発生することのできるＰＭ型ステッピングモー
タを実現することが強く求められている。しかし従来に
おいては、この要請に応えることができなかった。

【０００６】この発明の目的は、トルク発生の元となる
永久磁石からの磁束の利用する量とコイル起磁力発生に
関わるコイル体積とを、限られた全体の体積（モータ外
形寸法）のなかで最大とすることができるように、ヨー
クとコイル体積の分配を最適化することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこでこの発明では、鉄
コバルト合金あるいは電磁純鉄あるいは軟鉄からなる２
つの板状磁性体部品を組み合わせることでコイルを収納
するドーナツ形の空間が形成されるとともに、その内周
部または外周部に両板状磁性体部品に付設された極歯が
交互に向かい合って非接触の噛み合い状態に配置される
組み立て品を１相分のクローポール型ヨークユニットと
し、かつロータの永久磁石材料として、ラジアル異方性
ネオジ鉄ボロン系バルク磁石あるいは極異方性ネオジ鉄
ボロン系バルク磁石あるいはラジアル異方性サマリュウ
ムコバルトバルク磁石を使用したＰＭ型ステッピングモ
ータにおいて、前記両板状磁性体部品の厚さを１とした
とき、前記両板状磁性体部品の間に収納される前記コイ
ルの厚さを１〜１．７の範囲に設定した。

【０００８】

【作用】図３は、回転軸方向に薄型化したＰＭ型ステッ
ピングモータの主要構成を示す断面図であり、図中の各
符号は図１、図２と対応している。回転子を内側に配置
したインナロータ型の構成である。薄型化した場合に
は、図３からも判るように、かぎられた厚さを、磁束を
通すためのヨークとして使う部分と、駆動電流によって
起磁力を発生するコイルとして使う部分とに最適に分割
することが必要となる。

【０００９】［ＰＭ型ステッピングモータの出力トル
ク］ＰＭ型ステッピングモータの出力トルクは永久磁石
９ａの発生磁束のヨーク１，２を通って駆動コイルと鎖
交する磁束の回転角度に対する変化率と駆動コイルの起
磁力に比例する。回転子の永久磁石の発生する磁束の内
で、１つの電磁石（ヨーク部品３と４およびコイル５で
構成されたヨークユニット１を差す）のヨークを通過す
る磁束の大きさをφａとする。φａは回転角度の関数と
なっており、永久磁石回転子の磁極対（Ｎ極とＳ極）に
対応する角度を周期とする周期関数である。この周期関
数の基本成分は次の式で表することができる。φａ＝φ
ｍ・ｃｏｓ（Ｍ・θ）ここで、Ｍは永久磁石の磁極対の
数、すなわち磁極数の１／２であり、θは回転子の回転
角度である。また、φｍはヨークを通過する最大磁束で
ある。実際のステッピングモータの磁束は、多少の偶数
次の高調波成分を含んでいる。しかし、ここでは、磁束
の大部分を占める基本波成分の磁束によってモータの性
能を評価する。もう１つの電磁石（ヨークユニット２）
のヨークを通過する磁束φｂは、次式となる。 φｂ＝φｍ・ｓｉｎ（Ｍ・θ） ………（１）それぞれの電磁石を同一の電流値Ｉｄで駆動した時にこ
の電流とφａあるいはφｂとの相互作用でそれぞれの電
磁石によって回転子に発生するトルクＴａおよびＴｂは
次の式で表すことができる。Ｔａ＝−φｍ・Ｍ・ｓｉｎ（Ｍ・θ）・Ｎ・Ｉｄ………（２）Ｔｂ＝−φｍ・Ｍ・ｃｏｓ（Ｍ・θ）・Ｎ・Ｉｄ………（３）ここで、Ｎは、駆動コイルの巻数である。ＴａとＴｂ
は、どちらも相励磁時の静止出力トルクを表しているる
これらのトルクの最大値の絶対値は共に、｜φｍ・Ｍ・
Ｎ・Ｉｄ｜である。２相励磁時の静止出力トルクはＴａ
＋Ｔｂであり、その最大値の絶対値は√２・｜φｍ・Ｍ
・Ｎ・Ｉｄ｜である。また、正弦波２相交流電流で駆動
した時、すなわち、（２）式でＩｄ＝Ｉｍ・ｓｉｎ（Ｍ
・θ）、（３）式でＩｄ＝Ｉｍ・ｃｏｓ（Ｍ・θ）とし
た時のプルアウトトルクはφｍ・Ｍ・Ｎ・Ｉｍである。
上記の出力トルクはどれもφｍ・Ｍ・Ｎに比例している
ので、こでは、正弦波２相交流電流で駆動した時のプル
アウトトルクを出力トルクとして検討を進める。出力ト
ルクをＴとすると、Ｔ＝φｍ・Ｍ・Ｎ・Ｉｍ ………（４）である。コイルの抵抗値をＲとすると、正弦波２相交流
電流で駆動した時の消費電力Ｐは、Ｐ＝Ｒ・Ｉｍ²・ｓｉｎ²（Ｍ・θ）＋Ｒ・Ｉｍ²・ｃｏｓ²（Ｍ・θ）＝Ｒ・Ｉｍ² ………（５）である。出力トルクの２乗と消費電力の比Ｔ²／Ｐは、Ｔ²／Ｐ＝（φｍ・Ｍ・Ｎ）²／Ｒ ………（６）となり、駆動電流Ｉｍの大きさに依存せず、φｍ，Ｍ，
ＮおよびＲなどのモータの構成によって値が定まること
が判る。消費電力の制約の元で大きなトルクを得るに
は、このＴ²／Ｐを最大にするように設計すればよいこ
とが判る。Ｍは、一回転当たりのステップ数の設定で決
まるので、ここでは、モータの形状制約とφｍ，Ｎ²／
Ｒとの関係を検討し、Ｔ²／Ｐを最大とする設計条件を
求める。

【００１０】［φｍの大きさの制約］φｍの大きさを制
約する要因は、（ａ）永久磁石の発生する磁束量による
制約と（ｂ）ヨークでの磁気飽和による制約とがある。
小型化薄型化を狙った検討では、無駄な磁石やヨークの
体積を排除するため、永久磁石の発生した磁束がヨーク
に流れ込んでちょうどヨークでの磁気飽和で制約を受け
る場合を考える。図３において、コイル巻幅をｔｃ、ヨ
ークの厚さをｔｍ、コイル収納部の内側の径をｒｉ、外
側の径をｒｏとする。２個の電磁石の合計の厚さｔｏは
４ｔｍ＋２ｔｃに等しい。この検討では、コイルとヨー
クとの間に必要な絶縁層の厚さは無視している。実際の
電磁石の合計の厚さはｔｏとコイルとヨークとの間絶縁
層の厚さの和となる。薄型化を図るために、絶縁層の厚
さは極力小さく抑えるように設計するので実際にも無視
できる程度の厚さとなる。ヨークの内径側には図１のよ
うに極歯が形成されており、図３のＡの部位で最も断面
積が小さくなっている。ヨークの磁気飽和はこの部位で
起きる。極歯からヨーク外径側に流れることのできる磁
束量φｍを計算するために、ヨークの極歯ピッチに対す
る極歯幅の比をτとし、ヨーク材の飽和磁束密度をＢｍ
とする。τは、最大でも０．５であり、通常０．４５程
度の値となっている。φｍは、 φｍ＝２π・ｒｉ・τ・ｔｍ・Ｂｍ ………（７）となり、材料性能や形状とφｍとの関係を得ることがで
きる。

【００１１】［Ｎ²／Ｒの大きさの制約］図３のコイル
巻線部分は内径ｒｉ、外径ｒｏ、巻幅ｔｃである。図４
のように巻線断面Ｎ（＝ｐ・ｑ）に分割してＮターンの
巻線の場合Ｎ²／Ｒを求める。導体の抵抗率をρとし、
導体の占積率（巻線断面に対して実際に導体断面が占め
る率）をαとする。巻線抵抗Ｒは、

【数１】となり、コイル材質や巻線形状Ｎ²／Ｒの関係を得るこ
とができた。

【００１２】［Ｔ²／Ｐを最大とする構成方法の検討］
式（６）に式（７）と式（９）を代入してＴ²／Ｐを求
める。

【数２】［Ｔ²／Ｐを最大とする設計の検討］４π・α・τ²・
Ｍ²・Ｂｍ²／ρの値は、モータ仕様で決まるステップ
数、使用する材料、巻線占積率などで決まる。（ｒｏ−
ｒｉ）・ｒｉ²／（ｒｏ−ｒｉ）は、最大値を取るｒｏ
とｒｉとの関係がある。ｋｌ＝ｒｉ／ｒｏとすると、
（ｒｏ−ｒｉ）・ｒｉ²／（ｒｏ−ｒｉ）は次のように
表するこができる。ｋｌ²・（１−ｋｌ）／（１＋ｋｌ）・ｒｏ² ………（１１）ｋｌ²・（１−ｋｌ）／（１＋ｋｌ）は図５のようにな
り、ｋｌ＝（√５−１）／２（＝０．６１８）のときに
最大値をとる。従って、ｒｉ／ｒｏを０．６２の近傍に
設計することにより、消費電力当たりの出力トルクは大
きくすることができる。次に、ｔｍ²・ｔｃの値が最大
となる条件を求める。２個の電磁石の合計の厚さｔｏ
は、ｔｏ＝４ｔｍ＋２ｔｃである。ここで、ｔｃ＝ｋ２
・ｔｏ／２とするただし、０＜ｋ２＜１である。ｋ２＝
０のときは、ヨークのみでコイルはない場合を表し、ｋ
２＝１のときはヨークは無く、コイルのみであることを
表している。ｔｍは、ｔｍ＝（１−ｋ２）・ｔｏ／４で
ある。従って、ｔｍ²・ｔｃは、ｔｍ²・ｔｃ＝ｋ２・（１−ｋ２）²・ｔｏ³／３２＝［２７・ｋ２・（１−ｋ２）²／４］・ｔｏ³／２１６…（１２）となる。２７・ｋ２・（１−ｋ２）²は、図６のように
なり、ｋ２＝１／３の時に最大値１となる。これは、磁
性体のヨークの厚さとコイルの巻き幅を同じにすること
によりＴ²／Ｐが最大となることを示している。この結
果、モータの薄型化設計に重要な指針を与えるものであ
る。

【００１３】実際の設計では、ｋ２＞１／３が用いられ
る。ｋ２を大きくすると最適設計からずれてゆく。しか
し、ｋ２を大きくするとｔｍ＝（１−ｋ２）であるか
ら、式（７）からも判るように必要なφｍは小さくな
り、磁石の発生する磁束も小さくて良いので実用設計で
は利用価値のある領域である。一方、ｋ２＞１／３は、
トルクは小さくなり、磁石の発生しなければならない磁
束が増加するので実用的には利用できない設計範囲であ
る。ｋ２を１／３の近傍の値とした場合のヨーク部品４
の形状は図７のようになる。極歯の高さｈｔは、極歯の
先端ともう１つの電磁石とが機械的に干渉しないために
も、最大でも２ｔｍ＋ｔｃ（＝ｔｏ）以下である。もう
１つの電磁石との磁気的干渉を避けるためにも、ｔｍ＋
ｔｃ程度とする。ここでは、ｈｔ＝ｔｍ＋ｔｃとして、
必要となる永久磁石の発生磁束の大きさを検討する。図
７に示したように極歯面には永久磁石からの磁束が磁束
密度Ｂｇで流れ込むとするとＢｇとＢｍの関係は次のよ
うになる。Ｂｇ＝Ｂｍ・ｔｍ／（ｔｍ＋ｔｃ）＝Ｂｍ・（１−ｋ２）／（１＋ｋ２） ………（１３）である。また、ｋ２は次式で表することができる。ｋ２＝（Ｂｍ−Ｂｇ）／（Ｂｍ＋Ｂｇ） ………（１４）

【００１４】［最適設計を可能とする永久磁石材料］実
現可能なＢｇの大きさは、使用する永久磁石材料や極歯
・永久磁石との間隙長などで決まる。このために現在入
手可能な高性能磁石を利用する場合について考える。現
在、入手可能で円筒形の周方向に多極着磁するに適して
おり、最も磁気エネルギー積の大きい磁石は、ラジアル
異方性ネオジ鉄ボロン系バルク磁石である。このような
磁石の例として、大同特殊鋼製のNEOQUENCH-D は、残留
磁束密度１０．２〜１３．０ｋＧ、最大エネルギー積２
５．０〜４０．０ＭＧＯｅである。また、日立金属製の
ＨＳ−３０ＣＲは、残留磁束密度１１．２ｋＧ、最大エ
ネルギー積３０ＭＧＯｅである。Ｂｇの最大値は極歯・
永久磁石との間隙長を零としても残留磁束密度である。
実際には回転可能な極歯・永久磁石間間隙長による反磁
場を考慮するとＢｇは６〜１０ｋＧ程度である。

【００１５】ヨーク材料として飽和磁束密度１６ｋＧの
電磁純鉄を使用すると、式（１４）からＢｇ＝８ｋＧの
時にｋ２＝１／３となり、最適設計が可能となる。Ｂｇ
＝６ｋＧの場合には、ｋ２＝０．４５５とほぼなる。最
適設計からはずれるが、図６からも判るように、Ｔ²／
Ｐは１０％程度低下するだけで実用的には利用できる範
囲にある。このときのｔｃ／ｔｍは、約１．７である。
従って、ｔｃ／ｔｍを１〜１．７の範囲にすることが本
検討の結果を活かした薄型モータの設計と言える。

【００１６】Ｂｇが８ｋＧを越える場合には、飽和磁束
密度が高い磁性材料として知られている鉄コバルト合金
（飽和磁束密度２２ｋＧ）を使用するとＢｇ＝１０ｋＧ
の時にｋ２＝０．３４４となり最適点に近い設計が可能
となる。

【００１７】

【実施例】すでに作用の項で説明したが、図３はこの発
明の一実施例に係るインナーロータ型のステッピングモ
ータである。ここで、ロータの永久磁石材料として、ラ
ジアル異方性ネオジ鉄ボロン系バルク磁石あるいは極異
方性ネオジ鉄ボロン系バルク磁石あるいはラジアル異方
性サマリュウムコバルトバルク磁石を使用し、ヨーク材
料として鉄コバルト合金（商品名パーメンダ．バーメ
ンジュール）あるいは電磁純鉄あるいは軟鉄を使用する
ことが望ましい。

【００１８】なお、本発明は次に述べるように、アウタ
ーロータ型のステッピングモータについても前記と同様
に適用でき、前記と同様な作用効果を奏する。

【００１９】［アウターロータ型での検討］これまでの
検討は、図３に示したインナーロータ型の構成について
である。次に、ＰＭ型ステッピングモータのもう１つの
構成方法であるアウターロータ型について検討する。

【００２０】検討するアウターロータ型のモータの構成
を図８に示す。インナーロータ型と同様に、２個の電磁
石の組立厚さをｔｏとし、ヨーク材料の厚さはｔｍであ
るとする。また、コイルの巻き幅をｔｃ、コイルが収納
される部位の外周の半径をｒｏ、内周の半径をｒｉとす
る。ヨーク外周部には極歯が形成されている。コイル部
には全体に渡って、抵抗率ρの導線が占積率α（巻線全
断面積に占める導体断面積の比）で巻線されているとす
る。

【００２１】ヨーク材料の磁気飽和はヨーク外周側にあ
る極歯部の根元（図８のＡ部）とヨークの内周側（図８
のＢ部）で起きる可能性がある。極歯ピッチに対する極
歯根元部幅の比をτとすると、ｒｉ／ｒｏ＞τであれ
ば、永久磁石の磁束によるヨーク材料の飽和はＡ部で起
き、ｒｉ／ｒｏ＜τであれば、Ｂ部で起きる。従ってｒ
ｉについては、ｒｉ＝τｒｏとすることにより最大の巻
線体積を得ることができ、消費電力に対する出力トルク
を最大とすることができる。τの値は最大でも０．５で
あり、実際には０．４〜０．４５程度の値が使用されて
いる。

【００２２】ｒｉ／ｒｏ＞τの場合には、ヨークを磁気
飽和無しで通過できる磁束は、ヨーク材料の飽和密度を
Ｂｍとして、次式となる。 φｍ＝２π・ｒｏ・τ・ｔｍ・Ｂｍ ………（１５）コイルの巻数をＮ、抵抗Ｒとすると、コイル定数Ｎ²／
Ｒは次式となる。

【数３】従って、Ｔ²／Ｐは次式となる。

【数４】 τ²・ｒｏ²・（ｒｏ−ｒｉ）／（ｒｏ−ｒｉ）は、ｒ
ｉ＝τｒｏとすることにより、τ＝（√５−１）／２
（＝０．６１８）のときに最大値となる。しかし、極歯
が組み合わされるヨークの極歯と機械的に干渉しないた
めには、τ＜０．５であるからこの最大値を与える歯幅
を使用することはできない。従って、アウターロータ構
成では、可能なかぎり大きなτに対して、ｒｉ＝τ・ｒ
ｏとなるようにコイルの内径を設定する。

【００２３】ｔｍ²・ｔｃの最大値については、インナ
ーロータ型と全く同様であり、インナーロータ型につい
ての結論がそのまま適用できる。従って、ｔｃ／ｔｍを
１〜１．７の範囲とする最適設計は、インナーロータ型
とアウターロータ型とに共通して適用することができ
る。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明では、コイル巻き幅
ｔｃとヨーク厚さｔｍとの比（ｔｃ／ｔｍ）を１〜１．
７とすることにより、出力トルクＴの２乗と消費電力Ｐ
との比をほぼ最大とし、より薄型化、小型化したＰＭ型
ステッピングモータの実現を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＰＭ型ステッピングモータの一部破断斜
視図である。

【図２】同上従来のモータの断面図である。

【図３】本発明の一実施例によるＰＭ型ステッピングモ
ータの部分断面図である。

【図４】本発明の作用効果の説明図である。

【図５】同じく本発明の作用効果の説明図である。

【図６】同じく本発明の作用効果の説明図である。

【図７】同上実施例のモータのヨーク部品の詳細な斜視
図である。

【図８】本発明の他の実施例によるＰＭ型ステッピング
モータの部分断面図である。

【符号の説明】

１，２ヨークユニット（電磁石）３，４，６，７ヨーク部品（板状磁性体部品）５，８コイルｔｍ板状磁性体部品の厚さｔｃコイルの厚さ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄コバルト合金あるいは電磁純鉄あるい
は軟鉄からなる２つの板状磁性体部品を組み合わせるこ
とでコイルを収納するドーナツ形の空間が形成されると
ともに、その内周部または外周部に両板状磁性体部品に
付設された極歯が交互に向かい合って非接触の噛み合い
状態に配置される組み立て品を１相分のクローポール型
ヨークユニットとし、かつロータの永久磁石材料とし
て、ラジアル異方性ネオジ鉄ボロン系バルク磁石あるい
は極異方性ネオジ鉄ボロン系バルク磁石あるいはラジア
ル異方性サマリュウムコバルトバルク磁石を使用したＰ
Ｍ型ステッピングモータにおいて、前記両板状磁性体部品の厚さを１としたとき、前記両板
状磁性体部品の間に収納される前記コイルの厚さを１〜
１．７の範囲に設定したことを特徴とするＰＭ型ステッ
ピングモータ。