JPH07143723A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高効率のステッピングモータを提供すること 【構成】 多極着磁された永久磁石からなるロータ部４
と同軸上で対向するように複数個の櫛歯状極部５ｂ，６
ｂ，７ｂ，８ｂを有するステータヨーク５，６，７，８
を配設し、さらに、そのステータヨークの櫛歯状極部の
外周囲には、励磁コイル９を装着し、かつ、励磁コイ
ル，ステータヨークを筒状のフレームヨーク１０で囲繞
することによりステッピングモータが構成される。そし
てステータヨークをフェライト系のＦｅ−Ｃｒ系合金で
形成することにより、交流磁場での渦電流の発生を抑制
し、しかも、このヨークは従来と同様のプレス加工によ
り所定形状のものを製造できる。また、フレームヨーク
はＦｅ系合金とし、絞り加工で形成できるようにしてい
る。そして、フレームヨークには磁束の変化がかなり少
ないため、Ｆｅ系でも渦電流の影響をあまり受けない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロータに永久磁石を用
いたＰＭ型のステッピングモータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のステッピングモータとしては、ス
テータヨークやフレームヨークを、電磁軟鉄板（ＳＵ
Ｙ），冷間圧延鋼板（ＳＰＣ），亜鉛メッキ鋼板（ＳＥ
Ｃ）等を用いて構成している。しかし、これら各種の材
料は、直流磁場特性は良好なものの、実際のモータの運
転時おける交流磁場特性は悪いことがわかった。すなわ
ちこれらの鋼材は、電気抵抗率が低いため、多くの渦電
流が発生し、その結果鉄損が著しく多くなり、これは駆
動周波数が高くなるほど顕著となる。従って、効率が低
下する原因となり、ＯＡ機器の電池駆動にともなう、ス
テッピングモータの効率向上の要求を満たすためのネッ
クとなっている。

【０００３】そこで、従来係る問題を解決するため、例
えばステータヨークやフレームヨークにケイ素鋼板やソ
フトフェライトを用いるもの（実開平３−１０４０７
７，実開昭６２−１３５５７７等）や、ステータヨーク
の一部（渦電流の流路）に貫通孔を設けるもの（特開平
３−２８３０４９）など、種々の提案が成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のステッピングモータでは、それぞれ以下に示す
問題を有し、いずれも渦電流による効率低下の問題を十
分に解消することはできなかった。

【０００５】すなわち、まずケイ素鋼板の場合には、ス
テータヨーク材として使用される、上記ＳＵＹやＳＰＣ
と比べて曲げ加工が困難であり、さらに、防錆のための
メッキ処理が困難となる。そして、加工性を向上させる
ためにＳｉの添加量を減らすことも考えられるが、そう
すると、電気抵抗率も低下してしまい、渦電流低減の効
果が無くなる。

【０００６】また、ソフトフェライトを用いた場合に
は、ＳＵＹやＳＰＣに比べて飽和磁束密度が１／３以下
と低く十分な出力トルクが得られないばかりか、曲げ加
工がしにくく、機械強度が弱く、しかも寸法精度が粗く
なるという問題があり実用に供し得ないものとなる。

【０００７】さらにまた、貫通孔を設ける構成のもので
は、貫通孔を形成するにつれて出力トルクが減少すると
いう傾向があり、しかも、加工工程が増えるとともにコ
スト高となる。さらに、貫通孔は櫛歯状極部以外の部位
に形成されるが、櫛歯状極部以外では磁束の変化が少な
く、もともと渦電流損が小さいために貫通孔を形成した
効果がさほどあらわれない。

【０００８】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、渦電流の発生を可及
的に抑制し、高効率のステッピングモータを提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係るステッピングモータでは、多極着磁
された永久磁石からなるロータ部と、前記ロータ部と同
軸上で対向するように設けられた複数個の櫛歯状極部を
有するステータヨーク部と、前記ステータヨーク部の前
記櫛歯状極部の外周囲に装着した励磁コイルと、前記励
磁コイル並びに前記ステータヨーク部を囲繞する筒状の
フレームヨーク部とを備えたステッピングモータを前提
とし、少なくとも前記ステータヨーク部の一部または全
部をフェライト系のＦｅ−Ｃｒ系合金で形成した。

【００１０】そして好ましくは前記Ｆｅ−Ｃｒ系合金
を、Ｃｒが１０〜１５ｗｔ％、Ｆｅが８５〜９０ｗｔ％
を含んでなるように構成することが望ましい。すなわ
ち、Ｃｒが１０ｗｔ％以上であればステッピングモータ
の使用範囲（室内使用）で必要な防錆力を発揮するから
である。そして、１５％以下にしたのはその範囲内であ
れば、磁気特性の劣化を最小限に抑えることができるか
らである。

【００１１】また、前記Ｆｅ−Ｃｒ系合金を、Ｃｒが１
５〜２０ｗｔ％、Ｆｅが８０〜８５ｗｔ％を含んでなる
ように構成される材料としてもよい。すなわち、Ｃｒを
１５ｗｔ％以上添加すると、防錆力がさらに向上し屋外
等の厳しい環境かでも錆の発生を抑制できるからであ
る。一方、２０ｗｔ％を超えると加工性が困難となるば
かりでなく、アニールによってσ相の金属間化合物がで
きて脆くなる傾向になり、しかも磁気特性の劣化を招
く。よって、係る効果を得るためにＣｒを１５〜２０ｗ
ｔ％とした。

【００１２】尚、いずれの場合もＦｅの含有量は、Ｃｒ
の含有量に対応して決定され、残部に微量添加物を含有
することをこばまないため、必ずしもＦｅとＣｒの合計
が１００ｗｔ％になるとは限らない。

【００１３】

【作用】ステータヨークにフェライト系Ｆｅ−Ｃｒ系合
金を用いているため、電気抵抗率ρがＳＵＹやＳＰＣと
比べ、５〜１０倍と高くなる。そして渦電流はヨークの
電気抵抗率ρに反比例するため、本発明のステッピング
モータでは、たとえモータ駆動中の交流磁場が生じてい
るときでも渦電流の発生が可及的に抑制される。その結
果損失が少なく入力電力に対する出力トルクの効率が向
上し、低消費電力のステッピングモータとなる。

【００１４】そして、このように渦電流が流れにくくな
ることから、逆磁場も減少し、入力電流を一定とすると
総磁束量が増加し、出力トルクが増大する。換言すれ
ば、同一出力トルクを得るためには、励磁コイルに流す
電流も少なくて済み、その結果銅損も低減する。そし
て、本発明では、少なくとも、最も交流磁場の大きいス
テータヨークの一部を上記Ｆｅ−Ｃｒ系合金で形成した
ため、効率良く渦電流の発生が抑制される。

【００１５】一方、Ｆｅ−Ｃｒ系合金は、曲げ加工性も
良好であるので、従来のＦｅ系合金における製造設備を
そのまま用いて所定形状のステータヨークが製造され
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係るステッピングモータの好
適な実施例を添付図面を参照にして詳述する。図１，図
２は本発明の第１実施例を示している。同図に示すよう
に、シャフト１の周囲に樹脂性の連結部材２を介して筒
状の永久磁石３が固着一体化されてロータ４が形成され
ている。この永久磁石３の外周囲は、円周方向に多数分
割着磁されている。

【００１７】このロータ４の周囲には、本例では２相タ
イプであるため、第１〜第４のステータヨーク５〜８が
同心円状に配置される。具体的には、第１，第２のステ
ータヨーク５，６で第１相を構成し、第３，第４のステ
ータヨーク７，８で第２相を構成している。そして、各
ステータヨーク５〜８は、平板のリング状のフランジ部
５ａ〜８ａの内周囲を、所定方向に９０度折り曲げるこ
とにより、櫛歯状磁極部５ｂ〜８ｂを形成している。こ
の対となるステータヨーク（５と６，７と８）は、とも
に、櫛歯状磁極部５ｂと６ｂ，７ｂと８ｂの先端側を向
い合わせるとともに、互いの櫛歯状磁極部の各歯の未形
成部位に挿入配置する。そして、第１相側と第２相側電
気角は９０度ずれている。

【００１８】さらに、このステータヨーク対（５と６，
７と８）の外周囲に、コイルボビン９ａに巻き付けたコ
イル部９ｂからなる励磁コイル９を装着する。これによ
り、励磁コイル９は、フランジ部（５ａと６ａ，７ａと
８ａ）間に介在する。

【００１９】そして、上記ロータ４，ステータヨーク５
〜８並びに励磁コイル９を囲繞するように、その外周囲
に同心円上に有底のカップ状のフレームヨーク１０を配
置する。換言すれば、フレームヨーク１０内に上記各部
品を挿入配置する。その状態で、フレームヨーク１０の
開放側をキャップ１１で被覆する。なお、シャフト１は
キャップ１１に形成した透孔１１ａ内を挿通して外部に
突出し、出力軸として機能する。なおまた、キャップ１
１の外側面には、ステッピングモータを他の装置の所定
位置に固定するためのフランジ１２が一体に形成されて
いる（図１参照）。なお、上記した各部品の形状構成
は、従来のものと基本的に同じである。そして、本例で
は、ロータ部，ステータヨーク部，フレームヨーク部が
それぞれ独立した部品で形成される。

【００２０】ここで本発明では、上記４つのステータヨ
ーク５〜８をいずれもＦｅ−Ｃｒ系合金（フェライト
系）のものを用いて形成している。このフェライト系の
Ｆｅ−Ｃｒ系合金としては、好ましくは、Ｃｒが１０〜
２０ｗｔ％でＦｅが８０〜９０ｗｔ％のものを用いるこ
とであり、例えば、ＪＩＳのＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４１
０Ｌ等を用いることができる。一方、フレームヨーク１
０は従来と同様にＦｅ系合金を使用して形成している。

【００２１】これにより、モータ駆動中の交流磁場にと
もないステータヨーク５〜８中で発生しようとする渦電
流を、可及的に抑制することができ、効率が向上する。
換言すれば、同一出力トルクを得るためのステッピング
モータは、本発明品を用いることにより、効率向上分だ
け小型化を図ることもできる。そして、曲げ加工性は従
来のＦｅ系合金を用いて形成したステータヨークと何等
代わらないので、プレス加工等をするに際し同一の型を
用いて製造することができる。

【００２２】そして、Ｃｒを１０〜１５ｗｔ％とした場
合には、磁気特性が極めて良好な範囲を維持しつつ、通
常の室内環境下で要求される防錆力を発揮することがで
き、主として室内での使用（ＯＡ機器等）に適したもの
となる。一方、Ｃｒを１５〜２０ｗｔ％にした場合に
は、防錆力はさらに向上するため、屋外出の使用（車
載，屋外機器用）や、海外輸出（船による運搬時におけ
る塩の影響を受けないため）に適したものとなる。そし
て、この場合も前者に比べると磁気特性は低下するもの
の従来のものに比べ十分高い磁気特性を得ることがで
き、モータ特性が向上する。

【００２３】なお本例では、フレームヨーク１０の形状
から絞り加工により形成すべくＦｅ系合金を用いて製造
したが、フレームヨーク１０では磁束の変化がかなり少
ないため、Ｆｅ系でも渦電流の影響をあまり受けない。

【００２４】＊実験結果 本発明の効果を実証するために、上記した実施例のモー
タ（２相ユニポーラ定電圧駆動）と、同一形状からなる
従来のモータ（相違点はステータヨークの材質）とを用
い、各種の特性を調べた。まず、定電圧駆動時の周波数
に対するプルアウトトルク特性を調べた結果、図３に示
すごとく入力電力が同じ（図４参照）とすると、本発明
品の方がトルクが高くなっており、特性が向上したこと
がわかった。なお、本発明品におけるＦｅ−Ｃｒ系合金
として、本実験ではＣｒが１２ｗｔ％でＦｅが８６ｗｔ
％（残りは微量添加物）のものを用いた。また、この時
の周波数に対する効率は、図５に示すように、本発明品
の方が従来品に比べ１０〜１５％程度向上することにな
る。

【００２５】図６は、Ｃｒの混合量を変えた場合の周波
数に対する効率特性を示している。同図に示すように、
Ｃｒを１８ｗｔ％にしたＦｅ−Ｃｒ系合金とＣｒを１２
ｗｔ％にしたＦｅ−Ｃｒ系合金は、ともに従来品（ＳＰ
Ｃ）のものよりも効率が良く、しかも１２ｗｔ％の方が
より効率が良いのがわかった。

【００２６】また、防錆力を検証するために、上記と同
様の３つの材質（Ｃｒ12，Ｃｒ18（以上本発明品），Ｓ
ＰＣ（従来品））からなる板材を用い、各板材を４％Ｎ
ａＣｌと３％Ｈ₂ Ｏ₂ の混合液中（４０℃）に浸漬させ
た状態で４時間放置した。

【００２７】そしてその時の浸蝕度（ｇ／ｍ² ｈｒ）
は、Ｃｒ12は１．５９であったのに対し、Ｃｒ18は０．
７４であった。このことから、Ｃｒの量が多い方が防錆
力が高いのがわかる。なお、ＳＰＣの場合は、９．４で
あり、防錆力は非常に低い。

【００２８】図７は、本発明の第２実施例を示してい
る。本例では、上記した第１実施例と相違して、第１，
第４ステータヨーク５，８のみをＦｅ−Ｃｒ系合金で製
造し、第２，第３ステータヨーク６′，７′はＦｅ系合
金で製造した。

【００２９】係る構成にしても、ステータヨークの一部
をＦｅ−Ｃｒ系合金を用いることにより、その用いた部
位での渦電流の発生を抑制できるため、従来品に比べて
特性が向上する。そして、実際に上記した各特性の実験
を行ったところ、図３，図５に示す発明品の特性に比
べ、特性の向上は約１／２（発明品と従来品の特性の中
間）程度となった。

【００３０】また、このように一部のステータヨークを
Ｆｅ−Ｃｒ系合金で製造する場合、その使用箇所は、上
記した第１，第４のステータヨークに限ることなく、そ
の組み合わせは任意である。さらに、ステータヨークの
うち櫛歯状磁極部に相当する部分をＦｅ−Ｃｒ系合金で
製造しても良い。すなわち、本発明でいうところのステ
ータヨークの一部とは、第２実施例のように、ステッピ
ングモータを構成する複数のステータヨークのうちの一
部と、１つのステータヨークのうちの一部分の両者を含
む概念である。さらにまた、フレームヨークもＦｅ−Ｃ
ｒ系合金で製造してももちろん良い。

【００３１】図８は本発明の第３実施例を示している。
この実施例は、上記した２つの実施例と相違し、フレー
ムヨーク部が各相毎に軸方向に分割された構成のステッ
ピングモータに適用した例を示している。すなわち、絞
り加工で形成されるカップヨーク１５の開口部に、それ
と対応する第２のステータヨーク６（第３のステータヨ
ーク７）を嵌合し、両ヨークにより形成される空間内に
励磁コイル９を装着する。そして、上下のカップヨーク
１５，１５同士を所定の角度位置で付き合わせると共に
溶接して一体化する。

【００３２】また、カップヨーク１５の底部中心部位は
開口されるため、係る部位にフランジ１２，１２′を装
着することにより閉塞する。そして、ロータ４は、両フ
ランジ１２，１２′に形成された軸受に回転自在に支持
される。

【００３３】すなわち、カップヨーク１５は、図示のご
とくリング状のフランジ１５ｂの内周縁に櫛歯状磁極部
１５ａが立ち上げ形成されてステータヨーク部が構成さ
れ、またそのフランジ１５ｂの外周縁には円筒状の側壁
すなわちフレームヨーク部１５ｃが形成される。つまり
本例では、ステータヨーク部とフレームヨーク部とが同
一部品（カップヨーク１５）で形成される。すなわち、
本発明は、この実施例のように、ステータヨーク部，フ
レークヨーク部等が必ずしも別個の部品で構成される必
要はなく、１つの部品で複数のヨーク部を構成したり、
逆に複数の部品で１つのヨーク部を構成するなど種々の
態様のものを用いることができ、従来ある各種の構成の
ステッピングモータに適用することができる。

【００３４】ここで本発明では、第２，第３のステータ
ヨーク６，７をＦｅ−Ｃｒ系合金で形成している。な
お、カップヨーク１５はＦｅ系合金を用いて形成してい
る。これにより、第２，第３のステータヨーク６，７の
部分での特性が改善され、モータ全体での特性の向上が
図れる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るステッピン
グモータでは、交流磁場の影響を受けやすいステータヨ
ークをＦｅ−Ｃｒ系合金で製造したことにより、渦電流
の発生を可及的に抑制することができ、その結果、渦電
流により生じる鉄損の軽減を図り、効率が向上する。ま
た、Ｆｅ−Ｃｒ系合金では、防錆効果を有してるため、
特別なメッキコーティングも不要となり、工数の削減を
することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るステッピングモータの第１実施例
を示す一部破断斜視図である。

【図２】本発明に係るステッピングモータの第１実施例
を示す分解斜視図である。

【図３】本発明の効果を実証した特性図である。

【図４】本発明の効果を実証した特性図である。

【図５】本発明の効果を実証した特性図である。

【図６】本発明の効果を実証した特性図である。

【図７】本発明に係るステッピングモータの第２実施例
示す分解斜視図である。

【図８】本発明に係るステッピングモータの第３実施例
示す分解斜視図である。

【符号の説明】 ３ 永久磁石 ４ ロータ ５〜８，６′，７′ ステータヨーク ５ｂ〜８ｂ 櫛歯状磁極部 ９ 励磁コイル １０ フレームヨーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松井 隆之 東京都港区新橋５丁目36番11号 富士電気 化学株式会社内 (72)発明者 鈴木 暁人 東京都港区新橋５丁目36番11号 富士電気 化学株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多極着磁された永久磁石からなるロータ
   部と、 前記ロータ部と同軸上で対向するように設けられた複数
   個の櫛歯状極部を有するステータヨーク部と、 前記ステータヨーク部の前記櫛歯状極部の外周囲に装着
   した励磁コイルと、 前記励磁コイル並びに前記ステータヨーク部を囲繞する
   筒状のフレームヨーク部とを備えたステッピングモータ
   において、 少なくとも前記ステータヨーク部の一部または全部をフ
   ェライト系のＦｅ−Ｃｒ系合金で形成したことを特徴と
   するステッピングモータ。
2. 【請求項２】 前記Ｆｅ−Ｃｒ系合金が、Ｃｒが１０〜
   １５ｗｔ％、Ｆｅが８５〜９０ｗｔ％を含んでなること
   を特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ。
3. 【請求項３】 前記Ｆｅ−Ｃｒ系合金が、Ｃｒが１５〜
   ２０ｗｔ％、Ｆｅが８０〜８５ｗｔ％を含んでなること
   を特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ。