JPH08149783A - 環状コイル式３相永久磁石型ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 クローポールの数を減らして、低価格で効率
の良い環状コイル式３相永久磁石型ステッピングモータ
を提供すること。 【構成】 ケーシングの所定箇所に設けた軸受３ａ、３
ｂによって回転自在に軸支した回転軸４の外周部に回転
方向にＮ、Ｓ極の永久磁石６を交互に各ｎ個結合して円
筒状に形成した回転子７と、回転子７表面に対向して、
所定寸法のエアギャップＧを設けてｎ個の磁極を環状に
形成してコイル１０ａ〜１０ｃを巻き回した各相分固定
子I、II、IIIの３組を相互に各磁極を１２０／ｎ度ずら
して形成した固定子８とを備えて構成した。この場合、
永久磁石６をバックヨーク５を介して回転軸４に固定す
るのが望ましい。また、３組のコイル１０ａ〜１０ｃの
所定端子側を相互に接続し、コイル１０ａ〜１０ｃの相
互に接続した反対側端子に駆動電源を接続するように形
成するか、３組のコイル１０ａ〜１０ｃを同一巻線方向
に直列環状に接続し、上記接続により形成される３個の
接続点を駆動電源に接続するように形成するのが望まし
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回転電機の構造に係り、
特に、複写機のスキャナーモータやレーザービームプリ
ンターのドラム駆動モータ等に最適な回転電機である環
状コイル式３相永久磁石型ステッピングモータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来複写機のスキャナーの駆動モータや
レーザービームプリンターのドラム駆動には、ステッピ
ングモータが使用されている。なお、このような用途で
は、回転ムラを小さくするために３相方式とされ、ま
た、安価な構造であるクローポール式で円筒状永久磁石
式の３相式ステッピングモータが用いられ、３個の各相
分固定子を軸方向に配置するカスケード型の構成で高ト
ルクが得られるようにしている。図６は上述した従来の
ステッピングングモータの略半部を縦断して示す正面
図、図７はそのモータの部品構成を示す分解斜視図であ
る。図６、図７において、２１は磁性体によって成型し
たヨークで、２２はヨーク２１に結合したモータ取付板
である。ヨーク２１と取付板２２によってモータのケー
シングを構成している。ヨーク２１とモータ取付板２２
の中央部にはそれぞれに軸受２３ａ、２３ｂが設けら
れ、これらの軸受２３ａ、２３ｂによって回転軸２４を
回転自在に軸支している。回転軸２４には、２ｎ個の永
久磁石２６がＮ極とＳ極が交互に配列されるように円筒
状に構成して回転子２７の外周に固着され永久磁石型回
転子２７Ｋを構成している。また、Iｐ、IIｐ、IIIｐは
それぞれ各相分固定子で、これらが固定子２８を構成し
ている。１相分固定子Iｐ、２相分固定子IIｐ、３相分
固定子IIIｐより成る固定子２８は、回転子２７Ｋとエ
アギャップＧを隔てて対向配置され、等間隔にｎ個の磁
極２９ａを形成したクローポール２９と、各相分コイル
３０ａ〜３０ｃを備えている。上述した固定子２８の各
部品は当板３１によってヨーク２１に固定されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の構
成ものでは、次のような問題点があった。 環状コイル式３相永久磁石型ステッピングモータであ
るが、図７に示すようにクローポールが６個必要であっ
て、材料費、加工費が高価になるため安価なアクチュエ
ータとすることができない。 また、従来は１対のクローポールに形成した磁極を相
互に山部と谷部が入り込んで組み合わせ構成させている
ため磁極の幅がτ／４ないしτ／５となり、１磁極当た
りの磁束量が小さくなる。なお、上述したτは次の
（１）式によって示される寸法である。 τ＝３６０／ｎ・・・・・・・・・（１）（但し、ｎは
２以上の整数である） 本発明は従来のものの上記課題（問題点）を解決し、ク
ローポールの数を減らして、低価格で効率の良い環状コ
イル式３相永久磁石型ステッピングモータを提供するこ
とを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の環状コイル式３
相永久磁石型ステッピングモータは、上記課題を解決す
るために、ケーシングの所定箇所に設けた軸受によって
回転自在に軸支した回転軸の外周部に回転方向にＮ、Ｓ
極の永久磁石を交互に各ｎ個結合して円筒状に形成した
回転子と、回転子表面に対向して所定寸法のエアギャッ
プを設け、ｎ個の磁極を環状に形成してコイルを巻き回
した各相分固定子を３組相互に各磁極を１２０／ｎ度ず
らして形成した固定子とを備えて構成した。この場合、
上記永久磁石はバックヨークを介して回転軸に固定する
のが望ましい。また、３組のコイルの所定端子側を相互
に接続し、コイルの相互に接続した反対側端子に駆動電
源を接続するごとく形成するか、３組のコイルを同一巻
線方向に直列環状に接続し、上記接続により形成される
３個の接続点を駆動電源に接続するように形成するのが
望ましい。

【０００５】

【作用】上述のような構成においては、例えば、回転子
のＮ極を出て１相分固定子の磁極に入った磁束は、２相
分固定子の磁極、３相分固定子の磁極は各々１２０／ｎ
度ずれているので、２相分固定子の磁極、３相分固定子
の磁極を通って、回転子のＳ極へ戻る磁路を形成する。
また、回転子の永久磁石の内部にバックヨークを設ける
ようにすれば、Ｓ極に戻った磁束はさらにバックヨーク
を通って１相固定子磁極と対向しているＮ極に戻る。こ
の構成で、Ｉ、II、IIIの各相分固定子に巻き回した環
状コイルに供給する電圧を順次切り換えることにより、
回転子は６０／ｎ度のステップ角度で歩進回転をする。
また、３組のコイルの所定端子側を相互に接続して反対
側端子に駆動電源を接続するか、３組のコイルを同一巻
線方向に直列環状に接続して３個の接続点を駆動電源に
接続すると、３回路電源による駆動が行える。

【０００６】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図５を用いて詳細
に説明する。図１は本発明に基づき形成したステッピン
グモータの縦断正面図、図２はそのステッピングモータ
（以下モータと略称する）の部品構成の分解斜視図、図
３は固定子と回転子の寸法関係を示す要部展開図であ
る。図１、図２において、１は磁性体によって成型した
ヨークであって、２はヨーク１に結合したモータ取付板
である。ヨーク１と取付板２によってモータのケーシン
グを構成している。ヨーク１とモータ取付板２の中央部
にはそれぞれに軸受３ａ、３ｂが設けられ、これらの軸
受３ａ、３ｂによって回転軸４を回転自在に軸支してい
る。回転軸４にはバックヨーク５を介して表面をＮ極に
した永久磁石６ａと表面をＳ極にした永久磁石６ｂを各
ｎ個交互に配列して円筒状に構成した永久磁石６を装着
して永久磁石型回転子７を形成している。また、I、I
I、IIIは各相の固定子で、それぞれが同一構造に形成さ
れて固定子８を構成している。回転子７と固定子８とは
所定寸法のエアギャップＧを介して対向配置されてい
る。

【０００７】１相分固定子、２相分固定子及び３相分固
定子は、それぞれ回転子７に面する側にｎ個の等間隔の
磁極を形成したクローポール（以下ポールと称す）９
と、環状の各相分コイル１０ａ〜１０ｃを備えている。
１相分固定子の磁極と２相分固定子の磁極は相互に１２
０／ｎ度ずらして構成されている。同様に、２相分固定
子の磁極と３相分固定子の磁極、３相分固定子と１相分
固定子の磁極との間も１２０／ｎ度ずらして構成されて
いる。１相分固定子、２相分固定子及び３相分固定子は
それぞれのポール９に巻き回し、または、所定のコイル
を巻いたボビンを嵌合して環状に形成した各相分コイル
１０ａ，１０ｂ及び１０ｃは、それぞれの巻始め又は巻
終わりを図３に示すように相互に接続し、各コイル１０
ａ〜１０ｃの上述した反対側である巻終わりまたは巻始
めを示す引出し線（端子）部、、に駆動電源を接
続するように電源入力部を構成している。即ち、例え
ば、３個のコイルをそれぞれ巻始め側を同一方向にして
ポールに巻き回して巻終わり側を相互に接続し、巻始め
側に引出し線を接続して電源入力端子とすれば良い。従
って、図３に示した接続では１相分固定子、２相分固定
子及び３相分固定子それぞれに設けた各コイル１０ａ、
１０ｂ及び１０ｃはそれぞれスター接続とされて各端子
、、に駆動電源からの電力を供給する。図２に示
す１１は上述した固定子８の各部品を固定する当板であ
る。

【０００８】図３は本発明に基づく環状コイル式３相永
久磁石型ステッピングモータの各相分固定子の磁極配置
と回転子の永久磁石の磁極ピッチの相関位置を説明する
ために示した要部展開図であって、Iは１相分固定子、I
Iは２相分固定子、IIIは３相分固定子をそれぞれ示し各
Ｐ部はそれぞれの各相分固定子のポール９Ａ〜９Ｃが相
互にヨーク（図１、図２に示す１）によって磁気的に結
合されている状況を示している。また、図３において、
１０ａ、１０ｂ及び１０ｃはそれぞれ１相分固定子、２
相分固定子及び３相分固定子それぞれに設けたコイルで
あって、１相分固定子、２相分固定子及び３相分固定子
それぞれに設けたポール９Ａ，９Ｂ及び９Ｃにはｎ個の
磁極９ａ₁、９ａ₂及び９ａ₃がそれぞれ等しい間隙Ｇ₁，
Ｇ₂及びＧ₃を隔てて形成されている。前述したようにτ
は次の式（１）によって示される寸法である。 τ＝３６０／ｎ・・・・・・・・・（１）（但し、ｎは
２以上の整数である） 従って、各磁極９ａ₁、９ａ₂及び９ａ₃と間隙Ｇ₁，Ｇ₂
及びＧ₃のそれぞれの寸法は図３に示すようにτ／２と
なるように設定されていて、１相分固定子の磁極９ａ₁
と２相分固定子の磁極９ａ₂、２相分固定子の磁極９ａ₂
と３相分固定子の磁極９ａ₃とはそれぞれτ／３の位相
差で構成されている。従って、３相分固定子の磁極９ａ
₃と１相分固定子の磁極９ａ₁ともτ／３の位相差で構成
されている。また、図３において、７は永久磁石型回転
子であって、２ｎ個の永久磁石６ａ，６ｂがＮ極とＳ極
を交互に固定子８に向けて配列されている。従って、各
永久磁石６ａと６ｂの幅はそれぞれτ／２に形成されて
おり、同一極の永久磁石の構成ピッチはτである。I、I
I、IIIの各相分固定子それぞれのポール９は、図２に示
すように環状に形成されているが、図３においては説明
の便宜上ヨーク部とともに変形して図示している。ま
た、各相分固定子に形成した各磁極のピッチ寸法τ／２
は次の式（２）のように変換される。 τ／２＝３６０／ｎ／２＝１８０／ｎ・・・・・・（２）

【０００９】上述の説明では３個のコイルをスター接続
にして使用する例について説明したが、このモータの使
用条件に対応させて、各３個のコイルの巻き始めと巻き
終わりを順次接続して環状とし、その接続点を駆動電源
供給用端子として形成するようにしても良い。即ち、デ
ルタ接続して使用するようにしても、また、各コイルそ
れぞれの巻始め側と巻終わり側の両方に駆動電源を接続
するように６端子方式に形成しても良いことは勿論であ
る。

【００１０】上記のように形成したモータにおいて、例
えば、図３に示すように永久磁石のＮ極６ａが１相分固
定子の磁極９ａ₁に対向していて貫通した磁束は、２相
分固定子と３相分固定子の各磁極９ａ₂、９ａ₃が１相分
固定子の磁極９ａ₁に対してそれぞれ（１２０／ｎ）度
ずれいているので、２相分固定子と３相分固定子の各磁
極９ａ₂、９ａ₃を通って永久磁石のＳ極６ｂに至り、さ
らに、バックヨーク５を経由して永久磁石のＮ極６ａに
戻って還流する。

【００１１】次に、上述のように形成したモータの使用
方法例を図４、図５によって説明する。図４には上述し
た構造のモータの１相分固定子〜３相分固定子の各コイ
ル１０ａ〜１０ｃそれぞれをスター接続し、各相分固定
子のコイル１０ａ〜１０ｃを順次２相励磁する場合の印
加電圧のシーケンスを示している。即ち、横軸に記す１
相分固定子のコイル１０ａ、２相分固定子のコイル１０
ｂ、３相分固定子のコイル１０ｃに対して印加する電圧
の切り換え状況を縦方向に示す時間推移（タイミング）
に対応させて記している。この場合、図４に示す＋符号
はその欄に示す各相分固定子のコイルに対して、設定し
た所定方向に電圧を印加することを示し、−符号はその
欄に示す各相分固定子のコイルに上述とは逆方向に電圧
を印加することを示している。例えば、タイミング１
（図４の左側に１で記す横方向の欄）においては、１相
分固定子のコイル１０ａには設定方向（以下正方向と記
す）に電圧を印加して電流を流し（以下励磁すると記
す）、２相分固定子のコイル１０ｂには逆方向に励磁す
る。次のタイミング２（図４の左側に２で記す横方向の
欄）においては、２相分固定子のコイル１０ｂにはタイ
ミング１に継続して逆方向に励磁し、３相分固定子のコ
イル１０ｃには正方向に励磁するように切り換える。

【００１２】上述のように各相分固定子それぞれのコイ
ル１０ａ〜１０ｃに印加する電圧を切り換えた結果、回
転子の永久磁石が前述したように駆動されて歩進する状
況を図５によって説明する。図５において、I、Ｒ１、I
Iの段は、図４に示したタイミング１の状況を示してい
る。即ち、１相分固定子のコイル１０ａには正方向に励
磁するので段Iに示すように各磁極にはＮ極が発生し、
２相分固定子のコイル１０ｂには逆方向に励磁するので
段IIに示すように各磁極にはＳ極が発生する。従って、
回転子７の各永久磁石はその発生磁極との相互間に発生
する力によって回転してＲ１欄に示す位置になる。同様
に、図４に示すタイミング２においてはII、Ｒ２、III
の各段に示す相互関係、タイミング３においてはIII、
Ｒ３、−Iの各段に示す相互関係、タイミング４におい
ては−I、Ｒ４、−IIの各段に示す相互関係、タイミン
グ５においては−II、Ｒ５、−IIIの各段に示す相互関
係、タイミング６においては−III、Ｒ６、Iの各段に示
す相互関係、タイミング７においてはタイミング１に戻
っているので、I、Ｒ１、IIの各段に示す相互関係にな
る。従って、回転子の永久磁石は、図に示すようにタイ
ミングの進展によってＮ極又はＳ極の極ピッチの１／６
で歩進する。即ち、１相分固定子のコイル１０ａ、２相
分固定子のコイル１０ｂ及び３相分固定子のコイル１０
ｃに対する供給電圧を順次切り換えると、電圧を切り換
えるごとに回転子７は６０／ｎ度のステップ角度で歩進
し回転する。

【００１３】上記のものは本発明の技術思想を実現する
一実施例を示したものであって、そのモータの用途と用
途に対応した回転速度や所望されるトルクにより、例え
ばアウターロータ化させたり、状況に適した電源条件等
に対応して適切に応用改変しても良いことは当然であ
る。

【００１４】

【発明の効果】本発明の環状コイル式３相永久磁石型ス
テッピングモータは、上記のように構成し作動されるの
で、次のような優れた効果を有する。 従来のものでは６個必要であった固定子のクローポー
ルが３個で済む。このように、クローポール数が従来品
の１／２で済むので、低コスト化が図れる。 ２相永久磁石型ステッピングモータは固定子のクロー
ポール数が４個で済むが、３相永久磁石型ステッピング
モータは２相永久磁石型ステッピングモータよりもステ
ップ角が２／３になって回転ムラを小さくできる。クロ
ーポールの数を３個に減らして３相永久磁石型ステッピ
ングモータが構成できたので、低コスト化を図りながら
も３相永久磁石型ステッピングモータとしての回転ムラ
特性が改善される。 上述した磁極の数ｎを２以上にすることによって回転
子に働くラジアル力が打ち消し合い、ｎが１の場合のよ
うに軸と軸受とのクリアランスによる振動によって生じ
るような異音が発生しないので低騒音のモータが得られ
る。 クローポールの各磁極の幅を同一ステップ角でもクロ
ーポール数が６個の従来品の約２倍にできるのでクロー
ポールの機械的強度が増加し、固定子と回転子との間の
エアギャップの変動が減少し常に同一ギャップ寸法が確
保できる。 同一ステップ角において、クローポールの各磁極の幅
を同一ステップ角でも、従来品の約２倍にできるのでク
ローポールの数が１／２になっても従来品と同等のトル
クが得られる。 従来の磁気回路が各相とも相互に組み合って対向した
自相のクローポールの磁極を経由して磁路を形成するの
に対して、本発明においては永久磁石の背面にバックヨ
ークを設けることによって各相分固定子を経由し還流す
る磁路が形成されるので、従来の半分のクローポールで
低い磁気抵抗の磁路が形成でき、従来と同等の出力特性
が得られる。 ３個のコイルの同一巻側を接続したスター接続、また
は３個のコイルを環状に接続したデルタ接続にすること
によって３端子給電ができるので、ドライブ回路のトラ
ンジスター等電力素子が６個で済み低コスト化が図れ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく環状コイル式３相永久磁石型ス
テッピングモータの縦断正面図である。

【図２】図１に示す環状コイル式３相永久磁石型ステッ
ピングモータの部品構成を示す分解斜視図である。

【図３】図１に示す環状コイル式３相永久磁石型ステッ
ピングモータ例の固定子と回転子の相関位置を示す要部
展開図である。

【図４】図１に示す環状コイル式３相永久磁石型ステッ
ピングモータ例を２相励磁するための電圧印加シーケン
ス図である。

【図５】図４に対応させた本発明品の動作原理を説明す
る展開図である。

【図６】従来の３相永久磁石型ステッピングモータの略
半部を縦断して示した正面図である。

【図７】図６に示す従来の３相永久磁石型ステッピング
モータの部品構成を示す分解斜視図である。

【符号の説明】 １：ヨーク ２：モータ取付板 ３ａ、３ｂ：軸受 ４：回転軸 ５：バックヨーク ６：永久磁石 ６ａ：永久磁石のＮ極 ６ｂ：永久磁石のＳ極 ７：回転子 ８：固定子 ９：クローポール ９ａ₁〜９ａ₃：各相分固定子のクローポールに形成した
磁極 Ｇ₁〜Ｇ₃：各相分固定子のクローポールに形成した磁極
の間隙 １０ａ〜１０ｃ：コイル I：１相分固定子 II：２相分固定子 III：３相分固定子 Ｇ：エアギャップ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシングの所定箇所に設けた軸受によ
   って回転自在に軸支した回転軸の外周部に回転方向に
   Ｎ、Ｓ極の永久磁石を交互に各ｎ個配列して円筒状に形
   成した回転子と、この回転子表面に対向し、所定寸法の
   エアギャップを設けてｎ個の固定子磁極を環状に形成し
   コイルを巻き回した各相分固定子を３組相互に前記磁極
   を１２０／ｎ度ずらして形成した固定子とを備えたこと
   を特徴とする環状コイル式３相永久磁石型ステッピング
   モータ。（但し、ｎは２以上の整数とする）
2. 【請求項２】 前記永久磁石をバックヨークを介して回
   転軸に固定して回転子を形成した請求項１記載の環状コ
   イル式３相永久磁石型ステッピングモータ。
3. 【請求項３】 前記３組の各相分固定子それぞれに巻き
   回したコイルの所定端子側を相互に接続し、上記コイル
   の相互に接続した反対側端子に駆動電源を接続するよう
   に形成した請求項１または２記載の環状コイル式３相永
   久磁石型ステッピングモータ。
4. 【請求項４】 前記３組の各相分固定子それぞれに巻き
   回したコイルを同一巻線方向に直列環状に接続し、上記
   接続により形成される３個の接続点を駆動電源に接続す
   るように形成した請求項１または２記載の環状コイル式
   ３相永久磁石型ステッピングモータ。