JPH09163710A - モータ構造 - Google Patents
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- JPH09163710A JPH09163710A JP7313861A JP31386195A JPH09163710A JP H09163710 A JPH09163710 A JP H09163710A JP 7313861 A JP7313861 A JP 7313861A JP 31386195 A JP31386195 A JP 31386195A JP H09163710 A JPH09163710 A JP H09163710A
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Abstract
気的バランス変動がない安定した特性を維持できる構造
の2相モータを提供する。 【解決手段】 N個のステータ突極を設けた強磁性体か
らなるステータと、極数がM個であるロータマグネット
とを有し、NとMとがいずれも偶数でかつN:M=2:
2n−1(nは自然数)なる関係を満たし、該N個のス
テータ突極をいずれも巻線を集中巻きしたN/2個の第
1の突極グループと、N/2個の第2の突極グループと
に分け、該第1の突極グループに属するステータ突極と
該第2の突極グループに属するステータ突極とを前記ス
テータの円周方向に1個ずつ交互に配置し、該第1およ
び第2の突極グループに属する各ステータ突極の巻線の
位相が各グループごとに円周方向に順に1個ずつそれぞ
れ逆位相をなし、各グループごとに円周方向に順に電気
的に接続して第1相および第2相とする。
Description
関する。
ラジアルギャップ型の2相モータが用いられている。こ
のラジアルギャップ型の2相モータは、ステータ突極の
和とロータマグネットの極数との比が1:1であること
から安価ではあるが、トルクの死点(励磁しているにも
かかわらずトルクが0または極端に低下する位置)が存
在し、何らかの構造的な対策が必要である。また、この
ような構造的な対策が取られたとしても、十分な効果が
得られないのが実状であり、その用途は負荷トルクが小
さい分野に限られている。
ポール型ステッピングモータは、入力パルスに応じて歩
進運動することにより近年のデジタル技術とマッチして
おり、位置決め、定速運動に広く用いられているが、以
下(1)〜(3)に述べるような欠点がある。 (1)2相クローポール型ステッピングモータのステー
タの部分は、コイルを包含する同一構造のステータシェ
ルを2個、軸方向に重ね合わせて構成されており、ステ
ータシェルは一枚の板金を3次元的に折り曲げてロータ
マグネットと対向する部分にステータヨーク歯を設けた
ものである。ステータを組み上げるには、ステータシェ
ルを中心軸に沿って軸方向に2個重ね合わせ、かつ各々
のステータシェルが電気角で90°の位相関係になるよ
うに高精度に位置合わせをしなけれ ばならない。(2)(1)に述べたように組み上げられ
たステータについてさらに、ロータマグネットが2個の
ステータシェルに対して同じように磁気的作用が働くよ
う、軸方向でのロータマグネットとステータ(シェル)
の位置精度を確保しなければならない。 (3)(1)、(2)に述べたようにモータの組立に高
精度の位置合わせが要求されるが、軸受けに安価なスリ
ーブ軸受けを使用していて軸方向のすき間が0でないこ
とから、コイルの励磁に伴って(特に一相励磁時が顕
著)ロータ部が軸方向に振動する。
じめとするデジタル回路技術の発展により、この安価な
2相クローポール型ステッピングモータを、高回転精度
が要求される例えばFDD(Floppy Disk Drive) 用スピ
ンドルモータに応用することが注目を浴びているが、こ
れらに実際に応用するためには、いわゆる2相間の磁気
的バランスが良く、かつコギングトルクを小さくし、さ
らに励磁の際ロータ部が軸方向に振動しない等々の特性
が現状レベル以上に求められる。
ギャップ中の磁束密度分布を調整する必要があり、シェ
ル構造のステータヨーク歯の形状を変えなければならな
い。しかし、ステータシェルが板金を3次元的に折り曲
げて作製する構造である限りエアーギャップ中の磁束密
度分布を自由に変えるには構造上の限界がある。また、
磁気回路が3次元的であって複雑であり、結果として磁
気効率が良くない。さらに、励磁の際のロータ部の軸方
向の振動の問題については、軸方向に相を構成している
現状の構造は致命的な欠点である。
うな問題点に鑑みてなされたものであり、その目的はF
DD用スピンドルモータのような高回転精度が要求され
る分野に応用可能な、ローコストでかつ組み立てによる
2相間の磁気的バランス変動がない安定した特性を維持
できる構造の2相モータを提供することにある。
ングモータは、上にも述べたように、同一構造のステー
タシェルを相の数だけ(2相の場合は2個)軸方向に重
ね合わせ、いわゆる軸方向に相を展開した構造であるた
め、2相間の磁気的バランスを保つことに困難を生じさ
せ、また、ステータヨークを含む磁気回路が3次元的に
構成されていることから磁気的効率を改善しようとして
も根本的に問題を生じさせる。
されており駆動方法も確立されている2相クローポール
型ステッピングモータの原理を平面的に2相に構成(軸
方向に相を重ねるような軸方向の展開ではなく)し、か
つロータマグネットの磁気利用率が高く磁気結合の良く
なるように以下のような構成を採用したものである。 (1)ラジアルギャップのステータ突極数Nとロータマ
グネットの極数Mがいずれも偶数でかつN:M=2:2
n−1(nは自然数)なる関係を満たし、(2)N個の
ステータ突極をいずれも巻線を集中巻きしたN/2個の
第1の突極グループと、N/2個の第2の突極グループ
に分け、第1の突極グループに属するステータ突極と第
2の突極グループに属するステータ突極とをステータの
円周方向に1個ずつ交互に配置し、第1および第2の突
極グループに属する各ステータ突極の巻線の位相が各グ
ループごとに円周方向に順に1個ずつそれぞれ逆位相を
なすようにし、(3)第1および第2の突極グループに
属する各ステータ突極の巻線をそれぞれ各グループごと
に円周方向に順に電気的に接続して第1相および第2相
とすることによって2相構成にした。
では軸方向と周方向の2つの要素を考慮して磁気的バラ
ンスを調整しなければならなかったが)、磁気的バラン
スの調整が容易になり磁気効率が上昇し、かつ軸方向の
振動の発生を防止することが可能となる。
ついて図面を参照して説明する。本実施の形態は扁平タ
イプのアウターロータ型ラジアルギャップのスピンドル
モータに適用したものである。
要部を示した分解斜視図であり、モータの構成としてス
テータ突極4aの数N=12、ロータマグネット9の極
数M=18の場合、すなわちNとMの比がN/M=12
/18=2/3、即ち2/(2n−1)(n=2)の場
合を示している。
ウムの削り出し体からなるハウジング1にステータ組立
体4と駆動回路板5とを固定するようになっている。ハ
ウジング1にはモータ105の完成体を取り付けるため
の取り付け穴6も用意されている。駆動回路板5の片面
には絶縁層が施され、さらにその表面には印刷回路(図
示せず)が施され、モータ105を駆動するために必要
な2相の正弦波電圧駆動回路(後段で説明)が形成され
ている。モータ105は同期モータであるので、励磁相
切換用ロータ位置検出ホール素子並びにロータ回転数検
出用のFG(frequency generator)は一切不要である。
テータ突極4aが形成されている。このステータ組立体
4は、プレス抜きされた電磁鋼板を回転軸方向に複数枚
積層し固定した後、12本の各ステータ突極4aの部分
に絶縁を施し巻線したものである。
3本のステータ止めねじ7によってハウジング1に固定
される。
ータヨーク8の内周面にラジアル方向に18極に着磁さ
れたロータマグネット9を接着したものである。ロータ
止めねじ10をチャック12を保持しているシャフト1
1に固定することによって、ロータ組立体2とシャフト
11は固定され、ハウジング1の溝に挿入されている2
個のボールベアリング3により回転自在に支承される。
ロータ型のモータばかりではなく、インナーロータ型の
モータにも適用可能である。
態におけるモータ駆動回路をその動作原理とともに説明
する。
ステップ技術を用いて定速回転で回転させるための駆動
回路の一例を示している。図2において、UP/DOW
Nカウンタ100は一定レート(周波数)のクロックパ
ルスCLKをカウントし、ROM101a、101bへ
のアドレス信号を生成する。ROM101a、101b
はそれぞれアドレスに対して1つの出力値を出力する。
は図3に示される。図3において、(a)はROM10
1aの、(b)は101bのアドレスに対する出力の内
容をそれぞれ示している。図3に示されるように、RO
M101aには正弦波情報が、ROM101bには余弦
波情報がそれぞれ記憶されている。なお、ROM101
aに正弦波、ROM101bに余弦波と一義的に固定せ
ずに、回転精度を上げるためにモータ固有のコギングト
ルク分を補償したものを前記正弦波および余弦波に重畳
させた方がより好ましい。
M101a、101bの出力に応じてアナログ電圧を生
成する変換器である。電力増幅器103a、103b
は、D/A102a、102bから出力される微小アナ
ログ信号を電力増幅し、その出力でモータコイル104
a、104bを励磁する構成になっている。また、図2
中参照番号105は本発明による2相モータを示し、モ
ータコイル104aがA相巻線(端子AーA′間)を、
モータコイル104bがB相巻線(端子B−B′間)を
それぞれ示している(A相巻線およびB相巻線の詳細に
ついては後段で説明する)。
a、104bが2相巻線を構成しているので、モータコ
イル104a、104bに図3に示したように対称2相
交流電圧を印加することにより、2相巻線は励磁され、
エアギャップ中に回転磁界が生じ、この回転磁界に同期
してロータマグネット9が吸引(反発)力を受けて、一
定速度の同期回転数で回転し続けるのである。
て本発明の特徴である2相巻線について説明する。図4
(a)は図1で示したモータ105の構成を、ステータ
突極4aとロータマグネット9との位置関係がわかるよ
うに平面的に表した図であり、図1に示した12個の各
ステータ突極4aは符号A1 〜A6 及びB1 〜B6 を用
いて表している。図4(b)はステータ突極A1 を拡大
して表したものであり、図4(b)に示されるように巻
線4bがステータ突極A1 に集中巻きされており、ステ
ータ突極A1 の先端には突極子4cが設けられている。
残りのステータ突極の構成も同様である。各ステータ突
極においてa1 〜a6 およびb1 〜b6は巻線4bの巻
き始めを、a1 ′〜a6 ′およびb1 ′〜b6 ′は巻線
4bの巻き終りを示している。
は、ステータ組立体4の円周方向にA1 →B1 →A2 →
B2 →A3 →B3 →A4 →B4 →A5 →B5 →A6 →B
6 の順で配置されている。図4(a)では、各ステータ
突極共に同方向に巻線した例を示しているが、同方向に
巻線している場合は後述するように電気的接続の際に極
性を変えるよう接続する必要がある。
と各ステータ突極との位置(位相)関係について説明す
ると、ステータ突極Aグループ(A1 〜A6 )の各突極
の中心は、ロータマグネット9の磁極の中心に対向する
位置にあり、かつステータ突極A1 、A3 、A5 はN極
に、ステータ突極A2 、A4 、A6 はS極に対向してい
る。このことから、ステータ突極A1 、A3 、A5 と、
ステータ突極A2 、A4 、A6 とは逆相の関係にあり、
巻線4bの電気的接続または巻線する方向により逆位相
となるよう構成しなければならない(本実施の形態では
電気的接続により逆位相関係となるよう構成している。
図5、図6参照)。
B6 )の各突極の中心は、ロータマグネット9の磁極の
切り変わりポイント(ニュートラル)に対向する位置に
あり、かつステータ突極B1 、B3 、B5 はS極からN
極への切り変わりポイントに、ステータ突極B2 、B
4 、B6 はN極からS極への切り変わりポイントに対向
している。このことから、ステータ突極B1 、B3 、B
5 と、ステータ突極B2、B4 、B6 とは逆相の関係に
あり、巻線4bの電気的接続または巻線する方向により
逆位相となるよう構成しなければならない。
A′間でのステータ突極Aグループの各巻線の接続例、
および端子B−B′間でのステータ突極Bグループの各
巻線の接続例を示しており、図5(a)、(b)は直列
接続の例を、図6(a)、(b)は並列接続の例を示し
ている。
グループの位相関係は電気角で270°(−90°)で
あり、ステータ突極Aグループとステータ突極Bグルー
プの位相差は90°で配置されていることから、図5ま
たは図6に示すように、端子A−A′間でステータ突極
Aグループの各巻線を接続してA相巻線とし、端子B−
B′間でのステータ突極Bグループの各巻線を接続して
B相巻線として、各突極の巻線を全体として2相巻線構
成にすることができる。この時、各ステータ突極への巻
線の数は、相間のバランスを考慮して等しくしておくこ
とが重要である。
6 、b1 〜b6 )と巻き終わり(a1 ′〜a6 ′、b
1 ′〜b6 ′)とが、ステータ突極A1 、A3 、A5 と
A2 、A4 、A6 (またはステータ突極B1 、B3 、B
5 とB2 、B4 、B5 )とで電流の向きが逆になるよう
に接続されている。(なお、先に述べたように巻線の方
向を変えることにより電流の向きが逆になるように構成
することも可能である。)。これにより巻線に電流が流
れた時の各突極の極性を変えることができる。
の数N(本実施の形態においては12個)とロータマグ
ネットの極数M(本実施の形態においては18極)の関
係について説明する。
関係にあるが、一般的にNとMが偶数でありかつN:M
=2:2n−1(ただしnは自然数)であれば、上述の
ロータマグネットに対するステータ突極の位相関係は保
たれるので、同様にして各ステータ突極の巻線を電気的
に接続して2相巻線を構成すれば良いことになる。
マグネットの極数Mとの組み合わせは無限にあることに
なるが、最適な組合せが当然存在する。この点について
図7を用いて説明する。
を付記した以外は図4(a)と同一である。θは1つの
ステータ突極が占める中心角を示し、本実施の形態にお
いては360°/12=30°である。θP はロータマ
グネット1極が占める中心角であり、本実施の形態にお
いては360°/18=20°である。さらにθS は1
つのステータ突極の先端の突極子4c(図4(b)参
照)が占める中心角を示し、本実施の形態においてはθ
S ≒14°である。ステータ突極のスロット(溝)に巻
線を納める関係から、当然のことながらθ>θS であ
る。
トN極1極から発した磁束をエアギャップを介してステ
ータ突極先端の突極子に能率良く到達させる必要がある
からである。別の表現をとれば、ロータマグネットから
の漏洩磁束が最小となるような磁気回路とすることであ
る。その結果磁気効率の良いモータとなるからである。
すれば、θS ( ≒14°)≪θP (=60°)となり、
ステータ突極内で磁束の飽和現象が発生し好ましくな
い。
ば、θP ≒6.7となり、θS (≒14°)≫θP (≒
6.7)となり1個のステータ突極子の占める中心角θ
S ≒14°の中にロータマグネットの極が14/6.7
≒2(個)、すなわちN、S極1対が同時に対向し、ロ
ータマグネットのN、S極がステータ突極子で磁気的に
ショートされた現象が起きて磁気効率を著しく低下させ
る。このようにnの値が小さくても大きくても好ましく
なく、n=2またはn=3の時、すなわちN:M=2:
3または2:5が好ましい比率となる。
タは、平面的に(のみ)プレスで打ち抜いたステータヨ
ークを積層したものでステータを構成し、同一平面内で
2相が構成されるため、以下に述べるような効果を奏す
る。 (1)ロータ回転に伴う2相間の磁気的バランスが良
く、また、励磁に伴う軸方向の振動が起こらない。 (2)構造的に2相間の磁気的ばらつきが起きず、結果
としてトルクリップルが小さく高回転精度が得られる。 (3)磁気回路が同一平面内で構成できるので、磁気効
率が良い。 (4)従来の2相クローポール型モータが高速回転時に
鉄損が大きいのに比べ、本発明によるモータはラミネー
ションヨークを使用しているため鉄損を著しく小さくで
きる。 (5)モータ毎のバラツキが少なく、品質の安定した高
精度のモータを安価に製造することが可能となる。
である。
図である。
した図である。
表した図であり、(b)はステータ突極の拡大図であ
る。
である。
である。
である。
6 、b1 〜b6 )と巻き終わり(a1 ′〜a6 ′、b
1 ′〜b6 ′)とが、ステータ突極A1 、A3 、A5 と
A2 、A4 、A6 (またはステータ突極B1 、B3 、B
5 とB2 、B4 、B6 )とで電流の向きが逆になるよう
に接続されている。(なお、先に述べたように巻線の方
向を変えることにより電流の向きが逆になるように構成
することも可能である。)。これにより巻線に電流が流
れた時の各突極の極性を変えることができる。
Claims (3)
- 【請求項1】 N個のステータ突極を設けた強磁性体か
らなるステータと、極数がM個であるロータマグネット
とを有し、 NとMとがいずれも偶数でかつN:M=2:2n−1
(nは自然数)なる関係を満たし、 該N個のステータ突極をいずれも巻線を集中巻きしたN
/2個の第1の突極グループと、N/2個の第2の突極
グループとに分け、 該第1の突極グループに属するステータ突極と該第2の
突極グループに属するステータ突極とを前記ステータの
円周方向に1個ずつ交互に配置し、 該第1および第2の突極グループに属する各ステータ突
極の巻線の位相が各グループごとに円周方向に順に1個
ずつそれぞれ逆位相をなし、 該第1および第2の突極グループに属する各ステータ突
極の巻線をそれぞれ各グループごとに円周方向に順に電
気的に接続して第1相および第2相とすることによって
2相構成にしたことを特徴とするモータ。 - 【請求項2】 前記ステータ突極の先端に設けられた突
極子の幅をなす中心角をθS 、前記ロータマグネットの
1極当たりの中心角をθP とした時、 なる関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載のモ
ータ。 - 【請求項3】 前記ステータに設けられたステータ突極
の数Nと前記ロータマグネットの極数Mとの比が、N:
M=2:3またはN:M=2:5であることを特徴とす
る請求項1に記載のモータ。
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