JPH10127024A - モータ構造 - Google Patents

モータ構造

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JPH10127024A
JPH10127024A JP8276487A JP27648796A JPH10127024A JP H10127024 A JPH10127024 A JP H10127024A JP 8276487 A JP8276487 A JP 8276487A JP 27648796 A JP27648796 A JP 27648796A JP H10127024 A JPH10127024 A JP H10127024A
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栄 藤谷
Naomi Inoue
尚美 井上
Hideki Sakiyama
英樹 崎山
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電機子コイルに誘起される誘導起電力波形に含
まれる高調波成分の影響によるモータ振動を可及的に減
少させること。 【解決手段】モータ構造において、1相を構成する1つ
の極歯とこれと対応する極歯との極歯の形状を、面積を
異ならせたりスキュー量を異ならせたりして異ならせ、
これら極歯を鎖交する磁束の変化により発生する第3次
高調波を相殺せしめている。このためモータの動トルク
特性を下げることなく、従来問題点であった回転振動を
小さく出来、しかもロータの移動精度を向上させること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、モータの構造に関
し、特に磁気回路を改善して性能を向上せしめるモータ
の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】OA機器、コンピュータ周辺機器や産業
機器などにおいてステッピングモータは広く使用されて
いる。このステッピングモータは、入力パルス交流によ
り回転駆動される電動機であり、その回転角度は入力交
流のパルス数により比例し、またその回転速度はその周
波数に比例する。従って、ステッピングモータはロータ
位置を検出する必要がない。すなわちオープンループに
てステッピングモータを駆動している為、ロータは磁気
抵抗が最小となるように回転している。従って、ロータ
より発生する磁束(マグネットの磁束分布)と、ステー
タより発生する磁束(電機子磁束分布)に、ロータの回
転状態は依存している。
【0003】次にロータとステータのインターフェース
であるステータ極歯の形状、とくにクローポール型の場
合のステータ極歯の形状は、製造技術的にあまり長く形
成出来ないし、長く形成する場合は、極歯が磁気飽和を
起こさないように、極歯の根元を広くした台形型として
いる。また、1つの相を構成する2つのステータの極歯
は、同一形状としている。そのため、ステッピングモー
タを駆動すると回転変動が大きくなり振動を発生すると
いう欠点がある。
【0004】近年の高性能化された機器では、ステッピ
ングモータの振動が他の部品に悪影響を与え、機器の機
能不良を起こす可能性が大きくなっている。そのためモ
ータの振動を抑える方法として、特開平4ー26355
号公報に見られるように防振ゴムによってステッピング
モータをフローティングする方法や、実開昭59ー11
1500号公報に見られるように駆動回路を工夫して制
御し、低振動化する方法が採られている。これらの方法
は、部品点数の増加、回路の複雑化は避けられず、コス
トアップ要因となっていた。また、これらは、ステッピ
ングモータ外部からの対応策である為、ステッピングモ
ータ本体の振動源は依然存在し、本質的な解決策とはな
っていなかった。また、ステッピングモータ以外の例え
ばDCサーボモータ、ブラシレスモータ等の回転電機、
リニア型ステッピングモータのように磁極を有するモー
タにもこれと同じような問題がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】振動の発生源を潰しモ
ータ自身の振動を抑えて低振動のものを得る為には、デ
ィテントトルクを下げるのが有効であるが、ディテント
トルクを下げる一般的な手段として行うロータと極歯間
の間隙を広くする方法では、ディテントトルクが下がる
ものの,同時に動トルクの低下は免れずステッピングモ
ータ性能のダウンとなってしまう。そこで本質的な振動
源であるディテントトルクの解析を進めモータの構造を
変えることによって、これの性能を落とすことなく低振
動化を達成する必要がある。本発明は、上述の如き技術
的な要望に応えようとするものであって、その目的は、
電機子コイルに誘起される誘導起電力波形に含まれる高
調波成分の影響によるモータ振動を可及的に減少させる
ことにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】ディテントトルクの解析
において、誘導起電力波形に含まれる高調波の量、特に
第3次高調波の量が振動の大きさを左右することを突き
止め、更にはこの第3次高調波の量を支配する要素とし
て、ステータヨーク部分の磁極を構成する極歯側辺の傾
き(以後スキュー量と称する)では、高調波成分の割合
は変わらないが、その高調波の位相が変わることが判明
した。これらから第3次高調波の基本波に対する位相に
は、ある一定の関係(2次関数)が存在していること
と、スキュー量と高調波成分の振幅の大きさとの間には
(スキュー量の変更可能な範囲内で)相関がなく、極歯
の間隙に依存することを確認した。
【0007】そこで1相を構成する一対のステータヨー
ク部分の夫々の極歯の間隙を適切に設定し、一相を構成
する極歯の大きさ(面積)を変えるか、または極歯のス
キュー量を調整し、一対のステータヨーク部分の第3次
高調波の位相が電気角で180°ずらして設定すること
によって、第3次高調波は相殺され、高調波成分の殆ど
含まれない誘導起電力波形を得ることが出来、モータの
低振動化が達成できる。またこの極歯の間隙を、この極
歯と対向する他方の部分(回転電機にあってはロータマ
グネット)との間隙より広くなる適切な値とすれば、動
トルクを低下させないで振動を極めて小さくすることが
出来る。
【0008】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を、図面を
用いて詳細に説明する。図1は本発明をクローポール型
2相ステッピングモータに適用した場合の断面斜視図で
あり、図2は図1で示したステータ極歯部の展開図を示
し、図3はその極歯部の拡大展開図である。図4は48
ステップのステッピングモータにおける極歯のスキュー
量と、ロータが回転することにより電機子コイルに誘起
される誘導起電力波形に含まれる第3次高調波の基本波
に対する位相の関係(実験結果)を示す図である。図5
は極歯のスキュー量の定義を示す図で、スキュー量s
は、s=2C/τPとして定義される。ここで、C=極歯側
辺の斜め部の1/2、τP=極ピッチ(電気角πの長
さ)を意味する。
【0009】図1において1は第1の部分となるロータ
を示し、外周面にN極S極交互に24極着磁を施した永
久磁石10の中心に回転軸11が、インサートモールド
にて固定されている。2aはA相コイルを示し、ボビン
にポリウレタン銅線を巻いて構成されている。2bはB
相コイルを示し、A相コイル2aと同じ構成となってい
る。3は外側ヨークを示し、内周面には櫛歯状に磁極と
なる極歯3aを12個配している。4は内側ヨークを示
し、外側ヨーク3同様内周面には櫛歯状に磁極となる極
歯4aを12個配している。夫々の構成は図2に示すよ
うに、外側ヨーク3と内側ヨーク4の間にコイル2aま
たは、2bが挟持され、夫々のコイルにより、第2の部
分となるA相ステータ5aと、同じく第2の部分となる
B相ステータ5bが構成されている。更に、A相ステー
タ5aとB相ステータ5bは電気角で90°の位相差に
なるようにして、内側ヨーク同士が背中合わせに固定さ
れている。
【0010】更に、フランジ6と共に上側に位置する外
側ヨーク3と下側に位置する外側ヨーク3の夫々には、
軸受け7が設けられ(下側の軸受は図示されていな
い)。これら軸受にはロータ1を支える回転軸11が回
転自在に軸支されている。またロータ1の永久磁石10
の着磁は、磁束分布がサイン波形になるように施されて
いる。ここで、A相ステータ5aならびにB相ステータ
5bを構成する外側ヨーク3の極歯3aのスキュー量
と、内側ヨーク4の極歯4aのスキュー量は、図2並び
に図3に示すように、ロータ1との磁気回路にてA相コ
イル2a並びにB相コイル2bに鎖交する磁束、即ち各
々の相に於ける誘導起電力波形に含まれる第3次高調波
の基本波に対する位相が、電気角で180°の違いにな
るように内側ヨーク4の極歯4aのスキュー量を多く設
定してある。
【0011】なお、この実施形態では外側ヨーク3に比
べ内側ヨーク4の極歯4aのスキュー量を多くしたが、
反対に内側ヨーク4に比べ外側ヨーク3の極歯3aのス
キュー量を多くしても同様な効果があるのは明らかであ
る。以上のように構成することにより、駆動回路よりモ
ータのA相コイル2aおよびB相コイル2bに電力を供
給し、ロータ1を回転させると(モータを運転する)、
1つのA相ステータ5a(またはB相ステータ5b)に
より、A相コイル2a(またはB相コイル2b)に誘導
される誘導起電力波形は、外側ヨーク3の極歯3aのス
キュー量にて発生する第3次高調波の位相と、内側ヨー
ク4の極歯4aのスキュー量にて発生する第3次高調波
の位相が、全く逆の電気角で略180°の位相差とな
り、且つ振幅が同じ量となっている為、合成すると相殺
されて第3次高調波成分は略ゼロとなる。
【0012】この結果を図6に示す。図6から明らかな
ように、従来品と比較し誘導起電力波形の全高調波歪み
率は、10%から1.6%に減少し、第3次高調波の含
有率が9%から0.9%に低減した。これらの効果とし
てモータの振動は、図7に示すように従来品の1/2と
することが出来た。また、スキュー量を多くしたことか
ら、図8に示すようにディテントトルクが従来品と比較
し、約60%も低減した。そのため、ディテントトルク
の影響が小さくなり、図9に示すように角度誤差が従来
品の±4%から±2%以下となり角度精度を向上させる
ことが出来た。更に、第3次高調波(全高調波)の有効
磁束に占める割合が非常に小さい為、基本波で発生する
動トルクに対してブレーキとなるトルクが微小となり、
なお且つ、隣接する極歯の間隙は従来品と同程度に確保
している為に、漏れ磁束に変化が出にくい為、モータの
動トルクは図10に示すように従来品と同じか、若干上
回ることになる。
【0013】なお、トルクが若干上回る理由としては、
ディテントトルクが小さく、ブレーキとなるトルクが少
ない上に、モータの動トルク発生能力は従来品と同じで
ある為に、結果として従来品以上の動トルクが得られる
ことになる。以上の如く本発明によれば。モータ振動の
主たる原因である第3次高調波に起因するロータ1の回
転ムラがなくなり、角度精度等を改善すると同時に、動
トルクを下げることなくモータの振動を低減できる。図
11は、スキュー量の違う極歯の構成(配列)方法の他
の実施形態を示し、図12は、スキュー量を非対称とし
た極歯形状の実施形態を示す。
【0014】以上、本発明をクローポール型ステッピン
グモータの実施形態で説明したが、本発明は、例えばD
Cサーボモータ、ブラシレスモータ等の回転電機の極歯
に適用できるほか、図13に示すように、リニア型ステ
ッピングモータに適用することもできる。
【0015】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
モータ構造において、1相を構成する1つの極歯とこれ
と対応する極歯との極歯の形状を、面積を異ならせたり
スキュー量を異ならせたりして異ならせ、これら極歯を
鎖交する磁束の変化により発生する第3次高調波を相殺
せしめているので、モータの動トルク特性を下げること
なく、従来問題点であった回転振動を小さく出来、しか
もロータの移動精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明をクローポール型2相ステッピングモー
タに適用した場合の一部破断斜視図である。
【図2】本発明のステータ極歯部を示す展開図である。
【図3】図2に示すステータ極歯部の部分拡大図であ
る。
【図4】クローポール型2相ステッピングモータの極歯
スキュー量と電機子コイルに発生する誘導起電力波形に
含まれる第3次高調波の位相関係を示す特性図である。
【図5】極歯のスキュー量の定義を説明する説明図であ
る。
【図6】本発明によるステッピングモータの全高調波歪
み率と第3次高調波成成分が抑圧されたデータを示す特
性図である。
【図7】本発明によるモータ回転振動の減少量を示す特
性図である。
【図8】従来品と本発明によるステッピングモータのデ
ィテントトルクの比較を説明する説明図である。
【図9】従来品と本発明によるステッピングモータの角
度誤差を比較する比較図である。
【図10】従来品と本発明によるステッピングモータの
プルイン及びプルアウトトルクを比較する比較図であ
る。
【図11】本発明によるスキュー量の異なる極歯の他の
実施形態を示す正面図である。
【図12】本発明による極歯のスキュー量を非対称とし
た場合の実施形態を示す正面図である。
【図13】本発明をリニアモータに適用した場合の展開
図である。
【記号の説明】
1・・・・・ロータ 2a・・・・A相コイル 2b・・・・B相コイル 3・・・・・外側ヨーク 3a・・・・極歯 4・・・・・内側ヨーク 4a・・・・極歯 5a・・・・A相ステータ 5b・・・・B相ステータ 6・・・・・フランジ(前) 7・・・・・軸受け 8・・・・・フランジ(後) 10・・・・ロータの永久磁石 11・・・・ロータの軸
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤谷 栄 静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−1 ミネベ ア株式会社開発技術センタ−内 (72)発明者 井上 尚美 静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−1 ミネベ ア株式会社開発技術センタ−内 (72)発明者 崎山 英樹 静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−1 ミネベ ア株式会社開発技術センタ−内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固定的に交互に配置されたN極とS極の磁
    極を持った第1の部分と、前記第1の部分の各磁極に対
    応して設けられ、これらと間隔を保持して配設された極
    歯の極性が切換自在な第2の部分とを有し、第2の極歯
    に発生する極歯の極性を変化させて第1と第2の部分を
    相対的に移動させるモータ構造において、 第2の部分の1の極歯に対しこれと対応する極歯の極歯
    形状を1の極歯の極歯形状と異にして、これら極歯を鎖
    交する磁束の変化により発生する第3次高調波を相殺せ
    しめることを特徴とするモータ構造。
  2. 【請求項2】前記モータ構造は回転電機であることを特
    徴とする請求項1に記載のモータ構造。
  3. 【請求項3】前記モータ構造はリニアモータであること
    を特徴とする請求項1に記載のモータ構造。
  4. 【請求項4】第2の部分の1の極歯に対しこれと対応す
    る極歯のスキュー量を1の極歯のスキュー量と異にし
    て、これら極歯を鎖交する磁束の変化により発生する第
    3次高調波を相殺せしめることを特徴とするモータ構
    造。
  5. 【請求項5】第2の1の極歯に対しこれと対応する極歯
    の面積を1の極歯の面積と異にして、これら極歯を鎖交
    する磁束の変化により発生する第3次高調波を相殺せし
    めることを特徴とするモータ構造。
  6. 【請求項6】前記モータ構造はポリウレタン銅線等を巻
    いたコイルと、軟磁性材よりなるステータヨークにて構
    成されたステータと、前記ステータの極歯と適切な間隙
    をもって対向する永久磁石からなるロータとで構成され
    るステッピングモータであって、1相を構成するステー
    タの極歯の大きさ(面積)を異ならしめ、その極歯の大
    きさの違いを、誘導起電力波形の第3次高調波の位相差
    が電気角で略180度異なるようにしたことを特徴とす
    る請求項1に記載のモータ構造。
  7. 【請求項7】前記モータ構造は、軟磁性材を折り曲げて
    極歯を形成したクローポール型ステッピングモータであ
    って、極歯側辺部の傾きに変化を持たせたステータヨー
    ク2個で、ポリウレタン銅線等を巻いたコイルを包み込
    んで、1相を構成したステータを2相以上組合せたクロ
    ーポール型ステッピングモータであることを特徴とする
    請求項1に記載のモータ構造。
  8. 【請求項8】1相を構成する2個のステータヨークの極
    歯側辺のスキュー量を変えることにより、誘導起電力波
    形の第3次高調波の位相差を電気角で略180度異なる
    ようにしたことを特徴とする請求項7に記載のモータ構
    造。
  9. 【請求項9】1相を構成する2個のステータヨークの極
    歯間の間隙が、極歯と対向する永久磁石からなるロータ
    マグネットとの間隙よりも広いことを特徴とする請求項
    7に記載のモータ構造。
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