JPH1080126A - 環状コイル式永久磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 加工精度が良く、よって高速回転を含めて効
率の良い特性が得られる環状コイル式永久磁石型回転電
機を提供する。 【解決手段】 インナロータ型回転電機の回転子４は円
筒状の外周側を、アウタロータ型回転電機の場合はこの
円筒状の内周側を、Ｎ極、Ｓ極交互に各Ｎｒ個円周方向
に磁化した永久磁石型回転子とし、この回転子表面との
間に所定間隙のエアギャップＧを保って、回転子４に形
成した磁極対数Ｎｒに略等しいピッチで磁歯を形成した
２個の磁性体（１）で、環状コイル２を、この２個の磁
性体（１）夫々の磁歯が回転方向にπ／Ｎｒラジアン偏
位するように挟持し、非回転子側は磁気的に結合した固
定子ユニットを、ｎ組、回転方向にπ／（ｎＮｒ）ラジ
アン偏位させて回転子４に対向させて軸方向にカスケー
ド状に配置した固定子を設けて構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複写機の光学系ス
ライダーのスキャナー駆動用等に最適な高速回転可能な
固定子コイルをボビンに巻回して形成した低価格なステ
ッピングモータ等の回転電機に適用した場合に有用な技
術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の環状コイル式回転電機の一例であ
る回転子の周囲に永久磁石をＮ極、Ｓ極交互に着磁した
インナロータ型クローポール式２相永久磁石型ステッピ
ングモータの構成を図５に示す。同図において、３０は
回転子で回転子軸３１と一体に構成され、表面に回転方
向に着磁した同一幅の磁極３２が表面Ｎ極（Ｎと記載）
と表面Ｓ極（Ｓと記載）を交互に所定数装着している。
また、３３は固定子の一部を切り取って展開して記した
ものである。固定子３３は第１、第２の２個の固定子ユ
ニット３３Ａ、３３Ｂによって構成されている。各固定
子ユニット３３Ａ、３３Ｂは同一構造であって、互いに
π／２（後述の磁歯３４ａのピッチの１／４）ずれて位
置し、夫々、両側を櫛歯状磁歯３４ａ、３４ｂに形成し
た磁性鉄板３４によって回転子３０の周囲を所定間隙を
設けて巻き回した巻線３５ａ、３５ｂを覆っている。

【０００３】上述の構造において、巻線３５ａ、３５ｂ
に所定方向に電流を流すと、この電流を流した固定子ユ
ニットの櫛歯状磁歯３４ａと３４ｂはその電流方向によ
ってＮ極又はＳ極に励磁されて磁極を形成する。従っ
て、第１の固定子ユニット３３Ａと第２の固定子ユニッ
ト３３Ｂ夫々の巻線３５ａ、３５ｂに所定のステップに
従ってパルス電流を供給することによって回転磁界が形
成され、この回転磁界に吸引されて回転子３０の磁極３
２が回転する。従って、このモータは回転し、又停止す
る。また、特開昭５８−２０７８５６号公報に示すよう
に、図示説明は省略するが、図５に示す回転子の外周側
にエアギャップを介して図５に示す１相分のクローポー
ル式固定子をインナロータ型に形成し、回転子の内周側
にエアギャップを介してもう１相分のクローポール式固
定子をアウタロータ型に形成したステッピングモータも
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のもの
は、その構成上、次のような問題点があった。 （１）固定子が鉄板を折り曲げたクローポール式固定子
のため、ポールの折り曲げ構造によるスプリングバック
等の影響で円形形状の加工精度が悪く、そのために、固
定子と回転子の間のエアギャップは０．３〜０．２ｍｍ
程度に大きくなる。従って、高トルクが出ず、ステップ
角度の精度も良くなかった。 （２）鉄板を折り曲げたクローポール式であって、珪素
鋼板を積層した固定子ではないため、高速回転時に鉄損
が大きかった。本発明は従来のものの上記課題（問題
点）を解決するようにした環状コイル式永久磁石型回転
電機を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の環状コイル式永
久磁石型回転電機は上記の課題（問題点）を解決するた
めに、円筒状に形成され、インナロータ型回転電機の場
合はこの円筒状の外周側を、アウタロータ型回転電機の
場合はこの円筒状の内周側を、Ｎ極、Ｓ極交互に各Ｎｒ
個円周方向に磁化した永久磁石型回転子と、この回転子
表面との間に所定間隙のエアギャップを保って、回転子
に形成した磁極対数に略等しいピッチで磁歯を形成した
２個の磁性体で、環状コイルを該２個の磁性体夫々の磁
歯が回転方向に機械角でπ／Ｎｒラジアン偏位するよう
に挟持し、非回転子側は磁気的に結合した固定子ユニッ
トを、ｎ組、回転方向に機械角でπ／（ｎＮｒ）ラジア
ン偏位させて回転子に対向させて軸方向にカスケード状
に配置した固定子を備えて構成した。この場合、上記の
回転子を構成する永久磁石の非エアギャップ側がバック
ヨークで磁気的に短絡されているのが望ましい。 但し、ｎは、ｎ≧２の整数である。

【０００６】また、円筒状に形成され、その外周側及び
内周側を円周方向に、Ｎ極、Ｓ極交互に各Ｎｒ個磁化し
た永久磁石型回転子の外周及び内周夫々に所定間隙のエ
アギャップを保って、回転子に形成した磁極対数に略等
しいピッチで磁歯を形成した２個の磁性体で、環状コイ
ルを該２個の磁性体夫々の磁歯が回転方向にπ／Ｎｒラ
ジアン偏位するように挟持し、非回転子側は磁気的に結
合した固定子ユニットを２組、前記回転子の外周及び内
周に形成した環状コイル式２相永久磁石型回転電機とす
ることができる。この場合、回転子の外周及び内周夫々
に形成させた永久磁石のＮ極とＳ極は夫々同一対向位置
にした場合は、回転子の外周及び内周に形成する２組の
固定子ユニットは、相互に機械角でπ／（２Ｎｒ）ラジ
アン回転偏移するように構成するのが望ましい。また、
回転子を構成する外周側永久磁石と内周側永久磁石の中
間にバックヨークを形成するのが望ましい。さらに、環
状コイル式２相永久磁石型回転電機は、１相と２相のコ
イル仕様を異ならせることや、回転子の外周に対向する
固定子との間のエアギャップと回転子の外周に対向する
固定子との間のエアギャップとを異ならせる構成とする
こともできる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至図４に示す第１乃
至第４の各実施の形態によって本発明を具体的に説明す
る。 第１の実施の形態：図１、図２は本発明の第１の実施の
形態であるインナロータ型２相式の場合を示し、図１は
縦断側面図、図２は図１のＸ−Ｘ′線における断面図
で、ケース、回転子軸の軸受等本発明の説明に直接関係
のない要素機能の図示は省略している。各図において、
１は夫々が珪素鋼板等の薄鉄板を複数枚積層した２個の
固定子鉄心であって、環状のボビン（図示せず）に巻回
した環状コイル２を挟持している。固定子鉄心１はその
内周側に等間隔で所定数の磁歯１ａを形成しており、各
相２個の固定子鉄心１に形成する磁歯１ａは回転方向
（円周方向）に相互に１／２の磁歯形成ピッチ、即ち、
πラジアン電気角、即ち、機械角でπ／Ｎｒラジアン回
転偏位させている。本回転電機の固定子は図に示すよう
に、上記のように構成した固定子ユニットを２組、回転
子軸６の方向にカスケードに、機械角でπ／（２Ｎｒ）
ラジアン回転偏位させて構成している。上記のＮｒは後
述するように、回転子に形成する磁極の対数であって、
回転電機がｎ相の場合は上記の偏位角度は機械角でπ／
（ｎＮｒ）ラジアン（電気角でπ／ｎラジアン）とな
る。各図に示す３は固定子の磁路を形成するバックヨー
クであり、図示しないケースに結合される。

【０００８】４は回転子で、円筒状の外周側をＮ極、Ｓ
極交互に形成した永久磁石４ａを各極Ｎｒ、即ち、Ｎｒ
対、磁化され又は配置されており、上述した固定子内面
とこの回転子外面との間に所定間隙のエアギャップＧを
形成させている。また、５は上記の永久磁石４ａのＮ極
とＳ極の内周側を磁気的に短絡する磁性体で形成したバ
ックヨークである。７は中子で、回転子軸６と、永久磁
石４ａ及びバックヨーク５の結合体である回転子４とを
結合する。なお、中子７とバックヨーク５は回転子軸６
の形状に対応させて一体に形成しても良い。

【０００９】上記の構造において、回転子４の永久磁石
４ａのＮ極からでる磁束φは図１に破線で示すように、
エアギャップＧを通って固定子鉄心１に形成した磁歯１
ａに入り、固定子のバックヨーク３から、磁束が入った
固定子鉄心１と共に環状コイル２を挟持する固定子鉄心
１に入り、さらに、この固定子鉄心１に形成した最初に
磁束が入った磁歯１ａと対をなす磁歯１ａから再びエア
ギャップＧを通って永久磁石４ａのＳ極に戻り、さら
に、回転子４のバックヨーク５を経由してＮ極に戻る。
上記の磁束は、図１から明らかなように環状コイル２の
形成するリング状の内径と鎖交している。従って、上記
の構造において、固定子の環状コイル２に、この回転電
機の設計仕様と所望特性に対応する所定値、所定周期の
交流又は所定特性のパルス電流を印加すると、回転子４
はコイル電流と永久磁石の磁束による相互作用によって
所定の回転速度で作動する。

【００１０】図１に示した２個の固定子鉄心１と１個の
コイルで１組にした固定子ユニットをｎ個、回転子軸方
向にカスケードに結合するとｎ相の回転電機を形成でき
る。即ち、図１によって説明した例は前述したように２
相回転電機であるが、ｎ＝３にすれば３相回転電機が得
られる。

【００１１】第２の実施の形態：第１の実施の形態はイ
ンナロータ型の場合について説明したが、アウタロータ
型の場合についても同様に形成することができる。即
ち、詳細な図示説明は省略するが、次に述べる第３の実
施の形態におけるアウタロータ型構造部に対応して第１
の実施の形態のインナロータ型の構造を構成すれば良
い。

【００１２】第３の実施の形態：次に、図３、図４によ
って、第３の実施の形態であるインナロータ型とアウタ
ロータ型を結合した２相式の場合を説明する。即ち、本
構造は１個の回転子の外周部と内周部夫々に永久磁石を
形成させ、永久磁石の外周側に所定のエアギャップを介
して１相分のアウタロータ用固定子を構成し、永久磁石
の内周側に所定のエアギャップを介してもう１相分とし
てインナロータ用固定子を構成したものである。本実施
の形態を説明する図３は図１に対応し、図４は、図２に
対応しており、図１、図２に示した要素機能と同等の要
素機能は同一の符号を使用しており、インナロータ型用
構造部の固定子ユニットの詳細説明は省略する。各図に
おいて、回転子軸６から中子７Ａを介して結合される円
筒状の回転子４Ａは外周側には永久磁石４ａをＮ極とＳ
極を夫々所定個数交互に形成してバックヨーク５Ａに密
着させ、バックヨーク５Ａの反対側、即ち、回転子４Ａ
の内周側には永久磁石４ｂをＮ極とＳ極を夫々外周側の
永久磁石の配置に対応させて同一ピッチで形成させてい
る。

【００１３】回転子４Ａの外周側には所定間隙のエアギ
ャップＧ₁を介して、１組、即ち、１相分の固定子ユニ
ットＡが磁性体で形成した固定子用バックヨーク３Ａに
固定され、回転子４Ａの内周側には所定間隙のエアギャ
ップＧ₂を介して、夫々が内周側に固定子ユニットＡに
形成した磁歯１ａと同一ピッチ角に磁歯８ａを形成した
２個の固定子鉄心８の相互の磁歯８ａを１／２歯ピッ
チ、即ち、電気角でπラジアン（機械角でπ／Ｎｒラジ
アン）回転方向に偏位させて環状のボビン（図示せず）
に巻回した環状コイル９を挟んで構成した固定子ユニッ
トＢをバックヨーク３Ａに固定させている。固定子ユニ
ットＡと固定子ユニットＢとは回転方向に機械角でπ／
（２Ｎｒ）ラジアン偏位させて固定している。上記の構
造において、環状コイル２と環状コイル９に、例えば、
π／２位相偏位した電流で駆動すると２相回転電機とし
て作動する。図３に示す鎖線φは図１と同様回転子の永
久磁石による磁束を示している。図３、図４に示す、各
永久磁石４ａと４ｂはプラスチックマグネットとしてバ
ックヨーク５Ａに一体成形で固着しても良い。

【００１４】上述したインナロータ型構造部のコイルと
アウタロータ型構造部のコイルとは、夫々回転中心に対
する径が異なるので、アウタロータ側とインナロータ側
夫々の出力トルクを等しくするために、寸法の違いに対
応してコイルの仕様を変えるのが適切であり、同様にエ
アギャップＧ₁とエアギャップＧ₂も出力特性をバランス
させために変化させるのが適切である。上記のコイル仕
様とエアギャップは、両方を異ならせても、一方のみを
変えて所望するトルク特性が得られるようにしても良
い。

【００１５】本発明は以上述べた各実施の形態に限定さ
れるものではなく、説明した技術思想を適用して各種構
造とｎ相の環状コイル式永久磁石型回転電機を構成させ
ることができる。

【００１６】

【発明の効果】本発明の環状コイル式永久磁石型回転電
機は、上記のように構成されるから、次のような優れた
効果を有する。 （１）固定子が薄鉄板をプレス抜きだけで成形でき、従
来のクローポール形状のように折り曲げないで磁歯を形
成するため、精度がハイブリッド型ステッピングモータ
の固定子と同等に向上し、エアギャップ精度が０．０５
ｍｍと従来の１／４以下になる。また、従来のクローポ
ール式は、図５に示すようにクローポールを交互に噛み
合わせるため漏洩磁束が多いが、本発明のものでは軸方
向でコイルの両側に固定子磁極が離れて位置するため
に、漏洩磁束は少くなる。 （２）コイルはボビン巻が可能になる。 （３）固定子鉄心は珪素鋼板のような薄鉄板の積層形式
を採用できるので、高速回転時の鉄損を減少させること
ができる。 （４）従って、ボビン巻コイルの低価格の高効率のモー
タが得られる。 （５）回転子軸方向に相を連結増加することで、高出力
多相機が自由に得られる。従って、インナロータ型又は
アウタロータ型に対して、２相式、３相式等の多相式が
出力特性に対応して作成可能である。 （６）バックヨークによって磁気抵抗を下げることがで
き、よって、高トルクとすることができる （７）回転子のバックヨークは回転子軸と回転子を結合
する中子を兼ねることができる。 （８）環状コイル式としたから、ボビン巻は簡単な構成
となり、従って低価格にできる。 （９）固定子鉄心が薄鉄板プレス抜き積層して形成する
ことができるので、前記のように加工精度が向上できて
回転子との間のエアギャップを狭くできるので高トルク
が得られる。 （１０）積層固定子の場合は鉄損が少なく高効率で高速
回転に適している。 （１１）回転子の内外に２つの相の固定子を形成した場
合は、小型高トルクの２相機を提供できる。 （１２）インナロータ型とアウタロータ型を合成した構
造の回転電機の場合は、夫々のコイル仕様を変え、及び
／又は夫々のギャップ間隙を異ならせると、インナロー
タ側とアウタロータ側の出力トルクのバランスをとるこ
とができ、安定な出力特性の回転電機が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく第１の実施の形態を説明する環
状コイル式ｎ相永久磁石型回転電機の縦断側面図であ
る。

【図２】図１に示す環状コイル式ｎ相永久磁石型回転電
機のＸ−Ｘ′線における断面図である。

【図３】本発明に基づく第３の実施の形態を説明する環
状コイル式２相永久磁石型回転電機の縦断側面図であ
る。

【図４】図３に示す環状コイル式２相永久磁石型回転電
機のＸ−Ｘ′線における断面図である。

【図５】従来の環状コイル式永久磁石型回転電機である
インナロータ型クローポール式２相永久磁石型ステッピ
ングモータの構成を一部展開して示した斜視図である。

【符号の説明】

１、８：固定子鉄心 １ａ、８ａ：固定子の磁歯 ２、９：環状コイル ３、３Ａ：固定子のバックヨーク ４、４Ａ：回転子、 ４ａ、４ｂ：永久磁石 ５、５Ａ：回転子のバックヨーク ６：回転子軸 ７、７Ａ：中子 Ａ、Ｂ：固定子ユニット Ｇ、Ｇ₁、Ｇ₂：エアギャップ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状に形成され、インナロータ型回転
   電機の場合は該円筒状の外周側を、アウタロータ型回転
   電機の場合は該円筒状の内周側を、Ｎ極、Ｓ極交互に各
   Ｎｒ個円周方向に磁化した永久磁石型回転子と、該回転
   子表面との間に所定間隙のエアギャップを保って、上記
   回転子に形成した磁極対数に略等しいピッチで磁歯を形
   成した２個の磁性体で環状コイルを該２個の磁性体夫々
   の磁歯が回転方向に機械角でπ／Ｎｒラジアン偏位する
   位置で挟持し、非回転子側は磁気的に結合した固定子ユ
   ニットをｎ組、夫々を順次機械角でπ／（ｎＮｒ）ラジ
   アン回転偏移するようにして前記回転子に対向させて軸
   方向にカスケード状に配置した固定子を備えたことを特
   徴とする環状コイル式ｎ相永久磁石型回転電機。 但し、ｎ≧２の整数
2. 【請求項２】 請求項１記載の回転子を構成する永久磁
   石の非エアギャップ側が、バックヨークで磁気的に短絡
   されている環状コイル式ｎ相永久磁石型回転電機。
3. 【請求項３】 円筒状に形成され、その外周側及び内周
   側を円周方向に、Ｎ極、Ｓ極交互に各Ｎｒ個磁化した永
   久磁石型回転子の外周及び内周夫々の表面との間に所定
   間隙のエアギャップを保って、上記回転子に形成した磁
   極対数に略等しいピッチで磁歯を形成した２個の磁性体
   で、環状コイルを該２個の磁性体夫々の磁歯が回転方向
   に機械角でπ／Ｎｒラジアン偏位する位置で挟持し、非
   回転子側は磁気的に結合した固定子ユニットを２組前記
   回転子の外周及び内周に形成したことを特徴とする環状
   コイル式２相永久磁石型回転電機。
4. 【請求項４】 請求項３記載の回転子の外周及び内周夫
   々に形成させた永久磁石のＮ極とＳ極は夫々同一対向位
   置であって、回転子の外周及び内周に形成する２組の固
   定子ユニットは、相互に機械角でπ／（２Ｎｒ）ラジア
   ン回転偏移するようにした環状コイル式２相永久磁石型
   回転電機。
5. 【請求項５】 請求項３又は４記載の回転子を構成する
   外周側永久磁石と内周側永久磁石の中間にバックヨーク
   を形成した環状コイル式２相永久磁石型回転電機。
6. 【請求項６】 請求項３乃至５のいずれかに記載の環状
   コイル式２相永久磁石型回転電機において、１相と２相
   のコイル仕様を異ならせるか、又は／及び回転子の内周
   側に対向する固定子との間のエアギャップと回転子の外
   周側に対向する固定子との間のエアギャップとを異なら
   せた環状コイル式２相永久磁石型回転電機。