JPS596579B2 - 多極ステップングモ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、エアギャップを規定するように対向する２組
の磁極片を有する固定磁気回路と、軸線のまわりにＮ極
とＳ極が交互に配列されたＮ対の磁極を有する、前記“
エアギャップ内に配置された回転子と、前記固定磁気回
路をパルスで付勢する駆動巻線とを有し、両磁極芹のう
ちの少なくとも一方はＮ個の歯を持っていて、前記回転
子のＮ極とＳ極の相互の配列された前記Ｎ対の磁極が前
記固定磁気回路の前記Ｎ個の歯と対応していて、前記Ｎ
個の歯がすべて同一極性となるように前記１駆動巻線と
前記固定磁気回路とが配置されている多極ステツピング
モータに関するものである。

先行技術の説明 この形式のモータにおいては、固定磁気回路の磁極片と
回転子の磁極との共働によって、回転子に作用するトル
クを生じ、このトルクは、電流による成分Ｃｉと、特に
回転子の安定平衡位置を決定する残留磁気トルクＣｏと
からなる。

この形式のモータにおける、回転子に作用するトルクに
ついて、より詳細に述べる。

第１Ａ図は、この形式のモータの動作原理を示すため、
固定磁気回路ＭＣの磁極片ＭＰ１，ＭＰ２と、回転子Ｒ
の磁極Ｐとを、部分的に抽出して、両者の位置関係を図
解的に示す。

回転子Ｒは、軸線（図示しない）のまわりにＮ極とＳ極
が交互に配列されたＮ対の磁極Ｐを有し、Ｎ対の磁極が
固定磁気回路ＭＣの磁極片ＭＰ １ ， ＭＰ ２０間
のエアギャップに沿って回転するように設げられる。

対向する磁極片ＭＰＩ，ＭＰ２のうち少なくとも一方は
Ｎ個の歯を有し、回転子Ｒの磁極Ｐの回転軌跡に沿って
配置される。

それによって、回転子ＲのＮ極とＳ極の交互に配列され
たＮ対の磁極が固定磁気回路ＭＣの磁極片ＭＰ１，ＭＰ
２のＮ個の歯と対応している。

固定磁気回路ＭＣには、それをパルスで付勢する駆動巻
線Ｗが設けられる。

駆動巻線Ｗと固定磁気回路ＭＣとは回転子Ｒの磁極面に
対する固定磁気回路ＭＣのＮ個の歯がすべて同一極性と
なるように配置される。

第１Ａ図を参照して、１駆動巻線Ｗには何ら電流が与え
られず、また回転子Ｒは矢印方向に回転していると仮定
する。

その状態では、回転子Ｒの磁極Ｐと固定磁気回路ＭＣの
磁極片ＭＰＩ，ＭＰ２との相互作用で、残留静磁気トル
クＣｏが生じる。

残留静磁気トルクＣｏの変化は第１Ｂ図に示す。

第１Ｂ図で、横軸は時間を示し、縦軸はトルクを示す。

残留静磁気トルクＣｏぱ理想的な場合時間に対してほぼ
正弦波状の変化を示す。

トルクＣｏのゼロとなる点が回転子Ｒの安定平衡点であ
る。

次に、回転子Ｒが矢印方向に回転している状態で駆動巻
線Ｗに直流，駆動電流を与えると、電流の印加によって
電流トルク成分Ｃｉが生に、モータの回転子Ｒに作用す
るトルクは残留静磁気トルク成分Ｃｏと電流トルク成分
Ｃｉの和となる。

トルクＣｉもまた時間に対してほぼ正弦波状の変化を示
す。

トルクＣｉとトルクＣｏとの位相関係はほぼ逆位相で、
かつトルクＣｉはトルクＣｏより大きい。

この形式のモータを実際に駆動して回転を生じるために
は、電流トルクＣｉが正方向である期間、ハルス状の直
流電流を，駆動巻線Ｗに与える。

それによって、回転子Ｒぱ矢印方向に駆動される。

したがって、好ましくはトルクＣｏの安定平衡点が電流
トルクＣｉの正方向比較的大きい値の点になることが望
ましい。

なぜならば、トルクＣｏの安定平衡点で駆動電流が駆動
巻線に与えられれば回転子は大きい始動トルクを与えら
れるからである。

ところで、静電気トルクＣｏは実際には正確な正弦波状
とならず、かなりの歪みを含み、基本周波数波形に対す
る高調波を含む。

そのような歪みぱ極部分の通常の形状寸法、回転子の磁
化領域の形状寸法、これら形状寸法の不規則性、ならび
に固定磁気回路に対する回転子の偏心、回転子の不平坦
などに起因する。

上に述べた理由で、一般に静磁気トルクＣｏｏ中に、電
流によるトルクの周波数の２倍の周波数の高調波Ｃ。

２、電流によるトルクの周波数の４倍の周波数の高調波
Ｃ。

４のような偶数高調波が現われ、２倍高調波が最も大き
い不所望の影響を与え、次いで４倍高調波が不所望の影
響を与える。

すなわち、２倍高調波はトルクＣｏの安定平衡点を電流
トルクＣｉに対して不所望に変位させ、モータ駆動の効
率を低下させる。

これに対して奇数高調波は一般に無視され得る程度であ
る。

残留静電気トルクの２次高調波の影響を減少させまたは
制御するための種々の方法が公知である。

たとえば、典型的には、２次高調波Ｃ。

２の減少のために磁極片ＭＰＩ，ＭＰ２の歯の形状を適
当に選ぶことが行なわれている。

この結果、２次高調波Ｃ。２は満足し得る程度に減じる
ことができる。

ところ力瓢静磁気トルクの中のこの２次高調波を減少さ
せるに従って、４次高調波の影響が明白となり、モータ
の機能を阻害することとなる。

事実、後で述べるように、基本周波数に対する４次高調
波のパーセントが高いときは、特に回転子の安定平衡位
置を、電流によるトルクＣｉがゼロとなる点に近接させ
る効果をもっている。

その結果休止位置ニオいて与えられる電流によるトルク
が減少し、それに従ってモータの有効トルクの対応の減
少を生じる。

発明の目的と概要 本発明の目的は、先に述べた形式のステツピングモータ
において、電流によるトルクの周波数の４倍の周波数の
残留静磁気トルクが大幅に低減されるようにしたステツ
ピングモータを提供することである。

この目的を達成するために本発明は、磁極片の歯と回転
子磁極とのうちの一方が２グループの歯または磁極を有
し、各グループはこれらの歯または磁極が各グループの
中では同一数で連続して並び相互に３６００／Ｎの角度
間隔をもち、前記２グループは相互に４５°／Ｎの角度
のずれをもって配置される。

磁極片の歯と回転子の磁極とのうちの前記一方に対する
他方は規則的な角度間隔をもっているようにしたもので
ある。

このような構造は、磁性片の一方が回転子の軸線を中心
として配分されたＮ個の歯を有し、他方の磁極片は平滑
面を有するようにしたモータ、または２個の磁極片がそ
れぞれ回転子の軸線を中心として配分された歯を有する
モータに適用される。

後者の場合、一方の磁極片の歯が前記の相互にずれた２
グループを形成してもよく、または各磁極片が前記の相
互に角度的にずれた２グループを含んでもよい。

回転子が軸方向に磁化される円板であって、駆動コイル
が細長い円筒形巻線であシ、少なくとも近似的に回転子
の面に配置された鉄心を有し、またこの鉄心の両端が固
定子電磁回路の磁極片に接続されているとき、特に望ま
しい構造は、両磁極片がコイル軸線に直角の回転子円板
の直径に対して対称的となるようにすることである。

実施例の説明 以下、本発明を図面に示す実施例によって詳細に説明す
る。

第１図において縦断面で示すモータは全体として円筒形
のケースを有し、このケース１の底面ば、放射方向に絞
られた歯からなる歯面１ａを備えている。

このケース１０反対側は、環状部材２によって閉鎖され
、この環状部材は中空鉄心３の下部を包囲している。

この鉄心３の上部は、環状部材２に対して平行に配置さ
れた他の円板状環状部材５によって包囲されている。

部材１，２，３と５は全部、磁性材料からなり、モータ
の固定磁気回路をなしている。

また鉄心３の周囲に、環状部材２と５の中間に、同軸円
筒形巻線６が配置されている。

この巻線は、これに加えられる単極性の電気パルスによ
ってモータの駆動を可能にする。

固定磁気回路の部分１ａと５は、相互間に高さが変化す
るエアギャップをなす磁極部分がある。

説明を簡単にするため、磁極部分５は平滑面を示すもの
とするが、他の実施態様においては、部分５の中に切出
された放射方向歯５ａを備えてもよい。

第１図のモータの回転子は軸８によって支承された薄い
円板７からなる。

軸８は鉄心３の中心中空部を貫通し、モータケースの軸
方向両端に載置された軸受５と１０の中に配置されてい
る。

この円板γは、その両面に交互に正と負のＮ対の磁極を
生ずるように軸方向に磁化される。

これらの磁極は、回転子の軸線を中心として一定角度間
隔で配分される。

第２図は、第１図のモータのケース１を空にして、すな
わち単独に取出して、下から見た底面の歯面１ａを示す
。

放射方向に絞られたＮ＝８個の歯は変化した角度間隔を
なしている。

さらに詳しく述べればこの磁極部分の８個の歯は、それ
ぞれ４個の連続して並ぶ歯からなる２グループに分割さ
れ、各グループの中において、各連続して並ぶ歯の間に
α＝３６０°／Ｎの角度間隔がある。

この際、αぱ４５°に等しい。

しかし、これらの２グループの相互間は相互にずらして
配置されている。

したがって、各グループの末端の歯は、一方では角度ｄ
より小さいαをなし、他方では角度αより大きいαをな
している。

この角度ずれは、αとα′の差とαとαの差がα／８に
等しくなるように選ばれる。

この場合、α′−３９°２８′、ｃｆ ＝ ５ （ｆ
３ ７’である。

第３図は前述の型の静磁気トルクＣｏの２次高調波が実
質的に減じられたモータにおいて、静磁気トルクＣｏの
４次高調波を減少させるときの２つの場合について、回
転角度の関数として電流によるトルクＣｉと静磁気トル
クＣｏの変動を示す。

第１の場合、モータは静磁気トルクＣ’ｏを示し、この
１・ルクＣ’ｏはゼロを通過する際に、原点に相当に近
い回転子安定平衡位置ａ′を決定する。

このモータは、４次高調波の比較的高いパーセントを有
し、また安定平衡点における電流によるトルクＣｉＯ値
、Ｃ’ｉ、は小さい。

第２の場合、モークは前記より低い４次高調波のパーセ
ントを有し、静磁気トルクぱσ０の形をとる。

この静磁気トルクは安定平衡点ａを決疋し、この位置に
おける電流によるトルクＣ！ｉぱはるかに犬であること
がわかる。

このように、前述の形式のモータにおいて、静磁気トル
クＣｏの４次高調波が相対的に多い場合と相対的に少な
い場合におげろ安定平衡点の電流によるトルクＣｉＯ値
を実験により確認して数学的に分析すれば、静磁気トル
クＣｏの４次高調波が少ない方が、安定平衡点における
電流による始動トルクがはるかに大きくモータの有効な
動作が達成されることがわかった。

したがって、本発明はこの静磁気１・ルクＣｏの４次高
調波を減少することを意図している。

第４図は、第２図による歯の位置がこのモータにおける
４次高調波の出現に及ぼす影響を示している。

それぞれ内部相互間隔の等しい４枚の歯からなる２グル
ープの一方によって作られた電流によるトルク成分Ｃｉ
（１）と、他の歯のグループによって作られた電流によ
るトルク成分Ｃｉ（２）とを別個に考慮する。

これらの歯の２グループは電流トルクの正弦波状変化の
位相について言えば１／８周期ずれており、これは実線
曲線と点線曲線によって明示されている。

その結果、静磁気トルクの対応の４倍周波数成分Ｃ。

４（１）とＣ。４（２）は、相互に逆相となり、相殺し
合う。

成分Ｃｉ（１）とＣｉ（２）のベクトル合成は、従来の
純粋に対称的な通常の配置に比し、配置が少し非対称的
な場合には、電流による総トルクが従来とほぼ同一の絶
対値を保持することを示している。

第５図と第６図は、，駆動巻線５６が回転子に対して側
面に配置されたステツピングモータの他の実施態様を示
す。

この回転子は、相互に対向する２磁％片５ １ ａと５
５ａによって構成されたエアギャップの中に回転自在に
配置された偏平円板５７からなる。

各磁極片は、それぞれ環状部５１ａ′と５５ａ′とを有
し、これらの環状部は回転子５７と同軸であって、また
それぞれ放射方向に切出された歯５１，？と５５，？と
を有し、これらの歯が回転子５７の磁化部分と共働して
電流によるトルクを発生することができ・る。

この回転子は、少なくとも固定子の切出された歯に対向
する環状部においては、第１の回転子と同様に磁化され
、図示の場合、磁極対の数Ｎ＝６である。

磁極片５１ａと５５ａはそれぞれ１本のアーム５１ａ″
′と５５ａ″′とを有し、このアームから２本の歯が延
長されて、巻線５６０鉄心５４の両端との接続をそれぞ
れなしている。

このため、アーム５１ａ″′と５５ａ″′は、その末端
において、モータのエアギャップをなすため、相互に適
当な距離で対応の歯面を支承するように、湾曲させられ
ている。

固定磁気回路５１ａ，５４，５５ａは固定され、また非
磁性物質からなるフレーム５２の上に組立てられ、また
このフレームは回転子の回転軸の１個または複数個の軸
受（図示されていない）を備えている。

各磁極片５１ａと５５ａの歯は、それぞれ切出された３
本の歯からなる２グループに分割され、これらの２グル
ープは、ピツチβ−３６０°／６一６００の１／８だげ
相互にずらされている。

その結果、２グループの対応の末端歯の間に作られる角
度の一方Ｉぱ５２°３０′となる。

各磁極片の歯グループの間のこのような角度ずれの効果
は、第１図のモータについて第４図に関連して述べた効
果と同一である。

第５図による装置は、アーム５１ａ″′を含めて磁極片
５１ａ全部を、磁極片５５ａの組立体と全く同一形状の
一部品として組立てることができ、磁極片５５ａの組立
体は、回転子直径を対称軸Ｘとする対称面の中に、磁極
片５１ａの歯面を１８０回転させたものにすき゛ない。

このことは、モータの製造面から、非常に大きな利点を
なす。

１つの磁極片の内部における歯の２グループの角度ずれ
のほか、対向する２個の固定子歯面を有するモータの中
において、これらの相互に対向する２歯面をそれぞれ全
体として１／８ピツチだけ、ずらして、残留静磁気トル
クの４次高調波の２グループの逆位相という効果を得る
こともできる。

しかし、このような配置を得るためには、２つの歯クル
ープ、すなわち２個の固定子のいずれか一方の影響を強
調しないために、回転子の磁極に対する２つの磁極片の
非常に良い対称性が必要とされる。

各歯面内部の角度すれと、各歯面間の角度ずれとを結合
することができる。

他の実施態様は、固定子の歯面を規則的間隔とし、回転
子における２グループの磁極対を、たとえば第１図の歯
１ａについて記述したと同様にずらすことにある。

たとえば西ドイツ特許出願公開第２４５２１３１号公報
に記述されているように静止時の磁気的拘束トルクを生
ずるため、第５図のモータの磁極片の中心部に歯形を備
え、第２中心歯列をなすことができる。

発明の効果 上述のように、本発明では、前述の形式のステツピング
モータにおいて、磁極片の歯と回転子磁極とのうちの一
方が２グループの歯または磁極を有し、各グループはこ
れらの歯または磁極が各グループの中では同一数で連続
して並び相互に３６０°／Ｎの角度間隔をもち、前記２
グループは相互に４５／Ｎの角度のずれをもって配置さ
れ、磁極片の歯と回転子磁極とのうちの前記一方に対す
る他方は規則的な角度関係をもつようにしだので、これ
ら２グループにより生じる電流トルク成分ぱ１／８周期
ずれており、そのためそれらの静磁気トルクの対応の４
倍高調波成分が相互に逆相となり、打ち消され、総電流
トルクはほぼ同一の値である。

実験結果で示されるように、静磁気トルクの４倍高調波
成分が減じられることから、安定平衡点における電流ト
ルクが大きくなり、モータの有効な動作が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の背景となる形式のモータの動作原理
を示すため、固定磁気回路の磁極片と、回転子の磁極と
を、部分的に抽出して両者の位置関係を図解的に示す。 第１Ｂ図は第１Ａ図のモータの残留静磁気トルクと電流
トルクを示す図である。 第１図は本発明によるステツピングモータの一実施態様
の縦断面図である。 第２図は第１図のモータの空のケースを下から見た図で
ある。 第３図は前記の形式のモータの中に現われるトルクのダ
イヤグラムである。 第４図は静電気トルクの４次高調波に対する本発明によ
る構成の効果を示すダイヤグラムである。 第５図は偏心コイルを備えたステツピングモータの第２
実施態様の平面図である。 また第６図は第５図の鎖線Ａ−＆に沿ってとられた断面
図である。 図において１はケース、１ａは断面、２は環状部材、３
は鉄心、６は巻線、７は回転子、８は軸、９，１０ぱ軸
受、５１ａ，５５ａは磁極片、５１ａ，５５ａは歯、５
１ａ″′，５５ａ″′はアーム、５２はフレーム、５４
は鉄心、５６は巻線、５７け回転子である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エアギャップを規定するように対向する２組の磁極
   片を有する固定磁気回路と、軸線のまわりにＮ極とＳ極
   が交互に配列されたＮ対の磁極を有する前記エアギャッ
   プ内に配置された回転子と、前記固定磁気回路をパルス
   で付勢する駆動巻線とを有し、両磁極片のうちの少なく
   とも一方はＮ個の歯を持っていて、前記回転子のＮ極と
   Ｓ極の交互に配列された前記Ｎ対の磁極が前記固定磁気
   回路の前記Ｎ個の歯と対応していて、前記回転子の磁極
   面に対する前記固定磁気回路の前記Ｎ個の歯がすべて同
   一極性となるように前記駆動巻線と前記固定磁気回路と
   が配置されている多極ステツピングモータにおいて、前
   記回転子の磁極面に対する前記磁極片の前記Ｎ個の歯と
   前記回転子の前記Ｎ対の磁極とのうちの一方は２グルー
   プの歯または磁極の対を有し、各グループはこれらの歯
   または磁極の対が各グループの中ではＮ／２個で連続し
   て並び相互に３６０°／Ｎの角度間隔をもち、前記２グ
   ループは相互に４Ｉ／Ｎの角度のずれをもって配置され
   、前記磁極片の歯と前記回転子磁極とのうちの前記一方
   に対する他方は規則的な角度間隔をもっていることを特
   徴とする多極ステツピングモータ。 ２ 前記両磁極片の一方は回転子の軸線のまわりに配分
   された複数個の歯を有し、他方の磁極片は平滑面を有す
   る・ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の多
   極ステツピングモータ。 ３ 前記両磁極片はそ・れぞれ回転子の軸線のまわりに
   配分された複数個９歯を有し、一方の磁極片の歯は前記
   相互にずれた２グループを形成していることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の多極ステツピングモー
   タ。 ４ 前記両磁極片はそれぞれ回転子の軸線のまわりに配
   分された複数個の歯を有し、各磁極片は前記相互にずれ
   た２グループを持っていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の多極ステツピングモータ。 ５ 前記回転子は軸方向に磁化された円板からなり、前
   記両磁極片は回転子円板の直径に対して対称に配置され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   多極ステツピングモータ。 ６ 前記駆動巻線はその軸線が回転子円板の平面に平行
   な細長い円筒形巻線であり、この巻線は両端が前記固定
   磁気回路の磁極片に対して磁気的に結合された鉄心を有
   し、前記両磁極片の対称軸が巻線の軸面に対して直角を
   なしていることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記
   載の多極ステツピングモータ。 ７ 各磁極片は、前記回転子円板に対して平行に配置さ
   れたＮ個の歯を持っており、これらＮ個の歯全体がアー
   ムによって前記鉄心の末端に接続されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第６項に記載の多極ステツピング
   モータ。 ８ 前記アームは少なくとも１個の歯の外周側に延長し
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の
   多極ステツピングモータ。 ９ 前記歯は中心部分によって相互に連結されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の多極ステ
   ツピングモータ。 １０＃Ｉ記回転子円板は、相互にＮ極とＳ極を形成する
   ように軸方向に磁化された中心環状区域を有し、前記各
   磁極片の中心部分は、回転子の軸線のまわりに規則的に
   配置された歯の内側に、半円を形成していることを特徴
   とする特許請求の範囲第９項に記載の多極ステツピング
   モータ。 １１ エアギャップを規定するように対向する２組の
   磁極片を有する固定磁気回路と、軸線のまわりにＮ極と
   Ｓ極が交互に配列されたＮ対の磁極を有する前記エアギ
   ャップ内に配置された回転子と、前記固定磁気回路をパ
   ルスで付勢する駆動巻線とを有し、両磁極片の各々はＮ
   個の歯を持っていて、前記回転子のＮ極とＳ極の交互に
   配列された前記Ｎ対の磁極が前記固定磁気回路の前記Ｎ
   個の歯と対応していて、前記回転子の磁極面に対する前
   記固定磁気回路の前記Ｎ個の歯がすべて同一極性となる
   ように前記駆動巻線と前記固定磁気回路とが配置されて
   いる多極ステツピングモータにおいて、両磁極片の各々
   はその中で前記Ｎ個の歯が相互に３ ６ ０ ／Ｎの規
   則的な角度間隔をもち、前記両磁極片は相互に４５／Ｎ
   の角度のずれをもって配置され、前記回転子磁極もまた
   相互に３６０／Ｈの規則的な角度間隔をもっていること
   を特徴とする多極ステツピングモータ。 １２＠記回転子は軸方向に磁化された円板からなり、前
   記両磁極片は回転子円板の直径に対して対称に配置され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１１項に記載
   の多極ステツピングモータ。 １３前記駆動巻線はその軸線が回転子円板の平面に平行
   な細長い円筒形巻線であり、この巻線は両端が前記固定
   磁気回路の磁極片に対して磁気的に結合された鉄心を有
   し、前記両磁極片の対称軸が巻線の軸面に対して直角を
   なしていることを特徴とする特許請求の範囲第１２項に
   記載の多極ステツピングモータ。 １４各磁極片は、前記回転子円板に対して平行に配置さ
   れたＮ個の歯を持っており、これらＮ個の歯全体がアー
   ムによって前記鉄心の末端に接続されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１３項に記載の多極ステツピン
   グモータ。 １５前記アームは少なくとも１個の歯の外周側に延長し
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１３項に記載
   の多極ステツピングモータ。 １６前記歯は中心部分によって相互に連結されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１４項に記載の多極ス
   テツピングモータ。 １７＠記回転子円板は、相互にＮ極とＳ極を形成するよ
   うに軸方向に磁什された中心環状区域を有し、前記各磁
   極片の中心部分は、回転子の軸線のまわりに規則的に配
   置された歯の内側に、半円を形成していることを特徴と
   する特許請求の範囲第１６項に記載の多極ステツピング
   モータ。