JP3594892B2

JP3594892B2 - ステッピングモータ

Info

Publication number: JP3594892B2
Application number: JP2000285504A
Authority: JP
Inventors: 正文坂本
Original assignee: 日本サーボ株式会社
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2017-04-07
Also published as: JP2001128435A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータに関するもので、特に固定子巻線の相数が２相に適用可能なステッピングモータの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のハイブリッド形ステッピングモータ及び永久磁石形ステッピングモータは２相形のものが主流を占めており、その構造は、例えばハイブリッド形ステッピングモータで示すと、特開平２−１６４２号公報に記載するように構成されているが、これを図４又は図５に示す。
【０００３】
図４は上記従来のハイブリッド形ステッピングモータ１０の構成を示す縦断側面図で、図５は図４のＡ−Ａ′断面図である。
図４、５において、１は固定子ハウジング、２は固定子鉄心、３−１〜３−８は固定子巻線、４、４′は前後夫々のブラケットであり、固定子鉄心２は、主極２−１〜２−８を構成して、２−１０は各主極２−１〜２−８の内周に形成された極歯である。
前記各主極２−１〜２−８に固定子巻線３−１〜３−８が巻装されている。これら固定子ハウジング１、固定子鉄心２及び固定子巻線３−１〜３−８により固定子Ｓが構成される。
【０００４】
更に、図４において、５及び５′は軸受、６は回転子軸、７及び８は回転子磁極、図５の７−１０及び８−１０は上記回転子磁極７、８の外周に形成された極歯であって、極歯７−１０及び極歯８−１０は互いに夫々の極歯ピッチの１／２ピッチずれて配置されている。また、２つの回転子磁極７、８の間に挟持されている９は永久磁石であり、これら回転子軸６、回転子磁極７、８、永久磁石９により回転子Ｒが構成される。
このように、極歯７−１０、８−１０の配列が１／２ピッチずれた２個の回転子磁極７、８で永久磁石９を挟んだ構成の回転子Ｒはハイブリッド形回転子と呼ばれ、上記した固定子Ｓと回転子Ｒとにより、従来の２相のハイブリッド形ステッピングモータ１０が構成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ステッピングモータの性能を示す指数の中で重要なものとしてステップ角θｓがある。通常ステップ角θｓ（単位は度。以下省略）は、固定子巻線の相数あるいは回転子磁極の相数Ｐと回転子磁極の１個の磁極に設けた極歯数Ｚｔにより決定され、
θｓ＝１８０／（Ｐ・Ｚｔ）・・・・・・・・・・（１）
と表される。
【０００６】
（１）式で示されたステップ角θｓは、１相の巻線を順次通電した場合の１相励磁の場合に得られる角度で、そのステッピングモータ固有のものである。そして（１）式は分母の回転子磁極の相数Ｐ及び極歯数Ｚｔを大きくするとθｓが小さくなることを示している。
【０００７】
従来の回転子磁極の相数が２相で、極歯数がＺｔである場合の永久磁石形ステッピングモータのステップ角は、（１）式により、θｓ＝１８０／（２・Ｚｔ）となり、当該ステップ角を微少角とするには極歯数Ｚｔを大きく、即ちロータ歯幅を小さくしなければならないが、これには工作技術上の制約があった。
【０００８】
また、２相ハイブリッド形ステッピングモータは振動・騒音が大きく、固定子主極数を増やして磁気的バランスを向上させることでこれらを低減することは可能であるが、２相ステッピングモータでは従来は主極数が８もしくはその倍数のものしかなかった。
【０００９】
例えば、図４、図５に示すハイブリッド形回転子を有する従来の構成のものでは、固定子主極数が６の場合、回転子の歯数が６ｎ＋５又は６ｎ＋１（ｎは１以上の整数）であるから歯数は奇数となる。従って、１相励磁すると１相分が１８０゜離れた２つの主極で構成されるため、例えばハイブリッド形回転子の永久磁石を挟持する２つの回転子磁極は互いに異極に磁化され、一方の回転子磁極は上に吸引されると共に他方の回転子磁極は下に吸引されるため、１相励磁での駆動では回転子軸が軸方向の偶力を受けつつ回転することになり、振動・騒音の要因となっていた。
【００１０】
更に、従来の永久磁石形ステッピングモータは、特開平６−１４５１４号公報に示すように、１相分の主極の極性が同極性となるように巻線が巻装されており、１相分が同極性に励磁される場合には、１相励磁駆動では１相内に異極が存在しないので、磁路が充分に形成されず、次の２相分を逆極性に励磁して異極性を形成して２つの相間で磁路を形成することが必要で、２相励磁もしくはそれ以上の多相励磁しか実用にならないという欠点があった。
【００１１】
一方、４相、５相というように固定子巻線の相数Ｐを増加させることも考えられるが、この場合には駆動回路のスイッチ数が増加し、回路が複雑且つ高価になるという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来のこの種ステッピングモータ（永久磁石形及びハイブリッド形のステッピングモータ）の課題（問題点）を解決するため、固定子主極を１２個で構成する２相機として低振動・低騒音を実現する２相のハイブリッド形のステッピングモータを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のステッピングモータは、上記従来のステッピングモータの課題を解決するため、次の構成とする。
２相のハイブリッド形ステッピングモータとしては、次の特徴を有する固定子と回転子を備えた構成とする。
（１）固定子巻線の相数は２相であって、固定子主極数は１２個であり、その内の１相分は１つおきに６個で構成され、１相分を直流励磁するとＮ極が３個、Ｓ極が３個となるように巻線されている固定子。
（２）複数のＺｔ個の極歯数の歯車状突極を有する２個の磁性体より成る回転子磁極と、該２個の回転子磁極に挟持され回転軸と同方向に磁化された永久磁石とを有するハイブリッド形である回転子。
この場合、上記極歯数Ｚｔは、Ｚｔ＝１２ｎ±３に設定するのが望ましい。
但し、ｎは１以上の整数とし、ｎが２以上の場合には上記各１２個の各固定子主極は複数の極歯を有するものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のハイブリッド形ステッピングモータの一実施の形態を説明するために、その説明の便を図るために、同様の固定子を有する永久磁石形ステッピングモータを用いて第１、第２の予備的な説明を行う。
第１の予備的な実施の形態
先ず、第１の予備的な実施の形態として、６極の３相の永久磁石形ステッピングモータ２０の構成を図１を用いて説明する。
図１は、上記第１の予備的な実施の形態を示すが、回転子磁極の相数が３相で、固定子主極が主極数６ｍ、回転子極数Ｚ＝ｍ・（１２ｎ±２）で表されるが、同図はこの場合においてｍ＝１とし、主極数を６個、ｎ＝４とし、Ｚ＝５０とした場合の簡略化して示した具体例を示す。
【００１５】
本形態の永久磁石形ステッピングモータ２０の回転子Ｒ２は、図４に示す従来例の２相のステッピングモータ１０の回転子Ｒと異なり、図１に示すように円筒状永久磁石２３を備え、またバックヨーク２４を有することが望ましく、回転子軸２６を中心に回転自在に軸支されている。円筒状永久磁石２３の外周面には極歯２７−１０、２８−１０が回転方向にＮ極とＳ極が交互となるように合計５０個形成されるように磁化されている。
【００１６】
この円筒状永久磁石２３の外側には小空隙を介して６個の固定子主極２２−１〜２２−６の内周面が対向し、当該固定子主極２２−１〜２２−６先端内周面には夫々の主極に３個の極歯２２−１０が形成されている。そして６個の固定子主極２２−１〜２２−６は、互いに６０゜の等ピッチに配置されて、夫々に固定子巻線２１−１〜２１−６が巻装されている。上述巻線は３相巻線であり、固定子巻線２１−１と２１−４が１相分を形成し、この１相分を直流励磁した場合固定子主極２２−１と２２−４とは互いに異極性となるように巻装されている。
【００１７】
図４、図５に示す従来のハイブリッド形ステッピングモータ１０では、１相励磁駆動ができなかったが、本形態の永久磁石形ステッピングモータ２０では、１相内に同数の異極が常に存在するので、１相励磁駆動が可能となる。
即ち、図１において、円筒状永久磁石２３のＮ極から出た磁束は異極性の主極２２−１に入り、巻線２１−１と鎖交し、固定子Ｓ２の環状ヨーク部２５を通って主極２２−４に入って巻線２１−４と鎖交し、該主極２２−４の極歯に対向する円筒状永久磁石２３のＳ極に入り、バックヨーク２４を通って元のＮ極に戻り磁路を閉じる。このようにして１相励磁駆動が可能となる。
【００１８】
次に、固定子巻線２１−１と２１−４の電流を遮断すると同時に、２相分の巻線２１−２及び２１−５に通電すると、回転子永久磁石の磁極が２相分の主極２２−２及び２２−５の極歯２２−１０に対し所定の角度でずれるように構成されているので、このずれの分だけ回転子Ｒ２は転回移動する。このずれ角がステップ角θｓである。
【００１９】
同様に、３相分の主極２２−３、２２−６に巻装された巻線２１−３及び２１−６を励磁すると、上述と同様に１ステップ角θｓだけ転回移動し、このようにして最も簡単な１相励磁での駆動が可能となる。
【００２０】
また、上述の第１の予備的な実施の形態の前記の長所とは別の優れた点は、図４、図５の従来例のものと対比すると明白である。即ち、図１の固定子主極２２−１及び２２−４が励磁されている状態において、一方の主極２２−１の極歯２２−１０が回転子Ｒ２を構成する円筒状永久磁石２３を吸引する径方向の力と、他方の主極２２−４の極歯２２−１０が同じ円筒状永久磁石２３を吸引する径方向の力とは向きが逆で夫々の大きさが等しいため互いに相殺され、常に回転子軸２６を軸支する軸受部材には径方向の力は作用せず、従って回転時の振動・騒音が少なくなる。
【００２１】
このように、６極構造においても本形態では従来のハイブリッド形ステッピングモータでは得られなかった低振動・低騒音での駆動が可能となる。
【００２２】
次に、第１の予備的な実施の形態の永久磁石形ステッピングモータにおける回転子極数ＺのＺ＝ｍ・（１２ｎ±２）の誘導について説明する。
ステッピングモータのステップ角θｓは上記（１）式で与えられるが、本形態のステッピングモータでは固定子巻線の相数が３相であるので、（１）式でＰ＝３とすると、本形態のステッピングモータ２０ではＮ極Ｓ極を交互に配置したリングマグネット形回転子の場合、Ｚｔ＝Ｚ／２であるから、ステップ角θｓは、
θｓ＝１８０／｛３・Ｚ・（１／２）｝＝１２０／Ｚ・・・（２）
となる。
【００２３】
一方、固定子主極は３６０／６ｍ等分され、その固定子主極の極歯に最も近い回転子磁極は｛３６０／（Ｚ／２）｝・ｎ等分されているから、その差がステップ角θｓで、これは、
θｓ＝±［３６０／６ｍ−３６０ｎ／｛Ｚ・（１／２）｝］・・（３）
で表される。
【００２４】
（２）式と（３）式とを解くことにより、Ｚ＝ｍ・（１２ｎ±２）が得られる。このとき、ｎが２以上の場合は、各６ｍ個の主極の先端に複数の極歯を設けた方がステッピングモータのトルクを大きくできる。
更に、固定子巻線の相数が３相の場合は２相に対し、（１）式に示されるように回転子磁極に設けた極歯数Ｚｔが同じでもステップ角θｓを小さくでき、従ってステッピングモータの分解能を大きくできるので、本形態のステッピングモータが上記従来技術の欠点を改善できることが判る。
【００２５】
第２の予備的な実施の形態：
次に、図２を用いて第２の予備的な実施の形態である１２極の２相の永久磁石形ステッピングモータ３０の構成について説明する。
回転子Ｒ３は図１の回転子Ｒ２と同じ構造で、円筒永久磁石３３の外周にＮ極及びＳ極が交互に多極着磁されている。
固定子Ｓ３は１２個の等ピッチに配置された主極３２−１〜３２−１２を有し、また、２相の固定子巻線３１−１〜３１−１２が設けられている。当該主極３２−１〜３２−１２の１２個の内１相分は１つおきに６個で、この１相分を直流励磁すると、６個の主極中に交互に、Ｎ極性が３個、Ｓ極性が３個となるように巻線３１−１〜３１−１２が巻装されている。
【００２６】
１相分の主極６個は、固定子主極３２−１〜３２−１２の１２個の１個おきに構成され、その主極６個は交互に異極性となるように構成されるのが望ましい。図２は、その一例の１相分巻線について極性表示したものである。このように構成すると図１の例と同じように、回転子Ｒ３に作用する径方向の力は常に相殺される。
【００２７】
また、２相機であっても、固定子主極数が多いほど、駆動時の振動・騒音は小さくなることから、２相機の一般的構成である主極数８の固定子より、本形態のステッピングモータに係る固定子Ｓ３は主極数が１２であるので、振動・騒音は小さくできる。
この場合も、上述で（１）式〜（３）式と同様の誘導により、回転子極数ＺのＺ＝２４ｎ±６が得られる。ここでｎは１以上の整数で、ｎ≧２の場合は、１２個の主極３１−１〜３１−１２の先端に複数の極歯３２−２０を設けることが望ましい。
【００２８】
本発明の実施の形態：
次に、以上の第１、第２の予備的な実施の形態の説明を踏まえて、本発明の実施の形態である１２極の２相のハイブリッド形ステッピングモータ４０の構成を図３を用いて説明する。
固定子Ｓ４は第２の予備的な実施の形態の固定子Ｓ３と同じ構成であるが、回転子Ｒ４をハイブリッド形としたものである。ハイブリッド形であるので、図２に示したものより振動・騒音で不利になるが、従来技術である上述図４での主極数が８の構成より主極数が多くなるので回転子Ｒ４に働く電磁力も平衡するようになる。
【００２９】
径方向に働く力は、１２０゜ピッチで配置される３つの主極４２−１、４２−５、４２−９が同極性になり、異極性を吸引するため、そのベクトル和は、
ｃｏｓ（０゜）−２・ｃｏｓ（３０゜）＝０
となり相殺される。
【００３０】
ハイブリッド形の長所としては、図２に示した円筒状永久磁石２３の外周面に着磁するものよりも一般的にステップ角θｓを小さくできることが挙げられる。これは円筒状永久磁石２３の外周面に所望の磁化力での多極を形成し難いためである。この場合も、回転子の歯車状突極数（回転子の極歯数）Ｚｔは上述と同様な手法で、Ｚｔ＝１２ｎ±３として与えられる。
ここでｎは１以上の整数で、ｎ≧２の場合では１２個の各主極４２−１〜４２−１２には複数の極歯４２−２０を設けることが望ましい。
【００３１】
上記の第１、第２の予備的な実施の形態及び本発明の実施の形態では、固定子主極を円周方向に等分間隔となるように対称型に配置した最も望ましい実施の形態を示し、その場合、第１の予備的な実施の形態では、固定子磁極数Ｚが、Ｚ＝ｍ・（１２ｎ±２）である場合、また、第２の予備的な実施の形態では、Ｚ＝２４ｎ±６）である場合、さらに、本発明の実施の形態では、回転子の極歯数ＺｔがＺｔ＝１２ｎ±３である場合を説明した。
このように固定子主極を対称型に形成した方がステップ角精度は優れ、特性面でも有利となるが、固定子を非対称型に形成しても、特性面では若干落ちるが本発明の作用効果を備えているので、用途によっては、実用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の請求項１、２のように構成されるハイブリッドのステッピングモータでは、２相機でありながら固定子主極が１２極構成であるので、従来の２相機８極構成に対し、低振動・低騒音を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の予備的な実施の形態である３相永久磁石形ステッピングモータの構成を示す縦断正面図である。
【図２】第２の予備的な実施の形態である２相１２極構造の永久磁石形ステッピングモータの構成を示す縦断正面図である。
【図３】本発明の実施の形態である２相１２極構造のハイブリッド形ステッピングモータの一実施の形態を示す縦断正面図である。
【図４】従来の２相ハイブリッド形ステッピングモータの構成を示す縦断側面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ′断面図である。
【符号の説明】
４０：ハイブリッド形ステッピングモータ
４１−１〜４１−１２：固定子巻線
４２−１〜４２−１２：固定子主極
４２−２０：固定子主極の極歯

Claims

次の構成を有する固定子と回転子を備えたことを特徴とするハイブリッド形ステッピングモータ。
（１）固定子巻線の相数は２相であって、固定子主極数は１２個であり、その内の１相分は１つおきに６個で構成され、１相分を直流励磁すると交互にＮ極が３個、Ｓ極が３個となるように巻線されている固定子。
（２）複数のＺｔ個の極歯数の歯車状突極を有する２個の磁性体より成る回転子磁極と、該２個の回転子磁極に挟持され回転軸と同方向に磁化された永久磁石とを有するハイブリッド形である回転子。
回転子の極歯数Ｚｔは、Ｚｔ＝１２ｎ±３であるようにした請求項１記載のハイブリッド形ステッピングモータ。
但し、ｎは１以上の整数とし、ｎが２以上の場合には上記各１２個の各固定子主極は複数の極歯を有するものとする。