JP4091817B2 - 2-phase motor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば振動モータなどに使用される2相モータに係わり、特にモータを確実に起動することができ、従来不要とされていたコギングトルクを回転トルクとして有効に利用できるようにした2相モータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の公知文献としては、例えば特許文献1に開示された2相モータが存在する。前記特許文献1に開示された発明では、2相モータの起動を容易に得ること、およびコギングトルクを小さくしてモータの回転むらを低減することを目的としている。
【0003】
これらの目的を達成する手段として、前記特許文献1に記載された発明では、コア磁極の外周面をロータの内周面に沿って真円状に形成し、且つコア磁極の外周面の一側面に張出部を設けた構成としている。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−126280号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献1に記載された2相モータでは、電機子コア先端の切欠部の有無による磁気エネルギーの大小を利用してトルク特性を改善しようとするものであるため、電機子コアの形状を特殊な形状にしなければならず、製造コストが高騰しやすいという問題がある。
【0006】
また、従来はコギングトルクの発生が、モータの駆動トルクを妨げる一因と考えられていたため、コギングトルクを可能な限り小さくして本来モータが有する駆動トルクを充分に発揮させるものが一般的であった。、しかし、このように不要なコギングトルクを単に低減する方法では、充分な駆動トルクを得るには限界がある。
【0007】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、従来不要とされていたコギングトルクを敢えて残した状態で、良好な起動特性を得ることができるとともに、前記コギングトルクを利用して大きな駆動トルクを発生させることを可能とした2相モータを提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の2相モータは、回転軸と共に回転するロータと、固定側であるステータとを有し、
前記ロータと前記ステータの一方には、前記回転軸と直交する向きで且つ互いに180度の角度で配置された一対の磁性体の腕部と、それぞれの腕部に巻かれたコイルと、磁性材料で形成された一対の磁性部材とが設けられ、
前記ロータと前記ステータの他方には、前記腕部の先端に対向する2つのマグネットが設けられ、2つのマグネットは、前記腕部に対向する着磁面の磁極が互いに相違するとともに、2つのマグネットの前記着磁面は、それぞれがロータの回転方向へ向けて180度の範囲で形成されており、
それぞれの前記腕部の中心とそれぞれの前記磁性部材の中心が、ロータの回転方向へ角度αの間隔で配置されており、前記角度αが、60度以上で80度以下であることを特徴とするものである。
【0009】
この場合、ロータを回転させたときに、前記ロータの回転角度に応じて、前記ステータと前記ロータとの間に第1のコギングトルクが発生し、前記プレートと前記ロータとの間に第2のコギングトルクとが発生するものであり、前記第1のコギングトルクと前記第2のコギングトルクとを合成したときに、前記第2のコギングトルクが前記第1のコギングトルクを打ち消さないように、前記プレートが配置されているものである。
【0010】
そして、モータをスムーズに回転させるには、前記第1のコギングトルクと前記第2のコギングトルクとを合成した合成コギングトルクが、0[N・m]を挟んでロータの回転方向と同じ正方向を示す成分と、ロータの回転を妨げる逆方向を示す成分として出力されるものであり、少なくとも前記正方向成分と前記0[N・m]とによって囲まれる面積の方が、前記逆方向成分と前記0[N・m]とによって囲まれる面積よりも大きいものとすることである。
【0011】
そして、前記ステータのコイルに流れる駆動電流によって生じる磁束と前記ロータのマグネットとの相互作用のみによって生じる発生トルクと、前記合成トルクとが合成されたのが、回転トルクとして出力されるようになる。
【0012】
本発明では、好ましくは、前記角度αが75度である。
【0014】
さらに、前記コイルに正弦波で変化する駆動電流を与える駆動手段が設けられており、前記駆動手段では、前記駆動電流の向きが、正弦波の半周期ごと、またはそれよりも早いタイミングで切り換えられるものが好ましい。
上記構成では、さらに大きな回転トルクを得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の形態として2相モータを示す横断面図、図2は図1のII−II線における縦断面図である。図3は図1と同様の2相モータの横断面図を示ており、ロータを反時計回り方向に回転角度90°回転させた状態を示している。また図4は図1と同様の2相モータの横断面図であり、Aはロータを回転角度αだけ回転させた状態、Bはロータを回転角度α+90°回転させた状態、Cはロータを回転角度α+180°回転させた状態、Dはロータを回転角度α+270°回転させた状態を示している。
【0016】
図1および図2に示す2相モータ1は、いわゆるアウターロータ型の2相2極型のブラシレスモータである。符号2は回転軸を示しており、この回転軸2にカップ状の枠体3の中心部が、開口部を下方に向けた状態で固定されている。また前記回転軸2は、枠体3の内部に設けられた軸受基台4の軸受け部4a,4bにおいて回転自在に支持されている。前記軸受基台4は機構シャーシなどのベース部材20に固定されている。
【0017】
枠体3の内壁3aには、2極のマグネットM1とM2が円筒形状に一体化された状態で固定されている。前記枠体3とマグネットM1,M2は、この2相モータ1のロータRを形成している。例えば、一方のマグネットM1は内周側がN極に、外周側がS極に着磁されており、他方のマグネットM2は内周側がS極に、外周側がN極に着磁されている。図1ではマグネットM1とマグネットM2の接合面をMa,Mbで示している。なお、既に一体化された円筒形状のマグネットの右半分の内周側をS極に、左半分の内周側をN極に着磁させたものであってもよく、この場合の前記Ma,Mbが両磁極(N磁とS極)の境界となる。
【0018】
前記軸受基台4には、磁性材料で形成された電機子コア5が固定されている、前記電機子コア5には両側方向に突出する腕部5a,5bが設けられており、図1では前記腕部5a,5bが図示X軸に一致させられた状態で固定されている。そして、この腕部5a,5bにコイルC1,C2が設けられている。なお、電機子コア5が、その中心に円筒部5cが有しており、この円筒部5cと腕部5a,5bが磁性材料で一体的に形成されたものである場合には、前記腕部5aと腕部5b内を貫通する磁束は図示X軸に沿って共に同じ方向に形成されるため、前記コイルC1とコイルC2は一本の線材を同じ巻き方向に巻回させて1つのコイルとして形成されたものでもよいし、あるいは腕部5a又は腕部5bの一方に1つのコイル(コイルC1又はコイルC2)を設けたものであってもよい。
【0019】
2相モータの外部には、駆動信号生成部11と、モータドライバ12とからなる駆動手段10が設けられている。前記駆動信号生成部11は、所定の振幅および周期の交流波形からなる駆動信号を生成して前記モータドライブ12に出力する。モータドライブ12は、前記駆動信号生成部11から出力される駆動信号に応じた駆動電流を生成して前記コイルC1,C2に供給する。
【0020】
前記コイルC1とコイルC2に前記駆動電流を流すと、前記電機子コア5の腕部5aと腕部5b内には同じ方向の磁束が生じる。よって、腕部5a側がS極に磁化されるときには腕部5b側はN極にされ、また腕部5a側がN極に磁化されるときには腕部5b側はS極に磁化される。
【0021】
すなわち、前記電気子コア5および前記コイルC1,C2は2相モータ1のステータStを形成している。
【0022】
図1に示すように、前記ロータR側のマグネットM1,M2とステータStとの間の空間内で、且つX軸から反時計回り方向に取り付け角度αだけずれた位置には、前記マグネットM1,M2に対向するプレート8a,8bが設けられている。プレート8a,8bは、マグネットに接近させると磁気吸引される磁性部材で形成されており、例えば鋼板などからなるベース部材20の一部をZ方向に垂直に切り起こすことにより形成することができる。また前記プレート8aとプレート8bは、前記回転軸2に対して軸対称に設けられており、図1に示す2相モータ1では、前記プレート8aの取り付け角度αが約75°に設定されている。
【0023】
上記2相コイルの動作について説明する。
図5は、ステータStのコイルに流れる駆動電流による磁束と、ロータのマグネットとの相互作用のみによって生じる発生トルクを示すグラフである。図6は、ロータに生じるコギングトルクをロータの回転角度ごとに示すグラフであり、Tsはステータとの相互作用で生じるステータコギングトルク、Tpはプレートとの相互作用で生じるプレートコギングトルク、Tcはステータコギングトルクとプレートコギングトルクとの合成コギングトルクであり、ロータに生じるコギングトルクの総和を示すものである。
【0024】
図7は、駆動電流の向きの切り換えを行わない場合における2相モータに生じるトルクの合成を示すグラフであり、T0は発生トルク、Tcは合成コギングトルク、Tは2相モータに生じる回転トルク(トルクの総和)を示している。図8は、駆動電流の向きを半周期(180°)ごとに切り換えた場合の2相モータに生じる回転トルクを示すグラフであり、T0は発生トルク、Tcは合成コギングトルク、Tは2相モータの回転トルクを示している。
【0025】
なお、図5ないし図8においては、横軸がロータの回転角度θ[°]、縦軸がトルク[μN・m]を示している。また、ロータRとステータStとの回転角度の関係は、図1に示す状態を回転角度θ=0°としている。
【0026】
先ず、プレートを外した状態の2相モータの特徴について説明する。
図1および図2に示すステータSt側のコイルC1,C2に駆動電流を流し、腕部5a,5bに同じ方向に磁束を生じさせると、前記のコイルに流れる電流による磁束とロータRのマグネットとの相互作用のみによって、図5に示すような発生トルクT0が生じ、例えばロータRは時計回り方向に回転させられる。前記発生トルクT0は、概ねコイルC1,C2に流れる駆動電流の電流値に比例する。
【0027】
図5に示すように、ステータStに対するロータRの回転角度θが、θ=0°(=360°:図1の状態)およびθ=180°の状態のときに、前記駆動電流の電流値を0として発生トルクT0を0とする。このときには、剛板などの磁性材料で形成された前記ステータStの電機子コア5の各腕部5a,5bとマグネットM1,M2との間に作用する磁気吸引力により、ロータ側の前記マグネットM1,M2の磁極中心(最も磁力が強い位置)M1a,M2aが両側方向(X方向)に延びる電機子コア5の腕部5a,5bの先端に対向する状態で安定しようとする。
【0028】
すなわち、回転角度θ=0°の位置は、前記マグネットM1,M2が電機子コア5の腕部5a,5bの先端に対向して停止した状態となるため、ステータSt側のコイルC1,C2に駆動電流を与えても、ロータRが起動しない第1のデットポイント(死点)D1となっており、同様に回転角度θ=180°の位置は第2のデットポイントD2となっている。
【0029】
次に、上記2相モータに発生するコギングトルクについて説明する。
(1)ステータコギングトルク(第1のコギングトルク)Ts
前記第1のデットポイント(回転角度θ=0°)D1に位置するときには、前記電機子コア5の腕部5a、5bの先端部に前記マグネットM1,M2の磁極中心M1a,M2aが対向し停止しているため、図6に示すようにステータStの電機子コア5とマグネットM1,M2との間に作用するステータコギングトルクTsは0である。
【0030】
前記第1のデットポイントD1から、コイルC1,C2に駆動電流を与えない無通電のままで、すなわち手動によりロータRを例えば反時計回り方向に回転させて行くと、ロータRを元の第1のデットポイントD1の位置に戻そうとする力が作用する。すなわち、前記ロータRには、マグネットM1の磁極中心M1aを前記電機子コア5の一方の腕部5aと対向する安定位置に戻そうとする磁気吸引力と、マグネットM2の磁極中心M2aを前記電機子コア5の他方の腕部5bと対向する安定位置に戻そうとする磁気吸引力が、ステータコギングトルクTs(図4参照)として時計回り方向に同時に作用し始める。なお、図6では、時計回り方向に作用するステータコギングトルクTsをプラスのトルク、反時計回り方向に作用するステータコギングトルクTsをマイナスのトルクとして示している。
【0031】
さらにロータRを反時計回り方向に回転させ、ロータRの回転角度θがθ=90°(図3の状態)に達すると、マグネットM1,M2に対する腕部5aとの間の磁気吸引力と、腕部5bとの間の磁気吸引力とが相殺し合うため、図6に示すようにステータコギングトルクTsは0となる。
【0032】
さらにロータRが回転させられ、前記回転角度θがθ=90°を越えると、マグネットM1の磁極中心M1aが反対側に位置する電機子コア5の腕部5bに磁気吸引され、マグネットM2の磁極中心M2aが反対側に位置する電機子コア5の腕部5aに磁気吸引されるため、ロータRは回転角度θ=180°に至るまで反時計回り方向に加速される。よって、図6に示すように、ステータコギングトルクTsは回転角度θが90°<θ<180°の範囲では、ロータRの回転を反時計回り方向に助長するように作用するため、マイナスのトルクとして示される。
【0033】
ロータRの回転角度θが、θ=180°の第2のデットポイントD2では、マグネットM1の磁極中心M1aが電機子コア5の腕部5bに磁気吸引され、マグネットM2の磁極中心M2aが電機子コア5の腕部5aに磁気吸引されるため、ロータRの回転が停止させられる安定状態となる。よって、図6に示すように回転角度θ=180°では、ロータRに作用するステータコギングトルクTsは0となる。
【0034】
この状態から、さらにロータRを反時計回り方向に回転させて行くと、マグネットM1,M2にはロータRを第2のデットポイントD2の位置に戻そうとする力が時計回り方向に作用するため、前記0°<θ<90°の範囲同様にステータコギングトルクTsはプラスに転じる。そして、さらにロータRが反時計回り方向に回転させられ、前記回転角度θが270°<θ<360°の範囲になると、ロータRが反時計回り方向に加速されるため、にステータコギングトルクTsはマイナスに転じる。
【0035】
このように、前記ステータコギングトルクTsは、sin2θに沿った近似曲線で変化する。
【0036】
(2)プレートコギングトルク(第2のコギングトルク)Tp
一方、上記のように2相モータ1内のプレート8a,8bとマグネットM1,M2との間にも磁気吸引力が作用している。このため、前記プレート8a,8bとロータRとの間にも、前記ステータコギングトルクTsと同じようなプレートコギングトルク(第2のコギングトルク)Tpが発生する。
【0037】
ただし、前記プレート8a,8bは、取り付け角度αだけ反時計回り方向にずれた位置に設けられている。よって、ロータRの回転角度θ=0°の第1のデットポイント(図1の状態)D1では、マグネットM1がプレート8aに磁気吸引され、マグネットM2がプレート8bに磁気吸引される。よって、図6に示すように回転角度θ=0°の位置では、ロータRを反時計方向に回転させるマイナスのプレートコギングトルクTpが作用する。
【0038】
上記同様に手動によって、反時計回り方向に回転させて図4Aに示す位置、すなわち前記ロータRの回転角度θがプレート8a,8bの取り付け角度αに一致(θ=α)すると、マグネットM1,M2の磁極中心M1a,M2aがプレート8a,8bの中心と対向するため、前記プレートコギングトルクTpは0となる。
【0039】
さらに、ロータRを反時計回り方向に回転させ、回転角度θが取り付け角度αを通り過ぎると、今度はロータRを図4Aの状態に戻そうとする磁気吸引力がプレートコギングトルクTpとして時計回り方向に作用するため、プレートコギングトルクTpはプラスに転じる。そして、このような状態は回転角度θが、α<θ<α+90°の範囲で作用する。
【0040】
そしてロータRの回転角度θがθ=α+90°に一致すると、図4Bに示すようにマグネットM1,M2の磁極中心M1a,M2aが、プレート8aとプレート8bから均等の距離に位置するため、プレート8a,8bに作用するマグネットM1、M2からの磁気吸引力が相殺し合う。よって、このとき、前記プレートコギングトルクTpは0となる。
【0041】
さらにロータRを反時計回り方向に回転させ、回転角度θがθ=α+90°を越えると、マグネットM1はプレート8bに磁気吸引され、マグネットM2はプレート8aに磁気吸引されて安定しようとするため、ロータRには反時計回り方向に回転させるマイナス方向のプレートコギングトルクTpが作用する。なお、このような状態は回転角度θが、90°<θ<α+180°の範囲で作用する。
【0042】
さらにロータRを反時計回り方向に回転させ、図4Cに示すように回転角度θがθ=α+180°に一致すると、マグネットM1の磁極中心M1aがプレート8bの中心と対向し、マグネットM2の磁極中心M2aがプレート8aの中心と対向するため、前記プレートコギングトルクTpが0となる。
【0043】
さらにロータRを反時計回り方向に回転させ、回転角度θがθ=α+180°を越えると、マグネットM1はプレート8bに磁気吸引され、マグネットM2はプレート8aに磁気吸引されて安定しようとするため、ロータRには時計回り方向に回転させるプラス方向のプレートコギングトルクTpが作用する。なお、このような状態は回転角度θが、180°<θ<α+270°の範囲で作用する。
【0044】
そしてロータRの回転角度θが、θ=α+270°に一致すると、すなわち図4Dに示すようにマグネットM1,M2の磁極中心M1a,M2aが、プレート8aとプレート8bから均等の距離に位置するようになる。よって、上記同様にプレート8a,8bに作用するマグネットM1、M2からの磁気吸引力が相殺し合うため、前記プレートコギングトルクTpが0となる。
【0045】
そして、ロータRの回転角度θが、α+270°<θ<360°=0°(第1のデットポイントD1)の範囲では、マグネットM1はプレート8aに磁気吸引され、マグネットM2はプレート8bに磁気吸引されて安定しようとするため、ロータRには反時計回り方向にさせるマイナス方向のプレートコギングトルクTpが作用する。
【0046】
すなわち、ロータRを一回転させたときに生じるプレートコギングトルクTpは、図6に示すようなsin(2θ+α)に沿った近似曲線で変化するものとなる。
【0047】
このように、2相モータ1にプレート8a、8bを設けると、上記2相モータ1のロータRとステータStとの間に、2種類のコギングトルクを作用させることができる。このため、ロータRとステータStとの間に作用する全体のコギングトルクは、前記ステータコギングトルクTsと前記プレートコギングトルクTpとをベクトル的に合成した(Ts+Tp)となるが、図6では合成コギングトルクTcとして示している。
【0048】
すなわち、無通電状態のロータRを反時計回り方向又は時計回り方向に回転させると、ロータRとステータStとの間には合成コギングトルクTc(=Ts+Tp)が作用する。
【0049】
次に、前記2相モータ1を通電し、前記コイルC1、C2に正弦波状の駆動電流を与えると、図7に示すように、2相モータに作用する回転トルクTは前記発生トルクT0と前記合成コギングトルクTcとの合力となる。
【0050】
前記プレート8a、8bが設けられていない場合には、ステータコギングコイル(第1のコギングコイル)Tsのみが作用するが、この場合には前記第1のデットポイントD1および第2のデットポイントD2(図5参照)が、ステータコギングトルクTsの大きさが0となる零クロス点(図6参照)P1,P2に一致するために2相モータ1の起動ができなくなる。
【0051】
しかし、上記プレート8a、8bを設けると、図7に示すように、前記合成コギングトルクTcの位相がずれるため、前記第1のデットポイントD1および第2のデットポイントD2と前記合成コギングトルクTcの零クロス点とが一致しなくなる。
【0052】
すなわち、ロータRの回転を止めたときのマグネットM1,M2の停止位置を、マグネットM1,M2の磁気中心M1a,M2aが電機子コア5a,5bの先端と対向する位置(図1参照)ではなく、図示反時計回方向にずれた位置に設定することが可能となる。
【0053】
よって、コイルC1,C2に駆動電流を与え、ステータStに発生トルクを生じさせることにより、ロータRを確実に起動させることが可能となる。
【0054】
ここで、時計回り方向に回転したロータRのトルクの総和は、図7に示すように前記発生トルクT0と合成コギングトルクTcとの合成した回転トルクTで示すことができる。
【0055】
図7に示すものでは、回転トルクTの曲線とトルクが0(0[μN・m])の直線とで囲まれる面積をトルクのプラス側とマイナス側とで比較すると、マイナス側の面積に比べてプラス側の面積の方が大きい。すなわち、ロータRを時計回りである正方向に回転させる成分の方が、ロータの回転を妨げる逆方向成分よりも大きい。よって、ロータRは時計回り方向に回転駆動させられる。ただし、マイナス側には、プラス側に対して無視できないほどの大きさのトルクが発生しているため、このままではモータをスムーズに回転し続けることが難しい。
【0056】
そこで、図8に示すように、前記駆動信号生成部11に信号切換手段を設けることにより、モータドライバ12から出力される駆動電流の向きが180°ごとに切り換わるようにすると、回転トルクTのマイナス側の面積を低減できるため、2相モータ1をスムーズに回転させることが可能となる。
【0057】
なお、上記のように駆動電流の向きを変えた場合であっても、マイナス側に若干の回転トルクTが残るが、すでにモータは充分に加速させられているため、マイナス側の回転トルクTによって停止させられることなく、プラス側の回転トルクTを受けてスムーズに加速させることができる。
【0058】
このように、上記実施の形態では、従来不要なものとされていたコギングトルクをモータの発生トルクと合成することによって回転を助長させる回転トルクとして有効に利用することが可能となる。
【0059】
しかも、合成することにより回転トルクTの面積を大きくすることができ、従来に比較して充分大きなトルクを発生させることが可能となる。よって、慣性モーメントの大きなアウターロータ型のモータであっても、そのロータを減速させることなく充分な回転速度で回転させることができる。
【0060】
上記において、プレート8a,8bの取り付け位置αを0°に近づけていくと、電機子コア5の先端にプレート8a,8bが重なるため、前記プレート8a,8bの機能が失われる。また取り付け位置αが90°の位置では、図6に示すようにステータコギングトルクTsが0となるため、合成コギングトルクTcが小さくなり、充分に大きな回転トルクTを発生させることができなくなる。よって、前記プレート8a,8bの好ましい取り付け位置は、X軸からの取り付け角度αが0°<α<90°の範囲であり、より好ましくは60°≦α≦80°の範囲である。
【0061】
また駆動電流の向きの切り換えは、上記のように正弦波の半周期である180°ごとであってもよいが、前記180°よりも早いタイミングで切り換わるようにすると、さらに回転トルクTのマイナス側の面積を低減することが可能となるため、これまで以上に大きな回転トルクを得ることが可能となる。
【0062】
なお、上記実施の形態では、ロータRとステータStとの間のスペース内にプレート8a,8bを設けたもので説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば図1において符号9a、9bと点線で示すように、ロータRの枠体3の外側の位置に前記枠体3内のマイグネットM1,M2に対向させて設けた構成であってもよい。
【0063】
また、上記においては枠体3内にマグネットM1,M2を設けたロータが回転するアウターロータ型の2相モータについて説明したが、その他電機子コア側が回転するインナーロータ型の2相モータであってもよい。
【0065】
【発明の効果】
以上のように本発明では、マグネットと電機子とが対向しない位置でロータの回転を停止させることが可能となるため、ロータを確実に起動させることが可能となる。
【0066】
また、従来不要とされていたコギングトルク利用することが可能となるため、大きな回転トルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態として2相モータを示す横断面図、
【図2】図1のII−II線における縦断面図、
【図3】図1と同様の2相モータの横断面図であり、ロータを反時計回り方向に回転角度90°回転させた状態、
【図4】図1と同様の2相モータの横断面図であり、Aはロータを回転角度αだけ回転させた状態、Bはロータを回転角度α+90°回転させた状態、Cはロータを回転角度α+180°回転させた状態、Dはロータを回転角度α+270°回転させた状態、
【図5】ステータStのコイルに流れる駆動電流による磁束と、ロータのマグネットとの相互作用のみによって生じる発生トルクを示すグラフ、
【図6】ロータに生じるコギングトルクをロータの回転角度ごとに示すグラフ、
【図7】駆動電流の向きの切り換えを行わない場合おいける2相モータに生じるトルクの合成を示すグラフ、
【図8】駆動電流の向きを半周期(180°)ごとに切り換えた場合の2相モータに生じる回転トルクを示すグラフ、
【符号の説明】
1 2相モータ
2 回転軸
3 枠体
5 電機子コア5
5a、5b 腕部
8a、8b プレート
C1,C2 コイル
D1,D2 デットポイント
M1,M2 マグネット
P1,P2 零クロス点
R ロータ
St ステータ
α 取り付け角度
θ 回転角度
T 回転トルク
Tc 合成コギングトルク
Ts ステータコギングトルク(第1のコギングトルク)
Tp プレートコギングトルク(第2のコギングトルク)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a two-phase motor used for, for example, a vibration motor, and more particularly to a two-phase motor that can reliably start the motor and can effectively use the cogging torque, which has been conventionally unnecessary, as the rotational torque. It relates to the motor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of known document, for example, there is a two-phase motor disclosed in
[0003]
As means for achieving these objects, in the invention described in
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-8-126280
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the two-phase motor described in
[0006]
Conventionally, the generation of cogging torque was considered to be one factor that hinders the driving torque of the motor. Therefore, it is common that the cogging torque is made as small as possible so that the driving torque inherent in the motor is fully exhibited. It was. However, such a method of simply reducing unnecessary cogging torque has a limit in obtaining sufficient driving torque.
[0007]
The present invention is for solving the above-described conventional problems, and in the state where the cogging torque, which has been conventionally unnecessary, is intentionally left, good starting characteristics can be obtained, and the cogging torque can be used to obtain a large amount. An object of the present invention is to provide a two-phase motor capable of generating a driving torque.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventionThe two-phase motor includes a rotor that rotates together with the rotating shaft, and a stator that is a fixed side.
One of the rotor and the stator has a pair of magnetic arm portions arranged in a direction orthogonal to the rotation axis and at an angle of 180 degrees with each other, a coil wound around each arm portion, and a magnetic material A pair of magnetic members formed of
The other of the rotor and the stator is provided with two magnets facing the tip of the arm part, and the two magnets have different magnetic poles on the magnetized surface facing the arm part and two magnets. Each of the magnetized surfaces is formed in a range of 180 degrees toward the rotation direction of the rotor,
The centers of the arms and the centers of the magnetic members are arranged at intervals of an angle α in the rotation direction of the rotor, and the angle α is not less than 60 degrees and not more than 80 degrees.It is characterized by this.
[0009]
In this case, when the rotor is rotated, a first cogging torque is generated between the stator and the rotor according to the rotation angle of the rotor, and a second cogging torque is generated between the plate and the rotor. Cogging torque is generated, and when the first cogging torque and the second cogging torque are combined, the second cogging torque does not cancel the first cogging torque. The plate is arranged.
[0010]
In order to rotate the motor smoothly, the combined cogging torque obtained by combining the first cogging torque and the second cogging torque is the same positive direction as the rotation direction of the rotor across 0 [N · m]. And a component indicating a reverse direction that prevents rotation of the rotor, and an area surrounded by at least the forward direction component and 0 [N · m] is the reverse direction component. The area is larger than the area surrounded by 0 [N · m].
[0011]
Then, the generated torque generated only by the interaction between the magnetic flux generated by the drive current flowing in the coil of the stator and the magnet of the rotor and the combined torque are output as rotational torque.
[0012]
In the present invention, the angle α is preferably 75 degrees.
[0014]
further,Give the coil a drive current that changes in a sine waveDriving meansIn the drive means,Drive currentThe direction ofSwitching at half cycle of sine wave or at earlier timingBeThose are preferred.
In the above configuration, a larger rotational torque can be obtained.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a transverse sectional view showing a two-phase motor as an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along line II-II in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a two-phase motor similar to FIG. 1, and shows a state in which the rotor is rotated 90 ° counterclockwise. 4 is a cross-sectional view of a two-phase motor similar to FIG. 1, where A is a state in which the rotor is rotated by a rotation angle α, B is a state in which the rotor is rotated by a rotation angle α + 90 °, and C is a rotation of the rotor. A state in which the angle α + 180 ° is rotated, and D indicates a state in which the rotor is rotated by a rotation angle α + 270 °.
[0016]
A two-
[0017]
Bipolar magnets M1 and M2 are fixed to the
[0018]
An
[0019]
Outside the two-phase motor, driving means 10 including a driving
[0020]
When the drive current is supplied to the coils C1 and C2, magnetic fluxes in the same direction are generated in the
[0021]
That is, the
[0022]
As shown in FIG. 1, in the space between the magnets M1 and M2 on the rotor R side and the stator St and at a position shifted from the X axis in the counterclockwise direction by the mounting angle α, the magnets M1 and M1 are located.
[0023]
The operation of the two-phase coil will be described.
FIG. 5 is a graph showing the torque generated by only the interaction between the magnetic flux generated by the drive current flowing in the coil of the stator St and the magnet of the rotor. FIG. 6 is a graph showing the cogging torque generated in the rotor for each rotation angle of the rotor, where Ts is the stator cogging torque generated by the interaction with the stator, Tp is the plate cogging torque generated by the interaction with the plate, and Tc is the stator. This is a combined cogging torque of the cogging torque and the plate cogging torque, and indicates the total sum of the cogging torque generated in the rotor.
[0024]
FIG. 7 is a graph showing the composition of torque generated in the two-phase motor when the direction of the drive current is not switched, where T0 is the generated torque, Tc is the combined cogging torque, and T is the rotational torque generated in the two-phase motor ( Torque sum). FIG. 8 is a graph showing the rotational torque generated in the two-phase motor when the direction of the drive current is switched every half cycle (180 °), where T0 is the generated torque, Tc is the combined cogging torque, and T is the two-phase motor. The rotational torque is shown.
[0025]
5 to 8, the horizontal axis represents the rotor rotation angle θ [°], and the vertical axis represents the torque [μN · m]. Further, regarding the relationship of the rotation angle between the rotor R and the stator St, the state shown in FIG. 1 is set to a rotation angle θ = 0 °.
[0026]
First, the characteristics of the two-phase motor with the plate removed will be described.
When a drive current is passed through the coils C1 and C2 on the side of the stator St shown in FIGS. 1 and 2 and magnetic flux is generated in the same direction in the
[0027]
As shown in FIG. 5, when the rotation angle θ of the rotor R with respect to the stator St is θ = 0 ° (= 360 °: the state shown in FIG. 1) and θ = 180 °, the current value of the drive current is The generated torque T0 is set to 0. At this time, the magnet M1 on the rotor side is caused by the magnetic attractive force acting between the
[0028]
That is, at the position where the rotation angle θ = 0 °, the magnets M1 and M2 are stopped facing the tips of the
[0029]
Next, the cogging torque generated in the two-phase motor will be described.
(1) Stator cogging torque (first cogging torque) Ts
When positioned at the first dead point (rotation angle θ = 0 °) D1, the magnetic pole centers M1a and M2a of the magnets M1 and M2 are opposed to the tips of the
[0030]
From the first dead point D1, when the rotor R is not energized without applying drive current to the coils C1 and C2, that is, when the rotor R is manually rotated, for example, counterclockwise, the rotor R is returned to the original first point D1. The force to return to the position of the dead point D1 is applied. That is, the rotor R has the magnetic attraction force that attempts to return the magnetic pole center M1a of the magnet M1 to a stable position facing one
[0031]
Further, when the rotor R is rotated counterclockwise and the rotation angle θ of the rotor R reaches θ = 90 ° (state of FIG. 3), the magnetic attraction force between the magnets M1 and M2 and the
[0032]
When the rotor R is further rotated and the rotation angle θ exceeds θ = 90 °, the magnetic pole center M1a of the magnet M1 is magnetically attracted to the
[0033]
At the second dead point D2 where the rotation angle θ of the rotor R is θ = 180 °, the magnetic pole center M1a of the magnet M1 is magnetically attracted to the
[0034]
If the rotor R is further rotated counterclockwise from this state, a force for returning the rotor R to the position of the second dead point D2 acts on the magnets M1 and M2 in the clockwise direction. As in the range of 0 ° <θ <90 °, the stator cogging torque Ts turns positive. Further, when the rotor R is further rotated counterclockwise and the rotation angle θ is in the range of 270 ° <θ <360 °, the rotor R is accelerated counterclockwise, so that the stator cogging torque Ts Turns negative.
[0035]
Thus, the stator cogging torque Ts changes with an approximate curve along sin 2θ.
[0036]
(2) Plate cogging torque (second cogging torque) Tp
On the other hand, as described above, a magnetic attractive force is also acting between the
[0037]
However, the
[0038]
Similarly to the above, when the motor is rotated counterclockwise and the position shown in FIG. 4A, that is, the rotation angle θ of the rotor R coincides with the mounting angle α of the
[0039]
Further, when the rotor R is rotated counterclockwise and the rotation angle θ passes the attachment angle α, the magnetic attraction force that attempts to return the rotor R to the state shown in FIG. 4A becomes the plate cogging torque Tp in the clockwise direction. Therefore, the plate cogging torque Tp turns to positive. In such a state, the rotation angle θ acts in the range of α <θ <α + 90 °.
[0040]
When the rotation angle θ of the rotor R coincides with θ = α + 90 °, the magnetic pole centers M1a and M2a of the magnets M1 and M2 are positioned at an equal distance from the
[0041]
Further, when the rotor R is rotated counterclockwise and the rotation angle θ exceeds θ = α + 90 °, the magnet M1 is magnetically attracted to the
[0042]
When the rotor R is further rotated counterclockwise and the rotation angle θ coincides with θ = α + 180 ° as shown in FIG. 4C, the magnetic pole center M1a of the magnet M1 faces the center of the
[0043]
Further, when the rotor R is rotated counterclockwise and the rotation angle θ exceeds θ = α + 180 °, the magnet M1 is magnetically attracted to the
[0044]
When the rotation angle θ of the rotor R coincides with θ = α + 270 °, that is, as shown in FIG. 4D, the magnetic pole centers M1a and M2a of the magnets M1 and M2 are positioned at equal distances from the
[0045]
When the rotation angle θ of the rotor R is in the range of α + 270 ° <θ <360 ° = 0 ° (first dead point D1), the magnet M1 is magnetically attracted to the
[0046]
That is, the plate cogging torque Tp generated when the rotor R rotates once changes with an approximate curve along sin (2θ + α) as shown in FIG.
[0047]
Thus, if the two-
[0048]
That is, when the non-energized rotor R is rotated counterclockwise or clockwise, the combined cogging torque Tc (= Ts + Tp) acts between the rotor R and the stator St.
[0049]
Next, when the two-
[0050]
When the
[0051]
However, when the
[0052]
That is, the stop positions of the magnets M1 and M2 when the rotation of the rotor R is stopped are not the positions where the magnetic centers M1a and M2a of the magnets M1 and M2 face the tips of the
[0053]
Therefore, it is possible to reliably start the rotor R by applying a drive current to the coils C1 and C2 and generating a generated torque in the stator St.
[0054]
Here, the total torque of the rotor R rotated in the clockwise direction can be represented by a rotational torque T obtained by combining the generated torque T0 and the combined cogging torque Tc as shown in FIG.
[0055]
In the example shown in FIG. 7, when the area surrounded by the curve of the rotational torque T and the straight line with the torque of 0 (0 [μN · m]) is compared between the plus side and the minus side of the torque, it is compared with the area on the minus side. The area on the plus side is larger. That is, the component that rotates the rotor R in the forward direction, which is clockwise, is larger than the reverse component that prevents the rotation of the rotor. Therefore, the rotor R is driven to rotate in the clockwise direction. However, since the torque on the minus side is so large that it cannot be ignored compared to the plus side, it is difficult to keep the motor rotating smoothly.
[0056]
Therefore, as shown in FIG. 8, when the direction of the drive current output from the
[0057]
Even if the direction of the drive current is changed as described above, a slight rotational torque T remains on the minus side, but since the motor has already been sufficiently accelerated, the minus side rotational torque T Without being stopped, it can be smoothly accelerated by receiving the rotational torque T on the plus side.
[0058]
As described above, in the above embodiment, the cogging torque, which has been conventionally unnecessary, is combined with the generated torque of the motor, so that it can be effectively used as the rotational torque for promoting the rotation.
[0059]
In addition, the area of the rotational torque T can be increased by synthesizing, and a sufficiently large torque can be generated compared to the conventional case. Therefore, even an outer rotor type motor having a large moment of inertia can be rotated at a sufficient rotational speed without decelerating the rotor.
[0060]
In the above description, when the mounting position α of the
[0061]
The direction of the drive current may be switched every 180 °, which is the half cycle of the sine wave as described above. However, if the switching is performed at a timing earlier than 180 °, the rotation torque T is further decreased. Since the area on the side can be reduced, it is possible to obtain a larger rotational torque than before.
[0062]
In the above embodiment, the
[0063]
In the above description, the outer rotor type two-phase motor in which the rotor provided with the magnets M1 and M2 in the
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the rotation of the rotor can be stopped at a position where the magnet and the armature do not face each other, so that the rotor can be reliably started.
[0066]
Further, since it is possible to use the cogging torque that has been conventionally unnecessary, a large rotational torque can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a two-phase motor as an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along line II-II in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a two-phase motor similar to FIG. 1, with the rotor rotated 90 degrees counterclockwise;
4 is a cross-sectional view of a two-phase motor similar to FIG. 1, where A is a state in which the rotor is rotated by a rotation angle α, B is a state in which the rotor is rotated by a rotation angle α + 90 °, and C is a rotation of the rotor. The state where the angle α + 180 ° is rotated, D is the state where the rotor is rotated the rotation angle α + 270 °,
FIG. 5 is a graph showing generated torque generated only by the interaction between the magnetic flux generated by the drive current flowing in the coil of the stator St and the rotor magnet;
FIG. 6 is a graph showing cogging torque generated in the rotor for each rotation angle of the rotor;
FIG. 7 is a graph showing a composition of torque generated in the two-phase motor when the direction of the drive current is not switched;
FIG. 8 is a graph showing rotational torque generated in a two-phase motor when the direction of drive current is switched every half cycle (180 °);
[Explanation of symbols]
1 Two-phase motor
2 Rotating shaft
3 Frame
5
5a, 5b Arm
8a, 8b plate
C1, C2 coil
D1, D2 dead point
M1, M2 magnet
P1, P2 Zero cross point
R rotor
St stator
α Mounting angle
θ rotation angle
T Rotational torque
Tc Synthetic cogging torque
Ts Stator cogging torque (first cogging torque)
Tp Plate cogging torque (second cogging torque)
Claims (3)
前記ロータと前記ステータの一方には、前記回転軸と直交する向きで且つ互いに180度の角度で配置された一対の磁性体の腕部と、それぞれの腕部に巻かれたコイルと、磁性材料で形成された一対の磁性部材とが設けられ、
前記ロータと前記ステータの他方には、前記腕部の先端に対向する2つのマグネットが設けられ、2つのマグネットは、前記腕部に対向する着磁面の磁極が互いに相違するとともに、2つのマグネットの前記着磁面は、それぞれがロータの回転方向へ向けて180度の範囲で形成されており、
それぞれの前記腕部の中心とそれぞれの前記磁性部材の中心が、ロータの回転方向へ角度αの間隔で配置されており、前記角度αが、60度以上で80度以下であることを特徴とする2相モータ。 A rotor that rotates together with the rotating shaft, and a stator that is a fixed side;
One of the rotor and the stator has a pair of magnetic arm portions arranged in a direction orthogonal to the rotation axis and at an angle of 180 degrees with each other, a coil wound around each arm portion, and a magnetic material A pair of magnetic members formed of
The other of the rotor and the stator is provided with two magnets facing the tip of the arm part, and the two magnets have different magnetic poles on the magnetized surface facing the arm part and two magnets. Each of the magnetized surfaces is formed in a range of 180 degrees toward the rotation direction of the rotor,
The centers of the respective arm portions and the centers of the respective magnetic members are arranged at an angle α in the rotation direction of the rotor, and the angle α is not less than 60 degrees and not more than 80 degrees. Two-phase motor.
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