JP4584228B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、ファクシミリ、インクジェットプリンタ、レーザビームプリンタあるいはコピー機などの画像を扱うＯＡ機器に使用されるハイブリッド型ステッピングモータ（以下モータとする） に関するものである。

上記のような各ＯＡ機器に使用されるモータ は、絶対条件であるコスト低減を図りながら低振動、低騒音を達成することを要求されている。

一方，本発明の出願者等は先に出願した特開２００３−１３４７８８号公報で，振動が少なく，トルクを大きく取り出すモータ構造を提案している。図７はこの構造を示すもので，１は巻線３が装巻されたステータ，５１はリング状でその平面に単極着磁されたマグネット，２１と２２はロータコアでマグネット５１を挟持したロータ組となり，これを２組用意し，マグネット５１の着磁磁極が同一極で対向するようにモータ軸４を芯として取付け，且つ上記２つの組の互いに隣接するロータ素子の小歯の極性が互いに同一となるよう配置されてなる構造のステッピングモータである。

この方式のモータは半径方向吸引力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４は図８のように４個の各ロータコアに発生し，従来の２個の構成に比べてその分分散されてバランスしているので不平衡モーメント力が存在しないので，軸受け等のクリアランスによる振動や騒音は従来機より有利で低振動低騒音化される。また，このステッピングモータは従来の同一体格のモータに比較して理想的には約２倍のトルクが得られることになる。
また，本構造のモータでは，リング状マグネットの残留磁束密度が０．５Ｔ以下でコストパフォーマンスが良いことを，特願２００５−２７４９７４にて提案している。

また，実開昭５２−５９２１２号には，残留磁束密度の小さな，フェライト磁石を複数個使用して構成する方法が提案されている。
特開２００３−１３４７８８号 特願２００５−２７４９７４号 実開昭５２−５９２１２号

本発明の出願者等が提案する特願２００５−２７４９７４号のモータ構造では，マグネットの残留磁束密度Ｂｒが小さく安価に構成することが可能である。一般的にこのようなモータでは，使用される負荷条件によりユーザがモータトルクを選定出来るようにシリーズ化する必要がある。モータの径方向の寸法を固定し，軸方向の長さを変化させて，目的となるモータの出力トルクを発生させる場合が多い。従来の一般的なモータでは，マグネットのＢｒとロータコアとステータコアとで決まる磁気回路で最適な磁束密度分布が存在することが知られている。

本願のモータ構造は，リング状マグネットの平面に単極着磁されたマグネットによるロータ組を２組用意し，マグネットの着磁磁極が同一極で対向するようにモータ軸方向に取り付けられる構造であり，最適な磁気回路については不明な点が多い。
モータトルクを大きく取り出す方法として，ステータコアの積み厚のみを増加させる方法があるが，実際にはマグネットの磁束量も増加させないと希望するトルクを得られない。

また，実開昭５２−５９２１２号に開示される８極ステータ構造のモータ構成においては，磁気回路についての記載が無く，磁気回路の構成については不十分である。

図６ａは本願に関する２相４極ステータ構造のロータコア２１とステータコア平面図であり，同じ位置関係で図６ｂはロータコア２２とステータコアの平面図である。
図６ａにおいてＡ相はロータ小歯２３とステータ小歯５２が凸どうしで対向するため，磁気抵抗が少なく，ロータからの磁束が最も多く流れる。一方，Ａ’相はロータ小歯の凸部とステータ小歯の凹部が対向するため最も磁気抵抗が高く，ロータから流入する磁束量は少ない。Ｂ相とＢ’相はロータ小歯とステータ小歯の凸部が半分重なり合う位置に対向し，Ａ相とＡ’相の中間的な大きさの磁束が流入している。
図６ｂにおいてＡ相はロータ小歯２３とステータ小歯５２が凸部と凹部で対向するため，磁気抵抗が大きく，ロータからの磁束が最も少なくなる。一方，Ａ’相はロータ小歯の凸部とステータ小歯の凸部が対向するため最も磁気抵抗が低く，ロータから流入する磁束量が多い。Ｂ相とＢ’相はロータ小歯とステータ小歯の凸部が半分重なり合う位置に対向し，Ａ相とＡ’相の中間的な大きさの磁束が流入している。
マグネットの磁束量を徐々に増加させていくと，各相の磁束量は増加していく，しかし マグネットの磁束量が多すぎると，図６ａではロータコア２１からの磁束量はＡ相が最も増加し，Ａ相を構成する主磁極やコアバックが飽和する。その結果，Ａ相に流せなくなった磁束は，図６ｂに示すロータコア２２の小歯２３とステータ小歯５２の凸凹部の組合せ部から漏洩磁束としてロータコアに戻る。この漏洩磁束ΦＢは正規の巻線鎖交磁束ΦＡに対して逆方向に流れるため，実質の鎖交磁束を弱め，Ａ相の逆起電力は減少する結果となる。即ち，逆起電力を最大にするマグネット厚みとロータコア厚みの最適な関係が存在することになる。
この現象は同一構造のハイブリッド型ステッピングモータ全てについて共通し，２相８極モータでも３相３極，６極モータについても同様である。

次に発生トルクについて検討する。図６ａにおいて，Ａ相コイルに入る有効な主磁束はφ_Aである。ここで，ロータが電気角速度ωで回転している場合を考えるとそのときのコイル逆起電力ｅ_Aは次式となる。nは各相コイルの巻数，ｋは定数であり，φ_A＝Φｃｏｓθとする。

一方，トルクは，逆起電力と電流の積である理論出力を機械的角速度ω_M＝ω/pで割ったものであるから，次式のように表せる。ここに，pは極対数すなわちステータまたはロータの小歯数である。

上式からわかるように，コイル巻数と小歯数を一定とすれば，トルクを大きくするにはコイルを通る平均磁束Φと定数kを大きくする必要のあることがわかる。
平均磁束Φと定数kの積が大きく取り出せる組み合わせが，トルクを大きく取り出せ，それは逆起電力が最大となるマグネット厚みとロータコア厚みの組み合わせと言える。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、モータ軸に直角方向の平面を同一形状とし，モータ軸方向の厚みを変えて，モータ出力の種類を増やし，フェライトマグネットを２個使用するモータのシリーズ化を図る際に，マグネット厚みとロータコア厚みの最適な関係について提案し，安価に高出力トルクを実現することを目的とするものである。

本発明の目的は、モータの最適設計パラメータとして，新しい指標を提供することにある。そのために三次元磁場解析を用いて磁束密度、鎖交磁束、逆起電力、トルク等を計算し、その値を用いて最大トルクを実現するパラメータを探索した結果から導いたものである。
その結果，フェライトマグネット厚みＴｍとロータコア厚みＴｃの関係がＴｍ／Ｔｃ＝０．２５〜０．４５で，ロータ小歯の最大磁束密度が１．４〜１．７Ｔで，ステータコアの主磁極の厚み方向の両端部と中央部の最大磁束密度差が０．７５〜０．８５Ｔとなるように，フェライトマグネット厚みとロータコア厚みを設定することで逆起電力を最大に取り出すことが可能となる。

高分解能のハイブリッド型ステッピングモータを設計する際に本発明を利用して，モータの全長に合わせて，マグネット厚みとロータコア厚みの関係を最適に設定し，逆起電力が最大になるように設計できる。また，リング状マグネットの残留磁束密度が０．５Ｔ以下で，例えばフェライト磁石のようなコストパフォーマンスが良いマグネットを効率よく使用することができる。
また，ロータコアが４個なので従来の２個の構成に比べて，この方式のモータは半径方向吸引力が分散されてバランスしているので，軸受け等のクリアランスによる振動や騒音は従来機より有利で低振動低騒音となる。

主磁極から延びる突極部の先端に複数個の小歯を有し、主磁極の外周を一体に連結するコアバック部と主磁極毎に巻回された２相巻線とを有するステータと，ステータにエアギャップを介して且つ軸方向に配置された２組のロータ組とより成り、ロータ組は軸方向に互いに離間した２個のロータコアと、この２個のロータコアによって挟持され、軸方向に磁化されたフェライトマグネットとより成り、各ロータコアがその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、各組の２個のロータコアが互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ２つの組の互いに隣接するロータコアの小歯の極性が互いに同一となるように配置したステッピングモータにおいて，マグネット厚みＴｍとロータコア厚みＴｃの関係がＴｍ／Ｔｃ＝０．２５〜０．４５で，ロータ小歯の最大磁束密度が１．４〜１．７Ｔで，ステータコアの主磁極の最大磁束密度が０．７５〜０．８５Ｔとなるように，マグネット厚みとロータコア厚みを設定するモータ構造とする。

図１は本発明によるロータ組を示すものである。２個のマグネット５１の厚みをＴｍ，ロータコア２１と２２のそれぞれ厚みはＴｃ／２である。中央部のコア厚みはロータコア２１と２２が重なり合い厚さはＴｃと表す。 また，ロータ組の全長は２（Ｔｃ＋Ｔｍ）と表すことができる。

図２は本発明のモータの逆起電力の大きさを，図１のマグネット厚みＴｍとロータコア厚みＴｃをパラメータとして，ＦＥＭ（有限要素法）で電磁界解析計算した結果を示すものである。
４種類のモータ長に対応するロータコアの積み厚Ｔｃに対して，ロータ組全長により，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに分けて解析を実施した。図の横軸にはフェライトマグネットの厚みを，縦軸には５００ｒ／ｍｉｎでモータを回転させた場合のＡ相の逆起電力の値を示すもので，マグネットの厚さにより逆起電力にピーク値が存在することが分かる。

ロータ組の全長を固定しているので，マグネットの厚みを増加させることは，ロータコアの厚みを減少させることになる。図６のロータとステータの位置関係で，マグネットの厚みを増加させると，各相の磁束量は増加していき，しかしロータとステータの主磁極やコアバックが飽和する限界点に達すると，Ａ相に流せなくなった磁束は漏洩磁束としてロータコアに戻る。この漏洩磁束ΦＢは正規の巻線鎖交磁束ΦＡに対して逆方向に流れるため，実質の鎖交磁束を弱め，Ａ相の逆起電力は減少していく結果となる。

図２において，Ａのロータ組全長１４ｍｍの場合にはＴｃが５．５ｍｍでＴｍが１．５ｍｍ，Ｂのロータ組全長１８ｍｍの場合にはＴｃが７ｍｍでＴｍが２ｍｍ，Ｃのロータ組全長２２ｍｍの場合にはＴｃが８ｍｍでＴｍが３ｍｍ，Ｄのロータ組全長２８ｍｍの場合にはＴｃが１０ｍｍでＴｍが４ｍｍ，が逆起電力が最大値となる組み合わせであることが分かる。 この結果は，電磁界解析ばかりでなく，実際に試作したモータで確認することができた。

図３は請求項１に関するもので，図２で得られた結果を基に，横軸にフェライトマグネット厚みＴｍとロータコア厚みＴｃの比率Ｔｍ／Ｔｃ値を，縦軸が逆起電力の値を表示した図である。ロータ組の厚み１４ｍｍ〜２８ｍｍの範囲において，逆起電力が最大になるＴｍ／Ｔｃ値は０．２５〜０．４５に存在することが分かる。

図４は請求項２に関するもので，横軸にマグネットの厚みＴｍを，縦軸がロータ小歯２３の逆起電力が最大となる位置での磁束密度を表示したものである。図２の逆起電力とフェライトマグネット厚みＴｍの関係を， 図４上にプロットするとロータ小歯の最大磁束密度は１．５〜２Ｔ内に分布していることが分かる。

図５は請求項３に関するもので，横軸にマグネットの厚みを縦軸がステータ主磁極部２の最大磁束密度差を表示した図である。図２の逆起電力とフェライトマグネット厚みの関係を， 図５上にプロットするとステータ主磁極の厚み方向両端部Ｐと中央部Ｑの磁束密度差が逆起電力に比例し，最大磁束密度は０．７５〜０．８５Ｔ内に分布していることが分かる。

図９はモータをフルステップ駆動させた場合の振動特性を示すものであり，横軸がモータ回転数，縦軸がモータのケースの半径方向の振動値である。１００ｒ／ｍｉｎ近くの共振点を脱出した点から，４５０ｒ／ｍｉｎまでの区間の振動値に本発明のモータの効果が見られる。本発明の２相４極のモータでは３〜４Ｇ，２相８極のモータでは１〜３Ｇの振動低減効果が見られる。

図１０は、２相8極モータのロータコアとステータコアの関係を示し、図１１は、３相3極モータのロータコアとステータコアの関係を示すものである。それぞれの主磁極の数が変わるが上述した2相4極モータと等価の磁気回路が構成され，同様の効果を得ることが出来る。

本発明の各要素の基本技術は確立されていて，それを２相ステッピングモータに応用することで，フェライトマグネット厚みＴｍとロータコア厚みＴｃの関係を最適に設定でき，コストパホーマンスが最大に引き出すことができ，著しい特性改善とコストダウンが見込める。そしてファクシミリ、インクジェットプリンタ、レーザビームプリンタあるいはコピー機などの画像を扱うＯＡ機器に使用されるステッピングモータとして，絶対条件であるコスト低減を図りながら低振動、低騒音を達成することが出来るから，最適な駆動源として広く活用されることが可能である。

本発明のモータのロータ組を示す図 本発明のモータの特性を示す図 本発明のモータの特性を示す図 本発明のモータの特性を示す図 本発明のモータの特性を示す図 本発明のモータのロータコアとステータコアの関係を示す平面図 本発明に関するのモータの構造図 本発明に関するモータの不平衡モーメント力を示す図 本発明に関するモータの振動特性を示す図 本発明のモータのロータコアとステータコアの関係を示す平面図 本発明のモータのロータコアとステータコアの関係を示す平面図

１：ステータ
２：ステータ主磁極
３：巻線
４：モータ軸
５：ステータ突極
６：モータケース
７：モータケース
８：軸受け
２１：ロータコア
２２：ロータコア
２３：ロータ小歯
５１：マグネット
５２：ステータ小歯
５３：ステータコアバック
Ｐ：ステータ主磁極両端部
Ｑ：ステータ主磁極中央部

Claims (3)

1. 主磁極から延びる突極部の先端に複数個の小歯を有し、該主磁極の外周を一体に連結するコアバック部と主磁極毎に巻回された巻線とを有するステータと，該ステータにエアギャップを介して且つ軸方向に配置された２組のロータ組とより成り、該ロータ組は軸方向に互いに離間した２個のロータコアと、この２個のロータコアによって挟持され、軸方向に磁化されたマグネットとより成り、前記各ロータコアがその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、前記各組の２個のロータコアが互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ前記２つの組の互いに隣接するロータコアの小歯の極性が互いに同一となるように配置したステッピングモータにおいて，
   前記マグネットとしてフェライトマグネットを使用し、該マグネットの厚みＴｍとロータコアの厚みＴｃとの関係を、Ｔｍ／Ｔｃ＝０．２５〜０．４５とし、
   前記ロータコアの小歯のモータ半径方向成分の最大磁束密度を１．４〜１．７Ｔとし、
   かつ、前記ステータの主磁極の厚み方向の両端部Ｐと中央部Ｑとの最大磁束密度差を０．７５〜０．８５Ｔとしたことを特徴とする多相ステッピングモータ。
2. 前記ステッピングモータは、主磁極数を４又は８個とした２相ステッピングモータであることを特徴とする請求項１に記載の多相ステッピングモータ。
3. 前記ステッピングモータは、主磁極数を３又は６個とした３相ステッピングモータであることを特徴とする請求項１に記載の多相ステッピングモータ。
   

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