JP5649203B1

JP5649203B1 - ステッピングモータ

Info

Publication number: JP5649203B1
Application number: JP2014126637A
Authority: JP
Inventors: 正和野上; 建夫木榑
Original assignee: NOGAMI Shinobu
Current assignee: NOGAMI Shinobu
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-06-19
Also published as: US9722477B2; US20170110954A1; EP2988402A1; JP2016005423A; EP2988402A4; WO2015194210A1

Abstract

【課題】励磁コイルの磁力を回転子の回転動作に効果的に寄与させた高効率のステッピングモータを提供する【解決手段】本発明に係るステッピングモータ５０は、内側に略円筒状の内周面を有した永久磁石２２を用い、この内周面の内側に略円柱状の励磁コイル２６を配置する。そして、永久磁石２２と励磁コイル２６とが特定の位置となった時に励磁コイル２６への電流印加のオン・オフ及び印加方向を切り換える。これにより、励磁コイル２６の両端に働く斥力及び引力をステッピングモータ５０の回転運動に寄与させることができる。このため、本発明に係るステッピングモータ５０は高い変換効率を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、励磁コイルの磁化によって回転するステッピングモータに関するものである。

回転子側に永久磁石を配し、固定子側に励磁コイルを配し、この励磁コイルのオン・オフ等を制御することで回転子を回転させる例えば下記［特許文献１］等に記載のステッピングモータが実用化されている。また、本願発明者らは、同極が対向した永久磁石間に、コイルを横方向に向けて配置した変換効率の高い発電装置に関する発明を行った［特許文献２］。

特開平１１−１６８８７０号公報特許第４８７３６７１号公報

しかしながら、［特許文献１］に示すような従来のステッピングモータは、回転に寄与する磁束に漏れが多く効率が悪いという問題点がある。本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、励磁コイルの磁力を回転子の回転動作に効果的に寄与させた高効率のステッピングモータを提供することを目的とする。

本発明は、
（１）固定子１２に軸支された回転軸１０と、前記回転軸１０に固定された回転板２０と、前記回転板２０に固定され前記回転軸１０を中心とした同心円状に等間隔且つ磁極が交互となるように配置された複数の永久磁石２２と、前記固定子１２に固定され略円柱状の複数の励磁コイル２６と、を備え、
前記永久磁石２２が、内側が同極で略Ｃ字状の内周面を有し、
前記励磁コイル２６が、前記永久磁石２２の内周面の内側に配置され、
前記励磁コイル２６の磁化により、内周面の内側を前記励磁コイル２６が通過するように前記永久磁石２２が移動することで前記回転板２０が回転するステッピングモータであって、
前記励磁コイル２６の長さが、隣り合う前記永久磁石２２のピッチ間隔Ｌよりも若干長く、
前記励磁コイル２６の両端のうち、励磁コイル２６から見て永久磁石２２が向かってくる側を前端２６ａとし、永久磁石２２が離れて行く側を後端２６ｂとし、前記永久磁石２２の両端のうち、励磁コイル２６に向かって行く側を前端としたときに、
前記永久磁石２２の略中心が前記励磁コイル２６の後端２６ｂを若干過ぎた位置となった時に、前記励磁コイル２６の前端２６ａ及び後端２６ｂと、前記励磁コイル２６の両端部に位置する永久磁石２２とが各々反発するように前記励磁コイル２６を励磁し、
前記永久磁石２２の前端が前記励磁コイル２６の後端２６ｂと略同等の位置となった時に、前記励磁コイル２６の励磁を停止することを特徴とするステッピングモータ５０を提供することにより、上記課題を解決する。

本発明に係るステッピングモータは、永久磁石の内側に略円筒状の内周面を形成し、この内周面の内側に略円柱状の励磁コイルを配置する。これにより、励磁コイルの両端の磁極の斥力及び引力をステッピングモータの回転運動に寄与させることができ、高い変換効率を得ることができる。

本発明に係るステッピングモータの概略構成図である。本発明に係るステッピングモータの永久磁石と励磁コイルの構成を説明する図である。本発明に係るステッピングモータの回転動作を説明する図である。本発明に係るステッピングモータの制御機構の一例を示す図である。

本発明に係るステッピングモータについて図面に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明に係るステッピングモータ５０の模式的な上面図である。また、図１（ｂ）は本発明に係るステッピングモータ５０のＸ−Ｘ断面図である。尚、図１（ａ）においては、後述の永久磁石２２を実線で示し、回転子３０内に位置する励磁コイル２６に関する構成を破線で示す。

本発明に係るステッピングモータ５０は、固定子１２に軸支された回転軸１０と、この回転軸１０に固定された回転板２０と、この回転板２０に固定された複数の永久磁石２２と、固定子１２に固定された複数の励磁コイル２６と、を有している。そして、永久磁石２２は回転軸１０を中心とした同心円状に等間隔且つ磁極が交互となるように設置される。尚、回転板２０は、第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂとで構成し、この第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂとで永久磁石２２を挟持して保持することが強度の面から好ましい。

また、励磁コイル２６は回転軸１０を中心とした同心円状に等間隔且つ磁芯が横方向（同心円の接線方向）を向くように設置される。尚、永久磁石２２と励磁コイル２６との個数の比は３：２や５：３等、如何なるものとしても良い。ただし、ここでは永久磁石２２と励磁コイル２６との個数の比を４：３とした上で、励磁コイル２６を永久磁石２２に対する位置関係が同一の３つの位相グループで構成し、これらを均等に配列して構成した例を示している。即ち、図１（ａ）では、永久磁石２２を３２個、励磁コイル２６を２４個設置し、励磁コイル２６の（１）、（４）、（７）、（１０）、（１３）、（１６）、（１９）、（２２）が第１の位相のグループを、励磁コイル２６の（２）、（５）、（８）、（１１）、（１４）、（１７）、（２０）、（２３）が第２の位相のグループを、励磁コイル２６の（３）、（６）、（９）、（１２）、（１５）、（１８）、（２１）、（２４）が第３の位相のグループをそれぞれ構成した例を示している。

次に、永久磁石２２と励磁コイル２６の構成を図２を用いて説明する。ここで、図２は永久磁石２２と励磁コイル２６の部分拡大図である。図２に示す永久磁石２２は略円筒状の内周面を有し、その内周面は一部の周面が軸線方向に沿って開口した略Ｃ字形状を呈している。そして、この略Ｃ字状の内周面は全て同磁極で構成される。尚、図２では断面略扇形の永久磁石を３枚配列して永久磁石２２を形成する例を図示しているが、本発明の永久磁石２２はこの構成に限定されるものではなく、一体的に形成した永久磁石２２を使用しても良い。

また、励磁コイル２６は略円柱状の磁芯１４と、この磁芯１４の周りに巻回された巻線１６とで構成され、全体として略円柱形状を呈している。尚、磁芯１４としては、周知のフェライトコア等を用いても良いが、渦電流による発熱を抑制する観点からケイ素鋼もしくはケイ素鋼板を円柱状に貼り合せたものを用いることが好ましい。そして、励磁コイル２６は永久磁石２２の開口部を通したコイルステー１８を介して固定子１２に固定される。これにより、励磁コイル２６は永久磁石２２の内周面の内側に永久磁石２２と非接触の状態で保持される。尚、励磁コイル２６と永久磁石２２の内周面との間には十分な間隙が設けられ、永久磁石２２が回転した場合でも内周面と励磁コイル２６とが接触することはない。そして、永久磁石２２が回転軸１０を中心に回転移動する際には、永久磁石２２の内周面の内側を励磁コイル２６が非接触の状態を維持しながら順次通過する。また、励磁コイル２６を構成する巻線１６の両端の引出し線は、励磁コイル２６への電流印加のオン・オフ及び印加方向を制御する制御機構に各々接続される。

次に、本発明に係るステッピングモータ５０の動作を図３を用いて説明する。尚、図３においては、一つの励磁コイル２６を図示して説明を行うが、前述のように励磁コイル２６には別位相の励磁コイル２６が存在し、これらの励磁コイル２６が以下の動作を順次行うことにより、ステッピングモータ５０は連続して回転動作する。

先ず、励磁コイル２６の長さは、図３（ａ）に示すように、隣り合う永久磁石２２のピッチ間隔Ｌ、即ち、隣り合う永久磁石２２の中心から中心までの距離Ｌよりも、若干長く形成する。ここで、励磁コイル２６の両端のうち、励磁コイル２６から見て永久磁石２２が向かってくる側（図３における右側）を前端２６ａとし、永久磁石２２が離れていく側（図３における左側）を後端２６ｂとする。そして、本発明に係るステッピングモータ５０では励磁コイル２６が図３（ａ）の状態、即ち、永久磁石２２（２２ａ）の略中心位置が励磁コイル２６の後端２６ｂを若干過ぎた位置となった時に、制御機構が励磁コイル２６の巻線１６に所定の電流を印加して励磁コイル２６を励磁する。このときの電流の印加方向は、励磁コイル２６の前端２６ａとこの前端２６ａに位置する永久磁石２２ｂの内周面の磁極とが同極となり、励磁コイル２６の後端２６ｂとこの後端２６ｂに位置する永久磁石２２ａの内周面の磁極とが同極となる方向である。ここで、図３（ａ）では、永久磁石２２ｂの内周面がＳ極であり、永久磁石２２ａの内周面がＮ極であるから、制御機構は励磁コイル２６の前端２６ａをＳ極とし、後端２６ｂをＮ極とする方向に電流を印加する。

これにより、励磁コイル２６の前端２６ａはＳ極に、後端２６ｂはＮ極に励磁され、励磁コイル２６の前端２６ａと永久磁石２２ｂの内周面との間には斥力が働き互いに反発する。同様に、励磁コイル２６の後端２６ｂと永久磁石２２ａの内周面との間には斥力が働き互いに反発する。このとき、励磁コイル２６は永久磁石２２ａの略中心位置を若干過ぎた位置にあり、また励磁コイル２６の長さは永久磁石２２のピッチ間隔Ｌよりも長いから、励磁コイル２６の前端２６ａは永久磁石２２ｂの中心よりも永久磁石２２ｃ側に突出している。そして、永久磁石２２ｃの磁極は永久磁石２２ｂの磁極と逆方向であるから、励磁コイル２６の前端２６ａと永久磁石２２ｃの内周面との間には引力が働き、その結果、永久磁石２２ｃは励磁コイル２６の側に引き寄せられる。そして、この引力と斥力の働きにより、永久磁石２２ａ、２２ｂ、２２ｃは回転板２０とともに回転軸１０を中心に図３中の矢印の方向に回転移動する。これにより回転子３０は回転動作し、ステッピングモータ５０の回転軸１０が回転する。

次に、永久磁石２２の両端の内、励磁コイル２６に向かって行く側（図３における左側）を前端とする。そして、上記の回転動作によって永久磁石２２（２２ｂ）の前端が図３（ｂ）に示すように、励磁コイル２６の後端２６ｂと略同等の位置となった時に、制御機構はこの励磁コイル２６に対する電流印加を停止する。

次に、永久磁石２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）は他の位相の励磁コイル２６の励磁動作等によって回転移動し、図３（ｃ）に示す状態となる。この図３（ｃ）に示す状態は、永久磁石２２ｂの略中心位置が励磁コイル２６の後端２６ｂを若干過ぎた位置である。このとき、制御機構は励磁コイル２６の巻線１６に所定の電流を印加して励磁コイル２６を励磁する。このときの電流の印加方向は、励磁コイル２６の前端２６ａとこの前端２６ａに位置する永久磁石２２ｃの内周面の磁極とが同極となり、励磁コイル２６の後端２６ｂとこの後端２６ｂに位置する永久磁石２２ｂの内周面の磁極とが同極となる方向である。ここで、図３（ｃ）では、永久磁石２２ｃの内周面がＮ極であり、永久磁石２２ｂの内周面がＳ極であるから、制御機構は励磁コイル２６の前端２６ａをＮ極とし、後端２６ｂをＳ極とする方向、即ち図３（ａ）とは逆の方向に電流を印加する。

これにより、励磁コイル２６の後端２６ｂはＳ極に、前端２６ａはＮ極に励磁され、励磁コイル２６の前端２６ａと永久磁石２２ｃの内周面との間には斥力が働き互いに反発する。同様に、励磁コイル２６の後端２６ｂと永久磁石２２ｂの内周面との間には斥力が働き互いに反発する。さらに、励磁コイル２６の前端２６ａと永久磁石２２ｄの内周面との間には引力が働き互いに引き合う。この引力と斥力の働きにより、永久磁石２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは回転板２０とともに回転軸１０を中心に図３中の矢印の方向に回転移動する。これにより回転子３０は回転動作し、ステッピングモータ５０の回転軸１０が回転する。そして、これらの動作が他の位相の励磁コイル２６も含めて繰り返し行われることで回転軸１０は連続して回転動作する。

次に、本発明に係るステッピングモータ５０の好適な制御機構４０の例を図４を用いて説明する。ここで、図４は制御機構４０のうち、１つの位相グループの励磁コイル２６に対する制御部分を示した概略図である。尚、本発明に係る制御機構４０は特にこの構成に限定されるものではなく、永久磁石２２の位置を検出して励磁コイル２６への電流印加のオン・オフ及び印加方向を切り換える機構であれば如何なるものを用いても良い。

図４に示す制御機構４０は、１つの位相グループの励磁コイル２６に並列に接続された第１駆動部４１ａと、第２駆動部４１ｂと、を有している。そして、第１駆動部４１ａ、第２駆動部４１ｂには、励磁コイル２６を励磁するためのバッテリ等の周知の直流電源４４ａ、４４ｂと、この直流電源４４ａ、４４ｂにそれぞれ直列に接続されたソリッドリレー等の周知のスイッチング手段ＳＷ１、ＳＷ２と、永久磁石２２の位置に応じてスイッチング手段ＳＷ１、ＳＷ２をそれぞれオン・オフする光センサ４２ａ、４２ｂと、を有している。

そして、永久磁石２２（２２ａ）が図３（ａ）に示す位置となったときに、光センサ４２ａはこの位置を検知してスイッチング手段ＳＷ１をオンする。これにより、励磁コイル２６には直流電源４４ａから電流が印加され、励磁コイル２６の前端２６ａがＳ極、後端２６ｂがＮ極となるように励磁される。これにより、永久磁石２２と励磁コイル２６との間には斥力及び引力が働き、回転子３０が回転する。

次に、回転子３０が回転して、図３（ｂ）に示す位置となったときに、光センサ４２ａはこの位置を検知してスイッチング手段ＳＷ１をオフする。これにより、励磁コイル２６への電流印加は停止する。

次に、回転子３０がさらに回転して、図３（ｃ）に示す位置となったときに、光センサ４２ｂはこの位置を検知してスイッチング手段ＳＷ２をオンする。スイッチング手段ＳＷ２がオンすると、励磁コイル２６には直流電源４４ｂから上記とは逆方向に電流が印加され、励磁コイル２６の前端２６ａがＮ極、後端２６ｂがＳ極となるように励磁される。これにより、永久磁石２２と励磁コイル２６との間には斥力及び引力が働き、回転子３０が回転する。

次に、回転子３０が回転して、永久磁石２２ｃの前端がこの位相グループの励磁コイル２６の後端２６ｂと略同等の位置となると、光センサ４２ｂはこの位置を検知してスイッチング手段ＳＷ２をオフする。これにより、直流電源４４ｂによる励磁コイル２６への電流印加は停止する。そして、これらの動作が他の位相グループの励磁コイル２６を含めて繰り返し行われることにより、ステッピングモータ５０の回転軸１０は連続的に回転する。

以上のように、本発明に係るステッピングモータ５０は、内側に略円筒状の内周面を有した永久磁石２２を用い、この内周面の内側に略円柱状の励磁コイル２６を配置する。そして、永久磁石２２と励磁コイル２６とが特定の位置となった時に励磁コイル２６への電流印加のオン・オフ及び印加方向を切り換える。これにより、励磁コイル２６の両端に働く斥力及び引力をステッピングモータ５０の回転運動に寄与させることができる。このため、本発明に係るステッピングモータ５０は高い変換効率を得ることができる。

尚、本発明に係るステッピングモータ５０、制御機構４０の各部の構成、形状、動作、永久磁石、励磁コイルの個数や配置等は特に上記の例に限定されるものではなく、本発明は本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更して実施することが可能である。

１０回転軸
１２固定子
２０回転板
２２永久磁石
２６励磁コイル
２６ａ（励磁コイルの）前端
２６ｂ（励磁コイルの）後端
５０ステッピングモータ

Claims

固定子に軸支された回転軸と、
前記回転軸に固定された回転板と、
前記回転板に固定され前記回転軸を中心とした同心円状に等間隔且つ磁極が交互となるように配置された複数の永久磁石と、
前記固定子に固定され略円柱状の複数の励磁コイルと、を備え、
前記永久磁石が、内側が同極で略Ｃ字状の内周面を有し、
前記励磁コイルが、前記永久磁石の内周面の内側に配置され、
前記励磁コイルの磁化により、内周面の内側を前記励磁コイルが通過するように前記永久磁石が移動することで前記回転板が回転するステッピングモータであって、
前記励磁コイルの長さが、隣り合う前記永久磁石のピッチ間隔よりも若干長く、
前記励磁コイルの両端のうち、励磁コイルから見て永久磁石が向かってくる側を前端とし、永久磁石が離れて行く側を後端とし、前記永久磁石の両端のうち、励磁コイルに向かって行く側を前端としたときに、
前記永久磁石の略中心が前記励磁コイルの後端を若干過ぎた位置となった時に、前記励磁コイルの前端及び後端と、前記励磁コイルの両端部に位置する永久磁石とが各々反発するように前記励磁コイルを励磁し、
前記永久磁石の前端が前記励磁コイルの後端と略同等の位置となった時に、前記励磁コイルの励磁を停止することを特徴とするステッピングモータ。