JPH05111233A - 永久磁石式ステツピングモ−タ - Google Patents
永久磁石式ステツピングモ−タInfo
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Abstract
石式ステッピングモ−タを提供すること。 【構成】 固定子2とその外周をエアギャップを保って
回転可能な永久磁石を持った回転子1を備え,固定子巻
線を3相で3極式とした永久磁石式ステッピングモ−タ
において,次の構成とするようにした。 (イ)回転子1が円筒形の永久磁石材より成り,その内
周面にN極,S極交互にその対数でZm個着磁された構
造であってZm=3n−1またはZm=3n+1の関係
式を満足すること。但し,n は1以上の自然数とす
る。 (ロ)回転子1がリング状の永久磁石を回転軸方向に2
極に磁化し,その両端にインタ−ナルギヤ状の内周側に
Zr個の歯をもった電磁鉄等の磁性体を配置した構造
で,その2個のインタ−ナルギヤ状の歯ピッチを1/2 ピ
ッチずらした回転子1としたときZr=3n−1または
Zr=3n+1の関係式を満足すること。但し,nは1
以上の自然数とする。
Description
(以下LBPと略す)等の低価格で,小型,高出力を要
求されるOA機器用の永久磁石式ステッピングモ−タに
関するものである。
ピングモ−タとしては,インナ−ロ−タ形で固定子の極
数が6以上のものが多く,また,低価格とするために固
定子の極数を小とするものが用いられていた。
の永久磁石式ステッピングモ−タとしては高出力とする
ために,回転子の径を大とすることが必要であるが,イ
ンナ−ロ−タ形では回転子の径はモ−タ外形寸法が決め
られた場合,そのモ−タ外径に対し,あまり大きくとれ
ないという問題点があった。さらに,モ−タの相数に関
していえば,2相式,3相式,4相式,5相式のものが
あるが,4相,5相のものではモ−タ及び駆動回路が相
数分だけ複雑となり高価になる。一方,モ−タ回転時の
振動は相数が増す程,小さくなる。ところで,LBPの
用途では低価格,高出力という条件の他に,さらに回転
時の振動が小さいことも要求される。この低価格と低振
動とを両立させるには2相式より3相式が総合的見地か
らは良いが,従来の3相式の永久磁石式ステッピングモ
−タでは,上記条件を満足するものは存在しなかった。
本発明は従来のものの上記課題(問題点)を解決するよ
うにした永久磁石式ステッピングモ−タを提供すること
を目的とする。
本原理から説明する。一般に,高出力のステッピングモ
−タとするためには,外形寸法が限定されている場合,
回転子の直径が大きい程有利である。即ち,回転子半径
をR,回転子又は固定子の出力軸方向の厚さをWとする
と,回転子に働く法線方向の総力Fは次式で表される。 F=k×2π×R×W 但し,kは定数 従って,トルクT=F×R=2πkWR2 となり,トルクは回転子半径Rの2乗に比例することに
なる。本発明の第1の目的はインナ−ロ−タ形からアウ
タ−ロ−タ形にして高出力化を図るものである。本発明
の他の目的は固定子極数を極力少なくして低価格化を図
る点にある。この場合,固定子極数は等ピッチとする必
要がある。実際のモ−タ製造においては,固定子は硅素
鋼鈑の薄板を積み重ねて作るが,この時90°ずつ1枚
ごとに回転させて積層する。このようにすると硅素鋼鈑
の磁気的方向性や板厚のムラが相互に相殺されてステッ
プ角精度や振動が改善されるからである。しかし,この
固定子極数を等ピッチで少なくして回転子歯と対向する
位置に設定し,相切換えで回転させるには固定子極数と
回転子の歯数または着磁数との間に特定の条件が存在
し,その条件を満足した時のみ等ピッチの固定子でステ
ッピングモ−タとして回転動作をするものである。その
条件とは次のものである。 イ.回転子が円筒形の永久磁石材より成るアウタ−ロ−
タ形で,その内周面にN極,S極が交互にその対数Zm
個(従ってN極またはS極の数がZm個)着磁された構
造であって,Zm=3n−1またはZm=3n+1の関
係を満たすこと。但し,nは1以上の自然数とする。 ロ.回転子がリング状の永久磁石を回転軸方向に2極に
磁化し,その両端にインタ−ナルギヤ状の内周側にZr
個の歯をもった電磁鉄等の磁性体を配した構造でその2
個のインタ−ナルギヤ状の歯ピッチを1/2ピッチずら
した回転子とした時,Zr=3n−1またはZr=3n
+1の関係を有すること。但し,nは1以上の自然数と
する。 即ち,上記イまたはロの条件を満たすステッピングモ−
タによって本発明の課題である低価格で小形高出力,低
振動のステッピングモ−タが実現するものである。
の特定の条件を満足するものであるから,次のような優
れた作用を有する。即ち,3相,3極のために低価格
で,低振動とできるため,LBPに好適となる。また,
アウタ−ロ−タ形のものでは高出力化でき,さらに,等
ピッチ固定子磁極で回転子磁極数または歯数を特定とす
ることにより高精度の駆動ができるものである。
例を示すもので,図中(a)は縦断側面図,(b)は縦
断正面図である。同図に示すものは,3極式アウタ−ロ
−タステッピングモ−タであり,回転子が永久磁石材の
リングより成り,内周にZm個のN極とS極が交互に等
ピッチ着磁されている。3極の固定子磁極は120°等
ピッチ配置され,各々の先端には複数の歯が各々等数で
設けられ,その歯ピッチは360°/Zmかそれに近い
値をとる。同図において,1は回転子となる永久磁石材
のリングであり,同図(a)にはN,Sがリング1の端
面に図示してあるが,実際にはリング1の内円周面に磁
化されている。2は固定子,3はコイルである。各相の
コイルは各々3等分された固定子磁極に1相ずつ巻かれ
ている。4は回転子軸5とリング1を結合する中子,6
は軸受である。7はモ−タの取付け板で,軸受6と固定
子2の結合の役目をも兼用している。本実施例のもので
は,永久磁石材のリング1をフェライトマグネット等の
安い永久磁石を使用すれば低価格とできるが,ステップ
角を小さくしようとすると,Zmが多くなり着磁に限界
がある。 (第2の実施例)図2は本発明の第2の実施例を示すも
ので,対応する構成については図1と同一の符号を付し
て示してある。本実施例のものは,第1の実施例のもの
に比べ回転子の構成が永久磁石式という点では共通する
が,次の点で相違する。即ち,本実施例のものでは,回
転子8は永久磁石材のリング9を両面より内周に歯をも
ったインタ−ナルギヤ状の鉄等の磁性体8−1と8−2
で挟着した構造とし,磁性体8−1と8−2は歯数をZ
rとすると180°/Zrだけ即ち1/2ピッチだけ歯
位置をずらして構成している点である。なお,本実施例
のものでは,回転子8に形成される歯数Zrはプレス打
ち抜きで作るため,第1の実施例のZmよりは5〜6倍
多く取れ,微小ステップ角の用途に適している。図1
(a)または図2(a)をみると,3個の各磁極のコイ
ル3により磁極2−1はN極に,他の磁極2−2,2−
3は夫々S極に磁化された場合を示しているが,そのと
き回転子は磁極2−1の歯幅の100%対向する位置と
なっているが,磁極2−2及び2−3とは各々その歯幅
の2/3が夫々異極性で対向する位置となっている。そ
して,磁極2−2と2−3で発生する回転子トルクはバ
ランスしており,ここが安定位置となる。図1及び図2
に示す本発明の第1,第2の各実施例は,ZmまたはZ
rが16であり,3相式では360°/Zmまたは36
0°/Zrが1/6となるのでステップ角は3.75°
となる。図1(b),図2(b)に示すように6または
6Aは軸受で,これは取付板7のパイプ状部分で保持さ
れ,図2(b)で示すように1個でもよく,従って回転
子軸5と軸受6Aとのクリアランスの確保がし易い。な
お,軸受6Aは含油メタルで構成しても良く,この場
合,ボ−ルベアリングを使用する場合に比べ低価格化で
きる。 (第3の実施例),(第4の実施例)次に,図3及び図
4により本発明の第3及び第4の各実施例を説明する。
これらは夫々図3は図1を,図4は図2の構成要素でイ
ンナ−ロ−タ化したものである。図3において,1Aは
回転子,2Aは固定子,2A−1〜2A−3は夫々固定
子磁極,3Aはそれらのコイルである。なお,5Aは回
転子軸である。図4において,8Bは回転子で,これは
磁性体8B−1,磁性体8B−2の中間に永久磁石リン
グ9Bを挟着して構成している。なお,5Bは回転子軸
である。2Bは固定子,2B−1〜2B−3は固定子磁
極,3Bはコイルである。なお,図3(b)及び図4
(b)に示すように,各軸受11−1,11−2は固定
子2A,2B及び回転子1A,8Bの両側に夫々別れて
配置されているため,出力軸とのクリアランスの確保,
即ち心出し性では第1及び第2の実施例(図1及び図
2)に示した2個の含油メタルでは困難であり,従っ
て,図3及び図4に示すように軸受11−1,11−2
としては,ボ−ルベアリングを使用することになる。こ
のようにインナ−ロ−タ形とし,2個のボ−ルベアリン
グを使用する場合で,低価格を維持するには,固定子の
磁極数は6個とすることは難しく,実用上,3個が限度
である。次に,第1,第3の各実施例の場合における回
転子磁極対数Zmの特定式を説明する。3相モ−タのス
テップ角は前述したように θS=(360/Zm)×(1/6)=60/Zm・・・(1) 固定子の磁極総数は3であるから θS=+{(360/3)−360(n−1/2)/Zm}・・・(2) または θS=−{(360/3)−360(n+1/2)/Zm}・・・(3) (2)及び(3)に夫々(1)を代入すれば,次式のよ
うにZmを特定できる。 Zm=3n−1・・・(4) または Zm=3n+1・・・(5) 本発明は図1(a),図2(a)に示したように,2相
目の固定子磁極が1相目の回転子磁性の逆極の磁性と2
/3ずれて対向する位置にあることで(2)式または
(3)式を成立させたことに特徴があり(4)式または
(5)式が成立する。第2,第4の各実施例の場合にお
ける前述した歯数Zrの特定式も,同様にして導くこと
ができる。次に図5により駆動原理を説明する。図5は
アウタ−ロ−タ形の回転子(たとえば,図1の回転子
1)を各図の上側に,また固定子2の3個の磁極A,
B,Cをその下側にしてエアギャップ方向に展開したも
のである。なお,図5(図6,図7も同様である)で
は,簡単のため,3個の固定子磁極A,B,Cとして
は,図1(または図2)の各固定子磁極の先端に等ピッ
チで形成された3個の小歯(磁歯)を1つの磁極A〜C
で示したものである。この場合,各固定子磁極A,B,
Cの極性は図5の(イ)から(ヘ)に示すようにN,S
極が変わり,3相3励磁式を示している。同図(イ)か
ら(ヘ)にA,B,Cの極性が移って行くとき,必ず前
の状態から次の状態へ移るとき,1個の磁性が変わって
いるのが特徴である。即ち,(イ)→(ロ)ではBがS
→Nへ,(ロ)→(ハ)ではAがN→Sというように変
わっていき,その都度,回転子は1/6ピッチずつ図5
では右側方向へ進行していき,(イ)〜(ヘ)で1ピッ
チ即ち360°/Zr進んでいる。なお,(ヘ)の次は
(イ)の状態に戻り(イ)〜(ヘ)の状態を繰り返す。
このA,B,Cの磁極性を作るためのコイルの巻き方は
図6のように3個のコイルが独立しており,かつ同図の
矢印方向に電流を流しても,たとえばA,B,Cが各々
N,S,Sとなる。一方,図7に示すようにA,B,C
の巻き終わりを短絡してコイルa,b,cの電流を矢印
方向に流せば,同様にA,B,Cを各々たとえばN,
S,Sとさせることができる。また,図8に記載した第
1表はZr=3n−1及びZr=3n+1で,nを変え
たときのZrとステップ角(θS)の関係を示す図表で
ある。第1表中に,割り切れたステップ角が多く現れて
いることから,本発明の利用度が高いことが示されてい
る。
次のような優れた効果を有する。 永久磁石式3相3極ステッピングモ−タのため,低価
格で,低振動であり,特にLBP等に適したものとな
る。 アウタ−ロ−タ形のものでは高出力となる。 円筒永久磁石ロ−タ式は低価格とした,アウタ−ロ−
タ形ステッピングモ−タとすることができる。 等ピッチ固定子磁極で本発明の回転子磁極数または歯
数を特定することで,高精度のステッピングモ−タが実
現できる。
−タの第1の実施例を示す図で,同図(a)は縦断側面
図,同図(b)は縦断正面図である。
−タの第2の実施例を示す図で,同図(a)は縦断側面
図,同図(b)は縦断正面図である。
−タの第3の実施例を示す図で,同図(a)は縦断側面
図,同図(b)は縦断正面図である。
−タの第4の実施例を示す図で,同図(a)は縦断側面
図,同図(b)は縦断正面図である。
説明するための固定子と回転子の対向磁極の配置図で,
同図(イ)〜(ヘ)はその駆動に伴う各磁極の極性の変
化を示すものである。
コイルの例を示す。
コイルの別の例を示す。
の関係を示す図表(第1表)である。
Claims (3)
- 【請求項1】 円環状ヨ−クの外方向に放射状に等ピッ
チで植設されたポ−ルの先端に同数で複数の等ピッチの
小歯を持った固定子とその外周をエアギャップを保って
回転可能な永久磁石を持った回転子を備え,固定子巻線
を3相で3極式とした永久磁石式ステッピングモ−タに
おいて,次の構成とするようにしたことを特徴とする永
久磁石式ステッピングモ−タ。 (イ)回転子が円筒形の永久磁石材より成り,その内周
面にN極,S極交互にその対数でZm個(N又はSの数
がZm)着磁された構造であって Zm=3n−1またはZm=3n+1 の関係式を満足すること。但し,n は1以上の自然数
とする。 (ロ)回転子がリング状の永久磁石を回転軸方向に2極
に磁化し,その両端にインタ−ナルギヤ状の内周側にZ
r個の歯をもった電磁鉄等の磁性体を配置した構造で,
その2個のインタ−ナルギヤ状の歯ピッチを1/2ピッ
チずらした回転子としたとき Zr=3n−1またはZr=3n+1 の関係式を満足すること。但し,nは1以上の自然数と
する。 - 【請求項2】 円環状ヨ−クの内側方向に放射状に等ピ
ッチで植設した磁極ポ−ルの先端に同数で複数の等ピッ
チの小歯を持った固定子とその内周にエアギャップを保
って回転可能な永久磁石を持った回転子を備え,固定子
巻線を3相とした永久磁石式ステッピングモ−タにおい
て,下記の構成とするようにしたことを特徴とするイン
ナ−ロ−タ形永久磁石式ステッピングモ−タ。 (イ)固定子磁極が3極構造であって,回転子が円筒形
の永久磁石材より成り,その外周面にN極,S極交互に
その対数でZm個着磁された構造であり Zm=3n−1またはZm=3n+1 の関係式を満足すること。但し,nは1以上の自然数と
する。 (ロ)固定子磁極が3極構造であって,回転子がリング
状の永久磁石を回転軸方向に2極に磁化し,その両端に
ギヤ状の外周にZr個の歯をもった電磁鉄等の磁性体を
配した構造で,その2個のギヤ状の歯ピッチを1/2ピ
ッチずらした回転子としたとき Zr=3n−1またはZr=3n+1 の関係式を満足すること。但し,nは1以上の自然数と
する。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の永久磁石式3
相ステッピングモ−タにおいて,固定子磁極の巻線の巻
き始め同士または巻き終り同士を短絡して給電端子を3
とするようにしたことを特徴とする永久磁石式3相ステ
ッピングモ−タ。
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