JPS6331454A - モ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は磁路を形成するステータボールを有するステー
タと永久磁石式のロータとを備えたモータに関する。

〔従来技術］ この種のモータにはステッピングモータやｒｕｔｎモー
タ等があり、ステッピングモータの場合、複数の励磁相
（励磁コイル）を有するステータの極歯（ステータボー
ル）とロータの磁極とを対峙させ、各励磁相に一定の順
序でパルスを入力することによりロータを所定方向に一
定角度づつ回転させるよう構成されている。

したがって、ロータの初期位置からの回転角度は入力パ
ルスの数に比例するものであり、この入力パルスによっ
てステッピングモータの回転位置が制御される。

また、このステッピングモータは、コイルで励磁される
複数の極歯（ステータボール）を有するステータ内に複
数の磁極を有するロータを軸支して構成されるものであ
り、大別すると、ロータの周面に突極を設けるＶＲ（可
変レラククンス）型、ロータに永久磁石を用いるＰＭ（
永久磁石）型、およびＶＲ型およびＰＭ型を組合わせた
型式のハイブリッドＰＭ型に分ｉｎすることができ、本
発明は特にＰＭ型ステッピングモータに通用するのに女
工通である。

前記ＰＭ型のステッピングモータは、円周方向に配置さ
れた複数のステータボール（ステータ極歯）を有しかつ
各ステータボールに磁束を発生させるよう巻回したコイ
ルを備えたステータと、外ステータの内周面に対向する
外周面に複数の磁極を有する永久磁石式のロータとで構
成される。

ところで、この種のモータの運転に際し、ある一定速度
（一定パルス周期入力）まで加速して一定パルス周期入
力で持続回転させる時には、各励磁相を正のトルク範囲
で順次！ＪＩＪ換えて加速し、−定パルス周期人力領域
では各励磁相の正負のトルクをバランスさせるように切
換えトルク積分値を零にして定速駆動状態を生じさせて
いる。

この定速駆動状態では、定速といはいってもパルス周期
ごとにトルクの正負変動による速度変動が生じている。

一方、従来のこの種のモータにおいては、前記ステータ
ボールの円周ピンチおよび前記ロータのＦａ極の円周ピ
ンチはいずれも等ピッチにされ、その位置関係から回転
時の角度−トルク特性（θ−Ｔ特性）がほぼ正弦状の波
形の繰り返しであるため、トルク零点近傍でのトルク曲
線の傾斜が大きく正負のトルクによって生じる速度変動
が大きかった・ また、ロータの着磁磁極ピッチとステータボールの歯ピ
ッチとが全ての相において同一であるため、常に多くの
着磁磁極およびステータボールが互いに対向する位置関
係を占めることになり、残留トルク（コギングトルクま
たはディテントトルク）がきわめて大きくなる１頃向が
あった。

したがって、従来のモータにあっては、上記トルク零点
近傍での大きな速度変シＪ並びに大ぎな残留トルクの存
在により、滑らかな回転が妨げられ、負荷の運動が不安
定になったり騒音が発生するなどの問題があった。

〔目的１ 本発明の目的は、このような従来技術の問題を解決でき
、モータの残留トルクを低減させるとともに定速回転時
のトルク変動や速度変動を低減させることにより安定的
に円滑に作動するモータを提供することである。

〔目的達成のための手段］ 本発明は、円周方向に配置された複数のステータボール
を有しかつ各ステータボールに磁束を発生させるよう巻
回されたコイルを備えたステータと、該ステータの内周
面に対向する外周面に複数の磁極を有する永久磁石式の
ロータとで構成されるモータにおいて、前記ロータの各
磁極の円周と・ノチを不等ピンチにすることにより、上
記目的を達成するものである。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明を具体的に説明する。

第１図は本発明を適用するのに好適なｒ’Ｍ型ステッピ
ングモータを示し、第２図は第１図中の外ステータを、
第３図は第１図中のロータをそれぞれ示す。

第１図において、円筒状のステータユニット１の内部に
は出力軸２を有するロータ３が回転自在に軸支され、該
ステータユニット１の−、％ｊ：ｊにはモータ取付は用
のフランジ４が固定されている。

前記ステータユニット１は出力軸２方向にＶ１接配匿さ
れた２個のステータ５．５を接合した分割構造をしてい
る。各ステータ５．５は類似の構造を有しており、それ
ぞれ、外ステータ６、内ステータ７およびコイル８を組
付けて構成されている。

前記外ステータ６の内周部には、第２図に示すごとく、
円周方向の所定間隔位置で軸方向に突出する複数の外ス
テータボール９が形成されており、前記内ステータ７の
内周部には、前記各外ステータボール９に対し所定隙間
をもって凹凸対向するよう軸方向に突出する複数の内ス
テータボール１０が形成されている。

前記コイル８は、複数の励磁相を形成するよう前記外、
内ステータボール９．１０に巻回され、各ステータボー
ル９．１０に所定の順次で磁束を発生させるよう装若さ
れている。

前記ロータ３は永久磁石式のロータであり、その外周面
すなわち前記ステータ５．５の内径と所定の隙間で対向
する外周面には、第３図に示すごとく、円周方向に複数
の磁極（Ｎ極、Ｓ極）Ｎ、Ｓが配列されている。

以上のように、一対のステータ５．５内に永久磁石のロ
ータ３を回転自在に軸支し、各ステータに巻回した複数
のコイル（励磁相）８を所定のタイミングで順次励磁す
ることにより、出力軸２を所望の方向に所望の速度で回
転させるよう構成されている。

なお、各ステータ５．５は例えばｔ４板のプレス成形お
よび深絞り加工等で成形することができる。

上ＥＰＭ型ステノピングモーモー所望のパルスタイミン
グで次々と駆動するためには、例えば、以下に説明する
ような駆動制御が必要である。

第４図は４相ステツピングモータにおけるバイファイラ
巻線を施した励磁相を示し、第４図中、番号１１．１２
．１３．１４はそれぞれ第１相、第２相、第３相、第４
相の巻線コイルを示し、番号１５．１６．１７．１８は
それぞれの和の駆動用トランジスタを示す。

第４図において、制御回路（図示せず）からの駆動指令
信号を各駆動用トランジスタ１５．１６．１７．１８の
ベースに所定のタイミングおよび所定の順次で印加する
ことにより、対応する巻線コイル１１．１２．１３．１
４に駆動電圧ＶＤが印加される。

第５図（Δ）および（Ｂ）は、２−２相励磁および１−
１相励磁の場合の前記該１相〜第４相の駆動指令信号の
タイムチャートを例示する。

第６図は前記１−１相励磁および前記２−２和励磁によ
り発生する角度−トルク特性（θ−Ｔ特性）を例示する
。

第６図において、符号Ｉ、■、■、■はそれぞれ第１相
、第２相、第３相、第４相の巻線コイルのみを励磁した
１−１相励磁のθ−Ｔ特性を示し、Ｉｆｆは第１相の巻
線コイルおよび第２相の巻線コイルを同時に励磁した２
−２相励磁のθ−Ｔ特性を示す。

２−２相励磁は１−１相励磁において２つの相づつ同時
に励磁する場合に相当し、したがって、１１１曲線は１
曲線と■曲線との和で表すことができる。

なお、第６図のグラフには、２−２相励磁についてはＩ
ＩＩのθ−Ｔ特性のみが示されている。

第７図（Ａ）および（Ｂ）は、第６図中の１−１相励磁
でモータを駆動しである一定速度（一定パルス周期入力
）まで加速し、次いでこの一定速度に維持して回転させ
る場合の作動状態を例示する図であり、第７図（Ａ）は
時間経過に対するロータの速度特性を示し、第７図（Ｂ
）はその時のθ−Ｔ特性と相切換えタイミングを示す。

第７図（Ｂ）に示すごとく、切換時刻ｔ＝Ｑ、ｔｌ、ｔ
２で順次相Ｉ−相■−相■と切換えることにより正のト
ルクを加えて加速し、一定パルス周期入力領域では正負
のトルク（第７図（Ｂ）中の斜線部）が互いに相殺され
てバランスするよう制御しいわゆる定速駆動状態が維持
されている。

このようなステンピングモータの駆動においては、第７
図＜Ａ）、（Ｂ）から明らかなごとく、定速とは称して
も実際には切換えタイミングｔ３、ｔ４・−・・・・・
−・・・ごとに若干の速度変動ｄωが生じている。

然して、従来のＰＭ型ステフピングモータにあっては、
第８図の展開模式図に示すごとく、ステータ５．５の各
ステータボール９．１０は円周方向に等ピッチ間隔で配
置され、また、ロータ３の磁１４Ｎ、Ｓも円周方向に等
ピッチ間隔たて配列されていたので、それらの位置関係
から、θ−Ｔ特性がほぼ正弦波状波形の繰返しであるた
め、トルク零点近傍のトルク変化率が大きく、正負のト
ルク変動により生じる速度変動も大きな値になっていた
。

ざらに、第８図のステータボール部およびロータ邪の展
開模式図から明らかなごとく、ステータボール９．１０
の歯ピッチとロータ３の着ｔｆ！を磁＋】ピッチとは全
ての相が同一であるために、常に多くの着磁磁＋ｉ　＝
よびステータボールが互いに対向する位置関係を占める
ことになり、残留トルク（コギング］・ルクまたはディ
テントトルク）がきわめて大きくなる傾向があった。

なお、第１図および第８図に示すごとく一対のステータ
５．５を設け、各ステータの残留トルクの位相および振
巾を正負対称形に選定することにより、モータの残留ト
ルクを零にすることも考えられるが、実際には、以下に
説明する残留トルク発生のメカニズムから明らかなごと
く、単に一対のステータ５．５を設けるだけでは残留ト
ルクを低減させることは困難である。

まず、第８図のようにロータ３の着磁ピンチおよびステ
ータ５．５の割り出し角度ともに等ピンチで配列した時
の各ステータ５．５における残留トルクは第９図中の曲
線Ａ、Ｂのように表される。

ところで、モータ全体に出現する残留トルクは一方のス
テータ５から発生する残留トルクＡと他方のステータ５
から発生する残留１−ルクＢとの和であり、両方のステ
ータ５．５が全く均一に構成されていわば、残留トルク
Ａと残留トルクＢとは互いに打消されモータ全体に出現
する残留トルクは零になるはずである。

しかし、通常では、ロータ３の着磁誤差や加工精度など
何らかのアンバランスが発生することは避けられず、第
１０図（Ａ）および（Ｂ）のように各ステータ５．５の
残留トルクＡ、Ｂのアンバランスによりその和としての
残留トルクＸおよびＹが発生する。

なお、第１０図（Δ）は両方のステータ５．５の残留ト
ルクＡ、Ｂの位相が同じである場合を示し、第１０図（
Ｂ）は残留トルクＡ、、Ｂの振巾および位相が異なる場
合を示す。

このように、従来のＰＭ型ステッピングモータにあって
は、一対のステータ５．５を互いに対称に配置したとし
ても、残留トルクを低減することは事実上不可能であり
、モータ回転の不円滑あるいは負萄運転の不安定化や騒
音発生の原因になっていた。

第１１図は本発明によるＰＭ型ステッピングモータのス
テータボール部およびロータ部の展開模式図である。

第１１図は複数の外ステータポール９および内ステータ
ポール１０を互いに噛合い状態で対向させた構造を有す
るステータ５を軸方向に２個接合配列して第１図のよう
なステータユニット１を構成する場合を例示する。

ステータユニット１の内径内には、円周方向所定間隔で
複数の着磁磁極Ｎ、Ｓが交互に形成されたロータ３が回
転自在に軸支されている。

然して、本発明によれば、第１１図に示すごとく、各ス
テータ５．５において互いに噴み合されるステータボー
ル９．１０は円周方向等間隔（等ピッチ）で形成される
のに対し、ロータ３の複数の磁極Ｎ、Ｓは円周方向に不
等間隔（不等ピッチ）で配置されている。

この着磁磁極Ｎ、Ｓの不等ピッチ配置としては、例えば
、各間隔が等測的に正弦波状に大小に変化するような配
置、あるいは各間隔が順次等比級数的または等着抜数的
に大小に変化するような配置などが採用される。

第１２図はロータ３周面上のｎ番目の着磁磁極と（ｎ−
，１）番目の着はＣ磁極との間の間隔ｎｉの変化特性を
例示する。

以上説明したように、ロータ３の複数の着磁磁極Ｎ、Ｓ
を円周方向に不等ピッチで配置することにより、同−相
内においても、互いに対向するロータ３の着磁磁極Ｎ、
Ｓとステータボール９．１０との対の数を大幅に減少さ
せることができ、モータ全体の残留トルク（コギングト
ルク）も大幅に軽減させることができた。

例えば、第１０図（八）および（Ｂ）に示すごとく一対
のステータ５．５のアンバランスやロータ３の着磁ｔ１
差などにより残留トルクＸ、Ｙが発生する場合は、各種
の誤差を見込んで予めロータ３の、？７磁磁極の円周ピ
ッチ（位相）をズラしておくことにより、モータ全体の
残留トルクを零にしたり大幅に低減させるなど一層効果
的に低減させることができた。

すなわち、ステータ５．５やロータ３の寸法や組立て上
の誤差のパターンに合せてロータ３の着ＫＩ　ＫＩ　Ｊ
、’ｆｉ　（Ｎ　、　Ｓ　）のピンチ等を設定すること
により残留］・ルクを効果的に低減させることができる
。

例えば、第１０図（Ｉ３）のように両ステータ５．５の
久＋５留トルクＡ、Ｂの振ＩＩＪおよび位相が異なる場
合には、予め第１Ｏ図（Ｂ）中の二点鎖線Ｚで示すよう
に予めロータ３の磁極のピッチを変化させておけば残留
トルクを効果的に大幅低減することができる。

また、ロータ３の複数の若磁磁極Ｎ、Ｓを円滑方向に不
等ピッチで配置することにより、θ−Ｔ特性も、第１３
図に示すごとく、トルク零の近傍での傾斜が小さくかつ
正負のトルク値が小さな痩せた波形の特性曲線になる。

このため、定速回転時すなわち一定パルス周期入力時に
生じるトルク変動や速度変動もきわめて小さな値に抑え
ることができた。

なお、以上の説明では本発明をステッピングモータに通
用する場合を例示したが、本発明は正弦波の２相電流に
よって駆動される周期モータ、あるいは、前述の回転型
モータを直線状に展開したりニアモータ等にも同様に適
用することができる。

また、ステータボール９．１０の山形形状は、第１１図
に示すような直方形のみならず、第１４図（Ａ）に示す
ような台形、第１４図（１３）に示すような凸変曲翼形
、さらには第１４図（Ｃ）のように厚さを変化させた形
状など、種々の形状を採用することができる。

〔効果〕

以上の説明から明らかなごとく、本発明によれば、ロー
タの磁極の円周ピッチを不等ピンチにするというｆｉｉ
　ｆｌ’！な構成により、定速回転時のモータの残留ト
ルク、トルク変動および速度変動を制御することができ
、安定したｇＡ動が可能な回転式５−夕が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用するのに好適なＰＭ型ステフビン
グモータの一部破断斜視図、第２図は第１図中のスクー
タの部分斜視図、第３図は第１図中のロータの斜視図、
第４図は第１図のステッピングモータの励磁相を示す回
路図、第５図（Ａ）および（１３）はそれぞれ２−２相
励磁および１−１相励磁の駆動指令信号のタイミングチ
ャート、第６図は第５図（Ａ）および（Ｂ）の各相励磁
によって得られる角度−トルク（θ−Ｔ）特性を例示す
るグラフ、第７図（Ａ）および（Ｂ）は１−１相励磁に
おいて一定速度まで加速する場合のロータ速度およびト
ルクの値を例示するグラフ、第８図は従来のステッピン
グモータのステータボール部およびロータ磁極部の展開
模式図、第９図は一対のステータのボール割り出しピッ
チおよびロータの磁極ピッチとも等ピッチで配列したと
きの各ステータの残留トルクを例示するグラフ、第１０
図（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ一対のステータの残留
トルクのアンバランスにより生じるモータの残留トルク
を例示するグラフ、第１１図は本発明によるモータのス
う一−クポール部およびロータ磁極部の展開模式図、第
１２図は第１１図のロータの磁極間のピッチ（間隔）変
化１ｊ（性を例示するグラフ、第１３図は第１１図のモ
ータの角度−トルク（θ−Ｔ）特性を例示するグラフ、
第１４図（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれステータボールのｉ
′１）形彫状を例示する模式図である。 １−・−・・・・・−ステータユニット、２−・−−−
−−−・−出力刺Ｉ、３・・−・−・−・・−ロータ、
５．５・−・−−一一−ステータ、８−−−−・・・コ
イル、９．１０−・−・−・・・・ステータボール、ｔ
・−・・・・−・−時間、θ−・・−・・−・−・角度
、ω・−・−・・−・・・・ロータ回転速度、Ｔ・・・
・・・・・・・−トルク、Ｘ、　Ｙ・・−・−・−・−
残留トルク。 第５図 （Ａ） 茅４＠　　　　Ｌ−ニー 第６図 第１３図 第１４図 （Ｇ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）円周方向に配置された複数のステータボールを有
   しかつ各ステータボールに磁束を発生させるよう巻回し
   たコイルを備えたステータと、該ステータの内周面に対
   向する外周面に複数の磁極を有する永久磁石式のロータ
   とで構成されるモータにおいて、前記ロータの各磁極の
   円周ピックを不等ピッチにすることを特徴とするモータ
   。