JPS6331455A - 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ポ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同期モータ等
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）を有するステークの極歯（ステータポール）
とロータの［Ｉｉとを対峙させ、各励磁相に一定の順序
でパルスを人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人力パ
ルスの数に比例するものであり、この人力パルスによっ
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Ｉ！ｉ（ステータポール）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
（可変レラクタンス）型、ロータに永久磁石を用いるＰ
Ｍ（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型に分類することができ、
本発明は特にＰＭ型ステッピングモータに通用するのに
々子連である。

前記ＰＮ２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ポール（ステーク極歯）を有しか
つ各ステータポ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
で順次切換えて加速し、−定パルス周期入力領域では各
、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
ポールの円周ピッチおよび前記ロータの磁極の円周ピッ
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
の伊斜が大きく正負のトルクによって生じる速度変動が
大きがった。

また、ロータの着磁磁極ピッチとステータポールの歯ピ
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ポ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傾向があ
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動並びに大き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〕

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クポール
を有しかつ各ステータポ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、前記ステータ
に配置されるステークポールの円周ピッチを不等ピッチ
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ＰＭ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の一端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方向に隣接配置され
た２個のステーク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
テータポール９が形成されており、前記内ステータ７の
内周部には、前記各外ステータポール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
テークボール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、
内ステータポール９．１０に巻回され、各ステークポー
ル９．１０に所定の順次で磁束を発生させるよう装着さ
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、開方向に複
数の＠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１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ｉＡ坂のプレス成形お
よび深絞り加工等で成形することができる。

上Ｅ　Ｐ　Ｍ　型ステッピングモータを所望のパルスタ
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
それぞれの相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（Ａ）および（Ｂ）は、２−２相励磁および１−
１相励はの場合の前記該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　＋Ｕ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ト目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、Ｉ　ＩＩ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、Ｉｎ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
ｎ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１＝０、ｔｌ、ｔ
２で順次相■−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。

このようなステッ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、Ｌ４−・−−一−−
・・ごとに若干の速度変動ｄωが生している。

然して、従来のＰＭ型ステノビングモモーにあっては、
第８図の展開模式図に示すごとく、ステータ５．５の各
ステータポール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の磁極Ｎ、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
ク変動により生しる速度変動も大きな値になっていた。

さらに、第８図のステータポール部およびロータ部の展
開模式図から明らかなごとく、ステータポール９．１ｏ
の歯ピッチとロータ３の着磁磁手函ピッチとは全ての相
が同一であるために、常に多くの着磁磁極およびステー
ク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）〜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仰向があった。

なぞ３、第１図および第８図に示すごとく一対のステー
ク５．５を設け、各ステーク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
りこ説明する残留トルク発生のメカニズムから明らかな
どとぐ、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の着磁ピッチおよびステ
ータ５．５の割り出し角度ともに等ピッチで配列した時
の各ステーク５．５における残留トルクは第９面中の曲
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と他方のステーク５
から発生する残留トルク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（Ａ）は両方のステーク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荷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Ｐ〜丁丁型スワンピングモータ
ステータポール部およびロータ部の展開横弐図である。

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ｆｆｉ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間接合配列して第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、ロー
タ３の複数の＠ｈ　（Ｎ、Ｓ）は円周方向に等間隔（等
ピッチ）で配置されているのに対し、各ステータ５．５
は円周方向に不等間隔（不等ピッチ）で配列されている
。

このステークボール９．１０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
左縁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図はステータ５の外ステータ６または内ステータ
７におけるステータポールと（ｎ−１）番目の着磁ＶＡ
極との間の間隔ｎ１の変化特性を例示する。

以上説明したように、ステータ５．５の各ステータポー
ル９．１０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とステークボール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（Ａ）および（Ｂ）に示すごトく一対
のステータ５．５のアンバランスやロータ３の着磁誤差
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ステータポール９．１０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ステークボール９．１０のピ
ッチ等を設定することにより残留トルクを効果的に低減
させることができる。

例えば、第１０図（Ｂ）のように両ステーク５．５の残
留トルクＡ、Ｂの振巾および位相が異なる場合には、予
め第１０図（Ｂ）中の二点鎖線Ｚで示すように予ステー
タポール９．１０ビノチヲ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、ステータポール９．１０円周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ｉ生曲線になる。

このため、定速回転時すなわち一定パルス周明大力時に
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ンビングモータに適
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、ステータポール９．１０の歯形形状は、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（Ｂ）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、ステ
ークボールの円周ピッチを不等ピッチにするという簡単
な構成により、定速回転時のモータの残留トルク、１−
ルク変動および速度変動を制御することができ、安定し
た駆動が可能な回転式モータが得られる。

【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型スステンピ
ングモータ一部破断斜視図、第２図は第１図中のスター
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図のステンビングモークの励磁相を示す回
路図、第５図（Ａ）および（Ｂ）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図は従来のステソピン
グモークのステータポ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ろ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
テータポール部およびロータ磁極部の展開模式図、第１
２図は第１１図のステータポールのピッチ（間隔）変化
特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ポールの歯形形状
を例示する模式図である。 １−−−−・−ステータユニット、２−−−−・−出力
軸、３−〜−−−−−−−−−ロータ、５　、　５−−
−−−・ステーク、８−・−・・−−コイル、９．１０
・・−・−・−・−ステークボール、を−・−・−・時
間、θ−−−−−−・−・・−角度、ω−−−　ロータ
回転速度、Ｔ＝−・−一−−−トルク、Ｘ　、　Ｙ−−
−−−一残留トルク。 代理人　弁理士　　大　音　康　毅 第３区 第４図 第５図 （Ａ） 茅４＠　　−口−１−ニー 第６図 第１１図

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ポールを有
   しかつ各ステータポ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、前記ステータに配置さ
   れるステータポールの円周ピッチを不等ピッチにするこ
   とを特徴とするモータ。