JPH06209554A

JPH06209554A - ステッピングモータ

Info

Publication number: JPH06209554A
Application number: JP36108092A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Nose; 保能勢
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 1992-12-29
Filing date: 1992-12-29
Publication date: 1994-07-26

Abstract

(57)【要約】【目的】簡易な構造で、ステッピングモータのＴ／Ｎ
特性値を大幅に向上させること目的とする。【構成】界磁磁石２７に取り付けたヨーク板２６，２
８の形状により、界磁磁石２７の総磁束を、電機子の鉄
心２３側に反転させつつ集中させ、界磁磁石２７の総磁
束を分散させることなく集中させる構造で多極化を行う
ことによって、従来のように界磁磁石に多極着磁を行う
ことなく、しかも電機子側の構造を簡易に維持しつつ、
界磁磁石２７からの磁束を常時最大限に利用し、磁極数
及び有効磁束Φの双方を同時に増大可能としたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、相対的に移動するよう
に設けられた電機子と界磁磁石とからなるステッピング
モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々のステッピングモータが開発
されているが、従来のステッピングモータの一例として
図１０及び図１１に示された構成のモータがある。この
ものは、所謂２−３（磁極数−コア極数）構造と呼ばれ
ているモータであり、ロータを構成するケーシング１の
内周壁に中空円筒状の界磁磁石２が固定されているとと
もに、この界磁磁石２の内周側に、電機子３がステータ
を構成するように配置されている。上記界磁磁石２の着
磁は、円周方向に２つの異なる磁極Ｎ，Ｓを形成するよ
うに行われているとともに、前記電機子３は、界磁磁石
２の内周壁に近接して磁束を集める３体の突極３ａ，３
ａ，３ａを有しており、これらの各突極３ａの各々にコ
イル３ｂ，３ｂ，３ｂがそれぞれ巻回されている。

【０００３】また多極型のステッピングモータとして、
例えば図１２に示されているような構成のモータがあ
る。このものでは、ロータケーシング１１の内周壁に固
定された中空円筒状の界磁磁石１２に、円周方向に沿っ
て異なる磁極Ｎ，Ｓが所定のピッチで多数着磁されてい
るとともに、この界磁磁石１２の内周側にステータを構
成するように配置された電機子１３に、多数の突極１３
ａ，１３ａ，…が設けられている。そしてこれらの各突
極１３ａの各々には、コイル１３ｂがそれぞれ巻回され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのような従
来の各種ステッピングモータでは、所謂Ｔ／Ｎ特性値が
未だ十分でないという問題がある。すなわちＴ／Ｎ特性
値は、ステッピングモータのＴ−Ｎ特性におけるトルク
Ｔと回転数Ｎとの商であり、具体的には、Ｔ／Ｎ特性値＝Ｔ_S ／Ｎ_O ＝ΔＴ／ΔＮ＝Ｋ_E ・Ｋ_T ／Ｒ・・・・・・・・・・で表される。ここで、Ｔ_S ；始動トルクＮ_O ；無負荷回転数Ｋ_E ；逆起電圧定数Ｋ_T ；トルク定数Ｒ；内部抵抗である。

【０００５】このＴ／Ｎ特性値は、モータの基本である
Ｔ−Ｎ特性の大きさを表しており、ステッピングモータ
の大きさを比較することができる。例えばＴ／Ｎ＝３の
ステッピングモータは、Ｔ／Ｎ＝１のステッピングモー
タを３個同時に回したのと同じＴ−Ｎ特性が出せる。よ
り具体的には、Ｔ／Ｎ特性値は、モータの体積の約２乗
（正確には５／３乗）に比例しており、また界磁磁石に
おけるＢＨ_MAX にほぼ比例する関係を有している。した
がって従来から、より大きいモータや強い磁石を使用し
ようとする場合には、結果的にＴ／Ｎ特性値を大きくし
ようとしているものである。

【０００６】Ｔ／Ｎ特性値を大きくした場合には、次の
ようなことが可能となる。１）発生トルクの増大。２）立上り時間の低減。３）トルク定数及び逆起電圧定数の増大。４）定格電流の低減。５）損失（銅損）の低減。６）高効率化。７）発熱の低減。８）出力の増大。９）負荷変動による回転数変動への影響低減。

【０００７】またＴ／Ｎ特性値に余裕がある場合には、
活用の仕方によって次のようなことが可能になる。１）モータの小型、薄型、軽量化。２）材料見直し等による低コスト化。３）設計の自由度の拡大。

【０００８】このように従来から提案されているステッ
ピングモータに関する各種の提案は、結果的に、より高
いＴ／Ｎ特性値を得るためのものが多い。すなわちステ
ッピングモータの軽薄短小化、省電力化、省資源化、低
価格化等の要請の根底になっているのは、（Ｔ／Ｎ特性
値）／（体格）及び（Ｔ／Ｎ特性値）／（コスト）であ
って、Ｔ／Ｎ特性値をいかに効率よく出すかが従来から
の課題となっている。例えば、１）小型化、薄型化、軽量化。２）始動トルクの伸長。３）立上がり時間の短縮化。４）電流値の低減。５）損失（銅損）の低減。６）合理化。等であり、従来からのステッピングモータ技術に関する
提案は、結果的にＴ／Ｎ特性値を向上させるための検討
ともいえるものが多い。実際的には、Ｔ／Ｎ特性値で５
％乃至１０％の違いが競合している。

【０００９】次にこのようなＴ／Ｎ特性値を決める要素
としては、Ｐ（磁極数）、Φ（有効磁束）、Ｈ（並列コ
イル数）、Ａ（コイル断面積）、Ｌ（１Ｔ当りのコイル
長）があり、それを式で表すと、Ｔ／Ｎ特性値＝Ｐ² ・Φ² ・Ｈ・Ａ／Ｌ・・・・となる。したがってこれらの各要素を全体として最大と
なるように組み合わせればＴ／Ｎ特性値が最大になる。
特に、Ｐ² ×Φ² をいかに大きくするかがポイントにな
る。

【００１０】このような観点から考察すれば、上述した
図１０及び図１１に示された所謂２−３（磁極数−コア
極数）構造の電動機の場合には、３相のモータにおいて
磁極数と突極数とが最小限の組み合せとなっており、例
えば図示の位置関係においては、矢印で示したようにＮ
極の総磁束が１カ所の突極３ａに集中している。したが
って有効磁束Φは大きくなっている。しかしながら磁極
数Ｐが２であるため、Ｔ／Ｎ特性値の向上には限界があ
る。

【００１１】一方図１２に示された多極型のものでは、
磁極数Ｐと並列コイル数Ｈとが増大されていると同時
に、コイル長Ｌが減じられることによって、Ｔ／Ｎ特性
値の向上が図られているが、電機子１３の突極１３ａと
界磁磁石１２との１突極当りの対向面積が小さくなって
おり、磁束が分散使用されている。すなわち同じ総磁束
を多極に分けて使っているため、磁極数Ｐは増えている
が有効磁束Φは減少しており、結局、上式中におけるＰ
² ×Φ² の値は変わっていない。また並列コイル数Ｈの
増大は可能であるが、コイル断面積Ａの減少に打ち消さ
れてしまい、構造が複雑化する割にはＴ／Ｎ特性値を大
幅に向上させることはできない。したがってこの多極型
の場合には、ＢＨ_MAX の大きい磁石を採用して有効磁束
Φを稼ぎ、Ｔ／Ｎ特性値の向上を図っているのが現状で
ある。

【００１２】このように従来型のステッピングモータで
は、強い磁石を使うという大幅コストアップにつながる
方法でしかＴ／Ｎ特性値の向上を図ることができないと
いう問題がある。

【００１３】そこで本発明は、簡易な構造でＴ／Ｎ特性
値を大幅に向上させることができるようにしたステッピ
ングモータを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、鉄心に複数相のコイルが巻回された電機子
と、この電機子に対して相対移動可能に配置された界磁
磁石と、を有するステッピングモータにおいて、上記界
磁磁石は、電機子との相対移動方向に延在され、かつこ
の延在方向に直交する方向に着磁されているとともに、
この界磁磁石の各着磁端面のそれぞれに、当該界磁磁石
の延在方向に沿ってヨーク板がそれぞれ取り付けられ、
それらの両ヨーク板には、当該ヨーク板の延在方向に所
定のピッチで配置される複数の磁路形成用凸部が設けら
れてなり、前記鉄心と磁路形成用凸部とは、界磁磁石の
磁束を鉄心に集束させるように相互に近接・離間し、か
つその鉄心内を通過する磁束の方向が、電機子と界磁磁
石との相対移動に伴い上記磁路形成用凸部の配置ピッチ
毎に反転する位置関係に設けられている。

【００１５】

【作用】このような構成を有する手段においては、界磁
磁石に取り付けられたヨーク板の形状により、磁石の総
磁束を分散させることなく集中させる構造によって多極
化が行われているため、磁石に多極着磁を行うことな
く、しかも電機子側の構造を簡易に維持しつつ、磁極数
及び有効磁束の双方が同時に増大されるようになってい
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。まず図１及び図２に示されている第１の実
施例は、３相のステッピングモータに本発明を適用した
ものであって、基板２０の中心部に立設された中空円筒
状の軸受ホルダー２１内に、回転軸２２が回転自在に支
承されているとともに、上記軸受ホルダー２１の外周部
には、電機子の鉄心２３がステータを構成するように固
定されている。この鉄心２３は、珪素鋼鈑等を所定の厚
さに積層してなるものであって、放射状に延びる３体の
突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃが、回転軸を中心にして円
周方向に１２０°のピッチ間隔で設けられており、各突
極２３ａ，２３ｂ，２３ｃの途中部分に、３相励磁用の
コイル２４，２４，２４がそれぞれ巻回されている。

【００１７】一方上記回転軸２２の軸受突出部分には、
ロータを構成する円筒状の回転体２５が一体的に回転す
るように固定されているとともに、この回転体２５の図
示下面部には、皿状の非磁性部材からなるケース２５ａ
が同心状に取り付けられている。さらにそのケース２５
ａの外周部に設けられたフランジ状部分の内周壁部に
は、界磁磁石２７が環状に固定されている。この界磁磁
石２７は、上記電機子の各突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃ
の外周側を、所定の空隙を介して環状に取り囲む中空円
筒体からなり、固定状態にある上記電機子の回りを回転
移動してロータを構成するように配設されている。また
この界磁磁石２７としては、フェライト或いは稀土類の
マグネットが採用されており、その延在方向である周方
向に直交する方向（軸方向）に着磁が行われている。本
実施例では、界磁磁石２７の図示上側端面がＮ極に着磁
されているとともに、図示下側端面がＳ極に着磁されて
いる。

【００１８】さらに上記界磁磁石２７における図示上側
及び図示下側の各着磁端面には、ヨーク板２６及びヨー
ク板２８がそれぞれ取り付けられている。これらの各ヨ
ーク板２６，２８は、界磁磁石２７の各着磁端面に沿っ
て延在するリング状の強磁性材からなり、界磁磁石２７
の図示上側のＮ極側に取り付けられたヨーク板２６がＮ
極に磁化されているとともに、界磁磁石２７の図示下側
のＳ極側に取り付けられたヨーク板２８はＳ極に磁化さ
れている。

【００１９】また一方のヨーク板２６の内周縁部には、
軸中心に向かって突出する４体の磁路形成用凸部２６
ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが設けられているととも
に、他方のヨーク板２８の内周縁部には、軸中心に向か
って突出する４体の磁路形成用凸部２８ａ，２８ｂ，２
８ｃ，２８ｄが設けられている。これら各ヨーク板２６
の磁路形成用凸部２６ａ，…及びヨーク板２８の磁路形
成用凸部２８ａ，…どうしは、前記電機子の鉄心２３を
軸方向から挟み込みつつ回転移動するように構成されて
いる。すなわち電機子の鉄心２３と、各ヨーク板２６及
び２８の磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…と
は、両者の相対移動に伴い近接・離間するようになされ
ており、両者が軸方向に対面するように近接したときに
は、界磁磁石２７からの磁束が、上記各ヨーク板２６及
び２８の磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…を通
して、鉄心２３側に集束する構成になされている。この
とき磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…の板厚及
び鉄心２３との対面長さは、鉄心２３の厚さとほぼ同じ
寸法に設定されている。

【００２０】これら両ヨーク板２６及び２８における各
磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…は、周方向に
９０°のピッチ間隔で並設されており、一方側の磁路形
成用凸部２６ａ，…と他方側の磁路形成用凸部２８ａ，
…とは、互いに周方向に４５°ずらされて配置されてい
る。すなわち平面視において、Ｎ極に磁化された磁路形
成用凸部２６ａ，…と、Ｓ極に磁化された磁路形成用凸
部２８ａ，…とは、周方向に４５°のピッチ間隔で交互
に環状配置されており、一方側の磁路形成用凸部２６
ａ、他方側の磁路形成用凸部２８ａ、一方側の磁路形成
用凸部２６ｂ、他方側の磁路形成用凸部２８ｂ、…の順
に交互に配置されている。そしてこれにより計８極の磁
極が多極着磁を行うことなく構成されている。したがっ
て前記鉄心２３のコイル２４を装着した部分を通過する
磁束の方向が、上記両側の磁路形成用凸部２６ａ，２８
ａの配置ピッチ（４５°）毎に反転する配置関係になさ
れている。

【００２１】なお前述した基板２０から延びるリード線
は、モータの外部に設けられている駆動制御回路２９に
接続されている。

【００２２】このような実施例におけるステッピングモ
ータでは、電機子側と界磁磁石側とが、図示の位置関係
にあるとき、すなわち一方のヨーク板２６の磁路形成用
凸部２６ａ（Ｎ極）が一つの突極２３ａに近接し、かつ
他方のヨーク板２８における一対の磁路形成用凸部２８
ｂ，２８ｃ（Ｓ極）が他の突極２３ｂ，２３ｃに近接し
ているときには、図示矢印のようにして界磁磁石２７か
らの総磁束が、各磁路形成用凸部２６ａ，２８ｂ，２８
ｃを通して鉄心２３に集束される。

【００２３】次にこの状態から界磁磁石側が４５°回転
移動したときには、例えばヨーク板２８の磁路形成用凸
部２８ａ（Ｓ極）が突極２３ａに近接するともに、ヨー
ク板２６における一対の磁路形成用凸部２６ｃ，２６ｄ
（Ｎ極）が突極２３ｂ，２３ｃに近接する。したがって
界磁磁石２７からの総磁束は、上述した矢印方向とは反
対側に反転して鉄心２３に集束される。

【００２４】このように本実施例では、界磁磁石２７に
取り付けられた一対のヨーク板２６，２８の形状によ
り、界磁磁石２７の総磁束を分散させることなく集中さ
せる構造で多極化が図られており、これによって界磁磁
石２７からの磁束が常時最大限に利用され、磁極数Ｐ及
び有効磁束Φの双方が同時に増大されるようになってい
る。そしてその多極化にあたっては、従来のように界磁
磁石に多極着磁は行われておらず、しかも電機子側の構
造が簡易に維持されている。

【００２５】この状態は、前述した図１０及び図１１に
示された所謂２−３構造のステッピングモータと同様な
総磁束集中状態のままで、磁極数Ｐを増大させた状態と
なっている。そして前述した式に示した通り、Ｔ／Ｎ
特性値に対して磁極数Ｐは２乗で寄与することから、磁
極数Ｐを３倍とすればＴ／Ｎ特性値は９倍となり、本実
施例のように磁極数Ｐを４倍とすればＴ／Ｎ特性値は１
６倍、磁極数Ｐが５倍ならＴ／Ｎ特性値は２５倍のよう
にしてＴ／Ｎ特性値は大幅に向上される。

【００２６】ここでモータの発生トルクは、コイルの中
を通る磁束Φの単位角度θ当たりの変化（ｄΦ／ｄθ；
磁束密度の傾斜の大きさ）に比例し、Ｔ／Ｎ特性値はそ
の２乗に比例している。そのためステッピングモータの
１回転中における磁束Φの変化を、従来の２極型モータ（Ｐ＝２）、従来の多極型モータ（Ｐ＝１０）及び本発明にかかるモータ（Ｐ＝１０）のそれぞれについて比較してみる。

【００２７】図３から明らかなように、まず破線で示し
た従来の２極型モータ（）では、大きな磁束がゆっく
り変化しており、太線で示した従来の多極型モータ
（）では磁束Φの切り替わりが５倍となっている。し
かし磁束Φ自体は１／５になっているため、結局、磁束
Φの変化ｄΦ／ｄθ（傾斜の大きさ）は両者とも同じで
ある。これに対して細線で示した本発明構造（）の場
合には、従来の２極型モータ（）と同じ総磁束を集中
的に集めているとともに、従来の多極型モータ（）と
同じ間隔で切り替えが行われている。そのため磁束Φの
変化ｄΦ／ｄθ（傾斜の大きさ）が非常に大きくなって
いる。この場合、各モータの電機子側条件が仮に同じで
あるとすると、の従来型モータに比べての本発明
のモータは、発生トルク（トルク定数）が５倍、Ｔ／Ｎ
特性値が２５倍となる。

【００２８】また図４に示されている実施例では、上述
した図１及び図２の実施例に対応する構成物について、
十の位の符号「２」を「４」に代えて表している。この
実施例では、上記実施例よりさらに多極化するように各
ヨーク板４６及び４８のそれぞれに、多数の磁路形成用
凸部４６ａ〜４６ｈ及び４８ａ〜４８ｈが突設されてい
るとともに、鉄心４３の各突極４３ａ，４３ｂ，４３ｃ
の先端部分が、二股状に分割されている。このように突
極の先端部分を二股状とすれば、ヨーク板への負担を低
減することができる。

【００２９】さらに図５に示されている実施例では、図
１及び図２の実施例に対応する構成物について、十の位
の符号「２」を「５」に代えて表している。この実施例
では、各ヨーク板５６及び５８の磁路形成用凸部を、符
号５６ａ〜５６ｈ及び５８ａ〜５８ｈのように増大させ
て多極化しているとともに、鉄心５３の突極数を、５３
ａ〜５３ｆのように増大させている。

【００３０】さらにまた図６に示されている実施例で
は、上述した第１の実施例と対応する構成物について、
符号中の十の位「２」を符号「６」に代えて表してい
る。本実施例では、両ヨーク板６６，６８に設けられて
いる各磁路形成用凸部６６ａ，６８ａが、電機子側の鉄
心６３の周端面に対面するように軸方向に向かって略Ｌ
字状に折曲されている。

【００３１】次に図７に示されている実施例は、２相モ
ータに本発明を適用したものであって、前記第１の実施
例と対応する構成物について、符号中の十の位「２」を
符号「７」に代えて表している。本実施例における電機
子は、一対の鉄心７３，７３を有しており、一方の鉄心
７３の両端部に設けられた突極７３ａ，７３ｂ及び他方
の鉄心７３の両端部に設けられた突極７３ｃ，７３ｄ
が、ヨーク板７６及び７８の磁路形成用凸部７６ａ〜７
６ｈ及び７８ａ〜７８ｈのいずれかに近接・離間するよ
うに構成されている。

【００３２】さらに図８及び図９に示されている実施例
では、上述した第１の実施例と対応する構成物につい
て、符号中の十の位「２」を符号「８」に代えて表して
いる。本実施例では、上述した各実施例中の電機子と界
磁磁石とを、内側と外側とを逆の関係にして配置したも
のであって、ロータを構成する円筒状の界磁磁石８７の
外周側に、電機子の鉄心８３及びコイル８４がステータ
を構成するように配置されている。上記鉄心８３は、３
体の突極８３ａ，８３ｂ，８３ｃを備えており、円周方
向の一部分のみに配置されている。

【００３３】このように本発明には、種々の形状の電機
子及び界磁磁石を採用することができ、同様な作用・効
果を得ることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように本発明にかかるステッ
ピングモータは、界磁磁石に取り付けたヨーク板の形状
により、界磁磁石の総磁束を電機子の鉄心側に反転を繰
り返すように集中させ、界磁磁石の総磁束を分散させる
ことなく集中させる構造で多極化を行うものであるか
ら、従来のように界磁磁石に多極着磁を行うことなく、
しかも電機子側の構造を簡易に維持しつつ、界磁磁石か
らの磁束を常時最大限に利用して磁極数及び有効磁束の
双方を同時に増大することができ、簡易な構造によりＴ
／Ｎ特性値を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例におけるステッピングモー
タを表した平面説明図である。

【図２】図１に表したステッピングモータの構造を表し
た横断面説明図である。

【図３】ステッピングモータの１回転中における磁束Φ
の変化を比較した線図である。

【図４】本発明の第２実施例におけるステッピングモー
タを表した平面説明図である。

【図５】本発明の第３実施例におけるステッピングモー
タを表した平面説明図である。

【図６】本発明の第４実施例におけるステッピングモー
タを表した半横断面説明図である。

【図７】本発明の第５実施例におけるステッピングモー
タを表した平面説明図である。

【図８】本発明の第６実施例におけるステッピングモー
タを表した平面説明図である。

【図９】図８に表したステッピングモータの構造を表し
た横断面説明図である。

【図１０】従来におけるステッピングモータの一例を表
した平面説明図である。

【図１１】図１０に表したステッピングモータの構造を
表した横断面説明図である。

【図１２】従来におけるステッピングモータの他の例を
表した平面説明図である。

【符号の説明】

２３，４３，５３，６３，７３，８３鉄心２４，４４，５４，６４，７４，８４コイル２６，４６，５６，６６，７６，８６ヨーク板２８，４８，５８，６８，７８，８８ヨーク板２７，４７，５７，６７，７７，８７界磁磁石２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ磁
路形成用凸部４６ａ〜４６ｈ，４８ａ〜４８ｈ磁路形成用凸部５６ａ〜５６ｈ，５８ａ〜５８ｈ磁路形成用凸部６６ａ〜６６ｈ，６８ａ〜６８ｈ磁路形成用凸部７６ａ〜７６ｈ，７８ａ〜７８ｈ磁路形成用凸部８６ａ〜８６ｉ，８８ａ〜８８ｉ磁路形成用凸部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄心に複数相のコイルが巻回された電機
子と、この電機子に対して相対移動可能に配置された界
磁磁石と、を有するステッピングモータにおいて、上記界磁磁石は、電機子との相対移動方向に延在され、
かつこの延在方向に直交する方向に着磁されているとと
もに、この界磁磁石の各着磁端面のそれぞれに、当該界磁磁石
の延在方向に沿ってヨーク板がそれぞれ取り付けられ、それらの両ヨーク板には、当該ヨーク板の延在方向に所
定のピッチで配置される複数の磁路形成用凸部が設けら
れてなり、前記鉄心と磁路形成用凸部とは、界磁磁石の磁束を鉄心
に集束させるように相互に近接・離間し、かつその鉄心
内を通過する磁束の方向が、電機子と界磁磁石との相対
移動に伴い上記磁路形成用凸部の配置ピッチ毎に反転す
る位置関係に設けられていることを特徴とするステッピ
ングモータ。
【請求項２】請求項１に記載のステッピングモータに
おいて、ロータを構成する界磁磁石及びヨーク板が、ステータを
構成する電機子の外周側に配設されていることを特徴と
するステッピングモータ。