JPH0731121A

JPH0731121A - ステップモータ

Info

Publication number: JPH0731121A
Application number: JP16988193A
Authority: JP
Inventors: Hisatsugu Ishikura; 久嗣石倉; Kenji Sato; 憲治佐藤
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Astemo Ltd
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】車両用のアクチュエータに利用されるステップ
モータにおいて、漏洩磁束を増加させずに櫛形歯極の軸
長延長を図り、高トルク、低コストで、さらに応用範囲
の広いステップモータを提供する。【構成】固定子の磁極は、中空円筒状の両歯櫛形誘導子
歯である内側ステータ６を中にして、左右から二個のカ
ップ状の片歯櫛形誘導子歯である外側ステータ４および
１１で挾み、構成されている。外側ステータ４および１
１と、内側ステータ６の櫛形歯極の歯先は、互いの歯極
の先端が向かい合う形となっている。隣合う歯極同志の
対向している部分が、歯極の全長に亘っていないので、
漏洩磁束２１は少なくなる。また、磁束密度の高い歯極
の根元部で、歯極が隣合わないので、漏洩磁束２１は、
発生しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両用のアクチュエー
タに利用される、小形で、高トルクのステップモータに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トルク特性の向上を図った従来形のステ
ップモータとしては、特開昭61−128762号公報に開示さ
れているものがある。これによれば、固定子鉄心の櫛形
歯極は、その展開形状が星形である板材を曲げて、カッ
プ状の櫛形に成形されたものであり、軸方向に長い歯極
構造である。この長い櫛形歯極は、回転子の永久磁石と
の対向面積を広げ、必要の磁束量を確保するものであ
る。そして、固定子鉄心の一つの相の磁極は、カップの
底部を重ね合わせ、歯先の向きを同一方向に揃え、同一
円周上に歯極を並行配置されている、二個一組のカップ
状の櫛形歯極から形成されている。従って、一個のステ
ップモータに対して、カップ状の櫛形歯極が、Ａ相とＢ
相の磁極でそれぞれ二個づつ、計四個ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のステップモータ
は、パルスレート、すなわち自起動周波数の低い領域で
は大きいトルクを発生するが、自起動周波数の高い領域
ではトルクの低いものである。つまり、最大自起動周波
数の低いモータであった。これは、隣合う歯極の対向し
ている側面面積が広いので、その側面からの漏洩磁束が
多いと云うことが原因である。しかも、磁束密度が高く
なる歯極の根元部で、隣合う歯極との距離が最も短くな
るため、さらに磁束が漏洩すると云う悪い条件が重なっ
ている。漏洩磁束が多いと云うことは、漏れインダクタ
ンスの増加を意味し、このインダクタンスの増加が、高
周波領域でのモータ電流の低下、すなわち、モータトル
クの低下を招いている。ロータリソレノイドと違ってス
テップモータを使う目的は、高い周波数までも位置制御
を行うことにあり、従って、高い周波数領域でのトルク
確保が重要である。ここに、漏洩磁束を減少させ、高ト
ルクモータを得るという課題の一つがある。

【０００４】また、励磁コイルが軸方向に配置された軸
方向タイプのモータはあるが、励磁コイルが径方向に配
置された径方向タイプのモータは作られていない。それ
は、励磁コイルを径方向に配置すると正常な磁気回路が
得られないからである。従来技術の構成で励磁コイルを
径方向に配置した場合、ステータとロータ間のエアギャ
ップ以外に、カップ状歯極の先端側とヨークの間にもエ
アギャップが必要である。それにより磁気抵抗が大きく
なり、磁束が減少する。仮に、このエアギャップを無く
すと歯極とヨークのみで磁気回路が形成され、コイルと
鎖交する磁束が大幅に減少するからである。これを解決
し、径方向タイプのモータも得られれば、ステップモー
タの応用範囲の点から、有効である。

【０００５】部品点数として、カップ状歯極がＡ相とＢ
相でそれぞれ二個づつ、合計四個であり、ここにも、部
品点数の少ないモータを得るという課題がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、円周方向に
配置された複数の誘導子歯からなる固定子鉄心を有する
ステップモータにおいて、中空円筒状の両歯櫛形誘導子
歯を中にして、左右から二個のカップ状の片歯櫛形誘導
子歯で挾み、前記固定子鉄心を構成することにより達成
される。

【０００７】また、上記目的を達成する櫛形誘導子歯
は、櫛歯根元の円周よりも、櫛歯先端の円周の方が大き
いラッパ状になっているものである。

【０００８】

【作用】ステップモータの磁気回路は、励磁コイルを中
心に、固定子の櫛形歯極から回転子の永久磁石を通り、
隣合う別の歯極からヨークと巡る磁気回路であり、そし
て、励磁コイルと鎖交する磁束がモータのトルクを発生
させる。

【０００９】このトルクを大きくする場合、一般に、歯
極長さを大きくする。しかし、ある長さ以上に歯極を大
きくしても歯極の根元部で磁気飽和するため、限界長さ
が存在する。その限界長さを越えた場合、磁束量は増加
せず逆に鉄損が増加し、トルクは反って低下する。そし
てまた、歯極長さを回転子の永久磁石よりもやや短めの
理想的な長さに設定できたとしても、次の問題は、励磁
コイルと鎖交しない漏洩磁束の存在である。これは隣合
う櫛形歯極同志の側面から洩れ出る、すなわち、短絡す
る磁束である。

【００１０】従来技術の構成で漏洩磁束を減らす方法と
して、歯極を短くする、あるいは歯極の板厚を薄くする
ことにより隣合う歯極の対向している側面面積を減らす
方法が考えられる。しかし、前者の方法では歯極と永久
磁石の対向面積も減少するため、肝心の磁束量が減りト
ルクが低下する。後者の方法によれば、歯極根元部の磁
束密度が高くなり過ぎて磁気飽和し、やはりトルクが低
下する。また、これらの方法を採用しても、磁束密度が
高くなる歯極の根元部の隣合う歯極間の距離は、変わら
ないので、磁束が漏洩し易い悪条件は、取り除かれな
い。

【００１１】結論として、大きなトルクを得るには、歯
極部の径を大きくし、歯極の幅を広げて永久磁石との対
向面積を広くしたり、隣合う歯極間の距離を広げたりす
ることである。つまり、従来技術ではモータの外形寸法
を大きくしなければ、大きなトルクは得られないと云え
る。

【００１２】本発明の構成とすれば、歯極長さを回転子
の永久磁石よりもやや短めの理想長さにしても、歯極と
永久磁石の必要対向面積を確保しつつ、隣合う歯極の対
向している長さ寸法が短くなり、歯極の対向している側
面面積は小さくなる。また、磁束密度が高くなる歯極の
根元部で歯極同志が隣合わないので、磁束が漏洩し易い
悪条件が、取り除かれる。従って、モータの外形寸法を
大きくせずに漏洩磁束を減少させることができ、高い周
波数領域まで、トルクの確保が可能となる。

【００１３】また、励磁コイルを軸方向に配置しても径
方向に配置しても、エアギャップは固定子と回転子間の
みで構成できるため、両タイプのモータを作ることが可
能である。

【００１４】また、中央に設けられる一体形状の歯極
が、Ａ相とＢ相の歯極を共用しているので、歯極の部品
点数は１つ減少し３点で構成可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の一実施例
について説明する。

【００１６】図１は、本発明の一実施例を示すステップ
モータの断面図である。図は、径方向タイプのステップ
モータを示したものである。ステップモータは、トルク
を伝達する回転軸１とこの軸の周囲に固着され多極に着
磁された永久磁石２とからなる回転子３と、この回転子
３を支える軸受３０と、この回転子３の外径方向にギャ
ップを介して、回転子３の軸に平行に永久磁石２と対向
して複数の櫛形歯極を等間隔に配置してなる外側ステー
タ４と、外側ステータ４を固定するサイドプレート５
と、外側ステータ４と同一円周上に配置されかつ外側ス
テータ４の櫛形歯極の中間に互い違いに組み立てられる
複数の櫛形歯極を設けてなる内側ステータ６と、内側ス
テータ６を固定するセンタプレート７と、サイドプレー
ト５とセンタプレート７を連結するヨーク８と、外側ス
テータ４と内側ステータ６とヨーク８の間に形成される
空間に設置されるボビン９に巻線してなる励磁用コイル
１０と、コイルから出るリード線３１とからなるＡ相の
固定子と、上記と同様な構造を持ちＡ相の固定子と左右
対称に配置される外側ステータ１１と、サイドプレート
１２と、ボビン１３と、励磁用コイル１４とからなるＢ
相の固定子とにより構成されている。この時、Ａ相とＢ
相の位相は、永久磁石２の着磁に工夫を加え、電気角で
90゜ずらしてある。

【００１７】図２と図３は、従来形モータの固定子の一
つの相の磁極構成を示したものである。カップ状の片歯
櫛形歯極１５と１６は、二個一組で一つの相の磁極を形
成する。二個のカップの底部で、励磁用コイル１７を挾
み、歯極の歯先の方向を同一方向に揃えて、重ね合わせ
たものである。回転子３は、櫛形歯極１５と１６の内側
に挿入される。この構成では、磁束量は確保されるが、
図３に示すように、隣合う歯極同志１５と１６が、歯極
の全長に亘って、長く対向しているので、トルク特性に
悪影響を及ぼす漏洩磁束２１が多くなっている。さら
に、磁束密度が高くなる歯極の根元部で隣合う歯極同志
の距離が最も短くなる形状であるため、磁束が漏洩しや
すくなっている。従来形モータが最大自起動周波数の低
いモータである原因が、ここにある。

【００１８】図４は、歯極長さと磁束量の関係を示した
ものである。これより、歯極長さを大きくしても、ほと
んど磁束量が増加しない長さ、すなわち、限界点がある
ことが判る。従って、磁束量は増えず、逆に鉄損のみが
増加し、トルクが低下することが理解できる。一般に、
歯極長さは、歯極の集磁効果より永久磁石の長さよりや
や短めの長さとするのが、理想であり、効果的であるこ
とが判っている。

【００１９】図５は、本発明による一実施例の外側ステ
ータ４の曲げ加工前と加工後を示したものである。外側
ステータ４は、図５（ａ）に示すような、展開形状が星
形である板材から、図５（ｂ）に示すように、曲げてカ
ップ状の片歯櫛形誘導子歯極に成形され、軸方向に長い
歯極を持つ構造のものである。

【００２０】図６は、外側ステータ４が、別体のサイド
プレート５に固定されている構造であることを示すもの
である。

【００２１】図７と図８は、本発明による一実施例の内
側ステータ６を示したものである。内側ステータ６は、
図７（ａ）に示すような、展開形状が両歯の櫛形に打ち
抜いた板材から、図７（ｂ）に示すように、丸めて中空
円筒状の両歯櫛形誘導子歯極に成形されるものである。
その後、図８に示すように、別体のセンタープレート７
に溶接され、Ａ相とＢ相を共用する歯極形状である。な
お、別々に打ち抜いた片歯櫛形板材を、背中合わせに接
合する形状であっても良い。

【００２２】図９は、本発明による一実施例の櫛形歯極
の配置構造を示したものである。固定子の磁極は、中空
円筒状の両歯櫛形誘導子歯である内側ステータ６を中に
して、左右から二個のカップ状の片歯櫛形誘導子歯であ
る外側ステータ４および１１で挾み、構成されている。
この時、例えば、左側をＡ相の磁極とすれば、右側はＢ
相の磁極となる。外側ステータ４および１１と、内側ス
テータ６の櫛形歯極の歯先は、互いの歯極の先端が向か
い合う形となっている。本発明の場合、一見して歯極長
さ、すなわち、歯極面積が従来例より少なくなっている
ので、トルクを生む磁束量も減少するように思われる。
確かに、歯極面積に比例して、磁気回路の必要起磁力は
減少する。しかし、反面、必要起磁力に反比例する磁束
密度が増加すると云う点がある。その結果、磁束量＝歯
極面積×磁束密度の関係により、歯極面積と磁束密度が
相殺し合い、本発明の磁束量は、従来例に比べほとんど
減少しない。これは、実験により確かめられている。

【００２３】また、このようにすれば、図から明らかな
ように、隣合う歯極同志の対向している部分が、歯極の
全長に亘っていないので、漏洩磁束２１は少なくなる。
そして、磁束密度が高くなる歯極の根元部で、歯極が隣
合わないので、さらに、少なくなる。従って、磁束量が
ほぼ同一であるにも拘らず、漏洩磁束が少なくなるの
で、すなわち、漏れインダクタンスは小さくなるので、
パルスレート、すなわち自起動周波数の高い領域におい
ても、モータ電流の低下が少なく、トルクが確保され
る。これは、最大自起動周波数の高いステップモータが
得られることである。

【００２４】図１０は、パルスレートとトルクの関係に
ついて、本発明と従来例を比較し示したものである。従
来例に比べ、本発明によるモータのトルクは、パルスレ
ートの高い領域まで得られている。本発明によるモータ
は、裾野の広いトルク特性を示している。

【００２５】図１１は、本発明による一実施例の歯極長
さに対するトルク特性の関係のついて示したものであ
る。パルスレートの高い領域のトルク特性を重視する場
合は、漏洩磁束と鉄損を減少させる目的で、歯極長さを
短くする。すなわち、図９（ａ）から図９（ｂ）のよう
に、外側ステータ４と内側ステータ６の隣合う歯極同志
の対向している部分を、さらに、少なくする。この場
合、歯極面積も減少するので、全磁束量が低下し、ホー
ルディングトルクおよびパルスレートの低い領域のトル
クは、若干低下するが、漏洩磁束と鉄損の減少により、
パルスレートの高い領域まで、トルクを確保することが
できる。従来技術では、構造的に歯極を短くしても漏洩
磁束は減少せず、磁束量のみが減り、最大自起動周波数
を高くすることは、困難であった。本発明による歯極の
配置構造は、歯極長さを短くしても必要な磁束量を確保
しつつ、漏洩磁束を減少させることができる。この点
に、本発明によるモータの大きな特徴がある。

【００２６】図１２は、歯極と永久磁石の位相のずれ関
係を示したものである。以上述べて来た実施例では、Ａ
相とＢ相の位相を、永久磁石の着磁方法の工夫により電
気角で90゜ずらしているが、内側ステータ６の歯極を形
成する際に、Ａ相とＢ相の歯極をずらして位相をずらす
方法が考えられる。すなわち、図１２（ａ）に示すよう
に、内側ステータ６のセンタープレート７に対する左側
の櫛の歯並びと右側の櫛の歯並びの配置をずらして位相
をずらしたものである。

【００２７】また、櫛の歯並びの配置にずれがない場合
は、図１２（ｂ）に示すように、回転子の永久磁石を左
右二分割タイプとし、シャフトへの組み込み位置をずら
して、位相をずらす方法が考えられる。

【００２８】図１３は、本発明による一実施例の内側ス
テータ６の組み込み構造を示したものである。次に問題
となるのが、それぞれの櫛形歯極を長くしたために生じ
る歯極の内径と永久磁石２の外径の間の、ギャップ寸法
の精度である。ギャップが狭くなりすぎれば歯極と永久
磁石が接触する。広くなりすぎればトルクが低下する。
また、回転に伴って電磁力で歯極が、上下に振れれば騒
音の発生にも繋がる。そこで、本実施例では図１３に示
すように、あらかじめ外側ステータ４や１１、および内
側ステータ６の櫛形歯極を、歯極の先端に向かって、ラ
ッパ状に所定量開いた形とする。そして、外筒のボビン
９に挿入した時、歯極の先端を、ボビン９で押さえ込む
ような構造とする。こうすることにより、歯極先端の外
側へ開こうとするスプリングバック力と、ボビン９の内
径部で押さえ込む力が、適度に釣り合うため、長い歯極
の全長に亘ってギャップ寸法の精度が確保される。ま
た、電磁力による歯極の上下の振れは、抑えられる。

【００２９】一方、歯極の軸方向および円周方向の振れ
を、図１３に示すように、ボビン９の内径部の歯極先端
の当たる部分に、歯極先端が嵌め込まれる位置合わせの
突起部２３を設けて、押さえる方法がある。突起部２３
でなく、溝でも良い。また、位置合わせがあれば、組立
も容易になる。

【００３０】図１４は、本発明による一実施例の軸方向
タイプのステップモータを示すものである。従来技術の
モータと同じように励磁コイル２４と２５は、軸方向に
配置されている。図１は、径方向タイプのステップモー
タを示したものであった。軸方向、径方向のいづれのタ
イプにおいても、磁気回路は、ヨークから一方の歯極を
経て、他方の歯極に抜けコイルと鎖交する回路を問題な
く形成する。従って、径方向タイプでも軸方向タイプで
も製作対応可能である。これにより、ステップモータの
取付スペースに応じて、径方向タイプまたは軸方向タイ
プと選択できるので、応用範囲が広い。

【００３１】さらに、歯極の部品点数は、従来のカップ
状の歯極がＡ相とＢ相の各相で二個づつ、合計四個であ
ったが、本発明の内側ステータ６が、Ａ相とＢ相を共用
する一個の部品となるため、三個になる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、モータの外径寸法を変
えることなく磁束量を確保し、漏洩磁束を減少させるこ
とが出来るので、自起動周波数の高い領域までトルクを
発生するステップモータが得られる。また、軸方向タイ
プと径方向タイプの２種類のモータが得られるため、応
用範囲が広い。さらに、固定子磁極の部品点数が４個か
ら３個に減り、組立性も向上するのでコスト低減にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例を示すステップモータの
断面図である。

【図２】従来例のステップモータの磁極を示す斜視分解
図である。

【図３】従来例の櫛形歯極の配置構造図である。

【図４】櫛形歯極の長さと磁束量の関係を示す図であ
る。

【図５】本発明による一実施例を示す外側ステータの曲
げ加工前と加工後の図である。

【図６】本発明による一実施例を示す外側ステータとサ
イドプレートの断面図である。

【図７】本発明による一実施例を示す内側ステータの丸
め加工前と加工後の図である。

【図８】本発明による一実施例の内側ステータを示す斜
視構造図である。

【図９】本発明による一実施例を示す櫛形歯極の配置構
造図である。

【図１０】本発明と従来例のトルク特性の比較を示す図
である。

【図１１】本発明による一実施例の歯極の長さに対する
トルク特性を示す図である。

【図１２】本発明における歯極と永久磁石の位相のずれ
関係を示す説明図である。

【図１３】本発明による一実施例の内側ステータの組み
込み構造を示す断面図である。

【図１４】本発明による他の実施例を示すステップモー
タの断面図である。

【符号の説明】

１…回転軸、２…永久磁石、３…回転子、４、１１…外
側ステータ、５、１２…サイドプレート、６…内側ステ
ータ、７…センタプレート、８…ヨーク、９、１３…ボ
ビン、１０、１４…励磁用コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤憲治茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円周方向に配置された複数の誘導子歯から
なる固定子鉄心を有するステップモータにおいて、中空
円筒状の両歯櫛形誘導子歯を中にして、左右から二個の
カップ状の片歯櫛形誘導子歯で挾み、前記固定子鉄心を
構成したことを特徴とするステップモータ。
【請求項２】請求項１において、前記両歯櫛形誘導子歯
は、両歯の櫛の一方の歯並びと他方の歯並びを互いにず
らしたものであることを特徴とするステップモータ。
【請求項３】円周方向に配置された複数の櫛形誘導子歯
からなる固定子鉄心を有するステップモータにおいて、
櫛歯根元の円周よりも、櫛歯先端の円周の方が大きいラ
ッパ状の前記櫛形誘導子歯で前記固定子鉄心を構成した
ことを特徴とするステップモータ。
【請求項４】請求項１あるいは請求項３において、前記
櫛形誘導子歯が、励磁コイル用ボビンの円周方向に設け
られた溝あるいは突起部のような位置合わせ部位と嵌合
するものであることを特徴とするステップモータ。