JPH0767312A - ３相クロ−ポ−ル式永久磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低コストでステップ角が小さく，高トルク，
低振動の３相クロ−ポ−ル式永久磁石型ステッピングモ
−タを提供すること。 【構成】 ３ｍ個（ｍは１又は２）の環状コイルを，３
相分のステ−タポ−ルの同一平面上に配置して，クロ−
ポ−ル式の一対のステ−タポ−ルの少なくとも一方を３
ｍ個のクロ−ポ−ル群（極歯群）の連結部を磁気的に飽
和する程度に細幅とするか，または３ｍ個の独立したも
のとし，非磁性体で連結するかしてクロ−ポ−ルとなる
極歯のピッチをθ，ロ−タのＮ極，Ｓ極の交互磁化の極
対数をＺとするときＺ＝３ｎ±１ または ３６０°／（Ｚ＋２）≦θ≦３６０°／（Ｚ−２） の各式を満足するように構成した。なお，本発明はイン
ナ−ロ−タ型，アウタ−ロ−タ型，アキシャルギャップ
型のいずれにも適用可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，レ−ザ−ビ−ムプリン
タやファクシミリの駆動用電気式回転型アクチュエ−タ
に適用して好適な３相クロ−ポ−ル式永久磁石型回転電
機に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず，図５により従来技術の内容・構成
を説明する。図５は従来技術による可変リラクタンス型
のステッピングモ−タ等の環状コイル式の３相回転電機
を示すものであり，１０は固定子で，これは図５に示す
ように櫛歯状の極歯を備えた第１乃至第３の各相の固定
子部分１０Ａ〜１０Ｃが軸方向に配置されて成り，これ
らの固定子部分１０Ａ〜１０Ｃの内周側に所定の間隙を
隔てて対向配置される回転子１１も第１乃至第３の各相
の回転子部分１１Ａ〜１１Ｃより成り，各相の回転子部
分１１Ａ〜１１Ｃは夫々対向する固定子部分１０Ａ〜１
０Ｃの極歯と同数の極歯を備え，これらの回転子部分１
１Ａ〜１１Ｃの各相間で，その位置をずらすことによっ
てステップ角が決まり，１相，２相，３相の順で各コイ
ル１２Ａ〜１２Ｃを励磁したとき，一定のステップ動作
するようになっている。なお，１１ｄは回転軸である。
このように従来の環状コイル式の３相回転電機は構成さ
れ，相の分布は軸方向となっていた。このように構成さ
れる３相回転電機は，２相式に比べ出力が大きくでき，
又，ステッピングモ−タとして使用する場合は，そのス
テップ角は２相式のものよりも小さくでき，その分解能
を増すことができるため，２相式のものに比べ長所を持
った回転電機である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで，上述のよう
に構成される従来の３相回転電機は，各相が回転軸方向
に配置されるため，モ−タの全長が長くなり，薄型化す
るには不適当なものであった。又，３個の各コイルの相
互誘導インダクタンスが中央のコイルと両端のコイルで
は異なるため，回転時の各相電流に周期的変動が生じ易
く，回転時に振動トルクが発生し易いという問題があっ
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３相クロ−ポ−ル式永久磁石型回転電機を
提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の３相クロ−ポ−
ル式永久磁石型回転電機は，上記課題を解決するため
に，インナ−ロ−タ型又はアウタ−ロ−タ型のもので
は，３相分のステ−タポ−ルが同一平面上に配置される
１対のステ−タポ−ルの一方に形成されるヨ−クに３ｍ
個のコイルを配置し，ヨ−クを通して形成される３ｍ個
の磁路の両端に櫛歯状の極歯を備えた磁性鉄板で固定子
が構成され，上記コイルの励磁により上記ヨ−クを介し
て互いに異極性に磁化するようにし，少なくとも３ｍ個
のコイルを通過した磁性体の同一方向側のステ−タポ−
ルのいずれか一方は，３ｍ個のコイルで磁化される各々
の極歯群の間は磁気的に飽和する程度に連結部を狭くす
るか又は磁気的に非連結として，それらの各極歯が同一
円周上で極歯部と溝部が互いに１／２ピッチずれて非接
触で組み合わされて配置され，それらの極歯とエアギャ
ップを介してＮ極とＳ極を等ピッチで交互に配置したリ
ング状の回転子又は回転軸方向に２極磁化した永久磁石
を同数の極歯をもった磁性体で，その極歯が１／２ピッ
チずれるように挟持したハイブリッド型回転子が夫々上
記固定子と所定の間隙を隔てて回転自在に組み合わされ
るように構成した。但し，ｍは１又は２とする。また，
回転軸方向ギャップ型（アキシャルギャップ型）のもの
では，上記構成において，それらの各極歯が同一平面上
で極歯部と溝部が互いに１／２ピッチずれて非接触で組
み合わされて配置され，それらの櫛歯と所定の間隙を隔
てて軸方向に配置される円周上に亙ってＮ極とＳ極を等
ピッチで交互に設けられた円板状の回転子と回転自在に
組み合わされるように構成した。なお，上記のＮ極とＳ
極を等ピッチで交互に配置した回転子のＮ極とＳ極の対
数（極対数），又は上記のハイブリッド型回転子の歯数
をＺとし，上述した固定子の櫛歯の歯ピッチ（同一極性
分の歯ピッチ）をθ度とすると， Ｚ＝３ｎ±１ 及び ３６０゜／（Ｚ＋２）≦θ≦３６
０゜／（Ｚ−２） を満足することが望ましい。但し，ｎは１以上の正の整
数とする。また，上記ステ−タポ−ルに１対の櫛歯状の
極歯を形成する代わりに１枚の磁性板で構成したステ−
タポ−ルの上記極歯対応部分に極歯を形成させるための
複数個のスリットを形成するようにしても良い。

【０００５】

【作用】本発明のものは上記のように構成されるから，
３個のコイル２を順次に直流励磁するか，３相平衡交流
（電気角で位相が各々１２０゜異なった）を流すことに
より３相式回転電機となり，従来技術において問題であ
った回転軸方向に各相固定子が重ならないため，モ−タ
を薄型にするのに有利となり，各コイルがその磁気回路
的に見てもその構造上対称であるため，その相互誘導イ
ンダクタンスも各相間で均一となる。

【０００６】

【実施例】以下図面によって本発明の各実施例を説明す
る。 第１の実施例：図１は本発明の第１の実施例であるイン
ナ−ロ−タ型の３相クロ−ポ−ル式永久磁石型回転電機
の固定子Ｓの斜視図で，同図には回転子は示していな
い。なお，回転子としては図２（Ａ）又は図２（Ｂ）に
示す回転子Ｒ１又はＲ２が図１に示す固定子Ｓと組み合
わされる。即ち，図２（Ａ）はリング状永久磁石回転子
Ｒ１で，Ｚ個のＮ極とＳ極を交互に磁化したものを示
す。図２（Ｂ）は軸方向に２極に磁化したデスク状永久
磁石を２個の各々Ｚ個の極歯をもった磁性体ロ−タで挟
持したハイブリッド型回転子Ｒ２であり，これらの両回
転子Ｒ１，Ｒ２のいずれの回転子も図１の本発明の固定
子Ｓと組み合わせて動作させることができる。図１にお
いて，１は第１のステ−タポ−ルで，磁性鉄板をプレス
成形することで製作される。１ａは櫛歯状の極歯でステ
−タポ−ル１の中心に向かって放射状に打ち抜いた部分
を中心から同心的に折り曲げて直角に円周上の所定区間
に亙って配置形成される。なお，出力を大きくするため
に，軸方向にモ−タを厚く設計する場合には，外周方向
に放射状に打ち抜いたものを曲げて形成しても良い。第
１のステ−タポ−ル１の他の極歯群１ｂ，１ｃも同様に
形成され，このように，円周上に配置された３群の櫛歯
状の極歯群１ａ〜１ｃは，それらの中心が相互に１２０
゜（機械角）の間隔となるように配置される。図１のス
テ−タポ−ル１の外周には，上記した略各３群の極歯群
１ａ〜１ｃと対応して３個のヨ−ク２ａ〜２ｃが設けら
れ，夫々のヨ−ク２ａ〜２ｃに励磁用の環状コイル３ａ
〜３ｃが巻装され，別の磁性鉄板からプレス成形等で作
られた第２のステ−タポ−ル４が組み合わされる。この
第２のステ−タポ−ル４は第１のステ−タポ−ル１と同
じ形状で同数の極歯４ａ〜４ｃが設けられ，これらの極
歯４ａ，４ｂは第１のステ−タポ−ル１の極歯の溝（歯
と歯の中間）内に相互に１／２ピッチずれて入るように
組み合わされ，３個のコイルの１個（たとえば１相分コ
イル３ａ）が直流励磁されると，その１相分の極歯群４
ａはＮ極とＳ極が交互に同数，並ぶことになる。第２の
ステ−タポ−ル４の３個の極歯群４ａ〜４ｃは磁気的に
非連結とするのが望ましいが，非磁性体で結合する場合
には，その連結部は図示のように磁気的に飽和する程度
に狭くして連結した一体物のものとするのが望ましい。
上記のように構成される固定子Ｓの各極歯群内のピッチ
をθ゜（機械角）とし，この固定子Ｓと図２（Ａ）また
は（Ｂ）の各回転子Ｒ１，Ｒ２とを組み合わせて，イン
ナ−ロ−タ型の本発明のクロ−ポ−ル式永久磁石型回転
電機が構成される。この場合，図２（Ａ）に示す回転子
Ｒ１のＮ極とＳ極の対数（極対数）又は同図（Ｂ）に示
すハイブリッド型回転子Ｒ２の歯数を夫々Ｚとした時，
次の数１（以下式（１）という）の関係を満足するよう
にした時，本発明の回転電機は各極歯が１２０゜離れて
各磁路寸法が対称となり，ステップ角精度や各ステップ
での保持トルクが均一になる。

【０００７】

【数１】

【０００８】式（１）の左辺は３相永久磁石型ステッピ
ングモ−タのステップ角であり，右辺の第１項は３個の
極歯群の中心の成す角，第２項はその中心線に最も近い
回転子の歯の位置であり，第１項と第２項の差もステッ
プ角となり等式が成立する。なお，ｎは０でない正の整
数である。この式（１）を整理すると，次の式（３）が
導かれる。 Ｚ＝３ｎ±１ （３）

【０００９】又，極歯のピッチθは３６０゜／Ｚと略等
しくすることが必要であり，ロ−タのステ−タコイルと
の鎖交磁束の高調波成分を少なくするためには，そのピ
ッチをある程度異ならせることが有効であり，その範囲
は実用的に次の数２（以下式（２）という）で与えられ
る。

【００１０】

【数２】

【００１１】上記した第１の実施例のものは，極歯群と
その環状コイルが夫々３個の場合を示したが，極歯群と
その環状コイルは６個とした場合でも，式（１）より導
いた前記の式（３）及び式（２）の関係が夫々成立す
る。

【００１２】第２の実施例：図３（Ａ）及び（Ｂ）は夫
々本発明をアウタ−ロ−タ型の回転電機として適用した
場合を示すものである。同図（Ａ）はアウタ−ロ−タ型
の固定子Ｓ１を示すもので，図示のように１対の第１及
び第２のステ−タポ−ル２１，２４と３個のヨ−ク２２
ａ〜２２ｃ及びこのヨ−ク２２ａ〜２２ｃに巻かれたコ
イル２３ａ〜２３ｃ並びに各ステ−タポ−ル２１，２４
の外周側に形成される極歯２１ｂ，２１ｃ；２４ａ〜２
４ｃ（極歯２１ａは図示されていない）が設けられる。
要するに，本実施例の固定子Ｓ１は図１に示すインナ−
ロ−タ型の回転電機の固定子Ｓの構成中，ヨ−ク部分と
極歯部分が夫々内周，外周側に移動した構成に相当す
る。図３（Ｂ）はこの固定子Ｓ１の外周側に所定の空隙
を隔てて対向配置されるリング状の回転子２５と回転子
軸２６とを示す。なお，回転子２５は永久磁石を交互に
Ｎ，Ｓ極磁化して構成される。また，回転子軸２６は図
示しないカップを介して回転子２５の一端側に連結さ
れ，また固定子Ｓ１を図示しない軸受を介して支承する
ようになっている。

【００１３】第３の実施例：図４（Ａ）〜（Ｃ）は本発
明を回転軸方向ギャップ型（アキシャルギャップ型）の
回転電機に適用した場合を示す。図４（Ａ）は本発明を
適用したアキシャルギャップ型の固定子の第１の構成例
で固定子Ｓ３を示すもので，同図において，２７は第１
のステ−タポ−ル，２７Ａ〜２７Ｃはその外周端を折り
曲げて形成した３相分の極歯，２８Ａ〜２８Ｃはヨ−ク
兼用の第２のステ−タポ−ルで，これらのヨ−ク部には
各相コイル２９Ａ〜２９Ｃが巻かれ，また，ヨ−クの先
端部は第１のステ−タポ−ル２７の極歯２７Ａ〜２７Ｂ
と組み合わされる極歯３０Ａ〜３０Ｃが形成されてい
る。図４（Ｂ）は本発明を適用したアキシャルギャップ
型の固定子の第２の構成例である固定子Ｓ４を示すもの
で，これは図示のように図４（Ａ）の第１の構成例を変
形したもので，図４（Ａ）では夫々２個のステ−タポ−
ルに分割していた極歯２７Ａ〜２７Ｃと３０Ａ〜３０Ｃ
を１枚の磁性板３１で構成し，各相の極歯相当分にスリ
ット３２Ａ〜３２Ｃを複数個（極歯の数より１つ少ない
数）設けることにより，これらのスリット同士が近接す
るところで磁束飽和を起こすことによって，各コイル３
３Ａ〜３３Ｃを励磁したときに，各相磁極を図４（Ａ）
と同等に形成させるようにしたものである。図４（Ｃ）
は図４（Ａ）又は（Ｂ）の各固定子Ｓ３又はＳ４と組み
合わされる回転子Ｒ３を示すもので，この回転子Ｒ３は
図示のようにＮ，Ｓ極が円周上に亙って交互に配置され
る多極マグネットを円板状に構成し，上記固定子Ｓ３又
はＳ４の極歯側の面と軸方向に所定の間隙を保って配置
され，上記回転子Ｒ３の中心に垂直に設けた回転軸を回
転自在に支持すればよい。このようにアキシャルギャッ
プ型にすると，回転子の慣性力を小さくでき，又は，よ
り偏平にすることも可能となる。なお，前記したインナ
−ロ−タ型，アウタ−ロ−タ型の回転電機においても，
極歯の部分は図４（Ｂ）の実施例に対応して，１枚の磁
性板にスリットを設けて，円形に成形し各相の極歯の機
能をもたせるようにしても良い。

【００１４】

【発明の効果】本発明に成る３相クロ−ポ−ル式永久磁
石型回転電機は上記のように構成されるから，３相永久
磁石の長所である高出力，高効率，低振動をそのまま保
持しながら，さらに，次の優れた効果を有する。 モ−タの全長を薄くできる。 相互誘導インダクタンスが均一になるため，更なる低
振動，高精度の位置決めが可能である。 ステ−タポ−ルが従来３組で６個必要であったが，図
１の基本構成のもので第１，第２のステ−タポ−ル１，
２の２個となり，低コスト化に有利となる。 従来のものでは，たとえば式（１）において，ｎ＝１
３とするとＺ＝４０となり，図２（Ａ）に示す構造のも
のでは，ロ−タ外径が３４ｍ／ｍ程度となり，式（１）
の左辺よりステップ角を１．５゜とすることができ，こ
れは２相式のものでは，同寸法ではステップ角は２．２
５゜と大きくなるのに比べ，大幅にステップ角を小とで
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例であるインナ−ロ−タ型
の３相クロ−ポ−ル式永久磁石型回転電機の固定子の構
成を示す斜視図である。

【図２】本図（Ａ），（Ｂ）は夫々図１の固定子と組み
合わせて使用される円筒状の永久磁石型回転子およびハ
イブリッド型回転子の斜視図である。

【図３】本図（Ａ），（Ｂ）は夫々本発明の第２の実施
例であるアウタ−ロ−タ型の３相クロ−ポ−ル式永久磁
石型回転電機の固定子及び回転子の構成を示す斜視図で
ある。

【図４】本図（Ａ），（Ｂ）は夫々本発明の第３の実施
例であるアキシャルギャップ型の３相クロ−ポ−ル式永
久磁石型回転電機の固定子の第１及び第２の構成例を，
また本図（Ｃ）はこれらの固定子と組み合わされる回転
子の構成を示す斜視図である。

【図５】従来技術による３相クロ−ポ−ル式可変リラク
タンス型回転電機の構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

１，２１：第１のステ−タポ−ル ２ａ〜２ｃ，２２ａ〜２２ｃ：ヨ−ク ３ａ〜３ｃ，２３ａ〜２３ｃ，２９Ａ〜２９Ｃ，３３Ａ
〜３３Ｃ：環状コイル ４，２４：第２のステ−タポ−ル Ｓ，Ｓ１〜Ｓ４：固定子 Ｒ１〜Ｒ３，２５：回転子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３相分のステ−タポ−ルが同一平面上に
   配置される１対のステ−タポ−ルの一方に形成されるヨ
   −クに３ｍ個のコイルを配置し，ヨ−クを通して形成さ
   れる３ｍ個の磁路の両端に櫛歯状の極歯を備えた磁性鉄
   板で固定子が構成され，上記コイルの励磁により上記ヨ
   −クを介して互いに異極性に磁化するようにし，少なく
   とも３ｍ個のコイルを通過した磁性体の同一方向側のス
   テ−タポ−ルのいずれか一方は，３ｍ個のコイルで磁化
   される各々の極歯群の間は磁気的に飽和する程度に連結
   部を狭くするか又は磁気的に非連結として，それらの各
   極歯が同一円周上で極歯部と溝部が互いに１／２ピッチ
   ずれて非接触で組み合わされて配置され，それらの極歯
   とエアギャップを介してＮ極とＳ極を等ピッチで交互に
   配置したリング状の回転子又は回転軸方向に２極磁化し
   た永久磁石を同数の極歯をもった磁性体で，その極歯が
   １／２ピッチずれるように挟持したハイブリッド型回転
   子が夫々上記固定子と所定の間隙を隔てて回転自在に組
   み合わされたことを特徴とするインナ−ロ−タ型または
   アウタ−ロ−タ型の３相クロ−ポ−ル式永久磁石型回転
   電機。但し，ｍは１又は２とする。
2. 【請求項２】 ３相分のステ−タポ−ルが同一平面上に
   配置される１対のステ−タポ−ルの一方に形成されるヨ
   −クに３ｍ個のコイルを配置し，ヨ−クを通して形成さ
   れる３ｍ個の磁路の両端に櫛歯状の極歯を備えた磁性鉄
   板で固定子が構成され，上記コイルの励磁により上記ヨ
   −クを介して互いに異極性に磁化するようにし，少なく
   とも３ｍ個のコイルを通過した磁性体の同一方向側のス
   テ−タポ−ルのいずれか一方は，３ｍ個のコイルで磁化
   される各々の極歯群の間は磁気的に飽和する程度に連結
   部を狭くするか又は磁気的に非連結として，それらの各
   極歯が同一平面上で極歯部と溝部が互いに１／２ピッチ
   ずれて非接触で組み合わされて配置され，それらの櫛歯
   と所定の間隙を隔てて軸方向に配置される円周上に亙っ
   てＮ極とＳ極を等ピッチで交互に設けられた円板状の回
   転子と回転自在に組み合わされたことを特徴とする回転
   軸方向ギャップ型（アキシャルギャップ型）の３相クロ
   −ポ−ル式永久磁石型回転電機。但し，ｍは１又は２と
   する。
3. 【請求項３】 上記のＮ極とＳ極を等ピッチで交互に配
   置した回転子のＮ極とＳ極の対数（極対数），又は上記
   のハイブリッド型回転子の歯数をＺとし，上述した固定
   子の櫛歯の歯ピッチ（同一極性分の歯ピッチ）をθ度と
   すると， Ｚ＝３ｎ±１ 及び ３６０゜／（Ｚ＋２）≦θ≦３６
   ０゜／（Ｚ−２） を満足することを特徴とする請求項１記載の３相クロ−
   ポ−ル式永久磁石型回転電機。但し，ｍは１又は２，ｎ
   は１以上の正の整数とする。
4. 【請求項４】 上記のＮ極とＳ極を等ピッチで交互に配
   置した回転子のＮ極とＳ極の対数（極対数），又は上記
   のハイブリッド型回転子の歯数をＺとし，上述した固定
   子の櫛歯の歯ピッチ（同一極性分の歯ピッチ）をθ度と
   すると， Ｚ＝３ｎ±１ 及び ３６０゜／（Ｚ＋２）≦θ≦３６
   ０゜／（Ｚ−２） を満足することを特徴とする請求項２記載の３相クロ−
   ポ−ル式永久磁石型回転電機。但し，ｍは１又は２，ｎ
   は１以上の正の整数とする。
5. 【請求項５】 上記ステ−タポ−ルに１対の櫛歯状の極
   歯を形成する代わりに１枚の磁性板で構成したステ−タ
   ポ−ルの上記極歯対応部分に極歯を形成するための複数
   個のスリットを形成するようにした請求項１乃至４のい
   ずれかに記載の３相クロ−ポ−ル式永久磁石型回転電
   機。