JPH0984326A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低周波領域から高周波領域にわたって高効率
のステッピングモータを提供すること 【解決手段】 多極着磁された永久磁石からなるロータ
４と同軸上で対向するように複数個の櫛歯状極部５ｂ，
６ｂ，７ｂ，８ｂを有し、Ｆｅ系金属で形成されたステ
ータスヨーク５，６，７，８を配設し、そのステータヨ
ークの櫛歯状極部の外周囲に励磁コイル９を装着し、そ
れら励磁コイル，ステータヨークを筒状のフレームヨー
ク１０で囲繞することによりステッピングモータが構成
される。フレームヨークをＦｅ−Ｃｒ系合金で形成し、
交流磁場での渦電流の発生を抑制させ、高周波数領域で
のプルアウトトルクを向上させる。磁束密度の小さいフ
レームヨークでは、Ｆｅ−Ｃｒが磁気飽和せず、低周波
数領域でも、従来と同等以上のプルアウトトルクが得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロータに永久磁石
を用いた櫛歯状極部を有するＰＭ型ステッピングモータ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ステッピングモータには、省電力
化、高出力化、高効率化の要求がなされている。ところ
で従来のステッピングモータは、ステータヨークやフレ
ームヨークを、電磁軟鉄板（ＳＵＹ），冷間圧延鋼板
（ＳＰＣ），亜鉛メッキ鋼板（ＳＥＣ）等を用いて構成
している。

【０００３】しかしながら、これら各種の材料（ＳＵ
Ｙ，ＳＰＣ，ＳＥＣ）は、直流磁場特性は良好なもの
の、実際のモータの駆動時における交流磁気特性は悪い
ことがわかった。すなわちこれらの鋼材は、変動磁場中
では電気抵抗率が低いため、多くの渦電流が発生し、そ
の結果鉄損が著しく多くなる。これは駆動周波数が高く
なるほど顕著となる。従って、効率が低下する原因とな
り、ＯＡ機器の電池駆動にともなう、ステッピングモー
タの効率向上の要求を満たすためのネックとなってい
る。

【０００４】そこで、従来係る問題を解決するため、例
えばステータヨークやフレームヨークにケイ素鋼板やソ
フトフェライトを用いるもの（実開平３−１０４０７
７，実開昭６２−１３５５７７等）や、ステータヨーク
の一部（渦電流の流路）に貫通孔を設けるもの（特開平
３−２８３０４９）等、様々の提案がなされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た改良されたステッピングモータでは、それぞれ以下に
示す問題を有し、いずれも渦電流による効率低下の問題
を十分に解消できるものではなかった。

【０００６】すなわち、ソフトフェライトを用いた場合
には、ＳＵＹやＳＰＣに比べて飽和磁束密度が１／３と
低く、十分な出力トルクが得られないばかりか、曲げ、
絞り加工が不可能であり、機械強度も弱い。しかも寸法
精度が粗くなるという問題があり、実用化は困難であ
る。

【０００７】また、貫通孔を設ける構成のものでは、貫
通孔を形成するにつれて出力トルクが減少するという傾
向があり、しかも、加工工程が増えるとともにコストも
高くなる。さらに、貫通孔は櫛歯状磁極部以外の部位に
形成されるが、櫛歯状磁極部以外では磁束密度が低く、
渦電流損が小さいために貫通孔を形成した効果はさほど
あらわれない。

【０００８】ケイ素鋼板についてはＳＵＹ，ＳＰＣと比
べて、絞り加工が困難という問題があり実用化されてい
ない。

【０００９】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題点を解
決し、高周波領域で渦電流の発生を可及的に抑制し、鉄
損を少なくして、出力トルクを向上させ、効率の良好な
ステッピングモータを提供することにある。さらに、上
記高周波領域の特性を得つつ、ホールディングトルクや
低周波領域のトルクでも従来品と同等またはそれ以上の
特性を得ることのできるステッピングモータを提供する
ことも目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係るステッピングモータでは、多極着磁
された永久磁石からなるロータと、前記ロータと同軸上
で対向するように設けられた複数個の櫛歯状磁極部を有
するステータヨークと、前記ステータヨークの前記櫛歯
状磁極部の外周囲に装着した励磁コイルと、前記励磁コ
イル並びに前記ステータヨークを囲繞する筒状のフレー
ムヨークとを備えたステッピングモータを前提とし、前
記ステータヨークをＦｅ系金属で形成し、前記フレーム
ヨークをＦｅ−Ｃｒ系合金で形成するようにした（請求
項１）。

【００１１】そして好ましくは、前記Ｆｅ−Ｃｒ系合金
が、Ｃｒが１０〜２０ｗｔ％、Ｆｅが８０〜９０ｗｔ％
を含んでなるように構成することである（請求項２）。
すなわち、Ｃｒの１０ｗｔ％未満であると、錆が発生し
てしまい長期にわたって使用することができなくなるか
らである。そして、Ｃｒの添加量を増すほど防錆力は高
くなるが、２０ｗｔ％より大きくすると、剛性が増すの
で、加工性を考慮すると２０ｗｔ％以下となる。そし
て、この範囲であれば、深絞り加工も容易に行える。な
お、２０ｗｔ％を越えても、深絞り加工が不可能ではな
いが、含有量が増すほどプレス時に大きな力が必要であ
ったり、歩留まりが低下する。また、Ｃｒの添加量が２
０％以上になると磁気特性が著しく低下する。

【００１２】さらにこの適用範囲（１０〜２０ｗｔ％）
を細分化すると、１０〜１５ｗｔ％と１５〜２０ｗｔ％
に分割でき、前者は室内等の通常の使用環境下で必要な
防錆力を発揮し、磁気特性の劣化を最小限に押さえるこ
とができるという特徴を持つ。また、後者は、屋外や海
上等の厳しい環境下でも錆の発生を抑制できるという特
性を持つ。よって、含有量は、使用する環境並びに要求
される仕様などに基づいて決定することになる。

【００１３】なお、いずれの場合もＦｅの含有量は、Ｃ
ｒの含有量に対応して決定され、残部に微量添加物を含
有することを拒まないため、必ずしもＦｅとＣｒの合計
が１００ｗｔ％になる必要もない。

【００１４】Ｆｅ−Ｃｒ系合金は電気抵抗率ρがＳＵ
Ｙ，ＳＰＣ，ＳＥＣと比べ、５〜１０倍と高くなる。そ
して渦電流はヨークの電気抵抗率ρに反比例するため、
本発明のステッピングモータでは例えばモータ駆動中の
交流磁場が生じているときでも、渦電流の発生が可及的
に低減される。その結果、係る材質をヨークに使用する
と、損失が少なくなり、低消費電力のステッピングモー
タが実現できる。そして、このように渦電流を流れにく
くすることから、渦電流による逆磁場も減少し入力電流
を一定とすると総磁束量が増加し、出力トルクが増大す
る。換言すれば、同一出力トルクを得るためには、励磁
コイルに流す電流も少なくて済み、その結果銅損も低減
できる。このように鉄損並びに銅損が低減すると、それ
にともないモータ自身の発熱も低く抑えられる。

【００１５】ところで、Ｆｅ−Ｃｒ系合金は、従来Ｆｅ
系金属（ＳＵＹ，ＳＰＣ，ＳＥＣ）に比べて低周波数領
域以下では飽和磁束密度が低いために、従来モータより
も出力トルクが低くなることがある。

【００１６】ステータヨークで特に磁路断面積の小さい
極歯部は最も磁束密度が高いため、そこにＦｅ−Ｃｒ系
合金を用いると、低周波数領域以下では、前記理由によ
りＦｅ系金属のものと比べ出力トルクが低下する。

【００１７】一方、フレームヨークはステータヨーク
（櫛歯状磁極部）と比べ、磁路断面積が十分に大きいた
め、磁束密度は低い。従って、Ｆｅ−Ｃｒ系合金でフレ
ームヨークを構成しても、磁気飽和することがなく、し
いては出力トルクが低下することはない。

【００１８】そこで、本発明ではＦｅ−Ｃｒ系合金をフ
レームヨークのみに用い、ステータヨーク部は、従来の
Ｆｅ系金属を用いることにより、低周波数領域以下での
トルク低下させることなく、フレームヨーク部に流れる
渦電流を抑え効率を向上させる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１，図２は本発明に係るステッ
ピングモータの実施の形態を示している。本実施の形態
では２相タイプのステッピングモータについて説明す
る。同図に示すように、シャフト１の周囲に樹脂性の連
結部材２を介して筒状の永久磁石３が固着一体化されて
ロータ４が形成されている。この永久磁石３の外周囲
は、円周方向に多数分割着磁されている。

【００２０】そして本例では２相タイプのステッピング
モータであるため、上記ロータ４の周囲には、第１〜第
４のステータヨーク５〜８が同心円状に配置されてい
る。具体的には、第１，第２のステータヨーク５，６で
第１相を構成し、第３，第４のステータヨーク７，８で
第２相を構成している。そして、各ステータヨーク５〜
８は、平板のリング状のフランジ部５ａ〜８ａの内周囲
を、所定方向に９０度折り曲げることにより、櫛歯状磁
極部５ｂ〜８ｂを形成している。この対となるステータ
ヨーク（５と６，７と８）は、ともに、櫛歯状磁極部
（５ｂと６ｂ，７ｂと８ｂ）の先端側を向い合わせると
ともに、互いの櫛歯状磁極部の各歯の未形成部位に挿入
配置する。そして、第１相側と第２相側の電気角は９０
度ずれるようにする。

【００２１】さらに、このステータヨーク対（５と６，
７と８）の外周囲に、コイルボビン９ａに巻き付けたコ
イル部９ｂからなる励磁コイル９を装着する。これによ
り、励磁コイル９は、フランジ部（５ａと６ａ，７ａと
８ａ）間に介在する。

【００２２】そして、上記ロータ４，ステータヨーク５
〜８並びに励磁コイル９を囲繞するように、その外周囲
に同心円上に有底のカップ状のフレームヨーク１０を配
置する。換言すれば、フレームヨーク１０内に上記各部
品を挿入配置する。その状態で、フレームヨーク１０の
開放側をキャップ１１で被覆する。

【００２３】なお、シャフト１の両端は、フレームヨー
ク１０の底面中央に形成された透孔１０ａとキャップ１
１に形成した透孔１１ａにそれぞれ挿入され回転可能に
軸受け支持され、キャップ１１側のシャフト１の端部は
透孔１１ａ内を貫通して所定長さ分だけ外部に突出し、
出力軸として機能する。なおまた、キャップ１１の外側
面には、ステッピングモータを他の装置の所定位置に固
定するためのフランジ１２が一体に形成されている（図
１参照）。

【００２４】上記した各部品の形状構成は、従来のもの
と基本的に同じであるので、本発明のステッピングモー
タを製造する場合、現在使用されている製造施設をその
まま利用することができる。

【００２５】ここで本発明では、上記４つのステータヨ
ーク５〜８のいずれもＦｅ系金属を用いて形成する。Ｆ
ｅ系金属としては、例えばＳＥＣ，ＳＵＹ，ＳＰＣ等の
従来から用いられている種々の材質を用いることができ
る。そして、上記フレームヨーク１０を、所定の組成比
からなるＦｅ−Ｃｒ系合金を用いて形成する。なお、こ
のＦｅ−Ｃｒ系合金の一例を示すと、例えばＪＩＳのＳ
ＵＳ４３０，ＳＵＳ４１０Ｌ等を用いることができる。

【００２６】これにより、モータ駆動中の交流磁場にと
もないフレームヨーク１０中で発生する渦電流を可及的
に抑制することができ、効率が向上する。そして、高周
波数になるにしたがって、その差（従来品との差）は顕
著になる。逆に、低周波数領域では、さほど差がでない
もののフレームヨーク１０で磁気飽和をおこすことがな
いので、ホールディングトルク及び低周波数領域でのプ
ルアウトトルクは少なくとも従来と同等以上となる。し
たがって、低周波領域から高周波領域の広い範囲にわた
って、同等以上のトルクで、効率の高いステッピングモ
ータが得られる。換言すれば、同一出力トルクを得るた
めのステッピングモータは、本発明品を用いることによ
り、効率向上分だけ小型化を図ることもできる。

【００２７】そして、Ｃｒを１０〜１５ｗｔ％とした場
合には、磁気特性が極めて良好な範囲を維持しつつ、通
常の室内環境下で要求される防錆力を発揮することがで
き、主として室内での使用（ＯＡ機器等）に適したもの
となる。一方、Ｃｒを１５〜２０ｗｔ％にした場合に
は、防錆力はさらに向上するため、屋外での使用（車
載，屋外機器用）や、海外輸出（船による運搬時におけ
る塩の影響を受けないため）に適したものとなる。そし
て、この場合も前者に比べると磁気特性は低下するもの
の、従来のものに比べ交流磁気特性が良好なため、モー
タの特性が向上する。

【００２８】＊実験結果 本発明の効果を実証するために、上記した実施の形態の
モータと、同一形状からなる従来のモータ（相違点はフ
レームヨークの材質）を製造し、それぞれのモータ特性
を評価した。駆動条件は、２相励磁バイポーラ定電流チ
ョッパ駆動である。測定したモータ特性としては、入力
電流に対するホールディングトルク特性及び周波数に対
するプルアウトトルク特性である。但し、フレームヨー
クのＦｅ−Ｃｒ系合金には、Ｃｒの含有率が１２ｗｔ％
のものを使用している。入力電流に対するホールディン
グ特性は、下記表１に示す様な結果が得られた。

【００２９】

【表１】 上記表１に示すように、各同一電流での発明品のホール
ディングトルクは、従来品のホールディングトルクと比
較してほぼ同一の値となった。なお、モータ使用中に流
れる電流は、０．４〜０．５Ａである。つまり、本発明
に係るステッピングモータの静トルクであるホールディ
ングトルクは従来品と同等であることがわかる。

【００３０】また、周波数に対するプルアウトトルク特
性は、図３に示すような結果が得られた。約３００ｐｐ
ｓの低周波数領域では、発明品のプルアウトトルクは従
来品のそれと同等である。そして、周波数が高くなるほ
どプルアウトトルクは低下していくが、従来品に対して
発明品の方は低下の割合が少ない。つまり、高周波領域
では、本発明品は従来品に比較してプルアウトトルクが
高くなり、周波数が高くなるほどその差は顕著になる。

【００３１】上記２つの実験結果から、本発明によるス
テッピングモータでは、ホールディングトルク及び低周
波数領域でのプルアウトトルクは従来のそれと少なくと
も同等またはそれ以上であり、さらに、高周波数領域で
のプルアウトトルクは従来のステッピングモータのそれ
を上回るので、本発明に係るステッピングモータは効率
が、従来のステッピングモータの効率よりも周波数の全
範囲にわたって良好となることがわかる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るステッピン
グモータでは、フレームヨークにＦｅ−Ｃｒ系合金を用
い、ステータヨークにＦｅ系金属を用いることで、フレ
ームヨーク部に流れる渦電流を抑え、特に高周波数領域
で効率を向上させ、トルクがアップする。また、低周波
数領域以下でもフレームヨーク部は磁束密度の低いため
磁気飽和によるトルク低下が起こることなく、従来のス
テッピングモータと同等のトルクとなる。つまり、全周
波数領域にわたってステッピングモータのトルクを同等
もしくは向上させることができる。

【００３３】また、フレームヨークを形成するＦｅ−Ｃ
ｒ系合金は防錆効果を有しているので、特別なメッキコ
ーティング等の防錆処理工程が不要となり、工数の削減
をすることができる。Ｆｅ−Ｃｒ系合金は深絞り加工性
も良好であり、本発明のステッピングモータの製造は従
来の製造設備をそのまま利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るステッピングモータの実施の形態
の一例を示す一部破断斜視図である。

【図２】その分解斜視図である。

【図３】本発明の効果を実証した特性図である。

【符号の説明】

３ 永久磁石 ４ ロータ ５〜８ ステータヨーク ５ｂ〜８ｂ 櫛歯状磁極部 ９ 励磁コイル １０ フレームヨーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多極着磁された永久磁石（３）からなる
   ロータ（４）と、 前記ロータと同軸上で対向するように設けられた複数個
   の櫛歯状磁極部（５ｂ〜８ｂ）を有するステータヨーク
   （５〜８）と、 前記ステータヨークの前記櫛歯状磁極部の外周囲に装着
   した励磁コイル（９）と、 前記励磁コイル並びに前記ステータヨークを囲繞する筒
   状のフレームヨーク（１０）とを備えたステッピングモ
   ータにおいて、 前記ステータヨークが、Ｆｅ系金属で形成され、 前記フレームヨークが、Ｆｅ−Ｃｒ系合金で形成される
   ことを特徴とするステッピングモータ。
2. 【請求項２】 前記Ｆｅ−Ｃｒ系合金が、Ｃｒが１０〜
   ２０ｗｔ％、Ｆｅが８０〜９０ｗｔ％を含んでなること
   を特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ。