JP4396960B2 - 永久磁石式外転型回転電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複写機の転写ドラム等駆動に適した外転型回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複写機の転写ドラムは１００ｒｐｍ以下の低速で回転するがこれをダイレクトに減速体等を使用しないで駆動することは、インナーロータ型では回転子径が小さいため分解能が不足し、良好な回転ムラが得られない問題があった。分解能を大きくするには回転子極数を多くする必要があるがそのためには、回転子径を大きくする必要がある。
一方、ドラム駆動で回転電機をドラムの外部に設けると、小型化に問題が発生した。例えばＨＢ型のステッピングモータは回転子の極数が大きくできる構造であることが知られている。 しかし更に極数を多くするために、そのままアウターロータ型にすると、大きな漏洩磁束が回転電機外周に出るため、特にドラム駆動や磁気デイスク駆動には問題があった。また永久磁石の回転軸と垂直な面方向の面積が小さく、十分な鎖交磁束が得られない問題もあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術での問題を解決することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
【手段１】
略円環状部より外方向に放射状にＱ個設けられた固定子主極の各々の先端には複数Ｋ個の歯を有した、２個の該固定子で回転軸方向に磁化された永久磁石を挟持するか、または２個の該固定子の円環状磁性体の内周部に夫々円筒状永久磁石をその外周がお互いに異極となるように磁化して配し、２個の該固定子の主極部に渡ってコイルが巻かれ、エヤギャップを介してその内周に等ピッチでＲ個の歯を有し、回転軸方向厚さで、略（１／２）部で、Ｒ個の歯ピッチの（１／２）ずらせて構成された回転子と対向した外転型回転電機をドラムの内部に設け、該外転型回転電機の回転子外周部にドラム機能を有するかまたはドラムの内側で該回転子外周が連結され、該永久磁石の反回転子方向の漏洩磁束を回転軸心部に反発収束させ、ドラム外周部への漏洩磁束の影響を軽減させたことを、特徴とする ドラム機能を有した、またはドラムに内臓された外転型回転電機。 但し、Ｒ>ＫＱ。
【手段２】
手段１において、外転型回転電機は固定子の中央部に貫通中空穴を設け、その貫通穴を固定支持または該貫通穴に軸を通し、ドラムの回転支持軸としたことを特徴とする ドラム機能を有した、またはドラムに内臓された外転型回転電機。
【手段３】
略円環状部より外方向に放射状に３ｍ個設けられた固定子主極の各々の先端には複数個の歯を有した、２個の該固定子で回転軸方向に磁化された永久磁石を挟持するか、または２個の該固定子の円環状磁性体の内周部に夫々円筒状永久磁石をその外周がお互いに異極となるように磁化して配し、２個の該固定子の主極部に渡ってコイルが巻かれ、１相分コイルがｍ個で構成した、３相巻線固定子を形成し、エヤギャップを介してその内周に等ピッチでＲ個の歯を有し、回転軸方向厚さで、略（１／２）部で、Ｒ個の歯ピッチの（１／２）ずらせて構成された回転子と対向した外転型回転電機において、Ｒ＝ｍ（３ｎ±１）であることを特徴とした外転型回転電機。但し、ｍ、ｎは1以上の整数。
【手段４】
手段３において、ｍ（３ｎ±１）>πＤである であることを特徴とした外転型回転電機。但し、ｍ、ｎは1以上の整数。Ｄは回転子外径。
【手段５】
手段３において、各相の巻き終わりまたは一方同志を短絡し、巻き始めまたは他方側で３端子入力としたスター巻線、または１相の巻き終わりと次相の巻き始めを順次連結し、３個の該連結点にて３端子入力とした、３端子入力の３相巻線固定子を形成したことを特徴とした外転型回転電機。
【手段６】
手段３から５において、２相と３相を交互に励磁して駆動するか、各相の電流を極力正弦波に近似した階段状に増減した形のマイクロステップ駆動したことを特徴とした外転型回転電機の駆動法。
【手段７】
手段１〜５において、２個の固定子で挟持る永久磁石の回転軸方向から見た形状が該固定子と略同形状にして、ボンド磁石、または焼結磁石であることを特徴とした外転型回転電機。
【手段８】
手段１〜５において、永久磁石を挟持した２個の固定子を１固定子対とし、それらを軸方向にＰ対配置固定し、Ｐ対の固定子に渡り、同一位置の主極に同一のコイルを巻いた固定子と、それにエヤギャップを介して対向する回転子対を、回転軸方向にＰ個配置して設けたことを特徴とする外転型回転電機。
【０００５】
【実施例】
複写機の転写ドラム駆動の回転数は一般に４０〜１５０ｒｐｍ程度で回転電機から見ると低速回転の範囲と言える。このため、回転子極数が4〜８極程度の回転電機では減速体を使用して、回転子速度１５００〜７５０ｒｐｍから上記の回転数まで速度を落として使用していた。また２相ＨＢ型ステッピングモータはその極数は１００極程度に相当するが、そのため４０〜１５０ｒｐｍは容易でありトルクも十分出せるが、回転ムラが大きく、画像の精度、即ち、画質が悪いという問題があった。この回転ムラを改善するにはステッピングモータの分解能即ちステップ角を小さくすればよい。そのためには回転子の歯数を多くすればよい。しかし、インナーロータ型では回転子径が小さく、歯数を多くすることには限界があった。その解決策としてはＨＢ型ステッピングモータをアウターロータ（外転）型にすればよい。
図８は従来型のアウターロータ（外転）型回転電機であり、ＨＢ型ステッピングモータをアウターロータ化した縦断側面断面図である。図９はその横断正面断面図である。１１はコイルであり、固定子である円環状磁性体１２から放射状に設けられた複数の主極に巻かれている。各主極の先端には複数の歯（図９では歯は各３個）がエアギャップを介して、内周に均等に多数の歯を有する回転子１４と対向している。図８において、２個の回転子１４同志は回転軸方向に磁化された円筒またはデスク状永久磁石１５を挟持して、お互いに歯ピッチの１／２づらされて、回転子を構成している。固定子１２は該２個の回転子１４と対向して、珪素鋼板等を主極及び先端の歯を揃えて、積層されている。１３は固定子支持体であり、図示知てない軸受けと勘合し、前後のブラケットを支持して、回転電機を構成する。このような構造の外転型回転電機の問題点は１５の漏洩磁束が１４及び１５の外周方向にでることである。従って１４の外周に複写機のドラムを設けても、かなりの強さで磁界が存在し、トナーに磁性体粉が混じったりすると、画質を損ねたり、故障を引き起こすことになる。
【０００６】
図１は本発明を適応する外転型回転電機の縦断側面断面図である。図２はその横断正面断面図である。１はコイル、２は固定子鉄心であり、コイル１は、固定子である円環状磁性体２から放射状に設けられた複数の主極に巻かれている。各主極の先端には複数の歯（図２では歯は各3個）がエアギャップを介して、内周に均等に多数の歯を有する回転子８と対向している。図１において、８は８１と８２より成り、２個の回転子８１と８２同志は同じものであるが、互いに歯ピッチの１／２づらされて、回転子を構成している。固定子２は該２個の回転子８１及び８２と対向して、珪素鋼板等を主極及び先端の歯を揃えて、積層されたもので、それを２個で、同位置にて、軸方向に磁化した永久磁石３を挟持して構成され、各主極にはコイルが２個の２なる固定子主極に渡って巻かれている。
４は固定子支持体であり非磁性体であることが望ましく、軸受け５に勘合し６及び７なるブラケットで８なる回転子を回転自在に支持する。９はボルトであり、６、７、８を固定する役目をしている。１０はリード線であり、５なる軸受けの内輪の内径側から引き出すことで、回転子を両側より支持する所謂両持ち構造としている。このような構造を複写機ドラムの内部に設けると永久磁石が固定子側に設けてあるので、漏洩磁束は、ドラム外周部にはほとんど出なくなる。即ち、この外転型回転電機の回転子外周部にドラム機能を有するかまたはドラムの内側で該回転子外周が連結された場合、、永久磁石の漏洩磁束は永久磁石の反回転子方向に発生するので、図１で、永久磁石３のＮ極側から出た漏洩磁束は固定子支持体４の中空部に点線矢印で示した様に、固定子円環部４の内径の中心に反放射状に向い、その中心付近でＮ極の同極性磁束は反発しながら、軸方向に収束し、３のＳ極側付近に向い、放射状方向に３のＳ極に向かうので、漏洩磁束を回転軸心部に反発収束させ、ドラム外周部への漏洩磁束の影響を軽減させろことが出来る。
図１には永久磁石３は２個の固定子で挟持された構造で示したが、図示は省略するが、図１で３を単なる非磁性スペーサとし、２個の２の夫々の内周部と４との間に円筒状永久磁石を設け、２個の２と接する磁石の外周がお互いに異極性となるように磁化配置した構造のものでも前述した図１の構造と同様な外転型回転電機としても、また漏洩磁束に関しても、同様の効果が得られる。この場合は４は磁性体であることが望ましい。
またこの外転型回転電機において、回転子の歯数をＲ個とし、各主極の先端の小歯数をＫ個とし、主極の総数をＱ個とすれば、Ｋ個の歯ピッチとＲ個の歯ピッチはほぼ等しくするため、固定子スロット部を考慮すると、Ｒ>ＫＱの関係が成り立つ。
【０００７】
また図１で、４は中心部が空洞になっているので、この空洞部に通し棒を貫通させるとドラム駆動機構が簡素化出来る。これを説明したのが図７である。２０が該外転型回転電機であり、２１がその中空穴に貫通した通し棒、即ちドラムの軸２１である。２２はドラムであり、２０の回転子外周に連結されている。２３はドラムカバー、２４は軸受けである。尚、この軸受け２４は全く使用しないで、モータ２０に使用されている軸受けで併用、代用してもよく、軸受け２４を１個のみの使用でも良い。
【０００８】
この外転型回転電機は特に３相固定子にすると、振動が少なく、ドラク駆動として、適したものとなる。固定子主極数を３ｍ個とすると、３相の場合はｉ相分主極数はｍ個となる。そして回転子歯数をＲ個とすると、次の（１）式が成立する。

上式の左辺も右辺もこの外転型３相機を３相のステッピングモータとして駆動したときの、ステップ角度を表している。これを整理すると、（２）式となる。

この関係式を有した３相機であることが、望ましい。
（２）式で、ｍ＝２の６主極で、ｎ＝１７とすると、Ｒ＝１００でステップ角が０．６°、また、ｍ＝４の１２主極で、ｎ＝１１とすると、Ｒ＝１２８で、ステップ角が０．４６８７５°となる。
【０００９】
回転子は珪素鋼板よりプレスで打ち抜き積層形成する。この場合、ドラムに応用する場合、回転ムラを良くするには、歯数Ｒを極力多くする必要がある。Ｒを多くすると歯幅は細くなり、細すぎると、プレス打ち抜きができなくなる。その限界は概略、歯幅が珪素鋼板の板厚ｔまでと言われている。回転子の外径をＤとし、歯幅と谷（溝）幅を同じとすれば歯ピッチは２ｔとなるので、次式が概略成立する。

一般に小型回転機に使用される珪素鋼板の板厚ｔは０．５ｍｍである。ｔ＝０．５を（３）式に代入して Ｒ＝πＤ となるが、転写ドラムに使用する場合は分解能が高いことが必要であり、
Ｒ＝πＤ なるＲの値以上ないと、実用的には画質が悪く使用できない。（３）式に（２）式とＲ＝πＤを代入して、（４）式を得る。

【００１０】
本発明の外転型回転電機を３相機にすると、スター、またはデルタ結線が可能で、３端子入力で駆動出来る。固定子主極数３ｍ個で、ｍ＝２として、６主極の場合で、スター結線の場合を図３に、デルタ結線の場合を図４に示す。これらの結線の３端子モータ入力には図５にスター結線で示すが、電流方向が反転するバイポーラ駆動で、トランジスターが６個のブリッジで駆動できる。２相機では８個のトランジスタが必要なので、３相の方が、性能が良く、且、駆動回路も安価になる。
【００１１】
３相機にすると、永久磁石によるエヤギャップの磁束密度である界磁に含まれる第３高調波がその構造からキャンセルされる。また、電流に含まれる高調波も２相励磁であるフルステップより、２相と３相を交互に励磁する２―３相励磁駆動とすることで、電流波形がより、正弦波に近くなるため、少なく出来る。３相で２―３相の励磁シーケンス、及びモータ電流波形を図６に示す。更には、各相の電流を極力正弦波に近似した階段状に増減した形のマイクロステップ駆動により、界磁と電流の積であるトルクの中に、振動トルクが減少し、低速のドラム駆動には適した駆動法となる。
【００１２】
本方式の外転型回転電機には永久磁石を２個の固定子でサンドイッチ状に挟んで固定子を構成するが、２個の固定子で挟持る永久磁石の回転軸方向から見た形状が該固定子と略同形状であれば、磁石の固定子との接触面積も最大になり、鎖交磁束を大きく出来る。しかし、その場合、永久磁石の形状が複雑になる。また回転軸方向の永久磁石の厚みは極力薄いものが望ましい。何故なら、その磁石厚みの部分は固定子に歯がなく、回転子との間でトルク発生に貢献しないからである。それらを考慮すると、複雑な形状の永久磁石に適するボンド磁石、または薄厚でもパーミアンス係数の高く磁束の大きい焼結磁石が最適である。
【００１３】
高いトルクをモータの外径を変えずに得るには、軸方向に珪素鋼板積み厚を増せばよいが、この時、永久磁石からの磁束補給量はほぼ同じなので、結果として磁束密度が減少して、トルクが軸方向にモータを鉄心部のみ伸びても増えない。この場合は、永久磁石を挟持した２個の固定子を１固定子対とし、それらを軸方向にＰ対配置固定し、Ｐ対の固定子に渡り、同一位置の主極に同一のコイルを巻いた固定子と、それにエヤギャップを介して対向する回転子対を、回転軸方向にＰ個配置して設ける様にすればよい。
但し、Ｐは整数。
【００１４】
【発明の効果】
１）複写機やプリンター等のドラム駆動において、従来の方式はドラム外に回転電機があり、減速体やタイミングベルト等でドラム外部からドラムを駆動していた。これに対し、本発明を適応すると、小型コンパクトとなり、ドラムそのものが、回転しながら、分解能も高いため、転写ドラムとしてのその機能を発揮できる。
また回転電機の漏洩磁束が回転電機内部に封じ込まれ、ドラム外部にはほとんど出なくなる。
２）外転型回転電機の外周部にドラムを設け、外転型回転電機の中空部に貫通してその内径に勘合する軸を通し、固定軸として、ドラムの回転軸心を兼務させることで、小型コンパクトなドラムアクチュエータとなる。
３）Ｒ＝ｍ（３ｎ±１）やｍ（３ｎ±１）>πＤ を満たす、回転子の歯数を選べば、高精度で高分解能な回転電機が実現する。
３相巻線でスターまたはデルタ結線として、３端子で駆動回路をシンプルにできる。
駆動を２―３相やマイクロステツプとすることで、オープンループ等でも低回転ムラとなり、ドラム駆動に適したものとなる。
固定子に有する永久磁石を、固定子鉄心と同形状にし、ボンド磁石や焼結磁石とすることで、永久磁石の磁束を大きくでき、且磁石を薄くできる。
本発明の回転電機の固定子対を２段等に重ねることで、高トルクが容易に得られる回転電機となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる外転型回転電機の側面構造図
【図２】本発明に用いる外転型回転電機の正面構造図
【図３】本発明のモータに適用する結線図
【図４】本発明のモータに適用する別の結線図
【図５】本発明に適用する駆動回路とモータの結線図
【図６】本発明に適用する２―３相駆動の励磁と電流
【図７】本発明のドラム回転構造図
【図８】従来の外転型回転電機の側面断面図
【図９】従来の外転型回転電機の正面断面図
【符号の説明】
１、１１ コイル
２、１２ 固定子鉄心
３、１５ 永久磁石
４、１３ 固定子支持体、
５、２４ 軸受け
６、７ ブラケット
２３ ブラケット
８ 回転子
９ 固定ボルト
１０ リード線
１４ 回転子
２０ 外転型回転電機
２１ 固定軸
２２ ドラム

Claims (6)

1. 略円環状磁性体部より外方向に放射状に、各々の先端に複数個（Ｋ個）の歯を有した複数個（Ｑ個）の固定子主極を設けて固定子鉄心を構成し、この固定子鉄心を２個同位置に配置すると共に、その２個の該固定子鉄心の磁性体部の夫々の内周部に両固定子鉄心の外周がお互いに異極となるように磁化した円筒状永久磁石を配し、２個の該固定子鉄心のそれぞれの主極に渡ってコイルを巻いて固定子を構成し、固定子鉄心の各主極の先端にエヤギャップを介して対向するよう回転子を回転自在に配置し、回転子はその内周に等ピッチで複数個（Ｒ個）の歯を有すると共に回転軸方向厚さの略１／２の位置で、Ｒ個の歯ピッチが１／２ずらせて構成されており、かつ、Ｒ＞ＫＱなる関係を有しており、該回転子の外周部がドラム機能を有するかまたはドラムの内側に該回転子の外周が連結され、該永久磁石の反回転子方向の漏洩磁束を回転軸心部に反発収束させ、ドラム外周部への漏洩磁束の影響を軽減させたことを特徴とする外転型回転電機。
2. 請求項１において、固定子の中央部には貫通中空穴が設けられ、その貫通穴に軸を通し、ドラムの回転支持軸とした外転型回転電機。
3. 略円環状磁性体部より外方向に放射状に、各々の先端に複数個の歯を有した３ｍ個の固定子主極を設けて固定子鉄心を構成し、この固定子鉄心を２個同位置に配置すると共に、その２個の該固定子鉄心の磁性体部の夫々の内周部に両固定子鉄心の外周がお互いに異極となるように磁化した円筒状永久磁石を配し、２個の該固定子鉄心のそれぞれの主極に渡ってコイルを１相分がｍ個で構成されるように巻いて３相巻線固定子を構成し、固定子鉄心の各主極の先端にエヤギャップを介して対向するよう回転子を回転自在に配置し、回転子はその内周に等ピッチで複数個（Ｒ個）の歯を有すると共に回転軸方向厚さの略１／２の位置で、Ｒ個の歯ピッチが１／２ずらせて構成されており、かつ、Ｒ＝ｍ（３ｎ±１）（但しｍ、ｎは１以上の整数）なる関係を有したことを特徴とする外転型回転電機。
4. 請求項３において、回転子の外径をＤとしたときに、ｍ（３ｎ±１）＞πＤであることを特徴とした外転型回転電機。
5. 請求項３において、各相の巻き終わりまたは一方同志を短絡し、巻き始めまたは他方側で３端子入力としたスター巻線、または１相の巻き終わりと次相の巻き始めを順次連結し、３個の該連結点にて３端子入力とした、３端子入力の３相巻線固定子を形成したことを特徴とした外転型回転電機。
6. 請求項３から請求項５のいずれかに記載の外転型回転電機において、２相と３相を交互に励磁して駆動するか、各相の電流を極力正弦波に近似した階段状に増減した形のマイクロステップ駆動したことを特徴とした外転型回転電機の駆動法。

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