JP4748631B2

JP4748631B2 - 多相環状コイル型ｈｂ式回転電機

Info

Publication number: JP4748631B2
Application number: JP2001165678A
Authority: JP
Inventors: 正文坂本
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: JP2002359959A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ等のＯＡ機器等に使用される多相環状コイル型ＨＢ式回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁性体回転子磁極に歯を持ち、永久磁石を挟持する、いわゆる、ハイブリット（以下ＨＢと略す）式回転電機（主にステッピングモータ）は、大トルクで高分解能のため、２相式のＨＢ式ステッピングモータとして広く使用されている。
【０００３】
しかし、このＨＢ式回転電機は、各相コイルを回転子の外周方向に分布させる、いわゆる、相分布型構造が主流である。
また、最近、環状コイル型ＨＢ式回転電機として、「米国特許４７６４６９７」が提案されている。
【０００４】
この「米国特許４７６４６９７」の環状コイル型ＨＢ式回転電機５０について、図６を用いて説明する。
図６は、この環状コイル型ＨＢ式回転電機５０の分解斜視図である。
【０００５】
図６に示すように、環状コイル型ＨＢ式回転電機５０の主要構成は、永久磁石４２とこの永久磁石４２を挟んだ１対の回転子磁極４０、４１から成る回転子Ｒと、固定子鉄心３０、３１、３４、及び、環状コイル３８、３９からなる固定子Ｓ、Ｓ’である。
また、同図において、３５は回転子軸、３２、３３、３６、３７、４５、４６、４７、４８はそれぞれ固定子鉄心３０、３１、３４の歯である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の環状コイル型ＨＢ式回転電機は、次のような問題を備えている。
（１）相分布型構造のＨＢ式回転電機は、ＨＢ式回転電機の主流であるが、固定子スロットからコイルを挿入するため、電機素子の組立作業に時間が掛かり、安価が困難である。
（２）上述した「米国特許４７６４６９７」の環状コイル型ＨＢ式回転電機は、回転子磁極が１対で、２個の固定子に対向させるために、検討してみると、後述するように、トルクの発生に必要な鎖交磁束が不均一磁路となるため、不十分で、かつ、バラツキが大で、実用的な面に問題がある。
（３）同じく、環状コイル型ＨＢ式回転電機は、回転子の磁路が１相と２相間の固定子を通過するので、各相独立磁路ができなく、振動や位置決め精度が良くない。
【０００７】
以下、「米国特許４７６４６９７」の環状コイル型ＨＢ式回転電機５０の問題について、図６を用いて詳細に説明する。
上述したように、「米国特許４７６４６９７」の環状コイル型ＨＢ式回転電機５０は、回転子Ｒの回転子磁極４０、４１が１対で、２個の固定子Ｓ、Ｓ’に対向している。
【０００８】
即ち、図６において、回転子磁極４１の歯と、固定子鉄心３０の歯３６、３７同士が１００％対向した場合、固定子鉄心３４の歯４５、４６と、回転子磁極４１は、１００％不対向し、山と谷の関係にある。
【０００９】
このとき、回転子磁極４０の歯と、固定子鉄心３４の歯４７、４８、また、固定子鉄心３１の歯３２、３３は、各々５０％ずつ対向している。
即ち、永久磁石４２から出た磁束は、回転子磁極４１の歯から、固定子鉄心３０の歯３６、３７に入り、固定子Ｓを経由して、固定子鉄心３４の歯４５、４６から約５０％がコイル３８と鎖交して、回転子磁極４０を経て、永久磁石４２へ戻る。
しかし、残りの約５０％の磁束は、固定子鉄心３１を通り、固定子鉄心３１の歯３２、３３からコイル３９にも鎖交して、回転子磁極４０を経て、永久磁石４２へ戻る。
【００１０】
この場合、図６に示す環状コイル型ＨＢ式回転電機５０は、２相機なので、コイル３８とコイル３９には、９０度位相の異なった交流を流す。
従って、１相コイルの鎖交磁束をΦとすると、トルクＴは、電流をｉ、回転子機械角速度をωｍとして次式となる。
Ｔ＝√２（ｄΦ／ｄｔ）ｉ／ωｍ（１）
【００１１】
式（１）に示すように、トルクＴは、鎖交磁束Φが大きく、（ｄΦ／ｄｔ）と、電流ｉの位相が同じであるとき最大になる。
【００１２】
しかし、図６に示す環状コイル型ＨＢ式回転電機５０の場合、鎖交磁束Φは、上述した理由で、１／２であり、仮に、コイル３８の電流ｉと（ｄΦ／ｄｔ）の位相が同じとした場合、コイル３９を流れる電流ｉは、位相が９０度ずれるので５０％の鎖交磁束Φによる（ｄΦ／ｄｔ）は位相が同じにならず、１相と２相の合計トルクＴは小さなものになってしまう。
【００１３】
本発明は上記課題（問題点）を解決し、トルクが大きく、振動騒音が少なく、位置決め精度が良く、かつ、安価な多相環状コイル型ＨＢ式回転電機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】
本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機は、上記課題を解決するために、請求項１に記載のものは、外周にＮｒ個の歯を等ピッチで有した磁性体よりなる回転子磁極２個で、軸方向から永久磁石をサンドイッチ状に挟持した単位回転子を形成し、この単位回転子を軸方向に合計Ｐ個配置してなる回転子と、それぞれの単位回転子とエヤギャップを介して対向させるとともに、固定子鉄心はＱ個のポールを有し、このＱ個のポールの各々はｑ個の複数の歯を有し、Ｑ個のポールが交互に噛み合う様に、固定子鉄心２個で環状コイルを軸方向から挟持して単位固定子を形成し、この単位固定子を軸方向に合計Ｐ個有してなる固定子と、を備え、単位回転子と単位固定子同士が対で単位対を形成して、軸方向にＰ個の単位対を成すとともに、固定子鉄心間または回転子磁極間で、１８０°／（Ｐ・Ｎｒ）（機械角）偏位した構成とした。
但し、Ｎｒ、Ｐ、Ｑ、ｑはそれぞれ２以上の自然数とする。
【００１５】
このように構成すると、単位回転子の回転子磁極で挟持した永久磁石のＮ極から出た磁束は、Ｎ極側回転子磁極の歯からエヤギャップを介して固定子鉄心の対向する歯に入り、固定子鉄心を通過し、環状コイルと鎖交し、エヤギャップを通過してＳ極側回転子磁極の歯から永久磁石のＳ極に戻る閉回路磁路を形成し、永久磁石から出る磁束を十分に活用することができる。
この結果、各相独立磁気路となるため、トルクが大きく、振動騒音が少なく位置決め精度が良い回転電機となる。
また、コイル構造を、ボビン巻コイル構造とすると、安価なモータを提供できる。
更に、２相のみでなく３相、５相等の安価な多相機化ができ、ステップ角の微少角化、及び、高分解能化ができる。
【００１６】
請求項２に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機は、請求項１に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、前記固定子のＱ個のポールが、クローポール群より構成してもよい。
【００１７】
このように、固定子を、クローポール構造とすると、更に、安価とすることができる。
【００１８】
請求項３に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機は、請求項１又は２に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、前記単位回転子を形成して永久磁石を挟持する該２個の回転子磁極同士は、１８０°／Ｎｒ（機械角）偏位し、単位固定子を形成する該２個の固定子鉄心同士は、その隣接する噛み合う固定子ポール間の角度（同位置の歯またはクローポール間の角度）が、１８０°／Ｑ（機械角）で、かつ、Ｎｒ＝Ｑ（２ｎ±１）である構成とした。
但し、ｎは自然数とする。
【００１９】
このように構成すると、更に、トルクが大きく、振動騒音が少なく位置決め精度が良い回転電機となる。
【００２０】
請求項４に記載の２相環状コイル型ＨＢ式回転電機は、請求項１乃至３のいずれかに記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、Ｐ＝２、Ｑ＝２である構成とした。
【００２１】
このように構成すると、上記効果を有するとともに、コンパクトで、安価な２相環状コイル型ＨＢ式回転電機とすることができる。
【００２２】
請求項５に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機は、請求項１又は２に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、前記単位回転子間、又は、前記単位固定子間の少なくとも一方が、磁気的絶縁をしている構成とした。
【００２３】
このように構成すると、各相独立磁気路は、単位回転子または単位固定子間を磁気的に絶縁することで、更に向上し、その効果を増す。
【００２４】
請求項６に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機は、請求項１乃至３のいずれかに記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、固定子のＱ個のポールは、互いに磁気的に飽和するような細部で連結した鉄板を積層して形成した構成とした。
【００２５】
このように構成すると、固定子と回転子とのギャップ精度が向上し、また、ギャップを狭くでき、トルクを大きくすることができる。
【００２６】
請求項７に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機は、請求項６に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、前記固定子のＱ個のポールを樹脂注型で形成した後、前記細部を削除するように構成した。
【００２７】
このように構成すると、固定子磁極において、磁気的な漏洩が無くなる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機の各実施の形態について、図１乃至図３を用い、図４を参照して説明する。
先ず、本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機２８の一実施の形態について、図１及び図２を用いて説明する。
【００２９】
図１は、本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機２８の一実施の形態を示す分解斜視図である。
図２は、本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機２８の一実施の形態を示す一部を切り欠いて示した正面図である。
【００３０】
図１は、請求項１に記載した構成において、単位回転子及び単位固定子の数Ｐ＝２、固定子鉄心のポールの数Ｑ＝２を具現化して、立体部品図で示したものである。
１５は回転子軸、２１、２０、２１'、２０’は磁性体よりなり、外周に等ピッチで、Ｎｒ個の歯を有した回転子磁極であり、回転子磁極２１と２０で永久磁石２２を、また回転子磁極２１'、２０'で永久磁石２２'を挟持し、２個の永久磁石２２、２２’は、軸方向に磁化されて、これらの構成により回転子を形成している。
【００３１】
１、４、９、１０は固定子鉄心で、この固定子鉄心１、４、９、１０は、磁性体よりなる。
ここで、固定子鉄心１と１０、また、固定子鉄心４と９は同一部品とすることができる。
【００３２】
また、固定子鉄心４と９の外周の鍔部を無くすと、固定子鉄心１、４、９、１０は同一部品となり、この場合は鍔部のヨークの役目は、図２に示す磁性体よりなるハウジング２５の内周と固定子鉄心１、４、９、１０の外周を密着させればよい。
【００３３】
固定子鉄心１、４、９、１０は、軸方向に部分的に各固定子鉄心１、４、９、１０から２個所ずつ（Ｑ＝２）ポールが突き出て、その部分の内周に複数の歯２、３、５〜８、１１、１２を有する。
また、固定子鉄心１の歯２、３と固定子鉄心４の歯７、８が、コイル１３で異極性に、同様に固定子鉄心９の歯５、６と固定子鉄心１０の歯１１、１２もコイル１４により、お互いに異極性に励磁される。
【００３４】
ケース（１）
固定子鉄心１、４、９、１０の歯２、３、５〜８、１１、１２、及び、回転子２１、２０、２１’、２０’の歯の相互配列関係は、ケース（１）として、
固定子鉄心１の歯２と固定子鉄心４の歯７が９０度（機械角）隔てて（従って、固定子鉄心１の歯３と固定子鉄心４の歯８も同様）噛み合い、固定子鉄心９の歯５と固定子鉄心４の歯７、及び、固定子鉄心９の歯６と固定子鉄心４の歯８は同位置で、固定子鉄心９の歯５と固定子鉄心１０の歯１１が９０度（機械角）隔てて（従って、固定子鉄心９の歯６と固定子鉄心１０の歯１２も同様）噛み合う。
【００３５】
この時、回転子磁極２１と２０、及び、回転子磁極２１’と２０’は、それぞれ、固定子鉄心の歯ピッチの１／２、即ち、１８０／Ｎｒ度（機械角）偏位させ、回転子磁極２１と２１’は、９０／Ｎｒ度（機械角）偏位させればよい。
【００３６】
ケース（２）
或いは、別の例として、回転子磁極２１と２１’は同位置として、固定子鉄心９の歯５と固定子鉄心４の歯７（固定子鉄心９の歯６と固定子鉄心４の歯８も）を、９０／Ｎｒ度偏位させ、他は、上記ケース（１）で示したものと同じとすることでもよい。
基本的には、前述したように、固定子鉄心１、４、９、１０は同一部品として、組み合わせる位置のみ上記の関係としてもよい。
【００３７】
図１で、組み立て後は、回転子磁極２１と２０は、固定子鉄心９、１０の歯５、６、１１、１２とエヤギャップを介して対向できる。
また、回転子磁極２１’と２０’は、固定子鉄心１、４の歯２、３、７、８と対向できる。
【００３８】
これは、詳細は、一般的多相環状コイルコイル型ＨＢ式回転電機として、図２に示されている。
図２の固定子鉄心１０は、鉄板積層で形成された例を示している。２５はヨークの役目の磁性体ハウジング、その他の部品は図１と同じである。
【００３９】
次に、図３を用いて、本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機２８’の他の実施の形態について、図３を用い、図４を参照して説明する。
図３は、図１の固定子鉄心１、４、９、１０を、図１に示したような軸方向に鍔部を設けてその内周に歯を設けるのでなく、クローポールにした図である。
図４は、従来技術のクローポール固定子構造を示す、一部裁断斜視図である。
【００４０】
図３に示すように、多相環状コイル型ＨＢ式回転電機２８’を構成すると、固定子鉄心１、４、９、１０は、１枚の電磁鉄板を抜き曲げして安価に製作できる。
図４に、参照例として示す従来技術のクローポール固定子Ｓの構造は、１個１個のクローポールＣｐが、お互いに噛み合い、回転子ＲのＮ極、Ｓ極と交互に対向することが示されている。
【００４１】
これに対し、本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機２８’のクローポール固定子構造では、１個１個のクローポール２、３、５〜８、１１、１２は、互いに噛み合わず、環状コイル１３、１４の一方側から軸方向に向いたクローポール群と該環状コイル１３、１４の他方側から軸方向に向いたクローポール群とが９０度（機械角）で噛み合うという特徴がある。
【００４２】
図５に、他の実施例として、請求項１乃至３の固定子において、別の鉄板積層による１例を、１相分の固定子で示す。
なお、２相機の場合はこれがもう１セット設けられる。
９’、１０’は鉄板であり、その内径には、径小部９’ａ、１０’ａと径大部９’ｂ、１０’ｂを設ける。
２４は珪素鋼板の積層による固定子磁極で、磁歯群同士の隣接部は、磁気的に飽和するような細部２４ａで連結されている。
【００４３】
固定子磁極２４の外径部は、鉄板９’、１０’の内径の径小部９’ａ、１０’ａに嵌合される。
コイル１４は、固定子磁極２４の外周部に設けられ、鉄板９’、１０’の外径は、図２のハウジング２５内径と密着する。
このようすると、固定子と回転子とのギャップ精度が向上し、また、ギャップを狭くでき、トルクを大きくすることができる。
【００４４】
ところで、固定子磁極２４の細部２４ａは、Ｑ個のポールを備えた固定子磁極２４を樹脂注型で成型した後、削除すると磁気漏洩がなくなるという効果を備えている。
これらの実施の形態は、請求項６及び７に相当する。
なお、図５には、細部２４ａは固定子磁極２４の外周に形成した例を示しているが、この細部２４ａを形成する位置は図示のものに限定されず、例えば、固定子磁極２４の内周に形成するようにしても良い。
【００４５】
本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機は、各相で回転子の磁束の磁気路を相別に完全に独立させる、いわゆる、相内磁路ができる。
一方、上記したように、「米国特許４７６４６９７」の環状コイル型ＨＢ式回転電機では、２相間に跨った回転子の磁束の磁気路となる。
このことは１相磁化されている時、２相目が相電流の切り替えを行うと、１相側の鎖交磁束に変化が現れ、振動騒音が起き易くなるが、本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機では、この問題が解決されている。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機は、上述のように構成したために、以下のように優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、単位回転子の回転子磁極で挟持した永久磁石のＮ極から出た磁束は、Ｎ極側回転子磁極の歯からエヤギャップを介して固定子鉄心の対向する歯に入り、固定子鉄心を通過し、環状コイルと鎖交し、エヤギャップを通過してＳ極側回転子磁極の歯から永久磁石のＳ極に戻る閉回路磁路を形成し、永久磁石から出る磁束を十分に活用することができる。
（２）この結果、各相独立磁気路となるため、トルクが大きく、振動騒音が少なく位置決め精度が良い回転電機となる。
（３）また、コイル構造を、ボビン巻コイル構造とすると、安価なモータを提供できる。
（４）更に、２相のみでなく３相、５相等の安価な多相機化ができ、ステップ角の微少角化、及び、高分解能化ができる。
【００４７】
（５）請求項２に記載したように、固定子を、クローポール構造とすると、更に、安価とすることができる。
【００４８】
（６）請求項３に記載したように構成すると、更に、トルクが大きく、振動騒音が少なく位置決め精度が良い回転電機となる。
【００４９】
（７）請求項４に記載したように構成すると、上記効果を有するとともに、コンパクトで、安価な２相環状コイル型ＨＢ式回転電機とすることができる。
【００５０】
（８）請求項５に記載したように、単位回転子間、又は、単位固定子間の少なくとも一方が、磁気的絶縁をしている構成とすると、各相独立磁気路は、単位回転子または単位固定子間を磁気的に絶縁することで、更に向上し、その効果を増す。
【００５１】
（９）請求項６に記載したように構成すると、固定子と回転子とのギャップ精度が向上し、また、ギャップを狭くでき、トルクを大きくすることができる。
【００５２】
（１０）請求項７に記載したように、固定子のＱ個のポールを樹脂注型で形成した後、細部を削除するように構成すると、固定子磁極において、磁気的な漏洩が無くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機の一実施の形態を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機の一実施の形態を示す一部を切り欠いて示した正面図である。
【図３】図１の固定子鉄心をクローポールにした分解斜視図である。
【図４】従来技術のクローポール固定子構造を示す斜視図である。
【図５】本発明の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機の他の実施の形態に用いる固定子を示す分解斜視図である。
【図６】従来の環状コイル型ＨＢ式回転電機の分解斜視図である。
【符号の説明】
１、４、９、１０：固定子鉄心
２、３、５、６、７、８、１１、１２：固定子鉄心の歯
１３、１４：環状コイル
１５：回転子軸
２０、２１、２０’、２１’：回転子磁極
２２、２２’：永久磁石
２８、２８’：多相環状コイル型ＨＢ式回転電機

Claims

外周にＮｒ個の歯を等ピッチで有した磁性体よりなる回転子磁極２個で、軸方向から永久磁石をサンドイッチ状に挟持した単位回転子を形成し、この単位回転子を軸方向に合計Ｐ個配置してなる回転子と、
それぞれの単位回転子とエヤギャップを介して対向させるとともに、固定子鉄心はＱ個のポールを有し、このＱ個のポールの各々はｑ個の複数の歯を有し、Ｑ個のポールが交互に噛み合う様に、固定子鉄心２個で環状コイルを軸方向から挟持して単位固定子を形成し、この単位固定子を軸方向に合計Ｐ個有してなる固定子と、を備え、
単位回転子と単位固定子同士が対で単位対を形成して、軸方向にＰ個の単位対を成すとともに、固定子鉄心間または回転子磁極間で、
１８０°／（Ｐ・Ｎｒ）（機械角）
偏位したことを特徴とする多相環状コイル型ＨＢ式回転電機。
但し、Ｎｒ、Ｐ、Ｑ、ｑはそれぞれ２以上の自然数とする。
請求項１に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、
前記固定子のＱ個のポールが、クローポール群より構成されることを特徴とする多相環状コイル型ＨＢ式回転電機。
請求項１又は２に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、
前記単位回転子を形成して永久磁石を挟持する該２個の回転子磁極同士は、
１８０°／Ｎｒ（機械角）偏位し、
単位固定子を形成する該２個の固定子鉄心同士は、その隣接する噛み合う固定子ポール間の角度（同位置の歯またはクローポール間の角度）が、
１８０°／Ｑ（機械角）で、かつ、
Ｎｒ＝Ｑ（２ｎ±１）
であることを特徴とする多相環状コイル型ＨＢ式回転電機。
但し、ｎは自然数とする。
請求項１乃至３のいずれかに記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、
Ｐ＝２、Ｑ＝２
であることを特徴とする２相環状コイル型ＨＢ式回転電機。
請求項１又は２に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、
前記単位回転子間、又は、前記単位固定子間の少なくとも一方が、磁気的絶縁をしていることを特徴とする多相環状コイル型ＨＢ式回転電機。
請求項１乃至３のいずれかに記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、
固定子のＱ個のポールは、互いに磁気的に飽和するような細部で連結した鉄板を積層して形成したことを特徴とする多相環状コイル型ＨＢ式回転電機。
請求項６に記載の多相環状コイル型ＨＢ式回転電機において、
前記固定子のＱ個のポールを樹脂注型で形成した後、前記細部を削除するようにしたことを特徴とする多相環状コイル型ＨＢ式回転電機。