JP2007151275A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】騒音や振動が少ないモータ構造と簡素化された加工工程により安価なモータを提供することを目的とする。
【解決手段】２相モータの場合，主磁極数を４とし，ステータの小歯を有する各主磁極の先端部の円弧の長さをＬ，主磁極の巻線実装部の幅をＷとし，Ｌ／Ｗの値が２．９以下で，主磁極と前記突極の付け根の角度θを９５度＜θ＜１２０度とし，ロータコアの小歯外周面とステータ主磁極先端の内周面とのエアギャップを０．０６〜０．０８ｍｍとして，ロータコアの外周面研磨加工等とステータの主磁極先端婦のホーニング加工等を廃止するモータ構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファクシミリ、インクジェットプリンタ、レーザビームプリンタあるいはコピー機などの画像を扱うＯＡ機器に使用されるハイブリッド型ステッピングモータ（以下モータとする） に関するものである。

上記のような各ＯＡ機器に使用されるモータ は、絶対条件であるコスト低減を図りながら低振動、低騒音を達成することを要求されている。

ほとんどのモータは、その特性を出すために，ロータの小歯外周面とステータ主磁極先端の内周面とのエアギャップが０．０５ｍｍできわめて狭く設定されている。このため、ロータ部の真円度、ロータ部外周面とモータ軸との同軸度にきわめて高精度が求められ、従来は、プレス抜きによって形成したコア板を積み重ねて一体化した後、ロータ部の小歯外周面を研磨加工して、所定の真円度および同軸度が得られるようにしている。

また，同様にステータの内周面の真円度もきわめて高精度が求められ、ホーニングと呼ばれる仕上げ加工を実施している。このような加工工程によりロータの小歯外周面とステータの内周面とのエアギャップが０．０５ｍｍ程度に維持されている。

また，ロータ部の小歯外周面を研磨加工した際にバリが生じると、回転中にバリが落ちてロータに噛込み，モータがロックする原因になる。そのため，ロータ部小歯外周面を研磨加工した際にロータ部の外周面にバリが生じないような処理がなされる。その処理方法としては，ロータ部の外周面にバリ飛散用の樹脂を塗布して硬化させた後、ロータ部の外周面を研磨加工する方法や，ロータ部の外周面を研磨加工後にショットブラスト処理、バフ掛け、水圧を利用する方法等もある。

ローコスト化を目的に，特開２００５−６３７５号広報では，ロータ部のプレス加工工程を増やし，小歯の端面におけるダレを防止して抜き加工する等の精度アップ方法が提案されている。

標準的なエアギャップ０．０５ｍｍの角形のモータでは、発生トルクに対しステータとロータとの間の半径方向の吸引が非常に大きく、モータの加振力源となっていることは良く知られている。特開２０００−１９７３３５号公報では、角形ステータを備えたモータの騒音や振動の改善として、磁極の全ての支柱の配置と、小歯部を周方向配置について提案している。しかしながら、これらの複雑な方法には適用できるモータの形状・サイズに多くの条件が必要となり実用的でない。

一方，本発明の出願者等は先に出願した特開２００３−１３４７８８号公報で，振動が少なく，トルクを大きく取り出すモータ構造を提案している。図５はこの構造を示すもので，１は巻線３が装巻されたステータ，５１はリング状でその平面に単極着磁されたマグネット，２１と２２はロータコアでマグネット５１を挟持したロータ組で，これを２組用意し，マグネット５１の着磁磁極が同一極で対向するようにモータ軸４を芯として取付け，且つ上記２つの組の互いに隣接するロータコアの小歯の極性が互いに同一となるよう配置されてなる構造のステッピングモータである。

この方式のモータは半径方向吸引力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４は図６のように発生し，ロータ素子が４個なので従来の２個の構成に比べてその分分散されてバランスしているので不平衡モーメント力が存在しないので，軸受け等のクリアランスによる振動や騒音は従来機より有利で低振動低騒音となる。また，このステッピングモータは従来の同一体格のモータに比較して理想的には約２倍のトルクが得られることになる。
また，本構造のモータでは，リング状マグネットの残留磁束密度が０．５Ｔ以下でコストパフォーマンスが良いことを，特願２００５−２７４９７４にて提案している。
特開２００５−００６３７５号公報 特開２０００−１９７３３５号公報 特開２００３−１３４７８８号公報 特願２００５−２７４９７４号公報

上述のように，ロータの小歯外周面とステータの内周面とのエアギャップを０．０５ｍｍ程度に維持するために，ロータ部外周面研磨加工等と固定子の内周面のホーニング加工等や加工バリ対策の表面処理等のコストアップ要因が多い。

また、一方でステッピングモータは、騒音が大きく、振動も多いモータであることはよく知られているが、このような騒音や振動をコストアップすることなく効果的に低減させる技術については未だ提案されていない。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、騒音や振動が少ないモータ構造を安価に提供することを目的とする。

上述した課題を解決する手段として，２相モータにおいては，主磁極数を４極とし本発明者達が提案する特開２００３−１３４７８８号公報のモータ構造とした場合のホールディングトルクを正確に把握するため，磁界解析と評価計算式を導入して従来モータとの比較検討を実施した。図２は磁界解析に使用したステータとロータ組の形状を示すものである。図中２−３は従来の８磁極のステータであり，２−４は本発明のモータのステータであり４磁極である。２−５はステータ内径を約φ２９とした場合のステータである。２−６は従来のモータのロータ組であり，２−７は本発明のモータのロータ組である。

モータ構造の違いによる特性を比較するために，巻線温度上昇が一定に成る条件で，巻線1ターン分の逆起電力解析結果と巻線部有効面積からモータのトルク評価を行うため下記のように評価式を作成した。
1相分のトルクτ₁は逆起電力e，電流i₁，角速度ωにより数１式で表される。

巻数をn1，e1を1ターン分の逆起電力とするとeは数２式で表され，式は数３式になる。

ここで全巻線部の断面積をS_c，占積率をf_s，相数をmとすると，1コイルの断面積S₁は数４式となる。

1コイルの平均長をl₁，コイルの固有抵抗をρとすると，1相のコイル抵抗R₁は数５式となる。ここでm，ρ，l₁，f_sは定数としてk_rとする。

また，銅損W₁は数６式にて表され，電流i₁は数７式のように表される。

数５式を数７式に代入し，銅損W₁を一定とすると

とすると電流i₁は数１０式となる。

数１０式を数３式に代入すると，数１１式となる。

よって，巻線の発熱量一定という条件で，トルクτ₁は1コイル分の逆起電力e₁と全巻線部の断面積S_cの平方根の乗算にてトルクの優劣を判断できる。

表１は比較するモータの仕様を示すものである。従来方式タイプＡは主磁極８極でエアギャップ０．０５ｍｍのものでマグネットはネオジムで残留磁束密度１．０５Ｔを使用している。特開２００３−１３４７８８号公報のモータ構造の仕様をＢ，Ｃ，Ｄタイプのように決めて解析を実施した。マグネットはフェライトで残留磁束密度０．４Ｔ，エアギャップ０．０７ｍｍは共通で，ステータ小歯部先端の直径を変化させた仕様となっている。
（表１）

各モータの1ターンあたりの逆起電力の解析結果と巻線可能なスロット部面積の平方根を掛けあわせた結果を表２に示す。従来機８極のタイプＡに対して， 本発明のタイプBではトルク比1.52倍，本発明のタイプＣではトルク比1.95倍となる。この結果から，Ｂ，Ｃ，Ｄどのタイプにおいてもエアギャップを０．０７ｍｍに増大させても，タイプＡに対して大幅にトルクアップが見込める。
（表２）

従来のモータと同等トルクとするためには，ロータの小歯外周面とステータ主磁極先端の内周面とのエアギャップを広げられるので，ロータ部外周面研磨加工等と固定子の内周面のホーニング加工等や加工バリ対策の表面処理等を廃止することが可能となる。
また本発明のモータ構造において振動を抑制するためには，ステータ各主磁極から延びる突極部の先端にある小歯の変形量を抑制する必要があり，そのために突極部の円弧の長さＬと，主磁極の幅をＷの関係と，主磁極と突極の付け根の角度θを規定する。

本発明に係るステッピングモータの効果は下記のように列挙することができる。
（１）
ステータとロータのコアはプレス加工工程で自動積層され，ロータの外周面研磨工
程とステータの内周面ホーニング加工工程が不要になり，安価に製作できる。
（２）研磨やホーニング作業でのバリの発生が無くなり，面倒なバリ飛散防止の処理工程も不要になり，加工工程が飛躍的に簡易化され，信頼性も向上できる。
（３）エアギャップの増加に伴い，回転方向のコギング力も低減でき，モータの振動を著しく低減できる。
（４）小歯に働く半径方向吸引力に対する変位量を抑制し，巻線占積率を確保するための最適なステータ突極部寸法が規定され，高効率で低振動化が可能となる。
（５）モータの回転トルクも従来同一体格のモータの回転トルクと同等以上出力される。

４個の主磁極から延びる突極部の先端に複数個の小歯を有し、主磁極の外周を一体に連結するコアバック部と主磁極毎に巻回された２相巻線とを有するステータと，ステータにエアギャップを介して且つ軸方向に配置された２組のロータ組とより成り、ロータ組は軸方向に互いに離間した２個のロータコアと、この２個のロータコアによって挟持され、軸方向に磁化されたマグネットとより成り、各ロータコアがその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、各組の２個のロータコアが互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ２つの組の互いに隣接するロータコアの小歯の極性が互いに同一となるように配置したステッピングモータにおいて，ステータ各主磁極の突極部の先端部の円弧の長さをＬ，主磁極の巻線実装部の幅をＷとし，Ｌ／Ｗの値が２．９以下とし，且つ主磁極と突極の付け根の角度θが９５度＜θ＜１２０度に設定する。また，ロータコアの小歯外周面とステータ主磁極先端の内周面とのエアギャップを０．０６〜０．０８ｍｍとし，ロータコアの外周面研磨加工等とステータの主磁極先端婦のホーニング加工等を廃止した構造。

図１は上述した本発明のモータタイプＢの仕様のモータを，エアギャップを０．０５〜０．０８ｍｍとした場合の，モータトルクとコギングトルクとモータ半径方向の吸引力を解析により求めた結果である。エアギャップ０．０５ｍｍを基準に広げていくと，トルク５５と吸引力５６はエアギャップの増加につれてほぼ同一の傾きで低下する。一方コギングトルク５７は約２倍の傾きで低下することが判明した。
従来の主磁極８極モータはタイプＡであり，エアギャップ０．０５ｍｍでモータのトルク特性はタイプＢに比べると１／１．５２で約６５％で図１に５８として記入できる。この６５％のトルクを維持するためのエアギャップは，０．０８ｍｍまで広げても満足できることがわかる。
また，モータの振動の原因となるコギングトルク５７は，従来のタイプＡとタイプＢはエアギャップ０．０５ｍｍでは同一であり，タイプBはエアギャップ０．０７ｍｍで約６０％に低減できる。その結果請求項３に記載するようにロータコアの小歯外周面とステータ主磁極先端の内周面とのエアギャップを０．０６〜０．０８ｍｍとすることが可能であり特性改善も達成できる。

その結果請求項４に記載するように，ステータとロータのコアはプレス加工工程で自動積層され，ロータの外周面研磨工程とステータの内周面ホーニング加工工程が不要になり，安価に製作できるだけでなく，研磨やホーニング作業でのバリの発生が無くなり，面倒なバリ飛散防止の処理工程も不要になり信頼性も向上できる。

図２は本発明のモータの磁界解析と試作に使用したステータとロータ組の図である。図２−１，２−２において，２はステータ主磁極，５は突極部，９は小歯，１０は支え部である。 また，Ｗは主磁極幅，Ｌは突極先端部の円弧の長さ，θは主磁極２から延びる突極部５の付け根の角度を示す。また，２−３図は従来のモータで解析のタイプＡのステータであり，同様に２−４図は解析の本発明のタイプＢのステータ，同様に２−５図は解析のタイプＤのステータでり，２−６図は従来のモータで解析のタイプＡのロータ組であり，同様に２−７図は解析の本発明のタイプＢのロータ組を示すものである。

図３はステータ主磁極２の突極部５の先端の小歯で，主磁極からラジアル方向に最も遠い小歯９に吸引力をかけた場合のモータ半径方向への変位を解析で求めた結果である。６３は従来のタイプＡ，６２はタイプＢ，６１はタイプＤのモータ半径方向に小歯にかかる力と，そのために小歯９のモータ半径方向への変位量を示すものである。

主磁極２から最も遠い小歯９までの距離Ｚは，図２のステータ図に記載されている寸法で，小歯群の円弧幅Ｌと主磁極幅Ｗの差を二分したものとして計算できる。従来のタイプＡではＺは２．９８ｍｍであり，タイプＢでは５．３ｍｍ，タイプＤでは６．２５ｍｍと成っている。この値はモータのサイズによって変化するため，ＬとＷの比で把握するためＬ／Ｗ値を計算すると，従来のタイプＡで２．９９であり，タイプＢでは２．７７，タイプＤでは３．０８と成っている。

また，主磁極２から延びる突極部５の付け根にはθ（９５度〜１２０度）の角度を設定している。θが９５度以下では巻線の作業性が悪くなり，巻線占積率も低下する。θが１２０度以上では突極部の支え部１０の幅が細くなるか，巻線占積率が低下するかの問題が生じ，角度θは９５度＜θ＜１２０度に設定するのが良い。

最も遠い小歯にかかる荷重が３Ｎの場合の変位量はタイプＡでは０．１４μｍ，Ｂでは０．４６μｍ，Ｃでは０．７８μｍとなり変位量は大きくなる。従来のモータ構造で，この吸引力はモータ回転中の振動に直接影響したが，本発明の構造では上述したように，基本的に不平衡モーメント力が無くモータ軸４が振動する現象は発生しない。しかしながら，ステータ自体が直接振動することによるモータ振動は発生する。

図４はモータをマイクロステップ駆動した場合の入力パルス数と振動特性を測定し比較するものである。図中６６は従来のタイプＡ，６７はタイプＢ，６５はタイプＤの振動特性である。パルス数２５００ＰＰＳ以下では，タイプＢが最も振動が少ないことがわかる。また，高パルス領域でもタイプＡとＢは同等といえる。しかし，タイプＤは全パルス領域で振動が大きくなっていることがわかる。この原因は主磁極からラジアル方向に最も遠い小歯にかかる半径方向吸引力による変位量にある。

主磁極から最も遠い小歯までの距離Ｚはある範囲以内に設定する必要がある。あまりにも距離Ｚが小さいと，小歯数が減少しトルクが低下し，スロットの巻線面積も低下してモータトルクに影響を与えるためである。本モータ構造では振動特性を考慮して，Ｌ／Ｗ値を２．９以下に，且つ付け根角θは９５度＜θ＜１２０度に設定する必要があり，請求項１のように規定される。

以上のように本発明の実施例を２相ステッピングモータとして説明したが，３相ステッピングモータにおいても請求項２のように同様に実施出来ることは言うまでもない。

本発明の各要素の基本技術は確立されていて，それを２相ステッピングモータに応用することで，著しい特性改善とコストダウンが見込める。そしてファクシミリ、インクジェットプリンタ、レーザビームプリンタあるいはコピー機などの画像を扱うＯＡ機器に使用されるステッピングモータとして，絶対条件であるコスト低減を図りながら低振動、低騒音を達成することが出来るから，最適な駆動源として広く活用されることが可能である。

本発明のモータのエアギャップとモータ特性を示す図 本発明のモータの解析条件を示す図 本発明のモータの小歯の変位を示す図 本発明のモータの振動特性を示す図 本発明のモータの構造図 本発明のモータの不平衡モーメント力を示す図

符号の説明

１：ステータ
２：ステータ主磁極
３：巻線
４：モータ軸
５：ステータ突極
６：モータケース
７：モータケース
８：軸受け
９：ステータ小歯
１０：支え部
２１：ロータコア
２２：ロータコア
５１：マグネット
５５：トルク特性
５６：半径方向吸引力
５７：コギングトルク
５８：従来モータのトルク
６１：荷重に対する小歯の変位
６２：荷重に対する小歯の変位
６３：荷重に対する小歯の変位
６５：振動特性
６６：振動特性
６７：振動特性
２−１：ステータ形状
２−２：ステータ形状
２−３：ステータ形状
２−４：ステータ形状
２−５：ステータ形状
２−６：ロータ組形状
２−７：ロータ組形状

Claims (4)

1. ４個の主磁極から延びる突極部の先端に複数個の小歯を有し、該主磁極の外周を一体に連結するコアバック部と主磁極毎に巻回された２相巻線とを有するステータと，該ステータにエアギャップを介して且つ軸方向に配置された２組のロータ組とより成り、該ロータ組は軸方向に互いに離間した２個のロータ素子と、この２個のロータコアによって挟持され、軸方向に磁化されたマグネットとより成り、前記各ロータコアがその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、前記各組の２個のロータコアが互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ前記２つの組の互いに隣接するロータコアの小歯の極性が互いに同一となるように配置したステッピングモータにおいて，前記ステータ各主磁極の突極部の先端部の円弧の長さをＬ，前記主磁極の巻線実装部の幅をＷとし，Ｌ／Ｗの値が２．９以下で，前記主磁極と前記突極の付け根の角度θが９５度＜θ＜１２０度であることを特徴とする２相ステッピングモータ。
2. ３個の主磁極の突極部の先端に複数個の小歯を有し、該主磁極の外周を一体に連結するコアバック部と主磁極毎に巻回された３相巻線とを有するステータと，該ステータにエアギャップを介して且つ軸方向に配置された２組のロータ組とより成り、該ロータ組は軸方向に互いに離間した２個のロータコアと、この２個のロータコアによって挟持され、軸方向に磁化されたマグネットとより成り、前記各ロータコアがその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、前記各組の２個のロータコアが互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ前記２つの組の互いに隣接するロータコアの小歯の極性が互いに同一となるように配置したステッピングモータにおいて，前記ステータ各主磁極の突極部の先端部の円弧の長さをＬ，主磁極の巻線実装部の幅をＷとし，Ｌ／Ｗの値が２．９以下で，前記主磁極と前記突極の付け根の角度θが９５度＜θ＜１２０度であることを特徴とする３相ステッピングモータ。
3. ロータコアの小歯外周面とステータ主磁極先端の内周面とのエアギャップを０．０６〜０．０８ｍｍとしたことを特徴とする請求項１と２に記載のステッピングモータ。
4. ロータコアの外周面研磨加工等とステータの主磁極先端婦のホーニング加工等を廃止したことを特徴とする請求項１と２，３に記載のステッピングモータ。

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