JP2009005539A - Hybrid stepping motor and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は小形のハイブリッド型ステッピングモータ(以下モータと称する)のロータコアとステータコアの製作方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a rotor core and a stator core of a small hybrid type stepping motor (hereinafter referred to as a motor).
使用される機器の小形化に伴い,モータの小形化が強く要求されている。本構造のモータの特徴は微少ステップ角で駆動できる点にある。モータの相数をm,ロータ外周の小歯の数をPとすると,ステップ角θは,θ=360/(m×2P)で表すことができる。例えば2相でロータ外周小歯50枚の場合,m=2,P=50となり,ステップ角は1.8度と計算される。ステップ角を変えずに,モータを小形化する場合,ロータの外径も小さくなるが,ロータ外周の小歯の枚数を同一に維持する場合,小歯の歯幅が狭く設計される。 With the miniaturization of equipment used, there is a strong demand for miniaturization of motors. The feature of the motor of this structure is that it can be driven with a small step angle. If the number of phases of the motor is m and the number of small teeth on the outer periphery of the rotor is P, the step angle θ can be expressed as θ = 360 / (m × 2P). For example, in the case of 50 rotor outer teeth with two phases, m = 2 and P = 50, and the step angle is calculated as 1.8 degrees. When the motor is downsized without changing the step angle, the outer diameter of the rotor is reduced, but when the number of small teeth on the outer periphery of the rotor is kept the same, the tooth width of the small teeth is designed to be narrow.
また,本モータ構造では,特開2004−64968号公報等で開示されているように,珪素鋼板の圧延方向による方向性をキャンセルして磁気バランスを改善し,ギャップ磁束密度も正弦波に近づけ高調波を低減する目的で,ステータコアは90度の回転積層が必須である。また90度回転積層後の厚みむらも均一で、そのためロータ小歯とステータ小歯のエヤギャップも均一にすることができる。 Further, in this motor structure, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-64968, etc., the directionality due to the rolling direction of the silicon steel sheet is canceled to improve the magnetic balance, and the gap magnetic flux density is also close to a sine wave. For the purpose of reducing waves, the stator core must be rotated by 90 degrees. Further, the thickness unevenness after 90-degree rotation lamination is also uniform, so that the air gap between the rotor small teeth and the stator small teeth can be uniform.
また,特開2003−134788号公報等で開示されているように,主磁極数を少なくすることでモータ出力アップを図るモータ構造が多く提案されている。しかし,主磁極数が少なくなると上述したステータコアを90度回転させて積層する際に,主磁極の位置が合わなくなり,プレス積層工程上での問題があり製作が難しかった。 Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-134788 and the like, many motor structures have been proposed that increase the motor output by reducing the number of main magnetic poles. However, when the number of main magnetic poles is reduced, when the stator core described above is rotated by 90 degrees and laminated, the positions of the main magnetic poles are not aligned, and there is a problem in the press lamination process, making it difficult to manufacture.
例えば,従来の3相モータの多くは,図10のように,90度回転積層を考慮して,ステータ3の主磁極4の数が12個となっている。つまり90度回転前後で主磁極4と小歯5の位置が同じ位置である必要がある。しかしモータの小形化に伴い巻線を効率的に行うため,主磁極の数を低減することが考えられていたが,90度回転させて同じ位置にならないため,プレス加工にて実施するには90度回転させた抜き型を追加して製作して交互に積層することが考えられるが,本モータのように高精度を必要とする抜き型を2種類有する順送型を製作することは,金型の価格が非常に高価になり実現性が無い。
図11は3相モータの断面図であり,モータの構成を説明する図である。22は電磁鋼板をプレス抜きされた1枚のステータコア素子,21はステータコア素子を積層したステータコア,23はステータコア22に施されたモータ巻線,24はステータコア組である。また,25は1枚のロータコア素子,26は積層されたロータコア,27はロータコア26間に挟持されるマグネット,28はロータコア組であり,29はモータ軸である。
FIG. 11 is a cross-sectional view of a three-phase motor and is a diagram for explaining the configuration of the motor.
モータの小形化に伴い,ロータとステータに形成される小歯の歯幅を狭く設計する必要が生じる。従来のプレス加工技術では歯幅と珪素鋼板の板厚には,歯幅>板厚の関係が存在する。しかし,市場で大量に使用される珪素鋼板の板厚は,0.35mmと0.5mmである。それ以外は市場性が悪く大幅なコストアップを伴う。 With the miniaturization of the motor, it is necessary to design a small tooth width of the small teeth formed on the rotor and the stator. In the conventional press working technique, there is a relationship of tooth width> plate thickness between the tooth width and the thickness of the silicon steel plate. However, the thicknesses of silicon steel plates used in large quantities on the market are 0.35 mm and 0.5 mm. Other than that, the marketability is bad and it involves a significant cost increase.
モータの歯幅が0.3mm以下になると,上記理由で珪素鋼板がコストアップになる。さらにプレス加工では,加工磁気歪みが大きく,透磁率が著しく劣化し,結果としてモータの出力ダウン,損失増加の原因になる。対策としては焼鈍があるが,バッチ処理となるため大量に生産されるモータには適用が難しい。 If the tooth width of the motor is 0.3 mm or less, the silicon steel sheet is increased in cost for the above reason. Furthermore, in press working, the work magnetostriction is large and the magnetic permeability is remarkably deteriorated. As a result, the motor output is reduced and the loss is increased. Although countermeasures include annealing, it is difficult to apply to motors that are produced in large quantities due to batch processing.
また,モータの外形形状とステータコア素子の主磁極の極数,相数の関係から,90度回転積層が出来ない構造が従来から存在し,90度回転積層が適用できないモータ構造は,そのモータ特性等が優れていても量産化された例はほとんど無かった。 In addition, due to the relationship between the outer shape of the motor and the number of poles and the number of phases of the main magnetic poles of the stator core element, there has been a structure that cannot be rotated by 90 degrees. Even though they were excellent, there were almost no examples of mass production.
本発明の目的は,市場性のある珪素鋼板の板厚で,小形化に適したモータ構造で,90回転積層が可能であるステータコアの製作方法に関するものである。 An object of the present invention relates to a method of manufacturing a stator core capable of 90-turn lamination with a motor structure suitable for miniaturization with a commercially available silicon steel plate thickness.
本発明のモータは,フォトエッチング加工によりコア素子を製作するもので,珪素鋼板の圧延方向による方向性をキャンセルして磁気バランスを改善するために,珪素鋼板の圧延方向に対して,基準部分とコア素子を交互に90回転させて,連続して多数のコア素子のエッチング用のマスク露光を施し,エッチング後に基準部分を用いてコア素子を積層するものである。 The motor of the present invention manufactures a core element by photoetching, and in order to cancel the directionality due to the rolling direction of the silicon steel plate and improve the magnetic balance, The core elements are alternately rotated 90 times to continuously perform mask exposure for etching a large number of core elements, and the core elements are stacked using the reference portion after the etching.
本発明のモータは下記のような,多くの優れた特徴を有する。
(1)ステップ角の小さな小形モータを高精度に製作することが可能になる。
(2)モータの相数や主磁極数,小歯数に関係なくコア素子を90度回転積層することが可能となり,設計の自由度が広がり,モータ特性が向上できる。
(3)市場性がある板厚の珪素鋼板が使用できるため,コストダウンが図れる。
(4)加工磁気歪みが無く,小歯の透磁率の劣化が生じないためモータの効率アップが図れる。
(5)コア素子のエッジ部分にプレス加工で生じるバリが無く,モータ組立時の後工程が簡略化できる。
The motor of the present invention has many excellent features as follows.
(1) A small motor with a small step angle can be manufactured with high accuracy.
(2) The core element can be rotated 90 degrees regardless of the number of motor phases, the number of main magnetic poles, and the number of small teeth, so that the degree of freedom in design can be expanded and the motor characteristics can be improved.
(3) Since a silicon steel plate having a marketable thickness can be used, the cost can be reduced.
(4) The efficiency of the motor can be improved because there is no machining magnetostriction and the permeability of the small teeth does not deteriorate.
(5) There is no burr generated by pressing at the edge portion of the core element, and the post-process at the time of motor assembly can be simplified.
以下,図面によって本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の請求項1に係わるモータのコア素子の実施例を示す図である。1はロータ素子であり,外周に50枚の小歯2を有する。3はステータ素子であり,6個の主磁極4と小歯5が形成されている。ロータ部分1には積層用の基準となるガイド穴6が,ステータ部分3では7がガイド穴となる。図2は図1の拡大図であり,ステータ小歯5とロータ小歯2のエアギャップは50μmに設定されている。9はステータ部分3と素材8の接続部,ステータ素子3とロータ素子1の連結部で2カ所の接続部10,11を有する。
本モータのステップ角は1.2度となり,ステータコアの外形寸法は15mm角である。また本モータでは小歯の歯幅は0.24mmとなっている。
FIG. 1 is a view showing an embodiment of a core element of a motor according to
The step angle of this motor is 1.2 degrees, and the outer dimension of the stator core is 15 mm square. In this motor, the tooth width of the small teeth is 0.24 mm.
フォトエッチング加工では,写真技術により高精度にマスク露光し製作できるため,1枚の珪素鋼板に,多数のコア素子を交互に90度回転させた形状をマスク露光することは容易である。図3は1枚の珪素鋼板に,3相で主磁極数6のモータのエッチング加工する場合のマスク露光するコア形状を示す図である。珪素鋼板素材の厚みは0.35mmであり,従来のプレス加工で難しかった歯幅は0.24mmの小歯を変形無く,加工磁気歪みも無く形成することができる。
図4は圧延方向の一列分の拡大図である。コア素子が交互に90度回転させてマスク露光されている状態を示すものである。
In photo-etching, mask exposure can be performed with high precision by photographic technology, so that it is easy to mask-expose a shape in which a number of core elements are alternately rotated 90 degrees on a single silicon steel sheet. FIG. 3 is a diagram showing a core shape to be subjected to mask exposure when etching is performed on a three-phase motor having six main magnetic poles on one silicon steel plate. The thickness of the silicon steel plate material is 0.35 mm, and the tooth width of 0.24 mm, which has been difficult in conventional press working, can be formed without deformation and without machining magnetic distortion.
FIG. 4 is an enlarged view of one row in the rolling direction. This shows a state in which the core elements are alternately rotated by 90 degrees and subjected to mask exposure.
フォトエッチングの製造工程の概略は,珪素鋼板の表面を洗浄し,レジストコーティングを施し,マスク露光,現像し,エッチングで不要部分を溶解させ,レジスト部分を剥離するものである。 The outline of the photoetching manufacturing process is to clean the surface of a silicon steel plate, apply a resist coating, mask exposure and development, dissolve unnecessary portions by etching, and peel off the resist portion.
エッチング工程終了後に接続部9,11,12を切断しながら,ガイド穴6,7を基準にステータ部分とロータ部分に分けて積層する。また,積層の基準はガイド穴に限らず,マークで代用し画像認識技術を使用することで更に高精度に積層することも可能である。
After the etching process is completed, the
図5と図6は,請求項2に係わる実施例を示すもので,珪素鋼板の圧延方向に対して,コア形状を90度回転させた2種類のフォト露光を実施する方法である。図5の第一のシート素子12と図6の第二のシート素子13を交互に積層することで,プレス加工の90度回転積層に相当する工程を実現するものである。
5 and 6 show an embodiment according to
実施例を15mm角のモータで説明したが,更に小形化が要求されると,その巻線作業の効率アップから,主磁極の数は更に少なくなり,小歯の歯幅は狭くなる。本願の方式はコストを抑制して,モータの停止位置精度,出力を著しく向上できるものである。 Although the embodiment has been described with a 15 mm square motor, if further downsizing is required, the number of main magnetic poles is further reduced and the tooth width of the small teeth is narrowed to increase the efficiency of the winding work. The method of the present application can significantly reduce the stop position accuracy and output of the motor while reducing costs.
図7は請求項3に係わる実施例を示すもので,図5と図6に記載の珪素鋼板のシート上のマークを基準に,図5のようにフォトエッチング加工された第一のシート素子12と,図6のようにフォトエッチング加工された第二のシート素子13とを交互に接着剤等を介在させて接着し,接続部9,10,11をレーザーカット工法等で切断するものである。本方式によれば同時に多数の積層されたステータコアとロータコアを製作することが可能となる。
FIG. 7 shows an embodiment according to
また,図8は3相で主磁極数3のモータのフォトエッチング加工のマスク露光するコア形状を示す図であり,図9は2相で主磁極数2のフォトエッチング加工のマスク露光するコア形状を示す図である。いずれも従来のプレス加工による積層技術では90度回転積層はできなかったが,本発明のフォトエッチンング工法では,如何なる相数,主磁極数のコアであっても90度回転積層が可能である。 FIG. 8 is a diagram showing a core shape for mask exposure in a photoetching process of a motor with three phases and three main poles, and FIG. 9 is a core shape for mask exposure in a photoetching process with two phases and two main poles. FIG. In either case, 90-degree rotation lamination could not be performed by the conventional lamination technique by press working, but the photo-etching method of the present invention enables 90-degree rotation lamination for any number of phases and main poles. .
以上,軟磁性材の電磁鋼板を珪素鋼板として説明してきたが,SPCC(冷間圧延鋼板)やアモルファス材,パーマロイ,軟磁性のステンレス鋼板等の薄板の電磁鋼板であれば同様の方法により加工が可能であることは言うまでもない。 In the above, the magnetic steel sheet of soft magnetic material has been described as a silicon steel sheet. However, if a thin electromagnetic steel sheet such as SPCC (cold rolled steel plate), amorphous material, permalloy, or soft magnetic stainless steel plate is processed by the same method. It goes without saying that it is possible.
また,図示は省略するが,請求項7に記載するように,ロータコア組をモータ軸方向に2組並べて配置することで,モータ出力をアップ出来ることも言うまでもない。 Although not shown in the drawings, it goes without saying that the motor output can be increased by arranging two rotor core groups side by side in the motor shaft direction.
ハイブリッド型ステッピングモータの小形化に伴う,小歯の歯幅と珪素鋼板の板厚,90度回転積層,プレス加工による磁気歪み等の問題を,既に確立されているフォトエッチング加工技術を適用することで解決が可能であり,高精度位置決め,高出力化が図れ,ロボットハンド等の限られたスペース内で使用される用途の駆動源として使用でき,機器の小形化に大きく貢献できるものである。 Applying already established photo-etching technology to problems such as small tooth width, silicon steel sheet thickness, 90-degree rotation lamination, and magnetostriction due to press working as hybrid stepping motors become smaller It can be solved with high accuracy positioning and high output, and can be used as a drive source for use in a limited space such as a robot hand, which can greatly contribute to miniaturization of equipment.
1:ロータ素子
2:小歯
3:ステータ素子
4:主磁極
5:小歯
6:ガイド穴
7:ガイド穴
8:素材
9:接続部
10:接続部
11:接続部
12:第一のシート素子
13:第二のシート素子
21:ステータコア素子
22:ステータコア
23:モータ巻線
24:ステータコア組
25:ロータコア素子
26:ロータコア
27:マグネット
28:ロータコア組
29:モータ軸
1: Rotor element 2: Small tooth 3: Stator element 4: Main pole 5: Small tooth 6: Guide hole 7: Guide hole 8: Material 9: Connection part 10: Connection part 11: Connection part 12: First sheet element 13: Second sheet element 21: Stator core element 22: Stator core 23: Motor winding 24: Stator core set 25: Rotor core element 26: Rotor core 27: Magnet 28: Rotor core set 29: Motor shaft
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