(57)【要約】【課題】トルク低下を回避しひいては電動機の効率の向上を図ることのできるＨＢ形ステッピング電動機を提供する。【解決手段】本発明のＨＢ形ステッピング電動機は、回転方向に対して隣接する磁極が互いに逆向きの極性となるようにしてかつ回転方向に等角度毎に磁極部３が形成された回転子１と、回転方向に等角度毎に形成されかつ巻線が巻回された複数のティース６を有する固定子２とを備えている。磁極部３のティース６の内周面に対面する外周面とティース６の磁極部３に対面する内周面とに回転方向に対して等ピッチの小磁極３ａ、４ａがそれぞれ形成されている。磁極部３、４に形成された小磁極３ａ、４ａのピッチとティース６に形成された小磁極６ａのピッチとは同一である。回転方向に互いに隣接する磁極部３、４間では一方の磁極部３に形成された小磁極と他方の磁極部４に形成された小磁極との間のピッチが磁極部３又は４に形成された小磁極のピッチに対して異なっている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転方向に対して隣接する磁極が互いに逆向きの極性となるようにしてかつ回転方向に等角度毎に磁極部が形成された回転子と、回転方向に等角度毎に形成されかつ巻線が巻回された複数のティースを有する固定子とを備え、
前記磁極部の前記ティースの内周面に対面する外周面と前記ティースの前記磁極部に対面する内周面とに回転方向に対して等ピッチの小磁極がそれぞれ形成され、前記磁極部に形成された小磁極のピッチと前記ティースに形成された小磁極のピッチとが同一とされ、回転方向に互いに隣接する磁極部間では一方の磁極部に形成された小磁極と他方の磁極部に形成された小磁極との間のピッチが前記磁極部に形成された小磁極のピッチに対して異なっていることを特徴とするＨＢ形ステッピング電動機。
【請求項２】
前記回転子には、互いに隣接する極性の異なる磁極部の間に、中立の極性を有しかつ等ピッチの小磁極が形成された磁極部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＨＢ形ステッピング電動機。
【請求項３】
前記中立の極性を有する磁極部に形成されている小磁極の回転方向の幅が、前記磁極部に形成された小磁極の回転方向の幅よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載のＨＢ形ステッピング電動機。
【請求項４】
前記中立の極性を有する磁極部に形成されている小磁極は、前記ロータの外周面から当該小磁極の頂部までの高さが、前記互いに隣接する極性の異なる磁極部に形成された小磁極部の前記ロータの外周面から当該小磁極の高さよりも低いことを特徴とする請求項２に記載のＨＢ形ステッピング電動機。
【請求項５】
前記固定子のティースの回転方向の幅が、前記回転子の磁極部の回転方向の幅の約２倍とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＨＢ形ステッピング電動機。
【請求項６】
前記磁極部に形成されている小磁極はその基部が鉄芯部材により互いに連結され、該鉄芯部材の回転方向の幅は前記各小磁極の回転方向の幅よりも大きく、該鉄芯部材の半径方向の幅は前記磁極部の回転方向中央部が該磁極部の回転方向周辺部よりも大きくされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＨＢ形ステッピング電動機。
【請求項７】
隣接する永久磁石がＶ字形状を呈するようにして前記回転子に配設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のＨＢ形ステッピング電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転効率の向上を図るのに好適なＨＢ形ステッピング電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＨＢ形ステッピング電動機には、固定子のティースの内周面に臨む外周面に小磁極が形成された一対のロータにより永久磁石を回転軸の軸方向から挟むようにしてかつ一方のロータの小磁極の間に他方のロータの小磁極が位置するようにして回転軸の軸方向に上下に重ねて配置する構成のものが知られている。
この従来のＨＢ形ステッピング電動機では、一の固定子のティースから発生した磁束が一のロータの小磁極に向かって半径方向に流れ、その一のロータの小磁極に向かって半径方向に流れた磁束が回転軸の軸方向にほぼ沿って他のロータの小磁極に向かって流れ、その他のロータの小磁極に向かって流れた磁束が他のロータの回転方向別の場所の小磁極から一のロータの回転方向別の場所の小磁極に向かって流れ、その一のロータの回転方向別の場所の小磁極から一の固定子に隣接する他のティースを通って元の場所に戻るという三次元的磁気回路を構成している。
従って、ロータを積層鉄芯で構成したＨＢ形ステッピング電動機では、積層鉄芯面内で渦電流が発生し、このため、この従来のＨＢ形ステッピング電動機では、渦電流損失が大きく、電動機の効率悪化、発熱が大きいという問題があった。
そこで、金属磁性粉末と電気絶縁性の樹脂を主成分とする混合物を圧縮成形することにより形成された圧粉鉄芯を用いてロータを構成する技術が開発されている（特許文献１参照）。
この特許文献１に開示の技術によれば、３次元的に磁性体が無方向に一様に存在するので、渦電流の発生を抑制でき、その結果、発熱を小さくできるという長所がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−１４５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この特許文献１に開示の技術では、圧粉鉄芯自体の磁気特性、すなわち、飽和磁束密度、ヒステリシス損失が良くないので、ＨＢ形ステッピング電動機の最大トルクが低くなり、電動機の効率が低下してしまうという問題がある。
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、トルク低下を回避しひいては電動機の効率の向上を図ることのできるＨＢ形ステッピング電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のＨＢ形ステッピング電動機は、回転方向に対して隣接する磁極が互いに逆向きの極性となるようにしてかつ回転方向に等角度毎に磁極部が形成された回転子と、回転方向に等角度毎に形成されかつ巻線が巻回された複数のティースを有する固定子とを備えている。磁極部のティースの内周面に対面する外周面とそのティースの磁極部に対面する内周面とに回転方向に対して等ピッチの小磁極がそれぞれ形成されている。その磁極部に形成された小磁極のピッチとそのティースに形成された小磁極のピッチとが同一とされ、回転方向に互いに隣接する磁極部間では一方の磁極部に形成された小磁極と他方の磁極部に形成された小磁極部との間のピッチが磁極部に形成された小磁極のピッチに対して異なっている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、各磁極部に発生する磁束が二次元的になるようにしたので、圧粉鉄芯を用いなくとも渦電流の発生を抑制でき、トルクの低下を回避し、ひいては電動機の効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１はＨＢ形ステッピング電動機の固定子に対向して配置される回転子の実施例１の構成を部分的に示す平面図である。
【図２】図２は図１に示すＨＢ形ステッピング電動機の固定子とこの固定子に対向して配置される回転子の実施例２の構成を部分的に示す平面図である。
【図３】図３は図１に示す回転子の磁極が互いに異なる隣接する磁極部間に中立の極性を有する磁極部を介在させた回転子の構成を部分的に示す平面図である。
【図４】図４は図３に示す中立の極性を有する磁極部に形成された小磁極の回転方向の幅をその他の磁極部に形成された小磁極の幅よりも小さくした回転子の構成を部分的に示す平面図である。
【図５】図５はＨＢ形ステッピング電動機の固定子の回転方向の幅が回転子の回転方向の磁極部の幅の約２倍とされた固定子と回転子とを部分的に示す平面図である。
【図６】図６は図５に示すＨＢ形ステッピング電動機の磁場解析の一例を示すグラフであって、回転角に対する鎖交磁束の変動を示すグラフである。
【図７】図７は図５に示すＨＢ形ステッピング電動機の磁場解析の一例を示すグラフであって、回転角に対するトルクの変動を示すグラフである。
【図８】図８は回転子の磁極部に形成された小磁極を鉄芯部材により連結した状態を示す部分拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【０００８】
（実施例１）
図１はＨＢ形ステッピング電動機の固定子に対向して配置された回転子の構成を示す平面図である。この図１において、１は回転子、２は固定子である。この回転子１は鋼板を軸方向に積層して形成されている。この回転子１には、交互に極性の異なる磁極部３、４が回転方向に等角度毎に形成されている。この磁極部３、４は永久磁石５を回転子１に埋設することにより形成されている。ここでは、各磁極部３、４には永久磁石５がＶ字形状を呈するようにして配置されている。このＶ磁形状に配置された２個の永久磁石５によって磁極の極性が規定される。この図１において、一点鎖線はその磁極部３、４の境界を示している。その回転子１は図示を略す回転軸に嵌合固定される。
【０００９】
固定子２には複数のティース６が固定子２の内周に形成されている。そのティース６にはコイル７が巻回されている。ティース６とコイル７との間には絶縁体８が介在されている。ここでは、このＨＢ形ステッピング電動機は三相駆動方式とされ、このコイル７にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流を通電することにより、回転子１を駆動する構成とされている。なお、コイル７は固定子２の内周面に形成されたスロット２ａに導電性線材を通し、ティース６に巻き付けることにより形成される。
【００１０】
そのティース６には回転子１の外周面に対向して複数個の小磁極６ａが形成されている。この複数個の小磁極６ａは回転方向に等ピッチで形成されている。磁極部３、４にはティース６の内周面に対面する外周面に等ピッチで複数個の小磁極３ａ、４ａが形成されている。小磁極３ａ、４ａ、６ａの回転方向の幅Ｗは、ここでは、同一とされている。これらの小磁極３ａ、４ａ、６ａは回転軸の軸方向に平行に延びるように形成されている。
【００１１】
その磁極部３、４に形成されている小磁極３ａ、４ａのピッチＰとそのティース６の小磁極部６ａに形成されているピッチＰとは同じ値とされている。また、回転方向に互いに隣接する磁極部３、４間では、磁極部３に形成された小磁極３ａと磁極部４に形成された小磁極４ａとの間のピッチが磁極部３、４に形成された小磁極３ａ、４ａのピッチＰに対して異ならされている。ここでは、その回転方向に互いに隣接する磁極部３、４間では一方の磁極部３に形成された小磁極３ａと他方の磁極部４に形成された小磁極部４ａとの間のピッチが磁極部３、４に形成された小磁極３ａ、４ａのピッチＰに対して１．５倍のピッチとされている。
【００１２】
従来のＨＢ形電動機では、永久磁石の磁極の両側から挟むようにして回転子を設けることにより磁極を軸方向に二分割する構成となっていたが、この実施例に係わる回転子１では、回転子１の回転方向に磁極を等分割して、３次元的な磁束の流れを積層鋼板の平面に平行な２次元的磁束の流れとしたので、回転子１に生じる渦電流損失の抑制を図ることができる。その結果、圧粉鉄芯を回転子１の材料に用いることなく回転子１を形成することができ、トルク低下を回避しつつＨＢ形電動機の効率の向上を図ることができる。
すなわち、この実施例によれば、磁気回路を２次元化することができるので、積層鉄芯面内の渦電流を抑制できることにより、圧粉鉄芯使用によるトルク低下を防止できる。
【００１３】
また、隣り合う磁極部３、４間では、磁極部間を跨ぐ小磁極３ａ、４ａのピッチを磁極部内に形成されている小磁極３ａ、４ａのピッチＰの１．５倍としたので、Ｎ極の磁極部３の小磁極３ａの位相とＳ極の磁極部４の小磁極４ａの位相とは１８０度反転することになり、従来のＨＢ形ステッピング電動機と同様に、ある瞬間、固定子２のあるティース６にＮ極の磁極部３の小磁極３ａが正対するときには、Ｓ極の磁極部４の小磁極４ａは真逆の関係にあり、固定子２のそのティース６はＮ極の磁界を受ける。
逆の磁極の位相が１８０度反転しているので、最も効率よく、固定子２のそのティース６に磁界を与えることができることになり、電動機の回転効率の向上を更に図ることができる。
【００１４】
（実施例２）
図２は回転子１を半径方向に複数個に分割して回転方向に隣接する磁極部３、４の極性が逆向きとなるように板状永久磁石５を配設する構成としたものである。この実施例２の回転子１も実施例１と同様に磁極部３、４にはティース６の内周面に対面する外周面に等ピッチで複数個の小磁極３ａ、４ａが形成されている。ティース６にはその内周面に小磁極６ａが形成されている。
【００１５】
その磁極部３、４に形成されている小磁極３ａ、４ａのピッチＰとそのティース６の小磁極部６ａに形成されているピッチＰとは同じ値とされている。また、回転方向に互いに隣接する磁極部３、４間では、磁極部３に形成された小磁極３ａと磁極部４に形成された小磁極４ａとの間のピッチは板状永久磁石５の厚さによって規定されている。その回転方向に互いに隣接する磁極部３、４間では一方の磁極部３に形成された小磁極３ａと他方の磁極部４に形成された小磁極部４ａとの間のピッチは、実施例１と同様に磁極部３、４に形成された小磁極３ａ、４ａピッチＰに対して１．５倍のピッチとされている。
【００１６】
この実施例によれば、従来のＨＢ形ステッピング電動機と同様に、固定子２のティース６の小磁極６ａのピッチと回転子１の磁極部３、４の小磁極３ａ、４ａのピッチとを同一に形成したので、小磁極による磁界のスイッチ効果を最大限に発揮させることができる。
【００１７】
（実施例３）
図３は回転子１の回転方向に互いに隣接する極性の異なる磁極部３、４間に中立の極性を有する磁極部９を介在させる構成としたものである。この磁極部９にはティース６の内周面に対向する外周面に等ピッチの小磁極９ａが形成されている。この小磁極９ａのピッチは磁極部３、４に形成されている小磁極３ａ、４ａのピッチＰと同一である。この磁極部９に形成された小磁極９ａと磁極部３（４）に形成された小磁極３ａ（４ａ）との間のピッチは、小磁極３ａ、４ａ、９ａのピッチＰの１．２５倍とされている。
【００１８】
この実施例によれば、Ｄ軸磁束の磁気回路に対して直交するいわゆるベクトル制御で言うＱ軸の磁気回路を設けることができるので、リラクタンストルクが使用可能となり、高回転域の効率が向上できる。なお、その図３において、ΦはＱ軸磁束の流れを示している。
【００１９】
（実施例４）
図４は図３に示す磁極部９に形成した小磁極９ａの回転方向の幅Ｗを、残余の磁極部３、４に形成した小磁極３ａ、４ａの回転方向の幅Ｗよりも小さく形成したものであり、残余の構成は図３に示す構成と同一である。
【００２０】
この実施例によれば、Ｑ軸磁気回路のインダクタンスを増大させることができ、回転子１の中立の極性を有する磁極部９に形成された小磁極９ａと固定子２のティース６に形成された小磁極６ａとが引き合うことによって生じるコギングトルクを低減することができる。
また、固定子２のコイル７の起磁力によって過剰な磁束が発生するのを防止できるので、回転子１の鉄損の低減を図ることができる。
この実施例では、小磁極９ａの回転方向の幅Ｗを小さくすることによりＱ軸磁気回路のインダクタンスを増大させることにしたが、中立の極性を有する磁極部９に形成されている小磁極９ａのロータ１の外周面１ａから小磁極９ａの頂部９ｂまでの高さｈが、互いに隣接する極性の異なる磁極部３、４に形成された小磁極３ａ、４ａのロータの外周面１ａからこの小磁極３ａ、４ａの頂部３ｂ、４ｂまでの高さよりも低くすることにより、Ｑ軸磁気回路のインダクタンスを増大させ、コギングトルクの低減、回転子１の鉄損の低減を図る構成としても良い。
【００２１】
図５は  一対の板状永久磁石５をＶ字形状に配設して回転子１に埋設することにより回転方向に互いに極性の異なる磁極部３、４を回転子１の外周面１ａに形成すると共に、固定子２の内周面の回転方向のティース６の幅Ｗ’を回転子１の外周面の回転方向の磁極部３、４の幅Ｗ”の約２倍に形成したものである。
【００２２】
板状永久磁石５をＶ字形状に配置したので、回転子１の磁極部の極数を増やすことができ、回転子１のスペースの有効活用を図ることができる。その結果、ＨＢ形ステッピング電動機の小型化を図ることができる。また、磁極部３、４内の磁界分布の平均化を図っているので、板状永久磁石５の磁束を有効に固定子２に伝達でき、磁極部３、４内の鉄損を低減できる。
【００２３】
図６、図７は図５に示すＨＢ形ステッピング電動機の磁場解析を示す説明図であって、図６は横軸を回転角とし、縦軸をコイル７を通る鎖交磁束としたときの鎖交磁束の回転角に対する変動を示している。固定子２のティース６の幅Ｗ’を回転子１の磁極部３、４の幅Ｗ”の約２倍に設定することによって、ある瞬間の固定子２のティース６に対向する回転子１の磁極部３、４の小磁極３ａ、４ａの個数はほぼ同量となり、トルク発生に寄与しない余分な低周波磁束変動が図６に示すように低減されている。
低周波磁束変動は、固定子２の積層鉄芯の磁気飽和を早めるので、これを低減することにより、磁気飽和が回避され、トルク特性が向上する。また、低周波の磁束変動は、トルク脈動を惹起することになるが、この実施例によれば、低周波磁束変動が低減されているので、図７に示すように、トルク脈動も抑制されている。
【００２４】
図８は回転子１の磁極部３、４の部分拡大図である。この実施例では、磁極部３（４）に埋設穴１１が形成されている。同一磁極部３（４）内の隣接する小磁極３ａ（４ａ）はその基部３ｃが鉄芯部材１２により互いに連結されている。この鉄芯部材１２の回転方向の幅Ｗ１は小磁極３ａ（４ａ）の回転方向の幅Ｗよりも大きい。また、この鉄芯部材１２の半径方向の幅Ｗ２は磁極部３（４）の回転方向中央部１ｂが磁極部３（４）の回転方向周辺部１ｃよりも大きくされている。板状永久磁石５はこの鉄芯部材１２と埋設穴１１の周壁との間に配置されている。
【００２５】
このように構成すると、磁極部３、４内の磁束Φが平均化して各小磁極３ａ（４ａ）に導かれるので、板状永久磁石５の磁束を固定子２に有効に伝達でき、磁極部３（４）内の鉄損の低減を図ることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１…回転子
２…固定子
３、４…磁極部
６…ティース
３ａ、４ａ、６ａ…小磁極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010206955.tif 000009
【図８】
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