步进马达的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种步进马达，通过使极齿的形状合适化，减小齿槽转矩，实现马达特性的改善。步进马达(1)具有转子(10)和定子(20)，所述转子(10)具有永磁铁(12)，所述定子(20)具有与永磁铁(12)的外周面相向且沿周向排列的多个极齿(53A、62A、53B、62B)。在将极齿(53A、62A、53B、62B)各自的根部的最大宽度作为(A)，将自末端向根部偏移极齿的全长的1/10的尺寸的位置处的末端宽度作为(B)的情况下，极齿(53A、62A、53B、62B)各自呈满足B/A≤0.3的关系式的形状。
【专利说明】
步进马达
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种PM(永磁铁:Permanent Magnet)型步进马达。
【背景技术】
[0002]PM型步进马达具有将永磁铁配置于旋转轴的外周面的转子和在周向上配置与永磁铁相向的多个极齿的筒状的定子。定子具有对定子铁芯励磁的线圈和相对于线圈配置在马达轴线方向的两侧的一对定子铁芯，从一侧的定子铁芯的端板部呈梳齿状突出的极齿与从另一侧的定子铁芯的端板部呈梳齿状突出的极齿在周向上交替排列。在专利文献I中公开了这种步进马达。
[0003]专利文献1:日本特开2011-55642号公报
[0004]在这种步进马达中，为了降低驱动时的振动、噪声，存在如下要求:想要减小作为转矩变动的重要原因的因在永磁铁与定子铁芯之间作用的磁吸引力而产生的转矩(齿槽转矩)。
【发明内容】
[0005]鉴于以上问题，本发明的课题是提供一种马达，其通过使极齿的形状合适化，能够减小齿槽转矩，实现马达特性的改善。
[0006]为了解决上述课题，本发明所涉及的马达的特征在于，其具有:转子，其具有旋转轴和直接或间接地固定于所述旋转轴的永磁铁；以及定子，其具有与所述永磁铁的外周面相向且沿周向排列的多个极齿，在将所述极齿的根部的最大宽度作为A，将从所述极齿的末端向所述根部偏移所述极齿的全长1/10的尺寸的位置处的所述极齿的末端宽度作为B的情况下，满足B/A ^ 0.3的关系式。
[0007]根据本发明，能够在各种尺寸的马达中减小齿槽转矩并降低振动，能够实现稳定的马达特性。
[0008]在本发明中，优选所述定子具有:定子铁芯，其具有圆环状的端板部和从所述端板部的内周缘立起的所述多个极齿；以及线圈，其对所述定子铁芯励磁，在所述端板部的板厚是t的情况下，满足B < t的关系式。
[0009]在本发明中，优选所述极齿呈从所述根部向所述极齿的末端侧而宽度逐渐变窄的大致梯形。并且，优选所述极齿满足0.1 SB/Α的关系式。通过形成这样的结构，能够减小齿槽转矩并可靠地降低振动，且能够实现稳定的马达特性。
[0010]在本发明中，优选所述极齿的形状呈等腰三角形。并且，优选所述极齿的B/A的值大概是0.2。并且，优选所述端板部的板厚t是0.8mm。通过形成这样的结构，能够减小齿槽转矩并降低振动，且能够实现稳定的马达特性。
[0011]根据本发明，能够在各种尺寸的马达中减小齿槽转矩并降低振动，能够实现稳定的马达特性。
【附图说明】
[0012]图1是本发明所涉及的步进马达的外观立体图。
[0013]图2是图1的步进马达的分解立体图。
[0014]图3是示出极齿的形状的说明图。
[0015]图4(a)、图4(b)是对步进马达的极齿形状的磁场解析结果的一例。
[0016]图5(a)、图5(b)是对步进马达的极齿形状的磁场解析结果的一例。
[0017](符号说明)
[0018]I步进马达；
[0019]10 转子；
[0020]11旋转轴；
[0021]Ila外螺纹部；
[0022]12永磁铁；
[0023]20 定子；
[0024]21A A相定子组；
[0025]21B B相定子组；
[0026]22 端板；
[0027]23 轴孔；
[0028]30A、30B 绕线架；
[0029]31A、31B 端子台；
[0030]32A、32B 端子销；
[0031]40A、40B 线圈；
[0032]50A、50B外定子铁芯；
[0033]51A、51B圆环状端板部；
[0034]52A、52B 筒状部；
[0035]53A、53B 极齿；
[0036]54A、54B 缺口部；
[0037]55A、55B 缺口部；
[0038]56A 凹部；
[0039]57A 顶点；
[0040]60A、60B内定子铁芯；
[0041 ]61A、61B圆环状端板部；
[0042]62A、62B 极齿；
[0043]63A、63B 定位突起；
[0044]64A 凹部；
[0045]65A 顶点；
[0046]A极齿最大宽度；
[0047]B极齿末端宽度；
[0048]H 全长；
[0049]L马达轴线方向；
[0050]LO 高度；
[0051]LI输出侧；
[0052]L2反输出侧；
[0053]P自极齿的末端向根元侧偏移极齿的全长的1/10的位置；
[0054]t 板厚；
[0055]φ 外径。
【具体实施方式】
[0056]以下参照附图对应用了本发明的步进马达的实施方式进行说明。图1是本发明所涉及的步进马达I的外观立体图，图2是步进马达的分解立体图。如图1、图2所示，步进马达I具有转子10和配置在转子10的外周侧的大致圆筒状的定子20。转子10具有旋转轴11和配置在旋转轴11的反输出侧L2的永磁铁12 ο在永磁铁12的外周面，沿周向交替配置有N极和S极。另外，步进马达I具有支承旋转轴11的输出侧LI的轴承，但在图1、图2中省略该轴承的图示。
[0057 ]在本说明书中，在马达轴线方向L上，将转子1的旋转轴11从定子20突出的一侧作为输出侧LI，将与旋转轴11突出的一侧相反的一侧作为反输出侧L2。在旋转轴11的输出侧LI形成有外螺纹部I la。
[0058]定子20具有在马达轴线方向L重叠而配置的A相定子组21A、B相定子组21B以及端板22<^相定子组2^具有绕线架3(^、卷绕于绕线架3(^的4相线圈4(^、配置于绕线架3(^的输出侧LI的外定子铁芯50A以及配置于绕线架30A的反输出侧L2的内定子铁芯60A。绕线架30A在卷绕有构成线圈40A的绕组的圆筒部的两端形成有一对凸缘部，在一侧的凸缘部一体地形成有端子台31A。在端子台31A保持有连接供电用配线等的端子销32A。
[0059]外定子铁芯50A具有圆环状端板部51A、从圆环状端板部5IA的外周端向反输出侧L2延伸的筒状部52A以及从圆环状端板部51A的内周缘向反输出侧L2立起的多个(本实施方式中是十二个)极齿53A。筒状部52A具有形成于与绕线架30A的端子台31A对应的位置的缺口部54A。内定子铁芯60A具有圆环状端板部61A以及从圆环状端板部61A的内周缘向输出侧LI立起的多个(在本实施方式中是十二个)极齿62A。
[0060]内定子铁芯60A以圆环状端板部61A封闭筒状部52A的开口端的方式安装于外定子铁芯50A。内定子铁芯60A与外定子铁芯50A通过使形成于圆环状端板部61A的外周端的定位突起63A与形成于筒状部52A的缺口 55A嵌合而在周向上被定位。绕线架30A以及线圈40A容纳于外定子铁芯50A与内定子铁芯60A之间。端子台31A以及端子销32A从外定子铁芯50A的缺口部54A向外部露出。
[0061]B相定子组21B呈使A相定子组21A在马达轴线方向L上逆向的形态，B相定子组21B具有绕线架30B、卷绕于绕线架30B的B相线圈40B、配置于绕线架30B的输出侧LI的内定子铁芯60B以及配置于绕线架30B的反输出侧L2的外定子铁芯50B。绕线架30B在卷绕有构成线圈40B的绕组的圆筒部的两端形成有一对凸缘部，在一侧的凸缘部形成有端子台31B。在端子台31B保持有连接供电用配线等的端子销32B。
[0062]外定子铁芯50B具有圆环状端板部51B、从圆环状端板部51B的外周端向输出侧LI延伸的筒状部52B以及从圆环状端板部51B的内周缘向输出侧LI立起的多个(本实施方式中是十二个)极齿53B。筒状部52B具有形成于与绕线架30B的端子台31B对应的位置的缺口部54B。内定子铁芯60B具有圆环状端板部61B和从圆环状端板部61B的内周缘向反输出侧L2立起的多个(在本实施方式中是十二个)极齿62B。
[0063]内定子铁芯60B以圆环状端板部61B封闭筒状部52B的开口端的方式安装于外定子铁芯50B。内定子铁芯60B与外定子铁芯50B通过使形成于圆环状端板部61B的外周端的定位突起63B与形成于筒状部52B的缺口部55B嵌合而在周向上被定位。绕线架30B以及线圈40B容纳于外定子铁芯50B与内定子铁芯60B之间。端子台31B以及端子销32B从外定子铁芯50B的缺口部54B向外部露出。
[0064]A相定子组21A、B相定子组21B以及端板22通过构成A相定子组21A的反输出侧L2的端面的圆环状板部61A与构成B相定子组21B的输出侧LI的端面的圆环状端板部61B接合，并且，构成B相定子组21B的反输出侧L2的端面的圆环状端板部51B与端板22接合，作为整体构成一体的定子20。在端板22形成有将转子10所具有的旋转轴11的反输出轴L2的端部支承为能够旋转的轴孔23。外定子铁芯50A、50B以及端板22也作为马达壳体，该马达壳体容纳永磁铁12、线圈40A、40B等马达构成元件。
[0065](极齿的形状)
[0066]图3是示出极齿的形状的说明图。若以构成上述的A相定子组21A的方式组装外定子铁芯50A和内定子铁芯60A，则沿绕线架30A的圆筒部的内周面立起的外定子铁芯50A的极齿53A与内定子铁芯60A的极齿62A成为在周向上交替配置的状态。同样，在B相定子组21B中，沿绕线架30B的圆筒部的内周面立起的外定子铁芯50B的极齿53B与内定子铁芯60B的极齿62B成为在周向上交替配置的状态。这些多个极齿的列与永磁铁12的外周面相向。在永磁铁12的外周面与极齿之间确保恒定的气隙。
[0067]A相定子组21A所具有的极齿53A、62A的列与B相定子组21B所具有的极齿53B、62B的列，以一个齿的节距角的1/4的角度在周向上错开而配置。由于内定子铁芯60A、60B与外定子铁芯50A、50B分别具有十二个极齿，因此本实施方式的A相定子组21A、B相定子组21B以
48步旋转一圈。
[0068]由于A相定子组21A与B相定子组21B的极齿形状相同，因此图3示出A相定子组21A的极齿的形状作为代表。如图2、图3所示，在内定子铁芯60A的圆环状端板部61A的外周端，相邻的极齿62A之间的径向内侧形成有缺欠的凹部64A。同样，在外定子铁芯50A的圆环状端板部51A的外周端，相邻的极齿53A之间的径向内侧形成有缺欠的凹部56A。
[0069]极齿53A、62A呈相同形状，其是上底部分的角部呈弯曲状倒角形状的大致梯形。极齿53A、62A的形状在这样的大致梯形的范围内能够适当变更。如图3所示，构成极齿53A、62A的外定子铁芯50A以及内定子铁芯60A的板厚(圆环状端板部61A、圆环状端板部51A的板厚)
者是to
[0070]在此，由于极齿53A、62A在根部的周向的宽度最粗，因此将该部位的宽度作为极齿最大宽度A。并且，在将从极齿53A、62A的根部至极齿53A、62A的末端(极齿53A、62A的顶点57A、65A)的尺寸作为极齿53A的全长H时，将极齿53A在自顶点57A向根部侧偏移1/10H的位置P处的宽度作为极齿末端宽度B。极齿最大宽度A和极齿末端宽度B是从外周侧观察极齿时的宽度尺寸。在本实施方式中，以这些尺寸满足以下的算式(I)以及(2)的方式决定极齿53A的形状。并且，设置于内定子铁芯60A的极齿62A的形状以及设置于另一侧的定子组21B的极齿53B、62B的形状也以满足算式(I)以及(2)的方式决定。
[0071]0.1 < B/A < 0.3....(I)
[0072]B< t........(2)
[0073](根据磁场解析的研究)
[0074]以下对以满足算式(I)以及(2)的方式形成极齿53A、62A以及极齿53B、62B的根据进行说明。本
【发明人】根据图1、图2所示的步进马达I的磁场解析进行了研究。更具体地说，作为涉及极齿53A、62A以及极齿53B、62B的形状的参数，设定改变了包括上述的极齿最大宽度A以及极齿末端宽度B的多个参数值的许多三维模型，且研究了这些参数的变动对通过磁场解析算出的齿槽转矩的值的影响。
[0075]图4(a)、图4(b)是每一周的极齿数为十二个(S卩，48步)的步进马达的磁场解析结果。并且，图5(a)、图5(b)是每一周的极齿数为五个(S卩，20步)的步进马达的磁场解析结果。图4(a)和图5(a)是示出B/A(极齿末端宽度/极齿最大宽度)的值对齿槽转矩的影响的数据，横轴示出B/A的值，纵轴示出齿槽转矩的值。并且，图4(b)和图5(b)是示出极齿末端宽度B的值对齿槽转矩的影响的数据，横轴示出B的值，纵轴示出齿槽转矩的值。
[0076]用于磁场解析的三维模型将参数即极齿最大宽度A以及极齿末端宽度B的值设定为B/A(极齿末端宽度/极齿最大宽度)的值在0.1?1.0的范围内。B/A的下限值为0.1是由于使用在从极齿的末端向根部侧偏移极齿的全长H的1/10的位置处的宽度尺寸作为极齿末端宽度B。即，B/A的值为0.1是极齿的形状为等腰三角形的情况。并且，B/A的值为1.0是极齿的末端的宽度与根部的宽度相同的形状。即，在磁场解析中，使用在等腰三角形至矩形的范围内使极齿的形状变化的三维模型。
[0077]并且，用于磁场解析的三维模型都是外径Φ(参照图1)是2.5mm，马达轴线方向L的尺寸即高度L0(参照图1)是12.8_的尺寸。因此，48步(极齿数是十二个)的三维模型的极齿最大宽度A在2.57mm?1.34mm的范围内，且极齿末端宽度B在0.35mm?1.34mm的范围内。并且，20步(极齿数是五个)的三维模型的极齿最大宽度A在5.06mm?2.41mm的范围内，且极齿末端宽度B在0.62mm?2.41mm的范围内。在所有三维模型中，将具有极齿的定子铁芯的板厚t设定为0.8mm。
[0078](根据B/A的影响的评价)
[0079]如图4(a)、图5(a)所示，无论是48步和20步中的哪一形状，在B/A的值大概是0.2的形状下，齿槽转矩都成为极小值。并且，在B/A的值为0.3以下的范围(0.1 5B/A <0.3的范围)内，齿槽转矩的偏差明显地变小。与此相对，若B/A的值比0.3大，则即使B/A的值相同，齿槽转矩的偏差也较大，齿槽转矩因极齿最大宽度A和极齿末端宽度B的影响发生变动。即，在B/A的值为0.3以下的范围内，通过将B/A的值作为指标决定极齿的形状，能够可靠地减少振动，且能够得到稳定的马达特性。与此相对，在B/A的值超过0.3的结构中，振动增大，且振动、噪声的水平变得不稳定。
[0080](根据B的影响的评价)
[0081 ]如图4(b)、图5(b)所示，无论是48步和20步中的哪一形状，若极齿末端宽度B变小，则齿槽转矩的偏差变小。具体地说，在48步的形状下，如图4(b)所示，若极齿末端宽度B在
0.62mm以下，则齿槽转矩的偏差变得非常小，在极齿末端宽度B为大概0.6mm左右的情况下，齿槽转矩成为极小值。并且，在20步的形状下，如图5(b)所示，若极齿末端宽度B在0.98mm以下，则齿槽转矩的偏差变得非常小，在极齿末端宽度B为大概0.9mm左右的情况下，齿槽转矩成为极小值。因此，通过以使极齿末端宽度B落在这样的范围内的方式决定极齿的形状，能够减少振动，且能够得到稳定的马达特性。
[0082]另一方面，在48步的形状下，若极齿末端宽度B在0.7mm以上，则不仅齿槽转矩变大，齿槽转矩也有发生偏差的倾向。并且，在20步的形状下，若极齿末端宽度B在1.1mm以上，则不仅齿槽转矩变大，齿槽转矩也具有发生偏差的倾向。具体地说，在48步和20步中任一情况下都出现极齿最大宽度A(即，根宽度)的影响，具有若极齿最大宽度A较小则齿槽转矩较大，若极齿最大宽度A较大则齿槽转矩变小的倾向。如此，在出现极齿最大宽度A的影响的范围内，为了可靠地减小齿槽转矩，优选将上述的B/A的值作为指标决定极齿的形状。
[0083]如此，在使用极齿末端宽度B作为决定极齿的形状的指标的情况下，能够使齿槽转矩稳定并变小的阈值因步数(极齿数)而异。即，如上所述，齿槽转矩变小、偏差也变小的极齿末端宽度B的范围在48步的情况下为0.62mm以下，在20步的情况下为0.98mm以下。如此，设计时作为指标的值因步数而异，在实用上不方便。
[0084]因此，本
【发明人】得到根据板厚t规定极齿末端宽度B作为更简易且实用的指标的构思。在用于磁场解析的定子铁芯的形状下，将板厚t设定为0.8mm，但在20步的磁场解析结果中，B < t(B < 0.8mm)包含于能够可靠地使齿槽转矩变小的范围。另一方面，在48步的磁场解析结果中，由于板厚t (0.8mm)比极齿末端宽度B的阈值即0.62mm大，因此即使只满足B < t的条件，也存在不能充分地使齿槽转矩变小的情况。因此，只要与使用了上述的B/A的值的条件(算式(I)) 一起使用，就能够可靠地减小齿槽转矩。
[0085](本实施方式的主要效果)
[0086]如以上所做的说明，本实施方式的步进马达I具有转子10和定子20，所述转子10具有永磁铁12，所述定子20具有包括与永磁铁12的外周面相向且沿周向排列的多个极齿53A、62A的A相定子组21A以及包括多个极齿53B、62B的B相定子组21B。并且，这些极齿53A、62A、53B、62B的形状呈随着向末端侧而宽度变窄的大致梯形，在将极齿53A、62A、53B、62B的根部的最大宽度作为A，将极齿在自极齿53A、62A、53B、62B的末端向根部偏移极齿的全长的1/10的尺寸的位置处的最大宽度作为B的情况下，以满足0.1 < B/A < 0.3的关系式的方式构成。本
【发明人】通过磁场解析，发现在满足这样的关系的极齿形状下，能够使齿槽转矩较小且能够缩小齿槽转矩的偏差。由于这样的关系式能够和永磁铁与极齿之间的气隙无关地使极齿的形状合适化，因此可应用的范围较广。因此，能够在各种尺寸的马达中减小振动。并且，由于齿槽转矩的偏差较小，因此能够实现稳定的马达特性。
[0087]并且，本实施方式的步进马达I在定子铁芯的板厚为t的情况下，以满足B的关系式的方式构成。如此，只要规定极齿末端宽度B与板厚t的关系，就能够得到更实用的指标。因此，能够更简易地减小振动且能够实现稳定的马达特性。
[0088](其他实施方式)
[0089]本发明能够应用于具有极齿数为十二个或五个的定子铁芯的步进马达，但也能够应用于其他极齿数的情况。并且，本发明不限于用于磁场解析的马达尺寸(外径Φ=25πιπι、高度L0 = 12.8mm)，也能够应用于更小的尺寸或更大的尺寸的步进马达。并且，只要在大致梯形的范围内，就能够应用于各种极齿形状。
【主权项】
1.一种步进马达，其特征在于，其具有: 转子，其具有旋转轴和直接或间接地固定于所述旋转轴的永磁铁；以及 定子，其具有与所述永磁铁的外周面相向且沿周向排列的多个极齿， 在将所述极齿的根部的最大宽度作为A，将从所述极齿的末端向所述根部偏移所述极齿的全长的1/10的尺寸的位置处的所述极齿的末端宽度作为B的情况下， 所述多个极齿满足B/A < 0.3的关系式。2.根据权利要求1所述的步进马达，其特征在于， 所述定子具有: 定子铁芯，其具有圆环状的端板部和从所述端板部的内周缘立起的所述多个极齿；以及 线圈，其对所述定子铁芯励磁， 在所述端板部的板厚是t的情况下， 满足B < t的关系式。3.根据权利要求1所述的步进马达，其特征在于， 所述极齿呈从所述根部向所述极齿的末端侧而宽度逐渐变窄的大致梯形。4.根据权利要求1所述的步进马达，其特征在于， 所述极齿满足0.1 < B/A的关系式。5.根据权利要求1所述的步进马达，其特征在于， 所述极齿的形状是等腰三角形。6.根据权利要求1所述的步进马达，其特征在于， 所述极齿的B/A的值大概是0.2。7.根据权利要求2所述的步进马达，其特征在于， 所述端板部的板厚t是0.8mm。
【文档编号】H02K1/14GK105932857SQ201610097694
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月23日
【发明人】土井修
【申请人】日本电产三协株式会社