JP2003009500A - ３相環状コイル式永久磁石型回転電機 - Google Patents

３相環状コイル式永久磁石型回転電機

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JP2003009500A JP2001183366A JP2001183366A JP2003009500A JP 2003009500 A JP2003009500 A JP 2003009500A JP 2001183366 A JP2001183366 A JP 2001183366A JP 2001183366 A JP2001183366 A JP 2001183366A JP 2003009500 A JP2003009500 A JP 2003009500A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ３相環状コイル式永久磁石型回転電機におい
て回転子の回転角度に関係なくトルクの変動を防止し、
クローズドループ制御をも可能とする。 【解決手段】 円周方向にＮ、Ｓ交互に着磁された永久
磁石回転子８０に、空隙を隔てて対向配置される各相の
固定子１１〜１３を備えた３相環状コイル式永久磁石型
回転電機において、各相コイル１１ｃ、１２ｃ、１３ｃ
をスター又はデルタ結線において３端子とし、永久磁石
回転子８０を外力で回転させて得られる各端子間に現れ
る速度起電力の位相差を電気角で１２０゜となるように
各相の固定子１１〜１３の周方向の相対位置を定めるよ
うに構成した。なお、図７、図８に示すように回転子位
置検出機構を備える構成も考えられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プリンタ等のＯＡ
機器をはじめ種々の装置のステップ駆動を担い、同期化
及びブラシレス化を容易とした３相環状コイル式永久磁
石型回転電機の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の回転電機は、Ｎ極とＳ極
を交互に周方向に極対数でＭ個、着磁又は配置固定した
永久磁石回転子と、その外周に空隙を介して磁性体より
なり、椀状に形成されＭ個の軸方向に延びたクローポー
ルを有する１対の固定子磁極にて軸方向からサンドイッ
チ状に環状コイルを挟持し、前記環状コイルの内周面で
前記クローポール同士が噛み合うように配置した固定子
を３個回転子軸方向に積層してなる固定子アセンブリー
とから構成されている。
【０００３】そして、励磁手段としては、給電端子は各
環状コイルよりリード線が２本の合計６端子給電による
励磁であった。この場合の固定子クローポール配列は、
トルクの授受を行う回転子の軸の出力側に位置する環状
コイルから順にＵ、Ｖ、Ｗ相としたとき、出力側の各相
のクローポールが順次（６０/Ｍ）°（機械角）位相が
ずれ、反出力側の各相のクローポールも互いに（６０/
Ｍ）°（機械角）ずれ、同一相の異なる磁極間隔は（１
８０/Ｍ）°（機械角）ずれる関係にあった。この構成
において、永久磁石回転子を外部動力により回転させ、
永久磁石からの磁束との鎖交によって環状コイルに現れ
る速度起電力（以下、主としてＥＭＦという）の各相の
位相差は６０°（電気角）であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記各相の
環状コイルは、夫々一定方向の励磁を行う１対のトラン
ジスタと、前記一定方向と反対方向の励磁を行う他の１
対のトランジスタの合計４個のトランジスタでブリッジ
回路を構成し、合計１２個のトランジスタで回転電機を
駆動するようにしていた。この場合、Ｕ、Ｖ、Ｗ相まで
順次、正方向電流を流し、６０°（電気角）で３ステッ
プ合計１８０°（電気角）回転した後、Ｕ相から順次負
方向電流で６０°（電気角）ずつ３ステップ合計１８０
°（電気角）で同方向に回転させ、この動作を繰り返
す。しかし、前記構成の回転電機の各相環状コイルの端
末の巻終わり同士を中性点とする３端子スター結線又は
各相巻終わりと次の相の巻始めとを順次結合して給電端
子とする３端子デルタ結線とした場合、６０°（電気
角）ずつ合計６ステップで回転する回転磁界が形成され
ないという問題点がある。
【０００５】また、この場合の３端子からのＥＭＦの各
相の位相差は６０°であり、回転子の回転角度θがトル
クに関係し、脈動することになり、回転電機のトルクの
減少、変動をもたらし、振動音の発生、駆動対象の位置
決め精度の低下をもたらす傾向があった。本発明の目的
は前記課題（問題点）を解決すると共に、回転子位置検
知手段を付加して、クローズドループ制御をも可能とす
る３相環状コイル式永久磁石型回転電機を提供するもの
である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の３相環状コイル
式永久磁石型回転電機では、上記課題を解決するため
に、請求項１に記載のものでは、回転子軸と同心的にＭ
個の極対数となるＮ極とＳ極の磁極を交互に、外周部に
着磁又は配置した円筒状永久磁石を備えた永久磁石回転
子と、この円筒状永久磁石の外周と空隙を介して対向
し、椀状に形成され、その内周側に軸方向に延びるＭ個
のクローポールを有する磁性体より成る２個の固定子磁
極により環状コイルを挟持し、この環状コイルの内周側
で前記２個の固定子磁極のクローポール同士が噛み合う
ように配置した３個の固定子を軸方向に重ねて配置する
ようにし、これら３個の固定子に設けた環状コイルの端
末をスター又はデルタに結線した３端子給電の３相環状
コイル式永久磁石型回転電機において、前記永久磁石回
転子の表面に着磁又は配置した円筒状永久磁石により作
られる各相分の鎖交磁束は、対応する相のクローポール
と対向した部分の円筒状永久磁石からの磁束のみで構成
される各相、独立の独立鎖交磁束であり、この独立鎖交
磁束による各相の環状コイルの速度起電力の位相が、前
記３端子のいずれかの相間で、順次１２０°（電気角）
の位相差となるように、各相固定子のクローポールと、
これに対向する前記円筒状永久磁石との相対位置とを定
めるように構成した。
【０００７】また、請求項２に記載のものでは、請求項
１に記載の発明において、前記３個の固定子に巻装され
た各相環状コイルの内、２個の環状コイルに同一の電流
が流れるように構成した。
【０００８】また、請求項３に記載のものでは、回転子
軸と同心的にＭ個の極対数となるＮ極とＳ極の磁極を交
互に、外周部に着磁又は配置した円筒状永久磁石を備え
た永久磁石回転子と、この円筒状永久磁石の外周と空隙
を介して対向し、椀状に形成され、その内周側に軸方向
に延びるＭ個のクローポールを有する磁性体より成る２
個の固定子磁極により環状コイルを挟持し、この環状コ
イルの内周側で前記２個の固定子磁極のクローポール同
士が噛み合うように配置した３個の固定子を軸方向に重
ねて配置するようにし、これら３個の固定子に設けた環
状コイルの端末をデルタに結線した３端子給電の３相環
状コイル式永久磁石型回転電機において、前記永久磁石
回転子の表面に着磁又は配置した円筒状永久磁石により
作られる各相分の鎖交磁束は、対応する相のクローポー
ルと対向した部分の円筒状永久磁石からの磁束のみで構
成される各相、独立の独立鎖交磁束であり、２端子間に
電圧を印加し３相励磁としたとき、任意の１相の強い軸
方向起磁力と残りの２つの相の弱い軸方向起磁力の向き
が常に逆方向になるように各相の環状コイルを励磁する
ように構成した。
【０００９】また、請求項４に記載のものでは、請求項
１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記永久磁
石回転子の円筒状永久磁石として極数分、周方向に異方
性化した極異方性磁石を採用する構成とした。
【００１０】また、請求項５に記載のものでは、請求項
１乃至４のいずれかに記載の発明において、各クローポ
ールが固定部から先端部に向けて幅が小さくなるように
台形状に形成した。
【００１１】また、請求項６に記載のものでは、請求項
１乃至５のいずれかに記載の発明において、３相環状コ
イル式永久磁石型回転電機における永久磁石回転子の円
筒状永久磁石又はこれと同期して回転する２Ｍ個の極数
を有するセンサ用永久磁石と空隙を介して固定される磁
気感応素子と、電源の正極側と各相環状コイルの端子間
に接続される３個のスイッチング素子からなる第１のス
イッチング素子群と、電源の負極側と各相環状コイルの
端子間に接続される３個のスイッチング素子からなる第
２のスイッチング素子群とを備え、上記磁気感応素子の
出力により、上記第１及び第２のスイッチング素子群の
各１個のスイッチング素子、又は一方のスイッチング素
子群から１個、他方のスイッチング素子群から２個を夫
々選択してオン・オフ制御するように構成した。
【００１２】また、請求項７に記載のものでは、請求項
１乃至５のいずれかに記載の発明において、磁性体より
なるセンサ用の各相のポールを、前記永久磁石回転子の
円筒状永久磁石又はこれと同期して回転する２Ｍ個の極
数を有するセンサ用永久磁石に対して空隙を介して対向
配置すると共に、前記各相のセンサ用のポールによる磁
路中に磁気感応素子と、電源の正極側と各相環状コイル
の端子間に接続される３個のスイッチング素子からなる
第１のスイッチング素子群と、電源の負極側と各相環状
コイルの端子間に接続される３個のスイッチング素子か
らなる第２のスイッチング素子群とを備え、前記磁気感
応素子の適切な相の出力により、上記第１及び第２のス
イッチング素子群の各１個のスイッチング素子、又は一
方のスイッチング素子群から１個、他方のスイッチング
素子群から２個を夫々選択してオン・オフ制御するよう
に構成した。
【００１３】また、請求項８に記載のものでは、請求項
１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記永久磁
石回転子の円筒状永久磁石の磁束により各相環状コイル
に誘導される電圧により偏重された励磁電流波形から回
転子の位置情報を得て、永久磁石回転子の円筒状永久磁
石の磁極より時間的に先の相の環状コイルを励磁するよ
うに進角制御するように構成した。
【００１４】さらに、請求項９に記載のものでは、請求
項１又は１に記載の発明において、スター結線の場合は
２端子給電、デルタ結線の場合は３端子給電とし、常
時、２相を励磁した時、残りの非励磁の１相をセンサと
して使用し、速度起電力を得て、回転子の位置を検知す
るように構成した。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図１乃至図７を用いて、本
発明に係る３相環状コイル式永久磁石型回転電機の一実
施の形態を説明する。図１は本発明に基づく３相環状コ
イル式クローポール式永久磁石ステッピングモータの要
部を展開した斜視図である。図１において、固定子アセ
ンブリー７０は、夫々が固定子相を形成する３組の固定
子１１、１２、１３からなり、第１の固定子１１は、各
先端部を相互に所定間隔を隔てて平行、かつ交互に組合
されるようにしてＭ対のクローポール１１ａ，１１ｂを
設け、内部に環状コイル１１ｃをコイルボビン１１ｄに
巻き込んで環状に形成している。第２の固定子１２は前
記第１の固定子１１と同様、各先端部を相互に所定間隔
を隔てて平行かつ交互に組合されるようにしてＭ対のク
ローポール１２ａ、１２ｂを設け、その内部に環状コイ
ル１２ｃをコイルボビン１２ｄに巻き込んで環状に形成
している。また、第３の固定子１３も同様に、各先端部
を交互に所定間隔を隔てて平行、かつ交互に組合される
ようにしてＭ対のクローポール１３ａ、１３ｂを設け、
その内部に環状コイル１３ｃをコイルボビン１３ｄに巻
き込んで環状に形成している。そして前記各相環状コイ
ル１１ｃ、１２ｃ、１３ｃはいずれも同一方向に巻回さ
れている。
【００１６】また、第１の固定子１１に設けたＭ対のク
ローポール１１ａ、１１ｂの間隔は、機械角で（１８０
／Ｍ）°である。さらに、第１の固定子１１に設けたク
ローポール１１ａと、第２の固定子１２に設けたクロー
ポール１２ａとは、電気角で１２０°偏位させる。この
ような電気角の偏位は、第２、第３の固定子１２、１３
のクローポール１２ａ、１３ａとの関係及び第３、第１
の固定子１３、１１のクローポール１３ａ、１１ａとの
関係においても同様に１２０°に設定するものとする。
【００１７】一方、固定子アセンブリー７０の内部空間
に設けられた永久磁石回転子（以下回転子と略称する）
８０は回転子軸１４が固定子アセンブリー７０の中央両
端部に設けた軸受（図示せず）に支持され、図１におい
ては上方部が出力側、下方部が反出力側となっている。
１５は中子で、回転子軸１４の外周に設けられる。１６
は円筒状永久磁石で、中子１５の外周に沿ってＮ極、Ｓ
極の磁極性が交互に等間隔に磁化され、この磁極は、磁
極対数でＭ個形成されているものとする。
【００１８】図２は、デルタ結線された各相環状コイル
１１ｃ、１２ｃ、１３ｃを励磁制御するステッピングモ
ータ駆動回路の一例を示し、各相環状コイル１１ｃ、１
２ｃ、１３ｃの巻始め端子を夫々Ｕ、Ｖ、Ｗとし、巻終
り端子を夫々Ｕ、Ｖ、Ｗとする。 この場合、正極側電
源端子Ｂと負極側グランドＧとの間に直列接続されたト
ランジスタＴ1、Ｔ2の接続点には前記巻始め端子Ｕ及び
巻終り端子Ｗが接続される、同様にして正極側電源端子
Ｂと負極側グランドＧとの間に直列接続されたトランジ
スタＴ3、Ｔ4の接続点には前記巻始め端子Ｖ及び巻終り
端子Ｕが接続され、正極側電源端子Ｂと負極側グランド
Ｇとの間に直列接続されたトランジスタＴ5、Ｔ6の接続
点には前記巻始め端子Ｗ及び巻終り端子Ｖが接続され
る。なお、以下の説明において、前記巻始め端子Ｕと巻
終り端子Ｕ間に接続される環状コイル１１ｃをＵ相コイ
ルとして説明する。同様に環状コイル１２ｃ、１３ｃは
夫々Ｖ相コイル、Ｗ相コイルとする。
【００１９】ところで、回転子８０を外部動力により一
方向に回転させたとき、前記各相のコイル端子Ｕ、Ｖ、
Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｗを図２に示すようなデルタ結線、あるい
は図示しないスター結線として得られる３端子（スター
結線の中性点を除く）間にＥＭＦが発生する。そして、
このＥＭＦは各相固定子１１、１２、１３の各クローポ
ール１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ
の相互配列関係を適切に定めることによって、種々の位
相関係が得られる。この位相関係において、各端子間に
現れるＥＭＦが正弦波で、位相差が電気角にて１２０°
であれば各相を独立分離させ、回転子８０の回転角度の
変化に拘わらず一定トルクを維持する回転電機とするこ
とができる。
【００２０】この点を、以下に演算式で説明すると、次
の通りである。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のＥＭＦを夫々
Ｅu、Ｅv、Ｅwとすると、以下で説明するように、クロ
ーポールの形状を台形状に形成する等の構成も考慮する
と、それらのＥＭＦの最大値をＥ、回転子８０の回転角
をθとすると、次式で示す正弦波波形で近似することが
できる。 Ｅu＝Ｅsin θ・・・・・・・・・・・・・（１ａ） Ｅv＝Ｅsin（θ−２π/３）・・・・・・・（１ｂ） Ｅw＝Ｅsin（θ−４π/３）・・・・・・・（１ｃ）
【００２１】また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電流を夫
々Ｉu、Ｉv、Ｉwとすると、それらの電流の最大値をＩ
とし、また、高分割マイクロステップとすることを考慮
し、電流の角周波数をω、時間をｔとすると、近似的に
次式で表される。 Ｉu＝Ｉsin ωt・・・・・・・・・・・・・（２ａ） Ｉv＝Ｉsin（ωt−２π/３）・・・・・・・（２ｂ） Ｉw＝Ｉsin（ωt−４π/３）・・・・・・・（２ｃ）
【００２２】一方、トルクをＴ、回転子機械角速度をω
m、各相のＥＭＦと電流との位相差をδとすると、次式
で表される。 Ｔ＝（ＥuＩu＋ＥvＩv＋ＥwＩw）/ωm・・・・（３） θ＝ωt−δ・・・・・・・・・・・・・・・ （４） ここで、（１ａ）、（１ｂ）、（１ｃ、）（２ａ）、
（２ｂ）、（２ｃ）、（４）の各式を（３）式に代入
し、整理すると、（５）式が導かれる。 Ｔ＝（３/２ωm）ＥＩcosδ・・・・・・・・ （５）
【００２３】即ち、（５）式のトルクＴはcosδが一定
値であるので、本発明に係る３相環状コイル式永久磁石
型回転電機は、その回転子の回転角度θに関係なく、一
定トルクを維持するので、このように構成される本発明
の回転電機は安定に回転することが分かる。なお、前記
各相環状コイル１１ｃ、１２ｃ、１３ｃのスター又はデ
ルタ結線にて得られる３端子のＥＭＦの位相差が１２０
°とならない場合は、前記同様の演算において前記の
（５）式に回転子の回転角度に応じて変化する要素とし
ての回転子の回転角度θ及び電流の角周波数ω成分が含
まれるから、前記トルクの一定化は期待できないことは
明らかである。
【００２４】次に、各相環状コイル１１ｃ、１２ｃ、１
３ｃへの励磁回路を示す図２の具体的動作を図２のほ
か、図３乃至図６を参照して説明する。図３は図２中の
トランジスタＴ1〜Ｔ6の各ステップ１〜６の動作シーケ
ンスを示す説明図で、横軸に各トランジスタを、縦軸に
各ステップを、また、各ブロック内には各トランジスタ
が各ステップで導通する場合を丸印で示している。ま
た、図４は図３中の各ステップ１〜６における各相環状
コイル１１ｃ、１２ｃ、１３ｃ夫々の電流Ｉuu、Ｉvv、
Ｉww（巻始め端子Ｕ、Ｖ、Ｗから巻終り端子Ｕ、Ｖ、Ｗ
に向かう方向を正方向、巻終り端子Ｕ、Ｖ、Ｗから巻始
め端子Ｕ、Ｖ、Ｗに向かう方向を負方向とする）を示す
波形図、図５（Ａ）〜（Ｃ）及び図６（Ａ）〜（Ｃ）は
夫々各ステップ１〜３及びステップ４〜６における本発
明に係る回転電機の駆動原理を説明するための説明図で
ある。
【００２５】図３及び図４において、ステップ１ではト
ランジスタＴ1、Ｔ4がオンとなり、各相環状コイル１１
ｃ、１２ｃ、１３ｃの各相電流Ｉuu、Ｉvv、Ｉwwの方向
及び大きさは、図４に示すように電流Ｉuuは正方向で、
その他の相電流Ｉvv、Ｉwwは負方向となり、大きさは相
電流Ｉvv、Ｉwwが同じで、相電流Ｉuu が相電流Ｉvv、
Ｉwwの２倍となる。この理由は、環状コイル１１ｃ単独
のインピーダンスが環状コイル１２ｃ及び１３ｃの直列
回路のインピーダンスの半分となることによる。
【００２６】そして、このステップ１のＵＶＷ各相のク
ローポール１１ａ〜１３ａ、１１ｂ〜１３ｂと、円筒状
永久磁石１６（図５ではＲ相として表示する）の極性は
図５（Ａ）に示す通りであり、各環状コイル１１ｃ、１
２ｃ、１３ｃに流れる電流について方向を矢印で、大き
さを太さ（太字の矢印は細字の矢印の２倍）で対応させ
て示している。次に、ステップ２に移行すると、今度は
図３に示すように、トランジスタＴ4、Ｔ5がオンする。
このとき図４のように相電流Ｉuuの極性は変らず大きさ
は半減し、相電流Ｉvv は方向は変らず大きさは２倍と
なり、相電流Ｉww は大きさ同一で方向が反転する。そ
して、ＵＶＷ各相のクローポール１１ａ〜１３ａ、１１
ｂ〜１３ｂ及び円筒状永久磁石１６の極性は図５（Ｂ）
に示すように変化する。
【００２７】以降、同様の原理でステップ３〜６につい
ては、トランジスタＴ1〜Ｔ6のうちオンとなる２つのト
ランジスタが図３に示されるように選択され、各相の電
流Ｉuu、Ｉvv、Ｉwwは図４に示すように変化する。この
変化に同期して、ＵＶＷ各相のクローポール１１ａ〜１
３ａ、１１ｂ〜１３ｂと円筒状永久磁石１６のＲ相とし
てのＮＳ各磁極面は順次図５（Ａ）〜（Ｃ）及び図６
（Ａ）〜（Ｃ）に示すように円筒状永久磁石１６の磁極
の１／６ピッチのステップで変化する。
【００２８】なお、前記説明は、本発明に係る３相環状
コイル式永久磁石型回転電機をＯＡ機器等に適用するに
当り、オープンループ制御にてステップ駆動する例を示
したが、永久磁石回転子の位置を検出して次の相に最適
タイミングで電流を流して駆動するクローズドループ式
ブラシレスモータとしても適用することができる。次
に、この回転子位置検出機構の具体例１及び２を、図７
及び図８を夫々参照して説明する。図７は具体例１の回
転子位置検出機構Ｋ１を備えた３相環状コイル式永久磁
石型回転電機の一部切欠断面図で、図１及び図２に対応
する部分には同一符合を付し、その説明を省略する。
【００２９】図７において、３１はホール素子等より成
る３個の磁気感応素子、３２はこの磁気感応素子３１が
配置されるプリント基板で、磁気感応素子３１は図示の
ように円筒状永久磁石１６の端部に、所定空隙を介して
対向しており、当該円筒状永久磁石１６から発生する側
面の磁束の変化を感知し、その信号で、図示しない駆動
回路（例えば図２に示す６個のトランジスタＴ1〜Ｔ6か
らなるトランジスタブリッジ等より成る）の駆動素子と
してのトランジスタをスイッチングして、図３のシーケ
ンスで励磁する。この駆動回路は、容量の小さなトラン
ジスタを用いる場合には、プリント基板３２上に磁気感
応素子３１と共に配置することも可能であるが、図２に
示すような駆動回路又はこの駆動回路を形成するプリン
ト基板は、独立して本発明の回転電機に内蔵又は別置
し、上記の磁気感応素子を配置するプリント基板３２と
の電気的な接続を別途行うようにしてもよい。図７に戻
って、プリント基板３２に配置される３個の磁気感応素
子３１は、円筒状永久磁石１６に対向する円周上に沿っ
て、例えば機械角で１２０°の間隔で配置される。３３
は後カバーで、プリント基板３２を保持している。これ
らの磁気感応素子３１を配置したプリント基板３２によ
り具体例１の回転子位置検出機構Ｋ１が構成される。
【００３０】上記のような回転子位置検出機構Ｋ１を備
えた図７の永久磁石型回転電機では、図２に示す駆動回
路を用いた場合、前記トランジスタＴ1〜Ｔ6は常時、電
源の正極側に接続した１個と負極側に接続した１個計２
個がオンされる場合である。また、例えば、図２におい
て電源の正極側に接続されたトランジスタＴ1 と負極側
に接続されたトランジスタＴ4、Ｔ6 の計３個を同時オ
ンすると端子Ｖ、Ｗは０電位となり、環状コイル１２ｃ
には電流が流れないので環状コイル１１ｃ、１３ｃのみ
２相励磁駆動とすることもできる。
【００３１】次に、図８に示す具体例２としての、回転
子位置検出機構Ｋ２について、説明する。このような回
転子位置検出機構Ｋ２は、次のような場合に有用であ
る。即ち、図８のものの好適例は、図１、図７における
永久磁石回転子８０の円筒状永久磁石１６の外形が小さ
く、かつ多極の場合である。このような場合には、少し
のピッチ誤差でも電気角にすると円筒状永久磁石１６の
磁極対数Ｍ倍に増幅されるため、磁気感応素子のみを円
筒状永久磁石１６の端部に対向させ、かつ、相間の例え
ば１２０°（機械角）ピッチで３個の磁気感応素子の正
確な位置出しは困難となる。そこで、図８に示すよう
な、組立体として構成した磁気感応素子より成る回転子
位置検出機構Ｋ２の技術的な意義がある。
【００３２】図８は、組立体として構成した磁気感応素
子より成る回転子位置検出機構Ｋ２の構成を示す平面図
である。同図において、３１ａ、３１ｂ、３１ｃは磁気
感応素子で、同一円周上に沿って等間隔に配置されてい
る。４１ａ、４１ｂ、４１ｃは磁性鉄板クローポール
で、各外周部は永久磁石式回転子の円筒状永久磁石（図
１、図７の符合１６参照）の端部に対向するように正確
に位置出しされており、各内方端面から対応する前記磁
気感応素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃに磁束の伝達を行
う。４２は磁性鉄板ヨークで、環状をなし、外周面にお
いて各磁気感応素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃを磁気的に
短絡している。４３は非磁性体で、前記磁性鉄板クロー
ポール４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、磁気感応素子３１ａ、
３１ｂ、３１ｃ及び磁性鉄板ヨーク４２を一体成型し
て、回転子位置検出機構Ｋ２を構成したものである。こ
の図８に示す磁気感応素子組立体は前記円筒状永久磁石
１６からの磁束を磁性鉄板クローポール４１ａ、４１
ｂ、４１ｃで受け、夫々対応する磁気感応素子３１ａ、
３１ｂ、３１ｃに伝達し、別置される図２に示すような
駆動回路のトランジスタと電気信号の授受を行うように
すればよい。
【００３３】本発明は上記の実施の形態により説明した
ものに限定されず、種々の変形が可能である。まず、本
発明に係る３相環状コイル式永久磁石型回転電機は、単
なるステップ駆動を行うモータのみでなく、誘導子型の
シンクロナスモータやブラシレスモータとしてはもとよ
り、速度検出用等の発電機としても適用可能である。ま
た、上記の実施の形態における各相環状コイルをデルタ
結線とした場合で説明したが、スター結線の中性点を除
く３端子制御とすることもできる。なお、デルタ結線と
した場合であって、２端子間に電圧を印加し３相励磁と
したときは、デルタ結線特有の固定子巻線電流による起
磁力現象が現れる。また、独立鎖交磁束による各相の環
状コイルの速度起電力の位相が３端子いずれかの相間
で、順次１２０°（電気角）の位相差とすることがで
き、上述した本発明の実施の形態で説明した本発明の請
求項１に記載した機能と同等の機能を発揮させることが
できる。そこで、この内容を請求項３に記載した。
【００３４】また、各相固定子のクローポールは、図１
に示すものでは取り付け部から先端部に至るまで均一幅
のものを示したが、取り付け部から先端部に向かって徐
々に幅狭となる台形形状とすることが望ましい。それ
は、クローポールを台形形状とすれば、その斜め部分を
永久磁石からの磁束が鎖交することになるので、環状コ
イルの出力端子に現れるＥＭＦの波形を、正弦波に極力
近似させることができるからである。また、図２に示し
た駆動回路を構成する駆動素子としてのトランジスタ
は、スイッチング素子としての機能を有すればよいの
で、図２に示すようなスイッチングトランジスタのほ
か、同等の機能を有する他のスイッチング素子で代替し
てもよい。
【００３５】また、永久磁石回転子の円筒状永久磁石と
して、極数分、周方向に異方性化した極異方性磁石を用
いることは有益である。それは、このような極異方性磁
石とすることにより、小型で強力な円筒状永久磁石の磁
化形成が可能となるためである。また、前記実施の形態
では、永久磁石回転子の位置検出用磁気感応素子への検
出用磁束を、永久磁石回転子の円筒状永久磁石の漏洩磁
束から得る場合にて説明したが、前記永久磁石回転子と
同期して回転し、同一磁極対を有するセンサ用磁石を独
立に設けるようにしてもよい。この場合、図７の構成
中、永久磁石１６を固定子１３より軸方向に突き出して
永久磁石１６の外周の磁極を磁気感応素子３１に対向さ
せ、或いは図８の磁性鉄板クローポール４１ａ、４１
ｂ、４１ｃを永久磁石の外周に被せるように折り曲げて
空隙を介して対向させるように構成しても良い
【００３６】また、前記実施の形態では、各相環状コイ
ルのスター又はデルタ結線で得られる３端子相互間のＥ
ＭＦを１２０°（電気角）とするため軸方向に直線状に
延びる永久磁石回転子の円筒状永久磁石の磁極に対して
各相固定子のクローポールの周方向の相対位置を調整す
る例を示している。しかし、この相対位置の調整手段
は、各相固定子の対応するクローポールの軸方向におけ
る相対位置を一致させ、各相固定子のクローポールに対
向する永久磁石回転子の円筒状永久磁石の磁極をスキュ
ー又は各相独立に構成することでも対応できる。
【００３７】また、前記実施の形態では磁気感応素子に
より永久磁石回転子の位置を検出する場合を説明した
が、各相独立磁路誘起電圧により偏重された励磁電流波
形から回転子の位置情報を得て先の相を励磁するように
進角制御し、センサレス化することができる。さらに、
各相環状コイルをスター結線の場合は２端子給電、デル
タ結線のときは３端子給電とし、常時１相分は非励磁と
し、この非励磁の相にセンサ作用を持たせて磁気感応素
子を含むセンサと等価的に活用できる。
【００３８】
【発明の効果】本発明は上記のように構成されるから、
次に示すような優れた効果を有する。 （１）請求項１に記載の発明によると、各相環状コイル
がスター又はデルタ結線とする回路構成において、永久
磁石回転子の回転に伴って各相環状コイルのＥＭＦの位
相差が１２０°（電気角）としたから、永久磁石回転子
から出される磁束が各相独立に作用することになる。従
って、回転電機のトルクは脈動することなく大とするこ
とができ、振動及び騒音の低減及びＯＡ機器等の被駆動
対象の位置決め精度の向上を図ることができる。 （２）請求項２に記載の発明によると、請求項１の発明
の効果に加え、各ステップの励磁切替回路の構成を簡素
化することができる。 （３）請求項３に記載の発明によると、各相励磁コイル
が全て励磁され、トルク発生に寄与できるから、各ステ
ップ駆動の的確性を増すことができる。
【００３９】（４）請求項４に記載の発明によると、請
求項１〜３に記載の発明の効果に加え、異方性の特性か
ら小型で強力な磁束を発生させることができ、従って、
外径が小で磁極数が大の永久磁石回転子を形成させるこ
とが可能である。 （５）請求項５に記載の発明によると、請求項１〜４に
記載の発明の効果に加え、永久磁石回転子からの磁束が
クローポールの台形状の斜め部分を鎖交することで各相
環状コイルの出力端子に現れる速度起電力の波形を極
力、正弦波に近似させることが可能で、この結果、回転
電機の各ステップ駆動におけるトルクの脈動を大幅に抑
制することができる。 （６）請求項６に記載の発明によると、請求項１〜５に
記載の発明の効果に加え、永久磁石回転子の位置を確認
し、各相の環状励磁コイルの的確な制御を得る信号を供
給することができる。
【００４０】（７）請求項７に記載の発明によると、請
求項１〜５に記載の発明の効果に加え、相間の角度が小
さい場合においても正確に回転子位置を検知することが
できる。 （８）請求項８に記載の発明によると、請求項１〜５に
記載の発明の効果に加え、独立した永久磁石回転子の回
転位置検出用センサを設ける必要がなく、ステッピング
モータの構成を簡素化することができる。 （９）請求項９に記載の発明によると、請求項１、２に
記載の発明の効果に加え、励磁されない相の環状励磁コ
イルを回転子位置センサとして有効に活用することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である３相環状コイル式
クローポール式永久磁石型ステッピングモータの要部を
展開して示した斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態である３相環状コイル式
永久磁石型ステッピングモータにおける各相の環状コイ
ルへの励磁制御を行い、上記ステッピングモータの駆動
制御を行う駆動回路の一例を示す回路図である。
【図３】図２に示す回路図において、トランジスタ素子
の動作シーケンスを示す説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態である３相環状コイル式
永久磁石型ステッピングモータにおける３相環状コイル
の電流波形図である。
【図５】本発明の一実施の形態である３相環状コイル式
永久磁石型ステッピングモータの固定子に形成されたク
ローポールと永久磁石回転子の円筒状永久磁石の磁極と
の相対位置の展開説明図で、同図（Ａ）〜（Ｃ）はステ
ップ１〜３における状況を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態である３相環状コイル式
永久磁石型ステッピングモータの固定子に形成されたク
ローポールと永久磁石回転子の円筒状永久磁石の磁極と
の相対位置の展開説明図で、同図（Ａ）〜（Ｃ）はステ
ップ４〜６における状況を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態である回転子位置検出機
構Ｋ１を備えた３相環状コイル式永久磁石型ステッピン
グモータの一部切欠断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態である３相環状コイル式
永久磁石型ステッピングモータの永久磁石回転子の位置
検出用の回転子位置検出機構Ｋ２の平面図である。
【符号の説明】
１１、１２、１３：固定子 １１ａ、１２ａ、１３ａ、１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ：ク
ローポール １１ｃ、１２ｃ、１３ｃ：環状コイル １４：回転子軸 １６：円筒状永久磁石 ３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ：磁気感応素子 ３２：プリント基板 ４１ａ、４１ｂ、４１ｃ：磁性鉄板クローポール ８０：永久磁石回転子 Ｋ１、Ｋ２：回転子位置検出機構
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年６月１３日（２００２．６．１
３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１３】また、請求項８に記載のものでは、請求項
１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記永久磁
石回転子の円筒状永久磁石の磁束により各相環状コイル
に誘導される電圧により変調された励磁電流波形から前
記永久磁石回転子の回転位置を検出し、前記永久磁石回
転子の円筒状永久磁石に継続的な回転トルクを発生させ
る相の環状コイルを順次励磁するように進角制御するよ
うに構成した。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２３】即ち、（５）式のトルクＴはcosδが一定
値であるので、本発明に係る３相環状コイル式永久磁石
型回転電機は、その回転子の回転角度θに関係なく、一
定トルクを維持するので、このように構成される本発明
の回転電機は安定に回転することが分かる。なお、前記
各相環状コイル１１ｃ、１２ｃ、１３ｃのスター又はデ
ルタ結線にて得られる３端子のＥＭＦの位相差が１２０
°とならない場合は、前記同様の演算において前記の
（５）式に回転子の回転角度に応じて変化する要素とし
ての回転子の回転角度θ及び電流の角周波数ω成分が含
まれ、ＥＭＦにより発生するトルクが回転子の回転角度
によって変化し、トルクの一定化は期待できないことは
明らかである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３４】また、各相固定子のクローポールは、図１
に示すものでは取り付け部から先端部に至るまで均一幅
のものを示したが、取り付け部から先端部に向かって徐
々に幅狭となる台形形状とすることが望ましい。それ
は、クローポールを台形形状とすれば、その斜め部分を
永久磁石からの磁束が鎖交することになるので、環状コ
イルの出力端子に現れるＥＭＦの波形を、正弦波に極力
近似させることができるからである。そこで、この内容
を請求項５に記載した。また、図２に示した駆動回路を
構成する駆動素子としてのトランジスタは、スイッチン
グ素子としての機能を有すればよいので、図２に示すよ
うなスイッチングトランジスタのほか、同等の機能を有
する他のスイッチング素子で代替してもよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３５】また、永久磁石回転子の円筒状永久磁石と
して、極数分、周方向に異方性化した極異方性磁石を用
いることは有益である。それは、このような極異方性磁
石とすることにより、小型で強力な円筒状永久磁石の磁
化形成が可能となるためである。そこで、この内容を請
求項４に記載した。また、前記実施の形態では、永久磁
石回転子の位置検出用磁気感応素子への検出用磁束を、
永久磁石回転子の円筒状永久磁石の漏洩磁束から得る場
合にて説明したが、前記永久磁石回転子と同期して回転
し、同一磁極対を有するセンサ用磁石を独立に設けるよ
うにしてもよい。この場合、図７の構成中、永久磁石１
６を固定子１３より軸方向に突き出して永久磁石１６の
外周の磁極を磁気感応素子３１に対向させ、或いは図８
の磁性鉄板クローポール４１ａ、４１ｂ、４１ｃを永久
磁石の外周に被せるように折り曲げて空隙を介して対向
させるように構成しても良い。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３７】また、前記実施の形態では磁気感応素子に
より永久磁石回転子の位置を検出する場合を説明した
が、各相独立磁路誘起電圧により変調された励磁電流波
形から回転子の位置情報（回転位置）を検出し、円筒状
永久磁石に継続的な回転トルクを発生させる相の環状コ
イルを順次励磁するように進角制御し、センサレス化す
ることができる。そこで、この内容を請求項８に記載し
た。さらに、各相環状コイルをスター結線の場合は２端
子給電、デルタ結線のときは３端子給電とし、常時１相
分は非励磁とし、この非励磁の相にセンサ作用を持たせ
て磁気感応素子を含むセンサと等価的に活用できる。そ
こで、この内容を請求項９に記載した。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転子軸と同心的にＭ個の極対数となる
    Ｎ極とＳ極の磁極を交互に、外周部に着磁又は配置した
    円筒状永久磁石を備えた永久磁石回転子と、 この円筒状永久磁石の外周と空隙を介して対向し、椀状
    に形成され、その内周側に軸方向に延びるＭ個のクロー
    ポールを有する磁性体より成る２個の固定子磁極により
    環状コイルを挟持し、この環状コイルの内周側で前記２
    個の固定子磁極のクローポール同士が噛み合うように配
    置した３個の固定子を軸方向に重ねて配置するように
    し、 これら３個の固定子に設けた環状コイルの端末をスター
    又はデルタに結線した３端子給電の３相環状コイル式永
    久磁石型回転電機において、 前記永久磁石回転子の表面に着磁又は配置した円筒状永
    久磁石により作られる各相分の鎖交磁束は、対応する相
    のクローポールと対向した部分の円筒状永久磁石からの
    磁束のみで構成される各相、独立の独立鎖交磁束であ
    り、 この独立鎖交磁束による各相の環状コイルの速度起電力
    の位相が、前記３端子のいずれかの相間で、順次１２０
    °（電気角）の位相差となるように、各相固定子のクロ
    ーポールと、これに対向する前記円筒状永久磁石との相
    対位置とを定めるようにしたことを特徴とする３相環状
    コイル式永久磁石型回転電機。
  2. 【請求項２】 前記３個の固定子に巻装された各相環状
    コイルの内２個の環状コイルに同一の電流が流れるよう
    に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の３
    相環状コイル式永久磁石型回転電機。
  3. 【請求項３】 回転子軸と同心的にＭ個の極対数となる
    Ｎ極とＳ極の磁極を交互に、外周部に着磁又は配置した
    円筒状永久磁石を備えた永久磁石回転子と、 この円筒状永久磁石の外周と空隙を介して対向し、椀状
    に形成され、その内周側に軸方向に延びるＭ個のクロー
    ポールを有する磁性体より成る２個の固定子磁極により
    環状コイルを挟持し、この環状コイルの内周側で前記２
    個の固定子磁極のクローポール同士が噛み合うように配
    置した３個の固定子を軸方向に重ねて配置するように
    し、これら３個の固定子に設けた環状コイルの端末をデ
    ルタに結線した３端子給電の３相環状コイル式永久磁石
    型回転電機において、 前記永久磁石回転子の表面に着磁又は配置した円筒状永
    久磁石により作られる各相分の鎖交磁束は、対応する相
    のクローポールと対向した部分の円筒状永久磁石からの
    磁束のみで構成される各相、独立の独立鎖交磁束であ
    り、 ２端子間に電圧を印加し、３相励磁としたとき、任意の
    １相の強い軸方向起磁力と残りの２つの相の弱い軸方向
    起磁力の向きが常に逆方向になるように各相の環状コイ
    ルを励磁するようにしたことを特徴とする３相環状コイ
    ル式永久磁石型回転電機。
  4. 【請求項４】 前記永久磁石回転子の円筒状永久磁石と
    して、極数分、周方向に異方性化した極異方性磁石を用
    いたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか
    に記載の３相環状コイル式永久磁石型回転電機。
  5. 【請求項５】 各クローポールが固定部から先端部に向
    けて幅が小さくなるように台形状に形成されていること
    を特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の
    ３相環状コイル式永久磁石型回転電機。
  6. 【請求項６】 ３相環状コイル式永久磁石型回転電機に
    おいて、 前記永久磁石回転子の円筒状永久磁石又はこれと同期し
    て回転する２Ｍ個の極数を有するセンサ用永久磁石と空
    隙を介して固定される磁気感応素子と、 電源の正極側と各相環状コイルの端子間に接続される３
    個のスイッチング素子からなる第１のスイッチング素子
    群と、 電源の負極側と各相環状コイルの端子間に接続される３
    個のスイッチング素子からなる第２のスイッチング素子
    群とを備え、 上記磁気感応素子の出力により、上記第１及び第２のス
    イッチング素子群の各１個のスイッチング素子、又は一
    方のスイッチング素子群から１個、他方のスイッチング
    素子群から２個を夫々選択してオン・オフ制御するよう
    にしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれ
    かに記載の３相環状コイル式永久磁石型回転電機。
  7. 【請求項７】 ３相環状コイル式永久磁石型回転電機に
    おいて、 磁性体よりなるセンサ用各相のポールを、前記永久磁石
    回転子の円筒状永久磁石又はこれと同期して回転する２
    Ｍ個の極数を有するセンサ用永久磁石に対して空隙を介
    して対向配置すると共に、 前記各相のセンサ用ポールによる磁路中に磁気感応素子
    と、 電源の正極側と各相環状コイルの一方の端子間に接続さ
    れる３個のスイッチング素子からなる第１のスイッチン
    グ素子群と、 電源の負極側と各相環状コイルの他方の端子間に接続さ
    れる３個のスイッチング素子からなる第２のスイッチン
    グ素子群とを備え、 前記磁気感応素子の適切な相の出力により、上記第１及
    び第２のスイッチング素子群の各１個のスイッチング素
    子、又は一方のスイッチング素子群から１個、他方のス
    イッチング素子群から２個を夫々選択してオン・オフ制
    御するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項
    ５のいずれかに記載の３相環状コイル式永久磁石型回転
    電機。
  8. 【請求項８】 前記永久磁石回転子の円筒状永久磁石の
    磁束により各相環状コイルに誘導される電圧により偏重
    された励磁電流波形から回転子の位置情報を得て、前記
    永久磁石回転子の円筒状永久磁石の磁極より時間的に先
    の相の環状コイルを励磁するように進角制御したことを
    特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の３
    相環状コイル式永久磁石型回転電機。
  9. 【請求項９】 スター結線の場合は２端子給電、デルタ
    結線の場合は３端子給電とし、常時、２相を励磁した
    時、残りの非励磁の１相をセンサとして使用し、速度起
    電力を得て、回転子の位置を検知するようにしたことを
    特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３相環状コイ
    ル式永久磁石型回転電機。
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