JP2004072898A - ステッピングモータおよびその巻線方法 - Google Patents

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世古 克也
Tetsuya Ito
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Abstract

【課題】巻線の誘起電圧を低減して信頼性を高める。
【解決手段】ステータ14には8個のティース16(16−1〜16−8)が設けられており、各ティ―ス16の内周面側には6個の小歯磁極16aが形成されている。A相の主系統巻線17、B相の主系統巻線18、A相の冗長系統巻線19およびB相の冗長系統巻線20を、相異なるティ―ス16に分離して巻回する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータに主系統巻線と冗長系統巻線が巻回されたステッピングモータおよびその巻線方法に関する。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】
高信頼性を必要とする分野例えば宇宙関連分野で用いられるステッピングモータは、通常用いられる主系統巻線と、この主系統巻線に故障が生じた場合にこれに替えて用いられる冗長系統巻線とを備えている。図8は、従来構成の二相ハイブリッド型ステッピングモータの巻線構成を示している。このステッピングモータ1のA相の主系統巻線2とA相の冗長系統巻線4およびB相の主系統巻線3とB相の冗長系統巻線5は、それぞれステータ6の同一のティース7(7−1〜7−8)に以下の順序で巻回されている。
【0003】
A相の主系統巻線2と冗長系統巻線4:
ティース7−1、7−3、7−5、7−7
B相の主系統巻線3と冗長系統巻線5:
ティース7−2、7−8、7−6、7−4
【0004】
しかしながら、このような巻線構成の場合、主系統巻線2、3に駆動パルスを印加すると、電磁誘導によって冗長系統巻線4、5に高い誘起電圧が発生する。このため、予備系統としての冗長系統巻線4、5の信頼性が低下したり、ステッピングモータ1の駆動回路(図示せず)に高耐圧の部品を用いる必要があった。このため、上記構成に替えて、主系統に係るロータ・ステータと冗長系統に係るロータ・ステータとを独立に設ける構成も用いられているが、2組のロータ・ステータを使用すると組立性が悪化しサイズが大きくなるなどの新たな問題が生じる。
【0005】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ステータに主系統巻線と冗長系統巻線とを巻回するものであって、これら巻線に誘起される電圧を低減して信頼性を高めたステッピングモータおよびその巻線方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載したステッピングモータは、主系統巻線と冗長系統巻線がステータの相異なるティースに分離して巻回されていることを特徴とする。この構成によれば、主系統巻線に流れる電流により生じる磁束が冗長系統巻線に鎖交しにくくなるため、主系統巻線に通電した時に冗長系統巻線に誘起される電圧または冗長系統巻線に通電した時に主系統巻線に誘起される電圧が小さくなる。これにより、絶縁耐力の経時劣化や電磁的ストレスによる劣化を抑制でき、巻線ひいてはステッピングモータ自体の信頼性を高められ、駆動回路に高耐圧の部品を使用する必要もなくなる。
【0007】
この場合、主系統巻線が巻回されたティースと冗長系統巻線が巻回されたティースが、ステータの周全体に亘って交互配置となっていることが好ましい(請求項2)。この構成によれば、周全体に亘って磁気的にバランスし、径方向について偏った電磁力が作用しないので、振動が小さくなる。また、通電による巻線の発熱が周全体に亘って均等に分散されるので、ステッピングモータ全体としての温度上昇が低減するとともに熱応力の発生を抑えることができる。
【0008】
さらに、ステータとロータをPBパーマロイまたはパーメンジュールの何れかの磁性材料により構成することにより、飽和磁束密度を高められ、より高トルクを得られる(請求項3)。
【0009】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について図1ないし図5を参照しながら説明する。
図2は二相ハイブリッド型ステッピングモータの構成を示す縦断面図で、図1は図2のA−A′線に沿う横断面図である。これら図1、図2において、ステッピングモータ11の上ケース12と下ケース13との間には、ステータ14を構成する円筒状のヨーク部15が挟持されている。このステータ14には8個のティース16(16−1〜16−8)が設けられており、以下に示すようにA相の主系統巻線17、B相の主系統巻線18、A相の冗長系統巻線19およびB相の冗長系統巻線20が互いに異なるティ―ス16に分離して巻回されている。各ティ―ス16の内周面側には6個の小歯磁極16aが形成されている。
【0010】
A相の主系統巻線17 :ティース16−1、16−3
B相の主系統巻線18 :ティース16−2、16−4
A相の冗長系統巻線19:ティース16−5、16−7
B相の冗長系統巻線20:ティース16−6、16−8
【0011】
ステータ14の内方には、ロータ21が回転自在に配設されている。このロータ21は、シャフト22に嵌着されており、このシャフト22の上端部および下部はそれぞれ軸受23、24により支承されている。上記シャフト22の上端部は、上ケース12から上方へ突出しており、その突出部分には図示しない被駆動機器が取り付けられている。
【0012】
ロータ21は、2つの磁極部25、26を有している。これら磁極部25、26の外周部には、それぞれティ―ス16の小歯磁極16aと同一ピッチで50個の小歯磁極25a、26aが形成されている。小歯磁極25aと26aは、1/2ピッチずれた状態に形成されている。そして、磁極部25と26との間には、軸方向の端部がN極およびS極とされた永久磁石27が挟み込まれており、これにより磁極部25がN極に磁化され、磁極部26がS極に磁化されている。
【0013】
軸受23と磁極部25との間および軸受24と磁極部26との間には、それぞれスペーサ28および29が介挿されており、これにより形成される空隙により冷却効果を高めている。なお、ステータ14とロータ21は、PBパーマロイまたはパーメンジュールにより構成され、永久磁石27は、焼結型Nd・Fe・B磁石により構成されている。
【0014】
図3は、主系統巻線17の駆動回路のうち出力段の電気的構成を示すもので、他の巻線の駆動回路についても同様の構成を備えている。電源線30とグランド線31との間には例えば28Vの電源電圧VMが供給されており、主系統巻線17に対しスイッチング素子であるMOSFET32〜35がブリッジ回路を構成している。MOSFET32〜35のゲートには、図示しない制御装置からそれぞれゲート電圧VG1〜VG4が与えられるようになっている。なお、MOSFET32〜35のドレイン・ソース間には、それぞれ図示極性の還流用のダイオード32a〜35aが並列に接続されている。
【0015】
次に、本実施形態の作用について図4および図5も参照しながら説明する。 主系統に異常がない場合にあっては、ステッピングモータ11は主系統巻線17、18に通電することにより駆動され、冗長系統巻線19、20は用いられない。一方、主系統巻線17、18に断線や短絡などの異常が発生した場合、または主系統の駆動回路に異常が発生した場合にあっては、冗長系統巻線19、20への通電に切り替えられ、ステッピングモータ11は冗長系統を用いて駆動される。このような構成は、高信頼性を必要とする分野例えば宇宙関連分野で用いられるステッピングモータ11において必要となる。
【0016】
図4は、主系統について1相励磁方式による通電シーケンスを示しており、これは冗長系統についても同様となる。この図4において、「+」は上アーム側のMOSFET(図3ではMOSFET32または34)がオン駆動されていることを示しており、「−」は下アーム側のMOSFET(図3ではMOSFET33または35)がオン駆動されていることを示している。また、「0」は上下アームのMOSFETがともにオフ駆動されていることを示している。このステップ1から4までの通電を順次繰り返すことにより、ロータ21は1.8°のステップ角で回転する。
【0017】
図5(a)は、本実施形態のステッピングモータ11に係るもので、主系統巻線17、18を用いて100ppsで駆動している時に冗長系統巻線19または20の両端に誘起される電圧の実測波形を示している。これに対し、図5(b)は、同一の駆動条件の下における従来構成のステッピングモータ1に係る電圧波形である。
【0018】
図5(a)において冗長系統巻線19に23.1Vp−p の電圧が現れているが、この電圧は、ロータ21に設けられた永久磁石27の磁束が冗長系統巻線19に鎖交することにより生じる誘起電圧つまり速度起電力である。しかし、主系統巻線17、18と冗長系統巻線19、20は相異なるティース16に巻装されているので、冗長系統巻線19、20には主系統巻線17、18への通電による誘起電圧は現れず、冗長系統巻線19、20の誘起電圧を低く抑えることができる。これに対し、従来構成の冗長系統巻線4、5(図8参照)には、速度起電力と主系統巻線2、3への通電による誘起電圧とが重畳して現れるので、図5(b)に示すように冗長系統巻線4、5の電圧は82.5Vp−p にまで上昇する。
【0019】
このように、本実施形態のステッピングモータ11は、主系統巻線17、18と冗長系統巻線19、20がステータ14の相異なるティース16に巻回されているので、主系統巻線17、18に流れる電流により生じる磁束が冗長系統巻線19、20に鎖交しにくくなる。これにより、主系統巻線17、18への通電により冗長系統巻線19、20に生じる誘起電圧または冗長系統巻線19、20への通電により主系統巻線17、18に生じる誘起電圧を大幅に低減することができる。
【0020】
その結果、巻線の絶縁耐力の経時劣化や電磁的ストレスによる劣化を抑制でき、巻線ひいてはステッピングモータ11自体の信頼性を高められる。また、駆動回路を構成するMOSFET32〜35に従来よりも低耐圧のものを使用することができるので、コストを低減することができる。さらに、主系統に係るロータ・ステータと冗長系統に係るロータ・ステータとを独立に設ける必要もなくなり、小型化を図ることができる。そして、ステータ14とロータ21をPBパーマロイまたはパーメンジュールの何れかの磁性材料により構成しているので、飽和磁束密度を高められ、より高トルクを得られる。
【0021】
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について、ステッピングモータの横断面図を示す図6を参照しながら説明する。なお、ロータは、第1の実施形態と同様の構成となっている。
【0022】
図6おいて、二相ハイブリッド型ステッピングモータ36のステータ37には、16個のティース38(38−1〜38−16)が設けられており、以下に示すようにA相の主系統巻線39、B相の主系統巻線40、A相の冗長系統巻線41およびB相の冗長系統巻線42が互いに異なるティ―ス38に分離して巻回されている。各ティ―ス38の内周面側には3個の小歯磁極38aが形成されている。
【0023】
A相の主系統巻線39:
ティース38−15、38−3、38−7、38−11
B相の主系統巻線40:
ティース38−1、38−5、38−9、38−13
A相の冗長系統巻線41:
ティース38−8、38−12、38−16、38−4
B相の冗長系統巻線42:
ティース38−10、38−14、38−2、38−6
【0024】
すなわち、本実施形態のステッピングモータ36は、ステータ37の周全体に亘って、ティース38−1〜38−16にA相の主系統巻線39、A相の冗長系統巻線41、B相の主系統巻線40およびB相の冗長系統巻線42が順に巻回された構成に特徴を有している。この点、ステータ14の半周に主系統巻線17、18のみが巻回され、他の半周に冗長系統巻線19、20のみが巻回された上記ステッピングモータ11とは異なる構成となっている。
【0025】
本実施形態のステッピングモータ36も、主系統巻線39、40と冗長系統巻線41、42がステータ37の相異なるティース38に巻回されているので、第1の実施形態と同様の作用、効果を得られる。また、主系統巻線39、40が巻回されたティース38と冗長系統巻線41、42が巻回されたティース38が、ステータ37の周全体に亘って交互配置となっているので、周全体に亘って磁気的にバランスし、径方向について偏った電磁力が作用せず、振動が小さくなる。また、通電による巻線の発熱が周全体に亘って均等に分散されるので、ステッピングモータ36全体としての温度上昇が低減するとともに熱応力の発生が抑えられる。
【0026】
(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態を示す二相ハイブリッド型ステッピングモータの横断面図である。この図7に示すステッピングモータ43は、第1の実施形態で説明したステッピングモータ11(図2参照)に対し、軸方向に2組のステータ14a、14bを設けるとともに、それに対応させて2組のロータ21a、21bを設けた点が異なっている。ステータ14a、14bおよびロータ21a、21bの構成は、それぞれステータ14およびロータ21と同様であって、ステータ14aと14bとの間にはスペーサ44が介挿されている。
【0027】
このステッピングモータ43は、巻線構成まで含めて第1の実施形態と同一構成のステータとロータとの組み合わせを2組すなわち(ステータ14a、ロータ21a)と(ステータ14b、ロータ21b)とを備えたもので、従来用いられていた主系統巻線17、18と冗長系統巻線19、20とを2段に分離して巻き分けたものとは異なる。このステッピングモータ43によれば、より高トルクを得ることができる。
【0028】
(その他の実施形態)
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
本発明を適用可能なステッピングモータはハイブリッド型に限られない。また二相に限られず、三相など多相構成であっても良い。ティース16、38の数、小歯磁極16a、38aの数、ロータ21の小歯磁極25a、26aの数なども適宜変更可能である。
【0029】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のハイブリッド型ステッピングモータは、主系統巻線と冗長系統巻線がステータの相異なるティースに分離して巻回されているので、主系統巻線に通電した時に冗長系統巻線に誘起される電圧または冗長系統巻線に通電した時に主系統巻線に誘起される電圧が小さくなる。これにより、モータの信頼性を高められ、駆動回路に高耐圧の部品を使用する必要もなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示すステッピングモータの横断面図
【図2】ステッピングモータの縦断面図
【図3】駆動回路の出力段の電気的構成を示す図
【図4】主系統についての1相励磁方式による通電シーケンスを示す図
【図5】主系統巻線を用いて駆動した時の冗長系統巻線の誘起電圧波形図
【図6】本発明の第2の実施形態を示す図1相当図
【図7】本発明の第3の実施形態を示す図1相当図
【図8】従来技術を示す図1相当図
【符号の説明】
11、36、43はステッピングモータ(ハイブリッド型ステッピングモータ)、14、14a、14b、37はステータ、16−1〜16−8、38−1〜38−16はティース、17、18、39、40は主系統巻線、19、20、41、42は冗長系統巻線、21、21a、21bはロータである。

Claims (6)

  1. ステータに主系統巻線と冗長系統巻線とが巻回されたステッピングモータにおいて、
    前記主系統巻線と前記冗長系統巻線が、前記ステータの相異なるティースに分離して巻回されていることを特徴とするステッピングモータ。
  2. 前記主系統巻線が巻回されたティースと前記冗長系統巻線が巻回されたティースが、前記ステータの周全体に亘って交互配置となっていることを特徴とする請求項1記載のステッピングモータ。
  3. 前記ステータとロータが、PBパーマロイまたはパーメンジュールの何れかの磁性材料により構成されていることを特徴とする請求項1または2記載のステッピングモータ。
  4. ハイブリッド型であることを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載のステッピングモータ。
  5. ステータに主系統巻線と冗長系統巻線を巻回するステッピングモータの巻線方法において、
    前記主系統巻線と前記冗長系統巻線を前記ステータの相異なるティースに分離して巻回することを特徴とするステッピングモータの巻線方法。
  6. 前記主系統巻線と前記冗長系統巻線を、前記ステータの周全体に亘ってティースに交互に巻回することを特徴とする請求項5記載のステッピングモータの巻線方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015515843A (ja) * 2012-02-27 2015-05-28 リット モーターズ コーポレイション 車両モータ組立体
CN105656273A (zh) * 2014-11-14 2016-06-08 中国航空工业第六八研究所 一种双余度分数槽隔槽嵌放无刷直流电机及嵌线方法

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