JP3029792B2

JP3029792B2 - 多相永久磁石型回転電機

Info

Publication number: JP3029792B2
Application number: JP7352346A
Authority: JP
Inventors: 正文坂本
Original assignee: 日本サーボ株式会社
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 2000-04-04
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: JPH09191629A; US5874795A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転電機の構造とそ
の駆動方法に係り、特に、複写機のスキャナ・モータ等
に最適な、低振動、低回転むらが要求される低価格の回
転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の多相永久磁石型回転電機の１形式
であるインナーロータ形３相６スロット式永久磁石形ス
テッピングモータ（以下３相回転電機と略称する）は、
例えば図１５に示すような構造をなしている。図１５は
インナーロータ形３相回転電機の概要構造を示す断面の
概念図であって、１０は固定子、２０は回転子である。
なお、回転軸やケーシング等の図示は省略している。回
転子２０は図示しない回転軸と軸受によって回転自在に
支承されている。図に示すＮは固定子に面した側をＮ極
に着磁した永久磁石、Ｓは固定子に面した側をＳ極に着
磁した永久磁石であって、２対の磁極を形成している。
固定子１０に形成した１０ａ１、１０ａ２、１０ａ３、
１０ａ４、１０ａ５、１０ａ６は夫々回転子２０の表面
との間に所定の間隙を設けて形成された主極であって、
各主極１０ａ１、１０ａ２、１０ａ３、１０ａ４、１０
ａ５、１０ａ６には夫々同一方向に励磁用コイル１０ｂ
１、１０ｂ２、１０ｂ３、１０ｂ４、１０ｂ５、１０ｂ
６が巻装している。

【０００３】上述したコイル１０ｂ１、１０ｂ２、１０
ｂ３、１０ｂ４、１０ｂ５、１０ｂ６の結線例を図１６
に示している。図１６に示す１０ｂ１乃至１０ｂ６はい
ずれも図１５に示したコイルの符号に対応している。即
ち、例えば、第１のコイル１０ｂ１の巻始めの引き出し
線をこの回転電機のＵ端子とすると、第１のコイル１０
ｂ１の巻終わりは第４のコイル１０ｂ４の巻始めに接続
している。又、第２のコイル１０ｂ２の巻始めの引き出
し線をこの回転電機のＶ端子としてこの第２のコイル１
０ｂ２の巻終わりは第５のコイル１０ｂ５の巻始めに接
続し、第３のコイル１０ｂ３の巻始めの引き出し線をこ
の回転電機のＷ端子としてこの第３のコイル１０ｂ３の
巻終わりは第６のコイル１０ｂ６の巻始めに接続してい
る。残りの各コイルの巻終わり１０ｂ４、１０ｂ５、１
０ｂ６は一点で接続している。即ち、この回転電機の励
磁用コイルはスター結線を形成している。

【０００４】図１７に、図１５、図１６によって示した
構成の回転電機の励磁方法を示している。図１７におい
て縦方向に記した１乃至６の数値は上から励磁ステップ
の順序を示していてステップ６からステップ１に戻る。
横方向に記したＵ、Ｖ、Ｗは、図１６に示した端子を示
している。又、記号の（＋）は上記の端子に流す電流の
所定方向を、又（−）はその逆方向、即ち、電流が流れ
出す側であることを夫々示している。即ち、ステップ１
では端子Ｕから端子Ｖに向けて所定値の電流を流すこと
を示している。従って、ステップ１では、例えば、第１
の主極１０ａ１と第４の主極１０ａ４がＮ極になって、
第２の主極１０ａ２と第５の主極１０ａ５がＳ極にな
る。同様に、ステップ２では、端子Ｗから端子Ｖに向け
て同一電流値の電流を切り替えて流すことを示してい
て、第３の主極１０ａ３と第６の主極１０ａ６がＮ極に
なって、第２の主極１０ａ２と第５の主極１０ａ５がＳ
極になる。以下図１７に示すように励磁電流の印加端子
を変化させることによって、この回転電機は主極の対数
が２なので、ピッチ角１８０度の１／６である、３０度
のステップ角で印加ステップの歩進速度に従った回転速
度で回転する。

【０００５】図１７によって示した定電流矩形波駆動手
段においてこの回転電機に発生するトルクは図１８に示
されるように発生するので、下記（３）式のようにな
り、入力電力は（４）式のようになる。図１８及び次の
（３）、（４）式において、Ｔ₁は全電流が流れる主極
に発生する１相分のトルク、Ｔ₂は本２相励磁の場合の
全トルク、Ｐ_I2は入力電力、Ｒはコイルの抵抗成分、Ｉ
は励磁電流値を夫々示している。Ｔ₂＝２Ｔ₁ｃｏｓ３０°＝√３Ｔ₁・・・・・・・（３）Ｐ_I2＝２Ｉ²Ｒ・・・・・・・・・・・・・・・・（４）となる。従って、効率Ｔ₂／Ｐ_I2をＫ₂とすると下記
（５）式となる。Ｋ₂＝（√３／２）・（Ｔ₁／Ｉ²Ｒ）・・・・・・（５）但し、Ｋ₂は本２相励磁の場合の効率を示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した回転電機は、
図１５、図１６に示したように、入力端子は３でもコイ
ル数は６個で、不平衡電磁力は発生しないものの、全主
極にコイルを巻装することから価格的には不利を免れな
かった。又、図１９（Ａ）に示す例は、コイルの数が３
個の構成であるが、この構成は３個の主極に３個のコイ
ルを巻装するもので、次に図１９（Ｂ）を用いて後述す
るように、不平衡電磁力を生じて振動を発生する問題を
内包していた。即ち、図１９（Ａ）に示すように３個の
コイル１００ｂ１、１００ｂ２、１００ｂ３を夫々の主
極１００ａ１、１００ａ３、１００ａ５に巻装して各端
子をＵ、Ｖ、Ｗとすると、今、端子Ｕから端子Ｖと端子
Ｗに向けて電流を流すと、各コイル１００ｂ１、１００
ｂ２、１００ｂ３には矢印で示すように電流が流れ、主
極１００ａ１はＮ極に、主極１００ａ３と主極１００ａ
５はＳ極になる。従って図１９（Ｂ）において、Ｆａ１
を主極１００ａ１により回転子に働くラジアル力、Ｆａ
３を主極１００ａ３により回転子に働くラジアル力、Ｆ
ａ５を主極１００ａ５により回転子に働くラジアル力と
すると、主極１００ａ３により回転子に働くラジアル力
Ｆａ３と主極１００ａ５により回転子に働くラジアル力
Ｆａ５の合成力はＦＴとなるが、明らかにＦＴはＦａ１
よりも小さい。従って、回転子はこの差の力によって主
極１００ａ１方向にラジアル力を受ける。このラジアル
力は励磁ステップに従って回転し、回転子は振動するこ
とになる。又、（５）式に示した効率よりも優れた励磁
手段が望まれていた。本発明は従来のものの上記課題
（問題点）を解決し、従来品相当の必要特性を得ながら
振動を発生することなくコイル数を半減した多相永久磁
石型回転電機と効率の良い励磁手段を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の多相永久磁石型
回転電機は、上記課題を解決するために、請求項１記載
のものでは、夫々の外周縁に所定数の極歯を等ピッチで
形成した２個の磁性体を、夫々の極歯を相互に１／２ピ
ッチ偏移して、軸方向に磁化された円環状永久磁石を挟
持するように固定配置したハイブリッド形回転子と、該
回転子と空隙を介して対向し、６Ｎ個の主極を分布形に
形成した固定子とを備えた多相永久磁石型回転電機にお
いて、６Ｎ個の固定子主極のうちの１個飛び計３Ｎ個の
主極夫々にコイルを巻装すると共に、これらのコイルに
供給する所定のステップと方向の励磁電流によって、上
記コイルを巻装しない１個飛び計３Ｎ個の主極に、これ
らの主極が、隣接する励磁電流を印加したコイルを巻装
した主極と相当の電磁作用を受け、コイルを巻装しない
主極の両側に形成されたコイルを流れる励磁電流が同方
向の場合には、これら２つのコイルの励磁電流による電
磁作用が相殺し合って当該主極には磁極を誘起せず、コ
イルを巻装しない主極の両側に形成されるコイルを流れ
る励磁電流が相互に異方向の場合には、これら２つのコ
イルの励磁電流による電磁作用が加算し合って当該主極
に磁極を誘起することにより不平衡電磁力を抑制するよ
うに構成した。但し、Ｎは１以上の整数である（以下同
じ）。また、請求項２に記載のものでは、互いに対向配
置され、軸方向に磁化された円筒状永久磁石により磁化
される櫛歯状磁性体を異極交互に配列し、又は円周面に
多極着磁された円筒状永久磁石よりなる永久磁石形回転
子と、該回転子と空隙を介して対向し、６Ｎ個の主極を
分布形に形成した固定子とを備えた多相永久磁石型回転
電機において、６Ｎ個の固定子主極のうちの１個飛び計
３Ｎ個の主極夫々にコイルを巻装すると共に、これらの
コイルに供給する所定のステップと方向の励磁電流によ
って、上記コイルを巻装しない１個飛び計３Ｎ個の主極
に、これらの主極が、隣接する励磁電流を印加したコイ
ルを巻装した主極と相当の電磁作用を受け、コイルを巻
装しない主極の両側に形成されたコイルを流れる励磁電
流が同方向の場合には、これら２つのコイルの励磁電流
による電磁作用が相殺し合って当該主極には磁極を誘起
せず、コイルを巻装しない主極の両側に形成されるコイ
ルを流れる励磁電流が相互に異方向の場合には、これら
２つのコイルの励磁電流による電磁作用が加算し合って
当該主極に磁極を誘起することにより不平衡電磁力を抑
制するように構成した。また、請求項３に記載のもので
は、請求項１又は２に記載の多相永久磁石型回転電機に
おいて、固定子主極数が１０Ｎ個で、１０Ｎ個の固定子
主極のうちの１個飛び計５Ｎ個の主極夫々にコイルを巻
装して構成した。また、請求項４に記載のものでは、請
求項１又は３のいずれかに記載の多相永久磁石型回転電
機において、固定子主極の回転子に対向する先端周面に
所定数で等ピッチの極歯を形成するように構成した。さ
らに、請求項５に記載のものでは、請求項１乃至４のい
ずれかに記載の多相永久磁石型回転電機において、３Ｎ
個又は５Ｎ個の主極に巻装した各コイル夫々の巻方向の
同一端を短絡してスター結線とし、夫々の他端より成る
３端子又は５端子のうちの所定の１端子を所定極性の電
源に接続すると共に、他の２端子又は４端子を反対極性
の同一電源に接続するようにし、該３端子又は５端子の
うち１端子の極性を順次反転させる矩形波フルステップ
駆動により１ステップずつ歩進するように構成した。

【０００８】

【発明の実施の形態】第１の実施の形態：本発明を適用した多相永久磁石型回転電機の１形式であ
るインナーロータ形３相永久磁石式ステッピングモータ
（以下３相回転電機と称す）について詳細に説明する。
図１は、本発明を適用する３相回転電機の概要構造を示
す縦断正面図であって、１は固定子、２は回転子であっ
て、回転軸やケーシング等の図示は省略している。固定
子１において、１Ａは磁性体によって形成されたヨーク
であって、６個の固定子主極（以下単に主極という）１
ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４、１ａ５、１ａ６が等ピ
ッチで、図示しない回転軸と軸受によって回転自在に支
承されている回転子２の表面との間に所定間隙を設けて
形成されている。回転子２において、図に示した２ａ
１、２ａ２、２ａ３、２ａ４はいずれも永久磁石を形成
した磁極であって、例えば、１個おきの磁極２ａ１、２
ａ３は固定子の磁極に面してＳ極を形成するようにし、
他の磁極２ａ２、２ａ４はＮ極に形成している。

【０００９】前述した６個の主極１ａ１、１ａ２、１ａ
３、１ａ４、１ａ５、１ａ６のうちの１個おきの３個の
固定子主極、例えば、主極１ａ１、１ａ３、１ａ５にコ
イルを巻装している。但し各コイルは丸によって象徴的
に示し、コイルを設けていない３個の主極１ａ２、１ａ
４、１ａ６も隣接する主極に巻かれたコイルに励磁電流
を供給することによって、効率良く磁界が形成されるよ
うに、各固定子の構造寸法及びコイルの構造寸法を形成
している。図２には図１の断面を示している。同図
（Ａ）は図１のＸ₁−Ｘ₁′断面図、同図（Ｂ）は図１の
Ｘ₂−Ｘ₂′断面図である。即ち、同図（Ａ）に示す主極
１ａ１部にはコイル１ｂ１の断面が示されるが、主極１
ａ４部の断面にはコイルの断面は示されず、又同図
（Ｂ）に示す主極１ａ６にはコイルの断面は示されない
で、主極１ａ３の断面部にはコイル１ｂ２の断面が示さ
れる。

【００１０】上述の構成における各コイルの接続例を図
３に示す。図３は、固定子を展開して示していて、スタ
ー接続したコイル結線例を示している。図３において、
符号１ｂ１、１ｂ２、１ｂ３は夫々図１に示すコイルの
符号に対応している。即ち、例えば、第１のコイル１ｂ
１の巻始めの引き出し線をこの回転電機のＵ端子、第２
のコイル１ｂ２の巻始めの引き出し線をこの回転電機の
Ｖ端子、第３のコイル１ｂ３の巻始めの引き出し線をこ
の回転電機のＷ端子として各コイルの巻終わりを一点で
接続している。

【００１１】上述した磁極とコイルとの働きを図４、図
５によって説明する。図４は前述した図３に、図５は図
１に対応している。今、図４、図５に示すようにコイル
に電流を流すと各主極には図にＮ又はＳで示すような磁
極を形成する。即ち、端子Ｕから、端子Ｖ及び端子Ｗに
向けて電流を流すと、各コイルには矢印の方向に電流が
流れる。図５において丸印で示すｐ₁とｎ₁は第１の主極
１ａ１に巻装したコイル１ｂ１の一部、ｐ₂とｎ₂は第３
の主極１ａ３に巻装したコイル１ｂ２の一部、ｐ₃とｎ₃
は第３の主極１ａ５に巻装したコイル１ｂ３の一部を夫
々示し、コイルを示す丸印の中央に点を付した符号
ｐ₁、ｐ₂、ｐ₃は紙面の裏から表へ、各コイルを示す丸
印の中央に×印を付した符号ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃は紙面の表
から裏へ、夫々電流を流すことを示している。従って、
第１の主極１ａ１にはＮ極が、主極１ａ３にはＳ極が、
主極１ａ５にも同様にＳ極が現れる。第２の主極１ａ２
はコイルを設けていないが、隣接する主極に設けたコイ
ルによる電流がｎ₁、ｎ₂のように同一方向に流れている
ので磁極は発生しない。第４の主極１ａ４はコイルを設
けていないが、隣接する主極に設けたコイルによる電流
がｐ₂、ｎ₃のように反対方向に流れているので第１の主
極１ａ１よりも弱いが同様にＮ極を発生する。第６の主
極１ａ６はコイルを設けていないが、隣接する主極に設
けたコイルによる電流がｐ₃、ｐ₁のように同一方向に流
れているので磁極は発生しない。

【００１２】上述したように電流を流すと、各主極に生
じた磁性により回転子に影響するラジアル力は図６に示
すようになる。図６に示す符号において、Ｆａ１は第１
の主極１ａ１に現れるラジアル力、Ｆａ３は第３の主極
１ａ３に現れるラジアル力、Ｆａ４は第４の主極１ａ４
に現れるラジアル力、Ｆａ５は第５の主極１ａ５に現れ
るラジアル力を夫々示している。即ち、第２のコイル１
ｂ２と第３のコイル１ｂ３を流れる電流は第１のコイル
１ｂ１を流れる電流の半分である。従って、回転子の永
久磁石の磁力が回転子磁極内で均一であるとすると、第
１の主極１ａ１に生じた磁性による磁力に対して、第３
の主極１ａ３と第５の主極１ａ５に生じる磁力（ラジア
ル力）Ｆａ３、Ｆａ５の大きさと方向は主極の配置条件
に従って図のように示される。又、前述したように第４
の主極１ａ４にも図に示す大きさと方向の磁力（ラジア
ル力）Ｆａ４を生じる。従って、第３の主極１ａ３に生
じるラジアル力Ｆａ３、第５の主極１ａ５に生じるラジ
アル力Ｆａ５の大きさと方向は主極の配置条件に従って
図のように示される。

【００１３】又、上述のように、端子Ｕから、端子Ｖ及
び端子Ｗに向けて電流を流すと、前述したように、コイ
ルを設けていない３個の主極１ａ２、１ａ４、１ａ６も
隣接する主極に巻かれたコイルに励磁電流を供給するこ
とによって、効率良く磁界が形成されるように、各固定
子の構造寸法及びコイルの構造寸法を形成しているの
で、第４の主極１ａ４にも図６に示す大きさと方向の磁
力（ラジアル力）Ｆａ４を生じる。従って、図６に示す
ように、３個の主極１ａ３と１ａ５及び１ａ４に生じる
磁気力の合成力ＦｎＴを第一の主極１ａ１に現れるラジ
アル力と大きさを等しく、方向が１８０度の方向に向く
ように形成すると、合成力ＦｎＴと主極１ａ１に現れる
ラジアル力が打ち消し合うので、固定子と回転子との間
にはラジアル力が発生しない。従って、本励磁条件相当
の励磁を継続すると、例えば、後述する図７を参照して
励磁を行うことによって固定子上で磁界が回転しても、
回転子は振動しない。上述の状態は、各コイルの形状と
コイルを形成しない主極の構造寸法を適切に設計するこ
とによって得ることができる。

【００１４】図７に上述した結線における励磁例を示し
ている。図７において縦方向に記した１乃至６の数値は
上から励磁ステップの順序を示していてステップ６から
ステップ１に戻る。横方向に記したＵ、Ｖ、Ｗは、図
３、図４に示した端子を示している。又、記号の（＋）
は上記の端子に流す電流の所定方向を示していて、
（−）はその逆方向に電流を流すことを示している。即
ち、ステップ１では端子Ｕから端子Ｖ及び端子Ｗに向け
て電流を流すことを示している。従って、ステップ１で
は、図５に示したように、第１の主極１ａ１と第４の主
極１ａ４がＮ極になって、第３の主極１ａ３と第５の主
極１ａ５がＳ極になる。従って、例えば、回転子の１個
おきの磁極２ａ１、２ａ３がＳ極で、他の磁極２ａ２、
２ａ４がＮ極であると、固定子１と回転子２との関係位
置が図４に示した状態になる。ステップ２では、２個の
端子ＵとＷの電源接続を固定して他の端子Ｖの接続を変
換することにより、端子Ｕ及びＶから端子Ｗに向けて電
流を流すことを示している。従って、第１の主極１ａ１
と第３の主極１ａ３がＮ極になって、第２の主極１ａ２
と第５の主極１ａ５がＳ極になる。従って、回転子２は
図４において左向きに回転する。以下図７に示すように
励磁電流の印加端子と電流方向を変化させることによっ
て、この回転電機は、３相３コイル式のステッピングモ
ータとして印加ステップの歩進速度に従った回転速度で
回転する。

【００１５】上述の機能をより詳細に図８によって説明
する。図８の縦方向に記す１乃至６の数字は図７に記し
たステップに対応している。又、各ステップにおいて、
横方向には固定子と回転子との位置関係を展開して示し
ている。即ち、各ステップにおいて、上段には、図７に
示した励磁電流によって固定子の各主極１ａ１、１ａ
２、１ａ３、１ａ４、１ａ５、１ａ６に現れる磁極の極
性を示し、下段にはこの主極の極性と回転子の各磁極の
極性によって働く磁極の結果、回転された回転子の磁極
の位置を示している。従って、ステップ１には上述した
状態を展開した固定子の主極と回転子磁極の位置関係を
示している。ステップ２では、図７においては、端子Ｕ
及び端子Ｖから端子Ｗに向けて電流を流すことを示して
いる。従って、図８に示すように、又前述したように、
第１の主極１ａ１と第３の主極１ａ３がＮ極になって、
第２の主極１ａ２と第５の主極１ａ５がＳ極になる。従
って、回転子２は左向きに回転して、図８の２に示す位
置になる。以下図７に示すように励磁電流の印加端子と
電流方向を変化させることによって、図８に示すように
固定子の主極と回転子の磁極の位置関係が変化し、ステ
ップの６までゆくと１まで戻って１回転したことにな
る。以降ステップ１から励磁を繰り返すことによって、
この３相回転電機は、極対数のピッチ角度である１８０
度の１／６ずつのステップ角である３０度で印加ステッ
プの歩進速度に従った回転速度で回転する。

【００１６】第２の実施の形態：図７、図８に示した励磁ステップを、図１６に示したよ
うに６Ｎ個の主極夫々にコイルを巻装した６Ｎ個のコイ
ルによって励磁し、駆動する３相のステッピングモータ
に適用する例を説明する。即ち、図１６に示した構造と
コイル結線に対して図７に示したようなステップで３相
定電流矩形波駆動すると、固定子の主極と回転子の磁極
との間に発生する全トルクは図９のようになるので下記
（６）式のようになり、入力は（７）式のようになる。
図９、（６）式において、Ｔ１は全電流が流れる主極に
発生する１相分のトルク、Ｔ１／２は半分の電流が流れ
る主極に発生するトルクである。又、下記各式に示すＴ
３は本３相励磁の場合の全トルク、ＰＩは入力電力、Ｒ
はコイルの抵抗成分、Ｉは励磁電流値、Ｋ３は本３相励
磁の場合の効率を示している。Ｔ３＝２Ｔ１ｃｏｓ６０＋Ｔ１＝１．５Ｔ１・・・・（６）ＰＩ＝２（Ｉ／２）^２Ｒ＋Ｉ^２Ｒ＝１．５Ｉ^２Ｒ・・（７）となる。従って、効率Ｔ３／ＰＩは下記（８）式とな
る。Ｋ３＝Ｔ３／ＰＩ＝１．５Ｔ１／１．５Ｉ^２Ｒ＝Ｔ１／Ｉ^２Ｒ・・・・・・・・・・・・・・（８）従来の技術で説明した２相励磁の場合は（５）式によっ
てＫ２＝（√３／２）・（Ｔ１／Ｉ^２Ｒ）であったから、
従来の２相励磁は本実施の形態に基づく３相励磁の８
６．６％になる。

【００１７】第３の実施の形態：前述した第１の実施の形態の説明では、固定子を外方
に、回転子を内方に構成したインナーロータ形について
説明したが、固定子をその主極を外方に配置して内方に
固定し、回転子を固定子の外方に設けて回転するように
したアウターロータ形であっても、第１の実施の形態で
説明した機能構成を参照して構成することによって、イ
ンナーロータ形と同様に作動することができる。

【００１８】第４の実施の形態：第１の実施の形態で説明した３相回転電機の主極夫々に
３個の極歯を等ピッチで形成した例を図１０を参照して
説明する。図１０は図１に対応する３相回転電機の断面
図でケーシング等の詳細図示は省略している。図１０に
おいて、３０は固定子、４０は回転子である。固定子３
０において、３０Ａは磁性体によって形成されたヨーク
であって、６個の固定子主極（以下単に主極という）３
０ａ１、３０ａ２、３０ａ３、３０ａ４、３０ａ５、３
０ａ６が等ピッチで、回転子４０の表面との間に所定間
隙を設けて形成されている。各主極３０ａ１、３０ａ
２、３０ａ３、３０ａ４、３０ａ５、３０ａ６の回転子
４０に面する側には夫々３個の極歯ａ１、ａ２、ａ３を
等ピッチで形成させている。

【００１９】回転子４０は図示しない軸受によって支承
された回転軸４０ｂによって回転自在に形成され、外周
部４０ａには、固定子の主極面に向けて等ピッチでＳ極
とＮ極の永久磁石を交互に形成させている。外周部４０
ａでＳと記したのは、固定子３０の主極面に向けてＳ極
に着磁された永久磁石、Ｎと記したのは、固定子３０の
主極面に向けてＮ極に着磁された永久磁石であって、永
久磁石のピッチは、固定子の各主極に形成した極歯のピ
ッチに対応して設定されている。又、第１の実施の形態
と同様、６個の主極３０ａ１、３０ａ２、３０ａ３、３
０ａ４、３０ａ５、３０ａ６のうちの１個おきにコイル
を巻装している。即ち、第１の主極３０ａ１には第１の
コイル３０ｂ１が、第３の主極３０ａ３には第２のコイ
ル３０ｂ２が、第５の主極３０ａ５には第３のコイル３
０ｂ３が、夫々巻装され、コイルを巻装した各主極３０
ａ１、３０ａ３、３０ａ５に夫々隣接する３個の主極３
０ａ２、３０ａ４、３０ａ６も、第１の実施の形態で説
明した回転電機同様、夫々のコイル３０ｂ１、３０ｂ
２、３０ｂ３に励磁電流を流すと、励磁電流の条件に対
応して適切に磁力を発生するように構成されている。従
って、本実施の形態は第１の実施の形態と同様に機能す
る。

【００２０】第５の実施の形態：上述したインナーロータ形及びアウターロータ形はいず
れも回転軸に平行に固定子の主極と回転子の磁極が構成
されるが、回転軸に直角に固定子の主極と回転子の磁極
を構成しても、第１の実施の形態同様に機能することが
できる。図１１は、本発明の第５の実施の形態であるア
キシャルギャップ形の回転電機で、これは回転軸に直角
に固定子の主極と回転子の磁極を構成し、即ち、固定子
と回転子との間隙が回転軸に直角方向に形成される。図
１１（Ａ）は固定子を回転軸方向即ち主極面から見た構
造を象徴的に示し、図１１（Ｂ）は回転子を回転軸方向
磁極面からみた構造を象徴的に示している。即ち、アキ
シャルギャップ形の回転電機は図１１（Ａ）に示す固定
子の面と図１１（Ｂ）に示す回転子の面とが対向し所定
の間隙を設けて形成される。図１１は本発明に基づく構
成状況を示すもので、ケーシング等の詳細図示は省略し
ている。

【００２１】固定子を示す図１１（Ａ）において、５０
ａ１、５０ａ２、５０ａ３、５０ａ４、５０ａ５、５０
ａ６はいずれも主極であって、それぞれの主極５０ａ
１、５０ａ２、５０ａ３、５０ａ４、５０ａ５、５０ａ
６の先端部は等間隔で極歯ａ１、ａ２を形成している。
固定子の主極部は、１枚の磁性鉄板をプレスによる押出
成形によって紙面表向きに突出させる等の手段で形成さ
せている。１個おきの３個の主極５０ａ１、５０ａ３、
５０ａ５の突出させた下部には夫々にコイル５０ｂ１、
５０ｂ２、５０ｂ３を巻装している。コイルを巻装した
主極５０ａ１、５０ａ３、５０ａ５に夫々隣接する３個
の主極５０ａ２、５０ａ４、５０ａ６も、第１の実施の
形態で説明した回転電機同様、夫々のコイル５０ｂ１、
５０ｂ２、５０ｂ３に励磁電流を流すと、励磁電流の条
件に対応して適切に磁力を発生するように構成されてい
る。

【００２２】図１１（Ｂ）において、６０は回転子の表
面であって、６０ａはディスク状の磁極部を示してい
て、Ｎは表面をＮ極に形成した永久磁石、Ｓは表面をＳ
極に形成した永久磁石である。Ｎ極とＳ極は等ピッチ
で、前述した固定子の極歯のピッチに対応して設定され
ている。６０ｂは回転軸の断面を示しており、図１１
（Ａ）に示した５０ｃは回転軸６０ｂを貫通させる孔部
である。

【００２３】本実施の形態では各主極に２個ずつの極歯
を設けた例について説明したが、回転子に構成する磁極
のピッチとも対応させ、その回転電機に必要とする機能
特性とも対応させて、極歯を設けなくても、２個以上の
極歯を設けても良く、極歯の数は適切に形成すれば良
い。第２の実施の形態で示したアウターロータ形の場合
にも極歯を設けても良いことは当然である。

【００２４】第６の実施の形態：図１２によって、固定子の主極の数が６ＮでＮが２、即
ち、主極数１２の場合の構成例を説明する。図１２は固
定子の主極部を展開し、各コイルをスター結線した状態
を示している。この回転電機の構造は、図１又は図１０
の構造図から固定子の主極の数、即ち配置構成と、固定
子の主極の数に対応して回転子の磁極の数を変更すれば
容易に類推できるので構造の図示は省略する。即ち、図
１２において、７０ａ１、７０ａ２、７０ａ３、７０ａ
４、７０ａ５、７０ａ６、７０ａ７、７０ａ８、７０ａ
９、７０ａ１０、７０ａ１１、７０ａ１２は夫々主極を
示していて、主極１個おきに、第１の主極７０ａ１には
第１のコイル７０ｂ１、第３の主極７０ａ３には第２の
コイル７０ｂ２、第５の主極７０ａ５には第３のコイル
７０ｂ３、第７の主極７０ａ７には第４のコイル７０ｂ
４、第９の主極７０ａ９には第５のコイル７０ｂ５、第
１１の主極７０ａ１１には第６のコイル７０ｂ６を夫々
巻装している。又、第１のコイル７０ｂ１と第４のコイ
ル７０ｂ４とを同一巻き方向に直列に接続し、第２のコ
イル７０ｂ２と第５のコイル７０ｂ５とを同一巻き方向
に直列に接続し、第３のコイル７０ｂ３と第６のコイル
７０ｂ６とを同一巻き方向に直列に接続して、第４のコ
イル７０ｂ４と第５のコイル７０ｂ５及び第６のコイル
７０ｂ６夫々の他のコイルと接続していない端子を同一
点に接続している。又、第１のコイル７０ｂ１の他のコ
イルと接続していない端子を引き出して端子Ｕとし、第
２のコイル７０ｂ２の他のコイルと接続していない端子
を引き出して端子Ｖとし、第３のコイル７０ｂ３の他の
コイルと接続していない端子を引き出して端子Ｗとして
いる。

【００２５】図１２には、端子Ｕから端子Ｖ及び端子Ｗ
に向けて電流を流した状態を例示している。同図には電
流を供給する端子Ｕには丸に（＋）マークを電流が流れ
出す端子Ｖと端子Ｗには丸に（−）マークを付してい
る。又、各コイルの電流が流れる方向に矢印を付し示し
ている。本実施の形態においても、コイルを巻装した主
極７０ａ１、７０ａ３、７０ａ５、７０ａ７、７０ａ
９、７０ａ１１に夫々隣接する６個の主極７０ａ２、７
０ａ４、７０ａ６、７０ａ８、７０ａ１０、７０ａ１２
も、第１の実施の形態で説明した回転電機と同様、夫々
のコイル７０ｂ１、７０ｂ２、７０ｂ３、７０ｂ４、７
０ｂ５、７０ｂ６に励磁電流を流すと、励磁電流の条件
に対応して適切に磁力を発生するように構成されてい
る。従って、図１２に示すように、コイルを巻装した主
極は勿論であるが両側に矢印で記したコイル電流の流れ
る方向が反対向きの主極にも磁力が発生し、両側に矢印
で記したコイル電流の流れる方向が同一向きの主極には
磁力が発生しない。従って、この主極とコイルの巻方向
の関係では、第１の主極７０ａ１にはＮ極が、第３の主
極７０ａ３にはＳ極が、第４の主極７０ａ４にはＮ極
が、第５の主極７０ａ５にはＳ極が、第７の主極７０ａ
７にはＮ極が、第９の主極７０ａ９にはＳ極が、第１０
の主極７０ａ１０にはＮ極が、第１１の主極７０ａ１１
にはＳ極が現れる。第１の実施の形態等によって示した
ように、各端子Ｕ、Ｖ、Ｗに印加する電流を適切に制御
することによって、上記の各主極に現れる磁性は回転
し、回転子に向く方向に働く上記の各ラジアル力が打ち
消しあうように構成されていることによって回転子は振
動することなく回転する。

【００２６】第７の実施の形態：図１３によって、固定子の主極の数が５ＮでＮが２、即
ち、主極数１０の場合の構成例を説明する。図１３は固
定子の主極部を展開し、各コイルを５端子のスター結線
にした状態を示している。この回転電機の構造は、図１
又は図１０の構造図から固定子の主極の数、即ち配置構
成と、固定子の主極の数に対応して回転子の磁極の数を
変更すれば容易に類推できるので構造の図示は省略す
る。即ち、図１３において、９０ａ１、９０ａ２、９０
ａ３、９０ａ４、９０ａ５、９０ａ６、９０ａ７、９０
ａ８、９０ａ９、９０ａ１０は夫々主極を示していて、
主極１個おきに、第１の主極９０ａ１には第１のコイル
９０ｂ１、第３の主極９０ａ３には第２のコイル９０ｂ
２、第５の主極９０ａ５には第３のコイル９０ｂ３、第
７の主極９０ａ７には第４のコイル９０ｂ４、第９の主
極９０ａ９には第５のコイル９０ｂ５を夫々巻装してい
る。又、第１のコイル９０ｂ１の巻方向の所定側を端子
Ｕとし、第２のコイル９０ｂ２の第１のコイルと同一の
巻方向側を端子Ｖとし、第３のコイル９０ｂ３の第１の
コイルと同一の巻方向側を端子Ｗとし、第４のコイル９
０ｂ４の第１のコイルと同一の巻方向側を端子Ｘとし、
第５のコイル９０ｂ５の第１のコイルと同一の巻方向側
を端子Ｙとし、各コイルの上記とは反対側を一点に接続
している。

【００２７】図１３には、端子Ｕ及び端子Ｖから端子Ｗ
及び端子Ｘに向けて電流を流した状態を例示している。
図には電流を供給する端子Ｕと端子Ｖに丸に（＋）マー
クを、電流が流れ出す端子Ｗと端子Ｘに丸に（−）マー
クを付している。又、各コイルの電流が流れる方向に矢
印を付している。本実施の形態においても、コイルを巻
装した主極９０ａ１、９０ａ３、９０ａ５、９０ａ７、
９０ｂ９に夫々隣接する５個の主極９０ａ２、９０ａ
４、９０ａ６、９０ａ８、９０ａ１０も、前述した各実
施の形態で説明した回転電機同様、夫々のコイル９０ｂ
１、９０ｂ２、９０ｂ３、９０ｂ４、９０ｂ５に励磁電
流を流すと、励磁電流の条件に対応して適切に磁力を発
生するように構成されている。従って、図１３に示すよ
うに、コイルを巻装した主極は勿論であるが両側に矢印
で記したコイル電流の流れる方向が反対向きの主極にも
磁力が発生し、両側に矢印で記したコイル電流の流れる
方向が同一向きの主極には磁力が発生しない。従って、
図に示した電流条件では、第１の主極９０ａ１にはＮ極
が、第２の主極９０ａ２にはＳ極が、第３の主極９０ａ
３にはＮ極が、第５の主極９０ａ５にはＳ極が、第６の
主極９０ａ６にはＮ極が、第７の主極９０ａ７にはＳ極
が夫々現れる。第１の実施の形態等によって示したよう
に、各端子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙに印加する電流を適切に
所定順序で切り替えることによって、上記の各主極に現
れる磁性は回転し、回転子に向く方向に働く上記の各ラ
ジアル力が打ち消し合うように構成されていることによ
って回転子は振動することなく回転する。

【００２８】第８の実施の形態：上述した各実施の形態に示した回転子はいずれも、円筒
状永久磁石形回転子としているが、図１４に示すような
クローポールと円筒状永久磁石との組合せ構造のもので
も良く、又詳細は省略するがハイブリッド形回転子とし
ても良い。なお、図１４に記載するτＲは、回転子に形
成した極歯のピッチをラジアンを単位とする角度で示し
たτに、回転子の半径Ｒを掛けることによって、周方向
の磁極一対間のピッチを距離で示したものである。

【００２９】上述した各実施の形態は本発明に基づく構
成と働きの例を説明したものであって、上述した本発明
の技術思想を応用して、上述以外の構造のステッピング
モータにも適用できることはいうまでもない。

【００３０】

【発明の効果】本発明の多相永久磁石型回転電機は、円
筒状永久磁石形回転子でも、クローポールと円筒状永久
磁石との組合わせによる永久磁石形回転子でも、ハイブ
リッド形回転子でも、上述の如き構成で又励磁するよう
にしたので、次に示すような優れた効果を有する。（１）３相回転電機では、請求項５に記載の励磁手段を
含む適切な励磁手段により、従来の３極構造での不平衡
電磁力の発生せずに６極構造での性能を実現する。（２）本発明は、奇数相回転電機に適用可能で、上述の
通り５相機でも適用できる。（３）スター結線で定電流矩形波駆動させた場合は、上
述３相構造での従来２相励磁だけでなく５相構造での従
来４相励磁よりも効率が改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の技術思想に基づき形成した第１の実施
の形態を説明する３相回転電機（インナーロータ形３相
永久磁石式回転電機）の概略構成を示す縦断正面図であ
る。

【図２】同図（Ａ）は図１のＸ₁−Ｘ₁′断面図、同図
（Ｂ）は図１のＸ₂−Ｘ₂′断面図である。

【図３】図１に示す３相回転電機のコイルの結線例を、
固定子主極の展開図で示したものである。

【図４】図３の構成コイルに所定の励磁電流を流した例
における磁化の様子を示す固定子主極の展開図である。

【図５】図４に示した励磁条件における磁化の様子を図
１に記した３相回転電機の概略構成を示す縦断正面図で
ある。

【図６】図４に示した励磁により主極と回転子との間に
発生するラジアル力を説明するベクトル図である。

【図７】本発明に基づく３相回転電機の３相励磁方法を
ステップ毎に示す図表である。

【図８】図７に示す図表の励磁方法により励磁したとき
に固定子の各主極に発生する磁性と回転子磁極との関係
を示す各励磁ステップに対応する固定子主極及び回転子
磁極の展開図である。

【図９】本発明に基づく３相回転電機の励磁によって、
夫々の固定子主極に巻線を施した固定子主極と回転子磁
極の間に発生するトルクを説明するベクトル図である。

【図１０】第４の実施の形態である３相回転電機の概略
構成を示す縦断正面図である。

【図１１】第５の実施の形態の構成を示すもので、同図
（Ａ）は固定子主極の正面図、同図（Ｂ）は回転子磁極
の正面図である。

【図１２】第６の実施の形態である３相回転電機の固定
子主極の展開図である。

【図１３】第７の実施の形態である５相回転電機の固定
子主極の展開図である。

【図１４】第８の実施の形態であるハイブリッド形回転
子の斜視図である。

【図１５】従来の３相回転電機（インナーロータ形３相
永久磁石式回転電機）の概略構成を示す縦断正面図であ
る。

【図１６】図１５に示す３相回転電機のコイルの結線状
況を示す固定子主極の展開図である。

【図１７】図１６に示す結線による励磁方法をステップ
毎に示す図表である。

【図１８】従来の３相回転電機に図１７に示す励磁方法
による励磁をしたときに発生するトルクを示すベクトル
図である。

【図１９】同図（Ａ）は従来の３相回転電機を３巻線励
磁したときの固定子主極の展開図、同図（Ｂ）は従来の
３相回転電機を３巻線励磁したときの問題点を説明する
主極と回転子との間に発生するラジアル力のベクトル図
である。

【符号の説明】

１：固定子１ａ１〜１ａ６、３０ａ１〜３０ａ６、５０ａ１〜５０
ａ６、７０ａ１〜７０ａ１２、９０ａ１〜９０ａ１０：
主極１ｂ１〜１ｂ３、３０ｂ１〜３０ｂ３、５０ｂ１〜５０
ｂ３、７０ｂ１〜７０ｂ６、９０ｂ１〜９０ｂ５：コイ
ル２、２０、４０、６０：回転子２ａ１〜２ａ４：回転子の磁極２１、２２：回転子の磁性体板２１ａ、２２ａ：回転子の極歯５０ａ：固定子主極の極歯Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ：コイル端子

フロントページの続き (56)参考文献実開平６−17378（ＪＰ，Ｕ) 特公平２−8543（ＪＰ，Ｂ２) 見城尚志、菅原晟：”ステッピングモータとマイコン制御”総合電子出版社, 1994．４．１山田博：”精密小形モータの基礎と応用”総合電子出版社，1975．７．１ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 37/00 - 37/24 H02K 3/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】夫々の外周縁に所定数の極歯を等ピッチ
で形成した２個の磁性体を、夫々の極歯を相互に１／２
ピッチ偏移して、軸方向に磁化された円環状永久磁石を
挟持するように固定配置したハイブリッド形回転子と、
該回転子と空隙を介して対向し、６Ｎ個の主極を分布形
に形成した固定子とを備えた多相永久磁石型回転電機に
おいて、６Ｎ個の固定子主極のうちの１個飛び計３Ｎ個の主極夫
々にコイルを巻装すると共に、これらのコイルに供給する所定のステップと方向の励磁
電流によって、上記コイルを巻装しない１個飛び計３Ｎ個の主極に、こ
れらの主極が、隣接する励磁電流を印加したコイルを巻
装した主極と相当の電磁作用を受け、コイルを巻装しな
い主極の両側に形成されたコイルを流れる励磁電流が同
方向の場合には、これら２つのコイルの励磁電流による
電磁作用が相殺し合って当該主極には磁極を誘起せず、
コイルを巻装しない主極の両側に形成されるコイルを流
れる励磁電流が相互に異方向の場合には、これら２つの
コイルの励磁電流による電磁作用が加算し合って当該主
極に磁極を誘起することにより不平衡電磁力を抑制する
ようにしたことを特徴とする３相永久磁石型回転電機。
但し、Ｎは１以上の整数である。
【請求項２】互いに対向配置され、軸方向に磁化され
た円筒状永久磁石により磁化される櫛歯状磁性体を異極
交互に配列し、又は円周面に多極着磁された円筒状永久
磁石よりなる永久磁石形回転子と、該回転子と空隙を介
して対向し、６Ｎ個の主極を分布形に形成した固定子と
を備えた多相永久磁石型回転電機において、６Ｎ個の固定子主極のうちの１個飛び計３Ｎ個の主極夫
々にコイルを巻装すると共に、これらのコイルに供給する所定のステップと方向の励磁
電流によって、上記コイルを巻装しない１個飛び計３Ｎ個の主極に、こ
れらの主極が、隣接する励磁電流を印加したコイルを巻
装した主極と相当の電磁作用を受け、コイルを巻装しな
い主極の両側に形成されたコイルを流れる励磁電流が同
方向の場合には、これら２つのコイルの励磁電流による
電磁作用が相殺し合って当該主極には磁極を誘起せず、
コイルを巻装しない主極の両側に形成されるコイルを流
れる励磁電流が相互に異方向の場合には、これら２つの
コイルの励磁電流による電磁作用が加算し合って当該主
極に磁極を誘起することにより不平衡電磁力を抑制する
ようにしたことを特徴とする３相永久磁石型回転電機。
但し、Ｎは１以上の整数である。
【請求項３】請求項１又は２に記載の多相永久磁石型
回転電機において、固定子主極数が１０Ｎ個で、１０Ｎ
個の固定子主極のうちの１個飛び計５Ｎ個の主極夫々に
コイルを巻装して構成したことを特徴とする５相永久磁
石型回転電機。
【請求項４】請求項１又は３のいずれかに記載の多相
永久磁石型回転電機において、固定子主極の回転子に対向する先端周面に所定数で等ピ
ッチの極歯を形成したことを特徴とする３相又は５相の
永久磁石型回転電機。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の多相
永久磁石型回転電機において、３Ｎ個又は５Ｎ個の主極に巻装した各コイル夫々の巻方
向の同一端を短絡してスター結線とし、夫々の他端より
成る３端子又は５端子のうちの所定の１端子を所定極性
の電源に接続すると共に、他の２端子又は４端子を反対
極性の同一電源に接続するようにし、該３端子又は５端
子のうち１端子の極性を順次反転させる矩形波フルステ
ップ駆動により１ステップずつ歩進するようにした３相
又は５相の永久磁石型回転電機。