JP3561248B2 - 偏平多相永久磁石形ステッピングモータとその励磁回路 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、偏平多相永久磁石形ステッピングモータ及びその励磁回路に係り、特にプリンタ、FAX、PPC用複写機等の高速運転で精密な位置決め機能等を必要とするOA機器に好適な、高精度、高分解能の偏平多相永久磁石形ステッピングモータ及びその励磁回路の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の扁平多相永久磁石形ステッピングモータ(以下モータと略称する)の縦断側面図を図21に示す。同図において、101は固定子、102は放射状に形成された空芯コイル、3は永久磁石4を装着した磁性体円板である。磁性体円板3は回転軸8に固定され、固定子101はブラケット1Bを介して軸受7により支承される。図22は図21のX−X線方向から見た空芯コイル102の配置状況を示した要部正面図である。
永久磁石4は、このコイル102の配置ピッチに対応して装着されている。
【0003】
図23はコイル数が24で6相の場合のコイル結線図、図24は図23に示すコイルに対する励磁回路である。
図23において、Φ1乃至Φ24は各コイルを示し、A乃至Fは上記コイルを各相ごとに直列した一方の端子、A′乃至F′は、各直列接続されたコイル群の前記とは他方の端子を示している。
図24において、T1乃至T24は各コイルを励磁するためのスイッチングトランジスタ等のスイッチング素子、ΦAA′乃至ΦFF′は図23に示したように各相ごとに直列接続したコイル群を示している。なお、Vは電源である。
各相ごとに上記各スイッチング素子4個をブリッジ接続してその中間部に各直列接続された各コイル群を接続している。
即ち、図24において、第1のスイッチング素子T1と第2のスイッチング素子T13及び第3のスイッチング素子T2と第4のスイッチング素子T14が夫々直列に接続され、夫々の接続点の間に図23に示す第1相のコイル群の端子A及びA′が接続されている。
この接続において、例えば、第1のスイッチング素子T1と第4のスイッチング素子T14を導通し電流が流れると、第1相のコイル群の端子AからA′の方向に電流が流れる。
このように、夫々のスイッチング素子を順次導通させて、各相に励磁することによってモータが回転する。
【0004】
図25は、コイル数が40で10相の場合のコイル結線図を、図26は図25に示すコイルに対する励磁回路である。
図25において、Φ1乃至Φ40は各コイルを示し、A乃至Tは上記コイルを各相ごとに直列に接続した各一方の端子を、A′乃至T′は、各直列に接続されたコイル群の他方の端子を示している。
図26において、T1乃至T40は各コイルを励磁するためのスイッチングトランジスタ等のスイッチング素子、ΦAA′乃至ΦTT′は図25に示したように各相ごとに直列に接続したコイル群を示している。
各相ごとに上記各スイッチング素子4個をブリッジ接続して、その中間部に各直列に接続された各コイル群を接続している。なお、Vは電源である。
即ち、図26において、第1のスイッチング素子T1と第2のスイッチング素子T21及び第3のスイッチング素子T2と第4のスイッチング素子T22が夫々直列に接続され、夫々の接続点の間に図23に示す第1相のコイル群の端子A及びA′が接続されている。
この接続において、例えば、第1のスイッチング素子T1と第4のスイッチング素子T22を導通し電流が流れると、第1相のコイル群の端子AからA′の方向に電流が流れる。
このように、夫々のスイッチング素子を順次導通させて、各相に励磁することによってモータが回転する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような従来の空芯コイルタイプの偏平ステッピングモータの構造によると、次のような問題点があった。
▲1▼多相にするためには、固定子のコイルを多く配置させねばならないが、コイルには少なくとも所定値以上のコイル幅が必要だから、限られた円周長上では、コイルの数を余り多くとることはできず、このため最小ステップ角に限度がある。
例えば、6相モータの場合、固定子に構成される磁極用コイルは各相2個ずつの計12個でも原理的には動作するが磁気モーメントが働くため、24個以上のコイルが必要である。10相の場合は同様に40個のコイルが必要になる。
【0006】
▲2▼また、固定子の巻線に流す電流を階段状に変化させるマイクロステップ駆動もある。
しかしこの方法では、回転子の静止位置は、各相に流れる電流の相対値で決められるため、流す電流値のバラツキ、スイッチング素子のバラツキで、精度のよい分解能を得ることは困難であった。
【0007】
▲3▼従来構造では、コイルを励磁するためには、図24、図26に示すように、各相4個のスイッチング素子が必要となる。従って6相の場合に24個、10相の場合には40個のスイッチング素子が必要である。そのため、励磁回路が複雑になると共に、コストが増大するという問題があった。
▲4▼上記のため、偏平タイプのモータは使用設備の条件に対応させて適切な形状である場合も多いが、現実的には、空芯コイル扁平タイプの多相ステッピングモータはほとんど市場にでまわっていないのが実情である。
本発明は、上記の問題点(課題)を解決し、固定子及び回転子を縦列構造にして多相化を図り、扁平形の、高分解能、高精度のモータを得ると同時に、多相モータを低コストで駆動できるようにすることを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に基づく偏平多相ステッピングモータにおいては、請求項1に記載のものでは、電気的に絶縁した磁性体円板上に放射状に所定数の空芯コイルを配設した第1の単位固定子と、該第1の単位固定子の上記コイル表面に対して軸方向に所定間隙を介してN極、S極交互に着磁した永久磁石を配設した磁性体円板を回転自在に支承した第1の単位回転子とよりなる第1の単位モータと、当該第1の単位モータの構造を反転し、第1の単位固定子に対し非磁性体を介して背中合わせにして同軸に構成した第2の単位固定子及びこれに対応する第2の単位回転子とよりなる第2の単位モータを備えて構成される。
【0009】
そして、上記の偏平多相永久磁石形ステッピングモータは、第1の単位モータを構成する第1の固定子に形成するコイルと第2の単位モータを構成する第2の固定子に形成するコイルとの相互の形成位置を当該コイル形成ピッチ角の1/2ピッチ偏位させ、上記第1の単位モータを構成する第1の回転子に形成する磁極と第2の単位モータを構成する第2の回転子に形成する磁極との相互の形成位置を当該同一磁性極形成ピッチ角の1/4ピッチ偏位させるように構成されている。
【0010】
この場合、上記各単位モータを構成する回転子の磁極数Prは、請求項2に記載のように次式を満足するように形成するのが望ましい。
Pr=m±2
但し、mは当該偏平多相永久磁石形ステッピングモータの相数で、正の整数である。また、請求項3又は4に記載のように、上記の偏平多相永久磁石形ステッピングモータは、6相又は10相とするのが適切である。
【0011】
また、請求項1乃至4のいずれかに記載の偏平多相永久磁石形ステッピングモータの励磁回路は、請求項5に記載のように、各単位モータにおける、相対向する単位固定子コイル同士を直列にした複数組のコイルの端部を一点に接続して複数相励磁を行えるようにするか、請求項6に記載のように、当該第1及び第2の単位モータごとに1点に接続した各単位固定子のコイル組の接続点を相互に接続して複数相励磁するように構成するのが望ましい。さらに、上記励磁回路は請求項7に記載のように、各単位固定子のコイルの1点に接続した反対端子を夫々直列に接続したスイッチング素子の接続点に接続して複数相励磁を行うようにすることもできる。さらに、請求項3記載のモータの各単位固定子のコイルを、請求項8に記載のように、夫々デルタ結線し複数相励磁を行えるように結線してもよい。また、請求項4記載のモータの各単位固定子のコイルを、請求項9記載のように、夫々ペンタゴン結線し複数相励磁を行えるよう結線してもよい。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に基づく偏平多相永久磁石形ステッピングモータ(以下モータと略称する)の構造とその励磁回路及びそれらを駆動するための励磁ステップ例について図1乃至図20を参照して詳細に説明する。
各図において、従来の技術で説明した要素に相当する機能を備えた要素は従来のものと同一の符号を使用し、詳細な説明は省略する。
第1の実施の形態:
第1の実施の形態として、2個の単位モータが夫々に6個のコイルで3相、従ってダブル3相である6相モータの場合について本発明を説明する。
(1−1)モータの基本的構成例とその特性
図1は本発明に基づく上記6相モータの概略構成を示す縦断側面図である。
図1において、1は当該モータの回転構造を保護し固定するケース、6はケース1と共にモータの回転構造を保護し固定するカバーである。
また、S11は第1の単位固定子、S12は第2の単位固定子、R11は第1の単位回転子、R12は第2の単位回転子である。
上記において、第1の単位固定子S11と第1の単位回転子R11とで第1の単位モータを、また第2の単位固定子S12と第2の単位回転子R12とで第2の単位モータを夫々構成している。
第2の単位モータは第1の単位モータに対して構造を反転し、非磁性体板5を介して第1の単位固定子S11と第2の単位固定子S12を背中合わせにして同軸に構成し、ケース1に固定されている。従って、第1の単位回転子R11と第2の単位回転子R12とは向かいあって同一軸に構成されている。
なお、第1の単位固定子S11と第2の単位固定子S12は、夫々の表面が電気的に絶縁された円形状の固定子用鉄板1Tにより構成されている。2は、この鉄板1Tの表面に同一ピッチで放射状に配設された空芯コイル(以下コイルと略称する)である。
また、第1の単位回転子R11と、第2の単位回転子R12とは、夫々が第1の単位固定子S11と第2の単位固定子S12夫々との間に所定間隙を設けて対面している。
【0013】
第1の単位回転子R11及び第2の単位回転子R12において、夫々の磁性体円板3の表面には、前記各単位固定子に配設されたコイルのピッチに対応したピッチでこのコイルの形状寸法に対応した形状寸法の永久磁石4がN極とS極を交互に配設されて夫々が磁極を形成しており、各単位回転子夫々の磁性体円板3は、中央部でロータブッシュ9を挟んで回転軸8に固定されている。回転軸8は、軸受7により回転自在に支承されている。
軸受7は前述したケース1とカバー6によって固定されている。
【0014】
図2は、第1の単位固定子S11と第2の単位固定子S12夫々に形成した空芯コイル2の位置関係を説明する図であって、各単位固定子に形成されるコイル数が6個の場合を例示している。
同図において、実線で示すのが第1の単位固定子S11に形成されるコイルであって、6個のコイルを2A1乃至2A6で示しており、第2の単位固定子S12に形成される6個のコイルを破線で、2B1乃至2B6で示している。
各コイル2A1乃至2A6及び2B1乃至2B6はいずれも同一形状で同一巻数のコイルであるが、同図に例示するように、コイル間のピッチ角をτSとすると、第1の単位固定子S11に形成されるコイルと、第2の単位固定子S12に形成されるコイルとは(1/2)τS偏位させている。
【0015】
図3(A)、(B)に、図2に示した固定子構造に対応させた回転子の永久磁石構成例を示している。
図3(A)は、第1の単位回転子R11、同図(B)は第2の単位回転子R12を、同図(C)に示す相互の位置関係に対応した同一固定状態における関係を示している。
図1に示すように、第1の単位回転子R11、第2の単位回転子R12共に、N極、S極の4対の永久磁石4を夫々各対向する単位固定子のコイル形状に対応させて、図3(A)、(B)に示すように各単位回転子R11、R12の磁極を円形放射状に配設している。
上記、第1の単位回転子R11の磁極と第2の単位回転子R12の磁極とは、図3(C)に示すように、円板上での同一極性の磁極形成ピッチ角τRの(1/4)ピッチ偏位している。
また、各単位回転子上のN、S両磁極の総数(磁極数)をPrとすると、磁極数Prは下記(1)式を満足するように形成している。
Pr=m±2・・・・・・・・(1)
但し、mは当該モータの相数で、1以上の正の整数である。
即ち、本実施の形態では6相の場合を例示しているので、m=6である。
従って、Pr=6±2からPr=8又は、Pr=4が得られ、図3には8極の場合を示している。
【0016】
次に、図4に示すモータの展開図によって、上記(1)式を求めた根拠を説明する。図4には、単位固定子と単位回転子との位置関係を理解しやすいように変形して記している。
同図において、前述したように、S11は第1の単位固定子、S12は第2の単位固定子、R11は第1の単位回転子、R12は第2の単位回転子、2A1、2A2、2A3、2A4は夫々第1の単位固定子S11に配設されたコイル、2B6、2B1、2B2、2B3、2B4は、夫々第2の単位固定子S12に配設したコイルである。第2の単位固定子S12に配設したコイル2B6、2B1、2B2、2B3は、夫々第1の単位固定子S11に配設したコイル、2A1、2A2、2A3及び2A6(図示せず)から(1/2)τS偏位して形成されている。但し、τSは前述したようにコイル間のピッチ角である。
また、第1の単位回転子R11と第2の単位回転子R12夫々に形成された磁極の同極同士は(1/4)τR偏位して形成されている。但し、τRは前述したように同極間のピッチ角である。
【0017】
図4に示すように、第1の単位固定子S11のコイル2A1の中心と第2の単位固定子S12のコイル2B1の中心との間の距離(各単位固定子の中心からみた角度)をθdとするとθdは、同図から明らかなように、次の(2)式で表される。
θd=(1/4)τR±θs・・・・・・・(2)
なお、上記のθsは励磁1ステップにおける回転角に相当し、以降の説明では変位角と称す。
ところで、τPrを永久磁石の異極間のピッチ角とすると各単位回転子に形成される同極間のピッチ角τRは、(3)式で表される。
τR=2τPr・・・・・・・・・・・・・(3)
また、各単位回転子に形成される永久磁石の総数(磁極数)はPrであるから、ピッチ角τPrは、下記(4)式で表される。
τPr=2π/Pr・・・・・・・・・・・(4)
モータの相数が6以上の場合、相数をmで示すと、本実施の形態で示すモータは2mステップで回転子磁極が移動(回転)するので、上記の変位角θsは、下記(5)式を満足する必要がある。
θs=(1/2m)τR・・・・・・・・・(5)
ところで、上記した、第1の単位固定子S11のコイル2A1の中心と第2の単位固定子S12のコイル2B1の中心との間の距離θdは、当然、
θd=2π/2mで表されるから上記(2)式は(6)式のようになる。
2π/2m=(1/4)τR±(1/2m)τR・・・・・(6)
ところで、各単位回転子の同極間のピッチ角と、個数Prとの関係は、(3)式、(4)式から、下記(7)式で表されるから、(7)式を(6)式に代入して整理すると前述した(1)式が得られる。
τR=2τPr=4π/Pr・・・・・・(7)
Pr=m±2・・・・・・・・・・・・・(1)
【0018】
上記(5)式に示すようにθs=(1/2m)τRである。従って、本実施の形態に示す6相の場合は、
θs=(1/12)τR・・・・・・・・(8)
となる。
本願発明に基づく6相モータにおいては隣接する固定子の対応するコイル間の距離(角度)θdは、図4に示すようにθd=(1/2)τSだから、360/12になる。
従って、例えば、第1の単位固定子S11に形成されるコイル2A1と第1の単位回転子R11のN極が対向位置にある状態においては、第2の単位固定子S12に形成されるコイル2B1と第2の単位回転子R12のN極との偏位角度θsは(1/12)τRであり、本実施の形態においては、図3(A)、(B)に示したように、永久磁石が8個で形成されているから、
τR=2π/4=π/2、従って、θs=π/24になる。
また、図4において、第1の単位固定子S11の任意のコイルと隣接するコイルとの偏位角は、同図に示すように、例えば、コイル2A1の励磁によって形成される固定子磁極SA1と隣接するコイル2A2の励磁によって形成される固定子磁極SA2との偏位角が2θdになるから、前記(2)式から、
2θd=(1/2)τR±2θsとなる。
同様に、前記磁極SA1を基準にすると、磁極SA1とコイル2B2の励磁によって形成される固定子磁極SB2との間の偏位角は、
3θd=(3/4)τR±3θs
のように、隣接(対向を含む)単位固定子間の回転子磁極のピッチ角度との偏差角はθs倍数で増大している。
なお、参考迄に、図4中に、他のコイル2A2、2A3、2A4、2B6、2B1、2B2、2B3、2B4の励磁によって形成される固定子磁極も示すと、夫々SA2、SA3、SA4、SB6、SB1、SB2、SB3、SB4となる。
【0019】
次に、上記構成の6相モータのコイルの結線を図5によって説明する。
同図において、実線で示す6角形は第1の単位固定子S11に形成されるコイル2A1乃至2A6を、破線で示す6角形は第2の単位固定子S12に形成されるコイル2B1乃至2B6を、夫々示している。
同図において、第1の単位固定子S11のコイルは、端子Aからは、コイル2A1とコイル2A4を同一巻方向に直列に接続して端子A′に接続される。同様に端子Bからは、コイル2A2とコイル2A5を同一巻方向に直列に接続して端子B′に接続され、端子Cからは、コイル2A3とコイル2A6を同一巻方向に直列に接続して端子C′に接続される。また、第2の単位固定子S12のコイルは、端子Dからは、コイル2B1とコイル2B4を同一巻方向に直列に接続して端子D′に接続される。同様に端子Eからは、コイル2B2とコイル2B5を同一巻方向に直列に接続して端子E′に接続され、端子Fからは、コイル2B3とコイル2B6を同一巻方向に直列に接続して端子F′に接続される。
【0020】
(1−2)上記モータの基本的励磁例
励磁回路は、図6に示す各端子を直列接続したスイッチング素子の接続点に接続する。
図6において、T1乃至T24は各コイルを励磁するためのスイッチングトランジスタ等のスイッチング素子であって、Vは電源である。各スイッチング素子の制御回路の図示は省略している。
次に、図5も参照して、図6の励磁回路を説明する。
スイッチング素子T1とT13は直列に接続して、その接続点に第1の単位固定子S11のコイル2A1と2A4を直列に接続した一方の端子Aを接続し、他方の端子A′は、直列接続したスイッチング素子T2とT14の接続点に接続し、スイッチング素子T3とT15は直列に接続して、その接続点に第1の単位固定子S11のコイル2A2と2A5を直列に接続した一方の端子Bを接続し、他方の端子B′は、直列接続したスイッチング素子T4とT16の接続点に接続し、以下説明は省略するが、同様に、図6に示すようにブリッジ接続した4個のスイッチング素子の接続点に、夫々を同一巻方向に直列に接続したコイルの端子を接続している。
【0021】
次に、図6に示した励磁回路で励磁した場合の単相励磁のフロー例を図7によって説明する。
図7は励磁シーケンスにおける第1ステップから第15ステップまでの時間推移を横軸に示し、縦軸に、励磁電流を供給する各コイルの端子名を記している。各端子名から横方向に引かれた線で上側の矩形は、例えば、A−A′においては、端子AからA′方向への電流供給(正方向と記す)、逆に下側の矩形は、端子A′からA方向への電流供給(逆方向と記す)を示している。
即ち、同図において、ステップ1には、端子AからA′方向(正方向)への電流を供給する。よって、図6に示すスイッチング素子T1とT14を導通して、第1の単位固定子S11のコイル2A1とコイル2A4に正方向に電流を流して所定方向に励磁し、ステップ2には、端子DからD′方向(正方向)への電流を供給する。
即ち、スイッチング素子T7とT20を導通して、第2の単位固定子S12のコイル2B1とコイル2B4に正方向に電流を流して正方向に励磁し、ステップ3には、端子B′からB方向(逆方向)への電流を供給する。よって、スイッチング素子T4とT15を導通して、第1の単位固定子S11のコイル2A2とコイル2A5に逆方向に電流を流して前記とは逆方向に励磁する。
以下図6、図7に示すように、各導通スイッチング素子を切り替えて励磁を継続し、ステップ13以降はステップ1に戻って同様の励磁を繰り返す。
【0022】
次に、図8によって、上記励磁ステップによって、モータが回転する状況を詳細に説明する。
図8は、横方向には、図4に示したモータの展開を示し、縦方向には、同展開図が、図7に示した励磁ステップによって変化する状況を示している。
即ち、最上部には、図7に示したステップ1における各単位固定子のコイルの励磁によって形成される固定子磁極(図4参照)と各単位回転子の磁極との位置関係を示している。
図8に示す各符号は図4等で説明しているので、再度の説明は省略する。
図8において、各ステップにおける第1の単位回転子のN極に付した丸印とこの丸印を結ぶ矢印は、励磁ステップによって、同一N極が移動(回転)する状況を示すものである。
【0023】
図8に示すように、ステップ1においては、第1の単位固定子S11のコイル2A1と2A4に正方向に電流を流して励磁し、S極に励磁されていると、第1の単位回転子R11のN極が吸引されて夫々の対向位置にくる。
第2ステップにおいて、第2の単位固定子S12のコイル2B1と2B4に正方向に電流を流して励磁し、S極に励磁すると、第2の単位回転子R12のN極が吸引されて夫々の対向位置にくる。従って、回転子はθs移動(回転)する。
ステップ3においては、第1の単位固定子S11のコイル2A2と2A5に逆方向に電流を流して励磁し、逆極性のN極に励磁されて、第1の単位回転子R11のS極が吸引されて対向位置にくる。従って、回転子はθs移動(回転)する。
第4ステップにおいて、第2の単位固定子S12のコイル2B2と2B5に逆方向に電流を流して励磁し、N極に励磁されて、第2の単位回転子R12のS極が吸引されて対向位置にくる。従って、回転子はθs移動(回転)する。
以降、上記励磁がステップ毎に繰り返されるので、モータは励磁ステップごとにθs、本実施の形態では、前述したようにπ/24ずつ回転する。
【0024】
第2の実施の形態:
次に、図9乃至図11によって、第2の実施の形態として、2個の単位モータ夫々の3組のコイルを夫々スター状に接続したコイル接続例とその接続に対応させた複数相励磁を説明する。
(2−1)第1のコイル接続例
図9において、AA′、BB′、CC′、DD′、EE′、FF′は、夫々図5によって説明したコイル結線と同一の端子符号である。
即ち、第1の単位固定子S11の、コイル2A1とコイル2A4を同一巻方向に直列に接続した端子Aを直列接続したスイッチング素子T1とT4の接続点に接続し、コイル2A2とコイル2A5を同一巻方向に直列に接続した端子Bを直列接続したスイッチング素子T2とT5の接続点に接続し、コイル2A3とコイル2A6を同一巻方向に直列に接続した端子Cを直列接続したスイッチング素子T3とT6の接続点に接続して、夫々のコイルの反対側の端子A′、B′、C′を一点に集めて接続している。
即ち、第1の単位固定子S11の3個のコイル群をスター状に接続している。
【0025】
第2の単位固定子S12の、コイル2B1とコイル2B4を同一巻方向に直列に接続した端子Dは直列接続したスイッチング素子T9とT12の接続点に接続し、コイル2B2とコイル2B5を同一巻方向に直列に接続した端子Eは直列接続したスイッチング素子T8とT11の接続点に接続し、コイル2B3とコイル2B6を同一巻方向に直列に接続した端子Fは直列接続したスイッチング素子T7とT10の接続点に接続して、夫々のコイルの反対側の端子D′、E′、F′を一点に集めて接続している。
即ち、第1の単位固定子のコイルの接続同様、3個のコイル群をスター状に接続している。
同図においてVは電源を示し、各スイッチング素子の制御回路は、以下の説明に対応して適宜構成できるので図示は省略している。
【0026】
(2−2)第2のコイル接続例
図10によって、第2のコイル接続例を説明する。
図10は、図9に示した、第1の単位固定子のコイルを一点に集めて接続した点と、第2の単位固定子のコイルを一点に集めて接続した点とを、さらに、一点にして接続したものである。
即ち、第1、第2の単位固定子の6個のコイル群をスター状に接続している。
Vは電源であって、各スイッチング素子の制御回路は前記同様図示を省略している。
【0027】
(2−3)複数相励磁例
上記図9又は図10に示した接続例における4相励磁のフローを図11によって説明する。
図11は、第1の実施の形態で説明した図7の場合と同様、励磁シーケンスにおける第1ステップから第16ステップまでの時間推移を横軸に示し、縦軸に、励磁電流を供給する各コイルの端子名を記している。
各端子名から横方向に引かれた線で上側の矩形は、例えば、A−A′においては、端子AからA′方向への電流供給、逆に下側の矩形は、端子A′からA方向への電流供給を示している。
即ち、同図において、ステップ1には、スイッチング素子T2とスイッチング素子T6を導通して、電源Vからスイッチング素子T2を経て、端子Bから正方向への電流を供給し、この電流を端子C′から端子Cに逆方向に流してスイッチング素子T6を経て電源Vに戻る回路を形成して励磁する。
一方、スイッチング素子T8とスイッチング素子T10を導通して、電源Vからスイッチング素子T8を経て、端子Eから正方向への電流を供給し、この電流を端子F′から端子Fに逆方向に流し、スイッチング素子T10を経て電源Vに戻る回路を形成して励磁する。
以下簡略に述べるが、ステップ2には、スイッチング素子T1とスイッチング素子T6を導通して、端子Aから正方向への電流を供給し、この電流を端子C′から端子Cに逆方向に流すと共に、スイッチング素子T8とスイッチング素子T10を継続導通して、端子Eから正方向への電流を供給し、この電流を端子F′から端子Fに逆方向に流して励磁する。
ステップ3には、スイッチング素子T1とスイッチング素子T6を継続導通して、端子Aから正方向への電流を供給し、この電流を端子C′から端子Cに逆方向に流すと共に、スイッチング素子T9を導通してT10を継続導通し、端子Dから正方向への電流を供給して、この電流を端子F′から端子Fに逆方向に流して励磁する。
以下上記各図に示すように、各導通スイッチング素子を切り替えて励磁を継続し、ステップ13以降はステップ1に戻って同様の励磁を繰り返す。
よってモータは回転する。
【0028】
第3の実施の形態:
次に、図12及び図13によって、第3の実施の形態として、2個の単位モータ夫々の3組のコイルを夫々デルタ状に接続したコイル接続例とその接続に対応させた複数相励磁を説明する。
(3−1)コイル接続例
図12において、AA′、BB′、CC′、DD′、EE′、FF′は、夫々図5によって説明したコイル結線と同一の符号である。
即ち、第1の単位固定子S11の、端子Aからコイル2A1とコイル2A4を同一巻方向に直列に接続した端子A′にコイル2A2とコイル2A5を同一巻方向に直列に接続した端子Bを接続し、端子Bの反対側の端子B′に、コイル2A3とコイル2A6を同一巻方向に直列に接続した端子Cを接続し、端子Cの反対側の端子C′に前記した端子Aを接続している。
即ち、コイル2A1とコイル2A4、コイル2A2とコイル2A5、コイル2A3とコイル2A6を同一巻方向に直列に接続している。
さらに、端子Aと端子C′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T1とT4の接続点に接続し、端子Bと端子A′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T3とT6の接続点に接続し、端子Cと端子B′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T2とT5の接続点に接続している。
即ち、第1の単位固定子S11の3個のコイル群をデルタ状に接続している。
【0029】
また、同様に、第2の単位固定子S12の、端子Dからコイル2B1とコイル2B4を同一巻方向に直列に接続した端子D′に、コイル2B2とコイル2B5を同一巻方向に直列に接続した端子Eを接続し、端子Eの反対側の端子E′にコイル2B3とコイル2B6を同一巻方向に直列に接続した端子Fを接続し、端子Fの反対側の端子F′に前記した端子Dを接続している。
即ち、コイル2B1とコイル2B4、コイル2B2とコイル2B5、コイル2B3とコイル2B6を同一巻方向に直列に接続している。
さらに、端子Dと端子F′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T9とT12の接続点に接続し、端子Eと端子D′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T8とT11の接続点に接続し,端子Fと端子E′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T7とT10の接続点に接続している。
即ち、第2の単位固定子S12の3個のコイル群をデルタ状に接続している。
同図においてVは電源を示し、各スイッチング素子の制御回路は、以下の説明に対応して適宜構成できるので図示は省略している。
【0030】
(3−2)複数相励磁例
上記図12に示した接続例における4相励磁のフローを図13によって説明する。なお、図12の各相コイルに示した▲1▼〜▲3▼の丸数字は以下に述べる第1ステップ〜第3ステップにおける電流の方向と、電流の状態(×印で無電流状態を表示)とを示すものである。
図13は、第1の実施の形態で説明した図7等と同様に励磁シーケンスにおける第1ステップから第15ステップまでの時間推移を横軸に示していて、縦軸には、励磁電流を供給(又は吸収)する各コイルに対応する端子名を記している。
各端子名から横方向に引かれた線で上側の矩形は、例えば、A−A′においては、端子AからA′方向への電流供給(正方向と記す)、逆に下側の矩形は、端子A′からA方向への電流供給(逆方向と記す)を示している。
上下いずれにも矩形を記していない箇所は、そのコイルに電流が流れないことを示している。
同図において、ステップ1においては、上記のスイッチング素子群のうち、T1、T3、T5及びT8、T10、T12を導通して、電源Vから夫々のコイルに電流を供給する。
従って、図12、図13において、第1の単位固定子S11においては、端子A、C′に供給された電流は端子C′から端子C方向に、端子C′、C間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように逆方向に流れて逆極性に励磁し、端子B、A′に供給された電流は端子Bから端子B′方向に、端子B、B′間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように正方向に流れて正方向に励磁する。端子AとA′とはいずれも電位が電源電圧Vに等しくなるので、端子A、A′間のコイルには丸数字▲1▼を付した×印に示すように電流が流れない。
従って、励磁されない。
上記で正極性とは、例えば、A−A′に示すコイルにおいては、端子Aから端子A′に正方向に電流を流した場合の励磁極性を示し、逆極性も同様に、A−A′に示すコイルにおいては、端子A′から端子Aに逆方向に電流を流した場合の励磁極性を示している。
また、第2の単位固定子S12においては、端子E、D′に供給された電流は端子D′から端子D方向に、端子D、D′間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように逆方向に流れて逆極性に励磁し、端子Eから端子E′方向に、端子E、E′間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように正方向に流れて正極性に励磁する。端子FとF′とはいずれも電位がグランド電圧に等しくなるので、端子F、F′間のコイルには丸数字▲1▼を付した×印に示すように電流が流れないので励磁されない。
【0031】
ステップ2においては、スイッチング素子群のうち、T1、T3、T5の導通をステップ1に継続して、T8、T9、T10を導通し、電源Vから夫々のコイルに電流を供給する。
従って、図12、図13において、第1の単位固定子S11の各コイル電流はステップ1と同一で、図12の各コイルの横に丸数字▲2▼を付した矢印または×印にも示すように励磁状態は変化しない。
第2の単位固定子S12においては、簡略に説明するが、第1の単位固定子S11の場合と同様に、端子E、D′に供給された電流は端子E、E′間のコイルに丸数字▲2▼を付した矢印に示すように正方向に流れて正極性に励磁する。端子D、F′に供給された電流は端子F′、F間のコイルに丸数字▲2▼を付した矢印に示すように逆方向に流れて逆極性に励磁し、端子DとD′とはいずれも電位が電源電圧Vに等しくなるので、端子D、D′間のコイルは、丸数字▲2▼を付した×印に示すように電流が流れず、励磁されない。
【0032】
ステップ3においては、スイッチング素子群のうち、T1、T5、T6、を導通し、T8、T9、T10をステップ2に継続して導通して、電源Vから夫々のコイルに電流を供給する。
従って、図12、図13において、第2の単位固定子S12の各コイル電流はステップ2と同一で、図12の各コイルの横に丸数字▲3▼を付した矢印または×印にも示すように励磁状態は変化しない。
一方、第1の単位固定子においては、端子A、C′に供給された電流は端子A、A′間のコイルに丸数字▲3▼を付した矢印に示すように正方向に流れて正極性に励磁する。また、端子C′、C間のコイルに丸数字▲3▼を付した矢印に示すように逆方向に流れて逆極性に励磁し、端子BとB′とはいずれも電位がグランド電圧に等しくなるので、端子B、B′間のコイルに丸数字▲2▼を付した×印に示すように電流が流れず励磁されない。
以下上記各図に示すように、各導通スイッチング素子を切り替えて励磁を継続し、ステップ13以降はステップ1に戻って同様の励磁を繰り返す。
【0033】
第4の実施の形態:
次に、第4の実施の形態として、図14、図15によって各単位モータが10個の空芯コイル(コイルと略称する)の5相、従ってダブル5相である10相モータの場合におけるモータ本体の機能について本発明を説明する。
本発明に基づく偏平多相ステッピングモータの基本理論は、前述した6相モータと同一なので、詳細の図示説明は省略して、6相モータの説明を準用して異なるところを説明する。
(4−1)モータの基本的構成例
本発明に基づく10相モータの各単位回転子の磁極数Prは、第1の実施の形態で説明した(1)式において、m=10であるから、
Pr=m±2・・・・・・・・(1)
Pr=10±2となり
Pr=12又は8が得られる。
【0034】
先ず、前述した図4に示す各単位固定子の隣接する各コイル中心間の距離τS、第1の単位固定子S11(これを本実施の形態においてはS21と記載する。但し、符号S21は図示せず)のコイル中心と第2の単位固定子S12(これを本実施の形態においてはS22と記載する。但し、符号S22は図示せず。)のコイル中心との間の距離θd、各単位回転子の同極間の距離τRの各値及び偏位角θsを、第1の実施の形態で説明した(2)乃至(7)式をも用いて説明することにする。
τSは、本実施の形態の条件によって各単位固定子に構成するコイル数は10であるから、図4から明らかなように
τS=2π/10
各単位回転子の磁極数Prは段落番号0017の(1)式でm=10とすると、Prは12となり、
τR=2π/6=π/3
偏位θsは(5)式に示したように
θs=(1/2m)τRである。従って、本実施の形態に示す10相の場合は、θs=(1/20)τR=π/60 となる。
【0035】
次に、図14によってコイルの結線を説明する。
図14において、実線で示す6角形は第1の単位固定子S21(図示せず)に形成されるコイル2C1乃至2C10を、破線で示す6角形は第2の単位固定子S22(図示せず)に形成されるコイル2D1乃至2D10を、夫々示している。
同図において、第1の単位固定子S11のコイルは、端子Aからは、コイル2C1とコイル2C6を同一巻方向に直列に接続して端子A′に接続される。同様に端子Bからは、コイル2C2とコイル2C7を同一巻方向に直列に接続して端子B′に接続され、端子Cからは、コイル2C3とコイル2C8を同一巻方向に直列に接続して端子C′に接続される。
以下同様に、端子Dから端子D′、端子Eから端子E′に夫々各コイルを同一巻方向に直列にして接続している。
また、第2の単位固定子S22(図示せず)のコイルは、端子Fからは、コイル2D1とコイル2D6を同一巻方向に直列に接続して端子F′に接続される。
同様に、端子Gからは、コイル2D2とコイル2D7を同一巻方向に直列に接続して端子G′に接続され、同様に端子Hからは、コイル2D3とコイル2D8を同一巻方向に直列に接続して端子H′に接続される。
以下同様に、端子IからI′、端子JからJ′に夫々各コイルを同一巻方向に直列にして接続している。
【0036】
(4−2)上記モータの基本的励磁例
次に、図15によって単相励磁の場合の方法とその励磁フローについて説明する。
励磁回路は、第1の実施の形態で、図6を参照して説明したのと同様、ブリッジ接続した4個のスイッチング素子の中間接続点に、図12で説明した各端子を夫々接続すれば良いので図示説明は省略する。
図15は第1の実施の形態で説明した図7同様、励磁シーケンスにおける第1ステップから第22ステップまでの時間変移を横軸に示し、縦軸に、励磁電流を供給する各コイルの端子名を記している。
各コイルに励磁電流を供給するには、各コイルに流す電流方向に対応させて夫々のスイッチング素子を導通させれば良い。
各端子名から横方向に引かれた線で上側の矩形は、例えば、A−A′においては、端子AからA′方向(正方向と称す)への電流供給への電流供給、逆に下側の矩形は、端子A′からA方向(逆方向と称す)への電流供給を示している。
即ち、図15において、ステップ1には、端子AからA′方向、即ち、正方向へ電流を供給する。
この場合、図14を参照すれば分かるように、第1の単位固定子S21のコイル2C1とコイル2C6を所定の極性(正極性と称す)に励磁する。
ステップ2には、端子FからF′方向(正方向)へ電流を供給し、第2の単位固定子S22のコイル2D1とコイル2D6を正極性に励磁する。
ステップ3には、端子B′からB方向(逆方向)へ電流を供給する。即ち、第2の単位固定子S22のコイル2C2とコイル2C7とを前記とは逆の極性(逆極性と称す)に励磁する。
以下同様に、図15に示すように、ステップをおって、各端子に正又は逆方向に電流を供給し、ステップ21以降はステップ1に戻って同様の励磁を繰り返す。
【0037】
第5の実施の形態:
次に、図16乃至図18によって、本発明の第5の実施の形態として、上記したダブル5相モータのコイルをスター状に接続した例と、その接続に対応させた複数相励磁(本例では8相励磁)を可能にする励磁回路例を説明する。
(5−1)第1のコイル接続例
図16において、AA′、BB′、CC′、DD′、EE′、FF′、GG′、HH′、II′.JJ`は、夫々図14によって説明したコイル結線と同一の符号である。
即ち、図14を参照すれば分かるように、第1の単位固定子S21(図示せず)の、コイル2C1とコイル2C6を同一巻方向に直列に接続した端子Aを直列に接続したスイッチング素子T1とT6の接続点に接続し、コイル2C2とコイル2C7を同一巻方向に直列に接続した端子Bを直列に接続したスイッチング素子T2とT7の接続点に接続し、コイル2C3とコイル2C8を同一巻方向に直列に接続した端子Cを直列に接続したスイッチング素子T3とT8の接続点に接続し、コイル2C4とコイル2C9を同一巻方向に直列に接続した端子Dを直列に接続したスイッチング素子T4とT9の接続点に接続し、コイル2C5とコイル2C10を同一巻方向に直列に接続した端子Eを直列に接続したスイッチング素子T5とT10の接続点に接続して、夫々のコイルの反対側の端子A′、B′、C′、D′、E′を一点に集めて接続している。
即ち、第1の単位固定子の5個のコイル群をスター状に接続している。
【0038】
第2の単位固定子S22(図示せず)についても、図14を参照して説明すれば分かるように、コイル2D1とコイル2D6を同一巻方向に直列に接続した端子Fを直列に接続したスイッチング素子T15とT20の接続点に接続し、コイル2D2とコイル2D7を直列に接続した端子Gを直列に接続したスイッチング素子T14とT19の接続点に接続する。
また、コイル2D3とコイル2D8を同一巻方向に直列に接続した端子Hを直列に接続したスイッチング素子T13とT18の接続点に接続し、コイル2D4とコイル2D9を同一巻方向に直列に接続した端子Iを直列に接続したスイッチング素子T12とT17の接続点に接続し、コイル2D5とコイル2D10を同一巻方向に直列に接続した端子Jを直列に接続したスイッチング素子T11とT16の接続点に接続して、夫々のコイルの反対側の端子F′、G′、H′、I′、J′を一点に集めて接続している。
即ち、第1の単位固定子同様、第2の単位固定子の5個のコイル群をスター状に接続している。
同図において、Vは電源を示し、各スイッチング素子の制御回路は、以下の説明に対応して適宜構成できるので図示は省略している。
【0039】
(5−2)第2のコイル接続例
図17により第2のコイル接続例を説明する。
図17は、図16に示した、第1の単位固定子S21のコイルを一点に集めて接続した点と、第2の単位固定子S22のコイルを一点に集めて接続した点とを、さらに、一点にして接続したものである。
即ち、第1、第2の単位固定子の10個のコイル群をスター状に接続しているものである。
同図において、Vは電源を示し、各スイッチング素子の制御回路は、図17同様、図示は省略している。
【0040】
(5−3)複数相励磁例
上記図16、図17に示した接続例における8相励磁のフローを図18によって説明する。
図18は、励磁シーケンスにおける第1ステップから第23ステップまでの時間変移を横軸に示し、縦軸に、励磁電流を供給する各コイルの端子名を記している。
各端子名から横方向に引かれた線で上側の矩形は、例えば、A−A′においては、端子AからA′方向への電流供給、即ち、本方向の電流を正方向の励磁電流と称し、その電流による励磁極性を正極性と称する。逆に下側の矩形は、端子A′からA方向への電流供給、即ち、逆方向の励磁電流及び逆極性の励磁と称して示している。
即ち、図18において、ステップ1には、図16又は図17におけるスイッチング素子T1とT4及びスイッチング素子T8とT10を導通して、端子A及び端子Dから正方向への電流を供給し、これらの電流を端子C′及び端子E′に逆方向に流すと共に、スイッチング素子T14とT12及びスイッチング素子T18とT16を導通して、端子G及び端子Iから正方向への電流を供給し、これらの電流を端子H′及び端子J′に逆方向に流して、夫々正極性及び逆極性に励磁する。
ステップ2では、スイッチング素子T1とT3及びスイッチング素子T8とT10を継続して導通して端子A及び端子Dから正方向への電流を継続供給し、これらの電流を端子C′及び端子E′に逆方向に継続して流すが、スイッチング素子T14の導通を切って、かわりに、スイッチング素子T15を導通する。
スイッチング素子T12及びスイッチング素子T18とT16は継続して導通する。従って、端子F及び端子Iから正方向への電流を供給し、これらの電流を端子H′及び端子J′に逆方向に流して、夫々正極性及び逆極性に励磁する。
以降の説明は省略するが、同図に明らかなように、順次各スイッチング素子を切り替え導通させてステップを追って励磁を順次継続し、ステップ21以降はステップ1に戻って同様の励磁を繰り返す。
【0041】
第6の実施の形態:
次に、図19乃至図20によって、本発明の第6の実施の形態として、上記したダブル5相モータのコイルをペンタゴン状に接続した例と、その接続に対応させた複数相励磁(本例では8相励磁)を可能にする励磁回路とその励磁フロー例を説明する。
(6−1)コイル接続例
図19において、A、A′、B、B′、C、C′、D、D′、E、E′、F、F′、G、G′、H、H′、I、I′、J、J′は、夫々図14によって説明したコイル結線と同一の符号である。以下図19のほか、図14も参照して説明する。
即ち、段落番号0034で述べた第1の単位固定子S21の、端子Aからコイル2C1とコイル2C6を同一巻方向に直列に接続した端子A′にコイル2C2とコイル2C7を同一巻方向に直列に接続した端子Bを接続し、端子Bの反対側の端子B′にコイル2C3とコイル2C8を同一巻方向に直列に接続した端子Cを接続し、端子Cの反対側の端子C′に、コイル2C4とコイル2C9を同一巻方向に直列に接続した端子Dを接続し、端子Dの反対側の端子D′にコイル2C5とコイル2C10を同一巻方向に直列に接続した端子Eを接続し、端子Eの反対側の端子E′に、前述した端子A′の反対側の端子Aを接続している。
即ち、コイル2C1とコイル2C6、コイル2C2とコイル2C7、コイル2C3とコイル2C8、コイル2C4とコイル2C9、コイル2C5とコイル2C10を同一巻方向に直列に接続している。
さらに、端子Aと端子E′との接続点を直列接続したスイッチング素子T5とT10の接続点に接続し、端子Bと端子A′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T4とT9の接続点に接続し、端子Cと端子B′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T3とT8の接続点に接続し、端子Dと端子C′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T2とT7の接続点に接続し、端子Eと端子D′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T1とT6の接続点に接続している。
即ち、第1の単位固定子S21の5個のコイル群を、図19に示すようにペンタゴン状に接続している。
【0042】
同様に、段落番号0034で述べた第2の単位固定子S22の、端子Fからコイル2D1とコイル2D6を同一巻方向に直列に接続した端子F′にコイル2D2とコイル2D7を同一巻方向に直列に接続した端子Gを接続し、端子Gの反対側の端子G′にコイル2D3とコイル2D8を同一巻方向に直列に接続した端子Hを接続し、端子Hの反対側の端子H′にコイル2D4とコイル2D9を同一巻方向に直列に接続した端子Iを接続し、端子Iの反対側の端子I′にコイル2D5とコイル2D10を同一巻方向に直列に接続した端子Jを接続し、端子Jの反対側の端子J′に前述した端子F′の反対側の端子Fを接続している。
即ち、コイル2D1とコイル2D6、コイル2D2とコイル2D7、コイル2D3とコイル2D8、コイル2D4とコイル2D9、コイル2D5とコイル2D10を同一巻方向に直列に接続している。
即ち、第2の単位固定子S22の5個のコイル群も図19に示すようにペンタゴン状に接続している。
さらに、端子Fと端子J′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T15とT20の接続点に接続し、端子Gと端子F′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T14とT19の接続点に接続し、端子Hと端子G′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T13とT18の接続点に接続し、端子Iと端子H′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T12とT17の接続点に接続し、端子Jと端子I′との接続点を、直列接続したスイッチング素子T11とT16の接続点に接続している。
即ち、第2の単位固定子S22の5個のコイル群も、図19に示すようにペンタゴン状に接続している。
同図においてVは電源を示し、各スイッチング素子の制御回路は、以下の説明に対応して適宜構成できるので図示は省略している。
【0043】
(6−2)複数相励磁例
上記図19に示した接続例における8相励磁のフローを図20によって説明する。
図20は、第3の実施の形態で説明した図13と同様に励磁シーケンスにおける第1ステップから第23ステップまでの時間推移を横軸に示していて、縦軸には、励磁電流を供給する各コイルに対応する端子名を記している。
各端子名から横方向に引かれた線で上側の矩形は、例えば、A−A′においては、端子AからA′方向への電流供給(正方向と記す)を、逆に下側の矩形は、端子A′からA方向への電流供給(逆方向と記す)を示している。
上下いずれにも矩形を記していない箇所は、そのコイルに電流が流れないことを示している。
また、図19の場合も、図12の場合と同様、各コイルに示した丸数字▲1▼〜▲3▼は第1〜第3のステップにおける電流の方向と電流の状態(無電流状態を×印で示す)を示す。
図20において、ステップ1においては、上記のスイッチング素子群のうち、T2、T5、T6、T8、T9、及びT12、T14、T15、T16、T18を導通して、電源Vから夫々のコイルに電流を供給する。
従って、図19、図20において、第1の単位固定子S21においては、端子C′、Dに供給された電流は端子C′から端子C方向に、端子C′、C間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように逆方向に流れて逆極性に励磁すると共に、端子Dから端子D′方向に、端子D、D′間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように正方向に流れて正極性に励磁し、端子A、E′に供給された電流は端子Aから端子A′方向に、端子A、A′間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように正方向に流れて正極性に励磁すると共に、端子E′から端子E方向に、端子E′、E間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように逆方向に流れて逆極性に励磁する。
端子BとB′とはいずれも電位がグランド電圧に等しくなるので、端子B、B′間のコイルには丸数字▲1▼を付した×印に示すように電流が流れないので、励磁されない。
上記で正方向及び正極性とは前段の説明と同様である。
また、図19、図20に示すように、第2の単位固定子S22においては、端子H′、Iに供給された電流は端子H′から端子H方向に、端子H′、H間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように逆方向に流れて逆極性に励磁すると共に、端子Iから端子I′方向に、端子I、I′間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように正方向に流れて正極性に励磁し、端子F′、Gに供給された電流は、端子Gから端子G′方向に、端子G、G′間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように正方向に流れて正極性に励磁し、端子J′、Fに供給された電流は、端子J′から端子J方向に、端子J′、J間のコイルに丸数字▲1▼を付した矢印に示すように逆方向に流れて逆極性に励磁する。端子FとF′とはいずれも電位が電源電圧Vに等しくなるので、端子F、F′間のコイルには丸数字▲1▼を付した×印に示すように電流が流れないので励磁されない。
【0044】
ステップ2においては、スイッチング素子群のうち、T2、T5、T6、T8、T9の導通はステップ1に継続してT12、T15、T16、T18、T19を導通し、電源Vから夫々のコイルに電流を供給する。
従って、図19、図20において、第1の単位固定子S21の各コイル電流はステップ1と同一で、図19の各コイルの横で丸数字▲2▼を付した矢印に示すように励磁状態は変化しない。
一方、第2の単位固定子S22においては、図19、図20に示すように端子H′、Iに供給された電流は端子H′から端子Hに流れると共に、端子Iから端子I′に流れ、端子F、J′に供給された電流は端子Fから端子F′に流れると共に、端子J′から端子Jに流れる。端子GとG′とはいずれも電位がグランド電圧に等しくなるので、端子G、G′間には電流は流れない。
即ち、図19の各コイルの横で丸数字▲2▼を付した矢印に示す方向に電流が流れて正極性または逆極性に励磁し、丸数字▲2▼を付した×印に記すように端子G、G′間のコイルには、電流が流れないので励磁されない。
【0045】
ステップ3においては、スイッチング素子群のうち、T2、T3、T5、T6、T9を導通して、T12、T15、T16、T18、T19の導通はステップ2に継続し、電源Vから夫々のコイルに電流を供給する。
従って、図19、図20において、第1の単位固定子S21においては、端子A、E′に供給された電流は、端子Aから端子A′に流れると共に、端子E′から端子Eに流れ、端子B′、Cに供給された電流は、端子B′から端子Bに流れ、端子C′、Dに供給された電流は、端子Dから端子D′に流れるが、端子CとC′とはいずれも電位が電源電圧に等しくなるので、端子C、C′間のコイルには電流が流れない。
即ち、図19の各コイルの横で丸数字▲3▼を付した矢印に示す方向に電流が流れて正極性または逆極性に励磁し、丸数字▲3▼を付した×印に示すように端子C、C′間のコイルには、電流が流れないので励磁されない。
第2の単位固定子S22の各コイル電流はステップ2と同一で図19の各コイルの横で丸数字▲3▼を付した矢印に示すように励磁状態は変化しない。
以下上記各図に示すように、各導通スイッチング素子を切り替えて励磁を継続し、ステップ21以降はステップ1に戻って同様の励磁を繰り返す。
【0046】
上記の各実施の形態の説明は、本発明に基づくモータの基本的構造とその励磁回路及びその励磁ステップの例を説明したものであって、その使用目的と条件に対応して適宜改変しても良いし、可能なことは当然である。例えば、上記の実施の形態では、本発明の実施態様の内、最も実用性の高いと思われる6相、10相のものについての本発明の実施の形態を説明したが、6相の整数倍、10相の整数倍の相数のものにも本発明が適用可能であることは勿論である。請求項2で、相数と極数を限定してないのは、この理由による。
従って、6相、10相の整数倍の相数のものに本発明を適用する場合には、(1)式のPr=m±2に基づいて磁極数を設定し、その磁極数に対応して定められる単位固定子のコイル数と、この単位固定子の所定コイルに単位回転子の所定磁極を対向させた場合、他の単位モータを構成する単位固定子における前記コイルに対して1/2ピッチ偏位したコイルと対向する単位回転子の前記コイルとの偏位角度を単位回転子に構成する同一磁性極ピッチ角を6相の場合が1/12、10相の場合が1/20であることに準じて設定すればよい。
【0047】
【発明の効果】
本発明に基づく偏平多相永久磁石形ステッピングモータとその励磁回路は、上記のように構成したので、次に示すような優れた効果を有する。
(1)まず、請求項1に記載のように構成すると、次のような効果を有する。
( a )固定子、回転子との磁気結合はアキシャル方向であり、鉄心を積層したハイブリットのモータに対し形状を大幅に薄くすることができる。
( b )固定子の磁極は空芯となっているためディテントトルクやコキングトルクが発生せず、回転時の振動を減少させることができる。
( c )また、コキングトルクがないため回転角に対するトルクの波形歪が少ないので制御性の良いモータにすることができる。
( d )固定子、回転子とも鉄心を使用していないので、高速回転時磁気音を小さくすることができる。
( e )空芯コイル構造でありながら小さいステップ角が得られる。即ち、従来構造での6相ステップ角は15°が限界であるが本構造にすることにより3.75°以下まで可能である。
( f )本発明の偏平多相永久磁石形ステッピングモータは上記のように第1と第2の単位モータにより構成するようにしたので、第1及び第2の単位モータごとに各コイル群の片方の端子を一点に接続するか、両接続点を一点に接続した励磁回路及び第1及び第2の単位モータごとに各コイル群をデルタ接続或いはペンタゴン接続にした励磁回路によって、複数相励磁を可能にしたので、励磁用のスイッチング素子の数を減らせるので、励磁回路の簡略化もでき、駆動コストの低減が図れる。
( g )従って、本発明構造により多相にした場合、駆動回路を形成するスイッチング素子の数を半分に減らすことができる。たとえば6相の場合は12個、10相の場合は20個にすることができて、大幅にコストを低下させることができる。
( h )低コストの複数相励磁を可能にすることによって、振動を低減しながら、出力トルクの増大が図れる。
( i ) 第1及び第2の単位モータのコイル形成ピッチと回転子の磁極形成ピッチを選択することにより、上記( a )〜( h )の機能を有する本発明の偏平多相永久磁石形ステッピングモータを適正に構成することができる。
(2)請求項2に記載のように回転子の磁極数をPr=m±2に設定することにより、上記( a )〜( h )の機能を有する本発明の偏平多相永久磁石形ステッピングモータの磁極数を適正なものとすることができる。
(3)請求項3に記載のように6相モータを構成した場合も、上記(1)(g)に記載したように駆動回路を構成するスイッチング素子を12個で構成できる。
(4)請求項4に記載のように10相モータを構成した場合も、上記(1)(g)に記載したように駆動回路を構成するスイッチング素子を20個で構成できる。
(5)請求項5乃至9に記載のように形成し複数励磁を行える励磁回路を構成すると、励磁用のスイッチング素子の数を減らせるので、励磁回路の簡略化もでき、駆動コストの低減が図れる。また、駆動回路を上記のように構成できるので、ブラシレスモータの駆動回路と共用でき、生産数の面からも、コストダウンが図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づく偏平多相永久磁石形ステッピングモータの概略構造を示す縦断側面図である。
【図2】本発明に基づく第1の実施の形態を説明する6相モータの2個の単位固定子の重なり状況を示す固定子正面図である。
【図3】図2に示す固定子に対応する単位回転子の永久磁石の磁極構成を説明する永久磁石の配置図で、同図(A)は第1の単位回転子、同図(B)は第2の単位回転子、同図(C)は第1の単位回転子の磁極と第2の単位回転子の磁極の位置関係を示す構造説明図である。
【図4】本発明に基づく第1の実施の形態を説明する各単位固定子と、単位回転子の位置関係を示す展開図である。
【図5】本発明に基づく第1の実施の形態を説明する6相モータの場合のコイルの結線図である。
【図6】本発明に基づく第1の実施の形態を説明する6相モータの図5に示すコイル結線の場合の励磁回路図である。
【図7】本発明に基づく第1の実施の形態の働きを説明する図6に示す励磁回路における励磁フロー図である。
【図8】本発明に基づく第1の実施の形態における、図7に示したフローにより駆動原理を説明する励磁フロー図である。
【図9】本発明に基づく第2の実施の形態を説明する複数相励磁を可能にする励磁回路の第1の接続図である。
【図10】本発明に基づく第2の実施の形態を説明する複数相励磁を可能にする励磁回路の第2の接続図である。
【図11】本発明に基づく第2の実施の形態を説明する図9又は図10に示す励磁回路の接続で実現できる4相励磁のフロー図である。
【図12】本発明に基づく第3の実施の形態を説明する複数相励磁を可能にする励磁回路の接続図である。
【図13】本発明に基づく第3の実施の形態を説明する図12に示す励磁回路の接続で実現できる4相励磁のフロー図である。
【図14】本発明に基づく第4の実施の形態を説明する10相モータのコイル結線図である。
【図15】本発明に基づく第4の実施の形態の働きを説明する図12に示すコイル結線の場合の単相励磁フロー図である。
【図16】本発明に基づく第5の実施の形態を説明する複数相励磁を可能にする励磁回路の第1の接続図である。
【図17】本発明に基づく第5の実施の形態を説明する複数相励磁を可能にする励磁回路の第2の接続図である。
【図18】本発明に基づく第5の実施の形態を説明する図16又は図17に示す励磁回路の接続で実現できる8相励磁のフロー図である。
【図19】本発明に基づく第6の実施の形態を説明する複数相励磁を可能にする励磁回路の接続図である。
【図20】本発明に基づく第6の実施の形態を説明する図19に示す励磁回路の接続で実現できる8相励磁のフロー図である。
【図21】従来の偏平多相永久磁石形ステッピングモータの概略構造を示す縦断側面図である。
【図22】従来の偏平多相永久磁石形ステッピングモータの固定子コイルの配置を説明する図21のX−X線方向から見た要部正面図である。
【図23】従来の偏平多相永久磁石形6相ステッピングモータの固定子コイルの結線図である。
【図24】図23に示す偏平多相永久磁石形ステッピングモータの固定子コイルの励磁回路図である。
【図25】従来の偏平多相永久磁石形20相ステッピングモータの固定子コイルの結線図である。
【図26】図25に示す偏平多相永久磁石形ステッピングモータの固定子コイルの励磁回路図である。
【符号の説明】
1:ケース
1T:固定子用鉄板
2:空芯コイル
2A1〜2A6、2B1〜2B6、2C1〜2C10、2D1〜2D10:空芯コイル
3:回転子の磁性体円板
4:永久磁石
5:非磁性体板
6:カバー
7:軸受
8:回転軸
9:ロータブッシュ
S11、S12、S21、S22:単位固定子
R11、R12、S21、R22:単位回転子
T1〜T24:スイッチング素子
Claims (9)
- 電気的に絶縁した磁性体円板上に放射状に所定数の空芯コイルを配設した第1の単位固定子と、該第1の単位固定子の上記コイル表面に対して軸方向に所定間隙を介してN極、S極交互に着磁した永久磁石を配設した磁性体円板を回転自在に支承した第1の単位回転子とよりなる第1の単位モータと、
当該第1の単位モータの構造を反転し、第1の単位固定子に対し非磁性体を介して背中合わせにして同軸に構成した第2の単位固定子及びこれに対応する第2の単位回転子とよりなる第2の単位モータを備え、
上記第1の単位モータを構成する第1の固定子に形成するコイルと第2の単位モータを構成する第2の固定子に形成するコイルとの相互の形成位置を当該コイル形成ピッチ角の1/2ピッチ偏位させ、上記第1の単位モータを構成する第1の回転子に形成する磁極と第2の単位モータを構成する第2の回転子に形成する磁極との相互の形成位置を当該同一磁性極形成ピッチ角の1/4ピッチ偏位させるように構成したことを特徴とする偏平多相永久磁石形ステッピングモータ。 - 請求項1記載の偏平多相永久磁石形ステッピングモータにおいて、
上記各単位モータを構成する回転子の磁極数Prを次式を満足するように形成したことを特徴とする偏平多相永久磁石形ステッピングモータ。
Pr=m±2
但し、mは当該偏平多相永久磁石形ステッピングモータの相数で、1以上の正の整数である。 - 請求項1又は2に記載の偏平多相永久磁石形ステッピングモータにおいて、
第1及び第2の単位モータの各単位固定子のコイル数を夫々6個とし、6相モータを構成するようにしたことを特徴とする偏平多相永久磁石形ステッピングモータ。 - 請求項1又は2に記載の偏平多相永久磁石形ステッピングモータにおいて、
第1及び第2の単位モータの各単位固定子のコイル数を夫々10個とし、10相モータを構成するようにしたことを特徴とする偏平多相永久磁石形ステッピングモータ。 - 各単位モータにおける、相対向する単位固定子のコイル同士が夫々直列接続されて複数のコイル組として形成され、該複数のコイル組夫々の一端が一点に接続された請求項1乃至4のいずれかに記載の偏平多相永久磁石形ステッピングモータを、複数相励磁するように構成したことを特徴とする偏平多相永久磁石形ステッピングモータの励磁回路。
- 第1及び第2の単位モータごとに一点に接続された両単位固定子のコイル組の接続点が、相互に接続されている偏平多相永久磁石形ステッピングモータを、複数相励磁するように構成したことを特徴とする請求項5に記載の偏平多相永久磁石形ステッピングモータの励磁回路。
- 請求項5又は6に記載の偏平多相永久磁石形ステッピングモータの励磁回路において、
各単位固定子のコイルの一点に接続されている夫々の他端を、夫々直列に接続されたスイッチング素子の接続中間点に接続し、複数相励磁をするように構成したことを特徴とする偏平多相永久磁石形ステッピングモータの励磁回路。 - 各単位モータにおける単位固定子のコイルが、夫々デルタ結線されている請求項3に記載の偏平多相永久磁石形ステッピングモータを、複数相励磁するように構成したことを特徴とする偏平多相永久磁石形ステッピングモータの励磁回路。
- 各単位モータにおける単位固定子のコイルが、夫々ペンタゴン結線されている請求項4に記載の偏平多相永久磁石形ステッピングモータを、複数相励磁するように構成したことを特徴とする偏平多相永久磁石形ステッピングモータの励磁回路。
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