JP3601916B2 - 永久磁石式ステッピングモ−タ及びその駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石式ステッピングモータ及びその駆動方法の改良に関するもので、特に、半導体製造装置の位置決め駆動用モータ等を主目的とした、高速で高トルクのダブル３相巻線式の永久磁石式ステッピングモータ及びその駆動方法として適用して有用な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の永久磁石式３相ハイブリッド型（一般にＨＢ型と略すことが多く、以下ＨＢ型と略称する）ステッピングモータの構成を図７に示す。
図７は、ステップ角が０．６度の場合の永久磁石式３相ＨＢ型ステッピングモータの固定子１０を示すもので、この固定子１０には１２個の磁極１１ａ_１〜１１ａ_１２が設けられ、各磁極の先端には複数個（この場合は各７個）の小歯の極歯１１ｂ_１〜１１ｂ_１２が設けられている。
これらの極歯１１ｂ_１〜１１ｂ_１２と所定の空隙を隔てて、円周上に均等に１００個の極歯を設けた回転子（図示せず）が回転自在に設けられている。
なお、固定子１０の各磁極に固定子コイルが装着されるが、簡単のため図示は省略している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のものは、その構成上、次のような問題点があった。
（１）例えば０．６度のステップ角を作るためには、前述のように１００個の回転子の極歯が必要であり、このモータを１回転させるためには１相分のコイル電流で１００サイクル必要となる。
（２）従って、ステッピングモータを高速回転させようとするとリアクタンス成分が増加し、電流の減少が激しく、高速ではトルクが減少してしまう。
本発明は従来のものの上記課題（問題点）を解決するようにした永久磁石式ステッピングモータ及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の永久磁石式ステッピングモータは、上記課題を解決するために、６ｍ個の固定子主磁極（以下主磁極という）をその内径又は外径方向に放射状に有し、各主磁極はＮｓ個の極歯を有し、上記６ｍ個の主磁極の外周又は内周は環状等に連結し、各相分の固定子コイルは各々点対称となる各２個の主磁極を同極性とするように巻かれた固定子と、Ｎｒ個の極歯を有する磁性体より成る２個の回転子磁極により永久磁石を挟持し各回転子磁極の極歯を１／２ピッチずらして設けた回転子（ハイブリッド型回転子といい、ＨＢ型回転子と略称する）とを備えた永久磁石式ステッピングモータにおいて、上記６ｍ個の主磁極の各々同位置の極歯の成す角度が
次の条件の配置となるように構成した。
（イ）６０／ｍ°、６０／ｍ°、（６０／ｍ）−α°、６０／ｍ°、６０／ｍ°、（６０／ｍ）＋α°の以上のｍ回繰返し、又は
（ロ）１２ｍ個の主磁極の場合で、３０°の５回繰り返し、（３０−α）°、３０°の５回繰り返し、（３０＋α）°の以上のｍ回繰返し
但し、ｍ≧１の整数、αは偏角である。
これらの場合、固定子側は上記と同一構成として、回転子の方を上記のＨＢ型回転子に代えて、円筒状マグネットの外周にＮ極及びＳ極に各々交互に磁化して成る回転子で構成するようにしても良い。
上記各場合において、上記偏角αは、α＝３０／Ｎｒ、又はα＝７５／Ｎｒ、又はα＝９０／Ｎｒとするのが望ましい。但し、Ｎｒは回転子磁極の極歯の数、又は円筒状マグネットの極対数（以下回転子歯数と略す）である。
さらに、上記のいずれかに記載の永久磁石式ステッピングモータの駆動方法としては、６ｍ個の主磁極が連続して隣接する３個の主磁極の相巻線の巻終わり同士を短絡したスター結線か巻終わりと次相巻線の巻始めとを結合したデルタ巻線とし、６ｍ個の主磁極のｎ番目と（ｎ＋３）番目の印加電圧の位相差が３０°の励磁電圧で順次駆動するようにした。
この場合、１２ｍ個の主磁極のｎ番目と（ｎ＋６）番目の印加電圧の位相差が３０°の励磁電圧で順次駆動するようにしても良い。
さらに、前述の永久磁石式ステッピングモータを、６ｍ個の主磁極のｎ番目と（ｎ＋３）番目又はｎ番目と（ｎ＋６）番目の印加電圧の位相差を零にして、３相ステッピングモータとして駆動することもできる。
【０００５】
本発明の永久磁石式ステッピングモータは、上記のような構成であるから、ダブル３相（６相）巻線式のステッピングモータに適用して好適のものであり、前述したリアクタンス成分は、従来の３相機で同一ステップ角のものと比較して約半減するため、高速域でも電流が制御できる。従って高速で、高トルクのステッピングモータが実現できる。
即ち、ステップ角は相数をＰ、回転子歯数をＮｒとすると、（１８０／ＰＮｒ）度となるため、同一ステップ角の回転子歯数Ｎｒは、従来の３相機に比べ１／２となる（Ｐ＝６であり、従来の３相機はＰ＝３である）。
また、高速回転時の電流を左右するリアクタンス分はＮｒω_０Ｌ（ω_０：機械角速度、Ｌ：コイルインダクタンス）なので、同一速度（ω_０が同じ）ではＮｒが１／２の本発明の６相（ダブル３相）機の方が従来の３相機の約１／２のリアクタンスとなり、高速でも電流が流れ、高トルクとすることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、第１及び第２の各実施の形態となるインナーロータの構成の場合で本発明を具体的に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態であるダブル３相ＨＢ型ステッピングモータの６ｍ個の主磁極を有する場合のｍ＝２、Ｎｓ＝１、Ｎｒ＝２の例、図４は第２の実施の形態例である１２ｍ個の主磁極を有する場合のｍ＝１、Ｎｓ＝１、Ｎｒ＝２の例における、夫々最も単純化した軸方向からみた固定子と回転子の側面図であり、図２は第１及び第２の各実施の形態が共通に適用されるステッピングモータの構成を示す縦断正面図である。
但し、前述したように、Ｎｓは固定子主磁極に設けた極歯の数、Ｎｒは回転子に設けた極歯の数である。
第１の実施の形態：
まず、図１、図２によって本発明の第１の実施の形態のダブル３相（６相）ＨＢ型ステッピングモータの全体構成の概要を説明する。
図１、図２において、Ｓは固定子で、この固定子Ｓは固定子鉄心１、固定子コイル２（図１では図示を省略している）より成る。
Ｒは回転子で、これは同図に示すように、回転子磁極３Ａ、３Ｂ、これら磁極３Ａ、３Ｂに挟着された永久磁石４（図１では図示を省略している）及び回転子軸５より成る。
次に、図１を用いて、図２に表わされていない固定子及び回転子の構成について説明する。
図１に示すように、固定子Ｓは、１２個の固定子主磁極（以下単に主磁極という）Ａ_１、Ｂ_１、Ｃ_１、Ｄ_１、Ｅ_１、Ｆ_１、Ａ_２、Ｂ_２、Ｃ_２、Ｄ_２、Ｅ_２、Ｆ_２より成り、ステップ角度を小さく設計するためには、図７の従来例の場合に示したように、前記主磁極の各先端に、複数の極歯を形成するのが望ましい。
しかし、図１では簡単のため、これらの極歯は図示してない。
回転子Ｒは図２に示すように、永久磁石４を挟持した回転子磁極３Ａ、３Ｂより成り、これらの回転子磁極３Ａ、３Ｂの外周には極歯が形成されており、回転子軸５の軸方向に磁化するので、図１では永久磁石４は図示されず、前側をＳ極、後側をＮ極として括弧を用いて示している。
１２個の固定子主磁極の内、相互に対向する主磁極、即ち、主磁極Ａ_１とＡ_２、Ｄ_１とＤ_２、・・・・・Ｆ_１とＦ_２が点対称となっており、これらの点対称の２個の各主磁極に対して、相巻線を同極となるように巻くのが望ましい。
また、各主磁極Ａ_１、Ｂ_１、Ｃ_１、Ａ_２、Ｂ_２、Ｃ_２は夫々、相隣る主磁極間を３０度でＡ_１とＡ_２、Ｂ_１とＢ_２、Ｃ_１とＣ_２で１相ずつ計３相となるように配置されている。これは、残りの主磁極Ｄ_１、Ｅ_１、Ｆ_１、Ｄ_２、Ｅ_２、Ｆ_２についても同様である。
しかし、前者の６個の主磁極群に対し後者の６個の主磁極群はα度（機械角）だけ前者にその中間位置より偏角させて配置してあり、その配置は図１の如くなる。
Ｎｒ＝５０の場合は、α＝（３０／Ｎｒ）＝０．６度となり、一方、ステップ角は、｛１８０／（６×５０）｝＝０．６度のステッピングモータとなる。
また、Ｎｒ＝１００の場合は、α＝（３０／Ｎｒ）＝０．３度とすることでステップ角は、１８０／（６×１００）＝０．３度のステッピングモータとなる。
固定子コイル２を各主磁極に巻回して装着する時、１２個の各主磁極に形成されるスロット幅は大きい方が良く、トルクを大きくするには１２個の各主磁極の先端に形成される極歯の数を多くするほど良い。
本実施の形態のように、Ｄ、Ｅ、Ｆ相の位置をＡ、Ｂ、Ｃ相の主磁極位置に対しα度、偏在させる場合、αは小さいほどスロット幅の大小が少なく、コイル巻きには良い。
例えば、固定子内径を３５ｍｍとした場合、Ｎｒ＝５０のステップ角０．６度の設計では、偏角αが０．６度となるが、この偏角のときは円周上の長さとしては約０．１８ｍｍ程度の長さであるので、１２個の先端の極歯を４個としても、十分に、固定子コイルを巻き込める寸法である。
なお、本発明のものでは、α＝９０／Ｎｒ、即ちα＝１．８度（Ｎｒ＝５０の時）でも、ステップ角は０．６度となるが、コイル巻き可能なスロット幅とするには１２個の先端の極歯は３個となり、トルクの点で好ましくないが、実用上は支障は生じない。
上記のように、図１の第１の実施の形態のものでは各相コイルは１２個の主磁極の内、点対称の関係にある対向する２個の各主磁極に巻かれ、かつ同極性になるように巻かれているので、これらの２個の主磁極で回転子の極歯に与えるラジアル方向力は相互に相殺され、従って低振動とすることができる。
【０００７】
次に、第１の実施の形態の固定子の１２個の主磁極Ａ_１〜Ｆ_２に装着する固定子コイル２の具体的な結線方式例を図３によって説明する。
同図において、２ａ_１、２ｂ_１、２ｃ_１、２ａ_２、２ｂ_２、２ｃ_２及び２ｄ_１、２ｅ_１、２ｆ_１、２ｄ_２、２ｅ_２、２ｆ_２は夫々図１での主磁極Ａ_１、Ｂ_１、Ｃ_１、Ａ_２、Ｂ_２、Ｃ_２及びＤ_１、Ｅ_１、Ｆ_１、Ｄ_２、Ｅ_２、Ｆ_２に対して装着される固定子コイルで、これらの各コイルは、図３に示すように、夫々巻終り同士を短絡した２重デルタ結線となっている。
なお、コイル２ａ_１、２ａ_２の巻終り、コイル２ｂ_１、２ｂ_２の巻終わり、２ｃ_１、２ｃ_２の巻終わりを結び、短絡させた、いわゆるスター結線方式とした場合でも、駆動回路に使用するスイッチングトランジスタは１２個でドライブできる。
【０００８】
第２の実施の形態：
図４は本発明の第２の実施の形態を示すものであり、同図に示すように、主磁極の各々同位置の成す隣接角度が、３０°を５回並べた後、（３０−α）°、さらに、３０°を５回並べた後（３０＋α）°となるように形成している。
本実施の形態の場合のステッピングモータの全体の構成は図２に示す第１の実施の形態のものと同様な構成とすれば良い。
本実施の形態の場合は、１２主磁極が点対称になってないため、振動はやや図１に示す第１の実施の形態のものより大きくなるが、ステップ角の微小角化に対しては、第１の実施の形態の場合と同様な効果が得られる。
また、固定子コイルは電流の方向を正、逆交互に反転する交流電流を通電して励磁するバイポーラ式のため、ユニポーラ式のものに比べると、固定子コイルのスペースファクターが大きくなり高効率となる。
また、各相の固定子コイルの巻終りを短絡したスター結線式とする場合には、バイポーラ６相式でも駆動回路に使用するスイッチングトランジスタは１２個で良く、従来の６相機のスイッチングトランジスタより半減される。
なお、各相独立の６相バイポーラ式の場合には、駆動回路に使用するスイッチングトランジスタの数は２４個必要である。
【０００９】
図５は第２の実施の形態の場合の具体的な結線方法をスター結線で示した例であり、図３に示す第１の実施の形態の場合と同じく１２個のスイッチングトランジスタで駆動できる。
本結線の入力端子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆには、駆動回路が接続され同回路に使用されるブリッジ結合の２個のスイッチングトランジスタの内、一方のスイッチングトランジスタを電源の（＋）側に、他方のスイッチングトランジスタを電源の（−）側に接続する。
この２個のスイッチングトランジスタの内、どちらか一方のスイッチングトランジスタを導通させることで各相に交番電流を流すことができる、いわゆるバイポーラ式となり高トルク化に有利となる。
普通バイポーラ式で各相独立の６相式とすると、２４個のスイッチングトランジスタが必要となるが、本発明の駆動方式では１２個のスイッチングトランジスタで済む点に利点がある。
【００１０】
図６は、上記した本発明の第１及び第２の各実施の形態の各ステッピングモータの固定子コイルに印加する励磁電圧を示すもので、同図において、Ｖａ〜Ｖｆは夫々図３又は図５の入力端子ａ〜ｆに印加する励磁電圧の波形である。Ｖａ〜Ｖｆの副字である小文字のａ〜ｆと入力端子ａ〜ｆと一致させて結線させる。
同図に示すようにａ、ｂ、ｃの各端子及びｄ、ｅ、ｆの各端子の各々に印加される励磁電圧は６０度の位相差の電圧となっており、この結果、入力端子ａ、ｂ、ｃの群と入力端子ｄ、ｅ、ｆの群間の位相差角をδとするとδは３０度の位相差の電圧が印加されるようにすることが望ましい。
しかし、０°≦δ＜３０°でも動作可能でありδ＝０°では３相ステッピングモータとして動作させることができる。
【００１１】
本発明のステッピングモータは、その動作原理は、例えば、第１の実施の形態のものについていえば、図６において、Ａ、Ｂ、Ｃ相は各々Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃが印加されて３相のステッピングモータとして動作可能であるが、そのＡ相とＢ相の間にＶｄによりＤ相が、Ｂ相とＣ相の間にＶｅによりＥ相が、Ｃ相とＡ相の間にＶｆによりＦ相が励磁されるために、各々の中間のＤ、Ｅ、Ｆ相で回転子が停止できるために分解能が３相の２倍となることがダブル３相の原理である。
【００１２】
本発明は以上述べた各実施の形態のものに限定されるものではない。
即ち、図１及び図２に示す第１の実施の形態のものは、ダブル３相（６）相巻線式の永久磁石式ステッピングモータであるが、例えば固定子主磁極Ａ_１、Ｂ_１、Ｃ_１、Ａ_２、Ｂ_２、Ｃ_２の各コイルのみを励磁して３相機として駆動することもでき、このように３相機として駆動する場合には、前述したように６相機として駆動する場合の２倍のステップ角で動作させることができる。
このことは、固定子主磁極Ｄ_１、Ｅ_１、Ｆ_１、Ｄ_２、Ｅ_２、Ｆ_２の各コイルを励磁する場合でも同様である。
また、図３に示した結線方式に代え、Ａ、Ｂ、Ｃ群の各固定子主磁極とＤ、Ｅ、Ｆ群の各固定子主磁極の各々のコイルを直列又は並列接続するようにしても良い。ここで、Ａ群とは主磁極Ａ_１、Ａ_２を１対としたものを指すように表示したもので、他のＢ〜Ｆ群についても同様な趣旨で表示している。
【００１３】
さらに、上記実施の形態のものは、図１、図２及び図４に示した固定子と、ハイブリッド（ＨＢ）型の回転子構造であった。
しかし、本発明はこのようなハイブリッド型の回転子に限定されるものではなく、このようなハイブリッド型の回転子に代えて、円筒状永久磁石（図示せず）を用い、その外周にＮ極とＳ極を交互にハイブリッドの場合の歯数に等しい各Ｎｒ個磁化するようにしても、上述した動作を行うものである。
なお、この場合、Ｎｒは奇数で点対称の２主磁極は同相異極性に巻かれても点対称の２主磁極と回転子間に働くラジアル方向の吸引力を打ち消すことができる。
これはＮｒが奇数の時、回転子の１８０°（点対称）の位置は互いに異極に磁化されているためである。
また、このように円筒状永久磁石とした場合は、Ｎ極、Ｓ極に磁化すると磁化が正弦波状に表面磁束密度分布するので、ハイブリッド型より低振動化に有利となる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の永久磁石式ステッピングモータは、上記のように構成され、また駆動されるから、次のような優れた効果を有する。
（１）本発明を第１の実施の形態に示すように６相（ダブル３相）機に適用した場合、従来の３相機のものに比べ、１／２の回転子歯数で同一ステップ角が得られるから、高速で、高トルクのステッピングモータとなる。
（２）バイポーラ式とした場合には、高トルクに有利であり、本発明のステッピングモータはスイッチングトランジスタの数も１２個で済み、従来のものの半分で良いから、ドライバー（駆動回路）も安価となる。
（３）３相機として駆動する場合には、６相（ダブル３相）機として駆動する場合の２倍角ドライブが可能となるから、自由度が向上する。
（４）回転子を円筒状永久磁石とすれば、低振動化が、さらに促進される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるダブル３相ハイブリッド型ステッピングモータの固定子と回転子の一実施の形態を示す概略側面図である。
【図２】第１、第２の各実施の形態に共通ステッピングモータの構成を示す縦断正面図である。
【図３】第１の実施の形態の固定子コイルに対する結線方式の一例を示す接続図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す概略側面図である。
【図５】第２の実施の形態の固定子コイルに対する結線方式の一例を示す接続図である。
【図６】本発明の固定子コイルの入力端子に印加される励磁電圧の波形図である。
【図７】従来例の固定子の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１：固定子鉄心
Ａ_１〜Ｆ_２：固定子主磁極
２、２ａ_１〜２ｆ_２：固定子コイル
３Ａ、３Ｂ：回転子磁極
４：永久磁石
Ｓ：固定子
Ｒ：回転子

Claims (6)

1. 略環状固定子鉄心が巻線された６ｍ個の固定子主磁極を内径又は外径方向に放射状に有し、その各先端にはＮｓ個の極歯を有し、エアギャップを介して、Ｎｒ個の極歯を有する磁性体２個で永久磁石を挟持したハイブリッド型回転子（以下ＨＢ型回転子と称す）、又は、Ｎ、Ｓ極交互に計２Ｎｒ個の極数の永久磁石回転子を有するステッピングモータにおいて、
   ６ｍ個の主磁極の各々同位置の極歯の成す隣接角度が、次の各順序をｍ回繰返すように配置したことを特徴とする永久磁石式ステッピングモータ。
   （１）６０／ｍ
   （２）６０／ｍ
   （３）（６０／ｍ）−α
   （４）６０／ｍ
   （５）６０／ｍ
   （６）（６０／ｍ）＋α
   但し、ｍ≧１の整数、Ｎｓ≧１の整数、Ｎｒ≧２の整数、αは偏角（機械角）である。
2. 略環状固定子鉄心が巻線された１２ｍ個の固定子主磁極を内径又は外径方向に放射状に有し、その各先端にはＮｓ個の極歯を有し、エアギャップを介して、Ｎｒ個の極歯を有するＨＢ型回転子又はＮ、Ｓ極交互に計２Ｎｒ個の極数の永久磁石回転子を有するステッピングモータにおいて、
   １２ｍ個の主磁極の各々同位置の極歯の成す隣接角度が、次の各順序をｍ回繰返すように配置したことを特徴とする永久磁石式ステッピングモータ。
   （１）３０／ｍの５回繰返し
   （２）（３０／ｍ）−α
   （３）３０／ｍの５回繰返し
   （４）（３０／ｍ）＋α
   但し、ｍ≧１の整数、Ｎｓ≧１の整数、Ｎｒ≧２の整数、αは偏角（機械角）である。
3. 請求項１又は２に記載のステッピングモータにおいて、
   α＝３０／Ｎｒ、又はα＝７５／Ｎｒ、又はα＝９０／Ｎｒのいずれかとした永久磁石式ステッピングモータ。
4. 略環状固定子鉄心が巻線された６ｍ個の固定子主磁極を内径又は外径方向に放射状に有し、その各先端にはＮｓ個の極歯を有し、エアギャップを介して、Ｎｒ個の極歯を有するＨＢ型回転子、又はＮ、Ｓ極交互に磁化された永久磁石回転子を有するステッピングモータにおいて、
   ６ｍ個の主磁極が連続して隣接する３個の主磁極の相巻線の巻終わり同士を短絡したスター結線とするか、又は巻終わりと次相巻線の巻始めとを結合したデルタ巻線とし、６ｍ個の主磁極のｎ番目と（ｎ＋３）番目の印加電圧の位相差が３０°の励磁電圧で順次駆動する永久磁石式ステッピングモータの駆動方法。
   但し、Ｎｓ≧１の整数、Ｎｒ≧２の整数、ｍ≧１の整数、ｎ≧１の整数である。
5. 請求項４記載のステッピングモータの駆動方法において、
   １２ｍ個の主磁極のｎ番目と（ｎ＋６）番目の印加電圧の位相差が３０°の励磁電圧で順次駆動する永久磁石式ステッピングモータの駆動方法。
6. 請求項１乃至３に記載の永久磁石式ステッピングモータを、請求項４又は５に記載の駆動方法で駆動させる時、６ｍ個の主磁極のｎ番目と（ｎ＋３）番目、又は１２ｍ個の主極のｎ番目と（ｎ＋６）番目の印加電圧の位相差をδとした永久磁石式ステッピングモータの駆動方法。但し０°≦δ＜３０°

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