JP3679344B2

JP3679344B2 - Flat multiphase permanent magnet type stepping motor and its excitation circuit

Info

Publication number: JP3679344B2
Application number: JP2001123388A
Authority: JP
Inventors: 弘毅礒崎; 裕一津田; 淳史六戸
Original assignee: 日本サーボ株式会社
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2021-04-20
Also published as: JP2002320370A

Description

【０００１】
【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１７に示す。同図において、１は固定子、２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１はブラケット１Ｂを介して軸受７により支承される。図１８は図１７のＸ−Ｘ線方向から見た空芯コイル２の配置状況を示した要部側面図である。
永久磁石４は、このコイル２の配置ピッチに対応して装着されている。
【０００３】
図１９はコイル数が２４で６相の場合のコイル結線図、図２０は図１９に示すコイルに対する励磁回路である。
図１９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２０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１９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２０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１９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、▲１▼の方向に電流が流れると、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２１は、コイル数が４０で１０相の場合のコイル結線図を、図２２は図２１に示すコイルに対する励磁回路である。
図２１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。なお、Ｖは電源である。
図２２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２１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。
即ち、図２２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２１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、▲１▼の方向に電流が流れると、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▼相数を多くせずにステップ角を小さくしようとすれば、モータのステップ角（分解能）はθ＝360°／ｍＰｒの式で表されるので、固定子の相数（ｍ）、回転子の磁極数（Ｐｒ）で決まってしまい、回転子の磁極数を多くしなければならない。例えば、２相ステッピングモータで回転子の磁極数を１００とした場合、ステップ角θ＝360°/(2×100)＝1.８°が得られる。
また、３相で回転子の磁極数を１００とした場合、ステップ角は同様にして1.2°が得られる。回転子の磁極数は着磁器の精度能力によって決まり、無制限に磁極数を多くとることができず１００極前後が限界である。
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２０、図２２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ともに、コストがアップ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、非磁性体円板を介して同軸に構成した第２の単位回転子及び第２の単位固定子よりなる第２の単位モータとによって構成した。
【０００９】
また、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磁極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。
【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について図１乃至図１６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。
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、Ｓ１１は第１の単位固定子、Ｒ１１は第１の単位回転子、Ｓ１２は第２の単位固定子、Ｒ１２は第２の単位回転子である。
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、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１の単位モータと第２の単位モータとは固定子同士が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、間に非磁性体円板５を挟んで相互に背中合わせにして固定され、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、３は磁性体円板であって、中央部で回転軸８に固定されている。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のＮ極とＳ極が交互に配設されて夫々が磁極を形成している。
上記の主要構造において、第１の単位固定子Ｓ１１と第２の単位固定子Ｓ１２夫々の円形状鉄板の外周端は、円周リング６によって固定されるとともに、中心部は各ブラケット１Ｂを介して軸受７に支承され、また回転軸８は軸受７により回転自在に支承されている。
【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個のコイルを点線で、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ともに、Ｎ極、Ｓ極の永久磁石４を夫々４対を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に形成される空芯コイル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に形成される空芯コイル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の任意の空芯コイルと隣接する空芯コイルとの偏位角は、同図において、ＳＡ１と隣接する磁極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、磁極ＳＡ１を基準にすると、磁極ＳＡ１と磁極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。
【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に形成される空芯コイル２Ａ１乃至２Ａ６を、点線で示す６角形は第２の単位固定子Ｓ１２に形成される空芯コイル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】
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。
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、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、端子ＡからＡ′方向への電流供給（正方向と記す）、下側の矩形は、例えば、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１２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磁極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及び図１０によって、第２の実施の形態の６相モータの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、端子ＡからＡ′方向への電流供給、下側の矩形は、例えば、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に逆方向に流すとともに、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に逆方向に流すとともに、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１２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、第３の実施の形態として、図１２乃至図１６によって各単位モータが１０個のコイルの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。
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。
【００２９】
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のコイル中心と第２の単位固定子Ｓ１２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。
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を段落番号００２８に示したように１２とすると、
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。
【００３０】
次に、図１２によってコイルの結線を説明する。
図１２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）に形成される空芯コイル２Ｃ１乃至２Ｃ１０を、点線で示す６角形は第２の単位固定子Ｓ２２（図示せず）に形成される空芯コイル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Ｓ２１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。
【００３１】
次に、図１３によって単相励磁の場合の励磁ステップについて説明する。励磁方法について説明する。
励磁回路は、従来の技術と第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１３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、端子ＡからＡ′方向（正方向）への電流供給への電流供給、下側の矩形は、例えば、端子Ａ′からＡ方向（逆方向）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、端子ＡからＡ′方向、即ち、正方向へ電流を供給する。即ち、第１の単位固定子Ｓ２１のコイル２Ｃ１とコイル２Ｃ６を所定の極性に励磁し、ステップ２には、端子ＦからＦ′方向（正方向）へ電流を供給する。即ち、第２の単位固定子Ｓ２２のコイル２Ｄ１とコイル２Ｄ６を所定の極性に励磁し、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１の単位固定子Ｓ２１のコイル２Ｃ２とコイル２Ｃ７とを前記とは逆の極性に励磁する。
以下同様に、図１３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２０以降はステップ１に戻って同様の励磁を繰り返す。
【００３２】
第４の実施の形態：
次に、図１４乃至図１６によって、本発明の第４の実施の形態である１０相モータのコイル接続例と、その接続に対応させた複数相励磁を可能にする励磁回路例を説明する。
（４−１）第１のコイル接続例
図１４において、ＡＡ′、ＢＢ′、ＣＣ′、ＤＤ′、ＥＥ′、ＦＦ′、ＧＧ′、ＨＨ′、ＩＩ′．ＪＪ｀は、夫々図１２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の接続点に接続して、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。
【００３３】
第２の単位固定子Ｓ２２（図示せず）の、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の接続点に接続し、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。
【００３４】
（４−２）第２のコイル接続例
図１５により第２のコイル接続例を説明する。
図１５は、図１４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。
【００３５】
（４−３）複数相励磁例
上記図１４に示した接続例における８相励磁のフローを図１６によって説明する。
図１６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、端子ＡからＡ′方向への電流供給、即ち、正方向の励磁電流、即ち、正極性の励磁と称し、下側の矩形は、例えば、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、同図において、ステップ１には、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′に逆方向に流すとともに、スイッチング素子Ｔ１２とＴ１４及びスイッチング素子Ｔ１６とＴ１８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には、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Ｔ１６とＴ１８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２０以降はステップ１に戻って同様の励磁を繰り返す。
【００３６】
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。
【００３７】
【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▼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。
▲２▼固定子の磁極は空芯となっているため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。
▲３▼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。
▲４▼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。
▲５▼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。
▲６▼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により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。
▲７▼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。
▲８▼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。
▲９▼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あって、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１０相モータのコイル結線図である。
【図１３】本発明に基づく第３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１４】本発明に基づく第４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１５】本発明に基づく第４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１６】本発明に基づく第４の実施の形態を説明する図１３又は図１４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１７】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１８】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１６のＸ−Ｘ線方向から見た要部側面図である。
【図１９】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２０】図１９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２１】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２２】図２１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】
１Ｔ：固定子の鉄板
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：非磁性体円板
７：軸受
８：回転軸
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[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a flat multi-phase permanent magnet type stepping motor and its excitation circuit, and is particularly suitable for high-speed operation such as printers, FAX, and PPC copying machines, which are suitable for office automation equipment requiring precise positioning functions. The present invention relates to improvement of a high-resolution flat multi-phase permanent magnet type stepping motor and its excitation circuit.
[0002]
[Prior art]
FIG. 17 shows a vertical side view of a conventional flat multiphase permanent magnet type stepping motor (hereinafter abbreviated as a motor). In the figure, 1 is a stator, 2 is an air-core coil formed radially, and 3 is a magnetic disk fitted with a permanent magnet 4. The magnetic disk 3 is fixed to the rotating shaft 8, and the stator 1 is supported by the bearing 7 via the bracket 1B. FIG. 18 is a side view of the main part showing the arrangement of the air-core coil 2 as viewed from the XX line direction of FIG.
The permanent magnet 4 is mounted in correspondence with the arrangement pitch of the coils 2.
[0003]
FIG. 19 is a coil connection diagram when the number of coils is 24 and 6 phases, and FIG. 20 is an excitation circuit for the coil shown in FIG.
In FIG. 19, Φ1 to Φ24 indicate coils, A to F are one terminal in which the coils are connected in series for each phase, and A ′ to F ′ are the other of the coils connected in series. Terminals are shown.
In FIG. 20, T1 to T24 denote switching elements such as switching transistors for exciting the coils, and ΦAA ′ to ΦFF ′ denote coil groups connected in series for each phase as shown in FIG. V is a power source.
The four switching elements are bridge-connected for each phase, and the series-connected coil groups are connected to the intermediate portion thereof.
That is, in FIG. 20, the first switching element T1 and the second switching element T13, and the third switching element T2 and the fourth switching element T14 are connected in series, respectively. The terminals A and A 'of the first phase coil group shown are connected.
In this connection, for example, when the first switching element T1 and the fourth switching element T14 are brought into conduction and a current flows in the direction (1), the current flows in the direction from the terminal A to the direction A 'of the first phase coil group. Flows.
Thus, the motor is rotated by sequentially energizing each switching element and exciting each phase.
[0004]
FIG. 21 is a coil connection diagram when the number of coils is 40 and 10 phases, and FIG. 22 is an excitation circuit for the coils shown in FIG.
In FIG. 21, Φ1 to Φ40 denote coils, A to T denote one terminal in which the coils are connected in series for each phase, and A ′ to T ′ denote the other of the coils connected in series. The terminal is shown. V is a power source.
In FIG. 22, T1 to T40 denote switching elements such as switching transistors for exciting the respective coils, and ΦAA ′ to ΦTT ′ denote coil groups connected in series for each phase as shown in FIG.
Each of the four switching elements is bridge-connected for each phase, and each series of coils connected in series is connected to the intermediate portion thereof.
That is, in FIG. 22, the first switching element T1 and the second switching element T21, and the third switching element T2 and the fourth switching element T22 are connected in series, respectively. The terminals A and A 'of the first phase coil group shown are connected.
In this connection, for example, when the first switching element T1 and the fourth switching element T22 are brought into conduction and a current flows in the direction (1), the current flows in the direction from the terminal A to the direction A 'of the first phase coil group. Flows.
Thus, the motor is rotated by sequentially energizing each switching element and exciting each phase.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, according to the structure of the conventional air-core coil type flat stepping motor as described above, there are the following problems.
(1) In order to achieve a multi-phase structure, a large number of stator coils must be arranged. However, since the coil needs to have a coil width of at least a predetermined value, the number of coils is limited on a limited circumference. It cannot be taken too much, so there is a limit to the minimum step angle.
For example, in the case of a 6-phase motor, the magnetic pole coils formed in the stator operate in principle even with a total of 12 magnetic pole coils of 2 for each phase, but a magnetic moment works, so 24 or more coils are required. . Similarly, in the case of 10 phases, 40 coils are required.
[0006]
(2) If the step angle is reduced without increasing the number of phases, the motor step angle (resolution) is expressed by the equation θ = 360 ° / mPr, so the number of stator phases (m), It is determined by the number of magnetic poles (Pr) of the rotor, and the number of magnetic poles of the rotor must be increased. For example, when the number of magnetic poles of the rotor is 100 in a two-phase stepping motor, a step angle θ = 360 ° / (2 × 100) = 1.8 ° is obtained.
Further, when the number of magnetic poles of the rotor is 100 for three phases, the step angle is similarly 1.2 °. The number of magnetic poles of the rotor is determined by the accuracy capability of the magnetizer, and the number of magnetic poles cannot be increased without limit, and the limit is around 100 poles.
There is also a micro-step drive that changes the current passed through the stator windings in a staircase pattern.
However, with this method, the stationary position of the rotor is determined by the relative value of the current flowing through each phase, so it is difficult to obtain a precise resolution due to variations in the flowing current value and variations in the switching elements.
[0007]
(3) In the conventional structure, in order to excite the coil, four switching elements for each phase are required as shown in FIGS. Accordingly, 24 switching elements are required in the case of 6 phases and 40 switching elements are required in the case of 10 phases. For this reason, there are problems that the excitation circuit becomes complicated and the cost increases.
(4) For the above reasons, flat type motors are often shaped appropriately according to the conditions of the equipment used, but in reality, air core coil flat type multi-phase stepping motors are mostly on the market. The fact is not.
The present invention solves the above-mentioned problems (problems) and achieves a multiphase structure by arranging a stator and a rotor in a tandem structure to obtain a flat, high-resolution, high-precision motor, and at the same time, a multiphase motor. It is aimed to be able to be driven at low cost.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, in the flat multiphase stepping motor according to the present invention, a predetermined number of air-core coils are radially arranged on an electrically insulated magnetic disk. A magnetic disk having a first unit stator and a permanent magnet magnetized alternately with N and S poles through a predetermined gap with respect to the coil surface of the first unit stator. A first unit motor composed of a first unit rotor that is rotatably supported, and a second unit rotation that is configured coaxially through a non-magnetic disk by inverting the structure of the first unit motor. And a second unit motor including a child and a second unit stator.
[0009]
Also ,Up The flat multi-phase permanent magnet type stepping motor described above includes a coil formed on the first stator constituting the first unit motor and a coil formed on the second stator constituting the second unit motor. The second rotor constituting the second unit motor and the magnetic poles formed on the first rotor constituting the first unit motor are shifted by ½ pitch of the coil formation pitch angle. The magnetic pole forming position with respect to the magnetic pole formed on the magnetic pole is deviated by 1/4 pitch of the same magnetic pole forming pitch angle. Has been .
[0010]
In this case, the number of magnetic poles Pr of the rotor constituting each unit motor is as follows. 2 It is desirable to form so as to satisfy the following formula as described in (1).
Pr = m ± 2
Here, m is the number of phases of the flat multiphase permanent magnet type stepping motor.
Claims 3 Or 4 As described above, it is appropriate that the flat multiphase permanent magnet type stepping motor has six phases or ten phases.
[0011]
Claims 1 to 4 An exciting circuit of the flat multiphase permanent magnet type stepping motor according to any one of claims 5 Or, in each unit motor, it is possible to perform multi-phase excitation by connecting the ends of a plurality of sets of unit stator coils facing each other in series to one point. 6 As described in the above, it is desirable that the connection points of the coil sets of the unit stators connected to one point for each of the first and second unit motors are connected to each other to excite a plurality of phases.
Further, the excitation circuit is claimed in claim 7 As described above, the multi-phase excitation can be performed by connecting the opposite terminal connected to one point of the coil of each unit stator to the connection point of the switching elements connected in series.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the structure of a flat multiphase permanent magnet type stepping motor (hereinafter abbreviated as a motor) according to the present invention and its excitation circuit will be described in detail with reference to FIGS.
In each figure, elements having functions corresponding to those described in the prior art are denoted by the same reference numerals as those in the prior art, and detailed description thereof is omitted.
First embodiment:
As a first embodiment, the present invention will be described in the case of a six-phase motor in which two unit motors are each composed of six coils and have three phases, and thus double three phases.
FIG. 1 is a longitudinal side view showing a schematic configuration of the six-phase motor according to the present invention.
In FIG. 1, S11 is a first unit stator, R11 is a first unit rotor, S12 is a second unit stator, and R12 is a second unit rotor.
The first unit stator S11 and the first unit rotor R11 constitute a first unit motor, and the second unit stator S12 and the second unit rotor R12 constitute a second unit motor. Yes.
The first unit motor and the second unit motor are configured on the same axis with the stators facing each other.
Note that the first unit stator S11 and the second unit stator S12 are configured by a circular iron plate 1T whose surfaces are electrically insulated. Reference numeral 2 denotes air-core coils arranged radially on the surface of the iron plate 1T at the same pitch.
The first unit rotor R11 and the second unit rotor R12 are fixed back to back with the nonmagnetic disc 5 interposed therebetween, and each of the first unit rotor R11 and the second unit rotor R12 is fixed to the first unit stator S11. A predetermined gap is provided between each of the second unit stators S12 to face each other.
[0013]
In the first unit rotor R11 and the second unit rotor R12, 3 is a magnetic disk, which is fixed to the rotary shaft 8 at the center. On the surface of the magnetic disk 3, the N pole and the S pole of the permanent magnet 4 having a shape corresponding to the shape of the coil are alternately arranged at a pitch corresponding to the pitch of the coil disposed on each unit stator. Each of them forms a magnetic pole.
In the main structure described above, the outer peripheral ends of the circular iron plates of the first unit stator S11 and the second unit stator S12 are fixed by the circumferential ring 6, and the central portion is interposed via each bracket 1B. The rotary shaft 8 is supported by the bearing 7 and is rotatably supported by the bearing 7.
[0014]
FIG. 2 is a diagram for explaining the positional relationship between the air-core coils 2 formed in the first unit stator S11 and the second unit stator S12, and the number of coils formed in each unit stator is six. The case of the piece is illustrated.
In the figure, the solid lines indicate the coils formed on the first unit stator S11, and six coils are indicated by 2A1 to 2A6, and are formed on the second unit stator S12. The individual coils are indicated by dotted lines 2B1 to 2B6.
Each of the coils 2A1 to 2A6 and 2B1 to 2B6 is a coil having the same shape and the same number of turns, but as shown in the figure, when the pitch angle between the coils is τS, it is formed in the first unit stator S11. And the coil formed on the second unit stator S12 are offset by (1/2) τS.
[0015]
FIGS. 3A and 3B show a configuration example of the permanent magnet of the rotor corresponding to the stator structure shown in FIG.
3A shows the first unit rotor R11 and FIG. 3B shows the second unit rotor R12 in the same fixed state corresponding to the mutual positional relationship shown in FIG. Show.
As shown in FIG. 1, in each of the first unit rotor R11 and the second unit rotor R12, 4 pairs of N-pole and S-pole permanent magnets 4 are made to correspond to the coil shapes of the opposing unit stators. As shown in FIGS. 3A and 3B, the magnetic poles of the unit rotors R11 and R12 are arranged in a circular radial pattern.
As shown in FIG. 3C, the magnetic pole of the first unit rotor R11 and the magnetic pole of the second unit rotor R12 have a magnetic pole formation pitch angle τR of the same polarity on the disc (1 / 4) Pitch deviation.
Further, when the total number (number of magnetic poles) of both N and S magnetic poles on each unit rotor is Pr, the number of magnetic poles Pr is formed so as to satisfy the following expression (1).
Pr = m ± 2 (1)
Where m is the number of phases of the motor.
That is, in the present embodiment, the case of 6 phases is illustrated, so m = 6.
Therefore, Pr = 6 ± 2 to Pr = 8 or Pr = 4 is obtained, and FIG. 3 shows the case of 8 poles.
[0016]
Next, the basis for obtaining the above equation (1) will be described with reference to a development view of the motor shown in FIG. In FIG. 4, the positional relationship between the unit stator and the unit rotor is modified so as to be easily understood.
In the figure, as described above, S11 is the first unit stator, S12 is the second unit stator, R11 is the first unit rotor, R12 is the second unit rotor, 2A1, 2A2, 2A3. 2A4 is a coil disposed on the first unit stator S11, and 2B6, 2B1, 2B2, 2B3, and 2B4 are coils disposed on the second unit stator S12, respectively. The coils 2B6, 2B1, 2B2, and 2B3 arranged on the second unit stator S12 are respectively (1) from the coils 2A1, 2A2, 2A3, and 2A6 (not shown) arranged on the first unit stator S11. / 2) It is formed with τS deviation. However, τS is the pitch angle between the coils as described above.
Further, the same poles of the magnetic poles formed in the first unit rotor R11 and the second unit rotor R12 are formed with a (1/4) τR deviation. However, τR is the pitch angle between the same poles as described above.
[0017]
As shown in FIG. 4, the distance between the center of the coil 2A1 of the first unit stator S11 and the center of the coil 2B1 of the second unit stator S12 (angle viewed from the center of each unit stator) is θd. Then, θd is expressed by the following equation (2), as is apparent from FIG.
θd = (1/4) τR ± θs (2)
Note that the above θs corresponds to a rotation angle in one excitation step and is referred to as a displacement angle in the following description.
By the way, when τPr is the pitch angle between the different poles of the permanent magnet, the pitch angle τR between the same poles formed in each unit rotor is expressed by equation (3).
τR = 2τPr (3)
Further, since the total number of permanent magnets (the number of magnetic poles) formed in each unit rotor is Pr, the pitch angle τPr is expressed by the following equation (4).
τPr = 2π / Pr (4)
When the number of phases of the motor is 6 or more and the number of phases is indicated by m, the rotor magnetic pole moves (rotates) in 2 m steps in the motor shown in the present embodiment. ) Must be satisfied.
θs = (1 / 2m) τR (5)
Incidentally, the above-mentioned distance θd between the center of the coil 2A1 of the first unit stator S11 and the center of the coil 2B1 of the second unit stator S12 is naturally
Since it is expressed by θd = 2π / 2m, the above equation (2) becomes the following equation (6).
2π / 2m = (1/4) τR ± (1 / 2m) τR (6)
By the way, the relationship between the pitch angle between the same poles of each unit rotor and the number Pr is expressed by the following expression (7) from the expressions (3) and (4). Substituting into the formula (6) and rearranging gives the formula (1) described above.
τR = 2τPr = 4π / Pr (7)
Pr = m ± 2 (1)
[0018]
As shown in the above equation (5), θs = (1/2 m) τR. Therefore, in the case of 6 phases shown in this embodiment,
θs = (1/12) τR (8)
It becomes.
In the six-phase motor according to the present invention, the distance (angle) θd between the corresponding coils of the adjacent stators is 360/12 because θd = (1/2) τS as shown in FIG.
Therefore, for example, in a state where the air-core coil 2A1 formed in the first unit stator S11 and the north pole of the first unit rotor R11 are in the opposite positions, the first unit stator S11 is formed in the second unit stator S12. The deviation angle θs between the air-core coil 2B1 and the N pole of the second unit rotor R12 is (1/12) τR, and in this embodiment, it is shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B). Because the permanent magnet is formed with 8 pieces,
τR = 2π / 4 = π / 2, and thus θs = π / 24.
Also, in FIG. 4, the deviation angle between an arbitrary air core coil of the first unit stator S11 and the adjacent air core coil is the deviation angle between SA1 and the adjacent magnetic pole SA2 in FIG. Therefore, from the equation (2),
2θd = (1/2) τR ± 2θs.
Similarly, on the basis of the magnetic pole SA1, the deviation angle between the magnetic pole SA1 and the magnetic pole SB2 is
3θd = (3/4) τR ± 3θs
As described above, the deviation angle from the pitch angle of the rotor magnetic pole between adjacent (including facing) unit stators is increased by a multiple of θs.
[0019]
Next, the connection of the coils of the six-phase motor configured as described above will be described with reference to FIG.
In the figure, the hexagon shown by the solid line is the air-core coil 2A1 to 2A6 formed on the first unit stator S11, and the hexagon shown by the dotted line is the air-core coil 2B1 formed on the second unit stator S12. 1 to 2B6 are shown respectively.
In the figure, the coil of the first unit stator S11 is connected from the terminal A to the terminal A ′ by connecting the coil 2A1 and the coil 2A4 in series in the same winding direction. Similarly, from terminal B, coil 2A2 and coil 2A5 are connected in series in the same winding direction and connected to terminal B ', and from terminal C, coil 2A3 and coil 2A6 are connected in series in the same winding direction and terminal Connected to C ′. The coil of the second unit stator S12 is connected from the terminal D to the terminal D ′ by connecting the coil 2B1 and the coil 2B4 in series in the same winding direction. Similarly, from terminal E, coil 2B2 and coil 2B5 are connected in series in the same winding direction and connected to terminal E ', and from terminal F, coil 2B3 and coil 2B6 are connected in series in the same winding direction to terminal Connected to F ′.
[0020]
The excitation circuit is connected to the connection point of the switching elements in which the terminals shown in FIG. 6 are connected in series.
In FIG. 6, T1 to T24 are switching elements such as switching transistors for exciting each coil, and V is a power source. Illustration of the control circuit of each switching element is omitted.
The switching elements T1 and T13 are connected in series, and one terminal A in which the coils 2A1 and 2A4 of the first unit stator S11 are connected in series is connected to the connection point, and the other terminal A ′ is connected in series. One terminal B in which the switching elements T2 and T14 are connected in series, the switching elements T3 and T15 are connected in series, and the coils 2A2 and 2A5 of the first unit stator S11 are connected in series to the connection point. The other terminal B ′ is connected to the connection point of the switching elements T4 and T16 connected in series, and the description thereof will be omitted below. Similarly, the connection point of the four switching elements connected in a bridge connection is connected to each other. Are connected in series in the same winding direction.
[0021]
Next, a flow example of single-phase excitation when excitation is performed by the excitation circuit shown in FIG. 6 will be described with reference to FIG.
FIG. 7 shows the time transition from the first step to the fifteenth step in the excitation sequence on the horizontal axis, and the vertical axis shows the names of the terminals that supply the excitation current.
The upper rectangle in the line drawn from each terminal name is, for example, current supply from the terminal A to the A ′ direction (referred to as the positive direction), and the lower rectangle is, for example, the terminal A ′ to the A direction. Current supply to (indicated as reverse direction) is shown.
That is, in the figure, in Step 1, a current in the A ′ direction (positive direction) is supplied from the terminal A. Therefore, the switching elements T1 and T14 shown in FIG. 6 are turned on, and a current flows in the positive direction through the coils 2A1 and 2A4 of the first unit stator S11 to excite them in a predetermined direction. To D ′ direction (positive direction).
That is, the switching elements T7 and T20 are made conductive, current is passed through the coils 2B1 and 2B4 of the second unit stator S12 in the positive direction to excite in the positive direction. Supply current in the reverse direction. Therefore, the switching elements T4 and T15 are conducted, and currents are passed through the coils 2A2 and 2A5 of the first unit stator S11 in the reverse direction to excite them in the reverse direction.
Hereinafter, as shown in FIGS. 6 and 7, the conduction switching elements are switched to continue the excitation, and after step 12, the process returns to step 1 to repeat the same excitation.
[0022]
Next, referring to FIG. 8, a detailed description will be given of a situation in which the motor rotates by the excitation step.
FIG. 8 shows the development of the motor shown in FIG. 4 in the horizontal direction, and shows a situation in which the development view changes depending on the excitation step shown in FIG. 7 in the vertical direction.
That is, the top portion shows the positional relationship between the magnetic poles of the unit stators and the magnetic poles of the unit rotors in Step 1 shown in FIG.
Since the reference numerals shown in FIG. 8 have been described with reference to FIG.
In FIG. 8, a circle mark attached to the N pole of the first unit rotor in each step and an arrow connecting the circle marks indicate a situation in which the same N pole moves (rotates) by the excitation step.
[0023]
As shown in FIG. 8, in step 1, when the coils 2A1 and 2A4 of the first unit stator S11 are excited by flowing a current in the positive direction and excited to the S pole, the first unit rotor is obtained. The N poles of R11 are attracted and come to their respective opposing positions.
In the second step, the coils 2B1 and 2B4 of the second unit stator S12 are excited by passing a current in the positive direction, and when excited to the S pole, the N pole of the second unit rotor R12 is attracted to each of them. Come to the opposite position. Accordingly, the rotor moves (rotates) θs. In Step 3, the coils 2A2 and 2A5 of the first unit stator S11 are excited by flowing a current in the opposite direction, and excited to the N polarity of the opposite polarity, and the S pole of the first unit rotor R11 is attracted. And come to the opposite position. Accordingly, the rotor moves (rotates) θs. In the fourth step, the coils 2B2 and 2B5 of the second unit stator S12 are excited by flowing a current in the opposite direction, excited to the N pole, and the S pole of the second unit rotor R12 is attracted and opposed. Come in position. Accordingly, the rotor moves (rotates) θs.
Thereafter, since the excitation is repeated for each step, the motor rotates by θs for each excitation step, and in this embodiment, by π / 24 as described above.
[0024]
Second embodiment:
Next, referring to FIGS. 9 and 10, an example of coil connection of the six-phase motor of the second embodiment and multi-phase excitation corresponding to the connection will be described.
(2-1) First coil connection example
In FIG. 9, AA ′, BB ′, CC ′, DD ′, EE ′, and FF ′ have the same reference numerals as the coil connections described with reference to FIG.
That is, the terminal A of the first unit stator S11 in which the coil 2A1 and the coil 2A4 are connected in series in the same winding direction is connected to the connection point of the switching elements T1 and T4 connected in series, and the coil 2A2 and the coil 2A5 are the same. A terminal B connected in series in the winding direction is connected to a connection point of switching elements T2 and T5 connected in series, and switching elements T3 and T6 in which a terminal C connected in series with the coil 2A3 and coil 2A6 in the same winding direction are connected in series. The terminals A ', B', C 'on the opposite side of the respective coils are collected at one point and connected to each other.
That is, the three coil groups of the first unit stator S11 are connected in a star shape.
[0025]
The terminal D of the second unit stator S12 in which the coil 2B1 and the coil 2B4 are connected in series in the same winding direction is connected to the connection point of the switching elements T9 and T12 connected in series, and the coil 2B2 and the coil 2B5 are connected in the same winding direction. Terminal E connected in series is connected to the connection point of switching elements T8 and T11 connected in series, and terminal F in which coils 2B3 and 2B6 are connected in series in the same winding direction is a switching element connected in series. T7 And the terminals D ′, E ′, and F ′ on the opposite sides of the respective coils are connected together at one point.
That is, like the connection of the coils of the first unit stator, the three coil groups are connected in a star shape.
In the figure, V denotes a power source, and the control circuit of each switching element can be appropriately configured in accordance with the following description, and is not shown.
[0026]
(2-2) Second coil connection example
A second coil connection example will be described with reference to FIG.
FIG. 10 shows a point where the coils of the first unit stator shown in FIG. 9 are gathered and connected at one point, and the points where the coils of the second unit stator are gathered at one point and connected. Are connected.
That is, the six coil groups of the first and second unit stators are connected in a star shape. V is a power supply, and the control circuit of each switching element is not shown in the same manner as described above.
[0027]
(2-3) Multiple phase excitation example
The flow of four-phase excitation in the connection example shown in FIG. 9 or FIG. 10 will be described with reference to FIG.
FIG. 11 shows the time transition from the first step to the sixteenth step in the excitation sequence on the horizontal axis, as in FIG. 7 described in the first embodiment, and the vertical axis shows the names of the terminals supplying the excitation current. Is written.
The upper rectangle in the line drawn from each terminal name in the horizontal direction indicates, for example, current supply from the terminal A to the A ′ direction, and the lower rectangle indicates, for example, current supply in the A direction from the terminal A ′. ing.
That is, in step 1, in step 1, the switching element T2 and the switching element T6 are conducted, and a current in the positive direction is supplied from the terminal B through the switching element T2 from the power source V, and this current is supplied to the terminal C '. Is excited by forming a circuit that flows in the reverse direction from the terminal C to the terminal C and returns to the power source V through the switching element T6.
On the other hand, the switching element T8 and the switching element T10 are brought into conduction, a current in the forward direction is supplied from the terminal E through the switching element T8 from the power source V, and the current flows in the reverse direction from the terminal F ′ to the terminal F. A circuit that returns to the power source V through the switching element T10 is formed and excited.
As will be described briefly below, in step 2, the switching elements T1 and T6 are conducted to supply current in the forward direction from the terminal A, and this current flows from the terminal C 'to the terminal C in the reverse direction. The switching element T8 and the switching element T10 are continuously conducted to supply a current in the forward direction from the terminal E, and this current is passed from the terminal F ′ to the terminal F in the reverse direction to excite it.
In step 3, switching element T1 and switching element T6 are continuously conducted to supply a current in the forward direction from terminal A, and this current flows from terminal C 'to terminal C in the reverse direction. Conduction is continued and T10 is continuously conducted, and a current in the forward direction is supplied from the terminal D, and this current is passed from the terminal F ′ to the terminal F in the reverse direction to excite it.
Thereafter, as shown in each of the above figures, the conduction switching elements are switched to continue the excitation, and after step 12, the process returns to step 1 to repeat the same excitation.
Therefore, the motor rotates.
[0028]
Third embodiment:
Next, as a third embodiment, the present invention will be described with reference to FIGS. 12 to 16 regarding the function of the motor body in the case where each unit motor is a 10-phase motor having 5 phases of 10 coils, and thus double 5 phases. To do.
Since the basic theory of the flat multi-phase stepping motor according to the present invention is the same as that of the above-described 6-phase motor, the detailed illustration will be omitted and the description of the 6-phase motor will be applied mutatis mutandis.
Since the number of magnetic poles Pr of each unit rotor of the 10-phase motor according to the present invention is m = 10 in the equation (1) described in the first embodiment,
Pr = m ± 2 (1)
Pr = 10 ± 2
Pr = 12 or 8 is obtained.
[0029]
First, the distance τS between adjacent coil centers of each unit stator shown in FIG. 4 and the distance θd between the coil center of the first unit stator S11 and the coil center of the second unit stator S12. The respective values of the distance τR between the same poles of the unit rotors and the deviation angle θs will be described using the equations (2) to (7) described in the first embodiment.
Since τS is 10 coils in each unit stator according to the conditions of the present embodiment, as is apparent from FIG.
τS = 2π / 10
Assuming that the number of magnetic poles Pr of each unit rotor is 12, as shown in paragraph 0028,
τR = 2π / 6 = π / 3
The deviation θs is as shown in equation (5).
θs = (1/2 m) τR. Therefore, in the case of 10 phases shown in this embodiment, θs = (1/20) τR = π / 60.
[0030]
Next, the coil connection will be described with reference to FIG.
In FIG. 12, a hexagon indicated by a solid line indicates air-core coils 2C1 to 2C10 formed in a first unit stator S21 (not shown), and a hexagon indicated by a dotted line indicates a second unit stator S22 (not shown). 1), the air-core coils 2D1 to 2D10 formed respectively are shown.
In the figure, the first unit stator S21 From the terminal A, the coil 2 is connected to the terminal A ′ by connecting the coil 2C1 and the coil 2C6 in series in the same winding direction. Similarly, from terminal B, coil 2C2 and coil 2C7 are connected in series in the same winding direction and connected to terminal B ', and from terminal C, coil 2C3 and coil 2C8 are connected in series in the same winding direction to terminal Connected to C ′.
Similarly, the coils are connected in series in the same winding direction from terminal D to terminal D ′ and from terminal E to terminal E ′, respectively. The coil of the second unit stator S22 (not shown) is connected from the terminal F to the terminal F ′ by connecting the coil 2D1 and the coil 2D6 in series in the same winding direction.
Similarly, from the terminal G, the coil 2D2 and the coil 2D7 are connected in series in the same winding direction and connected to the terminal G '. Similarly, from the terminal H, the coil 2D3 and the coil 2D8 are connected in series in the same winding direction. And connected to the terminal H ′.
Similarly, the coils are connected in series in the same winding direction to terminals I to I ′ and terminals J to J ′, respectively.
[0031]
Next, an excitation step in the case of single phase excitation will be described with reference to FIG. The excitation method will be described.
In the excitation circuit, as described with reference to FIG. 6 in the prior art and the first embodiment, each terminal described in FIG. 12 is connected to an intermediate connection point of four bridge-connected switching elements. Since they may be connected to each other, the illustration and description are omitted.
FIG. 13 shows the time transition from the first step to the 22nd step in the excitation sequence on the horizontal axis as in FIG. 7 explained in the first embodiment, and the vertical axis shows the names of the terminals supplying the excitation current. ing.
In order to supply the exciting current to each coil, the respective switching elements may be made conductive in correspondence with the direction of the current flowing through each coil.
The upper rectangle in the line drawn from each terminal name is, for example, a current supply from the terminal A to the current supply in the A ′ direction (positive direction), and the lower rectangle is, for example, from the terminal A ′. Current supply in the A direction (reverse direction) is shown.
That is, in the figure, in Step 1, a current is supplied from the terminal A in the A ′ direction, that is, in the positive direction. That is, the coil 2C1 and the coil 2C6 of the first unit stator S21 are excited to a predetermined polarity, and in Step 2, current is supplied from the terminal F in the F ′ direction (positive direction). That is, the coil 2D1 and the coil 2D6 of the second unit stator S22 are excited to a predetermined polarity, and in Step 3, a current is supplied from the terminal B ′ in the B direction (reverse direction). That is, First The coil 2C2 and the coil 2C7 of the unit stator S21 are excited with the opposite polarity.
Similarly, as shown in FIG. 13, the current is supplied to each terminal in the forward or reverse direction as shown in FIG. 13, and after step 20, the process returns to step 1 to repeat the same excitation.
[0032]
Fourth embodiment:
Next, an example of a coil connection of a 10-phase motor according to a fourth embodiment of the present invention and an example of an excitation circuit that enables multi-phase excitation corresponding to the connection will be described with reference to FIGS.
(4-1) First coil connection example
In FIG. 14, AA ′, BB ′, CC ′, DD ′, EE ′, FF ′, GG ′, HH ′, II ′. JJ ｀ is the same reference numeral as the coil connection described with reference to FIG.
That is, the terminal A of the first unit stator S21 (not shown) connected in series in the same winding direction with the coil 2C1 and the coil 2C6 is connected to the connection point of the switching elements T1 and T6 connected in series. A terminal B in which 2C2 and coil 2C7 are connected in series in the same winding direction is connected to a connection point of switching elements T2 and T7 connected in series, and a terminal C in which coils 2C3 and 2C8 are connected in series in the same winding direction is connected in series. Connected to the connection point of the switching elements T3 and T8 connected to the terminal, and connected to the connection point of the switching elements T4 and T9 connected in series to the terminal D in which the coil 2C4 and the coil 2C9 are connected in series in the same winding direction. A terminal E in which 2C5 and coil 2C10 are connected in series in the same winding direction is connected to a connection point of switching elements T5 and T10 connected in series, and Contralateral terminals A ', B', C'D ', E' are connected gathered to one point.
That is, five coil groups of the first unit stator are connected in a star shape.
[0033]
A terminal F of the second unit stator S22 (not shown), in which the coil 2D1 and the coil 2D6 are connected in series in the same winding direction, is connected to the connection point of the switching elements T15 and T20 connected in series, and the coil 2D2 A terminal G having a coil 2D7 connected in series is connected to a connection point of switching elements T14 and T19 connected in series, and a terminal H having a coil 2D3 and a coil 2D8 connected in series in the same winding direction is connected in series. Is connected to the connection point of the switching elements T12 and T17 connected in series with the terminal I in which the coil 2D4 and the coil 2D9 are connected in series in the same winding direction, and the coil 2D5 and the coil 2D10 are wound in the same winding. The terminal J connected in series in the direction is connected to the connection point of the switching elements T11 and T16 connected in series, and Side terminal F ', G', H ', it', is connected gathered to one point J '.
That is, like the first unit stator, the five coil groups of the second unit stator are connected in a star shape.
In the figure, V denotes a power source, and the control circuit of each switching element can be appropriately configured in accordance with the following description, and is not shown.
[0034]
(4-2) Second coil connection example
A second coil connection example will be described with reference to FIG.
FIG. 15 shows the points where the coils of the first unit stator shown in FIG. 14 are gathered and connected at one point, and the points where the coils of the second unit stator are gathered at one point and connected. Are connected.
That is, ten coil groups of the first and second unit stators are connected in a star shape.
In the figure, V denotes a power source, and the control circuit of each switching element is not shown as in FIG.
[0035]
(4-3) Multiple phase excitation example
The flow of 8-phase excitation in the connection example shown in FIG. 14 will be described with reference to FIG.
FIG. 16 shows the time transition from the first step to the 23rd step in the excitation sequence on the horizontal axis, and the vertical axis shows the names of the terminals that supply the excitation current.
The upper rectangle in the line drawn from each terminal name in a horizontal direction is, for example, a current supply from the terminal A to the A ′ direction, that is, positive excitation current, that is, positive polarity excitation. The rectangle is shown as, for example, a current supply from the terminal A ′ in the A direction, that is, an excitation current in the reverse direction and an excitation in the reverse polarity.
That is, in the figure, in Step 1, the switching elements T1 and T4 and the switching elements T8 and T10 are conducted to supply current in the positive direction from the terminals A and D, and these currents are supplied to the terminals C ′ and C ′. While flowing in the reverse direction to the terminal E ′, the switching elements T12 and T14 and the switching elements T16 and T18 are conducted, and currents in the forward direction are supplied from the terminal G and the terminal I. These currents are supplied to the terminal H ′ and the terminal E ′. It is made to flow in the reverse direction to J ', and is excited to positive polarity and reverse polarity, respectively.
In step 2, the switching elements T1 and T3 and the switching elements T8 and T10 are continuously conducted to continuously supply current in the positive direction from the terminals A and D, and these currents are supplied to the terminals C ′ and E ′. However, the switching element T14 is turned off and the switching element T15 is turned on instead. Switching element T12 and switching elements T16 and T18 continue to conduct. Accordingly, currents in the forward direction are supplied from the terminals F and I, and these currents are passed through the terminals H ′ and J ′ in the reverse direction to excite them in positive polarity and reverse polarity, respectively.
Although the subsequent description is omitted, as is apparent from the figure, the switching elements are sequentially switched and made conductive, and the excitation is sequentially continued step by step. After step 20, the process returns to step 1 to repeat the same excitation.
[0036]
The above description of each embodiment describes the basic structure of the motor and its excitation circuit according to the present invention, and may be modified as appropriate according to the purpose and conditions of use. It is natural.
For example, in the above-described embodiment, the embodiment of the present invention has been described with respect to the 6-phase and 10-phase embodiments, which are considered to be the most practical among the embodiments of the present invention. Of course, the present invention can be applied to the number of phases that is an integral multiple of 10 phases. Claim 2 For this reason, the number of phases and the number of poles are not limited.
Therefore, when the present invention is applied to the number of phases that is an integral multiple of six phases and ten phases, the number of magnetic poles is set based on Pr = m ± 2 in the equation (1), and the number of magnetic poles is determined. When the predetermined number of coils of the unit stator and the predetermined magnetic pole of the unit rotor are opposed to the predetermined coil of the unit stator, the number of coils of the unit stator constituting the other unit motor is ½ The unit magnetic pole pitch angle of the unit rotor that is opposed to the pitch-shifted coil is 1/12 in the case of 6 phases and 1/20 in the case of 10 phases. What is necessary is just to set according to a certain thing.
[0037]
【The invention's effect】
Since the flat multi-phase permanent magnet type stepping motor and its excitation circuit according to the present invention are configured as described above, they have the following excellent effects.
(1) The magnetic coupling with the stator and the rotor is in the axial direction, and the shape can be significantly reduced compared to a hybrid motor in which iron cores are laminated.
(2) Since the magnetic poles of the stator are air-core, no coking torque is generated and vibration during rotation can be reduced.
{Circle around (3)} Since there is no coking torque, the torque waveform distortion with respect to the rotation angle is small, so that a motor with good controllability can be obtained.
(4) Since neither the stator nor the rotor uses an iron core, the magnetic noise during high-speed rotation can be reduced.
(5) A small step angle can be obtained despite the air-core coil structure. In other words, the limit of the 6-phase step angle in the conventional structure is 15 °, but this structure can be up to 3.75 ° or less.
(6) Since the flat multiphase permanent magnet type stepping motor of the present invention is constituted by the first and second unit motors as described above, one of the coil groups is provided for each of the first and second unit motors. Multiple-phase excitation is possible by connecting the terminal to one point or the excitation circuit connecting both connection points to one point, so the number of excitation switching elements can be reduced, so the excitation circuit can be simplified and the driving cost can be reduced. Can be reduced.
{Circle around (7)} Therefore, when the multi-phase structure is adopted according to the structure of the present invention, the number of switching elements forming the drive circuit can be reduced to half. For example, it can be 12 in the case of 6 phases and 20 in the case of 10 phases, and the cost can be greatly reduced.
(8) By enabling low-cost multi-phase excitation, output torque can be increased while reducing vibration.
(9) Since the drive circuit can be configured as described above, it can be shared with the drive circuit of the brushless motor, and the cost can be reduced in terms of the number of production.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal side view showing a schematic structure of a flat multiphase permanent magnet type stepping motor according to the present invention.
FIG. 2 is a front view of a stator showing an overlapping state of two unit stators of a six-phase motor for explaining a first embodiment based on the present invention.
3 is a layout diagram of permanent magnets for explaining a magnetic pole configuration of a permanent magnet of a unit rotor corresponding to the stator shown in FIG. 2, wherein FIG. 3 (A) shows the first unit rotor, FIG. (B) is a second unit rotor, and FIG. (C) is a structural explanatory view showing the positional relationship between the magnetic poles of the first unit rotor and the second unit rotor.
FIG. 4 is a development view showing a positional relationship between each unit stator and a unit rotor for explaining the first embodiment based on the present invention;
FIG. 5 is a connection diagram of coils in the case of a six-phase motor for explaining a first embodiment based on the present invention.
FIG. 6 is an excitation circuit diagram in the case of the coil connection shown in FIG. 5 of the six-phase motor for explaining the first embodiment based on the present invention.
FIG. 7 is an excitation flow diagram in the excitation circuit shown in FIG. 6 for explaining the operation of the first embodiment based on the present invention.
FIG. 8 is an excitation flow diagram illustrating the driving principle according to the flow shown in FIG. 7 in the first embodiment based on the present invention.
FIG. 9 is a first connection diagram of an excitation circuit that enables multi-phase excitation, illustrating a second embodiment according to the present invention;
FIG. 10 is a second connection diagram of an excitation circuit that enables multi-phase excitation, illustrating a second embodiment according to the present invention;
FIG. 11 is a flowchart of four-phase excitation that can be realized by connecting the excitation circuit shown in FIG. 9 or FIG. 10 for explaining the second embodiment according to the present invention.
FIG. 12 is a coil connection diagram of a 10-phase motor for explaining a third embodiment according to the present invention.
FIG. 13 is a single-phase excitation flow diagram in the case of the coil connection shown in FIG. 12 for explaining the operation of the third embodiment based on the present invention.
FIG. 14 is a first connection diagram of an excitation circuit that enables multi-phase excitation, illustrating a fourth embodiment according to the present invention;
FIG. 15 is a second connection diagram of an excitation circuit that enables multi-phase excitation, illustrating a fourth embodiment according to the present invention;
FIG. 16 is a flow diagram of 8-phase excitation that can be realized by connecting the excitation circuit shown in FIG. 13 or FIG. 14 for explaining the fourth embodiment according to the present invention.
FIG. 17 is a longitudinal side view showing a schematic structure of a conventional flat multiphase permanent magnet type stepping motor.
18 is a side view of the main part viewed from the direction of line XX in FIG. 16 for explaining the arrangement of the stator coils of the conventional flat multi-phase permanent magnet type stepping motor.
FIG. 19 is a connection diagram of a stator coil of a conventional flat multiphase permanent magnet type 6 phase stepping motor.
20 is an excitation circuit diagram of a stator coil of the flat multiphase permanent magnet type stepping motor shown in FIG.
FIG. 21 is a connection diagram of a stator coil of a conventional flat multi-phase permanent magnet type 20-phase stepping motor.
22 is an excitation circuit diagram of a stator coil of the flat multiphase permanent magnet type stepping motor shown in FIG. 21. FIG.
[Explanation of symbols]
1T: Stator iron plate
2: Air-core coil
2A1-2A6, 2B1-2B6, 2C1-2C10, 2D1-2D10
: Air core coil
3: Rotor magnetic disk
4: Permanent magnet
5: Non-magnetic disk
7: Bearing
8: Rotating shaft
S11, S12, S21, S22: Unit stator
R11, R12, S21, R22: Unit rotor
T1 to T24: switching elements

Claims

A first unit stator in which a predetermined number of air-core coils are radially arranged on an electrically insulated magnetic disk, and a predetermined gap in the axial direction with respect to the coil surface of the first unit stator; A first unit motor composed of a first unit rotor that rotatably supports a magnetic disk provided with permanent magnets alternately magnetized with N and S poles via
Inverting the structure of the first unit motor, and a second unit motor comprising more the second stator unit and a second rotor unit configured coaxially through the non-magnetic material,
The mutual formation position of the coil formed on the first unit stator and the coil formed on the second unit stator is deviated by ½ pitch of the coil formation pitch angle, and the first unit rotor is formed. The flat multiphase permanent magnet is characterized in that the formation positions of the magnetic poles formed on the second unit rotor and the magnetic poles formed on the second unit rotor are deviated by a quarter pitch of the same magnetic pole formation pitch angle. Stepping motor.

The flat multi-phase permanent magnet type stepping motor according to claim 1,
A flat multi-phase permanent magnet type stepping motor, wherein the number of magnetic poles Pr of the rotor constituting each unit motor is formed so as to satisfy the following formula .
Pr = m ± 2
However, m is the number of phases of the flat multiphase permanent magnet type stepping motor, and is a positive integer of 1 or more.

In the flat multiphase permanent magnet type stepping motor according to claim 1 or 2,
A flat multi-phase permanent magnet type stepping motor characterized in that the number of coils of each unit stator of the first and second unit motors is set to 6 to constitute a 6-phase motor.

In the flat multiphase permanent magnet type stepping motor according to claim 1 or 2 ,
The number of coils in each stator unit of the first and second units motors and respectively 10, flattened multi-phase permanent magnet type stepping motor, characterized in that so as to constitute a 10-phase motor.

5. The structure according to claim 1, wherein in each unit motor, end portions of a plurality of sets of unit stator coils facing each other in series are connected to one point to perform multi-phase excitation. An excitation circuit for a flat multiphase permanent magnet type stepping motor according to any one of the above.

In the exciting circuit of the flat multiphase permanent magnet type stepping motor according to claim 5,
An excitation circuit for a flat multiphase permanent magnet type stepping motor, wherein the connection points of the coil sets of the unit stators connected to one point for each of the first and second unit motors are connected to each other .

In the exciting circuit of the flat multiphase permanent magnet type stepping motor according to claim 5 or 6,
A flat multi-phase permanent magnet type stepping characterized in that a multi-phase excitation is performed by connecting an opposite terminal connected to one point of each unit stator coil to a connection point of switching elements connected in series. Motor excitation circuit.