JP3713116B2 - ３相ハイブリッド型ステッピングモータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子に１２個の磁極を有する３相ハイブリッド型ステッピングモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固定子に１２個の磁極を有する３相ハイブリッド型ステッピングモータＭの固定子鉄心１０の形状としては、例えば図７の固定子鉄心の断面図に示すものがよく知られている。
【０００３】
図７において、Ａ，Ｂ，Ｃの各相は、それぞれ４つの磁極を持ち、例えばＡ相の磁極Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ１０には正方向に電流を流した場合は、各磁極Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ１０は順にＮＳＮＳの極性に励磁され、負方向に電流を流した場合には、順にＳＮＳＮの極性に励磁されるように巻線Ｗ１、Ｗ４、Ｗ７、Ｗ１０がそれぞれ巻装され、互いに結線されている。Ｂ相の磁極はＰ３、Ｐ６、Ｐ９、Ｐ１２であり、Ｃ相の磁極はＰ５、Ｐ８、Ｐ１１、Ｐ２であり、Ａ相と同様に巻線Ｗ３、Ｗ６、Ｗ９、Ｗ１２およびＷ５、Ｗ８、Ｗ１１、Ｗ２がそれぞれ巻装され、かつ結線されている。
【０００４】
図８に、前記ステッピングモータＭの縦断面図を示す。該モータＭは、固定子１の内周面に、空隙を介して回転子６を回動自在に配設するとともに、該回転子６は、その軸方向に着磁された永久磁石５と、該永久磁石５の軸方向の両側に、外周面に形成された５０個の極歯４が極歯ピッチの１／２互いにずらされて、該永久磁石５を挟持するように固着された２個の回転子鉄心２、２と、それらを貫通した軸７とにより構成されている。
【０００５】
３相ハイブリッド型ステッピングモータＭの通常の励磁方式としては、ステップ角が、基本ステップ角θS である２−２相励磁方式または３−３相励磁方式と、ステップ角が基本ステップ角θS の１／２のθS ／２となる２−３相励磁方式とがある。該２−３相励磁方式の励磁状態は１２通りあり、その励磁状態の変化を順に示すと以下のようになる。
ＡＣ′、ＡＣ′Ｂ、Ｃ′Ｂ、Ｃ′ＢＡ′、ＢＡ′、ＢＡ′Ｃ、Ａ′Ｃ、Ａ′ＣＢ′、ＣＢ′、ＣＢ′Ａ、Ｂ′Ａ、Ｂ′ＡＣ′、
この１２通りの中で、前６通りと後６通りとは、それぞれ磁極の組み合わせは同じであるが電流の方向だけが異なっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、前６通りの励磁状態のみを図９に示す。図９から、２−２相励磁の場合の励磁状態は、ＡＣ′、Ｃ′Ｂ、ＢＡ′、３−３相励磁の励磁状態は、ＡＣ′Ｂ、Ｃ′ＢＡ′、ＢＡ′Ｃであり、以下のような問題点があった。
すなわち２−２相励磁の場合には、隣合う磁極は同じ極性で、一つおきの磁極は逆の極性になっており、磁路は図示の破線ように比較的長くなっており、磁路が短い場合に比べ、トルクが低下する。また３−３相励磁の場合には、磁路は短くなるものの同じ極性の磁極が３つずつ隣合う形になっており、ヨーク部の磁束密度の増加をもたらしトルクの減少や鉄損の増加の要因となっていた。
【０００７】
また前記ヨーク部の磁気飽和を回避するためには、ヨーク部の磁路断面積を増やさなければならず、モータＭの外径を変えない場合には、固定子１の内径や回転子６の外径を小さくせざるを得ず、結果的にトルクは小さくなってしまうという問題点もあった。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解決し、ヨーク部の部分的な磁気飽和を回避するとともに、従来のものよりも高トルクが発生される３相ハイブリッド型ステッピングモータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の３相ハイブリッド型ステッピングモータの構成は、次のとおりである。
【００１０】
（１） 固定子は放射状に配設された１２個の磁極を有するとともに、回転子は等分に配設された、ａを１以上の整数とするとき、１２ａ＋２個の極歯を有し、該各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ１個以上の固定子極歯が設けられており、少なくとも一つおきに配置された６個の前記磁極は等ピッチで配設されるとともに、互いに隣接する前記磁極の磁気的中心線のなす角度は、前記回転子極歯ピッチをτR とするとき、（３ａ＋２）τR ／３と（３ａ−１）τR ／３を交互に繰り返し、かつ前記各磁極の磁気的中心線は該磁極の巻線部中心線と一致しているか、またはτR ／４のずれ角をもつことを特徴とする。
【００１１】
（２） 前記（１）において、前記回転子には５０個の極歯を有し、前記固定子の各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ複数個の固定子極歯が設けられており、かつ互いに隣接する前記磁極の磁気的中心線のなす角度は、２６．４゜と３３．６゜とを交互に繰り返し、前記磁極の磁気的中心線は該磁極の巻線部中心線と一致しているか、または１．８゜のずれ角をもつことを特徴とする。
【００１２】
（３） 前記（１）または（２）において、固定子鉄心は、軸方向に着磁された永久磁石を挟着する２つの回転子鉄心に、それぞれ対向する２つの固定子鉄心部からなり、該２つの固定子鉄心部は、その一方を他方に対し、前記各磁極の巻線部中心線を軸として表裏を反転させるか、または該一方の前記巻線部中心線を、前記他方に対し６０゜の倍数以外の３０゜の倍数の角度を回転させて、両者を重ね合わせるとともに、前記永久磁石を挟着する前記２つの回転子鉄心の極歯は、互いに整列して、そのずれ角は０゜であることを特徴とする。
【００１３】
（４） 固定子は放射状に配設された１２個の磁極を有するとともに、回転子は等分に配設された、ａを１以上の整数とするとき、１２ａ＋４個の極歯を有し、該各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ１個以上の固定子極歯が設けられており、二つおきに配置された４個の前記磁極は等ピッチで配設されるとともに、連続する４個の前記各磁極の磁気的中心線のなす３つの磁極ピッチは、前記回転子極歯ピッチをτR とするとき、（３ａ＋２）τR ／３である箇所が２箇所と、（３ａ−１）τR ／３である箇所が１箇所であることを特徴とする。
【００１４】
（５） 前記（４）において、前記回転子には１００個の極歯を有し、前記固定子の各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ複数個の固定子極歯が設けられており、連続する４個の前記各磁極の磁気的中心線のなす３つの磁極ピッチは、それぞれ３１．２゜である箇所が２箇所と、２７．６゜である箇所が１箇所であることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、以上のように構成されているので、２−２相励磁や３−３相励磁の場合の磁路を短くすることができ、ヨーク部の部分的な飽和も回避できるため、ヨーク部の磁束密度も均一となり、高トルク化をはかることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。
（第１実施例）
図１ないし図５は、本発明の第１実施例で、請求項１、請求項２および請求項３に係る３相ハイブリッド型ステッピングモータの好適な実施例を示す図で、図１は、前記ステッピングモータＭの固定子鉄心１０の断面図で、回転子鉄心２との相互関係を示し、図２は各相を構成する磁極巻線の結線図、図３は各相のトルクベクトル図、図４は２−２相励磁の場合の励磁状態図、図５は３−３相励磁の場合の励磁状態図である。
【００１７】
図１において、前記ステッピングモータＭの鉄心は、固定子鉄心１０と外周に５０個（前式１２ａ＋２において、ａ＝４とした場合）の極歯４が形成された回転子鉄心２、２とから構成されている。前記固定子鉄心１０内に放射状に配設された１２個の固定子磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、‥‥‥、Ｐ１１、Ｐ１２には、回転子鉄心２、２に対向する面に、それぞれ複数個の固定子極歯３が配設されている。
【００１８】
そして、１つおきに配設されたそれぞれ６個の磁極Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ７、Ｐ９、Ｐ１１およびＰ２、Ｐ４、Ｐ６、Ｐ８、Ｐ１０、Ｐ１２は等ピッチ（機械角６０°）で配設されるとともに、互いに隣接する前記磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、‥‥‥、Ｐ１１、Ｐ１２の磁気的中心線、すなわち前記各磁極に配設された複数の固定子極歯３の中心線のなす角度は、２６．４゜（前式（３ａ−１）τR ／３において、ａ＝４とした場合）と３３．６゜（前式（３ａ＋２）τR ／３において、ａ＝４とした場合）を交互に繰り返し、前記各磁極の磁気的中心線は該磁極の巻線部の中心線と１．８゜（前式τR ／４）のずれ角をもつように配設されている。
【００１９】
図１の状態における前記各固定子磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、‥‥‥、Ｐ１１、Ｐ１２の内周面に設けられたそれぞれの固定子極歯３と回転子鉄心２の外周に設けられた回転子極歯４とのずれ角は、回転子極歯４の歯ピッチτR （電気角３６０°）を単位とすれば、それぞれ（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR である。
【００２０】
ここで、（０／６）τR は、ずれ角０°を意味し、（４／６）τR は歯ピッチτR の２／３、すなわち電気角で２４０°のずれ角を意味している。また、（２／６）τR は歯ピッチτR の１／３、すなわち電気角で１２０°のずれ角を意味している。
【００２１】
従って、図２に示すように、固定子磁極Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ１０に巻装された巻線Ｗ１、Ｗ４、Ｗ７、Ｗ１０を極性が同一になるように結線してＡ相とし、固定子磁極Ｐ３、Ｐ６、Ｐ９、Ｐ１２に巻装された巻線Ｗ３、Ｗ６、Ｗ９、Ｗ１２を極性が同一になるように結線してＢ相とし、固定子磁極Ｐ２、Ｐ５、Ｐ８、Ｐ１１に巻装された巻線Ｗ２、Ｗ５、Ｗ８、Ｗ１１を極性が同一になるように結線してＣ相とすると、各相巻線に同図で上から下に向かって電流を流したときに発生するトルクベクトルＴＡ、ＴＢ、ＴＣは、前記ずれ角の関係から図３に示すように、電気角で１２０°の位相角をもつことになる。
【００２２】
また、前記各相巻線に前記とは逆向きに電流を流したときに発生するトルクベクトルは−ＴＡ、−ＴＢ、−ＴＣとなり、両者を交互に組み合わせることにより、電気角で６０°ずつ一定方向に回転するトルクベクトルＴＡ、−ＴＣ、ＴＢ、−ＴＡ、ＴＣ、−ＴＢを発生することができる。このとき回転子６は電気角で６０°（機械角で６０°／５０、すなわち１．２°）ずつ回転することとなり、基本ステップ角１．２°の３相ハイブリッド型ステッピングモータが構成できる。
【００２３】
いま、ずれ角０°の磁極を“Ａ”とし、１２０°ずつの位相差をもった磁極をそれぞれ“Ｂ”、“Ｃ”とし、前記“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”に対し、それぞれ１８０°の位相差をもった磁極をそれぞれ“Ａ′”、“Ｂ′”、“Ｃ′”とすると、図４は２−２相励磁の場合の励磁状態ＡＣ′、Ｃ′Ｂ、ＢＡ′を示し、図５は３−３相励磁の場合の励磁状態ＡＣ′Ｂ、Ｃ′ＢＡ′、ＢＡ′Ｃを示す。
【００２４】
図４（ａ）においては、Ａ相に属する４個の磁極はすべて同一の極性Ｎに励磁されており、前記Ａ相に隣接したＣ相に属する４個の磁極は前記極性とは逆の極性Ｓに励磁されており、励磁されている８個の極性はＮＳＮＳＮＳＮＳと極性が交互になっている。この関係は（ａ），（ｂ），（ｃ）とも同じであり、励磁状態は常に同じといえる。さらに、同図に破線で示すように短い磁路を形成していることが分かる。
【００２５】
また、図５においても、連続する３個の磁極の極性はＮＳＮまたはＳＮＳであり、それを４回繰り返す構成、すなわち、ＮＳＮＮＳＮＮＳＮＮＳＮまたはＳＮＳＳＮＳＳＮＳＳＮＳとなっており、短い磁路が形成されていることが分かる。図４と同様に励磁状態は常に同じとなっており、短い磁路が形成されていることが分かる。
【００２６】
また、本実施例では一つおきに配置された６個の磁極Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ７、Ｐ９、Ｐ１１およびＰ２、Ｐ４、Ｐ６、Ｐ８、Ｐ１０、Ｐ１２は等ピッチで配設されるとともに、前記各磁極の磁気的中心線は該各磁極の巻線部中心線に対し機械角で１．８°のずれをもたせている。この結果、固定子鉄板は、任意のスロット部の中心線、例えば、Ｘ−Ｘ′に対し線対称とすることができ、磁気回路の一層の均一化をはかることができる。また、また本固定子鉄板の構成は６０°ごとの回し積み（１枚ごとに所定角度６０°回転しながら積層する）が行えるため、固定子鉄心１０として磁気的及び機械的均一性を達成することができる。
【００２７】
さらに、本構成において、固定子鉄心１０を積厚方向に２等分し、一方を他方に対して磁極の巻線部中心線を軸として表裏反転させるか、または６０゜の倍数以外の３０゜の倍数である角度、例えば９０゜回転させて両者を重ね合わせることにより、ひとつの磁極において極歯３の歯ピッチを互いに１／２ピッチずらすことが可能となる。
【００２８】
この場合には、図８における永久磁石５の軸方向の両側から、該永久磁石５を挟持するように固着される２個の回転子鉄心２、２の極歯４を互いに整列させることができ、回転子６の組立治具を簡単にすることができる。また、本実施例では、固定子磁極あたりの固定子極歯３の数を３個としているが、最大４個とすることが可能である。
さらに、図１では固定子極歯３の歯ピッチは回転子極歯４の歯ピッチと同じにしているが、回転子極歯４の歯ピッチよりも若干大きくすることや、小さくすることも、もちろん可能である。
【００２９】
（第２実施例）
図６は、本発明の第２実施例で、請求項４および請求項５に係る３相ハイブリッド型ステッピングモータの好適な実施例を示す図で、該ステッピングモータＭの固定子鉄心２０の断面図で、回転子鉄心２との相互関係を示す。
本実施例の固定子鉄板は、２つおきに配置された４個の磁極Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ１０、またはＰ２、Ｐ５、Ｐ８、Ｐ１１、またはＰ３、Ｐ６、Ｐ９、Ｐ１２は、等ピッチで配設されており、また連続する４個の磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、またはＰ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７、またはＰ７、Ｐ８、Ｐ９、Ｐ１０、またはＰ１０、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１のそれぞれの磁気的中心線のなす３個の磁極ピッチは、３１．２゜（前式（３ａ＋２）τR ／３において、ａ＝８とし、この場合の回転子極歯は１００個）、２７．６゜（前式（３ａ−１）τR ／３において、ａ＝８とした場合）、３１．２゜の順に配置されており、９０゜ごとの回転積層ができる。
【００３０】
図６において、前記ステッピングモータＭの鉄心は、固定子鉄心２０と外周に１００個（前式１２ａ＋４において、ａ＝８とした場合）の極歯４が形成された回転子鉄心２、２とから構成されている。
この場合、固定子磁極Ｐ１の極歯３と回転子鉄心２の極歯４とが対向しているとすると、各固定子磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、‥‥‥、Ｐ１１、Ｐ１２の内周面に設けられたそれぞれの固定子極歯３と前記回転子極歯４とのずれ角は、回転子極歯４の歯ピッチτR （電気角３６０°）を単位とすれば、それぞれ（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR となり、第１実施例と同一となる。
【００３１】
従って、各固定子磁極に巻装された巻線を、図２にと同様に結線してＡ相、Ｂ相、Ｃ相とすることにより、基本ステップ角０．６°の３相ハイブリッド型ステッピングモータが構成できる。
また、本実施例では、固定子磁極あたりの固定子極歯３の数を７個としているが、最大８個とすることが可能である。
さらに、図６では固定子極歯３の歯ピッチは回転子極歯４の歯ピッチと同じにしているが、回転子極歯４の歯ピッチよりも若干大きくすることや、小さくすることも、もちろん可能である。
【００３２】
なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果たす他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能である。
また、本実施の形態においては、固定子の内側に回転子がある構成を示したが、固定子の外側に回転子がある構成ももちろん可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の３相ハイブリッド型ステッピングモータによれば、請求項１および２については、固定子には１２個の磁極を有するとともに、回転子には等分に配設された、ａを１以上の整数とするとき、１２ａ＋２個の極歯を有し、該各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ固定子極歯が設けられ、少なくとも一つおきに配置された６個の前記磁極は等ピッチで配設されるが、互いに隣接する前記磁極の磁気的中心線のなす角度は、前記回転子極歯ピッチをτR とするとき、（３ａ＋２）τR ／３と（３ａ−１）τR ／３を交互に繰り返し、かつ前記各磁極の磁気的中心線は該磁極の巻線部中心線と一致しているか、またはτR ／４のずれ角をもつので、磁路を短く構成でき高トルク化がはかれるとともに、ヨーク部の部分的な磁気飽和をなくして、ヨーク部の磁束密度も均一となり、ヨーク磁路を効率よく使うことができる。
そのため、運転時の鉄損を低減でき温度上昇を低くおさえることができる。
【００３４】
請求項３については、前記固定子鉄心は、軸方向に着磁された永久磁石を挟着する２つの回転子鉄心に、それぞれ対向する２つの固定子鉄心部からなり、該２つの固定子鉄心部は、その一方を他方に対し、前記各磁極の巻線部中心線を軸として表裏を反転させるか、または該一方の前記巻線部中心線を、前記他方に対し６０゜の倍数以外の３０゜の倍数の角度を回転させて、両者を重ね合わせるとともに、前記永久磁石を挟着する前記２つの回転子鉄心の極歯は、互いに整列して、そのずれ角は０゜であるので、固定子側で、極歯を正確に１／２歯ピッチずらすことが可能となり、従来、永久磁石を軸方向の両側から該永久磁石を挟持するように固着する２個の回転子鉄心の極歯を互いに１／２歯ピッチ正確にずらすために必要であった回転子の組立治具を簡単にすることができる。
【００３５】
請求項４および５については、固定子には１２個の磁極を有するとともに、回転子には等分に配設された、ａを１以上の整数とするとき、１２ａ＋４個の極歯を有し、該各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ固定子極歯が設けられ、二つおきに配置された４個の前記磁極は等ピッチで配設されるが、連続する４個の前記各磁極の磁気的中心線のなす３つの磁極ピッチは、前記回転子極歯ピッチをτR とするとき、（３ａ＋２）τR ／３である箇所が２箇所と、（３ａ−１）τR ／３である箇所が１箇所であるので、磁路を短く構成でき高トルク化がはかれるとともに、ヨーク部の部分的な磁気飽和をなくして、ヨーク部の磁束密度も均一となり、ヨーク磁路を効率よく使うことができる。
そのため、運転時の鉄損を低減でき温度上昇を低くおさえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３相ハイブリッド型ステッピングモータの第１実施例を示し、その固定子鉄心の断面図である。
【図２】各相を構成する磁極巻線の結線図である。
【図３】各相のトルクベクトル図である。
【図４】２−２相励磁の場合の励磁状態図で、図４（ａ）はＡＣ′励磁状態図、図４（ｂ）はＣ′Ｂ励磁状態図、図４（ｃ）はＢＡ′励磁状態図ある。
【図５】３−３相励磁の場合の励磁状態図で、図５（ａ）はＡＣ′Ｂ励磁状態図、図５（ｂ）はＣ′ＢＡ′励磁状態図、図５（ｃ）はＢＡ′Ｃ励磁状態図である。
【図６】本発明の第２実施例を示し、３相ハイブリッド型ステッピングモータの固定子鉄心の断面図である。
【図７】従来の３相ハイブリッド型ステッピングモータの固定子鉄心の断面図である。
【図８】従来の３相ステッピングモータの概略縦断面図である
【図９】図７におけるハイブリッド型ステッピングモータの２−３相励磁の場合の１２通りの中の、前６通りの励磁状態図で、図９（ａ）はＡＣ′励磁状態図、図９（ｂ）はＡＣ′Ｂ励磁状態図、図９（ｃ）はＣ′Ｂ励磁状態図、図９（ｄ）はＣ′ＢＡ′励磁状態図、図９（ｅ）はＢＡ′励磁状態図、図９（ｆ）はＢＡ′Ｃ励磁状態図である。
【符号の説明】
１ 固定子
２ 回転子鉄心
３ 固定子極歯
４ 回転子極歯
６ 回転子
７ 軸
１０、２０ 固定子鉄心
Ｍ ハイブリッド型ステッピングモータ
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、‥‥‥、Ｐ１１、Ｐ１２ 固定子磁極
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、‥‥‥、Ｗ１１、Ｗ１２ 巻線（磁極巻線）
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子に１２個の磁極を有する３相ハイブリッド型ステッピングモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固定子に１２個の磁極を有する３相ハイブリッド型ステッピングモータＭの固定子鉄心１０の形状としては、例えば図７の固定子鉄心の断面図に示すものがよく知られている。
【０００３】
図７において、Ａ，Ｂ，Ｃの各相は、それぞれ４つの磁極を持ち、例えばＡ相の磁極Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ１０には正方向に電流を流した場合は、各磁極Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ１０は順にＮＳＮＳの極性に励磁され、負方向に電流を流した場合には、順にＳＮＳＮの極性に励磁されるように巻線Ｗ１、Ｗ４、Ｗ７、Ｗ１０がそれぞれ巻装され、互いに結線されている。Ｂ相の磁極はＰ３、Ｐ６、Ｐ９、Ｐ１２であり、Ｃ相の磁極はＰ５、Ｐ８、Ｐ１１、Ｐ２であり、Ａ相と同様に巻線Ｗ３、Ｗ６、Ｗ９、Ｗ１２およびＷ５、Ｗ８、Ｗ１１、Ｗ２がそれぞれ巻装され、かつ結線されている。
【０００４】
図８に、前記ステッピングモータＭの縦断面図を示す。該モータＭは、固定子１の内周面に、空隙を介して回転子６を回動自在に配設するとともに、該回転子６は、その軸方向に着磁された永久磁石５と、該永久磁石５の軸方向の両側に、外周面に形成された５０個の極歯４が極歯ピッチの１／２互いにずらされて、該永久磁石５を挟持するように固着された２個の回転子鉄心２、２と、それらを貫通した軸７とにより構成されている。
【０００５】
３相ハイブリッド型ステッピングモータＭの通常の励磁方式としては、ステップ角が、基本ステップ角θS である２−２相励磁方式または３−３相励磁方式と、ステップ角が基本ステップ角θS の１／２のθS ／２となる２−３相励磁方式とがある。該２−３相励磁方式の励磁状態は１２通りあり、その励磁状態の変化を順に示すと以下のようになる。
ＡＣ′、ＡＣ′Ｂ、Ｃ′Ｂ、Ｃ′ＢＡ′、ＢＡ′、ＢＡ′Ｃ、Ａ′Ｃ、Ａ′ＣＢ′、ＣＢ′、ＣＢ′Ａ、Ｂ′Ａ、Ｂ′ＡＣ′、
この１２通りの中で、前６通りと後６通りとは、それぞれ磁極の組み合わせは同じであるが電流の方向だけが異なっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、前６通りの励磁状態のみを図９に示す。図９から、２−２相励磁の場合の励磁状態は、ＡＣ′、Ｃ′Ｂ、ＢＡ′、３−３相励磁の励磁状態は、ＡＣ′Ｂ、Ｃ′ＢＡ′、ＢＡ′Ｃであり、以下のような問題点があった。
すなわち２−２相励磁の場合には、隣合う磁極は同じ極性で、一つおきの磁極は逆の極性になっており、磁路は図示の破線ように比較的長くなっており、磁路が短い場合に比べ、トルクが低下する。また３−３相励磁の場合には、磁路は短くなるものの同じ極性の磁極が３つずつ隣合う形になっており、ヨーク部の磁束密度の増加をもたらしトルクの減少や鉄損の増加の要因となっていた。
【０００７】
また前記ヨーク部の磁気飽和を回避するためには、ヨーク部の磁路断面積を増やさなければならず、モータＭの外径を変えない場合には、固定子１の内径や回転子６の外径を小さくせざるを得ず、結果的にトルクは小さくなってしまうという問題点もあった。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解決し、ヨーク部の部分的な磁気飽和を回避するとともに、従来のものよりも高トルクが発生される３相ハイブリッド型ステッピングモータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の３相ハイブリッド型ステッピングモータの構成は、次のとおりである。
【００１０】
（１） 固定子は放射状に配設された１２個の磁極を有するとともに、回転子は等分に配設された、ａを１以上の整数とするとき、１２ａ＋２個の極歯を有し、該各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ１個以上の固定子極歯が設けられており、少なくとも一つおきに配置された６個の前記磁極は等ピッチで配設されるとともに、互いに隣接する前記磁極の磁気的中心線のなす角度は、前記回転子極歯ピッチをτR とするとき、（３ａ＋２）τR ／３と（３ａ−１）τR ／３を交互に繰り返し、かつ前記各磁極の磁気的中心線は該磁極の巻線部中心線と一致しているか、またはτR ／４のずれ角をもつことを特徴とする。
【００１１】
（２） 前記（１）において、前記回転子には５０個の極歯を有し、前記固定子の各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ複数個の固定子極歯が設けられており、かつ互いに隣接する前記磁極の磁気的中心線のなす角度は、２６．４゜と３３．６゜とを交互に繰り返し、前記磁極の磁気的中心線は該磁極の巻線部中心線と一致しているか、または１．８゜のずれ角をもつことを特徴とする。
【００１２】
（３） 前記（１）または（２）において、固定子鉄心は、軸方向に着磁された永久磁石を挟着する２つの回転子鉄心に、それぞれ対向する２つの固定子鉄心部からなり、該２つの固定子鉄心部は、その一方を他方に対し、前記各磁極の巻線部中心線を軸として表裏を反転させるか、または該一方の前記巻線部中心線を、前記他方に対し６０゜の倍数以外の３０゜の倍数の角度を回転させて、両者を重ね合わせるとともに、前記永久磁石を挟着する前記２つの回転子鉄心の極歯は、互いに整列して、そのずれ角は０゜であることを特徴とする。
【００１３】
（４） 固定子は放射状に配設された１２個の磁極を有するとともに、回転子は等分に配設された、ａを１以上の整数とするとき、１２ａ＋４個の極歯を有し、該各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ１個以上の固定子極歯が設けられており、二つおきに配置された４個の前記磁極は等ピッチで配設されるとともに、連続する４個の前記各磁極の磁気的中心線のなす３つの磁極ピッチは、前記回転子極歯ピッチをτR とするとき、（３ａ＋２）τR ／３である箇所が２箇所と、（３ａ−１）τR ／３である箇所が１箇所であることを特徴とする。
【００１４】
（５） 前記（４）において、前記回転子には１００個の極歯を有し、前記固定子の各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ複数個の固定子極歯が設けられており、連続する４個の前記各磁極の磁気的中心線のなす３つの磁極ピッチは、それぞれ３１．２゜である箇所が２箇所と、２７．６゜である箇所が１箇所であることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、以上のように構成されているので、２−２相励磁や３−３相励磁の場合の磁路を短くすることができ、ヨーク部の部分的な飽和も回避できるため、ヨーク部の磁束密度も均一となり、高トルク化をはかることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。
（第１実施例）
図１ないし図５は、本発明の第１実施例で、請求項１、請求項２および請求項３に係る３相ハイブリッド型ステッピングモータの好適な実施例を示す図で、図１は、前記ステッピングモータＭの固定子鉄心１０の断面図で、回転子鉄心２との相互関係を示し、図２は各相を構成する磁極巻線の結線図、図３は各相のトルクベクトル図、図４は２−２相励磁の場合の励磁状態図、図５は３−３相励磁の場合の励磁状態図である。
【００１７】
図１において、前記ステッピングモータＭの鉄心は、固定子鉄心１０と外周に５０個（前式１２ａ＋２において、ａ＝４とした場合）の極歯４が形成された回転子鉄心２、２とから構成されている。前記固定子鉄心１０内に放射状に配設された１２個の固定子磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、‥‥‥、Ｐ１１、Ｐ１２には、回転子鉄心２、２に対向する面に、それぞれ複数個の固定子極歯３が配設されている。
【００１８】
そして、１つおきに配設されたそれぞれ６個の磁極Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ７、Ｐ９、Ｐ１１およびＰ２、Ｐ４、Ｐ６、Ｐ８、Ｐ１０、Ｐ１２は等ピッチ（機械角６０°）で配設されるとともに、互いに隣接する前記磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、‥‥‥、Ｐ１１、Ｐ１２の磁気的中心線、すなわち前記各磁極に配設された複数の固定子極歯３の中心線のなす角度は、２６．４゜（前式（３ａ−１）τR ／３において、ａ＝４とした場合）と３３．６゜（前式（３ａ＋２）τR ／３において、ａ＝４とした場合）を交互に繰り返し、前記各磁極の磁気的中心線は該磁極の巻線部の中心線と１．８゜（前式τR ／４）のずれ角をもつように配設されている。
【００１９】
図１の状態における前記各固定子磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、‥‥‥、Ｐ１１、Ｐ１２の内周面に設けられたそれぞれの固定子極歯３と回転子鉄心２の外周に設けられた回転子極歯４とのずれ角は、回転子極歯４の歯ピッチτR （電気角３６０°）を単位とすれば、それぞれ（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR である。
【００２０】
ここで、（０／６）τR は、ずれ角０°を意味し、（４／６）τR は歯ピッチτR の２／３、すなわち電気角で２４０°のずれ角を意味している。また、（２／６）τR は歯ピッチτR の１／３、すなわち電気角で１２０°のずれ角を意味している。
【００２１】
従って、図２に示すように、固定子磁極Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ１０に巻装された巻線Ｗ１、Ｗ４、Ｗ７、Ｗ１０を極性が同一になるように結線してＡ相とし、固定子磁極Ｐ３、Ｐ６、Ｐ９、Ｐ１２に巻装された巻線Ｗ３、Ｗ６、Ｗ９、Ｗ１２を極性が同一になるように結線してＢ相とし、固定子磁極Ｐ２、Ｐ５、Ｐ８、Ｐ１１に巻装された巻線Ｗ２、Ｗ５、Ｗ８、Ｗ１１を極性が同一になるように結線してＣ相とすると、各相巻線に同図で上から下に向かって電流を流したときに発生するトルクベクトルＴＡ、ＴＢ、ＴＣは、前記ずれ角の関係から図３に示すように、電気角で１２０°の位相角をもつことになる。
【００２２】
また、前記各相巻線に前記とは逆向きに電流を流したときに発生するトルクベクトルは−ＴＡ、−ＴＢ、−ＴＣとなり、両者を交互に組み合わせることにより、電気角で６０°ずつ一定方向に回転するトルクベクトルＴＡ、−ＴＣ、ＴＢ、−ＴＡ、ＴＣ、−ＴＢを発生することができる。このとき回転子６は電気角で６０°（機械角で６０°／５０、すなわち１．２°）ずつ回転することとなり、基本ステップ角１．２°の３相ハイブリッド型ステッピングモータが構成できる。
【００２３】
いま、ずれ角０°の磁極を“Ａ”とし、１２０°ずつの位相差をもった磁極をそれぞれ“Ｂ”、“Ｃ”とし、前記“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”に対し、それぞれ１８０°の位相差をもった磁極をそれぞれ“Ａ′”、“Ｂ′”、“Ｃ′”とすると、図４は２−２相励磁の場合の励磁状態ＡＣ′、Ｃ′Ｂ、ＢＡ′を示し、図５は３−３相励磁の場合の励磁状態ＡＣ′Ｂ、Ｃ′ＢＡ′、ＢＡ′Ｃを示す。
【００２４】
図４（ａ）においては、Ａ相に属する４個の磁極はすべて同一の極性Ｎに励磁されており、前記Ａ相に隣接したＣ相に属する４個の磁極は前記極性とは逆の極性Ｓに励磁されており、励磁されている８個の極性はＮＳＮＳＮＳＮＳと極性が交互になっている。この関係は（ａ），（ｂ），（ｃ）とも同じであり、励磁状態は常に同じといえる。さらに、同図に破線で示すように短い磁路を形成していることが分かる。
【００２５】
また、図５においても、連続する３個の磁極の極性はＮＳＮまたはＳＮＳであり、それを４回繰り返す構成、すなわち、ＮＳＮＮＳＮＮＳＮＮＳＮまたはＳＮＳＳＮＳＳＮＳＳＮＳとなっており、短い磁路が形成されていることが分かる。図４と同様に励磁状態は常に同じとなっており、短い磁路が形成されていることが分かる。
【００２６】
また、本実施例では一つおきに配置された６個の磁極Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ７、Ｐ９、Ｐ１１およびＰ２、Ｐ４、Ｐ６、Ｐ８、Ｐ１０、Ｐ１２は等ピッチで配設されるとともに、前記各磁極の磁気的中心線は該各磁極の巻線部中心線に対し機械角で１．８°のずれをもたせている。この結果、固定子鉄板は、任意のスロット部の中心線、例えば、Ｘ−Ｘ′に対し線対称とすることができ、磁気回路の一層の均一化をはかることができる。また、また本固定子鉄板の構成は６０°ごとの回し積み（１枚ごとに所定角度６０°回転しながら積層する）が行えるため、固定子鉄心１０として磁気的及び機械的均一性を達成することができる。
【００２７】
さらに、本構成において、固定子鉄心１０を積厚方向に２等分し、一方を他方に対して磁極の巻線部中心線を軸として表裏反転させるか、または６０゜の倍数以外の３０゜の倍数である角度、例えば９０゜回転させて両者を重ね合わせることにより、ひとつの磁極において極歯３の歯ピッチを互いに１／２ピッチずらすことが可能となる。
【００２８】
この場合には、図８における永久磁石５の軸方向の両側から、該永久磁石５を挟持するように固着される２個の回転子鉄心２、２の極歯４を互いに整列させることができ、回転子６の組立治具を簡単にすることができる。また、本実施例では、固定子磁極あたりの固定子極歯３の数を３個としているが、最大４個とすることが可能である。
さらに、図１では固定子極歯３の歯ピッチは回転子極歯４の歯ピッチと同じにしているが、回転子極歯４の歯ピッチよりも若干大きくすることや、小さくすることも、もちろん可能である。
【００２９】
（第２実施例）
図６は、本発明の第２実施例で、請求項４および請求項５に係る３相ハイブリッド型ステッピングモータの好適な実施例を示す図で、該ステッピングモータＭの固定子鉄心２０の断面図で、回転子鉄心２との相互関係を示す。
本実施例の固定子鉄板は、２つおきに配置された４個の磁極Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ１０、またはＰ２、Ｐ５、Ｐ８、Ｐ１１、またはＰ３、Ｐ６、Ｐ９、Ｐ１２は、等ピッチで配設されており、また連続する４個の磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、またはＰ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７、またはＰ７、Ｐ８、Ｐ９、Ｐ１０、またはＰ１０、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１のそれぞれの磁気的中心線のなす３個の磁極ピッチは、３１．２゜（前式（３ａ＋２）τR ／３において、ａ＝８とし、この場合の回転子極歯は１００個）、２７．６゜（前式（３ａ−１）τR ／３において、ａ＝８とした場合）、３１．２゜の順に配置されており、９０゜ごとの回転積層ができる。
【００３０】
図６において、前記ステッピングモータＭの鉄心は、固定子鉄心２０と外周に１００個（前式１２ａ＋４において、ａ＝８とした場合）の極歯４が形成された回転子鉄心２、２とから構成されている。
この場合、固定子磁極Ｐ１の極歯３と回転子鉄心２の極歯４とが対向しているとすると、各固定子磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、‥‥‥、Ｐ１１、Ｐ１２の内周面に設けられたそれぞれの固定子極歯３と前記回転子極歯４とのずれ角は、回転子極歯４の歯ピッチτR （電気角３６０°）を単位とすれば、それぞれ（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR 、（０／６）τR 、（４／６）τR 、（２／６）τR となり、第１実施例と同一となる。
【００３１】
従って、各固定子磁極に巻装された巻線を、図２にと同様に結線してＡ相、Ｂ相、Ｃ相とすることにより、基本ステップ角０．６°の３相ハイブリッド型ステッピングモータが構成できる。
また、本実施例では、固定子磁極あたりの固定子極歯３の数を７個としているが、最大８個とすることが可能である。
さらに、図６では固定子極歯３の歯ピッチは回転子極歯４の歯ピッチと同じにしているが、回転子極歯４の歯ピッチよりも若干大きくすることや、小さくすることも、もちろん可能である。
【００３２】
なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果たす他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能である。
また、本実施の形態においては、固定子の内側に回転子がある構成を示したが、固定子の外側に回転子がある構成ももちろん可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の３相ハイブリッド型ステッピングモータによれば、請求項１および２については、固定子には１２個の磁極を有するとともに、回転子には等分に配設された、ａを１以上の整数とするとき、１２ａ＋２個の極歯を有し、該各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ固定子極歯が設けられ、少なくとも一つおきに配置された６個の前記磁極は等ピッチで配設されるが、互いに隣接する前記磁極の磁気的中心線のなす角度は、前記回転子極歯ピッチをτR とするとき、（３ａ＋２）τR ／３と（３ａ−１）τR ／３を交互に繰り返し、かつ前記各磁極の磁気的中心線は該磁極の巻線部中心線と一致しているか、またはτR ／４のずれ角をもつので、磁路を短く構成でき高トルク化がはかれるとともに、ヨーク部の部分的な磁気飽和をなくして、ヨーク部の磁束密度も均一となり、ヨーク磁路を効率よく使うことができる。
そのため、運転時の鉄損を低減でき温度上昇を低くおさえることができる。
【００３４】
請求項３については、前記固定子鉄心は、軸方向に着磁された永久磁石を挟着する２つの回転子鉄心に、それぞれ対向する２つの固定子鉄心部からなり、該２つの固定子鉄心部は、その一方を他方に対し、前記各磁極の巻線部中心線を軸として表裏を反転させるか、または該一方の前記巻線部中心線を、前記他方に対し６０゜の倍数以外の３０゜の倍数の角度を回転させて、両者を重ね合わせるとともに、前記永久磁石を挟着する前記２つの回転子鉄心の極歯は、互いに整列して、そのずれ角は０゜であるので、固定子側で、極歯を正確に１／２歯ピッチずらすことが可能となり、従来、永久磁石を軸方向の両側から該永久磁石を挟持するように固着する２個の回転子鉄心の極歯を互いに１／２歯ピッチ正確にずらすために必要であった回転子の組立治具を簡単にすることができる。
【００３５】
請求項４および５については、固定子には１２個の磁極を有するとともに、回転子には等分に配設された、ａを１以上の整数とするとき、１２ａ＋４個の極歯を有し、該各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ固定子極歯が設けられ、二つおきに配置された４個の前記磁極は等ピッチで配設されるが、連続する４個の前記各磁極の磁気的中心線のなす３つの磁極ピッチは、前記回転子極歯ピッチをτR とするとき、（３ａ＋２）τR ／３である箇所が２箇所と、（３ａ−１）τR ／３である箇所が１箇所であるので、磁路を短く構成でき高トルク化がはかれるとともに、ヨーク部の部分的な磁気飽和をなくして、ヨーク部の磁束密度も均一となり、ヨーク磁路を効率よく使うことができる。
そのため、運転時の鉄損を低減でき温度上昇を低くおさえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３相ハイブリッド型ステッピングモータの第１実施例を示し、その固定子鉄心の断面図である。
【図２】各相を構成する磁極巻線の結線図である。
【図３】各相のトルクベクトル図である。
【図４】２−２相励磁の場合の励磁状態図で、図４（ａ）はＡＣ′励磁状態図、図４（ｂ）はＣ′Ｂ励磁状態図、図４（ｃ）はＢＡ′励磁状態図ある。
【図５】３−３相励磁の場合の励磁状態図で、図５（ａ）はＡＣ′Ｂ励磁状態図、図５（ｂ）はＣ′ＢＡ′励磁状態図、図５（ｃ）はＢＡ′Ｃ励磁状態図である。
【図６】本発明の第２実施例を示し、３相ハイブリッド型ステッピングモータの固定子鉄心の断面図である。
【図７】従来の３相ハイブリッド型ステッピングモータの固定子鉄心の断面図である。
【図８】従来の３相ステッピングモータの概略縦断面図である
【図９】図７におけるハイブリッド型ステッピングモータの２−３相励磁の場合の１２通りの中の、前６通りの励磁状態図で、図９（ａ）はＡＣ′励磁状態図、図９（ｂ）はＡＣ′Ｂ励磁状態図、図９（ｃ）はＣ′Ｂ励磁状態図、図９（ｄ）はＣ′ＢＡ′励磁状態図、図９（ｅ）はＢＡ′励磁状態図、図９（ｆ）はＢＡ′Ｃ励磁状態図である。
【符号の説明】
１ 固定子
２ 回転子鉄心
３ 固定子極歯
４ 回転子極歯
６ 回転子
７ 軸
１０、２０ 固定子鉄心
Ｍ ハイブリッド型ステッピングモータ
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、‥‥‥、Ｐ１１、Ｐ１２ 固定子磁極
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、‥‥‥、Ｗ１１、Ｗ１２ 巻線（磁極巻線）
Claims (5)
- 固定子は放射状に配設された１２個の磁極を有するとともに、回転子は等分に配設された、ａを１以上の整数とするとき、１２ａ＋２個の極歯を有し、該各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ１個以上の固定子極歯が設けられており、少なくとも一つおきに配置された６個の前記磁極は等ピッチで配設されるとともに、互いに隣接する前記磁極の磁気的中心線のなす角度は、前記回転子極歯ピッチをτR とするとき、（３ａ＋２）τR ／３と（３ａ−１）τR ／３を交互に繰り返し、かつ前記各磁極の磁気的中心線は該磁極の巻線部中心線と一致しているか、またはτR ／４のずれ角をもつことを特徴とする３相ハイブリッド型ステッピングモータ。
- 前記回転子には５０個の極歯を有し、前記固定子の各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ複数個の固定子極歯が設けられており、かつ互いに隣接する前記磁極の磁気的中心線のなす角度は、２６．４゜と３３．６゜とを交互に繰り返し、前記磁極の磁気的中心線は該磁極の巻線部中心線と一致しているか、または１．８゜のずれ角をもつことを特徴とする請求項１に記載の３相ハイブリッド型ステッピングモータ。
- 固定子鉄心は、軸方向に着磁された永久磁石を挟着する２つの回転子鉄心に、それぞれ対向する２つの固定子鉄心部からなり、該２つの固定子鉄心部は、その一方を他方に対し、前記各磁極の巻線部中心線を軸として表裏を反転させるか、または該一方の前記巻線部中心線を、前記他方に対し６０゜の倍数以外の３０゜の倍数の角度を回転させて、両者を重ね合わせるとともに、前記永久磁石を挟着する前記２つの回転子鉄心の極歯は、互いに整列して、そのずれ角は０゜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３相ハイブリッド型ステッピングモータ。
- 固定子は放射状に配設された１２個の磁極を有するとともに、回転子は等分に配設された、ａを１以上の整数とするとき、１２ａ＋４個の極歯を有し、該各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ１個以上の固定子極歯が設けられており、二つおきに配置された４個の前記磁極は等ピッチで配設されるとともに、連続する４個の前記各磁極の磁気的中心線のなす３つの磁極ピッチは、前記回転子極歯ピッチをτR とするとき、（３ａ＋２）τR ／３である箇所が２箇所と、（３ａ−１）τR ／３である箇所が１箇所であることを特徴とする３相ハイブリッド型ステッピングモータ。
- 前記回転子には１００個の極歯を有し、前記固定子の各磁極の該回転子と対向する面には、それぞれ複数個の固定子極歯が設けられており、連続する４個の前記各磁極の磁気的中心線のなす３つの磁極ピッチは、それぞれ３１．２゜である箇所が２箇所と、２７．６゜である箇所が１箇所であることを特徴とする請求項４に記載の３相ハイブリッド型ステッピングモータ。
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