JP4034388B2

JP4034388B2 - 多相ハイブリッド型ステッピングモータ

Info

Publication number: JP4034388B2
Application number: JP29189397A
Authority: JP
Inventors: 博文里見
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2017-10-24
Also published as: JPH11127568A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｍが３以上の奇数であるｍ相ハイブリット型ステッピングモータに関し、特に、３相または５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、例えば６個の固定子磁極を有する３相ハイブリッド型ステッピングモータとしては、図９の固定子の断面図および図１０の概略縦断面図に示すものが知られている。
図９および図１０において、Ｐ１ないしＰ６は、固定子１の鉄心１０に、放射状に等ピッチに配置された６個の固定子磁極であり、３は、該固定子磁極Ｐ１ないしＰ６の内周面にそれぞれ配設された固定子極歯、Ｗ１ないしＷ６は、前記固定子磁極Ｐ１ないしＰ６のそれぞれに巻装された巻線である。
【０００３】
回転子２は、該固定子１内に軸７により回動自在に支持されるとともに、前記固定子磁極Ｐ１ないしＰ６と空隙を介して対向する外周面に、５０個の回転子極歯４が形成された回転子鉄心５，５と、前記回転子極歯ピッチが１／２互いにずれて配置された前記回転子鉄心５，５に挟持され、軸７方向に磁化された永久磁石６とを有する。
【０００４】
前記固定子１は、前記巻線Ｗ１とＷ４が同極性となるように結線されて第I 相を、巻線Ｗ２とＷ５が同極性に結線されて第II相を、巻線Ｗ３とＷ６が同様に結線されて第III 相を形成している。この種のステッピングモータのステップ角は、３６０／（２×相数×回転子極歯数）度であるから、相数３、回転子極歯数５０を代入すると基本ステップ角は１．２度となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９および図１０に示す前記従来の３相ハイブリッド型ステッピングモータにあっては、以下のような問題点があった。
（１）固定子１の鉄心１０は、３相専用の固定子鉄板構成となっており、６相や９相ステッピングモータを構成することができない。
（２）ディテントトルクを低減するためには、固定子極歯３の歯ピッチを回転子極歯４の歯ピッチと異なった値とする、いわゆるバーニアピッチの採用が必要となる。
（３）また、前記ステッピングモータは、入力パルス指令に基づいてステップ動作を行うため、振動が発生しやすく、通常、なんらかの対策が必要となる。
【０００６】
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消し、ｍ相だけでなく、２ｍ相や３ｍ相にも対応できる多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。
【０００７】
本発明の他の目的は、前記固定子極歯および回転子極歯に、バーニアピッチを採用しなくても、ディテントトルクを低減できるとともに、低振動化が可能な多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。
【０００８】
【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多相ステッピングモータの構成は、固定子は、放射状に配置された２ａｍ個の固定子磁極と、該固定子磁極に各別に巻装された２ａｍ個の巻線とを有し、回転子は、該固定子内に軸により回動自在に支持されるとともに、前記固定子磁極と空隙を介して対向する面に、Ｚ＝ａ（ｍｎ＋ｋ／２）個（ただし、ａは１以上の整数、ｍは３以上の奇数、ｎは１以上でＺ／ａｍより小さい整数、ｋはｍとの共役数をもたない２ｍより小さい整数）の回転子極歯をそれぞれ有する２つの回転子鉄心と、該２つの回転子鉄心に挟持され、軸方向に磁化された永久磁石とを有する多相ハイブリッド型ステッピングモータにおいて、次のとおりである。
【０００９】
（１）前記固定子磁極の前記回転子と対向する面には、１個以上の固定子極歯を有し、ひとつおきに配置された前記固定子磁極の磁気的中心線のなす角度は、３６０／ａｍ度であり、２つおきに配置された前記固定子磁極の磁気的中心線のなす角度は、前記回転子の極歯ピッチ角度をτ_Rとするとき、（１８０／ａ）±（τ_R／αｍ）度（ただし、αは２以上の整数）であることを特徴とする。
【００１０】
（２）前記（１）において、前記α＝４とし、ｍ相または２ｍ相に構成することを特徴とする。
【００１１】
（３）前記（１）において、前記α＝３とし、ｍ相または３ｍ相に構成することを特徴とする。
【００１２】
【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７は、第１実施例で、請求項１および請求項２に係る固定子磁極数が６個（２ａｍにおいて、ａ＝１、ｍ＝３）の場合の多相（３相）ハイブリッド型ステッピングモータの実施例を示す。図１において、図９と同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００１３】
図１は、前記ステッピングモータＭの固定子１１および回転子２を回転軸７に垂直な面で切断した断面図で、両者の相互関係を示し、図２（ａ）は、各磁極巻線Ｗ１ないしＷ６を個別に励磁したときのトルクベクトル図、図２（ｂ）は、３相の合成トルクベクトル図、図３は、４相励磁時の合成トルクベクトル図、図４（ａ）、図４（ｂ）および図５は、３相を構成する磁極巻線の結線図の例、図６は、６相を構成する各相の磁極巻線の図、図７はディテントトルクの低減の様子を説明する図である。
【００１４】
図１において、前記ステッピングモータＭの固定子１１の鉄心２０には、６個の固定子磁極Ｐ１ないしＰ６が内側に向かって放射状に配設されており、各磁極Ｐ１ないしＰ６の回転子２と対向する面には、それぞれ６個の固定子極歯３が等ピッチで配設されている。そして、該固定子磁極Ｐ１ないしＰ６のそれぞれには、巻線Ｗ１ないしＷ６が巻装されている。前記回転子極歯４の数は、５０個（Ｚ＝ａ（ｍｎ＋ｋ／２）において、ａ＝１、ｍ＝３、ｎ＝１６、ｋ＝４とした場合）であり、該回転子極歯４のピッチ角度τ_R＝３６０／Ｚ＝３６０／５０＝７．２度である。
【００１５】
そして、ひとつおきに配置された前記固定子磁極Ｐ１とＰ３、Ｐ３とＰ５、Ｐ５とＰ１、Ｐ２とＰ４、Ｐ４とＰ６、Ｐ６とＰ２のそれぞれの磁気的中心線、すなわち各磁極Ｐ１ないしＰ６に配設された固定子極歯３、または固定子極歯群の中心線のなす角度は、３６０／ａｍ＝３６０／３度、すなわち１２０度であるとともに、２つおきに配置された前記固定子磁極Ｐ１とＰ４、Ｐ３とＰ６、Ｐ５とＰ２のそれぞれの磁気的中心線のなす角度は、１８０．６度（１８０±τ_R／αｍにおいて、α＝４とし、＋を採用した場合）である。
【００１６】
したがって、前記固定子磁極Ｐ１とＰ２、Ｐ３とＰ４、Ｐ５とＰ６のそれぞれの磁気的中心線のなす角度は、１８０．６−１２０＝６０．６度、該固定子磁極Ｐ２とＰ３、Ｐ４とＰ５、Ｐ６とＰ１のそれぞれの磁気的中心線のなす角度は、１２０−６０．６＝５９．４度となる。
ここで、６０．６＝（８＋５／１２）τ_R度であり、５９．４＝（８＋３／１２）τ_R度である。
【００１７】
このため、図１の状態における、前記各固定子磁極Ｐ１ないしＰ６の内周面に配設されたそれぞれの固定子極歯３と、前記回転子鉄心５の外周に設けられた回転子極歯４とのずれ角は、該回転子極歯４の歯ピッチτ_R（電気角で３６０度）を単位とすれば、それぞれ（０／６）τ_R、（５／１２）τ_R、（４／６）τ_R、（１／１２）τ_R、（２／６）τ_R、（９／１２）τ_Rである。
ここで、（０／６）τ_Rはずれ角０度を意味し、（５／１２）τ_Rは歯ピッチτ_Rの５／１２、すなわち、電気角で１５０度のずれ角を意味している。また、（４／６）τ_Rは同様に歯ピッチτ_Rの４／６、すなわち、２４０度のずれ角を意味している。
【００１８】
したがって、巻線Ｗ１ないしＷ６を、それぞれ同極性に励磁したときに発生するトルクベクトルＴ１ないしＴ６は、図２（ａ）に示すような関係になる。したがって、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、巻線Ｗ１とＷ４を同極性に結線してＡ相とし、巻線Ｗ５とＷ２を同極性に結線してＢ相とし、巻線Ｗ３とＷ６を同極性に結線してＣ相とし、それぞれ同一の極性に電流を流して励磁したときに、発生するトルクベクトルを、それぞれＴＡ、ＴＢ、ＴＣとすると、前記ずれ角の関係から図２（ｂ）に示すように、該トルクベクトルＴＡ、ＴＢ、ＴＣは、電気角で１２０度の位相角をもった合成トルクベクトルとなる。
【００１９】
また、前記Ａ相、Ｂ相、Ｃ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に対し、それぞれ１８０度の位相差をもったトルクベクトル−ＴＡ、−ＴＢ、−ＴＣとなるため、両者を交互に組み合せることにより、電気角で６０度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、前記回転子２は、電気角で６０度（機械角で６０／５０＝１．２度）ずつ回転することとなり、基本ステップ角１．２度の３相ステッピングモータが構成できる。
【００２０】
また、図６に示すように、Ｗ１をＡ相、Ｗ４をＢ相、Ｗ３をＣ相、Ｗ６をＤ相、Ｗ５をＥ相、Ｗ２をＦ相とし、各巻線Ｗ１ないしＷ６を個別に励磁して、Ｔ１、Ｔ４、−Ｔ３、−Ｔ６、Ｔ５、Ｔ２、−Ｔ１、−Ｔ４、Ｔ３、Ｔ６、−Ｔ５、−Ｔ２とした場合には、前記回転子２を、電気角で３０度（機械角で３０／５０＝０．６度）ずつ回転させることができ、基本ステップ角０．６度の６相ステッピングモータが構成できることが分かる。図３に、４相励磁時の合成トルクベクトルの様子を示す。
【００２１】
次いで、３相ステッピングモータのディテントトルクは、モータトルクの基本波に対し６次高調波となるため、その周期は前記回転子極歯４の歯ピッチτ_Rの１／６となるが、それぞれ対向する前記固定子磁極Ｐ１とＰ４、Ｐ２とＰ５、Ｐ３とＰ６のそれぞれの磁気的中心線のなす角度は、１８０±（τ_R／１２）度に構成してあるため、回転子極歯ピッチτ_Rの１／１２ずれている。その結果、対向する固定子磁極Ｐ１とＰ４、Ｐ２とＰ５、Ｐ３とＰ６に起因するディテントトルクは互いに打ち消し合い、ディテントトルクを最小にすることができる。その様子を図７に示す。
【００２２】
図５は、３相ステッピングモータの他例を示すの結線図であり、２つの３相巻線Ｗ１、Ｗ３、Ｗ５と、Ｗ４、Ｗ６、Ｗ２とを並列接続した構成となっている。磁気的安定点が、互いにわずかにずれている２つのモータの組み合せとすることができ、また２つの３相巻線を並列接続した場合には、巻線内での循環電流によるダンピングも期待できるため、低振動化が可能となる。
【００２３】
（第２実施例）
図８（ａ）および図８（ｂ）は、第２実施例で、請求項１および請求項３に係る多相ハイブリッド型ステッピングモータＭの実施例を示す。
前記第１実施例における、前記ａ＝１、ｍ＝３、ｎ＝１６、ｋ＝４、α＝３とした場合にも、前記多相ステッピングモータＭの固定子磁極数が６個となるが、固定子磁極Ｐ１ないしＰ６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５の外周に設けられた回転子極歯４とのずれ角は、前記第１実施例の場合と同様に示すと、それぞれ（０／６）τ_R、（４／９）τ_R、（４／６）τ_R、（１／９）τ_R、（２／６）τ_R、（７／９）τ_Rとなる。
【００２４】
したがつて、前記巻線Ｗ１ないしＷ６を、それぞれ同極性に励磁したときに発生するトルクベクトルＴ１ないしＴ６は、図８（ａ）に示すような関係になる。したがつて、図８（ａ）のように結線して励磁することにより、電気角で１２０度の位相角をもった合成トルクベクトルＴＡ、ＴＢ、ＴＣを発生させることができ、第１実施例と同様に、基本ステップ角１．２度の３相ステッピングモータが構成できることが分かる。
【００２５】
また、前記各巻線Ｗ１ないしＷ６に、それぞれ電流Ｉを流したときのトルクベクトルをＴ１ないしＴ６とし、巻線グループＷ１とＷ４、Ｗ２とＷ５、Ｗ３とＷ６に電流０．５３Ｉを流したときの合成トルクベクトルを、それぞれＴ１４、Ｔ２５、Ｔ３６とし、電流の向きを逆向きにしたときにはマイナスの符号をつけるとすると、図８（ｂ）のようになり９相のトルクベクトルを発生させることができる。
【００２６】
このとき、前記回転子２は、電気角で２０度（機械角で２０／５０＝０．４度）ずつ回転させることができ、基本ステップ角０．４度の９相ステッピングモータが構成できることが分かる。
【００２７】
ここでは、実施例として回転子極歯４の歯数が偶数の場合を説明したが、回転子極歯数が奇数の場合ももちろん可能である。この場合には、例えば図４（ａ）および図４（ｂ）の巻線の結線は、同極性ではなく異極性となる。
【００２８】
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。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の多相ハイブリッド型ステッピングモータによれば、固定子磁極の回転子と対向する面には、１個以上の固定子極歯を有し、ひとつおきに配置された前記固定子磁極の磁気的中心線のなす角度は、３６０／ａｍ度であり、２つおきに配置された前記固定子磁極の磁気的中心線のなす角度は、前記回転子の極歯ピッチ角度をτ_Rとするとき、（１８０／ａ）±（τ_R／αｍ）度（ただし、αは２以上の整数）であるので、ｍ相だけでなく、２ｍ相や３ｍ相にも対応することができる。
【００３０】
例えば、α＝４の場合には、ｍ相および２ｍ相ステッピングモータが構成でき、またα＝３の場合には、ｍ相および３ｍ相ステッピングモータが構成できる。また、前記固定子極歯および回転子極歯に、バーニアピッチを採用しなくてもディテントトルクを低減できるとともに、低振動化が可能になる。
【００３１】
さらに、ｍ相ステッピングモータとした場合には、ひとつの相を構成する磁極間では、（１／αｍ）τ_R、または（１／２＋１／αｍ）τ_Rのずれがあるため、αの値を適正に選択することによりディテントトルク（基本波トルクの２ｍ次高調波）を低減できる。例えば、α＝４の場合にはゼロに低減できる。また図５のような構成とすることにより、磁気的安定点が、互いにわずかにずれている２つのｍ相ステッピングモータの組合せとすることができ、低振動化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多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、３相ステッピングモータの固定子および回転子の断面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の各磁極巻線を個別に励磁したときのトルクベクトル図、図２（ｂ）は、図１の３相の合成トルクベクトル図である。
【図３】図１の４相励磁時の合成トルクベクトル図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、図１の３相を構成する磁極巻線の結線図の一例である。
【図５】図１の３相を構成する磁極巻線の結線図の他の例である。
【図６】図１の６相を構成する各相の磁極巻線図である。
【図７】ディテントトルクの低減の様子を説明する図である。
【図８】本発明の多相ハイブリッド型ステッピングモータの第２実施例を示し、図８（ａ）は、図１の各磁極巻線をそれぞれ同極性に励磁したときに発生するトルクベクトル図、図８（ｂ）は、９相を構成するトルクベクトル図である。
【図９】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の断面図である。
【図１０】従来の３相ハイブリッド型ステッピングモータの概略縦断面図である。
【符号の説明】
１固定子
２回転子
３固定子極歯
４回転子極歯
６回転子鉄心
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、‥‥‥、Ｐ６固定子磁極
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、‥‥‥、Ｗ６巻線（磁極巻線）

Claims

固定子は、放射状に配置された２ａｍ個の固定子磁極と、該固定子磁極に各別に巻装された２ａｍ個の巻線とを有し、回転子は、該固定子内に軸により回動自在に支持されるとともに、前記固定子磁極と空隙を介して対向する面に、Ｚ＝ａ（ｍｎ＋ｋ／２）個（ただし、ａは１以上の整数、ｍは３以上の奇数、ｎは１以上でＺ／ａｍより小さい整数、ｋはｍとの共役数をもたない２ｍより小さい整数）の回転子極歯をそれぞれ有する２つの回転子鉄心と、該２つの回転子鉄心に挟持され、軸方向に磁化された永久磁石とを有する多相ハイブリッド型ステッピングモータにおいて、
前記固定子磁極の前記回転子と対向する面には、１個以上の固定子極歯を有し、ひとつおきに配置された前記固定子磁極の磁気的中心線のなす角度は、３６０／ａｍ度であり、２つおきに配置された前記固定子磁極の磁気的中心線のなす角度は、前記回転子の極歯ピッチ角度をτ_Rとするとき、（１８０／ａ）±（τ_R／αｍ）度（ただし、αは２以上の整数）であることを特徴とする多相ハイブリット型ステッピングモータ。
前記α＝４とし、ｍ相または２ｍ相に構成することを特徴とする請求項１に記載の多相ハイブリット型ステッピングモータ。
前記α＝３とし、ｍ相または３ｍ相に構成することを特徴とする請求項１に記載の多相ハイブリット型ステッピングモータ。