JP4309325B2 - 複合３相ハイブリッド型回転電機およびその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、OＡ機器等に使用されるステッピングモータ等の回転電機およびその駆動方法に関する。

OA機器等の用途には位置決め精度が良く、低振動なステッピングモータ等の回転電機の要求が強い。一方、３相機を２組有する複合３相機は特許文献１で公知である。このモータは分解能が高く、位置決め用途には適した安価なモータと言える。

特許第３５３７９０４号

特許第３５３７９０４号に示されたダブル３相ステッピングモータは分解能は満足するレベルであるが、巻き線が無励磁のとき、回転子の永久磁石により発生するコギングトルクが大きく、従って振動や騒音は満足するレベルではない。このため、このレベルの分機能を維持して、コギングトルクの小さな回転電機が要求されていた。

本発明は、下記する３手段にて課題を解決できる。
「手段１」
略環状体より放射状に１２の主極が配設されその先端には複数で同数の誘導子を有した磁性体よりなり、少なくとも任意の１主極の誘導子と隣接する主極の同位置の誘導子とのなす角度をβ、また該任意の１主極の誘導子と、該隣接主極と隣接する主極の同位置の誘導子とのなす角度をαとし、該任意の１主極を含む１個おきの６個の主極で３相を形成し、残りの主極で別の３相を形成する複合３相固定子と、歯数がＮｒの２個の磁性体回転子にて、その歯の１／２のピッチずらせて軸方向に磁化した永久磁石を挟持したハイブリッド型回転子とを、エアギャップを介して対向させた回転電機であって、
回転子の歯数Ｎｒを１００、角度αを５８．２度、角度βを２９．１度としたことを特徴とする。
「手段２」
手段１にて、固定子の１２主極は等間隔に配置され、１２主極間で同位置の誘導子のなす角度が、２９．１度を３回と３２．７度を１回とを１組として３組で構成されたことを特徴とする。
「手段３」
手段１または２の回転電機を駆動する方法として、倍角のステップ角を必要とするときは、２組の３相のそれぞれの巻き線を並列または直列にして３相機として、あるいはダブル３相回路で２組の３相回路を同相駆動し、分解能を必要とするときは、２組の３相回路に位相差を設けてダブル３相として駆動することを特徴とする。

本発明を実現するには上述した３つの手段による。手段１の条件を満たすことで、コギングトルクを大幅に低減できる１２主極あるいは２４主極の回転電機を提供できる。手段２では主極の配置の具体例を開示している。手段３では例えば低速駆動時はダブル３相機として高分解能で駆動し、従って回転ムラの小さな運転が得られ、高速にする場合は分解能は不要なので、ステップ角が2倍となる3相機として、高速運転が可能になる。

上述の如き構成においては、以下の理由で課題が解決できる。
引用特許の従来技術ではそのコギングトルクは後述する理由により、３の倍調波のコギングトルクとなるが、本発明品は１２の倍調波のコギングトルクとなる。一般に高次のコギングトルクはその振幅も小さくなり、大幅にコギングトルクを低減できることになる。

１） 分解能は従来と同一にして、従来品モータのコギングトルクが３倍調波に対し１２倍調波なので概略１／４程度にコギングトルクが低減されるため極めて低振動な回転電機となる。
２） 低速時や位置決め時はダブル3相機として、また高速駆動時は３相機として、１機で２機分の機能を発揮する低振動回転電機が実現できる。
３） ３相機として駆動しても、低コギングトルク性は同一で変わらないので、低コギングトルク３相機としても利用できる。
４）ステッピングモータの他に、回転子の位置や速度を検出して巻き線電流値や励磁タイミングを決めるフイードバック制御駆動すれば低コギングトルクの多極ブラシレスDCモータやACサーボモータとしても活用できる。

図１は本発明に関する複合３相機の構造を示す図である。固定子は１２主極構造で示したものである。回転子は歯数がＮｒの２個の磁性体回転子にて、その歯数の１／２のピッチずらせて軸方向に磁化した永久磁石を挟持したハイブリッド型回転子である。

図６は特許第３５３７９０４号等に開示された従来技術の固定子と回転子の関係を示すものである。図１に示した略環状体より放射状に１２の主極が配設されその先端には複数で同数の誘導子を有した磁性体よりなる固定子で任意の１主極Ａ１の誘導子と隣接する主極ａ１の同位置の誘導子のなす角度をβ／ｍ，また該任意の１主極Ａ１の誘導子と、該隣接主極ａ１と隣接する主極Ｂ１の同位置の誘導子とのなす角度をα／ｍとし，夫々の主極と最も近接した回転子歯とのなす角度を電気角で示した図である。この場合の具体例としては１２主極なので、ｍ＝１であり、Ｎｒ=１００とした場合、α＝６０度、β＝２９．１度で図７のようになる。またこの場合の巻き線図は図８のように構成されていた。

図２は本発明の、従来技術の図６に相当する固定子と回転子の関係図である。図１に示した略環状体より放射状に１２の主極が配設されその先端には複数で同数の誘導子を有した磁性体よりなる固定子で任意の１主極Ａ１の誘導子と隣接する主極ａ１の同位置の誘導子のなす角度をβ／ｍ，また該任意の１主極Ａ１の誘導子と、該隣接主極ａ１と隣接する主極Ｂ１の同位置の誘導子とのなす角度をα／ｍとし，夫々の主極と最も近接した回転子歯とのなす角度を電気角で示した図である。電気角はNrなる回転子歯数で割れば機械角になるので、図２より次式（１）、（２）が成立する。但し、１２主極ではｍ＝１、２４主極ではｍ＝２とする。また回転子歯数Ｎｒは３０を割り切れる値とする。
（３６０ｎ±６０）／Ｎｒ＝α／ｍ （１）
（３６０ｋ±３０）／Ｎｒ＝β／ｍ （２）
このときの巻き線構成は１２主極で示せば図３の如くなる。Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２が１個目の３相巻き線を、ａ１、ｂ１、ｃ１、ａ２、ｂ２、ｃ２が２個目の３相巻き線を示し、図１の主極符号と一致させている。２４主極の場合はこの配列がもう１回つながることになる。
上式で実用的な構成の１２主極のｍ＝１で、３０を割り切る値のＮｒ＝１００を選ぶと、ｎ＝１６として、α＝５８．２度、ｋ＝８として、β＝２９．１度となり、その固定子の具体例を図４に示す。主極間隔は３０度均等で同一位置の誘導子の間隔を図示したような、２９．１度を３回と３２．７度を１回で合計１２０度の１組として３回、同様な分布で３６０度として構成される。主極の位置をこれらの角度に配置してもよいが、巻き線のスペースファクターが変化するので、主極は３０度と等間隔にして各主極の誘導子間での角度とするのが望ましい。Ｎｒ＝１００の場合は、２つの３相機巻き線を直列あるいは並列で駆動すれば、ステップ角度は３相機となるので、６０／Ｎｒ＝０．６度、複合（ダブル）３相機として駆動すれば、３０／Ｎｒ＝０．３度となる。
Ｎｒを３０で割り切れる値とするのは、ダブル３相として駆動したとき、ステップ角が、６０進法の角度で割り切れない値となると、ユーザーが使いづらいことを考慮したものである。

図５はダブル３相機の駆動回路の例である。巻き線はスター結線であるがデルタ結線でも良い。図８の中央から左右に６個づつのトランジスターでブリッジを構成して通常の３相回路を配置しているが、これは左右のブリッジの３相回路を同相駆動すれば３相機として、また位相差を設けてダブル３相機として駆動する。

次に本発明と従来技術でのコギングトルクの相違を説明する。
ハイブリッド型ステッピングモータの固定子１磁極に対するパーミアンスＰ（Ｎｒθ）は、回転子Ｎ側とＳ側とでパーミアンスがπずれることから、理論的には、Ｐ（Ｎｒθ）は奇数調波のみで表されることになるが、実際には機械加工やその他の理由により、偶数次高調波も含まれることが考えられるので、ここでは、Ａ１磁極のパーミアンスＰ（Ｎｒθ）を（３）式のように表し、Ａ１磁極で発生するコギングトルクＴ（Ｎｒθ）を(４)式のように表すことにする。
このとき、全磁極に対するコギングトルクＴ（Ｎｒθ）は、図６を参照して
と表される。（５）式からわかるように、従来品では、３の倍調波のコギングトルク(６の奇数倍調波は除く)が発生することがわかる。
これに対し本発明の場合は次のようになる。
この場合にも、Ａ１₁磁極で発生するコギングトルクを（４）式で表すと、全磁極で発生するコギングトルクＴ(θ)は、図２を参照して、
（６）式から、本発明のものにおいては、１２の倍調波のコギングトルクのみが発生することがわかる。一般に、高次のコギングトルクは小さな値となるので、本発明の回転電機はコギングトルクの面からは有利であることがわかる。一般にハイブリッド型ステッピングモータは、主極先端に設けた誘導子の歯ピッチを回転子の歯ピッチとわずかに変えて、所謂バーニアピッチとしてコギングトルクを低減していたが本方式では、それに頼らなくても低コギングトルクとすることができる。

一般にハイブリッド型ステッピングモータで、ＯＡ機器等に使用されるコギングトルクが少ないことが要求される回転電機に利用可能性がある。

本発明に関する回転電機の構造図 本発明の回転電機の固定子と回転子の関係図 本発明の回転電機の巻き線接続図 本発明の回転電機の固定子磁極配置図 本発明の回転電機の駆動回路図 従来技術の回転電機の固定子と回転子の関係図 従来技術の回転電機の固定子磁極配置図 従来技術の回転電機の巻き線接続図

符号の説明

Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２： １組目の３相を形成する固定子主極
ａ１、ｂ１、ｃ１、ａ２、ｂ２、ｃ２： ２組目の３相を形成する固定子主極
α： １組の３相磁極間のなす角度
β： 隣接する２組の３相磁極間のなす角度
ｍ： １または２

Claims (3)

1. 略環状体より放射状に１２の主極が配設されその先端には複数で同数の誘導子を有した磁性体よりなり、少なくとも任意の１主極の誘導子と隣接する主極の同位置の誘導子とのなす角度をβ、また該任意の１主極の誘導子と、該隣接主極と隣接する主極の同位置の誘導子とのなす角度をαとし、該任意の１主極を含む１個おきの６個の主極で３相を形成し、残りの主極で別の３相を形成する複合３相固定子と、歯数がＮｒの２個の磁性体回転子にて、その歯の１／２のピッチずらせて軸方向に磁化した永久磁石を挟持したハイブリッド型回転子とを、エアギャップを介して対向させた回転電機であって、
   回転子の歯数Ｎｒを１００、角度αを５８．２度、角度βを２９．１度としたことを特徴とする回転電機。
2. 前記固定子の１２主極は等間隔に配置され、１２主極間で同位置の誘導子のなす角度が、２９．１度を３回と３２．７度を１回とを１組として３組で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機の駆動方法であって、倍角のステップ角を必要とするときは、２組の３相のそれぞれの巻き線を並列または直列にして３相機として、あるいはダブル３相回路で２組の３相回路を同相駆動し、分解能を必要とするときは、２組の３相回路に位相差を設けてダブル３相として駆動することを特徴とする回転電機の駆動方法。