JPH08251899A

JPH08251899A - 永久磁石式ステッピングモータ及びその駆動方法

Info

Publication number: JPH08251899A
Application number: JP7072458A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Sakamoto; 正文坂本
Original assignee: Japan Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 1995-03-07
Filing date: 1995-03-07
Publication date: 1996-09-27
Anticipated expiration: 2019-06-14
Also published as: JP3537904B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高速、高トルクで、駆動回路も安価にできる
永久磁石式ステッピングモータ及びその駆動方法を提供
する。【構成】Ａ₁〜Ｆ₂に示すように固定子主磁極を１２個
とし、これらの固定子主磁極は、例えば奇数番目のもの
及び偶数番目のものは６０度等分配置であるが、前者に
対し後者の配置を非等間隔α度（α＝３０／Ｎr、但し
Ｎrは回転子磁極の極歯の数又は円筒状マグネットの極
対数）とするように構成した。このステッピングモータ
の駆動方法としては、固定子鉄心１の１２個の主磁極Ａ
₁〜Ｆ₂の内、任意の主磁極から数えて偶数番目同士の相
及び奇数番目同士の相の巻終りを短絡したスター結線と
するか、巻終りと巻始めを順次環状のデルタ結線とし
て、上記偶数番目の主磁極と奇数番目の主磁極との間で
位相の異なった電流を通電して駆動することができる。
なお、この構成及び駆動方法において、明細書記載のよ
うに各種の変形が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は永久磁石式ステッピング
モータ及びその駆動方法の改良に関するもので、特に、
半導体製造装置の位置決め駆動用モータ等を主目的とし
た高速で、高トルクの６相巻線式の永久磁石式ステッピ
ングモータ及びその駆動方法として適用して有用な技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の永久磁石式３相ハイブリッド型
（以下ＨＢ型と略すことが多い）ステッピングモータの
構成を図６に示す。同図は、ステップ角が０．６度の場
合の永久磁石式３相ＨＢ型ステッピングモータの固定子
１０を示すもので、この固定子１０には１２個の磁極１
１ａ₁〜１１ａ₁₂が設けられ、各磁極の先端には複数個
（この場合は各７個）の小歯の極歯１１ｂ₁〜１１ｂ₁₂
が設けられている。これらの極歯１１ｂ₁〜１１ｂ₁₂と
所定の空隙を隔てて、円周上に均等に１００個の極歯を
設けた回転子（図示せず）が回転自在に設けられてい
る。なお、固定子１０の各磁極に固定子コイルが装着さ
れるが、簡単のため図示は省略している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のもの
は、その構成上、次のような問題点があった。（１）例えば０．６度のステップ角を作るためには、前
述のように１００個の回転子の極歯が必要であり、この
モータを１回転させるためには１相分のコイル電流で１
００サイクル必要となる。（２）従って、ステッピングモータを高速回転させよう
とするとリアクタンス成分が増加し、電流の減少が激し
く、高速ではトルクが減少してしまう。本発明は従来のものの上記課題（問題点）を解決するよ
うにした永久磁石式ステッピングモータ及びその駆動方
法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の永久磁石式ステ
ッピングモータは、上記課題を解決するために、固定子
鉄心が点対称となる１２個の固定子主磁極（以下主磁極
という）をその内径方向に放射状に有し、上記１２個の
主磁極の外周は環状等に連結し、各相分の固定子コイル
は各々点対称となる各２個の主磁極を同極性とするよう
に巻かれた固定子と、偶数の数の極歯を有する磁性体よ
り成る２個の回転子磁極により永久磁石を挟持し各回転
子磁極の極歯を１／２ピッチずらして設けた回転子（ハ
イブリット型回転子という）とを備えた永久磁石式ステ
ッピングモータにおいて、上記１２個の主磁極の任意の
主磁極と隣接する両側の主磁極間の同位置のなす角度
を、夫々（３０−α）度及び（３０＋α）度となるよう
に配置するように構成した。但し、αは偏角である。こ
の場合、固定子側は上記と同一構成として、回転子の方
を上記のハイブリッド型回転子に代えて、円筒状マグネ
ットの外周にＮ極及びＳ極に各々交互に磁化して成る回
転子で構成するようにしても良い。上記各場合におい
て、上記偏角αは、α＝３０／Ｎｒ、又はα＝７５／Ｎ
ｒ、又はα＝９０／Ｎｒとするのが望ましい。但し、Ｎ
ｒは回転子磁極の極歯の数、また円筒状マグネットの極
対数（以下回転子歯数と略す）である。また、上記固定
子鉄心の１２個の主磁極の各先端部には、極齒を形成す
るようにするのが望ましい。また、上記各場合のステッ
ピングモータの駆動方法としては、上記固定子鉄心の１
２個の主磁極の内、任意の主磁極から数えて偶数番目同
士の相及び奇数番目同士の相の巻終りを短絡したスター
結線とするか、巻終りと巻始めを順次環状のデルタ結線
として、上記偶数番目の主磁極と奇数番目の主磁極との
間で位相の異なった電流を通電して上記ステッピングモ
ータを駆動することができる。また、上記ステッピング
モータを隣接する２つの相の固定子コイルに夫々同相電
流を通電して３相のステッピングモータとして駆動する
こともできる。

【０００５】

【作用】本発明の永久磁石式ステッピングモータは、上
記のような構成であるから、６相巻線式のステッピング
モータに適用して好適のものであり、前述したリアクタ
ンス成分を従来の３相機で同一ステップ角のものと比較
して約半減するため、高速域でも電流が流れ、従って高
速で、高トルクのステッピングモータが実現できる。ま
た、ステップ角は相数をＰ、回転子歯数をＮｒとする
と、（１８０／ＰＮｒ）度となるため、同一ステップ角
の回転子歯数Ｎｒは、従来の３相機に比べ１／２とな
る。また、高速回転時の電流を左右するリアクタンス分
はＮｒω₀Ｌ（ω₀：機械角速度、Ｌ：コイルインダクタ
ンス）なので、同一速度（ω₀が同じ）ではＮｒが１／
２の本発明の６相機の方が従来の３相機の約１／２のリ
アクタンスとなり、高速でも電流が流れ、高トルクとす
ることができる。

【０００６】

【実施例】以下、図示する実施例によって本発明を具体
的に説明する。図１は本発明の一実施例である６相ＨＢ
型ステッピングモータの最も単純化した軸方向から見た
固定子と回転子の側面図、また図２は同モータの縦断正
面図である。まず、図２によって本発明の６相ＨＢ型ス
テッピングモータの全体構成の概要を説明する。同図に
おいて、Ｓは固定子で、この固定子Ｓは固定子鉄心１、
固定子コイル２より成る。Ｒは回転子で、これは同図に
示すように、回転子磁極３Ａ，３Ｂ、これら磁極３Ａ，
３Ｂに挟着された永久磁石４及び回転子軸５より成る。
次に、図１を用いて、図２に表わされていない固定子及
び回転子の構成について説明する。図１に示すように、
固定子Ｓは、１２個の固定子主磁極（以下単に主磁極と
いう）Ａ₁、Ｄ₁、Ｂ₁、Ｅ₁、Ｃ₁、Ｆ₁、Ａ₂、Ｄ₂、
Ｂ₂、Ｅ₂、Ｃ₂、Ｆ₂よりなり、ステップ角度を小さく設
計するためには、図６の従来例の場合に示したように、
前記主磁極の各先端に、複数の極歯を形成するのが望ま
しい。しかし、図１では簡単のため、これらの極歯は図
示してない。回転子Ｒは図２で説明したように、永久磁
石４を挟持した回転子磁極３Ａ，３Ｂよりなり、これら
の回転子磁極３Ａ，３Ｂの外周には極歯が形成されてお
り、、回転子軸５の軸方向に磁化するので、図１で前側
をＳ極、後側をＮ極として括弧を用いて示している。１
２個の固定子主磁極の内、相互に対向する主磁極、即
ち、主磁極Ａ₁とＡ₂、Ｄ₁とＤ₂、・・・・・Ｆ₁とＦ₂が
点対称となっており、これらの点対称の２個の各主磁極
に対して、相巻線を同極となるように巻く。また、各主
磁極Ａ₁、Ｂ₁、Ｃ₁、Ａ₂、Ｂ₂、Ｃ₂は夫々、合い隣る主
磁極間を６０度で等分の６極となるように配置されてい
る。これは、残りの主磁極Ｄ₁、Ｅ₁、Ｆ₁、Ｄ₂、Ｅ₂、
Ｆ₂についても同様である。しかし、前者の６個の主磁
極群に対し後者の６個の主磁極群はα度（機械角）だけ
前者にその中間位置より偏角させて配置してある。Ｎr
＝５０の場合は、α＝（３０／Ｎr）＝０．６度とな
り、一方、ステップ角は、｛１８０／（６×５０）｝＝
０．６度のステッピングモータとなる。また、Ｎr＝１
００の場合は、α＝（７５／Ｎr）＝０．７５度とする
ことでステップ角は、１８０／（６×１００）＝０．３
度のステッピングモータとなる。固定子コイル２を各主
磁極に巻回して装着する時、１２個の各主磁極に形成さ
れるスロット幅は大きい方が良く、トルクを大きくする
には１２個の各主磁極の先端に形成される極歯の数を多
くするほど良い。本発明のように、偶数相の位置を奇数
相の主磁極位置に対しα度、偏在させる場合、αは小さ
いほどスロット幅の大小が少なく、コイル巻きには良
い。例えば、固定子内径を３５ｍｍとした場合、Ｎｒ＝
５０のステップ角０．６度の設計では、偏角αが０．６
度となるが、この偏角のときは円周上の長さとしては約
０．１８ｍｍ程度の長さであるので、１２個の先端の極
歯を４個としても、十分に、固定子コイルを巻き込める
寸法である。なお、本発明のものでは、α＝９０／Ｎ
ｒ、即ちα＝１．８度（Ｎｒ＝５０の時）で、ステップ
角は０．６度となるが、コイル巻き可能なスロット幅と
するには１２個の先端の極歯は３個となり、トルクの点
で好ましくないが、実用上は支障は生じない。

【０００７】上記のように、本発明のものでは各相コイ
ルは１２個の主磁極の内、点対称の関係にある対向する
２個の各主磁極に巻かれ、かつ同極性になるように巻か
れているので、これらの２個の主磁極で回転子の極歯に
与えるラジアル方向力は相互に相殺され、従って低振動
とすることができる。また、固定子コイルは電流の方向
を正、逆交互に反転する交流電流を通電して励磁するバ
イポーラ式のため、ユニポーラ式のものに比べると、固
定子コイルのスペースファクターが大きくなり高効率と
なる。また、各相の固定子コイルの巻終りを短絡したス
ター結線式とする場合には、バイポーラ６相式でも駆動
回路に使用するスイッチングトランジスタは１２個で良
く、従来の６相機のスイッチングトランジスタより半減
される。なお、各相独立の６相バイポーラ式の場合に
は、駆動回路に使用するスイッチングトランジスタの数
は２４個必要である。

【０００８】次に、図１の固定子の１２個の主磁極Ａ₁
〜Ｆ₂に装着する固定子コイル２の具体的な結線方式例
を図３によって説明する。同図において、２ａ₁，２
ｂ₁，２ｃ₁，２ａ₂，２ｂ₂，２ｃ₂及び２ｄ₁，２ｅ₁，
２ｆ₁、２ｅ₂，２ｆ₂は夫々主磁極Ａ₁、Ｂ₁、Ｃ₁、
Ａ₂、Ｂ₂、Ｃ₂及びＤ₁、Ｅ₁、Ｆ₁、Ｄ₂、Ｅ₂、Ｆ₂に対
して装着される固定子コイルで、これらの各コイルは、
同図に示すように、夫々巻終り同士を短絡した２重スタ
ー結線となっている。なお、コイル２ａ₁、２ａ₂の巻終
りとコイル２ｂ₁、２ｂ₂の巻始めを結び、コイル２
ｂ₁、２ｂ₂の巻終りと２ｃ₁、２ｃ₂の巻始めを結び、コ
イル２ｃ₁、２ｃ₂の巻終りと２ａ₁、２ａ₂の巻始めを結
ぶようにした、いわゆるデルタ結線方式とした場合で
も、駆動回路に使用するスイッチングトランジスタは１
２個でドライブできる。図３の回路の入力端子ａ、ｂ、
ｃ、ｄ、ｅ、ｆには、駆動回路が接続され同回路に使用
される２個のスイッチングトランジスタの内、一方のス
イッチングトランジスタを電源の（＋）側に、他方のス
イッチングトランジスタを電源の（−）側に接続する。
この２個のスイッチングトランジスタの内、どちらか一
方のスイッチングトランジスタを導通させることで各相
に交番電流を流すことができる、いわゆるバイポーラ式
となり高トルク化に有利となる。普通バイポーラ式で各
相独立の６相式とすると、２４個のスイッチングトラン
ジスタが必要となるが、本発明の駆動方式では１２個の
スイッチングトランジスタで済む点に利点がある。

【０００９】図４は本発明のステッピングモータの固定
子コイルに印加する励磁電圧を示すもので、同図におい
て、Ｖａ〜Ｖｆは夫々図３の入力端子ａ〜ｆに印加する
励磁電圧の波形である。同図に示すようにａ、ｂ、ｃの
各端子及びｄ、ｅ、ｆの各端子の各々に印加される励磁
電圧は６０度の位相差の電圧となっており、この結果、
入力端子ａ、ｂ、ｃの群と入力端子ｄ、ｅ、ｆの群間で
は３０度の位相差の電圧が印加されるようになるため、
位相差は３０度に近い値が望ましい。

【００１０】図５は図１、図３に示す本発明のステッピ
ングモータの入力端子に、図４の励磁電圧を印加して駆
動する場合の回転原理を、固定子主磁極と回転子の極歯
の関係で示したものである。なお、図５では図面を簡単
化するため、図１に示す１２個の主磁極の１／２に当た
る６個の主磁極、即ち主磁極Ａ₁、Ｄ₁、Ｂ₁、Ｅ₁、Ｃ₁
及びＦ₁のみについての図を代表的に示した。図５に示
すように、ステップ１〜ステップ１２の合計のステップ
では、回転子は３６０度／Ｎr、即ち回転子の歯ピッチ
角分歩進し、１ステップ角は｛（３６０／Ｎ）×（１／
１２）｝度であることがわかる。

【００１１】本発明は以上述べた実施例の態様に限定さ
れるものではない。即ち、上記の図１及び図３に示す実
施例のものは、６相巻線式の永久磁石式ステッピングモ
ータであるが、例えば固定子主磁極Ａ₁、Ｂ₁、Ｃ₁、
Ａ₂、Ｂ₂、Ｃ₂の各コイルみを励磁して３相機として駆
動することもでき、このように３相機として駆動する場
合には、前述したように６相機として駆動する場合の２
倍のステップ角で動作させることができる。このこと
は、固定子主磁極Ｄ₁、Ｅ₁、Ｆ₁、Ｄ₂、Ｅ₂、Ｆ₂の各コ
イルを励磁する場合でも同様である。また、図３に示し
た結線方式に代え、Ａ、Ｂ、Ｃ群の各固定子主磁極と
Ｄ、Ｅ、Ｆ群の各固定子主磁極の各々のコイルを直列又
は並列接続するようにしても良い。

【００１２】さらに、上記実施例のものは、図１、図２
及び図３に示した構造の固定子と、回転子の方は図１及
び図２に示したハイブリッド型の回転子であった。しか
し、本発明はこのようなハイブリッド型の回転子に限定
されるものではなく、このようなハイブリッド型の回転
子に代えて、円筒状永久磁石（図示せず）を用い、その
外周にＮ極とＳ極を交互に各Ｎr個磁化するようにして
も、上述した動作を行うものである。なお、この場合、
Ｎｒは奇数で点対称の２主極は同相異極性に巻かれても
点対称の２主極と回転子間に働くラジアル方向の吸引力
を打ち消すことができる。また、このように円筒状永久
磁石とした場合は、Ｎ極、Ｓ極に磁化すると磁化が正弦
波状に表面磁束密度分布するので、ハイブリッド型より
低振動化に有利となる。

【００１３】

【発明の効果】本発明の永久磁石式ステッピングモータ
は、上記のように構成され、また駆動されるから、次の
ような優れた効果を有する。（１）本発明を実施例に示すように６相機に適用した場
合、従来の３相機のものに比べ、１／２の回転子歯数で
同一ステップ角が得られるから、高速で、高トルクのス
テッピングモータとなる。（２）バイポーラ式とした場合には、高トルクに有利で
あり、スイッチングトランジスタの数も１２個で済み、
従来のものの半分で良いから、ドライバー（駆動回路）
も安価となる。（３）３相機として駆動する場合には、６相機として駆
動する場合の２倍角ドライブが可能となるから、自由度
が向上する。（４）回転子を円筒状永久磁石とすれば、低振動化が、
さらに促進される。（５）さらに、固定子鉄心の主磁極の先端部に極歯を形
成するようにすれば、ステッピングモータのステップ角
は、極歯を形成しないものに比べて、小さくすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の６相ハイブリッド型ステッピングモー
タの固定子と回転子の一実施例を示す概略側面図であ
る。

【図２】図１の縦断正面図である。

【図３】図１に示す１２主磁極の固定子コイルに対する
結線方式の一例を示す接続図である。

【図４】本発明の固定子コイルの入力端子に印加される
励磁電圧の波形図である。

【図５】固定子コイルに図４の励磁電圧を印加して、本
発明のステッピングモータを駆動するときの回転原理
を、固定子主極と回転子歯の関係で示した展開説明図で
ある。

【図６】従来例の固定子の構成を示す側面図である。

【符号の説明】

１：固定子鉄心Ａ₁〜Ｆ₂：固定子主磁極２、２ａ₁〜２ｆ₂：固定子コイル３Ａ、３Ｂ：回転子磁極４：永久磁石Ｓ：固定子Ｒ：回転子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子鉄心が点対称となる１２個の固定
子主磁極（以下主磁極という）をその内径方向に放射状
に有し、上記１２個の主磁極の外周は環状等に連結し、
各相分の固定子コイルは各々点対称となる各２個の主磁
極を同極性とするように巻かれた固定子と、偶数の数の
極歯を有する磁性体より成る２個の回転子磁極により永
久磁石を挟持し各回転子磁極の極歯を１／２ピッチずら
して設けた回転子とを備えた永久磁石式ステッピングモ
ータにおいて、上記１２個の主磁極の任意の主磁極と隣接する両側の主
磁極間の同位置のなす角度を、夫々（３０−α）度及び
（３０＋α）度となるように配置したことを特徴とする
永久磁石式ステッピングモータ。但し、αは偏角であ
る。
【請求項２】固定子鉄心が点対称となる１２個の主磁
極をその内径方向に放射状に有し、上記１２個の主磁極
の外周は環状等に連結し、各相分の固定子コイルは各々
点対称となる対向する各２個の主磁極に対して同相とな
るように巻かれた固定子と、円筒状マグネットの外周に
Ｎ極及びＳ極に各々交互に磁化して成る回転子とを備え
た永久磁石式ステッピングモータにおいて、上記１２個の主磁極の任意の主磁極と隣接する両側の主
磁極間の同位置のなす角度を（３０−α）度及び（３０
＋α）度となるように配置したことを特徴とする永久磁
石式ステッピングモータ。但し、αは偏角である。
【請求項３】上記固定子鉄心の１２個の主磁極の各先
端部に極齒を形成するようにした請求項１又は２記載の
永久磁石式ステッピングモータ。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の永久
磁石式ステッピングモータにおいて、上記偏角αを、α＝３０／Ｎｒ、又はα＝７５／Ｎｒ、
或はα＝９０／Ｎｒとした永久磁石式ステッピングモー
タ。但し、Ｎｒは、請求項１又は３記載の永久磁石式ス
テッピングモータの場合は回転子磁極の極歯の数、また
請求項２又は３記載の永久磁石式ステッピングモータの
場合は円筒状マグネットの極対数である。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の永久
磁石式ステッピングモータにおいて、上記固定子鉄心の１２個の主磁極の内、任意の主磁極か
ら数えて偶数番目同士の相及び奇数番目同士の相の巻終
りを短絡したスター結線とするか、巻終りと巻始めを順
次環状のデルタ結線として、上記偶数番目の主磁極と奇
数番目の主磁極との間で位相の異なった電流を通電して
駆動するようにした永久磁石式ステッピングモータの駆
動方法。
【請求項６】請求項１乃至４のいずれかに記載の永久
磁石式ステッピングモータにおいて、上記ステッピングモータの固定子コイルの内、隣接する
２つの相の固定子コイルに夫々同相電流を通電して３相
のステッピングモータとして駆動するようにした永久磁
石式ステッピングモータの駆動方法。