JPH1070874A - 多重巻線型ハイブリッドステッピングモータ、６相型ハイブリッドステッピングモータ及びそれらの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動装置のコストを低く抑えながらも、位置
決め精度を高めることができる多重巻線型ハイブリッド
ステッピングモータ、６相型ハイブリッドステッピング
モータ及びそれらの駆動方法を提供する。 【解決手段】 多重巻線型ハイブリッドステッピングモ
ータにおいては、固定子１の１２個の固定子極に△接続
による２組の△型３相巻線２０、２１を電気角でθ／２
度の位相差で設け、これら△型３相巻線２０、２１を駆
動装置２２の３相ドライバ２３、２４により交互に駆動
する。これにより、１サイクルで１２ステップ、すなわ
ち３６０度／ｎ／１２のステップ角で動作することにな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多重巻線型ハイブ
リッドステッピングモータ、６相型ハイブリッドステッ
ピングモータ及びそれらの駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ハイブリッドステッピングモータ
においては、２相巻線型が最も普及している。２相巻線
型が最も普及した理由としては、２相巻線の１相に移相
コンデンサを接続する単相同期電動機が発祥の一つであ
ることと、ステッピングモータが動作する上で最低２相
巻線がステッピングモータを駆動する駆動装置の価格を
低く抑えることができるという点にある。一方、最近、
ハイブリッドステッピングモータの応用分野が精密自動
機械やロボットなどの高速・高精度の分野に至っては、
必ずしも価格よりも制御性能の高いものが望まれるよう
になってきている。そのような背景にあって、ドイツで
開発された５相型ハイブリッドステッピングモータは、
従来の２相型ハイブリッドステッピングモータに比べて
それほどでもないにしても、相当高価な駆動装置を必要
とする。しかしながら、性能が価格のハンディを超えて
いるのでハイテク産業分野での人気は高い。

【０００３】このように、ハイブリッドステッピングモ
ータは、低価格・多量需要のあるパソコン、ＡＶ、ＯＡ
機器などの分野では主に２相巻線型が使用されており、
精密自動機械やロボットなどの高速・高精度の分野では
主に５相巻線型が使用されている。なお、３相型ハイブ
リッドステッピングモータもあるが、これは従来の２相
型を単純に３相型に変えたものであり、２相型に比べて
ステップ角が２／３小さくなった程度で、５相型に対し
て決定的な優位に立つことができない状況にある。

【０００４】ここで、図８はそのような従来の３相型ハ
イブリッドステッピングモータ１の構造を示す図であ
る。この図に示すように、固定子２の１２個の固定子極
のうち、９０度間隔で配置された固定子極の夫々に共通
して直列接続された励磁巻線（例えば、Ｕ１極とＵ２極
とＵ３極とＵ４極）が１相を形成し、これが図９に示す
ように△接続の３相巻線を形成するか、あるいは図１０
に示すようにＹ接続の３相巻線を形成する。すなわち、
３相型ハイブリッドステッピングモータ１の固定子２に
１組の３相巻線が施されていることである。

【０００５】図１１は電気的に１２０度の位相差のある
巻線のＵ、Ｖ、Ｗ相が順次スイッチングされて行く模様
を△接続を例に挙げて示したものである。この図におい
て、上欄の＃１、＃２……＃６はステッピング・ポイン
トであって、励磁がゆっくりと切り替わる毎に回転子３
（図８参照）が静止するポイントである。各巻線に沿う
黒矢印は、電流の流れ及びその電流で発生する磁束の方
向を示すものである。また、白抜き矢印は、励磁される
２相の巻線によって合成される磁界の方向を示すもので
ある。永久磁石を持つ回転子３は、その合成磁束の方向
に引き付けられて回転する。そして、合成磁束の方向を
一定角度回転するように、励磁を順次切り替えるように
すれば、回転子３はその回転磁界に引き込まれて回転す
る。その励磁切り替えの手順は３相型の場合は１サイク
ルを６回のステップで行なわれる。

【０００６】回転子３は通常２枚構成となっており、極
歯ピッチの１／２ずれた位置関係になっている。１サイ
クルの機械的角度は極歯数をｎとすると、３６０度／ｎ
となる。例えば５０極歯を持つ回転子は１００（２ｎだ
から２×５０で１００）極で、１サイクル（電気的角度
３６０度）は機械角で３６０／５０＝７．２度になる。
したがって、５０極歯の３相型のステッピングモータは
３６０度／５０／６＝１．２となる。

【０００７】図１２は、このステッピングの各ステッピ
ング・ポイントにおける静トルクの発生状況を説明する
ものであり、Ｘ軸上の＃１、＃２、……＃６の表示は前
述したステッピング・ポイントである。また、θはステ
ップ角である。このように、従来の３相型ハイブリッド
ステッピングモータを要約すると、１組の３相巻線固定
子１では、１サイクル（電気角３６０度、機械角３６０
度／ｎ）で、６回（電気角で６０度毎）のスイッチング
が行なわれるので、３６０／ｎ（１サイクル）／６、つ
まり機械角１サイクルの１／６がステップ角となる。こ
の場合、回転子３の極歯数ｎが５０であれば、ステップ
角は１．２度になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のハイブリッドステッピングモータにあっては、次の
ような問題点があった。 （イ）位置決め精度は１ステップ当たりのステップ角を
小さくすることで高めることができるが、ステップ角を
小さくするために、固定子２及び回転子３の極歯を細分
化することになり、これらの細分化は専ら機械加工技術
に頼るしかない。しかしながら、固定子２及び回転子３
は０．３５〜０．５ｍｍ厚の珪素鋼板をプレスで打ち抜
いて積層して作ることから、プレス加工の最小寸法は板
厚寸法が限度と言う常識があるように極歯の細分化には
自ずと限界があり、限度一杯の細分化が為されている現
状では一層の細分化は期待できない。

【０００９】（ロ）また、位置決め精度は２相型から５
相型にしたように励磁巻線の相数を増やして駆動パルス
のスイッチングを細かくすることによっても高めること
ができる。しかしながら、駆動装置には１相当たり最低
２個の出力トランジスタを必要とするので、５相型にす
ることによって駆動装置のコストが大幅にアップする。
実際には専用の駆動ＩＣが用いられているが、安価な
２、３相用のものに比べて非常に高価である。

【００１０】そこで本発明は、駆動装置のコストを低く
抑えながらも、位置決め精度を高めることができる多重
巻線型ハイブリッドステッピングモータ、６相型ハイブ
リッドステッピングモータ及びそれらの駆動方法を提供
することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以下、本発明の考え方に
ついて説明する。固定子及び回転子の極歯の細分化は既
に加工技術の限界に達しているので、巻線の多相化で問
題を解決するようにした。すなわち、複数の巻線を多重
化し、夫々に安価な２相、３相用の駆動ＩＣを接続し、
所定の順に従って順次切り替えて運転する。これにより
低価格な多相化が可能になる。この場合、２重巻線、３
重巻線、４重巻線とすることでステップ角が１／２、１
／３、１／４になり、位置決め精度が２倍、３倍、４倍
と飛躍的に増大する。また、ステップ角が小さくなるこ
とで、振動及び騒音が低減する。多重巻線の他には、亀
甲接続の６相巻線としても良い。

【００１２】このような考えに基づく請求項１記載の発
明による多重巻線型ハイブリッドステッピングモータ
は、３・（Ｎ＋１）個（Ｎは正の整数）の固定子極を有
すると共にこれらの固定子極に複数個の△接続又はＹ接
続の３相巻線を所定の電気角の位相差で設けられた固定
子と、この固定子と空隙を介して対向配置され、等ピッ
チで配置されたｎ個の極歯を有する回転子とを備え、ス
テップ角を通常の３相型ステッピングモータの数分の一
としたものである。

【００１３】請求項２記載の発明による６相型ハイブリ
ッドステッピングモータは、３・（Ｎ＋１）個（Ｎは奇
数）の固定子極を有すると共にこれらの固定子極に亀甲
接続の６相巻線が設けられた固定子と、この固定子と空
隙を介して対向配置され、等ピッチで配置されたｎ個の
極歯を有する回転子とを備え、ステップ角を通常の３相
型ステッピングモータの２分の１としたものである。

【００１４】請求項３記載の発明による多重巻線型ハイ
ブリッドステッピングモータ駆動方法は、請求項１記載
の多重巻線型ハイブリッドステッピングモータの複数個
の３相巻線を所定の順に従って順次電流を切り替えるも
のである。請求項４記載の発明による６相型ハイブリッ
ドステッピングモータ駆動方法は、請求項２記載の６相
型ハイブリッドステッピングモータの亀甲接続された６
相巻線を所定の順に従って順次電流を切り替えるもので
ある。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面例と共に説明する。図１は本発明の多重巻線型ハイブ
リッドステッピングモータの駆動方法を示す図である。
なお、図１において多重巻線型ハイブリッドステッピン
グモータ（以下実施の形態においてはステッピングモー
タと言う）１９は、固定子及び回転子が図８に示す従来
のステッピングモータと同様であるので、以下の説明で
は同一の符号を使用することにする。

【００１６】さて、ステッピングモータ１９は、固定子
１に１２個の固定子極を有しており、これらの固定子極
には、図２に示すように△接続による２組の３相巻線
（以下、△型３相巻線）２０、２１が電気角でθ／２度
（θはステップ角）の位相差で配置されている。これら
△型３相巻線２０、２１の夫々は駆動装置２２によって
駆動される。駆動回路２２は３相ドライバー２３、２４
とパルス分配回路２５とから構成される。駆動装置２２
の△型３相巻線２０、２１は３相ドライバ２３、２４に
より６ステップ／１サイクルでスイッチングされるが、
３相ドライバ２３、２４はパルス分配回路２５から交互
に供給されるパルスによって交互に動作するので、結果
として１サイクルで１２ステップとなる。この場合、回
転子７の極歯数ｎは現在最も普及している５０個とする
と、ステップ角は３６０度／ｎ／１２＝０．６度にな
る。なお、１２個の励磁極の夫々の極歯は４個である。

【００１７】３相ドライバ２３、２４を交互に運転する
ことによって、ステッピングモータ１９の内部磁界は二
つの巻線で作る合成磁界で回転することになる。この場
合、１相当たりのコイル数が従来の３相型のステッピン
グモータ１の場合の１／２になるのでトルクが半減する
ことになる。すなわち、例えば図４に示すように、Ｕ
１、Ｖ１、Ｗ１巻線とＵ２、Ｖ２、Ｗ２巻線の夫々の巻
線における発生トルクが図１２に示した従来のトルク・
カーブとを比較して半減しているのが分かる。しかし、
本発明では二つの巻線を常時励磁しながら交互運転を条
件としているので、実際のトルクは両者のトルクの和に
なり、図４の下段に示す合成トルク・カーブから分かる
ように大きなトルク低下にはならない。

【００１８】図５、６は、このステッピングモータ１９
に対する一連の励磁シーケンスおよび固定子合成磁束の
回転の様子を示す図である。二つの巻線には電気角でθ
／２度の位相差があり、また、夫々６ステップ／１サイ
クルでスイッチングするので、結果として１サイクルで
１２ステップ（♯１〜♯１２）、３６０度／ｎ／１２の
ステップ角になる。この場合、上述したように、ｎ＝５
０であれば、０．６度になる。

【００１９】このように、実施の形態では、固定子１の
１２個の固定子極に△接続による２組の△型３相巻線２
０、２１を電気角でθ／２度の位相差で配置し、これら
△型３相巻線２０、２１を駆動装置２２の３相ドライバ
２３、２４により交互に駆動する。これにより、１サイ
クルで１２ステップ、すなわち３６０度／ｎ／１２のス
テップ角で動作することになる。したがって、従来の３
相型のステッピングモータに比べて、ステップ角が１／
２になるので、精度が２倍になる。また、駆動装置２２
には安価な３相ドライバ２３、２４が使用できるので、
駆動装置２２のコストを低く抑えることができる。

【００２０】なお、上記実施の形態では、安価な３相ド
ライバ２３、２４を用いたが、これに限定されるもので
はなく、専用のドライバを設計してこれを用いても良
い。また、上記実施の形態では、△型３相巻線とした
が、図３に示すようなＹ型３相巻線でも良いし、亀甲型
巻線でも良い。

【００２１】また、上記実施の形態は、△型３相巻線を
２組設けたが、２組に限定されるものではなく、例えば
３組あるいは４組であっても良い。これはＹ接続や亀甲
接続であっても同様である。勿論、多重の意味から３
重、４重の巻線を１台のステッピングモータに組み込ん
だ場合には、その分、駆動装置を多く必要とする。ま
た、３個以上の駆動装置を使う場合、夫々を交互に駆動
すると言うよりシーケンスに従って順次、例えば「複数
個の３相巻線を所定の順に従って順次電流を切り替え
る」と言う方が妥当である。

【００２２】また、２組以上の３相巻線を１台のステッ
ピングモータに組み込む方法は、数多く考えられるが、
最も実用的と考える方法を、図７に示した。この場合、
１２極の構造では２組の３相巻線あるいは４組の３相巻
線の組み込みが可能であるから３相について上段が２組
の場合、下段は４組の方法を挙げた。亀甲型巻線は専用
の駆動装置で駆動することを条件に例を挙げた。

【００２３】ここで、亀甲型巻線の６相型ステッピング
モータは、６個の固定子極を有すると共にこれらの固定
子極に亀甲型接続の６相巻線が設けられた固定子と、こ
の固定子と空隙を介して対向配置され、等ピッチで配置
されたｎ個の極歯を有する回転子とを有して構成し、ス
テップ角を通常の６相型ステッピングモータの数分の一
にできる。駆動は方法としては、６相巻線を所定の順に
従って順次電流を流すようにすれば良い。また、上記実
施の形態は、固定子極の数を１２個としたが、複数の３
相巻線を巻き込むことから、固定極の数は３・（Ｎ＋
１）で、最低６個以上であれば良い。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、３・（Ｎ＋１）個（Ｎは正の整数）の固定子極
に複数個の△接続又はＹ接続の３相巻線を所定の電気角
の位相差で設けたので、従来の３相型ハイブリッドステ
ッピングモータよりもステップ角が小さくなり、その分
精度を向上できる。しかもその精度は２重巻線、３重巻
線、４重巻線と多重化するにしたがってステップ角が１
／２、１／３、１／４になるので、２倍、３倍、４倍と
飛躍的に向上できる。また、ステップ角が小さくなるこ
とで、振動及び騒音を低減できる。また、駆動装置には
従来の安価な３相ドライバーを使用することができるの
で、コストを低く抑えることができる。

【００２５】請求項２の発明によれば、６個の固定子極
に亀甲接続の６相巻線を設けたので、従来の６相巻線の
ハイブリッドステッピングモータよりもステップ角が小
さくなり、その分精度を向上できる。また、ステップ角
が小さくなることで振動及び騒音を低減できる。

【００２６】請求項３の発明によれば、請求項１の多重
巻線型ハイブリッドステッピングモータの複数個の３相
巻線に所定の順に従って順次電流を流すようにしたの
で、請求項１の多重巻線型ハイブリッドステッピングモ
ータを効率良く駆動できる駆動装置を提供できる。請求
項４の発明によれば、請求項２の６相型ハイブリッドス
テッピングモータの亀甲接続された６相巻線に所定の順
に従って順次電流を流すようにしたので、請求項２の６
相型ハイブリッドステッピングモータを効率良く駆動で
きる駆動装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る多重巻線型ハイブリッドステッピ
ングモータの駆動方法を示す図である。

【図２】実施の形態の２重△型３相巻線を示す図であ
る。

【図３】本発明に係る多重巻線型ハイブリッドステッピ
ングモータの他の実施の形態の２重Ｙ型３相巻線を示す
図である。

【図４】実施の形態の２重△型３相巻線における個々の
巻線の発生トルクと合成トルクを示す図である。

【図５】実施の形態の２重△型３相巻線の励磁シーケン
スを示す図である。

【図６】実施の形態の２重△型３相巻線の励磁シーケン
スを示す図である。

【図７】多重巻線の代表例を示す図である。

【図８】従来の３相型ハイブリッドステッピングモータ
の構成を示す図である。

【図９】従来の△型３相巻線を示す図である。

【図１０】従来のＹ型３相巻線を示す図である。

【図１１】従来の３相型ハイブリッドステッピングモー
タの励磁シーケンスを示す図である。

【図１２】従来の３相型ハイブリッドステッピングモー
タの発生トルクを示す図である。

【符号の説明】

２ 固定子 ３ 回転子 １９ 多重巻線型ハイブリッドステッピングモータ ２０、２１ △型３相巻線 ２２ 駆動装置 ２３、２４ ３相ドライバ ２５ パルス分配回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３・（Ｎ＋１）個（Ｎは正の整数）の固
   定子極を有すると共にこれらの固定子極に複数個の△接
   続又はＹ接続の３相巻線を所定の電気角の位相差で設け
   られた固定子と、 この固定子と空隙を介して対向配置され、等ピッチで配
   置されたｎ個の極歯を有する回転子とを備え、 ステップ角を通常の３相型ステッピングモータの数分の
   一としたことを特徴とする多重巻線型ハイブリッドステ
   ッピングモータ。
2. 【請求項２】 ３・（Ｎ＋１）個（Ｎは奇数）の固定子
   極を有すると共にこれらの固定子極に亀甲接続の６相巻
   線が設けられた固定子と、 この固定子と空隙を介して対向配置され、等ピッチで配
   置されたｎ個の極歯を有する回転子とを備え、 ステップ角を通常の３相型ステッピングモータの２分の
   １としたことを特徴とする６相型ハイブリッドステッピ
   ングモータ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の多重巻線型ハイブリッド
   ステッピングモータの複数個の３相巻線に所定の順に従
   って順次電流を流すことを特徴とする多重巻線型ハイブ
   リッドステッピングモータ駆動方法。
4. 【請求項４】 請求項２記載の６相型ハイブリッドステ
   ッピングモータの亀甲接続された６相巻線に所定の順に
   従って順次電流を流すことを特徴とする６相型ハイブリ
   ッドステッピングモータ駆動方法。