JPS63174595A - ハイブリツト・モ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はモータに関する。

（従来技術） 例えば目的物をかなり遠い距離まで移動させた後、正確
な位置で停止させるような動作をさせるために、モータ
に連続回転およびステップ回転の両方の動作を行わせる
必要がある場合には、通常は次の２つの方法が用いられ
ている。

即ち、（１）一つはステッピングモータを連続回転させ
るために、ドライバ回路からステッピングモータにパル
ス信号を連続的に送り続け、所望の角度だけ回転してか
ら停止するようにパルス数を制御したり、ロータリエン
コーダ等で回転角をドライバ回路にフィードバックする
方法、および（２）本来連続回転する構造のブラシレス
モータ等を用い、これにやはりロークリエンコーダ等を
取りつけて所望の角度だけ回転してから停止するように
、ドライバ回路からの電流を回転駆動用とホールド用に
パターンを切り換えて、該ブラシレスモータ等をステッ
ピングモータのように回転させるという２つの方法があ
る。

（発明が解決しようとする問題点） 然るに、前記＋１１にあっては、本来ステップ回転をす
るモータを連続して回転させるようにするため、ステッ
ピングモータが固有に性能として有する最大自起動周波
数あるいは最大応答周波数を限度としてそれ以上の回転
速度が得られず、本来連続回転する構造のモータに比し
てその動作速度が遅くなるばかりでなく、トルクリップ
ルも大きくなり、また前記（２）の方法では、複雑な制
御をするためのドライバ回路のコストが大きくなり、ま
たホールド状態をさせるためにその聞書に電流を正逆に
交互に流すため、振動や熱がかなり発生するという欠点
があった。

（問題点を解決するための手段及び作用）本発明は上記
従来のステンピングモータの欠点を除去し、電流の位相
の進行とその時点における各電流のオン・オフによって
簡単にステップピング回転もすれば連続回転もし、且つ
両者の中間的な動作をさせたい場合には中間的な動作、
即ち連続低速回転をして必要な時点からステンビングモ
ータとしての動作もするという極めて便利なハイブリッ
トモータを提供することを目的とする発明であって、固
定子および回転子のうちの、一方はほぼ均等な中心角を
占める磁極で構成し、他方については、全周３６０°を
均等に分割した１つの中心角内にはそれぞれ２種類以上
の幅の異なる１ポール１コイル巻き電機子を配置し、該
１つの中心角内に在る電機子には或る相の電流だけしか
通電しないように結線構成することにより、連続回転モ
ータとしてもステンビングモータとしても、また両者の
中間的動作もするハイブリット・モータを提供するもの
であって、これにより、従来各種のモータを使用し、あ
るいは減速器が必要であった部分を１個のモータで兼用
できるようなモータである。

（実施例） 以下本発明を図面に示す実施例によって詳細に説明する
。

第１図は本発明を実施せる３相１６極１８ボールのモー
タの正面概念図であって、固定子１には、１ポール１コ
イル巻きのコイル２を巻回した電機子を多数取りつける
のであるが、その各電機子の幅は、全゛周３６０°を実
施例の場合には６等分した図示上から左へ中心角６０°
の範囲内には中心角２２．０５°を占める広幅電機子３
と中心角１５．９°を占める狭幅の電機子４というよう
に幅の異なる２種類の電機子を配置して構成するのであ
る。以下それぞれの中心角６０“の範囲も同様に構成す
る。

ここで各電機子の幅とは回転軸から垂直方向に各電機子
の占める角度を言い、各電機子の占める角度は各電機子
の一方の側における隣接する電機子との間隙の中心から
他側の間隙の中心までを言うものとする。また二つの鉄
心であっても同じ方向に同し相の電流を通電するコイル
を巻回したようなものは、一つの電機子と同様に作用す
るので、ここでは一つの電機子と看做す。

回転子５は回転子ヨーク６に均等幅の磁極７を取りつけ
て構成する。均等幅の意味も前記と同様である。

各電機子のコイルには別々の相の電流を通電するように
結線し、例えば図面に各相の電線端子を示すように、図
示上から左へ前記１つの中心角である６０°の範囲にあ
る電機子には全てＡ相の電流を通電するコイルだけを、
隣接するコイルとは互いに逆方向に巻回する。実施例で
はＡ相の電流を通電するコイルは前記中心角部分から１
８０°離れた位置にもう一度同じ方向に巻回したものを
示す。

すなわち同一の時間域においてＡ相の電流を通電する前
記二つの電機子郡は互いにそれぞれの各電機子が同じ極
性の磁界を生じることになる。Ｂ相、Ｃ相、電線も同様
に結線し構成する。

広幅電機子と狭幅電機子との幅の比率および結線方法と
うば上記に限らず、後述の動作が得られるような間隔で
磁界が発生するように、設計者が自由に設計できる。

なお、３和文番電流の位相の進行は他のモータと同様に
交流電流の位相の進行をそのまま利用することも、直流
電流にブラシおよび整流子を用いて転流を生じさせたり
、または位置センサとホール素子とによって所定の回転
角ごとに転流を生じさせる等、通常のモータまたは今後
開発される転流装置を用いてよいが、実施例では、駆動
パルスとホール素子信号電流とによって電流制御するも
のについて説明する。即ち、回転子が７．５°回転する
毎に駆動パルス信号により、或る相の電流に転流が生じ
るように、言い換えれば回転子が４５゜回転する毎に３
相電流の位相が１サイクル進行するように構成し、また
同じ（回転子が７．５°回転する毎にＡ相・Ｃ相・Ｂ相
のいずれかの電流が順次オフになるように構成する。

これらの位相の進行および各相の電流のオン・オフのタ
イミングによって上記三つのモードの動作を行わせるこ
とができるモータであるので、そのモードについては、
それぞれの項で説明する。

以上が本発明の構成である。次にこのモータの動作原理
を説明する。

第２回答図は第１図に示した本発明を実施せる３相１２
極１８ポールのモータを、バイポーラ１２０゜通電連続
回転モードで使用する場合について、図示説明の便利の
ために、或る時間域におけるモータの全周を直線状に展
開して磁極の位置と、その時間域における各電機子から
生じる磁界の極性とを対比した説明図である。図中各電
機子にＯＦＦとあるのは、その電機子のコイルの電流が
オフになっていることを、またＳＢ等の符号は最初のＳ
がその時間域に於けるその電機子から生じている磁界の
極性を、次のＢがその電機子に通電している電流の相を
それぞれ示すものとする。例えばＳＢとはＢ相の電流を
通電する電機子であって、その図の時間域にはＳ極性の
磁界を生じていることを示している。

即ち、第２図（１）の時間域においては、Ａ相の通電し
ている２つの電機子部（計６個の電機子）はいずれもオ
フとなっており、Ｂ相の電流を通電している１番目の電
機子はＳ極の磁界を、２番目の電機子はＮ極の磁界を、
３番目の電機子はＳ極の６ｄ界を生じており、その同じ
時間域にはＣ相の電流を通電している電機子には１番目
がＮ、２番目がＳ、３番目がＮの磁界を生じていること
を示している。

第２回答図の下段に示したのは、各時間域における回転
子の磁極の位置および各磁極の極性であり、また各磁極
の極性に添えである数字は、説明の便利のために付した
各磁極の番号である。即ちＳｌとはＳの磁極のうちの１
番目の磁極、Ｎ２とはＳの磁極の２番目の磁極を呼称す
るものとする。

以上の前提で各図面に従って本発明のモータの動作につ
いて説明すると、第２図（１１の時間域にはＡ相の電流
はオフになっているためＡ相の電機子からは磁界を生じ
ていない。Ｂ相とＣ相との電流は、この時間域において
は逆方向に流れており、そのためＢ相の一番目の電機子
とＣ相の一番目の電子とは逆極性の磁界を生じている。

この時間域においては、第２図（１１最下段に示すよう
に、各極性の磁極が対峙しているものとする。

この時間域における各電機子と各磁極との極性を第２図
（１）でみると、同図下段で８２の磁極は電機子のＮＢ
に吸引され、且つＳＢの電機子から反発力を受けており
、Ｎ３の磁極は電機子のＳＢに吸引されており、且つＮ
３の電機子からは反発されているというように、図面矢
印の記入のある各磁極は同矢印の方向に回転させられる
力が生じていることが理解できよう。（矢印の記入のな
い各磁極は、その時間域では力を生じていない）第２図
（２）は第２図（１）の時間域から回転子が、従って磁
極が７．５°回転した時間域における第２図（１１同様
の図面である。

この時間域においては、前記駆動パルスおよびスイッチ
ング素子等から或る転流装置をステッピングモータモー
ド、即ち以下述べるように調整しておくので、人相の電
流も通電し、その代わりＣ相の電流がオフとなっている
。

この時間域における各磁極の受ける力について前記同様
に考察すると、Ｎ１はＮＡに反発され、且つＮ４に吸引
され、ＳｌはＳＡに反発され、且つＮＡに吸引されると
いうように、同図矢印記入のある磁極はいずれも同図矢
印の方向に回転する力を受けていることが前記同様に説
明できる。

第２図（３）の時間域においては、磁極が７．５同回転
子、Ｂ相の電流がオフになり、同時にＣ相の電離をに位
相の進行による転流が生じて、同相の電機子の極性は第
２図（１）とは逆になっているのも前記説明の位相の進
行およびオン・オフ切り換えによるものであるが、この
時間域においても、各電機子が同図矢印方向に回転する
ことが判る。

以下第２図（４）も全く同様に、第２図（３）から磁極
カフ、５°回転し、Ａ相の電流がオフになり、Ｂ相に転
流が生じる等前記と全くどうようであり、そのときに図
示矢印方向に回転力が生じることも、最早説明の要はあ
るまい。

更に回転子が機械角で７．５°回転すると、同図（２）
と同様、但しＡ相の電機子の極性が同図（２）とは逆の
状態になり、各磁極の極性も、磁極が第２図（２）の状
態から機械角で２２．５°回転したため、（電気角で１
８０°になるから）同図（２）とは逆になる。従ってや
はりＡ相およびＢ相の角電機子と各磁極との間に第２図
矢印方向に回転力が生じることが判る。

このようにして本発明のモータは連続回転するのである
。

吹口本発明のモータをステッピングモータとして使用す
る場合について、説明する。

第３図（１）は第２図（１）と全く同じ電機子と磁極と
の位置関係を示している。

但し、第３図ＴＩ）の時間域においては、Ｃ相の電流が
オフになるように、前記転流装置を調整する。

人相の各電機子は通電しており、その極性は第２図（２
）の時点に於ける転流が生じる以前であるから、第２図
（２）とは逆の極性を示している。

この位置関係において、前記同様に各磁極に生じる力関
係をみると、３１の磁極はＳＡの電機子に反発され、且
つＮＡの電機子に吸引されており、またＳ２の磁極はＮ
Ｂの電機子に吸引され、且つＳＢの電機子から反発力を
受けている等、同図矢印の記入のある磁極が全て同図矢
印方向に回転する力を受けており、（矢印記入のない電
機子は力を生じない）これによって右に回転しようとす
る力と左に回転しようとする力とが釣り合っていること
が図面から理解できよう。

また、同図の状態から、外部からの何らかの力によって
回転子が多少左右に回転したとしても、例えば同図（１
１の磁極が同図（１）よりも僅かに左に回転したとすれ
ば、同図８２の磁極とＮＢの電機子とは殆ど重なってし
まい、即ち電気角で１８０°ずれてしまった状態である
から、殆ど力を生じないのに対し、Ｓｌの磁極とＮＡの
電機子とをみると、両者は電気角で９０°ずれた状態に
なるから最も強く力を発生する位置関係になり、（その
他の同図矢印記入のある磁極と各電機子との関係につい
ても同じ）従って回転子が左右に少し回転してしまった
場合にも、回転子には元の位置に戻ろうとする回転力が
生じることも、図示から判断できる。

次に外部からの信号によって、前記３相電流の転流およ
びオン・オフをワンステップ進めてやれば、Ｃ相の電流
に転流が生じ、Ｂ相の電流がオフになように駆動電源回
路を調整しておくから、各電機子から生じる磁界の極性
は第３図（２）のようになる。この時間域において、第
３図（１）の位置にあった磁極は右に回転する力を受け
て７．５°回転し、同図（２）の位置で停止し、その位
置でホールドされることも最早図示だけで充分理解でき
よう。

このようにして、このモータは連続回転時の電流の位相
の進行と全く同じ電流であって、各相の電流がオフにな
るタイミングが異なるだけの電流を用いて、入力信号に
より電流の位相を６０°ずっすすめてやれば、ステッピ
ングモータとして動作するのである。

第４図は本発明のモータに入力する駆動パルス、各回転
角におけるホール素子からの信号電流、各回転角におけ
る電源電流の正負および最下段に各回転角時における回
転モードを示す。即ち同図布に向かって時間乃至は回転
角が進行し、それぞれの時点における駆動パルス、ホー
ル素子からの信号電流等の正負を図示したものである。

図面最左の縦線の位置における各相の電流についてみる
と、Ａ相の電流とＢ相の電流とは互いに逆方向に流れて
おり、Ｃ相の電流はオフになっているから、この関係は
第２図（２）と全く同様であるので、同図で説明した理
由により、連続回転モードとなり、高速に回転する。

次にこの位置から回転子が２．５°回転するとホール素
子ＨＣからの信号電流の転流によって前記位相の進行お
よび各相の電流の断続がワン・ステップ進むように前記
転流装置を調整しておくので、Ｂ相に転流が生じてＣ相
の電流と逆方向になり、Ａ相の電流がオフになる。この
状態を前記図面で検証すれば、第３図（２）から同図（
３）への移転と同じであるので、第３図（３）で説明し
たと同じ理由によって回転子は第３図（３）の状態まで
、ステッピングモータのモードで低速回転することにな
る。

次に回転子が７．５°回転すると第４図最上断に示すよ
うに駆動パルスがオンになるので、各相の電流の位相の
進行および電流の断続がワン・ステップ進み、Ｂ相の電
流がオフになり、Ａ相の電流とＣ相の電流とは逆向きの
電流となっている。即ちこの時間域は第２図（３）と同
じ状態であり、回転子の位置もこのモードの説明のスタ
ート時、即ち第２図（２）の状態から７．５°回転した
状態であるから、各要素の関係は第２図（３）と全く同
じであり、そのため同図で説明したとおりの作用によっ
てこのモータは連続回転モードで高速に回転することに
なる。

次にホール素子ＨＢの入力信号の転流により前記交流電
流の位相はワン・ステップ進み、Ａ相に転流が生じ、Ｃ
相がオフになるから、前記第３図（４）と同じ位置関係
になり、回転子は第３図（３）から同図（４）へのステ
ッピングモータモードでの回転と全く同じ低速回転をす
る。

以下全く同様であって、最初は１のモード、即ち第２図
（２）の状態から回転子が２．５°進む間はこのモード
で回転し、次に第３図（２）のモード、次に第２図（３
）のモード、次に第３図（３）のモードというように、
回転角によってこのモータはそれぞれモードを変えなが
ら、全体として連続回転をして行くことになるのである
。

このようにこのモータは連続回転モードとステッピング
モータモードとを繰り返しながら、全体として低速連続
回転し、さらに途中でステッピングモータのモードの転
流（第３図の位相の進行および各相のオン・オフ）に切
り換えることによって、その時点からステッピングモー
タとして動作させることもできる。

以上のように本発明のモータは駆動パルスおよびホール
素子信号電流によって、位相の進行および各相の電流の
オン・オフのタイミングを駆動電源装置によって選択・
指示すれば、前記第２図の連続回転モード、第３図のス
テッピングモータモードおよび第４図で説明した中間モ
ード等、どのモードの動作も自由に行わせることができ
るのであって、同じ電源を用い、同じ駆動パルスおよび
同じホール素子信号電流を用いて、上記３つのモードの
変化を行うことができるものである。

（発明の効果） 本発明のモータは上記のように、電機子には１ポール１
コイル巻きの２種類以上の幅の異なる電機子を採用した
から、第２図、第３図、第４図で説明したように、或る
相の電流をオン・オフするタイミングの変化によってど
の位置からでも回転力を生じさせたりホールド力を生じ
させたりできるように結線構成することができ、そのた
め１つのモータでステッピングモータと連続回転モータ
を兼用できるモータを得られたものである。

しかも、このモータにステッピングモータとしての動作
をさせるときは転流のタンミングを変えるだけでよ（、
その他の装置が殆どの場合に必要かない。またモータ自
体が１ポール１コイル巻きのモータ定数の高いモータを
使用できることになり、そのためモータが小型軽薄であ
りながら１個のモータでステッピングモータと連続回転
モータを兼ねるため、各種ロボット装置における動力等
には極めて都合の良いモータが得られる。即ちロボット
機械装置等にあっては、各関節部・手先作業部等にそれ
ぞれ別個のモータが必要となるが、従来のような重量の
大きいモータを例えば手先部に使用するとモータ自体が
、他の部分例えば関節部の負荷となってしまい機械の大
型化が避けられなかったことを解決し、さらにはステッ
ピングモータとしての動作と連続回転モータとしての動
作を１個のモータで兼用できるから、例えば長い距離の
移動をさせた後に極く正確な位置に目的物を設置するよ
うな動作においては、連続高速回転、中速回転、ステッ
ピング回転を自由に組み合わせて動作させることができ
るから、作業能率が格段に高い動作をなし得るモータと
なる。

また前記のようにホールド時においてはモータが外部か
ら多少左右に回転する力を与えられても回転子の位置を
元に戻す力、即ちホールド力も優れていることも本発明
モータの特徴の一つに数えられよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施せるモータの正面概念図である。 第２図は実施例のモータを連続回転モータとして動作さ
せる場合における回転子の回転角および各時間域毎にお
ける各相の電機子が発生する磁界の極性および磁極の位
置を対比した説明図であり、第３回答図は実施例のモー
タをステッピングモータとして動作させる場合における
第２図同様の説明図、第４図は実施例のモータを中間モ
ードの回転をさせる場合における、駆動パルス、ホール
素子信号電流、電源である三相交番電流の正負を、時間
ないしは回転子の回転角を右方向にとって、各時間域に
従って表示した説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固定子および回転子のうちの、一方はほぼ均等な中心角
   を占める磁極で構成し、他方については、全周３６０°
   を均等に分割した１つの中心角内にはそれぞれ２種類以
   上の幅の異なる１ポール１コイル巻き電機子を配置し、
   該１つの中心角内に在る電機子には或る相の電流だけし
   か通電しないように結線構成することにより、連続回転
   モータとしてもステッピングモータとしても、また両者
   の中間的動作もするハイブリット・モータ。