WO1994018744A1 - Method for driving stepping motor of multiphase hybrid type - Google Patents

Description

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明 細 書

多相 ハ イ プ リ ッ ド 型ス テ ツ ビ ン グモー タ の駆動方法 技 術 分 野

本発明 は 、 5 相ハ イ プ リ ッ ド型ス テ ツ ビ ン グモー タ の 駆動方法の改良 に関す る も の で あ る 。

' 背 景 技 術

ハ イ ブ リ ッ ド 形ス テ ッ ピ ン グモ ー タ は 、 高精度の位置 決め に適 し た ァ ク チ ユ エ一 夕 と し て 、 四半世紀以上 も 前 か ら よ く 知 ら れて いる 。 そ の応用範囲 に は 、 完全 自 動化 生産 ラ イ ン 用 を は じ め と す る各種の工作機械、 お よ びプ リ ン タ 、 プ ロ ッ タ 、 フ ァ ク シ ミ リ 、 デ ィ ス ク ド ラ イ ブ、 な どの コ ン ピ ュ ー タ周辺機器が含 ま れて いる 。

使用上の便利 さ 力ゝ ら 、 上述のハ イ ブ リ ッ ド型ス テ ツ ピ ン グモー タ の ス テ ッ プ角 をで き 得る だ け小さ く す る試み がな さ れてお り 、 その た め に相数を増加 さ せて 、 現在 4 相 あ る い は 5 相のス テ ッ ピ ン グモ ー タ が多 く 使用 さ れて い る 。

前述の よ う な従来の 4 相 ある い は 5 相ス テ ッ ピ ン グモ — タ に は 、 例 え ば 卜 ル ク ス テ ィ フ ネスの不安定、 停止位 置の相違で静止 ト ルク が変化す る 、 高精度のス テ ッ プ角 が得 ら れな い な どの多 く の欠点が存在す る 。 そ こ で本発 明 は 、 上述の よ う な従来の欠点を解決 し ょ う と す る も の で あ る 。

発 明 の 開 示

上述の よ う な本発明 の 目 的 を達成す る ため に 、 本発明 は、 回転軸方向 に磁化された 1 個以上の永久磁石を備え た ロ ー タ を具備する多相ハイ プ リ ッ ド型ス テ ツ ピ ン グモ ー タ にお いて、 前記永久磁石 と 、 軟磁鋼製で外周 に等間 隔で複数個 （ N R個） の歯を設け該永久磁石の両端に付 設された ポールキ ヤ ッ プと を '有 し、 こ れら永久'磁'石の両 端に設け られた 2 つのポールキ ヤ ッ ブにそれぞれ設け ら れた複数個の歯は互いに 1 ノ 2 歯 ピ ッ チ （ 1 2 T p ) だ けず ら さ れて いる ロ ータ と 、 該ロ ータ の外周 に配置さ れ内側 に向かっ て放射状に 1 0 個の固定磁極を備え こ れ ら 固定磁極の各 々 には タ ッ プを持たない捲線が付設され た複数の非対称型ステ一夕 と 、 該非対称型ステ一 夕 にそ れぞれ配設 さ れ、 ロ ータ の歯 ピ ッ チ と 同間隔で設け られ た 2 つ以上の小歯 と を有 し、 非対称型ステ一夕の小歯の 数の合計 （ N S ) は、 N S = 5 x ( n 0 + n 1 ) { n 0 は 5 つの極歯各 々 の小歯の数、 n l は残 り の 5 つの極歯 の小歯の数 } で決ま り 、 小歯が n 1 である非対称型ス テ 一 夕 は小歯が n 0 である非対称型ステ一夕 の間に配設 さ れ、 かつ回転軸芯を中心 と して小歯が n 1 である非対称 型ス テ一 夕 の反対側には小歯が n Q である非対称型ステ — タ が配置 さ れ、 ロ ータ の歯数 （ N R ) と該ス テ一 夕 の 小歯の数の合計 （ N S ) の関係は、 N S ≥ 0 . 8 N R { N S は 0 . 8 N R よ り も大 き い力、、 等 し レヽ } であ り 、 -N R と N S と の差は、 N R — N S = K ( S O — S I ) + 1 0 ( S I — 1 + B ) { K は 2 カ ら 5 の間の整数、 S O と S 1 は可能な限 り 小さ い整数であ り 両者が等 し く と も良 い。 B は 1 の分数であ っ て、 1 0 B ( B の 1 0 倍） は 力 な ら ず整数 と な る } であ り 、 1 0 個の固定子 コ イ ルは 、 P 3 , P 8 , P 5 , P 1 0 , P 7 , P 2 , P 9 , P 4 , P 1 , P 6 の順序で リ ン グ状に接続され、 P 6 と P 3 と の間、 P 8 と P 5 と の間、 P 1 0 と P 7 と の間、 P 2 と P 9 と の間、 P 4 と P 1 と の間に端子が設け られ、 各ス テ ツ プにお ける各磁極への磁化で、 N極 と S極の数が同 数であ り 、 全てのス テ ッ プにおいていずれか隣接す る磁 極同志が S 極である組が 1 対以上存在する こ と を特徴 と する多相ハイ プ リ ッ ド型ステ ツ ビ ン グモー タの駆動方法 を提供す る も のである。

図 面 の 簡 単 な 説 明

図 1 は、 本発明の一実施例の横断面図である。 図 2 は 、 本発明の一実施例の縦断面図である。 図 3 は、 本発明 の一実施例のス テ一夕 シス テムの正面図である。 図 4 は 、 本発明の ロ ー タ のベク ト ル図である。 図 5 は、 本発明 の結線図である。 図 6 は、 フ ル · ステ ッ プ · モー ド時の 各固定磁極の磁極の変化を示す図表図である。 図 7 は、 ハー フ · ス テ ッ プ · モー ド時の各固定磁極の磁極の変化 を示す図表図である。

発 明 を 実 施 す る た め の 最 良 の 形 態 次に本発明の一実施例を、 図面を用 いて詳細に説明す る 。

図 1 及び図 2 は本発明 に係る ス テ ツ ビ ン グモー タ を示 し た断面図である 。 その う ち図 1 は、 回転軸に直交する 面で切断 し た断面図である。 同図において、 1 はス テー 夕 であ り 、 そのス テ一タ 1 には内方に向かっ て 1 0 個の 固定子磁極 S ， S ' が設け られている。 ま た、 各固定子 磁極 S 、 S · には固定子 コ イ ル 2 が巻回 されている 。 固 定子磁極 S の先端には小歯 3 が設け られている。 こ れ ら 小歯の総数を一般論的に N S と 定義する。 4 は回転軸で 、 その周囲 には ロ ータ 5 が設け られている。 こ の ロ ー タ 5 は図 2 に示す よ う に、 中央に永久磁石 7 を持ち、 その 両端に は ロ ー タ · キ ャ ッ プ 8 を持ち、 その外周面には多 数の歯 6 が設け られてお り 、 その総数を一般論的に、 N R と 定義する。 なお、 図 1 は図 2 の A — A線に沿 っ て破 断 し て示 し た断面図である。 ま た、 各固定子磁極に捲回 さ れて いる 1 0 個の固定子 コ イ ルにはそれぞれ P 1 から P 1 0 迄の番号を付す。

最初の実施例は、 1 0 の固定磁極を持ち、 N R = 5 〇 である 5 相モー タ に対 して、 ト リレク ' ス テ ィ フ ネ ス 、 ス テ ツ ブ角精度、 効率の改善を も た らす ものである （隣接 する 固定磁極間の シフ ト · ア ングルは 1 5 T p ) ( Τ Ρ は小歯 3 の ピ ッ チである ） 。 1 0 の固定子磁極の小歯 数を全て 4 と する代わ り に、 2 つ目 ご と の固定磁極に小 歯を 1 つずつ加えている （非対象型固定子磁極） 。 こ の よ う な構成に よ り 、 小歯が 4 つの固定磁極の反対側 に -は 常に小歯が 5 つの固定磁極が く る （図 3 ) 。

ま た 、 ロ ータ の歯数 と 固定子磁極の小歯数の差は、 5 にな る （ 4 と 5 を掛けた数を 5 0 から引 き 、 余っ た数か ら 5 と 5 を掛け た数を 引 く ） 。

こ の設計は ま た 、 ト ル ク 平衡点の安定性を も 改善す る 。 そ れは 、 最低 2 つの隣接す る 固定磁極が N 極で あ り 、 他の 2 つの隣接す る 固定磁極が S 極 と な る か ら で あ る （ 図 6 参照） 。

固定子磁極数 1 0 個の非対称型固定子構造 に お いて

、 は つ き り し た改善を 4 つのェ リ ァ すべて で達成す る た め 、 4 0 、 5 0 、 8 0 、 9 0 な レヽ し 1 0 0 と レヽ つ た 口 一 タ の歯数 に対 し て 、 次 に説明 す る実施例は 、 隣接す る 固 定磁極間の シ フ ト 角 と し て 3 1 O T p な レヽ し 7 / 1 0 T p と い う 数字を採用 し て いる 。 2 つ 目 ご と の固定磁極 に は 、 上記で説明 し た よ う に 、 小歯 1 つを追力□ し て い る い ま 、 非常 に重要な ス テ ッ プ角 を持つモー タ を設計す る た め に は 、 ロ ー タ 歯数と ス テ一 夕小歯数の差を 5 、 な い し 3 と すれば よ い。

図 4 を参照す る と 、 ロ ー 夕 · キ ャ ッ プに働 く 半径方向 の 力 は 、 3 つの方向 に分散 し て いる 。 その力は 、 双方の ロ ー タ · キ ャ ッ プ に対 し て等 し く 働いて いる 。 こ の よ う な 3 方向 への力の分散が製造公差に与え る影響は 、 かな り 低 い。 ス テ ッ プ角精度は 向上 し 、 振動 も減少す る 。 こ れは 、 間隔の大 き な ス ロ ッ 卜 部分力 S 2 力 所 し 力 な いか-ら で あ る 。 図 6 は 、 2 0 の連続す る ス テ ッ プに関す る各 固 定子磁極の分極状況を示 し て い る 。 こ のス テ ッ プ動作は 、 フ ルス テ ッ プで も っ て 回転軸 4 が回転す る 。 図 6 力 > ら 明 ら かな よ う に 、 こ の ス テ ッ プモー 夕 は 、 ど こ の ポ ジ シ ヨ ン す な わ ち ス テ ッ プであれ、 お な じ数の N極 と S 極を も っ て レヽ る 。 こ の こ と は ヒ ス テ リ シス の減少につ ながる 次 に 図 5 及び図 6 を用 いて ス テ ッ プ回転動作'を説明す る 。 図' 5 は本発明実施例の結線図で ある 。 こ の発明の 1 0 個の 固定子 コ イ リレは 、 P 3 , P 8 , P 5 , P 1 0 , P 7 ， P 2 ， P 9 , P 4 , P 1 , P 6 の順序で リ ン グ状 に 接続 さ れて い る 。 そ し て 、 P 6 と P 3 と の間 、 P 8 と P 5 と の間 、 1 0 と 7 と の間、 P 2 と P 9 と の間 、 P 4 と P 1 と の間 に青、 赤、 橙、 緑、 黒の端子が設け ら れ て いる 。 図 6 は フ ルス テ ッ プモー ド にお いて各ス テ ッ プ に お け る各極の磁化状態を示す ダイ ヤ グラ ム であ る 。 な お 図 5 にお いて ド ッ ト を も っ て コ イ ルの巻方向 を示す。

図 5 に は ス ィ ツ チ ン グ回路が示 さ れて は い な いが、 各 端子青 、 赤、 橙、 綠、 黒に は 、 常態では中立位置を保 ち 一方位置でプラ スの電源に接続 し他方の位置でマ イ ナ ス の電源 に接続す る 両方向ス ィ ッ チが接続 さ れ、 未図示の 制御装置か ら の指令 に よ り こ れ等のス ィ ツ チは 3 モ ー ド の 内の 1 つ に選択的 に接続さ れる 。 そ し て各ス テ ッ プ毎 に 、 各磁極 に 図 6 に示す よ う な極性を発生す る よ う な電 流を流す こ と に な る 。 こ の様 に各ス テ ッ プにお け る ス-ィ ツ チ ン グ動作 に よ り 、 図 6 に示す よ う に各ス テ ッ プで 、 両極の磁極の数が等 し く 、 更 に隣接す る磁極の内少な く と も 1 組が S 極同士 と な る 。 図 7 は 同 じ く ノ\— フ ス テ ッ プモ ー ド にお いて各ス テ ツ ブ に お け る各極の磁化状態を示す ダイ ヤ グラ ム で ある 。

以上詳細 に説明 し た よ う に 、 本発明 は 、 前記 に示す よ う な構成 を具備 し て いる が故 に 、 ト ル ク · ス テ ィ フ ネ ス も 安定 し 、 静止 ト ル ク も平衡 し て いて 、 高精度のス テ ツ ブ角 が得 ら れる 。 ま た 、 フ ル · ス テ ッ プ · モー ド 時 に 、 S 極 と N 極の数が等 し く 、 そ し て全てのス テ ッ プにお い て いずれか隣接す る磁極'同志が S 極で ある組が 1 対以上 存在す る いた め 、 回転時の異常振動が起 こ ら な い と い う 効果を有す る 。

産 業 上 の 利 用 可 能 性

上記の よ う な ロ ー タ の歯構造 と 固定磁極の小歯構造を 有 し て い る た め、 静止 ト ル ク も平衡 し て いて、 高精度の ス テ ッ プ角 が得 ら れる 。 ま た 、 フ ル · ス テ ッ プ · モ ー ド 時 、 ノヽ ー フ · ス テ ッ プ ' モ ー ド 時 に 、 S 極 と N極の数が 等 し い た め に 、 回転時の異常振動が起 こ ら な い。

Claims

請 求 の 範 囲

回転軸方向 に磁化 さ れた 1 個以上の永久磁石 を備 え た ロ ー タ を具備す る 多相 ノヽ イ ブ リ ッ ド型ス テ ッ ピ ン グモ ー 夕 にお いて 、 前記永久磁石 と 、 軟磁鋼製で外周 に等間隔 で複数個 （ N R 個 ） の歯を設け該永久磁石の両'端 に付設 さ れた ポー ルキ ャ ッ プ と を有 し 、 こ れ ら永久磁石の両端 に設 け ら れた 2 つのポールキ ャ ッ プにそれぞれ設け ら れ た複数個の歯 は互 い に 1 / 2 歯 ピ ッ チ （ 1 / 2 T p ) だ け ず ら さ れて い る ロ ー タ と 、 該 ロ ー タ の外周 に配置 さ れ 内側 に 向か っ て放射状 に 1 0 個の固定磁極を備え こ れ ら 固定磁極の各 々 に は タ ツ プ.を持た な い捲線が付設 さ れた 複数の非対称型ス テ一 夕 と 、 該非対称型ス テ一 夕 に それ ぞれ配設 さ れ、 ロ ー タ の歯 ピ ッ チ と 同 間隔で設け ら れ た 2 つ以上の小歯 と を有 し 、 非対称型ス テ一 夕 の小歯の数 の合計 （ N S ) は 、 N S = 5 x ( n 0 + n 1 ) { n 0 は 5 つの極歯各 々 の小歯の数、 n l は残 り の 5 つの極歯の 小歯の数 } で決 ま り 、 小歯が n 1 である非対称型ス テ ー タ は小歯が η ϋ で あ る非対称型ス テ一 夕 の間 に配設 さ れ 、 かつ 回転軸芯を 中心 と し て小歯が η 1 であ る非対称型 ス テ 一 タ の反対側 に は小歯が η 0 である非対称型ス テ ー タ が配置 さ れ、 ロ ー タ の歯数 （ N R ) と 該ス テ一 夕 の小 歯の数の合計 （ N S ) の関係は、 N S ≥ 0 . 8 N R {-N S は 0 . 8 N R よ り も 大 き レヽカ 、 等 し レヽ } であ り 、 N R と N S と の差は 、 N R - N S = K ( S O — S I ) + 1 0 ( S I — 1 + B ) { K は 2 カ ら 5 の間の整数、 S O と S 1 は可能な限 り さ い整数で あ り 両者が等 し く と も良 い 。 B は 1 の分数で め っ て 、 1 0 B ( B の 1 0 倍） はかな ら ず整数 と な る であ り 、 1 0 個の固定子 コ イ ルは 、 P 3 , P 8 ， P 5 P 1 0 ， P 7 , P 2 , P 9 ， P 4 ， P 1 ， P 6 の順序で リ ン グ状に接続 さ れ、 P 6 と ' P 3 と の 間、 P 8 と P 5 と の間、 P 1 0 と P 7 と の間、 P 2 と P 9 と の間、 P 4 と P 1 と の間 に端子が設け ら れ、 各ス テ ッ ブにお け る各磁極への磁化で、 N極 と S 極の数が同数 で あ り 、 全ての ス テ ツ ブにお いて いずれか隣接する 磁極 同志が S 極であ る組が 1 対以上存在する こ と を特徴 と す る 多相ハ ィ ブ リ V ド型ス テ ッ ピ ン グモ ー タ の駆動方法。

要 約 書

ノ、 イ ブ リ ッ ド 型ス テ ツ ビ ン グモー タ にお いて 、 ト ル ク の変動 を可及的 に小さ く し 、 ト ル ク · ス テ ィ フ ネ ス を改 善 し 、 さ ら に 回転時の共振振動を少な く す る こ と 。

固定磁極は 、 ロ ー タ の歯 ピ ッ チ と 同 間隔で設'け ら れた

2 つ以上の小歯を有 し 、 非対称型ス テ一 夕 の小歯の数の 合計 （ N S ) は 、 N S = 5 x ( n 0 + n 1 ) { n 0 は 5 つの固定磁極各 々 の小歯の数、 n l は残 り の 5 つの 固定 磁極の小歯の数 } で決 ま り 、 小歯が n 1 であ る非対称型 ス テ 一 タ は小歯が n 0 で ある非対称型ス テ 一 夕 の間 に配 設 さ れ、 かつ回転軸芯を中心 と し て小歯が n 1 で あ る 非 対称型ス テ 一 夕 の反対側 に は小歯が n 0 である非対称型 ス テ一 夕 が配置 さ れ、 ロ ー タ の歯数 （ N R ) と 該ス テ一 夕 の小歯の数の合計 （ N S ) の関係は 、 N S ≥ 0 . 8 N R { N S は 0 . 8 N R よ り も 大 き レヽ力 、 等 し レヽ } で あ り 、 ま た N R と N S と の差は 、 N R — N S 二 K ( S O — S 1 ) + 1 0 ( S 1 - 1 + B ) は 2 力 ら 5 の間の整数

、 S 0 と S 1 は可能な限 り 小さ い整数であ り 両者が等 し く と も 良い。 B は 1 の分数で、 1 0 B は整数 } であ り 、 1 0 個の巻線 に は必要な だ けの N極 と S 極 と を印加電源 を供給す る電源供給手段 に よ り 作 り 出 し 、 全ス テ ッ プ角 = 電気角 9 0 ° = a F ， a F = 3 6 0 ° ノ 1 0 N R の-ス テ ツ プ角 を も ち 、 半ス テ ッ プ角 = 電気角 4 5 ° = a H , a H = 3 6 0 ° Z 2 0 N R を も つ。 そ し て 、 1 0 個の巻 線 に は 、 各ス テ ッ プにお け る各磁極への磁化で、 Ν極 と s 極の数が同数であ り 、 全てのス テ ッ プにおいて いずれ か隣接する磁極同志が S極である組が 1 対以上存在す る