JP2004064968A - 複合３相ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高分解能、低回転ムラ、低振動、安価なステッピングモータ等の実現を目的とする。
【解決手段】６ｋ個の磁性体よりなる固定子磁極がラジアル方向に配設され、３ｋ相巻線が巻装され、それらの先端には複数個の歯が設けられ、空隙を介して、回転子の円周上に等ピッチで複数Ｎｒ個の回転子極歯を有したもの２個を１／２ピッチずらせて軸方向に磁化した永久磁石を挟持して構成されるＨＢ型ステッピングモータ、または円筒磁石の円周方向にＮ極Ｓ極交互に等ピッチで複数個の極対数Ｎｒに磁化した永久磁石型モータにおいて、Ｎｒ＝（ｋ／２）（１２ｎ±５）、の関係を特徴とするステッピングモータを含む回転電機。
但し、ｎは１以上の整数，ｋは２以上の偶数。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＯＡ機器等に使用されるステッピングモータを含む回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１）．３相永久磁石式ステッピングモータは２相式より低振動で且ドライブ回路もバイポーラ式で比較すればトランジスタの数が２相の８個に対し６個と少なくコストパホーマンスに優れたアクチュエータと言える。しかし減速体を使用しない所謂ダイレクトドライブモータとしてはその分解能が不十分という問題があった。即ち回転子極対数を増加していくと位置決め精度や低速の回転むらは向上するが、それでも極対数で１００程度の分解能では例えば回転ムラでは１００ｒｐｍ程度以下の低速になると悪化して、高精度を要求される複写機の転写ドラム等には使用できない問題があった。
２）．上記の分解能の不足を解決したものの先行技術として日本国特願０７―０７２４５８がある。これは１２主極構造の固定子に３相コイルを２個用意し、ダブル３相として、分解能を２倍にし、低速でも、良好な回転ムラを得る方法である。
３）．しかしこれらの先行技術による方式は１２主極がその歯ピッチにおいて、等間隔ではなく、完全な対称形をしてないため、固定子コアを珪素鋼板から打ち抜き後９０°回転積層できないという問題があった。もし１２主極が完全対称ならば、９０°回転積層することで、珪素鋼板の圧延方向による方向性をキャンセルして磁気バランスを改善でき、ギャップ磁束密度も正弦波に近づき高調波を低減でき、また積層後の厚みむらも均一で、そのためエヤギャップも均一にできる。以上の様な問題があつた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の１）、２）、３）の従来技術の改善、解決を課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
「手段１」
６ｋ個の磁性体よりなる固定子磁極がラジアル方向に配設され、３ｋ相巻線が巻装され、それらの先端には複数個の歯が設けられ、空隙を介して、回転子の円周上に等ピッチで複数Ｎｒ個の回転子極歯を有したもの２個を１／２ピッチずらせて軸方向に磁化した永久磁石を挟持して構成されるＨＢ型ステッピングモータ、または円筒磁石の円周方向にＮ極Ｓ極交互に等ピッチで複数個の極対数Ｎｒに磁化した永久磁石型モータにおいて、Ｎｒ＝（ｋ／２）（１２ｎ±５）、の関係を特徴とするステッピングモータを含む回転電機。
但し、ｎは１以上の整数，ｋは２以上の偶数。尚、本手段は当然、インナーロータ型にも、アウターロータ型モータにも適応できる。
「手段２」
略円環状磁性体から６ｋ個の固定子磁極がラジアル外方向に向けて配設された固定子を２個用いて軸方向に磁化した永久磁石をサンドイッチ状に挟持し、該２個の固定子磁極に渡って、コイルが巻かれ、ｋ個のコイルで同相を形成した３ｋ相巻線が巻装され、それらの先端には複数個の歯が設けられ、空隙を介して、回転子の内周上に等ピッチでＮｒ個の回転子極歯を有した円環状磁性体２個を歯ピッチの１／２ずらせて同心的に締結した外転型モータにおいて、Ｎｒ＝（ｋ／２）（１２ｎ±５）、の関係を特徴とするステッピングモータを含む回転電機。
但し、ｎは１以上の整数、ｋは２以上の偶数。
「手段３」
手段１または２において、ｋ＝２で、各相のコイルの巻き終わりの内３相分同志を短絡したダブルスター結線または、３相を形成する各相のコイルの巻き終わりと次相の巻始めを順次結合した所謂デルタ結線とし、それを２セット設けたダブルデルタ結線としたことを特徴とするステッピングモータを含む回転電機、
「手段４」
手段１から３において、ｋ＝２で、不平衡電磁力を低減させるために次相を現相の極性に対し、逆極性に励磁することを特徴とする、複合３相式回転電機。
「手段５」
手段１または２において、該６ｋ個の固定子主極の複合ｋ個の３相巻線を並列または直列にモータ内部または外部で結線することで、３相機としても、駆動可能にしたステッピングモータを含む回転電機。但し、ｎは１以上の整数、ｋは２以上の整数。
【０００５】
【実施例】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。第一の本発明に成る一実施例を図１、図２に示したものである。手段１を実現するためにｋ＝２として、図１、図２を設ける。
図１が正面図、図２が側面断面図である。１は固定子ハウジング、２は固定子鉄心で６ｋ個の主極が設けられそれらの先端で回転子と対向する部分には複数の歯を有している。それらの主極にはコイル３が設けられている。図１はｋ＝２の場合の１２主極数の図であるが３０°間隔の３個の主極２ａ，２ｄ，２ｂ，とそれらに巻かれたコイル３ａ，３ｄ，３ｂを示し、他は省略した図である。１の両サイドは４なるブラケットが固着され、軸受け５で回転子軸６を支持している。６はその外周にＮｒ個の多数の歯を有した７なる回転子２個をその歯ピッチの１／２ピッチづらせて軸方向に磁化した永久磁石８を挟持するように２個の磁性体よりなる回転子７を締結している。所謂ハイブリッド（ＨＢと略す）型回転子と呼ばれるものである。
回転電機、特にステッピングモータは一般に高速では低回転ムラで低速では回転ムラが悪い。しかしステップ角を小さくし、所謂分解能を向上させると、低速でも回転ムラが改善される。
図１、図２のＮｒを増加させると、ステップ角は小さくできるが、Ｎｒを増加させると、歯幅が小さくなり、その歯幅は回転子板厚程度が限度である。
一般にステップ角θｓはＰを相数として、次式で現せる。

従って、更にステップ角を小さくするには（１）式より、相数Ｐを大きくする。
Ｐ＝２である２相が広く使用されているが、３相や５相も分解能の高いものには使用されている。
そこで、更に分解能の高い６相式を安価なモータ構造と安価なドライバーにての実現を行う。
６相ドライバーは３相ドライバー２個を活用するようにする。
一方、　ステップ角θｓは、固定子主極数を６ｋ個とした図１、図２の構造のステッピングモータの場合には　以下の様にも現せる。

（１），（２）より　一般的には（３）式を得る。

（３）で　ｋ＝２　として、次式を得る。

即ち、１２主極構造では、（４）式を満たすようにすればよい。
本発明は回転子がＨＢ型のみでなく、極対数Ｎｒで円筒磁石の外周にＮ極Ｓ極交互に磁化した回転子をＨＢ型と同じ固定子に組み合わせたタイプの６相機にも適用できる。
（４）式で、ｎ＝１０として、Ｎｒ＝１２５　とすると、θｓ＝３０°／１２５＝０．２４°が実現できる。
【０００６】
（４）式でｎ＝４として、Ｎｒ＝５３となる。これをアウターロータとして、固定子側に永久磁石を設けた構造とし、手段２の構成でｋ＝２とすると、１２主極の固定子構造で、図３が正面図、図４が側面断面図で構成された回転電機となる。図１で固定子１２主極は、１８０°離れた２個のａで１相即ちａ相を形成し、他も同様にｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ相が形成されている。そして、ａ，ｂ、ｃ相で１個の３相を、ｄ、ｅ、ｆ相で残りの３相を形成する。そして各主極は、ａ，ｄ，ｂ，ｅ，ｃ，ｆ　の順に配置されている。
固定子はｋ＝２の場合は、図１の場合も、図３の場合も、完全対称な１２主極となるので、固定子を珪素鋼板から、順送り抜き型で打ち抜き積層する際に、９０°づつ回転させながら、積層が可能となる。珪素鋼板は圧延されたロール状に巻かれたフープ材料であるので、圧延方向に磁気異方性が存在する。またロールの幅の左右で厚みが異なる傾向がある。これらの磁気異方性や厚み偏差を９０°回転積層することで、キャンセルできるので、セテッピングモータのようなエヤギャップの小さなモータでは磁気やギャップの偏りの影響を大きく受けるので、９０°回転積層は非常に有効な手段となる。
本願の図面番号は、図１、２と同じ部品名は同じ番号が付けてある。図４で１が磁性体よりなる２個の固定子であり、８なる軸方向に２極に磁化した永久磁石８を２個の固定子で同位置にて挟み１２個のスロットを通してコイル３を巻線してある。７は磁性体よりなる回転子でその内周に等ピッチでＮｒ個の歯を有している。この歯数Ｎｒは（４）式を満足するようにすればよい。
７は２個、７Ａと７Ｂとして歯ピッチの１／２、周方向にずらせて固着し、１の外周でエヤギャップを保って回転自在に設ける。固定子主極の小歯ピッチは回転子歯ピッチと同じか、コギングトルクを減らす等の目的で多少変えてもも良い。尚、８の形状は１の中心の中心穴を有する円盤状部分と略同じか、更に放射状の主極部をも含んだ形状であっても良い。即ち８にいのスロット部があれば、２個の１と８を含めて各主極にコイル３を巻けることになる。また永久磁石を固定子側に設ける利点は次の様である。永久磁石の軸と垂直方向の面積を回転子に永久磁石を設けるより、大きく出来る。特にアウターロータ型ではその差が大きい。すると永久磁石のコイルとの鎖交磁束を大きくでき、特に低速時のトルクを増加出来るので、またアウターロータではＮｒを大きくとれるので、分解能も高くなり、ダイレクトドライブに最適となる。またモータの中心部に穴を設けた中空穴モータではその穴径を大きく出来る。
【０００７】
図５は手段３の構成説明図であり、また２個の既成の３相駆動回路Ｄ，Ｄ´を用いて本発明の複合３相回路を実現するブロック図である。即ちＰ，Ｐ´に交互にトリガーパルスを入力する。モータ部は手段１または２において、ｋ＝２として、各相のコイルの巻き終わりの内３相分同志を短絡したダブルスター結線でもよいが、または、３相を形成する各相のコイルの巻き終わりと次相の巻始めを順次結合した所謂デルタ結線とし、それを２セット設けた図５に示したようなダブルデルタ結線とした複合３相ステッピングモータとする。ダブルデルタ方式は循環電流が流れ易く、ダンピング効果が期待出来、低振動化に有利となる。また各相のコイル抵抗が略並列に内部でつながれるので、低インピーダンスコイルとなり、高速にスターより有利となる。
【０００８】
図６は本発明の回転原理を説明する図である。（４）式でｎ＝１でＮｒ＝７の場合で示す。説明図を簡単にするために、各主極の小歯数は１とする。Ｓｔが固定子、Ｒｔが回転子である。１相づつ励磁した場合であるが、回転子歯ピッチ即ちＮ極とＮ極間ピッチの１／１２づつステップ移動することが分かる。また励磁順、１）、２）、３）、、、、、において、必ず、次の相の励磁極性は現相の極性と逆極性となりながら、駆動されることが分かる。これは回転子を２個の軸受け間で偶力を発生させる所謂サイドプル現象である不平衡電磁力を２相または４相励磁低減時に低減させ、低振動化にする効果を有する。
【０００９】
図７はｋ＝２の１２主極の場合で本発明の複合３相デルタ結線図である。即ち図５のモータ部のブロック図の具体的な構成を示したものである。図８は同様に１２主極で別の本発明の複合３相スター結線図を示したものである。図７でコイル端子のａとｄ，ｂとｅ，ｃとｆを各々並列または直列に接続し、入力を３端子とすると、３相ステッッピングモータとして動作する。即ちステップ角が複合３相駆動時の２倍となるので高速駆動に適することになる。図８の場合でも同様である。
【００１０】
図９は本発明の複合３相ステッピングモータの４相励磁の電圧または電流シーケンス図を示す。図６では１相励磁の場合を示したが、実際は４相励磁または各相正弦波状の電流となるような、マイクロステップ駆動を行い、低振動で、出力を大きく取り出すようにするのが望ましい。
例えば、図９と図８を対比させてみると、２個の同相はお互いに異極に磁化され、また１２主極の励磁順で隣接主極は異極性に磁化されることを特徴としていることが分かる。
【００１１】
【発明の効果】
１）．回転子に永久磁石を用いた簡単な構造により安価で高分解能、低振動なインナーロータ型またはアウターロータ型複合３相ステッピングモータが実現する。
２）．対称１２主極固定子なので９０°回転積層方式で珪素鋼板を積層出来、低コギングトルクで振動となる。
３）．永久磁石を固定子側に設けた構造のアウターロータ式本発明は鎖交磁束を大きくでき、低速大トルク、また高分解能となり、ダイレクトドライブ駆動に有利。中空穴モータにも適する。
４）．次相を逆極性に励磁するので、２相または４相励磁時、不平衡電磁力を低減し、低振動に有利となる。
５）．特に３相ダブルデルタ結線とすることで、ダンパー効果を有し、また低インピーダンス化から高速性も期待できる。
６）．既成の３相駆動回路を２個で駆動出来るのでドライバーも安価となる。
７）．低速駆動には複合３相機、高速駆動には３相機とコイル結線のみで、変えることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の本発明の正面構造図
【図２】第一の本発明の側面構造図
【図３】別の本発明の正面構造図
【図４】別の本発明の側面構造図
【図５】本発明の駆動ブロック図
【図６】本発明の回転原理説明図
【図７】本発明のコイル結線図
【図８】別の本発明のコイル結線図
【図９】本発明の励磁シーケンス図
【符号の説明】
１　　　　　　　：固定子ハウジング、
２　　　　　　　：固定子鉄心、
３　　　　　　　：コイル、
４　　　　　　　：ブラケット、
５　　　　　　　：軸受け、
６　　　　　　　：軸、
７　　　　　　　：回転子、
８　　　　　　　：永久磁石、

Claims (5)

1. ６ｋ個の磁性体よりなる固定子磁極がラジアル方向に配設され、３ｋ相巻線が巻装され、それらの先端には複数個の歯が設けられ、空隙を介して、回転子の円周上に等ピッチで複数Ｎｒ個の回転子極歯を有したもの２個を１／２ピッチずらせて軸方向に磁化した永久磁石を挟持して構成されるＨＢ型ステッピングモータ、または円筒磁石の円周方向にＮ極Ｓ極交互に等ピッチで複数個の極対数Ｎｒに磁化した永久磁石型モータにおいて、Ｎｒ＝（ｋ／２）（１２ｎ±５）、の関係を特徴とするステッピングモータを含む回転電機。
   但し、ｎは１以上の整数，ｋは２以上の偶数。
2. 略円環状磁性体から６ｋ個の固定子磁極がラジアル外方向に向けて配設された固定子を２個用いて軸方向に磁化した永久磁石をサンドイッチ状に挟持し、該２個の固定子磁極に渡って、コイルが巻かれ、ｋ個のコイルで同相を形成した３ｋ相巻線が巻装され、それらの先端には複数個の歯が設けられ、空隙を介して、回転子の内周上に等ピッチでＮｒ個の回転子極歯を有した円環状磁性体２個を歯ピッチの１／２ずらせて同心的に締結した外転型モータにおいて、　Ｎｒ＝（ｋ／２）（１２ｎ±５）、　の関係を特徴とするステッピングモータを含む回転電機。
   但し、ｎは１以上の整数，ｋは２以上の偶数。
3. 請求項１または２に記載のステッピングモータを含む複合３相回転電機において、ｋ＝２として、等ピッチの１２主極固定子とし、各相のコイルの巻き終わりの内、１２主極中の１個飛びの計６個の主極で構成される３相分同志を短絡したダブルスター結線または、１個飛びの計６個の主極で構成される該３相を形成する各相のコイルの巻き終わりと次相の巻始めを順次結合した所謂デルタ結線とし、それを２セット設けたダブルデルタ結線としたことを特徴とするステッピングモータを含む複合３相回転電機。
   但し、回転子歯数、Ｎｒ＝１２ｎ±５、　　ｎは１以上の整数
4. 請求項１から３に記載のステッピングモータを含む複合３相回転電機において、ｋ＝２として、次相を順次、現相の励磁極性に対し、逆極性に励磁することを特徴とする、複合３相式回転電機。
5. 請求項１または２に記載のステッピングモータを含む複合３相回転電機において、該６ｋ個の固定子主極の複合ｋ個の３相巻線を並列または直列にモータ内部または外部で結線することで、３相機としても、駆動可能にしたステッピングモータを含む回転電機。　但し、ｎは１以上の整数、ｋは２以上の整数。

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