(57)【要約】【課題】巻線の誘起電圧を低減して信頼性を高める。【解決手段】ステータ１４には８個のティース１６（１６−１〜１６−８）が設けられており、各ティ―ス１６の内周面側には６個の小歯磁極１６ａが形成されている。Ａ相の主系統巻線１７、Ｂ相の主系統巻線１８、Ａ相の冗長系統巻線１９およびＢ相の冗長系統巻線２０を、相異なるティ―ス１６に分離して巻回する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータに主系統巻線と冗長系統巻線とが巻回されたステッピングモータにおいて、
前記主系統巻線と前記冗長系統巻線が、前記ステータの相異なるティースに分離して巻回されていることを特徴とするステッピングモータ。
【請求項２】
前記主系統巻線が巻回されたティースと前記冗長系統巻線が巻回されたティースが、前記ステータの周全体に亘って交互配置となっていることを特徴とする請求項１記載のステッピングモータ。
【請求項３】
前記ステータとロータが、ＰＢパーマロイまたはパーメンジュールの何れかの磁性材料により構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のステッピングモータ。
【請求項４】
ハイブリッド型であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のステッピングモータ。
【請求項５】
ステータに主系統巻線と冗長系統巻線を巻回するステッピングモータの巻線方法において、
前記主系統巻線と前記冗長系統巻線を前記ステータの相異なるティースに分離して巻回することを特徴とするステッピングモータの巻線方法。
【請求項６】
前記主系統巻線と前記冗長系統巻線を、前記ステータの周全体に亘ってティースに交互に巻回することを特徴とする請求項５記載のステッピングモータの巻線方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータに主系統巻線と冗長系統巻線が巻回されたステッピングモータおよびその巻線方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
高信頼性を必要とする分野例えば宇宙関連分野で用いられるステッピングモータは、通常用いられる主系統巻線と、この主系統巻線に故障が生じた場合にこれに替えて用いられる冗長系統巻線とを備えている。図８は、従来構成の二相ハイブリッド型ステッピングモータの巻線構成を示している。このステッピングモータ１のＡ相の主系統巻線２とＡ相の冗長系統巻線４およびＢ相の主系統巻線３とＢ相の冗長系統巻線５は、それぞれステータ６の同一のティース７（７−１〜７−８）に以下の順序で巻回されている。
【０００３】
Ａ相の主系統巻線２と冗長系統巻線４：
ティース７−１、７−３、７−５、７−７
Ｂ相の主系統巻線３と冗長系統巻線５：
ティース７−２、７−８、７−６、７−４
【０００４】
しかしながら、このような巻線構成の場合、主系統巻線２、３に駆動パルスを印加すると、電磁誘導によって冗長系統巻線４、５に高い誘起電圧が発生する。このため、予備系統としての冗長系統巻線４、５の信頼性が低下したり、ステッピングモータ１の駆動回路（図示せず）に高耐圧の部品を用いる必要があった。このため、上記構成に替えて、主系統に係るロータ・ステータと冗長系統に係るロータ・ステータとを独立に設ける構成も用いられているが、２組のロータ・ステータを使用すると組立性が悪化しサイズが大きくなるなどの新たな問題が生じる。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ステータに主系統巻線と冗長系統巻線とを巻回するものであって、これら巻線に誘起される電圧を低減して信頼性を高めたステッピングモータおよびその巻線方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載したステッピングモータは、主系統巻線と冗長系統巻線がステータの相異なるティースに分離して巻回されていることを特徴とする。この構成によれば、主系統巻線に流れる電流により生じる磁束が冗長系統巻線に鎖交しにくくなるため、主系統巻線に通電した時に冗長系統巻線に誘起される電圧または冗長系統巻線に通電した時に主系統巻線に誘起される電圧が小さくなる。これにより、絶縁耐力の経時劣化や電磁的ストレスによる劣化を抑制でき、巻線ひいてはステッピングモータ自体の信頼性を高められ、駆動回路に高耐圧の部品を使用する必要もなくなる。
【０００７】
この場合、主系統巻線が巻回されたティースと冗長系統巻線が巻回されたティースが、ステータの周全体に亘って交互配置となっていることが好ましい（請求項２）。この構成によれば、周全体に亘って磁気的にバランスし、径方向について偏った電磁力が作用しないので、振動が小さくなる。また、通電による巻線の発熱が周全体に亘って均等に分散されるので、ステッピングモータ全体としての温度上昇が低減するとともに熱応力の発生を抑えることができる。
【０００８】
さらに、ステータとロータをＰＢパーマロイまたはパーメンジュールの何れかの磁性材料により構成することにより、飽和磁束密度を高められ、より高トルクを得られる（請求項３）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図５を参照しながら説明する。
図２は二相ハイブリッド型ステッピングモータの構成を示す縦断面図で、図１は図２のＡ−Ａ′線に沿う横断面図である。これら図１、図２において、ステッピングモータ１１の上ケース１２と下ケース１３との間には、ステータ１４を構成する円筒状のヨーク部１５が挟持されている。このステータ１４には８個のティース１６（１６−１〜１６−８）が設けられており、以下に示すようにＡ相の主系統巻線１７、Ｂ相の主系統巻線１８、Ａ相の冗長系統巻線１９およびＢ相の冗長系統巻線２０が互いに異なるティ―ス１６に分離して巻回されている。各ティ―ス１６の内周面側には６個の小歯磁極１６ａが形成されている。
【００１０】
Ａ相の主系統巻線１７　：ティース１６−１、１６−３
Ｂ相の主系統巻線１８　：ティース１６−２、１６−４
Ａ相の冗長系統巻線１９：ティース１６−５、１６−７
Ｂ相の冗長系統巻線２０：ティース１６−６、１６−８
【００１１】
ステータ１４の内方には、ロータ２１が回転自在に配設されている。このロータ２１は、シャフト２２に嵌着されており、このシャフト２２の上端部および下部はそれぞれ軸受２３、２４により支承されている。上記シャフト２２の上端部は、上ケース１２から上方へ突出しており、その突出部分には図示しない被駆動機器が取り付けられている。
【００１２】
ロータ２１は、２つの磁極部２５、２６を有している。これら磁極部２５、２６の外周部には、それぞれティ―ス１６の小歯磁極１６ａと同一ピッチで５０個の小歯磁極２５ａ、２６ａが形成されている。小歯磁極２５ａと２６ａは、１／２ピッチずれた状態に形成されている。そして、磁極部２５と２６との間には、軸方向の端部がＮ極およびＳ極とされた永久磁石２７が挟み込まれており、これにより磁極部２５がＮ極に磁化され、磁極部２６がＳ極に磁化されている。
【００１３】
軸受２３と磁極部２５との間および軸受２４と磁極部２６との間には、それぞれスペーサ２８および２９が介挿されており、これにより形成される空隙により冷却効果を高めている。なお、ステータ１４とロータ２１は、ＰＢパーマロイまたはパーメンジュールにより構成され、永久磁石２７は、焼結型Ｎｄ・Ｆｅ・Ｂ磁石により構成されている。
【００１４】
図３は、主系統巻線１７の駆動回路のうち出力段の電気的構成を示すもので、他の巻線の駆動回路についても同様の構成を備えている。電源線３０とグランド線３１との間には例えば２８Ｖの電源電圧ＶＭが供給されており、主系統巻線１７に対しスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ３２〜３５がブリッジ回路を構成している。ＭＯＳＦＥＴ３２〜３５のゲートには、図示しない制御装置からそれぞれゲート電圧ＶＧ１〜ＶＧ４が与えられるようになっている。なお、ＭＯＳＦＥＴ３２〜３５のドレイン・ソース間には、それぞれ図示極性の還流用のダイオード３２ａ〜３５ａが並列に接続されている。
【００１５】
次に、本実施形態の作用について図４および図５も参照しながら説明する。　主系統に異常がない場合にあっては、ステッピングモータ１１は主系統巻線１７、１８に通電することにより駆動され、冗長系統巻線１９、２０は用いられない。一方、主系統巻線１７、１８に断線や短絡などの異常が発生した場合、または主系統の駆動回路に異常が発生した場合にあっては、冗長系統巻線１９、２０への通電に切り替えられ、ステッピングモータ１１は冗長系統を用いて駆動される。このような構成は、高信頼性を必要とする分野例えば宇宙関連分野で用いられるステッピングモータ１１において必要となる。
【００１６】
図４は、主系統について１相励磁方式による通電シーケンスを示しており、これは冗長系統についても同様となる。この図４において、「＋」は上アーム側のＭＯＳＦＥＴ（図３ではＭＯＳＦＥＴ３２または３４）がオン駆動されていることを示しており、「−」は下アーム側のＭＯＳＦＥＴ（図３ではＭＯＳＦＥＴ３３または３５）がオン駆動されていることを示している。また、「０」は上下アームのＭＯＳＦＥＴがともにオフ駆動されていることを示している。このステップ１から４までの通電を順次繰り返すことにより、ロータ２１は１．８°のステップ角で回転する。
【００１７】
図５（ａ）は、本実施形態のステッピングモータ１１に係るもので、主系統巻線１７、１８を用いて１００ｐｐｓで駆動している時に冗長系統巻線１９または２０の両端に誘起される電圧の実測波形を示している。これに対し、図５（ｂ）は、同一の駆動条件の下における従来構成のステッピングモータ１に係る電圧波形である。
【００１８】
図５（ａ）において冗長系統巻線１９に２３．１Ｖｐ−ｐ　の電圧が現れているが、この電圧は、ロータ２１に設けられた永久磁石２７の磁束が冗長系統巻線１９に鎖交することにより生じる誘起電圧つまり速度起電力である。しかし、主系統巻線１７、１８と冗長系統巻線１９、２０は相異なるティース１６に巻装されているので、冗長系統巻線１９、２０には主系統巻線１７、１８への通電による誘起電圧は現れず、冗長系統巻線１９、２０の誘起電圧を低く抑えることができる。これに対し、従来構成の冗長系統巻線４、５（図８参照）には、速度起電力と主系統巻線２、３への通電による誘起電圧とが重畳して現れるので、図５（ｂ）に示すように冗長系統巻線４、５の電圧は８２．５Ｖｐ−ｐ　にまで上昇する。
【００１９】
このように、本実施形態のステッピングモータ１１は、主系統巻線１７、１８と冗長系統巻線１９、２０がステータ１４の相異なるティース１６に巻回されているので、主系統巻線１７、１８に流れる電流により生じる磁束が冗長系統巻線１９、２０に鎖交しにくくなる。これにより、主系統巻線１７、１８への通電により冗長系統巻線１９、２０に生じる誘起電圧または冗長系統巻線１９、２０への通電により主系統巻線１７、１８に生じる誘起電圧を大幅に低減することができる。
【００２０】
その結果、巻線の絶縁耐力の経時劣化や電磁的ストレスによる劣化を抑制でき、巻線ひいてはステッピングモータ１１自体の信頼性を高められる。また、駆動回路を構成するＭＯＳＦＥＴ３２〜３５に従来よりも低耐圧のものを使用することができるので、コストを低減することができる。さらに、主系統に係るロータ・ステータと冗長系統に係るロータ・ステータとを独立に設ける必要もなくなり、小型化を図ることができる。そして、ステータ１４とロータ２１をＰＢパーマロイまたはパーメンジュールの何れかの磁性材料により構成しているので、飽和磁束密度を高められ、より高トルクを得られる。
【００２１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、ステッピングモータの横断面図を示す図６を参照しながら説明する。なお、ロータは、第１の実施形態と同様の構成となっている。
【００２２】
図６おいて、二相ハイブリッド型ステッピングモータ３６のステータ３７には、１６個のティース３８（３８−１〜３８−１６）が設けられており、以下に示すようにＡ相の主系統巻線３９、Ｂ相の主系統巻線４０、Ａ相の冗長系統巻線４１およびＢ相の冗長系統巻線４２が互いに異なるティ―ス３８に分離して巻回されている。各ティ―ス３８の内周面側には３個の小歯磁極３８ａが形成されている。
【００２３】
Ａ相の主系統巻線３９：
ティース３８−１５、３８−３、３８−７、３８−１１
Ｂ相の主系統巻線４０：
ティース３８−１、３８−５、３８−９、３８−１３
Ａ相の冗長系統巻線４１：
ティース３８−８、３８−１２、３８−１６、３８−４
Ｂ相の冗長系統巻線４２：
ティース３８−１０、３８−１４、３８−２、３８−６
【００２４】
すなわち、本実施形態のステッピングモータ３６は、ステータ３７の周全体に亘って、ティース３８−１〜３８−１６にＡ相の主系統巻線３９、Ａ相の冗長系統巻線４１、Ｂ相の主系統巻線４０およびＢ相の冗長系統巻線４２が順に巻回された構成に特徴を有している。この点、ステータ１４の半周に主系統巻線１７、１８のみが巻回され、他の半周に冗長系統巻線１９、２０のみが巻回された上記ステッピングモータ１１とは異なる構成となっている。
【００２５】
本実施形態のステッピングモータ３６も、主系統巻線３９、４０と冗長系統巻線４１、４２がステータ３７の相異なるティース３８に巻回されているので、第１の実施形態と同様の作用、効果を得られる。また、主系統巻線３９、４０が巻回されたティース３８と冗長系統巻線４１、４２が巻回されたティース３８が、ステータ３７の周全体に亘って交互配置となっているので、周全体に亘って磁気的にバランスし、径方向について偏った電磁力が作用せず、振動が小さくなる。また、通電による巻線の発熱が周全体に亘って均等に分散されるので、ステッピングモータ３６全体としての温度上昇が低減するとともに熱応力の発生が抑えられる。
【００２６】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態を示す二相ハイブリッド型ステッピングモータの横断面図である。この図７に示すステッピングモータ４３は、第１の実施形態で説明したステッピングモータ１１（図２参照）に対し、軸方向に２組のステータ１４ａ、１４ｂを設けるとともに、それに対応させて２組のロータ２１ａ、２１ｂを設けた点が異なっている。ステータ１４ａ、１４ｂおよびロータ２１ａ、２１ｂの構成は、それぞれステータ１４およびロータ２１と同様であって、ステータ１４ａと１４ｂとの間にはスペーサ４４が介挿されている。
【００２７】
このステッピングモータ４３は、巻線構成まで含めて第１の実施形態と同一構成のステータとロータとの組み合わせを２組すなわち（ステータ１４ａ、ロータ２１ａ）と（ステータ１４ｂ、ロータ２１ｂ）とを備えたもので、従来用いられていた主系統巻線１７、１８と冗長系統巻線１９、２０とを２段に分離して巻き分けたものとは異なる。このステッピングモータ４３によれば、より高トルクを得ることができる。
【００２８】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
本発明を適用可能なステッピングモータはハイブリッド型に限られない。また二相に限られず、三相など多相構成であっても良い。ティース１６、３８の数、小歯磁極１６ａ、３８ａの数、ロータ２１の小歯磁極２５ａ、２６ａの数なども適宜変更可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のハイブリッド型ステッピングモータは、主系統巻線と冗長系統巻線がステータの相異なるティースに分離して巻回されているので、主系統巻線に通電した時に冗長系統巻線に誘起される電圧または冗長系統巻線に通電した時に主系統巻線に誘起される電圧が小さくなる。これにより、モータの信頼性を高められ、駆動回路に高耐圧の部品を使用する必要もなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すステッピングモータの横断面図
【図２】ステッピングモータの縦断面図
【図３】駆動回路の出力段の電気的構成を示す図
【図４】主系統についての１相励磁方式による通電シーケンスを示す図
【図５】主系統巻線を用いて駆動した時の冗長系統巻線の誘起電圧波形図
【図６】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【図７】本発明の第３の実施形態を示す図１相当図
【図８】従来技術を示す図１相当図
【符号の説明】
１１、３６、４３はステッピングモータ（ハイブリッド型ステッピングモータ）、１４、１４ａ、１４ｂ、３７はステータ、１６−１〜１６−８、３８−１〜３８−１６はティース、１７、１８、３９、４０は主系統巻線、１９、２０、４１、４２は冗長系統巻線、２１、２１ａ、２１ｂはロータである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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