(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相巻線が巻装された３Ｌ個の固定子磁極と、該固定子磁極と空隙を介して配設された回転子と、この回転子を構成するその円周上に等ピッチで複数（Ｎｒ）個の回転子小歯を有し、互いに１／２ピッチ円周方向にずらせて配置した２個の回転素子によって挟持した、軸方向に磁化した永久磁石とより成り、上記３Ｌ個の固定子磁極が夫々ｍ個の固定子極歯を備え、Ｌが２以上の整数であって、上記固定子コイルがスターとデルタの何れかの３端子給電とされ、隣接する固定子磁極が互いに異相に巻線され、固定子極歯のピッチが回転子小歯のピッチ以下で、ｍ＝（Ｎｒ±２K）／３Ｌ（ここでｋは１以上４以下の整数）、Ｎｒ＝Ｌ（３ｎ±１）であることを特徴とする永久磁石３相ステッピングモータ。
【請求項２】
３相巻線が巻装された３Ｌ個の固定子磁極と、該固定子磁極と空隙を介して配設された回転子とより成り、上記回転子が円周方向にＮ極Ｓ極交互に等ピッチで複数個の極対数（Ｎｒ）に磁化した円筒状の永久磁石であり、上記３Ｌ個の固定子磁極が夫々ｍ個の固定子極歯を備え、Ｌが２以上の整数であって、上記固定子コイルがスターとデルタの何れかの３端子給電とされ、隣接する固定子磁極が互いに異相に巻線され、固定子極歯のピッチが回転子小歯のピッチ以下で、ｍ＝（Ｎｒ±２K）／３Ｌ（ここでｋは１以上４以下の整数）、Ｎｒ＝Ｌ（３ｎ±１）であることを特徴とする永久磁石３相ステッピングモータ。
【請求項３】
３相巻線が巻装された３Ｌ個の固定子磁極と、該固定子磁極と空隙を介して配設された回転子と、この回転子を構成するその円周上に等ピッチで複数（Ｎｒ）個の回転子小歯を有し、互いに１／２ピッチ円周方向にずらせて配置した２個の回転素子によって挟持した、軸方向に磁化した永久磁石とより成り、上記３Ｌ個の固定子磁極が夫々ｍ個の固定子極歯を備え、Ｌが２以上の整数であって、上記固定子コイルがスターとデルタの何れかの３端子給電とされ、隣接する固定子磁極が互いに異相に巻線され、固定子極歯のピッチが回転子小歯のピッチ以下で、ｍ＝（Ｎｒ±２K）／３Ｌ（ここでｋは１以上４以下の整数）、Ｎｒ＝（Ｊ／２）（６ｎ±１）、（ここでＪは２以上の偶数）とすることを特徴とする永久磁石３相ステッピングモータ。
【請求項４】
３相巻線が巻装された３Ｌ個の固定子磁極と、該固定子磁極と空隙を介して配設された回転子とより成り、上記回転子が円周方向にＮ極Ｓ極交互に等ピッチで複数個の極対数（Ｎｒ）に磁化した円筒状の永久磁石であり、上記３Ｌ個の固定子磁極が夫々ｍ個の固定子極歯を備え、Ｌが２以上の整数であって、上記固定子コイルがスターとデルタの何れかの３端子給電とされ、隣接する固定子磁極が互いに異相に巻線され、固定子極歯のピッチが回転子小歯のピッチ以下で、ｍ＝（Ｎｒ±２K）／３Ｌ（ここでｋは１以上４以下の整数）、Ｎｒ＝（Ｊ／２）（６ｎ±１）、（ここでＪは２以上の偶数）とすることを特徴とする永久磁石３相ステッピングモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石３相ステッピングモータ、特にＯＡ機器等に使用される永久磁石３相ステッピングモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２相及び３相ハイブリッド（ＨＢ）型ステッピングモータとしては種々のものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
１）３相ステッピングモータではその回転子極対数を増加すれば位置決め精度を向上でき、低速の回転むらを減少できるが、高速回転ではリアクタンスが増加する。このため１相分磁気回路を極力短くする方が有利となるがそれに見合う永久磁石３相ステッピングモータは得られていない。
【０００４】
２）例えば、特開平３−２１２１４９号公報に示す２相ハイブリッド型ステッピングモータは固定子構造で高調波トルクの低減を図ったものであるが主に第４次の高調波が多く存在し、振動を引き起こしている。
【０００５】
一方、３相永久磁石形回転電機では固定子極歯のピッチは回転子小歯ピッチとほぼ同じで３つの相ＵＶＷが空間的に１２０度分布し且つハイブリッド型回転子のＮ極とＳ極が１８０度の位相差があり、各相間でエヤギャップの界磁の空間第４調波成分を原理的には消しうるため２相機に比べて優れた構造といえる。エヤギャップの界磁の空間高調波の偶数次はコギングトルクを形成するが特に第４調波成分はコギングトルクの大部分を形成する。３相永久磁石式ステッピングモータの固定子構造はその主極数が３の倍数となるが、実用的には６、９、１２が考えられる。主極数が３の場合はラジアル方向の不平衡電磁力が存在し、また１５以上の場合は巻線の複雑さから実用的ではない。これらの６、９、１２主極のうち、１２の場合は固定子コアを珪素鋼板から打ち抜き後９０°回転積みして得られるので、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る。また積層後の厚みむらも無くすことができる。そのためエヤギャップも均一にできる。しかし６や９の場合は９０°の回転積みができないので、原理的には存在しない第３や第４の低次の高調波がコイルを励磁したときのフレミングの左手則であるＩＢＬ則（Ｉ：電流、Ｂ：磁束密度、Ｌ：積み厚）によりトルクに振動成分が含有される。また、コギングトルクは１２の場合に比較して大きくなる等の問題があった。
【０００６】
３）また、永久磁石３相ステッピングモータを安価なセンサーで安定に起動し、閉ループ駆動する方式は回転子極対数が１４程度まではホール素子で可能であったが、５０から１００になると不可能であった。またレゾルバーとして２相式のものはあり、２相機には適しているが、３相機には高速且複雑な２相３相変換が予想され、良い方法とは言えなかった。
【０００７】
上記のように、特に２）の如き従来の構成では、回転子のＮ極とＳ極の小歯位相は機械角で（１８０／Ｎｒ）度なので、回転子小歯数Ｎｒが大きい値となると、わずかな機械角誤差でも、電気角の狂いは大きくなり、加えて９０°回転積みしない場合の磁気回路の磁気抵抗のアンバランスやギャップの不均一による比較的低次の高調波が各相間で消えず、従ってコギングトルクや通電駆動時の振動がが大きくなり製品にバラツキが存在し、振動騒音も小さいものや大きいものとバラツキが存在した。
【０００８】
本発明は上記の欠点を除くようにしたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は３相巻線が巻装された３Ｌ個の固定子磁極と、該固定子磁極と空隙を介して配設された回転子と、この回転子を構成するその円周上に等ピッチで複数（Ｎｒ）個の回転子小歯を有し、互いに１／２ピッチ円周方向にずらせて配置した２個の回転素子によって挟持した、軸方向に磁化した永久磁石、または、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）に磁化した円筒状の永久磁石とより成る永久磁石３相ステッピングモータにおいて、上記３Ｌ個の固定子磁極が夫々ｍ個の固定子極歯を備え、Ｌが２以上の整数であって、上記固定子コイルがスターとデルタの何れかの３端子給電とされ、隣接する２つの固定子磁極が異相に巻線され、固定子極歯のピッチが回転子小歯のピッチ以下で、ｍ＝（Ｎｒ±２K）／３Ｌ（ここでｋは１以上４以下の整数）、Ｎｒ＝Ｌ（３ｎ±１）であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は３相巻線が巻装された３Ｌ個の固定子磁極と、該固定子磁極と空隙を介して配設された回転子と、この回転子を構成するその円周上に等ピッチで複数（Ｎｒ）個の回転子小歯を有し、互いに１／２ピッチ円周方向にずらせて配置した２個の回転素子によって挟持した、軸方向に磁化した永久磁石、または、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）に磁化した円筒状の永久磁石とより成る永久磁石３相ステッピングモータにおいて、上記３Ｌ個の固定子磁極が夫々ｍ個の固定子極歯を備え、Ｌが２以上の整数であって、上記固定子コイルがスターとデルタの何れかの３端子給電とされ、隣接する固定子磁極が互いに異相に巻線され、固定子極歯のピッチが回転子小歯のピッチ以下で、ｍ＝（Ｎｒ±２K）／３Ｌ（ここでｋは１以上４以下の整数）、Ｎｒ＝（Ｊ／２）（６ｎ±１）、（ここでＪは２以上の偶数）とすることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。
【００２３】
図１は６個の主極１−１〜１−６を有する固定子１を回転子２と共に示した本発明の第１実施例の説明図である。図２は図１の縦断側面図である。３は固定子コイル、５はアルミ等の非磁性体で出来ているブラケットを構成する前カバー、６は同じく後カバー、２−１、２−２は回転子２を形成する磁性体よりなる回転子素子で外周にＮｒ個の小歯を有し、小歯ピッチの１／２ピッチだけ互いに円周方向にづれており、軸方向にＮとＳに磁化した永久磁石４を挟持している。
【００２４】
本発明の第１の実施例においては、任意の隣接する２個の主極が同相となるように例えば主極１−１と１−２のコイルを直列または並列に結線して１相コイルを形成し、同様に主極１−３と１−４のコイルを結線して２相コイルを形成し、主極１−５と１−６を結線して３相コイルを形成する。この結果、１相分の磁気回路が短かくなり、インダクタンスが小さくなってステッピングモータの高速化が達成される。これに対し、従来の方式は主極１−１と１−４が１相コイルを形成し、主極１−２と１−５が２相コイルを形成し、残りの主極が３相コイルを形成していた。
【００２５】
図３は１２個の固定子主極１−１〜１−１２の場合を示し、コイルの図示は省略したが夫々に計１２個のコイルが巻かれている。この場合は、例えば、１相は互いに隣接する主極１−１と１−２、１−７と１−８で形成し、２相は互いに隣接する主極１−３と１−４、１−９と１−１０で形成し、残りで３相を形成する。
【００２６】
この場合、ｎを自然数とし、Ｌを１相分の主極数とすれば回転子小歯数Ｎｒは数１（ここで左辺、右辺共に機械角）よりＮｒ＝Ｌ（３ｎ±１）／２の関係を有し、機械角で表した本発明の３相機のステップ角は６０°／Ｎｒとなる。尚、Ｌが３や５ではＮｒが整数とならず成立しない。数１が成立する。
【００２７】
【数１】
0004744022.tif 000002
【００２８】
図４はスター結線の場合においてコイルの３端子に加えられる励磁のための電源の極性と電流の方向を示したもので２相励磁となる。電源の相電圧切り替えは（１）から（６）へ移動し６ステップで電気角３６０°だけ回転子が移動することになる。
【００２９】
図５は固定子の回転原理を示す説明図であって、Ｎｒ＝Ｌ（３ｎ±１）／２でＬ＝２、ｎ＝１、でＮｒ＝４とし、また固定子の極歯は簡単のため各１個で示した。図５中、（１）から（６）迄の、６ステップで電気角３６０°だけ回転することを示す。
【００３０】
次に本発明の第２の実施例を説明する。この実施例においては３Ｌ個の固定子磁極に夫々ｍ個の固定子極歯を設け、固定子コイルをスターまたはデルタの３端子給電とし、ｍ＝（Ｎｒ±２K）／３Ｌ（ｋは１以上４以下の整数）とする。例えばＬ＝２、Ｎｒ＝５０、ｋ＝１で、ｍ＝８とする。また、Ｌ＝４、Ｎｒ＝５０、ｋ＝１で、ｍ＝４とする。以上の２例はどちらもステップ角度が１．２度のものとなる。またＬ＝４、Ｎｒ＝１００、ｋ＝４で、ｍ＝７となる。この場合はステップ角度が０．６度となる。これらの場合、固定子極歯ピッチを回転子小歯のピッチに等しいかこれより狭めないと、実用的にコイル入れが困難なモータとなってしまう。逆に言えば固定子極歯ピッチを回転子小歯のピッチ以下として、振動を低減しながら、トルクの低減を最小にするために、最大数のｍを選び得る構成である。固定子小歯ピッチは低振動を必要としない用途では最大回転子小歯ピッチまでにする。これらの固定子小歯ピッチの変化範囲によるｍの値はｍ＝（Ｎｒ±２K）／３Ｌでｋを１以上４以下で適切な値を選ぶことで得られる。
【００３１】
また、上述のようにＬ＝４の１２主極（１２スロット）の場合には９０°回転積みできるが、Ｌ＝２や３の場合には回転積みできない。このため、上述した理由で高調波、特に低次の３次から５次の高調波を消す必要がある。これをエアギャップの均一度を向上させることでもかなり改善できる。そのため本発明においては図２に示すブラケットを構成する前カバー５と後カバー６を非磁性体とし、夫々軸方向内方に伸びる部分によって固定子１の内周面を支持して回転子２と固定子間のエアギャップを精度よく確保できるようにする。
【００３２】
本発明が適用される、３相ＨＢ型ステッピングモータには２種類の磁路があるため、その各々の回転子の小歯数Ｎｒを特定する式は数１３と数１４に示されるようになる。ここで、ｎは自然数である。
【００３３】
【数１３】
0004744022.tif 000003
【００３４】
数１３の左辺、右辺は共に機械角で表され本発明の３相機のステップ角となる。これより、Ｎｒ＝Ｌ（３ｎ±１）が得られる。
【００３５】
【数１４】
0004744022.tif 000004
【００３６】
数１４の左辺、右辺は共に機械角で表され本発明の３相機のステップ角となる。これより、Ｎｒ＝（Ｊ／２）（６ｎ±１）が得られる。ここでＬは２以上の整数、Ｊは２以上の偶数とする。
【００３７】
更に、本発明の第３の実施例においては回転子小歯ピッチに対し固定子極歯ピッチをα（電気角）だけずらせることで更に高調波を低減する。ここでＮｒ＝Ｌ（３ｎ±１）または、Ｎｒ＝（Ｊ／２）（６ｎ±１）としても良い。
【００３８】
図６は固定子極歯が偶数の例、例えば歯数が６の場合の固定子の主極１−１と回転子小歯の関係を示し、図７は奇数の、例えば歯数が５の場合の固定子の主極１−１と回転子小歯の関係を示す。
【００３９】
例えば図６の実施例においては、パーミアンスの基本波Ｐ１は数２となり、第３次パーミアンスＰ３は数３となる。
【００４０】
【数２】
0004744022.tif 000005
【００４１】
【数３】
0004744022.tif 000006
【００４２】
従ってＰ３＝０と置き、αを求めれば第３高調波を消せることになる。同様にして、歯がｍ個で偶数の場合の第３次パーミアンスを零にするには数４、第５次パーミアンスを零にするには数５を成立させれば良い。これらからα１、α２を求め、α2≦α≦α1のαを選ぶ。ここでα1、α2は電気角である。同様にして一般式でｍが奇数の場合、第３次パーミアンスを零にするには数６、第５次パーミアンスを零にするには数７を成立させれば良い。これらからα１、α２を求め、α2≦α≦α1のαを選ぶ。このようにすれば９０°回転積みできない６や９個の主極構造でも、低振動にすることができる。
【００４３】
【数４】
0004744022.tif 000007
【００４４】
【数５】
0004744022.tif 000008
【００４５】
【数６】
0004744022.tif 000009
【００４６】
【数７】
0004744022.tif 000010
【００４７】
尚、αの値は必ずしも厳密に第３及び第５高調波成分をゼロとする様に選定する必要はなく、第３及び第５高調波成分をゼロではないが小さくする値とする事でも３相機には有効である。また、高調波は次数が進むほど振幅が小さくなる事から、振幅の大きな第３〜第５の低次高調波を消去するのが振動低減に有効である。
【００４８】
次に本発明の第４の実施例を説明する。
【００４９】
回転子の位置を検出してクローズドループ駆動するとき、従来のレゾルバーは２相式であった。３相機にこれを使用すると、２相−３相変換を必要とすることになる。従って本発明の第４の実施例においては、図示は省略するが、３または６個の主磁極に３相巻線し、その先端に複数の極歯を設けた固定子と、外周にギャ状等ピッチの複数の小歯を有する永久磁石を使用しない磁性体の回転子とにより構成されるセンサーの回転子と、上記３相ステッピングモータの回転子とを軸同士結合し、回転子の位置を検出するようにしたセンシング方式を採用する。この方式によればインダクタンスの変化から、回転子の位置を知ることができる。この場合、レゾルバーの固定子の主極数は３または６個で十分であり、３相モータ部が９や１２個の主極でも同じく９や１２個の主極のレゾルバーを使用しないでも良い。そしてセンサーの３または６個の主極構造で分配されたインダクタンスの変化を３相の各相をスイッチングする素子に送り、回転子との最適タイミングで回転子を駆動すればよい。
【００５０】
本発明は同様にして上記回転子２が円周方向にＮ極Ｓ極交互に等ピッチで複数（Ｎｒ）個の極対数に磁化した円筒状永久磁石であるものにも適用できる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の永久磁石３相ステッピングモータは上記のような構成であるから下記のような効果が得られる。
【００５２】
１）本発明の第１の実施例によれば、３相機の磁気回路を短く出来、インダクタンスを小さくできるので、高速応答となる。
【００５３】
２）本発明の第２の実施例によれば、固定子小歯（磁歯）ピッチを回転子歯ピッチに等しいかこれより小さくして、振動を低減しながら、トルクの低減を最小にするために、最大数のｍを選び得る。
【００５４】
３）本発明の第２及び第３の実施例によれば、固定子主極数が６や９個で９０°回転積みできない構造でも高調波を低減して低振動となし得る。
【００５５】
４）本発明の第４の実施例によれば、３相機で回転子極対数の大きい場合の閉ループ駆動で、レゾルバーとして３または６個の主極構造とすることで、簡素なフィードバックシステムとなし得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における永久磁石３相ステッピングモータの縦断正面図である。
【図２】図１に示す永久磁石３相ステッピングモータの縦断側面図である。
【図３】本発明の第２の実施例における永久磁石３相ステッピングモータの正面図である。
【図４】コイルに対する３相印加電圧と電流の関係説明図である。
【図５】回転子の回転原理説明図である。
【図６】固定子と回転子の極歯の関係説明図である。
【図７】固定子と回転子の極歯の関係説明図である。
【符号の説明】
１−１    主極
１−２    主極
１−３    主極
１−４    主極
１−５    主極
１−６    主極
１−７    主極
１−８    主極
１−９    主極
１−１０  主極
１−１１  主極
１−１２  主極
２−１    回転子素子
２−２    回転子素子
１    固定子
２    回転子
３    固定子コイル
４    永久磁石
５    前カバー
６    後カバー
【図１】
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【図２】
0004744022.tif 000012
【図３】
0004744022.tif 000013
【図４】
0004744022.tif 000014
【図５】
0004744022.tif 000015
【図６】
0004744022.tif 000016
【図７】
0004744022.tif 000017