JP5462877B2 - 永久磁石型ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、概して、インデックス・ステッピングモータに関し、特に、小型化したパッケージ内で性能（例えばトルク）を向上する可能性を提供する改良型の永久磁石型ステッピングモータに関する。向上する性能は、（ａ）モータのトルク密度の機能を増大させる、（ｂ）ステップの同期及び安定性を改良する、という創意に富んだ設計を通して得られる二重の利点から導出される。

ステッピングモータには一般に３つの型がある。すなわち可変リラクタンス型、ハイブリッド型、及び永久磁石型である。適切なドライバ（すなわち制御装置）があれば、３つの型はすべて、広範囲の角度ステッピング又は割り出しの動作及び特徴の可能性を提供する。ステッピングモータの制御に関する一般的な参考文献は、オンラインでＤｏｕｇｌａｓ Ｗ．Ｊｏｎｅｓによるhttp://www.cs.uiowa.edu/〜jones/step/に見ることができる。本発明は、永久磁石型ステッピングモータに関する。

ハイブリッド型と永久磁石型のステッピングモータは両方とも、移動機構（例えば、回転子）及び固定機構（例えば、固定子）に永久磁石を使用する。これらは、モータドライバの観点からは識別不可能な場合がある。従来、ハイブリッド型ステッピングモータの回転子は、２個の回転子極の中央にドーナツ形磁石１つを有する状態で構築され、その結果、主に磁石から２個の回転子磁極への軸方向の磁束流が生じる。永久磁石を組み込んだ様々なステッピングモータの設計は、極及び磁石の磁気回路を操作することにより導出される。本発明が主に関係する永久磁石型ステッピングモータは、Ｓｃｈａｅｆｆｅｒによって米国特許第４，１９０，７７９号及び第４，３１５，１７１号で代表的に示され、記述されており、その総体的な開示は参照により本明細書に組み込むものとする。

Ｓｃｈａｅｆｆｅｒが開示した永久磁石型ステッピングモータは、小さいステッピング角度を提供するために、多数の固定子の歯と、回転子上に多数の半径方向に磁化した磁石とを有する。このようなモータは、非通電時及び通電時のディテントトルクが高く、モータの軸方向長さが比較的短く（すなわちパンケーキスタイル）、回転子の慣性が小さく、回転子に大きい貫通穴を開けることが可能であるという利点を有する。このようなモータは、この３０年間、太陽電池パネルの駆動装置やアンテナの姿勢制御機構の駆動など、宇宙分野の用途で大きい成功を収めてきた。このような用途では、質量が軽く、通電時及び非通電時のディテントトルクが高く、回転子の慣性が小さく、シャフトが大きく、及び／又は回転子上に多数の配線を通すことができることが必要であった。

高度な用途においては、トルクを増大させ、サイズ及び質量を低減し、トルク密度を高め、回転子の慣性を減少させ、費用を削減し、通電時及び非通電時のピークディテントトルクが一定で、ピーク運転トルクが一定である、最新技術のステッピングモータの設計が必要である。ステッピングモータの設計においては、同期を維持することについての懸念がつきものである。すなわちモータと出力負荷が、すべてのモータ入力命令信号に応答して一緒に回転を維持することが可能であるということに対する懸念である。典型的には、ステッピングモータと負荷のこの同期運転を確実にさせるフィードバックは設けられてはいないので、ステッピングモータの出力はトルク生成能力ばかりでなく、負荷を駆動する間にステップ命令に応答する動作のモータの安定性にも依存する。ステッピングモータは開ループで運転し、したがって共振などのシステムの懸念は、モータの安定性を向上させることを通じて軽減することができる。このように、最新技術のステッピングモータの技術を改良するためには、トルク密度とステップの安定性を両方とも改良する必要性がある。

米国特許第４，１９０，７７９号 米国特許第４，３１５，１７１号 米国特許第６，３２９，７２９号 米国特許第６，６５７，３５３号

http://www.cs.uiowa.edu/〜jones/step/

限定のためではなく、単に例示のために、開示された実施例の対応する部品、部分または表面を説明的に参照すると、本発明は可動部材及び固定部材を有する改良型の永久磁石型ステッピングモータ（例えば２０）を広く提供する。改良型モータは広義に、部材のうちの一方の部材の表面（例えば２４）上に多数の磁極（例えば２１）を含む。隣接する回転子の極は反対の極性である。極の数は、定数、位相数及び所望のステップ間隔の関数である。本発明は、部材のうちの他方の部材上に、当該一方の部材の表面に面するように配置された多数の等間隔の歯（例えば２２）も含み、歯はそれぞれ、当該一方の部材の表面に面するように配置された複数の小歯（例えば２３）を有する。歯の数は、定数、極の数、各固定子の歯の上の小歯の数、及び位相数の関数である整数である。小歯は、いずれの歯においてもその上の小歯が同じ極性の極とそろうように相互から離間している。

可動部材は、外面を有する回転子とすることができる。固定部材は固定子とすることができる。所望のステップ間隔は所望のステップ角とすることができる。歯は、回転子の外面に面するように、固定子の周囲に円形に離間させることができる。

ユニポーラモータドライバの回転子の極数は、下式から求められる偶数の整数でなければならない。

バイポーラモータドライバの回転子の極数は、下式から求められる偶数の整数でなければならない。

回転子の極は、均質の軟質磁性鋼、積層電気材料、又はこれらの材料の組合せで形成することができる回転子支持体（２４）の周囲に等間隔で配置することができる。

各位相の固定子の歯の最大数（ｍ）は、下式から求めることができる。

ここで、式ｉｎｔ（ｘ）は引数（ｘ）の整数部分を返す整数関数である。任意の固定子歯上において隣接する２つの小歯間の距離は、小歯が回転子の極とそろったときはそれらが回転子の極の同じ極性でそろうような距離である。

歯は固定子の周囲に等間隔であることが好ましい。

固定子は、均質の軟質磁性鋼、積層電気鋼板材料、又はこれらの材料の組合せで形成することができる。

回転子及び固定子は、位相Ａ及びＢを有する２相モータでは、固定子歯上の位相Ａの小歯が回転子の磁極とそろうときに、位相Ｂの各小歯が隣接する２つの回転子の極の中央とそろうように構成し、配置することができる。

回転子及び固定子は、位相Ａ、Ｂ及びＣを有する３相モータでは、位相Ａの固定子の小歯が回転子の一方の極性の極とそろうときに、位相Ｂ及び位相Ｃの固定子の各小歯が反対の極性の回転子の極とそろうように構成し、配置することができる。位相Ｂの固定子の各小歯が関連する回転子の極の前縁とそろうと、位相Ｃの各小歯が関連する回転子の極の後縁とそろうようにすることができる。反対に、位相Ｂの固定子の各小歯が関連する回転子の極の後縁とそろうと、位相Ｃの各小歯が関連する回転子の極の前縁とそろうようにすることができる。

回転子及び固定子は、位相Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを有する４相モータでは、固定子歯上の位相Ａの小歯が回転子の極とそろうときに、位相Ｂの各小歯が隣接する２つの極の中央とそろい、位相Ｃの各小歯が位相Ａとそろう極と反対の極とそろい、位相Ｄの各小歯が位相Ｂとそろう極と反対の極とそろうように構成し、配置することができる。

したがって、本発明の全体的な目的は、改良型のステッピングモータを提供することである。

別の目的は、永久磁石型の改良型のステッピングモータを提供することである。

上記及び他の目的及び利点は、上述の及び下記に記載の明細書、図面及び添付の特許請求の範囲から明白になる。

第１の形態である、８０個の交番磁化回転子極及び２４個の等間隔の固定子歯を有し、固定子の各歯に２個の小歯を有する改良型の３本リード線、Ｙ結線、３相、１ステップ１．５°のバイポーラステッピングモータの略断面図である。 図１に示したステッピングモータの固定子歯の物理配線図を示す略図である。 図２に示した円内の部分の拡大図である。 図２に示した形態の略電気配線図である。 非通電時のピークディテントトルク、通電時のピークディテントトルク、及びピーク運転トルクがより一定の回転子を構築するために、磁石間の磁気強度の差異を減少させる技術について、図２Ａに示したものの代替回転子を示す。 第２の形態である、図１と同じ８０個の交番磁化回転子極を有するが、１５個の等間隔の固定子歯を有し、固定子の各歯に３個の小歯を有する改良型の３本リード線、Ｙ結線、３相、１ステップ１．５°のバイポーラステッピングモータの略断面図である。 図３に示した円内の部分の拡大図である。 １２０個の交番磁化回転子極及び１６個の等間隔の固定子歯を有し、固定子の各歯に３個の小歯を有する２相又は４相ステッピングモータの略断面図である。 図４に示した円内の部分の拡大図である。 ５本リード線、４相、１ステップ１．５°のユニポーラステッピングモータの図４のステッピングモータの物理配線図を示す略図である。 図５に示した円内の部分の拡大図である。 図５に示した形態の略電気配線図である。 ４本リード線、２相、１ステップ１．５°のバイポーラステッピングモータの図４の同じステッピングモータの物理配線図を示す略図である。 図６に示した円内の部分の拡大図である。 図６に示した形態の略電気配線図である。 別の形態である、１２０個の交番磁化回転子極及び１６個の等間隔の固定子歯を有するが、固定子の各歯に４個の小歯を有する、図４と全体的に類似の２相又は４相ステッピングモータの略断面図である。 １２０個の交番磁化回転子極を有し図４及び図７と同じ回転子を有するが、１８個の等間隔の固定子歯を有し、固定子の各歯に３個の小歯を有する３相ステッピングモータの略断面図である。 ３本リード線、３相、１ステップ１．０°のバイポーラステッピングモータの図８にあるような固定子歯の略物理配線図である。

最初に、類似した参照番号は幾つかの図面を通じて一貫して同じ構造要素、部分又は表面を識別するように意図されていることを明確に理解されたい。何故なら、このような要素、部分又は表面は、この詳細な説明を一体部分とする明細書全体でさらに記述又は説明されるからである。他に指示していない限り、図面は明細書と一緒に読むものとし（例えばクロスハッチング、部品の配置構成、比率、程度など）、本発明の説明全体の一部と見なされる。以下の説明では、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」及び「下」という用語、さらにそれらの形容詞及び副詞の派生語（例えば「水平に」、「右に」、「上に」など）は、単に、特定の図面の図が読者に向かっているときの図示された構造の方向に適用される。同様に、「内側に」及び「外側に」という用語は一般に、適宜、長手軸又は回転軸に対する表面の方向に適用される。

通電時及び非通電時の高いディテントトルクを維持しながら、高い運転トルクを達成するために、本明細書で開示するような新しい永久磁石型ステッピングモータが開発された。

改良型ステッピングモータの幾つかの異なる形態が開示されている。第１の形態は図１、図２、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃで、第２の形態は図３及び図３Ａで、第３の形態は図４及び図４Ａで、第４の形態は図５、図５Ａ及び図５Ｂで、第５の形態は図６、図６Ａ及び図６Ｂで、第６の形態は第１及び第４の形態を参考にして、第７の形態は図７で、第８の形態は図８及び図９で開示されている。

これらの様々な形態は、２相、３相及び４相のバイポーラ又はユニポーラモータドライバで１ステップ１．５°の割り出し動作を達成できる方法を示している。これらの形態は、１２０個の交番磁化極を有する同じ回転子を２相、３相及び４相モータに使用できる方法としても示されている。個々の形態は、２つ、３つ、４つ又はそれより多い小歯を有するように固定子の歯を設計できることを示している。これらの形態はまた、可変リラクタンス型、ハイブリッド型、及び永久磁石型のステッピングモータで一般的に使用される４本、５本、６本及び８本リード線の構成での、モータの励磁シーケンス及び巻線も示している。

ここでは２相、３相及び４相ステッピングモータについて８０個及び１２０個の極の回転子しか図示されていないが、表１に列挙されているように、他の形態もステッピングモータの設計の当業者には容易に理解される。

回転子の外周表面上の磁極の必要数は、所望のステップ角、位相数、及びモータドライバの構成によって決定される。Ｎ磁極とＳ磁極の数は等しくなければならない。隣接するＮ磁極とＳ磁極は、反対の極性を示すためにそれぞれ内側と外側を指している、隣接する極の半径方向の矢印により、添付図面に概略的に示されている。したがって、磁石のＮ磁極とＳ磁極の数は等しく、回転子の極の総数は偶数の整数でなければならない。

バイポーラモータドライバでは、回転子の極数は以下の式から求められる偶数の整数でなければならない。

例えばバイポーラドライバによって駆動される３相、１ステップ１．５°のステッピングモータの場合、回転子の極の必要数は３６０°／（３×１．５°）＝８０である。この例は図１及び図３の設計で示されている。

バイポーラドライバによって駆動される２相、１ステップ１．５°のステッピングモータの場合、回転子の極の必要数は３６０°／（２×１．５°）＝１２０である。この例は図４及び図７の設計で示されている。

ユニポーラモータドライバでは、回転子の極数は以下の式から求められる偶数の整数でなければならない。

例えば、ユニポーラドライバによって駆動される４相、１ステップ１．５°のステッピングモータの場合、回転子の極の必要数は２×３６０°／（４×１．５°）＝１２０である。この例は図４及び図７の設計で示され、これは巻線を除いて上記の２相の例と同じ設計である。

上記の３つの例は、２相及び３相のバイポーラモータドライバ及び４相ユニポーラモータドライバによって駆動される１ステップ１．５°のモータでの回転子の極の必要数を示している。

全磁極は、隣接する極が反対又は交番磁化方向を指す状態で回転子の周囲に等間隔に配置することができ、予め磁化された部材を、軟質磁性鋼、積層電気鋼板、又はこれらの材料の様々な組合せで作成された支持回転子の表面に取り付けて作成することができる。あるいは、磁極は、磁化されていない磁性材料を回転子の外面に適用し、交番極性を有するように局所的に磁化することで作成することができる。しかし、この方法では回転子の外面上に限られた数の極しか磁化できず、多数の極ではこの方法は不可能か、非現実的となる。

等間隔の極を容易に達成できるように、回転子支持体上に磁石用の溝を作って隣接する磁極間に適切な間隔を割り当てることができる。先行する米国特許第６，３２９，７２９号及び第６，６５７，３５３号に示されるような隣接磁極間に隙間がない状態では、磁極の間隔は磁石の幅に依存するため、等間隔の極が達成困難になる。以上で言及した特許に示すように、極の隙間なしに回転子を作成すると、磁石の差異により、一定の通電時及び非通電時のピークディテントトルク及び一定のピーク運転トルクを得ることは困難になる。

直径が大きい回転子に小数の磁極があると、隣接する磁極間に空いた隙間が残り、したがってステッピングモータが小型でなくなる。他方、直径が小さい回転子に多数の磁極があると、薄い磁石が必要となり、製作が非現実的になる。

表１は、バイポーラ及びユニポーラモータドライバについて、上記の数式［１］及び［２］に従って計算された幾つかの選択された回転子の極、ステップ角及び位相の関係を列挙している。計算では分数のステップ角が避けられないが、分数の角度の機械加工上の又は技術的な精度などの実際的な理由で回避することができる。

回転子の極及び位相の数が同じである場合、バイポーラモータドライバを有するステッピングモータは、ユニポーラドライバを有するステッピングモータの角度の半分でステップを刻む。反対に、同じステップ角を達成するためには、ユニポーラドライバを有するステッピングモータは、バイポーラドライバを有するステッピングモータに必要な数の２倍の数の回転子の極が必要である。

各位相の固定子の歯の最大数ｍは、バイポーラ及びユニポーラモータドライブの両方で下式を満足しなければならない。

ここで、式ｉｎｔ（ｘ）は、引数（ｘ）の整数部分を返す整数関数である。この式は以下のように簡単化することができる。

任意の固定子歯上で隣接する２つの小歯間の距離は、当該小歯が回転子の極とそろうときには、同じ極性の回転子の極とそろうようにしなければならない。したがって上記の数式［６］及び［７］にある式
［２×（固定子の各歯の小歯の数）−１］
は、固定子の各歯にカバーされる回転子の極の総数である。

固定子の各歯に２個の小歯を有する、３相、１ステップ１．５°、８０極のバイポーラステッピングモータでは、各位相の固定子歯の最大数（上記の数式７）は下式になる。

したがって、固定子歯の最大数は下式になる。
［９］ 固定子歯の最大数＝（３相）×（歯８個／相）＝歯２４個
この例は図１の設計で示されている。

同じ３相、１ステップ１．５°、８０極のバイポーラステッピングモータではあるが、固定子の各歯に３個の小歯を有する場合は、各位相の固定子歯の最大数は下式になる。

したがって、固定子歯の最大数は下式になる。
［１１］ 固定子歯の最大数＝（３相）×（歯５個／相）＝歯１５個
この例は図３の設計で示されている。

固定子の各歯に４個の小歯を有する、４相、１ステップ１．５°、１２０極のユニポーラステッピングモータの設計では、各位相の固定子歯の最大数は下式になる。

したがって、固定子歯の最大数は下式になる。
［１３］ 固定子歯の最大数＝（４相）×（歯４個／相）＝歯１６個
この例は図７の設計で示されている。

数式［７］を満足する限り、固定子歯の最大数及び小歯の数を使用することは任意である。図１及び図３は両方とも、同じ８０個の交番磁化回転子極を有する３相ステッピングモータを示す。図１の設計は、２４個の等間隔の歯及び各歯に２個の小歯を有する固定子を使用する。しかしながら、図３の設計は、１５個の等間隔の歯を有し、固定子の各歯に３個の小歯を有する固定子を使用する。図３の設計も１５個の等間隔の固定子の各歯に２個の小歯を使用してもよいことは明白である。同様に、図４及び図７は両方とも、同じ１２０個の交番磁化回転子極と１６個の等間隔の固定子歯を有する２相又は４相ステッピングモータを示す。図７に示す設計は固定子の各歯に４個の小歯を有し、図４の設計は固定子の各歯に３個の小歯を有する。

固定子歯の数及び各歯の小歯の数の選択は、モータのディテントトルク、モータの運転トルク、及び、巻線を最初にマンドレルに巻き次に固定子歯に移す場合は巻線抵抗に、影響する。同じ２相又は４相、１ステップ１．５°のステッピングモータでは、図７に示した４本の小歯を有する設計は、図４に示した３本の小歯を有する設計より、非通電時のディテントトルクが大きい。しかし、巻線をマンドレルに巻き次に固定子歯に移すと、図７に示す設計に必要な巻線の座巻長さは図４に示す設計のそれより長くなる。その結果、図４の巻線より図７の巻線の方が位相抵抗が大きくなる。

これらの様々な形態については以下で順次説明する。

第１の形態（図１、図２、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃ）
図１の２０で全体的に示した３本リード線、Ｙ結線、３相、１ステップ１．５°のバイポーラステッピングモータの設計は、過去３０年間にわたりＳｃｈａｅｆｆｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ／Ｍｏｏｇ Ｉｎｃ．で生産されてきた同一の位相抵抗、機械寸法、及び非通電時のディテントトルクのＳｃｈａｅｆｆｅｒ型ステッピングモータ（例えば、上記の米国特許第４，１９０，７７９号及び第４，３１５，１７１号を参照）の数倍のトルクを発生する。

図１は、各々２１で示された８０個の交番磁化回転子極、及び、各々２２で示された２４個の等間隔の固定子歯を有する３相ステッピングモータ２０の断面図を示す。固定子の各歯は、各々２３で示された２個の小歯を有する。固定子の一般的な取り付け穴と一般的な取り付けフランジ、及び回転子の軸は、本明細書で図示したすべてのモータに共通である。これも本明細書で開示した他のすべてのモータに共通する固定子及び取り付けフランジは、ステップレートが低い用途では、均質の軟質磁性鋼で一体成型で製作することができる。これは、ステップレートが高い用途では、積層電気鋼板材料で積層し、及び／又は筐体構造内に取り付けることもできる。

図２は、図１に示す、８０個の回転子極及び２４個の固定子歯を有する、Ｙ結線、３本リード線、３相、１ステップ１．５°のバイポーラステッピングモータの固定子歯の物理配線図を示す。２４個の固定子歯及び３個の位相を有するので、各位相は８個の直列接続されたコイルを有する。励磁状態は６個ある。連続的なステッピングには、これらの６個の励磁状態を繰り返す必要がある。各励磁状態で同じ極性を有する２個の端子は互いに接続され、その結果、２個の巻線内には結線した中心（すなわちＡ２、Ｂ２及びＣ２）からこれら２個の端子への並列電流路が生じる。励磁シーケンスを表２に示す。

状態１から６の順番のこの励磁シーケンスの結果、回転子は図２の時計回り（「ＣＷ」）方向に回転する。上記の励磁シーケンスを逆転すると、回転子は図２の反時計回り（「ＣＣＷ」）方向に回転する。同様に、図２及び図２Ａに示すように、固定子の各歯の巻線方向を逆転させると、回転子の回転方向が逆転する。

図２Ａは、図１及び図２に示す回転子極、固定子歯、及び物理巻線の物理的関係の拡大図を示す。位相Ａの固定子の小歯が１つの極性の回転子極とそろうと、位相Ｂ又は位相Ｃの固定子の小歯はそれぞれ、位相Ａとそろった極と反対の極性の回転子極の前縁（又は後縁）又は後縁（又は前縁）とそろう。このように、それぞれの位相ごとに１個ずつの３個の明確に位置決めされた固定子歯は、回転子極に対して生成されるようになっている。したがって、２４個の等間隔の固定子歯は、３個の明確に位置決めされた固定子歯を８回繰り返したものである。このような固定子の小歯と回転子極との位置合わせは、回転、リニア、分割又は部分、反転した、及び軸方向エアギャップの形態の本明細書で開示しているすべての３相ステッピングモータに必要である。

磁気強度の差異は、通電時及び非通電時のピークディテントトルクの変動及びモータのピーク運転トルクの変動を引き起こす。図２Ｃは、通電時及び非通電時ピークディテントトルク及びピーク運転トルクがより一定のモータを構築するために、磁石間の磁気強度の差異を減少させる技術を示す。図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ及び図６Ａに示す回転子の拡大図と比較して、図２Ｃの軟質磁性鋼又は積層電気鋼板の回転子支持体上の磁石用の溝が、より深く、より広い。

図２Ｂは、共通の結線した中心を有するＹ結線コイルの図２の電気配線図である。

第２の形態（図３及び図３Ａ）
図３は、図１、図２及び図２Ａに示したものと類似の設計の、同じ８０個の交番磁化回転子極（各々３１で示す）を有するが、１５個の等間隔の固定子歯（各々３２で示す）、及び固定子の各歯に３個の小歯（各々３３で示す）を有する、３０で全体的に示した別の３相ステッピングモータの断面図を示す。図３Ａに示すように、それぞれの位相ごとに１個ずつの３個の明確に位置決めされた固定子歯が、回転子磁極に対して存在する。したがって、図３の１５個の等間隔の固定子歯は、３個の明確に位置決めされた固定子歯を５回繰り返したものである。このように、物理及び電気配線図は、図２、図２Ａ及び図２Ｂについて説明したのと同じ原理に基づくものであり、省略する。

第３の形態（図４及び図４Ａ）
図４は、１２０個の交番磁化回転子極（各々４１で示す）、及び１６個の等間隔の固定子歯（各々４２で示す）を有する、４０で全体的に示した２相又は４相ステッピングモータの断面図を示す。固定子の各歯は３個の小歯（各々４３で示す）を有する。図４Ａは、回転子極及び固定子歯の間の物理的位置合わせの関係の拡大図を示す。詳細な位置合わせの関係については、以下で物理配線図とともに説明する。

第４の形態（図５、図５Ａ及び図５Ｂ）
図５は、１２０個の回転子極（各々５１で示す）、及び１６個の固定子歯（各々５２で示す）、及び固定子の各歯に３個の小歯（各々５３で示す）を有する、５０で全体的に示した、５本リード線、４相、１ステップ１．５°のユニポーラステッピングモータの図４の固定子歯の物理配線図を示す。各位相は４個の直列接続されたコイルを有する。それぞれの位相ごとに１個ずつの４個の励磁状態がある。中間タップ（ＣＴ）の電圧は正でも負でもよく、励磁の表は中間タップに正の電圧の極性のみを示している。

励磁シーケンスを表３に示す。

状態１から４の順番のこの励磁シーケンスの結果、回転子は図５の時計回り（「ＣＷ」）方向に回転する。上記の励磁シーケンスを逆転すると、回転子は図５の反時計回り（「ＣＣＷ」）方向に回転する。同様に、図５及び図５Ａに示すように、固定子の各歯の巻線方向を逆転させると、回転子の回転方向が逆転する。

図５Ａは、５０で全体的に示した、４相、１ステップ１．５°のユニポーラステッピングモータの、図５の回転子極、固定子歯、及び物理巻線の関係の拡大図を示す。この配置構成は、１２０個の回転子極（各々５１で示す）、１６個の固定子歯（各々５２で示す）、及び各歯に３個の小歯（各々５３で示す）を有する。固定子歯上にある位相Ａの小歯が回転子極とそろうと、位相Ｂの各小歯は隣接する２つの極の中央にそろい、位相Ｃの各小歯は位相Ａとそろったのと反対の極とそろい、位相Ｄの各小歯は位相Ｂとそろったのと反対の極とそろう。このように、それぞれの位相ごとに１個ずつの４個の明確に位置決めされた固定子歯が、回転子極に対して生成される。したがって、図５の１６個の等間隔の固定子歯は、４個の明確に位置決めされた固定子歯を４回繰り返したものである。図５Ａのこのような固定子の小歯と回転子極との位置合わせは、回転、リニア、分割又は部分、反転した、及び軸方向エアギャップの形態の本明細書で開示しているすべての４相ステッピングモータに必要である。

図５Ｂは、共通の中間タップを有する図５の電気配線図である。広く使用されている別の４相ユニポーラモータドライバは、２個の中間タップを有する６本リード線を必要とする。これは、例えば図５及び図５Ｂにおいて、Ａ２及びＢ２を一方の中間タップに接続し、Ｃ２及びＤ２を他方の中間タップに接続することによって達成することができる。２個の中間タップは、図５Ｂに示した１個の中間タップと同じ機能を果たす。４個の状態の励磁極性シーケンスは、表３と同じままであるが、余分な中間タップを有する。

第５の形態（図６、図６Ａ及び図６Ｂ）
図６は、１２０個の回転子極（各々６１で示す）、１６個の固定子歯（各々６２で示す）、及び各歯に３個の小歯（各々６３で示す）を有する、６０で全体的に示した、４本リード線、２相、１ステップ１．５°のバイポーラ構成の図４及び図４Ａの固定子歯の物理配線図を示す。励磁シーケンスを表４に示す。

状態１から４の順番のこの励磁シーケンスの結果、回転子は図６の時計回り（「ＣＷ」）方向に回転する。上記の励磁シーケンスを逆転すると、回転子は図６の反時計回り（「ＣＣＷ」）方向に回転する。同様に、図６及び図６Ａに示すように、固定子の各歯の巻線方向を逆転させると、回転子の回転方向が逆転する。

図６Ａは、６０で全体的に示した、２相、１ステップ１．５°のバイポーラステッピングモータの、図６の回転子極、固定子歯、及び巻線の関係の拡大図を示す。この配置構成は、１２０個の回転子極（各々６１で示す）、１６個の固定子歯（各々６２で示す）、及び各歯に３個の小歯（各々６３で示す）を有する。固定子歯上にある位相Ａの小歯が回転子極とそろうと、位相Ｂの各小歯は隣接する２つの回転子極の中央とそろう。次の位相Ａの小歯は、一つ前の位相Ａとそろったのと反対の極とそろい、次の位相Ｂの小歯は、一つ前の位相Ｂとそろったのと反対の極とそろう。図６に示すように、位相Ａについては＋Ａ、−Ａ、＋Ａ、−Ａのような、位相Ｂについては＋Ｂ、−Ｂ、＋Ｂ、−Ｂのようなパターンで配線すると、それぞれの位相ごとに１個ずつの２個の明確に位置決めされた固定子歯が、回転子極に対して生成される。したがって、図６の１６個の等間隔の固定子歯は、図６Ａの２個の明確に位置決めされた固定子歯を８回繰り返したものとなる。このような固定子と回転子極との位置合わせは、回転、リニア、分割又は部分、反転した、及び軸方向エアギャップの形態の本明細書で開示しているすべての２相ステッピングモータに必要である。

以上の３種の物理配線図、すなわち３相の図２及び図２Ａ、４相の図５及び図５Ａ、及び２相の図６及び図６Ａでは、各位相の各歯の配線方向は、各位相の固定子歯の小歯とそろう回転子極の極性によって決定される。例えば、図２の位相Ａの８個の固定子歯全ての固定子の小歯は同じ回転子極の極性とそろい、したがって、８個の固定子歯は全部、配線方向が同じである。位相Ｂ又はＣについても同じことが言える。図５の配線方向についても同じことが言える。しかしながら、図６に示す位相Ａの配線図では、１個おきの歯で方向を逆転する必要がある。何故なら、位相Ａでは１個おきの固定子歯に対して回転子極の極性が変化するからである。位相Ｂについても同じことが言える。

第６の形態
それぞれの位相ごとに２本ずつの８本リード線の構成を（図５、図５Ａ及び図５Ｂに示した中間タップとは対照的に）中間タップがない状態で作成することができ、その結果、ユニポーラ又はバイポーラのいずれかのモータの４相モータとして駆動する融通性が得られる。同様に３相モータでは、それぞれの位相ごとに２本ずつの６本リード線の構成を（図２及び図２Ｂに示したＡ２、Ｂ２及びＣ２の結線した中心とは対照的に）結線した中心がない状態で作成することができ、その結果、ユニポーラ又はバイポーラのいずれかの３相モータとして駆動する、モータ駆動の融通性が得られる。

上記の４相モータに関する表１によると、８本リード線のバイポーラ駆動の方式は０．７５°／ステップのステップ角を生成し、これはユニポーラドライバによって生成されるものの半分のステップ角である。同様に、上記の３相モータでは、６本リード線のユニポーラ駆動の方式はバイポーラ駆動の方式のステップ角を２倍にする。

第７の形態（図７）
図７は、同じ１２０個の交番磁化回転子極及び１６個の等間隔の固定子歯を有するが、固定子の各歯に４個の小歯を有する、図４に全体的に類似した、２相又は４相ステッピングモータの別の形態の断面図である。物理及び電気配線図、さらに励磁極性シーケンスは、４相モータについては図５、図５Ａ、図５Ｂに、２相モータについては図６、図６Ａ及び図６Ｂに示したものと同一である。

第８の形態（図８、図９）
図８は、１２０個の交番磁化回転子極（各々８１で示す）を有する図４及び図７と同じ回転子を有するが、１８個の等間隔の固定子歯（各々８２で示す）を有する、８０で全体的に示した、３相、１ステップ１．０°のバイポーラステッピングモータの断面図を示す。固定子の各歯は３個の小歯（各々８３で示す）を有する。

図９は、図８に示す１２０個の回転子極及び１８個の固定子歯を有する、Ｙ結線、３本リード線、３相、１ステップ１．０°のバイポーラステッピングモータの物理配線図を示す。各位相は６個の直列接続されたコイルを有する。電気配線図は図２Ｂに示したものと同じであり、励磁極性シーケンスは表２に示したものと同じである。

上記の例はすべて、固定子歯が等間隔であり、固定子の歯の数が位相数の整数倍である（例えば数式６）。しかしながら、ステッピングモータは、等間隔ではない固定子歯で、又は位相数の整数倍ではない固定子歯の数で設計することができる（しかし推奨されない）。例えば、段落［００６０］以降で上述したように、固定子歯の小歯と回転子極の位置合わせの要件を満たすために、４相、１ステップ３．０°、６０個の回転子極のユニポーラステッピングモータを、１６個の固定子歯及び固定子の各歯に２個の小歯で設計することができる。この設計では、固定子の歯の間に２１．０°で１５個、４５．０°で１個の空間を有する。この設計には２つの大きい欠点がある。１つは、固定子歯の間隔が等しくないので、非通電時及び通電時のピークディテントトルクが不均一なことである。もう１つは４５．０°の歯の間隔の位置で、固定子の巻線の余地が無駄になることである。４５．０°の歯の間隔を有する位置に余分な固定子歯を１個追加すると、１７個の歯があり、固定子の歯の間に２１．０°で１６個、２４．０°で１個の空間を有する固定子になり、非通電時及び通電時のピークディテントトルクの不均一性が改良されるが、当該余分な固定子歯が巻線に使用されないままとなる。したがって、等間隔ではない、又は位相数の整数倍ではない固定子歯の数を有する設計は推奨されない。例えば、各歯に３個の小歯を有する８個の等間隔の固定子歯で、上記の４相、１ステップ３．０°、６０個の回転子極のユニポーラステッピングモータを設計することができる。

上記の例及び数式３、６及び７はすべて、任意の固定子歯上にある隣接する２つの小歯間の距離が、小歯を回転子極とそろうときに同じ極性の極とそろうような距離である場合を示す。すなわち、隣接する２つの小歯間で、反対の極性の回転子の極が省かれる。しかしながら、歯の小歯は、本明細書で開示したステッピングモータにおいてこのように極を省かない設計をすることができる（しかし推奨されない）。例えば、図１の固定子の各歯に２個の小歯を有する設計は、既存の２個の小歯間に小歯を追加した、固定子の各歯に３個の小歯を有する設計とすることができる。この追加した小歯は、図１の２個の小歯とそろうように、反対の回転子極とそろう。同様に、図４の固定子の各歯に３個の小歯を有する設計は、２個の小歯を追加して、固定子の各歯に５個の小歯を有する設計とすることができる。本明細書で開示した好ましい実施例と比較すると、追加の小歯を有するこのような設計には３つの欠点がある。第一に、回転子極と固定子歯の小歯の間の磁気短絡により、非常に高い非通電時ディテントトルクを発生する。第二に、回転子極と固定子の小歯の間の磁束の打ち消しにより、非常に低い通電時ディテントトルク及び運転トルクを発生する。第三に、おそらくは最も重要なことであるが、非常に高い非通電時ディテントトルクと非常に低い通電時及び運転トルクとの組合せにより、ステッピングモータが不規則なステップサイズでステップすることがある。したがって、固定子歯の小歯は、反対の極性の回転子極とそろうように相互から離間させてはならない。むしろ、同じ極性の回転子極とそろうように離間させなければならない。

５つ以上の位相を有するステッピングモータは、５相の回転子極について表１に挙げられているように可能であるが、ここでは例示されていない。何故なら、一般的に使用される２相、３相又は４相モータドライバと比較して、モータドライバの費用が高いので、滅多に使用されないからである。

本発明の設計思想を利用するリニアステッピングモータは特殊な場合である。ステッピングモータを開き、固定子と回転子を直線状にすることにより、回転ステッピングモータはリニアステッピングモータになる。しかしながら、リニアステッピングモータは本明細書では例示しない。何故なら、固定子歯の小歯と回転子極の位置がそろうこと、電気配線図、及び励磁極性シーケンスは、回転ステッピングモータについて本明細書で開示したものと変わらないからである。固定子歯の小歯と回転子極の位置がそろうこと、電気配線図、及び励磁極性シーケンスはそれぞれ、以上で示されている。すなわち（ａ）３相バイポーラステッピングモータの場合は、段落［００５２］以降、図２Ｂ及び表２、（ｂ）４相ユニポーラステッピングモータの場合は、段落［００６０］以降、図５Ｂ及び表３、及び（ｃ）２相バイポーラステッピングモータの場合は、段落［００６４］以降、図６Ｂ及び表４である。

本明細書の原理に基づくステッピングモータの設計の他の幾つかの変形は、本明細書では示されていない。この変形には、（ａ）３６０°全体の固定子及び回転子の一部しか使用しない分割又は部分ステッピングモータ、（ｂ）内部の静止部材が固定子であり、他方の回転部材が回転子である、反転した回転及び静止部材を有するステッピングモータ、（ｃ）回転子と固定子がともに平面の形態で、共通の軸線上で並んでそろう、軸方向のエアギャップを有するステッピングモータが含まれる。第１から第８の形態の円形及び半径方向のエアギャップと比較して、軸方向のエアギャップの設計には、回転子極の、第１から第８の形態の半径方向ではなく、軸方向の磁化方向と、軸方向で回転子極に面するように配置された固定子歯及び小歯が必要である。これらの設計の変形では、巻線の方式と固定子歯の小歯及び回転子極の位置合わせは、２相、３相及び４相モータについて以上で説明したものと変わらない。

他に上記のすべての巻線方式で容易に実現できる特徴としては、二本巻及び冗長巻がある。これらは一般的な巻線技術であり、以上で開示した巻線方式の小さな変形であるので、本明細書では例示されていない。

他に、本明細書で開示する発明を低いステップレートの用途で実現する特徴として、均質の軟質磁性鋼を使用して、歯と一体で均質の固定子群を作成する、さらには固定子の筐体及び歯を一体で均質に作成することがある。均質の軟質磁性鋼としては、型成型した鉄粉複合材料、低炭素鋼（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（ＡＩＳＩ）の表示によれば１０１０、１０１５又は１０１８鋼など）、均質のマルテンサイト系耐食鋼（４１６ステンレス鋼など）、又は均質の高透磁率のニッケル鉄又は鉄コバルト合金などを含んでよいが、これらに限定されない。これらの均質の軟質磁性鋼は、高周波磁気回路の用途では、一般的に使用される電気鋼板材料（例えばＡＩＳＩのＭ−１５、Ｍ−１９など）又は高透磁率のニッケル鉄又は鉄コバルト合金などと区別される。これらの均質の軟質磁性鋼は、渦電流やヒステリシス損が重要でない低周波用途向けとして、磁場設計者には知られている。この特徴は、低いステップレートのモータ及びアクチュエータには極めて有用であることが判明している。何故なら、層間剥離の問題がなく、安価で（特に一般的な１０１８低炭素鋼又は４１６ステンレス鋼を使用する場合）、製作プロセスが単純だからである。

上記の説明に基づき、本発明と先行技術（例えば上記の米国特許第４，１９０，７７９号及び第４，３１５，１７１号参照）との主な違いは、固定子の設計にあり、以下のように要約することができる。（ａ）先行技術の固定子歯はまとめられてセグメントになり、セグメントは通常の固定子歯の間隔及び追加の角度、通常は１ステップ分の角度で、離間している一方、本発明の固定子歯は等間隔である。（ｂ）固定子歯が等間隔であり、先行技術のものよりも、ステッピングモータがより一定のピーク非通電時ディテントトルク及び通電時ディテントトルクを発生する。（ｃ）本発明は固定子歯上の小歯を使用するが、先行技術は使用していない。（ｄ）本発明は、小さいステップ角に対し、先行技術で必要とされるより少ない数の固定子歯を使用する。（ｅ）固定子歯が少なく、本発明の設計では、各位相の巻数を増加させるための余地が大きく、又は各位相の巻数を維持しながら巻線用の太いゲージのワイヤによって位相抵抗が減少し、したがってモータのトルク又はトルク密度が増加する。（ｆ）固定子内の余地が大きく、本発明の固定子歯は先行技術のものより太く、したがって強くすることができ、ステップの安定性、精度及び生産性が改善される。（ｇ）固定子歯が少なくなり、本発明による設計の固定子の質量は先行技術のものより小さくなる。（ｈ）固定子歯が少なく、歯が等間隔となり、巻線の工程が先行技術でかかるより容易になる。

本発明と先行技術との別の違いは、より深く、より広い溝を有する、回転子の磁石間の磁気強度の差異を減少させた回転子支持体の設計により、より一定の非通電時及び通電時のピークディテントトルク及びピーク運転トルクを構築できることである。

さらに、本発明においては、回転子極、固定子歯及び小歯、ステップ角、位相、及びバイポーラ又はユニポーラドライバの構成の間に上述の数式１、２、３の関係を確立している。可変リラクタンス型、ハイブリッド型、及び永久磁石型において、他の商用タイプのステッピングモータとバイポーラ又はユニポーラモータドライバに共通の、リード線が３、４、５、６又は８本のステッピングモータと駆動極性シーケンスに関する、２相、３相及び４相の巻線方式を示している。

したがって、改良されたステッピングモータの幾つかの実施例を示して記述し、そのある程度の変更及び修正を説明してきたが、特許請求の範囲で定義し、区別するような本発明の精神から逸脱することなく、様々な追加の変更及び修正が可能であることは、当業者には容易に認識される。

Claims (8)

1. 可動部材及び静止部材を有する永久磁石型ステッピングモータであって、
   前記部材の一方の表面上の幾つかの磁極であって、隣接する極が反対の極性であり、極の数が、定数、位相数及び所望のステップ間隔の関数である磁極と、
   前記部材の他方にある幾つかの等間隔の歯であって、前記歯が前記一方の部材の表面に面するように配置され、前記歯のそれぞれが、前記一方の部材の表面に面するように配置された複数の小歯を有し、前記歯の数が、定数、前記極の数、各固定子歯の小歯の数、及び位相数の関数である整数である歯とを備え、
   任意の１つの歯の小歯が同一の極性の極とそろうように、前記小歯が相互から離間され、
   前記一方の部材が外面を有する回転子であり、前記他方の部材が固定子であり、前記所望のステップ間隔が所望のステップ角であり、前記歯が前記固定子の周囲に円形に離間されて前記回転子の外面に面し、
   回転子の極の数が、以下の式
   

   

   
   から求められる偶数の整数であり、ここで、ドライバ番号は、バイポーラドライバにより駆動されるときは１であり、ユニポーラドライバにより駆動されるときは２である、任意の変数であって、
   各位相当たりの固定子の歯の最大数（ｍ）が、以下の式から求められ、
   

   

   
   ここで、式ｉｎｔ（ｘ）が引数（ｘ）の整数部分を返す整数関数である、永久磁石型ステッピングモータ。
2. 前記回転子が、均質の軟質磁性鋼からなるか、又は、積層電気鋼板で積層される、請求項１に記載の永久磁石型ステッピングモータ。
3. 前記歯が、前記固定子の周囲で等間隔になっている、請求項１に記載の永久磁石型ステッピングモータ。
4. 請求項１に記載され、かつ、２つの位相Ａ及びＢを有する永久磁石型ステッピングモータであって、
   前記回転子及び固定子が、固定子歯上の位相Ａの小歯が回転子の極とそろうときに、位相Ｂの各小歯が隣接する２つの回転子の極の中央とそろうように構成され配置される、永久磁石型ステッピングモータ。
5. 請求項１に記載され、かつ、３つの位相Ａ、Ｂ及びＣを有する永久磁石型ステッピングモータであって、
   前記回転子及び固定子が、位相Ａの固定子の小歯が一方の極性の回転子の極とそろうときに、位相Ｂ及び位相Ｃの固定子のそれぞれの小歯が反対の極性の回転子の極とそろうように構成され配置される、永久磁石型ステッピングモータ。
6. 位相Ｂの固定子のそれぞれの小歯が関連する回転子の極の前縁とそろうと、位相Ｃのそれぞれの小歯が関連する回転子の極の後縁とそろう、請求項５に記載の永久磁石型ステッピングモータ。
7. 位相Ｂの固定子のそれぞれの小歯が関連する回転子の極の後縁とそろうと、位相Ｃのそれぞれの小歯が関連する回転子の極の前縁とそろう、請求項５に記載の永久磁石型ステッピングモータ。
8. 前記回転子及び固定子が、位相Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを有する４相モータにおいて、固定子歯上の位相Ａの小歯が回転子の極とそろうときに、位相Ｂの各小歯が隣接する２つの極の中央とそろい、位相Ｃの各小歯が位相Ａとそろったのと反対の極とそろい、位相Ｄの各小歯が位相Ｂとそろったのと反対の極とそろうように構成され配置される、請求項１に記載の永久磁石型ステッピングモータ。

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