JPH06121518A - 高トルクロボット用モータ - Google Patents

高トルクロボット用モータ

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JPH06121518A
JPH06121518A JP4242973A JP24297392A JPH06121518A JP H06121518 A JPH06121518 A JP H06121518A JP 4242973 A JP4242973 A JP 4242973A JP 24297392 A JP24297392 A JP 24297392A JP H06121518 A JPH06121518 A JP H06121518A
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JP
Japan
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stator
pole
rotor
teeth
motor
Prior art date
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Application number
JP4242973A
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English (en)
Inventor
Ross D Welburn
ロス・ディー・ウェルバーン
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NSK Corp
Original Assignee
NSK Corp
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K37/00—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors
    • H02K37/02—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of variable reluctance type

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  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Control Of Stepping Motors (AREA)
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  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロステップ・モードで同期モータとし
て作動するリラクタンス型ステップ・モータを提供す
る。 【構成】 モータは、外側ステータ、外側ステータと同
一平面内で同心状に配置された内側ステータ、外側ステ
ータと内側ステータとの間にそれらと同心円状に配置さ
れたリング型ロータ、外側ステータと内側ステータ上の
極片に巻かれたコイルを励磁する駆動装置とからなる。
駆動装置は外側ステータと内側ステータを３相駆動して
おり、そして同時励磁される極片は半径方向１８０゜対
向している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】本発明はモータ（電動機）、特にマイクロ
ステップ・モードで同期モータとして作動するリラクタ
ンス型ステップ・モータに関する。
【０００２】
【発明の背景】或る種の工業用途では、たとえば工業用
ロボットのように、負荷を直接に駆動するために極めて
高いトルクを有するモータが必要である。たとえばロボ
ットの継手毎に１個ずつ高トルク・モータを設けると、
歯車やその他のがたのある機構を無くすることができ
る。サーボ系統にがたがあると、不感帯域、サーボ振動
を生じ、摩損、騒音を増し、かかるサーボ系統の信頼性
を減ずる。
【０００３】既存のリラクタンス型ステップ・モータは
永久磁石の有無にかかわらず本発明に比して、その大き
さおよび重量の割りに充分なトルクを生じない。これ
は、リラクタンス型モータでは磁束がロータ内を円周方
向に通過するため、より厚肉の、より大形のモータを必
要とすること等、数多くの問題に起因する。
【０００４】さらに、従来型のステップ・モータの中の
磁束は意図しないステータ極を通過して、モータの駆動
増幅器の不安定と共にトルクの減少を生ずる。この原因
は、切られた状態の一つの位相に接続されている増幅器
が通電している位相と変圧器のように磁気的に接続され
ている場合、増幅器が、通電している位相と変圧器のよ
うに磁気的に接続している場合、２つの増幅器すなわち
一つの位相を実際に駆動している増幅器と切られたもう
一つの増幅器との間に振動が生ずるためである。基本的
には、切られたまたは電流を減じられた駆動増幅器は巻
線電流に関して誤情報を与えられて、増幅器自体の電流
をゼロ値から変えようとする。
【０００５】この型の既存モータに伴うもう一つの問題
は、極性に対して敏感であること、すなわちモータを一
方向または他の方向に駆動するためにバイポーラ増幅器
を必要とすることである。
【０００６】特にサーボ系統におけるもう一つの問題
は、或る種の既存リラクタンス型ステップ・モータがモ
ータへの電力を切る時、回り止めトルクを発生すること
である。この残留トルクはモータの自由回転を妨げ、た
とえば操作員が手で案内する平衡型ロボット腕のような
用途では問題となる。
【０００７】
【発明の概要】既存リラクタンス型ステップ・モータの
前記問題は本発明のモータにより解決される。本発明の
モータは、内側ステータと、外側ステータと、該内側お
よび外側ステータの間に回転軸に対し同軸的に配置され
た環形ロータとを有する。ステータとロータとはそれぞ
れ複数の歯を設けられ、歯の全ては回転軸に垂直な仮想
面と交差するよう位置し、ステータ歯はロータ歯に対向
している。これらの２組の歯は２つのステータの歯に反
応は薄肉のリング型ロータおよび配分された巻線により
生ずる秀れた磁束路とあいまって、モータの重量当りト
ルクが数倍もの高いものとなる。モータはさらにステー
タおよびロータの中に磁束を選択的に発生するために内
側および外側ステータの部分を取巻くコイル装置を含
む。この磁束は内側ステータを通り、ロータを半径方向
外方へ通り、外側ステータを円周方向に通り、さらにロ
ータを半径方向内方へ通って内側ステータへ戻る円形通
路をたどる。このコイル装置は、ステータおよびロータ
の異なる組の歯を半径方向外方と内方とに磁束が通るよ
うに、磁束を発生する。
【０００８】ロータおよびステータはそれぞれ積層板で
できている。各ステータは回転軸の回りに規則的な角度
間隔にて配置された複数の離れた極片を有し、内側ステ
ータの極片は外側ステータの対応する極片と整合してい
る。コイル装置は複数の電気コイルを含み、各コイルは
離れた極片の一つ一つに巻かれており、内側および外側
ステータの対応する極片の回りに巻かれたコイルは直列
に接続されていて、コイルに電流が流れると、内側およ
び外側ステータの２つの対向する極の間を通るロータの
部分の両側に反対極性の磁極を与えるようになってい
る。
【０００９】コイルは予め定められた極片の組に複数位
相で順次磁束を発生する。すなわち、たとえば３相モー
タでは内側および外側ステータの最初の極片とそれに続
く２つ置きの極片を取巻くコイルがコイル装置により同
時に通電される。もちろん、ロータが回転磁界を追従す
るようにするために、各位相に対応するコイルの組が回
転状に連続して通電される。マイクロステップ・モード
にて作動する時、隣接するステータ極片のコイルは同時
に通電されるが、電流の大きさは異なり、反対の磁極性
を生ずるように通電される。このステータ歯と反応する
２つのロータ歯の組は、薄肉リング状のロータと配分さ
れた巻線とにより生ずる秀れた磁束路と組合せられて、
在来型モータの重量１Kg当りのトルクの幾倍ものトルク
を発生する。このように、一つの位相の電流を区分され
た段階で減少させ、同時に他の相の電流を区分された段
階で増大させることにより、リゾリューション（分解）
すなわち１回転当りの有効な段階を区分して制御するこ
とができ、典型的には１回転当り、１０８，０００段階
を得る。このリゾリューションはステータ極片およびロ
ータの歯数の関数であり、或る限度内では歯数を増す
程、リゾリューションとモータのトルクとが高くなる。
マイクロステップ作用が許す全ての新しい角度位置の全
てにおいて充分なトルクを生ずるためには、モータは正
しい設計の歯幅と谷幅の比および正しい位相巻線電流を
持たなければならない。
【００１０】従って、本発明の一目的は極めて高いトル
クを有するリラクタンス型ステップ・モータを与えるこ
とにある。本発明のいま一つの目的は安価なリラクタン
ス型ステップ・モータを与えることにある。本発明のさ
らにいま一つの目的はトルク対寸法比とトルク対重量比
の高いリラクタンス型ステップ・モータを与えることに
ある。本発明のさらにいま一つの目的はディテント・ト
ルクすなわち残留トルクが無く電力を切った時に自由回
転を可能とするモータを与えることにある。本発明のさ
らにいま一つの目的はトルクの低下無しでマイクロステ
ップ・モードにて作動し得るリラクタンス型ステップ・
モータを与えることにある。本発明のさらにいま一つの
目的はユニポーラ駆動装置により駆動することのできる
ステップ・モータを与えることにある。
【００１１】
【実施例の説明】構成と作動方法とに関して、本発明の
特徴をいくつかの望ましい実施例を図解した添付図面を
参照して、以下に記載する。特に図１および図３を参照
すると、本発明によるモータは内側ステータ組立体（１
０）、ロータ（１２）および外側ステータ組立体（１
４）を有する。ロータ（１２）は内側ステータ組立体
（１０）と外側ステータ組立体（１４）との間に、仮想
の回転軸線（１６）の回りに同軸的に配置される。各構
造体（１０，１２，１４）とも分離した軟鉄の積層板か
らできている。
【００１２】図１および図３に良く示されているよう
に、内側ステータおよび外側ステータはそれぞれ複数の
極片（１８），（２０）を具備し、これらの極片は回転
軸線（１６）の回りに規則的な角度間隔をもって配列さ
れている。内側ステータの極片（１８）は対応する外側
ステータ極片（２０）と整合する。極片（１８）の各々
は極片歯（２２）を設けられ、同様に極片（２０）の各
々は極片歯（２８）を設けられている。ロータ（１２）
は極片歯（２２，２８）にそれぞれ対向する２組の歯
（２４，２６）を有する。歯（２２〜２８）はすべて回
転軸線（１６）に垂直な仮想平面と交差するように位置
する。
【００１３】個々の電気コイル（３０）が内側ステータ
の各極片（１８）を取巻き、また個々の電気コイル（３
２）が外側ステータの各極片（２０）を取巻く。対向す
る極片（１８）と極片（２０）は直列に接続されている
ので、コイルに電流が流れると極片（１８）と極片（２
０）との間のロータ（１２）の部分を横切って磁界が発
生する。ステータ極片（１８）は対向するステータ極片
（２０）とは反対の磁極性を持つ。
【００１４】図４により明らかに示されるように、第１
のステータ極およびその後の２つ置きのステータ極の回
りのコイル、すなわちコイル（３０’，３２’，３２”
および３０”）に電流が流れると、磁束路（３４）が発
生する。この磁束路（３４）は、内側ステータ極（１
８’）から、ステータ極（１８’）とステータ極（２
０’）との間に存するロータ（１２）部分を横切り、ス
テータ極（２０’）を通る。磁束路（３４）は続いて外
側ステータ（１４）の外周を通り、２個の電流の流れな
い巻線を過ぎ、外側ステータ極（２０”）へ戻り、ロー
タ（１２）を通り、さらに内側ステータ極（１８”）を
通って、内側ステータに沿って元の内側ステータ極（１
８’）へ戻って、閉ループを完成する。
【００１５】重要な思想はロータの中を円周方向に短絡
して隣のステータ極に走る磁束がないという点である。
その代りに全ての磁束がロータ（１２）の中を半径方向
外方または内方に走る。整合したステータ極（１８’）
または（２０’）の一つが存在しないか、または電流が
流れていないと、磁束はロータ中を円周方向に通って戻
らざるを得ない。そのような場合、ロータ（１２）はよ
り厚肉にしなければならないし、トルクは半分以下にな
るであろう。何故ならば、その歯の半分しか磁気的に係
合していないこと、そして磁束の通路が大きいからであ
る。
【００１６】３相モータに対して一度に６個の同形の磁
束路が形成される。このことは最初とその後の３番目の
組のコイルにすべて同時に電流が流れることを意味す
る。図示の１８極モータでは、いかなる時点でも６個の
コイル組立体に同時に電流が流れることを意味する。換
言すれば、ステータ極位置の全てに順番に１から１８の
番号を付けると、最初と４番目、７番目、１０番目、１
３番目、１６番目の位置にあるステータ極はすべて同時
に電流が流れる。その直後には、２番目、５番目、８番
目、１１番目、１４番目、１７番目の位置にあるステー
タ極片のすべてに同時に電流が流れ、同様にしてロータ
は３相のそれぞれによって回転する。
【００１７】ロータの回転力は、各々の後続のステータ
極片の組の歯が隣接ステータ極片間の間隔のため対向す
るロータの歯から僅かにずれていることにより生ずる。
従って、たとえば第１相の極片に電流が流れる時に、電
流の流れている極片の間にあるロータの歯は電流の流れ
ているステータ極片の歯と整合状態に入らせられる。こ
の時点ではすぐ隣の電流の流れていない極片の間に位置
するロータ部分の歯はステータ歯と整合しない。何故な
らば、極片の間隔はロータの歯の間隔の整数倍でないか
らである。
【００１８】さらに、外側ステータ歯の数とそれに対面
するロータ歯の数との差は外側ステータ極数を位相の数
で除した数に等しい。内側ステータ極片の歯に対面する
ロータ歯についても同様である。たとえば、１８極３相
モータで、ステータ極がそれぞれ８は（外側ステータで
は全部で１４４、内部ステータでは全部で１４４）を有
するとすれば、ロータは内側ステータ歯に対面する合計
１５０個の歯と、外側ステータ歯に対面する合計１５０
個の歯とを有する。必要なことは、ロータ歯のピッチが
ステータ歯のピッチと異なることである。各々の後続す
る位相のコイルに電流が供給されると、ロータは回転し
て各後続する位相においてロータ歯をステータ歯に整合
させ、それ故電流が連続してモータの各相に供給される
のと同じ方向にロータが回転する。ロボット腕での用途
においては、モータの磁気ステップ角は放射状に配され
たロボット腕の旋回では３６０゜の偶数倍でなければな
らない。リンドスクリュを廻わす場合のような他の用途
では、１インチ（２．５４mm）当り５回転が共通ねじ標
準であるから、５で割り切れる端数を丸めた数である必
要がある。上記の例では、ロータは１５０の歯を持つの
に対し、各ステータは１４４の歯を有する。ロータ歯１
５０×３相＝４５０すなわちモータ１回転当り４５０の
磁気ステップとなり、これを偶数倍すると３６００とな
る。
【００１９】これらの３相モータの望ましい組合せ及び
その他の望ましい組合せを次表に示す。 内側／外側 内側／外側 歯／極 ステータ歯 ロータ歯 磁気ステップ 極 合 計 ／回転数 １８ ５ ９０ ９６ ２８８ １８ ７ １２６ １２０ ３６０ １８ ８ １４４ １５０ ４５０ １２ ５ ６０ ６４ １９２ １２ ７ ８４ ８０ ２４０ １２ ８ ９６ １００ ３００ ６ ５ ３０ ３２ ９６ ６ ７ ４２ ４０ １２０ ６ ８ ４８ ５０ １５０
【００２０】本発明によるモータはマイクロステップを
生ずる設計である。これは磁気ステップをより小さなサ
ブステップに電気的に分割することにより行われる。特
に図５を参照するに、モータを駆動するためのほぼ従来
の回路が略図で示される。第１、第２および第３相（φ
１、φ２、φ３）にそれぞれ対応する内側および外側ス
テータ極の整合した組の巻線の各組合せ（３０ａと３２
ａ）、（３０ｂと３２ｂ）、（３０ｃと３２ｃ）は電力
増幅器（３６ａ，３６ｂ，３６ｃ）を経て３個のデジタ
ル−アナログ変換器（３８ａ，３８ｂ，３８ｃ）のうち
の個々の一つの出力側に接続される。各デジタル−アナ
ログ・変換器への別々の入力はそれぞれプログラムされ
たリードオンリー・メモリー（ＰＲＯＭ）により供給さ
れる。ＰＲＯＭの各々への入力はタイミング論理回路
（４４）の制御の下にカウンタ（４２）により順次個別
にアドレスされる。カウンタはクロック入力（４８）と
方向入力（４６）を供給され、選択的にカウントアップ
又はカウントダウンを行う。
【００２１】ＰＲＯＭ（４０ａ，４０ｂおよび４０ｃ）
は、デジタル形の特殊波形信号を貯蔵し、この信号によ
り特に円滑なロータ回転と定常トルクとを生ずるように
コイルは通電される。
【００２２】モータをマイクロステップ・モードで作動
するために、一つの位相のコイルの電流を段階状に低下
させ、すぐ隣のコイルの電流を段階状に増す。これは後
続する位相の各々のコイルに対応するＰＲＯＭにアドレ
スする態様、すなわちＰＲＯＭ（４０ａ，４０ｂ，４０
ｃ）とカウンタ（４２）の出力との間の接続パターンに
より簡単に行われる。２組の隣接するコイル組が通電さ
れると、図４の（３５）に示されるように隣接する極を
包囲する磁束路が発生する。それぞれのコイル組を流れ
る電流の量により磁束は通路（３４）と（３５）とに分
割される。
【００２３】明細書に使用した用語は説明のためであっ
て制約されるものではなく、そのような用語の使用によ
り図示および記載の特徴またはそれらの部分と同等のも
のを排除する意図はない。従って特許請求の範囲内にお
いて種々の変更が可能であることを認識すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるモータのロータおよびステータ
の組立体の分解斜視図、
【図２】 本発明の組立てられたモータの断面を示す側
面図、
【図３】 図２のほぼ３−３線にそう拡大正面図、
【図４】 本モータ図２の４−４線にそう位相巻線配置
の略式説明図、
【図５】 本モータの電子的駆動回路のブロック図であ
る。
【符号の説明】
１０ 内側ステータ組立体 １２ ロータ １４ 外側ステータ組立体 １８，２０ ステータ極片 ２２，２８ ステータ極片歯 ２４，２６ ロータの歯 ３０，３２ 電気コイル ３４，３５ 磁束路 ３８ Ｄ／Ａ変換器 ４０ ＲＯＭ ４２ カウンタ ４４ タイミング論理回路

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数個の極片がその内周に沿って形成さ
    れ、該極片各々にコイルが巻かれている外側ステータ；
    該外側ステータと略同一平面内で該外側ステータと同心
    円状に配置された内側ステータであって、該外側ステー
    タの極片各々と対応し該対応する外側ステータの極片と
    半径方向に整列した極片がその外周に沿って形成され、
    該極片各々にコイルが巻かれている内側ステータ；該外
    側ステータと該内側ステータとの間にそれらと同心円状
    に配置されたリング型ロータ；及び該外側ステータの極
    片各々に巻かれたコイルと該内側ステータの極片各々に
    巻かれたコイルとを励磁する駆動手段からなり、 該駆動手段は該外側ステータ極片と該内側ステータ極片
    を３相駆動しており、そして同時励磁される極片は半径
    方向１８０゜対向したものであるモータ。
JP4242973A 1982-06-04 1992-09-11 高トルクロボット用モータ Pending JPH06121518A (ja)

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