JPH0681480B2 - 高トルクロボツト用モ−タ - Google Patents

高トルクロボツト用モ−タ

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JPH0681480B2
JPH0681480B2 JP58100108A JP10010883A JPH0681480B2 JP H0681480 B2 JPH0681480 B2 JP H0681480B2 JP 58100108 A JP58100108 A JP 58100108A JP 10010883 A JP10010883 A JP 10010883A JP H0681480 B2 JPH0681480 B2 JP H0681480B2
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stator
rotor
teeth
pole pieces
motor
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ENU ESU KEE CORP
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    • H—ELECTRICITY
    • 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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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Stepping Motors (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はモータ（電動機）、特にマイクロステツプ・モ
ードにて同期モータとして作動するリラクタンス型ステ
ツプ・モータに関する。
或る種の工業用途では、たとえば工業用ロボツトのよう
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。たとえばロボツトの継手毎に
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。
既存のリラクタンス型ステツプ・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、これらリラ
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。
さらに、在来型のステツプ・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。
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。
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ツプ・モータがモータへの電力を
切る時、デイ テント・トルク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ツト腕のような用
途では問題となる。
既存リラクタンス型ステツプ・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
束路とあいまつて、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
方へ通つ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。
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つている。
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。マイクロステツプ・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、リゾリユーシヨン（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。このリゾリユー
シヨ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、リゾリユーシヨンと
モータのトルクとが高くなる。マイクロステツプ作用が
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。
従つて、本発明の一目的は極めて高いトルクを有するリ
ラクタンス型ステツプ・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ツ
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ツプ・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回り止めすなわち残留
トルクが無く電力を切つ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
イクロステツプ・モードにて作動し得るリラクタンス型
ステツプ・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ツプ・モータを与えるこ
とにある。
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。
特に第１図および第３図を参照すると、本発明によるモ
ータは内側ステータ組立体（10）、ロータ（12）および
外側ステータ組立体（14）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。
第１図および第３図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（1
8），（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つて配列されている。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（22〜2
8）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。
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（32）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（20）との間のロータ（12）の
部分を横切つて磁界が発生する。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。
第４図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（18′）から、ステータ極
（18′）とステータ極（20′）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（2
0″）へ戻り、ロータ（12）を通り、さらに内側ステー
タ極（18″）を通つて、内側ステータに沿つて元の内側
ステータ極（18′）へ戻つて、閉ループを完成する。
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つ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。
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
タ極位置の全ての順番に１から18の番号を付けると、最
初と４番目、７番目、10番目、13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相のそれぞれによつて回転す
る。
ロータの回転力は、各々の後続のステータ極片の組が隣
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。従つて、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。
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歯（外側ステータでは全部で144、
内側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。この
実施例構成では、ロータ歯に対してステータ極片の隣り
合うものの歯のピッチが相互に1/3ピッチだけずれてい
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
角は反射状に配されたロボット腕の旋回では360°の偶
数倍であることが望ましい。リー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150×３相＝450すなわちモータ１回転当り450
の磁気ステツプとなり、これを偶数倍すると3600とな
る。
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。
本発明によるモータはマイクロステツプを生ずる設計で
ある。これは磁気ステツプをより小さなサブステツプに
電気的に分割することにより行われる。特に第５図を参
照するに、モータを駆動するための回路が略図で示され
る。第１、第２および第３相（φ１、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32a）、（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
ウンタはクロツク入力（48）と方向入力（46）を供給さ
れ、選択的にカウントアツプ又はカウントダウンを行
う。
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ラ回転と定
常トルクとを生ずるようにコイルは通電される。
モータはマイクロステツプ・モータで作動するために、
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,40c）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、第４図の（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。
明細書に使用した用語は説明のためであつて制約される
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。従つ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】
第１図は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、 第２図は本発明の組立てられたモータの断面を示す側面
図、 第３図は第２図のほぼ３−３線にそう拡大正面図、 第４図は本モータの第２図の４−４線にそう位相捲線配
置の略式説明図、 第５図は本モータの電子的駆動回路のブロツク図であ
る。 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……極片 22,28……極片歯 24,26……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 (9)

    【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形ロータ； 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、Ｎ相モータにおいては該外側ステータと
    内側ステータの円周上にＮ個間隔毎の極片コイルの同時
    励磁を順次行って該ロータを回転させているが、該同時
    励磁コイル中の円周上にＮ個間隔をおいて隣り合う該外
    側ステータの極片上のコイルは互いに逆極性に励磁され
    そして半径方向に整列しあっている該外側ステータと内
    側ステータの極片上のコイルは互いに半径方向に同極性
    に励磁されており、それによって励磁されたコイルの該
    外側ステータの極片と該内側ステータの極片との間での
    該ロータを貫いた磁束と該外側ステータ中と該内側ステ
    ータ中に円周方向の磁束が生成されるが、励磁されてい
    ないコイルの該外側ステータの極片と該ロータとの間、
    励磁されていないコイルの該内側ステータの極片と該ロ
    ータとの間及び該ロータ中その円周に沿った方向には実
    質的に磁束が生成されないモータ。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載のモータにお
    いて、 該外側ステータの極片各々は歯を有し、そして該内側ス
    テータの極片各々は該外側ステータの極片の歯の各々に
    対応し該対応する外側ステータの歯と半径方向に整列し
    た歯を有し、 該ロータにはその外周と内周に沿って歯が形成されてお
    り、該ロータの歯の一部が該外側ステータと該内側ステ
    ータの円周上にＮ個間隔毎の極片の歯と半径方向に整列
    しているとき、該ロータの他の歯は該外側ステータと該
    内側ステータの歯と半径方向の整列からずれるように配
    置されており、 該駆動手段は、該外側ステータと内側ステータの円周上
    にＮ個間隔毎の極片のコイルの同時励磁を順次行って該
    外側と内側のステータの歯と該ロータの歯の一部を順次
    整列させることで該ロータを回転させているモータ。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項に記載のモータにお
    いて、 該外側ステータの歯の数と該外側ステータ歯に対向する
    ロータ歯の数との差が該外側ステータの極片の数を該Ｎ
    にて除した数に等しく、該内側ステータの歯の数と該内
    側ステータ歯に対向するロータ歯の数との差が該内側ス
    テータの極片の数を該Ｎにて除した数に等しいモータ。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第２項に記載のモータにお
    いて、該Ｎが３である３相モータであって、該外側と内
    側ステータ各々の極片数Ａ、１極片当たりの歯数Ｂ、外
    側と内側ステータ各々の全歯数Ｃ、及びロータの外周と
    内周各々の全歯数Ｄは下表の組み合わせの１つから選ば
    れているモータ。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
    モータにおいて、該駆動手段によるコイルの励磁により
    生成される磁束は、該外側ステータの励磁コイルの極
    片、該ロータ半径方向、該内側ステータ励磁コイル極
    片、該内側ステータ中円周方向、該内側ステータの隣接
    する同時励磁コイルの極片、該ロータ半径方向、該外側
    ステータの隣接する同時励磁コイルの極片、該外側ステ
    ータ中の円周方向そして前述の外側ステータの励磁コイ
    ル極片に戻るループを形成しているモータ。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
    モータにおいて、該駆動手段は、該外側ステータと内側
    ステータの円周上にＮ個間隔毎の極片のコイルの同時励
    磁をそれぞれ行うＮ個の駆動回路を含み、駆動回路各々
    は駆動回路間で互いに時間的にずれた駆動信号によって
    Ｎ個間隔毎の極片のコイルの同時励磁を行っているモー
    タ。
  7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項に記載のモータにお
    いて、該駆動信号各々は段階状に増加し減少するもので
    あり、隣接する該極片のコイルを励磁する駆動信号の一
    方が段階状に増加しているとき他方が段階状に減少して
    いるものであるモータ。
  8. 【請求項８】特許請求の範囲第６項に記載のモータにお
    いて、該駆動手段は、該駆動信号の波形の各点を記憶す
    るデジタルメモリを含み、該駆動回路各々へ与えられる
    駆動信号は該デジタルメモリからそれぞれ時間的タイミ
    ングをずらして読み出された波形であるモータ。
  9. 【請求項９】特許請求の範囲第６項に記載のモータにお
    いて、該駆動回路各々は単極性増幅器を含むものである
    モータ。
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