ステップモータ
【目的】 磁石を用いることなく、高いトルクを発生できるステップモータを提供する。
【構成】 筒状のステータ１０は、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向内側に突出した８個のステータ歯１２をもつステータコア１１と、ステータ歯１２の各々に巻回されたステータコイル１３とを有する。このステータ１０内に回転軸の回りに回転可能に収容されたロータ２０は、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出した６個のロータ歯２２をもつロータコア２１と、ロータ歯２２の各々に巻回されたロータコイル２３とを有する。ロータ２９の回転角度に応じてロータコイル電流を制御することにより、高トルクを得る。
【構成】 筒状のステータ１０は、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向内側に突出した８個のステータ歯１２をもつステータコア１１と、ステータ歯１２の各々に巻回されたステータコイル１３とを有する。このステータ１０内に回転軸の回りに回転可能に収容されたロータ２０は、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出した６個のロータ歯２２をもつロータコア２１と、ロータ歯２２の各々に巻回されたロータコイル２３とを有する。ロータ２９の回転角度に応じてロータコイル電流を制御することにより、高トルクを得る。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ステップモータに関し、特に、ハイブリッド（ＨＢ）形ステップモータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、ステップモータは電気パルスを入力としてパルス数に対応した機械角度を出力とするモータである。このステップモータには種々のものがあるが、その１つにハイブリッド形ステップモータがある。
【０００３】図２（ａ）、（ｂ），および（ｃ）に従来のハイブリッド形ステップモータの構造を示す。ハイブリッド形ステップモータは、筒状のステータ１０と、このステータ１０内に回転軸ＲＡの回りに回転可能に収容されたロータ２０´とからなる。ステータ１０はステータコア１１を含む。ステータコア１１は、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向内側に突出した８個のステータ歯１２を有する。各ステータ歯１２にはステータコイル１３が巻回されている。
【０００４】ステータコイル１３には、図２（ｂ）および（ｃ）に示すように、Ａ相コイルとＢ相コイルとの２種類のコイルがある。Ａ相コイルとＢ相コイルとは８個のステータ歯１２に周方向に沿って交互に巻回されている。互いに対向する２個のステータ歯１２に巻回されたＡ相コイルは同相に巻回されている（図２（ｂ）および（ｃ）のＡまたはＡバー（Ａの上にバーが付いている））が、互いに歯の位相が９０°ずれた２個のステータ歯１２に巻回されたＡ相コイルは逆相に巻回されている（図２（ｂ）および（ｃ）でＡとＡバーの関係）。同様に、互いに対向する２個のステータ歯１２に巻回されたＢ相コイルは同相に巻回されている（図２（ｂ）および（ｃ）のＢまたはＢバー）が、互いに歯の位相が９０°ずれた２個のステータ歯１２に巻回されたＢ相コイルは逆相に巻回されている（図２（ｂ）および（ｃ）でＢとＢバーの関係）。
【０００５】一方、ロータ２０´は、間に環状の磁石２３´を介して配置された一対のロータコア２１´ａおよび２１´ｂを含む。ロータコア２１´ａおよび２１´ｂはステータコア１１と対向している。ロータコア２１´ａは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出した６個のロータ歯２２´ａを有する。同様に、ロータコア２１´ｂは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出した６個のロータ歯２２´ｂを有する。図２（ｂ）および（ｃ）から明らかなように、ロータ歯２２´ａとロータ歯２２´ｂとは互いに位相がπラジアンずれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のハイブリッド形ステップモータでは、以下に詳細に説明するように、高トルクを得るためには強力な磁石を必要とする欠点がある。
【０００７】その事情を以下に発生トルク式を用いて説明する。図２に示したような、ステータ１０とロータ２０´とが共に歯１２および２２´ａと２２´ｂを持ち、ロータ２０´に磁石２３´を配したハイブリッド形ステップモータにおいて、ロータ２０´の持つ歯数をＺr とすると、ステップモータは極対数Ｚr の二相多極電動機と考えられる。そのうちの一極対だけを取り出して考えれば、図３に示す二相電動機モデルが得られる。
【０００８】図３において、２つのステータコイルをαおよびβで示し、２つのロータコイルをａおよびｂで示す。ステータコイルαおよびβには、それぞれ電流ｉαおよびｉβが流れ、それぞれに電圧ｖαおよびｖβが誘起されるとする。同様に、ロータコイルａおよびｂには、それぞれ電流ｉａおよびｉｂが流れ、それぞれに電圧ｖａおよびｖｂが誘起されるとする。また、図４に示すように、ロータ２０´の互いに隣接するロータ歯２２´ａ（２２´ｂ）とロータ歯２２´ａ（２２´ｂとの間を一周期２πラジアンとして基準にした場合、ステータ１０の互いに隣接するステータ歯１２とステータ歯１２との間の周期はθラジアンだけ短くなっている。
【０００９】次に、一般化二相電動機モデルの電圧方程式について説明する。図３に示す一般的な二相電動機モデルで以下の条件を仮定する。
【００１０】（ａ1 ）２つのステータコイルαおよびβは同一、２つのロータコイルａおよびｂも同一。
【００１１】（ｂ1 ）ギャップ中の磁束密度は正弦波分布である。
【００１２】上記（ａ1 ）の条件より、２つのステータコイルαおよびβの自己インダクタンスＬαおよびＬβは互いに等しく、２つのロータコイルａおよびｂの自己インダクタンスＬａおよびＬｂも互いに等しい。すなわち、ステータ自己インダクタンスおよびロータ自己インダクタンスをそれぞれＬｓおよびＬｒとすると、下記の数式１が成り立つ。
【００１３】
【数１】
【００１４】また、上記（ｂ1 ）の条件を考慮し、ステータ・ロータ間の相互インダクタンスをＭとすると、下記の数式２で表わされる電圧方程式を得る。
【００１５】
【数２】
【００１６】ここで、ｐはヘビサイドの演算子（微分演算子ｄ／ｄｔ）を表し、Ｖは電圧ベクトルを表し、Ｉは電流ベクトルを表し、Ｒは抵抗行列を表し、Ｌ（θ）はインダクタンス行列を表し、Ｚ（θ）はインピーダンス行列を表す。電圧ベクトルＶ、電流ベクトルＩ、抵抗行列Ｒ、およびインダクタンス行列Ｌ（θ）は、それぞれ、下記の数式３〜数式６で表わされる。
【００１７】
【数３】
【００１８】
【数４】
【００１９】
【数５】
【００２０】
【数６】
【００２１】次に、ステップモータのインダクタンス行列について説明する。一般的に二相電動機モデルでは、次のような性質を持つ。
【００２２】（ａ2 ）ステータ、ロータの自己インダクタンスＬｓ、Ｌｒは、θに関係なく一定値である。
【００２３】（ｂ2 ）θの値によりコイル間の相互インダクタンスが０になるところがある。
【００２４】上記数式６のインダクタンス行列Ｌ（θ）は上記（ａ2 ）、（ｂ2 ）の前提のもとで成立するものであるが、ハイブリッド形ステップモータでは、動作原理上、次の性質をもつ。
【００２５】（ａ3 ）ステータ、ロータの自己インダクタンスはθの関数であり、いかなるθの値に対しても０にはならない。
【００２６】（ｂ3 ）コイル間の相互インダクタンスはいかなるθの値に対しても０にはならない。
【００２７】したがって、上記数式６に示す二相電動機モデルのインダクタンス行列Ｌ（θ）では、完全にステップモータのインダクタンス行列に対応できない。そこで、ステップモータのインダクタンス行列Ｌ（θ）を下記の数式７のように表現する。
【００２８】
【数７】
【００２９】次に、ｄ−ｑ軸への変換について説明する。上記数式２で表わされる電圧方程式は、たとえ定常状態であっても解くことは出来ない。そこで、ロータ側の諸量を図５に示す空間に固定されたｄ−ｑ軸への変換を考える。上記数式２を下記の数式８のように表記する。
【００３０】
【数８】
【００３１】次に行列Ｃを下記の数式９で定義する。
【００３２】
【数９】
【００３３】ここで、行列Ｃs および行列Ｅは、それぞれ、下記の数式１０および数式１１で表される。
【００３４】
【数１０】
【００３５】
【数１１】
【００３６】上記数式９で定義した行列Ｃで下記の数式１２および数式１３の変換を行う。
【００３７】
【数１２】
【００３８】
【数１３】
【００３９】上記の数式８、１２および１３より、下記の数式１４が得られる。
【００４０】
【数１４】
【００４１】したがって、次の数式１５が得られる。
【００４２】
【数１５】
【００４３】インピーダンス行列を計算すると、下記の数式１６が得られる。
【００４４】
【数１６】
【００４５】ここで、Ｇはトルクテンソルといわれ、下記の数式１７で表される。
【００４６】
【数１７】
【００４７】また、ｄ−ｑ軸モデル上での発生トルクは、次の数式１８で得られることが知られている。
【００４８】
【数１８】
【００４９】図５に示す静止系では解析が困難であるので、α−β座標の諸量を、図６に示すように、ｄ−ｑ軸に同期して回転するａ−ｂ座標（ｄ軸とａ軸、ｑ軸とｂ軸は常に一致している）に変換すると、下記の数式１９が成り立つ。
【００５０】
【数１９】
【００５１】上記数式３〜５で表された電圧ベクトルＶ、電流ベクトルＩ、および抵抗行列Ｒを、それぞれ、下記の数式２０〜数式２２で示し、
【数２０】
【００５２】
【数２１】
【００５３】
【数２２】
【００５４】インダクタンス行列Ｌ（θ）に上記数式７を用い、上記数式１０の行列Ｃs を下記の数式２３で示すとする。
【００５５】
【数２３】
【００５６】モータのｑ軸はｄ軸に対して電気角で（π／２）ずれたところに存在し、ロータ側にはｄ軸成分は存在しないことを考慮し、上記数式１８で表される発生トルクＴを計算すると、下記の数式２４を得る。
【００５７】
【数２４】
【００５８】ハイブリッド形ステップモータでは、構造上、Ｎ極とＳ極が独立した極のように考えられる。したがって、Ｎ極で発生するトルクＴN を上記数式２４で表すとすると、Ｓ極で発生するトルクＴS は下記の数式２５で表される。
【００５９】
【数２５】
【００６０】したがって、モータ全体で発生するトルクＴは下記の数式２６で表される。
【００６１】
【数２６】
【００６２】上述から明らかなように、ハイブリッド形ステップモータのトルク式は上記数式２６で表され、ｄ軸電流ｉｄは磁石の強さによって決定されてしまう。この結果、従来のハイブリッド形ステップモータの構造では、高トルクを得ようとするには、強力な磁石が必要となる。
【００６３】したがって、本発明の目的は、磁石を用いることなく、高いトルクを発生できるステップモータを提供することにある。
【００６４】
【課題を解決するための手段】本発明によるステップモータは、筒状のステータと、このステータ内に回転軸の回りに回転可能に収容されたロータとからなるステップモータにおいて、ステータは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向内側に突出した第１の個数のステータ歯をもつステータコアと、ステータ歯の各々に巻回されたステータコイルとを有し、ロータは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出し、かつ第１の個数より少ない第２の個数のロータ歯をもつロータコアと、ロータ歯の各々に巻回されたロータコイルとを有し、ロータコイルに電流を流すための電流供給手段と、ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段で検出された検出位置に基づいて、高トルクが得られるように電流供給手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００６５】
【作用】ロータの回転位置によってロータコイル電流を制御することで、有効にトルク発生を行える。
【００６６】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００６７】図１（ａ）および（ｂ）に本発明の一実施例によるハイブリッド形ステップモータの構造を示す。図示の如く、本実施例のハイブリッド形ステップモータは、筒状のステータ１０と、このステータ１０内に回転軸ＲＡの回りに回転可能に収容されたロータ２０とからなる。ステータ１０の構造は図２に示した従来のものと同様なので、その説明を省略する。
【００６８】ロータ２０はロータコア２１を含む。ロータコア２１はステータコア１１と対向している。ロータコア２１には、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出した６個のロータ歯２２を有する。６個のロータ歯２２には、それぞれ、ロータコイル２３（図２では時計回りにＤ1 ，Ｄ2 ，Ｄ3 ，Ｄ4 ，Ｄ5 、およびＤ6 で示す）が巻回されている。
【００６９】このようにロータ２０側にロータコイル２３を持つため、ステップモータは、図示していないが、ロータコイル２３に電流を流すためのブラシおよび整流子を有する。さらに、ステップモータは、ロータ２０の回転位置を検出するための位置検出器（図示せず）と、この位置検出器で検出された検出位置に基づいてロータコイル電流を制御する制御回路（図示せず）とを備えている。
【００７０】上記のように、本発明のハイブリッド形ステップモータでは、ステータ１０とロータ２０とにそれぞれステータコイル１３およびロータコイル２３を配しているので、その発生トルクＴは下記の数式２７で表される。
【００７１】
【数２７】
【００７２】したがって本発明では、上記数式２７におけるｄ軸電流（ロータコイル電流）ｉｄの値を自由に変更することができる。また、後述するように、上記数式２７の右辺第２項から、ロータ２０の回転位置によってロータコイル電流ｉｄを制御することで、有効にトルク発生を行える。したがって、従来のハイブリッド形ステップモータのように、コイル１３がステータ１０のみに配されている場合に比べ、本発明のハイブリッド形ステップモータの方が、最大で約２倍のトルクを発生できる。
【００７３】図１（ｂ）を参照して、本発明のロータコイル２３の励磁方法について説明する。今、ステータコイルＡに通電し、ステータコイルＢに励磁を切替えようとする時のロータコイル２３の励磁について考える。このとき、ロータコイル２３は、θとｂ軸電流ｉｂとの間に下記の表１で表される関係をもつ。
【００７４】
【表１】
【００７５】上記数式２７において、ｂ軸電流ｉｂとｓｉｎθが、上記表１の値によって決定されるので、ロータコイル電流ｉｄを下記の表２に示すように制御することにより、トルクを有効に発生できる。
【００７６】
【表２】
【００７７】上記のように、ロータ位置によってロータコイル電流ｉｄを制御すれば、上記数式２７の右辺第２項に基づくトルクを有効に利用できる。
【００７８】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、ハイブリッド形ステップモータにおいて、コイルをステータのみではなくロータにも配し、ロータの回転角度に応じてロータコイル電流を制御することにより、高トルクが得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるハイブリッド形ステップモータの構造を示す図で、（ａ）は径方向から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ´線より軸方向から見た断面図である。
【図２】従来のハイブリッド形ステップモータの構造を示す図で、（ａ）は径方向から見た断面図、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれII−II´線およびIII −III ´線より軸方向から見た断面図である。
【図３】二相電動機モデルを示す回路図である。
【図４】ステータのステータ歯とロータのロータ歯と間の関係をリニアパルスモデルにて示す断面図である。
【図５】ロータ側の諸量をｄ−ｑ軸へ変換した静止系を示す回路図である。
【図６】α−β座標の諸量をｄ−ｑ軸に同期して回転するａ−ｂ座標に変換した回転系を示す回路図である。
【符号の説明】
１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ ステータ歯
１３ ステータコイル
２０ ロータ
２１ ロータコア
２２ ロータ歯
２３ ロータコイル
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ステップモータに関し、特に、ハイブリッド（ＨＢ）形ステップモータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、ステップモータは電気パルスを入力としてパルス数に対応した機械角度を出力とするモータである。このステップモータには種々のものがあるが、その１つにハイブリッド形ステップモータがある。
【０００３】図２（ａ）、（ｂ），および（ｃ）に従来のハイブリッド形ステップモータの構造を示す。ハイブリッド形ステップモータは、筒状のステータ１０と、このステータ１０内に回転軸ＲＡの回りに回転可能に収容されたロータ２０´とからなる。ステータ１０はステータコア１１を含む。ステータコア１１は、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向内側に突出した８個のステータ歯１２を有する。各ステータ歯１２にはステータコイル１３が巻回されている。
【０００４】ステータコイル１３には、図２（ｂ）および（ｃ）に示すように、Ａ相コイルとＢ相コイルとの２種類のコイルがある。Ａ相コイルとＢ相コイルとは８個のステータ歯１２に周方向に沿って交互に巻回されている。互いに対向する２個のステータ歯１２に巻回されたＡ相コイルは同相に巻回されている（図２（ｂ）および（ｃ）のＡまたはＡバー（Ａの上にバーが付いている））が、互いに歯の位相が９０°ずれた２個のステータ歯１２に巻回されたＡ相コイルは逆相に巻回されている（図２（ｂ）および（ｃ）でＡとＡバーの関係）。同様に、互いに対向する２個のステータ歯１２に巻回されたＢ相コイルは同相に巻回されている（図２（ｂ）および（ｃ）のＢまたはＢバー）が、互いに歯の位相が９０°ずれた２個のステータ歯１２に巻回されたＢ相コイルは逆相に巻回されている（図２（ｂ）および（ｃ）でＢとＢバーの関係）。
【０００５】一方、ロータ２０´は、間に環状の磁石２３´を介して配置された一対のロータコア２１´ａおよび２１´ｂを含む。ロータコア２１´ａおよび２１´ｂはステータコア１１と対向している。ロータコア２１´ａは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出した６個のロータ歯２２´ａを有する。同様に、ロータコア２１´ｂは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出した６個のロータ歯２２´ｂを有する。図２（ｂ）および（ｃ）から明らかなように、ロータ歯２２´ａとロータ歯２２´ｂとは互いに位相がπラジアンずれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のハイブリッド形ステップモータでは、以下に詳細に説明するように、高トルクを得るためには強力な磁石を必要とする欠点がある。
【０００７】その事情を以下に発生トルク式を用いて説明する。図２に示したような、ステータ１０とロータ２０´とが共に歯１２および２２´ａと２２´ｂを持ち、ロータ２０´に磁石２３´を配したハイブリッド形ステップモータにおいて、ロータ２０´の持つ歯数をＺr とすると、ステップモータは極対数Ｚr の二相多極電動機と考えられる。そのうちの一極対だけを取り出して考えれば、図３に示す二相電動機モデルが得られる。
【０００８】図３において、２つのステータコイルをαおよびβで示し、２つのロータコイルをａおよびｂで示す。ステータコイルαおよびβには、それぞれ電流ｉαおよびｉβが流れ、それぞれに電圧ｖαおよびｖβが誘起されるとする。同様に、ロータコイルａおよびｂには、それぞれ電流ｉａおよびｉｂが流れ、それぞれに電圧ｖａおよびｖｂが誘起されるとする。また、図４に示すように、ロータ２０´の互いに隣接するロータ歯２２´ａ（２２´ｂ）とロータ歯２２´ａ（２２´ｂとの間を一周期２πラジアンとして基準にした場合、ステータ１０の互いに隣接するステータ歯１２とステータ歯１２との間の周期はθラジアンだけ短くなっている。
【０００９】次に、一般化二相電動機モデルの電圧方程式について説明する。図３に示す一般的な二相電動機モデルで以下の条件を仮定する。
【００１０】（ａ1 ）２つのステータコイルαおよびβは同一、２つのロータコイルａおよびｂも同一。
【００１１】（ｂ1 ）ギャップ中の磁束密度は正弦波分布である。
【００１２】上記（ａ1 ）の条件より、２つのステータコイルαおよびβの自己インダクタンスＬαおよびＬβは互いに等しく、２つのロータコイルａおよびｂの自己インダクタンスＬａおよびＬｂも互いに等しい。すなわち、ステータ自己インダクタンスおよびロータ自己インダクタンスをそれぞれＬｓおよびＬｒとすると、下記の数式１が成り立つ。
【００１３】
【数１】
【００１４】また、上記（ｂ1 ）の条件を考慮し、ステータ・ロータ間の相互インダクタンスをＭとすると、下記の数式２で表わされる電圧方程式を得る。
【００１５】
【数２】
【００１６】ここで、ｐはヘビサイドの演算子（微分演算子ｄ／ｄｔ）を表し、Ｖは電圧ベクトルを表し、Ｉは電流ベクトルを表し、Ｒは抵抗行列を表し、Ｌ（θ）はインダクタンス行列を表し、Ｚ（θ）はインピーダンス行列を表す。電圧ベクトルＶ、電流ベクトルＩ、抵抗行列Ｒ、およびインダクタンス行列Ｌ（θ）は、それぞれ、下記の数式３〜数式６で表わされる。
【００１７】
【数３】
【００１８】
【数４】
【００１９】
【数５】
【００２０】
【数６】
【００２１】次に、ステップモータのインダクタンス行列について説明する。一般的に二相電動機モデルでは、次のような性質を持つ。
【００２２】（ａ2 ）ステータ、ロータの自己インダクタンスＬｓ、Ｌｒは、θに関係なく一定値である。
【００２３】（ｂ2 ）θの値によりコイル間の相互インダクタンスが０になるところがある。
【００２４】上記数式６のインダクタンス行列Ｌ（θ）は上記（ａ2 ）、（ｂ2 ）の前提のもとで成立するものであるが、ハイブリッド形ステップモータでは、動作原理上、次の性質をもつ。
【００２５】（ａ3 ）ステータ、ロータの自己インダクタンスはθの関数であり、いかなるθの値に対しても０にはならない。
【００２６】（ｂ3 ）コイル間の相互インダクタンスはいかなるθの値に対しても０にはならない。
【００２７】したがって、上記数式６に示す二相電動機モデルのインダクタンス行列Ｌ（θ）では、完全にステップモータのインダクタンス行列に対応できない。そこで、ステップモータのインダクタンス行列Ｌ（θ）を下記の数式７のように表現する。
【００２８】
【数７】
【００２９】次に、ｄ−ｑ軸への変換について説明する。上記数式２で表わされる電圧方程式は、たとえ定常状態であっても解くことは出来ない。そこで、ロータ側の諸量を図５に示す空間に固定されたｄ−ｑ軸への変換を考える。上記数式２を下記の数式８のように表記する。
【００３０】
【数８】
【００３１】次に行列Ｃを下記の数式９で定義する。
【００３２】
【数９】
【００３３】ここで、行列Ｃs および行列Ｅは、それぞれ、下記の数式１０および数式１１で表される。
【００３４】
【数１０】
【００３５】
【数１１】
【００３６】上記数式９で定義した行列Ｃで下記の数式１２および数式１３の変換を行う。
【００３７】
【数１２】
【００３８】
【数１３】
【００３９】上記の数式８、１２および１３より、下記の数式１４が得られる。
【００４０】
【数１４】
【００４１】したがって、次の数式１５が得られる。
【００４２】
【数１５】
【００４３】インピーダンス行列を計算すると、下記の数式１６が得られる。
【００４４】
【数１６】
【００４５】ここで、Ｇはトルクテンソルといわれ、下記の数式１７で表される。
【００４６】
【数１７】
【００４７】また、ｄ−ｑ軸モデル上での発生トルクは、次の数式１８で得られることが知られている。
【００４８】
【数１８】
【００４９】図５に示す静止系では解析が困難であるので、α−β座標の諸量を、図６に示すように、ｄ−ｑ軸に同期して回転するａ−ｂ座標（ｄ軸とａ軸、ｑ軸とｂ軸は常に一致している）に変換すると、下記の数式１９が成り立つ。
【００５０】
【数１９】
【００５１】上記数式３〜５で表された電圧ベクトルＶ、電流ベクトルＩ、および抵抗行列Ｒを、それぞれ、下記の数式２０〜数式２２で示し、
【数２０】
【００５２】
【数２１】
【００５３】
【数２２】
【００５４】インダクタンス行列Ｌ（θ）に上記数式７を用い、上記数式１０の行列Ｃs を下記の数式２３で示すとする。
【００５５】
【数２３】
【００５６】モータのｑ軸はｄ軸に対して電気角で（π／２）ずれたところに存在し、ロータ側にはｄ軸成分は存在しないことを考慮し、上記数式１８で表される発生トルクＴを計算すると、下記の数式２４を得る。
【００５７】
【数２４】
【００５８】ハイブリッド形ステップモータでは、構造上、Ｎ極とＳ極が独立した極のように考えられる。したがって、Ｎ極で発生するトルクＴN を上記数式２４で表すとすると、Ｓ極で発生するトルクＴS は下記の数式２５で表される。
【００５９】
【数２５】
【００６０】したがって、モータ全体で発生するトルクＴは下記の数式２６で表される。
【００６１】
【数２６】
【００６２】上述から明らかなように、ハイブリッド形ステップモータのトルク式は上記数式２６で表され、ｄ軸電流ｉｄは磁石の強さによって決定されてしまう。この結果、従来のハイブリッド形ステップモータの構造では、高トルクを得ようとするには、強力な磁石が必要となる。
【００６３】したがって、本発明の目的は、磁石を用いることなく、高いトルクを発生できるステップモータを提供することにある。
【００６４】
【課題を解決するための手段】本発明によるステップモータは、筒状のステータと、このステータ内に回転軸の回りに回転可能に収容されたロータとからなるステップモータにおいて、ステータは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向内側に突出した第１の個数のステータ歯をもつステータコアと、ステータ歯の各々に巻回されたステータコイルとを有し、ロータは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出し、かつ第１の個数より少ない第２の個数のロータ歯をもつロータコアと、ロータ歯の各々に巻回されたロータコイルとを有し、ロータコイルに電流を流すための電流供給手段と、ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段で検出された検出位置に基づいて、高トルクが得られるように電流供給手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００６５】
【作用】ロータの回転位置によってロータコイル電流を制御することで、有効にトルク発生を行える。
【００６６】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００６７】図１（ａ）および（ｂ）に本発明の一実施例によるハイブリッド形ステップモータの構造を示す。図示の如く、本実施例のハイブリッド形ステップモータは、筒状のステータ１０と、このステータ１０内に回転軸ＲＡの回りに回転可能に収容されたロータ２０とからなる。ステータ１０の構造は図２に示した従来のものと同様なので、その説明を省略する。
【００６８】ロータ２０はロータコア２１を含む。ロータコア２１はステータコア１１と対向している。ロータコア２１には、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出した６個のロータ歯２２を有する。６個のロータ歯２２には、それぞれ、ロータコイル２３（図２では時計回りにＤ1 ，Ｄ2 ，Ｄ3 ，Ｄ4 ，Ｄ5 、およびＤ6 で示す）が巻回されている。
【００６９】このようにロータ２０側にロータコイル２３を持つため、ステップモータは、図示していないが、ロータコイル２３に電流を流すためのブラシおよび整流子を有する。さらに、ステップモータは、ロータ２０の回転位置を検出するための位置検出器（図示せず）と、この位置検出器で検出された検出位置に基づいてロータコイル電流を制御する制御回路（図示せず）とを備えている。
【００７０】上記のように、本発明のハイブリッド形ステップモータでは、ステータ１０とロータ２０とにそれぞれステータコイル１３およびロータコイル２３を配しているので、その発生トルクＴは下記の数式２７で表される。
【００７１】
【数２７】
【００７２】したがって本発明では、上記数式２７におけるｄ軸電流（ロータコイル電流）ｉｄの値を自由に変更することができる。また、後述するように、上記数式２７の右辺第２項から、ロータ２０の回転位置によってロータコイル電流ｉｄを制御することで、有効にトルク発生を行える。したがって、従来のハイブリッド形ステップモータのように、コイル１３がステータ１０のみに配されている場合に比べ、本発明のハイブリッド形ステップモータの方が、最大で約２倍のトルクを発生できる。
【００７３】図１（ｂ）を参照して、本発明のロータコイル２３の励磁方法について説明する。今、ステータコイルＡに通電し、ステータコイルＢに励磁を切替えようとする時のロータコイル２３の励磁について考える。このとき、ロータコイル２３は、θとｂ軸電流ｉｂとの間に下記の表１で表される関係をもつ。
【００７４】
【表１】
【００７５】上記数式２７において、ｂ軸電流ｉｂとｓｉｎθが、上記表１の値によって決定されるので、ロータコイル電流ｉｄを下記の表２に示すように制御することにより、トルクを有効に発生できる。
【００７６】
【表２】
【００７７】上記のように、ロータ位置によってロータコイル電流ｉｄを制御すれば、上記数式２７の右辺第２項に基づくトルクを有効に利用できる。
【００７８】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、ハイブリッド形ステップモータにおいて、コイルをステータのみではなくロータにも配し、ロータの回転角度に応じてロータコイル電流を制御することにより、高トルクが得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるハイブリッド形ステップモータの構造を示す図で、（ａ）は径方向から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ´線より軸方向から見た断面図である。
【図２】従来のハイブリッド形ステップモータの構造を示す図で、（ａ）は径方向から見た断面図、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれII−II´線およびIII −III ´線より軸方向から見た断面図である。
【図３】二相電動機モデルを示す回路図である。
【図４】ステータのステータ歯とロータのロータ歯と間の関係をリニアパルスモデルにて示す断面図である。
【図５】ロータ側の諸量をｄ−ｑ軸へ変換した静止系を示す回路図である。
【図６】α−β座標の諸量をｄ−ｑ軸に同期して回転するａ−ｂ座標に変換した回転系を示す回路図である。
【符号の説明】
１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ ステータ歯
１３ ステータコイル
２０ ロータ
２１ ロータコア
２２ ロータ歯
２３ ロータコイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】 筒状のステータと、該ステータ内に回転軸の回りに回転可能に収容されたロータとからなるステップモータにおいて、前記ステータは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向内側に突出した第１の個数のステータ歯をもつステータコアと、前記ステータ歯の各々に巻回されたステータコイルとを有し、前記ロータは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出し、かつ前記第１の個数より少ない第２の個数のロータ歯をもつロータコアと、前記ロータ歯の各々に巻回されたロータコイルとを有し、前記ロータコイルに電流を流すための電流供給手段と、前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、該位置検出手段で検出された検出位置に基づいて、高トルクが得られるように前記電流供給手段を制御する制御手段とを有することを特徴とするステップモータ。
【請求項１】 筒状のステータと、該ステータ内に回転軸の回りに回転可能に収容されたロータとからなるステップモータにおいて、前記ステータは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向内側に突出した第１の個数のステータ歯をもつステータコアと、前記ステータ歯の各々に巻回されたステータコイルとを有し、前記ロータは、周方向に間隔をおいて配置されて半径方向外側に突出し、かつ前記第１の個数より少ない第２の個数のロータ歯をもつロータコアと、前記ロータ歯の各々に巻回されたロータコイルとを有し、前記ロータコイルに電流を流すための電流供給手段と、前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、該位置検出手段で検出された検出位置に基づいて、高トルクが得られるように前記電流供給手段を制御する制御手段とを有することを特徴とするステップモータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開平６−９０５５４
【公開日】平成６年（１９９４）３月２９日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−２３８４０６
【出願日】平成４年（１９９２）９月７日
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【公開日】平成６年（１９９４）３月２９日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）９月７日
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
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