NEMAモーター完全ガイド：3Dプリンターのモーター問題を特定・解決する

あらゆるFFF 3Dプリンターの基本コンポーネントの一つがモーターです。プリントヘッドの位置決めに必要な動作と、押出機でのフィラメント送りを担当します。

使用されるのはステッピングモーターで、最も一般的なのはNEMA 17とNEMA 23です。

画像1：NEMAモーターのタイプ。出典：motioncontrolproducts.com

高品質ステッピングモーターは非常に高い信頼性を持つため、モーター故障の主原因は通常外部要因、特に電源ドライバーや接続に関連します。

ステッピングモーター

ステッピングモーターは連続回転型モーターの一種です。回転は所定角度の離散的なステップで行われます。標準DCモーターとサーボモーターの中間的な存在です。DCモーターのように複数回の360°回転が可能でありながら、サーボモーターのように精密な角度位置決めが可能です。

3Dプリンターで最も一般的なのはバイポーラハイブリッドステッピングモーターで、通常NEMA17またはNEMA23フォーマットです。ハイブリッドモーターはVRモーターの微小ステップ能力と永久磁石モーターの高慣性能力を兼ね備えています。一方、バイポーラモーターはユニポーラモーターより高トルクと高保持力を発揮し、より軽量・コンパクトですが、専用の電源コントローラーが必要です。

ステッピングモーターを選定する際、主な特性を理解する必要があります：

• ステップ角： モーターが直接回転できる最小角度（マイクロステップコントローラー不使用時）。通常1.8°または0.9°の製品が見つかります。一般的にステップ角が小さいほど高精度だが、最大回転速度は低下します。
• 動作電流： モーターを正常動作させるために供給すべき最大電流値。電流を増やせばトルクが増し、より大きな慣性に耐えステップアウトしにくくなりますが発熱と摩耗も増大。メーカー指定値を超える電流はモーター劣化と故障の原因になります。
• 相電圧： 各コイルの正常動作に必要な電圧。
• 相抵抗： 各コイルが示す電気抵抗。
• 相インダクタンス： 各コイル励磁時の最大インダクタンス値。
• 位置決め精度： 回転運動中に発生しうる最大偏差。一般的に値が小さいほど高精度。
• 最大動作温度： モーターが耐えられる最高動作温度。長時間超えると故障の原因になります。
• ロータ慣性： 空荷時のロータ自重による慣性。モーターが支持する慣性はこれとモーターに連結される要素の慣性の合計。
• トルク/保持トルク： 相が非励磁（無電流）状態で、シャフトを回転させずに耐えられる最大トルク。
• アンカートルク： モーター停止時に相が励磁（通電）状態で、シャフトを回転させずに耐えられる最大トルク。最大電流供給時の値とされます。
• 起動トルク： ロータ慣性を克服して回転を開始するために必要なトルク。
• 回転トルク： 回転中にステップアウトせずに耐えられる最大トルク。最大電流供給時の値とされます。

高速動作と移動中の高慣性耐性が必要な場合（例：XY軸）、1.8°ステップで高トルクのモーターを選択すべきです。

Z軸モーターには高速動作は不要なため、0.9°モーターでより滑らかな動作が得られます。この場合、ベッドやガントリーの重量を支える（プリンター設計による）最大保持トルクとアンカートルクを持つモーターを選択すべきです。

バイポーラステッピングモーターの接続

ステッピングモーターを正しく接続するには、メーカーの仕様書があると便利です。ワイヤー位置はモデルによって異なるためです。

通常、バイポーラステッピングモーターは4つの接続を持ち、2つの独立した電源回路で構成されます。各回路は各コイルに電力を供給する正極と負極で構成されます。

まず、プリンターコントロールボード上のこれら4接続の位置を把握します。コントロールボード上では2種類の命名規則が見られます。一つは「1A 1B 2A 2B」で、数字が回路、A/Bが極を表します。もう一つは「A A⁻ B B⁻」で、文字が回路、アクセントが負極を表します。

ボード上の接続が判明したら、モーター側も同様に行います。

画像2：NEMA17モーター仕様書上の接続例。出典：Bondtech

仕様書があれば、コネクタ内のワイヤー順序を参照。この場合「A A⁻ B B⁻」命名が最も一般的です。

ボードとモーターが同一命名規則なら、各端子をペアリングするだけで接続完了。異なる命名規則の場合は以下のようにペアリング：

• 1A - A
• 1B - A⁻
• 2A - B
• 2B - B⁻

モーター仕様書がない場合、各コイルの接続ペアを特定する必要があります。コネクタピンの全組み合わせで抵抗を測定し、無限大でない組み合わせが最初のペアです。メーカーがよく使用する組み合わせは「1-3, 4-6」または「1-4, 3-6」なので、まずこれら2つをテストします。

特定後、各相を各コイルに接続。2つの相を同じ極性でコイルに接続することが重要です。逆相で接続すると、電流供給時にモーターが動かずノイズを発します。この場合、片方のコイルの極性を反転させます。

両相を分離しておくことが極めて重要なので、コネクタの状態を頻繁にチェックしてください。接触不良や相間ショートはモーター停止の原因になります。

モーター電流設定

ステッピングモーターは専用コントローラー/ドライバーで駆動されます。市場に多くのモデルがあります。一般的に高品質なものは耐久性が長く、動作音が静かです。

利用可能なモデルには、モーターに送る電流を調整する2つの方法があります：

• 調整ネジによる方法。 一般的に低品質/安価なドライバーは、ポテンショメータ形式のネジで出力電流を調整。この場合、マルチメーターと精密セラミックドライバーが必要。調整は2通り：
  
  • 電流による方法：プリンター通電・モーター接続状態で、一方の相電流を測定し適切値に調整。この方法は推奨しません。特に新しいドライバーを初めて接続する際、出力電流がモーター許容値より高いか不明な状態でモーターに通電することになるため。
  • 基準電圧（Vref）による方法：やや複雑ですが推奨されます。まず必要な基準電圧を以下の式で算出：

Vref = I_max · 8 · Rs

I_maxはモーターに供給する最大電流（通常メーカー最大値の90%以下）、Rsはドライバーの検出抵抗。

ドライバー通電後、Vrefピン（通常ポテンショメータ自体）とグランドピン（通常電源ピン）間の電圧を測定し、ポテンショメータで適切値に設定。

• ファームウェアによる設定： 多くの最新ドライバーは調整ポテンショメータを持たず、ファームウェアで直接出力電流を設定可能。ファームウェアのモーター項目で適切な電流値を設定するだけ。

ドライバー出力電流を選定する際、メーカー最大値を使用するのは推奨しません。モーター寿命を延ばすため、メーカー最大値の90%を超えないこと、最適なのは十分なトルクを生成する最小電流です。電流を増やすとトルク増大と引き換えに、発熱増大、騒音増大、摩耗増大を招きます。

ステッピングモーターの最大速度

ステッピングモーターはパルスで駆動されるため、最大速度はコントロールボードが送信可能な最大信号周波数に依存します。また通常複数のモーターが同時動作するため、各モーターへの周波数は低下します。

例：コントロールボードが100,000Hzで、4モーター（X,Y,Z、押出機）が同時動作する場合、各モーターは25,000Hz（25,000パルス/秒）で制御されます。マイクロステップ不使用の1.9°モーターなら最大125rpsで回転可能。GT2 8歯ベルト駆動システム（最も一般的）では、理論上の最大リニア速度は3600mm/sになります。

マイクロステップ使用時は最大速度が比例して低下します。16マイクロステップなら225mm/s、256マイクロステップならわずか14mm/sに低下します。

コントロールボードの動作周波数を把握することは極めて重要です。低出力周波数と高マイクロステップ設定の組み合わせにより、最大許容速度がプリント速度を下回り、大幅なステップアウトを招く可能性があるためです。

ステップ/mmの適切な設定

動作信号はモーターに回転として伝達されますが、プリントファイルに含まれる動作はリニアです。そのためプリンターは角度運動をリニア運動に変換できる必要があります。

動作伝達は一般的に歯付きプーリーとベルトで行われるため、ステップ/mm変換はプーリー径に依存します。以下の式を適用：

steps/mm = (360/P) · MS / (2 · π · R_pulley)

Pはモーターピッチ、MSは設定マイクロステップ（不使用時は1）、Rpulleyは使用プーリーの半径。

ネジ伝達の場合、ネジピッチが送り速度を定義。以下の式を適用：

steps/mm = (360/P) · MS / A

Pはモーターピッチ、MSは設定マイクロステップ（不使用時は1）、Aはネジ山ピッチ。

これらの値を容易に算出できる計算ツールも多数存在します（Prusa Printers提供のものなど）。

これらの値を取得後、理論上は正しくても、製造・組み立て誤差を補正するため精密キャリブレーションを実施することを推奨します。

既知寸法のキューブ（例：50×50×50mm）をプリントし、実寸を測定。その後以下の式を適用：

steps/mm = D_theoretical · P_actual / D_real

D_theoreticalはパーツが持つべき理論サイズ、P_actualは現在のステップ/mm設定、D_realはプリントパーツから得られた実測値。新しいステップ/mm値を導入すれば、適切な寸法のパーツが得られるはずです。

考慮すべきポイント

• ステップアウト： 通常モーターの過剰トルクが原因。大きな加速度や高速方向転換による慣性がモータートルクで補いきれず、ステップアウト発生。同様に、低信号周波数と高マイクロステップ設定の組み合わせで最大モーター速度が激減し、プリント速度がこれを超えるとステップアウト発生。オープンループプリンターではステップアウト＝位置ズレを意味します。
• 温度： 高電流設定はモーター発熱を招く。モーターが密閉/加熱構造内にあり放熱不十分な場合、動作温度超過で磁石減磁、誤動作・故障の原因に。密閉型プリンターではモーターをチャンバー外に配置、不可能なら電流を必要最小限に抑制推奨。
• ヒステリシス： モーター固有の現象。動作終了時に微小な位置誤差を生じる可能性。高品質モーターで誤差低減可能。
• 共振： すべてのモーターに固有周波数がある。送信パルス周波数が固有周波数に近いと共振発生。振動・騒音・摩耗増大の原因。
• ステップ設定： 不適切なステップ/mm設定は位置決め誤差を招き、パーツの寸法誤差として現れます。
• 接続： 相の混在やブリッジはモーター不回転や不安定回転の原因。片相の極性が他方と反転しているとモーター不回転。両相の極性を正しく接続した状態で反転させると逆回転。

このガイドは一般的な概念について説明しており、特定のメーカーやモデルに焦点を当てたものではありません（途中で言及される場合があります）。メーカーやモデルによってキャリブレーションや調整手順に重要な違いがある場合があるため、このガイドを読む前にメーカーのマニュアルを参照することを推奨します。