ステッピングモーター完全解説：種類、構造、動作原理、応用例

ステッピングモーターの種類、構造、動作、応用

専用ステッピングモータードライバーカードの発明と、ステッピングモーターをPCベースシステムとインターフェースするためのデジタル制御技術の進歩が、近年ステッピングモーターが広く普及した理由です。ステッピングモーターは、精密な速度制御や精密な位置決め、またはその両方を必要とする自動化システムにとって理想的な選択肢となっています。

多くの産業用電動機が精密な位置決めや速度制御のためにクローズドループフィードバック制御を用いるのに対し、ステッピングモーターはオープンループコントローラーで動作可能です。これにより、サーボシステム制御と比較して総システムコストを削減し、機械設計をシンプルにできます。ステッピングモーターとその種類について簡単に説明します。

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ステッピングモーターとは

ステッピングモーターは、励磁巻線に印加された電気パルス列を、精密に定義されたステップバイステップの機械的軸回転に変換するブラシレス電気機械デバイスです。モーターの軸は、各離散パルスごとに固定角度で回転します。この回転は直線的または角度的です。単一パルス入力で1ステップ動作します。

パルス列が印加されると、一定角度回転します。ステッピングモーターの軸が各パルスで回転する角度を「ステップ角」と呼び、一般的に度数で表されます。

モーターに与えられる入力パルス数がステップ角を決定し、したがってモーター軸の位置はパルス数を制御することで制御されます。このユニークな機能により、フィードバックセンサーを使用せずに正確なパルス数で軸の正確な位置を維持できるオープンループ制御システムに最適です。

ステップ角が小さいほど、1回転あたりのステップ数が多くなり、位置決め精度が高くなります。ステップ角は最大90度から最小0.72度までありますが、一般的に使用されるのは1.8度、2.5度、7.5度、15度です。

軸の回転方向は、固定子に印加されるパルスの順序に依存します。軸の速度、または平均モーター速度は、励磁巻線に印加される入力パルスの周波数（レート）に直接比例します。したがって、周波数が低い場合はステップごとに回転し、高周波数では慣性によりDCモーターのように連続回転します。

すべての電動機と同様に、固定子と回転子を持ちます。回転子は可動部分で、巻線、ブラシ、整流子を持ちません。通常、回転子は可変リラクタンス型または永久磁石型です。固定子は多極・多相巻線で構成され、通常3相または4相巻線が、所望の角度変位/入力パルスに応じた極数で巻かれています。

他のモーターとは異なり、電子ドライブを介して固定子巻線に印加されるプログラムされた離散制御パルスで動作します。回転は、順次励磁される固定子巻線の極と回転子の極との磁気相互作用によって生じます。

現在、サイズ、ステップ数、構造、配線、ギアリング、その他の電気的特性において幅広い範囲で、いくつかのタイプのステッピングモーターが市販されています。これらのモーターは離散的な性質で動作できるため、コンピューターなどのデジタル制御デバイスとのインターフェースに適しています。

速度、回転、方向、角度位置の精密制御が可能なため、産業プロセス制御システム、CNC工作機械、ロボティクス、製造自動化システム、計装などで特に注目されています。

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ステッピングモーターの種類

基本的なステッピングモーターのカテゴリーは以下の3つです：

• 永久磁石型ステッピングモーター
• 可変リラクタンス型ステッピングモーター
• ハイブリッド型ステッピングモーター

これらすべてのモーターでは励磁巻線が固定子に配置され、巻線数が相数を示します。

巻線コイルにDC電圧が励磁として印加され、各巻線端子はソリッドステートスイッチを介して電源に接続されます。ステッピングモーターのタイプに応じて、その回転子設計は、突極を持つ軟鋼ローター、円筒形永久磁石ローター、軟鋼歯を持つ永久磁石などで構成されます。これらを詳しく説明します。

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可変リラクタンス型ステッピングモーター

長い間存在するステッピングモーターの基本タイプであり、構造的観点から動作原理を最も理解しやすいタイプです。名前が示す通り、回転子の角度位置は、固定子極（歯）と回転子歯の間に形成される磁気回路のリラクタンスに依存します。

可変リラクタンス型ステッピングモーターの構造

巻線された固定子と軟鉄製多歯回転子で構成されます。固定子には珪素鋼積層板のスタックがあり、そこに固定子巻線が巻かれています。通常、3相で巻かれ、極対の間に分布しています。

こうして形成される固定子の極数は、固定子に巻かれた相数の偶数倍に等しくなります。下図では、固定子は12個の等間隔の突出極を持ち、各極に励磁コイルが巻かれています。これら3相は、ソリッドステートスイッチの助けを借りてDC電源から励磁されます。

回転子は巻線を持たず、スロット付き鋼積層板で完全に構成される突極型です。回転子極の突出歯は固定子歯と同じ幅を持ちます。固定子の極数と回転子の極数が異なるため、モーターは自起動性と双方向回転能力を持ちます。

3相ステッピングモーターにおける回転子極と固定子極の関係は、Nr = Ns ± (Ns / q) で表されます。ここで Ns = 12、q = 3 なので、Nr = 12 ± (12 / 3) = 16 または 8 となります。励磁のない8極構成の回転子を下図に示します。

可変リラクタンス型ステッピングモーターの動作

ステッピングモーターは、最小リラクタンス経路が存在する磁気回路において、回転子が励磁極の歯と特定の位置に整列する原理で動作します。モーターに電力が印加され、特定の巻線が励磁されると、その磁場を生成し、独自の磁極を形成します。

回転子磁極の残留磁気により、最小リラクタンス位置を達成するように回転子が移動し、回転子の1組の極が励磁された固定子極の組と整列します。この位置では、固定子磁場の軸が回転子の任意の2磁極を通る軸と一致します。

回転子が固定子極と整列すると、時計回りまたは反時計回りのいずれの方向にも次の位置へ移動しないよう軸を保持する十分な磁気力を持ちます。

3相、6固定子極、4回転子歯の概略図を考えます。スイッチ1を閉じてA-A'相にDC電源を供給すると、巻線が磁石となり、1つの歯がN極、もう1つがS極になります。したがって、固定子磁気軸はこれらの極に沿って存在します。

吸引力により、固定子コイルのN極は最寄りの逆極性（S極）の回転子歯を、S極は最寄りの逆極性（N極）の回転子歯を引き付けます。回転子は、回転子磁気軸が固定子磁気軸と完全に一致する最小リラクタンス位置に調整されます。

スイッチ1を開けてA-A'相を非励磁にし、スイッチ2を閉じてB-B'相を励磁すると、B-B'巻線が磁束を生成し、固定子磁気軸がそれによって形成された極に沿ってシフトします。したがって、回転子は磁化された固定子歯との最小リラクタンス位置にシフトし、時計回りに30度回転します。

スイッチ2を開けてスイッチ3を励磁し、C-C'相を励磁すると、回転子歯がさらに30度移動して新しい位置に整列します。このように、固定子巻線を特定の順序で順次励磁することで、回転子は時計回りまたは反時計回りに移動します。この3相4極回転子歯ステッピングモーターのステップ角は、360 / (4 × 3) = 30度（ステップ角 = 360 / Nr × q）で表されます。

固定子と回転子の極数を増やすことでステップ角をさらに小さくできます。この場合、モーターは追加の相巻線で巻かれることが多いです。これは、マルチスタック配置や減速ギア機構などの異なるステッピングモーターの構造を採用することでも達成可能です。

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永久磁石型ステッピングモーター

永久磁石設計モーターは、いくつかのタイプのステッピングモーターの中でおそらく最も一般的です。名前が示す通り、モーター構造に永久磁石を追加しています。このタイプはカンスタックモーターまたはブリキ缶モーターとも呼ばれます。主な利点は製造コストが低いことです。このタイプのモーターは1回転あたり48〜24ステップです。

永久磁石型ステッピングモーターの構造

このモーターでは、固定子は多極で、その構造は前述の可変リラクタンス型ステッピングモーターと類似しています。固定子コイルが巻かれたスロット付き周辺部を持ち、突出極があり、巻線は2相、3相、または4相です。

これらすべての巻線の端子端は引き出され、ドライブ回路のソリッドステートスイッチを介してDC励磁に接続されます。

回転子はフェライトなどの永久磁石材料で作られ、円筒形または突極形ですが、通常は滑らかな円筒形です。回転子は交互にN極とS極の偶数の永久磁石極を持つように設計されています。

永久磁石型ステッピングモーターの動作

このモーターの動作は、異極は引き合い、同極は反発し合う原理で動作します。固定子巻線がDC電源で励磁されると、磁束を生成しN極とS極を確立します。永久磁石回転子極と固定子極の間の吸引力と反発力により、回転子は固定子に与えられたパルスに対応する位置まで移動します。

2相ステッピングモーターで2極永久磁石回転子を持つ場合を下図に示します。

A相がA'に対して正で励磁されると、巻線はN極とS極を確立します。吸引力により、回転子極は固定子極と整列し、回転子の磁極軸が固定子のものと一致するように調整されます（下図参照）。

励磁がB相に切り替わりA相がオフになると、回転子はさらにB相の磁気軸に整列し、時計回りに90度回転します。

次に、A相がA'に対して負電流で励磁されると、固定子極の形成により回転子はさらに時計回りに90度移動します。

同様に、A相スイッチを閉じた状態でB相が負電流で励磁されると、回転子は同じ方向にさらに90度回転します。次にA相が正電流で励磁されると、回転子は元の位置に戻り、360度の完全な回転を完了します。これは、固定子が励磁されるたびに、回転子が時計回りに90度回転する傾向があることを意味します。

この2相2極永久磁石回転子モーターのステップ角は、360 / (2 × 2) = 90度で表されます。ステップサイズは、2相を同時に励磁するか、適切な極性で1相オンと2相オンのモードのシーケンスにより小さくできます。

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ハイブリッド型ステッピングモーター

ステップ分解能、保持トルク、速度の点で永久磁石ローターより優れた性能を提供するため、最も人気のあるタイプのステッピングモーターです。ただし、これらのモーターはPMステッピングモーターより高価です。可変リラクタンス型と永久磁石型の両方の優れた特徴を兼ね備えています。これらのモーターは、1.5度、1.8度、2.5度など非常に小さなステップ角を必要とする用途で使用されます。

ハイブリッド型ステッピングモーターの構造

このモーターの固定子は、永久磁石型またはリラクタンス型と同じです。固定子コイルは交互の極に巻かれています。この場合、異なる相のコイルが各極に巻かれ、通常1極に2つのコイルが巻かれ、これはバイフィラ接続と呼ばれます。

回転子は軸方向に磁化された永久磁石で構成され、一対の磁極（N極とS極）を形成します。各極は均等に間隔を空けた歯で覆われています。歯は軟鋼製で、各極の2つのセクションは半歯ピッチずつ互いにずらされています。

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ハイブリッド型ステッピングモーターの動作

このモーターは永久磁石型ステッピングモーターと同様に動作します。上図は2相、4極、6歯回転子ハイブリッドステッピングモーターを示しています。A-A'相がDC電源で励磁され、B-B'が非励磁の場合、回転子は回転子のS極が固定子のN極に、回転子のN極が固定子のS極に向くように整列します。

次に、A-A'をオフにした状態でB-B'を励磁し、上極をN極、下極をS極とすると、回転子は反時計回りに移動して新しい位置に整列します。B-B'が逆向きに励磁され、上極がS極、下極がN極になると、回転子は時計回りに回転します。

固定子への適切なパルスシーケンスにより、モーターは所望の方向に回転します。各励磁ごとに回転子は新しい位置にロックされ、励磁が取り除かれても永久磁石励磁によりロック状態を維持します。この2相、4極、6歯回転子モーターのステップ角は、360 / (2 × 6) = 30度で与えられます。実際には、より高い角度分解能を得るために、ハイブリッドモーターはより多くの回転子極で構築されます。

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ユニポーラとバイポーラステッピングモーター

上記で説明したモーターは、コイル巻線配置に基づいてユニポーラまたはバイポーラに分類されます。ユニポーラモーターは1相あたり2つの巻線を採用し、これらの巻線を流れる電流の方向を変えることでモーターの回転方向が変わります。この構成では、1つのコイルに一方向、もう1つのコイルに逆方向の電流が流れます。

下図は2相ユニポーラステッピングモーターを示し、AとCコイルが1相、BとDが他相です。各相において、各コイルは他方のコイルとは逆方向に電流を流します。各相で一度に1つのコイルのみが電流を流し、特定の回転方向を達成します。各コイルへの端子を切り替えるだけで回転方向を制御できます。

バイポーラステッピングモーターの場合、ユニポーラの2つに対し、各相は単一巻線で構成されます。ここでは、巻線を流れる電流を逆転させることで回転方向を制御します。したがって、電流逆転のためにより複雑なドライブ回路が必要です。

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ステッピングモーターのステッピングモード

典型的なステッピング動作では、モーターは電流パルスに応じて平衡位置のシーケンスをステップしていきます。固定子巻線が励磁されるシーケンスを変更するだけで、ステッピング動作をさまざまな方法で変化させることが可能です。以下はステッピングモーターの最も一般的な動作・駆動モードです。

1. ウェーブステップ（1相励磁）
2. フルステップ（2相励磁）
3. ハーフステップ（1-2相励磁）
4. マイクロステッピング

ウェーブステップモード

ウェーブステップモードは、他のすべてのモードの中で最もシンプルで、常に1つの巻線のみが励磁されます。各相のコイルが交互に電源に接続されます。下表は4相ステッピングモーターにおけるコイル励磁の順序を示しています。

このモードでは、モーターは他のすべてのモードと比較して最大のステップ角を与えます。最もシンプルで最も一般的に使用されるステッピングモードですが、一度に全巻線の一部のみを使用するため、生成トルクは小さくなります。

フルステップモード

この駆動モードでは、常に2つの固定子相が同時に励磁されます。2相が同時に励磁されると、回転子は両相からのトルクを経験し、2つの隣接するウェーブステップ位置または1相励磁位置の間に挟まれた平衡位置に達します。したがって、このステップはウェーブステップより優れた保持トルクを提供します。下表は4相ステッピングモーターのフルステップ駆動を示しています。

ハーフステップモード

ウェーブステップとフルステップモードの組み合わせです。1相励磁と2相励磁を交互に行います（1相オン、2相オン、という具合）。このモードでのステップ角はフルステップ角の半分になります。この駆動モードは、他のすべてのモードと比較して最高のトルクと安定性を持ちます。4相モーターのハーフステッピングにおける相パルスシーケンスを下表に示します。

マイクロステッピングモード

このモードでは、各モーターステップが数百の固定位置までいくつかの小さなステップに細分化されるため、より高い位置決め分解能が得られます。巻線電流が継続的に変化させられ、非常に小さなステップを実現します。2相が同時に励磁されますが、各相の電流は不均等です。

例えば、相1の電流を一定に保ちながら、相2の電流を最大値（正または負）までステップ状に増加させます。その後、相1の電流をゼロまでステップ状に減少または増加させます。これにより、モーターは小さなステップサイズを生成します。

上記で説明したすべてのステッピングモードは、各タイプのステッピングモーターで実現可能です。ただし、各巻線の電流方向は、モーターのタイプやユニポーラ/バイポーラかによってこれらのステップで変化する可能性があります。

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ステッピングモーターの利点

• 停止位置では、モーターはフルトルクを持ちます。移動や位置変更がない場合でも同様です。
• 起動、停止、反転に対する応答性が良好です。
• ステッピングモーターにはブラシがないため、信頼性が高く、寿命はモーターのベアリングに依存します。
• モーターの回転角度は入力信号に直接比例します。
• デジタル入力信号に応答してオープンループ制御を提供するため、制御がシンプルで低コストです。
• モーター速度は入力パルス周波数に直接比例するため、広範囲の回転速度を実現できます。
• 負荷が軸に連結されている場合でも、低速で同期回転を実現可能です。
• 正確な位置決めと動作の繰り返し精度が良好で、1ステップあたり3〜5%の精度で、誤差はステップからステップへ累積しません。
• ステッピングモーターは安全で低コスト（サーボモーター比）、低速で高トルク、シンプルな構造で高信頼性、あらゆる環境で動作可能です。

ステッピングモーターの欠点

• ステッピングモーターは効率が低い。
• 精度が低い。
• トルクが速度とともに急速に低下する。
• オープンループ制御で動作するため、ステップアウトの可能性を示すフィードバックがない。
• トルク/慣性比が低いため、負荷を急速に加速できない。
• 騒音が大きい。

ステッピングモーターの応用

• 自動生産装置、自動車用計器、包装・ラベリング・充填・切断機などの産業機械に使用されます。
• 防犯・監視カメラなどのセキュリティデバイスで広く使用されています。
• 医療業界では、検体搬送、デジタル歯科写真、呼吸器、流体ポンプ、血液分析装置、医療用スキャナーなどで広く使用されています。
• イメージスキャナー、複写機、印刷機、デジタルカメラのオートズーム・フォーカス機能・位置決めなど、家電製品で使用されます。
• エレベーター、コンベアベルト、レーンダイバーターにも使用されます。

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