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モーター(3)

こちらの記事の翻訳です。

前回の記事では、直流モーターと交流モーターについて解説を行いました。本記事では、一般人にはあまり使われておらず、比較的近年に開発されたステッピングモーターについて解説します。実際には、製造業・軍用・医療用・自動車そして娯楽産業において非常に幅広く使われており、何か物体をある位置から他の位置へと動かしたい場合に、このステッピングモーターは非常に身近なものになります。また、機械と電気を融合した製品にとっても、重要な装置となっており、自動制御システムにおいて幅広く使われています。

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これは、パルス電流を偏位角度に変換するパルスモーターです。しかしながら、直流・交流モーターと同様に使えるわけではありません。ダブルパルスと電力回路から構成された制御システムを使う必要があります。単体で使うことはできず、コントローラおよびドライブに接続する必要があります。 

外見は交流モーターに少し似ているものの、構造は全く違うことがわかります。

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動作原理

固定子の巻線を通じて電流が流れると、固定子の巻線が磁界ベクトルを発生させます。磁界が回転子をある角度分動かし、回転子の磁界の向きが固定子と同じになります。固定子の磁界ベクトルがある角度分回転すると、回転子も磁界ベクトルと同じ角度分回転します。

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電気パルスが入力されるごとに、モーターが回転します。偏位角度の出力は、入力パルスの数、速度、パルス周波数に比例します。また、巻線の巻き方が逆になると、モーターの回転も逆になります。従って、ステッピングモーターの回転を制御するためには、制御パルスの数、周波数、各相のモーターの巻き数が重要になります。

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図: ステッピングモーターの仕組み(黄色い部分はステップごとの移動量)

次の動画は、ステッピングモーターを使用している機器が動いている様子です。

また、モーターに加えて、コントローラとドライブを接続する必要があります。

コントローラは、制御を行うために外部からコマンドをモーターに送り、転送速度と制御はパルス信号を必要とします。制御コマンドは、心拍のような方形波を断続的にパルス波として送り続けます。

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ドライバはモーターに電力を供給し、コマンドに応じてモーターが作動することを保障し、コントローラによって転送された信号とともに電力を制御します。そして、励磁回路に電流が流れる順番を決定し、モーターに供給される電力を制御し、ループを駆動します。

このように、ステッピングモーターの利用法はより複雑なため、一般人にはほとんど使われていません。

ステッピングモーターの分類

ステッピングモーターは、構造によって歯車状鉄心形(VR)、永久磁石形(PM)、複合形(HS)の3種類に分けることができます。

  • 歯車状鉄心形: 単純な構造かつ低価格で、ステップ角は小さいですが、動的パフォーマンスに欠け、非効率的であり、高温になりやすく、安定性を保つのが困難です。
  • 永久磁石形: 動的パフォーマンスと出力トルクが優れていますが、モーターの精度やステップ角の大きさという点では劣ります。
  • 複合型: 出力トルクが大きく、動的パフォーマンスに優れており、ステップ角は小さいですが、複雑な構造のため、製造コストが比較的高くなっています。

コストパフォーマンスの観点から、複合型のステッピングモーターが最も一般的となっています。

利点 欠点
  • ブラシを使わず、信頼性が高いため、モーターの寿命は軸受のみに依存しています
  • エラーが蓄積しても、次の位置には影響しないため、繰り返し精度に優れています
  • オープンループ制御が使われているため、モーターの構造が比較的単純で、また低コストで製造することができます
  • 速度はパルス周波数に比例するため、比較的早いスピードに対応することができます
  • モーターの軸のみに直接負荷がかかるため、低速度での同期回転を行うことができます
  • 制御が適切に行われなかった場合に共振が起こってしまいます
  • 高速での制御が困難です
  • 大きさや重さには特に利点が無いため、エネルギー効率が低いです
  • 過度に負荷がかかると、同期が崩れたり、高速で使用すると、振動や騒音が起こる可能性があります

用途

ステッピングモーターは幅広く使われており、フロッピーディスクドライブやハードディスクドライブ、プリンター、XYテーブルなど、主に位置や角度を制御するのに使われています。さらに、おもちゃ、ワイパー、バイブ端末、機械アーム、レコーダーなど、組み込み機器の開発において、ステッピングモーターはより使われるようになっています。

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PCのフロッピーディスク

これまでの3本の記事で、一般的によく使われているモーターについて解説しました。しかしながら、これら3種類のモーター以外にも数多くのモーターが存在します。科学技術の発展に伴い、より多くのモーターが開発されてきました。例えば、リニアモーターカー、加速器、武器にはリニアモーターが使用されています。また、1980年代に開発された超音波モーターは、医療や宇宙開発に使用されています。

そして、より小さいモーターへの需要が市場や顧客の中で高まっていることや、製品の寿命や大きさ・重さに影響を与えるモーター駆動中の熱が課題となっていることから、今後のモーター開発においては、大きさと冷却効率に重点を置いた開発が行われるでしょう。