ステッピングモータの計算設計法とその応用

ある調査機関によれば2022年度の小型モータの生産数量は約65億個でそのうちステッピングモータは約9億個です。そして小型モータの中で製造個数のNO.1はボビン巻きコイルの2相クローポール型ステッピングモータです。またOA機器や3Dプリンタ等にはHB型ステッピングモータが多用されています。皆さんはこれらのモータの保持トルクや同期脱出トルクを電卓で計算したいと思いませんか?このためにはトルク発生のモデル化のコツの学習が必要です。 　計算値と実測値が一致すると大きな喜びを味わうことができモータに対する興味が倍増します。しかし筆者の知る限りではこの計算法を解説した市販の技術書は皆無に近いです。 　そして近年、モータの設計者や技術関係者は理論原理を十分に理解しないまま解析ソフトに頼る傾向が見られます。入社数年を経過しても、モータの「トルク – 速度曲線」の発生メカニズムを理解できない者も多く、これでは応用力を欠いた技術者と言わざるを得ないでしょう。 　本稿では、この点に鑑みて、モータの基礎理論、各種モータの特徴、設計法計算法、を分かりやすく、課題計算し、実測値と比較します。 　この方法をマスターすれば、VR型、PM型は勿論で、複雑なHB型モータでも、寸法値から「静トルク」「トルク – 速度曲線」が作図でき、逆に必要な「速度 – トルク曲線」からモータ寸法も決定できます。そしてこれら手法を習得してから、実務でPC磁場解析ソフトを使えば、応用力を有した技術者となり得ると確信します。 　本項では更に、ステッピングモータの駆動法や使用時の注意点、更に応用に関する豊富な事例の解説をいたします。 　筆者は、40数年のモータメーカーでの開発設計中にステッピングモータの研究で工学博士となり、並行して大学での電気機器学の教鞭、更に10年強の技術コンサルタントの経験を有し、多数の発明特許取得や論文発表をしております。1983年の極異方性磁石の提案、1990年ごろの3相HB型や3相PM型ステッピングモータの発明群が代表的なもので、本講中でも解説します。 　これらの実務と教師の経験を活かして、すぐに実務に役立つ内容になるように講義いたします。

1. ステッピングモータとは、概要と発展史
2. ステッピングモータの分類、原理、構造
   1. 回転子からの分類
      • VR型
      • PM型
      • HB型
   2. 固定子からの分類
      • 2相
        • PM
        • HB
      • 3相
        • VR
        • PM
        • HB
      • 5相HB
   3. 回転子歯数と相数で決まるステップ角
   4. 2、3、5相HB機のパルス – トルク特性の一比較
3. ステッピングモータの理論と特性
   1. ステッピングモータの基本特性
      1. 静特性
      2. 動特性
      3. 過渡特性
   2. ステッピングモータの速度 – トルク特性計算に必要な3法則
      1. フレミング (IBL,VBL) 則
      2. ファラデイ則
      3. アンペア周回路則
   3. 必要な磁気回路と磁石の知識
      1. 電磁石と磁気回路
      2. 永久磁石と磁気回路
      3. 簡易磁路法と起磁力方程式法
      4. ラジアル異方性と極異方性磁石の動作点計算法の相違
4. ステッピングモータの駆動と制御
   1. 定電圧駆動と定電流駆動
   2. ユニポーラ駆動とバイポーラ駆動
   3. マイクロステップ駆動
   4. 加減速制御
   5. 振動抑制制御
5. ステッピングモータのトルク計算と設計
   1. 一般トルク理論:静トルクと同期脱出トルク
   2. トルク計算のモデル化とキーポイント
      1. VR型はインダクタンス蓄積の電気エネルギー
         またはエアギャップ蓄積の磁気エネルギーの角度変位
      2. PMクローポール型は導体の電流方向と回転方向が同方向でIBL則をどう適用?
      3. HB型 (誘導子式固定子) では有効磁束と無効磁束をどのように計算処理するか?
         (仮想磁路法の活用)
   3. 具体例によるステッピングモータのトルク計算と設計
      1. VR型その1、3相6巻き線4歯モータ
         • 静トルク、動トルク計算
      2. VR型その2、3相6巻き線誘導子10歯モータ
         • 静トルク計算 (同一サイズで (1) の2倍トルク化)
      3. PM型、2相クローポール式42φ12極 (15°) モータ
         • 静トルク、動トルク及び、その逆計算 (トルクよりモータ寸法設計)
      4. PM型、3相積層式42角32極 (3.75°) モータ
         • 静トルク、動トルク計算
      5. HB型、2相積層式42角 (1.8°) モータ
         • 静トルク、動トルク計算
6. ステッピングモータの選定法と必要トルク計算
   1. 各種要求性能からのステッピングモータ選定
   2. 必要加減速トルク計算によるステッピングモータの選定
7. ステッピングモータの応用
   1. OA機器
   2. FA多関節ロボット
   3. 照明装置
   4. 遊戯機器
   5. 住設機器
   6. 車載補機
   7. その他、位置決め用途
8. 磁気回路の演習問題 (付録)
• 質疑応答