ステッピングモーター種類と仕組み

もしあなたが、3Dプリンターが物体を1層ずつ丹念に作り上げていくのを見たことがあったり、ロボットアームが素晴らしい精度で動いているのを見たことがあるなら、ステッピングモーターが関係している可能性があります。A ステッピングモーターは特殊な電気モーターである。小さく正確なステップで動くのが特徴です。このため、ステッピングモーターは、特定の場所に物を置く必要がある作業に最適です。ステッピングモーターは、自分でステップ数を数えることができるモーターだと考えてください！

この記事では、ステッピングモーターの動作原理を確認します。また、ステッピングモーターの各タイプについても説明します。さらに、優れたモーター・ドライバがどのようなステッパーにも不可欠である理由についても説明します。これは、ステッピングモーターのやさしい入門書です。読み終わるころには、この素晴らしいツールをより深く理解し、自分の楽しいプロジェクトにステッピングモーターを活用する準備ができたと感じるかもしれません。ステッピングモーターをシンプルかつ明快に理解できるこの記事は、一読に値します。

ステッピングモーターとは何か？

このステッパーが特別なのはなぜか？ステッパー・モーターはブラシレス電気モーターで、デジタル・パルスを小さな同等の機械的運動に変換する。各パルスは、モーター・シャフトに少しだけ回転するように指示するコマンドだと考えてください。ステッピング・モーターは同期モーターの一種です。つまり、ローター（回転する部分）は、ステーター（静止する部分）が作り出す磁場と同期して動く。この設計は、ステッピングモーターの動作に不可欠です。

このタイプのモーターは、位置を知るためのセンサーを必要としないので素晴らしい。ステッピングモーターの位置は、ステッピングモーターに送られるパルスを数えるだけでわかる。そのため、ステッパーに50ステップ動くように指示すれば、正確に50ステップ動きます。このため、ステッピング・モーターは、慎重な制御が必要な作業において、実に信頼性が高い。この唯一無二の能力により、ステッパーは多くの装置で愛用されています。この簡単なステッピングモーター入門では、なぜステッピングモーターがそれほど価値があるのかがわかります。ステッピングモーターは非常に便利な電気機器です。

ステッピング・モーターの実際の仕組み

では、ステッピングモーターの動作原理を説明しよう。それは磁石についてです！ステッピング・モーターの内部には、一組のコイルがあります。これらのコイルはステーターの一部です。コイルに電気が流れると、電磁界が発生します。回転する部分であるローターには、歯や永久磁石が付いています。モーターは、これらの磁界がローターを引き寄せたり反発したりする原理で動作する。ステッピングモーターは、他のモーターのように滑らかに回転することはありません。

モーター・コントローラーは、特定の順序で異なるコイルに電力のパルスを送る。各パルスは一組のコイルに通電する。これにより電磁界が形成され、ローターが真新しい位置に引っ張られる。そして次のパルスが別のコイルに通電し、ローターは再び次のステップに移動する。このステップ・バイ・ステップの動きが、ステッピング・モーターの名前の由来です。ステッピングモーターは、この電気パルスをステッピングモーターシャフトの正確な回転ステップに変換します。これは、ステッパーに優れた制御を与える見事なシステムです。

なぜステッピングモーターは特定の位置に効率よく移動できるのか？

なぜステッピングモーターは特定の位置を打つのに効率的なのか？それはステッピングモーターの設計と制御方法によるものです。ステッピングモーターに送られる各パルスは、一定の角度だけ回転します。この角度はステップと呼ばれる。ステッピングモーターが1回転（360度）するステップ数を1回転あたりのステップ数と呼びます。例えば、ステッピングモーターの1回転あたりのステップ数は200です。これは、各ステップがモーターシャフトを1.8度ずつ回転させることを意味します。

各ステップは既知の一定量であるため、ステッピングモーターはこのステップを数えるだけで、非常に正確な位置に移動できる。不確実性はありません。ステッピングモーターが90度回転する必要があり、1回転あたり200ステップ（1ステップあたり1.8度）ある場合、モーターコントローラーは50パルス（90 / 1.8 = 50）を送ります。複雑なフィードバック・システムを必要としないこの精度が、ステッパー・モーターが3DプリンターやCNCミルのような装置で使われる大きな理由です。ステッパーはこの精度を一貫して提供する。このため、ステッピング・モーターは信頼性の高い選択肢となっています。

知っておくべきステッピングモーターの主な種類とは？

ステッパーの最も一般的なモーター・タイプは、永久磁石ステッパー・モーター、可変リラクタンス・ステッパー・モーター、ハイブリッド・ステッパー・モーターの3つです。ステッピング・モーターには、それぞれ独自の動作方法と強みがあります。

これらのタイプを理解することで、プロジェクトに最適なステッピングモーターを選ぶことができます。例えば、ステッピングモーターには、より優れたスピードを提供するものもあれば、高トルクとして知られるより大きなパワーを提供するものもあります。ステッパーの選択は、それが何を必要とするかによって決まります。それぞれのステッピングモーターの種類を詳しく見ていきましょう。この理解は、どのステッパーを扱う際にも不可欠です。

永久磁石ステッピングモーターについて教えてください。

PMステッピング・モーターと呼ばれる永久磁石ステッピング・モーターについて説明しよう。その名が示すように、このステッピング・モーターはローターに永久磁石を使用しています。ローターはモーターの回転する部分です。ステーター（静止している部分）には電線のコイルがあり、これがモーターの巻線となる。このコイルに電気が流れると、電磁場が発生する。この電磁界は永久磁石ローターと相互作用する。

永久磁石ステッピングモーターは、ローター上の永久磁石がステーターコイルからの電磁界に引き寄せられたり押し流されたりすることで動作する。異なるコイルに順番に電気を切り替えることで、ステッピング・モーターは永久磁石ローターをステップ・バイ・ステップで回転させます。これらのPMステッピングモーターは一般に安価で、低速で良好なトルクを提供します。永久磁石ステッパーは、一般的なステッパーです。このステッピングモーターには永久磁石が不可欠です。

可変リラクタンス・ステッピング・モーターの特徴は？

次は可変リラクタンス・ステッパー・モーター、またはVRステッパー・モーター（VRはVariable Reluctanceの略）です。このタイプのステッピングモーターは、永久磁石ステッピングモーターとは少し異なります。可変リラクタンス・ステッパー・モーターのローターは、歯のある軟鉄材料でできています。永久磁石はありません。リラクタンス」とは、磁界が鉄ローターの歯のような、磁気を伝えやすい素材を好んで通過することを意味します。

可変リラクタンス・ステッピング・モーターの動作原理は、ステータ・コイルが電磁界を形成することです。その後、ローターの歯が通電されたステーター極に向かって引っ張られ、磁気リラクタンスが最も低い経路を見つけます。異なるコイル・セットに順番に通電することで、ステッパ・モータはロータをあるステップから次のステップへと引き寄せます。VRステッピングモータは非常に小さなステップ角を実現できますが、永久磁石ステッピングモータやハイブリッド・ステッピングモータと比べると、通常はトルクが低くなります。可変リラクタンス・ステッパーも重要なステッパーです。

ハイブリッドステッピングモーターはどのように機能を統合するのか？

ハイブリッド・ステッパ・モータは、一般的なステッパ・モータの一種です。その名が示すように、ハイブリッド・ステッパは永久磁石ステッパ・モータと可変リラクタンス・ステッパ・モータの両方の長所を兼ね備えています。永久磁石と歯付きローターの両方を使用します。ハイブリッド・ステッパー・モーターのローターには通常、永久磁石コアがあり、両端に2つの歯付き鉄カップ（またはエンド・キャップ）があります。これらのカップの歯は互いにオフセットしています。

このスマートな設計により、ハイブリッドステッピングモーターは、小さなステップ角、高精度、大きなトルクを実現することができます。永久磁石は一定の磁場を提供し、歯付き構造はローターを正確にガイドするのに役立ちます。ハイブリッド・ステッパーの利点永久磁石と可変リラクタンスの原理を組み合わせたものです。ロボットやCNC装置など、精度が要求される一般的な用途に使用されるステッピングモーターの多くは、ハイブリッド型ステッピングモーターです。このステッパ・モータは非常に多用途です。ステッパーは優れた選択肢です。

ステッピング・モーター・ドライバーはステッパーに何をするのか？

ステッピング・モーターは手に入れたが、どうやって動かすのか？そこでモータードライバー、特にステッピングモーター・ドライバーの出番です。ステッピング・モーター・ドライバーは、通常はマイクロコントローラー（Arduinoなど）から制御信号を受け取り、ステッピング・モーターのコイルに通電するために必要な電力に変換する電子回路です。ステッピング・モーターをバッテリーや基本的なスイッチに直接接続することはできず、この特別なドライバーが必要です。

ステッピング・モーター・ドライバーは、適切な量の電流を適切な順序で適切なコイルに送るという複雑な仕事を処理する。このシーケンスにより、ステッピング・モーターは一歩一歩回転します。ステッピング・モーターのスムーズで正確な動きには、優れたステッピング・モーター制御が不可欠です。モーター・ドライバは、モーター速度や、トルクに影響するモーター巻線への電流なども制御することができます。適切なステッピング・モーター・ドライバーがなければ、ステッピング・モーターは正しく機能しません。このステッパー・モーター・ドライバーはステッパーにとって不可欠です。

使用されているステッピングモーターはどこで見つけることができますか？

ステッピングモーターが使われている場所の多さに驚かれるかもしれません。精密な位置制御が可能なステッピング・モーターは、非常に貴重な存在です。ステッピングモーターの最も一般的な用途の1つは、3Dプリンターです。ステッピングモーターは、プリントヘッドと造形プラットフォームを正確に動かします。このため、3Dプリントは非常に精細になります。ステッパーのもう一つの大きな用途は、デジタル設計に基づいて材料を切断したり彫刻したりするCNCマシンです。

この他にも、ステッピングモーターは精密な関節運動のためにロボット工学でよく使われています。また、プリンター、スキャナー、コピー機などの事務機器にもステッピングモーターが使われており、用紙やプリントヘッドを動かしています。自動投薬ディスペンサーや診断機器などの医療機器でも、ステッピングモーターはその信頼性から重要な役割を果たしています。また、自動車用アプリケーションでは、エンジンのアイドル回転数の制御やミラーの調整などに使用されています。さまざまな用途が、ステッピングモーターの有用性を示しています。ステッピングモーターは、まさにあらゆるところに存在しているのです！

ステッピングモーターは普通のDCモーターと同じ？

どちらも電気モーターの一種であるが、その働きは大きく異なり、用途も異なる。単純な DCモーター通常、電力が供給されると連続的に回転する。その速度は電圧を変えることで制御され、方向は極性を変えることで制御される。DCモーターは、連続回転が必要なファンやおもちゃの車などに最適です。

一方、ステッピングモーターは離散的なステップで動きます。モーターの位置と回転角度を正確に制御することがすべてです。ステッピング・モーターは、ブラシを持つ多くの単純なDCモーターとは異なり、ブラシレス・デバイスです。高度なDCモーター・システムの中には、フィードバック・センサによって正確な制御を実現できるものもありますが、ステッパー・モーターはこれを自然に行います。そのため、モーターシャフトがどれだけ回転したかを正確に知る必要がある場合や、非常に特定の場所に移動する必要がある場合は、標準的なDCモーターよりもステッピングモーターの方が一般的に適しています。これらのモーター・タイプは、それぞれ異なるニーズに対応します。ステッピングモーターは精度に優れています。