同期機50【電験3種 機械】ステッピングモータの記述で誤りは？令和4年上期 A問題6 完全解説

今回は令和4年度上期 機械科目 A問題6を解説します。ステッピングモータに関する記述の誤りを1つ選ぶ論説問題です。

無通電状態でも回転子位置を保持する力があるのは永久磁石形。永久磁石を用いない可変リラクタンス形（VR形）には保持力がありません。

問題文と選択肢

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和4年度上期 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題6

ステッピングモータに関する記述として，誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

(1)　ステッピングモータは、パルスが送られるたびに定められた角度を1ステップとして回転する。

(2)　ステッピングモータは、送られてきたパルスの周波数に比例する回転速度で回転し、入力パルスを停止すれば回転子も停止する。

(3)　ステッピングモータは、負荷に対して始動トルクが大きく、つねに入力パルスと同期して始動できるが、過大な負荷が加わると脱調・停止してしまう場合がある。

(4)　ステッピングモータには、永久磁石形、可変リラクタンス形、ハイブリッド形などがある。永久磁石を用いない可変リラクタンス形ステッピングモータでは、無通電状態でも回転子位置を保持する力が働く特徴がある。

(5)　ステッピングモータは、回転角度センサを用いなくても、1ステップごとの位置制御ができる特徴がある。プリンタやスキャナなどのコンピュータ周辺装置や、各種検査装置、製造装置など、様々な用途に利用されている。

出題のポイント：無通電時の保持力は磁石があるかどうか

ステッピングモータの3型式のうち、無通電でも回転子位置を保持できるのは磁石を持つものです。(4)は磁石を持たないVR形に保持力があると書いている——ここが誤りです。

型式	回転子	無通電時の保持力	通電時の保持
永久磁石形（PM形）	永久磁石	ある	ある
可変リラクタンス形（VR形）	歯のついた鉄心（磁石なし）	ない	ある（リラクタンストルク）
ハイブリッド形（HB形）	磁石＋歯付き鉄心	ある	ある

「無通電時」と「通電時」を分けて考えるのが要点です。VR形も通電していればリラクタンストルクで位置を保てます——電源を切った瞬間に保持できなくなるのがVR形の性質です。

5つの記述を判定する

記述	内容	判定	根拠
(1)	パルスごとに定められた角度（1ステップ）を回転	正しい	ステップ角の定義
(2)	パルス周波数に比例する回転速度、停止すれば回転子も停止	正しい	周波数が速度を決める
(3)	始動トルクが大きく入力パルスと同期して始動できるが、過大負荷で脱調	正しい	自起動領域の性質
(4)	VR形は無通電でも保持力が働く	誤り ✗	磁石がないので無通電では保持できない
(5)	角度センサなしで位置制御ができる	正しい	オープンループ制御

(3)の「つねに入力パルスと同期して始動できる」を読む

この記述は、少し引っかかる書き方です。「つねに」と言い切っておきながら「過大な負荷が加わると脱調」と条件を付けている——矛盾しているように見えるかもしれません。

しかし、これは正しい記述です。ステッピングモータには「自起動領域（セルフスタート領域）」があるからです。

領域	何ができるか	条件
自起動領域	停止状態からいきなり同期して始動できる	パルス周波数が低い／負荷が軽い
スルー領域	徐々に加速すれば追従できる（いきなりは無理）	自起動領域より高い周波数
領域外	脱調する	過大な負荷／急激な加減速

自起動領域の中であれば、文字どおり「つねに同期して始動」できます。誘導電動機のように滑って徐々に加速するのではなく、1パルス目からきっちり1ステップ動く——これが位置決めに使える理由です。

ただし領域を外れれば脱調します。記述(3)は「領域内では確実、領域外では脱調」という両方を述べている——正確な記述だと言えます。

実務では、この領域を外さないように「台形駆動」を使います。低い周波数から始めて徐々に上げ、目標速度で走り、また徐々に下げて止める——加減速の勾配を緩やかにすることで脱調を防ぎます。

VR形にも「通電中の保持力」はある

(4)を判定するとき、「VR形には保持力がまったくない」と誤解しないよう注意してください。問われているのは「無通電状態でも」という条件付きの話です。

	通電中	無通電
PM形・HB形	磁石＋電磁力で強く保持	磁石だけで弱く保持（ディテントトルク）
VR形	リラクタンストルクで保持	まったく保持できない（自由に回る）

VR形は通電していればきちんと止まります。磁気抵抗が最小になる位置に引き寄せられているからです——電源を切った瞬間、その力が消えて自由に回るようになります。

この違いは用途に効いてきます。停電時に位置を保ちたい装置ならPM形かHB形、手で動かせたほうが都合のよい装置ならVR形——「保持力がない」ことが欠点とは限りません。

PM形・HB形のディテントトルクは、逆に振動の原因にもなります。磁石が安定点に引き寄せられるので、ステップごとに引っかかりが生じる——滑らかに回したい用途では、これが騒音や振動として現れます。どの性質も、見方を変えれば長所にも短所にもなるということです。

4種類のトルクを区別して覚える

本問の(4)で問われている「無通電状態でも回転子位置を保持する力」は、ディテントトルクという固有の名前を持っています。混同しやすい他のトルクと並べて整理しておきましょう。

名前	どんな状態のトルクか	VR形にあるか
ディテントトルク	無通電で静止しているときの保持力	ない（磁石がないため）
ホールディングトルク（保持トルク）	通電して静止しているときに耐えられる最大トルク	ある
プルイントルク	停止状態からいきなり同期して始動できる最大トルク	ある
プルアウトトルク	回転中に同期を保てる最大トルク（脱調の限界）	ある

(4)が問うているのは1行目だけです。VR形にないのはディテントトルクであって、他の3つはすべて存在します——「VR形には保持力がない」と単純化しすぎると、かえって混乱します。

プルイントルクとプルアウトトルクの関係も押さえておきましょう。プルイン（始動できる）＜プルアウト（回り続けられる）——始動のほうが厳しいのです。

	プルイン領域（自起動領域）	プルアウト領域（スルー領域）
意味	停止状態からいきなり同期できる	徐々に加速すれば追従できる
トルクの大きさ	小さい	大きい
周波数の範囲	狭い（低い周波数のみ）	広い

止まっているものをいきなり同期させるのは、回転子の慣性に打ち勝つ必要があるので厳しい——だからプルインのほうが小さいのです。いったん回り出してしまえば、慣性は味方になります。

この2つの領域があるから「台形駆動」が必要になります。プルイン領域の低い周波数で始動し、徐々に上げてプルアウト領域の高い速度まで持っていく——いきなり高い周波数を送ると、プルイン領域を外れて脱調します。

記述(3)の「つねに入力パルスと同期して始動できる」は、プルイン領域内での話です。そして「過大な負荷が加わると脱調・停止してしまう場合がある」は、プルアウトを超えた話——1つの記述で2つの領域に言及していることになります。

まとめ

誤り選択肢	(4)
理由	VR形は無通電で保持力なし（保持力は永久磁石形）
種類	永久磁石形／VR形／ハイブリッド形
答え	(4)

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