電験三種 令和7年度下期 機械 問7｜電動機応用

電験三種「機械」の「電動機応用」からの出題（令和7年度下期 問7）。ステッピングモータの基本を問う穴埋め問題で、正答は(3)です。

ステッピングモータは、パルスを1つ送るごとに決まった角度だけ回るモータです。そのため、回転角度は(ｱ)パルス数に比例し（(ｲ)回転角度）、パルスを連続して送ったときの回転速度はパルスの(ｳ)周波数（1秒間に送るパルスの数）に比例します。

1パルス当たりの回転角度は(ｴ)ステップ角といい、永久磁石形は電流を流していなくても回転子の位置を(ｵ)保持する力が働きます。よって正答は(3)です。

【各空白の検討】

(ｱ) パルス数・(ｲ) 回転角度：1パルスで決まった角度θだけ回るので、N 個のパルスを与えると回転角度は Nθ。回転角度はパルス数に比例する。「周波数に比例する回転速度」は(ｳ)の内容で、(ｱ)(ｲ)ではない。

(ｳ) 周波数：1秒間に f 個のパルスを与えると、1秒間に fθ[°]回る。回転速度はパルスの周波数に比例する。パルスの「幅」（1つのパルスが続く時間）は回転速度を決めない。

(ｴ) ステップ角：1パルス当たりの回転角度 θ の名称。

(ｵ) 保持する力：永久磁石形は、回転子の永久磁石と固定子の鉄心との間の磁気的な吸引力により、通電していなくても回転子が位置を保とうとする。

【選択肢の絞り込み】

(ｱ)をパルス数、(ｲ)を回転角度としているのは(2)と(3)。(ｳ)が周波数、(ｵ)が保持する力になっているのは(3)だけです。

・(1)：(ｲ)回転速度、(ｴ)移動角が誤り。

・(2)：(ｳ)幅、(ｵ)追従する力が誤り。

・(4)(5)：(ｱ)を周波数としている点から誤り。

【回転角度と回転速度の式】

ステップ角を θ[°]、与えたパルス数を N とすると、回転角度は Nθ[°]です。パルスの周波数を f[Hz]（1秒間に f 個）とすると、1秒間の回転角度は fθ[°/s]なので、回転速度 n は

　n＝fθ／360 [s⁻¹]＝60fθ／360＝fθ／6 [min⁻¹]

となります。回転角度はパルス「数」、回転速度はパルスの「周波数」で決まる、という対応がこの問題の骨格です。(ｱ)と(ｳ)にパルス数と周波数を取り違えた組合せが並んでいるのは、この2つを混同しやすいからです。

【開ループで位置決めできる理由】

回転角度がパルス数で決まるので、回転子の位置を検出するセンサを使わずに、指令したパルスの数だけで位置を決められます（開ループ制御）。入力パルスを止めれば回転子も止まるので、プリンタや工作機械の送りなど、決まった量だけ動かす用途に向いています。ただし、負荷が大きすぎたりパルスの周波数を急に上げすぎたりすると、パルスに追従できずに回転子がずれる「脱調」が起きます。選択肢の「追従する力」は、この追従の話と混同させるための語句と考えられます。

【種類ごとの特徴】

・永久磁石形（PM形）：回転子に永久磁石を使う。無通電でも磁石の吸引力で位置を保持する力（ディテントトルク）が働く。

・可変リラクタンス形（VR形）：回転子は歯のついた鉄心で、磁気抵抗（リラクタンス）が最小になる位置に引き寄せられて回る。永久磁石がないので、無通電では保持する力はほとんど働かない。

・ハイブリッド形（HB形）：永久磁石と歯付き鉄心を組み合わせた構造で、細かいステップ角と大きなトルクを両立する。

本文が「永久磁石形では無通電状態でも」と限定しているのは、VR形との違いがこの保持する力にあるためです。

【関連する出題】

電験三種の機械では、ステッピングモータについて、本問のような原理の穴埋めのほか、ステップ角とパルス周波数から回転速度を計算する問題が出題されています。n＝fθ／6 [min⁻¹]（θ は度）を自分で導けるようにしておくと、計算問題にもそのまま対応できます。