モーター選定の基礎｜サーボ・ステッピング・誘導モーターの使い分けと仕様決定

1「とりあえずサーボで」は正しいか

位置決めが必要な軸にはサーボモーター、というのが自動化設備の定番だ。しかし、コスト・制御の複雑さ・保全負荷を考えると、ステッピングモーターや誘導モーターで十分な用途にサーボを使うのは過剰投資になる。

反対に、低コスト優先でステッピングを選んだら高負荷時に脱調（ステップを飛ばす）してしまった、というトラブルも多い。

モーター選定は「用途に必要な性能を整理してから種類を選ぶ」のが正しい順序。

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23種類のモーターの特徴比較

項目	誘導モーター（ACモーター）	ステッピングモーター	サーボモーター
位置制御	不可（回転数制御のみ）	可（オープンループ）	可（クローズドループ）
精度	低い	中程度（脱調リスクあり）	高い
速度範囲	狭い（定格回転数付近）	低速向き	広い
トルク特性	高速ほど低下	低速で高トルク	全域で安定
コスト	安い	中程度	高い
制御の複雑さ	簡単（ON/OFF or インバータ）	中程度	複雑（サーボアンプ必要）
保全	ほぼ不要	ほぼ不要	エンコーダ・ケーブル管理

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3用途別の選び方

誘導モーター（ACモーター）を使う場面

• コンベア・ファン・ポンプなど「回し続けるだけ」の用途
• 位置決め不要、速度は大まかに合えばいい
• インバータと組み合わせると速度調整が可能
• コスト最優先で、止まる位置を気にしない

ステッピングモーターを使う場面

• 位置決めが必要だがエンコーダをつけたくない（コスト削減）
• 速度が遅く（1000rpm以下）、トルクが安定している
• ディスペンサー・小型搬送・カメラ位置調整など軽負荷用途
• 脱調しないよう、必要トルクの2倍以上の余裕を持って選定する

サーボモーターを使う場面

• 高速・高精度の位置決めが必要
• 負荷変動が大きく、脱調リスクを許容できない
• 多軸同期制御が必要
• コストより性能優先のとき

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4必要トルクの計算

モーター選定の核心は「必要トルクがモーターの定格トルク内に収まるか」の確認。

基本式

必要トルク T（N·m）= 負荷トルク + 加速トルク + 摩擦トルク

負荷トルク TL = F × r
　F：負荷に働く力（N）
　r：モーター軸からの距離（m）または減速後の有効半径

加速トルク Ta = J × α
　J：システム全体の慣性モーメント（kg·m²）
　α：角加速度（rad/s²）= ω/t

慣性モーメントの計算

円柱（プーリー・ローラー）：J = (1/2) × m × r²
　m：質量（kg）、r：半径（m）

直線運動の換算：J = m × (リード/(2π))²
　m：ワーク質量（kg）、リード：1回転で進む距離（m）

選定の余裕率

計算した必要トルクに対して、定格トルクの2〜3倍を目安に選ぶ。

理由：

• 計算には含まれていない摩擦・抵抗の存在
• 加速・減速時の瞬間的なトルク増大
• 経年劣化・温度変化による性能低下

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5ギヤ・減速機の組み合わせ

モーター単体では回転数が高すぎる（2000〜3000rpm）場合、減速機を組み合わせてトルクを増やし回転数を下げる。

減速比 i = モーター回転数 ÷ 出力軸回転数

出力トルク = モータートルク × 減速比 × 効率
出力回転数 = モーター回転数 ÷ 減速比

選定のポイント： 減速機の効率（一般的に85〜95%）を忘れずに計算に入れる。バックラッシュ（歯のすき間によるガタ）が精度に影響する用途では、バックラッシュレス減速機（ハーモニックドライブ等）を選ぶ。

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6よくある選定ミスと失敗の構造

ミス1：静的トルクだけで選定する

止まった状態で必要なトルクだけを計算して選定すると、加速・減速時のトルクが不足してサーボアラームが頻発する。

対策： 加速時間を短く設定する場合は加速トルクが支配的になる。加速トルク ≧ 負荷トルク となるケースが多い。

ミス2：慣性比を無視する

サーボモーターは「モーター自身の慣性」と「負荷の慣性」の比（慣性比）が大きくなると制御が不安定になる。

一般的な目安：慣性比 ≦ 10（精密用途は ≦ 3）

慣性比が大きすぎる場合は、減速機でモーター側から見た慣性を小さくするか、出力の大きいモーターに変更する。

ミス3：デューティーサイクルを考慮しない

モーターの定格は「連続運転」の場合。間欠動作（動いては止まりを繰り返す）では、瞬間的に定格を超えるトルクを出せる場合がある（短時間定格）。設備の動作サイクルに合わせて確認する。

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7社内で説明するときの言い方

上司・設計者に対して： 「この軸は位置決め精度0.1mm以下が必要なので、ステッピングでは脱調リスクがあります。サーボに変更します。コストは3万円増えますが、量産での不具合リスクを考えると必要です。」

外注先・機器メーカーに対して： 「必要トルクは計算上12N·mですが、余裕を見て定格20N·mのサーボを選びたいです。慣性比は負荷側が0.8kg·m²なので、減速機で調整お願いします。」

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8まとめ：モーター選定の手順

1. 用途を確認——位置決め必要か、速度範囲、負荷変動の大きさ
2. 必要トルクを計算——負荷・加速・摩擦の合計 × 余裕率2〜3倍
3. 種類を選ぶ——位置精度不要→誘導、低速軽負荷→ステッピング、高精度→サーボ
4. 慣性比を確認——サーボの場合は必須

次のステップ：

• 空気圧回路設計の基礎 — 電動と空圧の使い分けへ
• ボールねじの選定と設計 — 直線運動軸の設計へ
• 設備構造設計の基礎 — 駆動系全体の設計へ