バトルボットの電源供給 - ブラシ付きモーターとブラシレスモーター

これらのモーターの違い、メリット、そして作業に適したモーターを選択するための経験則を詳しく見てみましょう。

ブラシ付きモーターとブラシレスモーターはどちらも、ワイヤーコイルが磁石を引き付けたり反発したりする「永久磁石直流」モーターのカテゴリに属します。連続回転または「整流」を実現するには、ワイヤコイルを正確な順序でオン/オフにする必要があります。ブラシ付きモーターでは、回転する「整流子」にバネ仕掛けのブラシをこすりつけることで機械的に行われます。 モーター内で銅の巻線が回転すると、整流子が電流を異なる巻線に導きます。

ブラシレス モーター はブラシをなくし、代わりに巻線に電子パルスをかけます。各巻線にいつパルスを送るかを知るために、ほとんどのモーター コントローラーは、巻線を横切って回転する磁石によって生成される電圧を測定し、磁石の位置を決定します。 

モーターの弱点となることが多い機械式ブラシを排除すると、次のような多くの利点があります。

1.) ブラシハウジングアセンブリは機械的に複雑であり、大きな衝撃負荷によって故障する傾向があります。

2.) ブラシは柔らかい炭素合金で作られており、摩耗するため定期的に交換する必要があります。

3.) バネ式のブラシは大きな衝撃を受けると跳ね上がり、アーク放電を引き起こす可能性があります。

4.) ブラシは整流子バー間を遷移するときにアークを発生し、動作速度を制限します。

5.) カーボンブラシからの余分な電気抵抗と滑り接触による摩擦により、熱の蓄積が増加し、モーターの効率が低下します。

ブラシをなくすことの主な利点の1つは、モーターがより多くのピーク電流を処理し、より高速に回転できるようになることです。唯一の本当の制限は、熱的要因（マグネットワイヤの絶縁体が焼ける、磁石が消磁する）または機械的要因（50,000rpmで回転すると磁石が消えてしまうが、これは珍しい速度ではない）によって設定されるものです。ブラシがない場合、加熱は主に巻線抵抗のI2R損失 (ミリオーム)、非常に高い巻線電流での磁束による鉄製ステータの過飽和、および高速回転によって発生する寄生渦電流損失によって発生します。モーターの効率も向上し、最適なパフォーマンスを得るために位相の通電タイミング（モーターのタイミング）を動的に調整できるため、廃熱が少なくなります。ブラシレス モーターは熱を発生する巻線が外側にあるため、環境と直接同期でき、一方ブラシ付きモーターの熱経路は磁石を通過する必要があるため、廃熱の処理がさらに簡単になります。これらの要因が複合して、ブラシレス モーターは通常、ブラシ付きモーターと同じ機能を半分の重量で実行できます。

Perm 132ブラシ付きモーターとTP100ブラシレスモーターの比較:

重量予算が固定されている戦闘ロボットでは、サイズを小さくすることで、モーターを保護するために必要な装甲が少なくなるため、さらなる軽量化も実現します。あるいは、すべてをさらけ出す勇敢な競争者の一人になることもできます。

ナイトメアは大型のブラシ付きモーターを誇示する

予算に優しい趣味用モーターの評価に関する注意事項:  
商人は、愛好家が最軽量で最大のパワーを得ることにこだわっていることを知っています。ブラシレス モーターは電気抵抗が非常に小さく (ミリオーム)、非常に高速 (50,000 rpm) で回転できるため、短時間 (ミリ秒) に大量の電力を生成でき、これがリストに記載される「最大電力定格」になる傾向があります。この誤解を招く慣行と、一般的な確かなエンジニアリング データの欠如により、趣味用のブラシレス モーターを連続動作に適したサイズにすることが困難になっています。ほとんどの愛好家は、自分が望む設定と過去に他の人が成功した設定を比較することに頼っています。 

幸いなことに、新しい用途向けに高出力のホビーモーターの大きさを決める際には、いくつかの経験則があります。

1.) ブラシレスモーターは、モーター重量1グラムあたり2 ～ 5ワットを継続的に生成します。1グラムあたり5ワットに近い出力を実現するモーターは、最高の材料、大量の強制空冷 (ラジコン飛行機のプロペラ洗浄のような)、極めて薄い安全係数を使用することで実現しています。

2.) 記載されている最大電圧と最大電流を均等に下げて、1グラムあたり2 ～ 5ワットのルールを満たします。 覚えておいてください: 電力 = 電流 * 電圧。

3.) 通常、モーターの電流定格を超えずにロボットを動かしたり武器を回転させたりするには、ギア比などを計算するためにトルク定数 (oz*in/amp) が必要です。残念ながら、ホビーモーターではこれがほとんどリストされません。ただし、電圧定数Kv (RPM/ボルト) は常に表示されます。 幸いなことに、永久磁石の物理法則により、トルク定数 (oz*in/amp) = Kv (rpm/volt) / 1352となります。

これらの同じツールは、ブラシ付きモーターのサイズを決めるのにも役立ちます。素晴らしいオンラインリソースもあります。ロボットのドライブ トレインについては、Team Tentacleのトルク / アンペア時間計算機、またはTeam Run AmokのExcelスピナー スプレッドシートをご覧ください。ほとんどのブラシレス モーター コントローラーが大きな慣性負荷に対して行う必要がある電流制限を考慮するために、スピナー 計算機にいくつかの変更を加える必要があることに注意してください。 

ブラシレス モーターは非常に高速に回転するため、ドライブトレインなどの用途で使用可能な速度まで減速するには大量の機械的なギアが必要になります。これにより、軽量化による効果がすぐに失われ、コストが増加する可能性があります。解決策の1つは、アウトランナーと呼ばれるブラシレス モーターを使用することです。

理論的には、ブラシがないためブラシレス モーターは非常に堅牢になりますが、実際には戦闘用の調整が必要です。 アウトランナーは、ベル内の磁石をエポキシ樹脂で埋め込む必要があります。そうしないと、磁石が飛び出してしまう危険があります。アウトランナーの後端は追加のベアリングで支える必要があります。そうしないと、単なる片持ち式の大きな回転する磁石のボールとなり、衝撃で曲がってしまう傾向があります。インランナー モーターはより堅牢で密閉性が高いですが、スチール ステーターとアルミニウム モーター シェルの接合が不十分な場合があります。この結合が壊れると、メルトダウンが発生します。Caustic Creationsは、Poison Arrowに追加のエポキシを使用して巻線を缶に接着し、モーター ハウジングの周りに圧縮クランプを使用してさらに安全性を高めました。 インランナーは、銅の巻線がモーターに接着されており、熱を素早く放散できるため、出力が最も高くなる傾向がありますが、回転速度が速く、多くのギアが必要になります。磁極数の多いアウトランナーは、「電気」ギアリングにより回転速度がはるかに遅くなります。電気整流は、機械シャフトの回転ごとに複数のサイクルを経ます。 

ブラシレスの趣味用セットアップの欠点は、通常、ブラシ付きほど急激な速度や方向の変化に反応せず、制御性と操縦性が低下することです。これは主に、「センサーレス」モードで動作する趣味のESC (電子速度制御) の単純化されたプログラミングの副産物です。 センサーレスというのは誤った名称です。センサーレスESCは実際には、電源が入っていない3番目のワイヤからの逆起電力電圧を測定して、ローターがステーターに対してどこにあるかを判断し、巻線を適切に整流します。 逆起電力電圧はモーターが回転している場合にのみ生成されるため、センサーレスESCが3つの相をどのように順序付けるかを認識するには、モーターが最小速度で回転している必要があります。モーターの回転速度が最小値を下回る場合、ESCは適切なシーケンスを推測することしかできません。 

起動時に、センサーレスESCは設定された速度で巻線をシーケンスし、大量のアンペアを投入してモーターを最小速度まで加速します。このアルゴリズムは、飛行機のプロペラやRCカーの比較的軽い負荷に合わせて調整されています。オペレーターがゆっくりと加速する負荷をかけると、アルゴリズムが適切に機能せず、モーターがコグしたり、ESCが完全にメルトダウンしたりします。このため、ブラシレスは失速トルクが低いと言われ、一般的にはギア比の大きい高KVモーターが推奨されます。多段ギア減速のバックラッシュ/スロップにより、モーターは負荷に遭遇する前に勢いをつけることができます。 

エンジニアは、シングルステージのVersaPlanetaryギアボックスに接続された低KV駆動モーターで済みます。ハイエンドのESCは、失速を検出し、メルトダウンする前に起動を終了できるほどスマートです。また、多くのプログラミング オプションも用意されており、ロボット戦闘で発生する高慣性負荷に合わせてより適切に調整できます。もう1つの解決策は、磁石の近くに配置された ホール効果センサー を使用して、静止時でも位置フィードバックを提供する「センサー付き」モーターとESCを使用することですが、これらは入手が難しく、ビルドが複雑になります。多くのセンサー付きESCは、実際には、速度が上昇したり、センサーの故障が検出されたりすると、センサーなしの状態に戻ります。

パラメータの調整とテストを迅速に行うには、ESCと一緒にプログラミング カードを購入することをお勧めします。適切な設定はブラシレス動作を堅牢に行うための鍵であり、ESCによって大きく異なります。素早く逆転する必要がある駆動モーターに使用されるブラシレスESCはRCカーの種類であり、逆転遅延をプログラムできます。デフォルトのリバース遅延は、アクティブになるまでに通常数秒かかりますが、これはタンク/スキッドステアリングには最適ではありません。 ゼロ後退遅延は、多くの場合「クローラー」モードと呼ばれます (RCトラックが岩を這い上がるのを目的としており、繊細な低速スロットル制御と迅速な後退が必要です)。 Castle Mamba MonsterやXL2などの一部のRCカーESCに付属する真の電流/トルク制限は、設定された電流でESCを完全にオフにする一般的な電流シャットダウン機能に加えて使用すると非常に効果的です。常に冗長な安全対策を講じることが最善です。ブラシレスESCが最終的に爆発すると、内部でショートしてバッテリーが発火する傾向があるため、すべてのESCにヒューズを取り付ける必要があります。

ブラシレスESCは、モーターと同様に、誇張された出力要求に悩まされています。幸いなことに、どちらも同様に過大評価されています。300A 30VブラシレスESCは、200A 22Vモーターとよく組み合わせることができます。ESCでモーターよりも20 ～ 50% 高い電圧/電流を処理できますが、やりすぎないようにしてください。ブラシレスESCは特定のモーターのサイズに合わせて最適化されています。

したがって、Poison Arrowの動作を見ると、Caustic CreationsがどのようにしてPoison Arrowをこれほど速く動かし、これほど激しく攻撃できるようになったかがわかります。そして、自分で作った作品に動力を与えようと考えているなら、どんな種類のモーターが自分にとって最適か、もう少しよく分かるようになるといいですね。