DCモーターとは何ですか？
DCモーターは、DC電力を機械的な動きに変換する電気機械です。医療機器用の直径わずか数ミリメートルの小型デバイスから、数千馬力を生み出すカスタム設計まで、さまざまな用途と電力要件に対応する多種多様なモーターがあります。
ブラシ付きモーターとブラシレスモーター
最も一般的な2種類のDC モーター は、ブラシDCモーターと ブラシレスDC (BLDC) モーターとして知られています。基礎となる物理学は同じですが、その構造、性能特性、制御手段は大きく異なります。
あなたのアプリケーションに最適なのはどれですか?まあ、人生の多くのことと同様に、答えは「場合による」です。ブラシ付きモーターとブラシレスモーターにはそれぞれ長所と短所があります。この記事では、両方のDCモーター技術を検討し、この複雑なトピックについて少し説明します。
ブラシ付きモーターの仕組み
1800年代に初めて発明された ブラシ付きDCモーター は、最もシンプルなタイプのモーターの1つです。これらは、初期の直流照明配電システムから電力を供給できるため、広く使用された最初のタイプでした。
図1：ブラシ付きDCモーター。（出典：オリエンタルモーター）
図1に示すように、一般的なブラシ付きDCモーターは、回転するアーマチュアと固定されたステータで構成されています。
アーマチュア (ローターとも呼ばれる) には、軟鉄芯の周りに巻かれた1つ以上の絶縁ワイヤの巻線が含まれています。巻線は1つまたは複数のコイルを形成し、アーマチュア シャフトの周囲にある複数の金属接触セグメントで構成された円筒である整流子に電気的に接続されます。ステータはローターを囲み、磁場を生成する永久磁石または電磁石を内蔵しています。ブラシはカーボンなどの柔らかい材料で作られた電気接点であり、シャフトが回転すると整流子のセグメントと接触するようにバネ仕掛けになっています。
DCモーターにおけるブラシの役割
ブラシにDC電源が接続されると、アーマチュア コイルが通電され、電磁石に変わり、そのN極とS極がそれぞれステータのS極とN極に揃うように回転します。整流子が回転すると、その動きによって電機子コイルへの電流の極性と磁場の方向が反転します。アーマチュアは新しい位置に向けて回転し、電流は再び反転し、アーマチュアは回転を続けます。
電流を逆転させるこの手段は機械的整流と呼ばれ、シャフトの機械的な回転によって電流の極性を切り替えるために必要なフィードバックが提供されます。
巻線の配置を変えることで、性能特性の異なる数種類のブラシ付きDCモーターが開発されており、基本的なタイプは5つあります。最初の4つのタイプでは、ステータとローター (アーマチュア) の両方にコイルが使用されるため、電磁石のみを使用します。
ブラシ付きDCモーターの種類と用途
並列巻きブラシDCモーターは、ローターとステーターの界磁コイルが並列に接続されており、負荷に関係なく一定の速度で動作します。この自己調整機能により、産業用定速アプリケーションで広く使用されています。
直巻ブラシDCモーターは2つのコイルが直列に巻かれており、負荷に応じて速度が変化し、負荷が減少すると速度が増加しますが、始動トルクが非常に高いため、自動車のスターターなどの短時間の用途に広く使用されています。
複巻ブラシDCモーターは、並列巻モーターと直列巻モーターを組み合わせたもので、両方の特性を備えています。複巻モーターは通常、厳しい始動条件に遭遇し、一定の速度が必要な場合に使用されます。
他励式ブラシDCモーターは、ローターとステーターに別々の電源を備えているため、高いステーター界磁電流と十分なアーマチュア電圧の両方を実現し、必要なローター トルク電流を生成できます。このタイプのモーターは、低速で高トルク能力が必要な場合に使用されます。
永久磁石ブラシDCモーターにはステータ内に永久磁石が組み込まれているため、外部磁場電流は不要です。この設計は、他のブラシ付きDCモーター タイプよりも小型、軽量、エネルギー効率に優れており、最大約2 HPの低電力アプリケーションで広く使用されています。
ブラシ付きDCモーターの速度を制御する方法
整流が機械的に実行されるため、ブラシ付きDCモーターの制御は概念的には非常に簡単です。固定速度モーターにはDC電圧のみが必要で、 オン/オフスイッチ; 電圧を変えると、速度が広範囲にわたって変化します。
より高度な制御を必要とするアプリケーションでは、図に示すHブリッジのような一般的な回路トポロジが適しています。 図2、使用できます。オンにすることで トランジスタ Q1とQ4を同時に、またはトランジスタQ3とQ2を同時にオンにすると、BDCモーターを流れる電流が一方向または他方向に流れ、双方向の動きが可能になります。
速度制御には、 パルス幅変調（PWM） 信号は平均電圧を生成するために使用されます。モーター巻線はローパス フィルターとして機能し、高周波PWM波形によってモーター巻線に安定した電流が生成されます。より正確な速度制御のためには、 ホール効果センサー または 光学エンコーダ 追加して閉ループ制御システムを形成できます。
ブラシ付きDCモーターの基礎
ブラシモーターはブラシレスモーターに比べて安価で信頼性が高く、トルクと慣性の比が高くなります。外部コンポーネントをほとんどまたはまったく必要としないため、過酷な条件下での動作にも適しています。
欠点としては、ブラシは時間の経過とともに摩耗してほこりが出るため、ブラシモーターはブラシの清掃や交換のために定期的なメンテナンスが必要です。その他の欠点としては、ローターの制限による熱放散の悪さ、ローターの慣性が大きいこと、最高速度が低いこと、ブラシアークによって発生する電磁干渉 (EMI) などが挙げられます。
ブラシレスモーターの仕組み
ブラシレスDC (BLDC) モーターの基本的な動作原理はブラシDCモーターの原理 (内部シャフト位置フィードバックを使用した整流制御) と同じですが、その構造は大きく異なります。
ブラシ付きDCモーターとは異なり、永久磁石はBLDCローターに取り付けられ、ステーターはスロット付きの積層鋼で作られ、コイル巻線が内蔵されています。
BLDCではカーボンブラシや機械式整流子も使用されません。ローターを強制的に回転させるには、ステーターの周囲のコイルに連続的に通電します。整流は、ローター位置センサー (フォトトランジスタLED、電磁センサー、または ホール効果センサーなど) と組み合わせて使用される複雑な電子コントローラーによって実行されます。
BLDC構造方式により、内部抵抗が少なくなり、ステータ コイルの熱放散が大幅に改善されます。これにより、コイルからの熱がはるかに大きな固定モーターハウジングを介してより効率的に放散されるため、動作効率が向上します。
ステータ巻線は、星型 (またはY型) パターン、またはデルタ型パターンのいずれかで配置できます。鋼板積層板にはスロット付きまたはスロットなしのものがあります。スロットレス モーターはインダクタンスが低いため、より高速で動作でき、低速ではリップルが少なくなります。スロットレスステータの主な欠点は、より大きなエアギャップを補うためにより多くの巻線が必要になるため、コストが高くなることです。
ローターの極数は用途に応じて異なります。極数を増やすとトルクは増加しますが、最高速度は低下します。永久磁石の製造に使用される材料も最大トルクに影響を与え、最大トルクは磁束密度とともに増加します。
図3: ブラシレスDCモーター (BLDC)。（出典：オリエンタルモーター）
BLDCとは何か、どのように機能するかについて詳しくは、 をご覧ください。
ブラシレスDCモーター制御
整流は電子的に実行する必要があるため、 BLDC制御 は上記の単純な方式よりもかなり複雑であり、アナログ制御とデジタル制御の両方の方法が使用されます。基本的な制御ブロックはブラシ付きDCモーターのアプローチに似ていますが、閉ループ制御が必須です。
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BLDCモーター制御に使用される制御アルゴリズムには、台形整流、正弦波整流、ベクトル (またはフィールド指向) 制御の3つの主要なタイプがあります。各制御アルゴリズムは、ソフトウェア コーディングとハードウェア設計に応じてさまざまな方法で実装でき、それぞれに明確な長所と短所があります。
図4：ブラシレスDCモーターの制御方法。
台形整流には最も単純な制御回路とソフトウェアが必要なので、ローエンドのアプリケーションに最適です。ローター位置フィードバックを使用した6段階のプロセスを活用します。台形整流はモーターの速度と電力を効果的に制御しますが、特に低速時には整流中にトルクリップルが発生します。
センサレス整流（モーターの逆起電力を測定することでローターの位置を推定する）は、アルゴリズムの複雑さが増すという代償を払って、ホール効果方式と同様のパフォーマンスを提供します。ホール効果センサーとそのインターフェース回路を排除することで、センサーレス整流はコンポーネントと設置コストを削減し、システム設計を簡素化します。
正弦波整流では、搬送周波数の変調を使用してモーターを駆動し、3つの巻線電流を同時に制御して、モーターの回転に合わせて電流が滑らかに正弦波状に変化するようにします。この技術は、台形法に伴うトルクリップルと整流スパイクを排除することで、スムーズで正確なモーター制御を実現します。オープン ループ システムとして、または速度センサーを追加したクローズド ループ システムとして動作することができ、通常は速度とトルクの両方の制御が必要な中程度の性能のアプリケーションで使用されます。複雑な正弦波整流方式を実装するには、追加の処理能力と制御電子機器が必要です。
ベクトル制御は、設計が複雑で、 マイクロコントローラに高い要求が課されるため、ハイエンドのアプリケーションにのみ使用されます。このアルゴリズムは、位相電流フィードバックを使用して電圧と周波数のベクトルを計算し、モーターを整流します。ベクトル制御は、速度とトルクの正確な動的制御を提供し、広い動作範囲にわたって効率的です。
センサーレス技術も使用できます。シャントがモーターの電流を監視し、アルゴリズムがその結果をモーターの動作パラメータの保存された数学モデルと比較します。この方法ではフィードバック デバイスのコストは削減されますが、MCUの処理要件は大幅に増加します。
BLDC制御戦略の比較
さまざまな制御戦略はどのように比較されるのでしょうか?予想どおり、単純な台形アプローチではトルク制御が最も悪くなりますが、マイクロコントローラや制御デバイスに過度の負担をかけることはありません。一方、ベクトル制御方式（フィールド指向制御、FOCとも呼ばれる）は、速度とトルクの両方を優れた方法で制御できますが、マイクロコントローラの要件が厳しくなります。
ブラシ付きモーターとブラシレスモーターの違い
ブラシレスDCモーターは、摩耗する機械的な整流子やブラシがないため、メンテナンスが少なく、火花も出ません。さらに、シャフトの摩擦と慣性が少なく、可聴ノイズが少なく、トルク対重量比（電力密度）がはるかに優れているため、同等のブラシ付きDCモーターに比べてサイズがはるかに小さくなります。
ブラシ付きDCモーターと比較すると、BLDCモーターにはパフォーマンス上の利点がいくつかあります。始動トルクが高く、定格速度までトルクは一定です。リアルタイムの電子制御により、速度制御は正確で、負荷の変動の影響を受けません。熱は内部のローターではなく外部のステーターで発生するため、冷却が容易です。また、ブラシがないため、電気ノイズが少なくなり、場合によっては最大100,000 RPMという高速で動作できます。
ブラシ付きおよびブラシレスDCモーター制御ソリューションが利用可能
これまで見てきたように、単純なブラシDCモーター制御は簡単に実現できますが、より正確なBDC制御とBLDC制御はどちらも決して簡単ではありません。
幸いなことに、モーターと適切なコントローラーを組み合わせた既製のソリューションが複数用意されています。デバイス レベルでは、Arrow Electronicsはブラシ付きモーターとブラシレス モーターの両方に対応する、大手サプライヤーの多数のモーター コントローラーを提供しています。さらに、モーター制御は巨大な市場であるため、多くのサプライヤーがDCモーター制御を対象とした開発キット、リファレンス デザイン、ソフトウェア ライブラリを提供しています。
ブラシ付きモーターとブラシレスモーター: どちらが最適ですか?
アプリケーションに応じて適切なDCモーター技術を選択する場合、多くの選択肢があります。
メンテナンスが不可能な、スペースが限られた医療機器の場合はどうでしょうか?ブラシレスソリューションを検討し始めましょう。あなたの主な関心事は低コストですか?おそらく永久磁石DCモーターが最適でしょう。
非常に精密な制御が必要ですか?デジタル制御戦略を採用したBLDCを検討してください。シンプルなコントロールスキーム？ブラシDCオプションを確認してください。
いずれにしても、ブラシレス モーター技術とブラシ付きモーター技術の相対的なメリットを理解したので、最適な選択を行えるようになるはずです。
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