ブラシ付きDCモーターとブラシレスDCモーター：主な違い

DCモーターとは何ですか？

DCモーターは、直流電力を機械的な動きに変換する電気機械です。医療機器に使用される直径数ミリメートルの小型デバイスから、数千馬力を発生するカスタム設計まで、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DC モーターの2つのタイプは、ブラシ付DCとブラシレスDC（BLDC）として知られています。基礎物理は同じですが、構造、性能特性、および制御方法は非常に異なります。
 
どちらがあなたのアプリケーションに最適ですか？ まあ、多くのことと同様に、答えは「それ次第」です。ブラシ付きモーターとブラシレスモーターには利点と欠点があります。この記事では、両方のDCモーターテクノロジーを見ていき、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動作原理

1800年代に最初に発明されたブラシ付きDCモーターは、最も単純なタイプのモーターの一つです。初期の直流照明電力供給システムから電力を供給できたため、広く使用された最初のタイプでした。

図1に示すように、典型的なブラシ付きDCモーターは、回転する電機子と固定されたステータで構成されています。
 
電機子（ローターとも呼ばれる）は、軟鉄のコアの周りに絶縁された電線の巻線を含んでいます。巻線は1つ以上のコイルを形成し、電機子のシャフト周りにある複数の金属接点セグメントで構成されたシリンダーである整流子に電気的に接続されています。ステータはローターを囲み、磁場を生成するために永久磁石または電磁石を含んでいます。ブラシは炭素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につれて整流子のセグメントと接触するようにスプリングで押されています。

DCモーターにおけるブラシの役割

直流電源がブラシに接続されると、電機子コイルが通電され、電磁石に変わり回転して、北極と南極がそれぞれステータの南極と北極に整列します。整流子が回転すると、その動きで電機子コイルへの電流の極性と磁場の方向が逆転します。電機子はその新しい位置へと回転し、電流は再び逆転し、電機子は回転を続けます。
 
この電流を逆転させる方法は機械整流と呼ばれ、シャフトの機械的回転が電流の極性を切り替えるために必要なフィードバックを提供します。
 
巻線の配置を変えることで、異なる性能特性を持ついくつかのブラシ付き直流モーターの種類が開発されており、基本的なタイプが5つあります。最初の4つのタイプはステータと回転子（電機子）にコイルを使用し、電磁石のみを使用します。

ブラシ付きDCモーターの種類とその用途

分巻界磁ブラシ直流モーターは、ローターとステータ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速度で動作します。この自己調整機能により、産業用途での一定速度のアプリケーションに広く使用されています。
 
直巻界磁ブラシ直流モーターは、2つのコイルが直列に巻かれており、その速度は負荷によって変化します。負荷が減ると速度が増加しますが、非常に高い始動トルクがあるため、自動車スターターのような短時間のアプリケーションに広く使用されています。
 
複巻界磁ブラシ直流モーターは、分巻と直巻モーターの組み合わせで、両方の特性を備えています。複巻モーターは、厳しい始動条件に直面しつつも、一定速度が必要な場合によく使用されます。
 
他励式ブラシ直流モーターは、ローターとステータに別々の電源を持ち、高いステータ界磁電流と必要なロータートルク電流を生成するのに十分な電機子電圧を供給できるようにしています。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。
 
永久磁石ブラシ直流モーターはステータに永久磁石を含み、外部界磁電流を必要としません。この設計は他のブラシ直流モータータイプよりも小型、軽量でエネルギー効率が高く、約2馬力まで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

機械的に整流を行う場合、ブラシ付きDCモーターの制御は概念的に非常に簡単です。固定速度のモーターにはDC電圧とオン/オフスイッチだけが必要であり、電圧を変化させることで広範囲の速度を変更できます。
 
より高度な制御を必要とするアプリケーションには、図2に示されているようなHブリッジのような一般的な回路トポロジーを使用できます。トランジスタQ1とQ4を同時にオンにするか、トランジスタQ3とQ2を同時にオンにすることで、BDCモーターを流れる電流が双方向に動き、双方向の動きを可能にします。

速度制御には、パルス幅変調 (PWM) 信号を使用して平均電圧を生成します。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波形はモーター巻線に安定した電流を生成します。より正確な速度調整のために、ホール効果センサーや光学エンコーダーなどの速度センサーを加えて、閉ループ制御システムを形成することができます。

ブラシ付きDCモーターの基本

ブラシ付きモーターは、ブラシレスモーターと比較して安価で信頼性が高く、トルク対慣性の比率が高いです。外部コンポーネントをほとんど必要としないため、過酷な条件下での運転にも適しています。
 
しかし、ブラシは時間の経過とともに摩耗して粉塵を発生させます。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。他の欠点としては、ローターの制限により放熱が悪く、ローター慣性が高く、最大速度が低いこと、ブラシのアークが発生することによる電磁干渉 (EMI) があります。

ブラシレスモーターの動作原理

ブラシレスDC（BLDC）モーターの動作の基本原理は、ブラシDCモーターと同じで、内部シャフト位置フィードバックを使用した整流制御ですが、構造は非常に異なります。
 
ブラシ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ています。ステーターはスロット付きの積層鋼でできており、コイル巻線を含んでいます。
 
BLDCは炭素ブラシや機械式整流器も使用しません。ローターを回転させるためにはステーター周囲のコイルを順に励起し、整流はローター位置センサー（例：フォトトランジスタLED、電磁またはホール効果センサー）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り行われます。
 
BLDCの構造方式により、内部抵抗が少なく、ステーターコイルの熱放散が非常に優れています。コイルからの熱がはるかに大きな固定モーターケースを通じて効率的に放散されるため、より高い動作効率が得られます。
 
ステーター巻線はスター（またはY）パターンまたはデルタパターンに配置できます。鋼の積層はスロット付きまたはスロットなしにできます。スロットなしのモーターはインダクタンスが低いため、高速で動作しやすく、低速でのリップルも少なくなります。スロットなしステーターの主な欠点は、より大きなエアギャップを補うために巻線が多く必要となるため、そのコストが高くなることです。
 
ローターの極数はアプリケーションによって異なる場合があります。極数を増やすことでトルクは増加しますが、最大速度は低下します。永久磁石を構成する材料も最大トルクに影響を与え、磁束密度が増加することによりトルクが増加します。

BLDCとは何か、その仕組みについて学びましょう。

ブラシレスDCモーター制御

電子的に整流を行う必要があるため、BLDC制御は上記で述べた単純な方式よりもかなり複雑であり、アナログとデジタル両方の制御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、閉ループ制御は必須です。

BLDCモーター制御に使用される主な制御アルゴリズムには、トラペゾイドコミュテーション、サイン波コミュテーション、およびベクトル（またはフィールド指向）制御の3つがあります。それぞれの制御アルゴリズムは、ソフトウェアコーディングやハードウェア設計に応じて異なる方法で実装することができ、それぞれに特有の利点と欠点があります。

台形コミュテーションは最も簡単な制御回路とソフトウェアを必要とするため、低価格のアプリケーションに理想的です。ロータ位置フィードバックを使用する6段階プロセスを利用します。台形コミュテーションは、モーターの速度と出力を効果的に制御しますが、特に低速時のコミュテーション中にトルクリップルが発生します。
 
センサーレスコミュテーションは、モーターの逆起電力を測定してロータ位置を推定する方法で、アルゴリズムの複雑さが増しますが、ホール効果法に似た性能を提供します。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、センサーレスコミュテーションは部品と設置コストを削減し、システム設計を簡素化します。
 
正弦波コミュテーションは、モーターを駆動するために搬送波周波数の変調を使用し、3つの巻線電流を同時に制御するので、モーターが回転するにつれて電流が滑らかで正弦波的に変化します。この技術は、台形方式に関連するトルクリップルとコミュテーションスパイクを排除することで、滑らか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運用することも、速度センサーを追加してクローズドループシステムとして運用することもできます。通常、速度とトルク制御が必要な中間性能アプリケーションに使用されます。複雑な正弦波コミュテーション方式は、実装するために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、その複雑な設計と高い要求からハイエンドアプリケーションに限定されます。アルゴリズムは相電流フィードバックを使用して電圧と周波数ベクトルを計算し、モーターをコミュテートします。ベクトル制御は、速度とトルクの精密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電流を監視し、アルゴリズムがモーター動作パラメータの保存された数学モデルと結果を比較します。この方法はフィードバック装置のコストを削減しますが、MCUの処理要求が大幅に増加します。

BLDC制御戦略の比較

異なる制御戦略はどのように比較されるのでしょうか？予想されるように、単純な台形制御アプローチはトルク制御が最も劣りますが、マイクロコントローラや制御装置に多くを要求しません。反対に、ベクトル制御法（フィールド指向制御、またはFOCとも呼ばれる）は速度とトルクの両方を優れた制御で提供しますが、マイクロコントローラの要件は厳しいです。

ブラシ付きモーターとブラシレスモーターの違い

機械的な整流子や摩耗するブラシがないため、ブラシレスDCモーターは低メンテナンスで火花を発生しません。さらに、シャフトの摩擦や慣性が少なく、聞こえる騒音が少なく、トルクと重量の比率（パワー密度）が非常に良いため、同等のブラシ付きDCモーターよりもサイズが小さくなっています。
 
ブラシ付きDCモーターと比較して、BLDCモーターは性能面でいくつかの利点があります。彼らは高い始動トルクを持ち、トルクは定格速度まで一定です。リアルタイムの電子制御により、速度調整が正確で負荷変動に敏感ではありません。熱が内部のローターではなく外部のスタターで発生するため、冷却が容易です。そして、ブラシがないことにより、電気ノイズが少なく、いくつかの場合では100,000RPMまでの高速で動作することができます。

利用可能な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

ご覧のとおり、単純なブラシ付きDCモーターの制御は簡単ですが、より正確なBDC制御およびBLDC制御は決して容易ではありません。
 
朗報としては、市販のソリューションが多数あり、モーターに適したコントローラーが見つかります。デバイスレベルでは、Arrow Electronicsは一流のサプライヤーからの多数のモーターコントローラーを提供しており、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しています。さらに、モーター制御は大きな市場であるため、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、および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の違い：どちらがあなたに最適なのか？

用途に応じて適切なDCモーター技術を選ぶ際には、多くの選択肢があります。
 
メンテナンスが選択肢にないスペース制約のある医療機器はどうでしょうか？ ブラシレスソリューションを検討してください。低コストが主な関心事ですか？ おそらく永久磁石DCモーターが適しているでしょう。
 
非常に正確な制御が必要ですか？ デジタル制御戦略を備えたBLDCを検討してください。簡単な制御方式ですか？ ブラシ付きDCオプションを確認してください。
 
いずれにせよ、ブラシレス対ブラシ付きモーター技術の相対的な利点を理解した今、最良の選択をするためのより良い立場にあるべきです。