ブラシレス DC 電気モーター: 仕組みと選び方

ブラシレス DC モーターの仕組み

ブラシレス DC 電気モーター (BLDC) は、他の DC モーターと同じ基本原理 (磁界と通電導体の相互作用) によって回転力を生成しますが、ブラシ付き設計を定義する機械的整流子とカーボン ブラシ アセンブリが不要になります。代わりに、 専用モーターコントローラーによる電子整流 ステータ巻線に流れる電流を正確なタイミングで切り替え、磁界を回転させ、それに伴って永久磁石ロータを引っ張ります。

ローターには永久磁石 (高性能設計では通常、ネオジム、鉄、ホウ素) が搭載されており、巻線、スリップ リング、ブラシはありません。ホール効果センサー アレイ (センサーレス設計では逆起電力監視) は、ローターの位置データをコントローラーに送信し、任意の瞬間にどの巻線相に通電するかを決定します。その結果、ブラシ接触に特有のアーク放電や摩擦損失がなく、継続的でスムーズなトルクが伝達されます。 85 ～ 95% の効率 動作範囲全体での典型的な値は、同等のブラシ付きモーターの 75 ～ 85% と比較してです。

ブラシレス DC モーターとブラシ付き DC モーター: 主な違い

ブラシ付き設計とブラシレス設計のアーキテクチャの違いは、製品のライフサイクル全体にわたって意味のあるパフォーマンス、メンテナンス、コストへの影響につながります。

スパークが発生しないため、BLDC モーターは唯一の実行可能な選択肢となります。 爆発性環境またはクリーンルーム環境 この場合、ブラシ アーク放電は火災の危険を引き起こすか、粒子汚染を引き起こす可能性があります。標準的な産業環境では、アプリケーションが年間数千時間以上稼働すると、総所有コストの計算では通常、ブラシレス設計が有利になります。ブラシ交換の手間とダウンタイムの節約により、12 ～ 24 か月以内に高いモーターとコントローラーの初期費用が相殺されます。

インナーローターとアウターローターの構成

BLDC モーターには、根本的に異なる 2 つの機械構成があり、それらの選択は、性能階層の問題ではなく、アプリケーション主導で行われます。

インナーローター（インランナー） モーターは永久磁石ローターをステーター巻線の内側に配置します。ローターの質量が小さく、軸の近くに集中しているため、 低い慣性モーメント そして素早い加速レスポンス。インランナーは高 RPM (通常 5,000 ～ 50,000 RPM) で動作し、低速シャフト速度での高トルクが必要な場合にギアボックスと組み合わせます。彼らは、ロボット工学、CNC スピンドル、医療機器、高性能電動工具の分野で優位を占めています。

アウターローター（アウトランナー） モーターはローターをステーターの外側に巻き付け、磁石の質量を軸から可能な最大半径に配置します。このジオメトリは本質的に 低回転での高トルク 、ファン、ドローン プロペラ、電動自転車ハブ、ダイレクト ドライブ洗濯機などのダイレクト ドライブ アプリケーションを自然にフィットさせます。通常、アウトランナーは同等の出力のインランナーよりも幅が広く短く、減速段を必要とせずに低速でよりスムーズなトルクを生成します。

センサーレス制御とセンサー付き制御

ローター位置フィードバックは、モーター コントローラーが位相スイッチングのタイミングを正確に決定できるようにする重要な入力です。そのフィードバックをどのように取得するかによって、BLDC 実装は 2 つのグループに分けられ、それぞれに異なるトレードオフがあります。

センサー付きBLDCモーター 3 つのホール効果センサーをステーターに埋め込み、120° 離れて配置します。センサーはローターの磁石が通過することを検出し、コントローラーに位相を切り替えるよう信号を送ります。このアプローチは、ゼロ RPM からの信頼性の高い始動トルクと正確な低速制御を提供します。これは、静止時に最大トルクを供給する必要があるサーボ アプリケーション、ロボット ジョイント、EV トラクション モーターに不可欠です。

センサーレスBLDCモーター ホール センサーを完全に排除し、その代わりに、ローターの移動時に通電されていない巻線によって生成される逆起電力 (逆起電力) を測定します。逆起電力は速度に比例するため、最小しきい値 (通常は最大 RPM の 10 ～ 15%) を下回ると、信号は弱すぎて確実に測定できません。したがって、センサーレス設計は短い開ループ起動フェーズを示し、全負荷時の静止状態からのスムーズで制御された起動を必要とするアプリケーションには適していません。 利点は、モーターコストの削減、配線の複雑さの軽減、環境耐性の向上です。 — ホールセンサーのリード線が腐食したり破損したりすることはありません。このため、高速ファン、HVAC ブロワー、およびポンプ ドライブでは通常、センサーレス BLDC が使用されます。

BLDC モーターの選択: 重要な仕様パラメータ

モーターのデータシートにはさまざまなパラメーターが含まれています。すべてのアプリケーションにとって、すべてが同じように重要であるわけではありません。以下は、BLDC モーター選択プロセスへの交渉不可能な入力です。

• KV 定格 (ボルトあたりの RPM) : モーターが入力ボルトごとに生成する無負荷速度。 24 V で 1,000 KV のモーターは、無負荷状態では約 24,000 RPM で動作します。 KV が低いほど、低速でのアンペアあたりのトルクが大きくなります。 KV が高いほど、高速、低トルクの用途に適します。
• 連続定格対ピーク電流定格 : モーターの熱制限は、巻線の絶縁クラスの温度を超えずに無限に流すことができる連続電流を定義します。ピーク電流は通常 2 ～ 3 倍連続し、短時間のバーストでのみ許容されます。連続電流ではなくピーク電流に合わせてサイジングすることは、巻線の早期故障を引き起こす一般的な仕様エラーです。
• 絶縁クラス : クラス B (130°C)、クラス F (155°C)、およびクラス H (180°C) は、最大許容巻線温度を定義します。周囲温度の上昇、換気の悪さ、またはデューティサイクルの高さにより、モーターの温度が上昇します。絶縁クラスが不足していると、明らかな故障モードが現れる前に巻線が徐々に劣化します。
• IP等級 : ほこりや湿気からの侵入を防ぎます。 IP54 は軽工業用途のベースラインです。 IP65 (防塵性、耐水噴流性) は、屋外または洗浄環境における最低値です。 IP67 と IP68 はそれぞれ一時的および継続的な水没をカバーします。
• 極数 : 極が増えると、低 RPM でよりスムーズなトルクが生成されますが、最高速度は低下します。高速スピンドル モーターは通常 2 ～ 4 極を使用します。ダイレクトドライブ低速モーターは、12、24、さらには 48 極を使用する場合があります。

モーターとコントローラーの適合性は、モーターの仕様自体と同じくらい重要です。 コントローラの電圧定格は、少なくとも 20% の安全マージンを持って供給電圧を超える必要があります。 、電流定格は、モーターのピーク定格ではなく、最大負荷時のモーターの連続消費量と一致する必要があります。コントローラーの不一致は、OEM アプリケーションにおける BLDC システムの初期障害の主な原因です。