ブラシレス DC モーターの説明: 仕組み、図、ドリルの使用方法

DC電動モーターとは何ですか?

DC 電気モーターは、直流電気エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する機械です。磁界内に置かれた導体に電流が流れると、その導体に力が作用します。これがローレンツ力であり、存在するすべての DC モーターの背後にある物理原理です。複数の通電導体 (巻線) を回転シャフトの周りに対称的に配置し、それらを流れる電流の方向を管理することにより、DC モーターは連続した制御可能な回転を生成します。

DC モーターは、電動工具、電気自動車、産業用コンベヤ、ロボット、HVAC ファン、家庭用電化製品など、可変速、高トルク、またはバッテリー駆動の駆動が必要な場所で使用されます。それらの特徴は、回転速度が印加電圧に正比例し、トルクが電流に正比例することです。そのため、AC モーターと比較して電子制御が簡単です。

DC モーターには主に次の 2 つのカテゴリがあります。 ブラシ付きDCモーター そして ブラシレスDCモーター（BLDC） 。どちらも同じ電磁原理に基づいて動作しますが、モーター巻線を流れる電流の切り替え、つまり整流と呼ばれる機能を管理する方法が根本的に異なります。

DC 電気モーターはどのように動作するか: 基本原理

すべての DC モーターには 2 つの基本的な磁気コンポーネントが含まれています。 ステーター (固定された磁場を提供する外側の部分) と ローター (アーマチュアとも呼ばれる、回転する内側の部分)。ステーターの磁界とローターの電流が流れる巻線によって生成される磁界との相互作用により、シャフトを駆動する回転力、つまりトルクが生成されます。

回転を 1 回の半回転ではなく連続的にするには、ローターの巻線を流れる電流の方向を、ローターが回転する適切な瞬間に反転する必要があります。この切り替え (転流と呼ばれる) がなければ、磁力が逆転し、ローターを開始位置に押し戻します。 ブラシ付き DC モーターでは、整流は機械的に処理されます。 ローターシャフトに取り付けられたセグメント化された銅リング (整流子) と、それに押し付けられるバネ仕掛けのカーボンブロック (ブラシ) によって行われます。ローターが回転すると、ブラシが連続する整流子セグメントと滑り接触し、各回転の正しい時点で電流の方向が自動的に反転します。

簡単な DC モーターの図: 主要コンポーネント

簡略化されたブラシ付き DC モーターには、中心シャフトの周りに配置された次の要素が含まれています。

• ステータ (界磁): 外側ハウジングに取り付けられた永久磁石または電磁石は、ローターのエアギャップを通じて固定磁場を生成します。
• ローター（アーマチュア）： 絶縁銅線コイルを巻いた積層鉄心。動作電流を流し、回転磁界を生成します。
• 整流子: ローターシャフトに取り付けられたセグメント化された銅リング。ローターが回転すると、巻線の電流の方向が切り替わります。
• ブラシ: バネ仕掛けのカーボン接点が整流子を押し、外部回路から回転巻線に電流を供給します。
• シャフトとベアリング: 回転出力を負荷に伝達します。ベアリングがシャフトをサポートし、摩擦を最小限に抑えます。

ブラシと整流子は、ブラシ付きモーターの機械的な弱点です。カーボンブラシは摩擦により徐々に磨耗し、熱、電気ノイズ、カーボン粉塵が発生します。高速または重い負荷がかかると、ブラシの接触がアーク放電を起こし、さらなる摩耗を引き起こす可能性があります。ほとんどのブラシ付きモーターは、負荷と速度の条件に応じて 500 ～ 2,000 時間の運転時間後にブラシの交換が必要になります。

ブラシレスモーターとは何ですか?

ブラシレス DC モーター (BLDC) は、整流子とブラシ アセンブリを完全に排除し、機械的整流を専用のモーター コントローラーによって管理される電子的整流に置き換えた DC 電気モーターです。その結果、モーターは固定部分と回転部分の間に物理的接触がなく、ブラシが磨耗することも、整流子がアークを発生することもなく、カーボンダストがモーター内部を汚染することもありません。

ブラシレス モーターでは、ブラシ付き設計と比較して、ローターとステーターの役割が事実上逆転します。 永久磁石はローターに取り付けられています 、一方 巻かれた銅コイル（巻線）はステーターに固定されています 。モーター コントローラーは、ステーターに埋め込まれたホール効果センサーを使用してローターの角度位置を読み取り、正しいシーケンスでステーター巻線に流れる電流を切り替えてローターの回転を維持します。この電子スイッチングは毎秒数千回発生し、ユーザーには見えませんが、ブラシ付きモーターの機械的整流システム全体がソリッドステート電子機器に置き換えられます。

巻線はステータ (固定部分) 上にあるため、電流の流れによって生成された熱は、周囲の空気またはヒートシンクと接触しているモーター ハウジングを通じて直接放散されます。ブラシ付きモーターでは、回転するアーマチュアの内部で熱が発生しますが、そこから取り除くのは困難です。この熱的利点により、ブラシレス モーターは過熱することなく、より長時間にわたって強力に動作することができます。

ブラシレスモーターの仕組み: 電子整流

ブラシレス モーターの動作は、永久磁石ローター、三相ステーター巻線、電子速度コントローラー (ESC) またはモーター ドライバーという 3 つの相互作用システムに依存します。

ブラシレス モーターは通常、次のように構築されています。 120°離れて配置された 3 セットの固定子巻線 （三相建設）。モーター コントローラーはこれらの巻線を回転シーケンスで通電し、ステーター内に回転磁界を生成します。永久磁石ローターはこの回転磁界を追跡し、常に最も近いステーターの磁極と整列しようとします。この回転磁界の追跡により、連続回転が生成されます。

コントローラは、正しい瞬間に正しい巻線に通電するために、ローターの正確な位置を常に把握している必要があります。 ホール効果センサー ステーターに埋め込まれたセンサーはローターの磁石の位置を検出し、回転のあらゆる点で位置信号をコントローラーに送信します。一部の先進的なブラシレス モーターは、物理センサーではなく逆起電力 (ローターの回転によって生成される電圧) からローターの位置を推測するセンサーレス整流を使用しており、これにより部品数が削減され、高速アプリケーションでの信頼性が向上します。

ブラシレスモーターの効率: なぜそれが重要なのか

ブラシレスモーターは日常的に次のことを達成します 85 ～ 95% の電気対機械効率 、同等のブラシ付きモーターの 75 ～ 85% と比較して。効率の向上は、ブラシの摩擦損失を排除し、転流点での電気抵抗を低減し、電子スイッチングによるより正確な電流制御を可能にすることによってもたらされます。電動工具、電気自動車、ドローンなどのバッテリー駆動のアプリケーションでは、この効率の違いは、充電あたりの稼働時間の延長に直接つながります。ブラシレスドリルが同等のブラシ付きドリルと同じタスクを実行すると、同じ電力定格であっても、バッテリーの消耗が大幅に遅くなります。

ブラシレスモータードリルとは何ですか?

ブラシレス モーター ドリルは、従来のブラシ付きモーターではなく、ブラシレス DC モーターを動力源とするコードレス ドリルまたはドリル ドライバーです。ブラシレス ドリルは、2009 ～ 2012 年頃に初めてプロ仕様のツールに登場し、それ以来、DIY から産業用途に至るまで、あらゆる性能層の標準となっています。

ブラシレスモータードリルのブラシ付き同等品に対する実際的な利点は非常に大きく、上記のモーター設計の違いを直接追跡できます。

• バッテリー駆動時間の延長: モーターの効率が高いほど、1回の充電あたりの仕事量が多くなります。通常、ブラシレス ドリルは、同じバッテリー パックのブラシ付きモデルよりも 25 ～ 50% 長い実行時間を実現します。
• より高い出力: ブラシの摩擦損失がなければ、より多くのバッテリーのエネルギーがチャックに到達します。ブラシレスドリルは、バッテリーから供給されるアンペアあたりにより多くのトルクを生成します。
• より長い工具寿命: 磨耗するブラシがなく、整流子のアーク放電もないことは、通常の使用ではモーター自体の耐用年数が本質的に無制限であることを意味します。制限要因となるのはモーターではなくベアリングとギアボックスです。
• 適応型電力供給: ブラシレスドリルのモーターコントローラーは、負荷に基づいて電流供給をリアルタイムで調整できます。軽負荷では、モーターは最小限の電流を消費します。重い負荷がかかると加速します。この負荷感知動作により、制御が向上し、簡単なタスクでのバッテリーの消耗が軽減されます。
• メンテナンスの軽減: ブラシの点検や交換間隔はありません。専門的に頻繁に使用されるブラシ付きドリルは通常、1 ～ 2 年ごとにブラシを交換する必要があります。ブラシレスドリルには同等のサービス要件はありません。

主なトレードオフはコストです。電子速度コントローラーにより製造が複雑になり、ブラシレスドリルは同等の出力レベルのブラシ付きドリルよりも高価になります。ただし、 生産量の拡大に伴い、価格プレミアムは大幅に低下した — エントリーレベルのブラシレスドリルが、以前はブラシ付きモーターでのみ実現できた価格で入手できるようになり、あらゆる予算でブラシレスの利点を利用できるようになりました。

ブラシ付きドリルとブラシレス ドリル: それが重要になるのはどのような場合ですか?

絵を吊るしたり、フラットパック家具を組み立てたりするなど、時折使用する軽い用途には、ブラシ付きドリルが適切でコスト効果が高くなります。ブラシレスモーターの効率と長寿命の利点は、高デューティサイクルの用途で最も価値があります。たとえば、ドリルを毎日数時間使用する作業員、1 回の充電で最大の稼働時間を必要とする用途、または大量のネジを打ち込んだり、密集した木材や石材に穴をあけたりするなど、長期間にわたって安定したトルクが要求される作業などです。 プロまたはセミプロで定期的に使用されるコードレス ドリルの場合、ブラシレスが正しい選択です。

ブラッシュド vs ブラシレスDCモーター : 技術比較

ブラシレス DC モーターは現在、効率、寿命、または正確な電子制御が優先される用途で主流となっています。ブラシ付きモーターは、コスト重視、低デューティ サイクル、またはシンプルさが重視されるアプリケーション向けに引き続き生産されており、ユニット コストの低下と駆動回路の簡素化が性能上の欠点を補います。特に電動工具分野では、市場はブラシレスへと決定的に移行しています。 ほとんどの主要な工具メーカーは現在、コードレス シリーズ全体にわたってブラシレス バリエーションを提供しています。 、コンパクトなドライバーから強力なハンマー ドリルやアングル グラインダーまで。