DC 電気モーター: 仕組み、種類、用途

なんてことだ DC 電動モーター です

直流 (DC) 電気モーターは、DC 電気エネルギーを回転機械エネルギーに変換する機械です。これは、磁界内に置かれた電流が流れる導体が力を受けるという原理に基づいて動作します。導体、磁石、スイッチング機構を正しく配置することにより、この力を一回転方向に継続的に維持して、出力シャフトに有用なトルクと速度を生み出すことができます。

DC モーターは、実用的な産業用に開発された最初の電気モーターで、1830 年代にウィリアム スタージョンやトーマス ダベンポートなどの発明家によって開発され、AC モーター技術が成熟するまで、19 世紀から 20 世紀初頭にかけて主流のモーター タイプとなりました。今日、 DC モーターは、自動車システム、ポータブル電動工具、バッテリー駆動デバイス、電気自動車、高精度モーション コントロールにおいて依然として不可欠です。 — DC 電源からの制御可能な速度とトルクが主な要件であるアプリケーション。

DC モーターの仕組み: ブラシ付き DC モーターの説明

古典的な DC モーター (ブラシ付きタイプ) は、動作原理を最も明確に示しています。その主要なコンポーネントは、アーマチュア (ローター)、フィールド システム (ステーター)、整流子、およびブラシです。

の アーマチュア 回転部品であり、銅導体が巻かれた積層鉄心で構成されます。固定子によって提供される磁界内で DC 電流がこれらの導体を流れると、各導体はローレンツ力を受けます。導体は、すべての力が同じ回転方向の接線方向に作用し、アーマチュアを回転させる正味トルクを生成するように配置されています。

の fundamental challenge is that as the armature rotates, the conductors move through the magnetic field and their position relative to the poles changes. Without correction, the force direction would reverse after 180° of rotation, stopping and reversing the motor. The 整流子 これは、セグメント化された銅リングがアーマチュア シャフトに取り付けられており、各セグメントが異なるアーマチュア巻線に接続されています。アーマチュアが回転すると、整流子セグメントが固定カーボンの下を通過します。 ブラシ 外部回路との電気的接触を維持します。整流子の幾何学的形状により、どの導体が最適なトルクを生成する位置にあっても、電流が常に正しい方向に流れることが保証されます。 正確な瞬間に各巻線の電流を効果的に反転します。 継続的な一方向回転を維持します。

DCモーターの種類と特徴

シリーズDCモーター

直列モーターでは、界磁巻線と電機子巻線が直列に接続されており、両方に同じ電流が流れます。これにより、低速では界磁に大電流が流れ、強い磁界が発生し、電機子導体に大きな力がかかるため、非常に高い始動トルクが生成されます。ただし、負荷が減少すると速度は急激に上昇し、 無負荷で動作する直列 DC モーターは危険な高速速度に達する可能性があります （「逃走」と呼ばれる状態）。シリーズ モーターは、電気牽引 (電車、路面電車)、クレーン、ホイスト、内燃機関のスターター モーターなど、高い始動トルクが要求される用途に使用されます。

シャント DC モーター

シャント モーターでは、界磁巻線が供給電圧の両端で電機子と並列 (シャント) 接続されます。界磁電圧は一定であるため、界磁磁束は負荷電流に関係なく基本的に一定です。これにより、シャント モーターに次のような特徴が与えられます。 広い負荷範囲にわたって比較的一定の速度 。速度調整 (無負荷から全負荷までの速度の変化率) は、適切に設計されたシャント モーターでは通常 5 ～ 15% です。シャントモーターは、負荷が変化しても一定速度が必要な工作機械、旋盤、フライス盤、ファンに適しています。

複合DCモーター

複合モータは直列界磁巻線と分路界磁巻線の両方を組み合わせて、直列構成の高い始動トルクと分路の速度安定性を融合させます。累積配合 (フィールド補助) により、適切な速度調整で高い始動トルクが生成されます。ディファレンシャルコンパウンディング（フィールドが反対）は、非常に平坦な速度特性を与えますが、不安定性のリスクがあるため、ほとんど使用されません。複合モーターは、プレス、パンチ、エレベーター、および良好な始動トルクと安定した運転速度の両方を必要とするその他の負荷に使用されます。

永久磁石 DC モーター (PMDC)

PMDC モータは、巻線界磁を永久磁石に置き換えることにより、界磁巻線の銅損を排除し、構造を簡素化します。彼らは提供します 線速度－トルク特性 — トルクが増加すると速度は比例して低下します。 — 非常に予測可能で制御が容易になります。永久磁石モーターは、自動車補助ドライブ (ウィンドウリフト、ワイパー、シートアジャスター)、電動工具、プリンター、小型家電など、小～中電力用途で主流のタイプです。主な制限は、永久磁石が高温または厳しい過負荷電流下で減磁する可能性があることです。

ブラシレス DC モーター (BLDC)

の brushless DC motor eliminates the mechanical commutator and brushes entirely. Permanent magnets are on the rotor; the stator carries the windings. An electronic controller (ESC or inverter) switches current through the stator windings in a timed sequence, producing a rotating magnetic field that the permanent magnet rotor follows. ブラシがないため、整流インターフェースでの機械的摩耗がありません これにより、BLDC モーターの耐用年数が劇的に長くなり、効率が高く (通常 85 ～ 95%)、電気ノイズが低くなり、同等のブラシ付きモーターよりもはるかに高速で動作できるようになります。 BLDC モーターは、電気自動車、ドローン、HVAC 機器、産業用サーボ ドライブ、コードレス電動工具の主流を占めています。

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 モーターの速度制御

DC モーターの最も価値のある特性の 1 つは、速度を簡単に制御できることです。この特性により、最新の AC インバーター技術が登場するずっと前から、可変速産業用ドライブとして DC モーターが好んで選択されてきました。 DC モーターの速度は、次の逆起電力方程式によって決まります。

速度 ∝ (供給電圧 − 電機子抵抗の電圧降下) ÷ 磁束

この方程式は、2 つの実際的な速度制御方法を明らかにします。 電機子電圧制御 — アーマチュアに印加される電圧を低減する — は、全界磁束を維持しながら比例して速度を低下させ、減速された速度でも最大のトルク能力を維持します。これは、基本 (定格) 速度を下回る速度に対する標準的な方法です。 場の弱体化 — 界磁電流、つまり磁束の減少 — 速度はベース速度を超えて増加しますが、磁場が弱くなるため、トルク容量は比例して減少します。これら 2 つの方法を組み合わせると、DC モーターに広い制御可能な速度範囲が与えられます。 10:1以上 産業用ドライブアプリケーションでは、可変周波数ドライブを使用しない制御されていない AC 誘導モーターの場合は 2:1 以下です。

現代では、速度制御は電子的に実装されています。 PWM (パルス幅変調) コントローラーは、高周波で電源のオンとオフを急速に切り替えることにより、アーマチュアへの実効電圧を変化させます。オン時間とオフ時間の比率 (デューティ サイクル) が平均電圧を決定し、ひいては速度を決定します。 PWM 制御は、抵抗による電圧降下方式に比べてスイッチング トランジスタの消費エネルギーが最小限であるため効率が高く、タコメータまたはモータ シャフトのエンコーダからの簡単なフィードバックで正確な速度調整が可能です。

DC 電動機が使用される場所

DC モーターは、ミリワット規模の精密機器からメガワット規模の産業用ドライブに至るまで、非常に幅広い用途に使用されています。

• 自動車: 最新の乗用車には以下のものが含まれています 30 個および 80 個の小型 DC モーター 運転窓、ミラー、シート、ワイパー、冷却ファン、燃料ポンプ、ABS アクチュエーター、HVAC 送風機。スターター モーター (高トルク直列 DC モーター) は、各始動サイクルでエンジンをクランキングします。
• 電気自動車: BLDC および永久磁石同期モーター (BLDC の一種) は、バッテリー電気自動車のトラクション ドライブに電力を供給します。テスラのモデル 3 リアモーターは、コンパクトで軽量なパッケージから 250 kW 以上を生成する永久磁石同期モーターです。
• 電動工具: コードレス ドリル、ドライバー、丸鋸、およびアングル グラインダーは、リチウムイオン バッテリー パックで駆動されるブラシ付き DC (エコノミー レンジ) または BLDC (プロフェッショナル レンジ) モーターを使用します。
• 産業オートメーションとロボット工学: CNC 工作機械、ロボット アーム、および自動組立装置のサーボ ドライブは、閉ループの位置および速度制御を備えた BLDC またはブラシレス永久磁石モーターを使用して、正確で反復可能な動作を実現します。
• 家庭用電化製品: ハードディスク ドライブのスピンドル モーター、コンピューターやプロジェクターの冷却ファン、スマートフォンの振動モーターはすべて、密閉されたデバイス内で連続または断続的に動作する小型 DC モーター (多くの場合 BLDC) です。
• 鉄道と交通機関: DC シリーズの主電動機は、1 世紀以上にわたって地下鉄ネットワークに電力を供給しました。世界中の多くの地下鉄システムは依然として DC 牽引インフラストラクチャーを運用していますが、最新の鉄道車両では車載インバーターによって供給される AC モーターの使用が増えています。