ブラシレスモーターとは何ですか?仕組み、図、DC タイプの説明

ブラシレスモーターとは何ですか?

ブラシレス モーターは、電子的に整流された磁界によって回転力を生成する電気モーターで、従来のブラシ付きモーターで使用されていた物理的なカーボン ブラシと機械的な整流子リングが不要です。ブラシレス モーターは、ローター巻線を通る電流の方向を切り替えるためにスライド電気接点に依存する代わりに、専用の電子コントローラーである ESC (電子速度コントローラー) または BLDC ドライバーを使用して、ローター位置と正確なタイミングで固定ステーター巻線に電流をシーケンスします。ローター自体には永久磁石が搭載されており、電気接続はまったくありません。

このアーキテクチャの変更により、すぐに 3 つの影響が生じます。まず、ブラシ付き設計における熱、摩耗、効率低下の主な原因であるブラシの摩擦やアーク放電が発生しません。第 2 に、発熱する巻線はステーター上にあり、モーター ハウジングと直接接触しており、受動的または能動的に冷却できます。ブラシ付きモーターでは、回転するローターの内部に熱が蓄積し、放散することが困難になります。 3 番目に、転流タイミングはあらゆる動作条件に対してソフトウェアで最適化でき、幅広い RPM と負荷範囲にわたってモーターを最高効率で動作させることができます。 ブラシレスモーターは通常 85 ～ 95% の効率を達成します 、同等のブラッシュドデザインの場合は 75 ～ 80% です。

「ブラシレス モーター」という用語は、最も一般的にはブラシレス DC モーター (BLDC) を指します。これは、DC 電圧によって電力が供給され、電子整流を使用して AC モーターの回転磁場に近似します。永久磁石同期モーター (PMSM) を含むブラシレス AC モーターは、同じ物理原理で動作しますが、台形 DC スイッチングではなく正弦波 AC 波形によって駆動されます。日常的な使用では、「ブラシレス モーター」と「BLDC モーター」は、家庭用電化製品、電動工具、ドローン、電気自動車、産業オートメーション全体で同じ意味で使用されます。

の図 ブラシレスDCモーター : 内部構造

ブラシレス DC モーターの図を理解するには、ステーター、ローター、永久磁石、ホール効果センサー、外部コントローラーの 5 つの機能要素を識別する必要があります。回転シャフト上のセグメント化された整流子リングに押し付けられるブラシを示すブラシ付きモーターの図とは異なり、BLDC 図は、固定された外側本体上のすべての電気的複雑性を示し、その内側または外側で回転する単純な磁石アセンブリを示します。

ステータ (固定巻線)

ステーターは、インランナー BLDC モーター (またはアウトランナーの内輪) の固定された外部構造です。これは、スター型または突極形状に打ち抜かれた積層シリコン鋼コアで構成され、銅コイルが巻かれ、相 A、相 B、相 C の 3 相に配置されます。これら 3 相は、3 つの巻線すべてが共通の中性点を共有するスター (Y) 構成、または巻線が三角形で端から端まで接続するデルタ (Δ) 構成で接続されます。 スター配線の方が一般的です 低 RPM でより高いトルクを生成し、コントローラーの設計を簡素化できるため、BLDC モーターに使用されます。最大の高速電力が優先される場合は、デルタ配線が推奨されます。

ステーターのスロットとローターの極の数がモーターの基本的な特性を定義します。 12 スロット、14 極構成 (ドローン モーターで一般的) により、コギングの少ないスムーズなトルクが生成されます。 9 スロット、12 極の設計は、トルク密度と製造の簡素化のバランスが優れているため、電動工具では一般的です。スロットと極数も電気サイクル周波数を決定します。14 極モーターは機械の 1 回転あたり 7 電気サイクルを完了します。これは、コントローラーが同じ RPM で 2 極モーターよりもシャフト 1 回転あたり 7 倍速く電流を切り替える必要があることを意味します。

ローター（永久磁石）

インランナー BLDC モーター (電動工具、ハードドライブ、およびほとんどの産業用モーターの標準構成) では、ローターがステーター ボアの内側に配置されます。これは、表面に取り付けまたは埋め込まれた永久磁石を備えた鋼製シャフトで構成されています。表面実装マグネット ローター (SPM) は製造が簡単で、低コスト設計で主流です。内部永久磁石ローター (IPM) は、ローター積層板の内側に磁石を埋め込んでおり、より高いリラクタンス トルクと、拡張された速度範囲でのより優れた磁束弱化を可能にします。電気自動車のトラクション モーターは、ほぼ普遍的に IPM ローター設計を使用しています。

アウトランナー BLDC モーターはこの形状を逆にし、永久磁石アセンブリが固定ステーターの外側を中心に回転します。これにより、アウトランナーはトルクを生成するためのより大きなモーメントアームを得ることができ、自然にダイレクトドライブ用途に適したものになります。ドローンのプロペラや電動自転車のハブモーターは負荷を回転するアウターシェルに直接取り付け、ギアボックスを排除します。アウトランナーがプロデュースする より低い回転数でより高いトルク 一方、インランナーは同等のインランナーよりも回転が速く、高速のギア付きアプリケーションに適しています。

ホール効果センサー

ほとんどの BLDC モーターには、ステーターに 120° 間隔 (構成によっては 60°) で取り付けられた 3 つのホール効果センサーが含まれています。各センサーは、通過するローター磁石の磁場を検出し、N 極または S 極が隣接しているかどうかに応じて、高または低のバイナリ信号を出力します。 3 つのセンサーは一緒になって、電気サイクルごとに 6 つの固有の状態を循環する 3 ビットの位置コード (例: 101、001、011、010、110、100) を生成し、コントローラーがいつでもどのステーター相に通電するかを決定するのに十分な位置分解能を提供します。これはブラシレス モーターの整流ロジックの中心です。 ホールセンサー出力 → コントローラーがローター位置をデコード → 正しい位相ペアを切り替える .

センサーレス BLDC モーターはホール センサーを完全に省略し、代わりにローターの磁石が通過する際に通電されていない相巻線に生成される逆起電力 (起電力) を監視することでローターの位置を検出します。センサーレス設計は、よりシンプル、よりコンパクト、より安価であり、ドローン、PC 冷却ファン、家電製品で主流となっていますが、逆起電力が検出される前にローターがすでに回転している必要があります。これが、センサレス モータが閉ループ逆起電力追跡に切り替える前に起動シーケンス (開ループ強制整流) を必要とする理由であり、高負荷下では起動を躊躇したり確実に起動できない可能性がある理由です。

ブラシレスモーターの仕組み: 整流シーケンス

ブラシレス モーターの動作原理は、ステーターの切り替え可能な電磁石とローターの固定永久磁石の間の電磁吸引と反発です。コントローラーは、特定のシーケンスで巻線に通電することにより、ステーター内に回転磁場を継続的に生成します。ローターの永久磁石がこの回転磁界を追跡し、磁気トルクを機械的なシャフトの回転に変換します。

台形整流を行う三相 BLDC モーター (ホール センサー搭載モーターの標準的なアプローチ) では、常に 3 相のうち 2 相のみが通電されます。コントローラーの 6 ステップの整流シーケンスは次のように機能します。

1. ステップ 1: A相がプラス、B相がマイナス、C相がオフ。結果として生じる磁界は、最も近いローター磁石を AB ステーター極ペアに向かって引き寄せます。
2. ステップ 2: A相がプラス、C相がマイナス、B相がオフ。フィールドは電気的に 60 度回転します。ローターが続きます。
3. ステップ 3: B 相がポジティブ、C 相がネガティブ、A 相がオフ。フィールドはさらに 60 度回転します。
4. ステップ 4: B 相がプラス、A 相がマイナス、C 相がオフ。回転は継続します。
5. ステップ5: C 相がプラス、A 相がマイナス、B 相がオフ。
6. ステップ6: C 相がポジティブ、B 相がネガティブ、A 相がオフ。 1 つの完全な電気サイクルが完了します。シーケンスが繰り返されます。

各ステップでは、ロータの現在の位置よりわずかに前方に励磁場が保持されます。これは、ロータの前に永久にニンジンが存在するかのようにです。ローターが現在のフィールド位置に近づくとすぐにコントローラーが次のステップに進むため、ローターは決して追いつきません。 速度は巻線に印加される電圧を変化させることで制御されます 通常、コントローラの三相インバータ ブリッジのハイサイド スイッチの PWM (パルス幅変調) を通じて行われます。トルクは相電流の大きさによって制御されます。これら 2 つの変数間の関係、およびそのリアルタイム最適化は、基本的な BLDC ドライバーと高度なフィールド指向制御 (FOC) システムを区別するものです。

場指向制御と台形整流

台形整流は 6 つのステップの間で突然切り替わり、電気周波数の 6 倍のトルク リップル (出力トルクの周期的変動) を生成します。低速では、このリップルにより可聴ノイズと振動が発生します。高速では無視できるほどになります。正弦波整流またはベクトル制御とも呼ばれるフィールド指向制御 (FOC) は、連続的に変化する正弦波電流を 3 つの相すべてに同時に適用し、完全に滑らかな回転磁界を生成します。結果は ほぼゼロのトルクリップル、より静かな動作、5 ～ 15% 高い効率 部分負荷時。 FOC は、より多くの計算能力 (数十 MHz で動作する DSP または ARM Cortex マイクロコントローラー) と 3 相すべてでの正確な電流検出を必要とします。そのため、FOC は高級電動工具、電気自動車、産業用サーボ ドライブでは標準ですが、コスト重視の消費者製品ではあまり一般的ではありません。

ブラシレスモーターとブラシ付きモーター: 重要な性能の違い

ブラシレス電気モーターの図とブラシ付きモーターの図は、重要なトレードオフを明らかにしています。ブラシ付きモーターは機械的に自己整流するのに対し (駆動電子機器が単純で、システムコストが低い)、ブラシレスモーターは複雑さをコントローラーに移し、その代わりに大幅な性能上の利点を獲得します。

ブラシ アーク放電は、医療機器、精密測定機器、RF システムなど、EMI (電磁干渉) が懸念される用途で特に重大です。ブラシ付きモーターの整流子は、周波数スペクトル全体にわたって広帯域の電気ノイズを生成し、近くの敏感な回路に結合する可能性があります。対照的に、ブラシレス モーターは、PWM 周波数とその高調波でのみスイッチング ノイズを生成します。これは、標準の EMI 抑制コンポーネントでフィルタリングできる、管理可能で予測可能な干渉源です。

ブラシレス DC モーター データシートの主な仕様

アプリケーション用のブラシレス DC モーターを選択するには、ブラシ付きモーターのデータシートには記載されていない、相互に依存するいくつかの仕様を解釈する必要があります。これらの数値を理解することで、誤用、特にブラシレス モーター システム設計で最も一般的な仕様エラーであるコントローラー要件の過小評価を防ぐことができます。

• KV 定格 (RPM/V) — 単位換算を必要としない、印加 DC ボルト当たりのモーターの無負荷速度。 12V の 1000KV モーターは、無負荷状態で約 12,000 RPM で回転します。 KV が高い = より速く、より低いトルク。 KV が低い = 速度は遅く、トルクは高くなります。ドローン推進モーターは通常、300KV (大型で低速のプロペラ) から 2,500KV (小型で高速のプロペラ) の範囲です。
• 連続電流およびピーク電流 (A) — 連続電流は、モーターが過熱することなく処理できる持続的な負荷です。ピーク電流は加速時または失速時の瞬間的な最大値です。 コントローラーの電流定格はモーターのピーク電流を超える必要があります — ESC のサイズが小さいと、急加速中に FET が故障する原因になります。
• 相抵抗(mΩ) — 任意の 2 相端子間の巻線抵抗。抵抗が低いということは、特定の電流での銅損 (I²R 加熱) が少ないことを意味しますが、電流が制限されていない場合は、ストール電流が大きくなり、コントローラーに損傷を与える可能性もあります。
• トルク定数(Nm/A) — 相電流のアンペアごとに生成される出力トルク。Kt = 60/(2π × KV) の逆関係により KV に直接関係します。この数値は、アプリケーションが最大トルク要求時に必要とする電流の大きさを決定します。
• 極数 — 正しい整流周波数を計算するためにコントローラーによって必要とされます。 3,000 RPM の 14 極モーターでは、コントローラーが毎秒 7 × 3,000/60 = 350 電気サイクル、つまり台形整流では最低でも毎秒 2,100 のスイッチング イベントを実行する必要があります。
• センサー付きとセンサーレス — モーターにホール効果センサーが含まれているかどうか。センサー付きモーターには、ホール センサー入力を備えたコントローラーが必要です。センサーレスモーターには逆起電力検出機能を備えたコントローラーが必要です。これらを混在させると (センサーレス コントローラーでセンサー付きモーターを実行すると)、始動の信頼性が低くなり、減磁の可能性が生じます。

ブラシレスモーターが使用される場所: 分野別の用途

コントローラのコスト低下と、より長いサービス間隔とより高い電力密度の需要により、過去 20 年間にわたり、パフォーマンスが重要なほぼすべてのアプリケーションでブラシレス モータがブラシ付き設計に取って代わりました。

家庭用電化製品および電化製品

HDD スピンドル モーターは、最初の量販市場向けブラシレス アプリケーションの 1 つでした。HDD スピンドルの精密な速度制御と長寿命の要件により、ブラシ付きモーターは最初から実用的ではありませんでした。現在、PC 冷却ファン、洗濯機のドラム モーター、ロボット掃除機、コードレス電動工具はすべて、標準として BLDC モーターを使用しています。ブラシレスモーターを搭載したプレミアムコードレスドリルは、 1 回の充電あたりの実行時間が 25 ～ 50% 増加 同じ電圧のブラシ付き同等品と比較して、効率が高いほど、より多くのバッテリーエネルギーが熱ではなく有用な仕事に変換されるためです。

ドローンとRCアプリケーション

マルチコプタードローンは、推力の生成をアウトランナー BLDC モーター (通常は三相、センサーレス、ダイレクトドライブ) に完全に依存しています。高い出力重量比、正確な電子速度制御、メンテナンスが必要なブラシがないことの組み合わせにより、BLDC は民生用および商用 UAV にとって唯一実行可能な推進技術となっています。一般的な 5 インチ FPV レーシング ドローン モーター (2306 フレーム サイズ、2400KV) の重量は 35g 未満で、ピーク電流で 1kg 以上の推力を生成します。これは、ブラシ付きモーターでは達成できない出力密度です。

電気自動車

EV トラクション モーターは主に内部永久磁石 BLDC (または PMSM) 設計であり、高電圧バッテリー パックから電力を供給する FOC インバーターによって制御されます。モデル 3 のテスラのリア モーターはスイッチ リラクタンス設計ですが、フロント モーターは PMSM であり、高速道路走行の全速度範囲にわたる効率を考慮して選択されています。 BMW i3 とほとんどのヒュンダイ/キア EV モデルは IPM BLDC モーターを使用しています。ピーク電力出力の範囲は、小型EVの150kWから高性能アプリケーションの500kW以上に及び、すべてマイクロ秒レベルのスイッチング精度を備えた自動車グレードの三相インバータによって管理されます。

産業オートメーションとロボティクス

CNC 工作機械、ロボット アーム、コンベア システムのサーボ モーターは、ほぼすべてブラシレスです。FOC 制御、高解像度エンコーダー、閉ループ フィードバックの組み合わせにより、負荷変化全体でミクロン以内の位置精度と 0.01% 以内の速度調整を実現します。爆発性ガスや微粉塵のある環境 (穀物処理、化学工場、鉱山) では、密閉ハウジングを備えたブラシレス モーターにより、ブラシ アーク放電による発火のリスクが排除され、ブラシ付きモーターでは満たすことのできない ATEX および IECEx の危険場所認定を受けることができます。