ブラシ付き DC 電気モーターはどのように動作しますか?マイクロブラシ DC モーターのガイド

短い答え: ブラシ付き DC モーターは、ブラシと呼ばれる固定カーボンまたは金属接点を介して回転コイル (ローター) に電流を流し、整流子と呼ばれる回転するセグメント化されたリングを押し付けることによって動作します。ローターが回転すると、整流子は適切な瞬間にコイル内の電流の方向を自動的に反転させ、磁力を同じ回転方向に押し続けます。この自己切り替え動作により、ブラシ付きモーターが単純な無調整の DC 電源から継続的に回転します。 回転させるために外部回路は必要ありません 、まさにこれが、以下を含むブラシ付き DC モーターの理由です。 マイクロブラシDCモーター 直径はわずか 4mm ですが、電気エネルギーを回転運動に変換する最も広く使用され、コスト効率の高い方法の 1 つです。このガイドの残りの部分では、メカニズム、マイクロ ブラシ モーターの内部にあるもの、プロジェクト用にモーターを選択する際の重さについて詳しく説明します。

ブラシ付き DC モーターのコアコンポーネント

毎 ブラシ付き DC 電気モーター は、おもちゃサイズのユニットから産業用ギア モーターに至るまで、同じ 4 つの重要な部品から構築されています。

カーボンは自己潤滑性があり、優先的に摩耗するため、固体金属ではなくカーボンまたはグラファイトが標準的なブラシ素材です。つまり、ブラシは時間の経過とともに徐々に侵食されますが、より高価な整流子表面はほとんど無傷のままです。この摩耗パターンは意図的にメンテナンスしやすいように設計されています。摩耗したブラシの交換は、損傷した整流子を交換するよりもはるかに簡単で安価です。

モーターが実際にどのように回転するか: ステップバイステップ

動作原理は、ファラデーの電磁誘導の法則とローレンツ力という 2 つの物理概念に基づいています。実際には、サイクルは次のようになります。

1. DC 電圧が 2 つのブラシ端子間に印加され、電流がブラシから接触している整流子セグメントに流れます。
2. ローターのコイルに電流が流れるとコイルが電磁石に変わり、独自の磁場が発生します。
3. このローター磁界は、ステーターの永久磁石からの固定磁界と相互作用し、極が反発し、反対極が引き合うように、ローターを回転させるトルクを生成します。
4. 回転子が固定子の磁界と整列に近づくにつれて (回転の約 180 度ごとに)、ブラシが次の整流子セグメント上に滑り込み、コイル内の電流の方向が逆転します。
5. 電流を反転すると、ローターの磁気極性が正確な瞬間に反転するため、磁気の推進力は失速することなく同じ回転方向に継続します。
6. このスイッチとプッシュのサイクルが継続的に繰り返され、電力が供給されている限りスムーズな継続的な回転が得られます。

各サイクル中に、ブラシが 2 つの整流子セグメントを橋絡し、巻線の一部を瞬間的に短絡させる瞬間があります。これが、動作中のブラシ付きモーターの内部で見られる小さな火花の発生源であり、これらのモーターが生成する電気ノイズのほとんどの原因でもあります。

マイクロブラシ DC モーターの違い

マイクロ ブラシ DC モーターは、上記で説明したものとまったく同じ整流原理を使用しますが、大幅にスケールダウンされています。業界情報源は一般に、直径約 30 mm 未満のモーターをマイクロ モーターとして分類しており、市販されているブラシ付きユニットの最小のものは、 直径4mm 、マイクロドローンや小型ロック機構などの用途に使用されます。

コアレスマイクロモーターと鉄心マイクロモーターの比較

ほとんどのマイクロ ブラシ モーターは、大型モーターに見られる従来の鉄芯アーマチュアではなく、コアレス (鉄なし) ローター設計を使用しています。コイルは鉄心に巻線を巻き付けるのではなく、自立する中空構造です。これにより、鉄損やコギング（鉄の歯のあるモーターを手で回すときに感じるギザギザした抵抗）がなくなり、コアレスマイクロモーターが実現します。 非常に低い回転慣性と速い加速 — ピペット、カメラのフォーカス機構、小型ポンプなど、迅速かつ正確な開始と停止が重要なデバイスにおいて重要な利点となります。

代表的な仕様

仕様はメーカーや用途によって大きく異なりますが、以下の表は、範囲を説明するために一般的なマイクロ モーター直径の代表的な数値を示しています。

小型のコアレスブラシ付きマイクロモーターの中には、次の効率に達するものもあります。 90%まで ただし、このピークは高速時にのみ達成され、低速または高負荷になると低下します。多くのマイクロモーターは、生の RPM と引き換えにより高い使用可能なトルクを得るためにギアボックスと組み合わせられています。これは、精密天秤、バルブ アクチュエーター、小型ロボット ジョイントなどの用途で一般的です。

速度と方向の制御

ブラシ付き DC モーターの決定的な利点の 1 つは、ブラシレスの代替モーターと比較して制御が簡単であることです。

• 速度は印加電圧にほぼ比例します。電圧を高くするとモーターの回転が速くなり、電圧を低くするとモーターの回転が遅くなります。基本的なオン/オフのアプリケーションに追加の電子機器は必要ありません。
• 2 本の電源リード線の極性を交換するだけで、整流子が切り替える電流の方向が反転するため、方向が反転します。
• 可変速アプリケーションの場合、パルス幅変調 (PWM) が標準的な制御方法です。電圧を連続的に変化させるのではなく、電源のオンとオフが急速に切り替わり、オン時間とオフ時間の比率によってモーターが認識する実効平均電圧が設定されます。
• PWM 周波数は特にマイクロ モーターにとって重要です。約 20 kHz 未満の周波数で駆動すると、ローター内で可聴超音波振動が誘発される可能性があるため、メーカーは通常、次のことを推奨します。 40 ～ 120 kHz の範囲の周波数 電流リップルを低く抑え、ブラシの寿命を保護します。

この電圧比例動作は、ブラシ付きモーターがバッテリー駆動のデバイスに自然に適合する理由でもあります。ブラシレス モーターが回転するためだけに必要な専用の整流電子機器がなくても、使用可能な速度制御を得るには、単純なリニア レギュレーターまたは基本的な PWM ドライバーで十分です。

寿命と実際に消耗するもの

ブラシ整流子のインターフェイスは、ブラシ付きモーターの駆動を簡単にする機能であると同時に、最終的に寿命を制限するコンポーネントでもあります。 2 つの磨耗メカニズムが同時に動作します。整流子に対して滑るブラシによる機械的摩擦と、ブラシがセグメント間をブリッジするたびに発生する小さな火花による電気侵食です。

比較すると、 ブラシレス DC モーターは数万時間の動作時間に達する可能性があります 磨耗するブラシと整流子の接触がないため、その制限要因は代わりにベアリングの磨耗に移ります。この寿命の差は、ブラシ付きとブラシレスのどちらかを選択する際に考慮すべき最大のトレードオフです。ブラシ付きモーターは初期費用が安く、駆動も簡単ですが、連続使用用途では定期的なブラシ交換が必要です。一方、ブラシレスモーターは初期費用が高くなりますが、そのメンテナンスサイクルを大幅に回避できます。

ブラシ付きモーターとマイクロブラシモーターが実際に使用される場所

ブラシレス設計との競争にもかかわらず、ブラシ付き DC モーターは、その低コスト、シンプルな制御、高い始動トルクがまさに多くの用途、特に連続デューティ サイクルや超長寿命が優先事項ではない用途で必要とされるものであるため、依然として一般的です。

• 最大寿命よりも高い始動トルクと低い単価が重要な電動工具や小型家電製品。
• 玩具、RC 車両、ホビー ドローン。8 ～ 20 mm 範囲のマイクロ コアレス モーターが軽量パッケージで高 RPM を実現します。
• ウィンドウリフト、シートアジャスター、小型ポンプなどの自動車補助システム。
• 医療機器や実験室機器、ピペット、サンプル処理プラットフォーム、精密天びんでは、制御された反復可能な動作のために、ギアボックスやエンコーダと組み合わせた小型コアレス ブラシ モーターが頻繁に使用されます。
• 定期的なブラシ交換が許容できるメンテナンス項目である、低コストのジョイントまたはアクチュエータのためのロボット工学およびファクトリーオートメーション。

マイクロブラシ DC モーターの選択: 重要な要素

プロジェクトに適切なマイクロ ブラシ DC モーターを選択するには、単に利用可能な最小または安価なオプションを選択するのではなく、いくつかの仕様をアプリケーションの実際の制約に適合させる必要があります。

1. 供給電圧を電源に合わせます。一般的なマイクロモーターの定格は約 1.5V から最大 24V までなので、モーターの定格電圧がバッテリーまたは電源と一致していることを確認してください。
2. マイクロモーターは一般的に約 4mm から最大 24mm 以上まで入手可能であるため、モーターの直径と長さに応じて利用可能なスペースを確認してください。
3. 素の速度とトルクのどちらが重要かを決定します。ギアボックスのないコアレス モーターは高 RPM と高速加速に有利ですが、ギアボックスを追加すると、最高速度と引き換えに使用可能なトルクが大幅に高まります。
4. デューティ サイクルと必要な寿命を見積もる — 断続的に使用する民生用デバイスでは低コストのブラシ モーターを快適に使用できますが、連続使用のアプリケーションではブラシレス モーターのより高い初期費用が正当化される可能性があります。
5. 電気ノイズの感度を考慮してください。モーターが敏感な電子機器と回路を共有する場合は、基本的な EMI 抑制の予算を立ててください。これは、ブラシの整流によって本質的に電気ノイズが発生するため、ブラシレス設計では避けられないためです。