ブラシ付き DC モーターはどのように動作しますか?マイクロブラシ付きモーターのエンジニアリングガイド

ブラシ付き DC モーターの動作原理: 簡単な答え

コードレス ドライバーのトリガーを押すと、小さなブラシ付き DC 電気モーターがほぼ瞬時にトルクを発生します。この素早い応答と、低コストおよびシンプルな速度制御の組み合わせが、ブラシ付きモーターが今でも多くの日用品に使用されている理由です。

動作原理は 1 つの段落に収まります。電流は、シャフトに取り付けられたセグメント化された銅整流子上をスライドする 2 つのカーボン ブラシを通って流れます。整流子は、回転子に巻かれたコイルに電流を供給します。これらのコイルは磁場を生成し、この磁場がステーターの永久磁場と相互作用して回転を生み出します。回転子が固定子の磁界と整列する直前に、整流子セグメントはブラシとの接触を変え、コイル内の電流の方向を逆転させます。この反転は転流と呼ばれ、ローターを死点を超えて押し出し、同じ方向に回転し続けます。

余姚宏陽マイクロモーターで製造されている小型の 300 シリーズから大型の 900 シリーズに至るまで、すべてのマイクロ ブラシ DC モーターは、同じ電気機械原理で動作します。

マイクロブラシ付き DC モーターの主要コンポーネント

ブラシ付き DC 電気モーターには 4 つの機能部品があります。以下の表は、各部分とその役割をまとめたものです。以下の 2 つのサブセクションでは、さまざまなサプライヤーのモーターを比較する際に重要な詳細について説明します。

ステーターとローター: トルクはどこから来るのか

永久磁石ブラシ付きモーターでは、ステーターは湾曲した磁石を使用してエアギャップ全体に固定磁界を生成します。ローターはそのフィールドの中にあります。ローターの巻線に電流が流れると、各コイルは電磁石のように動作します。ローター磁場とステーター磁場の間の引力と反発力により、シャフトにトルクが生成されます。

整流子とブラシ: メカニカルスイッチ

整流子は、ブラシ付きモーターを他の DC モータータイプと区別するものです。ローターが回転すると、さまざまな整流子セグメントが固定ブラシと接触します。スイッチングは、コイルがステータ磁界と同一平面上にある角度位置で発生します。この角度位置は、トルクがゼロに低下する点です。したがって、ブラシと整流子のペアは、外部センサーやドライバー回路なしで、ローターの位置と同期したロータリー スイッチとして機能します。

ステップバイステップ: ブラシ付き DC モーターがどのように回転するか

シーケンスを明確に理解するには、単純な 2 極モーターを想像してください。各コイルのペアは半回転ごとに切り替えられるため、このシーケンスは 1 回転ごとに 2 回繰り返されます。

1. ブラシに接続されている 2 つの端子に DC 電圧が印加されます。
2. 正のブラシは整流子セグメントに接触し、電流が回転子巻線に流れます。負のブラシが回路を完成させます。
3. 巻線に流れる電流により、ローターに磁軸が形成されます。ステータ磁石は固定されているため、磁力によってロータがステータ磁界と一致する方向に回転します。
4. 整列点では、整流子セグメントがブラシの下を通過し、巻線の電流の方向が反転します。ローターの磁極が反転するため、ローターは停止するのではなく、死点を超えて押し出され、回転し続けます。
5. このシーケンスが繰り返され、DC 電源が供給されている限り継続的に回転します。

この設計から 2 つの結果が生じます。まず、モーターの転流に電子コントローラーは必要ありません。ブラシは機械的にそれを行います。第 2 に、回転する巻線により、電源電圧に逆らう逆起電力が発生します。逆起電力は速度とともに増大するため、フリースピンするモーターはほとんど電流を消費しないのに対し、停止したモーターは最大の電流を消費します。

トルク、速度、失速状態

マイクロモーターのメーカーに問い合わせるほとんどのエンジニアは同じことを望んでいます。それは、利用可能なスペースに適合し、過熱することなく適切な速度で適切なトルクを提供するモーターです。

ブラシ付き DC モーターの動作を定義する 2 つの関係があります。トルクは電機子電流と固定子の磁束に比例します。速度は、アーマチュアに印加される電圧から巻線抵抗の両端の電圧降下を引いた値に比例します。わかりやすく言えば、シャフトに負荷がかかるとモーターの速度が低下し、より多くの電流が流れます。電圧を上げるとモーターの速度が上がりますが、トルクは電流に対してほぼ線形のままです。

これらの関係は、リスクがどこにあるのかも示します。定格負荷以下で動作するモーターは安全です。モーターが定格を超えて動作するか停止すると、巻線の絶縁体が過熱し、整流子が損傷し、ステーターの磁石が減磁する可能性があります。 モーターを選択する場合は、無負荷速度よりも定格トルクと対応する定格電流が重要です。

空気を移動する製品はトレードオフを示しています。ファンの羽根車には速度とともに負荷が増加します。モーターの動作点でのトルク余裕がないと、インペラが減速し、電流が増加します。の ファン用 RS360 高トルクブラシ付き DC モーター これは、その負荷パターンに合わせて意図的に巻かれ磁化されたモーターの例で、巻線電流を危険領域に押し込むことなくインペラに十分なマージンを与えています。

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ブラシ付きとブラシレス: 比較の意味

マイクロ DC モーターを購入する人は誰でも、ブラシレスの代替品を目にするでしょうが、その選択が必ずしも明確であるとは限りません。以下の表は、製品のコスト、信頼性、ユーザー エクスペリエンスに影響を与える要因を比較しています。

結論は理論的なものではなく実際的なものです。 製品が断続的なデューティ サイクルを持ち、低電圧で動作し、コストで競合する場合は、通常、ブラシ付きモーターがエンジニアリング上のより良い選択となります。モーターが毎日何時間も稼働し、効率が売り文句になる場合、ブラシレスは魅力的になります。これが、メーカーが両方のテクノロジーを自社の製品範囲に置いている理由であり、その答えが流行ではなく負荷プロファイルに依存している理由です。

ユーザーが製品の近くに座る家電製品では、ブラシのノイズによりすぐに苦情が発生します。の 家庭用アプリケーション用 RS380SL ミュート ブラシ付き DC モーター は、数デシベルのブラシノイズが製品が高級に感じられるか、安く感じられるかを決定する、そのような環境向けに構築された静粛性重視のバリエーションです。

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製品用のブラシ付き DC モーターの選択

マイクロ ブラシ付きモーターは常に大規模なシステムの一部であるため、選択はモーターのカタログではなく負荷から始まります。 3 つのアプリケーション パターンを認識する価値があります。

モーターと負荷のマッチング

電動工具など 電動ドライバー 低速で高トルクが必要であり、短時間の過負荷に耐えます。ブラシ付きモーターの高い始動トルクはまさに​​適切な特性です。家庭用品など ロボット掃除機 コンパクトなサイズ、適度な寿命、低ノイズが必要なため、ブラシのグレードと整流子の仕上げは、基本的な磁気設計と同じくらい重要です。などの自動化設備 自動販売機 長いデューティサイクルで動作するため、密閉された筐体内でモーターが耐えられるかどうかは、消費電流と熱放散によって決まります。

大量発注前のマイクロモーターの検証

機械的エンベロープに適合する候補リストを作成したら、大量注文を行う前にサンプルで次のパラメータを確認してください。

• 定格負荷時の定格電圧と定格電流。サンプル間の電流の 20% の差は、巻線または磁石の不一致を示します。
• 無負荷回転数、定格回転数、ストールトルク。データシートだけでなく、負荷曲線と比較してください。
• 音響ノイズ。dB(A) で報告されます。家電製品の場合、これは第一線の仕様です。機械的には完璧でも音が聞こえるモーターは製品審査に合格しません。
• 使用予定と同じデューティサイクルでテストされた動作寿命 (時間単位)。連続運転向けに定格されたモーターは、積極的な始動/停止シーケンスの下ではすぐに故障する可能性があります。
• ターゲット市場に対する重要なコンプライアンス。 ISO 9001 製造、RoHS、および REACH への準拠は、マイクロモーターの購入者から日常的に要求されています。
• シャフトとターミナルのカスタマイズ。多くの場合、シャフトの平坦さ、ピニオン ギア、リード線の長さ、コネクタのタイプによって、ドロップイン モーターとカスタム バリアントの違いが生じます。

コーヒーマシンは、製品固有のデザインが重要である理由を示す良い例です。マシンは 1 日に何度もオンとオフを繰り返すため、ユーザーはモーターの振動とカチッという音に気づきます。の RS550SL コーヒーマシン用滑らかなブラシ付き DC モーター 低振動の走行と一貫した始動動作により、まさにそのプロファイルをターゲットにしています。

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余姚虹陽マイクロモーターでは、1988 年以来 300、500、700、800、900 シリーズのマイクロブラシ DC モーターを製造しており、年間生産能力は 1,000 万個以上です。どのサプライヤーを評価する場合でも、トルク-速度曲線、騒音、耐久性に関するテストデータを求めてください。答えは、どんな宣伝文句よりも製造プロセスについて詳しく教えてくれます。