DC モーターの種類: ブラシ付きとブラシレス、およびその仕組み

DC モーターには主に 5 つのタイプがあります。 ブラシ付きDCモーター (シリーズ、シャント、複合、永久磁石のサブタイプを含む) および ブラシレスDCモーター (BLDC)。 各タイプは、直流電気エネルギーを機械的回転に変換するという同じ基本原理で動作しますが、構造、制御方法、効率、および用途の適合性が大きく異なります。基本的なアプリケーションにシンプルで低コストのモーターが必要な場合は、ブラシ付き DC モーターが現実的な選択肢です。要求の厳しい環境で高効率、長寿命、正確な速度制御が必要な場合、ブラシレス DC モーターが優れたソリューションです。このガイドでは、すべての主要なタイプを詳細に説明しているので、正しい決定を下すことができます。

DC モーターの仕組み: 財団

すべての DC モーターは同じ電磁原理で動作します。つまり、電流が流れる導体が磁界内に置かれると、ローレンツ力の法則で説明される機械的な力がかかります。この力によりローター (回転部分) が回転し、電気エネルギーが回転機械エネルギーに変換されます。

さまざまな DC モーター タイプの主な違いは次のとおりです。 磁場はどのように作られるのか そして 回転電機子に電流がどのように供給されるか 。ブラシ付き DC モーターでは、カーボン ブラシがローター シャフト上の整流子との物理的な滑り接触を維持し、電流を伝達します。ブラシレス DC モーターでは、この機械的整流が専用コントローラーを介した電子スイッチングに置き換えられ、ブラシが完全に排除されます。

DC モーターは、トルク (Nm または oz-in で測定)、速度 (RPM)、効率 (%)、および定格出力 (ワットまたは馬力) といったいくつかの重要な性能パラメーターによって特徴付けられます。モーターをアプリケーションに適合させるには、さまざまなモーター タイプがこれらのパラメーターでどのように動作するかを理解することが不可欠です。

すべての DC モーター タイプの概要

次の表は、主な DC モーター タイプの概要を比較したもので、それぞれを詳しく調べる前に議論の方向付けを行っています。

ブラシ付き DC モーター: 構造とその仕組み

ブラシ付き DC モーターは、ステーター (界磁巻線または永久磁石を保持する固定の外側フレーム)、ローター (銅コイルが巻かれた回転電機子)、整流子 (ローター シャフト上のセグメント化された銅シリンダー)、およびカーボン ブラシ (スプリングによって整流子に押し付けられる固定の導電性ブロック) の 4 つのコア コンポーネントで構成されます。

DC 電流がブラシを通って整流子に流れると、特定の電機子コイルに順番に通電します。アーマチュアの磁界とステータの磁界の間の相互作用により、シャフトを回転させるトルクが生成されます。整流子は、ローターが回転するときにどのコイルに通電するかを機械的に切り替え、連続回転を維持します。この機械的整流がブラシ DC モーターの名前の由来であり、その主な制限でもあります。

ブラシと整流子の間の滑り接触により、摩擦、熱、および徐々に摩耗が発生します。ほとんどのカーボンブラシは交換が必要です。 500～1,000稼働時間 ただし、低速モーターではブラシの寿命が 3,000 時間を超える場合もあります。ブラシの摩耗によって炭素粉塵も発生し、敏感な環境を汚染する可能性があります。

4種類のブラシ付きDCモーター

1.直列DCモーター

直列 DC モーターでは、界磁巻線が電機子巻線と直列に接続されており、両方に同じ電流が流れます。この構成により生成されるのは、 非常に高い始動トルク 、多くの場合、定格ランニングトルクの5〜8倍です。ただし、速度は負荷に応じて大幅に変化します。負荷が減少すると速度は際限なく増加し、負荷が完全に取り除かれると危険な暴走状態が発生します。

• 始動トルク： 非常に高い - 重い初期負荷を必要とするアプリケーションに最適
• 速度規制: 悪い — 負荷が増加すると速度が急激に低下します
• アンロードした状態で実行してはなりません: 危険な速度超過はモーターを損傷し、安全上のリスクを引き起こす可能性があります
• 代表的な用途: 電気機関車主電動機、自動車用始動電動機、クレーン巻上機、電気路面電車

2. シャント DC モーター

シャント DC モーターでは、界磁巻線が電源を介して電機子と並列 (シャント) 接続されます。界磁巻線は電機子電流に関係なく一定の電圧を受けるため、磁界はほぼ一定に保たれます。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ほぼ一定の速度 通常、無負荷から全負荷までの変化はわずか 5 ～ 10% です。

• 速度規制: 優れています - 安定した速度を必要とするアプリケーションに最適です
• 始動トルク： 中程度 - シリーズタイプより低い
• 速度制御: 電機子電圧または界磁電流を変化させることで実現可能
• 代表的な用途: 工作機械駆動装置、旋盤、フライス盤、遠心ポンプ、ファン、コンベア

3. 複合DCモーター

複合 DC モータは、同じ固定子極に直列界磁巻線と分路界磁巻線の両方を組み合わせ、両方のタイプの特性を融合させます。で 累積化合物 構成 (最も一般的) では、直列磁界とシャント磁界が相互に強化し、純粋な直列モーターより優れた速度制御を維持しながら、純粋なシャント モーターよりも高い始動トルクを提供します。

A 微分合成物 この構成では 2 つの磁場が互いに対向しており、非常に安定した速度を生成しますが、始動トルクは低くなります。これは、特定の定速アプリケーションで使用されるあまり一般的ではない構成です。

• 始動トルク： 高 — シャントより優れ、直列より低い
• 速度規制: 中程度 — シリーズよりは優れていますが、シャントよりはわずかに劣ります
• 多用途性: 良好な始動トルクと適度な速度安定性の両方が必要な場合に最適です。
• 代表的な用途: パンチプレス、シャー、エレベータ、エアコンプレッサー、圧延機

4. 永久磁石 DC モーター (PMDC)

永久磁石 DC モーターは、巻かれた界磁コイルの代わりに、固定された永久磁石を使用して固定子磁界を生成します。これにより、界磁巻線の銅損が完全に排除され、PMDC モータが実現されます。 より効率的かつよりコンパクトに 同じ出力定格の創傷フィールド対応品よりも優れています。トレードオフは、磁界の強さを変更できないため、速度制御が電機子電圧の調整のみに制限されることです。

PMDC モーターは、世界中で最も広く生産されているブラシ DC モーター タイプであり、何百もの日常製品に使用されています。一般的な自動車用ウィンドウ リフト モーターは、次の定格の PMDC ユニットです。 12V DC、5 ～ 15 Nm のトルクを生成 ギアを入れた後、30 ～ 100 RPM の速度で。最新の希土類磁石 PMDC モーターは、最大効率を達成します。 90% 最適化された設計で。

• 効率: 界磁巻線損失が排除されるため、界磁巻線タイプよりも高い
• サイズと重量: 所定の出力に対してよりコンパクト
• 制限: 永久磁石は高温で減磁する可能性があります (フェライトの場合は >150°C、一部の希土類タイプの場合は >120°C)
• 代表的な用途: コードレス電動工具、自動車用アクチュエーター、玩具、小型家電、医療機器

ブラシレス DC モーター (BLDC): その仕組みと違い

ブラシレス DC モーターでは、整流子とカーボン ブラシが完全に不要になります。代わりに、ローターには永久磁石が、ステーターには銅の巻線が取り付けられています。これは、ブラシ付き DC モーターの配置の逆です。固定子巻線への電流の切り替えは、専用のモーター コントローラーによって電子的に実行され、ローター位置のフィードバック (通常はホール効果センサーまたは逆起電力検出から) を使用して、適切な瞬間に正しい固定子コイルに通電します。

この電子整流により、モーター自体からすべての滑り接点が取り除かれ、 ブラシの磨耗を排除し、電気ノイズを低減し、耐用年数を劇的に延長します。 。適切に設計された BLDC モーターは、 10,000～30,000時間 メンテナンスなし - 同様の条件下での同等のブラシ DC モーターの場合は 500 ～ 3,000 時間と比較します。

インランナー対アウトランナー BLDC モーター

ブラシレス DC モーターには、回転する部分に基づいて 2 つの物理構成があります。

• インランナー BLDC: 永久磁石ローターはステーター内で回転し、高速かつ低トルクで回転します。 RC カー、ドローン (インナーローター設計)、スピンドル モーターなどのアプリケーションで一般的です。一般的な速度 10,000 ～ 50,000 RPM .
• アウトランナー BLDC: 永久磁石ハウジングは内側ステーターの外側を中心に回転します。低速、高トルクとなります。ドローン推進とダイレクトドライブホイールモーターで有力。一般的な速度 500 ～ 5,000 RPM トルク密度がはるかに高くなります。

センサーレス BLDC 制御とセンサー付き BLDC 制御

センサー付きBLDCモーター ステータに埋め込まれたホール効果センサーを使用してロータの位置をリアルタイムで検出し、停止状態からの正確な転流を可能にします。これらは、電気自動車や産業用サーボドライブなど、強力な低速トルクと制御された始動を必要とするアプリケーションに好まれます。

センサーレスBLDCモーター ローターの回転時に生成される逆起電力電圧からローターの位置を推定します。それらはよりシンプルで安価ですが、モーターを最低速度以上で動作させる必要があります（通常は 定格速度の 5 ～ 10% ) 安定した転流が確立される前。負荷がかかった状態で停止状態から始動する必要がない、ファン、ポンプ、およびドローンのアプリケーションで一般的です。

ブラシ付き DC モーターとブラシレス DC モーター: 詳細な比較

ブラシ DC モーターとブラシレス DC モーターのどちらを選択するかは、モーターの選択において最も一般的な決定事項の 1 つです。次の比較では、実際のアプリケーションで最も重要な要素を取り上げます。

各 DC モーター タイプの実際の用途

各モータータイプが実際にどこで優れているかを理解することは、技術的な比較を実用的な選択の決定に変換するのに役立ちます。

シリーズ DC モーターの用途

• 電気鉄道の主電動機 — 巨大な始動トルクを利用する古典的な用途
• 自動車用スターターモーター — 低電圧での高いクランキングトルク
• クレーンおよびホイストドライブ - 最大の始動力を必要とする変動する重荷重

シャントおよび複合 DC モーターのアプリケーション

• 産業用工作機械 (旋盤、フライス盤) — 一定の切削速度を実現するシャント モーター
• 印刷機 — 複合モーターにより、さまざまな用紙負荷でも信頼性の高い速度を実現
• エレベーター — スムーズな加速と確実な停止を実現する累積複合物

永久磁石 DC モーターの用途

• コードレス電動ドリルとドライバー — コンパクト、効率的、トリガーによるシンプルな速度制御
• 自動車用ウィンドウリフト、シートアジャスター、ワイパーモーター
• 輸液ポンプや人工呼吸器送風機などの医療機器
• 家庭用電化製品およびおもちゃのモーター

ブラシレス DC モーターの用途

• 電気自動車: BLDC モーターは、多くの EV のドライブトレインに電力を供給します。 Tesla Model 3 リアモーターが生み出す 211 kW (283 馬力) BLDC設計から
• ドローンとUAV: アウトランナー BLDC モーターは、飛行に不可欠な高い出力重量比を提供します。一般的なレーシング ドローン モーターの重量は 30g 未満ですが、1 kg 以上の推力を生成します。
• HVAC システム: BLDC ファンおよびコンプレッサー モーターは、可変速アプリケーションにおいて AC 誘導モーターと比較してエネルギー消費を 20 ～ 40% 削減します。
• 産業用ロボット: エンコーダフィードバックを備えたサーボグレードの BLDC モーターにより、ロボットアームでミリメートル未満の位置決め精度が可能になります
• コンピューターのハードドライブと冷却ファン: HDD の BLDC スピンドル モーターは、メンテナンスなしで何年も継続的に 5,400 ～ 15,000 RPM で回転します。

アプリケーションに適した DC モーターのタイプを選択する方法

正しい DC モーター タイプを選択するには、5 つの主要な基準に基づいてアプリケーションを評価する必要があります。これらを体系的に検討して、選択を絞り込みます。

1. トルクと速度の要件を定義します。 シャフト (ギアを含む) に必要なトルクと必要な速度範囲を計算します。重負荷時の可変速度で非常に高い始動トルクが必要な場合は、シリーズまたは複合ブラシ付き DC モーターが適しています。変動負荷下で一定速度が必要な場合は、シャントまたは BLDC モーターの方が適しています。
2. デューティ サイクルと予想耐用年数を評価します。 モーターが継続的に、または年間何千時間も稼働する場合、BLDC モーターのメンテナンス不要の性質により、初期コストが高くつくことは正当化されます。低価格製品で断続的に使用する場合は、PMDC ブラシ モーターの方が経済的です。
3. 動作環境を評価します。 ほこり、湿気、または可燃性の環境では、アーク放電や炭素粉塵が発生するため、ブラシ DC モーターは使用できません。 BLDC モーターは、防爆またはクリーンルーム用途で必要となります。
4. 制御システムの複雑さとコストを考慮します。 システムの予算が限られており、速度制御がシンプル (オン/オフまたは基本的な PWM) である場合は、シンプルなドライバーを備えたブラシ付き DC モーターが正しい選択です。高精度の速度制御または位置制御が必要な場合は、適切なコントローラーを備えた BLDC モーターに投資してください。
5. 製品ライフサイクル全体にわたるシステムの総コストを考慮します。 BLDC モーターは、同等のブラシ付き DC モーターよりも初期費用が 2 ～ 3 倍かかる場合がありますが、ブラシの交換コストや製品寿命全体にわたるダウンタイムが不要になります。モーターが 1 日あたり 8 時間稼働する場合、BLDC は通常、次の範囲内でコスト同等に達します。 1～3年 操作の。

最新のアプリケーションにおけるブラシレス DC モーターへの移行

世界のブラシレス DC モーター市場は約 2023年には150億ドル そして is projected to exceed $25 billion by 2030, driven primarily by electric vehicle adoption, industrial automation, and energy efficiency regulations in HVAC equipment. Meanwhile, the market for brush DC motors remains significant — particularly in low-cost consumer goods and automotive auxiliary applications — but new design wins increasingly favor brushless technology.

パワー エレクトロニクスとモーター コントローラーのコスト低下が主な要因です。 2010 年に 8 ～ 12 ドルだった基本的な BLDC モーター ドライバー チップが現在では 2 ドル以下で入手できるようになり、以前はブラシ DC モーターが主流だった製品でもブラシレス技術が経済的に実行可能になりました。コードレス電動工具はそのわかりやすい例です。 2018 年以降に発売されたプロ仕様のコードレス ツールの大部分はブラシレス モーターを使用しています 、数十年にわたってこのカテゴリーを支配していたPMDCブラシモーターに取って代わりました。

この傾向にもかかわらず、ブラシ付き DC モーターは今後も長年にわたって重要な役割を果たし続けるでしょう。そのシンプルさ、システムコストの低さ、制御の容易さにより、ブラシレス技術の運用経済性が正当化できないコスト重視の低デューティサイクル用途に確実に使用できます。