ブラシレスDC電動モーター

ブラシレスDC 電気モーター( BLDC ) は、電子整流モーターとも呼ばれ、直流(DC)電源を使用する同期モーターです。電子コントローラーを使用してDC 電流をモーター巻線に切り替え、空間内で効果的に回転する磁場を発生させ、永久磁石ローターがそれに従います。コントローラーは、モーターの速度とトルクを制御する電流パルスの位相と振幅を調整します。これは、従来の多くの電気モーターで使用されている機械式整流子(ブラシ)の改良版です。

ブラシレスモーターシステムの構造は、通常、永久磁石同期モーター（PMSM）に似ていますが、スイッチドリラクタンスモーターや誘導（非同期）モーターになることもあります。また、ネオジム磁石^{[1]を使用することもあり、}アウトランナー（ステータがローターに囲まれている）、インランナー（ローターがステータに囲まれている）、またはアキシャル（ローターとステータが平らで平行）になることもあります。 ^[2]

ブラシレスモーターがブラシ付きモーターより優れている点は、高い出力対重量比、高速、速度（rpm）とトルクのほぼ瞬時の制御、高効率、メンテナンスの手間が少ないことです。ブラシレスモーターは、コンピューター周辺機器（ディスクドライブ、プリンター）、手持ち式電動工具、模型飛行機から自動車までさまざまな車両に使用されています。現代の洗濯機では、ブラシレスDCモーターにより、ゴムベルトとギアボックスをダイレクトドライブ設計に置き換えることができました。^[3]

ブラシ付きDCモーターは20世紀に発明され、現在でも一般的です。ブラシレスDCモーターは1960年代の固体電子工学の発展によって可能になりました。 ^[4]

電気モーターは、ローター（機械の回転部分）とステーター（機械の固定部分）の磁場をずらして保つことでトルクを発生させます。片方または両方の磁石のセットは電磁石で、鉄心に巻かれた電線のコイルでできています。電線を流れる直流電流が磁場を作り出し、モーターを動かす電力を供給します。ずれがあると、磁場を再調整しようとするトルクが発生します。ローターが動いて磁場が揃うと、ずれを維持し、トルクと動きを生成し続けるために、ローターまたはステーターの磁場のいずれかを動かす必要があります。ローターの位置に基づいて磁場を動かす装置は整流子と呼ばれます。^{[5] [6] [7]}

ブラシ付きモーターでは、これはモーターのシャフトにある整流子と呼ばれる回転スイッチによって行われます。^{[5] [7] [6]}回転子は、回転子上の複数の金属接触セグメントに分割された回転シリンダまたはディスクで構成されています。セグメントは、ローター上の導体巻線に接続されています。グラファイトなどの柔らかい導体で作られたブラシと呼ばれる2つ以上の固定接点が整流子に押し付けられ、ローターが回転すると、連続するセグメントと滑り電気接触します。ブラシは巻線に選択的に電流を供給します。ローターが回転すると、整流子は異なる巻線を選択し、方向性電流が特定の巻線に適用され、ローターの磁場がステータとずれたままになり、一方向のトルクが生成されます。

ブラシ整流子には欠点があり、ブラシ付きモーターの使用が減少しています。これらの欠点は次のとおりです。^{[5] [7] [6]}

• 回転する整流子セグメントに沿って滑るブラシの摩擦により、低出力モーターでは重大な電力損失が発生する可能性があります。
• 柔らかいブラシ素材は摩擦により磨耗し、ほこりが発生するため、最終的にはブラシを交換する必要があります。このため、整流モーターは、ハードディスクモーターなどの低粒子または密閉アプリケーションや、メンテナンスフリーの動作を必要とするアプリケーションには適していません。
• ブラシの摺動接触による電気抵抗により、モーター回路にブラシドロップと呼ばれる電圧降下が発生し、エネルギーが消費されます。
• 巻線のインダクタンスを通る電流の繰り返しの急激な切り替えにより、整流子の接点で火花が発生し、爆発性雰囲気では火災の危険があり、電子ノイズの発生源となり、近くのマイクロ電子回路に電磁干渉を引き起こす可能性があります。

過去 100 年間で、かつては産業の主力であった高出力 DC ブラシ付きモーターは、交流(AC)同期モーターに置き換えられました。今日、ブラシ付きモーターは低出力アプリケーションまたは DC のみが利用可能な場合にのみ使用されますが、上記の欠点により、これらのアプリケーションでもその使用が制限されます。

ブラシレスDCモーターでは、ブラシ整流子接点の代わりに電子コントローラーが使用されています。^{[5] [7] [6]}電子センサーがローターの角度を検出し、巻線を流れる電流を切り替えるトランジスタなどの半導体スイッチを制御します。電流の方向を反転するか、モーターによっては、電磁石が一方向にトルクを生成するように正しい角度で電流をオフにします。滑り接点がなくなることで、ブラシレスモーターの摩擦が少なくなり、寿命が長くなります。ブラシレスモーターの寿命は、ベアリングの寿命によってのみ制限されます。

ブラシ付きDCモーターは静止時に最大トルクを発生し、速度が増加するにつれて直線的に減少します。^[8]ブラシ付きモーターのいくつかの制限はブラシレスモーターによって克服できます。これには、効率が高く、機械的摩耗の影響を受けにくいことが含まれます。これらの利点は、耐久性が低く、複雑で、高価な制御電子機器を犠牲にして得られます。

一般的なブラシレス モーターには、固定アーマチュアの周りを回転する永久磁石があり、可動アーマチュアに電流を流すことに伴う問題が解消されます。ブラシ付き DC モーターの整流子アセンブリは電子コントローラーに置き換えられ、モーターの回転を維持するために巻線の位相を継続的に切り替えます。コントローラーは、整流子システムではなくソリッド ステート回路を使用して、同様のタイミングの電力分配を実行します。

ブラシレス モーターは、ブラシ付き DC モーターに比べて、トルク対重量比が高い、効率性が高くワットあたりのトルクが大きい、信頼性が高い、ノイズが少ない、ブラシと整流子の摩耗がなくなるため寿命が長い、整流子からのイオン化火花がなくなる、電磁干渉(EMI) が全体的に減少するなど、いくつかの利点があります。ローターに巻線がないため、遠心力の影響を受けず、巻線がハウジングで支えられているため伝導によって冷却でき、冷却のためにモーター内部に空気を流す必要がありません。つまり、モーターの内部を完全に密閉し、汚れやその他の異物から保護することができます。

ブラシレス モーターの整流は、マイクロコントローラを使用してソフトウェアで実装することも、アナログまたはデジタル回路を使用して実装することもできます。ブラシの代わりに電子回路を使用して整流すると、速度制限、低速および微細な動作制御のためのマイクロステップ操作、静止時の保持トルクなど、ブラシ付き DC モーターでは利用できない柔軟性と機能が向上します。コントローラ ソフトウェアは、アプリケーションで使用されている特定のモーターに合わせてカスタマイズできるため、整流効率が向上します。

ブラシレス モーターに適用できる最大電力は、ほぼ完全に熱によって制限されます。^[要出典]熱が多すぎると磁石が弱まり、巻線の絶縁が損傷します。

ブラシレスモーターは、電気を機械的動力に変換する際、ブラシがないため摩擦による機械的エネルギー損失が少なくなり、ブラシ付きモーターよりも効率的です。モーターの性能曲線の無負荷領域と低負荷領域で効率が最大になります。^[9]

メーカーがブラシレス DC モーターを使用する環境と要件には、メンテナンスフリーの操作、高速、火花が危険な場所 (爆発性環境など) での操作、または電子的に敏感な機器に影響を及ぼす可能性がある場所での操作が含まれます。

ブラシレス モーターの構造はステッピング モーターに似ていますが、実装と動作には重要な違いがあります。ステッピング モーターは、ローターが特定の角度位置にあるときに停止することがよくありますが、ブラシレス モーターは通常、連続回転を生成することを目的としています。両方のタイプのモーターには、内部フィードバック用のローター位置センサーが付いている場合があります。ステッピング モーターと適切に設計されたブラシレス モーターはどちらも、ゼロ RPM で有限のトルクを保持できます。

コントローラは従来のブラシの機能を実装するため、ステータ コイルに対するローターの向きを知る必要があります。ブラシ付きモーターでは、ローター シャフトとブラシのジオメトリが固定されているため、この認識は自動的に行われます。設計によっては、ホール効果センサーまたはロータリー エンコーダーを使用してローターの位置を直接測定するものもあります。また、駆動されていないコイルの逆起電力を測定してローターの位置を推測するものもあります。これにより、ホール効果センサーを別途用意する必要がなくなります。そのため、これらはセンサーレスコントローラ と呼ばれることがよくあります。

逆起電力に基づいてローターの位置を感知するコントローラは、ローターが静止しているときには逆起電力が発生しないため、動作を開始するのにさらなる課題があります。これは通常、任意の位相から回転を開始し、間違っていることが判明した場合は正しい位相にスキップすることで実現されます。これにより、モーターが短時間逆方向に回転することがあり、起動シーケンスがさらに複雑になります。他のセンサーレスコントローラは、磁石の位置によって引き起こされる巻線の飽和を測定してローターの位置を推測することができます。^[10]

一般的なコントローラには、論理回路によって制御される極性反転可能な 3 つの出力があります。シンプルなコントローラでは、方向センサーから動作するコンパレータを使用して、出力位相を進めるタイミングを決定します。より高度なコントローラでは、マイクロコントローラを使用して加速を管理し、モーター速度を制御し、効率を微調整します。

ブラシレスDCモータの2つの重要な性能パラメータは、モータ定数 （トルク定数）と（逆起電力定数、速度定数とも呼ばれる）である。^[11]${\displaystyle K_{T}}$${\displaystyle K_{e}}$${\displaystyle K_{V}={1 \over K_{e}}}$

ブラシレス モーターは、いくつかの異なる物理的構成で構築できます。従来のインランナー構成では、永久磁石はローターの一部です。3 つのステータ巻線がローターを囲んでいます。外部ローターアウトランナー構成では、コイルと磁石の放射状関係が逆になります。つまり、ステータ コイルがモーターの中心 (コア) を形成し、永久磁石はコアを囲む張り出したローター内で回転します。アウトランナーは通常、より多くの極を持ち、3 つの巻線グループを維持するために 3 つ組に設定され、低 RPM でより高いトルクを発揮します。スペースや形状の制約がある場合に使用されるフラットアキシャル フラックス タイプでは、ステータ プレートとローター プレートが向かい合って取り付けられます。すべてのブラシレス モーターで、コイルは固定されています。

一般的な電気巻線構成には 2 種類あります。デルタ構成では、3 つの巻線が三角形のような回路で互いに接続され、各接続部に電力が供給されます。スター巻線と呼ばれることもある Y 字型 ( Y字型) 構成では、すべての巻線が中央の 1 点に接続され、各巻線の残りの端に電力が供給されます。デルタ構成の巻線を持つモーターは、低速ではトルクが低くなりますが、最高速度は高くなります。Y 字型構成では、低速ではトルクは高くなりますが、最高速度はそれほど高くありません。^{[疑わしい–議論する]} Y 字型巻線の方が通常は効率的です。デルタ接続の巻線では、高周波の寄生電流がモーター内を完全に循環できます。Y 字型接続の巻線には、寄生電流が流れる閉ループが含まれないため、このような損失が防止されます。Y 字型構成のインピーダンスが高いことを除けば、コントローラーの観点からは、2 つの巻線構成はまったく同じように扱うことができます。^[12]

ブラシレスモーターは、もともとブラシ付きDCモーターが担っていた多くの機能を果たしますが、コストと制御の複雑さのため、最も低コストの分野ではブラシ付きモーターを完全に置き換えることはできません。それでも、ブラシレスモーターは多くの用途、特にコンピューターのハードドライブやCD/DVDプレーヤーなどのデバイスで主流になってきました。電子機器の小型冷却ファンは、ブラシレスモーターのみで駆動されています。ブラシレスモーターはコードレス電動工具に使用されており、モーターの効率が向上することで、バッテリーの充電が必要になるまでの使用時間が長くなります。低速で低電力のブラシレスモーターは、蓄音機レコード用のダイレクトドライブターンテーブルに使用されています。^{[13]ブラシレスモーターは、}水中スラスタなどの海洋用途にも使用されています。^[14]ドローンも、性能向上のためにブラシレスモーターを利用しています。

ブラシレスモーターは、電気自動車、ハイブリッド車、パーソナルトランスポータ、電気飛行機に使用されています。^[15]ほとんどの電動自転車はブラシレスモーターを使用しており、ホイールハブ自体に組み込まれている場合もあります。ステータは車軸にしっかりと固定され、磁石はホイールに取り付けられてホイールと一緒に回転します。^[16]同じ原理が、セルフバランススクーターのホイールにも適用されています。ほとんどの電動ラジコンモデルは、効率が高いためブラシレスモーターを使用しています。

ブラシレス モーターは、ストリング トリマー、リーフ ブロワー、のこぎり (円形および往復動型)、ドリル/ドライバーなど、多くの最新のコードレス ツールに使用されています。ブラシレス モーターがブラシ付きモーターより軽量で効率に優れている点は、AC コンセントに差し込む大型の固定式ツールよりも、手持ち式のバッテリー駆動ツールにとって重要です。

暖房、換気、空調（HVAC）および冷凍業界では、さまざまなタイプのACモーターの代わりにブラシレスモーターを使用する傾向があります。ブラシレスモーターに切り替える最も重要な理由は、一般的なACモーターと比較して、ブラシレスモーターを動作させるために必要な電力が削減されることです。^[17]ブラシレスモーターの高効率に加えて、特に可変速度または負荷変調を備えたHVACシステムでは、ブラシレスモーターを使用して、内蔵のマイクロプロセッサが冷却と空気の流れを継続的に制御します。^[18]

ブラシレスDCモーターの産業工学における応用は、主に製造工学や産業オートメーション設計に焦点を当てています。ブラシレスモーターは、高出力密度、優れた速度トルク特性、高効率、広い速度範囲、低メンテナンスのため、製造アプリケーションに最適です。産業工学におけるブラシレスDCモーターの最も一般的な用途は、モーションコントロール、リニアアクチュエータ、サーボモーター、産業用ロボット用アクチュエータ、押し出し機駆動モーター、 CNC工作機械用フィードドライブです。^[19]

ブラシレスモーターは、優れた速度応答で高トルクを発生できるため、調整可能または可変速アプリケーションでのポンプ、ファン、スピンドルドライブとして一般的に使用されています。さらに、リモートコントロール用に簡単に自動化できます。その構造により、優れた熱特性と高いエネルギー効率を備えています。^[20]可変速応答を得るために、ブラシレスモーターは、電子モーターコントローラーとローター位置フィードバックセンサーを含む電気機械システムで動作します。 ^[21]ブラシレスDCモーターは、工作機械のサーボドライブのサーボモーターとして広く使用されています。サーボモーターは、機械的な変位、位置決め、または精密なモーションコントロールに使用されます。 DCステッピングモーターもサーボモーターとして使用できますが、オープンループ制御で動作するため、通常はトルクの脈動が発生します。^[22]

ブラシレスモーターは、産業用の位置決めおよび駆動アプリケーションで使用されています。^[23]組み立てロボットの場合、^[24]ブラシレス技術を使用してリニアモーターを構築できます。^[25] リニアモーターの利点は、回転モーターに必要なボールねじ、リードスクリュー、ラックアンドピニオン、カム、ギア、ベルトなどの伝達システムを必要とせずに直線運動を生成できることです。伝達システムは、応答性が低下し、精度が低下することが知られています。 ダイレクトドライブのブラシレスDCリニアモーターは、磁性歯を備えたスロット付きステーターと、永久磁石とコイル巻線を備えた可動アクチュエーターで構成されています。直線運動を得るために、モーターコントローラーがアクチュエーター内のコイル巻線を励起し、磁場の相互作用を引き起こして直線運動を実現します。^[19] 管状リニアモーターは、同様の方法で動作するリニアモーター設計の別の形式です。

ブラシレスモーターは、ヘリコプターやドローンなどの模型飛行機用のモーターとして人気が高まっています。その有利なパワーウェイトレシオと幅広いサイズ展開により、電動模型飛行機市場に革命を起こし、低出力で安価な玩具グレードの航空機を除いて、事実上すべてのブラシ付き電動モーターを置き換えました。^{[要出典]また、ブラシレスモーターは、以前の}内燃機関で駆動する大型で重い模型に代わって、シンプルで軽量な電動模型飛行機の成長を促しました。現代のバッテリーとブラシレスモーターのパワーウェイトレシオの向上により、模型は徐々に上昇するのではなく、垂直に上昇できます。小型のグロー燃料内燃機関 に比べて騒音が少なく質量が小さいことも、ブラシレスモーターが人気のもう1つの理由です。

一部の国では、内燃エンジン駆動の模型飛行機の使用に対する法的規制が設けられており^{（[要出典]、}最も多いのは騒音公害の可能性による）、ここ数十年でほぼすべての模型エンジン用に特別に設計されたマフラーが利用可能になっているにもかかわらず、高出力電気システムへの移行も後押ししている。

ラジコンカー（RC）の分野でも人気が高まっています。ブラシレスモーターは、2006年からラジオ・オペレーテッド・オート・レーシング（ROAR）に従って北米のRCカーレースで合法となっています。これらのモーターはRCレーサーに多大なパワーを提供し、適切なギアと高放電リチウムポリマー（Li-Po）またはリン酸鉄リチウム（LiFePO4）バッテリーと組み合わせると、これらの車は時速160キロメートル（99マイル）を超える速度を達成できます。^[26]

ブラシレスモーターは、ニトロエンジンやガソリンエンジンに比べて、より大きなトルクを発生でき、ピーク回転速度も速い。ニトロエンジンのピーク回転数は約46,800 r/min、2.2キロワット（3.0馬力）であるのに対し、小型のブラシレスモーターは50,000 r/min、3.7キロワット（5.0馬力）に達する。大型のブラシレスRCモーターは、10キロワット（13馬力）、28,000 r/min以上に達し、5分の1スケールのモデルに動力を与えることができる。^[27]

• 圧電モーター
• かご型ローター

• Jacek F. Gieras、Mitchell Wing (2002)、永久磁石モータ技術：設計とアプリケーション、CRC Press、ISBN 9780824743949
• クリシュナン・ラム（2009）「永久磁石同期およびブラシレスDCモーター」CRC Press、ISBN 9781420014235
• ハワード・E・ジョーダン（1994）「エネルギー効率の高い電動モーターとその応用」、Springer、ISBN 9780306446986
• Bobby A. Bassham (2003)、船舶推進用電動モーターの評価、海軍大学院、2013年4月8日時点のオリジナルよりアーカイブ
• デュアン・ハンセルマン（2012）「ブラシレスモーター：磁気設計、性能、制御」E-Man Press、ISBN 9780982692615

ウィキメディア・コモンズには、ブラシレス DC 電気モーターに関連するメディアがあります。

• モーターの仕組み (ブラシ付きおよびブラシレス RC 飛行機モーター) - Wayback Machine (2013-10-02 アーカイブ)
• BLDC モーターファンの長所と短所(Wayback Machineより) (2022-01-17 アーカイブ)
• さまざまな整流（ブロック、スター、正弦（正弦）、センサーレス）のBLDCモーターのアニメーション - Wayback Machineのステッピングモーターと比較（2020-02-05アーカイブ）Flash
• 電動ドライブ - 便利な図解付きブラシレス DC/AC およびリラクタンス モーター
• ブラシレス モーターと ESC の仕組み – ブラシレス DC モーターの仕組みと、Arduino マイクロコントローラーで制御する方法をビデオで説明します。