電気モーターは私たちの生活の大きな部分になっています。それらは、電気自動車からドローン、ロボット、その他の電子機器まで、あらゆる種類のデバイスに見られます。一般的に、電気モーターは電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置です。それらは、同様の原理で動作し、理論的にはジェネレーターに変換できるため、通常、ジェネレーターの正反対と呼ばれます。これらは基本的に、回転運動が必要な状況で使用され、電化製品（振動モーター）、ロボット、医療機器、おもちゃなどに使用されます。
電気モーターは、使用する電源の種類に基づいて、ACモーターとDCモーターの2つの大きなカテゴリに分類できます。名前が示すように、ACモーターは一般的にAC電源（単相または三相）を使用して電力を供給され、多くのトルクが必要な産業用およびヘビーデューティーアプリケーションで主に使用されます。一方、DCモーター（今日の焦点）は通常小型で、ACモーターと比較して必要な作業量が大幅に少ないバッテリー（またはDC電源に接続）ベースのアプリケーションで使用されます。彼らは、シェービングクリッパーのような日常のデバイスから、子供向けのおもちゃ、ロボット、ドローンなど、さまざまなデバイスでアプリケーションを見つけています。
DCモーターの要件は、アプリケーションごとに異なります。1つのアプリケーションではより多くのトルクと速度を下げる必要があり、別のアプリケーションではより多くの速度とトルクを下げる必要があるため、DCモーターはこれに基づいて営業担当者によって分類されることがあります。ただし、DCモーターは、次の3つの異なるカテゴリまたはタイプに分類できます。
- ブラシ付きDCモーター
- ブラシレスDCモーター
- サーボモーター。
今日の記事では、ブラシレスとブラシ付きDCモーターに焦点を当て、動作原理、構造、アプリケーション、長所と短所に沿ってそれらの違いを調べます。3番目のタイプについては、サーボモーターの詳細な記事を読むことができます。
動作原理と構造
すべてのモーターの動作は、一般的に次の2つの原則に基づいています。アンペールの法則とファラデーの法則。第一法則状態が磁場中に置かれた導電体は、力を経験することが導体を流れる任意の電流がそのフィールドに対して直角成分を有する場合。導体が磁界を通って移動した場合、そのフィールドへの動き垂直の任意成分は、電位差生成することを第2の原理状態導体の端部間を。
これらの法則に基づいて、電気モーターは2つの主要部分で構成されています。永久磁石とコイルに巻かれた導体の束。コイルに電気を加えることで磁石になり、磁石は同じ極で反発し、異なる極で引き付けるという事実に基づいて、回転運動が実現されます。
ブラシ付きDCモーター
ブラシ付きDCモーターは、上記の法則を最も簡単な方法で実装するため、最も初期の最も単純なモーターの1つとして知られています。下の画像で説明されているように、ブラシ付きDCモーターの構造は、永久磁石で作られた固定固定子と、整流子、ブラシ、スプリットリングなどのコンポーネントがすべてモーターの周りに配置されている可動電機子（ローター）で構成されています。軸。
モーターに電力が供給されると（バッテリーまたはACからDCに接続された電源を介して）、電気は通常モーターシャフトの反対側にあるブラシを介して電源から電機子に流れます。ブラシ（設計における存在がモーターの名前の背後にある主要な要因です）は、整流子との物理的接触を通じて電機子に電流を転送します。アーマチュア（ワイヤーのコイル）が通電されるとすぐに、アーマチュアは磁石のように動作し始め、その時点でその極は固定子を構成する永久磁石の極をはじき始めます。極が反発すると、電機子が取り付けられているモーターシャフトが、電機子の周囲の磁場の強さに依存する速度とトルクで回転し始めます。
磁場の強さは通常、ブラシに印加される電圧と固定子に使用される永久磁石の強さの関数です。
ブラシレスDCモーター
それらは電磁気学の同じ原理を使用していますが、一方でブラシレスモーターはより複雑です。これらは、ブラシ付きDCモーターの効率を改善するために行われた努力の直接の結果であり、転流にブラシの使用を採用しないモーターとして簡単に説明できます。ただし、その説明の単純な性質は、モーターに電力が供給される方法と、ブラシなしでモーションがどのように達成されるかについての質問に道を譲ります。これについて説明します。
ブラシ付きモーターの構造とは異なり、ブラシレスモーターでは物事が反転します。ブラシ付きモーターの場合、固定子内で回転するアーマチュアは、ブラシレスモーターでは静止しており、ブラシ付きモーターでは固定されている永久磁石は、ブラシレスモーターのローターとして機能します。簡単に言えば、ブラシレスDCモーターの固定子はコイルで構成され、回転子（モーターシャフトが取り付けられている）は永久磁石で構成されています。
ブラシレスモーターは、電機子に電力を供給するためのブラシの使用を排除するため、スイッチング（転流）はより複雑になり、モーションを実現するために追加の電子コンポーネントのセット（光学エンコーダーなどの転流コンポーネントによってトリガーされるアンプなど）を使用して電子的に実行されます。ブラシレスDCモーターの転流アルゴリズムは2つに分けることができます。センサーベースの無意味な転流。
センサーベースの整流では、センサー（ホールセンサーなど）がモーターの極に沿って配置され、制御回路にフィードバックを提供して、ローターの位置を推定します。センサーベースの整流に使用される3つの一般的なアルゴリズムがあります。
- 台形転流
- 正弦波整流
- ベクトル（またはフィールド指向）制御。
これらの制御アルゴリズムにはそれぞれ長所と短所があり、ソフトウェアと電子ハードウェアの設計に応じてアルゴリズムをさまざまな方法で実装して、必要な変更を加えることができます。
一方、センサーレス転流では、センサーをモーター内に配置する代わりに、制御回路が逆起電力を測定してローターの位置を推定するように設計されています。
このアルゴリズムは非常に優れたパフォーマンスを発揮し、ホールセンサーのコストが削減されるためコストが削減されますが、センサーベースのアルゴリズムと比較して実装ははるかに複雑です。
長所と短所
ブラシ付きDCモーターでは、ブラシは回転する整流子と常に接触しています。これにより、かなりの量の摩擦が発生し、これにより、熱によるエネルギーの損失とブラシの段階的な摩耗が発生します。したがって、ブラシ付きDCモーターは効率が低く、定期的なメンテナンスが必要です。これは多くの摩擦を生み出し、摩擦は熱（エネルギー損失）と摩耗に等しくなります。一方、ブラシレスDCは本質的に摩擦がないため、効率が非常に高く、メンテナンスが不要で、ブラシ付きDCモーターよりも長持ちします。
ただし、ブラシ付きDCモーターは、設計が単純であるため、ブラシレスのモーターに比べて非常に安価です。一方、ブラシレスDCモーターは、その複雑な設計と、それらを駆動するために必要な追加の電子部品（コントローラー）の追加コストのために、非常に高価です。
アプリケーション
ブラシレスDCモーターは最近人気がありますが、ブラシ付きDCモーターは、速度とトルクの比率を簡単に変更できるため、依然として日常の家電製品、子供のおもちゃ、および産業用アプリケーションで使用されています。低コストであるため、モーターの前にホストデバイスが故障する可能性のあるアプリケーションで使用されます。
一方、ブラシレスDCモーターは、医療機器、ロボット、ドローンから電気自動車、電動工具など、あらゆる種類のデバイスに適用されています。これらは基本的に、高効率、長寿命を必要とし、コストに見合うアプリケーションで使用されます。
ブラシレスDCモーターとブラシ付きDCモーターのどちらかを選択する際に考慮すべき要素
以下のアプリケーションの速度、トルク、電力定格、およびその他の基本的な要件に加えて、アプリケーションに展開するモーターのタイプを決定する際に考慮すべき3つの要素も考慮に入れるとよいでしょう。
- デューティサイクル/耐用年数
- 効率
- 制御/作動
- 費用
デューティサイクル/耐用年数
耐用年数は、モーターが故障する前に動作するのに必要な時間と、どのデューティサイクルであるかを示します。前述のブラシ付きDCモーターは、ブラシと整流子の間の摩擦により摩耗しやすいため、これは重要です。したがって、アプリケーションが耐用年数を通じてモーターが機能するアプリケーションであること、またはブラシ付きDCモーターを使用する場合は、モーターの保守が正常で安価であると見なされるアプリケーションであることを確認することが重要です。この良い例は子供のおもちゃで、モーターが消耗する前におもちゃは通常捨てられたり損傷したりします。耐用年数が長く、モーターの保守が実行可能なオプションではないアプリケーションでは、通常、ブラシレスDCモーターが賢明なオプションです。
効率
一般に、ブラシレスDCモーターは、ブラシ付きDCモーターに比べて全体的な効率が高くなりますが、同等のブラシレスモーターに比べて効率が優れたアイアンレスコアブラシ付きモーターの場合もあります。ただし、決定を下す前に、必要な全体的な効率を評価し、各モーターの効率と比較することが重要です。効率が決定要因であるほとんどの場合、ブラシレスDCモーターが通常勝ちます。
制御/作動
これは通常、ブラシレスDCモーターの使用に関して大きな後退の1つです。コントローラなどの追加要件により、端子間にバッテリーを接続するのと同じくらい簡単な方法で電力を供給/作動できるブラシ付きDCモーターの作動と比較して、作動がより複雑になります。プロジェクトにブラシレスDCモーターを使用することに伴う複雑さの量が正当化され、コントローラーなどのサポート電子機器がすぐに利用できることを確認する必要があります。ブラシ付きDCモーターの単純さに関係なく、高精度のアプリケーションには適さない場合があります。ブラシ付きDCモーターはArduinoのようにコントローラーに簡単に接続できますが、BLDCをArduino Unoに接続するのは非常に複雑ですが、ESC（電子速度コントローラー））BLDCとマイクロコントローラのインターフェースを容易にします。
費用
ブラシレスDCモーターの設計は複雑であるため、ブラシ付きDCモーターと比較すると非常に高価です。ブラシレスDCモーターを使用する前に、追加コストがプロジェクトの手頃な制限内にあることを確認してください。また、決定を下す前に、BLDCの使用に必要な他のアクセサリのコストを考慮してください。