ブラシレス VS ブラシ付き: いつ、なぜ一方を選択するのか

寄稿文

Pete Millett

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DCブラシ付きモータ

DCブラシ付きモータ (maxonグループによる画像)

DCモータは、巻線コイルを使用して磁場を生成します。ブラシ付きモータでは、これらのコイルが自由に回転してシャフトを駆動します。これらのコイルは、「ロータ」と呼ばれるモータの一部です。通常、コイルは鉄芯の周りに巻かれていますが、巻線が自立している「コアレス」のブラシ付きモータもあります。

モータの固定部分を「固定子」と呼びます。永久磁石は、定常磁場を提供するために使用します。通常、これらの磁石は、ロータの外側、固定子の内面に配置されます。

回転子を回転させるトルクを発生させるために、回転子の磁場は継続的に回転する必要があり、その磁場は固定子の固定磁場を引き付けたり反発したりします。フィールドを回転させるには、スライド式の電気スイッチを使用します。スイッチは、通常、ロータに取り付けられたセグメント化された接点である整流子と、固定子に取り付けられた固定ブラシで構成されています。

ロータが回転すると、異なるセットのロータ巻線が整流子によって常にオンとオフに切り替えられます。これにより、ロータのコイルは常に固定子の固定磁石に引き付けられ、反発され、ロータが回転します。

ブラシと整流子の間にはある程度の機械的摩擦があり、これは電気接点であり、通常は潤滑することができないため、モータの寿命中にブラシと整流子は機械的に摩耗します。この摩耗は、最終的にはモータが機能しなくなるポイントに達します。多くのブラシ付きモータ、特に大型のモータには交換可能なブラシがあり、通常はカーボン製で、摩耗しても良好な接触を維持するように設計されています。これらのモータは定期的なメンテナンスが必要です。ブラシを交換しても、最終的には整流子も摩耗し、モータを交換しなければなりません。

ブラシ付きモータを駆動するには、DC電圧をブラシに印加し、モータを回転させるためにロータ巻線に電流を流します。

回転が一方向のみ必要で、速度やトルクを制御する必要がない場合、ブラシ付きモータには駆動電子機器はまったく必要ありません。このようなアプリケーションでは、DC電圧のオンとオフを切り替えるだけで、モータが動作または停止します。これは、電動玩具などの低コストのアプリケーションで一般的です。反転が必要な場合は、2極スイッチを使用して実行できます。

速度、トルク、および方向の制御を容易にするために、電子スイッチ (トランジスタ、IGBT、またはMOSFET) で構成される「Hブリッジ」を使用して、モータをいずれかの方向に駆動できるようにします。これにより、モータにどちらの極性でも電圧を加えることができ、モータは反対2方向に回転します。モータの速度またはトルクは、スイッチの1つをパルス幅変調することで制御できます。

ブラシレスDCモータ

ブラシレスDCモータ (maxonグループによる画像)

ブラシレスDCモータは、ブラシモータと同じ磁気吸引力と反発力の原理で動作しますが、構造が多少異なります。機械式整流子とブラシの代わりに、電子整流を使用して固定子の磁場を回転させます。これには、アクティブ制御装置の使用が必要です。

ブラシレスモータでは、ロータに永久磁石が固定され、固定子に巻線が取り付けられています。ブラシレスモータは、上に示すように、ロータを内側に配置するか、ロータを巻線の外側に配置して構築できます (「アウトランナー」モータと呼ばれることもあります)。

ブラシレスモータの巻き数を相数といいます。ブラシレスモータはさまざまな相数で構成できますが、3相ブラシレスモータが最も一般的です。例外は、1相または2相のみを使用する小型の冷却ファンです。

ブラシレスモータの3つの巻線は、「スター」または「デルタ」構成で接続されます。いずれの場合も、モータに接続されているワイヤは3本あり、駆動方法と波形は同じです。

3相では、磁極と呼ばれるさまざまな磁気構成でモータを構成できます。最も単純な3相モータには2つの極があります。回転子には、1対の磁極、1つは北、もう1つは南のみです。モータは、より多くの極を使用して構築することもできます。これには、ロータの磁気セクションと、固定子のより多くの巻線が必要です。極数が多いほど高いパフォーマンスが得られますが、極数が少ないほど非常に高速になります。

3相ブラシレスモータを駆動するには、3相のそれぞれを入力電源電圧またはグランドに駆動できる必要があります。これを実現するために、それぞれが2つのスイッチで構成される3つの「ハーフブリッジ」駆動回路が使用されます。スイッチは、必要な電圧と電流に応じて、バイポーラトランジスタ、IGBT、またはMOSFETにすることができます。

3相ブラシレスモータに採用できる駆動技術は多数あります。最も単純なものは、台形、ブロック、または 120度整流と呼ばれます。台形整流は、DCブラシモータで使用される整流方法にいくらか似ています。この方式では、常に3つのフェーズの1つがグランドに接続され、1つのフェーズはオープンのままになり、もう1つのフェーズは電源電圧に駆動されます。速度またはトルクの制御が必要な場合、通常、電源に接続された相はパルス幅変調されます。転流点ごとに位相が急激に切り替わるため、ロータの回転は一定ですが、モータの回転に伴ってトルクの変動 (トルクリップルと呼ばれる) が発生します。

より高い性能を得るには、他の転流方法を使用できます。正弦波または180度の整流により、常に3つのモータ相すべてに電流が流れます。ドライブエレクトロニクスは、各相を介して正弦波電流を生成し、各相は互いに120度ずれています。この駆動技術は、トルクリップル、および音響ノイズと振動を最小限に抑え、高性能または高効率のドライブによく使用されます。

磁場を適切に回転させるために、制御装置は、固定子に対する回転子の磁石の物理的な位置を知る必要があります。多くの場合、位置情報は、固定子に取り付けられたホールセンサを使用して取得されます。磁気ロータが回転すると、ホールセンサがロータの磁場を検出します。この情報は、ドライブエレクトロニクスによって使用され、回転子を回転させるシーケンスで固定子巻線に電流を流します。

3つのホールセンサを使用すると、単純な組み合わせロジックで台形整流を実装できるため、高度な制御装置は必要ありません。正弦波整流などの他の整流方式では、もう少し洗練された制御装置が必要で、通常はマイクロコントローラを使用します。

ホールセンサを使用して位置フィードバックを提供することに加えて、センサなしでロータの位置を決定するために使用できるさまざまな方法があります。最も簡単な方法は、非駆動相で逆起電力を監視して、固定子に対する磁場を感知することです。フィールド・オリエンテッド・コントロール (FOC) と呼ばれるより洗練された制御アルゴリズムは、ロータ電流とその他のパラメータに基づいて位置を計算します。FOCは通常、非常に高速に実行する必要のある多くの計算があるため、かなり強力なプロセッサを必要とします。もちろん、これは単純な台形制御方法よりもコストがかかります。

ブラシ付きおよびブラシレスモータ: 長所と短所

用途によっては、ブラシ付きモータではなくブラシレスモータを選択する理由があります。次の表は、各モータの種類の主な利点と欠点をまとめたものです。

寿命

前述のように、ブラシ付きモータの欠点の1つは、ブラシと整流子が機械的に摩耗することです。特にカーボンブラシは犠牲的であり、多くのモータでは、メンテナンスプログラムの一環として定期的に交換するように設計されています。整流子の柔らかい銅もブラシによって徐々に摩耗し、最終的にはモータが動作しなくなります。ブラシレスモータには可動接点がないため、この摩耗の影響を受けません。

速度と加速度

ブラシ付きモータの回転速度は、ロータの質量だけでなく、ブラシと整流子によっても制限されます。非常に高速になると、ブラシと整流子の接触が不安定になり、ブラシのアークが増加します。ほとんどのブラシ付きモータは、ロータに積層鉄のコアを使用しているため、大きな回転慣性が得られます。これにより、モータの加速率と減速率が制限されます。非常に強力な希土類磁石をロータに組み込んだブラシレスモータを構築して、回転慣性を最小限に抑えることができます。もちろん、それはコストを増加させます。

電気的ノイズ

ブラシと整流子は、一種の電気スイッチを形成します。モータが回転すると、スイッチが開閉し、誘導性のあるロータ巻線に大量の電流が流れます。これにより、接点でアークが発生します。これにより大量の電気ノイズが発生し、敏感な回路に結合する可能性があります。アーク放電は、ブラシ全体にコンデンサまたはRCスナバを追加することである程度、緩和できますが、整流子の瞬間的なスイッチングにより常に電気的ノイズが発生します。

音響ノイズ

ブラシ付きモータは「ハードスイッチ」です。つまり、電流は1つの巻線から別の巻線に急激に移動します。発生するトルクは、巻線のオンとオフが切り替わるため、ロータの回転によって変化します。ブラシレスモータでは、電流を1つの巻線から別の巻線に徐々に移行させる方法で、巻線電流を制御できます。これにより、ロータへのエネルギーの機械的脈動であるトルクリップルが低減されます。トルクリップルは、特にロータ速度が低い場合に、振動と機械的ノイズを引き起こします。

費用

ブラシレスモータはより高度な電子機器を必要とするため、ブラシレスドライブの全体的なコストはブラシ付きモータよりも高くなります。ブラシレスモータはブラシ付きモータよりも製造が簡単ですが、ブラシと整流子がないため、ブラシ付きモータの技術は非常に成熟しており、製造コストは低くなります。これは、ブラシレスモータの人気が高まるにつれて、特に自動車用モータなどの大量生産への適用では変化しています。また、マイクロコントローラなどの電子機器のコストは下がり続けており、ブラシレスモータはより魅力的なものになっています。

概要

コストの低下と性能の向上により、多くの応用システムでブラシレスモータの人気が高まっています。しかし、ブラシ付きモータの方が理にかなっている場所がまだあります。

自動車へのブラシレスモータの採用を見れば、多くのことがわかります。2020年の時点で、ポンプやファンなど、車が走っているときに常に動いているほとんどのモータは、信頼性を高めるためにブラシ付きモータからブラシレスモータに移行しました。モータと電子機器の追加コストは、フィールド故障率の低下とメンテナンス要件の減少で補って余りあります。

一方、電動シートやパワーウィンドウを動かすモータなど、使用頻度の低いモータは、主にブラシ付きモータのままです。その理由は、自動車の寿命全体での総稼働時間は非常に短く、自動車の寿命全体でモータが故障する可能性は非常に低いということです。

ブラシレスモータとそれに関連する電子機器のコストが下がり続けているため、ブラシレスモータは、従来はブラシ付きモータが使用していたアプリケーションにその道を見出しています。また、自動車の世界では、ハイエンドカーのシートアジャストモータには、騒音の発生が少ないブラシレスモータが採用されています。