ブラシレスVsブラシレスDCモーター：いつ、なぜ他のものを選択する

DCブラシモータ

DCブラシモータ（マクソングループによる画像）

DCモータは、ワイヤの巻線コイルを使用して磁場を作成します。 ブラシをかけられたモーターでは、これらのコイルはシャフトを運転するために回って自由である–”回転子”と呼ばれるモーターの部分である。 通常、コイルは鉄心の周りに巻かれていますが、巻線が自己支持されている”コアレス”のブラシモータもあります。

モーターの固定部分を”固定子”と呼びます。 永久磁石が静止した磁界を提供するのに使用されています。 通常これらの磁石は回転子の外側の固定子の内部の表面で、置かれます。

回転子を回転させるトルクを生成するためには、回転子の磁場が連続的に回転する必要があり、その磁場が固定子の固定磁場を引き付けて反発す フィールドを回転させるために、摺動電気スイッチが使用される。 スイッチは普通回転子に取付けられる区分された接触である固定子および固定子に取付けられる固定ブラシから成っている。

回転子が回転すると、整流子によって異なる回転子巻線のセットが常にオンとオフに切り替わります。 これにより回転子のコイルは回転子の回転を作る固定子の固定磁石から絶えず引き付けられ、撃退されます。

ブラシと整流子の間にはある程度の機械的摩擦があり、電気的接触であるため、一般的に潤滑することはできないため、モーターの寿命にわたってブラシと この摩耗は、最終的にはモーターが機能しなくなるポイントに到達します。 多くのブラシ付きモーター、特に大きなモーターには、交換可能なブラシがあり、通常はカーボン製で、摩耗として良好な接触を維持するように設計されています。 これらのモーターは定期的なメンテナンスが必要です。 交換可能なブラシであっても、最終的には整流子もモーターを交換する必要がある点まで摩耗します。

ブラシモータを駆動するために、ブラシに直流電圧を印加し、回転子巻線に電流を流してモータを回転させます。

回転が一方向にのみ必要で、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。 このような用途では、DC電圧をオン/オフするだけで、モーターを作動または停止させることができます。 これはモーターを備えられたおもちゃのような安価の適用で典型的である。 逆転が必要なら、二極スイッチの使用によって達成することができる。

速度、トルク、方向の制御を容易にするために、トランジスタ、Igbt、Mosfetなどの電子スイッチで構成される”Hブリッジ”を使用して、モータをどちらの方向にも駆動 これにより、いずれの極性でもモータに電圧を印加することができ、モータを反対方向に回転させることができます。 モータ速度またはトルクは、スイッチのいずれかを変調するパルス幅によって制御することができる。

ブラシレスDCモーター

ブラシレスDCモーター（マクソングループによる画像）

ブラシレスDCモーターは、ブラシモーターと同じ磁気吸引と反発の原理で動作しますが、 機械整流子およびブラシの代りに、固定子の磁界は電子代わりの使用によって回ります。 これは活動的な制御電子工学の使用を要求する。

ブラシレスモーターでは、回転子に永久磁石が取り付けられており、固定子には巻線があります。 ブラシレスモーターは、上に示したように、内側にロータ、または巻線の外側にロータ（”アウトランナー”モータと呼ばれることもあります）で構成することができます。

ブラシレスモータに使用される巻線の数を位相数といいます。 ブラシレスモーターは異なる位相数で構成することができますが、三相ブラシレスモーターが最も一般的です。 例外は、1つまたは2つの相のみを使用する小型の冷却ファンです。

ブラシレスモーターの三つの巻線は”スター”または”デルタ”構成で接続されています。 いずれの場合も、モータに接続する3本のワイヤがあり、駆動技術と波形は同じです。

三相では、モーターは極と呼ばれる異なる磁気構成で構築することができます。 最も単純な3相モータには2つの極があります：ロータには1対の磁極、1つの北と1つの南しかありません。 モーターはまた回転子のより多くの磁気セクション、および固定子のより多くの巻上げを要求するより多くの棒と造ることができます。 より高い棒の計算はより低い棒の計算と非常に高速がよりよく達成されるけれども高性能を提供できます。

三相ブラシレスモータを駆動するには、三相のそれぞれが入力電源電圧またはグランドのいずれかに駆動できる必要があります。 これを達成するために、3つの「ハーフブリッジ」駆動回路が使用され、それぞれが2つのスイッチで構成されています。 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。

三相ブラシレスモータには多くの駆動技術が採用されています。 最も単純なものは、台形、ブロック、または120度の転流と呼ばれます。 台形整流は、DCブラシモータで使用される整流方法と多少似ています。 この方式では、任意の時点で、3つの相のうちの1つがグランドに接続され、一方がオープンのままにされ、他方が電源電圧に駆動されます。 速度またはトルク制御が必要な場合、通常、電源に接続されている位相はパルス幅変調されます。 各転流点で位相が急激に切り替わるため、ロータの回転は一定であるが、モータの回転に伴ってトルク（トルクリップルと呼ばれる）に多少の変化がある。

より高い性能のために、他の転流方法を使用することができる。 正弦、または180度、整流は、すべての時間のすべての三つのモータ相を通って電流を駆動します。 駆動電子回路は、各相が正弦波電流を生成し、それぞれが他の相から120度シフトします。 このドライブ技術は音響の騒音および振動と同様、トルクのさざ波を、最小にし、高性能か高性能ドライブのために頻繁に使用される。

磁場を適切に回転させるためには、制御電子機器は固定子に対する回転子上の磁石の物理的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。 磁気回転子が回ると同時に、ホールセンサーは回転子の磁界を取ります。 この情報は、回転子を回転させる順序で固定子巻線に電流を流すために駆動電子回路によって使用されます。

三つのホールセンサを使用すると、台形整流は簡単な組み合わせロジックで実装できるため、高度な制御電子回路は必要ありません。 正弦整流のような他の整流方法は、もう少し洗練された制御電子回路を必要とし、通常はマイクロコントローラを採用しています。

ホールセンサを用いた位置フィードバックのほか、センサなしでロータ位置を決定するために使用できる様々な方法があります。 最も簡単なのは、非駆動相の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。 フィールド指向制御またはFOCと呼ばれるより洗練された制御アルゴリズムは、ロータ電流および他のパラメータに基づいて位置を計算します。 非常に迅速に実行する必要がある多くの計算があるので、FOCは通常、かなり強力なプロセッサを必要とします。 これは、もちろん、単純な台形制御方法よりも高価です。

ブラシ付きモータとブラシレスモーター：長所と短所

用途によっては、ブラシ付きモータの上にブラシレスモーターを使用することを選択する理由があります。 次の表は、各モータタイプの主な長所と短所をまとめたものです:

	ブラシ付きモーター	ブラシレスモーター
寿命	短い（ブラシが摩耗）	長い（ブラシが摩耗しない）)
速度と加速度	中	高
効率	中	高
電気的ノイズ	ノイズ(ブッシュアーク)	静か
音響ノイズ&トルクリップル	貧弱	中（台形）または良好（正弦）)
コスト	最低	中（電子機器を追加しました)

寿命

前述のように、ブラシモータの欠点の一つは、ブラシと整流子の機械的摩耗があることです。 特にカーボンブラシは犠牲的であり、多くのモーター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されるように設計されています。 整流子の柔らかい銅はまたブラシによってゆっくり身に着けられて、結局モーターがもはや作動しないポイントに達します。 ブラシレスモーターに移動接触がないので、この摩耗に苦しまない。

速度と加速度

ブラシモータ回転速度は、ブラシと整流子、および回転子の質量によって制限することができます。 非常に高速で、整流子へのブラシの接触は不安定になることができ、ブラシのアークが増加します。 ほとんどのブラシをかけられたモーターはまたそれらに大きい回転慣性を与える回転子で薄板にされた鉄の中心を使用する。 これにより、モータの加速速度と減速速度が制限されます。 回転慣性を最小にする回転子の非常に強力な希土類磁石が付いているブラシレスモーターを造ることは可能である。 もちろん、それはコストを増加させます。

電気ノイズ

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、スイッチは開閉され、誘導性のロータ巻線にはかなりの電流が流れています。 これは接触でアークで起因します。 これにより、大量の電気ノイズが発生し、敏感な回路に結合される可能性があります。 アーク放電は、ブラシにコンデンサまたはRCスナバを追加することによって幾分軽減することができますが、整流子の瞬間的な切り替えは常にいくらかの電気的ノイズを発生させます。

音響ノイズ

ブラシ付きモーターは”ハードスイッチ”です。 発生するトルクは巻上げが断続的に転換されて得ると同時に回転子の回転に変わります。 ブラシレスモータでは、ある巻線から別の巻線に徐々に電流を遷移させるように巻線電流を制御することが可能です。 これは回転子にエネルギーの機械脈動であるトルクのさざ波を下げる。 トルクのさざ波は低い回転子の速度で振動および機械騒音を、特に引き起こす。

コスト

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モータのコストよりも高くなります。 ブラシレスモーターはブラシ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、ブラシモータ技術は非常に成熟しており、製造コストは低いです。 これはブラシレスモーターが自動車モーターのような大量の適用で普及するように、特になると同時に変わっています。 また、マイクロコントローラのような電子機器のコストは低下し続けており、ブラシレスモーターはより魅力的です。

概要

コストの低下と性能の向上により、ブラシレスモーターは多くの用途で人気を集めています。 しかし、ブラシモータがより理にかなっている場所はまだあります。

自動車におけるブラシレスモーターの採用を見ることで多くのことを学ぶことができます。 2020年現在、ポンプやファンなど、車が走っているときに実行されているほとんどのモーターは、信頼性を高めるためにブラシ付きモーターからブラシレスモータに移行しています。 モーターおよび電子工学の加えられた費用はもっとより分野の失敗および減らされた維持率のより低い率を補う。

一方、パワーシートやパワーウィンドウを動かすモーターなど、頻繁に運転されないモーターは、主にブラシモーターが残っています。 その理由は、車の寿命にわたる総実行時間が非常に小さく、モーターが車の寿命にわたって故障する可能性は非常に低いということです。

ブラシレスモーターとそれに関連する電子機器のコストが減少し続けるにつれて、ブラシレスモーターは伝統的にブラシレスモーターが保持してきた用途に 自動車の世界からの別の例として、ハイエンドカードのシート調整モータは、音響ノイズが少ないため、ブラシレスモータを採用しています。

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