ミニチュア流体制御業界では、ブラシレス モーターは、ミニチュア ウォーター ポンプやミニチュア真空ポンプなどの主流機器の中心的な電源です。小型ソレノイドバルブがモーターと連携して自動流量調整を実現します。最近、多くの機器購入者は BLDC のパフォーマンスに注目しています。したがって、この高効率モーターに関する核心的な知識を明らかにするために、連載型の人気科学記事を開始します。
高効率モーターの原理と応用を理解する: 電気モーターは、供給された電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。さまざまなタイプの電動機が広く使用されています。中でもブラシレスDCモーター(BLDC)は高効率で制御性に優れ、多くの用途に広く使用されています。他のタイプのモーターと比較して、BLDC モーターには省エネという利点があります。
電気モーターは電気伝達機械です。
エンジニアが機械的タスクを実行する電気機器を設計するという課題に直面するとき、電気信号がどのようにエネルギーに変換されるかを検討することがあります。したがって、アクチュエーターとモーターは、電気信号を動きに変換するデバイスの 1 つです。モーターは電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。
最も単純な電気モーターはブラシレス DC モーターです。このタイプのモーターでは、固定磁界内に配置されたコイルを電流が流れます。電流によりコイル内に磁場が発生します。これにより、各コイルがそれ自体の極から遠ざけられ、固定磁場の極に向かって引っ張られると、コイル アセンブリが回転します。回転を維持するには、電流を常に反転する必要があり、これによりコイルの極性が継続的に反転し、その結果、コイルは反対の磁場の極を「追いかけ」続けることになります。コイルへの電力は、回転する整流子と接触する固定導電性ブラシによって供給されます。整流子の回転により、コイルに逆方向に電流が流れます。整流子とブラシは、ブラシ付き DC モーターを他のモーターと区別する重要なコンポーネントです。
図 1 は、ブラシ付き DC モーターの一般原理を示しています。
図 1: ブラシ付き DC モーターの動作。
固定ブラシは、回転する整流子に電気エネルギーを供給します。整流子が回転すると、コイルに流れる電流の方向が連続的に反転するため、コイルの極性が反転し、右回転が維持されます。整流子は、コイルが取り付けられた回転子に接続されているため回転します。
一般的なモーターの種類
モーターは、電源の種類 (AC または DC) と回転の生成方法が異なります (図 2)。以下に、それぞれのタイプの特徴と用途を簡単に紹介します。
図 2: さまざまな種類のモーター
ブラシ付き DC モーターは、設計がシンプルで制御が容易で、ディスク トレイの開閉に広く使用されています。自動車では、電動サイド ウィンドウの格納、展開、位置決めによく使用されます。これらのモーターは低コストなので、多くの用途に適しています。ただし、ブラシと整流子は継続的に接触するため比較的早く摩耗する傾向があり、頻繁な交換と定期的なメンテナンスが必要になるという欠点があります。
ステッピング モーターはパルスによって駆動されます。パルスを受信するたびに、特定の角度 (ステップ) だけ回転します。回転プロセスは受信したパルス数によって完全に制御されるため、これらのモーターは位置調整に広く使用されています。ファクシミリやプリンタの紙送りプロセスを制御するためによく使用されます。これらのデバイスは固定ステップで紙を送り、これらのステップはパルス数と簡単に相関するためです。パルス信号が遮断されると即座にモーターの回転が停止するため、ポーズ制御も簡単に実現できます。
同期モーターを使用すると、回転は電源電流の周波数に同期します。これらのモーターは、電子レンジの回転トレイを駆動するために一般的に使用されます。モーターユニット内の減速ギアは、食品を加熱するのに適切な回転速度を提供します。誘導モーターでは、回転速度は周波数によって変化しますが、動きは非同期です。かつては扇風機や洗濯機などによく使われていたモーターです。
一般的に使用されるモーターにはさまざまな種類があります。このセクションでは、ブラシレス DC モーターの利点と用途について説明します。
BLDCモーターはなぜ回転するのですか?
名前が示すように、ブラシレス DC モーターはブラシを使用しません。ブラシ付きモーターでは、ブラシが整流子を介してローターのコイルに電流を送ります。では、ブラシレスモーターはどのようにしてローターコイルに電流を流すのでしょうか?なし - コイルがローター上に配置されていないためです。ローターは永久磁石です。コイルは回転せず、ステーターに固定されています。コイルが動かないため、ブラシや整流子が不要です。 (図 3 を参照) ブラシ付きモーターでは、回転子のコイルによって生成される磁場を制御することによって回転が達成されますが、固定磁石によって生成される磁場は一定のままです。回転速度を変更するには、コイルの両端の電圧を変更する必要があります。 BLDC モーターでは、永久磁石が回転します。回転は、周囲の固定コイルによって生成される電磁場の方向を変えることによって実現されます。回転を制御するには、これらのコイルに流れる電流の大きさと方向を調整する必要があります。
図 3: BLDC モーター。
回転子は永久磁石であるため電流が不要で、ブラシや整流子も不要です。固定コイルへの電流は外部から制御されます。
BLDCモーターの利点
ステータ上に 3 つのコイルがある BLDC モーターには、これらのコイルから 6 本のワイヤ (各コイルに 2 本) が伸びています。ほとんどの実装では、これらのワイヤのうち 3 つは内部接続され、残りの 3 つはモータ本体から伸びています (前述のブラシ付きモータの 2 つのワイヤとは対照的に)。 BLDC モーターのケーシング内の配線は、電源ユニットのプラス端子とマイナス端子を単に接続するよりも複雑です。これらのモーターの仕組みについては、このシリーズのパート II でさらに詳しく検討します。以下では、BLDC モーターの利点を理解して締めくくります。
これらのモーターは最大トルクで連続的に動作できるため、効率が大きな利点となります。対照的に、ブラシ付きモーターは、特定の回転点でのみ最大トルクに達することができます。ブラシレス モーターと同じトルクを提供するには、ブラシ付きモーターにはより大きな磁石が必要です。これが、小型の BLDC モーターでもかなりの電力を供給できる理由です。
1 番目の利点に関連する 2 番目の大きな利点は、制御性です。 BLDC モーターはフィードバック メカニズムを介して制御でき、必要なトルクと速度を正確に提供します。正確な制御により、エネルギー消費と発熱が削減され、モーターがバッテリー駆動の場合はバッテリー寿命が延長されます。
BLDC モーターにはブラシがないため、耐久性が高く、電気ノイズの発生も低くなります。ブラシ付きモーターでは、接触が継続的に動くためブラシと整流子が摩耗し、接触点で火花が発生します。特に電気的ノイズは、ブラシが整流子のギャップを通過する際に発生しやすい強い火花によって発生します。このため、電気ノイズを回避する必要があるアプリケーションでは、一般に BLDC モーターがより良い選択肢であると考えられています。
BLDCモーターの理想的な用途
BLDC モーターは効率と制御性が高く、長寿命であることがわかりました。それで、それらは何に使われるのでしょうか？効率と寿命により、連続運転装置に広く使用されています。これらは洗濯機、エアコン、その他の家庭用電化製品に長い間使用されてきました。最近では、その高効率により消費電力が大幅に削減されるファンにも使用されています。
真空機の駆動にも使用されます。あるケースでは、制御プログラムの変更により速度が大幅に上昇しました。これは、これらのモーターが提供する高レベルの制御性の一例です。
BLDC モーターは、ハードディスク ドライブの駆動にも使用されます。その耐久性により、ドライブは長期間にわたって確実に動作することができ、その電力効率は、ますます重要性を増している分野でのエネルギー消費の削減に役立ちます。
将来のさらなる応用に向けて
今後、BLDCモータはさらに幅広い用途で使用されることが期待されます。たとえば、製造業以外の分野でサービスを提供する小型ロボットであるサービス ロボットの駆動に広く使用される可能性があります。パルスを正確な位置制御に使用できるため、この種のアプリケーションにはステッピング モーターの方が適していると考える人もいるかもしれません。ただし、力の制御には BLDC モーターの方が適しています。ステッピング モーターを使用してロボット アームなどの構造物の位置を維持するには、比較的大きな連続電流が必要です。 BLDC モーターでは、必要な電流が外力に比例するため、よりエネルギー効率の高い制御が可能になります。 BLDC モーターは、ゴルフ カートや移動車両の単純なブラシ付き DC モーターを置き換えることもできます。 BLDC モーターは効率が高いことに加えて、より正確な制御を提供するため、バッテリー寿命をさらに延ばすことができます。
BLDC モーターはドローンにも最適です。正確な制御を提供する機能はマルチロータードローンに特に適しており、各ローターの回転速度を制御することでドローンの姿勢を正確に制御できます。
