1. ブラシ付きDCモーター
ブラシ付きモーターでは、これはモーターのシャフトに取り付けられた整流子と呼ばれる回転スイッチによって行われます。整流子は、回転する円筒形または円盤状の部品で構成され、回転子上に複数の金属接点セグメントが分割されています。これらのセグメントは、回転子上の導体巻線に接続されています。グラファイトなどの軟質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、回転子が回転するにつれて、連続するセグメントと摺動電気接触を行います。ブラシは巻線に選択的に電流を供給します。回転子が回転すると、整流子は異なる巻線を選択し、特定の巻線に方向性のある電流が印加されるため、回転子の磁場は固定子の磁場とずれたままになり、一方向のトルクが発生します。
2. ブラシレスDCモーター
ブラシレスDCモーターでは、機械式整流子接点の代わりに電子サーボシステムが用いられます。電子センサーがローターの角度を検出し、トランジスタなどの半導体スイッチを制御します。このスイッチは巻線に流れる電流を切り替え、電流の方向を反転させたり、モーターによっては電流を遮断したりすることで、電磁石が一方向にトルクを発生させる適切な角度に調整します。摺動接点が不要になったことで、ブラシレスモーターは摩擦が少なくなり、長寿命化が実現しました。そ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トルクは直線的に減少します。ブラシレスモーターは、ブラシ付きモーターのいくつかの欠点を克服できます。例えば、効率が高く、機械的摩耗に対する耐性が高いといった点が挙げられます。しかし、これらの利点は、制御電子機器の堅牢性が低下し、複雑化し、コストが高くなる可能性があるという代償を伴います。
一般的なブラシレスモーターは、固定された電機子を中心に永久磁石が回転する構造になっており、可動する電機子に電流を流す際に生じる問題を解消しています。ブラシ付きDCモーターの整流子アセンブリは、モーターの回転を維持するために巻線への位相を連続的に切り替えますが、この電子コントローラは、整流子システムではなくソリッドステート回路を用いることで、ブラシ付きモーターと同様の時間制御による電力分配を実現します。
ブラシレスモーターは、ブラシ付きDCモーターに比べて、高トルク対重量比、ワットあたりのトルク増加による効率向上、信頼性の向上、騒音の低減、ブラシと整流子の摩耗の排除による長寿命化、電離火花の排除など、いくつかの利点があります。
整流子がなく、電磁干渉(EMI)も全体的に低減されます。回転子に巻線がないため、遠心力がかからず、巻線はハウジングによって支えられているため、伝導冷却が可能となり、モーター内部に冷却用の空気の流れを必要としません。つまり、モーター内部を完全に密閉し、汚れやその他の異物から保護できるということです。
ブラシレスモーターの整流は、マイクロコントローラを用いたソフトウェアで実現することも、アナログ回路やデジタル回路を用いて実現することも可能です。ブラシではなく電子回路で整流を行うことで、ブラシ付きDCモーターでは実現できない柔軟性と機能が向上します。例えば、速度制限、低速かつ精密な動作制御のためのマイクロステッピング動作、静止時の保持トルクなどが挙げられます。コントローラソフトウェアは、アプリケーションで使用す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印加できる最大電力は、ほぼ完全に熱によって制限されます。[要出典] 熱が強すぎると磁石が弱くなり、巻線の絶縁が損傷します。
電気エネルギーを機械エネルギーに変換する際、ブラシレスモーターはブラシ付きモーターよりも効率が高い。これは主にブラシがないため、摩擦による機械エネルギー損失が低減されるためである。この効率向上は、モーターの性能曲線における無負荷および低負荷領域で最大となる。
メーカーがブラシレスDCモーターを使用する環境や要件としては、メンテナンスフリー運転、高速運転、火花が危険な場所(爆発性環境など)での運転、あるいは電子的に敏感な機器に影響を与える可能性のある場所での運転などが挙げられる。
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、実装方法や動作原理の違いにより、両者には重要な相違点があります。ステッピングモーターはローターが一定の角度位置で停止することが多いのに対し、ブラシレスモーターは通常、連続回転を目的としています。どちらのタイプのモーターも、内部フィードバックのためにローター位置センサーを備え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、回転数ゼロでも一定のトルクを維持できます。
投稿日時:2023年3月8日
