ブラシレスモーターとは
ブラシレスモーターは、整流子やブラシなどの機械的な接触部を取り除いたモーターです。整流子の代わりを電子回路が行うことで、整流子とブラシを無くしています。直流モーターは、ステータの巻き線回路の磁力によって、永久磁石のロータを駆動します。電流の切り替えを、センサと半導体スイッチによって行い、回転させます。
電流とトルク、及び電圧と回転速度が比例するという点でDCモーターの性格を持ち、構造はACモーターという双方の優れた点を取り入れています。小型で高出力・高効率・長寿命の特性を持ち、火花やノイズの発生もなく、コンピュータから家電まで幅広い用途で活用されています。
ブラシレスモーターの使用用途
ブラシレスモーターはDCモーターの特性を持ち、高効率で長寿命・低騒音の特徴があります。家電製品・電子機器・自動車等、幅広く使われています。家電製品では、エアコン・食洗器・洗濯機・冷蔵庫・扇風機・掃除機などのファンモーターや駆動モーターに使われます。インバーター制御のエアコンや冷蔵庫のコンプレッサには最適です。
業務用電子機器では、レーザープリンターの紙送り・ドローンのプロペラ駆動やジンバル制御・ハードディスクや光ディスクの、および工具のドリル・ドライバー・のこぎりの駆動など広範囲に使用されます。また、自動販売機・金融端末・券売機、および複写機・給湯器・冷凍冷蔵ショーケースなどにも使われます。
また、自動車分野での採用が急速に増えています。電動パワーステアリング・ドアロック・ヘッドライト光軸調整・ドア開閉などの駆動モーター・電気自動車のエアコンコンプレッサー・電気自動車用トラクションモーターなどへ用途が拡大しています。
ブラシレスモーターの原理
ブラシレスモーターは、ローターとステータ、ローターの回転位置を検出するセンサー、および駆動用ドライバー回路などで構成されます。
1. ローターとステータ
ローターは永久磁石により磁界を作り、ステータには巻線が巻かれ、磁束を発生させます。ローターの回転角に応じて、ステーターコイルに流れる電流の向きを変えて、磁束の方向を変えます。ブラシレスモーターは、磁束の方向を変化させる手段として、整流子とブラシを使用せずにセンサーと半導体スイッチを使います。
2. ローターの回転位置検出
ローターの回転位置を検出するセンサーは、ホールICや光学式のエンコーダが使われます。逆起電力を検出する方法もあります。ローターの位置を検出して、ステータの磁束方向が順次進むように電流を切り替えることで、回転させます。モーターの巻き線が3相の場合、センサーはステーターの内側に3個配置され、ローターの回転に応じてデジタル信号が出力されます。
3. 駆動ドライバー
ブラシレスモーターは、電源としてモーターを制御するインバーター回路のドライバーが必要です。モーター巻線にはスイッチング用のトランジスターが接続され、トランジスタ6個でインバーターを構成します。商用電源はダイオードブリッジで整流して直流電圧に変換し、インバータ回路に供給されます。
ローターの位置検出センサーからのデジタル信号が、インバーター回路のトランジスターに入力され、インバーターの電源がON・OFFされます。この電源がモーターの巻線に供給され、モーターが駆動されます。センサーからの信号の組み合わせからローターの磁極角を検出し、トルクが必要な巻線のトランジスタを制御して、回転磁界ができるようにします。
モーターの回転速度は、センサー信号を制御回路にフィードバックして、所定の速度を維持できるようにします。
ブラシレスモーターのその他情報
ブラシレスモーターの特徴
1. 長寿命
ブラシレスモーターは整流子とブラシが無く、摺動部がないため、寿命が長い特性があります。ブラシモーターに比べ10倍以上の寿命があり、メンテナンスも容易になります。
2. モーター特性
DCモーターの特性を有し、電流とトルク、及び電圧と回転速度が比例し、低速でも高いトルクが得られます。効率が他のモーターに比べ最も優れており、小型で低騒音もあって用途が広くなっています。また、高速回転も容易で、発生ノイズも少ないと言えます。
3. 制御性
小型軽量の特性があり、慣性モーメントが比較的小さいので、変化に対して追随性に優れています。負荷が変化しても、低速から高速まで安定した速度で運転が可能です。
4. 短所
モーターの電源として、モーターの回転を制御するインバータ回路を必要とします。制御装置や回転位置センサーを含め、装置全体のコストが不利になります。
参考文献
https://www.nidec.com/jp/technology/capability/brushless/
https://www.renesas.com/jp/ja/support/technical-resources/engineer-school/brushless-dc-motor-01-overview.html#motors-turn
https://www.mouser.jp/new/toshiba-semiconductors/toshiba-brushless-motor-driver-ics/