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BLDCモータ入門
高効率モータの原理と活用方法を理解しよう
❶ BLDCモータとは?

電気(電圧・電流)を与えると、機械的な動きで応えるのがモータです。いろいろな種類のモータがありますが、「BLDCモータ」は効率が高く制御性が良いので、さまざまな用途に広く利用され、低消費電力化も期待できます。

モータは力を得るデバイスの一種

電気・電子を扱う機器に、現実の世界で何かをさせようとするとき、エンジニアは立ち止まります。信号を「力」に変えるにはどうしたらよいでしょう。信号を力に変換するのが、アクチュエータでありモータです。モータとは「電気を機械的な力に変換する素子」と見てもよいでしょう。

最も基本的なモータは、「DCモータ(ブラシ付きモータ)」でしょう。磁界の中にコイルが置かれ、流れる電流によりコイルが片方の磁極に反発し、同時に反対側が別の磁極に引かれる、といった作用で回転します。回転の途中でコイルに流す電流を逆にして回転が続くようにします。モータの中に「整流子」と呼ばれる部分があり、ここに「ブラシ」が当たって給電するのですが、整流子上でブラシがあたる箇所は、回転により移動します。ブラシがあたる場所を変えることで、電流の向きが変わるのです。整流子とブラシは、DCモータ(ブラシ付きモータ)の回転のために欠かせない機構です(図1)。

図1:DCモータ(ブラシ付きモータ)の動作イメージ

図1:DCモータ(ブラシ付きモータ)の動作イメージ。
整流子がコイルに流れる電流の向きを切り替え、磁極の向きを逆転させて、常に右回りするようにしています。
軸とともに回転する整流子には、ブラシから電力を供給します。

活躍するモータ

モータを電源の種類と回転原理で分類しました(図2)。各モータの特徴や用途を簡単に見てみましょう。

図2:モータの主な種類

図2:モータの主な種類

構造が単純で制御が簡単なDCモータ(ブラシ付きモータ)は、家電製品では「ディスクトレイの開閉」などの用途で使われます。自動車では「電動バックミラーの開閉や向きの制御」といった用途に見られます。廉価であり多くの分野に使われますが、整流子とブラシが接触するため寿命が短く定期的なブラシの交換や保守をしなければならない、という欠点もあります。

ステッピングモータは、与えたパルス数に従って回転します。与えたパルス分しか動かないので、位置を調整する用途に向いています。家庭用では、「ファクシミリやプリンタの紙送り」などに使われています。ファクシミリでは、紙を送るステップ(刻み、細かさ)が規格で決まっていますから、パルス数に従って回転するステッピングモータは、大変に使いやすいものとなります。信号が途絶えたら一時的に停止する、といったことにも容易に対応できます。

回転数を電源周波数に合わせられる同期モータは、「電子レンジの回転テーブル」などに使われています。モータユニットの中に減速歯車があり、食品を温めるのに向いた回転数を得ているようです。誘導モータも電源周波数の影響を受けますが、周波数と回転数は一致しません。昔は、これらのACモータが扇風機や洗濯機に使われていました。

このように、多種多様なモータが活躍しています。その中で、BLDCモータ(ブラシレスモータ)はどのような特徴があり利用が拡がっているのでしょうか。

BLDCモータはなぜ回る

BLDCモータの「BL」とは、「ブラシレス」を意味します。DCモータ(ブラシ付きモータ)にあった「ブラシ」が無いのです。DCモータ(ブラシ付きモータ)におけるブラシの役割は、整流子を通じて回転子にあるコイルに電流を流すことにありました。では、ブラシが無いBLDCモータでどうやって回転子のコイルに電流を流すのでしょう。なんと、BLDCモータでは永久磁石が回転子になっていて、回転子にコイルが無いのです。回転子にコイルが無いのですから、電流を流すための整流子もブラシも不要です。その代わり、固定子としてコイルがあります(図3)。

図3:BLDCモータの動作イメージ

図3:BLDCモータの動作イメージ。
BLDCモータは、永久磁石が回転子となっています。回転子に電流を流す必要が無いので、ブラシと整流子がありません。
コイルに流す電流は、外部から制御します。

DCモータ(ブラシ付きモータ)では、固定された永久磁石が作り出す磁界は動かず、この中でコイル(回転子)が発する磁界を制御することで回転しました。回転数を変えるには、電圧を変えます。BLDCモータでは、回転子は永久磁石で、周囲にあるコイルから発生する磁界の方向を変えることで回転子を回します。そして、これらのコイルに流す電流の向きと大きさを制御することで、回転子の回転を制御しています。

BLDCモータのメリット

固定子に3つのコイルがあるBLDCモータは、各コイルから2本、計6本の電線がモータから出ることになります。実際は、内部での結線のおかげで3本である場合がほとんどですが、先ほどのDCモータ(ブラシ付きモータ)より1本多くなります。単純に電池のプラスとマイナスをつないだだけでは動きません。このBLDCモータをどのように動かすかについては、本シリーズの第2回で説明しましょう。今回は、BLDCモータのメリットに注目します。

BLDCモータの第一の特徴は『効率が良い』ことです。回転しようとする力(トルク)が常に最大になるように制御できます。DCモータ(ブラシ付きモータ)の場合、回転している間にトルクが最大になる瞬間は限られており、常に最大にはできません。DCモータ(ブラシ付きモータ)でBLDCモータと同様なトルクを得ようとすると、どうしても磁石が大きくなってしまうようです。小さなBLDCモータでも力を出せるのは、このような理由があります。

二番目の特徴は、一番目と関連しますが、『制御性の良さ』です。BLDCモータでは、出したいトルク、得たい回転数などをピッタリと得ることができます。BLDCモータからフィードバックを掛けて目標の回転数やトルクに正確に持ち込めます。無駄なく正確に制御することで、モータからの発熱の抑制や消費電力の抑制につながります。電池駆動の場合、制御を緻密に行うことで駆動時間を長くすることもできそうです。

その他に、耐久性が高いこと、電気的ノイズが小さいことも特徴としてあげられます。この2つは、ブラシが無いことが寄与しています。DCモータ(ブラシ付きモータ)の場合、 ブラシと整流子は接触がありますから、長期間使用すると摩耗してしまいます。接触している部分では火花も出ます。特に、整流子の隙間のところにブラシが達すると、強い火花が出てノイズになります。ノイズを出したくない用途であれば、BLDCモータの採用を考えることになるでしょう。

BLDCモータは、ここにピッタリ

効率が高く、多様な制御ができ、長寿命のBLDCモータ、どのようなところに使われているのでしょうか。まさに、高効率、長寿命の特徴を活かして、連続使用する製品に多く入っています。例えば、家電製品。洗濯機やエアコンは以前から使われていました。最近は、扇風機にも採用され消費電力を大幅に下げることに成功しました。効率が高いため、消費電力を下げることができたのですね。

掃除機にもBLDCモータが使われています。ある事例では、制御プログラムの変更で、大幅な回転数アップを実現しました。これは、BLDCモータの制御性の良さを示しています。

記憶媒体として重要なハードディスクも、回転部分はBLDCモータが使われています。長時間回転するモータですから、耐久性が大切です。もちろん、消費電力も極力抑えたい用途です。ここでも効率の高さが、低消費電力化につながっています。

またまだある、BLDCモータの使い道

これから広がる分野でもBLDCモータの採用が期待されます。小型のロボット、特にサービスロボットと呼ばれる、製造以外の分野でサービスを提供するロボットでは、BLDCモータが広く使われるでしょう。「ロボットは位置決めが大切なので、パルス数に応じて動くステッピングモータじゃないの?」と思われるかも知れません。でも、力を制御するにはBLDCモータが向いています。また、ステッピングモータだと、ロボットの腕のような構造で位置を保つとき、かなりの電流を流し続けねばなりません。BLDCモータなら、外力に合わせて必要な電流のみを流すので消費電力を抑えた制御も可能です。

輸送系にも使えます。これまでは、高齢者用電動カートやゴルフカートには簡単なDCモータ(ブラシ付きモータ)が多用されてきましたが、最近では、制御性が良く効率が高いBLDCモータが採用されています。細かな制御ができることで、バッテリーの持続時間を伸ばせます。ドローンにもBLDCモータはうってつけです。特に、マルチコプター型のドローンの場合、プロペラの回転数を変えることで姿勢を制御していますから、回転を精密に制御できるBLDCモータの利用が有利になります。

いかがでしたか。BLDCモータは、効率が高く、制御性が良く、寿命も長いといった優れたモータです。ただし、BLDCモータの力を最大限に引き出すには、正しい制御が必要です。どのように動かすのか、次回をお楽しみに。

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