ブラシ付きDCモータの動作原理

ブラシ付きDCモータの主な構造は、ステータ＋ロータ＋ブラシで、回転磁界によってトルクを得、運動エネルギーを出力する。ブラシは整流子と常に接触・摩擦しており、回転中に電気を通し、整相する役割を担っている。

ブラシ付きDCモーターは機械的整流を使用し、磁極は動かず、コイルが回転する。モーターが作動しているとき、コイルと整流子は回転し、磁石とカーボンブラシは回転せず、コイル電流の交互の方向転換は、モーターと一緒に回転する整流子とブラシによって完了する。

ブラシ付きDCモーターでは、各コイル群の2つの電力入力端子を、絶縁材で仕切られたリング状に順番に並べて円柱状のものを形成し、全体としてモーター軸に接続するというプロセスをとる。動力は、カーボン・エレメント（カーボン・ブラシ）でできた2本の小さな柱を通過する。バネ圧の作用で、上側のコイル動力入力リング円筒の2点を特定の固定位置から押圧し、コイル群に通電する。

モータが回転すると、異なるコイルまたは同じコイルの異なる極が異なるタイミングで通電され、磁界を発生させるコイルのNS極が、それに最も近い永久磁石ステータのNS極と適切な角度差を持つようになる。磁界の逆極同士は引き合い、同極同士は反発し、モーターを回転させる力が発生する。カーボン電極は、ブラシが物体の表面を磨くように、コイル端子上を滑るので、カーボンの「ブラシ」と呼ばれる。

カーボンブラシとコイル端子を交互にON/OFFすると、電気火花が発生し、電磁障害を起こし、電子機器に悪影響を及ぼします。カーボンブラシとコイル端子を交互にON/OFFすると、電気火花が発生し、電磁障害を起こし、電子機器に支障をきたす。

ブラシレスDCモータの動作原理

ブラシレスDCモーターでは、転流作業はコントローラー（通常はホールセンサー＋コントローラー、より高度な技術としては磁気エンコーダー）の制御回路によって行われる。

ブラシレスDCモーターは電子整流を使用し、コイルは動かず、磁極が回転する。ブラシレスDCモーターは、ホールスイッチSS2712を通して永久磁石の磁極の位置を感知するために、一連の電子デバイスを使用します。この感知に基づき、電子回路を使用してコイルに流れる電流の方向を適時に切り替え、モーターを駆動するために正しい方向の磁力が発生するようにする。ブラシ付きDCモーターの欠点が解消される。

これらの回路はモーター・コントローラーである。ブラシレスDCモータのコントローラは、ブラシレスDCモータでは実現できない機能、例えば、電源スイッチング角度の調整、モータのブレーキ、モータの逆転、モータのロック、ブレーキ信号を使ったモータへの電源供給の停止なども実現できる。現在のバッテリーカーの電子アラームロックは、これらの機能をフルに活用している。

ブラシレスDCモータは、モータ本体とドライバで構成され、メカトロニクスの代表的な製品である。ブラシレスDCモータは自動運転であるため、可変周波数速度制御で高負荷時に始動する同期モータのようにロータに始動巻線を追加する必要がなく、負荷が急変しても発振や脱調が発生しない。

ブラシ付きDCモーターとブラシレスDCモーターの速度制御の違い

実は、どちらのモーターも制御は電圧調整なのだが、ブラシレスDCは電子整流を採用しているため、実現にはデジタル制御が必要であるのに対し、ブラシ付きDCはカーボンブラシによる整流であるため、サイリスタなど従来のアナログ回路で制御でき、比較的シンプルである。

1.ブラシ付モータの速度調整プロセスは、モータ電源の電圧を調整することである。調整された電圧と電流は整流子とブラシを通して変換され、電極から発生する磁界の強さを変えて速度を変える目的を達成します。このプロセスは可変電圧速度制御と呼ばれます。

2.ブラシレスモーターの速度調整プロセスは、モーター電源の電圧を変えずに電気レギュレーターの制御信号を変え、マイクロプロセッサーを通してハイパワーMOS管のスイッチング速度を変えることで速度を変える。このプロセスを可変周波数速度制御という。

パフォーマンスの違い

1.ブラシ付きモーターは構造が単純で、開発期間が長く、技術が成熟している。

モーターが誕生した19世紀にはすでに、実用的なモーターはブラシレスタイプ、つまり交流のリスケージ型非同期モーターが製造されており、交流が発生してから広く使われるようになった。

しかし、非同期モーターには克服できない欠点が多く、そのため、これまでのモーター技術の発展は遅々として進まなかった。特にブラシレスDCモーターは、電子技術が日を追うごとに変化しているため、近年まで実用化されていない。要するに、いまだにACモータの範疇に属しているのである。

ブラシレスモータが発明されて間もなく、人々はDCブラシモータを発明した。直流ブラシモーターは構造が簡単で、生産と加工が容易で、保守が容易で、制御が容易である。また、応答が速く、始動トルクが大きく、ゼロ速度から定格速度まで定格トルクを供給できるという特性を持っているため、登場以来広く使用されている。

2.ブラシ付DCモーターは応答速度が速く、始動トルクが大きい。

DCブラシ付きモーターは、始動応答速度が速く、始動トルクが大きく、速度変化がスムーズで、ゼロ速度から最高速度までの振動がほとんどない。始動時に大きな負荷を駆動できる。ブラシレスモータは始動抵抗（誘導リアクタンス）が大きいので力率が小さく、始動トルクが比較的小さく、始動時にブーンという音がして強い振動を伴い、始動時の駆動負荷が小さい。

3.DCブラシモーターはスムーズに作動し、始動と制動効果が良い。

ブラシ付きモーターは、電圧調整によって速度を調整するため、始動や制動がスムーズで、一定速度で走行する場合もスムーズである。ブラシレスモーターは通常、デジタル周波数変換制御で、まず交流を直流に変換し、次に直流を交流に変換し、周波数を変えることで速度を制御する。そのため、ブラシレスDCモーターは始動時や制動時にスムーズに動かず、振動も大きい。速度が一定でないと安定しない。

4.ブラシ付きDCモーターの高い制御精度

ブラシ付きDCモーターは通常、モーターの出力と制御精度を高めるために減速ギアボックスとエンコーダーと一緒に使用されます。制御精度は0.01mmに達することもあり、可動部をほぼ任意の位置で停止させることができます。すべての精密工作機械はDCモーターの制御精度を採用しています。ブラシレスDCモーターは、始動時や制動時に安定しないため、可動部が毎回異なる位置で停止し、位置決めピンやリミッターで任意の位置で停止させる必要があります。

5.DCブラシモーターは低コストでメンテナンスが容易

ブラシ付きDCモーターは構造が簡単で、生産コストが低く、製造メーカーが多く、技術も比較的成熟しているため、工場、加工工作機械、精密機器など幅広く使用されている。モーターが故障した場合、カーボンブラシを交換するだけでよく、カーボンブラシのコストは1個数元と非常に安い。ブラシレスDCモーターは技術が未熟で、価格が高く、応用範囲が限られている。主に可変周波数エアコン、冷蔵庫などの定速機器に使用すべきである。ブラシレスDCモーターは、損傷した場合のみ交換できる。

6.ブラシなし、低干渉

ブラシレスDCモーターはブラシを取り除いた。最も直接的な変化は、ブラシ付きモーターの走行時に火花が発生しないことで、リモコン無線機への火花の干渉が大幅に軽減される。

7.低騒音でスムーズな動作

ブラシレスDCモーターにはブラシがないため、運転中の摩擦が大幅に低減され、スムーズな走行と低騒音を実現。このメリットは、模型の安定稼働に大きな支えとなる。

8.長寿命、低メンテナンスコスト

ブラシがないため、ブラシレスDCモーターの摩耗は主にベアリングに生じる。機械的な観点からは、ブラシレスDCモーターはほとんどメンテナンスフリーのモーターです。必要な場合は、除塵のメンテナンスが必要なだけです。

ブラシレスDCモーター制御原理

モーター駆動制御とは、モーターの回転や停止、回転速度を制御することです。モーター駆動制御部は、エレクトロニック・スピード・コントローラー、略してESCとも呼ばれる。ESCは使用するモーターによってブラシレスESCとブラシレスESCに分けられます。

ブラシ付きDCモーターの永久磁石は固定されており、コイルはローターに巻かれている。ブラシは整流子と断続的に接触して磁界の向きを変え、ローターを連続的に回転させる。ブラシレスDCモーターはその名の通り、いわゆるブラシや整流子を持たない。ローターは永久磁石で、コイルは固定され、外部電源に直接接続されている。問題は、コイルの磁界の向きをどのように変えるかだ。実は、ブラシレスDCモーターは、外部に電子式スピードレギュレーターも必要とする。簡単に言えば、このスピードレギュレーターはモーター駆動装置である。固定されたコイル内部の電流の向きを随時変え、永久磁石との間の力が相互に反発し合うようにすることで、連続回転を継続させるのである。

ブラシ付きモーターはESCなしでも動作し、モーターに直接電気を供給して動作させることができるが、この方法ではモーターの回転数を制御することはできない。ブラシレスDCモーターはESCがないと回転しない。直流電力をブラシレスESCで三相交流電力に変換し、ブラシレスDCモーターに伝えて回転させる必要がある。

初期のESCは現在のESCとは違っていた。それらはすべてブラシ付きESCでした。ブラシ付きESCとは何なのか、そして現在のブラシレスESCと何が違うのかと聞かれるかもしれません。実際、その違いは大きい。ブラシ付きESCもブラシレスESCも、ベースはモーターです。現在のモーターのローター、つまり回転部分はすべて磁石で、間にカーボンブラシがないため、コイルは回転しないステーターになっている。これがブラシレスDCモーターである。

ブラシ付きモーターについては、その名の通りカーボンブラシが付いているので、ブラシ付き直流モーターである。例えば、子供たちが普段遊んでいる10〜20元のリモコンカーに使われているモーターはブラシ付きDCモーターである。ESCはこの2種類のモーター、つまりブラシ付きESCとブラシレスESCにちなんで名付けられた。プロの視点から見ると、ブラシ付きESCは直流を出力し、ブラシレスESCは三相交流を出力する。直流はバッテリーに蓄えられた電気で、プラス極とマイナス極があります。家庭用の220V電源や携帯電話の充電器、パソコンなどの電源はすべて交流です。

交流には一定の周波数がある。平たく言えば、プラスとマイナス、プラスとマイナスを行ったり来たりする線であり、直流はプラスの極とマイナスの極を持つ線である。交流と直流がわかったところで、「三相電気」とは何か。理論的には、三相交流は三相電気と呼ばれる送電形態である。同一周波数、等振幅、位相差120度の3つの交流電位からなる電源である。平たく言えば、私たちが家庭で使っている三相交流である。電圧、周波数、駆動角以外はすべて同じである。これで三相電気と直流についてお分かりいただけただろう。

ブラシレスESCは直流電流を入力し、フィルター・コンデンサーによって安定化される。その後、2つの経路に分けられます。一方の経路はESCのBECが使用します。BEC は受信機と ESC 自体のマイコンに電力を供給するために使用されます。受信機への電源ライン出力は、信号ラインの赤と黒のラインです。もう一方の経路はMOS管が使用します。ここで、ESCに電源が投入されるとマイコンが起動し、MOS管を振動させ、モーターから滴るような音を発します。

始動後、操作可能な状態になります。ESCによっては、スロットルのキャリブレーション機能があります。スタンバイモードに入る前に、スロットル開度が高いか、低いか、中間かをモニターします。高ければ ESC ストロークキャリブレーションに入ります。中間の場合、アラーム信号が発信され、モーターがビープ音を鳴らします。低い場合は通常の動作状態になります。すべての準備が整った後、ESCのMCUはPWM信号線の信号に従って出力電圧と周波数を決定し、モーターの速度と方向を駆動するために駆動方向とタイミング角度を決定します。これがブラシレスESCの原理です。モーターを駆動するとき、ESCの中では3つのMOS管が働き、それぞれ2つの極があり、1つはプラス出力を制御し、もう1つはマイナス出力を制御します。プラスが出力すればマイナスは出力せず、マイナスが出力すればプラスは出力しないので交流が形成される。同様に、3つのグループはすべてこのように働き、その周波数は8000HZである。そういえば、ブラシレスESCは、工場でモーターに使われている周波数変換器やスピードレギュレーターに相当する。

ESCの入力は直流で、通常はリチウムバッテリーから給電される。出力は三相交流で、モーターを直接駆動することができます。さらに、模型飛行機ブラシレス電子速度コントローラは、3つの信号入力ラインを持っており、モータの速度を制御するためのPWM信号を入力します。模型飛行機、特にクアッドコプターの場合、その特殊性から、特別な模型飛行機用ESCが必要となります。

では、なぜクアッドコプターには特別なESCが必要なのでしょうか？何がそんなに特別なのか？クアッドコプターには4つのプロペラがあり、十字型に配置されています。プロペラは正逆両方向に回転させることができ、1つのプロペラの回転によるスピン問題を相殺することができる。各プロペラの直径は非常に小さく、4つのプロペラが回転すると遠心力が分散される。ヘリコプターのプロペラとは異なり、1つだけが集中的に遠心力を発生させてジャイロ慣性遠心力を形成し、機体がすぐに転倒しないようにすることができる。そのため、一般的に使われているサーボ制御信号の更新頻度は非常に低い。

クアッドコプターの姿勢変化によるドリフトに素早く対応するためには、応答速度の速いESCが必要である。従来のPPM ESCの更新速度は50Hz程度であり、この制御に必要な速度を満たすことはできません。また、PPM ESCのMCUはPID速度制御を内蔵しており、従来の航空機モデルでは滑らかな速度変化特性を得ることができますが、高速応答なモータ速度変化を必要とするクアッドコプターには適していません。高速な専用ESCを使用し、IICバスインターフェースで制御信号を伝送することで、1秒間に数百～数千回のモーター速度変化を実現できるため、クアッドコプターの飛行中、常に安定した姿勢を保つことができます。外力によって突然衝撃を受けたとしても、安全かつ健全です。