エンジニアは、機械的タスクを実行するための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考えることがあります。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。

最も単純なタイプのモーターはブラシ付き 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に電流が流れます。電流によりコイル内に磁場が発生します。これにより、各コイルが固定磁場の同じ極から遠ざけられ、異なる極に向かって引っ張られるため、コイル アセンブリが回転します。回転を維持するには、電流を継続的に逆にする必要があります。その結果、コイルの極性が継続的に反転し、コイルが異なる固定極を「追いかけ」続けることになります。コイルへの電力は、回転整流子と接触する固定導電性ブラシを介して供給されます。整流子の回転によって、コイルに流れる電流が反転します。整流子とブラシは、ブラシ付き DC モーターを他のタイプ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、コイルへの電流の方向が継続的に反転され、コイルの極性が反転して、コイルは右回転を維持します。整流子は、コイルが取り付けられた回転子に取り付けられているため回転します。

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?コイルがローター上に配置されていないため、そうではありません。代わりに、ローターは永久磁石です。コイルは回転せず、代わりにステーター上の所定の位置に固定されます。コイルは動かないので、ブラシや整流子は必要ありません。(図 3 を参照)

ブラシ付きモーターでは、固定磁石によって生成される磁場は固定されたままですが、ローター上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。回転速度を変更するには、コイルの電圧を変更します。BLDC モーターの場合、回転するのは永久磁石です。回転は、周囲の固定コイルによって生成される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す電流の大きさと方向を調整します。

ローター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。

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 本の電線 (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 つは内部で接続され、残りの 3 つのワイヤはモータ本体から伸びます (前述のブラシ付きモータから伸びる 2 つのワイヤとは対照的に)。BLDC モーター ケース内の配線は、パワー セル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。このシリーズの 2 回目のセッションでは、これらのモーターがどのように動作するかを詳しく見ていきます。以下では、BLDC モーターによる利点を見て結論とします。

これらのモーターは最大の回転力（トルク）で連続的に制御できるため、効率が大きな利点です。対照的に、ブラシ付きモーターは、回転の特定の点でのみ最大トルクに達します。ブラシ付きモーターがブラシレス モデルと同じトルクを発揮するには、より大きな磁石を使用する必要があります。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。

2 番目の大きな利点は、最初の利点と関連していますが、制御性です。BLDC モーターは、フィードバック機構を使用して制御し、必要なトルクと回転速度を正確に供給できます。精密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の寿命が長くなります。

また、BLDC モーターはブラシがないため、耐久性が高く、電気ノイズの発生が低くなります。ブラシ付きモーターでは、継続的な移動接触によりブラシと整流子が摩耗し、接触箇所で火花も発生します。特に、電気ノイズは、ブラシが整流子のギャップを通過する領域で発生する傾向のある強い火花の結果です。このため、電気ノイズを避けることが重要な用途では BLDC モーターが好ましいと考えられることがよくあります。

BLDC モーターは効率と制御性が高く、寿命が長いことがわかりました。それで、それらは何に役立つのでしょうか？効率と寿命が長いため、連続的に動作するデバイス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。さらに最近では、ファンにも使用されており、その高効率が消費電力の大幅な削減に貢献しています。

真空機械の駆動にも使用されています。あるケースでは、制御プログラムの変更により回転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優れた制御性の一例です。

BLDC モーターは、ハードディスク ドライブの回転にも使用されており、その耐久性によりドライブが長期にわたって信頼性の高い動作を維持できるとともに、電力効率がますます重要になっている分野でのエネルギー削減に貢献します。

BLDCモータは今後さらに幅広い用途での使用が期待されます。たとえば、サービス ロボット (製造以外の分野でサービスを提供する小型ロボット) の駆動に広く使用されるようになるでしょう。この種の用途には、パルスを使用して位置を正確に制御できるステッピング 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。また、ステッピング モーターの場合、ロボット アームなどの構造物の位置を保持するには、比較的大きな連続電流が必要になります。BLDCモーターを使用すると、外力に比例した電流を流すだけで済むため、より省電力な制御が可能になります。BLDC モーターは、ゴルフ カートやモビリティ カートの単純なブラシ付き DC モーターに取って代わる可能性もあります。BLDC モーターは効率が向上するだけでなく、より正確な制御も実現できるため、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。精密な制御を実現できるため、各ローターの回転速度を正確に制御することでドローンの姿勢を制御するマルチローター ドローンに特に適しています。

このセッションでは、BLDC モーターがどのように優れた効率、制御性、寿命を実現するのかを見てきました。ただし、これらのモーターの潜在能力を最大限に活用するには、慎重かつ適切な制御が不可欠です。次回のセッションでは、これらのモーターがどのように動作するかを見ていきます。