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ブラシレスDCモータとは:モータの基礎知識3

モータの基礎知識

更新日:2018年8月3日(初回投稿)
著者:著者:東京都市大学 工学部 教授 工学博士 百目鬼 英雄

前回は、DC(直流)モータの動作原理、特性、用途を説明しました。今回は、ブラシレスDCモータを取り上げます。その名のとおり、ブラシを持たないDCモータです。その構造や駆動原理、特性、用途などを解説します。まずは、なぜブラシが無くてもDCモータを駆動できるのか、その構造を見ていきましょう。

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1. ブラシレスDCモータの構造

DCモータの固定子は永久磁石で、ロータ(回転子)は電機子コイルです。そして、ブラシと整流子により、整流を行います(参考:第2回)。ブラシレスDCモータは、ブラシを持たないDCモータです。固定子には3相12スロットの電機子巻線(コイル)、ロータには永久磁石が使用されています(図1)。DCモータと比較すると、固定子とロータの役割が逆転しています。

図1:ブラシレスDCモータの構造

図1:ブラシレスDCモータの構造

ブラシレスDCモータでは、永久磁石の磁界とが電機子コイルの磁界が直交するように、コイルに電流を流し回転させます。電流を流す電機子コイルは、磁極位置検出器と半導体スイッチにより制御します。

コイルは、電機子の各磁極に巻かれており、電機子の中には鉄心が入れられています。電機子鉄心は、薄板電磁鋼板を積層して作られています。また固定子には、永久磁石の位置を検出する検出器が必要です。図1において、その役割はセンサが付いたプリント基板が担っています。センサの個数はモータを構成する相数と同じ数です。3相モータであれば3個のセンサが必要です。磁極検出素子には、主にホール素子が使われます。3相モータの構造は、PM(永久磁石)モータの構造と同じです。PMモータは励磁の位置が回転子と同期するのに対し、3相モータは、磁極位置によって励磁の位置が切り替わります。

DCモータには、整流とブラシが接触するため、整流子が機械的に摩耗してしまうという欠点がありました。一方、ブラシレスDCモータの構造には、ブラシが含まれないため、DCモータより長寿命というメリットがあります。

2. ブラシレスDCモータの駆動原理

DCモータは直流電源で駆動させることができますが、ブラシレスDCモータの駆動には、インバータ回路も必要です。図2は、現在広く使用されているブラシレスDCモータの駆動回路です。インバータ回路は、電機子コイルに電流を双方向に流すために合計6個のスイッチング回路(Q1~Q6)で構成されます。この回路は、インバータ主回路と呼ばれます。

図2:ブラシレスDCモータの駆動回路

図2:ブラシレスDCモータの駆動回路

図2の駆動回路では、ホールICと各相の電機子巻線軸の位相が、60度ずれて配置されています。この位置は、磁極と磁極の間です。図3は、ロータである永久磁石の位置を0度とした場合のモータの回転角と、各種信号の関係を示したものです。

図3:ホールIC出力と励磁相の関係

図3:ホールIC出力と励磁相の関係

ホール素子はN極が近づくとHigh、S極が近づくとLowを出力するとします。この信号に対応して、インバータのスイッチがOn、Offします。磁極位置0度から反時計方向に回転する場合、図2でQ1のスイッチは、Haの立ち下がりでOn、Hbの立ち上がりでOffとなります。これは、ちょうどU相を励磁している状態です。この場合、Haの立ち上がりから60度回転するまで、Q4がOn、60度以降ではQ6がOnとなっており、V相、W相がそれぞれ逆極性となるように励磁されています。つまり、2相ずつ励磁が行われ、電気角120度の通電になります。逆方向に回転させるときは、転流シーケンス(立ち上がりと立ち下りの関係)を逆にします。例えばU相はHbの立ち上がりでQ1がOn、Haの立ち下りでOffにすればよいのです。

U相の誘導起電力をeU(V)とすると、eUはU相に鎖交する磁束λ(Wb)の時間微分に等しくなります。従って、瞬時誘導起電力eUは次式で表します。ここでω(rad/sec)は、ロータの電気角(回転磁界の角度)での角速度です。

U相の誘導起電力

誘導起電力eUに逆らって電機子電流iu(A)を流すことで、電気エネルギーが機械エネルギーに変換されます。この出力をPu(W)とすると、Pu=euiu=ωTuが成り立ちます。ここでTu(Nm)は、U相の瞬時トルクを示します。

続きは、保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

3. ブラシレスDCモータの特性と制御

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4. ブラシレスDCモータの用途

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