ブラシ付き DC モーター ガイド: 仕組み、主な仕様、いつ使用するか

ブラシ付き DC モーターは、現在でも広く使用されている最も古く、最も単純な電気モーター設計の 1 つです。定常磁場と回転電機子巻線の組み合わせを使用して、直流電気エネルギーを機械的回転に変換します。ブラシレス モーターとの違いは、機械的整流システムです。ローター シャフトに取り付けられたセグメント化された銅整流子リングを押す一対のカーボン ブラシです。ローターが回転すると、ブラシが連続する整流子セグメントと接触したり切断したりして、電機子巻線の電流の方向を自動的に切り替えて、一方向への連続回転を維持します。

動作原理は簡単です。電流は電源から 1 つのブラシを通って整流子に流れ、電機子巻線を通って、整流子を通って 2 番目のブラシに戻り、電源に戻ります。アーマチュア内の電流が流れる導体は、永久磁石または巻かれた界磁コイルによって生成される磁場の内側に位置します。この磁界と電機子導体の電流との相互作用により、ローレンツ力の法則で記述される力が発生し、電機子を回転させます。整流子は、アーマチュアが回転すると、各巻線の電流の方向が適切な瞬間に反転し、トルクが同じ回転方向に継続的に作用するようにします。

この自己整流設計は、ブラシ付き DC モーターの動作に必要なのは DC 電源のみで、外部電子機器が不要であることを意味します。電圧をかけると回転します。極性を反転すると逆方向に回転します。このシンプルさにより、ブラシレス モーターや AC モーター技術が成熟した後でも、ブラシ付きモーターは 1 世紀以上にわたって重要な地位を保ってきました。

ブラシ付きDCモーターの主な種類

ブラシ付き DC モーターは単一の製品ではなく、磁界の生成方法と界磁回路と電機子回路の接続方法に応じて、速度とトルクの特性が大幅に異なる一連の設計です。

永久磁石ブラシ付き DC モーター (PMDC)

中小規模の電力アプリケーションで最も一般的なタイプの永久磁石 DC モーターは、巻線コイルの代わりに固定磁石 (通常はフェライトまたは希土類ネオジム) を使用して固定子磁界を生成します。電力供給や制御のための個別の界磁巻線がないため、PMDC モータはコンパクトで効率的で、速度とトルクの関係が線形であり、トルクが増加すると速度が比例して低下するため、モデル化と制御が容易になります。これらは、3V ～ 48V 範囲のバッテリ駆動工具、自動車用アクチュエータ、小型家電、趣味のアプリケーションの標準的な選択肢です。主な制限は、磁界の強さが磁石によって固定されており、調整できないことです。そのため、磁界を弱めるのではなく、電機子電圧または PWM によって速度制御を達成する必要があります。

直巻ブラシ付き DC モーター

直巻 DC モーターでは、界磁巻線が電機子と直列に接続されているため、両方に同じ電流が流れます。これにより、非常に高い始動トルクが生成されます。この磁界は電機子電流が最高のときに最も強くなり、低速で失速したときに発生します。そのため、直列モーターは電動クレーン、トラクションドライブ、内燃機関のスターターモーターなど、始動負荷が大きい用途に最適です。欠点は、速度制御が不安定であることです。負荷が減少すると、電流が低下し、磁界が弱まり、速度が急激に上昇します。軽負荷または無負荷の直列モーターは、危険なほど速度超過する可能性があります。このため、直巻ブラシ付き DC モーターは、動作中に負荷を完全に取り除くことができる用途にはほとんど使用されません。

シャント巻ブラシ付き DC モーター

分巻モータは、供給電圧を横切って界磁巻線を電機子と並列 (分路) に接続します。界磁電流は負荷電流ではなく電源電圧のみに依存するため、界磁は電機子負荷に関係なくほぼ一定のままです。これにより、シャント モーターに優れた速度制御が提供されます。負荷が増加しても速度は比較的平坦に保たれ、通常は無負荷から全負荷まで 5 ～ 15% しか変化しません。シャント巻ブラシ付き DC モーターは、さまざまな負荷の下での安定した速度が重要な工作機械、印刷機、産業用ドライブで使用されます。また、界磁電流を低減することで、基本速度を超える動作で界磁を弱めることができ、使用可能な速度範囲が広がります。

複合巻線ブラシ付き DC モーター

複合巻線モータは、直列界磁巻線と分路界磁巻線の両方を組み合わせています。両方の巻線が同じ方向に磁界を生成する累積複合構成により、シリーズ モーターの高い始動トルクとシャント モーターの安定した速度調整の間の妥協点が得られます。このため、複合モーターは、プレス、エレベーター、コンプレッサーなど、モーターが過度の速度低下なく突然の重い負荷に対処する必要がある、大規模で断続的な負荷スパイクが発生するアプリケーションに最適です。差動複合巻線（逆磁界方向）は、動作特性が不安定であるため、実際にはほとんど使用されません。

コアレスブラシ付きDCモーター

コアレス DC モーターはローターから鉄心を取り除き、その代わりにステーターの磁界内で回転する自立型の円筒形の巻線を使用します。鉄心を取り除くことで鉄損（ヒステリシス損や渦電流損）がなくなり、ローターの慣性が大幅に低減されます。その結果、非常に高速な電気的および機械的応答が得られます。コアレスブラシ付き DC モーターは、数十ミリ秒ではなくミリ秒でフルスピードまで加速でき、低速でも非常にスムーズでコギングのない回転を実現します。これらの特性により、コアレス モーターは、医療機器、航空宇宙用アクチュエーター、カメラ レンズ ドライブ、ペン プロッター、歯科用高速ハンドピースなどの精密用途に最適な選択肢となります。通常、物理的サイズは小さく、3V ～ 24V の範囲で動作し、電力出力が数百ワットを超えることはほとんどありません。

主要な仕様の説明

ブラシ付き DC モーターのデータシートを自信を持って読むには、各パラメーターが実際に実際に何を意味するのか、そしてその限界を超えて動作すると何が起こるのかを理解する必要があります。

速度-トルク曲線は、ブラシ付き DC モーターの動作範囲を理解するための最も有用なツールです。永久磁石ブラシ付きモーターの場合、この曲線は無負荷速度 (最大速度、ゼロ トルク) から失速 (ゼロ速度、最大トルク) までの直線になります。モーターの定格連続動作点は、この線に沿ったどこかに位置し、熱制限によって制限されます。連続定格線を超える動作点は、巻線温度が絶縁クラスの制限 (通常、クラス B 絶縁の場合は 130 °C、クラス F の場合は 155 °C) を超えない程度に短い期間、断続的にのみ許容されます。

ブラシ付き DC モーターとブラシレス DC モーター: それぞれをいつ使用するか

ブラシ付きかブラシレスかの選択は、モーターの選択において最も一般的な決定事項の 1 つです。それぞれのテクノロジーには真の居場所があり、どちらも普遍的に優れているわけではありません。

初期費用と制御の簡素性が長期的なメンテナンスの懸念よりも重要な場合、たとえば、製品寿命が定められている民生用電化製品、趣味のロボット、少量のオートメーション、またはブラシの交換が許容可能な定期メンテナンス作業であるアプリケーションなどでは、ブラシ付き DC モーターを選択してください。モーターが何年も継続的に稼働する場合、効率が運用コストやバッテリー寿命に直接影響する場合、EMI を最小限に抑える必要がある場合、またはアプリケーションがメンテナンスのダウンタイムを許容できない場合 (医療機器、産業オートメーション、密閉型機器など) には、ブラシレスを選択してください。

ブラシ付き DC モーターの速度制御方法

ブラシ付き DC モーターの最も実用的な利点の 1 つは、設計者が確立された安価な速度制御技術を幅広く利用できることです。

H ブリッジ経由のパルス幅変調 (PWM)

PWM は、最新のアプリケーションでブラシ付き DC モーターを制御するための主要な方法です。 H ブリッジとして構成されたモーター ドライバー IC は、モーターへの供給電圧を固定周波数 (通常は 10 ～ 20 kHz) でオン/オフに切り替えます。モーターに供給される平均電圧、つまりモーターの速度はデューティ サイクルによって決まります。12V で 75% のデューティ サイクルは、約 9V に相当します。 H ブリッジ構成では、アクティブ ペアを反転することでモーターを両方向に駆動できるように配置された 4 つのスイッチング トランジスタを使用し、単一のドライバー チップで双方向動作が可能になります。一般的な H ブリッジ IC には、L298N (チャネルあたり最大 2A)、TB6612FNG (連続 1.2A、ロジック レベルの互換性によりマイクロコントローラー プロジェクトに好まれます)、DRV8833 (1.5A、コンパクトな設置面積、電流制限内蔵) などがあります。より高出力のブラシ付きモーターの場合は、ディスクリート MOSFET H ブリッジまたは定格 10A、20A、またはそれ以上の専用モーター ドライバー モジュールが利用可能です。

エンコーダまたはタコメータフィードバックによる閉ループ制御

開ループ PWM 制御はデューティ サイクルを設定することでモーター速度を設定しますが、実際のシャフト速度は負荷によって変化します。負荷が増加すると速度は低下します。負荷の変動に関係なく、正確で一貫した速度が必要なアプリケーションの場合、フィードバック センサーが制御ループを閉じます。モーターシャフトまたは出力に取り付けられた直角位相エンコーダーは、マイクロコントローラーまたは専用モーションコントローラー上で動作する PID コントローラーに位置と速度のデータを提供します。 PID アルゴリズムは、測定された速度を設定値と比較し、リアルタイムでデューティ サイクルを調整して補償します。このアプローチは、CNC マシン、ロボット ジョイント、および位置と速度の精度が重要なシステムでは標準です。磁気エンコーダは、ほこりの多い環境や振動が起こりやすい環境で推奨されます。光学式エンコーダは、クリーンな環境でより高い解像度を提供します。

界磁電流制御 (巻線界磁モータ)

シャントおよび複合巻線のブラシ付き DC モーターの場合、電機子電圧とは独立して界磁電流を変更することによって速度を調整することもできます。界磁電流を減らすと磁界が弱まり、逆起電力が減少し、所定の電機子電圧に対してモーターがより速く回転できるようになります。これを弱め界磁と呼ぶ手法です。これにより、利用可能なトルクが減少しますが、モータの使用可能な速度範囲が定格電機子電圧によって設定される基本速度を超えて拡張されます。弱め界磁は、広い速度範囲が必要な工作機械、巻線機、圧延機などの産業用可変速ドライブで一般的に使用されます。

ダイナミックブレーキと回生ブレーキ

ブラシ付き DC モーターは、機械的な摩擦ブレーキを使用せずにアクティブにブレーキをかけることができます。ダイナミック ブレーキでは、駆動信号が除去されると抵抗器を介してモーター端子が短絡されます。モーターは発電機として機能し、運動エネルギーを抵抗器内の熱に変換し、急速に減速します。回生ブレーキはさらに進化したもので、エネルギーを熱として放散する代わりに、回生ドライブはブレーキ エネルギーを電源またはバッテリーに戻します。これは、電気自動車、フォークリフト、および回生産業用ドライブにおける標準的なブレーキ方法であり、エネルギー回収により航続距離を大幅に延長したり、運用コストを削減したりできます。

ブラシ付き DC モーターの実世界への応用

ブラシレス モーターやステッピング モーター技術との競争にもかかわらず、ブラシ付き DC モーターは、そのコスト、シンプルさ、制御性が決定的な利点となる幅広い用途で依然として有力な選択肢となっています。

• 自動車システム: パワー ウィンドウ、シート アジャスター、サンルーフ ドライブ、HVAC ブロワー モーター、フロントガラス ワイパー モーター、およびミラー アクチュエーターは、ほとんどの場合、12V ブラシ付き DC モーターです。自動車環境の明確に定義された電圧 (公称 12V)、適度なデューティ サイクル、およびコスト圧力により、ブラシ付きモーターがこれらの機能の実質的なデフォルトになっています。一般的な乗用車には、20 ～ 40 個の小型ブラシ付き DC モーターが搭載されています。
• 電動工具: コード付き電動ドリル、丸鋸、アングル グラインダー、ジグソーは、高い出力密度とシンプルな速度トルク特性を実現するために、歴史的に直巻または永久磁石ブラシ付き DC モーターを使用していました。コードレス工具は稼働時間を長くするためにブラシレスモーターに急速に移行していますが、コード付き工具は同等の出力でコストが低いため、依然としてブラシ付きモーターを広く使用しています。
• 家庭用電化製品および電化製品: 電動歯ブラシ、ヘアドライヤー、ミキサー、フードプロセッサー、小型ファンには、小型の永久磁石ブラシ付きモーターが使用されています。単価が非常に低く、消費者製品の寿命 (通常 3 ～ 7 年) として許容できる耐用年数があるため、大量生産のアプライアンス アプリケーションのデフォルトとなっています。
• ロボット工学と趣味のプロジェクト: Arduino 制御のロボット、RC カー、アニマトロニクス、および教育用ロボット プラットフォームは、ほとんどの場合、ブラシ付き DC モーターから始まります。これは、最小限の電子機器の知識があれば、広く入手可能な H ブリッジ モジュールから直接駆動できるためです。互換性のあるドライバー IC の広範なエコシステムと、直線的で予測可能な速度-トルク曲線により、初期段階のプロトタイピングが簡素化されます。
• 産業用アクチュエーターとコンベア: 出力範囲の下限にある軽量コンベア ドライブ、バルブ アクチュエータ、ダンパー ドライブ、マテリアル ハンドリング装置では、特に既存の DC インフラストラクチャを使用するアプリケーションや、AC インバータ システムよりもサイリスタ制御の DC ドライブのシンプルさが好まれるアプリケーションでは、シャントおよび複合巻線ブラシ付きモータが引き続き使用されます。
• 医療機器および精密機器: コアレス ブラシ付きDCモーター 外科用ツール、輸液ポンプ、眼科用器具、および精密分注システムを駆動する場合、スムーズでコギングのない低速回転と高速な動的応答がメンテナンス不要の耐用年数よりも重要であり、ブラシの検査および交換機能が許容できるトレードオフである場合に使用されます。

ブラシの摩耗とメンテナンスについて

カーボン ブラシと整流子はブラシ付き DC モーターの主な摩耗コンポーネントであり、これらを正しく管理することが耐用年数を最大化し、予期せぬ故障を回避する鍵となります。

ブラシの摩耗の仕組み

カーボン ブラシは、回転する整流子表面に対する機械的摩耗と、ブラシが整流子セグメント間を移動するたびに発生するアーク放電による電気化学的侵食の組み合わせによって摩耗します。酸化銅とグラファイトの薄いフィルム (緑青またはフィルムと呼ばれます) は、通常の動作中に整流子の表面に蓄積し、実際に摩擦と摩耗率を低減します。不適切なブラシの使用、過度に乾燥または湿気の多い条件での動作、または重大な火花が発生するモーターの運転によってこのフィルムが破壊されると、摩耗が促進されます。ブラシ付き DC モーターの連続使用時の一般的なブラシ寿命は、軽量構造の民生用モーターの 500 時間から、高品質のグラファイト ブラシと整流子表面の適切なメンテナンスを備えた産業用モーターの 3,000 時間以上までの範囲に及びます。

ブラシの交換が必要な兆候

• 動作中にブラシと整流子の境界面で目に見える火花が増加し、暗い環境では青白く光って見えます。
• ブラシの不均一な摩耗による不規則な接触によって引き起こされる、近くの電子機器に影響を与える電気ノイズまたは EMI の増加
• 同じ供給電圧でモーターのトルクまたは速度が低下し、ブラシの表面が劣化するとブラシの接触抵抗が増加することを示します。
• ブラシの長さはメーカーの最小マーク以下です。通常は摩耗溝またはブラシ本体に印刷された最小寸法によって示されます。
• モーターハウジング内に黒いカーボンダストが蓄積しており、スパークまたは整流子の乾燥状態によるブラシの摩耗が加速していることを示しています。

コミュテーターケア

整流子の表面は滑らかで円筒形で、健康な緑青膜から中程度の茶色になっている必要があります。磨耗したブラシによって削られた溝、不均一な磨耗による平坦なスポット、過度の火花による黒い焼け跡はすべて修正措置が必要です。表面の軽度の酸化は、モーターを分解せずに、回転する整流子に整流子クリーニング スティック (グラファイト スティックまたは整流子石) を当てて研磨して除去できます。溝が深い場合や真円度が異なる場合は、整流子を旋盤で回転させて同心度を回復する機械加工が必要です。その後、整流子セグメント間のマイカ絶縁をアンダーカットして、銅表面の上に乗り上げないようにする必要があります。これらの手順はモーターの寿命を大幅に延ばし、産業用モーターのメンテナンス プログラムでは標準的な方法です。

アプリケーションに適したブラシ付き DC モーターを選択する方法

モーターの選択ミスはよくあることであり、コストが高くなります。この実用的なフレームワークにより、アプリケーションでモーターが確実に動作するかどうかを実際に決定するパラメータを確実に考慮できます。

• まずトルク要件を定義します。 摩擦、加速時の慣性、最悪の場合のピーク負荷など、負荷がモーター出力シャフトに要求するトルクを計算します。 25 ～ 30% の安全マージンを追加します。これは最小連続トルク仕様です。定格トルクがこの値を下回るモーターを選択しないでください。
• 必要な速度を決定します。 アプリケーションが必要とする出力シャフト速度範囲を確立します。負荷時のモーターの実際の動作速度は、データシートの無負荷速度の数値より 10 ～ 20% 低くなることに注意してください。無負荷時の速度が要件を満たすモーターではなく、予想される動作トルクでの速度が要件を満たすモーターを選択してください。
• 電圧を電源に合わせます。 システムで利用可能な電圧に応じた定格のモーターを選択してください。 12V モーターを 24V 電源で動作させると、モーターの寿命が大幅に短くなります。供給電圧が可変である場合 (バッテリ駆動システム)、ピークまたは最小充電電圧ではなく、公称充電中間電圧を設計ポイントとして使用してください。
• ドライバーがストール電流を処理できることを確認します。 ブラシ付き DC モーターのストール電流は、通常、無負荷電流の 5 ～ 10 倍です。起動時やジャム状態時にこの電流を供給できるようにモーター ドライバーと電源のサイズを調整するか、ドライバーに電流制限を追加してモーターと電子機器を持続的なストール イベントから保護します。
• デューティ サイクルと熱要件を評価します。 モーターが連続的に動作する場合は、必要なトルクで S1 (連続) デューティ定格のモーターを選択してください。断続的なアプリケーションの場合は、オン時間、オフ時間、およびオン期間中のピーク トルクを特定し、モーターの熱モデルで、巻線温度が全デューティ サイクルにわたって絶縁クラスの制限内に収まることを確認します。
• 環境を考慮してください。 標準のブラシ付き DC モーターはオープンフレームで、侵入保護はありません。ほこりの多い環境、湿気の多い環境、または洗浄環境の場合は、IP 定格のモーターまたは密閉されたブラシ チャンバーを備えた密閉型モーターを指定してください。爆発性雰囲気の場合は、ATEX 定格のモーターを使用してください。食品および医薬品用途の場合は、潤滑剤の適合性を確認してください (食品との偶発的な接触ゾーンには NSF H1 グリースを使用)。
• 予想される耐用年数を考慮します。 モーターをメンテナンスなしで 5,000 時間稼働させる必要がある場合、ブラシ付きモーターはおそらく間違った選択であり、ブラシレスを検討してください。アプリケーションの製品寿命が断続的に 2 ～ 3 年であると定められている場合、ブラシ付きモーターが最適であり、コスト効率が大幅に高くなります。