24V ブラシ付き DC モーターの実践ガイド: 仕様、制御、適切なモーターの選択

24V ブラシ付き DC モーターが依然としてエンジニアにとって頼りになる選択肢である理由

24V ブラシ付き DC モーターは、何十年にもわたって産業用および商業用機械設計の定番であり続けていますが、それには十分な理由があります。 24 ボルト電源での動作は実用的なスイート スポットに達します。特別な高電圧予防措置を講じなくても十分な安全性を維持しながら、要求の厳しい作業に十分なトルクと出力密度を提供します。 12V バージョンと比較して、24V ブラシ付きモーターは同じ電力出力に対して半分の電流を消費します。これにより、配線の抵抗損失が直接低減され、システム全体でより細く軽量なケーブルの使用が可能になります。

ブラシ付き DC モーターは単純な原理で動作します。電流は固定ブラシを通って流れ、回転する整流子に伝わり、電機子巻線に順番に通電します。この整流により、シャフトを駆動する回転磁界が生成されます。整流は電子的ではなく機械的であるため、基本動作に別個のモーター コントローラーは厳密には必要ありません。端子に DC24V を印加すると、モーターがすぐに回転します。このシンプルさが、ピーク効率よりも信頼性が重視されるコスト重視の大量生産アプリケーションにおいてブラシ付き DC モーターが競争力を維持できる主な理由です。

最新の 24V ブラシ付きモーターは、医療機器やロボット工学で使用される直径 37 mm のコンパクトなギアモーターから、コンベアやポンプ用途で数キロワットを生産する大型の産業用ブラシモーターまで、幅広いフレーム サイズで入手できます。この技術は拡張性が高く、数十年にわたる製造の改良により、ブラシレスの代替品と比較して、高品質のユニットが非常に競争力のある価格帯で入手できるようになりました。

モーターを選択する前に理解しておくべき主な仕様

正しい選択 24V ブラシ付き DC モーター まずは、銘板のコア仕様とそれが実際に何を意味するかを理解することから始まります。同じ電圧定格を持つ 2 つのモーターは、巻線構成、物理的サイズ、および意図したデューティ サイクルに応じて、大幅に異なる性能特性を持つ可能性があります。データシートを正しく読むことで、モーターとアプリケーション間のコストのかかる不一致を防ぐことができます。

定格電力と連続対ピークトルク

定格電力 (ワット単位) は、通常の動作条件下でのモーターの持続可能な出力を表します。あ 24V 250W ブラシ付き DC モーター たとえば、過熱することなく 250 W を継続的に供給します。通常、効率に応じて約 10 ～ 12 A を消費します。ピークまたは失速トルクは大幅に高くなりますが、一時的にのみ引き出す必要があります。失速または失速に近い電流で動作を続けると、電機子巻線が過熱し、数分以内にモーターが破壊されます。アプリケーションの平均負荷が連続使用定格内に収まるように、常にモーターのサイズを決定してください。

無負荷速度と速度-トルク曲線

無負荷速度 (RPM) は、モーターが機械的負荷なしで自由に回転するときのシャフト速度です。負荷が増加すると、速度はほぼ直線的な関係で減少します。これが速度-トルク曲線です。アプリケーションがこの曲線のどこに位置するかを理解することが重要です。動作トルクが曲線の失速端に近づくと、モーターの動作が遅くなり、高電流が流れ、過剰な熱が発生します。ほとんどのアプリケーションでは、効率を高め、ブラシの寿命を長くするには、目標動作点を無負荷速度の 50 ～ 80% にする必要があります。

ブラシの材質と耐用年数

ブラシの材質は、メンテナンスが必要になるまでのモーターの寿命に直接影響します。カーボン ブラシが最も一般的で、導電性、低摩擦、自己潤滑性のバランスが優れています。銅グラファイトブラシはより高い電流密度を処理し、高出力アプリケーションで使用されます。シルバーグラファイトブラシは、低い接触抵抗と最小限の電気ノイズが重要な精密機器用に予約されています。カーボンブラシを備えた適切に設計された 24V ブラシ付きモーターは、ブラシの耐用年数を 2000 年に延長します。 500～2,000時間 負荷、速度、動作環境によって異なります。

24V ブラシ付き DC モーターが最も一般的に使用される場所

24V ブラシ付きモーターの多用途性により、非常に幅広い用途に使用できます。 24V の供給電圧は、標準的な産業用制御システム、バッテリ駆動の機器、フォークリフトの補助回路とよく調和しています。つまり、インフラストラクチャと電源は多くの場合、追加の変換ハードウェアなしですでに利用可能です。

ロボティクスとオートメーション

ロボット工学では、 24V ブラシ付き DC ギアモーター 無人搬送車 (AGV) や協働ロボット プラットフォームのホイール ドライブ、ジョイント アクチュエーター、コンベア機構に広く使用されています。直線的な速度とトルクの関係により、PWM ベースのモーター ドライバーでの制御が簡単になり、低コストなので多軸システムを経済的に構築できます。趣味の環境から軽工業用のピックアンドプレースシステムに至るまでのエントリーレベルおよび中間層のロボットプラットフォームは、特にデューティサイクルが中程度で定期的なブラシの交換が許容される場合、一般にブラシ付き 24V モーターに依存します。

電気自動車とモビリティ機器

多くの電動スクーター、電動車椅子、モビリティ スクーター、小型電気自動車は、ドライブトレインに 24V ブラシ付きモーターを使用しています。 2 つのバッテリーを直列に接続した 12V 構成は、これらの車両で 24V システムを生産する一般的でコスト効率の高い方法です。この文脈におけるブラシ付きモーターは、シンプルな回生ブレーキ実装と、より高いトップエンド速度を実現する簡単な界磁弱化の恩恵を受けます。産業用電動パレット ジャッキやオーダー ピッカーでは、技術が成熟しており、メンテナンス スタッフによる現場での保守が容易であるため、24 V ブラシ付きトラクション モーターやポンプ モーターも頻繁に使用されています。

産業機械およびコンベヤシステム

包装ライン、ラベル貼付装置、小型コンベア ベルト、および組立設備では、正確な低速トルク伝達のために、ウォーム ギアボックスまたは遊星ギアボックスと組み合わせた 24V ブラシ付き DC モーターが頻繁に使用されます。ブラシ付きモーターは、高度なインバーターを使用せずに、電圧または PWM デューティ サイクルを調整するだけで速度を変更できるため、制御アーキテクチャをシンプルに保ち、部品表をスリムに保ちたい OEM 機械ビルダーにとって魅力的です。このセグメントでは、50 ～ 500 W の範囲のモーターが主流です。

医療および実験装置

輸液ポンプ、手術器具、実験用遠心分離機、診断機器プラットフォームでは、小型のものが使用されることがよくあります。 24V ブラシ付きコアレス DC モーター — ローターの慣性を劇的に低減し、よりスムーズな低速動作を実現するために、鉄製のアーマチュア コアを排除した設計のバリエーションです。 1 ～ 30 W の範囲のコアレス ブラシ付きモーターは、正確な位置制御と高速応答が必要な場合、および動作時間が十分に短いためブラシの磨耗が製品の耐用年数に対して重大な懸念にならない場合に推奨されます。

24V ブラシ付き DC モーターの制御: PWM、H ブリッジ、ドライバー IC

ブラシ付き DC モーターの最も実際的な利点の 1 つは、制御が容易であることです。速度は、線形電圧調整、またはより一般的にはパルス幅変調 (PWM) を通じて、モーターに印加される平均電圧を変更することによって調整されます。 PWM は電源電圧のオンとオフを高周波数 (通常 10 ～ 25 kHz) で切り替え、オン時間とオフ時間の比率 (デューティ サイクル) によって実効平均電圧が決まります。 24V 電源で 50% のデューティ サイクルの場合、モーターの平均電圧は 12V となり、およそ半分の速度で動作します。

双方向制御のためのHブリッジ回路

ブラシ付き DC モーターを逆回転させるには、その端子間の電圧の極性を逆にする必要があります。 H ブリッジ回路 (回路図の形状にちなんで名付けられました) は、異なるスイッチのペアを作動させることによってどちらの極性もモーターに適用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ます。 L298N、DRV8833、VNH5019 などの H ブリッジ ドライバ IC は容易に入手でき、単一パッケージで最大 2 ～ 5A の連続モータを処理できるため、ロボット工学や軽自動化に最適です。 10A 以上を消費する高出力 24V モーターの場合、ディスクリート MOSFET H ブリッジまたは専用の産業用モーター ドライバーが必要です。

閉ループの速度および位置制御

負荷が変化しても一貫したシャフト速度、または正確な位置制御が必要なアプリケーションの場合、フィードバック デバイスがモーター シャフトに追加されます。直角位相エンコーダは、位置と速度のデータをマイクロコントローラまたは専用の PID コントローラに提供し、リアルタイムで PWM デューティ サイクルを調整して目標の速度または位置を維持します。多くの 24V ブラシ付きギアモーターは、モーター本体にすでに取り付けられた統合型エンコーダーを備えており、システムの統合が大幅に簡素化されます。 12 ～ 1,024 カウント/回転 (CPR) のエンコーダ分解能は、基本的な速度調整から正確な複数回転位置決めまでの範囲をカバーします。

実際の配線に関する考慮事項

• モーターの連続消費電流よりわずかに高い定格のヒューズまたは回路ブレーカーを常に取り付けてください。失速や配線障害から保護してください。
• 電流を誘導的にオフにするときの電圧スパイクを抑制するには、モータ端子間にフライバック ダイオードを配置します (または保護機能が組み込まれたドライバ IC を使用します)。
• 電流に適したワイヤゲージを使用してください。24V モーターで 15A 連続消費するには、抵抗加熱を避けるために少なくとも 14 AWG (2.5 mm²) の配線が必要です。
• ドライバーとモーター間の配線が長い場合は、電圧降下を最小限に抑え、スイッチング ノイズからの EMI 放射を低減するために、ケーブルの長さをできるだけ短くしてください。
• モーター端子の近くに配置されたコンデンサー (100nF セラミック、100µF 電解) は、近くの電子機器に干渉する可能性のあるブラシノイズを抑制するのに役立ちます。

24V ブラシ付き DC モーターと 24V ブラシレス DC モーター: どちらを選ぶべきですか?

ブラシ付きかブラシレスかの議論は、モーターを調達するエンジニアにとって最も頻繁に決定されるポイントの 1 つです。どちらのテクノロジーも 24V で動作し、同様の出力およびトルク仕様に構築できますが、効率、複雑さ、コスト、およびメンテナンス要件が大きく異なります。どちらが一般的に優れているというわけではありません。正しい選択は特定のアプリケーションの要求によって異なります。

アプリケーションが年間何千時間も継続的に実行される場合、メンテナンスへのアクセスが困難な場所、または非常に高い回転速度が必要な場所に展開される場合、通常、ブラシレス モーターの初期費用が高くても、総所有コストが低いことで正当化されます。逆に、デューティ サイクルが断続的である場合、予算に制限がある場合、制御システムをシンプルにする必要がある場合、または製品が定期的なメンテナンスを中心に設計されている場合は、24 V ブラシ付きモーターがより実用的で経済的なソリューションとなります。

耐用年数の延長: ブラシ付き DC モーターのメンテナンスのヒント

ブラシと整流子の境界面は、ブラシ付き DC モーターの主な摩耗点であり、これを適切に管理することが耐用年数を最大化する鍵となります。ブラシは接触面の摩擦や電食によって徐々に磨耗します。完全に磨耗する前に点検して交換しないと、バネ式ブラシ ホルダーが整流子の表面に直接接触し、整流子とモーター巻線に即時かつ壊滅的な損傷を与える可能性があります。

点検とブラシ交換のスケジュール

メーカーのデータシートに記載されているモーターの予想ブラシ寿命に基づいて、実際のデューティ サイクルと動作条件に合わせて調整された定期検査間隔を設定します。 1 日に 2 シフトで稼働する自動組立機械のような高サイクルのアプリケーションでは、これは 6 か月ごとにブラシをチェックすることを意味する場合があります。週に数時間稼働するモーターの場合は、年に一度の検査で十分な場合があります。ブラシの長さがメーカーの最小寸法（通常はブラシにマークされているか、サービスマニュアルに記載されています）まで摩耗した場合は、摩耗した個々の部分だけでなく、ブラシセット全体を交換してください。

整流子の洗浄と調整

健全な整流子は、整流子フィルムまたは釉薬と呼ばれる均一な暗褐色の緑青を持つ、滑らかで磨かれた表面を備えている必要があります。このフィルムは実際にはブラシによって堆積されたカーボンの薄い層であり、摩擦を軽減し、電気接触を改善します。整流子に溝や穴が開いている場合、あるいは釉薬が剥がれた部分に銅色の明るい斑点がある場合は、整流子クリーニング スティックまたは 400 グリットの細かいサンドペーパーで優しく掃除してください。導電性粒子が残るヤスリ布は絶対に使用しないでください。溝加工がひどい場合は、材料が十分に残っている場合は、専門的に整流子を旋盤で回転させて平らな表面を復元できます。

摩耗を促進する環境および動作要因

• 周囲温度が高い — 熱により整流子の表面の酸化が促進され、ブラシの素材が柔らかくなり、摩耗率が増加します。モーター本体の周囲に十分な換気を確保してください。
• 頻繁な反転 — 方向を反転すると、ブラシと整流子の界面に電流スパイクと機械的ショックが発生します。高反転用途には、この用途に特化した定格のブラシが必要です。
• 汚染 — モーターの通気ポートに侵入したほこり、金属粒子、またはオイルミストはブラシの素材に埋め込まれ、研磨剤として機能します。汚れた環境では、密閉型または IP 定格のモーター エンクロージャを使用してください。
• 低負荷運転 — ブラシ付きモーターを非常に低い負荷 (定格トルクの 10% 未満) で連続運転すると、整流子の皮膜を維持するのに十分な熱が生成されず、不均一な摩耗が発生する可能性があります。これは直感的ではない故障モードですが、負荷の軽いシステムでは実際に発生します。
• 電圧スパイク — モータードライバーからの保護されていないスイッチング過渡現象は、時間の経過とともに整流子にピットを引き起こすマイクロアーク放電を引き起こす可能性があります。適切なスナバ回路またはスパイク抑制機能を備えたドライバ IC を使用してください。

24V ブラシ付きモーターに適切なギアボックスの組み合わせを選択する

ほとんどの 24V ブラシ付き DC モーターは、1,500 ～ 6,000 RPM の範囲で効率的に回転するように設計されていますが、機械用途のほとんどは、これをはるかに下回る出力速度を必要とします。コンベア ベルトの数百 RPM から、バルブ アクチュエータや低速回転オーガーのわずか 10 ～ 50 RPM までです。ギアボックスは、モーターの高速、低トルク出力をアプリケーションの低速、高トルク要件に適合させます。ギア比は、速度を分割しながらトルクを比例的に増加させます。3,000 RPM で 0.1 N·m を生成するモーター上の 20:1 比のギアボックスは、150 RPM で約 2 N·m を供給します (ギアボックスの効率損失を差し引いたもの)。

遊星ギアボックス、スパーギアボックス、ウォームギアボックス

遊星歯車装置 コンパクトな同軸フォームファクターで最高のトルク密度と効率 (通常、ステージあたり 90 ～ 97%) を提供します。これらはラジアルおよびアキシャルシャフト荷重に適切に対処し、ロボット工学、精密位置決め、および限られたスペースで高いギア比を必要とするアプリケーションに最適です。 平歯車減速機 よりシンプルで安価であり、ノイズがあまり気にならない軽い負荷に適しています。 ウォームギアボックス 単一のコンパクトなステージで非常に高いギア比を実現し、固有の逆駆動防止機能を備えています。出力シャフトが負荷によって逆駆動されることがないため、ホイスト、ゲート、およびバルブ アクチュエータの用途に役立ちます。ただし、ウォーム ギアボックスは効率が低く (比率と進角に応じて 40 ～ 90%)、連続負荷下ではより多くの熱を発生します。

ギアボックスを選択するときは、ギアボックスの定格入力速度、連続出力トルク、および断続的なピークトルク定格が、モーターとアプリケーションの要求に一致するか、それを超えていることを常に確認してください。過小なギアボックスは、カスタム マシン設計におけるドライブトレインの早期故障の最も一般的な原因の 1 つです。