ブラシレスモーターとは？BLDCテクノロジー総合ガイド

序文

近年、電気モーターに関する議論はブラシレスモーターが中心となっている。ブラシ付きモーターに比べ、性能、信頼性、効率が優れているからだ。ブラシレスDCモーターまたはECM（電気整流モーター）は、直流電流で動作するモーターの一種です。ブラシレスDCモーターは、自動車産業、ロボット産業、電子機器、冷却システムを大きく変えました。電気的接触を確立するブラシと回転整流子の必要性がなくなり、ブラシレス・モーターの機械的摩耗が減り、効率と寿命が向上した。

この記事では、ブラシレスモーターの定義、その構造と動作、さまざまな産業での使用範囲について詳しく説明する。

Grand View Research Markets社の調査によると、2020年現在、世界のブラシレスDCモーター市場規模は87億ドルに達し、2021年から2028年までの期間、年平均成長率（CAGR）7.5%で拡大すると予測されている。この傾向は、さまざまな空間における電気モーターの統合が進んでいることに起因している。この傾向のもう1つの理由は、BLDCモーターをより優れた制御を提供するローターの回転であろう。

ブラシレスモーターとは？

ブラシレス・モーターは、ステーターに電磁コイル、ローターに永久磁石を採用し、回転速度とその結果としての回転運動を生み出すモーターの一種である。従来のブラシ付きモーターとは異なり、ブラシレスモーターには物理的なブラシや整流子はない。代わりに電子整流を採用していますが、常に電子速度コントローラーまたはESCによって制御されます。

ブラシレスモーターはブラシがないため、いくつかの利点がある。低摩耗、高効率、低メンテナンスなどである。さらに、ブラシレスモーターは、その高度な制御設計システムにより、同サイズのブラシ付きモーターよりも高速を達成し、より大きなトルクを発生する傾向があります。

ブラシ付きモーターよりブラシレスモーターが人気を集めている理由とは？

ブラシレス・モーターは、他のモーターよりも優れているため、多くの産業で採用が進んでいる。しかし、この人気の高まりは、以下のようないくつかの重要な要因に起因している。

高効率： ブラシレス・モーターは、他の多くの機器にあるブラシや整流子による摩擦や機械エネルギーの損失がないため、エネルギー効率が高いことで知られています。この結果、ポータブル・アプリケーションでは、より優れた省エネとバッテリーの耐用年数の向上が実現します。

メンテナンスも簡単だ： ブラシレスモーターにはブラシがないため、ブラシの磨耗や破損といった定期的なメンテナンスが不要です。そのため、メンテナンスコストが低く、信頼性が高い。

正確なコントロール： 正確な回転速度とトルクは、電子整流と高度な制御アルゴリズムの助けを借りてブラシレスモーターによって提供されます。そのため、ブラシレスモーターは、高精度で精密な動作と同時に滑らかな動作が要求される用途に使用することができます。

コンパクトなサイズ： ブラシレスモーターはブラシ付きモーターよりも出力密度が高いため、薄型化が可能である。これは、ドローンやポータブルガジェットなど、スペースが限られている用途で特に有利である。

属性	ブラシレスモーター	ブラシ付きモーター
効率性	ブラシによる摩擦がないため効率が高く、エネルギー使用率が向上。	ブラシの摩擦と整流によって失われるエネルギーによる効率の低下。
メンテナンス	ブラシを交換する必要がないため、メンテナンスの必要性が低い。	ブラシの摩耗と交換の必要性により、メンテナンスが高くなる。
制御精度	電子整流と高度な制御アルゴリズムによる正確な制御。	物理的なブラシと整流子によって制限されるため、正確な制御ができない。
サイズと電力密度	コンパクトで高い出力密度により、より小型で強力なモーターを実現。	一般的に、機械的な限界のため、同じサイズでもより大きく、よりパワフルではない。
耐久性	機械的摩耗が大幅に減少するため、寿命が長い。	ブラシや整流子の磨耗による寿命の低下。
ノイズとEMI	低ノイズ、低電磁干渉で、繊細なアプリケーションに適しています。	ノイズが多く、電磁干渉の可能性がある。

ブラシレスモーターの仕組み

ブラシレス・モーターは電磁誘導として知られる原理で作動する。ブラシレス・モーターのステーターは複数の電磁コイルでできており、ローターには永久磁石が埋め込まれている。ステータ・コイルに電流が流れると磁界が形成され、その磁界がロータの永久磁石に作用してロータが回転し、電気エネルギーが機械エネルギーに変換される。

磁石と電磁場の役割

ブラシレス・モーターのローターには永久磁石が使用されている。ネオジムやサマリウム・コバルトを含む希土類材料で構成されるこれらの磁石は、回転運動の生成に重要な北極と南極を交互に形成するように、ある特定の方法で配置される。

コイルは固定子の一部を構成し、回転磁界を形成するように特定の順序で電流が供給される。この磁界は永久磁石を持つローターに作用し、ローターを回転させるトルクを発生させる。

ステーターコイルに電流を供給する順番を変えることで、ローターの速度と方向を調整することができる。

エレクトロニック・スピード・コントロール（ESC）の説明

ブラシレスモーターは、整流プロセスにESCと呼ばれる電子速度コントローラを採用しています。これらのESCは、ユーザーまたは制御システムから提供された入力コマンドを、ステータコイルに送信する電流パルスの正しいタイミングに変換する役割を担っています。

電気速度制御装置（ESC）は、パルス幅変調（PWM）と界磁指向制御（FOC）の組み合わせによって電流の流れを制御し、モータの毎分回転数（RPM）とトルクを調整します。このような配置は、整流タイミングがローターの位置に応じて調整されるため、ホール効果センサーや逆起電力などのフィードバック要素にも基づいている。このレベルのモーター制御も、ブラシレスモーターが様々な分野で広く使用されるようになった主な理由の一つです。

様々な産業におけるブラシレスモータの用途

ブラシレス・モーターは、優れた有効性、信頼性、性能に基づき、さまざまな分野で活用されている。ブラシレス・モーターの大規模な利用を求める主な分野や用途には、次のようなものがある：

ブラシレスモーターによる自動車の革新

自動車の世界では、電動パワーステアリング、燃料ポンプ、エンジン冷却システムなど、ブラシレスモーターが活躍する用途が複数あります。これらのブラシレスモーターは、過去に使用された他の油圧式や機械式システムと比較して、高トルク密度、正確な制御、より高い燃費効率を提供することができます。

同様に、ブラシレス・モーターは、電気自動車やハイブリッド車の製造において中心的な存在となりつつある。ブラシレス・モーターは、トラクション・モーター、回生ブレーキ・システム、バッテリーの冷却システムなどに適しており、電気自動車やハイブリッド車の効率と性能を高めるために、その用途はますます拡大しています。

家電とロボットへの影響

ブラシレスモーターのおかげで、ドローンやスマートフォン、ウェアラブル端末などの高性能ガジェットの小型化が可能になり、家電業界は大きな恩恵を受けている。ブラシレスモーターをこれらの機械に使用する利点は、高出力密度と正確な制御が可能なことです。これらの特質は、マシンが長いバッテリー駆動時間でスムーズに動作することが望まれる用途に適している。

ロボット工学は、さまざまな機構の中でも、特殊なモーターにサーボを組み込む分野である。産業用ロボット、協働ロボット（コボット）、サービスロボットなどに応用されるブラシレスモーターである。サーボモーターは、ピックアンドプレース作業、溶接、材料のハンドリングなどに必要な精度、トルク、スピードを提供する。

電気自動車におけるブラシレスモーター

EV（電気自動車）におけるブラシレスモーターの出現は、自動車空間を一変させた。これは、BLDCモーターを中心としたブラシレスモーターが主に対応する動力である。このような用途には、ブラシレスモーターがもたらす大きな利点があります。

そもそもBLDCモーターは高い出力密度を持ち、ブラシ付きモーターに比べて体積当たりの出力が大きいため、小型・軽量なモーター設計を実現し、車両全体の質量を最小限に抑え、車両全体のエネルギー効率を向上させることができる。

さらに、BLDCモーターは85%から95%の範囲で高い効率を有している。これは、特にEVにとって極めて重要で、高効率は走行距離の延長とエネルギー消費の削減につながるからだ。

最後に、BLDCモーターの制御は、速度とトルク特性の卓越した制御を可能にし、EVにおける加速、回生ブレーキ、効果的な電力管理をスムーズで応答性の高いものにします。これはまた、車両のハンドリングと安定性の向上にもつながります。

冷却ファン用ブラシレスモーター

冷却システムでは、装置の効率的な動作を維持しながら、冷却ファンによって装置やシステムの加熱を防止します。ブラシレスモータ、特にBLDCファンモータの使用は、従来のファンと比べて効率が高いため、冷却用途で普及しつつあります。

BLDCと従来の冷却ファン

ブラシ付きDCモーターまたはAC誘導モーターは、ほとんどすべての設計で冷却ファンモーターとして標準的に使用されています。これらのモーターは信頼性が高いため、以前は一般的に使用されていましたが、現在ではBLDCファンモーターに対していくつかの欠点があります。

ブラシ付きDCモーターを使用する従来のDCファンは、機械的な磨耗や損傷を引き起こすブラシや整流子がモーターに含まれているため、早期の故障を伴う。そのため、これらのモーターは比較的寿命が短く、メンテナンスが必要で故障しやすい。

さらに、ブラシ付きモーターは、電子回路や駆動部品の機能に電気ノイズや電磁干渉をもたらし、デリケートなシステムの動作を妨げる可能性がある。

これに対し、BLDCファンモーターには、従来のファンを上回る多くの利点がある：

性能の向上：ブラシと整流子の損失がないため、BLDCファンモーターの効率は高い。したがって、消費電力を抑え、冷却効率を高めることができます。

長寿命：BLDCファンモーターにはブラシ付き部品がないため、ブラシ付き部品のような機械的な磨耗がありません。その結果、寿命が長くなり、メンテナンスの回数が減りました。

低ノイズとEMI：BLDCファンモーターからの電気ノイズとEMIの放出は最小限に抑えられているため、繊細な電子機器アプリケーションに使用できます。

正確な回転数制御：PWM信号を利用してBLDCファンモーターを制御するのは非常に簡単で、特定の冷却タスクのニーズに合わせて速度を正確に調節することができます。

BLDC冷却ファンの用途

BLDC冷却ファンは、以下のような様々な産業や製品で広く利用されている：

家電製品： BLDC冷却ファンは、ノートパソコン、デスクトップパソコン、ゲーム機など、適切に機能するために熱管理を必要とする電子機器に適しています。

自動車： バッテリー冷却システム、自動車の空調システム、パワーエレクトロニクスの冷却などは、自動車におけるBLDC冷却ファンの応用例です。

産業機器： このようなファンは、CNC機械、産業用制御盤、電源装置、その他の産業機器にも適用され、熱を分散し、機器の破壊を防止する。

医療機器： 人工呼吸器、患者モニター、画像システムなどの医療機器も、信頼性の高い動作と患者の安全を維持するためにBLDC冷却ファンを使用しています。

BLDC冷却ファンの規格選定

BLDC冷却ファンのようなアプリケーションファンを選択する際に留意しなければならない規格や仕様が数多くありますが、これはコンポーネントの互換性を可能にし、システムの性能と信頼性を高めるためです。考慮すべき主な規格や仕様には、以下のようなものがあります：

サイズと構成： BLDC冷却ファンのサイズと構造には、ブロワー、遠心ファン、軸流ファンなどがあります。熱要件とスペースの仕様に応じて、寸法とマウントタイプを適切にする必要があります。

定格出力： ファンの定格電力はさまざまです。例えば、BLDC冷却ファンには、12V、24V、あるいは48Vのものがあります。このようなファンは、システムが必要とする電源の仕様に応じて選択する必要があります。

効率が良い： このファンの冷却性能は、その回転数と風量に大きく依存します。そのため、システムの放熱能力に応じて、回転数（RPM）、風量（CFMまたはm³/h）が適切なファンを選択する必要があります。

音だ： 参照と仕様を容易にするため、BLDC冷却ファンの性能は、それが何デシベル（dB）の騒音を発生するかという観点から数値化することができます。特に医療用途やオフィスなど低騒音を維持しなければならない場合には、ファンの騒音定格を調べる必要があります。

環境面： BLDC冷却ファンは、温度、湿度、ほこり、振動などのさまざまな環境特性の影響を受ける可能性があります。アプリケーションの特殊な環境条件に耐えるように意図されたファンを選ぶ価値があります。

これらの規格と仕様を念頭に置くことで、エンジニアと設計者は、特定の用途に最適なBLDC冷却ファンタイプを選択することができ、その結果、優れた性能、信頼性、およびシステム全体との互換性を達成することができます。

結論

ブラシレスモーターは、ブラシ付きモーターよりも先進的で効率的、かつ信頼性が高いため、ブラシレス直流（BLDC）モーターや電子整流モーターとも呼ばれ、さまざまな産業で重宝されている。ブラシを使わず、電子整流を採用したブラシレス・モーターには、機械的摩耗の減少、効率の向上、精密制御、体積の縮小など、いくつかの利点がある。前述のことは、BLDCモーターには実質的に電源との接触がないことを意味し、したがってメンテナンスは非常に最小限で済む。

ブラシレス・モーターは、自動車産業、ロボット工学、電子機器、冷却システムなど、さまざまな産業で使用されている。小型で効率的なトラクション・モーターとバッテリー冷却システムを必要とする最新の電気自動車設計では、ブラシレス・モーターは非常に重要です。新しい冷却ファンでは、BLDCファンモーターは従来の冷却ファンよりも効率が高いため、さまざまな電子機器やシステムへの統合が容易です。

今後、継続的な技術進化に伴い、コンプレッサー、BLDCモーター、DCブラシレスファンの用途がさらに開発され、さまざまな分野でさらなるイノベーションが推進されることが期待されます。ブラシレスモータ技術の使用は、電動モビリティ、オートメーション、冷却ソリューションの分野の進歩を推進しながら、信頼性が高く、効率的で性能の高いシステムの創造につながる。

よくある質問

プロジェクトに適したサイズのブラシレスモーターを選ぶには？

プロジェクトに適した物理的限界を持つブラシレスモーターを選択するには、いくつかの基準を評価する必要がある：

トルク要件：アプリケーションの駆動に必要なトルクを特定する。負荷、加速度、速度の要件に基づいて、そのようなシステムに必要なトルクを決定する。

速度範囲：モータが動作すべき速度範囲を評価する。ブラシレスモータは高速回転が可能ですが、モータの設計と特定のアプリケーションの要件によって特定の範囲が決まります。

必要馬力：アプリケーションの出力計算には、必要な速度とトルクを使用する。少なくとも先に計算した定格出力のブラシレスモータを入手してください。

電圧と電流の定格：使用する電源の定格電圧と定格電流に合ったブラシレスモータを使用してください。負荷時のモータの最大電圧と最大電流を考慮してください。

スペースと重量の考慮：使用可能なスペースとアプリケーションで許容できる最大重量を確認します。設計で課される制限内に快適に収まるサイズと重量のブラシレスモータを選択する。

環境条件：温度、湿度、振動など、モータの使用条件を評価する。適切な環境定格と保護機能を備えたブラシレスモータを使用してください。

従来のモーターと比較して、ブラシレスモーターを使用する利点は何ですか？

従来のブラシ付きモーターと比較して、ブラシレスモーターには次のような利点がある：

損失は最小限に抑えることができる： ブラシレス・モーターにはブラシや整流子の損失がないため、効率が高い。最大95%の効率レベルを達成できるため、ブラシレスモーターのエネルギー効率が高くなり、ポータブル用途ではバッテリーの使用量が少なくて済む。

寿命が延びる： ブラシレスモーターはブラシレスであるため、モーターが筋肉に負担をかけることがなく、モーターの寿命が延び、全体的なメンテナンスが軽減される。

高精度： ブラシレスモーターは、パルス幅変調や界磁指向制御などの様々な高度制御技術との統合により、高い慣性効率とトルク精度を実現しています。これにより、スムーズな動作、正確な位置決め、さまざまな用途における最高レベルの性能を実現します。

高速・高トルク： ブラシレスモーターは、同じ大きさのブラシ付きモーターよりもトルクが大きく、スピードが出る。しかし、ブラシレス・モーターは、ダイヤモンドを含む設計により、その限界を突破しており、ブラッシングは問題ではない。

ノイズとEMIを低減： ブラシレスモーターは、ブラシ付きモーターに比べて電気ノイズや電磁干渉（EMI）がほとんどありません。そのため、デリケートな電子環境や低ノイズが求められる用途に適しています。

コンパクトなサイズと高い出力密度： ブラシレス・モーターは簡単に高い出力密度を達成できるため、コンパクトで軽量な設計が可能になる。これは、ドローン、ロボット工学、携帯機器など、スペースに制約のあるアプリケーションで非常に有用である。

メンテナンスの軽減： ブラシレスモーターを使用することで、ブラシの磨耗に伴う定期的なメンテナンスが不要になります。その結果、メンテナンス費用が安くなり、信頼性が向上します。

幅広いスピードレンジ： ブラシレスモーターは、一定のトルクを維持しながら、低速から高速まで広大な速度範囲で動作することができます。この特徴により、様々な速度が要求される多様なアプリケーションに最適です。

ブラシレスモータはブラシ付きモータに比べて初期コストが高いが、長期的なコスト削減と高性能・高耐久性により、この出費を補って余りある。ブラシレスモーターを採用することの実際のメリットは、適用されるタスクの質的・量的要件とモーターの構造的特徴によって異なります。

ブラシレスモーターの一般的なメンテナンスとトラブルシューティングの問題は何ですか？

ブラシレスモーターはメンテナンスの必要性が低いとはいえ、メンテナンスの手間やトラブルシューティングの問題が発生することもある：

ベアリングの消耗：ブラシレスモーターにはベアリングが搭載されており、時間の経過とともに摩耗することは間違いない。これは、モーターにすでに存在するノイズのレベルとともに、さらなるノイズと振動のレベルをもたらすでしょう。これらの要素を総合的に判断することで、修理が必要か、ベアリングの交換がベターな選択かを決めることができます。

一方、絶縁システムの損傷は、特に高湿度や高熱の状態が多いステーター巻線の場合にも発生する可能性がある。この問題は絶縁破壊によってさらに悪化し、結果として短絡が発生する可能性があります。この問題は、巻線抵抗を定期的に監視し、必要に応じてギアモーターを交換することで回避できます。

あらゆるタイプのモーター、そしてブラシレスモーターも例外ではなく、あらかじめ定義されたパラメーター内で動作し、これは通常、適切な位置決めフィードバックを提供するホール効果またはエンコーダー・タイプのセンサーの使用に依存しています。これらのセンサーはモーターの適切な動作に不可欠であり、もし故障した場合、モーター全体が正しく機能しないか、全く機能しなくなる可能性があります。多くの場合、センサーに関連する様々な問題を解決するためには、配線やセンサーの接続をチェックしたり、まれにセンサー自体を交換しなければならない場合もあります。

過熱：ブラシレス・モーターは、定格仕様を超えて運転したり、冷却が不足したりするとオーバーヒートすることがある。巻線、磁石、その他の装置が過熱により損傷する可能性があります。過熱を避けるには、十分な換気を行い、適切な冷却技術を使用し、モータの運転を定格の範囲内に制限することが望ましい。

ブラシレスモーターの適切な使用方法と適時の点検と修理は、モーターを停止させる可能性のある潜在的な問題を回避し、認識するのに役立ちます。トラブルシューティングの手順で問題が解決しない場合、次のステップでは、製造業者または有資格のサービス技術者に連絡する必要があります。