BLDCモーターはどのように動くのか：ブラシレスDCモーターの原理を詳しく解説

過去 20 年から 30 年にわたり、電子技術と永久磁石材料の継続的な進歩により、BLDCモーターは、さまざまな業界向けにニッチなモーターから主流の電源ソリューションに変わりました。BLDCモーター高効率、高信頼性、長寿命により、家電製品、電動工具、電気自動車、産業オートメーション機器などの用途に広く使用されています。しかし、BLDC モーターの動作原理はまだ多くの人に知られていません。この記事では、現在の電気工学におけるこの驚くべき革新をより詳細に理解できるように、BLDC モーターの動作原理について理解する必要があるすべてを説明します。

BLDCモーターの基本構造

さて、動作原理に入る前に、その基本構造を理解しておく必要があります。

ステータ: モーターのハウジング内に固定されています。通常、積層されたケイ素鋼板で構成され、その周りにコイルが巻かれていくつかの電磁石極が形成されます。

ローター: ローターは通常シャフトに取り付けられており、永久磁石が含まれています。 BLDC モーターは、永久磁石のさまざまな構成に基づいていくつかの種類に分類できます。

ホール センサー: ローターの位置を決定し、電子制御システムにフィードバックします。

コントローラー: ホール センサーまたはその他のフィードバック メカニズムからのフィードバックに基づいて、固定子巻線に流れる電流のタイミングを決定する電子制御システム。

アウトランナー BLDC モーターの構造がインナーローターの構造とは異なることに注目してください。ローターは外側にあり、ステーターは内側にあります。このタイプの設計は、ドローンのプロペラの駆動など、高トルクが必要な用途で特に一般的です。

電磁気の原理: BLDC モーター動作の基礎

BLDC モーターの動作は、電磁気の 2 つの基本原理によって決まります。

アンペールの法則: 電流が流れる導体が磁界内にある場合、導体は力を受けます。 BLDC モーターのステーターは、コイル状の銅巻線で構成されており、これらの巻線が通電されると、ローターの永久磁石間で相互作用する磁界が生成され、ローターが回転するための機械的な動きを提供する力が生成されます。

ファラデーの電磁誘導の法則: 導体が磁力線を切断するとき、または変化する磁界内にあるときに、導体に起電力が誘導されます。逆起電力をセンシングしてロータの位置を検出するセンサレス制御に広く使用されています。

これらの原則は、産業用ブラシレス モーターの設計に適用されます。これは、固定子巻線を流れる電流を細かく調整することで実現され、回転子の永久磁石との良好な電磁相互作用を確保して、高い効率と安定性を実現します。

BLDC モーターの整流プロセス

BLDC モーターの最も重要な動作メカニズムは、電子整流と呼ばれます。これは、ブラシレス モーターと従来のブラシ付きモーターを区別する最も重要かつ重要な要素です。

転流の原理: 転流は、ローターとステーターの間に継続的な電磁相互作用が存在し、継続的なトルクを生み出すことができるように、モーターのコイルに関して電流の流れの方向を変えるプロセスです。

6 ステップの整流: BLDC モーターの従来の制御方法では、電気サイクルが 6 つのステップに分割されます。各ステップで、三相巻線のうちの 2 つに電力が供給され、1 つの相はオフになります。

ホール センサー フィードバック: ホール センサーはローターの永久磁石の位置を検出するため、コントローラーはどの巻線に通電すべきか、および電流の方向を決定できます。

センサーレス制御: より高度な方法は、非通電相の逆起電力を監視することによってローターの位置を決定することです。この複雑な戦略を実装するためにホール センサーは必要ないため、ドライブの信頼性が向上します。

大型の BLDC モーターは通常、正弦波駆動やベクトル制御などのより複雑な制御戦略を採用して、よりスムーズなトルク出力とより高い効率を実現します。

BLDC モーター システムにおけるコントローラーの役割

BLDC モーターは単独では動作できないため、専用の電子コントローラーと組み合わせる必要があります。

モータードライバー: 通常、制御信号に従って電流経路を切り替えるパワーMOSFETまたはIGBTをベースにした三相ブリッジインバーター

マイクロコントローラー: 位置センサーから信号を受信し、制御アルゴリズムを実行し、電源デバイスを駆動するための PWM 信号を生成します。

閉ループ制御: アプリケーションのニーズに基づいて、正確な速度制御または位置制御を提供します。

安全保護機能:過電流保護、過熱保護、低電圧保護など。

48V BLDC モーター システムのアプリケーションは、電動自転車、小型電気自動車、その他の産業用途に広く普及しています。そのコントローラーと処理回路は、より高い電圧と電流に対処する必要があり、通常はより複雑な一連のパフォーマンスと保護機能を備えています。

BLDC モーターの性能特性と応用シナリオ

次に、 BLDC モーターの動作原理を学習した後、そのパフォーマンス上の利点を見てみましょう。

高効率: ブラシと整流子による摩擦損失がないため、効率は通常 85% を超え、場合によっては 95% を超えることもあります。

良好な速度対トルク特性：幅広いトルク出力を提供します。

寿命の延長: 機械的摩耗要素がなければ、寿命は最終的にはベアリングによってのみ制限されます。

放熱効率の向上: 固定子巻線とモーターハウジングが直接接触することで、より効果的な放熱が可能になります。

低ノイズおよび電磁干渉: ブラシの整流によって発生する火花やノイズはありません。

アウトランナー BLDC モーターは、その特殊な構造により、低速でより高いトルクを提供できるため、ドローンのプロペラやファンなどのダイレクト ドライブ システムに特に適しています。ブラシレス モーターは、安定性と耐久性の利点により、オートメーション機器や精密機器の電源として選択されています。

BLDCモーターの制御アルゴリズム

より発展した最新の BLDC 制御テクノロジは、この単純な 6 ステップの整流方法を超えています。

台形波制御: 最も基本的な制御方法は台形波電流波形です。実践するのは簡単ですが、かなりの振幅のトルクリップルが発生します。

正弦波制御: 正弦波電流でモーターを駆動し、モーターのトルクリップルを低減し、動作をよりスムーズにします。

フィールド指向制御 (FOC): 数学的変換を適用することで、三相電流が制御用の回転座標系に変換され、最適なトルク制御とエネルギー効率が実現します。

センサーフュージョンテクノロジー: 複数のフィードバック信号 (ホールセンサー、エンコーダー、電流サンプリングなど) を統合して、制御精度と堅牢性を向上させます。

熱管理、効率の最適化、動的応答などの高出力アプリケーションの課題のため、通常、Big BLDC モーターにはより高度な制御アルゴリズムが使用されます。

結論: BLDC モーターの動作原理と利点

BLDCモーター電子制御システムを通じてステーター巻線の電流を正確に制御し、ローターの永久磁石と相互作用して電気エネルギーを機械エネルギーに効率的に変換します。小型民生用電子機器から大型産業機器まで、低電圧アプリケーションから 48V BLDC モータシステムに至るまで、高効率、高信頼性、優れた制御性能を備えたブラシレス DC モータは、さまざまな産業で技術の進歩とエネルギー効率の向上を推進しています。電子制御技術と永久磁石材料の継続的な開発により、BLDC モーターの応用範囲はさらに広がり、より優れた性能が得られると予想されます。

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