ブラシ付き・ブラシレスDCモーターの基礎と応用：構造・原理・使い分け

自動車がどのように動いているか、その魔法の正体を知りたくはありませんか？実はその魔法こそがモーターです。モーターとは何か、どのような力で自動車のようなものを動かせるのか。この記事で答えが見つかります。

モーターとは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電磁デバイスです。回路図ではM（旧規格D）で表されます。主な機能は駆動トルクを生成し、電気機関車、路面電車、テープレコーダー、カミソリ、電動玩具など様々な電気機器や機械の動力源となることです。

電源タイプによる分類：DCモーターとACモーター

DCモーターは、直流電気エネルギーを機械エネルギーに変換するモーターです。前述の自動車はDCモーターを使用しています。

ACモーターは、交流電気エネルギーを機械エネルギーに変換するモーターです。洗濯機、冷蔵庫、エアコン、レンジフード、扇風機などの家電製品に広く使用されています。

DCモーターは、構造と動作原理によりブラシレスとブラシ付きに分類できます。さらにブラシ付きモーターには、下図の「DCモーターの系譜」のように、より深い分類が存在します。

ブラシレスDCモーター

ブラシレスDCモーターは、従来のDCモーターの固定子と回転子を入れ替えた構造です。回転子が永久磁石で空隙磁束を生み出し、固定子が電機子で多相巻線で構成されます。構造的には永久磁石同期モーターに似ています。

ブラシレスDCモーターは主に、プリンター、ファックス、コピー機、ハードディスク、フロッピーディスクドライブ、ムービーカメラ、テープレコーダーなど、コンピューター周辺機器や電子製品に使用されています。

ブラシ付きDCモーター

ブラシモーターでは、2つのブラシ（銅ブラシまたはカーボンブラシ）が、絶縁座を用いてモーターの後部カバーに固定されることで、正負の電極を回転子の整流子に直接接続します。整流子は回転子上のコイルに接続されています。3つのコイルの極性が絶えず切り替わり、2つの固定磁石と力を形成することで、デバイスが回転します。

ブラシ付きDCモーターは、電磁式DCモーターと永久磁石式DCモーターに分類できます。

電磁式DCモーター

電磁式DCモーターには、直巻、分巻、他励、複巻の4種類があります。

• 直巻モーター：励磁巻線と電機子巻線を直列に接続し、直流電源につなぎます。電動工具やキッチン用品に応用可能。
• 分巻モーター：励磁巻線と電機子巻線を並列に接続します。ここでは励磁巻線と電機子が同一電源を共有します。性能は他励モーターと同等。大型旋盤、平削り盤などに一般的に使用。
• 他励モーター：励磁巻線と電機子巻線は接続されず、別の直流電源で駆動します。永久磁石DCモーターは他励DCモーターと見なせます。分巻モーターと同様、大型旋盤や平削り盤によく使用。
• 複巻モーター：分巻と直巻の2つの励磁巻線を持ちます。直巻巻線が生成する磁束電位と分巻巻線が生成する磁束電位が同じ方向なら累積複巻、逆方向なら差動複巻と呼ばれます。船舶、トロリーバス、揚重・採掘機器に使用可能。

永久磁石式DCモーター

永久磁石DCモーターには、希土類、フェライト、アルニコ（Al-Ni-Co）の3種類があります。その応用範囲は極めて広く、航空宇宙、防衛、工業・農業生産、日常生活のほぼすべての領域をカバーしています。

エアコン業界では、永久磁石ブラシレスDCモーターが、エアコン技術を測る主要指標の一つとなっています。

• 最古のモーター試作機は永久磁石モーターでしたが、永久磁石材料の性能が悪かったため、応用はかなり限定的でした。
• アルニコ永久磁石が永久磁石モーターの発展を次のレベルに押し上げました。しかし高価なため、このタイプも広くは普及しませんでした。
• 安価なフェライトの登場以来、永久磁石モーターの応用は大幅に拡大しました。玩具用モーター、AV機器用モーター、車載マイクロモーターから産業用低出力ドライブ、サーボドライブまで多岐にわたります。統計によると、500W以下のDCモーターの92%以上を永久磁石モーターが占め、その大半がフェライト永久磁石モーターです。
• しかし、フェライトの磁力は弱く、高性能モーターのニーズには不向きです。1960年代に希土類サマリウムコバルト永久磁石が登場し、高性能サーボモーターが可能になりました。しかし価格が高く、1980年代に発見されたネオジム鉄ボロン（NdFeB）永久磁石に取って代わられました。
• NdFeB永久磁石は、動作温度と磁気温度係数を除くほぼすべての面で優れた性能を発揮します。さらに大幅に安価です。DC・ACを問わず、あらゆる種類のサーボモーター、ステッピングモーターが、最終的には永久磁石モーターに置き換わると予想されています。

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