電気モーターの世界では、ブラシレスDCモーター（BLDC）と永久磁石同期モーター（PMSM）という2つの主要なモーターが、様々な用途で広く使用されています。どちらのモーターも、その効率性、コンパクトさ、そして高性能で高く評価されていますが、構造、制御技術、そして用途への適合性は異なります。この記事では、BLDCモーターとPMSMモーターの主な違いを詳しく説明し、ユーザーがニーズに最適なモーターを理解できるよう支援します。

構造と動作原理

• ブラシレスDCモーター：BLDCモーターは、ブラシなしで動作し、DC電源で駆動する同期モーターです。従来のDCモーターに見られる機械的な整流ではなく、BLDCモーターはインバーターまたは電子コントローラーを用いた電子整流を使用します。BLDCモーターのローターには永久磁石が内蔵されており、ステーターには回転磁界を発生させるコイルが取り付けられており、ローターを駆動します。
• 永久磁石同期モーター：PMSMモーターのローターにも永久磁石が使用されていますが、その動作は同期速度原理に基づいています。誘導モーターとは異なり、ローターはステーターの回転磁界と同じ周波数で滑りなく回転します。BLDCモーターとは異なり、PMSMモーターは台形波制御ではなく正弦波制御を採用することがよくあります。

制御技術

• BLDCモーター制御：BLDCモーターは通常、整流に台形波制御を使用します。この制御方式では、モーターは矩形波または台形波の電流波形で駆動されるため、制御エレクトロニクスが簡素化され、一般的に実装が容易です。ただし、この制御手法はトルクリップルを引き起こす可能性があり、モーターの動作中にトルクがわずかに変動します。
• PMSMモーター制御：PMSMモーターは、フィールドオリエンテッドコントロール（FOC）またはベクトル制御を使用して制御されます。これらはより複雑ですが、よりスムーズな動作を実現します。この正弦波制御方式により、モーターの動作中ずっとトルクが一定に保たれ、特に精密アプリケーションにおいて優れた性能を発揮します。PMSMモーターは、滑らかなトルク伝達と可変速度における高い効率で知られています。

固定子巻線分布

• BLDCモーター：ステータ巻線分布は通常台形であり、台形逆起電力波形を生成するように設計されています。これにより6ステップ（整流）動作が可能になり、精密な位置決めが求められるアプリケーションに最適です。
• PMSMモーター：ステータ巻線分布は正弦波であり、滑らかな正弦波逆起電力波形を生成します。これにより、トルクリップルを最小限に抑えながら連続回転が可能になり、PMSMは高速回転でもより効率的でスムーズな動作を実現します。

永久磁石の形状

• BLDCモーター：永久磁石は通常、長方形または台形の形状で、台形逆起電力波形を生成します。この形状は、BLDCモーターの整流プロセスを最適化し、6段階駆動システムにおける効率的な動作を実現します。
• PMSMモーター：PMSMモーターの永久磁石は通常、曲線または正弦波形状で、滑らかな正弦波逆起電力を生成します。この形状は回転の滑らかさを高め、特に高精度・高速アプリケーションにおいて効率と性能を向上させます。

パフォーマンス特性

効率：

BLDCモーターとPMSMモーターはどちらもブラシレス設計のため、非常に高い効率を誇ります。しかし、PMSMモーターは、特に精密な速度制御と様々な速度域での高トルクが求められる用途において、総合的な効率の点でBLDCモーターよりも優位に立つ場合が多くあります。

速度とトルク：

BLDCモーターは高速性と高トルクを実現することで知られています。家電製品、ポンプ、ファンなど、迅速な応答時間が求められる用途で広く利用されています。しかし、BLDCモーターは台形整流のためトルクリップルが発生する可能性があり、精密用途にはやや不向きです。
一方、PMSMモーターは広い速度範囲で一定のトルクを発生するため、ロボット工学、電気自動車、CNC工作機械などの精密用途に最適です。正弦波制御方式により、モーターはトルク変動なくスムーズに動作するため、安定した性能が求められる厳しい用途に最適です。

アプリケーション適合性

BLDCモーターの用途

BLDCモーターは、高速性、低コスト、そしてよりシンプルな制御電子機器が求められる用途で広く使用されています。代表的な用途としては、以下のようなものがあります。

• コンピューター冷却ファン
• エアコン
• 電動工具
• 電動自転車

BLDCモーターは堅牢性とシンプルさを兼ね備えているため、メンテナンスの必要性を最小限に抑えながら高速で動作する家電製品やデバイスに最適です。

PMSMモーターの用途

PMSMモーターは、効率とスムーズな動作が不可欠な高性能・高精度制御アプリケーションに適しています。これらのアプリケーションには、主に以下のようなものがあります。

• Electric vehicles (EVs)
• Industrial automation
• ロボット工学
• CNC machines
• Home appliances

PMSMモーターは、精密な制御と可変速度での効率的な動作が可能であるため、EVや産業用ロボットなどの先進技術に最適です。

コストに関する考慮事項

BLDCモーターは、制御エレクトロニクスが比較的複雑ではないため、一般的にPMSMモーターよりも安価です。そのコスト効率の良さは、低価格帯の製品や量産品の消費者向け製品にとって魅力的です。しかし、PMSMモーターは制御要件がより複雑なため一般的に高価ですが、精度が極めて重要なハイエンドアプリケーションにおいては、長期的な効率と信頼性において優れた性能を発揮します。

メリットとデメリット

特徴	BLDCモーター	PMSMモーター
効率	高いが可変速ではPMSMより低い	特に可変速で極めて高い
制御	単純な台形制御、実装が容易	複雑な正弦波制御、滑らかな動作
トルクリップル	中程度、トルク変動あり	非常に小さく、一定トルク出力
応用例	家電、冷却ファン、電動工具	精密機械、電気自動車、産業オートメーション
コスト	初期コストが低く制御も簡単	コストは高いが長期効率に優れる

 

どのモーターを選ぶべきですか？

BLDCモーターとPMSMモーターのどちらを選ぶかは、主に具体的な用途と性能要件によって決まります。

• 中程度の精度と高速動作を備えたコスト効率の高いソリューションをお探しの場合は、BLDCモーターをお選びください。例えば、電動工具、ファン、小型家電製品は、BLDCモーターの高速応答性とシンプルな制御のメリットを享受できます。
• 精密制御、安定したトルク、可変速性能が求められるアプリケーションの場合は、PMSMモーターをお選びください。電気自動車、産業オートメーション、ロボット工学などは、PMSMモーターのスムーズな動作と高い効率のメリットを享受できることが多いです。

結論

BLDCモーターとPMSMモーターにはそれぞれ独自の特性があり、長所と短所があります。モーターの種類を選択する際には、それぞれのアプリケーション固有の要件と条件に基づいて慎重に検討する必要があります。高効率、長寿命、優れた制御性が求められるアプリケーションシナリオではBLDCモーターを、高い制御精度、広い速度範囲、優れたトルク安定性が求められるアプリケーションではPMSMモーターを選択できます。