ブラシレスDC（BLDC）モーターは、幅広い用途において高い効率、信頼性、そして高性能を提供し、現代工学の礎となっています。電気自動車からドローン、ロボット工学、家電製品まで、あらゆる分野で広く普及しています。BLDCモーターは従来のブラシ付きモーターに比べて効率が高いですが、制御機構に基づいてセンサー付きモーターとセンサーレスモーターの2つの主要なタイプに分類できます。

ブラシレスDCモーターの種類とは？

BLDCモーターの動作における課題は、ステーター巻線のスイッチングを同期させるためにローターの位置を決定することです。BLDCモーターには、主に以下の2つの種類があります。

  • センサー付きBLDCモーター：これらのモーターは、センサーを使用してローターの位置を検出します。
  • センサーレスBLDCモーター：これらのモーターは、逆起電力（back-EMF）信号を使用してローターの位置を検出します。

センサー付きBLDCモーター

センサー付きBLDCモーターには、位置センサー（通常はホール効果センサー）が搭載されており、ローターの正確な位置をモーターコントローラーにフィードバックします。ステーターに固定されたこれらのセンサーは、ローターの磁場を検出します。モーターコントローラーはこの情報を用いて整流プロセスを正確に同期させ、特に低速時の制御性を向上させます。

センサー付きBLDCモーターの仕組み

ホール効果センサーはステーターの様々な場所に配置され、ローターからの磁場を監視します。これらのセンサーはローターの正確な位置を示す信号を生成し、コントローラーは巻線をいつ通電するかを決定します。これらのセンサーからのフィードバックにより、モーターは極めて低速でもスムーズに動作し、優れたトルク制御を実現します。

センサー付きBLDCモーターの利点

  • スムーズな低速性能：センサー付きモーターは低速でも安定したスムーズな性能を発揮するため、ロボットや電気自動車など、精密な制御が不可欠なアプリケーションに最適です。
  • 効率的な起動：センサー付きモーターは、ローターの初期動作を必要とせず、簡単かつスムーズに起動できます。特に、頻繁に起動と停止を繰り返すアプリケーションに有効です。
  • 高負荷時の信頼性の高い動作：センサーが継続的に位置フィードバックを提供するため、モーターコントローラーは適切な電流量を適用でき、効率的なトルク生成を実現します。

センサー付きBLDCモーターの欠点

  • 複雑さとコストの増加：ホール効果センサーを追加すると、モーターの複雑さと全体的なコストが増加します。また、配線と接続箇所も増加します。
  • センサー故障の可能性：ホールセンサーは、振動、高温、電気的干渉による損傷を受けやすく、モーターの性能に影響を与える可能性があります。
  • 高速アプリケーションでの使用制限：ホールセンサーの精度は、非常に高速になると低下する傾向があるため、高速モーターアプリケーションには適さない場合があります。

センサー付きBLDCモーターの用途

  • 電気自動車（EV）：EVでは、特に低速域で安定したトルクと高精度な制御を実現するために、センサー付きモーターが使用されています。
  • ロボット工学：ロボット工学では動作精度が極めて重要であり、センサー付きBLDCモーターが最適な選択肢となっています。
  • CNCマシン：CNCなどの精密機器では、速度とトルクを正確に制御する能力が不可欠であり、センサー付きモーターはこれらの要件に最適です。

センサレスBLDCモーター

センサレスBLDCモーターは、ローターの位置を検出するための物理的なセンサーを備えていません。代わりに、逆起電力（ローターが磁場内を移動する際にモーター巻線に発生する電圧）の測定に依存しています。モーターコントローラは、この逆起電力を用いて整流を制御し、ローターの位置を特定します。

センサレスブラシレスDCモーターコントローラー

センサレスBLDCモーターの仕組み

モーターが回転すると、各コイルはローター速度に比例した逆起電力（逆起電力）を生成します。コントローラは各巻線の逆起電力を監視し、その情報に基づいて巻線を切り替えるタイミングを決定します。この方法はローターが回転している間は正常に機能しますが、非常に低速な場合や起動時には問題が生じます。

センサレスBLDCモーターの利点

  • よりシンプルで低コスト：センサレスモーターは追加のセンサーを必要としないため、モーターのコストと複雑さを軽減します。
  • 信頼性の向上：物理的なセンサーがないため、センサー故障のリスクが低く、高温または高振動環境におけるモーターの信頼性が向上します。
  • 高速アプリケーション：センサレス制御は、ローター速度が高いほど逆起電力信号の読み取りが容易になり、精度が向上するため、高速運転でも優れた性能を発揮します。

センサレスBLDCモーターの欠点

  • 始動の難しさ：センサレスモータは、逆起電力信号がないため、ゼロまたは低速時にローター位置の検出が困難になり、効率が低下したり、始動に失敗する可能性があります。
  • 低速時の性能精度の低下：低速時には逆起電力が最小限に抑えられるため、ローター位置検出の精度が低下し、性能が低下します。
  • 複雑な制御アルゴリズム：センサレス制御アルゴリズムはより複雑で、動作中のローター位置を正確に推定するには高度な技術が必要です。

センサレスBLDCモータの用途

  • ファンとポンプ：センサレスモーターは、高速性と効率性が重要で、始動性能はそれほど重要でないファンやポンプなどの用途に適しています。
  • ドローンと模型飛行機：これらの用途では、低速での精度よりも高速動作と軽量化が重要であり、センサレスモーターは理想的な選択肢となります。
  • 産業用途：ブロワーやコンプレッサーなどの多くの産業システムでは、よりシンプルでコスト効率の高いセンサレスモーターを使用できます。

比較：センサー付きモーターとセンサーレスモーター

以下の表は、センサー付きBLDCモーターとセンサーレスBLDCモーターの詳細な比較を示しています。

特徴 センサー付きBLDCモーター センサーレスBLDCモーター
コスト センサーのため高い センサー不要のため低い
起動信頼性 優れている 難しい
低速性能 スムーズな動作 コギングが発生しやすい
設計の複雑さ 複雑 シンプル
環境適応性 過酷な環境では制限あり 過酷な環境で高い耐久性
エネルギー効率 中程度 高い
用途 ロボット工学、精密機械 ファン、ポンプ、産業用ドライブ

 

センサ付きBLDCモーターとセンサレスBLDCモーターの選択

センサ付きBLDCモーターとセンサレスBLDCモーターのどちらを選択するかは、アプリケーションの特定のニーズを考慮する必要があります。

  • 高精度・低速制御：ロボット、CNC工作機械、電気自動車など、特に低速域での高精度制御が求められるアプリケーションでは、センサー付きBLDCモーターが最適です。センサーからのフィードバックにより、モーターはスムーズに動作し、さまざまな条件下で適切なトルクを提供します。
  • 高速性能とコスト効率：ドローン、模型飛行機、ファンなど、高速動作を伴うアプリケーションでは、センサーレスBLDCモーターが好まれる場合が多くあります。これらのモーターは、構造がシンプルで故障する可能性のある部品が少ないため、信頼性が高くなります。
  • 環境への配慮：モーターがセンサーの損傷につながる可能性のある過酷な環境（高温や振動など）で使用される場合、センサーレスモーターは外部センサーに依存しないため、そのような条件下で故障する可能性のある外部センサーを必要としないため、より堅牢です。
  • 始動・停止動作：電気自動車や特定のロボットなど、頻繁に始動・停止動作を行うアプリケーションでは、負荷がかかった状態でもスムーズに始動できるため、センサー付きBLDCモーターの大きなメリットが得られます。
  • コスト制約：コストが主な懸念事項である場合、追加のセンサーや配線が不要なため、センサレスモーターは一般的に経済的です。そのため、低速域での精密な制御を必要としない高速アプリケーションでは、コスト効率の高い選択肢となります。

BLDCモーター技術の将来動向

技術の進歩に伴い、センサー付きBLDCモーターとセンサーレスBLDCモーターの差は縮まっています。新しいアルゴリズムとマイクロコントローラ技術の進歩により、センサーレスモーターはよりスムーズな起動と優れた低速性能を実現しています。これらの進歩は、従来センサー付きソリューションを必要としていたより多くのアプリケーションにセンサーレス制御が適するようになる可能性を示唆しています。

もう一つのトレンドはセンサーフュージョンの統合です。これは、高度なソフトウェアが他の入力を用いてローター位置を予測することで、センサーレス設計の弱点を補うものです。また、機械学習や適応制御アルゴリズムも開発されており、センサーレス制御の精度をさらに高めています。

結論

センサー付きモーターは、スムーズな低速動作、トルク制御、そして厳しい条件下での信頼性において優れた性能を発揮します。カスタムBLDCモーターは、センサーの配置や種類を最適化したり、巻線構成を調整して正確なトルクと速度特性を実現したりするなど、特定のアプリケーション要件に合わせて設計をカスタマイズすることで、これらの特性をさらに高めることができます。しかし、センサーの使用と追加のカスタマイズプロセスのために、設計はより複雑でコストがかかります。

一方、センサレスモーターはよりシンプルで信頼性が高く、コストも低く、カスタマイズオプションは多くの場合、逆起電力検出の改善やコントローラアルゴリズムの強化に重点を置き、低速時や起動時の課題を軽減します。カスタムセンサレスBLDCモーターは、過酷な環境下でも効率と堅牢性を最大限に高めるように設計できるため、コスト重視のアプリケーションや産業用途に最適です。

これら2種類のモーターのどちらを選ぶか、そしてカスタムBLDCモーターに投資するかどうかは、最終的にはコスト、精度、動作速度、環境条件など、アプリケーションの具体的なニーズによって決まります。この記事で概説した主な違いとカスタマイズの可能性を理解することで、エンジニアや愛好家は適切なモーターの種類と設計を選択し、プロジェクトの独自の要件に合わせて最適なパフォーマンスと効率を確保できます。

次のステップの提案

  • 実世界のアプリケーションを調査：センサー付きモーターとセンサーレスモーターを実世界のシナリオでテストし、その性能の微妙な違いを理解することを検討してください。
  • 高度なコントローラー：センサー付き制御とセンサーレス制御のギャップを埋めることができる高度なコントローラー、特にセンサーフュージョン技術を実装したコントローラーを検討してください。
  • シミュレーションツール：モーターシミュレーションツールを使用して、特定のアプリケーションにおける両方のモーターの性能をモデル化し、比較検討した上で、モーターを選定してください。