ブラシ付きモーターとブラシレスモーター: 主な違い、効率、および選択方法

2 kW の電動バイクや小型移動ロボットの駆動仕様を最終決定していると想像してください。ブラシ付き DC モーターの価格は 40 ドルです。ブラシレスモーターとその電子コントローラーの価格は 95 ドルになる場合があります。初期価格だけ見るとブラシ付きモーターが良さそうです。しかし、メンテナンス間隔、熱損失、1,000 ～ 3,000 時間のブラシ寿命を考慮すると、総所有コストの方向性が変わります。ほとんどの電動モビリティおよびオートメーション プラットフォームでは、ブラシレス モーターが実用的な選択肢となります。

ブラシ付きモーターとブラシレスモーターはどちらも電気エネルギーを回転に変換しますが、変換方法は同じではありません。選択はどれが良いかということではありません。それはあなたが何を取引したいかということです。

ブラシ付きモーターとブラシレスモーターを実際に分けるものは何ですか?

ブラシ付きモーターでは、カーボン ブラシが機械式整流子の上に乗り、ローターが回転するときに電流を物理的に切り替えます。この接触により、摩擦、アーク放電、および電気ノイズが発生します。ブラシレス モーターでは、ローター上で永久磁石が回転し、ステーター コイルが電子的に切り替えられます。物理的な電流切り替え接点がないため、モーターはより低温で静かに動作します。

この違いにより、システム アーキテクチャも変わります。ブラシ付きモーターは単純な PWM コントローラーで駆動できますが、ブラシレス モーターにはローターの位置を認識して相電流をシーケンスする電子コントローラーが必要です。コントローラーは、滑らかさ、トルク、保護を決定するコンポーネントとなります。

ブラシ付き整流により、モーターの速度範囲が制限されます。機械的な切り替えはブラシの位置に依存し、高速回転ではブラシの接触が跳ね返り、アーク放電や急速な摩耗を引き起こす可能性があります。ブラシレス モーターは、この機械的タイミングをローター位置センサーまたはセンサーレス逆起電力から計算される電子整流に置き換えます。これにより、より広い速度範囲とよりスムーズなトルク制御が可能になります。

効率と熱: 動作上の最大の違い

効率は、測定可能な方法で 2 つのモーター タイプが異なる最初の場所です。一般的なブラシ付きモーターは、電気エネルギーの 75 ～ 85% をシャフト動力に変換します。ブラシレス システムは通常 85 ～ 95% に達します。失われたエネルギーは熱になります。ブラシ付きモーターでは、ブラシと整流子の境界面で熱が発生し、ローターとハウジングの温度が上昇することがよくあります。

限られたバッテリーパックを搭載した車両の場合、効率における 10 パーセントポイントの違いは、単なるスペックシートの数値ではありません。航続距離を延ばしたり、ラジエーターのサイズを小さくしたりできます。また、より低温の動作エンベロープにより、ディレーティングなしでより高い連続パワーを発揮することができます。

電気自動車用高効率ブラシレスDCモーターコントローラー このコントローラーはスイッチング損失を低減し、モーターが最適なトルク速度領域付近で動作するのを助け、走行距離を延長し、電動バイクやロボットシャーシの冷却要件を軽減します。 製品を見る→

ここでは、適切なコントローラーを選択することが重要です。高効率のブラシレス コントローラーはスイッチング損失を低減し、モーターが最適なトルク速度領域付近で動作するのを助けます。

熱挙動もピーク出力に影響します。ブラシ付きモーターは、多くの場合、熱を管理するために大きなフレームや外部ファンを必要としますが、ブラシレス モーターは、より小さなパッケージで同じ連続トルクを提供できます。電動バイクの場合、この違いにより全体の重量が軽減され、ハンドリングが向上します。ロボットのシャーシの場合、バッテリーとペイロードのためにより多くのスペースが確保されます。

耐用年数、メンテナンス、総所有コスト

ブラシの寿命は難しいトレードオフです。ブラシは整流子を物理的にこするため、磨耗します。一般的な産業用途では、ブラシ付きモーターは 1,000 ～ 3,000 時間耐久できるため、ブラシを交換したり整流子の表面を再研磨したりする必要があります。ブラシレス モーターの使用時間は通常 10,000 ～ 30,000 時間以上に達しますが、実際の限界は電気部品ではなくベアリングによって設定されることがよくあります。

これにより、メンテナンスの予算の立て方が変わります。

• ブラシ付きモーターでは、定期的なブラシ交換、予備部品、および作業時間が必要です。
• ブラシレスモーターは最も一般的な摩耗要素を取り除くため、サービス間隔を延長できます。
• 無人または遠隔の機器では、メンテナンスの必要性が軽減されるため、予期しないダウンタイムが発生する可能性が低くなります。

5 年間の所有コストを比較すると、多くの場合、ブラシレス システムの方が高い購入価格を回収できます。投資回収額は、デューティ サイクル、周囲温度、サービス訪問の費用によって異なります。

もう 1 つのコスト要因は、スペアパーツの物流です。ロボットや車両のフリートを運用している場合、ブラシ付きモーターごとに交換用のブラシ、スプリング、工具の在庫を維持することは、フリートの規模に応じてオーバーヘッドとなります。ブラシレス モーターには摩耗項目がはるかに少なく、電子コントローラーが障害を記録できるため、診断が迅速化されます。

コントローラーのマッチングがブラシレスのパフォーマンスを決定する理由

ブラシレスモーターの性能はコントローラーによって決まります。コントローラーは、スムーズな電子整流、電流検出、過電流保護、熱保護、そして多くの場合回生パスを提供する必要があります。コントローラーがモーターの相抵抗、インダクタンス、逆起電力定数と一致していない場合、システムが高温になり、騒音が発生したり、低速でトルクが低下したりする可能性があります。

ここで、サプライヤーのアプリケーション サポートが重要になります。コントローラーをモーターに適合させることは、プラグアンドプレイの推測ではなく、実際的なエンジニアリング作業です。

ドライブシステム向けのコントローラーとモーターのペアリングソリューション このペアリング スキームは、コントローラーとモーターを適合させるための技術サポートと組み込みソフトウェアを提供し、さまざまな電気プラットフォーム全体で加速、失速動作、効率を向上させます。 製品を見る→

最新のコントローラーには、加速、失速動作、効率に影響を与えるソフトウェアが組み込まれています。多くの場合、ファームウェアはハードウェアよりも多くの作業を行います。より広範な傾向がわかります。 最新のモーターコントローラーのソフトウェア 、コントローラーは単なるスイッチではなく、プログラム可能なエネルギー管理デバイスになりつつあります。

探す必要がある主なコントローラー機能は次のとおりです。

1. 高速応答時間の相電流制限。
2. 過電圧および不足電圧保護。
3. MOSFETとモーター巻線の温度監視。
4. スムーズな開始および停止プロファイル。
5. 整流角をモーターの逆起電力に一致させる機能。

各モータータイプが意味をなす場所

ブラシ付きモーターは、低コスト、低電力、または短時間使用のアプリケーションで依然として役立ちます。断続的に使用する電動工具、小型アクチュエーター、単純な玩具では、ブラシの長い寿命は必要ありません。このような場合、ブラシ付きモーターは有効な技術的決定です。

電動バイク、ATV、UTV、ボート船外機、ロボットシャーシでは、要件が異なります。これらのプラットフォームには、高いトルク密度、静かな動作、熱ヘッドルーム、および長い耐用年数が必要です。このため、これらのセグメントのほとんどのメーカーはブラシレス トポロジを選択します。

小型推進システム用電動ハブモーター このブラシレス ハブ モーターはホイールに直接組み込まれており、電動バイク、ATV、ロボット プラットフォームに高いトルク密度と静かな動作を提供します。 製品を見る→

ハブ モーターでは、ブラシレス構造により、ブラシ付き同等品のようなスペースやノイズの犠牲を払うことなく、モーターをホイールに直接組み込むことができます。その結果、機敏な小型車両やロボット プラットフォーム向けの、よりクリーンでコンパクトな推進パッケージが実現します。

低速電動スクーターでは、デューティ サイクルが短く、ユーザーが近くにいるため、ブラシ付きモーターが依然として一般的です。毎日坂道で使用される電動バイクでは、ブラシ付きモーターからの熱の蓄積が実際の制限となる可能性があります。ブラシレス モーターは、適切なコントローラーと組み合わせることで、トルクをより長く保持し、ブレーキ時にエネルギーを回収します。これらは実際的な違いであり、航続距離、バッテリー寿命、ライダーの信頼性に現れます。

最終的な推奨事項

デューティサイクルが短く、速度が低く、電力要件が小さく、購入価格が主な制約となる場合は、ブラシ付きモーターを選択してください。高いサイクル寿命、低騒音、厳格な温度制御、またはより長いメンテナンス間隔が必要な場合は、ブラシレス モーターを選択してください。電動モビリティとオートメーションにおいて、ブラシレス パスは一貫してより優れたシステム価値を提供します。

モーターを検討する前に、文書化された効率曲線、適合するコントローラーの推奨事項、および失速または高温条件下でユニットがどのように動作するかについての明確な回答をサプライヤーに求めてください。ブラシ付きモーターとブラシレスモーターの違いは、トレーニングマニュアルの図だけではありません。それは、安価に購入できるドライブと、安価に所有できるドライブの違いです。

侵入保護とコネクタの種類にも注意してください。ブラシレス モーターのコントローラーは、湿気や振動を遮断できる場所に取り付ける必要があります。サプライヤーは、コントローラーのケーブル長、IP 定格、および最大周囲温度を提供する必要があります。これらの詳細は、現実世界の多くの設置におけるブラシ付きかブラシレスかの議論よりも重要です。