ブラシレスモーターの利点: 効率、長寿命、正確な速度制御

ブラシレス モーターは、ブラシ付きモーターのより静かな代替品というだけではありません。これらは、電動バイク、ロボットシャーシ、ATV、UTV、船舶用船外機の航続距離、メンテナンス間隔、エンドユーザーエクスペリエンスに直接影響を与える、効率、耐用年数、制御精度の目に見える向上をもたらします。これらのアプリケーションのいずれかに駆動システムを選択する場合、利点はモーターとコントローラーが負荷プロファイルにどれだけ適合するかによって決まります。

ブラシレスモーターの違い

ブラシ付きモーターは、回転するアーマチュアからの電流を転流するために物理的なブラシに依存します。これらのブラシは整流子と擦れ合うため、摩擦が発生し、電気スパークが発生し、時間の経過とともに摩耗が発生します。ブラシレスモーターは機械式整流子を完全に排除します。コントローラーは、ホール センサーまたはセンサーレス逆起電力検出を使用して、ローターの位置に基づいてステーター巻線に流れる電流を切り替えます。

磨耗するブラシがないため、ローターに永久磁石を組み込むことができ、高速化、放熱性の向上、メンテナンスの軽減が可能になります。コントローラーはシステムの頭脳となるため、ブラシレス モーターの利点は常に電子整流の品質と結びついています。

ブラシレスモーターの目に見えるメリット

より高い効率とより低いエネルギー損失

ブラシレス モーターは通常、ほとんどのトラクションおよびロボット工学アプリケーションが動作する動作範囲で 85 ～ 95% の効率に達しますが、ブラシ付きモーターは 70 ～ 85% の範囲に留まることがよくあります。入力電力の大部分が有効なトルクとなるため、バッテリの消耗が遅くなり、システムの発熱が少なくなります。コントローラーは、より少ない熱ストレスに対処する必要があるため、ディレーティングや故障のリスクが低くなります。電動バイクの場合、その余分な効率は航続距離の数キロメートル増加につながります。ロボットのシャーシの場合、密閉された筐体内の冷却要件が軽減されます。

耐用年数が長くなり、メンテナンスが少なくなります

ブラシがないため、主な摩耗成分が除去されます。ブラシ付きモーターは定期的にブラシを交換する必要がありますが、粉塵の多い環境で動作する ATV や耐候性のために密閉されたハブ モーターでは現実的ではない場合があります。ブラシレス モーターには磨耗するベアリングがまだありますが、適切に指定されたシステムでは、ローターとステーターは修理なしで何千時間も使用できます。現場での故障は、モーターそのものよりもコントローラーが原因で発生することが多いため、モーターの選択と同じくらい、有能なコントローラーの選択が重要です。

より静かな動作とより優れた熱挙動

滑り接触がないため、ブラシのチャタリングがなく、電子整流によって電流が整形され、電磁ノイズが最小限に抑えられます。これが、ブラシレス ドライブが医療機器、ほぼ無音の電動スクーター ハブ、および人の隣で走行するロボットに好まれる理由です。高出力アプリケーションでは、ブラシの摩擦が存在しないということは、熱の大部分がステーターで発生し、モーターのハウジングを通じてより効果的に冷却できることを意味します。正弦波整流を備えたコントローラーはトルクリップルを低減し、振動と音響ノイズをさらに低減します。

コンパクトなパッケージでより高い電力密度を実現

永久磁石ブラシレス モーターは、同等のブラシ付きモーターよりも 1 キログラムあたりのトルクが高くなります。これは、重量と質量の分布がハンドリングと応答に影響を与えるホイールハブモーター、ミッドドライブ電動自転車モーター、ロボットジョイントにおいて重要です。コンパクトなモーターを使用すると、設計者は鉄や銅にスペースを費やす代わりに、バッテリー、冷却、またはペイロードを追加できます。その結果、パフォーマンスを犠牲にすることなく、より小さなエンベロープに適合するドライブトレインが実現しました。

正確な速度とトルク制御

電子整流により、コントローラは各巻線相への電流をほぼ瞬時に調整できます。フィールド指向制御と正弦波駆動技術により、停止から高速までスムーズなトルクが可能になり、閉ループ速度制御により目に見えるリップルなしで設定値が維持されます。自律移動ロボットや屋外サービス ロボットでは、その精度により、より優れた経路追跡とペイロードの穏やかな取り扱いが可能になります。電動 ATV では、制御された低速クロールと不整地でのスムーズな加速を実現します。

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それらのメリットが最も重要な場所

すべてのアプリケーションがこれらすべての利点を必要とするわけではありません。正しい決定は、デューティ サイクル、環境、振動レベルによって異なります。

• 電動バイクと電動スクーター: 効率とコンパクトな電力密度が航続距離とパッケージングを決定します。
• ロボットのシャーシと AMR: 安全性と人間の受け入れのためには、正確な速度制御と静かな動作が重要です。
• ATV および UTV: ほこりの多い過酷な条件におけるトルク密度と信頼性が重要です。
• 電動船外機：耐食性、低騒音、高始動トルクでボートハンドリングをサポート。
• 小型電気自動車用のミッドドライブモーターとハブモーター: 各トポロジーにより、ギア減速、重量配分、メンテナンスのバランスが変わります。

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コントローラーが重要な役割を果たす理由

ブラシレス モーターの性能は、それを駆動するコントローラーによって決まります。コントローラーの適合性が低いと、起動トルクの低下、過熱、コギング、または過電流エラーが発生する可能性があります。コントローラは整流、電流調整、故障検出、および場合によってはフィールド指向制御を処理するため、2 つのモータ システム間の性能の違いは、モータではなくコントローラに起因することがよくあります。

特定の車両の場合、マッチング プロセスでは、電圧範囲、相電流容量、ホール センサーのタイプ、および通信インターフェイスを考慮する必要があります。あ コントローラーとモーターのマッチングガイド これは、ピークトルクに合わせてモーターのサイズを設定しながら、その効率範囲を下回ってモーターを駆動するというよくある間違いを回避するのに役立ちます。

ブラシレスモーターシステムを選択する際に注意すべき点

カタログの最大値ではなく、実際の動作範囲に基づいてシステムを選択します。ピーク トルクの数値は多くの場合印象的ですが、モーターの出力が低下する前の数秒間しか得られない場合があります。動作温度での連続トルク曲線が決定の根拠となる数値です。

• 動作温度での連続トルクと速度: ピークトルクだけでなく、モーターの連続トルク曲線を確認してください。
• コントローラーの電流制限と電圧範囲: コントローラーが熱制限に達することなくモーターの定格相電流を供給できることを確認します。
• 整流インターフェース: ホールセンサーまたはセンサーレス操作;センサーレスは配線を節約できますが、非常に低速では困難になる可能性があります。
• 保護機能: 過電流、過電圧、過熱、失速検出、および塵や水への暴露に対する IP 定格。
• 熱設計: 密閉された設置環境でモーターとコントローラーから熱がどのように除去されるかを評価します。
• ソフトウェアのサポートと調整機能: フィールド指向の制御プロファイル、加速制限、回生ブレーキ動作。

コントローラーの PWM 周波数が低すぎる場合、または電流ループが調整されていない場合は、高効率モーターを使用していても、可聴ノイズや発熱が発生する可能性があります。ほぼ無音の動作が必要なアプリケーションの場合、低ノイズの整流プロファイルで設計されたコントローラーが、高級感のある製品とブーンという音のような製品の違いとなる可能性があります。

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結論

ブラシレス モーターの真の価値は、より優れた効率、より長い寿命、より静かな動作、正確な制御など、完全な駆動システムに現れます。電動バイク、ロボット、ATV、UTV、または船舶用船外機を製造する OEM にとって重要なのは、同じ連続負荷プロファイル用に指定されたコントローラーとモーターをペアにすることです。ここで、実際的な利点が信頼性と顧客満足度に変わります。