【電気工学】DCモーター まとめ

※ステッピングモーターもDCモーターに含まれますが、ここでは扱わず、他の記事にて解説する予定です。

はじめに

主にこちらのサイトを参考にさせていただいております。

分類

• 直流整流子電動機（ブラシ付きDCモータ）
  • 永久磁石界磁ブラシモータ
    • 鉄心電動機：玩具などに使われる。
    • 無鉄心電動機（コアレスモータ）：携帯電話の振動モータなどに使われる。
  • 電磁石界磁ブラシモータ
    • 直巻整流子電動機：電気鉄道に使われる。
    • 分巻整流子電動機：ディーゼル機関車やエレベータに使われる。
    • 複巻整流子電動機：主に界磁チョッパ制御との組み合わせで電気鉄道に使われる。
• 無整流子電動機：（ブラシレスDCモータ）
  • インナーローター型(埋込磁石型：IPM)：電動RCカーの走行用モーターに使われる。
  • アウターローター型(表面磁石型：SPM)：コンピュータのFDDや冷却ファンなどに使われる。

ブラシ付きDCモーターとブラシレスDCモーターの違い


出典：https://kikai-maschine.com/2022/08/20/syncronous-motor-ev/

モーターに流す電流の調整を、『ブラシという構造を用いて行う』か、『外部の制御回路で行うか』の違いがあります。

ブラシ付きは、ブラシと整流子によって角度ごとに垂れ流しの電流を受け取っており、

ブラシレスは、センサーによって角度を検出し、適切に制御された電流を受け取っています。

動作や、配置などの違いはこちらの動画を参照されるのが早いと思います。

2:30なのでサクッと見ることができます。

ブラシ付きDCモーター

動作原理と制御方法

以下の図でピンとくる方は飛ばしていただいても結構だと思います。

DCブラシ付きモータの概略構造図と概略制御図
出典：https://www.ablic.com/jp/semicon/applications/bldc-motor/various-motor-features/

ブラシモーターの原理や制御方法などの基礎を確認したい方はこちらの動画を参照されることをお勧めします。

動画の最中に、PWMや、Hブリッジについて言及があると思いますが、こちらのサイトで知識は補強できます。

また、それらを組み合わせたホールICは以下のサイトで説明があります。

以下では、ブラシ付きDCモータの詳細について、

ブラシ付きDCモータ > 永久磁石界磁DCモータ

永久磁石界磁型 DCモータ（permanent-magnet DC motor）は、永久磁石を用いるモータで、 模型用モータや自動車補機用モータなど世界で一番多く使われているモータです。

永久磁石界磁型DCモータは、電機子（ロータ）の形式によって、次の3種類に分類されます。

• スロット型（slotted type）
• スロットレス型（slotless type）
• コアレス型（coreless type）(別称：ムービングコイル型（moving-coil type）)



ブラシ付きDCモータ > 電磁石界磁DCモータ

永久磁石の高性能化が進んだため、現在では中・小形モータの主流は永久磁石式に移ってしまいました。しかしながら、永久磁石式では設計・製作が難しい工業用大形直流モータに関しては、まだほとんどが巻線界磁式となっていますので、その原理、基本構造を理解しておくことは無駄にはならないと思います。実際に、大形DCモータでは、より強い界磁磁束を発生する必要があるため、コイル（電磁石）を使います。そして、コイルに流れる電流を調整することで、発生する磁束量の調整を行なったり、抵抗器で電圧を変化させたりして回転速度やトルクを制御しています。

ちなみに、日産の次世代EV・アリアに電磁石界磁型の同期モーターが採用されることになっています。

ZOE(一世代前のEV)のローターのコイル（電磁石）は4極ですが、アリアでは倍の8極に増えました。これにより電気角も2倍になり、電圧をより有効に使えるようになっています。界磁用コイルには直流の電流をブラシで給電するために、あまり大きな電流は流せませんので、コイルの巻き数で（磁力を）稼ぐかたちです。一般に巻き数を増やすとインダクタンス（コイルに電流が流れ始めるときに抵抗として働く力）が大きくなりますが、ここは制御を工夫することで応答性への影響をうまく回避しています。また、8極化すると巻線工程が難しくなりますが、リーフで培ってきた高い生産技術を生かして実現させているのでしょう。

電磁石界磁式同期モーターは運転条件に応じて能動的に界磁の状態を制御できることが最大の特徴で、ローターに強力な永久磁石を内蔵する永久磁石式のような、高回転で増大する逆起電力により見かけ上の電圧が低下するという問題が起きにくいです。バッテリーの高電圧化という充電インフラまで巻き込む大掛かりな変更なしに、高回転のパフォーマンスと効率が確保できることもメリットの一つでしょう。

永久磁石式の場合、界磁に永久磁石を使うことから、その磁束は一定です。従って、モーターの回転数が上がるほどローター側の磁束によって生じる逆起電力は大きくなります。ローターがある回転数になると、その逆起電力はモーターの印加電圧に達し、ステーターの巻き線にはそれ以上電流を流せなくなってしまいます。そこで、ある回転数以上においては、ステーターの巻き線に電流を流し、永久磁石の磁界とは反対向きの磁界を発生させます。「弱め界磁制御」と呼ばれるもので、これが効率を悪化させます。一方、EESMでは、界磁にローターの巻き線を使っていることから、同巻き線に流す電流を増減させることでローター側の磁束を加減でき、高速側の効率を高めやすくなります。

これらのことから、電磁石界磁DCモーターは広い駆動範囲で高効率が要求される駆動用モータとして着目されています。永久磁石モータ（PMSM）と比較して低トルク域で高効率が期待できますが、損失増による冷却対策、界磁側も含めた制御など特有の設計課題があります。



補足

大形のDCモータでは、電機子コイルの数を増やして始動トルクを増し、電機子鉄心の形状を円柱に近づけて回転ムラを抑えます。ただし、小形モータのように回転子の突起にコイルを巻きつける方法では、コイルの数を増やせません。そこで、下図のように円柱の電機子鉄心に溝（スロット）を設け、そこにコイルを埋め込んで、回転するコイル（電機子コイル）を作ります。
スロットに埋め込むコイルは、あらかじめ型取りをして巻いておきます。これを型巻コイルと呼びます。型巻コイルは、整流子を通して相互に接続し、電機子コイルを構成します。

上記の、界磁巻線と電機子巻線との結線方式の違いにより、さらに次の3形式に分類されます

• 直巻整流子モータ
• 分巻整流子モータ
• 複巻整流子モータ

直巻整流子モータ

直巻モータ（series motor）では、界磁巻線と電機子巻線を直列に接続します。
回転速度が、負荷の変化によって大きく変化するのが特徴です。起動時または低速時では大きなトルクを発生し、負荷が低下すると高速になります。
このような特性を、一般的に直巻特性といいます。この特性を活かして、クレーン、電車およびエレベーターなどの特定用途に供せられていました。
現在では、誘導モータや同期モータをインバータで可変速制御する方法に置き換えられています。

出力特性は、電機子電流と界磁電流とが同じであるため、磁気回路が飽和するまで（磁束密度が頭打ちになるまで）電機子電流の2乗に比例したトルクを発生します。回転数の上昇に伴い逆起電力が発生して電流が減少し、界磁も弱くなるため、トルクが減少し（トルクが回転速度の2乗に反比例する）かつ、電機子電流に反比例するかたちで回転数が増していくのです。このため広範囲な回転速度範囲をカバーする特性（直巻特性）となり電気鉄道において重用されてきました。しかしこの特性の裏返しとして、無負荷運転の場合、危険な速度（無拘束速度）まで回転数が上昇し、過大遠心力による電動機そのものの破壊に至るため、常に何らかの負荷を付けることが必要になります。

利点

• 同一定格の直流電動機の中では、分巻電動機や複巻電動機と比べて始動トルクが大きい。
• 無制御で広範な速度範囲に適応できる広い「特性領域」があるため、前項の利点と併せ電気鉄道に適する。
  （ただし、分巻電動機を制御して回生制動を含めシームレスに制御する方式もある）
  欠点
• 無負荷運転を行うと過回転により電動機の破壊に至る場合があるため、無負荷運転になる可能性のある用途には選定しないことや、速度超過時に通電を遮断する安全回路を設置するなどの注意が必要である。
• 負荷変動により速度が大きく変化する特性から、指定の速度で回転することを要求される用途には向かない。

界磁巻線と電機子巻線の結線を切り換えることで、分巻モータにも直巻モータにも出来るでしょうか？

結論を言うと、実用的に無理があります。分巻モータでは界磁巻線として細い電線を多数回巻きます（抵抗値大）が、直巻モータの界磁巻線は太い電線を少数回巻く（抵抗値小）からです。
直巻モータの界磁巻線と電機子巻線を分巻結線すると、界磁電流が流れ過ぎて界磁巻線が焼損してしまいます。また、分巻モータの界磁巻線と電機子巻線を直巻結線すると界磁電流（＝電機子電流）が流れにくくなるために性能を発揮できません。

分巻モータ

分巻モータ（shunt motor）は、集中巻ステータと整流子ロータで構成され、 界磁（ステータ）巻線と電機子（ロータ）巻線を並列に接続します。
負荷（モータシャフトに掛かる荷重）が変動しても、回転速度が大きくは変わらない特徴があります。このような特性を、一般的に分巻特性といいます。
特徴
直巻整流子電動機や複巻整流子電動機と同じく、界磁巻線と電機子巻線に流れる電気が1つの電源から供給されるもので、用途は多岐にわたる。回転速度（回転数）の制御は、界磁巻線に流れる電流を加減する界磁制御で行う。
特性としては

• 回転数によるトルクの変化が小さい。
• 整流特性がやや悪い。
• 界磁制御による回転数の制御範囲が狭い

他励モータ

他励モータ（separate-field motor）は、界磁巻線と電機子巻線を別の電源に接続します。両巻線の電流を個別に制御することによって、広い範囲の速度制御ができます。

分類
電気回路による分類

• 外分巻 - 電機子と同じ大きさの電流が直巻巻線に流れるもの。直巻電動機に分巻巻線を並列に追加した形。
• 内分巻 - 電機子と分巻巻線とを足し合わせた電流が直巻巻線に流れるもの。分巻電動機に直巻巻線を直列に追加した形。
  磁気回路による分類
• 和動複巻 - 直巻巻線と分巻巻線との磁束が足し合わされるようにはたらくもの。分巻と直巻の中間の性質となる。
• 差動複巻 - 直巻巻線と分巻巻線との磁束が打ち消し合うようにはたらくもの。始動トルクが小さいためあまり用いられない。
  特徴
• 直巻界磁巻線と分巻界磁巻線を持つ。
• 和動複巻の場合、直巻電動機と分巻電動機の両者の中間の特性を持つ。
• あらゆる制御方式でも回生ブレーキの使用を可能とする。
• 構造が複雑で、重量も増加する傾向にある。

他励モータ（separate-field motor）は、界磁巻線と電機子巻線を別の電源に接続します。
両巻線の電流を個別に制御することによって、広い範囲の速度制御ができます。

##　電磁石界磁型DCモータ3種の性能まとめ



直巻と分巻の違い

直巻と分巻の違いがわからなければこちらの動画を見てください

ブラシレスDCモーター

ブラシレスDCモータとは

ブラシありとブラシレスの違いのところで軽く述べた通り、ブラシレスDCモータは、高効率、長寿命、高トルクを実現したモータです。
低騒音をはじめとした低ノイズ特性、高効率の実現による省電力化により家電製品や産業機器、自動車搭載機器などに幅広く使用されています。
ブラシレスDCモータには大きく分けて2つの構造があります。小型のファンモータなどで多く使われている単相ブラシレスDCモータと、エアコンや電動工具などで多く使われている3相ブラシレスDCモータです。
現在は3相ブラシレスDCモータが主流となっています。


ブラシレスDCモータ概略制御図

位置センサ (ホール素子、ホールIC) の役割

ブラシレスDCモータで使用される位置センサは、大きく分けて2種類があります。
ロータの絶対角度を検出するセンサと、ロータの回転位置を検出するセンサの2種類です。
前者としては、エンコーダやレゾルバといった絶対角センサが使用され、後者はホールセンサとも呼ばれるホール素子やホールICといった回転位置センサが使用されます。
ブラシレスDCモータで使用されるホール素子、ホールICはロータの回転位置を検出するための位置センサとして使用されています。
ブラシレスDCモータはロータの回転位置を検出してステータのコイルに流す電流を切り換えているので、ステータの位置とホール素子、ホールICの位置関係は重要です。
そのため、センサを搭載する基板の作成には様々なノウハウがあります。
ホール素子
ホール素子は受ける磁束密度に応じた電位差を出力します。
回転位置に応じたアナログ電圧が得られるため、MCUやコントローラが任意のしきい値の設定や、電圧に応じたアナログ制御が可能です。
一方でMCUやコントローラはホール素子からのアナログ電圧を受け取る必要があるので、高速なADコンバータやアンプ、コンパレータなどが必要です。一般的に使用されているMCUやコントローラはブラシレスDCモータ制御に専用設計されたものであるため、最適化されたコンパレータ回路を搭載しています。
またホール素子から出力される信号はインピーダンスが高くステータコイルやモータ周辺で発生する電磁ノイズの影響を受けやすいため、誤動作を防止するために充分なノイズ対策をする必要があります。
ホールIC
ホールICはホール素子とアンプなどの信号処理回路を一体化したもので、ブラシレスDCモータで使われる交番検知ホールICやZCLホールICはインピーダンスの低い論理信号を出力します。ノイズの多いモータ環境ではホールICが広く使われています。
MCUやコントローラはホールICのデジタル信号が入力されるため、ADコンバータやアンプ、コンパレータが不要となり、シンプルな機能の低価格のもので構成することが可能となります。

ホール素子やホールICの技術的な内容については以下のサイトをぜひご覧ください。

動作原理と制御方法

こちらをご覧ください。

ちなみに、モーターに印加される電圧は正弦波だけど、
直流モーターと言われる理由もわかります。

駆動方法

駆動方法はこちらでまとめてくださっています。

特徴

1. 永久磁石界磁型 DCモータの界磁用永久磁石（ステータ側）と電機子巻線（ロータ側）を交換して、界磁用永久磁石をロータ側、電機子巻線をステータ側に配置した
2. 整流子の位置変化によるブラシを用いた通電切換の代わりに、ロータ位置信号検出のために ホール素子を用いて、インバータにフィードバックして通電を制御する

インバータからの駆動電圧は交流になるため、このモータを、交流で駆動する永久磁石型同期モータとして AC モータに分類する考えもあります。しかし、本書では独立した一つの分野であるブラシレスDCモータとして扱うことにします。
DCモータと回転原理が類似しているため、回転力（トルク）と速度の関係は、DCモータとほとんど同じになります。
DCモータの優れた制御性をそのままに、DCモータと比べてブラシがないので、電磁ノイズや寿命の点で有利であること、効率が高く省エネに有利であること、設計の自由度が高く機器組み込み設計がしやすいなど、さまざまな特徴があります。そのためこれらの利点を活かした、HDD（ハードディスクドライブ）やCD-ROM ドライブのような情報機器をはじめ、冷蔵庫や洗濯機のような家電製品にまで幅広く使用されるようになりました。

分類

3相ブラシレスDCモータは回転する永久磁石を含んだロータと、ロータを回転させるための磁力をつくりだすコイルを含んだステータによって構成されています。
ステータが外側で固定されていてロータが内側で回転する構造のものをインナーロータ型ブラシレスDCモータ、ステータが内側で固定されていてロータが外側で回転する構造のものをアウターロータ型ブラシレスDCモータと呼びます。


ブラシレスDCモータの概略制御図
インナーロータ型ブラシレスDCモータは、小型のモータを構成することができ、慣性モーメントを小さくすることができるため制御性が高い特徴があります。
一方のアウターロータ型ブラシレスDCモータは、磁石の大きさの自由度が高くコイルの構造が従来のDCブラシ付きモータと似ているため、製造しやすい特徴があります。

ローターがディスクドライブで使用されるディスクローター型も含めてまとめてみました。

• 表面磁石型（SPM：Surface Permanent Magnet）
  • アウターローター：回転子（ローター）の外周部分に永久磁石を取り付ける
  • ステーターの外側にコイルを巻き、それに被さる形状のローターが回転する構造になっています。回転半径が大きくなるため同サイズのインナーローター型モーターよりも高トルクで、薄型化も可能です。振動や騒音が発生しやすく、共振を防ぐために穴加工を施すなどの対策をおこなう場合があります。
• 埋込磁石型（IPM：Interior Permanent Magnet）
  • インナーローター：回転子の内部に永久磁石を埋め込む
  • 小型でも高い出力を持つモーターです。ローターを小さくすることができ、慣性モーメントを抑えられます。これにより応答性と制御性にも優れます。ただし、ローターに高性能な永久磁石が必要なうえに、ステーターの内側に多くのコイルを設置するのは大変なため、コストが高くなりやすいです。
  • IPM型構造の目的は、遠心力によって磁石が剥がれる危険性を減らすこと、またリラクタンストルク（後述のスイッチドリラクタンスモータの項を参照）を積極的に利用することにあります。
  • IPM型では永久磁石の埋め込み方法には様々な構造が可能です。SPMやIPMの磁極位置を検出するため、ホール素子やロータリエンコーダといったセンサを利用するか、あるいは省略（センサレス駆動）するかによって分類する方法もあります。
• ディスクローター型
  • HDDやブルーレイなどのディスクドライブで用いられる構造です。ディスクローター型では、回路基板にコイルやセンサを設置してステーターを構成します。ロータ側に取り付ける永久磁石は薄い板状でシャフトもないため、装置自体の厚みを小さくすることが可能です。安定的な回転速度で、負荷があまりかからない駆動に適しています。

表面磁石型は小容量な製品への利用が一般的です。一方の埋込磁石型は、遠心力による磁石の剥離リスクがなく、自動車・EVなどの大容量・高速回転が求められる製品で主に用いられています。

ブラシレスDCモータがアクチュエータとして実装される際には、モータ本体と駆動用インバータおよびその制御回路等は極めてコンパクトにまとめられます。その実例を図に示します。



表面磁石型（SPM）（左）と埋込磁石型（IPM）（右）の断面構造例
IPM 型は遠心力による磁石の剥がれ防止、リラクタンストルクの積極的な利用を目的に採用される

DCモーターの比較

これらDCモータの特徴をまとめると以下のようになります。
用途により最適なモータは異なります。
例えば、色々な角度で頻度高く停止する必要がある用途であれば、ステッピングモータが適しています。電力効率が求められ連続して回転する用途であれば、BLDCモータが適しています。動かす頻度が低くコスト低減が求められる用途であれば、DCブラシ付きモータが適しています。

学習教材

DCモーターとは

ブラシレスモーター

こちらを眺めていただくのがいいかなと思います。
言葉を平易なものを用いており、すごくわかりやすいです。

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