ブラシ付き・ブラシレスを問わず、DCモータは「起動トルクが大きい」「高速回転が可能」といった特徴があり、さまざまな用途で利用されています。なかでもブラシレスDCモータは、ブラシ付きと比べて長寿命でメンテナンスの手間がかからず、静音性が高いモータです。
ブラシレスDCモータは、どのような分野で活用されているのでしょうか。ここでは、分野ごとの用途例を紹介します。
ブラシレスDCモータの特徴とメリット
まずは、DCモータとはどのようなモータなのか簡単にご紹介します。DCモータは直流電源を使用するモータです。「高速回転が可能」「起動トルクが大きい」などの特徴があり、電圧に応じて回転数やトルクの制御もできます。
DCモータは、ブラシという電極の有無によって「ブラシ付きDCモータ」と「ブラシレスDCモータ」の2種類に分類されます。ブラシ付きDCモータはブラシと整流子を備えていますが、これらは消耗品のため「寿命が短い」というデメリットがありました。一方ブラシレスDCモータは、その名のとおりブラシがありません。モータ内部の磁気センサで検出した信号をもとに、駆動回路のトランジスタをオンまたはオフにすることでモータを回転させます。
つまりブラシレスDCモータは、消耗品であるブラシを使わずに電子的に電流の向きを切り替えることで、「高いメンテナンス性」「長寿命」という特徴を実現しています。さらに、ブラシ付きモータと比較して静音性が高いことが魅力です。
モータ音が小さくて静かなため、家庭用の電子機器などで静音性を向上させたものが多く展開されるようになりました。
一般家電分野や業務用電化製品分野における用途
生活している中でブラシレスDCモータを直接見る機会は少ないですが、私たちが普段から使っている家電製品の中にも多く採用されています。例えばエアコンや冷蔵庫。冷気や暖気を排出するためにファンが装着されていますが、そのファンを動かすためにブラシレスDCモータが採用されています。
同様に扇風機でも採用されるケースが増えています。扇風機の羽の回転は非常に早く、モータ音がしやすいことから、ブラシレスDCモータを採用して静音性が高く細かな風力調整ができるモデル展開もあります。
その他にも業務用電化製品に用いられるケースもあります。例えば、レーザービームプリンタの紙送り機能。ドローンではプロペラやジンバル制御。工具ではドライバーやのこぎりなどの回転。このようにブラシレスDCモータは非常に汎用性が高いモータなのです。
ブラシレスDCモータの導入事例
決め手はモータの変更だけではなかった。残された課題をクリアし機器をさらに小型化
厨房機器
提案を受け、暗礁に乗り上げた新製品開発が始動。開発費の抑制と製品の省エネ化を実現
冷凍冷蔵ショーケース
精密機器分野における用途
ブラシレスDCモータは、精密機器分野でも多く採用されています。メジャーなものとしては、パソコンやDVDなどに用いられるHDDやPCのドライブ、ブルーレイレコーダーなど。これらの要となる機能としてディスクの回転があります。ディスクを回転させるためのスピンドル部分に、ブラシレスDCモータが使われているのです。
日常的に使用されるものの多くは長寿命性が求められています。寿命が長くメンテナンス頻度が少ないブラシレスDCモータは精密機器分野で欠かすことのできない存在です。
車載分野における用途
ご紹介したようにブラシレスDCモータが採用されるケースは近年増えていますが、最も大きく採用を伸ばしているのが車載分野です。自動車を動かすためには、さまざまな電子機器が必要となります。主な用途例は次の通りです。
電動パワーステアリング用モータ
電動オイル分布用モータ
ヘッドライト光軸駆動用モータ
電動パーキングブレーキ用モータ
電動アクティブスタビライザー用モータ
ハッチ自動開閉用モータ
ドアロック用モータ
ドア開閉用モータ
シート冷却用ファンモータ
自動車には、運転手や同乗者はもちろん、歩行者や他の自動車などを危険にさらしてしまうリスクがあります。そういったリスクをできるだけ抑えるために、長寿命でメンテナンス頻度の少ないブラシレスDCモータが採用されるシーンが多くなっています。また、ブラシレスDCモータの高い静音性は、運転環境をより快適なものにします。
ブラシレスDCモータの特徴を活かした用途分野を把握しよう
ブラシレスDCモータは、ブラシを使用しないことから「長寿命」「メンテナンス性が高い」「静音性が高い」といったメリットがあります。この特徴を活かして、私たちの生活のさまざまな分野で利用されています。
家電などで日常的に使用される電子機器から業務用電化製品まで。その応用は多岐にわたります。そして最近では、快適性と安全性が求められる車載分野にも応用されるようになっています。自分たちの周囲でブラシレスDCモータがどのように活用されているのか、あらためて確認してみてはいかがでしょうか。
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GEの計画は高性能な3Dプリンターが多数必要になる。従来の機械加工品に代わる製品を3Dプリンターで作り出すためには、従来品よりも、コスト、リードタイム、性能、耐久性等すべてにおいて優れている必要がある。
そのため燃料ノズルを3Dプリンターで製造するためには金属粉末をレーザーで加熱し噴霧するといった作業を約3000回繰り返して積層していくという作業が必要になる。
このためには3Dプリンター自体にも精密で正確な精度が必要になる。この生産体制に切り替えた場合は従来の製造工程によって作られた燃料ノズルよりもはるかに計量で、耐久性に優れ、製造に関する人的資源と時間、コストの節約になると考えられている。
人的資源、時間、コストの節約は削減された分を異なる分野に振り向けることができる。
新しく従来品よりも機能性に優れたパーツの研究開発などに振り向けることができる。そうすることで、従来のパーツでは達成できなかったデザインを可能にし、より機能性を高めた製品が作られることになる。
実際にGEが見積もっている機能性の向上は、耐久性の面において、従来の製造方法よりも5年間長持ちし、軽量化を果たすことが可能だとしている。
計画として2016年までに3Dプリントによる生産ラインを稼働させることにあるが、当初はボーイング747とエアバスA320neoの燃料ノズルの製造から開始するとのことだ。
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Q：ACモーターとDCモーターは、どう違いますか？
A：ACモーターとDCモーターは、駆動用の電源が異なります。また、回転原理も異なります。
ACは交流のことで、商用電源（家庭用の100V）や工場用の高圧電源により動作します。
DCは直流のことで、バッテリーなどにより動作します。
DCモーターは、交流電源を直流に変換することでも使用可能です。
また、現在はインバータの使用により、バッテリーでACモーターを駆動させることも可能になっています。
Q：サーボ・モーターと一般モーターの違いは？
A：サーボ・モーターは、一般のモーターと比べて、制御の点で違いがあります。
サーボは「追従」の意味で、サーボ・モーターは、回転数（＝速度）の制御、停止位置（＝角度）の制御をするためのモーターです。
回転数や回転位置を検出するためのセンサーを内蔵しているものが多く、一般的には、制御基板と組み合わせて使用されます。
Q：モーターの選定には、どのような諸元が必要ですか？
A：色々な仕様値が必要になりますが、最低限度として、電源の電圧値と回転数、所要トルク（または所要出力）の3つが必要でしょう。
他に、使用時間（動作・休止）、周囲温度、周囲環境などもわかれば、選定に有利となります。
Q：トルクとは、何ですか？
A：トルクとは、回転軸の芯を中心とした回転力のことです。一般的には、回転の中心から一定距離の作用点に発生する力により測定します。
例えば、中心から1[cm]離れた作用点で、1[kgf]の力を発生させるモーターは、1[kgf･cm]のトルクを発生させるモーターということになります。
Q：モーターの出力は、どのように求めますか？
A：出力は、トルクと回転数の積です。単位により係数が異なりますが、例えば、トルクが5[kgf･cm]で、回転数が1,000[rpm]の状態での出力は、5×1,000×0.01027(係数)＝51[W]と求められます。
Q：時間定格とは、何ですか？
A：モーターを連続して使用できる時間です。各モーターで、それぞれ時間定格が決まっています（特にDCモーター）。
温度上昇値によって定められている場合が多いので、15分定格のモーターを使用する場合、15分使用後、温度が使用前の水準に戻ってから、再度、15分使用できることになります。
温度が下がる前に使用すれば、焼損してしまう可能性もあります。使用条件については、ご購入前にご相談ください。
Q：モーターの絶縁は、ACモーターと違いますか？
A：一般のDCモーターは、回転子への電力供給用のブラシを内蔵しています。
このブラシは、使用に応じて磨耗していきます。磨耗粉が内部に堆積することにより、絶縁は劣化していきます。
定期的なメンテナンスの実施により、絶縁レベルは安全に保持されますが、メンテナンスなしの場合、絶縁劣化に注意する必要があります。
Q：モーターの寿命は、どの程度でしょうか？
A：DCモーターの場合、前項記述のとおりブラシの磨耗による使用限界があります。
機種により寿命は異なりますので、ご検討の際はお問い合わせください。
ACモーターは、周囲環境に特異性がなければ、軸受の寿命に近似します。
Q：モーターに、有害物質は使用されていますか？
A：鉛（配線部分）、6価クロム（ボルト、軸受部分の鍍金）、キシレン（塗装部分）などが使用されていますが、有害物質を含まない代替部品への変更を進めています。
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ロボットシステムを構築する時に誰に頼めばいいのでしょうか？
ロボットメーカーに依頼をしても、直接、ロボットシステムを構築は通常してくれません。
実際にロボットシステムを構築する役割をもっているのが、ロボットシステムインテグレーター（SIer）になります。
ロボットシステムインテグレータとは、ロボットシステム導入の提案から設計、構築等を行う事業者です。対応できるシステムを構築の内容に関してはシステムインテグレーターによってさまざまです。
製造現場で実際に稼働させ成果を挙げるためには、いくつかの注意したい点があります。
①ロボットを導入したい現場に合ったロボットを選ぶ必要がある
②作業に必要なハンドや追加装置（センサーや画像処理システムなど）をロボット本体と組み合わせる必要がある
③そのために製造ラインから見直す必要がある
④人の安全を確保する必要がある etc.
つまり、お客様ごとの課題を見える化して、最適な協働ロボットシステムを設計。導入、運用までをサポートする。それが私たちロボットSIerの最大の役割なのです。
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近年、世界のモータの年間生産台数は約100億台で、その消費電力は世界の電力消費量全体の約50%を占めると言われています。とてつもない数に聞こえますが、PCにはハードディスクや光学ドライブに冷却ファンがあり、洗濯機、冷蔵庫、エアコン、ハイブリッド車など、身の回りにあるものに使われているモータを数えてみれば納得のいく数だと思います。また、環境問題対策の一例として、欧米を中心に自動車の電動化が明示されており、モータの需要は強い増加傾向にあります。
一方、世界的なエネルギー問題に関連して厳しい省エネ規制が設けられ、当然ながらモータを使った機器の省エネ対応は重要課題です。モータ自体の省エネ化はもちろん、効率の高いモータ駆動や制御方法も非常に重要になります。
前述したように、モータは様々な分野で多様なアプリケーションで使用されています。したがって、モータには多くの種類があり、モータのドライブ（駆動）方法や制御方法も多様です。Tech Web Motor基礎知識「モータドライブ」では、モータの基礎と、様々なモータのドライブ方法を解説して行きます。
最初に、近年のモータドライバに求められる4つのポイントについて記します。このコーナーでは、これらを念頭に実際のモータドライブの話を進めて行きたいと思います。
モータドライバに求められる4つのポイント
①高信頼性
異常な電圧や電流からモータドライバICを保護する機能や、電源電圧低下による誤動作を防止する機能など、モータドライバは十分な保護機能を備えている必要があります。また、モータの起動時や強制停止、拘束時などにモータ電流を制御する電流制限機能、さらに外部のホストプロセッサなどに障害状態を出力する機能を搭載し、安全性を確保することが求められています。
②低消費電力、高効率
モータの消費電力を低減するためには、低消費電力なパワーデバイスとドライブ技術が必要です。例えば、自動進角調整機能などを用いて、低速回転から高速回転までの広範囲な回転数領域において高い効率を得ることが可能です。
③静音、低振動
モータ動作時の騒音や振動に対しては、駆動波形の最適化が重要です。ブラシレスDCモータドライバの最適通電幅技術（120度、150度、正弦波）、ファンモータドライバのソフトスタート技術、ステッピングモータドライバの電流減衰方式（Decay技術）など、各分野の用途に応じた各種モータの磁気回路に最適な通電駆動技術に対する必要があります。
④制御、利便性
FLL（速度制御）やPLL（位相制御）によるモータのデジタル回転制御技術や、アクチュエータに要求される高精度位置決め制御技術などの高効率駆動制御アルゴリズムは、高性能なモータアプリケーションの開発に欠かせません。ハードロジック化した制御アルゴリズムをドライバICに搭載するなど、設計者が手軽に高効率駆動制御アルゴリズムを利用できることが求められています。また、ドライバIC間での互換性は利便性を高めます。開発の途中で仕様変更が生じた際に、モータ駆動制御基板のパターンを変更することなく置き換えられるなど、利便性の向上は重要です。
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