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ブラシレス DC (BLDC) モーターは、その優れた効率、寿命、性能により、多くの最新のロボット システムの中心となっています。従来のブラシ付きモーターとは異なり、BLDC モーターは電子コントローラーを使用して電力供給を管理するため、ブラシの必要性がなくなり、機械的摩耗が軽減されます。これらの利点により、BLDC モーターは、正確な制御、耐久性、メンテナンスの容易さが不可欠なロボット工学にとって理想的な選択肢となります。
この記事では、その方法について説明します。 BLDC モーターは ロボット システム アーキテクチャ、その利点、ロボット アプリケーションに適切な BLDC モーターを選択するための重要な考慮事項に統合されます。
ブラシレス DC (BLDC) モーターは、ローターに永久磁石を使用し、電子コントローラーを利用してモーター巻線の電流を切り替えるタイプの電気モーターです。これにより、巻線の電流を切り替えるために従来の DC モーターで一般的に使用されていたブラシが不要になります。
BLDC モーターは通常、ブラシ付きモーターよりも効率と信頼性が高くなります。速度と位置を正確に制御できるため、ロボット システムなど、高性能と低メンテナンスが必要なアプリケーションに最適です。
あ ブラシレス DC モーター (BLDC モーター) は、永久磁石と電磁石の間の吸引と反発の磁力によって動作する三相モーターの一種です。同期モーターとして、直流 (DC) 電源で動作します。このモーターは、従来の DC モーター (ブラシ付き DC モーターまたは整流子モーター) に見られるブラシが不要であるため、「ブラシレス DC モーター」と呼ばれることがよくあります。基本的に、ブラシレス DC モーターは、DC 電源入力を利用する永久磁石同期モーターであり、その後、適切な機能を確保するための位置フィードバックとともに、インバーターの助けを借りて三相 AC 電源に変換されます。
ブラシレス DC (BLDC) モーターはホール効果に基づいて動作し、ローター、ステーター、永久磁石、駆動モーター コントローラーなどのいくつかの重要なコンポーネントで構成されます。ローターには、ローター シャフトに接続された複数のスチール コアと巻線が装備されています。ローターが回転すると、コントローラーは電流センサーを利用してその位置を確認し、ステーター巻線を流れる電流の方向と強度を変更できるようにして、トルクを生成します。
ブラシレス動作を監視し、入力 DC 電力を AC 電力に変換する電子ドライブ コントローラーの助けを借りて、BLDC モーターはブラシ付き DC モーターと同等の性能を達成できますが、時間の経過とともに摩耗する傾向があるブラシの欠点はありません。その結果、 BLDC モーターは 、電子整流 (EC) モーターと呼ばれることが多く、ブラシを含む機械的整流に依存する従来のモーターとは区別されます。
ブラシレス DC モーターは、永久磁石が埋め込まれたローターと、電流が流れると電磁石として機能する銅コイルが取り付けられたステーターという 2 つの主要なコンポーネントで機能します。
これらのモーターは、インランナー (内部ローター モーター) とアウトランナー (外部ローター モーター) の 2 つのタイプに分類できます。インランナー モーターでは、ローターが外側に配置されたステーター内で回転しますが、アウトランナー モーターでは、ローターがステーターの外側で回転します。ステーター コイルに電流が流れると、明確な N 極と S 極を持つ電磁石が生成されます。この電磁石の極性が隣接する永久磁石の極性と一致すると、同じ極が互いに反発し、ローターが回転します。ただし、電流が一定のままの場合、ローターは短時間回転するだけで、対向する電磁石と永久磁石の位置が揃うため停止します。継続的な回転を確保するために、電流は三相信号として供給され、電磁石の極性が定期的に変化します。
モーターの回転速度は三相信号の周波数に直接関係します。より高い回転速度を達成するには、信号周波数を上げることができます。たとえば、遠隔制御車両では、スロットルを上げると、スイッチング周波数を上げるようにコントローラーに指示され、車両が加速します。
あ ブラシレス DC モーターは永久磁石同期モーターとして一般的に知られており、高効率、コンパクトな設計、低ノイズ レベル、および長寿命で知られる電気モーターです。産業用途と消費者向け製品の両方で広く使用されています。
の操作 ブラシレス DC モーターは、 電気と磁気の相互作用に依存しています。永久磁石、ローター、ステーター、電子速度コントローラーなどの主要コンポーネントで構成されています。永久磁石はモーターの磁場の主な発生源であり、多くの場合、希土類材料で作られています。モーターに通電すると、これらの永久磁石が安定した磁界を確立し、モーターを流れる電流と相互作用してローター磁界を生成します。
のローター ブラシレス DC モーター は回転部品であり、複数の永久磁石で構成されています。その磁場がステーターの磁場と相互作用し、ステーターを回転させます。一方、ステータはモーターの固定部分であり、銅のコイルと鉄心で構成されています。ステーターコイルに電流が流れると、変化する磁場が生成されます。ファラデーの電磁誘導の法則によれば、この磁場はローターに影響を与え、回転トルクを生成します。
電子スピード コントローラー (ESC) は、モーターの動作状態を管理し、モーターに供給される電流を制御することで速度を調整します。 ESC は、パルス幅、電圧、電流などのさまざまなパラメータを調整して、モーターの性能を制御します。
動作中、ステータとロータの両方に電流が流れ、永久磁石の磁場と相互作用する電磁力が生成されます。その結果、電子スピードコントローラーからの指令に従ってモーターが回転し、接続された機器や機械を駆動する機械仕事を生み出します。
要約すると、 ブラシレス DC モーターは、 回転する永久磁石とステーター コイルの間に回転トルクを生成する電気的および磁気的相互作用の原理に基づいて動作します。この相互作用によりモーターが回転し、電気エネルギーが機械エネルギーに変換され、仕事を実行できるようになります。
有効にするには BLDC モーターを 回転させるには、コイルに流れる電流の方向とタイミングを制御することが不可欠です。以下の図は、BLDC モーターのステーター (コイル) とローター (永久磁石) を示しています。このモーターには、120 度の間隔で配置された U、V、W のラベルが付いた 3 つのコイルが備えられています。これらのコイルの位相と電流を管理することで、モーターの動作が駆動されます。電流は U 相、V 相、W 相の順に流れます。磁束を連続的に切り替えることで回転が維持され、コイルが発生する回転磁界に永久磁石が追従します。本質的に、コイル U、V、W への通電は、合成磁束の動きを維持するために常に交互に行われ、それによってロータの磁石を継続的に引き付ける回転磁場を生成する必要があります。
現在主流のブラシレスモーターの制御方式は次の 3 つです。
台形波制御は、一般に 120° 制御または 6 ステップ整流制御と呼ばれ、ブラシレス DC (BLDC) モーターを制御する最も簡単な方法の 1 つです。この技術には、モータの相に方形波電流を印加することが含まれており、これはモータの台形逆起電力曲線と同期しています。 BLDCモーター。 最適なトルク発生を実現するBLDC ラダー制御は、家庭用電化製品、冷凍用コンプレッサー、HVAC ブロワー、コンデンサー、産業用ドライブ、ポンプ、ロボット工学など、多数のアプリケーションにわたるさまざまなモーター制御システム設計に最適です。
方形波制御方法には、簡単な制御アルゴリズムやハードウェア コストの低さなど、いくつかの利点があり、標準性能のコントローラを使用してモータ速度を高めることができます。ただし、大きなトルク変動、ある程度の電流ノイズ、最大潜在能力に達しない効率などの欠点もあります。台形波制御は、高い回転性能が要求されない用途に特に適しています。この方法では、ホール センサーまたは非誘導推定アルゴリズムを利用してローターの位置を決定し、その位置に基づいて 360° 電気サイクル内で 6 回の転流 (60°ごとに 1 回) を実行します。整流のたびに特定の方向に力が生成され、その結果、電気的には 60° の実効位置精度が得られます。 「台形波制御」という名前は、相電流波形が台形に似ていることに由来しています。
正弦波制御方法では、空間ベクトル パルス幅変調 (SVPWM) を使用して三相正弦波電圧を生成し、対応する電流も正弦波になります。方形波制御とは異なり、このアプローチには個別の整流ステップが含まれません。代わりに、各電気サイクル内で無限数の整流が発生するかのように扱われます。
明らかに、正弦波制御には、トルク変動の低減や電流高調波の減少など、方形波制御に比べて利点があり、その結果、より洗練された制御体験が得られます。ただし、方形波制御と比較して、コントローラーにわずかに高度なパフォーマンスが必要であり、それでも最大のモーター効率を達成することはできません。
ベクトル制御 (VC) とも呼ばれるフィールド指向制御 (FOC) は、ブラシレス DC モーター (BLDC) および永久磁石同期モーター (PMSM) を効率的に管理するための最も効果的な方法の 1 つです。正弦波制御は電圧ベクトルを管理し、電流の大きさを間接的に制御しますが、電流の方向を制御する機能はありません。
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FOC 制御方法は、電流ベクトルの制御を可能にし、モーターのステータ磁界のベクトル制御を効果的に管理できるため、正弦波制御の拡張バージョンとみなすことができます。ステーターの磁界の方向を制御することで、ステーターとローターの磁界が常に 90° の角度を保つようになり、特定の電流に対するトルク出力が最大化されます。
センサーに依存した従来のモーター制御方法とは対照的に、センサーレス制御では、ホールセンサーやエンコーダーなどのセンサーなしでモーターを動作させることができます。このアプローチでは、モーターの電流と電圧のデータを利用してローターの位置を確認します。次に、ローター位置の変化に基づいてモーター速度が計算され、この情報を使用してモーター速度を効果的に調整します。
センサーレス制御の主な利点は、センサーの必要性がなくなり、困難な環境でも信頼性の高い動作が可能になることです。また、必要なピンは 3 本のみで、占有スペースも最小限に抑えられるため、コスト効率にも優れています。さらに、ホール センサーがないため、損傷する可能性のあるコンポーネントがないため、システムの寿命と信頼性が向上します。ただし、顕著な欠点は、スムーズな始動が得られないことです。低速時やローター停止時は逆起電力が不足し、ゼロクロス点の検出が困難になります。
ブラシレス DC モーターとブラシ付き DC モーターには、次のような共通の特性と動作原理があります。
ブラシレス DC モーターとブラシ付き DC モーターはどちらも同様の構造を持ち、ステーターとローターで構成されます。ステーターは磁場を生成し、ローターはこの磁場との相互作用を通じてトルクを生成し、電気エネルギーを機械エネルギーに効果的に変換します。
両方 ブラシレス DC モーターおよびブラシ付き DC モーターは、動作が直流に依存しているため、電気エネルギーを供給するために DC 電源が必要です。
どちらのタイプのモーターも、入力電圧または電流を変更することで速度とトルクを調整できるため、さまざまなアプリケーション シナリオでの柔軟性と制御が可能になります。
ブラッシングしながら、 ブラシレス DC モーターにはいくつかの類似点がありますが、性能と利点の点で大きな違いもあります。ブラシ付き DC モーターは、ブラシを利用してモーターの方向を変え、回転を可能にします。対照的に、ブラシレス モーターは電子制御を採用して機械的な整流プロセスを置き換えます。
多くの種類があります Jkongmotor が販売するブラシレス DC モーター と、さまざまなタイプのステッピング モーターの特性と用途を理解すると、どのタイプが最適かを決定するのに役立ちます。
Jkongmotor は NEMA 17、23、24、34、42、52 フレームおよびメトリック サイズ 36mm ～ 130mm 標準を供給します。 ブラシレス DC モーター モーター (内部ローター) には、出力範囲 10W ～ 3500W、速度範囲 10rpm ～ 10000rpm の 3 相 12V/24V/36V/48V/72V/110V 低電圧および 310V 高電圧電気モーターが含まれています。統合されたホール センサーは、正確な位置と速度のフィードバックが必要なアプリケーションで使用できます。標準オプションは優れた信頼性と高性能を提供しますが、当社のモーターのほとんどは、さまざまな電圧、電力、速度などで動作するようにカスタマイズすることもできます。ご要望に応じて、カスタマイズされたシャフトのタイプ/長さおよび取り付けフランジも利用可能です。
ブラシレス DC ギヤード モーターは、ギアボックス (平歯車、ウォーム ギアボックス、遊星ギアボックスを含む) を内蔵したモーターです。ギアはモーターの駆動軸に接続されています。この写真は、ギアボックスがモーターハウジングにどのように収容されているかを示しています。
ギアボックスは、出力トルクを高めながらブラシレス DC モーターの速度を下げる上で重要な役割を果たします。通常、ブラシレス DC モーターは 2000 ～ 3000 rpm の範囲の速度で効率的に動作します。たとえば、伝達比 20:1 のギアボックスと組み合わせると、モーターの速度を約 100 ～ 150 rpm に下げることができ、トルクが 20 倍増加します。
さらに、モーターとギアボックスを単一のハウジング内に統合することで、ギア付きブラシレス DC モーターの外形寸法が最小限に抑えられ、利用可能な機械スペースの使用が最適化されます。
最近の技術の進歩により、より強力なコードレス屋外用電源機器やツールが開発されています。電動工具の注目すべき革新は、外部ローター ブラシレス モーターの設計です。
アウターローター BLDC モーター、つまり外部から駆動されるブラシレス モーターは、ローターを外側に組み込んだ設計が特徴で、よりスムーズな動作を可能にします。これらのモーターは、同様のサイズの内部ローター設計よりも高いトルクを達成できます。外部ロータ モータによってもたらされる慣性の増加により、低騒音と低速での安定した性能が必要なアプリケーションに特に適しています。
アウターローターモーターでは、ローターは外部に配置され、ステーターはモーターの内部に配置されます。
アウターローター BLDC モーターは 通常、インナーローター型のモーターよりも短く、コスト効率の高いソリューションを提供します。この設計では、永久磁石がロータ ハウジングに取り付けられており、ロータ ハウジングは巻線を備えた内側ステータの周りを回転します。ローターの慣性が大きいため、アウターローターモーターはインナーローターモーターに比べてトルクリップルが低くなります。
統合ブラシレスモーターは、産業オートメーションおよび制御システムで使用するために設計された高度なメカトロニクス製品です。これらのモーターには、特殊な高性能ブラシレス DC モーター ドライバー チップが搭載されており、高集積、コンパクト サイズ、完全な保護、簡単な配線、信頼性の向上など、多くの利点を提供します。このシリーズは、出力 100 ～ 400W のさまざまな統合モーターを提供します。さらに、内蔵ドライバーには最先端のPWM技術が採用されており、ブラシレスモーターは高速かつ低振動、低騒音、優れた安定性と高い信頼性で動作します。また、一体型モーターは省スペース設計を特徴としており、従来の個別のモーターとドライブコンポーネントに比べて配線が簡素化され、コストが削減されます。
主な理由の 1 つは BLDC モーターは 効率が高いため、ロボット工学で好まれています。摩擦を引き起こすブラシがないため、エネルギーの損失が最小限に抑えられ、発熱が少なくなり、より多くの電力を運動に利用できます。これは、電力消費と熱管理がパフォーマンスとバッテリー寿命に直接影響を与える可能性があるロボット システムでは特に重要です。
時間の経過とともに磨耗するブラシを使わずに、 BLDC モーターは 一般に、ブラシ付きモーターよりもはるかに長い寿命を持っています。そのため、ロボットアーム、自律ロボット、ドローンなど、長時間の稼働を必要とするアプリケーションに最適です。寿命が長いためメンテナンスの必要性が軽減され、産業および商業環境で使用されるロボットにとってコスト効率の高い選択肢となります。
BLDC モーターは、 多くのロボット用途に不可欠な正確な速度と位置の制御を提供します。エンコーダやレゾルバなどのフィードバックを備えた閉ループ制御システムを使用すると、モータが希望の速度と位置で高精度に動作することが保証されます。この機能は、組立ライン ロボット、手術ロボット、モバイル ロボットなど、微調整された動作が必要なロボット アプリケーションでは非常に重要です。
BLDC モーター は一般に、ブラシ付きモーターよりもコンパクトで軽量であるため、小さなフォームファクターで高トルクを必要とするモバイル ロボットに適しています。移動ロボットであっても自律走行車であっても、電力を維持しながらモーターのサイズを縮小することは、システム アーキテクチャにおいて大きな利点となります。
ブラシの磨耗やメンテナンスの問題がないため、 BLDC モーターは 最小限のメンテナンスしか必要としません。これは、修理やモーター交換のためのダウンタイムがコストと混乱を招く可能性があるロボット工学において特に有利です。メンテナンスの必要性が減ることで、ロボット システム全体の信頼性と運用効率が向上します。
BLDC モーターは、 ブラシ付きモーターと比較して、そのサイズに対してより多くの電力を供給できます。この特性により、ドローンや移動ロボットなど、重量制限が懸念される用途に最適です。軽量で高出力のモーターを使用することで、設計者はロボットのパフォーマンスとバッテリー寿命を最適化できます。
ロボット システムを選択する際には、ロボット システムのトルクと速度の要件を最初に考慮する必要があります。 BLDCモーター。たとえば、ロボット アームは精密な動作を実現するために低速で高トルクを必要とする場合がありますが、移動ロボットは地形をより速く移動するために高速かつ適度なトルクを提供できるモーターを必要とする場合があります。
あ BLDC モーターに は、モーター巻線の電流の切り替えを管理する電子コントローラーまたはドライバーが必要です。これらのコントローラーは、モーターが望ましい速度とトルクで動作することを保証すると同時に、過電流保護、速度フィードバック、障害検出などの機能も提供します。フィールド指向制御 (FOC) は、スムーズで効率的かつ正確なモーター動作を保証するために、高度な BLDC モーター コントローラーで使用される一般的な技術です。
ロボット システムを設計する場合、適切なモーター コントローラーを選択することは、モーター自体を選択することと同じくらい重要です。コントローラーはモーターの仕様とロボットの制御システムに適合する必要があります。
高精度のロボット工学には、エンコーダ、レゾルバ、ホール センサーなどのフィードバック システムが不可欠です。これらのシステムは、モーターの位置、速度、方向に関するリアルタイムのデータを提供し、コントローラーが電流と電圧を調整して正確な制御を実現できるようにします。フィードバックは、精度と再現性が重要となるロボット アームなどのアプリケーションでは特に重要です。
BLDC モーターに は DC 電源が必要で、モーターの電圧と電流の仕様に一致する必要があります。アプリケーションによっては、モーターが必要な電圧と電流を供給するためにバッテリーまたは外部電源を必要とする場合があります。たとえば、移動ロボットでは、バッテリーとその効率の選択が、ロボットの全体的なパフォーマンスと実行時間を決定する上で重要な役割を果たします。
ロボットが動作する環境条件も、BLDC モーターを選択する際の重要な要素です。過酷な環境 (水中、高温、粉塵の多い条件など) で使用されるモーターは、それらの条件に耐えられる能力に基づいて選択する必要があります。たとえば、IP 定格モーターは塵や水の侵入に対する保護を提供し、厳しい環境でも信頼性を確保します。
ロボット システム内の利用可能なスペースによって、モーターのサイズとフォーム ファクターが決まります。移動ロボットやドローンには小型で軽量のモーターが必要とされることが多いですが、産業用ロボットにはより大型で高トルクのモーターを搭載するためのより多くのスペースがある可能性があります。性能要件を満たしながらモーターがロボットのアーキテクチャ内に適合することを保証することは、全体的な設計を最適化するために不可欠です。
BLDC モーターは 、移動ロボットや自動運転車で一般的に使用されています。これらのロボットは、特に複雑な環境を移動する場合に、高効率と信頼性の高い動作を必要とします。 BLDC モーターは、効率的な動作に必要な高トルクと高速のバランスを提供するため、地上ロボット、ドローン、無人搬送車 (AGV) に最適です。
ロボット アームでは、BLDC モーターは、組み立て、溶接、梱包などの作業に不可欠な高精度とトルク制御を提供します。 BLDC モーターを使用すると、特に産業オートメーション、外科手術、その他の精度が最も重要な用途において、正確な位置決めとスムーズな動作が可能になります。
ドローンと無人航空機 (UAV) は BLDC モーター。 推進システム用のBLDC モーターは出力重量比が高く、メンテナンスの必要性が低いため、高速かつ効率的な動作が必要な航空機ロボットに最適です。 BLDC モーターを搭載したドローンは、最小限のメンテナンスで監視、荷物の配達、航空写真撮影などのタスクを実行できます。
BLDC モーターは 、精度と信頼性が極めて重要な義肢や外骨格にも使用されます。これらのデバイスは、人間の自然な動きを模倣した滑らかで制御された動きを実現する BLDC モーターに依存しています。コンパクトなフォームファクターで高トルクを提供できるため、ウェアラブルロボットシステムに最適です。
BLDC モーターは 、最新のロボット システムのアーキテクチャにおいて極めて重要な役割を果たし、高効率、耐久性、精度などの多くの利点をもたらします。ロボット用途に BLDC モーターを選択する場合は、トルク、速度、コントローラーの互換性、環境条件などの要素を考慮することが重要です。適切な BLDC モーターを慎重に選択することで、設計者はロボット システムの最適なパフォーマンス、信頼性、寿命を確保でき、より高度で有能なロボットの作成が可能になります。
