DC モーターは、さまざまな用途で使用されるさまざまな電子機器に見られるユビキタスな機械です。

通常、これらのモーターは、何らかの形式の回転制御または運動生成制御を必要とする機器に導入されます。直流モーターは、多くの電気工学プロジェクトにおいて不可欠なコンポーネントです。DC モーターの動作とモーター速度調整をよく理解することで、エンジニアはより効率的なモーション制御を実現するアプリケーションを設計できます。

この記事では、利用可能な DC モーターの種類、その動作モード、および速度制御を実現する方法について詳しく説明します。

DCモーターとは何ですか?

のようにACモーター, DCモーターも電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。それらの動作は、電流を生成する DC 発電機の逆です。AC モーターとは異なり、DC モーターは DC 電力、つまり非正弦波の一方向電力で動作します。

基本構造

DC モーターはさまざまな方法で設計されていますが、いずれにも次の基本部品が含まれています。

• ローター (機械の回転する部分。「アーマチュア」とも呼ばれます)
• ステーター (界磁巻線、またはモーターの「固定」部分)
• 整流子 (モーターの種類に応じて、ブラシ付きまたはブラシレスが可能)
• 界磁磁石 (ローターに接続された車軸を回転させる磁界を提供します)

実際には、DC モーターは、回転するアーマチュアによって生成される磁界と、ステーターまたは固定コンポーネントの磁界との間の相互作用に基づいて動作します。

センサーレスDCブラシレスモーターコントローラー。画像は提供により使用されましたケンジ・マッジ。

動作原理

DC モーターは、電流が流れる導体が磁界内に置かれると力を受けるというファラデーの電磁気原理に基づいて動作します。フレミングの「電気モーターの左手の法則」によれば、この導体の運動は常に電流と磁場に対して垂直な方向になります。

数学的には、この力は F = BIL として表すことができます (F は力、B は磁場、I は電流、L は導体の長さ)。

DCモーターの種類

DC モーターは、その構造に応じてさまざまなカテゴリに分類されます。最も一般的なタイプには、ブラシ付きまたはブラシレス、永久磁石、シリーズ、パラレルなどがあります。

ブラシ付きモーターとブラシレスモーター

ブラシ付きDCモーターアーマチュアから電流を伝導または供給するための一対のグラファイトまたはカーボンブラシを利用します。これらのブラシは通常、整流子のすぐ近くに置かれます。DC モーターのブラシのその他の有用な機能には、火花のない動作の確保、回転中の電流の方向の制御、整流子をきれいに保つことなどがあります。

ブラシレスDCモーターカーボンまたはグラファイトブラシは含まれていません。通常、固定アーマチュアの周りを回転する 1 つ以上の永久磁石が含まれています。ブラシレス DC モーターは、ブラシの代わりに電子回路を利用して回転方向と速度を制御します。

永久磁石モーター

永久磁石モーターは、対向する 2 つの永久磁石で囲まれたローターで構成されています。DC が流れると磁石は磁束を供給し、極性に応じてローターが時計回りまたは反時計回りに回転します。このタイプのモーターの主な利点は、一定の周波数で同期速度で動作できるため、最適な速度調整が可能であることです。

直巻 DC モーター

直列モーターは、固定子 (通常は銅棒で作られている) 巻線と界磁巻線 (銅コイル) が直列に接続されています。したがって、電機子電流と界磁電流は等しくなります。大電流が電源から界磁巻線に直接流れます。界磁巻線はシャント モータよりも厚くて少ないです。界磁巻線の厚みにより、モーターの耐荷重能力が向上し、直列 DC モーターに非常に高いトルクを与える強力な磁界も生成されます。

シャント DC モーター

シャント DC モーターには、電機子巻線と界磁巻線が並列に接続されています。並列接続により、両方の巻線は別々に励起されますが、同じ電源電圧を受け取ります。シャント モーターは通常、直列モーターよりも巻線のターン数が多く、動作中に強力な磁界が発生します。シャントモーターは、負荷が変化しても優れた速度制御を実現できます。ただし、通常、直列モーターのような高い始動トルクがありません。

ミニドリルにモーターと速度制御回路を搭載。画像は提供により使用されましたディルシャン・R・ジャヤコディ

DC モーター速度制御

直列 DC モーターで速度調整を実現するには、磁束制御、電圧制御、および電機子抵抗制御の 3 つの主な方法があります。

1. 磁束制御方法

磁束制御方式では、界磁巻線に加減抵抗器（可変抵抗器の一種）を直列に接続します。このコンポーネントの目的は、巻線の直列抵抗を増加させて磁束を減少させ、その結果モーターの速度を高めることです。

2. 電圧調整方法

可変調整方法は通常、シャント DC モーターで使用されます。ここでも、電圧レギュレーション制御を実現するには 2 つの方法があります。

• シャントフィールドを固定励起電圧に接続し、アーマチュアに異なる電圧を供給する (別名複数電圧制御)
• アーマチュアに供給される電圧を変化させる (別名ウォード・レナード法)

3. 電機子抵抗の制御方法

電機子抵抗制御は、モーターの速度が逆起電力に正比例するという原理に基づいています。したがって、供給電圧と電機子抵抗が一定の値に保たれる場合、モーターの速度は電機子電流に正比例します。