BLDC モーターの作り方: 基本原理とシステム アーキテクチャ

BLDC モーターの作り方: 基本原理とシステム アーキテクチャ

理解する BLDCモーターの作り方 まず、ブラシレス DC モーターが存在する理由と、それに代わるブラシ付き DC モーターとの根本的な違いを理解することから始まります。ブラシ付き DC モーターは、回転する整流子リングを押し付ける物理的なカーボン ブラシを使用して、モーターの回転に伴ってローター巻線の電流の方向を切り替えます。この整流機構は摩擦を発生させ、熱を発生させ、電気ノイズを生成し、時間の経過とともにカーボン ブラシが侵食され整流子の表面が劣化することで摩耗します。 BLDC モーターは、回転子に永久磁石を配置し、固定子に巻線を配置し、機械的接触の代わりに電子スイッチング (BLDC コントローラー) を使用して電流を転流することにより、ブラシと整流子の両方を排除します。

その結果、次のようなモーターが完成します。 摩耗接触面がない 、大幅に高い効率（通常は 85 ～ 95% 対 ブラシ付きモーターの場合は 60 ～ 85% ）、可聴ノイズがはるかに低く、出力密度が高く（モーター質量 1 キログラムあたりの出力が大きい）、耐用年数は数百時間ではなく数千時間です。これらの利点は、コンピューターのハードドライブやドローンの推進から洗濯機、さらにはこの記事にとって重要なことである住宅用および商業用の冷風機に至るまで、ブラシ付きモーターに代わって BLDC モーターが使用されてきた理由を説明しています。

BLDC モーターの構造: 段階的な組み立てプロセス

次の手順で説明します BLDCモーターの作り方 コアコンポーネントから、インナーローター（従来型）とアウターローターの両方の構成をカバーします。アウターローター構成は、主な設計であるため、特に詳しく説明します。 空冷BLDCモーター そして 外部BLDC空冷モーター アプリケーション。

1. ステップ 1: ステータ積層スタックを設計します。 ステーターは、薄いシリコン鋼の積層体 (通常は 厚さ0.35～0.5mm ) 必要な歯とスロットの形状に打ち抜かれます。 12 スロットのステーター (4 極または 8 極 BLDC モーターの最も一般的な構成) の場合、12 個のスロットが中心ボアの周囲に放射状に配置されます。積層スタックの高さはモーターの軸方向の長さを決定し、モーターの出力に比例します。各スロットは三相巻線の 1 相を保持します。
2. ステップ 2: ステーター コイルを巻きます。 銅製マグネット ワイヤ (エナメル絶縁) が各ステータ歯に指定された巻数で巻かれます。三相モーターの場合、12 個のコイル スロットは A-B-C-A-B-C の繰り返しパターンで巻かれ、各相は必要なモーターの電圧および電流特性に応じて直列または並列に接続された 4 つのコイル セットで構成されます。ワイヤのゲージによって定格電流が決まります。ワイヤが太いほど多くの電流が流れますが、各スロットにより多くのスペースが必要になります。小型 BLDC モーター (30 ～ 300 ワット) の一般的なワイヤー ゲージの範囲は次のとおりです。 直径0.3mm～1.2mm .
3. ステップ 3: 巻線を絶縁して固定します。 巻いた後、ステーター コイルはケイ素鋼コアから電気的に絶縁され、機械的に固定される必要があります。これは、巻線の前にボビン絶縁体またはスロット ライナーを適用し、次に巻線されたステータにワニス (通常はポリエステルまたはエポキシ樹脂) を真空含浸し、オーブンで 200℃ で硬化することによって実現されます。 120～150℃ 。硬化したワニスは巻線を所定の位置に固定し、コイルからステーター本体への熱伝達を改善し、エナメル線の絶縁体を機械的損傷や湿気から保護します。
4. ステップ 4: ローター アセンブリを構築します。 アウターローター BLDC モーターの場合、ローターは内周に永久磁石が接着されたスチール製のカップまたはシェルで構成されます。磁石は内壁の周囲に N 極と S 極が交互に配置され、磁極の数はステーター スロットの数に対する特定の比率になります。 12 スロット ステータの場合、共通の極数は 8 極 (12N8P)、10 極 (12N10P)、または 14 極 (12N14P) です。各極は、構造用接着剤 (通常は耐高温エポキシ) でロータ シェルに接着された個別のアーク セグメント磁石です。 150℃ またはそれ以上）。
5. ステップ 5: ホール効果センサーを取り付けます。 3 つのホール効果センサーがステーター本体の次の位置に配置されています。 電気角で 120 度離れている (4 極モーターの場合、物理的間隔は 60 機械度、8 極モーターの場合、30 機械度です)。センサーはローターの磁石が通過するときにその磁場を検出し、デジタル信号 (高または低) を生成します。その組み合わせにより電気回転ごとに 6 つの区別可能な状態でローターの位置がエンコードされます。これらの信号は、5 線ハーネス (共通アース、5V 電源、および 3 本の信号線) を介してコントローラーに接続されます。
6. ステップ 6: 機械ハウジングを組み立てます。 ステータは、中央のシャフトサポートハウジングに圧入またはボルト締めされます。ローター シェルは精密ベアリング (通常は 2 つのシールド付き深溝ボール ベアリング) に取り付けられており、ステーターの周りでスムーズに回転できます。ベアリングのプリロードとアライメントは、静かな動作と長い耐用年数を実現するために重要です。過剰な予圧はベアリングの急速な摩耗を引き起こしますが、予圧が不十分な場合は軸方向の遊びが生じ、振動や騒音が発生します。
7. ステップ 7: BLDC コントローラーを構築して接続します。 三相ブリッジ コントローラー (MOSFET、ゲート ドライバー、マイクロコントローラーで構築されたディスクリート回路、または Allegro A4960、Texas Instruments DRV8305、STMicroelectronics L6234 などの統合 BLDC コントローラー IC) は、3 つのモーター相リードとホール センサー信号に接続されます。コントローラーはホール センサーの状態を解釈し、6 ステップの整流シーケンスで MOSFET を切り替えてモーターを駆動します。 PWM 周波数は通常、次のように設定されます。 16～32kHz 静かなスイッチングを実現します。

BLDC モーターを構築する際の主要な設計パラメーター

BLDC モーターを最初から設計または構築する場合は、次のパラメーターを計算して相互にバランスを取る必要があります。

Kv 評価: 速度定数を理解する

Kv (速度定数) は、BLDC モーターの速度とトルクの特性を評価するための最も重要な単一仕様です。 Kv は、無負荷で動作しているときにモーター端子に印加される各ボルトごとにモーターが回転する 1 分あたりの回転数 (RPM) として定義されます。 Kv が 1 のモーター 500RPM/V 10 ボルト (無負荷) が供給されると 5,000 RPM で動作します。 Kv が 1 のモーター 100RPM/V 10 ボルトでわずか 1,000 RPM で動作しますが、それに比例してより多くのトルクを生成します。

230V AC 電源 (約 325V DC ピークに整流されるか、電源によってより低い DC 電圧に調整される) から直接動作する空冷器 BLDC モーターの場合、モーターが利用可能な電圧で目標ファン速度で動作するように Kv を選択する必要があります。安定化された 24V DC 電源からの 350 RPM のファン速度には、およその Kv が必要です。 350 を 24 で割った値、つまり約 15 RPM/V これは、より多くの巻線ターンを使用することによって達成され、高トルク、低速アウターローター ファン モーターの特徴です。

空冷器 BLDC モーター: 空冷器でコンデンサー駆動誘導モーターが BLDC テクノロジーに置き換わる理由

の 空冷BLDCモーター これは、何十年にもわたって住宅用および商業用蒸発空気冷却器市場を支配していたコンデンサ駆動の単相誘導モーターからの大幅な技術アップグレードを表しています。この移行が起こっている理由を理解するには、関連するパフォーマンスのあらゆる側面にわたって 2 つのテクノロジーを比較する必要があります。

エネルギー節約: 空冷 BLDC モーターにアップグレードする場合の経済的事例

の energy savings from replacing a conventional induction motor with an Air Cooler BLDC motor are substantial and produce meaningful reductions in electricity bills over the motor's operating life. A typical calculation:

• 従来のモーター消費電力： 冷房運転時は連続75ワット
• BLDCモーター消費電力: 同等のエアフローの場合は 30 ワット
• 毎日の稼働時間: 10 時間 (通常の暑い天候での使用)
• 1日あたりの省エネ： (75 マイナス 30) ワット x 10 時間 = 1日あたり0.45kWh
• 季節貯蓄 (5 か月): 0.45kWh×150日＝ シーズンあたり67.5kWh
• 0.15 ドル/kWh でコストを削減: およそ クーラー1台あたりシーズンごとに$10.00 。夏の間、3 台のクーラーを稼働させている家庭の場合、年間合計節約量は約 年間 30 ドル 電気だけで。

電気料金が高い市場 (ヨーロッパ、英国、アジアの一部) や、多くの空冷装置が長時間稼働する商用アプリケーションでは、空冷 BLDC モーターの経済的メリットはさらに大きくなります。 20 台の空気冷却器が 1 日あたり 16 時間稼働している工場フロアでは、約 シーズンあたり4,320kWh 同じテクノロジーのアップグレードにより、運用コストが大幅に削減されます。

空冷器 BLDC モーターの電気仕様と電源要件

空気冷却器 住宅用空気冷却器用の BLDC モーター ユニットは、次の 2 つの主な電気構成で利用できます。

• AC入力BLDCモーターモジュール： の motor and its dedicated controller board are sold as an integrated assembly that connects directly to the 230V AC (or 120V AC in North America) mains supply. The controller's power supply section converts AC to the internal DC bus voltage (typically 12V to 48V DC) that drives the BLDC motor. The user simply connects the 230V AC supply and receives a complete variable-speed motor output. These modules are the simplest to retrofit into existing air cooler enclosures and are the most common format in the retail and OEM market.
• DC入力BLDCモーター： の motor requires a separate DC power supply (typically 12V, 24V, or 48V DC). This configuration is used in solar-powered air coolers where the DC supply comes directly from photovoltaic panels or a battery bank, and in applications where the DC bus is already available from an existing power system. A 24V DC BLDC エアクーラーモーター、定格 30 ～ 50 ワット これは、オフグリッドの農村および農業用途における太陽光発電式蒸発冷却器の最も一般的な仕様です。

外部 BLDC 空冷モーター: アウターローターの設計原則とファンの統合

の External BLDC Air Cooler Motor (outer-rotor or external-rotor BLDC motor) is the optimal motor architecture for direct-drive fan applications, and its adoption in the air cooler industry represents not just an energy efficiency improvement but a fundamental mechanical simplification. In an outer-rotor design, the permanent magnet rotor is a bell-shaped or cup-shaped assembly that rotates around the outside of the stationary stator. The fan blades are attached directly to the outer face of the rotor bell, converting the motor and fan into a single integrated rotating assembly.

外部 BLDC 空冷モーターの作り方: 構造の詳細

コンポーネントから外部 BLDC エアクーラー モーターを構築することは、いくつかの重要な点でインナーローターの構築とは異なります。以下の詳細では、アウターローター構造の具体的な違いと課題について説明します。

• ステータ geometry for outer-rotor configuration: アウターローターモーターでは、ステーターの歯は半径方向内側ではなく外側を向いています。ステータ積層体には、シャフトサポート用の中央穴と、コイルが巻かれる外向きの歯があります。アウターローターステーターの場合、歯が中心から離れた方向を向いており、インナーローター設計のようにスロットに挿入するのではなく、コイルを各歯の周りに個別に巻く必要があるため、巻線プロセスは若干難しくなります。生産には自動コイル巻線機が使用されます。手巻きの場合、1歯ごとに小さなコイル巻き治具が必要です。
• ローター bell construction: の rotor bell (or cup) for an External BLDC Air Cooler Motor is typically a deep-drawn steel shell, though aluminium castings or injection-moulded high-temperature plastic with steel inserts are used in some low-cost designs. The inner circumference of the bell must be machined to a precise cylindrical bore dimension that sets the air gap (the space between the inner surface of the magnets and the outer tips of the stator teeth). This air gap must be 0.3～0.8mm 一般的な小型空冷モーター用で、振動の原因となる不均一な磁力を防ぐために全周にわたって精度が維持されています。
• ローターベルの磁石結合: の arc-segment permanent magnets (typically N42 ～ N48 グレードの焼結 NdFeB 高性能モーターの場合はハードフェライト、コストが最適化された冷却モーターの場合はハードフェライト）は、ローターベルの内壁に構造用エポキシで接着されています。接着する前に、磁石を正しい極性パターン (N-S 交互) で配置し、接着剤が硬化するまで固定具に保持する必要があります。非磁性ステンレス鋼またはガラス繊維強化テープの止め輪は、磁石の結合後にローター ベルの外側に巻き付けられ、最大動作速度で磁石に作用する遠心力に対して機械的に保持されます。
• ファンブレードの統合: の fan blade assembly of the air cooler (typically a multi-blade axial fan or a paddle fan, depending on the cooler design) is attached to the outer face of the rotor bell. In factory-built External BLDC Air Cooler Motor units, the fan blades are directly moulded or cast as part of the rotor bell casting, creating a single piece that serves as both rotor and fan impeller. In retrofit or modular designs, the fan hub attaches to the rotor bell via bolt flanges or a spline interface, with the bolt circle diameter and pitch matched to the specific fan hub specification.
• 湿潤環境用のベアリングの選択: 空冷クーラーは設計上、湿気の多い環境でも動作します (冷却メカニズムには濡れたパッドからの水の蒸発が含まれます)。外部 BLDC 空冷モーターはこの湿気の多い環境にさらされており、配水システムからの水飛沫の影響を受ける可能性もあります。エアクーラー BLDC モーターのベアリングは次のとおりです。 2RS型シールドベアリング (両側にゴム製シール)、湿気の多い条件での動作に適した防錆グリースが充填されています。これらの密閉ベアリングは、ベアリング軌道への湿気の侵入を防ぎ、湿った環境で何年も運転した後でも、再グリースを塗布することなく潤滑を維持します。

クーラーサイズごとの外部 BLDC エアクーラーモーター仕様

外部 BLDC 空気冷却器モーターの仕様は主に、立方メートル/時 (m3/h) または立方フィート/分 (CFM) で測定される空気冷却器の空気流量に一致します。次の表は、さまざまなクーラー サイズの一般的なモーター仕様を示しています。

BLDC モーター コントローラー: ブラシレス動作を支える電子頭脳

BLDC モーターは電子整流回路なしでは動作できないため、コントローラーに言及せずに BLDC モーター システムの作成方法を議論することはできません。モーターとコントローラーは相互に依存しています。使用中のモーターのパフォーマンスは、コントローラーの品質、洗練さ、モーターとのマッチングによって完全に決まります。

6 ステップ整流: 基本的な動作シーケンス

の standard BLDC motor controller operates on six-step (or trapezoidal) commutation. At any moment during motor operation, two of the three phase windings are energised and the third is left floating. The six-step sequence works as follows:

1. ステップ 1: A相がプラス、B相がマイナス、C相がフローティング。電流はステータを通って A から B に流れ、最も近いロータ磁極を通電された歯のギャップに向かって引き寄せる磁力を生成します。
2. ステップ 2: A相がプラス、B相がフローティング、C相がマイナス。ホール センサーはローターが次の位置に移動したことを検出し、コントローラーはこの新しい位相の組み合わせに切り替わり、回転磁界を電気角で 60 度進めます。
3. ステップ 3 ～ 6: の pattern continues through the remaining four phase combinations: B positive/C negative, B positive/A negative, C positive/A negative, and C positive/B negative. Each step advances the rotating field by 60 electrical degrees, and six steps complete one full electrical revolution (which corresponds to one full mechanical revolution divided by the number of pole pairs).

この 6 ステップのシーケンスは、モーターの電気周波数と同じ速度で繰り返されます。 750 RPM で回転する 8 極 (4 極ペア) のモーターの電気周波数は、750 RPM x 4 ペアを 60 秒で割った値 = となります。 50Hz 。コントローラは整流状態を次の時点で切り替えます。 この周波数の 6 倍、つまり 1 秒あたり 300 回 、BLDC ドライバー内のマイクロコントローラーが簡単に処理します。

正弦波整流と 6 ステップ: 滑らかさとノイズの低減

静かな動作が最優先される空気冷却器アプリケーションの場合、正弦波 (フィールド指向制御、FOC) 整流は、基本的な 6 ステップ整流に比べて大幅な改善をもたらします。離散的な位相の組み合わせを突然切り替える代わりに、正弦波制御は滑らかに変化する正弦波電流を 3 つの位相すべてに同時に適用し、段階的な磁界ではなく連続的に回転する磁界を生成します。その結果、トルクリップルとモーターノイズが大幅に減少します。

正弦波 FOC 制御を実装したプレミアム エア クーラー BLDC モーター コントローラーは、通常、次のような方法でモーターの可聴ノイズを低減します。 5～15dB(A) 同じモーターを駆動する 6 ステップコントローラーと比較すると、10 dB の低減がおよそ半分の音量として認識されることを考えると、これは非常に大きな違いです。ノイズに最も敏感な寝室の空気冷却器やオフィスの冷却器には、単純な 6 ステップ ドライバーよりも多少コストが高くなりますが、正弦波コントローラーを強くお勧めします。

空冷 BLDC モーターの選択と設置: OEM および改造業者向けの実践的なガイダンス

新しい製品ライン用にモーターを指定する空冷クーラーの相手先ブランド供給メーカー (OEM) であっても、エネルギー消費を削減するために既存の空冷クーラーを外部 BLDC 空冷モーターで改造するエンド ユーザーであっても、次の実践的なガイダンスでは、重要な選択と設置に関する考慮事項について説明します。

モーター出力と冷却エアフロー要件のマッチング

の motor power must be sufficient to drive the fan at the required airflow against the system's static pressure resistance (the resistance of the wet pads, ductwork, and other airflow restrictions). For a residential evaporative air cooler, the typical total system resistance is 5～20パスカル 、ファンは必要な空気流を供給しながらこの抵抗を克服する必要があります。

実際のサイジングガイドとして、10 パスカルの総静圧に対して必要な空気流量 1,000 m3/h ごとに、モーターには約 5 ～ 8 ワットのシャフトパワー 。モーター効率 (高品質の BLDC モーターでは通常 85 ～ 90%) で割ると、必要な電気入力電力が求められます。 15 パスカルに対する 3,000 m3/h の冷却器には、約 45 ～ 72 ワットのシャフト出力が必要です。 50～80ワットのBLDCモーター モーターの効率を考慮する場合に適切です。

外部 BLDC エアクーラー モーターの改造のための取り付けチェックリスト

既存の空気冷却器を外部 BLDC 空気冷却器モーターで改造する場合は、交換用モーターを注文する前に次のことを確認してください。

• ファンハブ径とボルトサークル: 既存のファンハブの取り付けインターフェースを正確に測定します。 BLDC モーターのローター ベル フランジは、既存のファン ハブ ボルトの円の直径とボルトの間隔と一致するか、互換性のあるアダプター プレートを入手する必要があります。
• モーター取り付けインターフェース: 既存のモーター取り付けブラケットの寸法 (取り付け穴のパターン、該当する場合はシャフト直径) を測定します。 BLDC モーターのステーター ハウジングが既存のブラケットに適合するか、アダプター ブラケットを製作する必要があります。
• 取り付け可能な深さ: ファン ブレード面からシュラウドの後壁までのファン シュラウドの軸方向の深さを測定します。 BLDC モーターの軸方向の寸法 (スタックの高さとローター ベルの深さ) は、少なくともこのスペース内に収まる必要があります。 10mmクリアランス 後ろの壁に。
• 回転方向: 必要なファンの回転方向（正面から見て時計回りまたは反時計回り）を確認してください。 BLDC モーターは、3 相リードのうちの任意の 2 つを交換するか、コントローラー ファームウェアの構成パラメーターによって逆転できます。元のクーラーに反転機能がある場合は、交換用のモーターとコントローラーが方向反転をサポートしていることを確認してください。
• 主電源の電気接続: の BLDC motor module's AC input must be connected with proper earthing, with cable cross-section appropriate for the motor's rated current, and with an appropriately rated upstream circuit breaker. For motors below 100 watts, a 6-amp miniature circuit breaker is standard; for larger commercial motors up to 500 watts, a 10-amp MCB is appropriate.

BLDC モーターと空冷装置のアプリケーションに関するよくある質問