ブラシ付きモーターとブラシレスモーターの違いを詳しく解説します。
過去200年間の機械分野における最も基本的な発明の一つがDCモーターです。この電動モーターは直流（DC）を使って回転運動を生み出します。これにより、設計者は電池で動く強力な工具、移動機器、その他の重要な用途を実現できるようになりました。
DCモーターは、ブラシ付きDCモーターとブラシレスDCモーターの二つに分類されます。共通点が多い一方、相違点もあります。一方にはブラシがあり、もう一方にはないことはよく知られていますが、違いはそれだけではありません。詳しい比較の前に、それぞれのモーターについて見ていきましょう。
ブラシ付きモーターとは
ブラシ付きDCモーターは、巻線コイルによって2極の電磁石として働く「電機子」を使用します。機械式の回転スイッチである整流子が、1周期につき2回、電流の方向を反転させます。
電磁石の極は、モーター外側に並ぶ永久磁石との間で引き合ったり反発したりします。電機子の極が永久磁石の極を通過する際、整流子が電機子の電磁石の極性を反転させ、直流を形成します。
商業的に重要となった最初のモーターはブラシ付きモーターでした。商業・産業用途の駆動には、100年以上にわたって使われています。
ブラシ付きモーターは最も基本的な方式です。動作電圧や内部の磁界の強さを変えることで速度を調整でき、多くの用途でこの程度の制御が利用されています。基本構成部品は四つあります。
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ブラシ
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ステーター
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ローター、または電機子
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整流子
ブラシ付きモーターの用途
ブラシ付きモーターは、家庭でも外出先でも至る所で見られます。電気を回転運動へ変換する必要がある場所には、ブラシ付きDCモーターが使われている可能性があります。
玩具や動きのある電気機器には、このモーターが搭載されていることが多くあります。電動歯ブラシから電動パン切り機まで、さまざまな機器にこの優れた工学技術が使われています。
より大型の用途では、クレーン、ドリル、電気推進システム、製鉄用圧延機などの機械にブラシ付きDCモーターが使われます。ブラシ付きモーターだけに見られる、トルクと速度の比を変えられる能力がその理由です。
ブラシレスモーターとは
一方、ブラシレスモーターはローターを回すためのブラシ電極を必要とせず、物理的な整流子も不要です。ブラシ付きモーターに比べ、出力重量比、制御性、速度に優れ、保守の必要性が低いことで広く知られています。
動作原理の一部は、ブラシ付きモーターを逆にしたものです。例えば、ローターには永久磁石を使い、制御可能な電磁石でローターを回します。ブラシ付きモーターには、次の二つの形式があります。
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インランナー：ステーターがローターの外側に配置される形式です。
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アウトランナー：ステーターがローターの内側に配置される形式です。旧来のフロッピーディスクドライブなどでよく見られます。
ブラシレスモーターの銅巻線コイルは固定されており、永久磁石がローターとともに回転します。小型回路基板が電磁石への供給エネルギーを管理し、従来のブラシ付きモーターのブラシに相当する働きを再現します。
実装方法には多少の違いがありますが、それ以外の基本原理はブラシ付きモーターと大きく変わりません。ブラシレスモーターが初めて使われたのは、半導体電子技術が登場した1960年代です。
ブラシレスモーターの用途
ブラシレスDCモーターは、ブラシ付きと同様に、現在さまざまな用途で広く使われています。高い効率と制御性、長い寿命により、常時稼働する機器や日常的に使用する機器でよく採用されています。
洗濯機、扇風機、エアコン、その他の民生用電子機器に使われています。その動作方式によって、現代の主要な電子機器の消費電力を大幅に減らしてきました。
ブラシレスモーターは精密に制御できるため、電気自動車やドローンにも使われています。ドローンがホバリングなどの動作を行うには、各ローターの速度を継続的かつ正確に制御する必要があり、この特長が重要です。
長期的な耐久性と信頼性、省エネルギー性、サイズに対する高い出力により、現在開発されている多くの電子機器で、急速に第一選択のモーターとなっています。
このため、ブラシ付きモーターには今後もますます新しい用途が生まれていくと考えられます。
ブラシ付きモーターとブラシレスモーターの違い
両者の構造と動作を見てきたことで、それぞれの違いをある程度つかめたのではないでしょうか。さらに、次のような違いがあります。
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ブラシ付きモーターは、整流子システムの摩擦と電力伝達で損失が生じるため、効率がそれほど高くありません。一方、ブラシレスモーターは、ブラシ付きにある機械的損失がないため、より高効率です。
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ブラシ付きモーターは構造上、ブラシの摩耗が早く、寿命が長くありません。通常、ブラシは2～7年ごとに交換する必要があります。ブラシレスモーターにはブラシも物理的な整流子もなく、全体として保守の手間が少なくなります。
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ブラシ付きモーターは、より複雑な速度制御方式を用います。電圧を下げるとトルクが低下し、トルクが大きく落ち込むため速度も低下します。ブラシレスモーターは制御しやすく、そのため低速時にも高いトルクを得やすくなります。
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ブラシ付きモーターは速度が過度に高いため、多くの用途にそのままでは適しません。通常、速度を下げてトルクを高めるためのギア機構が必要です。一方、ブラシレスモーターはこの点に特に優れ、一般にギアを使わず直接利用されます。
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ブラシレスモーターは静かに動作し、軽量で、高効率、高耐久であり、用途によっては安全性にも優れます。一方、ブラシ付きモーターは火花を発生させるため、爆発の危険がある場所には適しません。この理由から、危険な作業環境ではブラシレスモーターが一般に選ばれます。
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ブラシレスモーターは構造が比較的複雑なため、価格が高くなるのは自然なことです。一方、ブラシ付きモーターは比較的安価で導入しやすい方式です。
二つのモーターと設計原理を理解することで、それぞれの長所と短所をより的確に捉えられるようになります。