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
一般的な永久磁石式のブラシ付きDCモーターでは、固定子に永久磁石、回転子に電機子巻線と整流子を備えます。ブラシと整流子で回転位置に応じて巻線電流を切り替えます。極数や整流の回数は構造によって異なります。
電機子の磁界と固定子の磁界の相互作用でトルクが生じます。整流子は回転に合わせて電機子巻線への通電を切り替える部品であり、直流電源を新たに作るものではありません。
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。
速度とトルクは電源、負荷、巻線と制御方式に依存します。永久磁石式と巻線界磁式では調整方法が異なるため、界磁制御の説明をすべてのブラシ付きモーターに当てはめないでください。主な構成部品は次のとおりです。
ブラシ
ステーター
ローター、または電機子
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。
産業用途では、電源・負荷・速度範囲に応じて各種のモーターと駆動器を選定します。トルクと速度の調整はブラシ付き方式だけの機能ではなく、制御方式や機械構成も比較する必要があります。
ブラシレスモーターとは
ブラシレスモーターは機械的なブラシと整流子の代わりに電子駆動回路で通電を切り替えます。電刷の摩耗はなくなりますが、効率、回転速度、保守と寿命の優劣は具体的な設計と使用条件で比較します。
一般的な永久磁石ブラシレスモーターは、ローターの永久磁石とステーター巻線を組み合わせます。ローター位置に応じた電子整流が必要であり、代表的な配置には次の二つがあります。
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。
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。
ブラシレス方式を検討するときは、必要なトルクと速度、運転時間、温度上昇、駆動器、寸法とコストを整理します。方式名だけで耐久性、省エネルギー性や最適性を判断することはできません。
ブラシ付き・ブラシレスの両方式について、用途に必要な動作点と検証条件をそろえて比較します。
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。
ブラシレス方式ではブラシ接触部の損失がなくなりますが、軸受などの機械損失、銅損、磁気損失と駆動回路の損失は残ります。効率は同じ電源・負荷・冷却条件で測定したシステム全体の値を比較します。
電刷の摩耗と交換時期は、材質、電流、整流、速度、運転時間と環境によって異なります。一律の交換年数は示せません。ブラシレスでも軸受、絶縁、電子回路などの耐久性を確認する必要があります。
ブラシ付き方式は用途によって比較的簡単な駆動回路を使えます。ブラシレス方式は電子整流が必要であり、制御の複雑さと低速トルクはセンサー、制御方式と電流・熱限度によって変わります。
減速機の要否は、負荷側に必要な速度・トルク、モーター動作点、寸法と効率で判断します。ブラシ付きでもブラシレスでも、直結と減速駆動の両方を検討できます。
騒音、効率、保守、寿命は、具体的なモーターと使用条件で比較します。ブラシレス構造だけで危険場所への適合が認められるわけではなく、必要な機器認証とシステムの安全要件を確認する必要があります。
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。