モーター制御 - ブラシ付 DC モーターの概要
ブラシ付 DC モーターは、現存するモーター・トポロジの中でも非常に古くから存在するものです。この方式では、固定子フレームに取り付けられた固定式のブラシを使用します。ブラシは回転子の整流子セグメントと接触摺動し、整流子セグメントは回転するコイルのセグメントに接続されます。回転子が回転する過程では、回転子によって生成される磁界の合計量が固定子フレームに対して一定になり、回転子の磁界に対して正しい方向を向くように複数の回転子コイルの接続と接続解除が繰り返されます。これにより、トルクが生成されます。整流子セグメントが回転してブラシの場所を過ぎると、それらに対応する特定の回転子コイル・セグメントの電気的接触が解除されます。回転子コイルは誘導性であり、インダクタは高いフライバック電圧を生成して電流の変化に対して抵抗を示すため、ブラシと接触が解除された整流子セグメントとの間でスパークが発生します。このようなスパークは、電気的ノイズ、効率低下、さらに特定の状況では危険な動作など、多くの有害な結果をもたらします。加えて、良好な電気的接触を確保するために、ブラシは整流子セグメントに対してばね式装填する必要もあります。この結果、効率はさらに低下し、定期的にブラシを交換するための保守作業が必要になります。
このような欠点にもかかわらず、ブラシ付 DC モーターには 1 つの大きな利点、つまり低コストという特徴があります。ブラシ付 DC モーターの制御は比較的簡単であり、システム・コストが最重要視されるアプリケーションでは現在でも幅広く使用されています。永久磁石を使用して固定子の磁束を生成させるトポロジでは、発生する速度/トルクの曲線が非常に線形的になります。この理由から、ブラシ付 DC モーターは産業用サーボ・モーターの分野では現在に至るまで広く使用されてきました。速度とトルクが、それぞれ印加された電圧と電流に直接的に比例するからです。ただし、半導体デバイスの価格低下により、電力変換と制御のコストが低下してきています。そのため、多くの DC モーターについて、効率と信頼性の向上など多くの利点を有する AC モーターへの置き換えが進められています。
ブラシ付 DC モーターの方式には DC シャント・モーター、ユニバーサル・モーターなどいくつかの種類があり、どちらの種類でも固定子で永久磁石ではなくコイルが利用されています。DC シャント・モーターでは固定子コイルが回転子の回路と並列に接続され、ユニバーサル・モーターでは固定子コイルが回転子の回路と直列に接続されています。ユニバーサル・モーターは始動トルクが大きく、高回転動作をすることから、家電製品アプリケーションでは特によく使用されています。ユニバーサル・モーターの速度制御は、直列サイリスタを追加し、AC 位相制御を実行するだけで簡単に実現できます。ただし、ブラシ/整流子の構造はこれらのどのモーターの方式でも共通であるため、標準的な PM（永久磁石）ブラシ付 DC モーターと共通の欠点を持ちます。
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