《機械》〈直流機〉[H20:問5]ブラシレスDCモータの構造と特徴に関する空欄穴埋問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

次の文章は，ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータに関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切な語句を解答群の中から選び，その記号をマークシートに記入しなさい。

直流電動機では，整流子とブラシを用いて機械的な整流が行われるが，整流時の火花による$ \ \fbox {　（１）　} \ $の発生や保守性・耐環境性等が問題となる場合がある。

近年，直流機の優れた制御特性を維持しながら，上記の直流電動機特有の短所をなくしたブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータが，永久磁石を用いた小形モータの分野を中心に採用されている。

ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータは直流電動機の整流動作を，$ \ \fbox {　（２）　} \ $の磁極位置検出と半導体スイッチの組み合わせで電子的に行わせるものである。

小形モータの分野で採用されている一般的な三相形ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータは，直流電源，パワー半導体デバイスによる電子式コミュテータ，$ \ \fbox {　（３）　} \ $電動機及び磁極位置検出器又は回路で構成されている。

通常，磁極位置検出器（センサ）としては，$ \ \mathrm {InSb} \ $，$ \ \mathrm {GaAs} \ $などの化合物半導体を用いた$ \ \fbox {　（４）　} \ $素子，光学的磁極位置検出器あるいは高周波磁気センサ等が用いられている。また，電機子巻線の誘導電圧変化や突極構造のモータでの電機子巻線の$ \ \fbox {　（５）　} \ $変化等を利用して，磁極位置を推定するセンサレス制御方式も考えられている。

〔問5の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　インダクタンス　　　　　　　&（ロ）&　直　流　　　　　　　&（ハ）&　コロナ \\[ 5pt ] &（ニ）&　ホール　　　　　&（ホ）&　回転子　　　　　&（ヘ）&　ノイズ \\[ 5pt ] &（ト）&　直流抵抗　　　　　&（チ）&　固定子　　　　　&（リ）&　\tan \delta \\[ 5pt ] &（ヌ）&　誘　導　　　　　&（ル）&　整流子　　　　　&（ヲ）&　圧　電 \\[ 5pt ] &（ワ）&　振　動　　　　　&（カ）&　同　期　　　　　&（ヨ）&　ロゴウスキーコイル \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータに関する問題です。
ワンポイント解説では概要を説明するに留めていますが，ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータは磁極位置検出やインバータ回路を使用してコイルに流れる電流を制御する等多くの原理を利用する面白いモータです。いろいろな知識を習得するとブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータの全体像も見えてくると思いますので，ぜひ様々な分野に興味を持って取り組んで下さい。

1.ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータ
$ \ \mathrm {DC} \ $モータとブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータの構造例は下図の様になります。
$ \ \mathrm {DC} \ $モータは永久磁石が固定子で電機子巻線が回転する方式が一般的ですが，ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータは永久磁石が回転する方式が一般的です。
$ \ \mathrm {DC} \ $モータでは回転する部分と電源との間にブラシと整流子が必要であり，定期的なブラシの交換が必要であるといった保守面での問題があります。一方，ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータはインバータと磁極センサにより，固定子電流を調整して制御するため，ブラシが不要となります。
ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータの磁極センサとしては、ホール素子，光学的磁極位置検出器あるいは高周波磁気センサ等が用いられます。

＜ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータの特徴＞
・ブラシと整流子による機械的接触部分がないため，定期的なブラシの交換等のメンテナンスが不要
・接触部がないため，火花の発生の可能性が低くなり，モータの寿命は一般に長くなる
・界磁を永久磁石とするため，界磁装置が不要となり一般に効率は高くなる
・回転子の位置を検出し，電機子巻線への電流を切り換える必要があるため，位置センサと半導体スイッチとで構成された制御回路が必要となる

出典：東芝デバイス＆ストレージ株式会社　ＨＰ
https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semiconductor/knowledge/e-learning/brushless-motor/chapter2/comparison-brushed-dc-motor-and-brushless-motor.html

【解答】

(1)解答：ヘ
題意より解答候補は，（ハ）コロナ，（ヘ）ノイズ，（ワ）振動，等になると思います。
ワンポイント解説「1.ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータ」の通り，一般的な直流電動機は，ブラシと整流子が必要で接触することで火花が発生する可能性があります。火花はノイズの発生原因となります。

(2)解答：ホ
題意より解答候補は，（ホ）回転子，（チ）固定子，（ル）整流子，等になると思います。
ワンポイント解説「1.ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータ」の通り，ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータは回転子の磁極位置検出を行います。

(3)解答：カ
題意より解答候補は，（ロ）直流，（ヌ）誘導，（カ）同期，等になると思います。
ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータは，回転界磁形同期電動機の構造をしています。

(4)解答：ニ
題意より解答候補は，（ニ）ホール，（ヲ）圧電，（ヨ）ロゴウスキーコイル，等になると思います。
ワンポイント解説「1.ブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータ」の通り，磁極センサとして用いられるのはホール素子となります。ホール素子はホール効果の原理を利用したセンサです。

(5)解答：イ
題意より解答候補は，（イ）インダクタンス，（ト）直流抵抗，（リ）$ \ \tan \delta \ $，等になると思います。
センサレス制御方式のブラシレス$ \ \mathrm {DC} \ $モータには，突極構造のモータではインダクタンスが位置により変化するため，電機子巻線のインダクタンス変化を利用して，磁極位置を推定する方式があります。ただし，演算で行うため応答性が悪い等のデメリットもあります。