DCモータは、直流電源を利用して回転運動を生み出すモータです。電気エネルギーを機械エネルギーに変換する仕組みを持ち、産業機器から医療機器、自動車の電装品まで幅広い分野で採用されています。DCモータにはブラシ付きやブラシレスの種類があり、それぞれ異なる構造や特性を持っています。ブラシ付きDCモータは駆動回路が不要で低コスト、ブラシレスDCモータは長寿命かつ静音性に優れるなど、用途や求める性能に応じた使い分けが可能です。
また、交流電源で動作するACモータとの違いを正しく理解すれば、用途に適したモータ選定に役立ちます。DCモータは電圧調整による速度制御の自由度が高く、バッテリ駆動にも対応できる一方、ACモータは構造が堅牢で長時間の連続運転に適した設計です。
本記事では、DCモータの基本的な回転原理と構造、ブラシ付き・ブラシレスの種類ごとの特徴、ACモータとの比較を分かりやすく解説します。モータ選定の参考としてお役立てください。
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DCモータの仕組みと基本構造
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DCモータは、直流電源による電気エネルギーを回転運動に変換するモータです。動作の根拠となる物理法則、主要な構成部品の役割、そして速度制御の方法を正しく理解することが、DCモータを適切に扱う上での基礎となります。以下では、これら3つのポイントを順に解説します。
このセクションで解説する内容
- フレミングの左手の法則による回転原理
- ロータ・ステータ・整流子・ブラシの役割
- 電圧調整とPWMによる速度制御
ここでは、DCモータの回転原理と構成部品、速度制御の基本について解説します。
フレミングの左手の法則による回転原理
フレミングの左手の法則は、DCモータの回転原理の基礎となる法則です。ブラシ付きDCモータでは、固定子側に永久磁石または電磁石を配置し、磁界を形成します。磁界の中にコイルを配置して直流電流を流すと、磁界と電流の相互作用によって電磁力が発生します。発生する力の大きさは、磁界中の電流が流れる導線に働く力の関係式F=BLI（B：磁束密度、L：磁界中の電線長さ、I：電流）で表される値です。
この関係式から読み取れるのは、磁束密度が高いほど、磁界中の電線が長いほど、そして電流が大きいほど、発生する力も大きくなるという関係です。実際のモータでは複数のコイルを配置して連続的にトルクを発生させており、計算は複雑になりますが、基本はこの関係式に基づいています。
力の向きはフレミングの左手の法則によって決まり、左手の親指が力（F）、人差し指が磁束（B）、中指が電流（I）の方向です。コイルに生じた電磁力がロータを回転させますが、半回転後に電流の向きが同じままでは回転が停止します。整流子（コミュテータ）とブラシが回転に合わせてコイルへの電流の向きを自動的に切り替えるため、連続的な回転運動が生まれます。
ロータ・ステータ・整流子・ブラシの役割
ロータ・ステータ・整流子・ブラシは、ブラシ付きDCモータを構成する4つの主要部品です。各部品はそれぞれ異なる役割を担っており、これらが協調して動作することで、DCモータは連続した回転運動を維持できます。各部品の役割は以下のとおりです。
| 部品名 | 役割 |
| ロータ（回転子） | コイルと鉄心で構成され、電磁力を受けて回転する部分。出力軸に接続されている |
| ステータ（固定子） | 永久磁石または電磁石を配置し、内部に磁界を形成する |
| 整流子（コミュテータ） | ロータ上に設置され、回転しながらブラシとの接触位置を変えて電流方向を切り替える |
| ブラシ | 電源と接続され、整流子を介してロータのコイルへ電流を供給する消耗部品 |
整流子とブラシを介してロータのコイルに電流が供給され、電流の向きが自動的に切り替わるため、ロータは一定方向に連続した回転を維持できます。整流子は電流方向を切り替える機能を持つ部品であり、この整流機能がなければモータは回転を継続できず、軸は固定されたままとなります。
なお、ブラシは回転する整流子と常に接触しているため摩擦が生じ、使用に伴って摩耗する消耗部品です。長期間の使用では定期的な交換や点検が必要になるため、ブラシ付きDCモータの設計時に考慮すべきポイントです*。
*当社モータは部品の交換は行えません。
電圧調整とPWMによる速度制御
電圧調整は、DCモータの回転速度を制御する基本的な方法です。印加電圧を変えると回転速度は変化します。実際の電流は回転速度や負荷の影響を受け、負荷が増えて回転速度が下がると逆起電力が減少し、より多くの電流が流れます。電圧を変えることで基本的な速度制御は可能ですが、トルクは負荷条件や逆起電力の影響を受ける点に注意が必要です。
逆起電力とは、モータが回転する際にコイル内で発生する、印加電圧と反対方向の電圧です。回転速度が上がるほど逆起電力も大きくなり、コイルに流れる電流は減少します。反対に、負荷の増加で回転速度が低下すると逆起電力は小さくなり、電流が増加してトルクが上がります。電圧・逆起電力・電流・トルクの関係を理解しておくことが、DCモータの速度特性を理解する上での基本です。
より精密な速度・トルク制御が必要な用途では、PWM（パルス幅変調）技術が広く採用されています。PWM制御は、電源のオンとオフを高速に切り替え、デューティ比を変えることでモータに加わる実効電圧を調整する方式です。
デューティ比が大きいほどモータへの供給電力が増えて回転速度が上がり、小さくすれば供給電力が減って回転速度は下がります。電力損失も少なく、精度の高い速度調整が可能なため、産業機器や精密機器など幅広い分野で活用が進んでいます。
DCモータの種類と特徴
DCモータは、ブラシの有無によって「ブラシ付きDCモータ」と「ブラシレスDCモータ」の2種類に大別されます。両タイプは構造が異なるため、コスト・寿命・ノイズ・放熱性といった特性にも違いが生まれます。用途に適したモータを選定するには、それぞれの特徴と選定基準を正しく把握することが重要です。
このセクションで解説する内容
- ブラシ付きDCモータの構造と特徴
- ブラシレスDCモータの構造と特徴
- ブラシ付きとブラシレスの選定ポイント
以下では、各タイプの構造と特徴を整理した上で、選定時に押さえるべきポイントを紹介します。
ブラシ付きDCモータの構造と特徴
ブラシ付きDCモータは、整流子とブラシを介して回転子のコイルに電流を供給する構造です。ステータに永久磁石を用いる「永久磁石界磁型」と、電磁石を用いる「電磁石界磁型」に大別されます。永久磁石界磁型はさらに電機子の形式によって、以下の3種類に分類されます。
【永久磁石界磁型の分類】
- スロット型：磁気コアに溝（スロット）があり、コギング（抵抗トルク）が発生するタイプ
- スロットレス型：スロットがなくコギングが起こらず、スムーズな回転が特徴
- コアレス型：鉄心（コア）をもたず、慣性モーメントが小さく応答性・加速性に優れた構造
コアレス型はムービングコイル型とも呼ばれ、鉄心をもたない構造のためロータが軽く、起動・停止の応答速度に優れています。慣性モーメントが小さいため加減速の繰り返しにも強く、医療機器や光学機器など精密な動作が求められる分野で採用されるケースが多いタイプです。
一方、電磁石界磁型は永久磁石の代わりに電磁石で界磁束を発生させるタイプで、分巻・直巻・他励の3種類に分類されます。中型以上のモータに採用される場合が多く、界磁電流と電機子電流の組み合わせによって速度やトルクの特性が変わります。
ブラシ付きDCモータは電源に接続するだけで回転するため、電子駆動回路を用いなくても動作でき、低コストかつ制御が容易なのが利点です。一方で、整流子とブラシが常に接触するためブラシが摩耗し、定期的なメンテナンスが必要です。摩擦に起因する電気ノイズや機械的ノイズも発生するため、ノイズを抑えたい用途では注意が求められます。
ブラシレスDCモータの構造と特徴
ブラシレスDCモータは、永久磁石をロータ（回転子）に、コイルをステータ（固定子）に配置し、電子回路で電流を制御する構造です。ブラシと整流子を使わず、駆動回路（ドライバ）が回転子の磁極位置を検出し、各コイルへの通電タイミングを制御してロータを回転させます。
ブラシと整流子がないため、ブラシ摩耗による寿命低下がなく長寿命です。ブラシの接触が原因で生じる電気的ノイズや機械的ノイズも発生しにくく、静音性に優れています。長寿命のモータが求められる場合には、ブラシレスDCモータが採用される傾向にあります。
さらに、ブラシレスDCモータはコイルがステータ（ケース側）に配置されているため、コイルで発生した熱がケースを通じて外部に放出されやすく、ブラシ付きに比べて放熱効率が高い構造です。連続稼働時にも温度上昇を抑えやすく、安定した性能を維持できます。
駆動回路が必要になる分、システム全体のコストはブラシ付きより高くなる傾向がありますが、電力効率と連続稼働性が求められる用途にはブラシレスDCモータが適しています。
ブラシ付きとブラシレスの選定ポイント
ブラシ付きとブラシレスのどちらを選ぶかは、コスト・寿命・ノイズ・制御性といった要件によって異なります。両タイプの主な違いを以下の表で比較します。
| 比較項目 | ブラシ付きDCモータ | ブラシレスDCモータ |
| 駆動回路 | 不要（電源接続で回転） | 必要（電子回路で制御） |
| 寿命 | ブラシ摩耗により比較的短い | ブラシ摩耗がなく長寿命 |
| 電気的ノイズ | ブラシ接触により発生する | 機械的接点がないため少ない |
| 放熱性 | 比較的低い | コイルがケース側にあり高い |
| コスト | 構造がシンプルで比較的低コスト | 駆動回路が必要でコスト高傾向 |
初期コストを抑えたい場合や、駆動回路を使わずシンプルに動作させたい用途にはブラシ付きが適しています。長寿命が求められる用途には、ブラシレスが有力な選択肢となります。
高温環境で連続稼働させる場合は、放熱効率の高いブラシレスが有利です。医療機器や光学機器など静音性が求められる分野でも、ノイズの少ないブラシレスが選ばれる傾向にあります。反対に、間欠的な使用で長寿命が必須条件でなければ、コストメリットのあるブラシ付きが合理的な選択肢です。用途に合わせた最適なモータの選定を進めるには、メーカーへの相談も有効な手段です。
DCモータとACモータの違いと用途
DCモータとACモータの根本的な違いは、使用する電源の種類です。DCモータは直流電源、ACモータは交流電源で動作し、電源の違いが構造・制御方法・適した用途の差異を生み出しています。
以下では、電源と構造の違い、制御性能の差異、そしてDCモータが採用される主な用途について解説します。
このセクションで解説する内容
- 電源と構造の違いを比較する
- 制御方法と性能の違いを理解する
- DCモータが活躍する主な用途
ここでは両者の違いと、DCモータの主な用途を解説します。
電源と構造の違いを比較する
電源と構造の違いは、DCモータとACモータを比較する上でもっとも基本的なポイントです。DCモータは直流電源で動作し、ブラシ付きDCモータでは整流子とブラシでコイル電流の向きを切り替え、ブラシレスDCモータでは電子回路による通電タイミング制御によって回転磁界を形成します。一方、ACモータは交流電源の特性を利用して固定子に回転磁界を発生させるため、構造がシンプルで堅牢な設計です。
構造の違いが生まれる背景には、電流の性質の差があります。AC電源は電流の向きが周期的に入れ替わるため、その特性をそのまま利用して回転磁界を発生させられます。DC電源は電流が常に一方向にしか流れないため、回転磁界の形成には整流子・ブラシや電子回路による電流方向の制御が不可欠です。ACモータは付加的な機構が少なくて済むため、部品点数が少なく堅牢な構造になる傾向があります。
両者の主な違いを以下の表にまとめます。
| 比較項目 | DCモータ | ACモータ |
| 電源 | 直流（DC） | 交流（AC） |
| 電流の特性 | 定方向に流れる | 周期的に方向が切り替わる |
| 代表構造 | ブラシ付き：整流子・ブラシ ブラシレス：電子回路が必要 | 交流電源の特性を利用したシンプルな構造 |
| 堅牢性 | ACモータに比べると部品点数が多い | 構造がシンプルで堅牢 |
電源と構造の違いが、制御性や耐久性、メンテナンス性の差につながっています。
制御方法と性能の違いを理解する
制御方法と性能の違いは、モータ選定における判断基準の一つです。DCモータは電圧やPWMによる速度制御・トルク制御・ブレーキ機能・回転角度制御など、自由度の高い制御を実現できる点が特長です。DC電流はAC電流に比べて電気信号を操作する上で有利な場面が多く、ACモータでは対応が難しい細かな制御もDCモータでは可能になります。
具体的には、DCモータでは速度制御やトルク制御に加え、異常検知機能や回転角度量の指定まで組み込めます。ACモータでも速度制御は可能ですが、DCモータのほうがより正確に、自由度高く実現できる場面が多いです。
ACモータはインバータなどにより周波数に基づく速度制御を実施しますが、システム構成によってはDCモータほど細かなトルク制御や応答性を重視した制御には向かない場合もあります。一方で、ACモータは構造がシンプルなため耐久性に優れ、連続運転に適した特性を持っています。長時間にわたって安定した回転が求められる工場のポンプやコンベヤなどの設備では、ACモータが有力な選択肢です。
モータを選定する際は、用途に求められる制御精度や応答性を整理した上で、DCモータとACモータのどちらが要件に合致するかを検討します。
DCモータが活躍する主な用途
DCモータが幅広い分野で採用される理由の一つが、バッテリ駆動への対応です。持ち運べるバッテリを電源として使用できるため、自動車の電装機器や電動工具、電動アシスト自転車など、携帯性が求められる用途に適しています。家庭・産業分野でもDCモータの活用範囲は広がっています。主な用途は以下のとおりです。
【DCモータの主な用途】
- 自動車電装機器（パワーウィンドウ、ワイパー、シートモータなど）
- 医療機器（ポンプ、内視鏡駆動部など）
- 空調機器・給湯器（エアコン、冷蔵庫など）
- 光学機器（カメラ、プロジェクターなど）
- 産業機器（ロボット、搬送装置、計測器など）
- セキュリティ機器（電子錠など）
暮らしの面では、エアコンや冷蔵庫、給湯器などの家庭用機器にDCモータが組み込まれています。仕事の面でも、オフィスに設置されたプロジェクターや金融機関で使われるATM端末の内部で採用されており、換気システムを中心とした住宅設備にも活用が広がっている状況です。産業分野でも精密制御が求められるロボットや搬送機器への採用が進んでいます。
なお、DCモータとほぼ同様の構造を発電用途で用いる場合は、一般に「ダイナモ」と呼ばれます。DCモータは電気エネルギーを回転運動に変換しますが、ダイナモは回転運動から直流の電気エネルギーを生み出す装置です。用途ごとに最適なモータのタイプや仕様は異なるため、具体的な選定を進める際は専門メーカーへの相談を推奨します。
まとめ
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DCモータは直流電源で動作するモータであり、フレミングの左手の法則に基づく回転原理を持ちます。ブラシ付きとブラシレスの2種類に大別され、ブラシ付きは駆動回路不要で低コスト、ブラシレスは長寿命・低ノイズ・高い放熱性といった特長があります。ACモータと比較すると、一般的な構成では速度制御の自由度が高くバッテリ駆動にも対応できるため、医療機器や自動車電装機器、産業機器、光学機器、セキュリティ機器など幅広い分野での採用実績を持つ製品です。
用途に適したDCモータの選定には、構造や特性を正しく理解した上で、求められる制御精度・応答性・寿命・コスト・使用環境などの要件を整理し、専門メーカーへ相談する方法が有効です。
タキロンシーアイでは、コアレスモータやブラシレスモータ、ギアードモータをはじめとするマイクロモータ製品を取りそろえており、お客様の要件に応じた最適なモータのご提案が可能です。お気軽にお問い合わせください。
製品情報・お問い合わせ
タキロンシーアイのマイクロモータ製品については、以下のウェブサイトで詳細をご覧いただけます。
- 製品サイト：https://cik-ele.com/
- コアレスモータ：https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- ブラシレスモータ：https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- ギアードモータ：https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- エンコーダ：https://cik-ele.com/products/list/encoder/
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