ブラシ付き DC モーターを低コストに保つ

安価で操作が簡単なブラシ DC モーターは、自動車、航空宇宙、医療、産業などの業界において、適切な価格で理想的なパフォーマンスのバランスを提供します。 その結果、世界中で年間数十億個が製造されており、この数字は今後 10 年間で増加すると予想されています。

しかし、電磁適合性 (EMC) 要件の増加と、より混雑した「ノイズの多い」電子環境により、これらのローエンド ソリューションのコストがより高価なブラシレス代替品と同等のレベルにまで上昇し、バランスが崩れる恐れがあります。

問題は、ブラシが整流子をこするときに発生する電磁干渉 (EMI) であり、これは設計固有の欠点です。 発生するノイズに対抗するには、シールド部品とフィルタ部品を組み合わせる必要があります。 これはコストを押し上げるだけでなく、市場にあるブラシ DC モーター用の多くの EMI/RF フィルタリング ソリューションも、今日のより高度な EMC 要件を満たすのに満足できるものではありません。

「多くの EMI フィルタリング ソリューションは、発生するすべての形態のノイズを除去できるわけではありません。また、多くのソリューションでは、それに応じてコストが上昇しなければ、より高い DC 電流を処理できません」と、さまざまな多層セラミックを製造する会社 Johanson Dielectrics の Christophe Cambrelin 氏は説明します。コンデンサーとEMIフィルター。

これらの懸念に対処するために、Johanson Dielectrics などの企業は現在、進化する EMC 要件を満たしながら、ブラシ DC モーターのコストをわずかに増加させる、より高度な EMI フィルタリング ソリューションを提供しています。

電子機器が強い電磁波を受けると、回路内に不要な電流が誘導され、本来の動作に支障をきたすことがあります。 EMI は、稼働中の機器に物理的な損傷を引き起こす可能性もあります。

問題を悪化させるのは、動作回路周波数の増加、影響を受ける周波数範囲を拡大する高周波ノイズ、発生源と被害者の間の距離を縮める電子機器の小型化です。 それでも十分ではない場合、今日の回路はより低い電圧で動作するため、エネルギーが少なくても、多くの電子機器はノイズの影響を受けやすくなっています。

その結果、自動車分野などの業界ではブラシレス DC モーターへの注目が高まっています。 これらのモーターでは、転流は電子的に行われます。 したがって、ノイズの発生は大幅に少なくなります (機械的な整流によってノイズが発生しません) が、実装の複雑さとコストは増加します。

したがって、選択肢があれば、OEM は、必要な量を考慮してブラシ DC モーターの価格を比較的低価格に維持できるソリューションを好むでしょう。

EMI/RFI 干渉は、数百ヘルツから数ギガヘルツまでの広い周波数範囲で放射または伝導されます。 放射ノイズは、配線にさまざまなレベルの電圧が印加されると発生します。 放射線をモーターハウジング内に閉じ込めるために、ブラシ付き DC モーターのメーカーはいくつかの予防措置を講じる必要があります。 最も重要なのは、モーターハウジングに使用される材質です。金属製であり、その上に金属キャップ (プラスチックではありません) が取り付けられている必要があります。 キャップがプラスチックでできている場合、ユーザーはキャップを金属シールド (金属化された PCB など) で覆う必要があります。

EMI/RFI が発生すると、発生したノイズが電力リード線に沿って伝わり、放射されます。 シールドは伝導ノイズに対して効果がないため、別のデバイスでフィルタリングが必要です。

従来のコモンモードフィルタリング手法には、選択したカットオフ周波数より低い周波数の信号を通過させ、カットオフ周波数より高い周波数の信号を減衰させるコンデンサで構成されるローパスフィルタが含まれています。

OEM 向けのオプションには、2 コンデンサ差動、3 コンデンサ (X キャップ 1 つと Y キャップ 2 つ)、フィードスルー フィルタ、コモン モード チョーク、LC フィルタ、またはこれらの組み合わせなどがあります。

しかし、増大するEMC要件を満たすには、2つのコンデンサの差動フィルタなどの低コストのソリューションでは不十分です。これは、不整合なコンデンサが各ラインの異なるフィルタリングを生成し、そのためモード変換（つまり、コモンモードノイズの一部が差動モードノイズに変換されるため）です。 、 およびその逆）。 EMC 要件が比較的低い周波数 (つまり、<150MHz、自動車の AM/FM ラジオなど) のみである場合、従来の 3 つのコンデンサ フィルタで十分です。

3 つのコンデンサ フィルタは優れたフィルタリング性能を提供しますが、通信周波数帯域のノイズをフィルタリングする場合には一般に効果がありません。 フィードスルー フィルタなどの他のソリューションは、広い周波数帯域にわたって優れた除去を提供しますが、電力線に数アンペアの電流を流す必要がある場合は高価になります。 さらに、フィードスルー フィルタはシングルエンド デバイスであるため、(2 キャップ フィルタのように) モード変換が発生する可能性があります。 「発生するノイズに関係なく、高い DC 電流が必要な場合は、非常に大型で高価なフィードスルー フィルターが必要になります。これにより、低コストのソリューションとしてブラシ DC モーターが不要になります」と Cambrelin 氏は述べています。 ブラシ付き DC モーターの場合、ローパス フィルターの代わりにコモン モード チョークが考えられます。

コモンモード信号 (同じ AC 電流) がコモンモード チョークの各巻線を通過すると、各巻線からの磁界が加算されるため、インピーダンスが大幅に増加します。 一方、差動信号 (逆の AC 電流) が各巻線を通過すると、各巻線からの磁界が互いに減算されるため、インピーダンスが大幅に減少します。

そのため、コモンモードチョークはコモンモードノイズをブロックしますが、差動信号は通過させます。 フィードスルー フィルタと同様に、大きな電流 (つまり 1A rms 以上) を流すには、より大型で高価なコモン チョークが必要です。 コモンモードチョークの人気にもかかわらず、より良い代替品はモノリシックEMIフィルタかもしれません。

コモンモードチョークと比較して、モノリシック EMI フィルタは、大幅に小さいパッケージで大幅に優れた RFI 抑制を実現します。 モノリシック EMI フィルタは、より広い周波数帯域も除去し、シャント (ラインと「グランド」の間) に取り付けられているため、必要な DC 電流の量の影響を受けません。

EMI フィルタは、相互インダクタンスのキャンセルとシールド効果を備えた 2 つの平衡シャント コンデンサを 1 つのパッケージに組み合わせています。 Johanson Dielectrics のこれらのフィルタは、4 つの外部接続に接続された 1 つのデバイス内で 2 つの別々の電気経路を使用します。

他の EMI フィルタと同様に、モノリシック EMI フィルタは、指定されたカットオフ周波数を超えるすべてのエネルギーを減衰し、不要なノイズを「グランド」に逃がしながら、必要な信号エネルギーのみを通過させることを選択します。 ただし、重要なのは、非常に低いインダクタンスと整合されたインピーダンスです。 モノリシック EMI フィルタでは、終端がデバイス内の共通の基準 (シールド) 電極に内部で接続され、プレートは基準電極によって分離されます。

モノリシック EMI フィルタは 50KHz ～ 6GHz で有効であり、コモンモード ノイズと差動モード ノイズの両方をフィルタリングします。 また、フィルターはモーターと並列で動作するように設計されており、DC 電流が流れないため、DC 電流の量に事実上制限がありません。

フィルターの種類に関係なく、見落とされがちな要素は、多くのブラシ付き DC モーターがパルス幅変調 (PWM) 信号によって制御されているという事実です。 PWM 信号を使用すると、電圧は数キロヘルツ (kHz) から数十 kHz までの非常に速い速度でオンとオフが切り替わります。 供給される合計電力は、スイッチがオンになっている時間とオフの時間を比較して計算されます。 モータの時定数は PWM 信号の周期に比べて非常に長いため、PWM 信号はモータに特に適しています。 そのため、ブラシ付き DC モーターは、あたかも PWM 信号の平均が電源リード線に適用されたかのように動作します。

「最初に実験室でモーターをテストするとき、EMI フィルターはうまく機能するかもしれませんが、電源リード線に PWM 信号を適用すると、すべてが変わります」と Cambrelin 氏は説明します。 「ノイズはフィルターで除去したいが、PWM 信号を[意図せずに]フィルターで除去することは望ましくありません。適切なフィルターを選択しないと、モーターが始動すらできない可能性があります。」 これは、差動 LC フィルタの開発に慣れていないユーザーにとっては問題になる可能性があります。

モノリシック EMI フィルタを使用すると、フィルタリングに特別なスキルは必要ありません。フィルタの応答 (つまり、周波数に対するコモンモード ノイズの除去) はメーカーから直接提供されます。 Cambrelin 氏によると、Johanson Dielectrics は、PCB を製造することなくモノリシック EMI フィルタをハウジングに直接取り付けることができるブラシ DC モータ用の統合ソリューションにも取り組んでいます。

「EMI 問題は、Bluetooth、Wi-Fi、そして今では 5G デバイスの高周波でさらに問題になるでしょう。つまり、EMI フィルタは、適切な信号を通過させながら、より広い周波数範囲を処理する必要があります。これはまた、役に立ちます」 OEM は、ほとんどの国に存在する、放出されるノイズの量を制限する規制基準を満たしています。」