ブラシレスモータの使い方(私なりの考えですから・・・誤記・誤解・色々お許しください)

ブラシレスモータと言っても万能ではありませんよね、使い方を間違えたり、誤解していると十分に性能を出してくれませんし、下手をするとコイルを燃やしたり、FETを破損させたりしちゃいます。ここでは、基本的な事柄について説明します。


基本となります。オームの法則でーーす。
モータ関係で使う抵抗値は、1/1000Ωオーダーですから間違えないでくださいね

オームの法則     電圧(V)=電流(I)*抵抗(R)
単位について 電圧はボルトで、で表します。
電流はアンペアで A で表します。  1A=1000mA
抵抗はオームで  Ω で表します。  1Ω=1000mΩ

モータの基本データ(仕様)から解かること

Kv値
(メーカー品では最初から進角を付けてあるモータがありますのでモータをそのまま測定しても正確には出ませんので、カタログ値を参照します)
トルクとは逆数となります。
Kv値とは Kv値は1V当たりの回転数です。使用する電圧から回転数を割り出すのに使ったり、用途から使用電圧を計算するのに使います。(進角0度での無負荷状態での回転数)
ロータの磁石 ロータに使用する磁石によって、磁力が強い場合、Kv値は低くなりトルク型になります。
ロータ長 ロータが長いほどKv値は低くなりトルク型になります。
ローター径 ロータ径が大きいほど、Kv値は低くなりトルク型になります。
ロータ極数 ロータ極数が多いほどKv値は低くなりトルク型になります。
コイル数 コイル数が多いほどKv値は低くなりトルク型になります。
Rm値
(コイル抵抗)
結線方法 結線方法は、Kv値とRmに反映されますので、特に問題とはなりません。
コイルの線径 1本当たりの径が大きいほどRmは少なくなります。
コントローラ抵抗
(カタログ値参照・・での注意)
1.5mΩ*2となっていたら
3.0mΩ+2mΩとお考え下さい。約5mΩが全体抵抗に近い
コントローラ抵抗は、低いほどロス電力が少なく全体の効率を高めます。
全体抵抗は、モータコイル抵抗(Rm)+ケーブル+コントローラ+ケーブル+コネクターです。
意外に大きい抵抗が、ケーブルとコネクターです。

Kv値の扱い方の基本は、実際に負荷(プロペラなど)を駆けた時のコントローラへの入力電圧を元に計算します。
(僕の場合を例えれば、RC2000を10セルでドライブさせる場合を考えてみます。  Kv値を2000とします)
無負荷で数A流している場合だと、電圧降下も少なく約13Vありますから、この状態では2000*13=26000(RPM)になりますが、実際に負荷を駆けた場合、電流やバッテリーの状態にもよりますが、電圧降下で10V台に下がります。そうすると例えば10.0Vとすると2000*10=20000(RPM)となりますから、その時の負荷の状態を調べます。
実際は、18000RPM回っているとすると、18000/20000*100=90(%Kv)となり負荷としては適正な値とされています。
バッテリー電圧をそのまま使うと 18000/26000*100=69(%Kv)なんて過負荷のようになってしまいます。地上で測定しますから実際にフライトさせた時より負荷は大きくなりますので、細かな調整は、実際のフライトで調整する必要が出てきます。
考え方の違いで、色々この数値が違うとは思いますが、私としては85%Kvが限度ではないかと思っています。以前、黒澤さんのデータをお聞きしたときに95%Kvだったのを知り(こちらで勝手に計算)セッティング次第ですばらしいフライトをするなーーと感心させられました。(セッティングは角倉さんからとの後日メールあり)・・サスガ
モータの効率との兼ね合いもありますので、一概には言えませんが、自作モータの場合90%を目標にしたいと思います。私のモータ+コントローラでは、大体88%前後をさまよっていてなかなか90%に達しないですね


Rm値の扱い方の基本は、コントローラ抵抗と一緒に考えなければなりません。
コイル抵抗を意識して使っている方は、あまり多くはないと思います。私も以前は、無頓着でしたが、自作をやり始めてから急に事の重大さに目覚めました。
コイル抵抗が高いとどうなるか?
簡単に言えば、沢山電流を流すと、コイル自体の抵抗で電圧が発生してロス(発熱)する事です。
例えば、コイル抵抗が1Ωの場合で、電圧10Vとするとどうでしょうか、単純に計算しても1A以上流れませんよね、モータがロックしても1Aでからね、回転を始めれば電流は減りmAオーダーの消費電流になります。これでは、パワーが出るはすもありません。
では、0.01Ωの場合では、単純には1000A(実際はニッカドの内部抵抗で流れない)流れる事になります。
これは、極端な例でしたが、実際には、20mΩ代から50mΩ代が普通ですから、目的に応じて選択します。ただ言える事は、Rmが小さいほど効率の良い電流領域が広い事ことです。(グラフ参照)

コイル抵抗が大きいと、効率の良い電流領域が狭くなる。
(電圧一定)
例、130ミニミニブラシレスモータ+コントローラの例を極端に表示
コイル抵抗が少ないと効率の良い電流領域が広くなり使い安いモータとなる。
(電圧一定)
例、ミドルクラスモータを例にしました。
私の使っているプログラムです。モータ特性表示
不正確なプログラムかもしれませんが、より実戦に近いと思います。モーター作るときに大活躍の物です。
ウインドウズ実行形式です。(BASICの自家製)
プログラム(W.EXE)

このように、コイル抵抗(Rm)は、少ないほど良いことになります。しかし、コントローラ抵抗が問題になってきます。
モータが回転してしまえば、特に問題はないのですが、起動時の状態を計算すると、なんとなく背筋が寒くなります。
例、Rmが20mΩでコントローラが30mΩだった場合は、どうでしょうか。
合成抵抗は、50mΩですから、計算上200A流れる事になります。すると、モータには0.020*200*200=800W コントローラには 0.03*200*200=1200Wとなります。(実際には100A程度しか流れない)これでは、効率の良いシステムとは言えなくなってしまいます。
コイル抵抗が100mΩ位なら、問題はありませんが、コントローラの抵抗値も、コイル抵抗に合わせて少なくする必要がここにあります。

(注:回転し始めれば、コイルの抵抗が増えて特に問題はありません)
(注:コイル抵抗が小さいと無負荷電流はおおむね大きくなります)


モータに記載された効率とは?
既製品(マスプロ製品)には、全て最高効率が記載されています。これは、ある条件での最高効率であることを知っておく必要があります。例えば、コントローラの効率を0に補正した数値であるか?使用電圧は何ボルトの電流値はいくつなのか等を細かく知った上で使わないと、その効率は出ないはずです。
早い話し、全開状態での効率と、中スロー状態での効率は違います。なぜかと言いますと、中スローでは、たとえPWM制御でFETからパルス状に電源電源電圧を与えたとしても、モータ側としては、平均値の電圧になりますから、電圧を下げた状態で回転しているのと同じ事になります。それは、効率が落ちる事を意味します

(過負荷状態で使い、中スローの方が効率が良い場合も出て来ますよ)
効率の良いモータを本当に効率良く使う為には、細心のセッティングが必要です。効率の良いモータをただ使っているだけでは、効率は良くならないのです。


どうやったら、上手に使えるか?
まずは、どう使うか決めないと話しが進みませんので、使用するペラやギヤ比から、目的のモータの回転数を割り出します。
モータの回転数(RPM/0.9)から、逆算して使用電圧(セル数)を出し、その時の効率曲線を書きます。・・・計算式はこちら

(全体の抵抗が小さいほど、平行線に近い効率曲線が書けます。)
全体抵抗にもよりますが、最高効率の付近は、なだらかな曲線となりますので、たとえば30AでMAXとなったとしても、20−45A近辺までは、あまり変化が無いとかが読みとれると思います。その電流域で電流の大きい方に細かく調整すればOKとなります。
逆に全体抵抗が大きい場合は、電流域が狭くなりやすいので出来るだけ大きい電流で、許容範囲に収めるようにします。
(無負荷電流にも注意して下さい)


極端な場合・・・・
F5Bの27セルを考えた場合は、どうでしようか?
コイルのターン数を少なくして(例えば1.5ターン)、Rmを出来るだけ小さくしてみると・・・・例えば20mΩ
コントローラは世界最高のシュルツを使いコントローラ抵抗が5mΩとして計算してみると・・・・最高効率の電流は、約70A・・・すご
地上では25V(V−MAX)で90Aとして約2250W入力でギヤロスも含めて効率は80%で軸出力は1800W・・ほとんど熱くならないそうですね
すご・・・い

つづく


私の参考書(寺田氏メールより)

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