ブラシレスDC（BLDC）モーターは、ベンチ上ではスムーズに動作するものの、バッテリー駆動の機械が負荷を受けて加速した瞬間に停止してしまう。モーターは回転し、コントローラーは起動し、バッテリーパックは静止状態では正常な電圧を示す。しかし、何らかの不具合が発生し、バッテリー、コントローラー、モーターのどれが原因なのかが明確ではない。
ほとんどの場合、個々の部品に不具合はありません。部品は、銘板に記載されている数値に基づいて選定されていますが、それらの数値は部品同士の連携動作については説明していません。このガイドでは、バッテリーの出力制限やモーターの要件から、コントローラーの互換性、熱管理、実環境テストに至るまで、重要な選定手順を網羅しています。
バッテリーが実際に何を提供できるかから始めましょう。
公称電圧は表示上の値であり、動作状態を示すものではありません。48Vと表記されたバッテリーパックは、満充電時の電圧からBMS（バッテリー管理システム）またはコントローラーが動作を停止する電圧まで、幅広い電圧範囲で動作し、電流が流れるたびにさらに電圧が低下します。コントローラーの入力範囲は、公称値だけでなく、加速時の一時的な電圧低下も含めた、この電圧範囲全体をカバーする必要があります。
例えば、13直列のリチウムイオンバッテリーパックを考えてみましょう。満充電時の電圧は約54.6V（13セル×4.2V）です。セルの化学組成やBMSのカットオフ電圧によっては、低電圧域では39～42V程度まで低下する可能性があり、負荷が大きい場合はさらに電圧が低下することもあります。動作電圧範囲が狭いコントローラーであれば、バッテリーパックが完全に空になるずっと前に低電圧でシャットダウンしてしまう可能性があります。実際の動作範囲は、セルの種類やBMSの設定によって異なります。
電流容量についても同様に綿密な検討が必要であり、その制限要因はセルだけではありません。バッテリーセル、BMS、コネクタ、配線など、システムが安全に引き込める電流の上限は、これらの要素によって決まります。最も低い制限値が、利用可能な最大電流を決定します。通常の動作電流に対応できるバッテリーパックでも、モーターが加速時に瞬間的に電流をサージすると、保護回路が作動する可能性があります。そのため、BMSとセルの制限値を、定常運転時だけでなく加速時の想定される需要と比較し、コネクタやケーブルの太さによって電圧降下が大きくなり、コントローラが低電圧しきい値に近づいていないかを確認してください。
モーターの負荷要求値を算出してください。
ブラシレスDCモーターの選定は、出力定格ではなく負荷に基づいて行うべきです。必要な速度でのトルク、負荷を動かすのに必要なトルク、加速速度、そして作業サイクル全体を通して負荷がどのように繰り返されるかといった要素を総合的に考慮して、モーターの性能を判断します。定格出力だけでは、これらの要素のほとんどが隠されてしまいます。例えば、巡航負荷を余裕をもって支えられるモーターでも、重い機械を始動させたり、坂道を登ったりする際には、余裕がほとんどない場合があります。
これは、次の3つの質問を分けて考えるのに役立ちます。アプリケーションが通常の速度で必要とする連続トルクはどれくらいか？必要な最大トルクはどれくらいで、どれくらいの時間必要か？そして、モーターの巻線はパック電圧に適しているか？
モーターの速度定数は、無負荷時の回転速度と印加電圧の関係を示しますが、用途で必要とされるトルクは、そのトルクを発生させるために必要な電流を大きく左右します。モーターが用途の要件を満たすかどうかを判断する際には、速度定数だけを見るのではなく、メーカーが提供する想定供給電圧における速度-トルク特性データを確認してください。
バッテリー側の電流のおおよその値は、機械出力、システム全体の効率、およびバッテリー電圧から算出できます。例えば、モーターが1kWの機械出力を90%の全体効率で供給する場合、バッテリーは約1.11kWを供給する必要があります。これは、過渡現象や電圧降下を考慮する前は、40Vで約28A、54Vで約21Aに相当します。加速によって電力要求が一時的に2倍になると、電流もほぼ2倍になり、しかもその電流は最も低い電圧降下で発生します。この電圧降下時の電圧こそ、バッテリーパック、BMS、および配線が耐えなければならない電圧値です。
バッテリーの直流電流とモーターの相電流の違いは何ですか？
ブラシレスDCモーターコントローラーは、DC電源と三相モーターの間に配置され、その電流制限は2つの異なる場所に適用されます。バッテリー側（DC入力）電流とモーター相電流は同じ量ではなく、これらを直接比較するとよくエラーが発生します。低速では、デューティサイクルが小さいため、コントローラーはモーターに高い相電流を供給しながら、バッテリーからかなり少ない電流を引き込むことができます。高速かつ高デューティでは、2つの数値ははるかに近くなります。コントローラーの 連続評価とピーク評価 それぞれについて、取扱説明書を読み込み、モーターとバッテリーが対応できる仕様と照合する必要があります。
電流以外にも、実用的な互換性項目を確認してください。バッテリーパックの動作電圧範囲に対する対応電圧範囲、モーターが使用するセンサーの種類（ホールセンサー、エンコーダー、またはセンサーレス動作）、整流方式、およびシステムで使用する速度またはトルク制御インターフェースなどです。センサー配線や整流設定の不一致は、明らかな故障として現れるのではなく、始動不良、ジッター、またはモーターがスムーズに回転しないといった症状として現れる傾向があります。
電圧範囲、トルク要件、電流制限が明確になれば、動作範囲全体で機能するモーターとコントローラーを選択することが容易になります。Brushless.comでは、 ブラシレスDCモーター また、電圧、トルク、電流の要件が異なるアプリケーションに対応する互換性のあるコントローラも提供しています。
熱とデューティサイクルを考慮する
30秒間動作するシステムが30分間動作するとは限りません。モーター巻線の銅損は、巻線抵抗を一定に保った場合、電流の二乗にほぼ比例して増加し、コントローラの電力段では導通損失とスイッチング損失が加わるため、システムの温度上昇は冷却にも左右されます。持続的な負荷、頻繁な起動・停止サイクル、高い周囲温度、狭い筐体などは、短時間のテストでは発生しなかった過熱保護機能を作動させる可能性があります。
まず、デューティサイクルを正直に記述することから始めましょう。定格出力に近い状態でほとんどの時間を過ごすモーターは、熱的な余裕がほとんどありません。一方、長いアイドル期間の後に短いピーク出力が発生するモーターは、短時間での能力を活かすことができる場合が多いです。定格出力と同様に、設置方法も重要です。コントローラーを金属フレームに取り付けたり、空気の流れを確保したり、小さな箱に密閉したままにしたりすると、持続出力が大きく変わる可能性があります。バッテリーの温度も重要です。許容される充電電流と放電電流は、セルの温度によって変化する可能性があるためです。
後になって現れる傾向のある選択ミス
いくつかのエラーは、仕様書には記載されておらず、実際に運用されて初めて明らかになるため、繰り返し発生する。
ピーク電流定格が余裕のあるコントローラーは、バッテリーやBMSがそのピーク電流を供給できない場合に陥りやすい落とし穴です。バッテリーパックが限界となり、最も急加速した瞬間にカットアウトが発生します。巡航条件に合わせてモーターのサイズを決めるのも別の落とし穴です。始動時や登坂時のトルクによってシステムが電流制限に達し、応答が鈍くなったり、保護機能が繰り返し作動したりします。コネクタやケーブルの電圧降下は、3つ目の種類の驚きを引き起こします。コネクタの性能がぎりぎりの場合、アイドリング時には問題ないように見えても、負荷がかかると電圧が十分に低下し、バッテリーの故障と間違えやすい低電圧障害を引き起こす可能性があるからです。
これらのどれも、単に最大サイズのモーターや最大電流のコントローラーを購入すべきだという主張を裏付けるものではありません。過剰なサイズはコストと重量を増加させ、動作点を効率の低い領域に移動させ、それでもなおバッテリーがボトルネックとなる可能性があります。
実際の条件下でシステム全体を検証する
ベンチテストの仕様は、実際の負荷でのテストに代わるものではありません。システム全体を実際の動作条件に沿って実行してください。具体的には、負荷をかけた状態で静止状態から始動し、加速し、持続的な負荷で動作させ、低充電状態で動作させ、必要に応じて、想定される筐体内で現実的な周囲温度で動作させてください。その際、バッテリーパック端子とコントローラ入力におけるバッテリー電圧、DC入力電流、コントローラの故障コード、BMSステータス、およびモータ、コントローラ、バッテリーの温度を記録してください。
加速中にシステムが停止した場合、最初にどの限界値に達したかが重要な判断基準となります。具体的には、バッテリーパック電圧の低下、BMS放電制限、コントローラ電流設定、または想定以上の機械的負荷のいずれかです。以下の症状を参考に調査範囲を絞り込み、電圧、電流、温度、および故障コードデータを用いて原因を特定してください。
| 症状 | 初期確認事項 |
|---|---|
| モーターが始動するとシステムがリセットされます | バッテリー電圧降下、BMS保護、配線およびコネクタ電圧降下 |
| 加速中の急停止 | ピーク電流需要、コントローラ電流制限、BMS放電制限 |
| しばらく走った後に止まる | モーターとコントローラーの温度、連続負荷、冷却と筐体 |
| モーターがガタガタと揺れる、またはスムーズに始動しない | センサー配線、整流構成、コントローラーとモーターの互換性 |
| 実行時間が予想より短かった | 実際の負荷とデューティサイクル、モーター効率、機械的抵抗、使用可能なバッテリー容量 |
これらを順番にチェックすることで、真の制約が特定される前にモーターやコントローラーを交換するという高額な無駄な行為を避けることができます。
シーケンスをまとめる
信頼性の高い組み合わせを実現するには、バッテリー、モーター、コントローラーを一体のシステムとしてチェックすることが重要です。まず、バッテリーパックの使用可能な電圧と放電限界を確認し、モーターが用途のトルクと速度の要求を満たせることを確認し、コントローラーがバッテリーとモーターの両方をサポートしていることを確認します。次に、実際の負荷と温度条件下でテストを行います。それでもシステムが停止する場合は、記録された電圧、電流、温度、および故障データから、推測に頼ったり、不必要に部品を交換したりするのではなく、どの限界に達しているかを特定できます。
