BLDCモータの効率が悪化する3つの要因

一般的に磁石から発する磁束は環境温度の変化により、大きくなったり小さくなったりします。
そのため、ホールICが受ける磁束が変化し、出力信号が速くなったり遅くなったりします。
環境温度の変化によりモータの制御タイミングがずれてしまい、モータの効率が悪化します。

これを防ぐためには、温度による磁石の磁束変化を考慮した複雑なモータ制御プログラムの構築、または温度変化による磁束の検出ばらつきが小さいホールICの選定が必要となります。

120°通電方式の矩形波駆動は図のようにホールICの出力信号を検出し、ステータのコイルに流れる電流の方向を電気角60°ごとに切り替えます。
矩形波の印加電圧に対しコイルに流れる電流はインダクタンス成分によって遅れます。
この位相遅れが原因で、得られる効率には限界があります。
しかし、後述の正弦波駆動に比べ、矩形波駆動はコントローラ側に高い演算処理能力は求められません。低コスト化、高速回転の面で一般的に用いられている駆動方式です。

正弦波駆動は矩形波駆動に対して制御精度や効率、騒音の面で優れています。
図のように印加電圧を細かく制御することでモータ電流を正弦波状にする駆動方式です。印加電圧を細かくすることで、位相遅れが小さくなり、モータの効率を改善しています。
しかし、ロータの位置を正確に検出する必要があり、高分解能のエンコーダ、またはホールICの信号を複雑なプログラム制御に変換する演算処理ICが必要など、コストアップとなる課題もあります。

永久磁石を使ったロータは構造によって、SPMとIPMに分けられます。

SPMはロータ表面に永久磁石を張り付けた構造で、磁石によるマグネットトルクのみを利用します。
磁石がロータ表面に露出しているため、機械的強度の観点から高速回転が困難であり、また磁石に渦電流損が発生し減磁しやすいという特徴があり、効率を低下させる要因となっています。

一方、IPMはロータに永久磁石を埋め込んで配置することで、マグネットトルクに加え、磁気抵抗によるリラクタンストルクを利用することで、高トルク化、高効率化が可能となります。
IPMモータは磁石がロータ内部に埋め込まれているため、磁界が弱く波打つようになるので、ホールICでの検知に角度遅延が発生し効率が悪化します。
そのため、一般的にロータ回転位置の検出用に別途センサマグネットをつける必要があります。このため、モータの小型化や低コスト化に影響が生じます。