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はじめに
永久磁石 (PM) DC モーターは、アクチュエーターとして使用されており、多くの自動車および輸送用途において重要な電子制御システム要素です。これらの用途には、電動ウィンドウ、フロントおよびリアのワイパー、シートの位置調整、サンルーフ、自動ドアオープナーなどが含まれます。PM DC モーターは、比較的低コストで豊富に供給されていることに加え、より精密なフィールド制御が不要な場合に簡単な制御電子機器を利用できるため、多くの用途において最適なソリューションとなります。
PM モーターは通常、永久磁石を備えたステーターとローターで構成されています。安全性の観点から、製造業者はローターがロックしたり、運転中に過負荷状態が発生した場合に備えてモーターに保護機能を追加します。本記事では、PM DC モーターの動作原理の概要と、DC モーターの最も一般的な 2つの熱保護形式（バイメタルおよびポリマー PTC 保護デバイス）の比較について説明します。
さらに、デュアル機能のコンデンサー - バリスターフィルターソリューションが紹介されています。これらのソリューションは、車載向けにロードダンプやジャンプスタートの過渡過電圧からの保護を提供します。また、これらのコンポーネントは、車載および産業用途において DC モーターの回転ローターやブラシによって引き起こされる電磁干渉 (EMI) を抑制するのにも役立ちます。
PM DC モーターの動作特性
永久磁石を内蔵したステーターとローターに加えて、PM DC モーターの構造には、電子回路に電気的に接続されたコイルを持つ整流子が含まれます。ローターは巻線コイルに電流が流れると回転し、巻線の磁場と反対の向きを持つ永久磁石に引き寄せられる磁場を生成します。各巻線の電流のタイミングは、その向きが連続するステーター磁石の向きと常に反対になるように設計されています。このようにして、ローターはステーター内の磁石に継続的に引き寄せられることで回転し続けます。
図3は、PM DC モーターの効率が最も低下する状況を示しています。効率の低下は、無負荷およびゼロ作業時または最大電流および最大トルク時に発生します。しかし、特定の電流と非常に低い効率の条件下では、巻線周囲の磁場密度が非常に大きな電流変動を経験します。これらの変動（ファラデーの電磁誘導の法則）は巻線に大きな渦電流を誘発し、モーターが電源から切断されない限り、最終的に過熱を引き起こします。同じ現象は、コアのギャップに近すぎるトランス巻線でも発生し、フリンジングとして知られています。このような状況下では、巻線が溶けてローターが過負荷（機械的ブロッケージ）により停止することが知られています。モーターメーカーは、モーター設計がモータージャムやローターブロック状態に安全に耐えられる時間を定義します。
保護の要件
改良された材料と設計技術により、より薄型で効率的かつコスト効果の高いモーターが実現しました。それでもなお、モーター設計者はモーター保護を考慮する際に 2つの重要な要素を考慮する必要があります。
1. トリップ時間：
DC モーターにはそれぞれ固有の特性曲線があります。保護装置のトリップ時間とトリップ電流は、各モーターの特性に合わせる必要があります。トリップ時間が保護装置と調整されていることを確認するためのテストは、ローターをロックした状態でモーター内で実施されます。望ましい結果は、トリップ時間の変動が最小限であることです。
2. サイクル寿命：
典型的なサイクル寿命は、短いモーター回転、短い停止、そして休止期間で構成されます。モーターは何百回、さらには何千回ものサイクルを経ることがあり、その際の合格基準は保護装置が決してトリップしないことです。図4 は、保護装置が不要なトリップを起こさないかどうかを確認する方法の例です。
モーターメーカーは、2つの重要なモーターの状態についても注意を払う必要があります。
・ローターがロックされた状態では、コイルに流れる高いロックローター電流によってコイルが焼損する可能性があります。
これは主に機械的にロックされたモーターによって引き起こされます。
・過負荷状態でも焼損が発生することがあります。これは、コイルの温度が上昇した場合、重負荷状態が発生した場合、または供給電圧が低すぎる場合に起こります。
これらの条件では、モーターに過電流およびモーターコイルの熱保護のためのセンサーが必要です。
モーター保護ドライブは、図5 の写真に示されているようにローターに直接結合されています。各ドライブには、モータードライブの組み立て時に差し込むことができる保護装置を取り付けるためのスペースがあります。一般的に真ちゅうで作られる典型的な接続部の例も図5 に示されています。
モーター内部での DC モーター保護のテストは常に必要です。Bourns 社には UL 認証を受けた DC モーターテストラボがあり、以下の一般的なモーター保護テストを実施できます。
・ロックローター
・熱保護（巻線温度測定）
・トリップ時間 (TTT)
・リセット時間
・サイクル寿命
・トリップ耐久性
車載用電子機器におけるロードダンプ過渡現象は、オルタネーターによって充電されている車両バッテリーが突然切断されたときに発生します（図6）。その結果、オルタネーターに接続された負荷は最大 120V の過電圧サージ (VP) が発生し、減衰するのに 400ms (tf) かかることがあります（図7）。これらの過渡現象は抑制する必要があり、通常、12V システムでは 40V、24V システムでは 60V にクランプされます。
DC モーターは、他の電子システムの性能低下を引き起こす可能性のある一般的な EMI（電磁干渉）の原因であり、データの破損の原因にもなります。最悪の場合、EMI は電子システムの完全な故障を引き起こすことがあります。DC モーターは、伝導および放射の両方のエミッションを発生することがあります（図8）。したがって、この不要な EMI ノイズを要求された値以下に抑制して、電磁両立性を保証することが推奨されます。
保護技術の概要
バイメタル
小型車載用 DC モーター向けのバイメタルは、通常 3～5mm の厚さのコンパクトな装置で、DC モーターへの挿入を容易にするためにさまざまな端子を選択できます。バイメタル保護装置は、通常、周囲温度が最大 80℃ まで動作するように設計されており、ポリマー PTC と同様に、誤作動を避けるために意図的に反応時間を遅く設計されています。
ポリマー PTC デバイスとは異なり、現在市場に出回っている多くのバイメタルデバイスは、トリップした後に漏れ電流が流れないため冷却されます。バイメタルデバイスの構造は物理的に接点を遮断します。この構造により、バイメタル保護装置はポリマー PTC サーミスターと比較して以下のような欠点が生じる可能性があります。
・バイメタルデバイスが冷却されてリセットされる際にローターがまだロックされている場合、巻線の温度がより高くなる
・バイメタルデバイスが不安定な場合、巻線に複数回の突入電流が発生し、巻線の平均温度が高くなる（図9参照）
・バイメタルデバイスが不安定な場合、装置はより高いエミッションと増加したノイズを発生する
※ポリマー PTC サーミスターは、高インピーダンス状態を維持するように設計
・装置は、連続的なサイクルによる接点溶接が原因で早期に故障する
Bourns 社は、バイメタル技術を利用したさまざまなサーマルカットオフ (TCO) ミニブレーカーを提供しています。現在、これらのデバイスは主にリチウムイオンバッテリーの保護に使用されていますが、DC モーターアプリケーションでの使用にも関心が高まっています。
Bourns TCO ミニブレーカーは、上記の設計とは異なり、記載された欠点がありません。Bourns TCO デバイスは、バイメタルトリガーメカニズムと電流を通すアームを分離して構成されており、長期的な信頼性とインピーダンス値を向上させます。Bourns TCO デバイスには、トリップ時にアームメカニズムを開いたままにする内部セラミック PTC も組み込まれています。これにより、回路は大幅に冷却され、開閉のちらつき効果を防ぎます。
ポリマー PTC サーミスター
ポリマー正温度係数（PPTC）サーミスターは、非線形の温度抵抗曲線を持つ抵抗性の部品です。温度は、チャンバー内の周囲温度を制御するか、電流が流れるときに発生する自己発熱によって上昇させることができます（電力 = 電流の二乗 × 抵抗）。サーミスターの抵抗は、部品の物理的な寸法と材料の抵抗率に依存します。
材料の抵抗率は、導電性粒子（通常はカーボンブラック）の量によって制御されます。したがって、抵抗は端子の寸法に反比例し、装置の厚さに比例します。
DC モーター用の PPTC デバイスは、通常、ポリフッ化ビニリデン (PVDF) 高温ポリマー配合を使用しており、周囲温度が最大 125℃ までの動作を可能にします。高温ポリマーの利点の一つは、低融点ポリマー（通常の最大定格動作温度は 85℃）と比較して、温度に対する抵抗ドリフト性能が向上していることです。
近年、自動車用 DC モーターのサイズは、燃費向上の目標を達成するために小型化・軽量化が進んでいます。PPTC 保護デバイスは、バイメタル保護装置と比較してフットプリントが小さいため、モーターブラシカード内の限られたスペースに適した理想的なソリューションとなります。
PPTC デバイスの使用期間中に抵抗が非常に安定していることが期待されるため、設計者は部品の使用寿命をシミュレートするために、さまざまな温度ストレステストを指定することがよくあります。一般的な仕様は次のようになります。
・90℃ で 500 時間の前後に抵抗を測定
・80℃ で 100 時間、80℃ から 40℃ までの 10 サイクルで抵抗を測定
抵抗値の変動が12%以内 (Typical) に収まることが期待されています。PM DCモーターのメーカーがより小型で軽量、効率的かつ低コストのモーターを開発し続ける中で、保護装置も同様に小型化、軽量化、最終的にはよりコスト効果の高いものが求められる傾向にあります。
DC モーターにおける Bourns® PPTC 保護の利点には、以下のようなものがあります。
・経済的 ：Bourns® PPTC デバイスは低コストのソリューションを提供。
設計者は抵抗特性をカスタマイズでき、高価な工具を必要とせずに迅速なトリップ時間とコスト効率の高いプロセスを実現可能。
・小型 ：Bourns® PPTC デバイスは薄型のソリューションであり、ドライブ内のスペース制約に対応可能。
・低温感度：Bourns® PPTC サーミスターに使用されている高度な高温材料は、より高い周囲温度での動作が可能。
さらに、Bourns® PPTC デバイスの構造は、ロックローターテスト中に巻線を低温に保つのに役立つ。
ハイブリッドデュアルファンクションサプレッサー
Bourns 社は、積層セラミックコンデンサー (MLCC) と積層バリスター (MLV) で構成されるハイブリッドデュアルファンクションキャパシターバリスターサプレッサーを提供しています。これらのハイブリッドコンポーネントは、過渡保護と EMI フィルタリングに最適なソリューションです。両方の抑制機能が単一のラジアルリードパッケージに統合されているため、2つの個別の部品が不要になり、ブラシカードへの取り付けに必要なスペースを大幅に削減するのに役立ちます（図12および図13）。
※Bourns 社より提供
先進的な DC モーターブラシカード ※Bourns 社より提供
標準のMVシリーズは、14VDC から 125VDC までの電圧定格と、10nF から 1000 nF までの静電容量定格を提供しています。AEC-Q200 の試験および適合は、リクエストに応じて利用可能です。
・DC 電圧範囲：14V – 125V
・静電容量範囲：10nF – 1000nF
・サージ電流能力 (8/20µs)：150A
・温度範囲：-40℃ ～ +125℃
AEC-Q200 に準拠した OV シリーズは、12V、24V および 42V の電源システムに対応しています。
・DC 電圧範囲：16V – 56V
・静電容量範囲：470nF – 1500nF
・サージ電流能力 (8/20µs)：800A – 1200A
・ロードダンプ容量 (WLD)：6J – 12J
・温度範囲：-40℃ ～ +125℃
・AEC-Q200準拠
Bourns® DC モーター保護ソリューションの利点
低電圧 DC モーターは、シート、サンルーフ、窓、ミラー、ドアロックの動作など、さまざまな車両用途に使用されています。DC モーターの安全な動作を確保するためには、ロックローターや過負荷状態での巻線の過熱を防ぐことが推奨されます。Bourns® PPTC 製品は、モーターの駆動部に追加できる最適な保護ソリューションを提供します。
顧客は、Bourns 社の UL 認証ラボで Bourns® PPTC デバイスを使用した DC モーターのテストを受けることができます。保護装置の性能に関する正確なデータを顧客の要件に合わせる能力は、設計サイクルを迅速化するのに役立ちます。DC モーターは大量生産される低コストの部品であるため、Bourns® PPTC デバイスは経済的および技術的な観点からこれらの設計に非常に適しています。
さらに、Bourns の PPTC ソリューションは、コスト効率よく迅速に顧客の要件を満たすように調整できます。また、一般的にバイメタルデバイスよりも薄型であり、トリップ時にはロックローターや過負荷状態で巻線の平均温度を低く保ちます。DC モーター技術が進歩するにつれて、顧客からはより小型で軽量、かつコスト効率の高い部品が求められるようになります。Bourns は、これらの要件を満たすために継続的な技術向上を提供することを約束します。
設計の過渡電圧保護および EMI 抑制要件に基づき、Bourns は MV シリーズおよび OV シリーズ製品のカスタマイズに加え、バリスターと複数のコンデンサーを単一のコンパクトな PCB に組み合わせた、より複雑なカスタマイズフィルターの開発も可能です（図14）。
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