効率，回転数，トルク，出力…みんなわかる！

第2章

モータのもつポテンシャルを引き出す

ブラシレス・モータの効率の良い回し方
内山 英和 Hidekazu Uchiyama
本章では，日本の電気自動車（EV カー）やハイブリッド・カーの市販車で一般的に使われているブラシレス・モータの特徴と回転するしくみを解説します．
カタログに書かれている 100W というモータは，何をもって 100W といっているのでしょうか．50kW モータは，100W と比べて 500 倍も大きいのでしょうか．モータの巻線数や加える電圧などによって，同じ外形のモータであっても取り出せる力は大きく変化します．本章では，複雑に絡み合う各要素をていねいに解説し，EV カーの心臓部であるモータのかしこい利用を図ります．

電気自動車（EV）用の原動機としてのモータ2-1

電気自動車（EV）用の原動機としては，どういったモータが適しているのでしょうか．一般のガソリン自動車にはたくさんのモータが使われていますが，その多くが DC ブラシ・モータで，電子工作でもよく使われるマブチモーターと同じ構造をしています．
このモータはブラシという機械的接点があるため，長時間使っていると故障します．EV カーのメインの動力が，そういう問題点を抱えていると安心して利用できませんから，ブラシを使わないモータが利用され

表 2-1

ます．
一般には，表 2-1 に示す 4 種類のモータが考えられます．それぞれのモータについていくつかの評価基準
で優劣をつけてみました．ただし，これは見る人により差異はあるかと思います．あくまで筆者の私見です．
▶ SRM（スイッチド・リラクタンス・モータ）
スイッチド・リラクタンス・モータは，マグネットが不要になるとかロータが鉄（鋼板）だけで済むので，高回転に強いメリットがあります．しかし，駆動原理
からくる振動・騒音の問題，ほかのモータと比べて高回転にしないと出力密度（出力 / 重量）が低いなどの課題が完全に解決されていないため，EV への採用例は

EV 用原動機の比較

EV の原動機として現状考えられるモータの優劣を比較した．ただし評価は人によって分かれる．たとえば，SRM を押す企業ではそのモータの評価は高い．
そのため，参考としてみていただきたい．

インダクション・モータ（IM）

ブラシレス・モータ（BLM）

リラクタンス・モータ（SRM）

ブラシ付きモータ
（BM）

コスト

○〜◎

○

○

◎

寿命

◎

◎

◎

×

○〜◎

○〜◎

◎

×

動作音

◎

○〜◎

×

×〜△

効率

△

◎

○

×

△〜○

◎

△〜○

×

高回転化対応◎○（弱め界磁による）

◎

×

総合評価

○

◎

△

×

ロータ回転強度

モータ質量・体格

ネオジム・マグネットを使用しないため，中国などの資源政策により，コストが左右されにくい．成熟した技術で長い歴史あり

備考

小型・軽量・高効率で現在 最も構造が簡素で低コスト シ ニ ア・ カ ー や ゴ ル フ・の主 流． 界 磁 用のネオジ のメリットがあるが，動作 カー ト・ レベルには適す．
ム・ マグネッ トの入 手 性， 音の低減が困難
EV 用としては不向き
コストが課 題（ 中 国の政 策など）（注）IMもSRMもブラシレス・モータだが，ここでBLMとは永久磁石界磁ブラシレス同期モータを表す．

10

第2章

ブラシレス・モータの効率の良い回し方

No.3

特集 モータから手作り! フルクラフト EV カート
報では物足りない，そういった声も聞きます．

極めて少ない状況です．

そこで，ここでは写真 2-1 に示す CQ 出版社の「CQ▶ BM（ブラシ付きモータ）
ブラシ付きモータは低コストのメリットはあります

ブラシレス・モータ＆インバータ・キット」［ 製造はが，それ以外は，ほかのモータに勝る要素はあまりあ（株）ミツバ SCR ＋プロジェクト］（以下モータ・キッ

りません．特に寿命［ブラシ & コミュテータ（整流子）

ト）を題材として，初心者にできるだけわかりやすいの磨耗］が問題であり，ブラシの磨耗粉の問題を含めてメインテナンス・フリーとはなりにくいのが最大の欠点です．
また，回生機能を使おうとする場合も機構的に不利であり，極低速域での特殊な用途（たとえばゴルフ・
カートやシニア・カー）以外への展開はまずないと考えられます．
海外製のブラシ付きモータを使って軽自動車を EVにコンバートされている方も多いですが，これは，ほかに適当なモータがないという事情からの採用だと思います．防水・防塵性などを考慮すると，量産車への展開はないと考えます．
▶ IM（インダクション・モータ）
現状では EV 用途として，インダクション・モータ（IM）とブラシレス・モータ（BLM）のどちらかの選択になると思います．
この二つのモータは，現状では両方とも採用されていますが，状況は後者が主流です．理由は，効率と制
御性（回生制御含めて）の高さが一番大きいと思われます．前者の採用例で代表的なものにテスラロードス
ター（USA）があります．日本国内の市販 EV は，ほとんど後者のブラシレス・モータです．
▶ブラシレス・モータ（BLM）
ブラシレス・モータに関する書籍や情報は，すでに世の中にたくさんあります．正直いって「いまさらモータに関する解説を書いても…」という思いもあります．しかし，専門書は難しすぎるものが多く雑誌情モータの解説をしようと思います．
ブラシレス・モータは，極数や磁石の数が異なっても，動作原理や電流を流す基本タイミングは同じなので，ここで説明に用いている以外のブラシレス・モー
タでも，動作を把握しチューナップする方法がわかると思います．

2-2

ブラシレス・モータの構造

一口にブラシレス・モータといっても，その形にはいろいろあります．まずは全体の部品構成を図 2-1 に示します．
図 2-1 は，よく説明に使われるモータの形と異なっています．一般的なのは内側が回るインナ・ロータ形式です．本章で説明しているモータはアウタ・ロータ
形式と呼ばれるブラシレス・モータです．アウタ・
ロータとはロータ（界磁子：マグネット = 磁石）が電機子（コイル = 銅線を巻いたところ）の外側で回転するものです．
外側にあって回転するロータは，ヨーク（継鉄）とその内側に接着されたマグネットと中心の軸である

M6ボルト
ステータ・コア
ベアリング
C型
止め輪
ロータ

U 相，V 相，W 相の配線
絶縁ボビン

インバータ基板

センサ

ベース

（a）構造

ロータが回る回転センサ

絶縁ボビンに巻いたコイル

V850 マイコン
ホール IC
センサから
アクセル相当のボリューム
写真 2-1 学習用 CQ ブラシレス・モータ＆インバータ・キット
の完成状態

No.3

（b）コイルを巻いた後の構成
図 2-1

キット・モータの構成

このキットでは，アウタ・ロータ形式．マグネットはフェライトを使っている．アウタ・ロータ形式のモータは手巻きしやすい．もちろん，量
産時は専用機で巻線する．

2-2 ブラシレス・モータの構造11

られるメリットがあります．

ここではその基本的な変化のルールを説明します．

これらの EV 駆動制御は，高性能な素子やそれを活これが理解できれば，いろいろな試作目的に合った用する制御技術（ベクトル制御）が開発された結果普オリジナルなモータに変身させることができます．

及してきたもので，200 年と言われるモータの歴史に

キット・モータを題材に説明します．

あっても技術は今なお進化し続けています．

（1）電圧を変える

モータのチューニング

2000
200
1800
180
1600
160
1400
140
1200
120
トルク
回転数
1000
100
800
80
600
60
出力
400
40
200
20
0
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
電流値［A］

図 2-17

トルク［kgf・cm］

回転数［rpm］ 出力［W］

ここまでのモータに関しての基礎的な説明で，どのようにブラシレス・モータが回るかがわかってきたところで，ここからは，目的に合った実力を発揮するための説明をします．
モータは同じ構成パーツで製作しても，電圧や巻線仕様（線径，巻数）などの諸パラメータを変えること
で，その特性を大きく変化させられます．やみくもに変更していては目的の場所にたどり着けませんから，

ベースとなるモータ特性

トルク定数（トルク / 電流）は一定である．
最大トルクは（計算上は）電圧に比例する．

トルク［kg・cm］

回転数［rpm］ 出力［W］

図 2-18無負荷回転数は2倍 トルク定数はほぼ一定
200
回転数
180
160
最大値は4倍
140
トルク
120
出力
拘束ロック 100電流は2倍 8060
40
20
0
10 20 30 40 50 60 70 80
電流値［A］【まとめ】ⓘ I -N ，T-N 特性カーブは平行移動する．

最大出力は（計算上は）電圧の 2 乗に比例する．
（2）コイルの巻数を変える
次に，コイルの巻数を変えた場合の特性変化について説明します．ここでも図 2-17 の特性のモータで考

この特性のモータをベースに考えていく．

2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0

② 拘束電流（ロック電流）が 2 倍になる．
（注）電圧が 2 倍なので電流も 2 倍．つまり最大入力電力は 4 倍になる．
③ トルク定数はほぼ同じ．
④ ロック・トルクは計算上 2 倍になる．
⑤ 最大出力は 4 倍になる．
これを一般化すると，図 2-19 と図 2-20 の変化になります（注 1）．

トルク［Tq］，回転数［N］

2-5

はじめにモータの電圧を変えた場合の特性変化を説明します．図 2-17 はベースのモータ特性です．このモータを 2 倍の電圧で駆動した場合，特性は図 2-18 のように変化します．
ポイントは，① 無負荷回転数が 2 倍になる．
（注）負荷時の回転数が 2 倍になるのではない．

電圧を変えた場合の特性変化

22

第2章

ブラシレス・モータの効率の良い回し方

トルクTq
大
中
小

電流［I］
図 2-19電圧を変えたときの特性変化（電流基準）

N -I 特性は平行移動，Tq -I 特性すなわちトルク定数は変わらない．

トルク［Tq］，回転数［N］

電圧を 2 倍にするとトルク定数は同じ，無負荷回転数と拘束電流は 2 倍，
最大出力は 4 倍のモータに変化する

注 1：ここではあくまで理想的，理論上での話をしている．実際は高負荷領域（高電流域）ではコイル温度上昇により上記のような特性の平行移動は崩れてくるし，トルクも飽和傾向を示すのが一般的．また，コイルのインダクタンスの影響で回転数変化
も直線ではなく下に曲がったカーブになる．しかし，実際のモータ使用領域（定格領域）ではほぼこの法則が成立する．電圧を上げて使う場合はコイル電流増加によるコイル発熱に注意が必要．
電圧アップ時はコイルに風を当てるなどの冷却も考慮する．

回転数N

回転数N

電流 I
大
中
小

トルク［Tq］
図 2-20

電圧を変えたときの特性変化（トルク基準）

N -Tq 特性は平行移動，
I -Tq 特性すなわちトルク定数は変わらない．

No.3

特集 モータから手作り! フルクラフト EV カート
えます．

これまた，電圧 2 倍のときと同じく，元の 4 倍の出

このモータのコイル巻数を半分にすると，特性は
図 2-21 のように変化します．ここで線径は同じとします．
ポイントは，

数半分では電流 4 倍ですが，コイルの抵抗は 1/4 になりますからジュール損は同じく 4 倍になります．つまり発熱は同じことになります．
ここで重要なことがわかります．
電圧 2 倍と巻数半分のT -N 特性は同じ
このことは大変重要です．モータを設計する場合，
実は電圧は関係ないのです（ちょっと極論ですが）．
つまり 24V 仕様のモータがあった場合，同じ特性（T -N ）は 12V でも何 V でも作れるのです．しかも電圧を変えても発熱・効率は変わらないものになります．
では巻数を 2 倍にしたら…これはもう説明不要でしょう．先の例と逆に考えればよいことになります．
みなさん，絵に描いて考えてみてください．24V 仕様のモータを 12V で実現したい場合は巻数を半分，逆の場合は巻数を 2 倍にすればよいことになります．わかりやすいですね．さて，ここでも上記特性変化について一般化すると，図 2-23 と図 2-24 のようになります．
【まとめ】ⓘ I -N 特性カーブは平行移動する．
トルク定数（トルク / 電流）は巻数に比例する．
最大トルクは同じになる．
最大出力は巻数に反比例する．
※線径が同じ場合

トルク［Tq］，回転数［N］

無負荷回転数は2倍
2000
200
回転数
トルク定数は1/2 180
1800
1600
160
最大出力は2倍
1400
140
1200
120
トルク
1000
100
800
80
600
拘束
（ロック） 60
400
40
電流は2倍
出力
200
20
0
0
0 5 101520 253035404550556065707580
電流値［A］

トルク［kg・cm］

回転数［rpm］ 出力［W］

発熱に関してはどうでしょうか？ 電圧 2 倍時は電流 2 倍ですから，コイル発熱（ジュール損）は 4 倍，巻① 無負荷回転数は 2 倍になる．
② 拘束電流も 2 倍になる．
③ トルク定数は 1/2 になる．
④ 最大トルク（ロック・トルク）は同じ．
⑤ 最大出力は 2 倍になる．
しかし，よく考えてください．コイル巻数が半分ということは，コアのコイル巻線スペースも半分になっていますね．つまり，コアにはもっと太いコイルが巻けるはずです．半分空いたスペースを使うと，コイルの断面積は 2 倍にできるはずです．そうすると，コイ
ル断面積が 2 倍になるので，その抵抗値は半分になります．
つまり巻数半分で 1/2，断面積 2 倍で 1/2，両方で1/4 の抵抗値になります．すなわち，モータの拘束電流は元の 4 倍になるのです．その結果，モータ特性は，
図 2-22 のように変化します．

図 2-21

力をもったモータに変化します．

コイル線径は同じで巻数 1/2 の特性

巻数を半分にすると無負荷回転数，拘束電流，最大出力は 2 倍に，トル
ク定数は半分になる．

図 2-22

図 2-23

小巻数を変えた場合の特性変化（電流基準）

巻数を半分，コイル断面積を 2 倍にするとトルク定数は半分，無負荷回
転数は 2 倍，拘束電流と最大出力は 4 倍のモータに変化する．

回転数N

電流 I
大
中
小

トルク［Tq］

コイル断面積 2 倍で巻数 1/2 の特性

No.3

中

N -I 特性は平行移動，トルク定数は巻数に比例するように変化する．

トルク［kg・cm］

回転数［rpm］ 出力［W］

2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0

大

電流［I］

無負荷回転数は2倍

電流［I］，回転数［N］

トルク定数は1/2だが，最大トルクは2倍
200
回転数
180
160
最大出力は4倍
140
トルク
120
出力
拘束ロック 100
電流は4倍 806040
20
0
20 40 60 80 100 120 140 160
電流値［A］

トルクTq

回転数N

図 2-24

巻数を変えた場合の特性変化（トルク基準）

巻数を増やすと低回転・高トルク型に変化する．

2-5 モータのチューニング

23

キャンバ角
キャンバ・
トルク

キャンバ・
スラスト
図 3-11キャンバ角とキャンバ・スラストの関係

キャンバ方向に傾きながら直進するタイヤには，傾いている
向きに力が働く． この力のことをキャ ンバ・ スラストという．

軸が左右に取り付けられ，ハンドルはナックル・アー
ムを通して切られます．この場合，構造は複雑です
が，前輪アライメントの調整が比較的楽であり，ハンドルを大きく切った場合でも，左右の車輪が前後に大きく動くことはありません．
しかし，左右の車輪の切れ角を内側では大きく，外側では小さくする，リンクを利用した「アッカーマン
幾何学」を満足する機構にするのが一般的です．キット・カートでは写真のようにトレッド・ホイル・ベー
スが短いことや，最高速度が遅いので，調整の安易さから，ほぼ平行リンクに近い状態にしています．

● 走行性能の向上と安定性の追求
また，一見して真っ直ぐに取り付けてあるように見えるタイヤも，実際にはステアリング機構に対して，

写真 3-4キャンバ角の調整のようす

キット・カートでは，ボール軸受けの部分の取り付け長さを調整して，キャンバ角を自由につけることができる．

様々な角度をもって取り付けてあります．このタイヤに与えられた幾何学的な角度のことを，ホイール・ア
ライメントと呼んでいます．これらは，走行安定性を良くしたり，直進性を良くしたり，ハンドル操作を軽くしたいなどから，ほとんどの車両が採用しています．
このホイール・アライメントは，路面や車体に対する車輪の相対角で，前に出てきたようにキング・ピン
傾角，トーイン，キャンバ，キャスタの 4 種類かあり
ます．
（1）キング・ピン・アングルとキャンバ・アングルの調整
キング・ピン傾角とキャンバ角により生まれる，キング・ピン・オフセットにより，ハンドリング特性や走行時の走行特性が変化します（図 3-11）．キット・
カートではキング・ピン・オフセットは 0 になるようコラム 3-2 アッカーマン機構の成立のさせ方
速度が極端なくらい遅いか，ゆるやかな旋回のときには，遠心力が働かないので，すべての車輪が横滑りをしないで進みます．ですから，遅い速度の車や高速コーナリングを求められない車では必要ないのですが，よりスムーズな走行をするためには，
図 3-A のようにすべての車輪が，ある 1 点を中心にして旋回することが求められます．
そのとき，図中のⒶ点はその中心であり，前輪はそれぞれに切れ角が異なり，それぞれの車軸はⒶ点に向かうように切られることが条件になります．そのことを満足するには，破線のように前輪の回転する軸（キング・ビン）B，Cから0点に向かうように
ナックル・アームを破線上に傾けなければなりません．
この 0 点の位置は，トレッドやホイール・べース
によって違いますが，まずは後車軸上の中心に 0 点をとり，ナックル・アームの傾きを決め，図上で左

40

第3章

はじめて学ぶ…車が走るためのメカニズム

ナックル・アーム

タイロッド

Ⓑ

Ⓒ

キング・ピン

Ⓐ

図 3-A

0

アッカーマン・ステアリングの幾何学なしくみ

右の切れ角を調べながら，最適傾き角を探して決め
ます．

No.3

特集 モータから手作り! フルクラフト EV カートに考えています．また，写真 3-4 のように，前輪車軸

らの横方向の力）が作用すると，自動的にハンドルをの軸受けの取り付け長さを変更することで，それらの角度を自由に検証できる構造になっています．

戻そうとする働きをしてくれます．

（2）キャンバとトーインの調整取り付け軸受けの取り付け穴を傾ける方法を採用してキャンバ・スラストだけが作用すると，タイヤは常に外側に押し出しながら走行することになり，タイヤが早く摩耗することになります．また，スキーのように前輪の先端，つま先を内側に向けると接地点には内側に向けてコーナリング・フォースが発生します．このとき，同時につま先を外へ向かせようとするセル
フ・アライニング・トルクが発生することにもなります（図 3-12）．つまり，与えられたキャンバ角による
キャンバ・スラストと同じ大きさのコーナリング・
フォースをトーインによって与えれば，タイヤの接地点での横向きの力は消えることになります．
キット・カートでは，このトーインの調整を写真
3-5 のように，ハンドルからナックル・アームに渡した左右のドラック・ロッドにより調整します．
（3）キャスタ効果について
キャスタは，タイヤの接地点をハンドリング軸の後方にもってくるため，ブレーキ力，舵を切ることによって発生する，コーナリング・フォース（タイヤかトーイン＝B−A

B

セルフ・アライ
ニング・トルク

コーナリング・フォース

A
図 3-12

トーインとコーナリング・フォースの関係

トーインは，ちょうどスキーのボーゲンのようなもの．効果はスキーとよく似ていて，直進性 ( 方向性 ) が良くなる反面，抵抗が増える．また，キャンバ・スラストでこの抵抗は軽減される．

キット・カートでは写真 3-6 のように，前輪車軸のいます．
また，上記のいずれの場合も，ドライバが乗車するとフレームが変形し，車輪のアライメントは変わるので，組み立て時に調整ができるようにしてあります．
このキットの最大の利点は学習としてこれらの，自動車にとって大切な項目が実験により理解できることにあります．
また，自動車のサスペンション装置も重要な要素ではありますが，それを採用することにより，さらにここまで説明した多くの要素の関係が複雑になり，理解
されずらいと考え，キット・カートではサスペンショ
ン装置は採用していません．鈴鹿で行われるソーラ・
カー・レースなどでは，高校生を含む様々な方々が挑戦しています．今後自分で製作するときには，ぜひ，
サスペンション装置を取り入れてみてください．

● モータと減速装置について
モータの容量や特性については，キット・カートでは CQ ブラシレス・モータ & インバータ・キットのモータに限定しています．写真 3-7 のようにモータ・ベースを後輪車軸に付け，伝達ロスを少なくする工夫をしてます．
チェーンの張り過ぎや大きなたるみ，スプロケッ
ト・ギヤのみそすり運動などは，伝える力を弱める作
用があります．そのため，スムーズに回転できるように，取り付けには注意する必要があります．
また，チェーンを使って動力を伝える場合には，チェーンは伸びることも計算にいれて，スプロケットとスプロケットのあいだの距離（軸間距離）を，チェー
ン の 長 さ に 合 わ せ な い と チ ェ ー ン が た る み ま す．
チェーンのたるみは，チェーンはずれの原因となるのドラック・ロッド
写真 3-5

写真 3-6

ドラック・ロッドとトーイン調整

左右のドラック・ロッドのピロ・ボールのねじ部の取り付け長さを調整して，トーの調整をする．トーはほぼ 0 からマイナスに調整する．

No.3

3-2

キャスタ角を取って穴加工した前輪取り付け部

キット・カートは，ボール軸受け部の取り付け穴をキャスタ効果のために上下でずらしている．

教育用小型 EV カー（CQ EV ミニカート・キット）の概要

41

特集 モータから手作り! フルクラフト EV カート
FET

Tj

チップ

2.25W

R θCS 0.5℃/W
放熱シート

R θTS 0.35℃/W

ヒートシンクR θHS 14.8℃/W
Air

図 4-8

写真 4-1

ヒートシンクの実装例

30℃/W

ヒートシンク放熱モデル

FET，熱伝導シート，ヒートシンクの熱抵抗を直列に接続した抵抗とし，電気回路モデルのように考え，計算することができる．『温度上昇 = 熱抵
抗×電力損失』となる．

ヒートシンクは水谷電機工業製［PUG16-25］を使用．

④ 損失の計算例
例として，下記条件での損失の計算をしてみます．
電源電圧V s =24V，モータ電流I m =10A
FET オン抵抗Ron =12mΩ，PWM 周波数 f =20kHz
DUTY 比 DUTY =0.8（80%）
ターン・オン時間 t on =200ns
ターン・オフ時間 t off =166ns
ダイオード順方向電圧 V f =0.5V

P 1=12 × 0.001 × 102 × 0.8=0.96W
P 2=1/6 × 24×10 ×（200＋166）× 10−9 × 20 × 10 3
= 0.29W
P 3=10 × 0.5 ×（1 − 0.8）=1W
P =P 1 ＋P 2 ＋P 3=2.25W● 発熱の計算
モータの損失が発熱に変わることは前項で述べましたが，ここでは FET のジャンクション（接合部）温度を計算で求めてみます．発熱は各部品の熱抵抗を使うと求めることができます．FET のデータシートを参照すると熱抵抗が記載されているので，それを使って温度を求めます．
本キットで使用している FET（IRFZ48VPBF）の空
気への熱抵抗は，データシートよりRθJA =62℃/W とな っ て い ま す． 前 項 の 計 算 例 で 求 め た FET の 損 失
P =2.25W 時の温度上昇値ΔT は下式のようになります．
ΔT =2.25 × 62=139.5℃
仮 に 30 ℃ 雰 囲 気 中 で こ の 損 失 が 発 生 し た 場 合，
FET のジャンクション温度は 139.5 ＋ 30=169.5℃とな
ります．
IRFZ48VPBF の動作ジャンクション温度は 175℃までとなっているので，ぎりぎり大丈夫という計算結果となりましたが，これ以上電流を増やしていくと故障する可能性があります．

No.3◆ より電流を流すにはでは，もっと電流を流すためにはどうしたらよいでしょう．よく見られる手法として，FET にヒートシンクを取り付けて効率よく熱を逃がすという方法があります．キットでは水谷電機工業製［PUG16-25］（16.2
× 20 × 25㎜）が取り付けられるような設計となっているので，このヒートシンクを使った場合の計算例を紹介します（写真 4-1）．
こ の ヒ ー ト シ ン ク の 熱 抵 抗 は， カ タ ロ グ 値 よ り
14.8℃/W になります．FET にヒートシンクを取り付ける場合，FET の放熱フィンとヒートシンクの間に微小ですが隙間が生じます．空気は非常に熱抵抗が高いため，その隙間を埋めるために，シリコン・グリス
や熱伝導シートなどを一般的に使用しています．今回
は 0.35℃/W のシートを使用しました．この場合の熱抵抗モデルは，図 4-8 のようになります．
このモデルから，損失 2.25W で 30℃雰囲気での FETのジャンクション温度Tj は，下式で求められます．

T j =（0.5 ＋ 0.35 ＋ 14.8）× 2.25 ＋ 30=65.2℃
ヒートシンクを取り付けることにより 100℃以上温度が下がり，より多くの損失を許容できる（より多くの電流を流せる）ようになりました．
また，発熱を下げるためには損失を減らすという手段もあります．実例としては，よりオン抵抗の低い
FET に変更する方法などがあります．本キットではTO-220 より一回り大きな TO-3P（TO-247）サイズの
FET も使用できるので，より低オン抵抗の FET を探すこともできると思います．
例えば，同じ IR 社製の FET で『IRFP2907』という製 品 が あ り ま す． こ の FET の オ ン 抵 抗 は 4.5m Ω（max）となっており，付属の FET から変更することによりオン抵抗損失を半分以下にすることができます．また，IRFP2907 は TO-247 サイズと付属 FET のTO-220 サイズに比べ大型になっており，熱抵抗が小4-2 損失の求め方

51

コラム 4-4 電流センサを付けてみよう
本稿で説明したとおり，より速いモータを制御すと思います．

るためには，電流を制御する必要があります．キッ

今回の例としては，± 150A の物を使用しました．

トには電流センサが付いていないので，ユニバーサ
ル・エリアを使い，取り付けてみたいと思います．
電流をセンシングする手段としては，シャント抵抗などを使うなどいろいろとありますが，ここでは簡単に取り付け可能で追加回路が少なく，損失がほぼない貫通タイプの製品を選択します．例として，
タムラ製作所製『L01Z』を使用します．
『L01Z』は電源が 5V の単一電源（マイナス電源不要）で動作し，出力は 0.5 〜 4.5V となっており，出力電圧の増幅などの必要もなく，そのままマイコンに入力できます．選択できる電流値も 50 〜 600A
までの間で数種類あり，用途によって選択しやすい

この製品の場合，0A 時が 2.5V になっており，電流範 囲 の 最 大 値 150A が 4.0V， 最 小 値 −150A が 1.0Vの出力電圧になっています．つまり 10A 変化すると 0.1V の変化です．電流と出力電圧の関係は，製品ごとに違うので，選択した製品の仕様書をよく読んで使ってください．
回路例は図 4-C を参照ください．
キットに添付しているソフトウェアを使うと，空きポートは Low 出力設定になっています．第 5 章のソフトウェアに関する記事を参考にし，アナログ・
ポートの入力設定をしてください．また，取り付け状態は写真 4-C を参考にしてください．
電流センサの穴に配線を通すことにより，その電流を測定することができます（向きがあるので注意）．図 4-D は負荷をかけたときの，モータ相電流の波形になります．
このように，簡単な追加回路でモータ電流の情報をマイコンに入力することが可能になります．
電流を測定できるようになれば，電流を制限するなどの制御も可能となり，ベクトル制御など高度な制御も可能になります．ぜひ，チャレンジしてみてください．

L01Z150（タムラ製作所）
＋5V
CPU
0.1μ
ANI1

CP2

1k

99
1000p

図 4-C

3
2
1

10k

1：OUT
2：GND
3： VCC

電流センサ入力回路

CPU への入力には簡単なローパス・フィルタを入れている．センサの出力端子は，
ある程度大きな抵抗（例では10kΩ）
でプルダウンしている．

U 相センサ

電源から
のケーブ
ルをセン
サに通す

写真 4-C

センサの取り付け例

電流センサ出力（U 相電流）図 4-D

約 10A の電流が流れている電流センサの波形

ユニバーサル・エリアを使って，電流センサおよび入力回路を付けている．電流センサは貫通型なので，真ん中の穴にハーネスを通してやれば，そのラインの電流を計測することが可能になる．

電気角 120°で電流が変化しているのがわかる．2.5V 時に 0A，そこから上下に 0.1V 程度変化しているので，約 10A の電流がプラス方向，
マイナス方向に各 120°区間流れている．

さくなるため，より発熱も小さくなります（走行実験は IRFP2907 を使用して行っている）．
以上のことから，なぜ放熱や損失低減が必要か，理解できたと思います．上記の計算方法は静的な簡易計算方法で，実際はヒートシンクに風が当たると熱抵抗は減りますし，損失も当然計算通りではなく，電流も

52

第4章

モータ・コントローラのハードウェア詳細

No.3

特集 モータから手作り! フルクラフト EV カート
リスト 5-11

LED 点灯 / 消灯設定（timer̲user.c）

ホール・センサ

LED D5点灯

U相
LED D6点灯
V相
LED D7点灯

LED D7点灯

W相
☆
ステージ

⑭ LED 点滅処理
インジケータとして LED が九つ準備されています．
サンプル・ソフトウェアでは，LED5 〜 LED7 をホー
ル・セ ン サ，LED8 〜 LED13 を FET 通電のタイミン
グに合わせて点灯 / 消灯を行い，ホール・センサと転流のタイミングを視覚的に理解しやすくしています（図 5-48）．
ホール・センサの割り込みに同期した LED の点灯 /消灯は，ホール・センサ割り込み内で行っています．
例えば，U 相センサの割り込みのとき，P_HALLSENS_
U（ポート P9L.3）が High であれば LED D5 に High を出力（点灯）し，Low であれば出力を止め（消灯）ます（リスト 5-11）．
FET への通電に同期した LED の点灯 / 消灯は，転流パターン設定処理で行っています．転流パターン設
定処理では，ホール・センサ - ステージ変換で取得したホール・ステージ・パターンを使って，FET 転流
パターンを取得していましたが，同じようにホール・
ステージ・パターンを使って通電インジケータ点灯パ
ターンを取得します（図 5-49）．

5-4

キット・カートに必要な機能の検討

ここまで，サンプル・ソフトウェアのソース・コー
ドを見てきましたが，単にモータを回転させるシステ
ムとキット・カートに搭載して走行するためのシステ
ムとでは，当然ながら必要な機能が違ってきます．例
えば，キット・カートでは，常に走行抵抗などモータに負荷がかかることを考えなくてはなりませんし，タイヤに異物が挟まってモータがロックした場合やホール・センサやアクセル，スイッチ類に異常が出た場合に安全に停止させるフェールセーフ機能も必要になります．
しかし，一般走行ではなくレースという観点で考え

ホール・センサ・パターン

ホール・センサ-ステージ
変換テーブル

通電パターン

1

☆
2

☆
3

☆
4

☆
5

☆
6

LED D8点灯

U相HighLED D9点灯
U相Low
LED D10点灯
V相HighLED D11点灯

LED D11点灯

V相Low
LED D12点灯
W相HighLED D13点灯
W相Low
図 5-48LED と通電パターン

図5-42のタイムチャートにLEDの点灯/消灯のタイミングをかぶせている．

ると，安全に停止させるのではなく，多少のリスクを負っても走行を続けたい場合もでてきます．また，レースといっても，スプリント・レースであれば，FET が耐えるギリギリまでモータ電流を流すために，モータ電流を監視する電流センサが必要かもしれませんし，長時間の省エネ・レースであれば，LED の消費電力さえ節約したいかもしれません（図 5-50）．
このように，キット・カートが使われるシチュエー
ションによって，必要な機能を設計していくことが重要となります．
ここでは，モータ電流やバッテリ電圧などハード
ウェアの変更を伴う機能ではなく，キット・カートを使った省エネ・レースを前提に，出力 Duty の漸近処
理とモータの回転数の算出の二つの機能を追加したいと思います．

● 出力 Duty の漸近処理
サンプル・ソフトウェアでは，アクセルの入力から

ホール・ステージ・パターン

図 5-49
ホール・センサ IC パターンと LED パターン
ホール・センサ IC のパターンをステージに変換したように，LED の点灯パターンに変換する．

No.3

☆

FET転流
パターン

FET出力

通電インジケータ点灯パターン

5-4 キット・カートに必要な機能の検討

LED出力

77

サンプル・ソフト▶アクセル故障監視▶スイッチ故障監視

アクセル・ボリュームの読み込み
▶省エネ

可変抵抗器
（アクセル・ボリューム）

スイッチの状態判定

トグル・スイッチ（SW2）駆動/回生の判断LED▶誤操作防止プッシュ・スイッチ（SW3）
ホール・センサ・パターン▶モータ/電源電流監視▶FET保護

▶過電圧監視PWM波形

アクセル・ボリュームに応じた駆動Dutyの算出

FET

M
モータ

▶回転方向監視
▶脱落検出
▶過熱監視

ホール・センサIC（センサ・キット基板）▶異常パターン監視
通電パターンを設定▶省エネ▶センサ故障監視▶エラー表示
LED点灯/消灯設定された通電パターンでPWM波形を出力

図 5-50
カートに必要な数々の機能（グレーの部分）

アクセル
入力

モータ
出力
アクセルA-D値

図 5-51駆動Duty2ms

M

アクセル操作とモータ出力

ユーザのアクセル操作がリニアにモータ出力へと伝達していく．

アクセル入力
アクセル
A-D値
10ms

2ms
目標Dutyアクセル入力アクセル
A-D値

駆動Duty

駆動Duty

図 5-53ゆっくり ゆっくり上げ下げる

目標 Duty の設置

アクセル A-D 値の読み込みと駆動 Duty の算出タイミングは同じなので，アクセル操作に敏感に反応した駆動 Duty 出力となる．

アクセル A-D 値の読み込みと駆動 Duty の間に目標 Duty を設置する．目標 Duty の算出はアクセル A-D 値の読み込みタイミングより遅くし，それに駆動 Duty を追従させることで，アクセル入力からモータ出力までを鈍らせることができる．

Duty の 出 力 ま で， 図 5-51 の よ う に な っ て い ま す．
2ms ごとにアクセル入力の A-D 値を読み取り，駆動
Duty に変換して出力されます．この場合，ユーザからの入力に対するレスポンスはよいのですが，裏を返せば，ちょっとした操作にも過敏に反応してしまいます（図 5-52）．車両の急加速は，過電流の原因にもな
りますし，電費（自動車でいう燃費）にもよくありません．
そこで，図 5-53 のようにアクセル入力に対してゆっくりとした制御周期で目標 Duty を決定し，それに徐々に追従する形で駆動 Duty を変化させるように処理を変更します．
コードにしてみます．まず，⑨駆動 Duty 算出処理を差し替えて，⑮目標 Duty 算出処理を新たに作成します（リスト 5-12）．アクセル開度に応じて duty を算出しているのは，⑨駆動 Duty 算出処理と同様の方法
ですが，駆動 Duty そのものではなく，目標 Duty を保存するために新たに追加した wuTargetDuty 変数に算出した Duty を入れています．また，目標 Duty
算出処理は 2ms ごとに呼び出されるので，内部で 5 回カウントして 10ms ごとに上記処理がなされるようにしています．今回，関数の中で 10ms の制御周期を作

図 5-5278

アクセル操作と駆動 Duty

第5章

ブラシレス・モータをマイコンで動かそう

No.3

このPDFは，CQ出版社発売の「トラ技エレキ
内容・購
内容
購
法

房 No.3」の部本です．

法などにつきましては以下のホームページをご覧下さい．
http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MTR/MTRZ201310.htm
http://www.cqpub.co.jp/order.htm