BLDC 巻線計算ツール:ターン、ワイヤゲージ、巻線パターンの選び方

巻線設計が重要な理由

ステータ巻線は、BLDCモータの電気エネルギーが機械的トルクになるところです。巻数、ワイヤの太さ、巻線パターン、接続タイプといった設計上の決定はすべて、モータのKv、トルク定数、抵抗、効率、熱挙動に直接影響します。

既存のモーターを巻き戻したり、巻線をゼロから設計したりするには、相互作用する複数の変数のバランスを取る必要があります。回転数が多いほどKvは低くなりますが（アンペアあたりのトルクは大きくなります）、抵抗と熱は高くなります。ワイヤーが太くなると抵抗は減りますが、スロットに収まらない場合があります。スロットとポールの組み合わせによって、巻線パターン、コギングトルク、振動特性が決まります。

スロット/ポールの組み合わせ

ステータースロットとローターポールの数は、最も基本的な設計上の選択です。一般的な組み合わせ:

12N14Pがドローンを支配する理由

12スロットの14ポールの組み合わせにより、ほぼ完璧な巻線係数（0.933）、非常に低いコギングトルク（スムーズなビデオジンバル操作と応答性の高いフライトコントロールに不可欠）、および各コイルが1つの歯に巻き付く単純な集中巻きパターンが得られます。スロットとポールの間にはわずかな非対称性があるため、磁石がすべての歯に同時に揃うことはなく、コギングが劇的に減少します。

有効な組み合わせのルール

1. スロット数は3で割り切れる必要があります (バランスのとれた三相動作の場合)
2. スロット数 ≠ 極数 (激しいコギングと不均衡な磁気引っ張りの原因となります)
3. GCD (スロット、ポール) はスロット数に対して低くなければなりません (コギングが減ります)
4. LCM (スロット、ポール) は両方に対して高いはず (コギング周期が大きいほど振幅が小さい)

避けるべき不適切な組み合わせ:12N12P、6N4P (高コギング)、スロット = 極となる任意の組み合わせ。

デルタ対ワイ:それぞれをいつ使うべきか

三相 BLDC 巻線は次の 2 つの方法で接続できます。

• 共通の中性点からモータ端子に接続された各相
• 線間電圧 = √3 × 相電圧
• ライン電流 = 相電流
• 相あたりの電流が少なくなる → 同じ機械出力で銅損が少ない
• 低速、高トルクの用途に適しています

• 各相は2つのモーター端子間に直接接続されています
• 線間電圧 = 相電圧
• ライン電流 = √3 × 相電流
• 同じ巻線の場合より高いKv: $K_{v,\Delta} = K_{v,Y} \times \sqrt{3}$
  • 同じ巻線でより多くのRPMを必要とする高速用途に適しています

  √3 ルール

  これが重要な関係です。

  $$K_{v,\Delta} = K_{v,Y} \times \sqrt{3} \approx K_{v,Y} \times 1.732$$

  wyeで920Kvに巻かれたモーターは、デルタとして再接続すると1593Kvになります。同じワイヤー、同じターン、同じ回転数、速度は 73% 向上しますが、それに比例してアンペアあたりのトルクは小さくなります。

  多くのESC (電子スピードコントローラー) は、Y接続と Δ 接続を電子的に切り替えることができるため、離陸時の低速トルクと高速巡航時のデルタトルクを確認できます。

  ---

  コイルあたりの巻数の計算

  コイルあたりの巻数は、目標Kv、モーターの形状、巻線係数によって決まります。

  $$N_{series} = \frac{1}{K_{v,rad} \cdot p \cdot \Phi \cdot K_{w1} \cdot C_{conn}}$$

  どこ:

  • $K_{v,rad}$ = Kv をボルトあたりのラジアン/秒に換算: $K_{v,rad} = K_v \times 2\pi/60$
  • $p$ = ポールペアの数
  • $\Phi$ = 極当りの磁束 (磁石、エアギャップ、形状により異なる)
  • $K_{w1}$ = 基本的な巻線係数
  • $C_{conn}$ = 接続係数 (ワイは √3、デルタの場合は 1)
  $N_{series}$ は相あたりの総直列巻数です。集中巻線の場合、各相には $S/3$ のコイル（$S$ はスロット数）があるため、次のようになります。
  $$N_{coil} = \frac{N_{series}}{S/3}$$

  ターンは整数でなければならないため、達成されるKvは目標とは少し異なります。BLDC巻線計算ツールには、目標値と達成値の両方が表示されます。

  極あたりの磁束の推定値

  一般的なエアギャップが 0.5～1.0 mm の NdFeB (ネオジム) 磁石の場合:

  $$\Phi = B_{gap} \times A_{pole}$$

  ここで、$B_{gap} \approx 0.7-0.9$ T (テスラ) および $A_{pole} = \text{pole pitch} \times \text{stack length}$。

  ポールピッチ = $\pi \times d_{stator} / P$ (ステーター内周をポール数で割った値)

  ---

  ワイヤゲージの選択

  ワイヤゲージは、最大連続電流と電流密度制限によって決まります。

  $$A_{wire} = \frac{I_{max}}{J}$$

  ここで、$J$ は A/mm². 標準範囲における電流密度です。

  冷却	電流密度	アプリケーション
  3-5 A/mm²	冷却不良	密閉型モーター、空気の流れがない
  5-8 A/mm²	中程度	プロペラエアフロー、ライトヒートシンク
  8-12 A/mm²	素晴らしい。	液体冷却、強制空気
  12-20 A/mm²	ショートデューティー	レーシングモーター、バースト操作

  適度な冷却を備えた20A連続モーターの場合、6.5 A/mm²:を目標とします
  $$A_{wire} = 20 / 6.5 = 3.08 \text{ mm}^2 \Rightarrow \text{AWG 12 (3.31 mm}^2\text{)}$$

  フィルファクター

  フィルファクターは、使用可能なスロット面積に対する銅面積の比率です。

  $$FF = \frac{N_{coil} \times A_{wire}}{A_{slot}} \times 100\%$$

  実際的な限界:

  • 手巻き: 35～ 55% (一般的な愛好家)
  • 機械巻き: 55-70% (プロダクションモーター)
  • ニードルワウンド: 60-75% (ハイエンドプロダクション)
  • > 75%: 非常に難しいので、長方形のワイヤーやリッツのテクニックが必要な場合があります

  計算機のフィルファクターが 75% を超える場合は、巻数を減らす (Kv が高い) か、細いワイヤーを使用する (電流密度が高い) か、スロット数を増やす必要があります。

  ---

  ワインディングファクター

  巻線係数 $K_{w1}$ は、巻線が磁束をどれだけ効果的に逆起電力に変換するかを数値化したものです。これは次の 2 つのサブファクターの積です。

  $$K_{w1} = K_{d1} \times K_{p1}$$
  配分係数 $K_{d1}$: コイルが一点に集中するのではなく、複数のスロットに分散することを考慮しています。集中巻線 (1歯あたり1コイル) の場合、これはスロットとポールの関係によって決まります。 ピッチファクター $K_{p1}$: コイルスパンがポールのピッチと正確に一致しないためです。$K_{p1} = \sin(\text{coil span} / \text{pole pitch} \times \pi/2)$

  完全な巻線係数を 1.0 にすることは理論的には可能ですが、現実的ではありません。0.9 を超える値であれば問題ありません。12N14Pの組み合わせは0.933に達し、これはどの集中巻線でも最高値の1つです。

  ---

  使用例:2212-920Kv ドローンモーターの巻き戻し作業

  2212 モーター (ステータの直径 22 mm、スタックの長さ 12 mm) を使用していて、それを巻き戻して Kv を低くして 6S で大きなプロペラを振りたいとします。

  ターゲット: 500 Kv (wye)、12N14P、6S LiPo (22.2V) 計算機の使用: 目標Kv=500、極数=14、スロット数=12、固定子内径=22、固定子スタックの長さ=12、最大電流=25、供給電圧=22.2、巻線タイプ=0

  期待される結果:

  • コイルあたりの巻数：純正巻線を上回ります（純正920Kvで約7〜8ターン、500Kvで約13〜14ターン）
  • ワイヤAWG: 連続25A (AWG 12～14レンジ) には太いワイヤが必要です
  • フィルファクター:太いワイヤー×巻数が多い方が実際にスロットに収まるかどうかを確認します
  • 位相抵抗:巻数が多いため、純正品よりも高くなります

  フィルファクターが 75% を超えると、丸線では巻き戻しは実用的ではありません。オプション: 1。ターゲット電流を減らす (細いワイヤを使用)

  1. より高いKvを受け入れる (ターン数が少ない)
  2. より大きなステーターフレームに切り替える

  ---

  動作例:電動自転車ハブモーター (12N16P)

  12 スロット 16 極ハブモーターの巻線の設計:

  ターゲット: 15 Kv (ダイレクトドライブホイールの場合は非常に低い)、48V システム、30A 連続 計算機の使用: 目標KV=15、極数=16、スロット数=12、固定子内径=80、固定子スタックの長さ=30、最大電流=30、供給電圧=48、巻線タイプ=0

  大きな固定子 (内径80mm) は、スロット面積と極あたりのフラックスがはるかに大きいため、より多くのターンが快適にフィットします。12N16Pコンビネーションの巻線係数は12N14P (0.933) と同じですが、低速でのコギングを抑えるためにポールが2本増えています。これはスムーズな始動を必要とする車両にとって重要です。

  計算ツールを実行したら、位相抵抗出力を入力として使用して BLDC 熱ディレーティング計算ツールで熱安全性を検証します。

  ---

  よくある間違い

  1. コイルの方向が間違っています

  三相巻線では、同じ相の隣接するコイルの方向 (A+、A−、A+、A−...) を交互にする必要があります。1つのコイルを逆向きにすると、その相ペアが効果的に短絡し、大量の循環電流が発生します。計算機の巻線図は、各スロットの正しい方向を示しています。

  2. フィルファクターを超えています

  物理演算では CAD モデルは気にしません。丸型ワイヤーは完全には詰まらず、絶縁にはスペースが必要で、スロットライナーは厚みを増します。計算したフィルファクターが 65% の場合、巻線後に実際に達成されるフィルファクターは低くなります。マージンは残しておきます。

  3。抵抗加熱を無視する

  ワイヤーを回すたびに抵抗が増えます。コイルあたり8回転から14回転に巻き戻したモーターは、抵抗が 75% 増えるだけでなく、同じトルク出力でも銅損が $(14/8)^2 \times (14/8) \approx 5.4\times$ 多くなります (同じトルクの電流は巻数比で小さくなるが、抵抗は巻数を面積で割った分だけ増えるため)。巻線の設計後は、必ず BLDC 効率アナライザーを確認してください。

  4. 温度効果を忘れる

  銅抵抗は1℃あたり約 0.4% 増加しますが、周囲温度より50℃高いモーターの抵抗は低温時よりも 20% 高くなります。これにより効率曲線が変化し、最大トルクが低下します。これは BLDC 熱ディレーティング計算ツールで説明されています。

  5. スロットとポールの組み合わせが間違っています

  すべてのスロット/ポールの組み合わせが機能するわけではありません。以下を避けてください。

  • スロット = 極 (激しいコギング、不均衡な磁気引っ張り)
  • 3 で割り切れないスロット (不平衡位相)
  • GCD (S, P) = S または P (縮退巻線) の組み合わせ

  ---

  まとめ

  BLDC 巻線の設計は制約のある最適化問題です。

  1. スロット/ポールのコンボを選択 — ドローン用は12N14P、ダイレクトドライブホイール用は36N42P
  2. 目標Kvの設定 — 磁束方程式を使用してコイルあたりの巻数を決定します
  3. ワイヤゲージを選択 — 標準冷却用の電流密度5-8 A/mm²
  4. フィルファクターの確認 — 手巻きでは 75% 未満、信頼性の高い製造では 70% 未満でなければなりません
  5. デルタまたはワイを選択 — トルクはワイで、速度はデルタ ($K_{v,\Delta} = K_{v,Y} \times \sqrt{3}$)
     1. 熱の検証 — 位相抵抗出力を使用して 熱限界を確認してください
     BLDC巻線計算ツールは、手順2〜5を瞬時に実行し、巻線図を表示します。モーターの性能の全容を把握するには、BLDC モーターと 効率アナライザーの計算ツールを組み合わせてください。