DCモーターの止め方を動く回路図で理解｜コースト・ブレーキ・回生の違い

シリーズ「制御回路の保護とトラブルを動く回路図で理解」第2回

ご存じの通り、スイッチを切っても、モーターはすぐには止まりません。回転には勢い（慣性）があり、巻線には電流が残っているからです。 では、その残った勢いと電流はどこへ行くのか。この「行き先」の違いを呼び分けているのが、 コースト（惰性停止）・短絡ブレーキ・ブレーキ抵抗・回生という、安全に注意しなくてはいけない用語たちです。 ── 言葉の定義だけなら、用語集にも載っています。ところが「電流がどの道を回るのか」「熱はどこで出るのか」「電源に戻るのか戻らないのか」となると、 静止画の回路図ではなかなか区別が付きません。

この記事では、DCモーターの駆動を切った直後の出来事を、動く回路図と電圧・電流のリアルタイムグラフで観察します。 4つの止め方をすべて同じ回路の骨格・同じ操作で見比べられるので、 「電流の回る道」と「エネルギーの行き先」の違いが目に見えます。 すべての図は操作できます。ボタンで駆動を ON/OFF し、切った瞬間のグラフを自分の目で確かめながら読み進めてください。

この記事で分かること

よくある疑問と、答えているセクションの対応表です。

疑問	セクション
駆動を切った後、モーターの電流と回転はどうなるのか？	§1
何もしないで切る（コースト）と何が起きるのか？	§2（動く図）
短絡ブレーキはなぜ効くのか？　電流はどこを回るのか？	§3（動く図）
ブレーキ抵抗は短絡と何が違うのか？	§4（動く図）
「回生」とは結局何なのか？　電源に戻るとどうなるのか？	§5（動く図）
4つの止め方は結局どう使い分けるのか？	§6（比較表）/ FAQ
第1回のコイルの逆起電力と、今回の話はどう違うのか？	§1・FAQ

1. モーターは「回る発電機」── 止めるとは、エネルギーの行き先を決めること

DCモーターの中身は、磁石の中で回るコイル（電機子）です。つまりモーターは、第1回で扱った「コイル」の性質 ──流れている電流を急に変えられたくない── をそのまま持っています。 ところがモーターには、リレーのコイルにはなかった性質がもうひとつ加わります。 回っている限り、自分で電圧を生み出すという性質です。 モーターと発電機は構造が同じで、外から回されれば発電機になります。駆動を切った直後のモーターは、 慣性で回り続ける発電機そのものなのです。

ここで停止時のエネルギーの内訳を整理しておきます。第1回のリレーコイルで問題になったのは、磁界に蓄えられたエネルギーでした。 これは一瞬のサージとして現れます。モーターにはそれに加えて、回転の勢い（運動エネルギー）が蓄えられています。 こちらは磁気エネルギーよりずっと大きく、消えるまでの時間もずっと長い。 だから「モーターを止める」という設計は、実質的にこの運動エネルギーをどこで・何に変えて捨てるか（あるいは回収するか）を決めることになります。 その選択肢が、コースト・短絡ブレーキ・ブレーキ抵抗・回生です。

以降の図は、すべて同じ骨格の回路を使います。縦の境界線の左が外部（モーター側）、右が駆動スイッチ側です。 24V 電源 → 直列抵抗 50Ω → 駆動スイッチ → DCモーター → 0V という経路で、 パネルの「ソフトY0」ボタンが駆動指令にあたります。図が変わるのは、モーターの端子まわりに足す停止用の経路だけです。

グラフは第1回と同じ装備です。図の上のリアルタイムグラフが、【V1】（モーターの＋端子の電圧）と【I1】（モーターの電流）を直近の約 0.05 秒ぶんだけ流しながら表示します。 やり直したいときはパネル右上の「回路を初期状態へ」ボタンで読み込み直後に戻せます。

V1 モーター＋端子の電圧 ── OFF 瞬間の跳ね・頭打ちを見る I1 モーターの電流 ── 減衰の速さと、経路の有無を見る

2. コースト（惰性停止）── 経路を用意しないで切ると（図1）

最初の図は、停止用の経路を何も付けていない回路です。駆動スイッチを切ると、モーターへの経路はただ開放されます。 これがコースト（惰性停止・フリーラン）で、以降のすべての止め方は、この図との対比で読みます。 「ソフトY0」を ON にして電流が流れ回転が上がっていくのを確認したら、上がり切る前に OFF にして、 切った直後の【V1】グラフに注目してください。

切った瞬間、巻線に残っていた電流は行き場を失い、第1回で見たのと同じ一瞬のサージが【V1】に現れます （モーターの巻線もコイルなので、ここまでは第1回の復習です）。 そのあとが今回の本題です。電流が消えたあともモーターは慣性で回り続け、発電機として端子に電圧を出し続けますが、 回路が開放されているので電流はもう流れません。電気的なブレーキは一切掛からず、 回転は軸受や負荷の摩擦だけで、ゆっくりと落ちていきます。 「切ったのになかなか止まらない」── コーストとは、運動エネルギーの処分を摩擦にまかせる止め方です。

補足: 図1〜図3には、切った後の振動が延々続かないよう、実機の配線が持つ容量・漏れに相当する小さな部品（直列 RC）を入れてあります。本線の経路ではありません。

3. 短絡ブレーキ ── 端子をつなぐと電流は回り続ける（図2）

今度は、モーターの端子間に停止用のスイッチを足しました。駆動を切ったあとにこのスイッチを閉じると、モーターの両端子が短絡されます。 回っているモーターは発電機ですから、短絡された発電機には電流が流れます。 電流はモーター → 短絡スイッチ → モーターという小さな一周を回り続けます。 そのエネルギー源は回転の勢いですから、電流が流れるぶんだけ回転にブレーキが掛かります。 これが短絡ブレーキ（発電ブレーキ、ダイナミックブレーキの一種）です。

下の図では、この停止経路をボタンで入切できます。まず「短絡ブレーキ：切」のまま ON → OFF して、図1と同じサージを確認してください。 次に OFF のあと「短絡ブレーキ：入」にして、同じ操作を繰り返します。 同じ回路・同じ操作で、【V1】の跳ねが抑えられ、電流が短絡の一周を回るのが見えます。

ここで大事な確認をひとつ。短絡ブレーキで回る電流は、電源には一切戻っていません。 電流はモーターと短絡スイッチの間だけを回り、回転のエネルギーは主に電機子（巻線）の抵抗で熱になって消えていきます。 「ブレーキ＝電気を電源に返している」と思われがちですが、それは §5 の回生の話。短絡ブレーキはあくまでその場で熱に変えて捨てる止め方です。

	短絡＝切（コースト）	短絡＝入
OFF 直後の【V1】	一瞬大きく跳ねる	跳ねが抑えられる
停止後の電流の経路	なし（開放）	モーター ↔ 短絡スイッチの一周
回転の落ち方	摩擦まかせで遅い	発電ブレーキで速い
エネルギーの行き先	サージ・摩擦	主に電機子の熱
電源へ戻るか	戻らない	戻らない

4. ブレーキ抵抗 ── 熱を出す場所を自分で決める（図3）

短絡ブレーキの「熱が電機子で出る」「電流が大きすぎる」という2つの弱点は、 短絡の代わりに狙った値の抵抗を挟めば同時に緩和できます。それがブレーキ抵抗です。 下の図では、モーター端子間に 150Ω の抵抗＋スイッチの経路を置きました。 操作は図2と同じ。「ブレーキ抵抗：切」で OFF してサージを確認してから、「入」で同じ操作を繰り返してください。

図2と見比べると、【I1】の減衰が短絡よりも穏やかになっているはずです。 抵抗を大きくするほどブレーキ電流は小さく、ブレーキの効きは緩やかに。小さくするほど短絡ブレーキに近づきます。 そして熱の主な発生場所が、電機子から外付けのブレーキ抵抗に移ります。 熱に弱いモーター本体ではなく、放熱設計をした抵抗器で運動エネルギーを引き受ける ── これが、サーボアンプやインバータの周辺で「ブレーキ抵抗（回生抵抗とも呼ばれます）」という部品が売られている理由です。 効きの強さと熱の場所を設計者が選べるのが、短絡との本質的な違いです。

5. 回生 ── 電源側へ「戻る」経路を作る（図4）

最後は、これまでの3つとは性格の違う止め方です。図1の回路に、モーターの＋端子から 24V 電源レールへ向かうダイオードを1本足しました （アノードがモーター側、カソードが電源側）。 駆動を切ったあと、発電機となったモーターの端子電圧が電源より高くなろうとすると、このダイオードが導通し、 電流が電源側へ流れ込みます。運動エネルギーを熱で捨てるのではなく、電気として電源側に返す ── これが回生の入口です。

操作はいつもどおり ON → OFF。今度は切った直後、電流ドットがダイオードを通って電源側へ向かうのが見えます。 【V1】も、図1のような鋭い跳ねにはならず、電源電圧の近くで頭打ちになります。 行き場を失うはずだった電流に「電源へ帰る道」ができたからです。

6. 4つの止め方の使い分け ── 「電流の道」と「熱の場所」で選ぶ

4枚の図で見たことを1枚にまとめます。どれが優れているという話ではなく、 電流がどの道を回るか・エネルギーをどこで処分するか・どれだけ速く止めたいかの3つで選ぶ、というのが今回の結論です。

止め方	停止後の電流の経路	エネルギーの行き先	止まる速さ	ひとことで
コースト（図1）	なし（開放）	摩擦（＋OFF 瞬間のサージ）	遅い・成り行き	止め方を決めていない状態
短絡ブレーキ（図2）	端子間の短絡一周	主に電機子の熱	速い（電流は大）	強力だがモーターが熱を負担
ブレーキ抵抗（図3）	端子間＋抵抗の一周	外付け抵抗の熱	抵抗値で調整	効きと熱の場所を設計できる
回生（図4）	電源側へ戻る	電源側（理想なら回収）	受け手の能力次第	返せる相手がいるかが鍵

なお、どの方式を選んでも、OFF の一瞬のサージ対策（第1回のダイオード等）は別枠で必要です。 停止経路のスイッチが閉じるまでのわずかな時間、巻線の電流には行き場がないからです。 「止め方の設計」と「サージ保護」は、混ぜずに両方やる ── これが第1回と今回をつなぐ実務の結論です。

実際の製品では、ここで見た素の回路をそのまま組むことは少なく、モータードライバや Hブリッジの中に 短絡ブレーキ（ブレーキモード）や回生の経路が最初から組み込まれています。 それでもデータシートの「brake」「coast」「regenerative」という言葉が何を指すかは、この記事の4枚の図がそのまま対応表になります。

まとめ ── 「止める」とは、電流の道とエネルギーの行き先を決めること

• 駆動を切っても、モーターの電流と回転はすぐには消えない。回っているモーターは発電機であり、止める設計とは運動エネルギーの行き先を決めること（§1）。
• コーストは経路なし。電気ブレーキは掛からず、停止は摩擦まかせ。OFF 瞬間のサージは第1回と同じ理屈で出る（§2）。
• 短絡ブレーキは端子間の一周に電流を回し、回転の勢いを電機子の熱に変えて速く止める。電源には戻らない（§3）。
• ブレーキ抵抗は「狙った Ω の短絡」。効きの強さと熱を出す場所を設計者が選べる（§4）。
• 回生は電源側へ戻す経路。ただし実機の電源は受け取れないことが多く、母線電圧の上昇という次の課題が生まれる（§5・続編予定）。
• どの止め方でも、OFF 瞬間のサージ保護は別枠で必要（§6）。

この記事の前提になっている「コイルは電流を急に変えられたくない」「サージはどこに掛かるか」は、シリーズ第1回 「コイルの逆起電力を動く回路図で理解｜ダイオードの役割」で、 モーターを駆動する出力段そのものの話は 「PLCのリレー・トランジスタ・トライアック出力はどう違う？」で、 同じ形式の動く図とともに解説しています。

FAQ

Q1. コースト・短絡ブレーキ・回生を、それぞれ一言でいうと？

A. コーストは「経路を作らず摩擦で止まるのを待つ」、短絡ブレーキは「端子間に一周を作り、その場で熱にして速く止める」、回生は「電源側へ戻る経路を作り、エネルギーを電気として返す」です。区別の軸は、停止後に電流がどの道を回るかです。

Q2. 第1回のコイルのサージと、今回の話はどう違うのですか？

A. 第1回は磁界に蓄えたエネルギーが一瞬のサージになる話で、対策は還流ダイオードなどの「一瞬の逃げ道」でした。今回は回転に蓄えた運動エネルギーの処分の話で、時間もエネルギー量も桁違いに大きく、対策は「止め方の設計」そのものです。モーターでは両方が同時に起きるので、サージ保護と停止設計は別枠で両方必要です。

Q3. 短絡ブレーキの電流は電源に戻っているのですか？

A. 戻っていません。電流はモーターと短絡スイッチの間の一周だけを回り、エネルギーは主に電機子抵抗の熱として消えます。電源に戻るのは、図4のように電源側へ向かう経路（回生）を作った場合だけです。

Q4. ブレーキ抵抗と「回生抵抗」は同じものですか？

A. 部品としてはどちらも電力用の抵抗器で、呼び名が文脈で変わっているだけのことが多いです。ただし接続場所は2通りあります。今回の図3のようにモーター端子間に入れる使い方と、インバータ・サーボの直流バスに入れて回生で上がった母線電圧を熱に落とす使い方（続編予定）です。カタログで「回生抵抗」とあれば、多くは後者を指します。

Q5. 短絡ブレーキはいつでも掛けてよいのですか？

A. いいえ。経路の抵抗が小さいぶん、掛けた瞬間のブレーキ電流は大きく、高速・大慣性から掛けるとスイッチ素子やモーターの定格を超えることがあります。実機ではドライバやモーターの仕様書に、ブレーキを掛けてよい条件（回転数・頻度など）が示されているのが普通です。迷ったらブレーキ抵抗で電流を制限する側に倒します。

Q6. 回生でエネルギーが電源に戻ると、何が問題になるのですか？

A. 受け手の問題です。図4の理想電源は戻った電流を吸い込めますが、実機の直流電源の多くは受け取る方向に作られていません。行き場のない電流はバスのコンデンサを充電し、母線電圧が上昇します。インバータの「過電圧トリップ」や、バスに入れる回生用ブレーキ抵抗・回生コンバータは、この現象への対策です。

Q7. 図の操作で「回転が上がり切る前に OFF」と言われるのはなぜですか？

A. 無負荷のモーターが回り切ると、発電電圧（逆起電力）が電源電圧に近づいて電流がほぼ流れなくなるからです。その状態で切っても、消えるべき電流が小さいのでサージも小さくなります。加速中＝電流が残っているうちに切ると、行き場を失う電流の振る舞いがはっきり見えます。

Q8. H ブリッジやモータードライバの「ブレーキモード」はどれに当たりますか？

A. 多くは図2の短絡ブレーキです。ブリッジの下側（または上側）2つのスイッチを同時に ON にして、モーター端子間を短絡します。データシートの coast（またはフリーホイール）は図1、brake は図2、regenerative braking は図4系の経路に対応します。

Q9. AC モーター（インダクションモーター）でも同じ考え方ですか？

A. 「運動エネルギーの行き先を決める」という骨格は同じですが、経路の作り方が変わります。インバータ駆動の AC モーターでは、減速時にインバータを通して直流バスへ回生され、バス電圧の上昇・ブレーキ抵抗・回生コンバータという図4の続きの世界になります。直流を注入して止める直流制動など、AC 特有の方式もあります。

Q10. シミュレーションは実機とどこが違いますか？

A. 原理の骨格だけに削っています。モーターの定数（K・慣性・摩擦）は動きが見やすいよう選んだ教材値で、直列の 50Ω も電流ドットの速さ調整を兼ねた値です。図1〜図3に入れた小さな直列 RC は、実配線の容量・漏れに相当する減衰用で、本線の経路ではありません。図4の電源は理想電圧源なので、実機で問題になる母線電圧の上昇は起きません。原理の理解には図を、実設計の数値にはモーター・ドライバのデータシートを使ってください。