글: Jeremy Cook
브러시를 사용하지 않은 DC 모터(BLDC)의 장점과 사용
BLDC 또는 브러시를 사용하지 않은 DC 모터는 전통적인 '브러시를 사용한' 모터에 비해서 많은 장점이 있습니다. 브러시를 사용하지 않은 모터는 드론, 전동 공구, 포장 장비, 가전제품, 의료용 기기 등에 사용됩니다. 본 포스팅에선 다른 모터 기술에 비해서 BLDC 모터가 갖고 있는 장점과 단점을 살펴봅니다. 또한 BLDC가 어디에서 사용되는지 그리고 어떻게 사용할 수 있는지도 알아봅니다.
BLDC 모터란 무엇인가?
브러시를 사용하지 않은 DC 모터는 모터의 고정자(고정된 부분)에 감긴 전자기 코일에 전원을 순차적으로 인가하여 모터의 회전자(회전하는 부분)에 배열된 영구 자석에서 힘을 발생시킵니다. 고정자 코일은 특수 드라이버로 전기 - 및 따라서 자기 - 방향을 가변하는 특정한 패턴으로 가압되어야 합니다. BLDC 모터는 동일한 부하와 속도에서 브러시 DC 모터보다 훨씬 더 효율적으로 작동합니다.
이러한 패턴을 구현하려면 드라이버가 특정한 시점에 회전자의 위치를 감지해야 합니다. BLDC 모터는 통상적으로 홀 효과 센서를 통한 또는 역기전력 감지를 통한 폐루프 제어를 특징으로 합니다. 회전 출력은 코일 시퀀스의 속도를 조절함으로써 고도로 정확하게 제어될 수 있습니다. BLDC 모터는 스테퍼 모터와 일부 유사한 점이 있지만, BLDC가 고속에 최적화되어 있는 반면에 오픈루프로 구성된 스테퍼 모터는 정확한 위치 설정에 최적화되어 있습니다.
BLDC 모터의 유형
BLDC 모터에는 두 가지 주요 유형, 즉 인러너(inrunner)와 아웃러너(outrunner)가 있습니다.
- 아웃러너 BLDC의 경우 영구 자석이 외부 섹션에 배치되어 있고 이 외부 섹션이 구동하면서 출력축을 회전시키게 됩니다. 일반적으로 크기가 같을 경우 아웃러너 BLDC는 인러너에 비해서 더 큰 토크를 생성하고 더 낮은 속도에서 작동합니다. 전자석은 내부 고정자 섹션에 배열되어 있습니다. 아웃러너는 인러너만큼 잘 냉각되지 않으며 하우징은 외부 오염 요소를 그만큼 잘 차단하지 못합니다.
- 인러너 BLDC의 경우 전자석이 고정된 외부 하우징 내에 배열되어 있는 반면에 영구자석은 내부 회전자에 배열되어 있습니다. 일반적으로 크기가 동일하다면 인러너 BLDC는 아웃러너에 비해서 더 빠르게 회전하고 더 낮은 토크를 생성합니다. 인러너 모터는 전자기 코일이 외부 하우징에 직접 부착되어 있기 때문에 외부 오염 요소에 대한 보호가 더 좋고 냉각이 더 수월하다는 장점이 있습니다.
인러너와 아웃러너 두 경우 모두 전자기 섹션은 고정되어 있고 영구 자석이 회전됩니다. 이것이 전통적인 DC 모터와 다른 점인데, DC 모터의 경우 영구 자석은 (하우징에) 고정되어 있고 전자기 섹션이 회전됩니다. 또 다른 근본적인 차이는 브러시 DC 모터는 홀 효과 센서 또는 역기전력을 바탕으로 코일 가압의 타이밍을 조절하는 것이 아니라 물리적 브러시를 사용해서 "기계적으로 프로그래밍된" 시퀀스에 따라 전기를 전송한다는 점에 있습니다.
브러시를 사용하지 않은 DC 모터에 비해서 브러시 DC 모터가 갖는 큰 장점은 저렴하고 사용하기기 쉽다는 점입니다. 적절한 전압의 DC 전원에 간단히 연결만 하면 되기 때문입니다. 하지만 효율이 낮고 브러시가 마찰로 마모되며 스파크가 발생하는 단점이 있습니다. 브러시 DC 모터는 또한 BLDC 모터에 비해서 출력 제어 능력이 낮습니다. 내장 피드백 시스템이 없기 때문에 입력 전압을 변경하는 것이 출력 RPM과 토크를 조절하는 유일한 방법입니다.
BLDC 모터는 스테퍼 모터, AC 모터 또는 어떤 독특한 것인가?
브러시를 사용하지 않은 DC 모터는 빠른 시퀀스 단계로 회전하기 때문에 이 회전 장치를 스테퍼 모터로 분류하기 쉽습니다. 앞서 언급한 바와 같이 실질적인 차이는 BLDC는 일반적으로 고속 운전을 위해서 고안된 반면에 스테퍼 모터는 정확한 위치 결정을 위해서 설정되어 있다는 점에 있습니다. 몇 천 RPM으로 모터를 회전시켜야 할 필요가 있다면 스테퍼가 아니라 BLDC가 적절한 선택입니다.
동시에 모터를 1회전 미만, 정방향 및 역방향으로, 반복해서 정확하게 회전시키야 할 필요가 있을 경우 스테퍼 모터를 사용하는 것이 좋습니다. CNC 라우터와 3D 프린터가 스테퍼 제어를 통해서 수 시간 동안 빈번하게 작동하면서 각 스텝이 일시에 완벽하게 동기화되어야 하는 경우를 생각해보십시오. 모터의 작동 거리를 결정하기 위해서 센서 피드백을 사용하는 서보 모터도 정확한 위치 결정을 위한 좋은 선택입니다.
BLDC 모터가 스테퍼와 서보 요소를 조합한 것이라는 점에서 BLDC는 완전히 독특한 시스템으로 간주될 수 있습니다. 탁월한 속도와 효율성, 내장 피드백 시스템 그리고 낮은 유지 비용으로 BLDC 모터는 다양한 자동화 프로젝트를 위한 매력적인 선택입니다.
AC 전원을 위한 BLDC와 PMSM
BLDC 모터는 직류 전원 장치이며 그에 대응하는 교류 전원 장치는 영구자석 동기전동기(PMSM)라고 불립니다. 이 유형의 모터는 각 코일에 제어된 DC 전원을 인가하는 것이 아니라 AC 전원을 사용하고 가변 주파수 드라이브를 통해서 모터 속도를 제어합니다. PMSM은 일반적으로 BLDC보다 효율이 높고 더 높은 토크를 생성하며 종종 전기 자동차에 사용되기도 합니다. BLDC 모터와 같은 것은 아니지만 PMSM은 많은 경우에 좋은 대안이 될 수 있습니다.
BLDC 제어 방법
전용 센서 또는 역기전력에 따른 회전 정보를 사용하는 BLDC 제어는 다음 세 가지 방법 중 하나로 구현됩니다. 사다리꼴파 제어, 정현파 제어, 자속기준 제어(FOC).
사다리꼴파 제어는 BLDC를 구동하는 가장 단순한 방법으로서 각 상을 순차적으로 가압하게 됩니다. 코일은 고압 또는 저압 상태로 가압하거나 플로팅 상태일 수 있습니다. 이 방법은 널리 사용될 수 있기는 하지만 종종 더 발전된 기술을 사용하는 것만큼 효과적이지는 않으며 가청 소음이 발생할 수도 있습니다.
정현파 제어는 가변 듀티비 PWM 기술을 사용해서 각 BLDC 코일을 가압함으로써 아날로그 출력을 모사합니다. 이를 통해서 상태 간 더 부드러운 전환이 가능하는데 이는 정확한 시그널을 결정하기 위해서 룩업테이블을 사용하기 때문입니다. 코일은 종종 완전한 정현파가 아니라 안장 형태(saddle)의 패턴으로 가압됩니다.
자속기준 제어(FOC)는 가변 출력 정현파 제어와 유사하지만 전압 입력을 계산할 때 모터의 변화하는 권선 전류도 고려합니다. FOC는 일정한 토크와 속도를 내면서도 소음이 낮고 BLDC 모터를 구동하기에 가장 효율적인 방법입니다.
BLDC 모터의 적용
BLDC 모터 기술은 오늘날 드론 시스템에 주로 사용되고 있는데, 드론 시스템에선 고속 운전이 가능하고 효율성이 높으며 정비 필요성이 낮은 4개 이상의 회전자를 조율하는 것이 가장 중요한 문제이기 때문입니다. 또한 BLDC 모델은 통상 브러시 모터에 비해서 상당한 가격 프리미엄이 붙는데도 불구하고 BLDC 기술은 전동 공구에도 점점 더 많이 사용되고 있는 것을 볼 수 있습니다. 세탁기 및 건조기는 물론 선풍기와 펌프에도 BLDC 모터가 사용됩니다.
다른 적용 예에는 PC에 사용되는 소형 냉각팬이 있는데 이들 팬은 보통 BLDC 모터로 구동됩니다. 정밀하게 회전하는 자성/광학 매체(하드 드라이브 및 CD/DVD/ 블루레이 플레이어) 또한 이 기술을 사용합니다. 범위를 더 넓히면 전기 자동차(전기 자전거 포함), 포장 장비 그리고 의료 장비에도 이 기술이 사용됩니다.
브러시를 사용하지 않은 DC 모터 시작하기
그 상당한 장점을 고려할 때 가까운 장래에 BLDC 모터 기술의 사용은 더욱 증대할 것으로 예상됩니다. 더 높은 효율과 출력을 위한 가장 발전된 FOC 방법론의 다른 사용 사례 그리고 계속 성능이 개선되는 드라이버를 찾아보세요.
예정된 프로젝트가 있든 아니면 향후 사용 가능성이 있든 BLDC 기술을 알아보는 데 지금보다 더 좋은 시기는 없습니다. 여러분의 시작을 돕기 위해서 Arrow는 설계를 더 수월하게 하고 출시 시간을 단축하는 다양한 BLDC 평가 보드를 제공합니다.
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