브러시리스 DC 모터 설명: 작동 방식, 다이어그램 및 드릴 사용

DC 전기 모터란 무엇입니까?

DC 전동기는 직류 전기 에너지를 기계적 회전 에너지로 변환하는 기계입니다. 자기장 내부에 있는 도체를 통해 전류가 흐르면 해당 도체에 힘이 작용합니다. 이것이 로렌츠 힘이며, 이는 존재하는 모든 DC 모터의 물리적 원리입니다. 회전 샤프트 주위에 전류가 흐르는 여러 도체(권선)를 대칭으로 배열하고 이를 통해 전류 방향을 관리함으로써 DC 모터는 연속적이고 제어 가능한 회전을 생성합니다.

DC 모터는 전동 공구, 전기 자동차, 산업용 컨베이어, 로봇 공학, HVAC 팬, 가전제품 등 가변 속도, 높은 토크 또는 배터리 구동 드라이브가 필요한 모든 곳에 사용됩니다. 이들의 특징은 회전 속도가 적용된 전압에 정비례하고 토크가 전류에 정비례한다는 것입니다. 따라서 AC 모터에 비해 전자적으로 제어하기가 쉽습니다.

DC 모터의 두 가지 주요 범주는 다음과 같습니다. 브러시드 DC 모터 그리고 브러시리스 DC 모터(BLDC) . 두 가지 모두 동일한 전자기 원리로 작동하지만 모터 권선을 통해 전류 전환(정류라고 불리는 기능)을 관리하는 방법이 근본적으로 다릅니다.

DC 전기 모터의 작동 원리: 핵심 원리

모든 DC 모터에는 두 가지 기본 자기 구성 요소가 포함되어 있습니다. 고정자 (고정 자기장을 제공하는 고정된 외부 부분) 및 로터 (회전자 내부 부분, 뼈대라고도 함). 고정자의 자기장과 회전자의 전류 전달 권선에 의해 생성된 자기장 사이의 상호 작용은 샤프트를 구동하는 회전력(토크)을 생성합니다.

단일 반 회전이 아닌 연속적인 회전을 위해서는 회전자가 회전할 때 회전자 권선을 통과하는 전류의 방향이 올바른 순간에 반전되어야 합니다. 정류라고 하는 이러한 스위칭이 없으면 자기력이 역전되어 로터를 시작 위치로 다시 밀어냅니다. 브러시형 DC 모터에서 정류는 기계적으로 처리됩니다. 회전자 샤프트에 장착된 분할된 구리 링(정류자)과 이를 누르는 스프링 장착 탄소 블록(브러시)으로 구성됩니다. 로터가 회전함에 따라 브러시는 연속적인 정류자 세그먼트와 슬라이딩 접촉을 이루어 각 회전의 올바른 지점에서 전류 방향을 자동으로 반전시킵니다.

간단한 DC 모터 다이어그램: 주요 구성요소

단순화된 브러시 DC 모터에는 중앙 샤프트 주위에 배열된 다음 요소가 포함되어 있습니다.

• 고정자(자석): 회전자 에어 갭을 통해 고정 자기장을 생성하는 외부 하우징에 장착된 영구 자석 또는 전자석입니다.
• 로터(전기자): 절연동선 코일을 감은 적층철심; 작동 전류를 전달하고 회전 자기장을 생성합니다.
• 정류자: 로터 샤프트에 부착된 분할 구리 링; 회 전자가 회전함에 따라 권선의 전류 방향을 전환합니다.
• 브러쉬: 정류자를 누르고 외부 회로에서 회전 권선으로 전류를 전달하는 스프링 장착 탄소 접점입니다.
• 샤프트 및 베어링: 회전 출력을 부하로 전송합니다. 베어링은 샤프트를 지지하고 마찰을 최소화합니다.

브러시와 정류자는 브러시 모터의 기계적 약점입니다. 카본 브러시는 마찰로 인해 점차 마모되어 열, 전기적 소음 및 카본 먼지가 발생합니다. 고속이나 무거운 하중에서는 브러시 접촉이 아크를 발생시켜 추가적인 마모를 일으킬 수 있습니다. 대부분의 브러시 모터는 부하 및 속도 조건에 따라 500~2,000 작동 시간 후에 브러시를 교체해야 합니다.

브러시리스 모터란 무엇입니까?

BLDC(브러시리스 DC 모터)는 정류자와 브러시 어셈블리를 완전히 제거하고 전용 모터 컨트롤러로 관리되는 전자 정류로 기계적 정류를 대체하는 DC 전기 모터입니다. 그 결과 고정 부품과 회전 부품 사이에 물리적 접촉이 없는 모터가 탄생했습니다. 마모될 브러시가 없고 아크 정류자가 없으며 모터 내부를 오염시키는 탄소 먼지가 없습니다.

브러시리스 모터에서는 회전자와 고정자의 역할이 브러시 설계에 비해 효과적으로 반전됩니다. 영구자석은 회전자에 장착됩니다. , 동안 감긴 구리 코일(권선)이 고정자에 고정되어 있습니다. . 모터 컨트롤러는 고정자에 내장된 홀 효과 센서를 사용하여 회전자의 각도 위치를 읽고 회전자가 계속 회전하도록 올바른 순서로 고정자 권선을 통해 전류를 전환합니다. 이러한 전자 전환은 초당 수천 번 발생하며 사용자에게는 보이지 않습니다. 하지만 이는 브러시 모터의 기계적 정류 시스템 전체를 고체 전자 장치로 대체합니다.

권선이 고정자(고정 부분)에 있기 때문에 전류 흐름에 의해 생성된 열은 주변 공기나 방열판과 접촉하는 모터 하우징을 통해 직접 소산될 수 있습니다. 브러시 모터에서는 회전 전기자 내부에서 열이 발생하므로 제거하기가 더 어렵습니다. 이러한 열적 이점을 통해 브러시리스 모터는 과열 없이 더 오랫동안 더 강하게 작동할 수 있습니다.

브러시리스 모터 작동 방식: 전자 정류

브러시리스 모터의 작동은 영구 자석 회전자, 3상 고정자 권선, 전자 속도 컨트롤러(ESC) 또는 모터 드라이버 등 세 가지 상호 작용 시스템에 따라 달라집니다.

브러시리스 모터는 일반적으로 다음과 같이 제작됩니다. 120° 간격으로 배열된 고정자 권선 3세트 (3단계 건설). 모터 컨트롤러는 회전 순서로 이러한 권선에 전원을 공급하여 고정자에 회전 자기장을 생성합니다. 영구 자석 회전자는 이 회전 자기장을 추적합니다(항상 가장 가까운 고정자 자극과 정렬하려고 시도함). 이러한 회전 자기장 추적이 지속적인 회전을 생성합니다.

컨트롤러는 정확한 순간에 올바른 권선에 전원을 공급하기 위해 항상 로터의 정확한 위치를 알아야 합니다. 홀 효과 센서 고정자에 내장된 회전자 자석의 위치를 감지하고 회전의 모든 지점에서 컨트롤러에 위치 신호를 보냅니다. 일부 고급 브러시리스 모터는 물리적 센서가 아닌 역기전력(회전하는 회전자에 의해 생성된 전압)에서 회전자 위치를 추론하는 무센서 정류를 사용하여 구성 요소 수를 줄이고 고속 애플리케이션의 신뢰성을 향상시킵니다.

브러시리스 모터 효율성: 중요한 이유

브러시리스 모터는 일상적으로 달성합니다. 85~95% 전기-기계 효율 , 동급 브러시 모터의 경우 75~85%인 것과 비교됩니다. 브러시 마찰 손실 제거, 정류 지점의 전기 저항 감소, 전자 스위칭을 통한 보다 정밀한 전류 제어를 통해 효율성이 향상됩니다. 전동 공구, 전기 자동차, 드론 등 배터리 구동 애플리케이션에서 이러한 효율성 차이는 충전당 작동 시간이 더 길어진다는 의미로 직접적으로 해석됩니다. 브러시형 드릴과 동일한 작업을 실행하는 브러시리스 드릴은 동일한 정격 전력에서도 배터리를 상당히 느리게 소모합니다.

브러시리스 모터 드릴이란 무엇입니까?

브러시리스 모터 드릴은 기존 브러시 모터가 아닌 브러시리스 DC 모터로 구동되는 무선 드릴 또는 드릴 드라이버입니다. 브러시리스 드릴은 2009~2012년경 전문가급 도구에 처음 등장한 이후 DIY부터 산업용까지 모든 성능 계층에서 표준이 되었습니다.

브러시형 모터 드릴에 비해 브러시리스 모터 드릴의 실질적인 장점은 상당하며 위에서 설명한 모터 설계 차이점을 직접적으로 추적할 수 있습니다.

• 더 길어진 배터리 사용 시간: 모터 효율이 높을수록 충전당 작업량이 많아집니다. 브러시리스 드릴은 일반적으로 동일한 배터리 팩의 브러시 모델보다 실행 시간이 25~50% 더 깁니다.
• 더 높은 전력 출력: 브러시 마찰 손실이 없으면 더 많은 배터리 에너지가 척에 도달합니다. 브러시리스 드릴은 배터리에서 끌어오는 전류당 더 많은 토크를 생성합니다.
• 공구 수명 연장: 마모될 브러시가 없고 정류자 아크가 발생하지 않는다는 것은 모터 자체가 정상적인 사용 시 본질적으로 무제한의 서비스 수명을 갖는다는 것을 의미합니다. 제한 요인은 모터보다는 베어링과 기어박스가 됩니다.
• 적응형 전력 공급: 브러시리스 드릴의 모터 컨트롤러는 부하에 따라 전류 전달을 실시간으로 조정할 수 있습니다. 가벼운 부하에서 모터는 최소한의 전류를 소비합니다. 부하가 높으면 증가합니다. 이러한 부하 감지 동작은 제어를 향상시키고 쉬운 작업에서 배터리 소모를 줄입니다.
• 유지 관리 비용 절감: 브러시 검사나 교체 간격이 없습니다. 전문적으로 많이 사용하는 브러시 드릴은 일반적으로 1~2년마다 브러시를 교체해야 합니다. 브러시리스 드릴에는 동등한 서비스 요구 사항이 없습니다.

주된 절충점은 비용입니다. 전자 속도 컨트롤러는 제조 복잡성을 추가하여 동일한 전력 수준에서 브러시리스 드릴을 브러시형 드릴보다 더 비싸게 만듭니다. 그러나, 생산량이 증가함에 따라 가격 프리미엄이 급격히 떨어졌습니다. — 이전에는 브러시 모터로만 얻을 수 있었던 가격으로 이제 보급형 브러시리스 드릴을 사용할 수 있으므로 모든 예산에 걸쳐 브러시리스 이점을 이용할 수 있습니다.

브러시 드릴과 브러시리스 드릴: 언제 중요합니까?

그림 걸기, 플랫 팩 가구 조립 등 가끔 가벼운 용도로 사용하는 경우 브러시 드릴이 적합하고 비용 효율적입니다. 브러시리스 모터의 효율성과 수명 장점은 듀티 사이클이 높은 작업에서 가장 가치가 있습니다. 매일 여러 시간 동안 드릴을 사용하는 기술자, 한 번의 충전으로 최대 런타임이 필요한 작업, 많은 수의 나사를 구동하거나 빽빽한 목재 및 석재에 구멍을 뚫는 등 장기간 일관된 토크가 필요한 작업에서 가장 가치가 있습니다. 전문가 또는 준전문가가 정기적으로 사용하는 무선 드릴의 경우 브러시리스가 올바른 선택입니다.

브러싱 대 브러시리스 DC 모터 : 기술 비교

이제 브러시리스 DC 모터는 효율성, 수명 또는 정밀한 전자 제어가 우선시되는 응용 분야를 지배하고 있습니다. 브러시 모터는 낮은 단위 비용과 단순한 드라이브 회로가 성능 단점보다 더 큰 비용에 민감한, 낮은 듀티 사이클 또는 단순성이 중요한 애플리케이션을 위해 계속 생산되고 있습니다. 특히 전동 공구 부문에서 시장은 결정적으로 브러시리스로 전환했습니다. 대부분의 주요 도구 제조업체는 이제 전체 무선 범위에 걸쳐 브러시리스 변형을 제공합니다. , 소형 드라이버부터 튼튼한 해머 드릴 및 앵글 그라인더까지.