브러시리스 모터란 무엇입니까? 작동 방식, 다이어그램 및 DC 유형 설명

브러시리스 모터란 무엇입니까?

브러시리스 모터는 전자적으로 정류된 자기장을 통해 회전력을 생성하는 전기 모터로, 기존 브러시 모터에 사용되는 물리적인 카본 브러시와 기계적 정류자 링을 제거합니다. 회전자 권선을 통해 전류 방향을 전환하기 위해 슬라이딩 전기 접점에 의존하는 대신 브러시리스 모터는 전용 전자 컨트롤러(ESC(전자 속도 컨트롤러) 또는 BLDC 드라이버)를 사용하여 회전자 위치에 따라 정확한 타이밍에 고정자 권선을 통해 전류를 시퀀싱합니다. 로터 자체에는 영구 자석이 포함되어 있으며 전기 연결이 전혀 없습니다.

이러한 아키텍처 변화는 세 가지 즉각적인 결과를 가져옵니다. 첫째, 브러시 디자인에서 열, 마모 및 효율성 손실의 주요 원인인 브러시 마찰이나 아크가 없습니다. 둘째, 발열 권선은 모터 하우징과 직접 접촉하고 수동적으로 또는 능동적으로 냉각될 수 있는 고정자에 있습니다. 브러시 모터에서는 회전하는 로터 내부에 열이 축적되어 소멸되기 어렵습니다. 셋째, 모든 작동 조건에 맞게 소프트웨어에서 정류 타이밍을 최적화할 수 있어 모터가 넓은 RPM 및 부하 범위에서 최대 효율로 작동할 수 있습니다. 브러시리스 모터는 일반적으로 85~95%의 효율을 달성합니다. , 동등한 브러시 디자인의 경우 75~80%와 비교됩니다.

"브러시리스 모터"라는 용어는 가장 일반적으로 DC 전압으로 구동되고 전자 정류를 사용하여 AC 모터의 회전 자기장을 근사화하는 BLDC(브러시리스 DC 모터)를 의미합니다. PMSM(영구자석 동기 모터)을 포함한 브러시리스 AC 모터는 동일한 물리적 원리로 작동하지만 사다리꼴 DC 스위칭이 아닌 정현파 AC 파형에 의해 구동됩니다. 일상적인 사용에서 "브러시리스 모터"와 "BLDC 모터"는 가전 제품, 전동 공구, 드론, 전기 자동차 및 산업 자동화 전반에 걸쳐 같은 의미로 사용됩니다.

다이어그램 브러시리스 DC 모터 : 내부 구조

브러시리스 DC 모터 다이어그램을 이해하려면 고정자, 회전자, 영구 자석, 홀 효과 센서, 외부 컨트롤러 등 5가지 기능 요소를 식별해야 합니다. 브러시가 회전 샤프트의 분할된 정류자 링을 누르는 모습을 보여주는 브러시 모터 다이어그램과 달리 BLDC 다이어그램은 내부 또는 외부에서 회전하는 간단한 자석 어셈블리를 사용하여 고정된 외부 몸체의 모든 전기적 복잡성을 보여줍니다.

고정자(고정 권선)

고정자는 인러너 BLDC 모터(또는 아웃러너의 내부 링)의 고정 외부 구조입니다. 이 제품은 A상, B상, C상 등 3상으로 배열된 구리 코일로 감겨진 별형 또는 돌출형 극 형상으로 찍힌 적층 실리콘 강철 코어로 구성됩니다. 이 3상은 3개 권선이 모두 공통 중성점을 공유하는 별형(Y) 구성이나 권선이 삼각형으로 끝에서 끝까지 연결되는 델타(Δ) 구성으로 연결됩니다. 스타 배선이 더 일반적입니다. BLDC 모터는 낮은 RPM에서 더 높은 토크를 생성하고 컨트롤러 설계를 단순화하기 때문입니다. 최대 고속 전력이 우선시되는 경우에는 델타 배선이 선호됩니다.

고정자 슬롯과 회전자 극의 수는 모터의 기본 특성을 정의합니다. 12슬롯, 14극 구성(드론 모터에 일반적)은 낮은 코깅으로 부드러운 토크를 생성합니다. 9슬롯, 12폴 디자인은 토크 밀도와 제조 단순성의 균형 때문에 전동 공구에 널리 사용됩니다. 슬롯 및 극 수는 전기 주기 주파수도 결정합니다. 14극 모터는 기계 회전당 7회의 전기 주기를 완료합니다. 즉, 해당 컨트롤러는 동일한 RPM에서 2극 모터보다 샤프트 회전당 7배 더 빠르게 전류를 전환해야 합니다.

로터(영구자석)

전동 공구, 하드 드라이브 및 대부분의 산업용 모터의 표준 구성인 인러너 BLDC 모터에서 회전자는 고정자 보어 내부에 위치합니다. 이는 표면에 영구 자석이 장착되거나 내장된 강철 샤프트로 구성됩니다. 표면 장착형 자석 회전자(SPM)는 제조가 더 간단하고 저비용 설계에서 우위를 점합니다. 내부 영구 자석 회전자(IPM)는 회전자 적층 내부에 자석을 내장하여 확장된 속도 범위에 대해 더 높은 자기저항 토크와 더 나은 자속 약화를 가능하게 합니다. 전기 자동차 견인 모터는 거의 보편적으로 IPM 로터 설계를 사용합니다.

아웃러너 BLDC 모터는 이러한 기하학적 구조를 뒤집습니다. 즉, 영구 자석 어셈블리가 고정 고정자 외부를 중심으로 회전합니다. 이는 아웃러너에게 토크 생성을 위한 더 큰 모멘트 암을 제공하고 직접 구동 응용 분야에 자연스럽게 적합하게 만듭니다. 드론 프로펠러와 전기 자전거 허브 모터는 부하를 회전하는 외부 쉘에 직접 장착하여 기어박스를 제거합니다. 아웃러너가 생산하는 것 낮은 RPM에서 더 높은 토크 인러너는 동등한 인러너보다 더 빠르게 회전하고 고속 기어 응용 분야에 더 잘 맞습니다.

홀 효과 센서

대부분의 BLDC 모터에는 120° 간격(일부 구성에서는 60°)으로 고정자에 장착된 3개의 홀 효과 센서가 포함되어 있습니다. 각 센서는 지나가는 회전자 자석의 자기장을 감지하고 북극 또는 남극이 인접해 있는지에 따라 높음 또는 낮음의 이진 신호를 출력합니다. 3개의 센서는 전기 사이클당 6개의 고유한 상태를 순환하는 3비트 위치 코드(예: 101, 001, 011, 010, 110, 100)를 함께 생성하여 컨트롤러에 언제든지 활성화할 고정자 위상을 결정할 수 있는 충분한 위치 분해능을 제공합니다. 이것이 브러시리스 모터 정류 논리의 핵심입니다. 홀 센서 출력 → 컨트롤러가 로터 위치를 디코딩 → 올바른 위상 쌍 전환 .

센서리스 BLDC 모터는 홀 센서를 완전히 생략하고 대신 회전자 자석이 지나갈 때 전원이 공급되지 않는 위상 권선에서 생성된 역기전력(back-EMF)을 모니터링하여 회전자 위치를 감지합니다. 무센서 설계는 드론, PC 냉각 팬 및 가전제품에서 주로 사용되는 더 간단하고 콤팩트하며 저렴하지만 역기전력이 감지되기 ​​전에 로터가 이미 회전하고 있어야 합니다. 이것이 바로 무센서 모터가 폐쇄 루프 역기전력 추적으로 전환하기 전에 시동 시퀀스(개방 루프 강제 정류)가 필요한 이유이며, 무거운 부하에서 안정적으로 시작하지 못하거나 주저할 수 있는 이유입니다.

브러시리스 모터 작동 방식: 정류 순서

브러시리스 모터의 작동 원리는 고정자의 전환 가능한 전자석과 회전자의 고정 영구 자석 사이의 전자기 인력 및 반발입니다. 컨트롤러는 특정 순서로 권선에 전원을 공급하여 고정자에 회전 자기장을 지속적으로 생성합니다. 로터의 영구 자석은 이 회전 자기장을 추적하여 자기 토크를 기계적 샤프트 회전으로 변환합니다.

홀 센서 장착 모터의 표준 접근 방식인 사다리꼴 정류 방식의 3상 BLDC 모터에서는 언제든지 3상 중 2상에만 전원이 공급됩니다. 컨트롤러의 6단계 정류 시퀀스는 다음과 같이 작동합니다.

1. 1단계: 위상 A 양성, 위상 B 음성, 위상 C 꺼짐. 결과적인 자기장은 가장 가까운 회전자 자석을 AB 고정자 극쌍 쪽으로 끌어당깁니다.
2. 2단계: 위상 A 양수, 위상 C 음수, 위상 B 꺼짐. 필드는 전기적으로 60° 회전합니다. 로터가 따라옵니다.
3. 3단계: 위상 B 양성, 위상 C 음성, 위상 A 꺼짐. 필드는 60° 더 회전합니다.
4. 4단계: 위상 B 양성, 위상 A 음성, 위상 C 꺼짐. 회전은 계속됩니다.
5. 5단계: C상 포지티브, A상 네거티브, B상 꺼짐.
6. 6단계: 위상 C 양성, 위상 B 음성, 위상 A 꺼짐. 하나의 전체 전기 주기가 완료되었습니다. 순서가 반복됩니다.

각 단계는 회전자의 현재 위치보다 약간 앞쪽에 활성화된 자기장을 유지합니다. 마치 회전자 앞에 항상 당근이 있는 것처럼 말입니다. 로터는 현재 필드 위치에 접근하자마자 컨트롤러가 다음 단계로 진행하기 때문에 결코 따라잡지 못합니다. 속도는 권선에 적용되는 전압을 변화시켜 제어됩니다. , 일반적으로 컨트롤러의 3상 인버터 브리지의 하이 측 스위치에 있는 PWM(펄스 폭 변조)을 통해 이루어집니다. 토크는 상전류의 크기에 따라 제어됩니다. 이 두 변수와 실시간 최적화 사이의 관계는 기본 BLDC 드라이버를 정교한 FOC(자속 기준 제어) 시스템과 구분하는 요소입니다.

자속 기준 제어와 사다리꼴 정류

사다리꼴 정류는 6단계 사이에서 갑자기 전환되어 전기 주파수의 6배에서 출력 토크의 주기적인 변화인 토크 리플을 생성합니다. 저속에서 이 잔물결은 가청 소음과 진동을 생성합니다. 고속에서는 무시할 수 있습니다. 정현파 정류 또는 벡터 제어라고도 하는 FOC(자속 기준 제어)는 지속적으로 변화하는 정현파 전류를 3개 위상 모두에 동시에 적용하여 완벽하게 부드러운 회전 자기장을 생성합니다. 결과는 거의 0에 가까운 토크 리플, 더 조용한 작동, 5~15% 더 높은 효율성 부분 부하 시. FOC는 더 많은 계산 능력(수십 MHz에서 실행되는 DSP 또는 ARM Cortex 마이크로컨트롤러)과 3상 모두에서 정밀한 전류 감지가 필요합니다. 이것이 바로 FOC가 프리미엄 전동 공구, 전기 자동차, 산업용 서보 드라이브에서는 표준이지만 비용에 민감한 소비자 제품에서는 흔하지 않은 이유입니다.

브러시리스 모터와 브러시 모터: 중요한 성능 차이

브러시리스 전기 모터 다이어그램과 브러시 모터 다이어그램은 핵심 절충안을 보여줍니다. 브러시 모터는 기계적으로 자체 정류하는 반면(드라이브 전자 장치가 단순하고 시스템 비용이 낮음) 브러시리스 모터는 복잡성을 컨트롤러로 옮기고 그 대가로 상당한 성능 이점을 얻습니다.

브러시 아크는 의료 장비, 정밀 측정 장비, RF 시스템 등 EMI(전자기 간섭)가 문제가 되는 응용 분야에서 특히 중요합니다. 브러시 모터의 정류자는 근처의 민감한 회로에 결합될 수 있는 주파수 스펙트럼 전반에 걸쳐 광대역 전기 잡음을 생성합니다. 이와 대조적으로 브러시리스 모터는 PWM 주파수와 해당 고조파에서만 스위칭 소음을 생성합니다. 이는 표준 EMI 억제 구성 요소로 필터링할 수 있는 관리 가능하고 예측 가능한 간섭 소스입니다.

브러시리스 DC 모터 데이터시트의 주요 사양

애플리케이션에 적합한 브러시리스 DC 모터를 선택하려면 브러시 모터 데이터시트에 나타나지 않는 여러 상호 의존적 사양을 해석해야 합니다. 이러한 수치를 이해하면 오적용, 특히 브러시리스 모터 시스템 설계에서 가장 일반적인 사양 오류인 컨트롤러 요구 사항을 과소평가하는 것을 방지할 수 있습니다.

• KV 등급(RPM/V) — 단위 변환이 필요하지 않은 적용된 DC의 볼트당 모터가 생성하는 무부하 속도입니다. 12V의 1000KV 모터는 무부하 시 약 12,000RPM으로 회전합니다. KV가 높을수록 토크는 더 빠르고 토크는 낮습니다. 낮은 KV = 느리고 토크가 높습니다. 드론 추진 모터의 범위는 일반적으로 300KV(대형, 느린 소품)부터 2,500KV(작고 빠른 소품)까지입니다.
• 연속 및 피크 전류(A) — 연속 전류는 과열 없이 모터가 처리할 수 있는 지속적인 부하입니다. 피크 전류는 가속 또는 정지 중 순간 최대값입니다. 컨트롤러 전류 정격은 모터 피크 전류를 초과해야 합니다. — ESC의 크기를 줄이면 급 가속 중에 FET 오류가 발생합니다.
• 위상 저항(mΩ) — 두 위상 단자 사이의 권선 저항. 저항이 낮다는 것은 주어진 전류에서 구리 손실(I²R 가열)이 적다는 것을 의미하지만, 전류 제한이 아닌 경우 컨트롤러를 손상시킬 수 있는 정지 전류가 높다는 의미이기도 합니다.
• 토크 상수(Nm/A) — 위상 전류 암페어당 생성된 출력 토크는 역관계 Kt = 60/(2π × KV)에 의해 KV와 직접 관련됩니다. 이 수치는 최대 토크 요구 사항에서 애플리케이션에 필요한 전류량을 결정합니다.
• 극수 — 컨트롤러가 올바른 정류 주파수를 계산하는 데 필요합니다. 3,000RPM의 14극 모터는 컨트롤러가 초당 7 × 3,000/60 = 350 전기 사이클을 실행해야 하며, 사다리꼴 정류에서는 초당 최소 2,100회의 스위칭 이벤트를 실행해야 합니다.
• 센서형 vs 센서리스 — 모터에 홀 효과 센서가 포함되어 있는지 여부. 센서 모터에는 홀 센서 입력이 있는 컨트롤러가 필요합니다. 센서리스 모터에는 역기전력 감지 기능이 있는 컨트롤러가 필요합니다. 센서리스 컨트롤러에서 센서 모터를 구동하는 이러한 혼합 작업은 불안정한 시작과 잠재적인 자기 소거를 초래합니다.

브러시리스 모터가 사용되는 분야: 분야별 적용 분야

브러시리스 모터는 컨트롤러 비용 하락과 더 긴 서비스 간격 및 더 높은 전력 밀도에 대한 요구로 인해 지난 20년 동안 거의 모든 성능이 중요한 응용 분야에서 브러시 디자인을 대체했습니다.

가전제품 및 가전제품

하드 디스크 드라이브 스핀들 모터는 최초의 대중 시장용 브러시리스 애플리케이션 중 하나였습니다. HDD 스핀들의 정밀한 속도 제어와 긴 서비스 수명 요구 사항으로 인해 브러시 모터는 처음부터 실용적이지 않았습니다. 오늘날 PC 냉각 팬, 세탁기 드럼 모터, 로봇 청소기 및 무선 전동 공구는 모두 BLDC 모터를 표준으로 사용합니다. 브러시리스 모터가 장착된 프리미엄 무선 드릴은 충전당 작동 시간 25~50% 증가 동일한 전압의 브러시드 등가물과 비교하면 효율성이 높을수록 더 많은 배터리 에너지가 열이 아닌 유용한 작업으로 전환되기 때문입니다.

드론 및 RC 애플리케이션

멀티로터 드론은 추력 생성을 위해 아웃러너 BLDC 모터(일반적으로 3상, 센서리스, 직접 구동)에 전적으로 의존합니다. 높은 중량 대비 출력 비율, 정밀한 전자 속도 제어, 유지 관리가 필요한 브러시가 없기 때문에 BLDC는 소비자 및 상업용 UAV를 위한 유일하게 실행 가능한 추진 기술입니다. 일반적인 5인치 FPV 레이싱 드론 모터(2306 프레임 크기, 2400KV)의 무게는 35g 미만이며 최대 전류에서 1kg 이상의 추력을 생성합니다. 이는 브러시 모터가 접근할 수 없는 전력 밀도입니다.

전기 자동차

EV 트랙션 모터는 주로 내부 영구 자석 BLDC(또는 PMSM) 설계로, 고전압 배터리 팩에서 끌어온 FOC 인버터로 제어됩니다. Model 3의 Tesla 후면 모터는 스위치드 릴럭턴스 설계이지만 전면 모터는 고속도로 주행의 전체 속도 범위에서 효율성을 높이기 위해 선택된 PMSM입니다. BMW i3와 대부분의 현대/기아 EV 모델은 IPM BLDC 모터를 사용합니다. 최대 전력 출력은 소형 EV의 경우 150kW부터 고성능 애플리케이션의 경우 500kW 이상까지 다양하며 모두 마이크로초 수준의 스위칭 정밀도를 갖춘 자동차 등급 3상 인버터로 관리됩니다.

산업 자동화 및 로봇공학

CNC 공작 기계, 로봇 암 및 컨베이어 시스템의 서보 모터는 거의 전적으로 브러시리스입니다. FOC 제어, 고해상도 인코더 및 폐쇄 루프 피드백의 조합은 부하 변화에 따라 미크론 이내의 위치 지정 정확도와 0.01% 이내의 속도 조절을 제공합니다. 폭발성 가스나 미세 먼지가 있는 환경(곡물 처리, 화학 공장, 광산)에서 밀봉된 하우징이 있는 브러시리스 모터는 브러시 아크의 점화 위험을 제거하여 브러시 모터가 충족할 수 없는 ATEX 및 IECEx 위험 지역 인증을 획득했습니다.