DC 모터란 무엇입니까?
DC 모터는 DC 전력을 기계적 운동으로 변환하는 전기 기계입니다. 직경이 몇 밀리미터에 불과한 의료 장비용 소형 장치부터 수천 마력을 생산하는 맞춤형 설계까지, 다양한 용도와 전력 요구 사항에 맞는 다양한 모터가 있습니다.
브러시 모터와 브러시를 사용하지 않은 모터
가장 일반적인 두 가지 DC 모터 유형은 브러시 DC와 브러시를 사용하지 않은 DC(BLDC)라고 지칭합니다. 기본적인 물리학 원리는 동일하지만 구조, 성능 특성, 제어 수단은 매우 다릅니다.
귀하의 용도에 가장 적합한 것은 무엇일까요? 인생에서 많은 것이 그렇듯, 답은 "상황에 따라 다르다"입니다. 브러시 모터와 브러시를 사용하지 않은 모터에는 장단점이 있습니다. 이 문서에서는 두 가지 DC 모터 기술을 살펴보고 이 복잡한 주제를 좀 더 이해하기 쉽게 설명해 보겠습니다.
브러시 모터의 작동 원리
1800년대에 처음 발명된 브러시 DC 모터는 가장 간단한 모터 유형 중 하나입니다. 초기 직류 조명 전력 분배 시스템으로 전력을 공급받을 수 있었기 때문에 널리 사용된 최초의 유형이었습니다.
그림 1: 브러시 DC 모터. (출처: Oriental Motor)
그림 1에서 볼 수 있듯이, 일반적인 브러시 DC 모터는 회전하는 전기자와 고정된 고정자로 구성됩니다.
전기자(회전자라고도 함)는 연철 코어 주위에 감긴 절연 전선의 권선을 하나 이상 포함합니다. 권선은 하나 이상의 코일을 형성하고, 전기자 샤프트 주위에 여러 개의 금속 접촉 부분으로 구성된 원통형 장치인 정류자와 전기적으로 연결됩니다. 고정자는 회전자를 둘러싸고 있으며, 자기장을 생성하기 위해 영구 자석이나 전자석을 포함합니다. 브러시는 탄소와 같은 부드러운 소재로 만들어진 전기 접점으로, 샤프트가 회전할 때 정류자 부분과 접촉하도록 스프링이 장착되어 있습니다.
DC 모터에서 브러시의 역할
DC 전원이 브러시에 연결되면 전기자 코일에 전원이 공급되어 전자석으로 바뀌고 회전하면서 S극과 N극이 각각 고정자의 S극과 N극에 맞춰집니다. 정류자가 회전하면, 그 운동으로 인해 전기자 코일로 흐르는 전류의 극성과 자기장의 방향이 반전됩니다. 전기자는 새로운 정렬 방향으로 회전하고, 전류는 다시 반전되며 전기자는 계속 회전합니다.
전류를 역전시키는 이러한 수단을 기계적 정류라고 합니다. 즉, 샤프트의 기계적 회전이 전류 극성을 전환하는 데 필요한 피드백을 제공합니다.
권선의 배열을 변화시킴으로써 다양한 성능 특성을 가진 여러 종류의 브러시 DC 모터가 개발되었습니다. 기본적으로 5가지 유형이 있습니다. 처음 네 가지 유형은 고정자와 회전자(전기자) 모두에 코일을 사용하므로 전자석만 사용합니다.
브러시 DC 모터의 종류와 용도
션트 권선 브러시 DC 모터는 회전자와 고정자 필드 코일이 병렬로 연결되어 있어 부하에 관계없이 일정한 속도로 작동합니다. 이러한 자체 조절 기능으로 인해 속도가 일정한 산업 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
직렬 권선 브러시 DC 모터는 두 개의 코일이 직렬로 감겨 있습니다. 속도는 부하에 따라 달라지며 부하가 감소하면 증가하지만, 시동 토크가 매우 높아 자동차 시동기와 같은 단시간 작동 응용 분야에 널리 사용됩니다.
복합 권선 브러시 DC 모터는 션트 권선 모터와 직렬 권선 모터의 특성을 결합한 것입니다. 복합 권선 모터는 일반적으로 심각한 시동 조건이 발생하고 일정한 속도가 필요한 경우에 사용됩니다.
별도로 여자되는 브러시 DC 모터는 회전자와 고정자에 별도의 전원 공급 장치를 갖추고 있어, 높은 고정자 계자 전류와 충분한 전기자 전압을 확보해 필요한 회전자 토크 전류를 생성합니다. 이 유형의 모터는 저속에서 높은 토크 성능이 필요할 때 사용됩니다.
영구 자석 브러시 DC 모터는 고정자에 영구 자석을 포함하고 있어 외부 계자 전류가 필요 없습니다. 이 설계는 다른 브러시 DC 모터 유형보다 작고, 가볍고, 에너지 효율이 높으며 최대 약 2HP의 저전력 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
브러시 DC 모터의 속도를 제어하는 방법
정류가 기계적으로 수행되므로 브러시 DC 모터를 제어하는 것은 개념적으로 매우 간단합니다. 고정 속도 모터는 DC 전압과 켜짐/꺼짐 스위치만 필요한데, 전압을 변화시키면 넓은 범위에 걸쳐 속도가 변하는 방식입니다.
더욱 정교한 제어가 필요한 응용 분야의 경우 그림 2에 표시된 H 브리지와 같은 일반적인 회로 토폴로지를 사용할 수 있습니다. 트랜지스터 Q1과 Q4를 동시에 켜거나, 트랜지스터 Q3과 Q2를 동시에 켜면 BDC 모터를 통과하는 전류가 한 방향 또는 다른 방향으로 흐르므로 양방향 동작이 가능합니다.
속도 제어를 위해 펄스 대역폭 변조(PWM) 신호를 사용하여 평균 전압을 생성합니다. 모터 권선은 저역 통과 필터 역할을 하므로 고주파 PWM 파형이 모터 권선에서 안정적인 전류를 생성합니다. 더욱 정밀한 속도 조절을 위해 홀 효과 센서 또는 광학 인코더와 같은 속도 센서를 추가하여 폐쇄 루프 제어 시스템을 형성할 수 있습니다.
브러시 DC 모터 기본 사항
브러시 모터는 브러시를 사용하지 않은 모터에 비해 비용이 저렴하고 신뢰성이 높으며, 토크 대 관성 비율이 높습니다. 외부 구성 요소가 거의 또는 전혀 필요하지 않으므로 혹독한 환경에서도 작동하기에 적합합니다.
단점은 시간이 지남에 따라 브러시가 마모되어 먼지가 발생한다는 것입니다. 브러시 모터는 브러시를 청소하거나 교체하는 정기적인 유지 관리가 필요합니다. 다른 단점으로는 회전자의 한계로 인한 열 방출 성능이 좋지 않고, 회전자 관성이 높고, 최대 속도가 낮고, 브러시 아크로 인해 전자기 간섭(EMI)이 발생한다는 것이 있습니다.
브러시를 사용하지 않은 모터의 작동 원리
브러시를 사용하지 않은 DC(BLDC) 모터의 기본 작동 원리는 브러시 DC 모터와 동일합니다. 즉, 내부 샤프트 위치 피드백을 사용하는 정류 제어입니다. 하지만 구조는 매우 다릅니다.
브러시 DC 모터와 달리 BLDC 회전자에는 영구 자석이 장착되어 있고, 고정자는 슬롯이 있는 적층 강철로 만들어졌으며 코일 권선이 들어 있습니다.
BLDC는 또한 카본 브러시나 기계적 정류자를 사용하지 않습니다. 회전자를 회전시키는 작업은 고정자 주위의 코일에 순차적으로 전원을 공급하여 수행되며, 정류는 회전자 위치 센서(예: 포토 트랜지스터 LED, 전자기 또는 홀 효과 센서)와 함께 사용되는 복잡한 전자 컨트롤러를 통해 수행됩니다.
BLDC 구조 방식을 사용하면 고정자 코일의 내부 저항이 낮아지고 방열성이 훨씬 뛰어납니다. 코일에서 나오는 열이 훨씬 더 큰 고정 모터 하우징을 통해 더 효율적으로 발산될 수 있으므로 작동 효율이 더 높아집니다.
고정자 권선은 별 모양(또는 Y 모양)이나 삼각주 모양으로 배열할 수 있습니다. 강철 적층재는 슬롯이 있거나 없을 수 있습니다. 슬롯이 없는 모터는 인덕턴스가 낮으므로 더 빠른 속도로 작동할 수 있으며, 느린 속도에서는 리플이 적습니다. 슬롯이 없는 고정자의 주요 단점은 더 큰 공기 간격을 보상하기 위해 더 많은 권선이 필요하기 때문에 비용이 더 많이 든다는 것입니다.
회전자의 극 수는 응용 분야에 따라 달라질 수 있습니다. 극 수를 늘리면 토크는 증가하지만 최대 속도는 감소합니다. 영구 자석을 구성하는 데 사용되는 재료도 최대 토크에 영향을 미치며, 이는 자속 밀도와 함께 증가합니다.
그림 3 : 브러시를 사용하지 않은 DC 모터(BLDC). (출처: Oriental Motor)
BLDC가 무엇이며 어떻게 작동하는지 자세히 알아보십시오.
브러시를 사용하지 않은 DC 모터 제어
정류는 전자적으로 수행되어야 하므로, BLDC 제어는 위에서 설명한 간단한 방식보다 상당히 복잡하며, 아날로그와 디지털 제어 방식이 모두 사용됩니다. 기본 제어 블록은 브러시 DC 모터 접근 방식과 유사하지만 폐쇄 루프 제어가 필수입니다.
관련 상품 참조
BLDC 모터 제어에 사용되는 제어 알고리즘에는 사다리꼴 정류, 사인파 정류, 벡터(또는 필드 지향) 제어의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 각 제어 알고리즘은 소프트웨어 코딩과 하드웨어 설계에 따라 다양한 방식으로 구현할 수 있으며, 각각은 뚜렷한 장점과 단점을 가지고 있습니다.
그림 4: 브러시를 사용하지 않은 DC 모터 제어 방식.
사다리꼴 정류는 가장 간단한 제어 회로와 소프트웨어만 필요하므로 저사양 응용 분야에 적합합니다. 이는 로터 위치 피드백을 사용하는 6단계 프로세스를 활용합니다. 사다리꼴 정류는 모터 속도와 전력을 효과적으로 제어하지만 정류 중에 토크 리플이 발생하는 문제가 있으며, 특히 저속에서 문제가 됩니다.
센서가 없는 정류(모터의 역기전력을 측정하여 회전자 위치를 추정)는 알고리즘의 복잡성이 증가하는 대신 홀 효과 방식과 비슷한 성능을 구현합니다. 센서가 없는 정류는 홀 효과 센서와 인터페이스 회로를 제거함으로써 구성 요소와 설치 비용을 줄이고 시스템 설계를 간소화합니다.
사인파 정류는 캐리어 주파수를 변조하여 모터를 구동하고, 3개의 권선 전류를 동시에 제어하므로 모터가 회전할 때 전류가 부드럽고 사인파형으로 변합니다. 이 기술은 사다리꼴 방식과 관련된 토크 리플과 정류 스파이크를 제거하여 부드럽고 정밀한 모터 제어를 실현합니다. 개방 루프 시스템이나 속도 센서를 추가한 폐쇄 루프 시스템으로 작동할 수 있으며, 일반적으로 속도와 토크 제어가 모두 필요한 중간 범위 성능 응용 분야에 사용됩니다. 복잡한 사인파 정류 방식을 구현하려면 추가적인 처리 능력과 제어 전자 장치가 필요합니다.
벡터 제어는 복잡한 설계와 마이크로컨트롤러에 대한 높은 요구 사항으로 인해 고급 응용 분야에만 사용됩니다. 이 알고리즘은 위상 전류 피드백을 사용하여 전압 및 주파수 벡터를 계산하고 모터를 정류합니다. 벡터 제어는 속도와 토크에 대한 정밀한 동적 제어를 제공하며 광범위한 작동 범위에서 효율적입니다.
센서가 없는 기술도 사용할 수 있는데, 션트가 모터 전류를 모니터링하고, 알고리즘은 결과를 모터 작동 파라미터의 저장된 수학적 모델과 비교합니다. 이 방식을 사용하면 피드백 장치의 비용은 줄어들지만 MCU의 처리 요구 사항이 크게 증가합니다.
BLDC 제어 전략 비교
다양한 제어 전략을 비교해 보면 어떨까요? 예상할 수 있듯이 간단한 사다리꼴 방식은 토크 제어 능력이 가장 떨어지지만 마이크로컨트롤러나 제어 장치에 요구하는 사항이 많지 않습니다. 반면, 벡터 제어 방식(필드 지향 제어 또는 FOC라고도 함)은 속도와 토크를 모두 탁월하게 제어하지만, 마이크로컨트롤러 요구 사항이 까다롭습니다.
브러시 모터와 브러시를 사용하지 않은 모터의 차이점
브러시를 사용하지 않은 DC 모터는 마모되는 기계적 정류자나 브러시가 없기 때문에 유지 관리가 용이하고 스파크가 발생하지 않습니다. 또한 샤프트 마찰과 관성이 적고, 가청 소음이 적으며, 토크 대 중량 비율(전력 밀도)이 훨씬 뛰어나므로 비슷한 브러시 DC 모터보다 크기가 훨씬 작습니다.
브러시 DC 모터와 비교했을 때 BLDC 모터는 여러 가지 성능상의 이점이 있습니다. 즉, 초기 토크가 높고, 정격 속도까지는 토크가 일정합니다. 실시간 전자 제어로 인해 속도 조절이 정확하고 부하 변화에 민감하지 않습니다. 열이 내부 회전자가 아닌 외부 고정자에서 발생하므로 낮은 온도를 유지하기가 더 쉽습니다. 또한 브러시가 없기 때문에 전기적 소음이 적고 더 빠른 속도(경우에 따라 최대 100,000RPM)로 작동할 수 있습니다.
사용 가능한 브러시 및 브러시를 사용하지 않은 DC 모터 제어 솔루션
앞서 살펴본 바와 같이 간단한 브러시 DC 모터 제어 기능은 쉽게 달성할 수 있지만, 더욱 정밀한 BDC 제어와 BLDC 제어는 둘 다 결코 간단하지 않습니다.
좋은 소식은 모터에 적합한 컨트롤러를 연결하는 기성품 솔루션이 여러 가지 있다는 것입니다. 장치 수준에서 Arrow Electronics는 브러시 모터와 브러시를 사용하지 않은 모터를 모두 처리하는 주요 공급업체의 다양한 모터 컨트롤러를 제공합니다. 또한 모터 제어는 거대한 시장이기 때문에 많은 공급업체가 DC 모터 제어를 대상으로 한 개발 키트, 참조 설계 및 소프트웨어 라이브러리를 제공합니다.
브러시 모터와 브러시를 사용하지 않은 모터: 어느 것이 더 적합할까요?
응용 분야에 따라 올바른 DC 모터 기술을 선택할 때 사용할 수 있는 다양한 옵션이 있습니다.
유지 관리가 불가능한 공간 제약이 있는 의료 기기라면 어떨까요? 브러시를 사용하지 않은 솔루션을 살펴보면 됩니다. 주된 관심사가 저렴한 비용입니까? 그렇다면 아마도 영구 자석 DC 모터가 적합할 것입니다.
매우 정밀한 제어 기능이 필요합니까? 디지털 제어 전략을 갖춘 BLDC를 고려해 보십시오. 간단한 제어 방식을 원하십니까? 브러시 DC 옵션을 확인해 보십시오.
어느 쪽이든, 이제 브러시를 사용하지 않은 모터 기술과 브러시 모터 기술의 상대적 장점을 이해했으므로 더 유리한 위치에서 최상의 선택을 할 수 있을 것입니다.
