브러시드와 브러시리스 DC 모터: 주요 차이점
DC 모터란 무엇입니까?
DC 모터는 DC 전력을 기계적 운동으로 변환하는 전기 기계입니다. 다양한 응용 분야 및 전력 요구 사항에 맞춘 다양한 종류의 모터가 있으며, 의료 장비에 사용되는 직경 몇 밀리미터의 작은 장치부터 수천 마력의 출력을 생성하는 맞춤형 디자인에 이르기까지 폭넓게 존재합니다.
브러시드 모터 vs. 브러시리스 모터
가장 일반적인 두 가지 유형의 DC 모터 는 브러시 DC와 브러시리스 DC (BLDC)로 알려져 있습니다. 기본 물리학은 동일하지만, 구조, 성능 특성 및 제어 방법은 매우 다릅니다.
어떤 것이 귀하의 응용 프로그램에 가장 적합합니까? 글쎄요, 많은 인생의 일들처럼 답은 “상황에 따라 다릅니다.” 브러시와 브러시리스 모터에는 각각 장단점이 있습니다. 이 기사에서는 두 DC 모터 기술을 살펴보고 이 복잡한 주제에 대해 조금 더 밝힐 것입니다.
브러시드 모터의 작동 원리
1800년대에 처음 발명된 브러시드 DC 모터는 가장 간단한 유형의 모터 중 하나입니다. 초기 직류 조명 전원 배급 시스템에서 전력을 공급할 수 있었기 때문에 최초로 널리 사용된 유형입니다.
그림 1: 브러시 DC 모터. (출처: Oriental Motor)
그림 1에 표시된 것처럼, 일반적인 브러시 DC 모터는 회전하는 앰처와 고정된 스테이터로 구성됩니다.
앰처(로터라고도 함)는 부드러운 철심 주위에 절연된 전선을 하나 이상 감은 권선으로 구성됩니다. 권선은 하나 이상의 코일을 형성하며, 앰처 샤프트 주위의 여러 금속 접촉 세그먼트로 구성된 실린더인 정류자와 전기적으로 연결됩니다. 스테이터는 로터를 둘러싸고 있으며, 영구 자석이나 전자석을 포함하여 자기장을 생성합니다. 브러시는 부드러운 재료인 탄소로 만들어진 전기 접촉부로, 샤프트가 회전할 때 정류자의 세그먼트와 접촉하기 위해 스프링이 부착되어 있습니다.
DC 모터에서 브러시의 역할
직류 전원 공급 장치가 브러시에 연결되면, 회전자 코일이 활성화되어 전자석으로 변하고 회전하여 각각의 북극과 남극이 고정자의 남극과 북극에 일치하게 됩니다. 정류자가 회전하면서, 이 운동은 회전자 코일에 흐르는 전류의 극성과 자기장의 방향을 반대로 변화시킵니다. 회전자는 새로운 정렬을 향해 회전하고, 전류가 다시 반전되며, 회전자는 계속 회전합니다.
이 전류를 반전시키는 방법은 기계적 정류라고 합니다. 축의 기계적 회전이 필요한 전류 극성 전환에 대한 피드백을 제공합니다.
권선의 배열을 다양하게 하여, 서로 다른 성능 특성을 가진 여러 종류의 브러시 직류 모터가 개발되었습니다. 다섯 가지 기본 유형이 있으며, 처음 네 가지 유형은 고정자와 회전자 모두에 코일을 사용하므로 전자석만을 사용합니다.
브러시 DC 모터의 유형 및 사용
분권 와전류 직류 모터는 회전자와 고정자 필드 코일이 병렬로 연결되어 있으며, 부하에 관계없이 일정한 속도로 작동합니다. 이 자동 조절 기능 덕분에 산업의 일정 속도 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
직권 와전류 직류 모터는 두 코일이 직렬로 연결되어 있으며, 부하에 따라 속도가 변하며 부하가 감소하면 속도가 증가하지만 매우 높은 시작 토크를 가지고 있어 자동차 시동기와 같은 단기간 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
복권 와전류 직류 모터는 분권과 직권 모터의 조합으로, 두 방식의 특성을 가지고 있습니다. 복권 모터는 일반적으로 가혹한 시작 조건과 일정한 속도가 필요한 경우에 사용됩니다.
분리 여기 와전류 직류 모터는 회전자와 고정자에 별도의 전원을 공급하여 고정자 필드 전류와 회전자의 토크 전류를 생성하기 위한 충분한 전압을 가능하게 합니다. 이 유형의 모터는 낮은 속도에서 높은 토크 성능이 필요한 경우에 사용됩니다.
영구 자석 와전류 직류 모터는 고정자에 영구 자석을 사용하여 외부 필드 전류가 필요 없도록 합니다. 이 설계는 다른 와전류 직류 모터 유형보다 작고 가볍고 에너지 효율적이어서 약 2 HP까지의 저전력 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
브러시 DC 모터의 속도를 제어하는 방법
그림 2: H-브리지 사용 양방향 브러시 DC 모터 제어. (출처: Microchip)
속도 제어를 위해 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 사용하여 평균 전압을 생성합니다. 모터 권선은 저대역 필터 역할을 하여 고주파 PWM 파형이 모터 권선에서 안정된 전류를 생성합니다. 보다 정밀한 속도 조절을 위해 홀 효과 센서 또는 광학 엔코더와 같은 속도 센서를 추가하여 폐회로 제어 시스템을 구성할 수 있습니다.
브러쉬드 DC 모터 기초
브러시 모터는 브러시리스 모터에 비해 저렴하고 신뢰성이 높으며 토크 대 관성 비율이 높습니다. 외부 부품이 거의 필요하지 않거나 전혀 필요하지 않기 때문에, 거친 조건에서 작동하는 데 적합합니다.
단점으로는 시간이 지나면 브러시가 마모되고 먼지가 발생한다는 것이 있습니다; 브러시 모터는 브러시 청소 또는 교체를 위한 주기적인 유지보수가 필요합니다. 기타 단점으로는 로터의 제한으로 인한 열 방출 불량, 높은 로터 관성, 낮은 최대 속도, 브러시 아크로 인한 전자기 간섭(EMI)이 포함됩니다.
브러시리스 모터의 작동 원리
브러시리스 DC (BLDC) 모터의 동작 원리는 브러시 DC 모터의 동작 원리, 즉 내부 샤프트 위치 피드백을 사용한 정류 제어와 동일하지만 구조는 매우 다릅니다.
브러시 DC 모터와 달리 BLDC 로터에는 영구 자석이 장착되어 있으며, 고정자는 슬롯이 있는 적층 강철로 만들어지고 코일 권선이 포함되어 있습니다.
BLDC는 또한 탄소 브러시나 기계적 정류자를 사용하지 않습니다. 로터를 회전시키는 것은 고정자 주위의 코일을 연속적으로 전기를 공급함으로써 이루어지며, 정류는 로터 위치 센서(예: 포토 트랜지스터-LED, 전자기 또는 홀 효과 센서)와 함께 사용되는 복잡한 전자 제어기를 통해 수행됩니다.
BLDC 구성 방법은 내부 저항이 적고 고정자 코일의 열 분산 능력이 훨씬 더 좋도록 합니다. 이는 코일의 열이 훨씬 더 큰 고정 모터 하우징을 통해 더 효율적으로 분산될 수 있기 때문에 작동 효율이 더 높아집니다.
고정자 권선은 별(또는 Y) 패턴 또는 델타 패턴으로 배열할 수 있습니다. 강철 적층은 슬롯이 있을 수도 있고 없을 수도 있습니다. 슬롯 없는 모터는 낮은 인덕턴스를 가지며 더 높은 속도로 작동할 수 있고, 느린 속도에서 리플이 적습니다. 슬롯 없는 고정자의 주요 단점은 더 큰 공기 틈새를 보완하기 위해 더 많은 권선이 필요하므로 비용이 더 높다는 것입니다.
로터의 폴 수는 응용 프로그램에 따라 다를 수 있습니다. 폴 수를 증가하면 토크가 증가하지만 최대 속도가 감소합니다. 영구 자석을 구성하는 데 사용되는 재료는 플럭스 밀도가 증가함에 따라 최대 토크에 영향을 미칠 수도 있습니다.
그림 3: 브러시리스 DC 모터 (BLDC). (출처: Oriental Motor)
BLDC가 무엇인지 및 그것이 어떻게 작동하는지에 대해 자세히 알아보십시오.
브러시리스 DC 모터 제어
전자적으로 전환이 수행되어야 하므로, BLDC 제어 는 위에서 논의한 간단한 방식보다 상당히 복잡하며, 아날로그 및 디지털 제어 방법이 모두 사용됩니다. 기본 제어 블록은 브러시 DC 모터 접근 방식과 유사하지만, 폐루프 제어가 필수적입니다.
BLDC 모터 제어에 사용되는 주요 제어 알고리즘에는 세 가지 유형이 있습니다: 트랩 평형 통전, 사인 평형 통전, 그리고 벡터(또는 필드지향) 제어. 각 제어 알고리즘은 소프트웨어 코딩과 하드웨어 설계에 따라 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 각기 다른 장점과 단점을 제공합니다.
그림 4: 브러시리스 DC 모터 제어 방법.
사다리꼴 전환은 가장 간단한 제어 회로와 소프트웨어가 필요하여 저가형 응용 제품에 이상적입니다. 로터 위치 피드백을 사용하여 6단계 프로세스를 사용합니다. 사다리꼴 전환은 모터 속도와 전력을 효과적으로 제어하지만 전환 중, 특히 저속에서 토크 리플이 발생합니다.
센서리스 전환 - 모터의 역기전력을 측정하여 로터 위치를 추정하는 방법 - 은 알고리즘 복잡성이 증가하는 대가로 홀 효과 방법과 유사한 성능을 제공합니다. 홀 효과 센서 및 인터페이스 회로를 제거하여, 센서리스 전환은 부품 및 설치 비용을 절감하고 시스템 설계를 단순화합니다.
사인파 전환은 모터를 구동하기 위해 캐리어 주파수의 변조를 사용하여 모터가 회전할 때 세 개의 권선 전류를 동시에 제어합니다. 이들 전류는 매끄럽고 사인파처럼 변합니다. 이 기술은 사다리꼴 방법과 관련된 토크 리플과 전환 스파이크를 제거하여 부드럽고 정밀한 모터 제어를 제공합니다. 개방 루프 시스템 또는 속도 센서를 추가한 폐쇄 루프 시스템으로 운영될 수 있으며, 주로 중간 성능 응용 제품에서 속도와 토크 제어가 모두 필요한 경우에 사용됩니다. 복잡한 사인파 전환 방식은 구현하기 위해 추가적인 처리 능력과 제어 전자 장치가 필요합니다.
벡터 제어는 복잡한 설계와 마이크로컨트롤러에 대한 높은 요구 때문에 고급 응용 제품에 사용됩니다. 이 알고리즘은 위상 전류 피드백을 사용하여 전압과 주파수 벡터를 계산하고 모터를 전환합니다. 벡터 제어는 속도와 토크를 정밀하게 동적으로 제어하며 넓은 작동 범위에서도 효율적입니다.
센서리스 기술도 사용할 수 있습니다. 션트가 모터 전류를 모니터링하고 알고리즘이 결과를 모터 작동 매개변수의 저장된 수학적 모델과 비교합니다. 이 방법은 피드백 장치의 비용을 줄이지만, MCU의 처리 요구사항을 크게 증가시킵니다.
BLDC 제어 전략 비교
다양한 제어 전략은 어떻게 비교되나요? 예상대로 단순한 사다리꼴 접근 방식은 최악의 토크 제어를 제공하지만, 마이크로컨트롤러나 제어 장치에 많은 것을 요구하지는 않습니다. 반대편에서는 벡터 제어 방법(필드 지향 제어, 혹은 FOC라고도 함)이 속도와 토크 모두에 대한 뛰어난 제어를 제공하지만, 마이크로컨트롤러의 요구사항이 까다롭습니다.
브러시드 모터와 브러시리스 모터의 차이점
기계식 정류자나 닳아 없어지는 브러시가 없는 브러시리스 DC 모터는 유지보수가 간편하고 불꽃이 발생하지 않습니다. 게다가 축의 마찰과 관성이 적고, 소음이 적으며 어떤 브러시 DC 모터와 비교했을 때 훨씬 나은 토크-중량 비율(전력 밀도)을 갖고 있어서 크기가 더 작습니다.
브러시 DC 모터와 비교해 보면, BLDC 모터는 여러 성능상의 이점이 있습니다. 높은 시작 토크를 가지고 있으며, 토크는 정격 속도까지 일정합니다. 실시간 전자 제어를 통해 속도 조절이 정확하며 부하의 변화에 둔감합니다. 열이 내부 로터가 아닌 외부 스테이터에서 발생하기 때문에 냉각이 더 용이합니다. 브러시가 없어서 전기적 소음이 적고 경우에 따라 최대 100,000 RPM까지 높은 속도로 작동할 수 있습니다.
사용 가능한 브러시 및 브러시리스 DC 모터 제어 솔루션
보셨다시피, 간단한 브러시 DC 모터 제어는 쉽게 달성할 수 있지만, 더 정밀한 BDC 제어와 BLDC 제어는 간단하지 않습니다.
좋은 소식은 여러 가지 상용 솔루션이 적절한 컨트롤러와 모터를 맞출 수 있게 제공된다는 것입니다. 장치 수준에서, Arrow Electronics는 주요 공급업체로부터 브러시드 모터와 브러시리스 모터 모두를 다루는 수많은 모터 컨트롤러를 제공합니다. 또한, 모터 제어가 거대한 시장이므로, 많은 공급업체는 DC 모터 제어를 목표로 하는 개발 키트, 레퍼런스 디자인, 소프트웨어 라이브러리를 제공합니다.
유도 모터와 브러시리스 모터: 어느 것이 더 나을까요?
어플리케이션에 따라 적합한 DC 모터 기술을 선택할 때 여러 가지 선택지가 있습니다.
유지 보수가 불가능한 좁은 공간의 의료 장비에 대해 생각해 보세요. 브러시리스 솔루션을 고려할 수 있습니다. 주요 관심사가 저비용인 경우 영구 자석 DC 모터가 적합할 수 있습니다.
정밀한 제어가 필요한가요? 디지털 제어 전략을 적용한 BLDC를 고려하세요. 간단한 제어 방식인가요? 브러시 DC 옵션을 살펴보세요.
어쨌든 브러시리스와 브러시드 모터 기술의 상대 장점을 이해했으므로 최적의 선택을 할 수 있는 더 나은 위치에 있을 것입니다.
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