브러시리스 모터

3. 브러시 DC 모터와의 비교

브러시 모터는 구조가 간단하고 전압을 변경하여 속도를 조절할 수 있으며, 소형화가 가능하고 비교적 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 회전자의 권선에 전력을 공급하기 위해 회전하는 정류자와 브러시가 필요하다. 브러시는 마모되기 때문에 수명이 제한되며, 대형 모터의 경우 브러시 점검 및 교체와 같은 유지보수가 필요하다. 소형 모터는 브러시 교체가 불가능하므로 브러시 수명이 곧 모터의 수명이 된다.^[28]

반면, 브러시리스 모터는 회전자에 영구 자석을 사용하므로 전기를 공급할 필요가 없다. 고정자 측에 권선 회로가 있고, 전류 반전은 전자 회로를 통해 이루어진다. 홀 소자 등을 이용하여 회전 각도를 검출하고, 이 정보를 바탕으로 트랜지스터, FET, IGBT 등의 스위칭 소자를 제어하여 전류 방향을 바꾼다. 이러한 전자식 폐루프 제어를 통해 직류 전류를 모터의 권선으로 전환하고, 공간 내에서 회전하는 자기장을 발생시켜 영구 자석 회전자를 회전시킨다.

컨트롤러는 직류 전류 펄스의 위상과 진폭을 조절하여 모터의 속도와 토크를 제어한다. 이러한 제어 시스템은 기존 브러시 모터에 사용되는 기계적인 정류자(브러시)를 대체한다. 브러시 모터는 19세기에 발명되어 현재까지도 널리 사용되고 있지만, 브러시리스 모터는 1960년대에 가동부가 없는 전자 부품이 개발되면서 실현되었다.

브러시리스 모터는 브러시가 없어 마찰이 적고 수명이 길며, 유지보수가 필요 없고, 소음과 스파크가 적고, 효율이 높다는 장점이 있다. 하지만 제어 회로가 복잡하고 가격이 비싸다는 단점이 있다.

3. 1. 브러시 정류자의 단점

• 회전하는 정류자 세그먼트를 따라 브러시가 미끄러지면서 발생하는 마찰은 저전력 모터에서 상당한 전력 손실을 유발할 수 있다.
• 부드러운 브러시 재료는 마찰로 인해 마모되어 먼지가 발생하며 결국 브러시를 교체해야 한다. 이로 인해 정류 모터는 하드 디스크 모터와 같은 낮은 미립자 또는 밀폐형 응용 분야 및 유지보수가 필요 없는 작동이 필요한 응용 분야에 적합하지 않다.
• 슬라이딩 브러시 접점의 전기 저항은 모터 회로의 전압 강하를 유발하여 에너지를 소비한다.
• 권선의 인덕턴스를 통해 전류가 반복적으로 급격하게 전환되면 정류자 접점에서 스파크가 발생하며, 이는 폭발성 대기에서 화재 위험이 있으며 인근 마이크로 전자 회로에서 전자기 간섭을 일으킬 수 있는 전자 노이즈의 원인이 된다.

4. 브러시리스 DC 모터의 구조 및 원리

브러시리스 DC 모터는 회전자(영구 자석)와 고정자(코일)로 구성되며, 전자 제어기를 통해 회전한다. 1960년대 반도체 소자의 개발로 브러시리스 DC 모터가 가능하게 되었다.^[4]

전자 제어기는 브러시 DC 모터의 정류자 어셈블리를 대체하며, 트랜지스터 등의 반도체 스위치를 제어하여 권선을 통해 흐르는 전류를 전환한다.^[5][7][6] 이를 통해 모터가 계속 회전하도록 권선에 대한 위상을 지속적으로 전환한다.

일반적인 브러시리스 모터는 고정된 전기자 주위를 영구 자석이 회전하는 형태이다.

브러시리스 모터 정류는 마이크로컨트롤러를 사용한 소프트웨어, 또는 아날로그나 디지털 회로를 사용하여 구현할 수 있다. 브러시 대신 전자 장치로 정류하면 속도 제한, 마이크로 스테핑 작동, 정지 시 유지 토크 등 브러시 DC 모터에서는 사용할 수 없는 기능을 활용할 수 있다.

회전자 위치는 주로 홀 효과 센서나 로터리 엔코더를 통해 직접 측정하거나, 센서 없이 역기전력을 측정하여 추정한다. 센서리스 방식은 별도의 센서가 필요하지 않지만, 회전자가 정지해 있을 때는 역기전력이 발생하지 않아 움직임을 시작하기 어렵다.

브러시리스 DC 모터의 주요 성능 매개변수는 모터 상수 $K\_T$(토크 상수) 및 $K\_e$(역기전력 상수, 속도 상수 $K\_V\; =\; \{1\; \backslash over\; K\_e\}$로도 알려짐)이다.^[11]

4. 1. 구성

• 델타 방식: 세 개의 권선을 서로 삼각형과 유사한 회로로 연결하고 각 연결부에 전원을 공급한다. 저속에서 낮은 토크를 제공하지만 더 높은 최고 속도를 제공할 수 있다.
• 와이(Y) 방식: 스타 권선이라고도 불리며, 모든 권선을 중앙 지점에 연결하고 각 권선의 나머지 끝에 전원을 공급한다. 저속에서 높은 토크를 제공하지만 최고 속도는 델타 방식보다 높지 않다.^[12] 델타 방식과 달리 고주파 기생 전류가 모터 내에서 순환하지 않아 손실을 방지하므로 일반적으로 더 효율적이다.

• '''이너 로터''': 안쪽에 회전자가 있는 유형. 관성이 작기 때문에 회전 속도를 변화시키는 용도(주행용 모터 등)에 적합하다.^[29][30]
• '''아우터 로터''': 바깥쪽에 회전자가 있는 유형. 관성이 크기 때문에 일정 속도로 회전시키는 용도(디스크 드라이브나 냉각 팬 등)에 적합하다.^[29]
• '''액시얼 갭''': 회전자와 고정자가 축 방향(액시얼 = 동일 방향)으로 나란히 정렬되는 유형.

4. 2. 구동 방식

4. 3. 상수에 따른 분류

• 단상 전파
• 2상 반파/전파
• 삼상 반파/전파

4. 4. 자기 극 검출 방식

• 홀 효과 센서 방식 (홀 모터라고도 불림)
• 로터리 엔코더 방식 (AC 서보 모터 등)
• 센서리스 방식
• VR 레졸버 방식 (Toyota|토요타^영어가 프리우스에 채용)

5. 제어

일반적인 컨트롤러는 논리 회로로 제어되는 세 개의 극성 가역 출력을 포함한다. 단순한 컨트롤러는 방향 센서에서 작동하는 비교기를 사용하여 출력 위상의 진행 시점을 결정한다. 더 발전된 컨트롤러는 가속도 관리, 모터 속도 제어, 효율성 미세 조정을 위해 마이크로컨트롤러를 사용한다.^[10]

브러시리스 직류 모터의 주요 성능 매개변수는 모터 상수 $K\_T$(토크 상수) 및 $K\_e$(역기전력 상수, 속도 상수 $K\_V\; =\; \{1\; \backslash over\; K\_e\}$로도 알려짐)이다.^[11]

전자 서보 시스템은 기계적인 정류자 접촉을 대체한다. 전자 센서가 로터의 각도를 감지하여 트랜지스터 등의 반도체 스위치로 권선에 흐르는 전류를 제어한다. 전자석이 한 방향으로 토크를 발생하도록 적절한 각도로 전류 방향을 반전시키거나, 일부 모터에서는 전류를 차단한다.

• 속도 제어

6. 장점 및 단점

브러시리스 모터는 브러시 DC 모터에 비해 여러 장점을 가지지만, 몇 가지 단점도 존재한다.
장점:

• 높은 효율: 브러시가 없어 마찰로 인한 에너지 손실이 적어 효율이 높다. 특히 무부하 및 저부하 영역에서 효율이 극대화된다.^[9]
• 긴 수명: 브러시와 정류자 마모가 없어 수명이 길고 유지보수가 거의 필요 없다. 베어링의 수명이 모터 수명을 결정하는 주요 요인이다.
• 높은 토크 대 중량비: 동일 무게에서 더 높은 토크를 낼 수 있다.
• 향상된 신뢰성: 브러시 및 정류자 부식으로 인한 문제, 이온화 스파크 발생이 없어 신뢰성이 높다.
• 낮은 전자기 간섭 (EMI): EMI 발생이 적어 전자 장비에 미치는 영향이 적다.
• 냉각 용이: 회전자에 권선이 없어 원심력의 영향을 받지 않고, 권선이 하우징에 의해 지지되므로 전도를 통해 냉각이 가능하다. 모터 내부를 완전히 밀폐하여 먼지나 이물질로부터 보호할 수 있다.
• 다양한 제어 기능: 전자 제어기를 통해 속도 제한, 마이크로 스테핑 작동, 정지 시 유지 토크 등 다양한 기능을 구현할 수 있다.
• 고속 운전 가능: 접촉 부품이 없어 고속 운전이 가능하다.

• 높은 초기 비용: 브러시 DC 모터에 비해 초기 비용이 비싸다. 특히 대전류용 반도체 소자는 고가이다.
• 복잡한 제어 시스템: 전자 제어기가 필요하며, 이는 복잡하고 덜 견고할 수 있다.
• 열 문제: 최대 출력은 열에 의해 제한되며, 과도한 열은 자석을 약화시키거나 권선 절연을 손상시킬 수 있다.
• 노이즈 발생: 스위칭 소자의 스위칭 시 노이즈가 발생하거나, 그 노이즈가 소리가 되는 경우가 있다. 노이즈 대책이 필요한 경우 추가 부품이 필요하다.
• 환경 성능: 주변 온도 등 환경 성능은 전자 부품에 좌우되며, 전자 회로 고장이 모터 수명 단축으로 이어질 수 있다.

7. 응용 분야

브러시리스 모터는 다음과 같이 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

• 가전 제품: 냉장고, 세탁기, 에어컨, 청소기, 선풍기 등
• 산업용 기기: 공작 기계, 로봇, 컨베이어 벨트, 펌프, 팬 등. 산업 자동화 또는 제조 공학 설계에 주로 사용되며, 모션 제어, 선형 액추에이터, 서보 모터, 산업용 로봇용 액추에이터, 압출기 구동 모터 및 CNC 공작 기계 공구의 이송 드라이브가 대표적이다.^[19]
• 수송 기기: 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전동 킥보드, 드론, 전기 자전거 등. 전기 자전거는 휠 허브 자체에 내장된 경우도 있으며, 고정자는 차축에 단단히 고정되고 자석은 휠과 함께 회전한다.^[16]
• IT 기기: (HDD), CD/DVD 플레이어, 컴퓨터 냉각 팬 등
• 기타: 직접 구동 턴테이블에서 축음기 레코드^[13], 수중 추진기^[14], 예초기, 송풍기, 톱, 드릴/임팩트 드라이버, 냉난방 공조 (HVAC) 및 냉동 산업^[17], 무선 조종 모형^[26][27], 의료 기기, 정밀 기기, 장난감 등

참조

_[1] 간행물 Electric vehicle traction motors without rare earth magnets https://www.scienced[...] 2024-05-20
_[2] 웹사이트 Control differences between ac induction motor and brushless dc motor? – Electrical Engineering Stack Exchange http://electronics.s[...] 2019-12-26
_[3] 웹사이트 What is a BLDC Motor in a Washing Machine? https://www.dumblitt[...] Dumb Little Man 2019-06-11
_[4] 문서 D.C. Machine. With Solid State Commutation AIEE 1962-10-07
_[5] 서적 Modeling and Control of Engineering Systems https://books.google[...] CRC Press 2009
_[6] 서적 Small Electric Motors https://books.google[...] Institution of Electrical Engineers 1998
_[7] 서적 Permanent Magnet Brushless DC Motor Drives and Controls https://books.google[...] John Wiley and Sons 2012
_[8] 서적 Control Systems: Principles and Design https://books.google[...] Tata McGraw-Hill Education
_[9] 웹사이트 Brushless DC Motor vs. AC Motor vs. Brushed Motor? https://www.oriental[...] 2021-04-29
_[10] 서적 The Rotor Position Study of Brushless DC Motors Without Position Sensors https://ieeexplore.i[...] 2023-12-23
_[11] 웹사이트 Brushless Motor Kv Constant Explained https://web.archive.[...] 2019-12-26
_[12] 웹사이트 Delta vs Wye phase connections https://community.pa[...] 2021-11-01
_[13] 웹사이트 Vinyl Turntable Drive Techniques https://fromvinyltop[...] 2021-12-02
_[14] 웹사이트 What is a Thruster? https://bluerobotics[...] 2024-01-12
_[15] 웹사이트 Custom axial flux permanent magnet BLDC https://turncircles.[...] Turncircles 2020-11-23
_[16] 웹사이트 home page https://www.ebikekit[...]
_[17] 웹사이트 ECMs and HVAC Systems http://www.thomasnet[...] 2019-12-26
_[18] 웹사이트 Reliance Electric GV3000 Drive 30V4160 {{!}} Automation Industrial https://30v4160.com/[...] 2023-12-23
_[19] 웹사이트 Brushless DC Motors Used in Industrial Applications http://www.ohioelect[...] Ohio Electric Motors 2012
_[20] 웹사이트 DC Motor Protection. http://www.ohioelect[...] Ohio Electric Motors 2012-01-26
_[21] 서적 Sensors Handbook https://books.google[...] McGraw Hill Professional
_[22] 서적 Permanent Magnet Materials and Their Application https://books.google[...] Cambridge University Press 1996
_[23] 서적 Control Systems: Principles and Design https://books.google[...] Tata McGraw-Hill Education
_[24] 서적 Industrial Assembly https://books.google[...] Springer Science & Business Media 1997
_[25] 서적 Industrial Control Technology: A Handbook for Engineers and Researchers https://books.google[...] Elsevier Science 2013
_[26] 웹사이트 Top 4 Fastest RC Cars for Sale in the World http://heavy.com/tec[...] 2015-02-02
_[27] 웹사이트 Brushed vs. Brushless Motors: What's the Difference, and What's Best? https://www.makeuseo[...] 2023-12-23
_[28] 문서 潤滑不良や、オイルレスメタルを用いた小型モータでは、ブラシよりも軸受が早期に損耗して寿命となることもある。この場合、機械的な抗力|抵抗が増し、電流値の上昇、発熱、異音、出力低下などが発生するが、焼きつき以外は即時に運転不能になることは少ない。
_[29] 웹사이트 2-2-2 ブラシレスDCモータの構造と用途 http://www.nidec.com[...] 日本電産（現・[[ニデック (電機メーカー)|ニデック]]） 2016-05-02
_[30] 웹사이트 TS50A & Super Fast Type-C コンボセット http://www.gforce-ho[...] ジーフォース 2016-05-02
_[31] 문서 固定子のコイルを120°ずつの間隔でU相、V相、W相の三つに分けたもの。それぞれのコイルをスロットと呼ぶ。トルク変動を抑える場合や、モータの寸法を変えずにトルクを高める場合はU、V、Wの「3スロット」を最小単位として3の倍数でスロット数を増やしていく。
_[32] 서적 サイリストモータの原理と運転 電気書院