소형 유체 제어 산업에서 브러시리스 모터는 소형 워터 펌프 및 소형 진공 펌프를 포함한 주류 장비의 핵심 전원입니다. 소형 솔레노이드 밸브는 모터와 협력하여 자동 유량 조절을 달성합니다. 최근에는 많은 장비 구매자가 BLDC 성능에 중점을 두고 있습니다. 따라서 우리는 이 고효율 모터에 대한 핵심 지식을 풀기 위해 대중 과학 기사를 연재합니다.
고효율 모터의 원리와 응용 이해: 전기 모터는 공급된 전기 에너지를 기계 에너지로 변환합니다. 다양한 유형의 전기 모터가 널리 사용됩니다. 그 중 BLDC(Brushless DC Motor)는 효율이 높고 제어성이 뛰어나 다양한 용도로 널리 사용되고 있다. 다른 유형의 모터와 비교하여 BLDC 모터는 에너지 절약 이점이 있습니다.
전기 모터는 전기 전송 기계입니다.
엔지니어가 기계 작업을 수행하기 위해 전기 장비를 설계해야 하는 경우 전기 신호가 에너지로 변환되는 방식을 고려할 수 있습니다. 따라서 액추에이터와 모터는 전기 신호를 동작으로 변환하는 장치 중 하나입니다. 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환합니다.
가장 간단한 전기 모터는 브러시리스 DC 모터입니다. 이러한 유형의 모터에서는 전류가 고정 자기장 내에 배치된 코일을 통해 흐릅니다. 전류는 코일에 자기장을 생성합니다. 이로 인해 각 코일이 자체 극에서 멀어지고 고정 자기장의 극쪽으로 당겨지면서 코일 어셈블리가 회전하게 됩니다. 회전을 유지하려면 전류를 지속적으로 역전시켜야 하며, 이로 인해 코일 극성이 지속적으로 역전되어 코일이 계속해서 반대 자기장의 극을 "쫓게" 됩니다. 코일에 대한 전력은 회전 정류자와 접촉하는 고정 전도성 브러시에 의해 공급됩니다. 정류자의 회전으로 인해 전류가 코일을 통해 반대 방향으로 흐르게 됩니다. 정류자와 브러시는 브러시 DC 모터를 다른 모터와 구별하는 핵심 구성 요소입니다.
그림 1은 브러시 DC 모터의 일반적인 원리를 보여줍니다.
그림 1: 브러시형 DC 모터의 작동.
고정 브러시는 회전하는 정류자에 전기 에너지를 공급합니다. 정류자가 회전함에 따라 코일에 흐르는 전류의 방향이 지속적으로 바뀌므로 코일의 극성이 바뀌고 코일이 계속 오른쪽으로 회전합니다. 정류자는 코일이 장착된 회전자와 연결되어 있기 때문에 회전합니다.
일반적인 모터 유형
모터는 전력 유형(AC 또는 DC)과 회전 생성 방법이 다릅니다(그림 2). 아래에서는 각 유형의 특징과 용도를 간략하게 소개합니다.
그림 2: 다양한 유형의 모터
브러시드 DC 모터는 설계가 간단하고 제어가 용이하며 디스크 트레이를 열고 닫는 데 널리 사용됩니다. 자동차에서는 일반적으로 전동식 사이드 윈도우를 접고, 확장하고, 위치를 지정하는 데 사용됩니다. 이러한 모터는 가격이 저렴하므로 다양한 응용 분야에 적합합니다. 그러나 브러시와 정류자는 지속적인 접촉으로 인해 상대적으로 빨리 마모되는 경향이 있어 잦은 교체와 정기적인 유지 관리가 필요하다는 단점이 있습니다.
스테퍼 모터는 펄스로 구동됩니다. 수신된 각 펄스에 대해 특정 각도(단계)만큼 회전합니다. 회전 과정은 수신된 펄스 수에 의해 전적으로 제어되므로 이러한 모터는 위치 조정에 널리 사용됩니다. 팩스 기계 및 프린터의 용지 공급 프로세스를 제어하는 데 자주 사용됩니다. 왜냐하면 이러한 장치는 고정된 단계로 용지를 공급하고 이러한 단계는 펄스 수와 쉽게 연관되어 있기 때문입니다. 펄스 신호가 중단되면 모터 회전이 즉시 정지되므로 일시 정지 제어도 구현하기 쉽습니다.
동기 모터를 사용하는 경우 회전은 전원 전류의 주파수와 동기화됩니다. 이 모터는 일반적으로 전자레인지의 회전 트레이를 구동하는 데 사용됩니다. 모터 유닛의 감속 기어는 음식을 가열하는 데 적합한 회전 속도를 제공합니다. 유도 전동기의 경우 회전 속도는 주파수에 따라 다르지만 움직임은 비동기적입니다. 과거에는 이러한 모터가 선풍기나 세탁기에 흔히 사용되었습니다.
일반적으로 사용되는 다양한 유형의 모터가 있습니다. 이 섹션에서는 브러시리스 DC 모터의 장점과 응용 분야를 살펴보겠습니다.
BLDC 모터는 왜 회전합니까?
이름에서 알 수 있듯이 브러시리스 DC 모터는 브러시를 사용하지 않습니다. 브러시 모터에서 브러시는 정류자를 통해 회전자의 코일에 전류를 전달합니다. 그렇다면 브러시리스 모터는 어떻게 전류를 회전자 코일에 전달합니까? 없음 - 코일이 회전자에 위치하지 않기 때문입니다. 로터는 영구 자석입니다. 코일은 회전하지 않지만 고정자에 고정됩니다. 코일이 움직이지 않기 때문에 브러시와 정류자가 필요하지 않습니다. (그림 3 참조) 브러시 모터에서는 고정 자석에 의해 생성된 자기장이 일정하게 유지되는 동안 로터의 코일에 의해 생성된 자기장을 제어하여 회전이 이루어집니다. 회전 속도를 변경하려면 코일 양단의 전압을 변경해야 합니다. BLDC 모터에서는 영구 자석이 회전합니다. 주변의 고정 코일에 의해 생성된 전자기장의 방향을 변경하여 회전이 이루어집니다. 회전을 제어하려면 코일에 흐르는 전류의 크기와 방향을 조정해야 합니다.
그림 3: BLDC 모터.
회전자는 영구 자석이므로 전류가 필요하지 않으므로 브러시와 정류자가 필요하지 않습니다. 고정 코일에 대한 전류는 외부에서 제어됩니다.
BLDC 모터의 장점
고정자에 3개의 코일이 있는 BLDC 모터에는 이러한 코일에서 연장되는 6개의 와이어(각 코일당 2개)가 있습니다. 대부분의 구현에서 이러한 와이어 중 3개는 내부적으로 연결되며 나머지 3개는 모터 본체에서 확장됩니다(앞에서 설명한 브러시 모터의 와이어 2개와 대조적). BLDC 모터 케이스 내부의 배선은 단순히 전원 공급 장치의 양극 단자와 음극 단자를 연결하는 것보다 더 복잡합니다. 이 시리즈의 2부에서 이러한 모터의 작동을 더 자세히 살펴보겠습니다. 아래에서는 BLDC 모터의 장점을 이해하는 것으로 결론을 내립니다.
중요한 장점은 효율성입니다. 이러한 모터는 최대 토크에서 지속적으로 작동할 수 있기 때문입니다. 이와 대조적으로 브러시 모터는 특정 회전 지점에서만 최대 토크에 도달할 수 있습니다. 브러시리스 모터와 동일한 토크를 제공하려면 브러시 모터에는 더 큰 자석이 필요합니다. 이것이 바로 작은 BLDC 모터라도 상당한 전력을 전달할 수 있는 이유입니다.
첫 번째와 관련된 두 번째 주요 이점은 제어 가능성입니다. BLDC 모터는 피드백 메커니즘을 통해 제어되어 필요한 토크와 속도를 정확하게 제공할 수 있습니다. 정밀한 제어는 에너지 소비와 발열을 줄이고 모터가 배터리로 구동되는 경우 배터리 수명을 연장합니다.
BLDC 모터는 브러시가 없기 때문에 내구성이 뛰어나고 전기적 소음 발생도 적습니다. 브러시 모터의 경우 지속적인 이동 접촉으로 인해 브러시와 정류자가 마모되어 접점에서 스파크가 발생합니다. 특히 전기적 소음은 브러시가 정류자 간격을 통과할 때 쉽게 생성되는 강한 스파크 때문에 발생합니다. 이것이 바로 전기 잡음을 피해야 하는 응용 분야에서 일반적으로 BLDC 모터가 더 나은 선택으로 간주되는 이유입니다.
BLDC 모터의 이상적인 응용 분야
우리는 BLDC 모터가 높은 효율과 제어 가능성을 제공하고 작동 수명이 길다는 것을 확인했습니다. 그렇다면 그 용도는 무엇입니까? 효율성과 수명으로 인해 지속적으로 작동하는 장비에 널리 사용됩니다. 그들은 오랫동안 세탁기, 에어컨, 기타 가전제품에 사용되어 왔습니다. 최근에는 높은 효율로 전력 소비를 크게 줄이는 팬에도 등장했습니다.
또한 진공 기계를 구동하는 데에도 사용됩니다. 어떤 경우에는 제어 프로그램의 변경으로 인해 속도가 극적으로 향상되었습니다. 이는 이러한 모터가 제공하는 높은 수준의 제어 가능성을 보여주는 예입니다.
BLDC 모터는 하드 디스크 드라이브를 구동하는데도 사용됩니다. 내구성이 뛰어나 드라이브는 장기간 안정적으로 작동할 수 있으며, 전력 효율성은 점점 더 중요해지는 부문에서 에너지 소비를 줄이는 데 도움이 됩니다.
더 넓은 미래 응용 분야를 향해
앞으로는 BLDC 모터가 더 다양한 응용 분야에서 널리 사용될 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 서비스 로봇(제조 이외의 분야에서 서비스를 제공하는 소형 로봇)을 구동하는 데 널리 사용될 수 있습니다. 펄스를 정밀한 위치 제어에 사용할 수 있으므로 이러한 유형의 응용 분야에는 스테퍼 모터가 더 적합하다고 생각할 수도 있습니다. 그러나 BLDC 모터는 힘을 제어하는 데 더 적합합니다. 스테퍼 모터를 사용하여 로봇 팔과 같은 구조물의 위치를 유지하려면 상대적으로 크고 지속적인 전류가 필요합니다. BLDC 모터를 사용하면 필요한 전류가 외부 힘에 비례하므로 에너지 효율적인 제어가 가능합니다. BLDC 모터는 골프 카트 및 이동 차량의 간단한 브러시 DC 모터를 대체할 수도 있습니다. BLDC 모터는 더 높은 효율성 외에도 더 정밀한 제어 기능을 제공하므로 배터리 수명을 더욱 연장할 수 있습니다.
BLDC 모터는 드론에도 이상적입니다. 정밀한 제어 기능 덕분에 멀티 로터 드론에 특히 적합하며, 각 로터의 회전 속도를 제어하여 드론의 자세를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
