BLDC 작동 방식: 브러시리스 DC 모터 작동 및 제어에 대한 실용 가이드

브러시리스 DC 모터만큼 소형 전기 기계의 작동 방식을 조용하고 효율적으로 변화시킨 구성 요소는 거의 없습니다. 로봇, 스마트 가전, 의료 기기 등 무엇을 설계하든 BLDC 기술을 고려해 보셨을 것입니다. 그러나 BLDC의 작동 방식이 항상 명확한 것은 아닙니다. 특히 기존 브러시 모터를 사용하는 경우 더욱 그렇습니다. 이 가이드에서는 작동 원리를 간단한 용어로 설명하고, 컨트롤러의 역할을 논의하며, 실제 제품에서 브러시리스 DC 모터가 그토록 중요한 이유를 강조합니다.

브러시리스 DC 모터란 무엇입니까?

브러시리스 DC 모터(BLDC 모터)는 직류로 구동되는 동기식 전기 모터입니다. 기존의 브러시형 DC 모터에서는 회전자가 코일형 권선을 전달하고 카본 브러시가 정류자와 마찰하여 전류를 전달합니다. BLDC 모터에서는 배열이 반대입니다. 영구 자석은 회전자에 장착되고 고정자는 구리 권선으로 만들어집니다. 마모될 브러시가 없고 아크를 형성하는 정류자가 없기 때문에 모터는 더 깨끗하게 작동하고 훨씬 더 오래 지속됩니다.

BLDC 작동 방식: 기본 원칙

BLDC의 작동 방식을 이해하려면 자기 인력에 대해 생각해 보십시오. 회전자는 영구 자석(또는 자석 세트)이며 고정자 권선은 전자석처럼 동작합니다. 권선을 통해 전류가 흐르면 회전자를 끌어당기거나 밀어낼 수 있는 자극이 생성됩니다. 올바른 순서로 한 권선에서 다음 권선으로 전류를 전환하면 그 뒤에 있는 회전자를 당기는 회전 자기장이 생성됩니다.

1단계: 고정자는 회전 자기장을 생성합니다.

전류를 전환하기 위해 기계식 브러시를 사용하는 대신 BLDC 모터는 전자 컨트롤러를 사용하여 고정자 권선에 순차적으로 전원을 공급합니다. 일반적인 3상 BLDC 모터에서 컨트롤러는 세 권선 중 두 권선에 동시에 전압을 적용하고 세 번째 권선에는 전원이 공급되지 않습니다. 결과적인 자기장은 고정자 주위로 전진하여 항상 회전자보다 앞서 있습니다.

2단계: 영구 자석 회전자가 자기장을 따릅니다.

회전자 자석은 자연스럽게 고정자 자기장과 정렬하려고 합니다. 컨트롤러가 필드 위치를 지속적으로 이동하기 때문에 로터는 이를 계속 추적합니다. 회전자와 고정자 필드 사이의 각도 차이는 토크 각도이며 모터가 생성하는 토크의 양에 직접적인 영향을 미칩니다.

3단계: 전자 정류가 기계식 브러시를 대체합니다.

정류는 권선의 전류 방향을 변경하는 과정입니다. 브러시 모터에서 이는 정류자와 카본 브러시에 의해 기계적으로 수행됩니다. BLDC 모터에서는 MOSFET과 같은 전력 트랜지스터를 사용하여 전자적으로 수행됩니다. 이것이 바로 BLDC 모터를 전자 정류 모터라고도 부르는 이유입니다.

4단계: 로터 위치 감지로 모든 것을 동기화 상태로 유지

컨트롤러는 올바른 권선에 전원을 공급하기 전에 로터의 위치를 알아야 합니다. 많은 BLDC 모터는 고정자에 장착된 홀 효과 센서를 사용합니다. 이 센서는 로터의 자기장을 감지하고 컨트롤러에 신호를 보냅니다. 다른 설계는 센서가 없습니다. 무동력 권선에서 생성된 역 EMF로부터 회전자 위치를 추정합니다.

5단계: 지속적인 피드백으로 부드러운 회전이 이루어집니다.

센서 기반 모터에서 컨트롤러는 홀 센서 상태를 읽고 회전당 권선 순서를 여러 번 업데이트합니다. 이 폐쇄 루프 정류는 안정적인 토크, 낮은 소음 및 스파크 발생을 방지합니다. 또한 모터는 넓은 범위에 걸쳐 정밀한 속도 제어를 제공합니다.

ESC는 무엇을 합니까?

컨트롤러는 특히 드론 및 취미 장비에서 ESC 또는 전자 속도 컨트롤러라고도 합니다. 산업용 애플리케이션에서는 일반적으로 BLDC 모터 드라이버라고 합니다. 이름이 무엇이든 ESC에는 모터 시동, 권선을 올바른 순서로 전환, 속도 및 토크 조절이라는 세 가지 작업이 있습니다.

속도는 일반적으로 펄스 폭 변조(PWM)를 통해 제어됩니다. ESC는 DC 전압을 빠르게 켜고 끄며 모터에 인가되는 평균 전압에 따라 속도가 결정됩니다. 동시에 ESC는 회전자 위치와 전류를 모니터링하여 과부하 및 실속 상태로부터 모터를 보호할 수 있습니다.

브러시형 대 브러시리스 DC 모터

BLDC의 작동 방식을 살펴보면 수많은 새로운 설계에서 BLDC가 선호되는 옵션이 된 이유를 명확히 하는 데 도움이 됩니다. 아래 표에는 마이크로 모터 애플리케이션에서 브러시형 DC 모터와 브러시리스 DC 모터 간의 주요 차이점이 요약되어 있습니다.

BLDC 모터가 실제 응용 분야에 사용되는 이유

고효율, 긴 수명, 제어 가능한 토크가 결합된 BLDC 모터는 지속적으로 작동하거나 정밀하게 작동해야 하는 제품에 적합합니다. 일상 업무에서 우리는 설계자들이 드론 추진부터 산업 자동화에 이르기까지 모든 분야에 BLDC 기술을 선택하는 것을 봅니다. 많은 산업용 로봇 브러시리스 모터의 부드러운 저속 토크를 활용하여 암과 그리퍼를 정확하게 배치합니다. 고효율 진공청소기 BLDC 모터를 사용하여 고속으로 회전하면서 열과 소음을 줄입니다.

실질적인 이점은 쉽게 확인할 수 있습니다.

• 효율성이 높을수록 낭비되는 열이 줄어들고 배터리 수명이 길어집니다.
• 브러시가 없다는 것은 유지 관리가 적고 모터 내부에 탄소 먼지가 없다는 것을 의미합니다.
• 전자 정류는 부드러운 가속과 정밀한 속도 조절을 의미합니다.

멀티 로터 드론과 같은 경량, 높은 추력 애플리케이션의 경우 모터의 출력 밀도와 빠른 응답이 중요합니다. 이 임무를 위해 설계된 브러시리스 모터는 효율적인 추력을 제공하기 위해 고정자 저항, 자석 등급 및 기계적 균형의 균형을 맞춰야 합니다.

적합한 BLDC 모터 선택

작동 원리를 이해하고 나면 모터 선택은 전기, 기계 및 환경 요구 사항을 충족하는 문제가 됩니다. 시스템에서 사용 가능한 공칭 전압 및 전류로 시작하십시오. 그런 다음 속도와 전압을 연결하는 모터의 KV 등급과 전류와 토크를 연결하는 토크 상수를 살펴보세요.

BLDC 모터 후보를 비교할 때 간단한 체크리스트를 실행하십시오.

1. 제품에서 사용할 수 있는 전압과 전류는 무엇입니까?
2. 작동 속도에서는 어떤 연속 토크와 최대 토크가 필요합니까?
3. 저속 정밀도를 위해 모터에 홀 센서가 필요합니까, 아니면 센서리스 제어가 허용됩니까?
4. 크기, 무게, 온도 등 어떤 기계적, 환경적 제약이 존재합니까?

센서 기반 모터는 정밀한 위치 지정이나 부하 시 시동이 필요한 로봇 공학, 의료 기기 및 기타 응용 분야에 선호됩니다. 센서리스 BLDC 모터는 부하를 예측할 수 있는 팬과 펌프에 일반적으로 사용됩니다.

새로운 제품을 설계하는 경우 모터를 선택하기 전에 듀티 사이클, 주변 온도 및 예상 수명을 논의하는 것이 좋습니다. 마이크로 모터에 대한 경험이 있는 제조업체는 특정 응용 분야에 적합한 와이어 게이지, 자석 재료 및 베어링 시스템을 선택하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

결론

BLDC의 작동 방식은 한 문장으로 요약할 수 있습니다. 전자 컨트롤러는 고정자에 회전 자기장을 생성하고 영구 자석 회전자는 해당 자기장을 따릅니다. 왜냐하면 컨트롤러가 권선을 올바른 순서로 계속 정류하기 때문입니다. 이 간단한 원리는 브러시를 제거하고 효율성을 향상시키며 엔지니어가 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있도록 해줍니다.

30년 이상의 생산 경험을 보유한 마이크로 모터 제조업체로서 우리는 신뢰성, 에너지 효율성 및 청정 작동이 중요할 때마다 제품 팀이 BLDC 기술을 평가하도록 권장합니다. 작동 원리부터 시작하여 부하 프로필을 검토하고 세부 사항을 이해하는 모터 파트너를 선택하세요.