브러시형 DC 모터 작동 방식: 부품, 원리 및 용도

A 브러시드 DC 모터 자기장 내부의 회전 코일을 통해 직류를 통과시켜 전기 에너지를 기계적 회전으로 변환합니다. 전자기력과 고정 자기장 사이의 상호 작용은 샤프트를 회전시키는 토크를 생성합니다. 이름의 "브러시"는 정류자를 통해 회전 코일과의 전기적 연결을 유지하고 회전을 유지하기 위해 전류 방향을 지속적으로 전환하는 탄소 또는 흑연 접점을 의미합니다. 브러시형 DC 전기 모터 역사상 가장 오래되고 가장 널리 사용되는 모터 유형 중 하나로 전동 칫솔과 전동 공구부터 자동차 액세서리 및 산업용 액추에이터에 이르기까지 모든 제품에 전원을 공급합니다.

브러시형 DC 전동기의 핵심 부품

크기나 용도에 관계없이 모든 브러시형 DC 모터에는 함께 작동하는 동일한 기본 부품이 포함되어 있습니다. 각 구성 요소를 이해하면 모터가 다양한 작동 조건에서 작동하는 방식을 명확하게 알 수 있습니다.

고정자(계자석)

고정자는 모터의 고정된 외부 케이싱입니다. 여기에는 회전자가 회전하는 고정 자기장을 생성하는 영구 자석(소형 모터의 경우) 또는 감긴 계자 코일(대형 모터의 경우)이 포함되어 있습니다. 영구 자석 고정자는 대략적으로 모터에 사용됩니다. 2kW ; 권선형 필드 고정자는 필드 강도를 조정해야 하는 분수 마력에서 수백 킬로와트까지 모터에 나타납니다.

로터(전기자)

전기자라고도 불리는 로터는 회전하는 부품입니다. 이는 여러 개의 구리선 코일로 감겨진 적층 철심으로 구성됩니다. 적층은 와전류 손실을 최대로 줄입니다. 60~70% 단단한 철심과 비교됩니다. 코일은 권선 패턴에 따라 결정된 특정 간격으로 정류자 세그먼트에 연결됩니다. 전류가 전기자 코일을 통과하면 코일은 고정자 자기장에 반응하여 회전력을 생성하는 전자석이 됩니다.

정류자

정류자는 회전자 샤프트에 장착되고 운모 스트립으로 서로 절연된 구리 세그먼트의 원통형 어셈블리입니다. 각 세그먼트는 특정 전기자 코일에 연결됩니다. 로터가 회전함에 따라 다양한 세그먼트가 브러시와 접촉하여 활성 코일을 통해 전류 방향을 자동으로 반전시킵니다(정류라고 하는 프로세스). 정류가 없으면 자기력이 방향을 바꾸면서 회전자는 반 회전 후에 정지하게 됩니다. 전형적인 소형 모터 정류자는 3~12개 세그먼트 ; 대형 산업용 모터는 100개가 넘을 수 있습니다.

브러쉬

브러쉬 are stationary conductive blocks — usually made from carbon, graphite, or a carbon-copper composite — that press against the commutator surface with controlled spring force (typically 15~30kPa 접촉 압력 ). 외부 회로에서 회전 정류자로 전류를 전달합니다. 탄소는 자체 윤활성이 있고 전기 전도성이 있으며 정류자 표면을 손상시키기 전에 마모될 만큼 부드럽기 때문에 선호되는 재료입니다. 브러시 수명 범위는 다음과 같습니다. 고전류 모터 사용 시 500시간 ~ 5,000시간 이상 로드가 적은 응용 프로그램에서.

베어링 및 엔드 벨

로터 샤프트는 엔드 벨(엔드 캡)에 내장된 볼 또는 슬리브 베어링에 의해 각 끝에서 지지됩니다. 이는 정확한 공극을 유지합니다. 일반적으로 0.5mm~2mm - 자기 효율에 중요한 회전자와 고정자 사이. 에어 갭은 균일해야 합니다. 0.1mm만 변화해도 진동, 불균일한 토크 및 조기 마모가 발생할 수 있습니다.

브러시 DC 모터 작동 방식: 단계별

브러시형 DC 전기 모터의 작동 순서는 19세기 초 Michael Faraday와 André-Marie Ampère가 발견한 전자기 원리를 따릅니다. 전원을 켠 후 안정된 회전까지 정확히 일어나는 일은 다음과 같습니다.

1. DC 전압이 인가됨 브러시 터미널에. 전류는 양극 브러시에서 나와 접촉하는 정류자 세그먼트를 통해 전기자 코일로 흐르고 음극 브러시를 통해 다시 나옵니다.
2. 전류가 흐르는 코일은 자기장을 생성합니다. 오른손 법칙에 따르면 코일은 북극과 남극을 가진 전자석이 됩니다.
3. 로렌츠 힘은 코일에 작용합니다. — 전기자의 자기장과 고정자의 고정 자기장 사이의 상호 작용은 코일을 옆으로 밀어 토크를 생성하는 힘(F = BIL, 여기서 B는 자기장 강도, I는 전류, L은 도체 길이)을 생성합니다.
4. 로터가 회전하기 시작합니다. 힘이 자기 정렬 방향으로 바뀌기 때문입니다. 전류가 방향에 고정된 상태로 유지되면 정렬된 위치에서 회전이 중지됩니다.
5. 정류자는 전류를 전환합니다. — 코일이 정렬(토크가 0인 지점)에 도달하면 브러시가 한 정류자 세그먼트에서 다음 세그먼트로 교차하여 코일의 전류 방향을 바꿉니다. 코일의 극이 뒤집히고 반발-흡인 주기가 다시 시작됩니다.
6. 지속적인 회전이 지속됩니다. 정류자는 중립 위치를 지날 때 각 코일의 역전 전류를 유지하므로 토크가 항상 동일한 회전 방향으로 작용하도록 보장됩니다.

다중 전기자 코일(일반적인 모터에는 9~24개의 코일이 있음)을 사용하면 토크 리플이 최소화되어 부드럽고 거의 일정한 출력을 생성합니다. 코일이 많을수록 토크 곡선이 더 부드러워집니다.

역기전력: 모터에 내장된 속도 조절기

전기자가 자기장 내에서 회전함에 따라 동시에 발전기 역할을 합니다. 회전 코일은 자기장 라인을 절단하고 적용된 공급 전압에 반대되는 전압을 생성합니다. 이를 역기전력(back-EMF)이라고 하며 브러시 DC 모터 동작을 이해하는 데 핵심입니다.

지배 방정식은 다음과 같습니다. V = E_back I × R 여기서 V는 공급 전압, E_back은 역기전력, I는 전기자 전류, R은 전기자 저항입니다. 시동 시 역기전력은 0이므로 전류, 즉 토크는 최대입니다. 전기자 저항이 1Ω인 12V 모터는 시작 시 12암페어 . 속도가 증가하면 역기전력(back-EMF)도 증가하고 전류를 제한합니다. 무부하 정상 속도에서 역기전력은 공급 전압과 거의 동일하며 전류는 마찰 손실을 극복할 만큼만 떨어집니다.

이러한 자체 조절 동작은 부하가 증가하고 모터가 느려지면 역기전력이 떨어지고 전류가 자동으로 증가하며 보상을 위해 토크가 증가한다는 것을 의미합니다. 이 모든 것이 외부 제어 회로 없이 이루어집니다. 이는 브러시 DC 모터의 가장 실용적인 장점 중 하나입니다.

브러시형 DC 모터 유형 및 차이점

브러시형 DC 전기 모터는 계자 권선(고정자 코일)이 전기자와 어떻게 연결되어 있는지에 따라 분류됩니다. 각 구성은 뚜렷하게 다른 속도-토크 관계를 생성합니다.

직렬 권선 모터: 최대 시동 토크

직렬 권선 브러시형 DC 모터에서 계자 권선은 전체 전기자 전류를 전달합니다. 시동 시 전계 강도와 전기자 전류가 동시에 최대가 되어 시동 토크가 발생합니다. 3~5배 높아 정격토크보다 이것이 바로 직렬 모터가 디젤 기관차와 초기 전기 트램에 동력을 공급한 이유입니다. 심각한 위험: 무부하 조건에서 계자 전류가 떨어지고 모터가 파괴적인 속도로 가속될 수 있습니다. 직렬 권선 모터는 항상 부하 상태에서 작동해야 합니다.

션트 권선 모터: 거의 일정한 속도

션트 권선 모터에서 계자 권선은 공급 전압에 직접 연결되며 전기자 부하에 관계없이 일정한 전류를 끌어옵니다. 전계 강도는 거의 고정되어 있으므로 속도는 무부하에서 최대 부하까지 거의 일정하게 유지됩니다. 일반적으로 5~10% 작동 범위 전반에 걸쳐. 따라서 션트 모터는 스핀들 속도를 일정하게 유지해야 하는 공작 기계에 이상적입니다.

브러시 DC 모터의 속도 제어 방법

브러시형 DC 모터의 가장 중요한 실용적인 장점 중 하나는 속도를 얼마나 쉽게 제어할 수 있는지입니다. 가변 주파수 드라이브가 필요한 AC 유도 모터와 달리 브러시 DC 모터는 간단한 전압 및 전류 조작에 반응합니다.

전압 제어(PWM)

펄스 폭 변조(PWM)는 가장 효율적인 속도 제어 방법입니다. PWM 컨트롤러는 일반적으로 다음 사이의 주파수에서 공급 전압을 빠르게 켜고 끕니다. 1kHz 및 20kHz - 모터에 전달되는 평균 전압을 조정하기 위해 듀티 사이클을 변경합니다. 50% 듀티 사이클에서 평균 전압은 공급 전압의 절반입니다. 75%, 4분의 3입니다. 모터의 인덕턴스는 펄스 전류를 거의 연속적인 흐름으로 부드럽게 만듭니다. PWM 컨트롤러는 다음을 달성합니다. 90~97% 효율성 저항성 전압 분배기의 경우 60~80%인 것과 비교됩니다.

전기자 저항 제어

전기자와 직렬로 저항을 추가하면 전기자 전체의 전압이 감소하여 속도가 낮아집니다. 이 방법은 간단하고 저렴하지만 저항기를 통과하는 열로 에너지를 낭비합니다. 즉, 속도 감소에 비례하여 효율이 떨어집니다. 이는 미세한 속도 제어가 불필요한 저비용, 간헐적 작업 애플리케이션에 주로 사용됩니다.

필드 약화(기본 속도 초과)

권선형 모터에서는 계자 전류를 줄이면 고정자 자기장이 약해집니다. 역기전력(back-EMF)의 저항이 줄어들어 모터는 정격 기본 속도 이상으로 가속됩니다(계자 약화라는 기술). 속도 증가 2배 ~ 4배의 기본 속도 토크는 비례적으로 감소하지만 달성 가능합니다. 이는 일정한 전력 출력에서 ​​넓은 속도 범위를 요구하는 산업용 드라이브에 일반적으로 사용됩니다.

가역적 제어를 위한 H-브리지

브러시형 DC 모터를 역전시키려면 전기자를 통해 전류 방향을 역전시켜야 합니다. H 구성으로 배열된 4개의 스위칭 트랜지스터인 H-브리지 회로는 이를 전자적으로 수행합니다. PWM과 결합된 H-브리지는 다음을 제공합니다. 완전한 4사분면 제어 : 전진, 후진, 회생제동, 다이나믹제동. L298N 또는 DRV8833과 같은 H-브리지 IC는 로봇 공학 및 임베디드 시스템의 표준 구성 요소입니다.

성능 특성: 토크, 속도 및 효율성

브러시형 DC 모터의 속도-토크 곡선은 가장 중요한 실제 특성 중 하나입니다. 영구 자석 DC 모터의 경우 이 관계는 선형적이고 예측 가능합니다.

• 무부하 속도(Ω₀): 출력 샤프트에 부하가 0일 때의 최대 속도; 역기전력은 공급 전압과 거의 동일합니다. 전류는 최소입니다
• 스톨 토크(T_stall): 제로 속도에서의 최대 토크; 샤프트가 정지 상태로 유지될 때 발생합니다. 전류는 V/R과 같습니다(최대 가능). 될 수 있다 5–10× 정격 연속 토크
• 정격 동작점: 효율성이 최적화되는 제조업체 지정 속도 및 토크는 일반적으로 무부하 속도의 70~80%
• 최고 효율성: 브러시형 DC 모터는 일반적으로 75~85% 효율성 정격 작동 지점에서; 영구 자석 유형은 더 높은 수준의 성능을 발휘합니다.

구체적인 예: 무부하 속도 3,000rpm 및 정지 토크 0.5Nm의 100W 정격 24V PMDC 모터는 대략 1,500rpm 및 0.25Nm에서 피크 전력을 제공합니다. 80% 효율에서 4.2암페어 .

오늘날 브러시형 DC 모터가 사용되는 곳

브러시리스 DC 및 AC 유도 모터와의 경쟁에도 불구하고 브러시 DC 전기 모터는 유지 관리 단점보다 단순성, 저렴한 비용 또는 높은 시동 토크가 더 중요한 응용 분야에서 여전히 지배적입니다. 전 세계 브러시드 DC 모터 시장의 가치는 대략 2023년에는 120억 달러 업계 전반에 걸쳐 계속해서 중요한 역할을 수행하고 있습니다.

자동차 애플리케이션

• 스타터 모터: 다음과 같은 실속 토크를 제공하는 직렬 권선 브러시 DC 모터 100~300Nm 내연기관을 작동시키기 위해
• 윈도우 레귤레이터, 시트 조절기, 미러 모터: 저전압 PMDC 모터(12V, 10~30W)
• 앞유리 와이퍼 모터: 다양한 블레이드 부하에서 거의 일정한 속도를 제공하는 션트 권선
• HVAC 송풍 모터: 일반적으로 12V PMDC, 50~150W, 저항 속도 제어 포함

전동 공구 및 소비재

• 무선 드릴 및 드라이버: 12~20V PMDC 모터 30~80Nm 토크 기어박스 감소를 통해 척에서
• 앵글 그라인더 및 원형 톱: 범용 모터(AC에서도 작동하는 직렬 권선 DC 모터의 한 형태) 5,000~10,000rpm
• 진공 청소기: 15,000~30,000rpm의 범용 모터로 소형 패키지로 높은 흡입력 제공
• 전동 칫솔 및 면도기: 3~6V에서 작동하는 1W 미만의 소형 PMDC 모터

산업 및 로봇 공학 응용 분야

• PWM 제어와 간단한 역회전이 필요한 컨베이어 및 액추에이터 드라이브
• 효율성보다 비용과 제어 가능성이 더 중요한 교육 및 보급형 플랫폼의 로봇 관절
• CNC 및 의료 기기의 정밀한 위치 제어를 위한 엔코더 피드백이 있는 서보 시스템
• 직렬 권선 모터가 엄청난 시동 토크를 제공하는 압연기 드라이브 및 크레인 호이스트

브러시형 DC 모터와 브러시리스 DC 모터 비교: 주요 차이점

BLDC(브러시리스 DC) 모터는 물리적 브러시와 정류자가 아닌 컨트롤러를 통한 전자 정류를 사용합니다. 두 모터 유형 모두 DC로 구동되며 비슷한 전자기 원리를 공유하지만 실질적인 장단점은 상당히 다릅니다.

결론: 다음과 같은 경우에는 브러시형 DC 모터를 선택하십시오. 낮은 초기 비용, 간단한 제어 및 높은 시동 토크 우선 순위입니다. 애플리케이션이 긴 서비스 수명, 고효율 또는 밀봉되고 스파크에 민감한 환경에서의 작동을 요구하는 경우 BLDC를 선택하십시오.

일반적인 고장 모드 및 브러시 DC 모터 수명을 연장하는 방법

오류 모드를 이해하면 엔지니어와 기술자가 비용이 많이 드는 가동 중지 시간을 방지하는 데 도움이 됩니다. 브러시형 DC 전기 모터는 적절한 유지 관리를 통해 예측 및 관리가 가능한 마모 패턴이 잘 문서화되어 있습니다.

브러쉬 마모

브러쉬 wear at a rate of approximately 시간당 0.01~0.05mm 전류밀도, 속도, 스프링 압력에 따라 작동이 달라집니다. 브러시가 최소 길이(일반적으로 원래 길이의 25~30%) 미만으로 마모되면 접촉 압력이 떨어지고 아크가 증가하며 정류자 손상이 가속화됩니다. 예정된 유지보수 간격마다 브러시를 검사하고 최소 길이에 도달하기 전에 교체하십시오. 브러시 교체 비용은 손상된 정류자 교체 비용의 일부에 불과합니다.

정류자 Damage

마모된 브러시, 오염 또는 과전류로 인해 발생하는 과도한 아크는 정류자 구리를 부식시키고 표면을 움푹 패게 만듭니다. 홈이 있는 정류자는 진동을 증가시키고 브러시 마모를 고르지 않게 하며 효율성을 감소시킵니다. 작은 구멍은 선반에서 정류자를 가공하고 운모 절연체를 구리 표면 아래 0.5~1.0mm까지 자르면 수정할 수 있습니다. 심각한 손상이 발생하면 정류자 교체 또는 모터 되감기가 필요합니다.

전기자 권선 실패

지속적인 과전류로 인한 과열(장기간 정격 전류 이상으로 작동)은 권선 절연 성능을 저하시킵니다. 클래스 B 절연(표준)은 다음과 같이 평가됩니다. 최대 권선 온도 130°C ; 클래스 F ~ 155°C; 클래스 H ~ 180°C. 정격 온도가 10°C 올라갈 때마다 절연 수명은 대략 절반으로 줄어듭니다. 듀티 사이클에 적합한 열 정격을 갖춘 모터를 사용하고 중요한 애플리케이션에는 열 보호 장치(PTC 서미스터 또는 바이메탈 스위치)를 설치하십시오.

실용적인 수명 연장 팁

• 정지 상태에서 몇 초 이상 브러시 모터를 작동하지 마십시오. 정지 전류는 5–10× 정격 전류 그리고 극심한 열을 발생시킵니다
• 브러시 스프링 압력을 제조업체가 지정한 범위 내로 유지하십시오. 너무 약하면 아크가 발생합니다. 너무 무거우면 기계적 마모가 가속화됩니다.
• 브러시가 정류자 표면 프로파일에 일치하도록 처음 10~20시간 동안 경부하에서 "베딩인(Bedding-in)" 기간 동안 모터를 작동합니다.
• 모터를 깨끗하고 건조하게 유지하십시오. 브러시 마모로 인한 탄소 먼지는 전도성이 있으며 하우징에 쌓이면 단락을 일으킬 수 있습니다.
• 스너버 커패시터를 추가합니다(일반적으로 0.1μF 세라믹 )를 브러시 단자 전체에 걸쳐 민감한 전자 환경에서 아크로 인한 EMI를 억제합니다