브러시형 DC 전기 모터는 어떻게 작동합니까? 마이크로 브러시 DC 모터 가이드

짧은 대답: 브러시형 DC 모터는 브러시라고 불리는 고정 탄소 또는 금속 접점을 통해 회전 코일(회전자)을 통해 전류를 공급하여 작동합니다. 브러시는 정류자라고 불리는 회전 세그먼트 링을 누르게 됩니다. 회전자가 회전함에 따라 정류자는 적절한 순간에 코일의 전류 방향을 자동으로 반전시켜 동일한 회전 방향으로 미는 자기력을 유지합니다. 이러한 자체 전환 동작을 통해 브러시 모터는 단순하고 조정되지 않은 DC ​​전원에서 연속적으로 회전할 수 있습니다. 회전을 위해 외부 회로가 필요하지 않습니다. , 이것이 바로 브러시 DC 모터를 포함하는 이유입니다. 마이크로 브러시 DC 모터 직경이 4mm만큼 작은 이 방법은 전기 에너지를 회전 운동으로 변환하는 가장 널리 사용되며 비용 효율적인 방법 중 하나입니다. 이 가이드의 나머지 부분에서는 메커니즘, 마이크로 브러시 모터 내부의 구성 요소, 프로젝트용 모터를 선택할 때 무게를 측정하는 항목을 자세히 설명합니다.

브러시형 DC 모터의 핵심 구성 요소

매 브러시드 DC 전기 모터 , 장난감 크기의 장치에서 산업용 기어 모터에 이르기까지 동일한 4가지 필수 부품으로 제작되었습니다.

탄소나 흑연은 고체 금속이 아닌 표준 브러시 재료입니다. 탄소는 자체 윤활성이 있고 우선적으로 마모되기 때문입니다. 즉, 더 비싼 정류자 표면은 대부분 그대로 유지되는 반면 브러시는 시간이 지남에 따라 점차적으로 침식됩니다. 이러한 마모 패턴은 의도적으로 유지 관리 친화적입니다. 마모된 브러시를 교체하는 것이 손상된 정류자를 교체하는 것보다 훨씬 간단하고 저렴합니다.

모터가 실제로 회전하는 방법: 단계별

작동 원리는 패러데이의 전자기 유도 법칙과 로렌츠 힘이라는 두 가지 물리학 개념에 기초합니다. 실제로 주기는 다음과 같습니다.

1. 두 개의 브러시 단자에 DC 전압이 적용되고 전류는 브러시에서 접촉하는 정류자 세그먼트로 흐릅니다.
2. 회전자의 코일을 통과하는 전류는 회전자를 전자석으로 바꾸어 자체 자기장을 생성합니다.
3. 이 회전자 자기장은 고정자의 영구 자석의 고정 자기장과 상호 작용합니다. 즉, 극은 밀어내고 반대 극은 끌어당기며 회전자를 밀어서 회전시키는 토크를 생성합니다.
4. 회전자가 고정자 자기장과 정렬되면(대략 180도 회전마다) 브러시가 다음 정류자 부분으로 미끄러져 코일의 전류 방향이 반전됩니다.
5. 전류를 역전시키면 정확한 순간에 회전자의 자기 극성이 반전되므로 자기 푸시는 지연되는 대신 동일한 회전 방향으로 계속됩니다.
6. 이 스위치 앤 푸시 사이클은 지속적으로 반복되어 전원이 공급되는 동안 원활하고 지속적인 회전을 생성합니다.

브러시가 두 개의 정류자 세그먼트를 연결하고 권선의 일부를 순간적으로 단락시키는 각 사이클 동안 짧은 순간이 있습니다. 이는 작동 중인 브러시 모터 내부에서 볼 수 있는 작은 스파크의 원인이며 이러한 모터가 생성하는 대부분의 전기 소음의 원인이기도 합니다.

마이크로 브러시 DC 모터의 차이점

마이크로 브러시 DC 모터는 위에서 설명한 것과 정확히 동일한 정류 원리를 사용하며 극적으로 축소되었습니다. 업계에서는 일반적으로 직경이 약 30mm 미만인 모든 모터를 마이크로 모터로 분류하며, 시중에서 판매되는 가장 작은 브러시 장치는 직경 4mm , 마이크로 드론 및 소형 잠금 메커니즘과 같은 애플리케이션에 사용됩니다.

코어리스 대 철심 마이크로 모터

대부분의 마이크로 브러시 모터는 대형 모터에서 볼 수 있는 기존의 철심 전기자 대신 코어리스(무철) 로터 설계를 사용합니다. 철심 주위에 권선을 감는 대신 코일은 자립형 중공 구조입니다. 이는 철 손실과 코깅(철 톱니로 모터를 수동으로 돌릴 때 느껴지는 노치 저항)을 제거하여 코어리스 마이크로 모터를 제공합니다. 매우 낮은 회전 관성과 빠른 가속 — 빠르고 정확한 시작과 정지가 중요한 피펫, 카메라 초점 메커니즘 또는 소형 펌프와 같은 장치에서 의미 있는 이점입니다.

일반적인 사양

사양은 제조업체와 용도에 따라 크게 다르지만 아래 표에는 범위를 설명하기 위해 일반적인 마이크로 모터 직경의 대표적인 수치가 나와 있습니다.

작은 끝 부분에서 일부 코어리스 브러시 마이크로 모터는 다음과 같은 효율성에 도달합니다. 최대 90% 그러나 이 최고점은 고속에서만 달성되며 저속 또는 무거운 부하에서는 감소합니다. 많은 마이크로 모터는 또한 기어박스와 결합되어 더 높은 사용 가능한 토크를 위해 원시 RPM을 교환합니다. 이는 정밀 저울, 밸브 액추에이터 및 소형 로봇 조인트와 같은 응용 분야에서 일반적입니다.

속도와 방향 제어

브러시형 DC 모터의 가장 큰 장점 중 하나는 브러시리스 모터에 비해 제어가 매우 간단하다는 것입니다.

• 속도는 적용된 전압에 대략 비례합니다. 전압을 높이면 모터가 더 빠르게 회전하고 전압을 낮추면 모터가 느려집니다. 기본적인 켜기/끄기 애플리케이션에 추가 전자 장치가 필요하지 않습니다.
• 두 공급 리드의 극성을 바꾸면 방향이 바뀌는데, 이는 정류자가 전환하는 전류 방향을 바꾸기 때문입니다.
• 가변 속도 응용 분야의 경우 펄스 폭 변조(PWM)가 표준 제어 방법입니다. 즉, 전압을 지속적으로 변화시키는 대신 공급 장치를 빠르게 켜고 끄고 온 타임과 오프 타임의 비율에 따라 모터에 표시되는 유효 평균 전압이 설정됩니다.
• 특히 마이크로 모터의 경우 PWM 주파수가 중요합니다. 약 20kHz 미만의 주파수에서 구동하면 로터에 가청 초음파 진동이 발생할 수 있으므로 제조업체는 일반적으로 권장합니다. 40~120kHz 범위의 주파수 전류 리플을 낮게 유지하고 브러시 수명을 보호합니다.

이러한 전압 비례 동작은 브러시 모터가 배터리 구동 장치에 자연스럽게 적합한 이유이기도 합니다. 간단한 선형 레귤레이터 또는 기본 PWM 드라이버만으로도 사용 가능한 속도 제어를 얻을 수 있으며, 전용 정류 전자 장치가 없으면 브러시리스 모터가 전혀 회전하지 않아도 됩니다.

수명과 실제로 닳는 것

브러시 정류자 인터페이스는 브러시 모터를 간편하게 구동할 수 있게 해주는 기능이자 궁극적으로 작동 수명을 제한하는 구성 요소입니다. 두 가지 마모 메커니즘이 동시에 작동합니다. 정류자에 대해 미끄러지는 브러시의 기계적 마찰과 세그먼트 사이에 브러시가 연결될 때마다 생성되는 작은 불꽃으로 인한 전기 침식입니다.

비교해 보면, 브러시리스 DC 모터는 수만 작동 시간에 도달할 수 있습니다. 마모될 브러시-정류자 접촉이 없기 때문에 제한 요소는 대신 베어링 마모로 이동합니다. 이러한 수명 격차는 브러시와 브러시리스 중에서 선택할 때 가장 큰 균형점입니다. 브러시 모터는 초기 비용이 저렴하고 구동이 더 간단하지만 연속 사용 응용 분야에서는 주기적인 브러시 교체가 필요한 반면, 브러시리스 모터는 초기 비용이 더 높지만 유지 관리 주기를 크게 피합니다.

브러시 모터와 마이크로 브러시 모터가 실제로 사용되는 곳

브러시리스 설계와의 경쟁에도 불구하고 브러시형 DC 모터는 저렴한 비용, 간단한 제어 및 높은 시동 토크가 바로 많은 응용 분야에 필요하기 때문에 여전히 널리 사용되고 있습니다. 특히 지속적인 듀티 사이클이나 매우 긴 수명이 우선 순위가 아닌 경우에는 더욱 그렇습니다.

• 최대 수명보다 높은 시동 토크와 낮은 단가가 더 중요한 전동 공구 및 소형 가전제품.
• 8~20mm 범위의 마이크로 코어리스 모터가 경량 패키지로 높은 RPM을 제공하는 장난감, RC 차량 및 취미용 드론.
• 윈도우 리프트, 시트 조절 장치, 소형 펌프 등 자동차 보조 시스템.
• 의료 및 실험실 기기(피펫, 샘플 처리 플랫폼 및 정밀 저울)는 제어되고 반복 가능한 동작을 위해 기어박스 및 인코더와 결합된 소형 코어리스 브러시 모터를 자주 사용합니다.
• 정기적인 브러시 교체가 허용되는 유지보수 품목인 저가형 조인트 또는 액추에이터를 위한 로봇공학 및 공장 자동화.

마이크로 브러시 DC 모터 선택: 주요 요소

프로젝트에 적합한 마이크로 브러시 DC 모터를 선택하는 것은 단순히 사용 가능한 가장 작거나 가장 저렴한 옵션을 선택하는 것이 아니라 애플리케이션의 실제 제약 조건에 맞는 몇 가지 사양을 일치시키는 것으로 귀결됩니다.

1. 공급 전압을 전원에 맞추십시오. 일반적인 마이크로 모터 정격은 약 1.5V에서 최대 24V까지이므로 모터의 정격 전압이 배터리 또는 공급 장치와 일치하는지 확인하십시오.
2. 마이크로 모터는 일반적으로 대략 4mm에서 최대 24mm 이상까지 사용할 수 있으므로 모터의 직경과 길이에 대해 사용 가능한 공간을 확인하십시오.
3. 속도가 더 중요한지 토크가 더 중요한지 결정하세요. 기어박스가 없는 코어리스 모터는 높은 RPM과 빠른 가속을 선호하는 반면, 기어박스를 추가하면 최고 속도를 통해 훨씬 더 높은 사용 가능한 토크를 얻을 수 있습니다.
4. 듀티 사이클 및 필요한 수명 예측 - 간헐적으로 사용하는 소비자 장치는 저렴한 브러시 모터를 편안하게 사용할 수 있는 반면, 연속 듀티 애플리케이션은 대신 브러시리스 모터의 더 높은 초기 비용을 정당화할 수 있습니다.
5. 전기 잡음 감도를 고려하십시오. 모터가 민감한 전자 장치와 회로를 공유하는 경우 기본 EMI 억제에 대한 예산을 책정하십시오. 브러시 정류는 본질적으로 브러시 없는 설계에서 피할 수 있는 전기 잡음을 생성하기 때문입니다.