BLDC 모터(브러쉬리스 모터)란 무엇인가

[김주석]

BLDC 모터란 무엇인가??(브러쉬리스 모터)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2e/Floppy_drive_spindle_motor_open.jpg

BLDC 모터 (Brushless DC motor) 14/4/19개정

전동기의 기초 편에서 이야기하였듯이 BLDC는 특이한 친구입니다. DC의 전원을 받지만 AC처럼 동작하여 두 개의 범주에 해당되지 않는 특별한 친구입니다. 반도체의 시대가 시작을 하면서 예전에는 상용 전원에서 인가되는 전압밖에 쓰지를 못하였습니다. 220V, 60Hz 즉 전압을 가변 시키지 못하고 주파수도 가변 하기 힘드니 그것에 맞추어서 모터가 필요했습니다. 그러나 요즈음에는 반도체의 힘으로 좋은 인버터가 전원공급을 조절할 수 있게 되었습니다. 그로 인하여 DC 전압이 공급되어도 동작은 AC처럼 할 수 있게 되었습니다. '브러쉬리스 모터' 문자 그대로를 보면 Brushless 즉 브러쉬가 없다는 뜻입니다. 아무튼 브러시가 없다 무슨 말일까요?

왼쪽 사진의 것은 정류 자입니다. 정류자를 통하여 전기가 통하여 모터를 돌게 하는 것이죠. 오른쪽 사진을 보시면 중간에 반이 나뉘어있는 저 부분이 브러시입니다. 정류자의 왼쪽 검은 부분과 맞닿을 수 있도록 양쪽 끝에 스프링이 달려있어서 서로 닿아 있는 것입니다. 그래서 저 2개의 단단한 흑연 브러쉬가 왼쪽 사진의 촘촘히 쪼개진 곳에 맞닿아서 전류가 흐르고 모터가 회전하게 만드는 것입니다.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f1/Universal_motor_commutator.jpg

위와 같이 정류자와 함께 닿아 전류가 흐르고 내부에서 회전하기 시작하는 메커니즘을 가지고 있습니다. 그러나 위와 같은 방법으로 돌기 시작하면 큰 문제가 생깁니다. 바로 정류자와 브러시가 닿아있어 고속으로 회전한다면 둘 중 하나는 닳아버린다는 것이죠. 그리고 고속으로 회전하며 전류가 흐르기 때문에 사용하다가 스파크가 튀기도 하고 망가져 버리기도 합니다. 그리고 청소기 등으로 사용 시에 미세먼지가 나온다는 말을 들어보셨을 텐데요 바로 이러한 모터를 쓴다면 위의 브러시는 탄소섬유와 같은 단단한 물질로 쓰지만 정류자 부분이 닳으면 전기가 통하지 않기 때문에 브러시가 닳으면서 아주 미세하게 부서져 입자가 새어 나옵니다. 이러한 여러 단점 때문에 모터에 브러시가 없는 Brushless라는 개념을 생각하게 되었고 Brushless motor는 산업 여러 전반에 사용되기 시작합니다. 바로 오늘은 그 구조에 또 원리에 대해서 알아보고자 합니다.( 가격이 싸다는 장점때문에 많이 사용됩니다.)

https://youtu.be/bCEiOnuODac

Brushless 모터는 어떻게 작동할까?

위의 동영상을 보시면 좋은 설명이 될 수 있을 것이라고 생각됩니다. 브러시를 이용한 직류 전동기의 치명적인 단점을 해결한 브러쉬리스 모터는 무거운 정류기가 회전하는 구조의 직류전동기에 비하여 영구자석이 회전하는 구조인 BLDC 전동기는 관성이 작아 빠른 속도 제어가 가능합니다. 또한 권신이 고정자에 있어서 열을 방출하는데 아주 쉬워서 토크 발생에 유리합니다. 그러나 이 BLDC 전동기는 영구자석 전동기(PMSM)과 비슷하지만 회전자 측에 영구자석을 가지며 고정자 측의 권선을 같은 구조입니다.(demegnetization) 또한 브러쉬리스 모터는 브러쉬 모터의 단점을 극복하여 물속에서도 동작이 가능합니다.

https://www.google.co.kr/search? biw=1920&bih=974&tbs=sur%3Afmc&tbm=isch&sa=1&ei=HloNWva-GoKw8QXZh4LoAw&q=bldc+force&oq=bldc+force&gs_l=psy-ab.3...1097.8527.0.8693.16.16.0.0.0.0.165.2149.0j15.15.0.... 0... 1.1.64.psy-ab.. 1.13.1875... 0j0i24k1j0i19k1j0i8i30i19k1j0i30k1j0i8i30k1.0.kT_h61GPI4Y#imgrc=UGnqCXVx120ZfM:

역기전력은 어떤가?

그 둘을 비교하여 먼저 BLDC의 역기전력은 사다리 꼴로 나타납니다. 왜냐하면 구형파의 전류를 주기 때문이죠. 기본적으로 자석의 배열은 구형파입니다. 정현파처럼 보이기 위하여 분포권이나 자석을 많이 쓰게 됩니다. PMSM은 사인형의 wave로 나타납니다. 넣어주는 전류가 정현 파이기 때문입니다. "구형파 주는 BLCD에 사다리꼴 역기전력 나고 정현파를 주는 PMSM에 정현파 형태 역기전력이 나옵니다." 위의 그림을 보듯이 역기전력은 BLDC가 더 큽니다. 또한 BLAC는 정현파로 나타납니다.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2a/EC-Motor.svg/1280px-EC-Motor.svg.png

위의 그림을 보시면 BLDC는 구형파를 입력해서 주므로 회전자가 돌아가는 위치를 알아야 전력용 반도체가 그것을 따라 적절한 전류를 흘려줍니다. 위의 3개의 각은 각각 120도의 배치 구조로 되어있고 2개의 전선만 스위치로 연결해 구동시키는 2상 여자 방식으로 구동합니다.(보통)

위의 그래프는 전류를 넣어주는 때에 따라 60,120,180,240,300,360도로 나 누에 전류를 공급한 것입니다. 여기서 가장 중요한 점은 각 위상에 2곳에 스위치를 열어 전류를 넣어주었다는 것입니다. 예를 들어 A, C가 전류가 흐르면 B가 흐르지 않고 B, C가 흐르면 A가 흐르지 않는다는 것입니다.

위의 그림을 보시면 넣어준 전류의 방향에 따라 A와 C가 자석과 같은 능력을 띄어서 회전자에 있는 자석이 N에서 S 극으로 가려는 성질과 N 극을 밀어내는 고정자의 자석이 서로 상호작용을 하면서 회전을 하는 것을 볼 수 있습니다.

위의 사진은 2번째 즉 B와 C의 전류를 넣어주었을 때입니다. 중간의 회전 자는 60도로 회전하였을 때 스위치가 바뀌면서 A가 사라져버렸습니다. 거기에 따라 전류를 넣어주고 또다시 시계방향으로 회전하는 모습을 보실 수 있습니다. 위처럼 계속 컨트롤러로 바꾸어주면서 돌게 해준다면 영원히 돌 수 있는 메커니즘이 완성되는 것입니다. 그렇다면 여기서 의문점이 생길 겁니다. 만약 첫 번째 회전 때처럼 중심에 있는 회전자가 저 상태가 아니라면 이상하게 돌아갈 수 있지 않을까 하는 고민이 생기실 겁니다. 그렇다면 어떻게 해야 할까요?

홀소자

바로 홀 소자라는 것을 이용해서 회전자의 위치 검출용으로 쓸 수 있습니다. 자속에 크기에 비례한 전압으로 자속을 발생시키는 전류의 크기를 알 수 있기 때문에 전류 센서용으로 사용됩니다. 그림에서 보는 바와 같이 하얀색 투명판이 홀소자입니다. 평소에는 전류가 흐르지 않지만 자속에 영향을 받으면 전기가 흐르게 됩니다. 이러한 소자를 사용하여 모터의 위치를 알아내고 제어할 수 있게 되는 것입니다.

도움이 되셨다면 공감이나 댓글은 큰 힘이 됩니다.

[출처] BLDC 모터란 무엇인가??(브러쉬리스 모터)|작성자 bitelab