부러쉬리스 모터란 [전동 카페에서 이동해온글]

[[운영자]차재각]

브러시리스의 장점
- 효율이 매우 높다(70~88%) 즉, 동급의 스톡 모터에 비해 파워가 높다.
- 모터 자체는 매우 단순한 구조로 신뢰성이 높다.
- 수 많은 메이커에서 매우 다양한 턴 수의 모터가 상품으로 출시되어 있으며 따라서 기종에 따라 입맛에 맞게 사용할 수 있다.
- 전압의 선택이 턴수 별로 매우 자유롭다.(7.4V~18.5V)
- 현존 기술로는 리튬 폴리머 전지와 "환상"의 매치가 된다.

브러시리스의 단점
- 모터 및 변속기의 가격이 상대적으로 비싸다.(요즘에는 많이 하락했음.)
- 기종에 따라 다양환 세팅 옵션이 있어 초보자들에게는 조금 어렵다.

그럼 여기서 브러쉬리스 모터에 대해 잠시 설명을 드리면...(류동희님 글 발췌)

1. Brushless Motor의 정의
브러시리스 모터는 DC모터에서 브러시, 정류자 등 기계적인 접촉부를 들어내고 이것을 전기적으로 바꾸어 놓은 직류 모터를 말한다. 그래서 브러시리스 모터를 무정류자 모터하고도 한다.

2. Brushless Motor의 특징
- 기계적인 브러시, 정류자가 없다.(마모, 먼지의 발생이 없다.)
- 수명이 길다.
- 센서를 이용한 전자 정류장치를 사용한다.(현재는 센서리스)
- 로터의 자극 센서에 홀 소자가 많이 사용되고 있다.
- 기계적인 노이즈가 발생하지 않는다.(베어링 부위는 제외)
- 브러시부에 카본, 오일미스트 등의 오탁이 발생하지 않는다.
- 전기적인 노이즈가 발생하지 않는다.(전파장애가 발생하지 않는다.)
- 불꽃의 발생이 없다.
- 고속 회전형의 모터를 만들기 쉽다.
- 다극형 모터를 만들기 쉽다.(단상, 2상, 3상,...)
- 정, 역전에 강하다.
- 모터의 제 특성은 종래의 DC모터와 동등하다. 다만 로터부의 관성이 크고 출력 효율도 저하한다.
- 브러시가 없어 설계에 있어 자유롭다.
- 구동회로가 필요하여 종래의 DC모터보다 가격이 비싸다.
- 회로 기술에 이하여 브러시리스모터의 특성을 개선할 수 있다.

3. 브러쉬리스 모터의 구조
일반적인 인러너 브러쉬리스 모터의 경우, 모터 캔쪽에 권선이 감겨있고 로터가 영구 자석이다. 따라서 권선에 교류가 흐르면 그 주파수에 맞추에 자기장이 회전하듯이 발생하고, 이 자기장의 회전을 따라 로터가 돌아가는 형식이다. 그러므로 브러쉬도 없고, 커뮤테이터도 없으며, 단지 베어링 두 개만이 로터를 지지하여 효율이 비약적으로 높아졌다. 기계적, 전기적 손실이 브러쉬모터에 비해 지극히 적은 구조이다.

4. 모터 구조에 의한 분류
브러시리스 모터를 로터구조에 의하여 분류하면 아우터 로터형, 이너 로터형, 디스크 로터형으로 나눌 수 있다.

-  아우터 로터형
아우터 로터형은 스테이터부가 내측에 있고 이것을 둘러싸는 것처럼 마그넷로터가 그 외측에 배치되어 있다. 즉 구조상, 그 외측에 로터가 있으므로 이너셔가 상당히 커진다. 따라서 급격한 동작을 빈번히 반복하는 용도에는 부적합하다.

- 이너 로터형
이너 로터형은 원주형 마그넷에 회전축을 장착하고 이것을 구동 코일내에서 회전하는 구조로 되어 있다. 이 모터의 특징은 그 구조상이너셔가 낮아 제어성에 뛰어나므로 위치결정 장치에 많이 사용된다. 즉 정,역전을 빈번히 반복하는 용도에 적합하다.

- 외관 형상에 의한 분류
외부 형상에 따라 플랫형, 원통형, 리니어형, 빌트인형, 시스템형 등으로 나눌 수 있다. 플랫형은 모터의 축 방향에 대하여 외경 치수가 훨씬 큰 것을 말하고, 그 내부 구조는 디스크형 로터가 일반적이다. 또한 플랫형 모터를 편평형 모터라고도 한다.

- 위치센서에 의한 분류
브러시리스화하는 방법에는 광 센서를 사용하는 방법과 자기 센서를 사용하는 방법이 있다. 광 센서를 사용하는 방법에는 발광 다이오드와 포토트랜지스터에 의한 이른 바 포토인터럽터 방식이 있다. 또 자기식에는 홀 소자, 홀 IC,MR소자, 기타의 자기 포화 소자에 의한 방법이 있다. 그런데 브러시리스 모터는 로터가 영구자석으로 구성되어 있어서, 홀 소자를 자극의 검출에 사용할 경우, 그대로 신호를 보낼 수 있다. 즉 홀 소자를 자극의 센서로 사용하변 다른 보조 부재를 필요로 하지 않는 것이다. 이에 대하여 다른 방법으로는 모두 마그넷 로터의 자극 검출을 위하여 보조 재료를 사용할 필요가 있다.

5. 흔히 부르는 명칭으로 본 분류
- 센서드 브러쉬리스 모터와 센서리스 브러쉬리스 모터의 컨트롤
원래 회전수 컨트롤이 가능한 브러쉬리스 모터는 모두 센서드 브러쉬리스 모터로서 이 것은 전원을 공급하는 세 가닥의 전선외에 모터 내부에 로터의 회전을 감지하는 센서로부터 나오는 선이 더 있어서 이 신호를 통해 변속기가 모터의 회전을 통제하는 방식이었다. 모터에 센서가 부착되어 있는 관계로 더 크고 더 무겁고 더 비싸면서 효율은 일반적으로 10%정도 떨어진다. 게다가 센서 자체도 전력을 꽤 소비한다. 이에 비해 독일 레너사에서 처음 상용화한 센서리스 브러쉬리스 모터는 요즘 일반적으로 많이 쓰고 있는 모터로서 모터에 따로 센서가 없고 단지 모터가 회전하면서 발생하는 backEMF(역전류의 주파수)를 변속기가 감지하여 그 회전을 통제하는 방식이다. 이 방식은 모터가 간단해지고 싸지고 효율도 높은 반면 변속기의 구조가 복잡해지고 비싸지는 단점이 있으나 전반적으로 센서드 모터 방식보다 우수하여 지금은 거의 센서리스 모터만 살아남았다.

- 아웃러너 브러쉬리스 모터 (통돌이 모터. AXI, 이영일씨 공구 모터 , 시디롬 모터 )
인러너를 그대로 뒤집은 구조로 모터 내부에 권선이 감겨있고 외부의 영구자석이 돌아가는 구조이다. 대체로 폴수가 10폴 이상으로 저속, 고토크인 특성때문에 직결용으로 많이 쓴다. 인러너에 비해 효율이 약간 낮은 대신 기어박스가 필요 없어서 기어에서의 손실이 없으므로 나름대로 사용가치가 있다.

6. 폴수와 모터의 특성.
브러쉬리스 모터의 권선이 감긴 뭉치수를 폴수라고 하는데 작동시 권선 한 뭉치당 한 극을 이루기 때문에 이렇게 부른다. 해커, 콘트로닉 등 2폴에서부터 Aveox, Astro등 4폴, 메가, 제티등의 6폴, 10-12폴이 주종인 아웃러너 브러쉬리스 모터 등이 있다. 폴수가 작으면 고회전에 유리하고 토크는 적은 편이고, 폴수가 높으면 저회전에 유리하고 토크가 강하다. 이는 극수가 적으면 당기는 힘이 적어지는 대신 로터가 회전하는데 걸리는 저항도 적어져서 빨리 회전할 수 있고 극수가 많으면 당기는 힘이 큰 대신 회전하는데 걸리는 저항도 그만큼 커져서 빨리 회전하기는 힘들다. 예를 들어 동일한 재료로 동일한 400모터 크기의 2폴모터와 6폴 모터가 있다고 할 때 턴수에 따라 둘다 KV가 2000/4000인 것이 존재한다면 대체로 2폴모터는 4000인 쪽의 효율이 좋고 6폴인 것은 2000인 쪽의 효율이 좋을 가능성이 높다. 실제로도 KV가 낮은 모터로 직결구동을 할 때 비슷한 KV, 비슷한 사이즈라면 해커보다 저가인 메가가 더 효율이 높은 경우도 있다. 따라서 대체로 2폴모터는 KV가 높은 모터를 많이 감속해서 쓸 때 효율이 높고 10-12폴인 모터는 KV가 낮은 모터를 직결로 쓸 때 효율이 높은데, 4폴은 2폴의 특성과 비교적 유사하고 6폴은 중간적인 특성을 지닌다. KV에 상관없이 직결에는 2폴을 피하고 감속시엔 10-12폴을 피하면 대체로 무난하게 쓸 수 있다. 즉, 4-6폴모터는 KV에 따라 직결이든 감속이든 무난한 성능을 보여주고 감속기 사용시엔 2폴모터가 가장 좋은 선택이 될 수 있다. 그러나 전체적으로 볼 때는 폴수가 낮은 모터가 회전저항이 적어서 대체로 효율이 높은 편이다.

7. 브러쉬리스 모터의 코깅현상
브러쉬모터에서 보이지 않는 브러쉬리스 모터 특유의 현상으로 모터에 걸리는 부하가 너무 크거나, 전압이 너무 낮거나, 전류가 너무 낮을 때 모터가 스타트를 하지 못하고 턱턱거리거나 삑삑거리는 현상이다. 이는 권선에는 전류가 흘러 자기장이 회전하는데, 로터에 가해진 부하가 너무 커서 자기장을 따라 돌지 못하여 일어나는 현상으로 이 경우에도 일단 외부에서 한번 돌려주면 계속 돌아갈 수 있지만 정상적인 작동상태가 아니므로 세팅을 바꿔 주어야한다. 경우에 따라 기어를 쓸 경우 피니언을 낮추거나, 프로펠러 사이즈를 줄이거나, 전압을 높이거나 ,방전량(펀치)이 우수한 즉, 내부저항이 낮은 배터리로 바꿔주는 방법이 있다. 또한 우수한 변속기일수록 같은 조건에서도 코깅이 일어날 확률이 낮다.

8. 타이밍 설정
브러쉬리스모터는 브러쉬모터와 달리 기계적으로 설정되는 타이밍(진각)이 없다. 대신 변속기에서 이를 정해 줄 수있는데 설명서에 보면 모터에 따른 타이밍 설정이 잘 나오니 그대로 따라 하면 된다. 자신의 모터가 설명서에 없다면 몇 폴 모터인지만 알면 그와 같은 폴수의 모터처럼 설정하면 된다. 보통 2폴 모터는 2-5도의 타이밍을 주고 10폴 모터는 20-30도의 타이밍을 주며 4, 6폴 모터는 그 사이 값으로 타이밍을 설정하는데 만약 2폴 모터를 4폴모터 정도에 해당하는 10도정도의 타이밍으로 설정하면 출력이 높아지는 대신 소비전력이 증가하고 효율도 약간 떨어진다. 반대로 10폴 모터를 10도 정도로 설정하면 출력은 낮아지고 소비전력 또한 줄어든다. 2폴모터를 4폴모터정도로 설정하는 것은 별 무리가 없지만 극단적으로 10폴모터에 해당하는 타이밍으로 설정하면 열이 많이 발생하고 효율이 크게 떨어져 모터에 좋지 않다. 반대의 경우엔 모터에 무리는 없지만 출력이 많이 떨어진다. 그래서 보통 타이밍 설정이 불가능한 제티 골드 같은 변속기는 대체로 어떤 모터를 연결하더라도 모터에 무리가 가지 않도록 2-4폴기준의 타이밍으로 나온다. 따라서 아웃러너 모터를 쓰기엔 최대출력이 나오지 않아 좋지 않다고 볼 수 있겠다.
프리퀀시도 설정할 수 있는 변속기도 많은데 타이밍에 비해 눈에 띄는 효과도 없고 잘못 설정하더라도 타이밍에 비해 별문제가 되지 않는다. 그러나 되도록 제대로 설정해주는 편이 유리하다.

9. 그외 주의할 점.
그리고 변속기와 모터 사이의 전선은 어느정도 범위내에서 길어져도 상관없으나(와이어의 굵기만 충분하다면 약 1미터까지도 별 무리가 없다.) 배터리와 변속기 사이의 전선길이가 길어지면 성능이 눈에 띄게 감소하고 이는 커넥터의 저항도 큰 영향이 있다. 배터리/변속기 사이의 전선은 짧을수록 좋지만 변속기 회사에 따라 최대 15-20센티를 넘지 말라고 권하고 있으며 실제로 30센티 이상의 와이어로 연결할 경우 심한 출력저하, 코깅 등 심각한 악영향을 끼친다. 더불어 커넥터도 저항이 낮은 우수한 커넥터를 쓰는 편이 좋다.

[오귀택]

처음만 읽었지만 첫구절에 잘못된점이 있군요 모터의 효율이 70~88%라고 되어있는데 그건 아주 저급한 브러쉬레스 모터의 경우이고 헤커나 콘트로닉 같은경우는 몇년전만 해도 효율이 92%까지도 됬었습니다 지금은 효율이 더 높아졌을지도 모르지요