Brushless DC (BLDC) Motor

브러시리스 DC 모터(BLDC)는 이러한 모터가 특히 모터 제어 기술 분야에서 많은 응용 분야에서 점점 더 선호되는 선택이기 때문에 수많은 모터 제조업체에게 매우 집중된 영역이었습니다. BLDC 모터는 고속, 고효율 및 더 나은 방열 능력과 같은 여러 면에서 브러시 DC 모터보다 우수합니다.

 

이 제품은 현대 드라이브 기술에서 없어서는 안될 부분으로, 드라이브, 공작 기계, 전기 추진, 로봇 공학, 컴퓨터 주변 장치 및 전력 생성에 가장 일반적으로 사용됩니다. 디지털 제어 외에 센서리스 기술의 발전으로 이러한 모터는 총 시스템 비용, 크기 및 신뢰성 측면에서 매우 효과적입니다.

 

브러시리스 DC 모터(BLDC)란?

브러시리스 DC 모터(BLDC)는 직류(DC) 전기로 구동되는 영구 자석 동기식 전기 모터이며 기계적으로 정류 시스템 대신 전자적으로 제어되는 정류 시스템(정류는 적절한 시간에 위상 전류를 변경하여 모터의 회전 토크를 생성하는 과정)을 수행합니다. BLDC 모터는 사다리꼴 영구 자석 모터라고도 합니다.

 

직류 전원과 회전자 전기자 권선 사이에 전기 경로를 형성하기 위해 솔이 회전자에 정류자와 기계적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 기존의 솔질형 DC 모터와는 달리, BLDC 모터는 영구 자석 회전자와 일련의 코일이 있는 고정자와 전기 정류를 사용합니다. 이 모터에서는 영구 자석(또는 장극)이 회전하고 전류가 흐르는 도체가 고정됩니다.

 

 

 

전기자 코일은 전기자 필드가 회 전자 필드 극과 함께 공간 구적법에있는 방식으로 올바른 회 전자 위치에서 트랜지스터 또는 실리콘 제어 정류기에 의해 전자적으로 전환됩니다. 따라서 로터에 작용하는 힘으로 인해 로터가 회전합니다.

 

홀 센서 또는 로터리 엔코더는 회전자의 위치를 감지하는 데 가장 일반적으로 사용되며 고정자 주위에 위치합니다. 센서의 회전자 위치 피드백은 전기자 전류를 전환할 시기를 결정하는 데 도움이 됩니다.

 

이 전자 정류 배열은 DC 모터에서 정류자 배열과 브러시를 제거하므로 보다 안정적이고 소음이 적은 작동이 달성됩니다. 브러시가 없기 때문에 BLDC 모터는 고속으로 작동할 수 있습니다. BLDC 모터의 효율은 일반적으로 85-90%인 반면, 브러시형 DC 모터는 75-80% 효율적입니다. 작은 전력 범위에서 분수 마력, 일체형 마력 및 큰 출력 범위에 이르기까지 다양한 종류의 BLDC 모터를 사용할 수 있습니다.

 

BLDC 모터 구성

BLDC 모터는 다양한 물리적 구성으로 구성할 수 있습니다. 고정자 권선에 따라 단상, 2상 또는 3상 모터로 구성할 수 있습니다. 그러나 영구 자석 회전자가 있는 3상 BLDC 모터가 가장 일반적으로 사용됩니다.

 

BLDC 모터의 구조는 기존 DC 모터뿐만 아니라 3상 유도 모터와 많은 유사점을 가지고 있습니다. 이 모터에는 다른 모든 모터와 마찬가지로 고정자 및 회전자 부품이 있습니다.

 

 

권선을 운반하기 위해 적층된 강철 라미네이션으로 구성된 BLDC 모터의 고정자. 이 권선은 고정자의 내부 주변을 따라 축 방향으로 절단되는 슬롯에 배치됩니다. 이러한 권선은 별 또는 델타로 배열할 수 있습니다. 그러나 대부분의 BLDC 모터에는 3상 스타 연결 고정자가 있습니다.

 

각 권선은 하나 이상의 코일이 각 슬롯에 배치되는 수많은 상호 연결된 코일로 구성됩니다. 짝수 개의 극을 형성하기 위해 이러한 각 권선은 고정자 주변에 분포됩니다.

 

고정자는 전원 공급 장치 기능에 따라 전압의 정확한 정격으로 선택해야 합니다. 로봇 공학, 자동차 및 소형 작동 응용 제품의 경우 48V 이하의 전압 BLDC 모터가 선호됩니다. 산업용 애플리케이션 및 자동화 시스템의 경우 100V 이상의 정격 모터가 사용됩니다.

 

회전자

BLDC 모터는 회전자에 영구 자석을 통합합니다. 로터의 극 수는 2에서 8극 쌍까지 다양할 수 있으며 응용 분야 요구 사항에 따라 남극과 북극이 번갈아 가며 있습니다. 모터에서 최대 토크를 달성하려면 재료의 자속 밀도가 높아야 합니다. 필요한 자기장 밀도를 생성하기 위해서는 회전자에 적합한 자성 재료가 필요합니다.

 

페라이트 자석은 저렴하지만 주어진 부피에 대해 자속 밀도가 낮습니다. 희토류 합금 자석은 일반적으로 새로운 디자인에 사용됩니다. 이러한 합금 중 일부는 사마륨 코발트(SmCo), 네오디뮴(Nd), 페라이트 및 붕소(NdFeB)입니다. 로터는 주변에 영구 자석이 있는 원형 코어, 직사각형 자석이 있는 원형 코어 등과 같은 다양한 코어 구성으로 구성할 수 있습니다.

 

홀 센서

홀 센서는 고정자 전기자 여기를 회전자 위치와 동기화하기 위한 정보를 제공합니다. BLDC 모터의 정류가 전자적으로 제어되기 때문에 고정자 권선은 모터를 회전시키기 위해 순차적으로 통전되어야 합니다. 특정 고정자 권선에 전원을 공급하기 전에 회전자 위치를 확인해야 합니다. 따라서 고정자에 내장된 홀 효과 센서는 회전자 위치를 감지합니다.

대부분의 BLDC 모터는 고정자에 내장된 3개의 홀 센서를 통합합니다. 각 센서는 로터 폴이 근처를 지나갈 때마다 낮음 및 높음 신호를 생성합니다. 고정자 권선에 대한 정확한 정류 시퀀스는 이 세 가지 센서의 응답 조합을 기반으로 결정할 수 있습니다.

 

BLDC 모터의 동작 원리 

BLDC 모터는 자기장에서 있는 현재 운반 지휘자가 있는 언제나 힘을 경험한다는 것을 상태 로렌츠 힘 법칙 같이 전통적인 DC 모터의 그것과 유사한 원리에 작동합니다. 반력의 결과로 자석은 동등하고 반대되는 힘을 경험하게 됩니다. BLDC 모터의 경우 영구 자석이 움직이는 동안 전류 전달 도체가 고정되어 있습니다.

 

 

 

 

고정자 코일이 공급원에 의해 전기적으로 전환되면 전자석이 되어 에어 갭에서 균일한 자기장을 생성하기 시작합니다. 공급원은 DC이지만 스위칭은 사다리꼴 모양의 AC 전압 파형을 생성합니다. 전자석 고정자와 영구 자석 회 전자 사이의 상호 작용력으로 인해 회 전자는 계속 회전합니다.

 

모터 고정자가 서로 다른 스위칭 상태에 따라 여기되는 아래 그림을 고려하십시오. 권선을 높고 낮은 신호로 전환하면 해당 권선이 북극과 남극으로 활성화됩니다. N극과 S극이 있는 영구 자석 회전자는 고정자 극과 정렬되어 모터가 회전합니다.

모터는 인력(남북 또는 남북 정렬 시)과 반발력(남북 또는 남북 정렬 시)의 발달로 인해 토크를 생성하는지 관찰합니다. 이런 식으로 모터는 시계 방향으로 움직입니다.

 

여기에서 어떤 고정자 코일에 전원을 공급해야 하고 언제 활성화해야 하는지 어떻게 알 수 있는지에 대한 질문을 받을 수 있습니다. 이 때문입니다; 모터 연속 회전은 코일 주위의 스위칭 순서에 따라 다릅니다. 위에서 논의한 바와 같이 홀 센서는 전자 컨트롤러 장치에 샤프트 위치 피드백을 제공합니다.

센서의 이 신호를 기반으로 컨트롤러는 전원을 공급할 특정 코일을 결정합니다. 홀 이펙트 센서는 로터 폴이 근처를 지나갈 때마다 Low 및 High 레벨 신호를 생성합니다. 이 신호는 샤프트의 위치를 결정합니다.

 

브러시리스 DC 모터 드라이브

전자 컨트롤러 회로는 트랜지스터 또는 기타 솔리드 스테이트 스위치를 회전시켜 모터를 연속적으로 회전시킴으로써 적절한 모터 권선에 전원을 공급한다. 아래 그림은 MOSFET 브리지(인버터 브리지라고도 함), 전자 컨트롤러, 홀 효과 센서 및 BLDC 모터로 구성된 간단한 BLDC 모터 구동 회로를 보여줍니다.

여기서 홀 효과 센서는 위치 및 속도 피드백에 사용됩니다. 전자 컨트롤러는 마이크로컨트롤러 유닛 또는 마이크로프로세서 또는 DSP 프로세서 또는 FPGA 유닛 또는 임의의 다른 컨트롤러일 수 있다. 이 컨트롤러는 이러한 신호를 수신하고 처리하여 제어 신호를 MOSFET 구동기 회로로 보냅니다.

 

모터의 정격 속도에 대한 스위칭 외에도 추가 전자 회로는 필요한 애플리케이션에 따라 모터 속도를 변경합니다. 이러한 속도 제어 장치는 일반적으로 PID 컨트롤러로 구현되어 정밀한 제어가 가능합니다. 또한 모터에서 4사분면 작동을 생성하는 동시에 최신 드라이브를 사용하여 속도 변화 전반에 걸쳐 우수한 효율성을 유지할 수 있습니다.

 

BLDC 모터의 장점

BLDC 모터는 기존 DC 모터에 비해 몇 가지 장점이 있으며 그 중 일부는 다음과 같습니다.

• 기계적 정류자 및 관련 문제가 없습니다
• 영구자석 회전자 사용으로 인한 고효율
• 속도를 제한하는 브러시가 없기 때문에 부하 및 무부하 상태에서도 빠른 작동 속도
• 브러시형 DC 및 유도 AC 모터보다 모터 형상이 작고 무게가 가볍습니다.
• 정류자 시스템에 대한 검사 및 유지 보수가 필요하지 않으므로 긴 수명
• 낮은 관성으로 인한 더 높은 동적 응답과 고정자의 권선 전달
• 전자기 간섭 감소
• 브러시가 없기 때문에 작동(또는 저소음)

 

BLDC 모터의 단점

• 이 모터는 비용이 많이 듭니다
• 이 모터를 제어하는 데 필요한 전자 컨트롤러는 비쌉니다.
• 특히 소형 BLDC 모터의 경우 많은 통합 전자 제어 솔루션을 사용할 수 없습니다.
• 복잡한 구동 회로가 필요합니다.
• 추가 센서 필요