무브러시 DC 모터의 구조

무브러시 DC 모터의 구조

축차

  • 영구 자석: BLDC 모터의 회전자에는 일반적으로 네오디뮴과 같은 희토류 재료로 만들어진 영구 자석이 원주 주위에 배열되어 있습니다.
  • 자석 극: 회전자는 여러 극(예: 2극, 4극)을 가질 수 있으며, 이는 모터의 토크와 속도 특성에 영향을 미칩니다.
  • 위치(아웃러너 대 인러너): 아웃러너 모터에서 회전자는 스테이터를 둘러싸고 있어 더 많은 토크를 제공합니다. 인러너 모터에서 회전자는 스테이터 내부에 있어 일반적으로 속도가 더 빠릅니다.

스테이터

  • 권선 코일: 스테이터는 구리선으로 만든 권선으로 구성되어 일련의 전자석을 형성합니다. 이 코일은 로터와 상호 작용하는 자기장을 생성하기 위해 특정 구성으로 배치됩니다.
  • 위상 수: 대부분의 BLDC 모터는 3상 스테이터(코일 3세트)를 사용하지만 응용 분야에 따라 위상이 더 많을 수도 있습니다.
  • 코어 소재: 와전류 손실을 줄이고 효율을 높이기 위해 스테이터 코어는 종종 적층 강철로 구성됩니다.
  • 슬롯 및 톱니: 스테이터에는 권선이 배치되는 슬롯과 코일에서 생성되는 자기장을 지시하는 데 도움이 되는 톱니가 있습니다.

전자 속도 컨트롤러(ESC)

  • 제어 장치: ESC는 스테이터 코일을 통해 흐르는 전류를 관리하는 외부 장치(그러나 모터 작동에 필수적)입니다. 모터를 회전시키기 위해 위상을 전자적으로 전환하여 정류 역할을 수행합니다.
  • 펄스 폭 변조(PWM): ESC는 모터에 전송된 PWM 신호의 듀티 사이클을 수정하여 속도를 수정합니다.

문장

  • 로터 지지: 베어링은 모터의 양쪽 끝에 위치하여 로터 샤프트를 지지하고 원활한 회전을 허용합니다. 우수한 품질의 베어링은 마찰을 낮추고 모터의 수명을 연장하는 데 필수적입니다.
  • 윤활: 베어링의 적절한 윤활은 원활한 작동에 도움이 되고 마모를 줄입니다.

하우징/프레임

  • 구성 요소를 둘러싸고 보호합니다. 모터의 하우징 또는 프레임은 스테이터와 로터를 제자리에 고정하고 내부 구성 요소를 먼지, 이물질 및 환경 조건으로부터 보호합니다.
  • 냉각: 일부 하우징은 통풍구를 통해 수동적으로 또는 내장 팬을 사용하여 냉각을 개선하도록 설계되었습니다.

엔드벨(엔드캡)

  • 구조적 지지: 엔드 벨은 모터의 양쪽 끝에 부착되어 베어링을 고정하고 구조적 지지를 제공합니다. 또한 모터 내부를 보호하는 데 도움이 됩니다.

무브러시 DC 모터의 작동 원리

무브러시 DC 모터의 작동 원리는 기존 DC 모터와 다릅니다. 전자 정류를 통해 무브러시 구동을 실현하여 기존 DC 모터의 카본 브러시와 정류자를 제거합니다. 다음은 무브러시 DC 모터의 작동 원리에 대한 자세한 설명입니다.

  1. 모터 구조: 무브러시 DC 모터는 주로 스테이터, 로터, 위치 센서로 구성됩니다. 모터의 고정 부분은 스테이터로, 종종 여러 권선으로 구성됩니다. 회전하는 모터의 로터는 종종 영구 자석 소재로 구성됩니다.
  2. 전자 정류: 무브러시 DC 모터에서 전자 정류자는 기존의 기계적 정류자를 대체합니다. 전자 정류자는 제어 회로를 통해 모터 권선의 전류 방향을 제어하여 모터의 연속 회전을 달성합니다.
  3. 위치 센서: 로터의 위치는 전자 정류자에 의해 관리되며, 필요할 경우 전류의 방향도 변경합니다. 위치 센서는 이 정보를 수집합니다. 일반적인 위치 센서에는 홀 센서, 광전 센서, 자기전기 센서가 있습니다.
  4. 제어 전략: 무브러시 DC 모터의 제어 전략은 일반적으로 벡터 제어 또는 사다리꼴 제어를 채택합니다. 벡터 제어는 전류의 진폭과 위상을 제어하여 모터를 정밀하게 제어하는 ​​반면 사다리꼴 제어는 전류의 스위칭을 제어하여 모터를 기본적으로 제어합니다.
  5. 효율성 및 성능: 카본 브러시와 정류자가 없어졌기 때문에 브러시리스 DC 모터는 효율성이 더 높고, 더 부드럽게 작동하며, 소음이 적고 유지 보수 비용이 더 낮습니다.

무브러시 DC 모터 작동 다이어그램

무브러시 DC 모터 작동 다이어그램

무브러시 DC 모터의 종류

외부 로터 모터 VS 인러너 BLDC 모터

외부 로터 모터:

스테이터는 모터 내부에 있지만, 자석을 수용하는 로터는 외부에 있습니다. 설계상, 더 큰 로터 직경을 사용하여 저속에서 토크를 증가시킬 수 있습니다. 이러한 모터는 일반적으로 더 큰 로터 직경으로 인해 더 높은 토크를 생성하므로 드론, 전기 자전거, 모형 비행기와 같이 저속에서 상당한 토크가 필요한 애플리케이션에 이상적입니다.

인러너 BLDC 모터:

스테이터는 모터 하우징 내부에 있는 로터를 둘러싸고 있습니다. 이 디자인은 더 컴팩트하며 일반적으로 토크가 적으면서 속도가 더 빠릅니다. 인러너 모터는 RPM(분당 회전 수)이 더 높은 것으로 알려져 있으며 RC 자동차나 소형 전기 모터와 같이 고속이 필수적인 애플리케이션에 더 적합합니다. 다음 비교 차트는 다음과 같습니다.

특징 아웃러너 BLDC 모터 인러너 BLDC 모터
회전자 위치 고정자 외부 고정자 내부
토크 무게/크기 대비 높은 토크 무게/크기 대비 낮은 토크
속도 일반적으로 낮은 속도 일반적으로 높은 속도
효율성 더 많은 움직이는 부품으로 인해 약간 낮음 적은 움직이는 부품으로 인해 더 높음
정류(Commutation) 전자식 전자식
시작 토크 좋은 시작 토크 토크를 생성하려면 더 높은 속도 필요

무브러시 DC 모터 구동 모드

6단계 정류(사다리꼴 구동)

이것은 BLDC 모터의 가장 일반적인 구동 모드로, 모터는 6단계 시퀀스로 모터 권선에 적용되는 3상 전압 신호에 의해 구동됩니다.

  • 작동: 이 모드에서는 두 개의 위상이 동시에 활성화되고 정류는 60 전기도마다 발생합니다. 이는 사다리꼴 역기전력 파형을 생성합니다.
  • 장점: 구현이 간단하고 비용 효율적이며 많은 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
  • 단점: 토크 리플을 생성하여 소음과 진동을 유발할 수 있으며 사인파 구동에 비해 작동이 원활하지 않습니다.

사인파 구동

이 모드에서는 모터가 6단계 정류에 사용되는 사다리꼴 파형 대신 사인파 전압 파형으로 구동됩니다.

  • 작동: 사인파 구동은 정류 단계 간에 더 부드러운 전환을 만들어 더 연속적이고 부드러운 토크 출력을 생성합니다.
  • 장점: 토크 리플이 적고 소음이 적으며 진동이 감소하여 더 부드러운 작동을 제공합니다.
  • 단점: 정밀한 제어 알고리즘과 더 높은 해상도 피드백이 필요하기 때문에 구현이 더 복잡하고 비쌉니다.

필드 지향 제어(FOC)

벡터 제어라고도 알려진 FOC는 회전 기준 프레임에서 모터 전류를 제어하여 BLDC 모터의 효율과 성능을 최적화하는 고급 제어 기술입니다.

  • 작동: FOC는 두 개의 수직 방향(d축 및 q축)으로 전류를 조절하여 모터의 자기장을 로터의 위치와 정렬하여 토크와 효율을 극대화합니다.
  • 장점: 토크와 속도에 대한 고효율, 정밀한 제어로 부드럽고 정확한 성능이 필요한 애플리케이션에 이상적입니다.
  • 단점: 복잡한 알고리즘과 정교한 하드웨어가 필요하여 비용이 많이 들고 구현하기 어렵습니다.

직접 토크 제어(DTC)

DTC는 좌표 변환이 필요 없이 모터의 토크와 자속을 직접 제어하는 ​​방법으로, AC 드라이브에서 자주 사용되지만 BLDC 모터에도 적용할 수 있습니다.

  • 작동: DTC는 토크 및 플럭스 추정기를 사용하고 모터에 전압 벡터를 적용하여 토크 및 플럭스를 직접 제어합니다.
  • 장점: 빠른 동적 응답, 정확한 로터 위치 정보가 필요하지 않습니다.
  • 단점: 더 복잡할 수 있으며 FOC에 비해 토크 리플이 더 높아질 수 있습니다.

현재 모드 제어

이 모드는 전압을 직접 제어하는 ​​것보다는 모터 권선을 통해 전류를 조절하는 데 초점을 맞춥니다.

  • 작동: 의도한 속도 또는 토크를 얻기 위해 모터 컨트롤러는 피드백 루프를 자주 사용하여 모터 권선으로 전송되는 전류를 수정합니다.
  • 장점: 모터 토크에 대한 정밀한 제어를 제공하며 안정적인 토크 출력이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.
  • 단점: 더 복잡한 제어 시스템이 필요하며 직접 전압 제어에 비해 응답 시간이 느릴 가능성이 있습니다.

센서리스 제어

센서리스 제어에서는 모터 자체에서 생성되는 역기전력을 사용하여 회전자 위치를 추정하므로 물리적 센서가 필요 없습니다.

  • 작동: 컨트롤러는 적절한 정류 시퀀스를 결정하는 데 사용되는 역기전력의 제로 크로싱 지점을 기반으로 로터 위치를 추정합니다.
  • 장점: 센서와 관련된 비용과 복잡성을 줄이고 센서 오류 지점을 제거하여 신뢰성을 향상시킵니다.
  • 단점: 특히 역기전력이 약한 저속에서는 정확도가 낮아 제어가 덜 정확할 수 있습니다.

센서 제어

센서 제어는 홀 효과 센서나 기타 위치 센서를 사용하여 회전자 위치에 대한 실시간 피드백을 제공합니다.

  • 작동: 센서는 컨트롤러에 정확한 로터 위치 데이터를 제공하고, 컨트롤러는 그에 따라 정류 시퀀스와 타이밍을 조정합니다.
  • 장점: 모터 작동에 대한 정밀한 제어를 제공하고, 저속 및 시동 시 뛰어난 성능을 제공하며, 저속에서 높은 토크가 필요한 애플리케이션에 적합합니다.
  • 단점: 모터 시스템의 비용과 복잡성이 증가하고, 센서 고장으로 인해 신뢰성 문제가 발생할 가능성이 있습니다.

무브러시 DC 모터 선택 고려 사항

무브러시 DC(BLDC) 모터를 선택할 때는 모터가 특정 응용 분야의 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 몇 가지 주요 사항을 고려해야 합니다.

BLDC 모터의 힘

전력(P)=전압(V)×전류(I)×효율(%)×역률(PF)

고려 사항: 와트(W) 단위로 측정하여 애플리케이션에 필요한 최대 전력을 결정합니다. 선택 팁: 피크 부하 요구 사항을 충족할 수 있는 충분한 전력을 제공할 수 있는 모터를 선택합니다. 모터의 연속 전력 정격이 일반적인 부하보다 높고 피크 전력 정격이 더 높은 수요의 짧은 버스트를 처리할 수 있는지 확인합니다.

BLDC 모터의 속도

Speed (RPM)=(Voltage (V)×Kv)/n

  • 고려 사항: 애플리케이션에 필요한 최대 속도(분당 회전수, RPM)를 파악합니다.
  • 선택 팁: 원하는 최대 속도를 달성할 수 있는 모터를 선택합니다. 필요한 경우 기어 감속을 고려하여 모터의 속도 범위가 애플리케이션 요구 사항과 일치하는지 확인합니다.

BLDC 모터의 전압

V=Kv⋅RPM

  • 고려 사항: 모터를 구동하는 데 사용할 작동 전압을 결정합니다.
  • 선택 팁: 주어진 전압에서 원활하게 작동할 수 있는 모터를 선택합니다. 모터에 필요한 전압과 전류가 시스템과 호환되는지, 전원이 이를 공급할 수 있는지 확인합니다.

BLDC 모터의 크기

  • 고려 사항: 모터의 직경, 길이, 샤프트 직경을 포함한 물리적 크기 제약을 평가합니다.
  • 선택 팁: 차지하는 공간을 기준으로 애플리케이션에 맞는 모터를 선택합니다. 모터의 장착 구성을 고려하고 샤프트 직경이 커플링이나 기어와 같은 기계적 설정과 호환되는지 확인합니다.

홀 센서: 포함 또는 미포함

고려 사항: 모터에 홀 센서가 필요한지 여부를 결정합니다. 선택 팁:

  • 홀 센서가 있는 경우: 저속에서 정밀한 제어, 원활한 시동 또는 정확한 위치가 애플리케이션에 중요한 경우 센서가 있는 BLDC 모터를 선택하세요. 홀 센서는 로터 위치에 대한 실시간 피드백을 제공하여 제어를 개선합니다.
  • 홀 센서가 없는 경우: 저속에서 정밀한 제어가 덜 중요한 더 간단하고 견고한 디자인이 필요한 경우 센서가 없는 BLDC 모터를 선택하세요. 센서가 없는 모터는 일반적으로 비용이 덜 들고 구성 요소가 적습니다.

결론

다양한 응용 분야에서 무브러시 DC 모터는 뛰어난 효율성, 신뢰성, 정밀한 제어로 인해 최상의 선택입니다. 무브러시 DC 모터 제조업체의 경우 브러시가 없어 유지 관리가 간편하고 컴팩트한 디자인으로 강력한 성능을 제공합니다. 구성 요소, 작동 및 이점을 이해하는 것이 현대 엔지니어링 솔루션에서 사용을 최적화하는 데 중요합니다.