축 방향 플럭스(flux) 원리의 BLDC 모터

Dunkermotoren

아이언 리스 DC모터 BGA22는 드라이브 기술에 실제 제품 즉, 축 방향 플럭스 원리(flux principle)를 기반으로 한다. 높은 토크와 작은 크기, 조용한 주행 및 낮은 자체 발열에 대한 요구가 모두 충족되는 Dunkermotoren의 모터를 소개한다.

작동 원리

축 방향 플럭스 모터의 자기장은 축 방향으로 형성된다. 이는 모터 축에 평행한 힘을 의미한다. 반면에 종래 제작된 모터에서는 자기장이 방사상으로 형성된다. BGA22 모터는 아이언 리스(iron less)이며, 코깅(cogging) 및 리셋 손실(resetting loss)이 없거나 크게 감소한다. 이 모터의 기본원리는 소위 ‘인쇄된 모터(Printed Motors)’에서 이미 알려져 있으며, 특히 가전제품에 사용된다. Dunkermotoren에서는 여러 개의 권선 및 영구자석 조합이 차례로 적층돼 있다. 구조는 그림 1에 나와 있다.

그림에서 플레이트가 순차적으로 구성돼 있다. ④-플레이트는 모터상의 생성을 위해 와인딩됐으며 하우징과 연결돼 있다. ③-플레이트는 자석으로 구성됐고, 자석은 강판에 장착돼 있다. 자석은 샤프트에 토크를 전달하고 샤프트와 함께 회전하게 된다. 강판에 자석이 견고히 고정돼 있으며 자석이 회전해서 3개의 모터 상(phase) 형성을 가능하게 한다. 따라서 3상을 만들기 위한 3개의 권선 플레이트의 회전이 더 이상 필요하지 않으며, 모터의 구조가 간단히 구성된다. 마그네트 플럭스는 그림 2에 나와 있다. 모터가 3상으로 구성되기 때문에 최소한 3개의 스택(stack)이 필요하다. 3개의 스택이 있는 패키지 수는 전체 길이의 증가와 함께 동일한 구조 직경을 유지하면서 모터 성능을 향상시킬 수 있다.

BGA 22의 성능

축 방향의 플럭스 원리로 인해 BGA22의 하우징 자체는 모터를 구성 및 유지하는 기구적인 역할만 한다. 따라서 하우징은 매우 얇은 벽으로 구성될 수 있고, 이에 따라 마그네트 플레이트를 더 큰 지름으로 구성할 수 있다. 다른 유형의 아이언 리스 모터는 방사형 플럭스를 위한 강자성체로 구성된, 외경에서의 구성체가 필요하다. 이 구성체로 인해 토크가 생성되는 외경이 감소한다. 자력은 축 방향 흐름 원리에서 더 큰 직경으로 작용한다. 큰 토크를 비교적 작은 자성 재료로써 생성할 수 있다.

이는 장기적인 제조 측면에서 재료 절감을 보장하므로 네오디뮴 및 디스프로슘 등의 원료 공급업체에 대한 의존도를 낮추게 해준다. 고출력 밀도를 찾는다면 기존의 포트폴리오에서 모터 속도를 높이고, 적절한 유성 기어박스를 원하는 속도로 다시 낮추는 유형을 선택할 수 있다.

축 방향 플럭스 원리에 의한 BGA22의 효율은 단시간 작동 중 높은 과부하에서 성능을 보장한다. 그림 3에서 알 수 있듯이, 모터는 동일한 크기 및 형상의 종래의 아이언 리스 모터보다 천천히 가열된다. 실질적인 이점은 긴 간격으로 높은 하중을 가할 때 알 수 있다. 예를 들면 유리창을 열어서 들어 올리거나, 무거운 발코니 문을 들어 올리는 경우다. 도어 프레임에 통합하기 위해서는 지름 22mm 모터로 제한되며 정격토크의 3배의 부하가 걸린다(약 6Ncm). 첫 온도를 25°C로 가정하면, 기존 모터는 2초 미만에 155°C의 한계 온도에 도달한다. 반면 BOG22는 120°C의 한계 온도가 30초 후에 도달한다. 따라서 BGA22는 15배의 토크를 제공할 수 있으며 비교되는 155°C의 모터의 한계 온도에는 도달하지 않는다.

BGA 22의 부드러운 작동은 어떻게 가능한가?

BGA22는 BLDC 모터이기 때문에 구조에 브러시가 없다. 코깅과 리셋이 없으므로 브러시리스 구조와 함께 매우 높은 수준의 부드러움을 가능하게 한다. 단지 작동 중에 볼 베어링과 커뮤테이션에서만 눈에 뛴다. 그러나 이런 구성 요소가 장치에 통합되면 사용자는 모터의 작동 여부를 판단하기 어렵다. 이론적으로 BGA 22에 기구적인 불균형이 없으나 현장에서 제조 공차 때문에 작은 불균형이 발생할 수 있다. 이는 일부 애플리케이션에선 용인될 수 있지만, 일반적으로 특수기계를 통해 로터를 정밀한 균형으로 맞춘다. 따라서 모터 자체가 진동이 낮으며 모터 구성 자체 역시 진동이 없는 환경으로 만들어 준다.

예를 들면 모터를 둘러싼 하우징에는 진동이 거의 없다. 이 장치는 조용하고 단순한 블록 커뮤테이션(block commutation)을 함으로써 속도 변화에서도 공명 현상(resonance)이 없다. 이 모터 크기에서 벡터 커뮤테이션을 하면 거동을 더 향상시킬 수 있다.

BGA 22는 비슷한 크기의 다른 모터처럼 가열되지 않는가?

같은 크기의 다른 아이언 리스 모터와는 달리, BGA22는 비교적 낮은 권선 온도에서 높은 출력 밀도를 가지고 있다. 자체 지지 권선의 구조를 선호하는 제조업체는 온도등급 F(155°C)를 기준으로 한다. Dunkermotoren은 이 온도를 120℃의 온도인 E등급으로 제한할 수 있다. 이는 열 발산이 좋기 때문에 가능하다. 모터의 가장 뜨거운 부분인 권선을 하우징에 직접 연결해 열을 전달하는 방식으로 돼 있다. 따라서 권선과 환경 사이의 에어 갭에는 열전달에 대한 단열 처리가 없다. 열은 최적으로 발산된다. 덜 뜨거운 모터의 작동은 볼 베어링 수명을 연장하며 애플리케이션에서 여러 가지 이점을 제공한다. 기어박스 및 엔코더와 같은 부착물들은 모듈러 시스템으로 구성돼 있어서 수명이 길어진다.

여기에 사용된 기타 재료는 고온에 노출되지 않으므로 다른 관점 즉, 취득 비용 면에서 최적화될 수 있다. BGA22가 내장된 기계는 작동 중에도 차가움을 유지함으로써 모터에 직접 접촉해도 사용자에게 불편한 느낌을 주지 않는다. Dunkermotoren의 목표는 이 모터를 살균 가능한 버전으로 확장하는 것이다. 모터의 낮은 예열 정도는 세포조직과의 접촉에서 장점이 될 것이며, 온도에 민감한 애플리케이션에서 선호될 것이다.

결론

BGA22는 브러시리스 및 아이언 리스 모터로써 큰 부하에도 문제없다. 기존의 알려진 모터와 비교할 때 조용한 주행 및 저발열을 확신한다. 제공되는 다양한 와인딩과 모듈러식의 구성 키트를 통해 거의 모든 애플리케이션에 맞는 설계와 구성을 할 수 있다.

자료 제공 : Dunkermotoren(www.dunkermotoren.de)