브러시리스 DC 모터 비교·분석! 슬롯형 vs 슬롯리스형

슬롯리스 브러시리스 DC 모터는 브러시리스 DC 모터의 큰 카테 고리 안에서 독특하고 매력적인 모터 하위 집합을 나타낸다. 일반 적인 슬롯형 브러시리스 DC 모터에는 구리선이 감겨 있는 톱니로 분리된 슬롯으로 구성된적층 강철의 스테이터 코어가 포함되어 있기 때문에 ‘슬롯리스(Slotless)’라고 한다.

슬롯리스 모터의 권선은 특수 권선 공정 기술로 가능하다. 이러한 권선을 특징으로 하는 모터는 낮은 코깅, 낮은 진동 및 낮은 소음과 같은 여러 가지 이점을 제공하여 원활한 작동을 가능하게 하고, 회전 손실과 열이 감소하면서 더 높은 속도를 가능하게 한다. 이러한 특성은 수술 도구와 같은 고출력 핸드헬드 장치와 같이 인체공학적 디자인에서 높은 전력출력이 필요한 응용 분야에서 특히 유리하다.

구조
 

대부분의 브러시리스 모터(슬롯형 또는 슬롯리스)는 고정 권선으로 둘러싸인 회전하는 영구 자석 로터 어셈블리를 사용한다. 모터의 로터 어셈블리는 샤프트의 둘레에 고정된 영구 자석 또는 마그 네틱 링이 있는 강철 샤프트로 구성된다. 자석은 권선에서 생성된 자기장과 상호 작용하는 자기장을 생성한다.

토크는 자석에 가해 지는 힘과 자석이 가해지는 모멘트 암의 곱으로 생성된다. 따라서 토크 수준은 자석 강도, 반대 자기장 간의 거리, 권선 또는 스테이 터 자기장 강도, 모터 중심에서 자기장 상호 작용까지의 거리를 포함한 여러 요인의 영향을 받을 수 있다. 슬롯리스 브러시리스 DC 모터의 단면도는 <그림1>을 참조하면 된다.

<그림1> 슬롯리스 모터 어셈블리

기존의 슬롯형 브러시리스 모터에서 스테이터는 일반적으로 두께가 각각 0.5mm 정도인 평평한 전기 강철 적층판 그룹으로 구성되어 있으며, 이를 조립하여 단단한 스택을 형성한다. 각 적층 판의 바깥쪽 섹션에는 톱니 패턴이 안쪽으로 돌출된 재료 링이 들어 있다.

전류가 통과하면 전자기장을 생성하는 구리 코일이 톱니 주위에 감겨 있거나 톱니 사이의 각 슬롯에 삽입된다. 적층된 스택과 감긴 구리 코일이 스테이터 어셈블리를 형성한다.자기 회로를 완성하는 복귀 경로는 스테이터의 구리 권선 바깥쪽에 있는 적층 재료로 구성된다. 슬롯형 스테이터의 축 방향 단면도는 <그림 2>를 참조하면 된다.

<그림2> 슬롯형 모터와 슬롯리스형 모터 비교
 

슬롯형 브러시리스 모터에서처럼 적층 강철 스택의 슬롯에 구리 코일을 감는 대신, 슬롯형 모터 코일은 원통형으로 감고 코일을 형성·접착하여 모양을 유지한다. PITTMAN에서 제공하고 있는 Parallex 모터의 경우, 와이어를 정밀하게 설계된 코일로 감아 적층 스택에 삽입하는 독점적인 방법으로 이루어지며, 적층이 톱니가 없는 단순한 링이라는 점을 제외하면 슬롯형 모터와 유사하다.

기능 및 이점
 

슬롯형 브러시리스 모터는 구리 코일이 감겨 있는 톱니가 철을 자석에 더 가깝게 배치하기 때문에 특히 강력하다. 이러한 방식으로 에어 갭이 최소화되고 자기 회로가 더 효율적으로 완성된다. 철과 자석 사이의 에어 갭이줄어들면 모터에서 발생하는 전위 토크가 증가한다.그러나 슬롯형 스테이터는 구조상 톱니로 인해 코깅이 발생하는 것으로 알려져 있다.

코깅은 회전자에 있는 영구 자석이 스테이터의 톱니와 슬롯과 함께 선호하는 정렬을 찾을 때 발생한다. 구리 코일을 슬롯을 통해 감으면이 효과가 증가하는 경향이 있다. 자석이 톱니를 지나갈 때, 톱니 사이의 공기 층보다 톱니의 철에 더큰 인력을 가진다. 이러한 불균일한 자력 때문에 코깅이 발생하 고, 이는 궁극적으로 토크 리플, 효율성 감소, 모터 진동및 소음에 기여할 뿐만 아니라 저속에서 모터의 원활한 작동을 방해한다. 슬롯형 모터의 코깅에 대한 설명은 <그림3>을 참조하면 된다.

<그림3> 슬롯형 모터 코깅 효과

슬롯리스 스테이터는 슬롯이 있는 브러시리스 직류 모터의 코깅 문제를 해결하는 솔루션을 제공한다. 스테이터 톱니를 배제한 이구성은 코깅을 완전히 제거하여 원하는 조용한 작동과 부드러운 성능을 제공한다. 슬롯리스디자인은 영구 자석과 상호 작용하는 스테이터 톱니가 없기 때문에 모터가 디텐트(detent) 토크를 생성하지 않는다.PITTMAN의 Parallex 기술은 슬롯 구조에서 가능한 공간과 구성 으로 달성하기 훨씬 더 어려운 소형 권선을 구성할 수 있게 해줌 으로써, 모터 크기를 더 작게 만들 수 있다.

다른 슬롯리스 권선 방식과 비교했을 때,Parallex 기술의 특징은 구리 코일의 자석 와이어가 로터 축과 자석에 평행하게 적층 스택의 유효 길이를 따라 직선 경로로 배선되어 토크 생산을 극대화한다는 점이다.슬롯리스 디자인은 또한 자기장의 변화로 인해 라미네이션에서 생성되는 순환 전류인 와전류와 관련된 감쇠 손실을 줄여준다. 이러한 전류는 회전 속도가 증가함에 따라 손실을 발생시키고 열로 나타난다. 와전류는 슬롯리스 모터에서 라미네이션 재료가 적고 라미네이트된 철과 자석 사이의 거리가 슬롯 모터보다 크기 때문에 약하다.

슬롯리스 모터는 일반적으로 사인 곡선 토크 출력으로 설계되어 사다리꼴 전압 출력보다 왜곡이 적다. 사인 곡선 출력은 특히 사인 곡선 드라이버와 함께 사용할 때 토크 리플을 줄여준다. 또한, 낮은 자기 포화도는 모터가높은 전력 수준에서 인지할 수 있는 토크 롤오프 없이 짧은 간격으로 정격 전력의 몇 배로 작동할 수있도록 한다.슬롯형 모터와 비교했을 때, 슬롯이 없는 구조는 인덕턴스와 전기적 시간 상수를 크게 줄여 전류 대역폭을 개선할 수 있다.

슬롯형 모터의 톱니는 톱니 주변의 구리선 코일이 슬롯형 모터의 철과 상호 작용하기 때문에 자연적으로 더 많은 인덕턴스를 유발한다. 이러한 상호 작용은 전류를 다시 그 자체로 보내는 경향이 있어, 더많은 댐핑(또는 드래그)을 초래하고 슬롯형 모터의 반응과 가속에 부정적인 영향을 미친다.슬롯리스와 슬롯형 설계의 또 다른 중요한 차이점은 로터 직경이 다. 슬롯리스 모터는 일반적으로 동일한 외부 모터 직경에 대해 슬롯형 구조보다 큰 로터 직경을 가지고 있다. 이로 인해 더 큰 토크를 위해 더 큰 로터 관성과 더 많은 자석 재료가 필요하다. 관성 부하가 높은 응용 분야에서는 슬롯리스 제품이 더 많이 사용된다. 슬롯리스 모터의 특징을 <그림4>에서 확인할 수 있다.

<그림4> 슬롯리스 모터의 부드러운 작동

출력 측면에서, 기존의 슬롯형 모터는 철과 자석의 근접성과 감소된 에어 갭으로 인해 슬롯이 없는 유형보다 유리했다. 그러나 이장점은 고에너지 희토류 자석(사마륨 코발트, 네오디뮴 철 붕소 등)의 사용으로 인해 거의 없어졌다. 이러한 자석을 사용함으로써 슬롯리스 브러시리스 모터 제조업체들은 더 큰 에어 갭 거리를 일상적으로 보상할 수 있게 됐다.

이 강력한 자석은 슬롯이 있는 제품과 비교했을 때, 슬롯이 없는 제품이 동일한(또는 더 나은) 토크 성능을 발휘할 수 있게 해준 다. 톱니를 제거하고 더 강력한 자석을 사용함으로써, 최적의 전력 출력을 위해 전자기장의 강도를 극대화할 수 있다. 희토류 자석은 슬롯리스 모터에 더 적은 수의 코일 또는 와이어의 ‘턴’이 필요하다는 사실과 함께, 슬롯리스 모터 유형의 낮은 전기 저항, 낮은 권선 인덕턴스, 낮은 정적 마찰, 높은 열 효율에 기여한다.

애플리케이션 및 산업
 

일반적으로 브러시리스 모터는 브러시 정류 모터보다 모터 수명이 더 길기 때문에 선택된다. 브러시리스 모터를 선택하는 다른 이유로는 넓은 속도 범위, 더 높은 연속 토크 능력, 더 빠른 가속, 낮은 유지보수 등이 있다. 특히, 슬롯리스 브러시리스 DC 모터는 정확한 위치 설정과 부드러운 작동이 필요한 분야에 적합하다. 이러한 모터의 전형적인 틈새 시장으로는 컴퓨터 주변기기, 대용량 저장 시스템, 테스트 및 측정 장비, 의료 및 클린룸 장비가 있다.

추가적인 예로, 의료 장비 설계자들은 눈과 같은 민감한 부위에 액체를 주입하거나 측정하는 기계의 정밀한 제어를 위해 슬롯리스 모터를 활용할 수 있다. 의료 영상 장비에서 슬롯리스 브러시 리스 DC 모터는 저속에서 더부드러운 작동을 제공함으로써 줄 무늬 현상을 줄여준다. 비행기 조종 장치는 조종사에게 보다 부드 러운 피드백을 제공한다. 이 모터는 코깅과 그에 따른 진동을 제거함으로써 휴대용 생산 도구와 관련된 인체 공학적 문제를 줄일수 있다. 스캐너, 도서관 데이터 저장용 로봇, 레이저 빔 반사경 회전 및 레이더 안테나 회전 장비 등 다른 적절한 응용 분야도 많이 있다.

제품 범위, 크기 및 선택
 

슬롯리스 및 슬롯형 브러시리스 DC 모터 유형에 대한 전반적인 디자인과 성능 비교를 검토했지만, 한 가지 유형이 다른 유형보다 궁극적인 선택이라는 결론을 내리기에는 신중해야 한다. 로터 크기, 권선, 하우징, 특수 구성요소 등 평가해야 할 변수가 너무 많기 때문이다.

특정 응용 분야와 요구 사항이 특정 모터 유형과 통합할 맞춤형 구성 요소를 선택하는 데 있어 중요한 기준이 되어야 한다.슬롯리스 모터는 디자인과 코일 형성 과정이 더 복잡하기 때문에 일반적으로 슬롯이 있는 모터보다 더 비싸다.

비용 차이와 관계없 이, 슬롯리스 브러시리스 직류 모터는 많은 응용 분야에서 특정 요구 사항을 해결하는 데선호되는 선택이다. 슬롯이 있는 제품에서 일반적인 코깅을 줄여 모터의 작동이 더 부드럽고 조용해지는 방향으로 전자 장치의 발전이 계속 적용되고 있지만, 코깅과 수명이 성능 문제를 결정하는 요소인 경우에는 슬롯리스모터가 여전히 최고의 대안이다.슬롯리스 브러시리스 DC 모터의 일반적인 크기 선정은 다른 모터의 경우와 유사하며, 부하 토크와 속도, 사용 가능한 전압과 전류, 크기 및 무게 제약, 듀티 사이클, 환경 조건 등의 요구 사항에 따라 결정된다.

<그림5> PITTMAN 슬롯리스 모터 제품

차별화 요소 및 옵션
 

PITTMAN 슬롯리스 브러시리스 DC 모터는 특정 성능 및 응용 분야 요구 사항에 맞게 맞춤화할 수 있는 표준 플랫폼 디자인을 제공한다. 예를 들어, 응용 분야의 특정 토크 및 비용 요구 사항에 맞게 모터에 스퍼 기어헤드를통합할 수 있으며, 유성 기어헤드는더 높은 속도와 토크를 제공한다.

슬롯리스 모터는 광학 인코더를 통해 추가적인 맞춤화가 가능하다. 광학 인코더는 정확한 위치, 속도, 방향 피드백을 제공하여 모터 제어를 크게 향상시키고 모터를 더 다양한 용도로 활용할 수 있게 해준다. PITTMAN Parallex 기술은 소형 휴대용 수술 기기에 특히 적합하기 때문에, 가장 두드러지는 옵션 중 하나는 오토클레이브 기능이다. 이 기능은 의료 기기 설계자에게 증기 멸균이 필요한 응용 분야에서 모터를 보호할 수있는 기능을 제공한다.

오토클레이브가 가능한 모터 디자인은 특정 고객의 요구 사항에 맞게 조정되며, 이러한 응용 분야의 까다로운 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 특수 소재와 공정을 포함한다. 특정 응용 분야에 맞게 선택하고 맞춤화할 수 있는 다른 옵션으로는 홀 센서 또는 센서리스 디자인, 균형 잡힌 로터, 커넥터, 맞춤형 케이블, 샤프트 수정, 샤프트 장착 풀리 및 기어, 특수 베어링 및 권선, 전자기계식 브레이크 등이 있다. 각 옵션은 특정 성능상의 이점을 제공하고 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수 있다.

자료제공: PITTMAN(www.pittman-motors.com)