브러시 및 브러시리스 DC 모터 선택 ①

Allied Motion

모션을 수반하고 의도한 대로 동작하는 시스템을 설계하려면 올바른 모터가 필요하다. 모션 시스템의 조건과 사양이 사용하는 상황마다 다른 것처럼, 모터에 대한 최적의 선택도 마찬가지이다. 가장 기본적인 결정에는 정류 유형, 즉 브러시 혹은 브러시리스가 연관된다.

어떤 상황에는 기계 정류식 브러시 모터가 예산에 가장 적합한 해결책을 제공하고, 다른 상황에서는 브러시리스 DC(BLDC) 모터만이 그렇다. 여기서는 주어진 애플리케이션에 올바른 해결책을 선택하는 데 필요한 팁 또는 트릭과 함께 기술에 대해 전체적으로 검토한다.

모터

전기 모터는 두 가지 기본 요소인 회전자(rotor)와 교정자(stator)로 구성된다. 회전자와 고정자 모두 자기장을 생성하고, 두 필드 사이의 상호 작용은 모터가 유용한 작업을 수행할 수 있도록 하는 토크를 생성한다. 리니어 모터를 포함해서 다양한 설계 유형이 있지만, 여기서는 회전자가 회전하고 고정자가 고정된 로터리 모터에 초점을 맞춘다.

암페어의 법칙(Ampere’s Law)은 전류가 와이어를 통과하면 자기장을 생성한다고 말한다. 전류를 전달하는 와이어를 루프로 만들고 이를 자기장에 놓으면, 두 필드 사이의 상호 작용이 와이어에 회전력과 더불어 결과적으로 토크 모멘트를 적용한다(그림 1 참조). 회전력은 로렌츠 힘(Lorenz force)으로 알려졌다. 이것이 전동기의 기본 원리이다.

DC 모터는 두 가지 클래스, 브러시 DC 모터와 BLDC 모터로 나눌 수 있다. 브러시 DC 모터를 살펴보면, 영구 자석 두 개로 구성된 고정자와 코일로 감겨서 회전할 수 있도록 베어링에 장착된 회전자로 구성됐다. 로터는 코일을 형성하기 위해 와이어로 감은 크로스바(crossbar)로 구성되지만, 코일의 방향은 크로스바의 한 면에서 다른 면으로 바뀐다.

암페어의 법칙에 따르면 각 권선을 흐르는 전류는 자속 분포를 생성해 한 쌍의 전자석을 생성한다. 와이어는 각 면에서 반대 방향으로 감긴다. 때문에 전자석은 반대 극성을 가진다. 고정자 자석을 통해 생성된 균일한 자기장에 회전자를 배치하면, 상호 작용으로부터 다음과 같이 로렌츠 힘 F_L이 생성된다.

F_L = q(v × B_S) [1]

여기서 q는 전선에서 이동하는 전하, v는 전하의 속도, B_S는 고정자 자석 때문에 생성된 자기장이다. 방정식 [1]을 구별해서 I = dq / dt로 정의된 전류로 표현하면 아래 방정식처럼 다시 나타낼 수 있다.

dF_L = Idt(V_d× B_S) [2]

거리는 속도 곱하기 시간과 같다. 이는 V_d·d_t에 대해 와이어 루프 dl의 길이를 바꿀 수 있음을 의미한다. 이제 방정식 [2]가 된다.

dF_L = I dt (dl × B_S) [3]

평평한 자석 두 개 사이에 있는 루프의 간단한 모델에 대해, 식 [3]을 다음과 같이 다시 나타낼 수 있다.

F_L = I (l × B) [4]

또는 다음과 같이 스칼라 표현식으로 변환된다.

F_L = IlB sinθ [5]

즉, 힘은 전류 벡터와 자기장 벡터 사이의 각도인 θ의 함수이다. 토크에 대한 표현을 이 문맥에서 표현해보면, 토크를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

τ = r × F [6]

여기서 r은 모멘트 암의 길이이며(그림 2 참조), 다음과 같이 표현할 수 있다.

τ = r F sin θ = r Il B sin²θ [7]

브러시 DC 모터

방정식 [7]로부터, 코일 자기장 벡터와 스테이터에서 나오는 자기장 벡터가 서로 직각(θ = 90° 또는 270°)일 때 와이어 루프의 토크가 최대치에 있다는 것이 분명하다. 힘이 루프를 회전시키면, θ 각도가 감소해서 결국 0이 된다. 벡터 관계를 분석하면 토크가 0이 된다는 것을 확신할 수 있다.

물론 실제 세계에서는 움직이는 코일이 수직선을 통과하는 어떤 각운동량(angular momentum)이 있다. 정확히 같은 시간에 루프의 전류 방향이 바뀌면 전자석의 극성도 바뀐다. 그리고 필드 두 개의 상호 작용이 다시 토크를 발생시켜 코일이 회전을 계속한다. 루프가 한 번 더 수평이 돼서 로터 자기장이 고정자 자기장에 직각으로 위치할 때, 토크는 최대 크기로 되돌아간다. 각도 θ가 0° 또는 180°일 때 전류 방향을 스위칭(switching)하는 이러한 과정, 또는 모터 전류를 정류(commutation)라고 한다.

모터 정류를 수행하는 가장 간단한 방법은 정류자라고하는 일련의 기계식 스위치를 사용하는 것이다. 기계적 정류자는 회전자에 부착된 다수의 스위치 접점으로 구성되며, 각 접점 쌍은 회전자 코일과 직렬로 연결된다.

모터 하우징에 부착된 브러시라고 하는 하나 이상의 보완 접촉 세트는, ​​정류자와 접촉해 정류자를 통해서 코일에 전류를 전달한다(그림 3 참조). 브러시는 전압 소스에 연결돼 하나는 양이 되고 다른 하나는 음이 된다. 정류자와 브러시는 슬라이딩 스위치 어셈블리를 형성해 로터 코일에 전류를 공급한다. 전자석의 극성이 바뀜에 따라 로터가 회전할 때 각각의 권선 세트에 흐르는 전류의 방향을 반전시킨다.

지금까지 영구 자석 브러시 DC 모터에 대해 설명했다. 이러한 설계에서 고정자는 강철 튜브에 장착된 영구 자석 세그먼트로 구성된다. 영구 자석 브러시 DC 모터는 간단하고 견고하며 쉽게 제어할 수 있다. DC 또는 정류된 AC 전원으로 작동할 수 있다. 이것들은 선형 속도-토크 곡선을 갖고 있다.

영구 자석 브러시 DC 모터는, 희토류(rare-earth) 자석으로 제작할 때 다른 필드 자석 유형 또는 권선 필드 고정자를 사용해 제작된 것보다 작고 가벼울 수 있다. 트레이드오프는 비용 상승과 고온에서 자기 소거의 위험이 있다. 또는 사마륨 코발트(samarium cobalt), 니켈 철 붕소(nickel iron boron), 심지어 페라이트(ferrite)와 같은 다른 자석 재료는, 경제면에서 같은 성능 수준에 비해 더 큰 크기와 중량의 가격으로 설계할 수 있다.
이름에서 알 수 있듯이 권선형 브러시 DC 모터는 영구 자석보다는 권선을 사용해 고정자 자기장을 생성한다. 이 모터 유형은 영구 자석 디자인보다 견고하며 고온에서도 자기적으로 안정됐고 DC 또는 AC 전원으로 작동할 수 있다.

권선형 필드 브러시 모터(Wound-field brush motor)에는 여러 종류가 있다. 즉, 분리 여기(회전자 권선과 별도의 전원으로 전력 공급되는 계자 권선), 션트 권선(회전자 권선과 병렬로 연결된 계자 권선), 직렬 감기(계자 권선 회전자 권선과 직렬로 연결됨), 복합 권선(직렬 권선과 션트 권선의 조합) 따위다.

이러한 구성 중 많은 부분이 비선형 속도-토크 곡선을 가지지만, 직렬 권선형 모터를 견인 모터로 사용하는 경우와 같이 애플리케이션에 따라 유리할 수 있다.

브러시 DC 모터 성능 트레이드오프

브러시 DC 모터는 간단하고 견고하며 저렴한 산업용 옵션이다. 다양한 구성으로 광범위하게 사용할 수 있다(그림 4 참조). 그들은 정류를 위한 내장 전자 장치가 필요 없기 때문에 고온과 고방사능 그리고 높은 충격과 진동 환경에 적합하다. 보통 배터리로 직접 전원을 공급할 수 있기 때문에 휴대용 애플리케이션에 매우 적합하다. 대부분 모터 활성화와 제어를 위해 스위치나 직렬 저항과 같은 제어 메커니즘이 필요하다.

가장 단순한 브러시 DC 모터는 일정한 속도를 제공하기 위해 고정 DC 전원 공급 장치에서 작동한다. DC 모터 컨트롤과 함께 사용해 가변 속도 작동을 제공할 수 있다. 서보 드라이브·컨트롤러와 피드백이 결합된 브러시 DC 모터는, 정확하고 반복할 수 있는 위치 또는 속도 제어를 위해 서보 모터로 작동할 수 있다.

브러시 DC 모터는 수백에서 수천 RPM의 저속 애플리케이션에서 가장 잘 작동한다. 이들은 전동 휠체어, 계단 리프트, 전동 환자용 침대와 같은 의료용 이동 장비에 적합한 해결책이다. 모터는 전자 장치가 내장돼 있지 않기 때문에 방사선 내성을 지니고 있어 우주 항공, 국방 애플리케이션, 기타 고방사능 환경에 적합하다. 다른 가장 좋은 애플리케이션은 바닥 청소 장비, 자동화된 안내 차량, 유사한 상업용과 산업용 장비가 있다.

늘 그렇듯이 트레이드오프는 있다. 기계적 정류자를 추가하면 브러시 모터에 비해 브러시 모터의 크기와 무게가 증가한다. 아마추어(회전자)는 라미네이트 스틸 코어, 권선과 브러시와 정류자-브러시 인터페이스에서 손실을 보인다. 이러한 손실 때문에 발생하는 열을 발산하기 위해 모터 외부로의 열 경로가 없으므로 성능이 제한된다.

정류자 브러시 인터페이스에서 아크(arc)를 발생시키면 전자기 간섭(EMI)이 발생할 수 있다. 또한 동일한 인터페이스에서 마찰/장착은 낮은 토크의 고정밀 애플리케이션을 시작할 때 문제 될 수 있다. 마찰 접촉은 또한 브러시를 마모시켜 시간이 지남에 따라 교체해야 한다. 이렇게 하면 유지보수와 교체 부품과 가동 중지 시간 측면에서 전체 비용이 증가한다.

브러시를 교체하는 것은 브러시 자체를 교체하는 것 이상을 의미한다. 정류자 표면도 시간이 지나면 마모되므로 브러시를 교체할 때 정류자를 재포장해야 할 수도 있다. 부적절한 브러시 교체로 인해 모터가 망가질 수 있으며, 때문에 가능한 경우 접근할 수 없는 브러시 디자인을 사용하는 제조업체도 있다. 사용자는 서비스를 위해 하우징을 열기 전에 항상 모터의 문서와 보증을 확인해야 한다.

브러시 모터의 단점은 브러시 재료를 용도에 적절히 매칭해서 어느 정도 완화할 수 있다. 가장 일반적인 브러시 재료는 탄소계이며, 예를 들면 구리 흑연 또는 은 흑연이다. 탄소 브러시는 모놀리식 블록(monolithic blocks)으로 돼 있다. 견고하고 경제적이어서 대부분의 산업 응용 분야에서 좋은 선택이다. 이 재료는 자체 윤활이지만 탄소 브러시는 중요한 마모 입자를 생성하므로 오염에 민감한 용도에 적합하지 않다. 그것들은 2,000~4,000시간 사이의 작동 수명을 갖고 있다.

소형 DC 모터를 사용하는 더욱 정밀한 애플리케이션을 위해 귀금속 브러시는 탄소 버전의 대안을 제공한다. 귀금속은 금, 은 또는 백금을 기준으로 금속 가닥으로 구성된다. 이것들은 아크와 EMI 그리고 미립자 발생들을 최소화한다.

귀금속 브러시는 산화에 덜 취약해 자주 사용하지 않지만 전화를 걸면 절대적으로 작동해야 하는 미사일과 같은 장치에 효과적이다. 이러한 경우 실버 또는 구리 합금이 잘 작동한다. 실버팔라듐(Silver palladium) 브러시는 가장 높은 전류를 견딜 수 있으며, 금 브러시는 낮은 전류에서 더 잘 작동한다.

다만 귀금속 브러시가 탄소 브러시보다 훨씬 약한 게 단점이다. 수명이 약 1,000시간으로 짧다. 높은 전류 밀도에서 쉽게 소각될 수도 있다. 탄소 재료와 달리, 이들은 자체 윤활제가 아니며 귀금속 브러시는 탄소 대응 제품보다 비싸기 때문에 전체 비용이 높다.

브러시리스 DC(BLDC) 모터

BLDC 모터는 브러시가 구성된 디자인에 대한 대안을 제공한다. 브러시리스 버전의 로터리 DC 모터에서는 권선이 고정자에 있고 자석이 로터에 있다(그림 5 참조). 권선이 고정돼 있기 때문에 전기 연결을 쉽게 직접 할 수 있다. 결과적으로 기계식 정류자와 브러시가 필요하지 않다.

BLDC 모터는 후방 기전력(BEMF, back electromotive force) 파형으로 분류할 수 있다. BEMF는 회전자를 돌리고 권선의 전원을 끊을(개방 루프) 때 고정자 권선에 유도되는 전압이다. BEMF 응답은 권선과 영구 자석의 설계에 의해 결정된다. 가장 보편적인 두 가지 BEMF 파형은 사다리꼴과 사인파이다(그림 6 참조).

대부분의 BLDC 모터는 3상 모터로 감겨 있다. 고정자상에 배치된 코일이 3개 있고, 각각의 코일은 다른 코일에 대해 120도만큼 물리적으로 변위된다(그림 7 참조).

그렇다면 브러시리스 모터에서 자기장 두 개를 직각으로 유지하는 방법은 무엇일까?
시스템은 회전자 자기장의 각 위치를 어떻게든 감지(또는 추정)해야 한다. 그 정보를 이용해 3상 코일의 고정자 권선 전류를 제어하고, 고정자 자기장이 예상되는 모든 작동 조건에서 회전자 자계에 대해 직각으로 유지되도록 하는 것이 가능하다.

BLDC 모터 유형이 선택되면 회전자 위치를 결정하기 위해 피드백 접근법을 선택해야 하며, 드라이브가 모터를 계속 회전시키는 정류 신호를 생성하는 데 사용한다. 피드백 기술에는 BEMF 감지, 홀 효과 센서, 센서리스 벡터 제어, 엔코더 또는 리졸버(resolver)를 사용한 폐 루프(closed loop) 피드백들이 있다.

정류 유형에는 6단계와 사인파가 있다. 이론상으로 이러한 모든 기술을 사다리꼴과 사인파 모터와 혼합해 사용할 수 있다. 실제로 여러 애플리케이션에서 잘 작동하는 특정 조합이 있다. 다음 호에는 각 모터 유형에 대한 자세한 내용이 나온다.

<8월호에 계속>

자료 제공 : Allied Motion(www.alliedmotion.com)