브러시 및 브러시리스 DC 모터 선택 ②

Allied Motion

사다리꼴 BLDC 모터의 정류와 제어

사다리꼴 모터는 고정 속도 애플리케이션, 적당한 위치, 속도 분해능만 필요로 하는 애플리케이션에 우수한 성능을 제공한다. 이들과 함께 사용되는 가장 간단한 제어 체계는, BEMF 감지를 사용해 회전자 위치를 모니터링 하는 개 루프 제어이다. 이러한 ‘센서리스(sensorless)’ 모터 제어는 감지된 모터 제어만큼 강력한 것은 아니다. 제한된 속도 범위와 부하 조절 기능 하나만 제공한다.

BEMF 회전자 위치 감지 기능을 사용하는 BLDC 모터는 높은 시동 토크나 낮은 작동 속도에서 우수한 성능을 필요로 하지 않는 애플리케이션에 이상적이다.

보통 이런 종류의 BLDC 모터는 전기적으로 120도만큼 변위된 전류로 고정자 위상 3개에 전류를 적용하는, 소위 6단계 정류를 사용해 구동된다. 한 번에 한 권선의 코일에 양 전압이 공급되고 다른 한 권선의 코일에는 음전압이 가해지며, 세 번째 코일에는 코일이 개방된다(BEMF 측정은 이 권선에 대해 수행된다). 360도 이상의 전기적 각도에서 각 권선에 대한 전류는 6단계를 거쳐 정류 체계에 이름을 부여한다(그림 8 참조).

센서리스 6 단계 BLDC 모터 드라이브 시스템은 제한된 부하 변동에도 고정 속도 작동이 필요한 애플리케이션에 적합하다.

성능 면에서 사다리꼴 모터 다음 단계는 홀 효과 센서를 이용한 폐 루프 제어이다(그림 5 참조). 전기적 각도가 120°(또는 60°)로 배치된 자기 센서는 회전자 자석, 즉 회전자의 위치를 나타낸다.

모터 필드는 본질적으로 직각으로 유지된다. 가장 중요한 건 모터가 양호한 시동 토크와 저속 작동 특성을 갖도록 명령을 따라 작동하는 것이다. 홀 효과 센서는 센서리스 BLDC 모터 시스템보다 정확한 회전자 위치 감지를 제공한다. 그러나 시스템의 비용과 복잡성을 증가시킨다.

센서가 없는 개 루프와 센서가 있는 폐 루프 정류 제어의 대안으로써 센서리스 벡터 제어가 있다(그림 9 참조). 이 특허 기술은 정지 시에도 로터 위치를 감지할 수 있다. 또한 모터 위상 인덕턴스 측정을 적용하는 알고리즘 을 기초로 부하 시 안정적인 시동을 가능하게 한다.

사인파 BLDC 모터의 제어와 정류

또 다른 인기 있는 브러시리스 모터 설계는 사인파 BEMF 모터이다. 여기에서 고정자 위상 권선은 사인파 전류를 공급받아 사인파 전자기장을 생성한다. 이러한 유형의 설계는 대개 서보 모터에 사용되며 흔히 AC 서보 모터라고 한다(그림 10 참조).

사인파 브러시리스 모터의 정류는 더 높은 해상도의 회전자 위치 피드백을 필요로 하며, 일반적으로 샤프트에 장착된 엔코더나 리졸버에서 얻는다. 회전자와 고정자 자기장이 직각으로 유지되는 모터 제어의 기본 원리는 위에서 설명한 것과 동일하지만, AC 서보 모터의 구현은 브러시나 사다리꼴 BLDC 장치보다 복잡하다.

사인파 정류와 관련해서 다룰 사항이 많다. 모터의 에어 갭에서 회전 사인파 자속(필드)을 생성하기 위해 모터의 3상에 인가된 동일한 사인파 전류(위와 같이 120도 전기 각도로 분리됨) 3개가 관측된다는 것을 제외하고는, 여기에서 세부 사항을 논의하지 않는다(그림 11 참조). 회전 속도는 모터의 회전수와 극 수의 함수관계에 있다.

서보 모터는 매우 부드럽고 정밀한 모션을 생성하며 정지 상태에서 어느 방향으로든 최대 토크를 발생시킬 수 있어야 한다. 브러시 DC 모터와 사인파 AC 모터는 이러한 성능을 제공할 수 있지만, 사다리꼴 BLDC 모터와 비슷한 것을 얻는 데 어려움을 겪을 수 있다.

올바른 모터 컨트롤러와 함께 사인파 BLDC 모터는 속도·토크·위치를 정밀하게 제어한다. 속도가 0인 경우에도 매우 우수한 작동 특성을 제공한다. 비용과 복잡성은 사다리꼴 모터와 드라이브보다 크며, 브러시 DC 모터와 드라이브보다 훨씬 높다. 그러나 공작 기계, 자동 PCB 스터핑 장비, 반도체 제조 도구, 이와 유사한 빠른 속도의 정밀 자동화 장비와 같은 애플리케이션은 추가 비용과 복잡성이 필요하다.
 

슬롯형 또는 슬롯리스 브러시리스 모터

BLDC 모터의 고정자는 얇은 라미네이션을 적층하고 구리선을 감아 권선을 만든다. 모터는 슬롯형과 슬롯리스형 나눌 수 있다. 슬롯형 모터에서 고정자 라미네이션은 방사상으로 돌출하는 치열을 포함해 권선을 수용할 슬롯을 만든다(그림 12 참조). 치열(teeth)은 자기장을 집중시켜 토크 밀도를 증가시킨다.

슬롯형 모터의 문제점은, 회전자 자석이 톱니 사이의 슬롯에 비해 고정자 톱니에 현저히 먼저 끌린다는 점이다. 이것은 코깅(cogging)으로 알려진 모터 토크의 주기적인 변화를 가져온다.

고정자와 회전자는 조립 시 동심원으로 정렬해야 한다. 고정자에 대한 회전자의 자기 인력은 동심도를 달성하고 유지하기 어렵게 한다. 모든 영구 자석 모터에서도 마찬가지다. 치열과 회전자 자석 사이의 반경 방향 갭(공극)이라고도 함)이 매우 좁기 때문에 조립은 BLDC 슬롯형 설계에서 더 어려워진다. 좁은 클리어런스(clearance)는 모터 어셈블리에서 프레임을 없애는 요인 중 하나다.

슬롯리스 BLDC 모터는 양자택일하게 한다. 이름처럼 슬롯리스 모터의 고정자 적층에 슬롯이나 치열이 없다. 따라서 저속에서도 모터가 코깅을 나타내지 않는다(그림 13 참조). 따라서 슬롯리스 디자인이 도량형, 수술 장비, 멤브레인 펌프와 같이 매우 부드러운 모션을 요구하는 정밀 애플리케이션에 더 적합하다. 단점이라면 치아가 없어 슬롯리스 모터를 제조하기가 더 어려워질 수 있다는 것이다. 권선은 에어 갭 거리를 최대한 짧게 유지하기 위해 반경 방향으로 가늘어야 하며, 고정자에서 형상과 위치를 유지하기 위해 캡슐화돼야 한다. 슬롯리스 모터의 에어 갭은 슬롯리스 설계보다 넓기 때문에 조립이 더 쉽지만 토크 밀도가 감소한다.

BLDC 모터 성능 절충

BLDC 모터는 브러시 모터에 비해 몇 가지 이점이 있다. 토크 밀도는 더 높으며 속도도 빠르다. 또한 더 평평한 속도-토크 곡선을 보여준다. 정확한 수치는 모터에 따라 다르다. 좋은 브러시 모터는 약 10% 이내로 속도를 제어할 수 있고 은 브러시리스 모터는 5%에 근접한다. 고성능 드라이브와 세밀하게 구현된 BLDC 모터는 최고 1%에서 2%까지 일정하게 속도를 제어한다(그림 14 참조).

일반적으로 BLDC 모터는 브러시형보다 효율이 좋다. 권선을 고정자로 이동시키면 주위 공기로 방열하기 위해 더 짧고 낮은 저항의 열 경로가 생성된다. 고강도 희토류 자석 설계는 로터 관성이 상당히 떨어지므로 동적 응답이 향상된다.

전기 정류는 많은 문제를 해결하는 브러시에 대한 필요성을 없앤다. 유지보수의 필요성과 함께 아크와 EMI가 감소된다. BLDC 모터는 높은 충격과 진동에 더 강하며 아크가 없어서 폭발적인 환경에 더욱 적합하다.

브러시를 제거하면 마찰 손실이 줄어들어 효율이 좋아진다. BLDC 모터는 일반적으로 브러시 대응 모터보다 콤팩트하며 신뢰성이 높다. 샤프트 베어링이 유일한 마모 부품이므로 BLDC 모터 서비스 수명은 20,000시간을 쉽게 넘긴다.

단점은 BLDC 모터가 브러시형 디자인보다 복잡하다는 것이다. 작동을 위해서는 몇 가지 유형의 정류 컨트롤러가 필요하다. 즉, 전자 드라이브는 모터와 드라이브 사이에 전원과 케이블을 필요로 하므로 비용과 결함 요인이 추가된다.

정류와 제어 전자 장치가 통합된 모터(그림 15 참조)는 이런 문제의 대부분을 해결하지만 자체 트레이드 오프를 가져간다. 모터 때문에 발생된 열은 전자 장치의 작동에 영향을 미친다. 수명이 단축되며, 별도의 모터와 드라이브 조합에 비해 통합 모터의 부하 경감이 발생할 수 있다.

대부분의 BLDC 모터에는, 홀센서가 장착된 전자 장치가 포함된다. 때문에 방사선, 열, 습기에 노출되는 환경에서는 특별히 주의해야 한다. BLDC 모터는 대개 브러시보다 가격이 비싸지만 기술 발전으로 가격차가 줄었다.

BLDC 모터 3종류

BLDC 모터는 모션 제어 애플리케이션 용도로만 사용됐다. 그러나 경제적이고 사용자 친화적이라 오늘날 산업계 전반 소비재 분야에 널리 사용된다.

Allied Motion은 BLDC 모터를 세 가지로 나눈다. 범용 BLDC 모터, 브러시리스 서보 모터, 브러시리스 토크 모터가 바로 그것이다.
 

범용 BLDC 모터

범용 BLDC 모터는 주로 일반 업무용, 산업용 애플리케이션, 팬, 송풍기, 압축기와 같이 모터 속도나 위치를 엄격하게 제어할 필요가 없는 곳에 사용한다. 대부분 6단계 드라이브로 정류되는 사다리꼴 모터이다. 이들은 종종 폐 루프 피드백 없이 실행된다. 저가용 애플리케이션에는 BEMF 제어를, 좀 더 까다로운 것에는 센서리스 벡터 제어를 사용한다.

범용 BLDC 모터는 유지보수와 소형 폼 팩터 측면에서 경쟁 기술보다 더 장점이 많다. 높은 효율은 최적의 배터리 수명이 필요한 휴대용과 배터리 구동 장치에 이상적이다. BEMF 감지 기능이 있는 범용 BLDC 모터는 환자 운반용 침대, 보트 리프트, 전동 공구, 바닥 청소 장비와 같은 애플리케이션에 적합하다. 원심 분리기와 다운홀 웰로깅(downhole well-logging) 장비와 같이 까다로운 장비의 경우, 센서리스 벡터 제어는 탑재 전자 장치의 취약성이나 전력 소모 없이 홀 효과 센싱과 동등한 성능을 제공한다.

최근 몇 년 동안 BLDC 모터는 호이스트, 체리 피커, 리프트 트럭, 환승 버스, 등급 8 트럭과 같은 리프트 애플리케이션에서도 유압 펌프에 동력을 공급하기 위해 사용됐다.
 

브러시리스 서보 모터

브러시리스 서보 모터는 정확한 위치와 고속을 요구하는 애플리케이션용 BLDC 모터의 서브 세트이다. 이들은 사인파 정류 컨트롤러로 구동되는 사인파 BLDC 모터이다.

모터는 폐 루프 피드백을 활용한다. 궤적과 위치 지정으로 위치를 결정할 수 있는 고도로 동적인 애플리케이션에서 빠르고 정확하게 응답한다.
 

브러시리스 토크 모터

일부 애플리케이션은 매우 높은 토크 밀도와 매우 낮은 속도의 높은 토크, 또는 두 가지 모두 필요하다. 이러한 유형에는 브러시리스 토크 모터가 좋은 해결책이 된다.

기어를 추가하면 표준 BLDC 모터로 정밀한 저속 위치를 설정할 수 있다. 그러나 동력 전달 손실, 기계적 적합성, 공전(lost motion)/백래시와 관련된 문제가 발생한다.

기어 모터는 복잡성과 유지보수가 필요하며 고장도 발생한다. 따라서 브러시리스 토크 모터가 더 나은 해결책이다.

서보 모터의 특수 하위 세트인 토크 모터는 다른 BLDC 모터보다 기둥이 더 많고 큰 지름으로 설계됐다. 따라서 더 높은 토크 밀도를 제공하고, 저속에서 토크가 더 높다.

디자인은 팬케이크 폼 팩터(대구경, 축 방향 길이가 짧음)로 제작되는 경향이 있다. 중심에 비교적 큰 관통 구멍이 있어서 모터에 광선과 케이블, 배관을 통과시키는 설계를 한다. 애플리케이션에는 로봇 관절, 비행 시뮬레이터, 다축 추적과 위치추적 계기, GPS 기반 자동화 차량 조향 장치, 대형 포맷 영화 프로젝터가 있다.

엔지니어링은 애플리케이션에 가장 적합한 해결책을 찾는 데 기반을 둔다. 브러시와 브러시리스 설계의 가용성으로 DC 모터 기술은 다양한 요구를 충족시킨다. 가격이 가장 중요하고 성능이 이차적인 저급 산업용 애플리케이션의 경우, 브러시 DC 모터가 적합하다. 까다로운 요구 사항을 가진 장비 설계자는 일반 의무 BLDC 모터, BLDC 서보 모터, BLDC 토크 모터를 포함한 BLDC 모터 카테고리에서 더 나은 선택을 할 수 있다.

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