브러시리스 DC 전기 모터

Brushless DC electric motor
플로피 디스크 드라이브의 3.5로부터의 모터.방사형으로 배치된 코일은 파란색 절연체로 코팅된 구리 와이어로 만들어집니다.로터(오른쪽 상단)가 탈거되고 뒤집혔다.컵 안에 있는 회색 고리는 영구 자석입니다.이 모터는 로터 내부에 스테이터가 있는 아웃러너입니다.
DC 브러시리스 덕트 팬프린트 회로 기판의 2개의 코일은 팬 어셈블리의 6개의 원형 영구 자석과 상호 작용합니다.

브러시리스 DC 모터(BLDC 모터 또는 BL 모터)는 전자 정류 모터(EC 또는 EC 모터) 또는 동기 DC 모터라고도 하며 직류(DC) 전원을 사용하는 동기 모터입니다.전자 컨트롤러를 사용하여 DC 전류를 모터 권선으로 전환하여 공간 내에서 효과적으로 회전하고 영구 자석 로터가 이를 따르는 자기장을 생성합니다.컨트롤러는 DC 전류 펄스의 위상 및 진폭을 조정하여 모터의 속도와 토크를 제어합니다.이 제어 시스템은 많은 기존 전기 모터에 사용되는 기계 정류자(브러시)의 대안입니다.

브러시리스 모터 시스템의 구조는 일반적으로 영구 자석 동기 모터(PMSM)와 유사하지만 스위치드 저항 모터 또는 유도(비동기) 모터일 수도 있습니다.또한 네오디뮴 자석을 사용하여 아웃러너(스테이터가 로터에 둘러싸여 있음), 인러너(로터가 스테이터에 둘러싸여 있음) 또는 축방향(로터와 스테이터가 평평하고 [1]평행함)일 수 있습니다.

브러시리스 모터는 브러시드 모터에 비해 높은 출력 대 중량비, 고속, 속도(rpm) 및 토크 거의 순간적인 제어, 고효율 및 낮은 유지보수가 장점입니다.브러시리스 모터는 컴퓨터 주변기기(디스크드라이브, 프린터), 휴대용 전동공구, 모형항공기에서 자동차까지 다양한 장소에서 응용할 수 있습니다.현대의 세탁기에서는 브러시리스 DC 모터가 직접 구동 설계로 고무 [2]벨트와 변속 장치를 교체할 수 있게 되었습니다.

배경

브러시드 DC 모터는 19세기에 발명되었으며 여전히 일반적입니다.브러시리스 DC 모터는 1960년대 [3]솔리드 스테이트 전자 장치의 개발로 가능해졌다.

전기모터는 로터(기계의 회전부분)와 스테이터(기계의 고정부분)의 자기장을 어긋나게 유지하여 토크를 발생시킨다.한 세트 또는 두 세트의 자석은 철심 주위에 감긴 와이어 코일로 만들어진 전자석입니다.와이어 권선을 통과하는 DC는 모터를 구동하는 전력을 제공하는 자기장을 생성합니다.정렬 오류는 필드를 재정렬하려는 토크를 생성합니다.로터가 움직이고 필드가 정렬되면 로터의 필드 또는 스테이터의 필드 중 하나를 이동하여 정렬 불량을 유지하고 토크와 이동을 계속 생성해야 합니다.회전자의 위치에 따라 필드를 이동하는 장치를 [4][5][6]정류자라고 합니다.

브러시 정류자

브러시드 모터에서는 정류자라고 [4][6][5]불리는 모터 축의 회전 스위치를 사용하여 이 작업을 수행합니다.회전 실린더는 로터의 여러 금속 접점 세그먼트로 나뉩니다.세그먼트는 로터의 도체 권선에 연결됩니다.흑연과 같은 부드러운 도체로 만들어진 브러시라고 불리는 두 개 이상의 고정 접점이 정류자를 누르고 로터가 회전할 때 연속되는 세그먼트와 슬라이딩 전기 접촉을 합니다.브러시는 선택적으로 권선에 전류를 공급합니다.로터가 회전함에 따라 정류자는 다른 권선을 선택하고 방향 전류가 주어진 권선에 인가되어 로터의 자기장이 스테이터와 잘못 정렬된 상태로 유지되며 토크가 한 방향으로 생성됩니다.

정류자의 단점

정류자에는 브러시 모터의 사용이 감소하는 단점이 있습니다.단점은 다음과 같습니다.[4][6][5]

  • 회전 정류자 세그먼트를 따라 미끄러지는 브러시의 마찰로 인해 저전력 모터에서 상당한 전력 손실이 발생할 수 있습니다.
  • 부드러운 브러시 소재는 마찰로 인해 마모되어 먼지가 발생하며, 결국 브러시를 교체해야 합니다.따라서 정류된 모터는 하드 디스크 모터와 같이 미립자가 적거나 밀봉된 용도 및 유지보수가 필요 없는 작동에 적합하지 않습니다.
  • 슬라이딩 브러시 접점의 전기 저항은 브러시 강하라고 불리는 모터 회로에서 전압 강하를 일으켜 에너지를 소비합니다.
  • 권선의 인덕턴스를 통해 전류가 반복적으로 갑자기 전환되면 정류자 접점에서 스파크가 발생하며, 이는 폭발적 대기에서 화재 위험이 있으며 전자 노이즈의 원인이 되어 인근 마이크로 전자 회로에서 전자파 간섭을 일으킬 수 있습니다.

지난 100년 동안 한때 업계의 주축이었던 고출력 DC 브러시드 모터는 교류(AC) 동기 모터로 대체되었습니다.현재 브러시드 모터는 저전력 애플리케이션 또는 DC만 사용할 수 있는 경우에만 사용되지만 위의 단점으로 인해 이러한 애플리케이션에서도 사용이 제한됩니다.

브러시리스 솔루션

브러시리스 DC 모터에서는 전자 서보 시스템이 기계적 정류자 [4][6][5]접점을 대체합니다.전자센서는 로터의 각도를 검출하여 권선을 통해 전류를 전환하는 트랜지스터 등의 반도체 스위치를 제어하여 전류 방향을 반전시키거나 일부 모터에서는 전자석이 한 방향으로 토크를 생성하도록 올바른 각도로 전류를 전환합니다.슬라이딩 접점이 제거되어 브러시리스 모터가 마찰이 적고 수명이 길어집니다. 즉, 베어링의 수명에 의해서만 작동 수명이 제한됩니다.

브러시드 DC 모터는 정지 시 최대 토크를 발생시키고 속도가 [7]증가할수록 선형적으로 감소합니다.브러시드 모터의 일부 제한은 브러시리스 모터를 통해 극복할 수 있습니다. 브러시리스 모터에는 높은 효율과 기계적 마모에 대한 낮은 민감성이 포함됩니다.이러한 이점은 잠재적으로 덜 견고하고 더 복잡하며 더 비싼 제어 전자 장치를 희생합니다.

일반적인 브러시리스 모터에는 고정 전기자 주위로 회전하는 영구 자석이 있어 이동 전기자에 전류를 연결하는 문제를 제거합니다.브러시드 DC 모터의 정류자 어셈블리를 전자 컨트롤러가 대체하여 모터 회전을 유지하기 위해 위상을 권선으로 연속적으로 전환합니다.컨트롤러는 정류자 시스템이 아닌 솔리드 스테이트 회로를 사용하여 유사한 시간 배전을 수행합니다.

브러시리스 모터는 브러시드 DC 모터에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다.예를 들어 중량 대비 높은 토크, 와트당 토크 증가, 신뢰성 향상, 노이즈 감소, 브러시 및 정류자 침식 제거로 긴 수명, 정류자로부터의 이온화 스파크 제거, 전자석 전체적인 감소 등이 있습니다.ic interference(EMI; IC 간섭)로터에 권선이 없으면 원심력에 영향을 받지 않으며 권선은 하우징에 의해 지지되므로 전도에 의해 냉각될 수 있으므로 냉각을 위해 모터 내부의 공기 흐름이 필요하지 않습니다.이는 모터의 내부가 완전히 밀폐되어 먼지나 기타 이물질로부터 보호된다는 것을 의미합니다.

브러시리스 모터 전류는 마이크로컨트롤러를 사용하여 소프트웨어로 구현하거나 아날로그 또는 디지털 회로를 사용하여 구현할 수 있습니다.브러시 대신 전자 장치를 사용하면 속도 제한, 저속 및 미세 모션 제어를 위한 마이크로 스테핑 작동, 정지 상태에서의 유지 토크 등 브러시 DC 모터에서는 사용할 수 없는 유연성과 기능이 향상됩니다.컨트롤러 소프트웨어는 어플리케이션에서 사용되는 특정 모터에 맞게 커스터마이즈할 수 있으므로 더 높은 정류 효율을 얻을 수 있습니다.

브러시리스 모터에 인가될 수 있는 최대 출력은 [citation needed]열에 의해 거의 제한됩니다. 열이 너무 많으면 자석이 약해지고 와인딩의 절연체가 손상됩니다.

전기를 기계적 동력으로 변환할 때 브러시리스 모터는 브러시가 없기 때문에 브러시리스 모터가 브러시 모터보다 효율적이며 마찰로 인한 기계적 에너지 손실을 줄일 수 있습니다.향상된 효율은 [8]모터 성능 곡선의 무부하 및 저부하 영역에서 가장 큽니다.

제조업체가 브러시리스형 DC 모터를 사용하는 환경 및 요구사항에는 유지보수가 필요 없는 작동, 고속 작동 및 스파크가 위험하거나(즉, 폭발성 환경) 전자에 민감한 기기에 영향을 미칠 수 있는 작동이 포함됩니다.

브러시리스 모터의 구조는 스테퍼 모터와 유사하지만 구현 및 작동의 차이로 인해 모터의 중요한 차이가 있습니다.스테퍼 모터가 정의된 각도 위치에서 로터를 사용하여 자주 정지되는 반면 브러시리스 모터는 일반적으로 연속 회전을 발생시킵니다.두 모터 유형 모두 내부 피드백을 위한 로터 위치 센서가 있을 수 있습니다.스테퍼 모터와 잘 설계된 브러시리스 모터 모두 제로 RPM으로 한정된 토크를 유지할 수 있습니다.

컨트롤러 구현

컨트롤러는 기존의 브러시 기능을 구현하기 때문에 스테이터 코일에 대한 로터의 방향을 알아야 합니다.이 기능은 브러시 모터에서는 로터 샤프트와 브러시의 고정된 형상으로 인해 자동으로 실행됩니다.일부 설계에서는 홀 효과 센서 또는 로터리 인코더를 사용하여 로터의 위치를 직접 측정합니다.다른 방법으로는 미사용 코일의 백EMF를 측정하여 로터 위치를 유추하므로 별도의 홀 효과 센서가 필요하지 않습니다.따라서 이러한 컨트롤러는 흔히 센서리스 컨트롤러라고 불립니다.

백EMF를 기반으로 로터 위치를 감지하는 컨트롤러는 로터가 정지해 있을 때 백EMF가 생성되지 않기 때문에 모션 시작 시 추가적인 어려움이 있습니다.이것은 보통 임의의 위상에서 회전을 개시해, 잘못된 것이 판명되었을 경우는 올바른 위상으로 건너뜁니다.이로 인해 모터가 잠시 후진하여 시동 시퀀스가 더욱 복잡해질 수 있습니다.다른 센서리스 컨트롤러는 자석의 위치에 의해 발생하는 권선 포화를 측정하여 로터 [citation needed]위치를 추론할 수 있습니다.

일반적인 컨트롤러에는 논리회로에 의해 제어되는 3개의 극성 반전 출력이 포함되어 있습니다.단순 컨트롤러는 방향 센서에서 작동하는 비교기를 사용하여 출력 위상을 진행해야 하는 시기를 결정합니다.보다 고급 컨트롤러는 가속, 모터 속도 제어 및 미세 조정을 위해 마이크로 컨트롤러를 사용합니다.

브러시리스 DC 모터의 두 가지 핵심 성능 매개 변수는 모터 K K(\백EMF 상수, 속도 V K(\ K_} = 1 [9]입니다.

시공의 변화

델타 및 와이 와인딩 스타일의 개략도.(이 이미지는 모터의 유도성 및 제너레이터와 유사한 특성을 나타내지 않습니다.)

브러시리스 모터는 여러 가지 다른 물리적 구성으로 구성할 수 있습니다.기존의 인러너 구성에서 영구 자석은 로터의 일부입니다.3개의 스테이터 권선이 로터를 둘러싸고 있습니다.외부 로터 아웃러너 구성에서는 코일과 자석 사이의 반경 관계가 반전됩니다. 스테이터 코일은 모터의 중심(코어)을 형성하는 반면 영구 자석은 코어를 둘러싼 돌출된 로터 내에서 회전합니다.아웃러너는 일반적으로 폴이 더 많고, 3개의 권선을 유지하기 위해 3중으로 설정되며, 낮은 RPM에서 토크가 더 높습니다. 공간 또는 형상의 제약이 있는 플랫 축류 타입에서는 스테이터와 로터 플레이트가 마주보고 장착됩니다.모든 브러시리스 모터에서 코일은 고정되어 있습니다.

일반적인 두 가지 전기 권선 구성이 있습니다. 델타 구성은 3개의 권선을 삼각형 모양의 회로로 서로 연결하고 각 연결부에 전력이 공급됩니다.별 권선이라고도 하는 wye(Y자형) 구성은 모든 권선을 중앙점에 연결하고 각 권선의 나머지 끝에 전력을 공급합니다.델타 구성의 권선이 있는 모터는 저속에서는 낮은 토크를 제공하지만 최고 속도를 높일 수 있습니다.와이 구성은 저속에서는 높은 토크를 제공하지만 최고 속도에서는 그렇지 않습니다.일반적으로 wye 권선이 더 효율적입니다.델타 연결 권선을 사용하면 고주파 기생 전류가 모터 내에서 완전히 순환할 수 있습니다.와이 접속 권선에는 기생 전류가 흐를 수 있는 폐쇄 루프가 포함되어 있지 않기 때문에 이러한 손실을 방지할 수 있습니다.wye 구성의 임피던스가 높을 뿐만 아니라 컨트롤러의 관점에서 보면 2개의 권선 구성을 동일하게 [10]취급할 수 있습니다.

적용들

2권선 단상 브러시리스 모터의 스테이터에 있는 4극.이것은 컴퓨터 냉각 팬의 일부이며, 로터가 제거되었습니다.

브러시리스 모터는 브러시드 DC 모터에 의해 원래 수행되었던 많은 기능을 수행하지만 비용과 제어의 복잡성으로 인해 브러시리스 모터가 가장 저렴한 영역에서 완전히 대체되는 것을 방지합니다.그럼에도 불구하고 브러시리스 모터는 특히 컴퓨터 하드 드라이브나 CD/DVD 플레이어와 같은 많은 응용 분야를 지배하고 있습니다.전자 기기의 소형 냉각 팬은 브러시리스 모터로만 구동됩니다.모터의 효율이 향상되어 배터리를 충전하기 전에 장시간 사용할 수 있는 무선 전동 공구에 있습니다.저속, 저출력 브러시리스 모터는 축음기 [11]레코드의 다이렉트 드라이브 턴테이블에 사용됩니다.

운송

브러시리스 모터는 전기 자동차, 하이브리드 차량, 개인 수송기, 전기 [12]항공기에서 볼 수 있다.대부분의 전기 자전거는 때로 휠 허브 자체에 내장된 브러시리스 모터를 사용합니다. 스테이터는 차축에 단단히 고정되고 자석은 [13]휠에 부착되어 회전합니다.셀프밸런싱 스쿠터 휠에도 같은 원리가 적용된다.대부분의 전동식 무선 제어 모델은 높은 효율성 때문에 브러시리스 모터를 사용합니다.

무선 공구

브러시리스 모터는 일부 스트링 트리머, 리프 블로어, 톱(원형 및 왕복식), 드릴/드라이버 등 많은 최신 코드리스 도구에서 볼 수 있습니다.브러시가 없는 브러시리스 모터에 비해 무게와 효율의 이점은 AC 콘센트에 꽂혀 있는 대형 고정 공구보다 배터리로 작동하는 핸드헬드 공구에게 더 중요합니다.

난방 및 환기

난방·환기·공조(HVAC)·냉동업계는 다양한 형태의 교류 모터 대신 브러시리스 모터를 사용하는 추세다.브러시리스 모터로 전환하는 가장 중요한 이유는 일반적인 AC [14]모터에 비해 브러시리스 모터의 작동에 필요한 전력이 감소하기 때문입니다.브러시리스 모터의 높은 효율과 더불어 HVAC 시스템, 특히 가변 속도 또는 부하 변조를 특징으로 하는 시스템은 브러시리스 모터를 사용하여 빌트인 마이크로프로세서가 냉각 및 공기 흐름을 지속적으로 제어할 수 있도록 합니다.

산업공학

산업 엔지니어링에서 브러시리스 DC 모터의 적용은 주로 제조 엔지니어링 또는 산업 자동화 설계에 초점을 맞추고 있습니다.브러시리스 모터는 높은 전력 밀도, 우수한 속도-토크 특성, 고효율, 넓은 속도 범위 및 낮은 유지보수로 인해 제조 애플리케이션에 이상적입니다.산업 엔지니어링에서 브러시리스 DC 모터의 가장 일반적인 용도는 모션 컨트롤, 리니어 액추에이터, 서보 모터, 산업용 로봇용 액추에이터, 압출기 구동 모터 및 CNC [15]공작기계용 피드 드라이브입니다.

브러시리스 모터는 높은 토크를 발생시키고 속도 반응이 좋기 때문에 조정 가능 또는 가변 속도 애플리케이션에서 펌프, 팬 및 스핀들 드라이브로 일반적으로 사용됩니다.또, 리모트 제어를 위해서 간단하게 자동화할 수 있습니다.구조상 열특성이 우수하고 [16]에너지 효율이 높습니다.가변 속도 응답을 얻기 위해 브러시리스 모터는 전기 모터 컨트롤러 및 로터 위치 피드백 [17]센서를 포함하는 전기 기계식 시스템에서 작동합니다.브러시리스 DC 모터는 공작기계 서보 드라이브의 서보 모터로 널리 사용됩니다.서보모터는 기계적 변위, 위치 결정 또는 정밀 모션 제어에 사용됩니다.DC 스테퍼 모터는 서보 모터로도 사용할 수 있지만, 개방 루프 제어로 작동하기 때문에 일반적으로 토크 [18]맥동을 보입니다.

브러시리스 모터는 산업용 포지셔닝 및 작동 [19]용도로 사용됩니다.조립 [20]로봇의 경우 Brushless 기술을 사용하여 선형 [21]모터를 만들 수 있습니다.리니어 모터의 장점은 회전 모터에 필요한 볼 나사, 리드 스크류, 랙 앤 피니언, 캠, 기어 또는 벨트와 같은 변속기 시스템 없이도 선형 운동을 생성할 수 있다는 것입니다.변속기 시스템은 응답성이 떨어지고 정확도가 떨어지는 것으로 알려져 있습니다.직접 구동식 브러시리스 DC 선형 모터는 자기 톱니가 있는 슬롯형 스테이터와 영구 자석과 코일 권선이 있는 움직이는 액추에이터로 구성됩니다.직선 운동을 얻기 위해 모터 제어기는 액추에이터 내의 코일 권선을 들뜨게 하여 자기장의 상호작용을 일으켜 직선 [15]운동을 일으킨다.관형 선형 모터는 유사한 방식으로 작동하는 또 다른 형태의 선형 모터입니다.

에어로모델링

마이크로프로세서로 제어되는 BLDC 모터로 마이크로 무선 조종 비행기에 동력을 공급합니다.이 외부 로터 모터는 무게가 5g이고 약 11W를 소비합니다.

브러시리스 모터는 헬리콥터와 드론을 포함한 모형 항공기의 인기 있는 모터 선택이 되었다.5g 미만부터 킬로와트 출력 범위에 이르는 대형 모터에 이르기까지 다양한 크기의 전력 대비 비율은 저전력 저가 [citation needed]항공기를 제외한 거의 모든 브러시드 전기 모터를 대체하여 전기 동력 모델 비행 시장에 혁명을 일으켰습니다.그들은 또한 더 크고 무거운 모델에 동력을 제공하는 이전의 내연기관보다 단순하고 가벼운 전기 모델 항공기의 성장을 장려했다.현대식 배터리와 브러시리스 모터의 중량 대비 전력 비율이 높아짐에 따라 모델은 서서히 상승하지 않고 수직으로 상승할 수 있습니다.소형 글로우 연료 내연기관에 비해 소음과 질량이 적은 것도 인기 요인이다.

일부 국가에서 연소 엔진 구동 모델 항공기 사용에 대한 법적 제한은 소음 공해의 가능성(가장 최근 수십 년 동안 거의 모든 모델 엔진에 대해 목적에 맞게 설계된 소음기 사용 가능함)으로 인해 고출력 전기 시스템으로의 전환을 지원했다.

무선 조종 자동차

무선 조종 자동차 분야에서도 인기가 높아졌다.브러시리스 모터는 2006년부터 ROAR(Radio Operated Auto Racing)에 따라 북미 RC 자동차 경주에서 합법화되었습니다.이러한 모터는 RC 레이서에 많은 전력을 공급하며, 적절한 기어링 및 고방전 리튬 폴리머(Li-Po) 또는 인산 리튬 철(LiFePO4) 배터리와 결합하면 시속 160km(99mph)[22] 이상의 속도를 낼 수 있습니다.

브러시리스 모터는 니트로 또는 가솔린 엔진에 비해 더 많은 토크를 발생시킬 수 있고 최대 회전 속도가 더 빠릅니다.니트로 엔진은 약 46,800r/min과 2.2kW(3.0hp)로 최고조에 달하며, 더 작은 브러시리스 모터는 50,000r/min과 3.7kW(5.0hp)에 달할 수 있습니다.대형 브러시리스 RC 모터는 10kW(13hp) 이상, 1/5 스케일 모델에 28,000r/min까지 전력을 공급할 수 있습니다.

브러시와 정류자의 기계적 마모는 브러시 모터의 단점 중 하나입니다.이동 접점이 없기 때문에 브러시리스 모터는 이 마모의 영향을 받지 않습니다.브러시리스 DC 모터의 수명은 10,000시간입니다.[citation needed]또한 브러시리스 DC 모터의 최고 속도는 극 수에 의해 제한되지 않습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ AC 유도 모터와 브러시리스 DC 모터 간의 차이를 제어합니까? – 전기 엔지니어링 스택 교환.electronics.stackexchange.com(2019-12-20)2019-12-26에 회수.
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추가 정보

외부 링크

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