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브러시리스 브러시리스DC 모터제어소개

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글/Steven Keeping, Electronic Products 제공

브러시리스 DC(BLDC) 모터는 기존 모터에서 사용되는 기계 정류자를 제거하고 장치의 신뢰성과 내구성을 향상시키는 전자 장치로 교체하기 때문에 자동차(특히 전기 자동차(EV)), HVAC, 흰색 가전 및 산업 같은 분야에서 점점 많이 사용되고 있다.

BLDC 모터의 또 다른 이점은 동일한 전력 출력을 갖는 브러시 유형보다 작고 가볍게 만들 수 있어 공간이 협소한 응용 제품에 적합하다는 것이다.

단점은 BLDC 모터 작동에 전자 관리가 필요하다는 것이다. 예를 들어, 회전자의 위치를 나타내는 센서로부터의 입력을 사용하는 마이크로 컨트롤러는 정확한 순간에 정적 코일에 동력을 구동해야 한다. 정밀 타이밍은 정확한 속도와 토크 제어를 허용할 뿐만 아니라 피크 효율에서의 모터 실행을 보장한다.

이 기사는 BLDC 모터 작동의 기본 사항을 알아보고 3상 장치의 작동을 위한 일반적 제어 회로를 설명한다. 이 기사는 또한 BLDC 모터 제어를 위해 특별히 설계되어 있어 설계자가 회로 설계의 부담을 덜 수 있도록 하는 일부 통합 모듈을 고려한다.

브러시리스 작동의 이점

기본 모터의 브러시는 동력 공급 시 고정 자기장으로 향하는 회전자 날개에 전력을 전달한다. 고정 브러시와 회전자의 회전 금속 접점 사이의 마찰은 마모를 일으킨다. 또한 금속 접점 및 아크에 대한 잘못된 브러시로 인해 전력이 손실될 수 있다.

BLDC 모터는 브러시를 없애고 대신‘전자 정류자’를 사용하므로 이러한 마모의 근원 및 전력 손실을 제거함으로써 모터의 신뢰성 및 효율성을 향상시킨다. 또한, BLDC 모터는 향상된 속도와 토크 특성, 보다 빠른 동적 응답, 무잡음 작동 및 더 높은 속도 범위를 비롯하여 브러시 DC 모터와 유도 모터에 비해 여러 다른 이점을 자랑한다.

게다가 모터의 크기를 기준으로 제공되는 토크 비율이 높기 때문에, 세탁기나 EV 같이 고전력이 필요하지만 압축성과 밝기도 중요한 응용 제품에 적합한 선택이다. (그러나 브러시 유형 DC 모터는 시작 토크가 더 높다.)

BLDC 모터는 고정자와 회전자에서 생성되는 자기장이 동일한 주파수로 회전하기 때문에‘동기식’유형으로 알려져 있다. 이러한 배열의 한 가지 이점은 BLDC 모터에 유도 모터의 전형적인‘미끄럼’이 발생하지 않는다는 것이다.

모터는 1상, 2상 또는 3상 유형으로 제공되는데 이 중 3상이 가장 일반적인 유형이며 여기에서 논의할 버전이기도 한다.

BLDC 모터의 고정자는 내부 주변부를 따라 심지어 여러 권선을 수용하도록 축방향으로 슬롯된 강철 래미네이트로 구성되어 있다(그림 1). BLDC 모터 고정자는 유도 모터의 고정자와 유사하지만 권선은 다른 방식으로 분배되어 있다.

Microchip BLDC 모터

회전자는 2개~8개 N-S 극쌍을 갖는 영구 자석으로 구성되어 있다. 자석 쌍이 많으면 토크가 증가하고 토크 리플이 제거되어 모터에서의 전력 제공을 고르게 한다. 단점은 제어 시스템의 복잡도와 비용이 증가하고 최대 속도가 감소한다는 것이다.

일반적으로 영구 자석을 만드는 데에는 페라이트 자석이 사용되었지만 현대 장치는 희토류 자석을 사용하는 경향이 있다. 이러한 자석은 비용이 더 많이 들지만 향상된 플럭스 밀도를 생성하므로 제공된 토크에 대해 회전자를 더 작게 만들 수 있다. 이 강력한 자석의 사용은 BLDC 모터가 동일한 크기의 브러시 유형 DC 모터에 비해 더 높은 전력을 제공할 수 있는 핵심 이유이다.

BLDC 모터의 구성 및 작동에 대한 자세한 내용은 Microchip Technology에서 제공하는 응용 참고 사항(AN885)에서 확인할 수 있다.

작동 기본 사항

BLDC 모터의 전자 정류자는 주변으로 회전자를 ‘드래그’하는 회전 전기장을 생성하는 고정자 코일에 순차적으로 동력을 구동한다. N‘ 전자 회전’은 기계적 회전과 동일하며 여기서 N은 자석 쌍의 수이다.

3상 모터의 경우, 3개 홀 효과 센서가 고정자에 내장되어 있어 컨트롤러에 대한 고정자와 회전자의 상대 위치를 나타내므로 정확한 시퀀수로 정확한 시간에 권선에 동력을 공급할 수 있다. 홀 센서는 대개 장치의 비구동 엔드에 실장되어 있다(그림 2).

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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