브러시리스 DC 모터: 설계, 구조 및 고급 응용 분야

고체 전력 반도체의 등장으로 기존 브러시 DC 모터에서 브러시리스 DC(BLDC) 설계로의 전환이 가능해졌습니다. BLDC는 DC 장치지만, 그 작동 원리는 AC 동기 모터와 매우 유사하여 AC 모터 기술 논의에서 관련이 깊습니다.

BLDC 모터는 AC 동기 모터와 핵심 유사점을 공유합니다. 핵심 차이는 역기전력(EMF) 파형에 있습니다. 동기 모터가 정현파 역기전력을 생성하는 반면, BLDC 모터는 직사각형 또는 사다리꼴 역기전력 프로파일을 보입니다.

두 모터 유형 모두 고정자가 회전 자기장을 생성하여 자석 회전자와 상호작용하며 토크를 생성합니다.

동기 모터는 일반적으로 전자석 회전자를 장착한 대형 다중 킬로와트 기계로, 상용 주파수의 약수인 단일 속도로 작동합니다. 반면 BLDC 모터는 일반적으로 수 와트에서 수십 와트 범위의 소형이며, 영구자석 회전자에 의존합니다.

BLDC 모터의 속도는 위상 고정 루프(PLL)가 기준 주파수에 연동되지 않는 한 본질적으로 가변적입니다. 일반적인 구조 스타일은 원통형과 팬케이크형입니다.

원통형 구조가 가장 널리 쓰이며 두 가지 변형으로 나타납니다(그림 참조). 가장 일반적인 변형은 오른쪽 그림의 내장 회전자로, 하드 디스크 드라이브에서 볼 수 있습니다. 덜 일반적인 변형은 회전자가 고정자를 둘러싸는 외장 회전자 방식입니다.

이 외장 회전자 배치는 BLDC 팬 모터의 전형으로, 종종 축이 없고 소형이며 견고합니다. 이 구성에서 자기 플럭스는 회전 축에 대해 방사 방향입니다.

고토크 팬케이크 모터는 그림 (b)와 같이 회전자 양쪽에 고정자 코일을 배치하는 경우가 많습니다.

플로피 디스크 드라이브 모터 같은 저토크 장치는 일반적으로 단면 고정자 코일(그림 a)을 사용합니다. 이 배치에서 자기 플럭스는 회전 축과 평행한 축 방향으로 흐릅니다.

정류는 광학 엔코더, 자기 엔코더(리졸버, 신크로 등), 홀 효과 자기 센서 등 다양한 축 위치 센서로 달성할 수 있습니다. 홀 센서는 소형, 비용 효율적인 모터에 선호되는 선택입니다.

홀 효과 센서는 전류 방향에 수직인 자기장이 전자 흐름에 영향을 미치는 반도체 소자입니다. 두 출력 전압이 상보적인 4단자 가변 저항 네트워크로 나타납니다.

자기장이 인가되면 센서 출력에서 작은 전압 변화가 발생합니다. 이 홀 출력은 비교기를 구동하여 전력 소자에 안정된 구동을 제공하거나, 적절히 바이어스되면 복합 트랜지스터 단을 구동할 수 있습니다.

현대 홀 센서는 증폭기와 디지털 로직을 통합하는 경우가 많아, 위상 권선에 전원을 공급하는 전력 트랜지스터를 직접 구동할 수 있는 3리드 소자가 됩니다. 정확한 위치 감지를 위해 센서는 영구자석 회전자와 가까운 곳에 장착되어야 합니다.

기본 원통형 3상 모터(위 그림)는 각 고정자 상마다 전용 홀 센서로 정류됩니다. 영구자석 회전자가 회전하면 홀 소자는 지나가는 회전자 극의 극성 변화를 감지합니다.

홀 신호는 증폭되어 고정자 코일이 올바른 전류를 받도록 합니다. 실제로는 이 신호들을 조합 논리회로로 처리하여 더 효율적인 구동 파형을 생성할 수 있습니다.

속도 조절용 위상 고정 루프(PLL)를 장착하면 이 원통형 모터로 하드 드라이브를 구동할 수 있습니다. 유사한 PLL 기반 제어로 팬케이크 플로피 디스크 모터도 구동 가능합니다(그림 참조).

3상 팬케이크 모터는 6개 고정자 극과 8개 회전자 극으로 구성됩니다. 회전자는 축 방향으로 자화된 8개 교대 극을 가진 평평한 페라이트 링입니다. 그림에는 없지만, 회전자는 고정자 중앙의 베어링에 장착되는 연강판으로 캡핑됩니다.

강판은 자기 회로를 완성하며, 고정자 극들은 상단의 강판에 장착되어 자기 연속성을 더욱 보장합니다.

평평한 고정자 코일은 회전자 극과 밀접하게 맞도록 사다리꼴 모양이며, 6개 고정자 코일이 3상 권선을 구성합니다.

세 고정자 상의 순차적 여자로 회전 자기장이 생성됩니다.

영구자석 회전자는 동기 모터처럼 이 자기장과 정렬됩니다. 2극 회전자는 자기장과 동기화되어 회전하지만, 8극 회전자는 추가 극들 때문에 자기장 주파수의 약배수로 회전합니다.

브러시리스 DC 팬 모터의 주요 특징:

• 고정자는 4극 사이에 분포된 2상 권선
• 권선 없는 4개 돌출 극으로 제로 토크 포인트 제거
• 회전자는 4개 주 구동 극
• 회전자에 중첩된 8극으로 제로 토크 포인트 추가 제거
• 홀 효과 센서는 물리적으로 45° 간격 배치
• 팬 하우징이 회전자 위에, 회전자가 고정자 위에 배치

BLDC 팬 모터의 주 목표는 비용 효율적 제조로, 저성능 제품에서 3상에서 2상 설계로의 전환을 촉진합니다. 구동 방식에 따라 4상 모터라고 불리기도 합니다.

기존 브러시 DC 모터는 자력 시동 능력을 위해 홀수 개(3, 5, 7)의 전기자 극이 필요합니다; 2나 4 같은 짝수는 정지 상태에서 시동을 방해하는 토크 최솟값을 초래할 수 있습니다.

권선 없는 4개의 작은 돌출 극을 도입하면 토크-위치 곡선에 리플 토크가 추가됩니다. 이 리플은 토크 최솟값을 완화하여 시동성을 향상시킵니다.

추가 리플이 토크 최솟값을 더 제거합니다; 이 최솟값이 0에 도달하지 않는 한 모터는 시동 가능합니다. 최솟값이 더 효과적으로 억제될수록 시동이 더 쉬워집니다.

2상 고정자의 경우 홀 센서는 전기적으로 90° 떨어져 있어야 합니다. 2극 회전자라면 물리적 90° 간격에 해당하지만, 4극 영구자석 회전자의 경우 필요한 90° 전기적 분리를 달성하기 위해 센서를 물리적으로 45° 배치해야 합니다(위 홀 간격 참조).

대부분의 토크는 내부 2상 고정자 코일과 회전자의 4극 부분 간 상호작용에서 나옵니다. 따라서 4극 부분은 하단에 위치하여 홀 센서가 올바른 정류 신호를 감지하도록 해야 합니다.

추가 8극 부분은 오직 시동 성능 개선을 위한 것입니다.

위 다이어그램은 두 홀 센서로 4개 권선을 여자하는 2상 푸시풀(또는 4상) 드라이브를 보여줍니다. 단극 회전자의 경우 센서는 전기적으로 90° 간격으로, 물리적으로 90° 간격에 해당합니다.

각 홀 센서가 두 개의 상보적 출력을 생성하므로, 단일 센서로 두 대향 권선을 정류할 수 있습니다.