[모터] BLDC모터의 특징, 구조와 종류
전자적 정류의 특징
일반 DC 모터는 정류자와 브러시를 이용하여 전기자 전류의 극성을 바꿉니다.
이를 기계적인 정류라고 부릅니다.
기계적 정류 구조를 가진 모터는 정류과정에서 기계적 소음과 전기적 잡음이 발생하고,
마찰에 의한 마모로 인해 정류자와 브러시에 대해 정기적인 유지보수가 필요합니다.
BLDC 모터는 정류 장치를 기계가 아닌 전자 장치로 변환하여 사용합니다.
정류자를 제거하여 기계접촉을 없애 기존 DC모터보다 수명과 신뢰성을 향상시켰습니다.
다만 BLDC가 모든 면에서 장점만 있는 것은 아닙니다.
전자적 정류가 발생해야 하기 때문에, 모터 내의 회전자 위치를 알아내기 위한 센서와 전류의 권선을 지속적으로 바꾸게 해주는 회로가 필수적으로 수반되어야 합니다. 따라서 제어 측면에서는 DC 모터 제어에 비해 어려움이 있습니다.
BLDC 모터 구조
BLDC 모터의 구조는 일반적인 DC모터의 구조와는 약간 상이합니다.
브러시를 제거하기 위해 회전자(Rotor)를 영구자석으로, 고정자(Stator)를 권선으로 구성해 놓았습니다.
이러한 구조 덕분에 회전자는 비교적 질량이 작아져 관성이 낮아지게 됩니다. 때문에 빠른 가감속에 유리합니다.
또한 권선이 고정자 측에 배치되어 방열에 유리한 구조가 됩니다.
영구자석의 경우 온도 높아지면 자성이 떨어지는 감자현상이 발생합니다. BLDC는 DC에 비해 방열이 상대적으로 유리하므로 허용 전류가 DC 모터보다 커집니다. 때문에 최대 출력 토크 발생이 비교적 높습니다.
더불어 브러시와 정류자의 접촉 문제가 사라져 높은 속도의 운전이 가능합니다.
BLDC 모터의 종류
BLDC 모터는 고정자 권선의 Phase(상) 수에 따라 분류됩니다.
단상, 2상, 3상, 그 이상의 다상이 있습니다.
단상 BLDC
단상 BLDC 모터의 경우, 한 방향 회전만 가능합니다.
회전자 정지 위치에 따라 기동 토크가 달라지며, 특정 위치에서는 기동 토크가 없는 Dead Point가 존재하기도 합니다.
때문에 기동 토크를 발생시키기 위한 특수 구조를 가지기도 합니다.
기동을 위해 릴럭턴스 토크가 주로 사용됩니다. 하지만, 이는 회전 시 코깅 토크가 커지는 문제가 발생합니다.
단상 BLDC 모터는 성능 측면보다 가격 측면에서 결정되는 경우가 많고, 기동 토크가 작은 부하에서 유리합니다.
3상 BLDC 모터
3상 BLDC 모터는 구조에 따라 원주 방향형(Radial), 축 방향형(Axial)이 있습니다.
원주 방향형 BLDC 모터는 회전자의 자속이 Radial(반경 방향)으로 발생합니다.
축 방향형 BLDC 모터는 회전자의 자속이 Axial(회전축 방향)으로 발생합니다.
원주 방향형 BLDC 모터는 또 내전형과 외전형으로 나뉩니다.
회전자가 고정자의 안쪽에서 회전하는 내전형(Inner Rotor Type)과
회전자가 고정자의 바깥에서 회전하는 외전형(Outer Rotor Type)이 있습니다.
Inner Rotor Type의 경우 토크/관성비가 큰 편이고, 방열이 타 구조에 비해 우수합니다. 회전자의 관성이 작아 가감속이 빠릅니다.
일반적으로 이 구조를 가진 모터는 회전축이 베어링으로 지지되어 진동과 소음이 상대적으로 적습니다.
Outer Rotor Type의 경우, 회전자가 케이스 전체로 구성되어 있어, 외부 전체가 회전합니다. 상대적으로 관성이 커 정속회전이 유리합니다. 커버에 해당하는 부분을 Yoke라 부르는데, 요크에 자석을 부착할 수 있어 고속 회전에도 적합합니다. 이 때문에 큰 자석을 사용할 수 있어, 자성이 약한 자석으로도 큰 토크를 생성할 수 있습니다.
세탁기, 선풍기 등에서 많이 사용됩니다.
축방향(Axial) 모터는 얇은 원판의 회전자가 고정자 코일을 마주 보고 있는 구조입니다. Flat 모터라고도 부릅니다.
영구자석이 회전자 표면에 부착되어 있고, 위 사진과 같이 슬롯이 없는 철심을 사용하는 Slotless 구조를 가지기도 합니다.
이런 Axial 타입 모터는 릴럭턴스의 변화가 없기 때문에, 코깅 토크가 발생하지 않습니다. 따라서 토크의 리플과 소음이 적습니다.
회전자 관성이 커서 정속 운전에도 유리합니다.
이런 구조는 엘리베이터의 구동 모터 혹은 과거 CD 플레이어 모터에 많이 사용되었습니다.