BLDC 모터(BLDC Motor, Brushless Motor) 원리, 장단점 등

Brushless DC Motor(BLDC 모터)는 전자 정류 모터 (ECM 또는 EC 모터), 동기식 DC 모터라고도 한다. 

기존의 모터가 브러쉬(brush)를 통해 모터의 회전자(Rotor)에 전류를 공급하여 지속적으로 회전자의 극을 변동시켜 모터를 회전하게 하는데 비해, BLDC모터는 영구 자석으로 이루어진 회전자 주변 즉 고정자(Stator)에 전류를 지속적으로 변동시켜 모터를 회전시킨다. 따라서, 별도의 컨트롤러가 필요하며, 이 컨트롤러는 DC 전류 펄스의 위상과 진폭을 조정하여 모터의 속도와 토크를 제어할 수 있다.(그림 참조)

BLDC 모터의 시스템의 구성은 일반적으로 영구 자석 동기 모터 (PMSM)와 유사하나, 아웃 러너 (고정자가 로터에 둘러싸여 있음), 인러너 (로터가 고정자에 둘러싸여 있음) 또는 축 방향 (로터와 고정자가 평평하며 평행하다.)의 형태 등 다양한 형태를 구성할 수 있다.

BLDC 모터의 장점은 장점은 높은 전력 대 중량비, 고속, 속도 (rpm) 및 토크의 거의 즉각적인 제어, 고효율 및 낮은 유지 보수라 할 수 있다. BLDC모터는 각종 가전제품, 산업용품 등에 광범위하게 사용되고 있다.

 

BLDC 모터는 19 세기에 최초로 발명되었고, 20 세기에 들어 광범위하게 사용되고 있다.

 

그림. BLDC 모터의 구조/원리(출처 :  https://www.electrical4u.com  자료 일부 편집)

 

기존 정류자를 사용하는 모터의 단점 / BLDC 모터의 장점

기존의 모터에서 사용되는 브러시에서 발생하는 마찰은 저전력 모터에서 상당한 전력 손실을 초래할 수 있다. 또한 부드러운 브러시 소재는 마찰로 인해 마모되어 먼지가 발생하며 결국 브러시를 교체해야 할 수 있다. 그러나 BLDC모터는 이와같은 유지보수가 필요하지 않다. 

또한 브러시와 회전자의 접점에서 발생하는 전기 저항은하는 브러시 드롭이라는 전압 강하를 일으켜 추가적인 에너지를 소모하게 된다. 또한, 권선의 인덕턴스를 통해 전류의 반복되는 갑작스런 스위칭은 정류기 접점에서 스파크를 일으켜 폭발성 환경에서 화재 위험이 되고 전자 소음의 원인이 되어 근처의 마이크로 전자 회로에서 전자기 간섭을 일으킬 수 있다. 즉 BLDC모터는 이와 같은 기존 brush를 사용하는 모터의 문제점, 브러시에 의한 전압강화와 폭발위험의 문제를 해결할 수 있다. 또한 브러시에 의해 발생하는 소음도 줄일 수 있다.

BLDC모터는 최대 회전력(토크)에서 속도를 지속적으로 제어할 수 있다. 반대로 기존의 브러시 모터는 회전의 특정 지점에서만 최대 토크에 도달한다. 기존의 브러시 모터가 BLDC 모터와 동일한 토크를 전달하려면 더 큰 자석을 사용해야 한다. 따라서 소형 BLDC 모터조차도 상당한 전력을 제공 할 수있다.

또한 BLDC 모터는 피드백 메커니즘을 사용하여 제어하여 원하는 토크와 회전 속도를 정확하게 전달할 수 있습니다. 정밀 제어는 에너지 소비와 열 발생을 줄이고, 모터가 배터리로 구동되는 경우 배터리 수명을 연장시킬 수 있다.

 

BLDC모터의 제어

BLDC 모터의 정류는 마이크로컨트롤러를 사용하여 소프트웨어로 구현될 수 있거나, 대안적으로 아날로그 또는 디지털 회로를 사용하여 구현될 수 있다. 브러시 대신 전자 장치를 사용한 정류를 통해 속도 제한, 느리고 미세한 모션 제어를 위한 미세 스테핑 작동, 정지 시 유지 토크 등 브러시 DC 모터에서는 사용할 수 없는 유연성과 기능을 향상시킬 수 있다. 컨트롤러 소프트웨어는 응용 분야에서 사용되는 특정 모터에 맞게 사용자 정의 할 수 있으므로 정류 효율성이 향상될 수도 있다.

 

BLDC모터의 단점​​

브러시리스 모터에 적용 할 수있는 최대 전력은 대부분 발생되는 열에 의해 제한되는 편이다. 모터의 구동시 발생하는 열은 자석을 약화시키고 권선의 단열재를 손상시킬 수 있다. 또한, 모터 외에 외부 회로가 필요하기 때문에 가격이 비싼 편이다.