BLDC 모터 작동 방식: 브러시리스 DC 모터 원리에 대한 자세한 설명

지난 20~30년 동안 전자기술과 영구자석 소재의 지속적인 발전으로 인해BLDC 모터다양한 산업을 위한 틈새 모터에서 주류 전력 솔루션으로 변모했습니다.BLDC 모터고효율, 고신뢰성, 긴 수명으로 인해 가전제품, 전동공구, 전기자동차, 산업자동화 장비 등 다양한 응용분야에 널리 사용되고 있습니다. 그러나 BLDC 모터의 작동 원리는 아직 많은 사람들에게 알려져 있지 않습니다. 이 기사에서는 BLDC 모터의 작동 원리에 대해 알아야 할 모든 것을 설명하여 오늘날 전기 공학의 놀라운 혁신을 더 자세히 살펴볼 수 있습니다.

BLDC 모터의 기본 구조

이제 작동 원리에 들어가기 전에 기본 구조를 숙지해야 합니다.

고정자(Stator) : 모터 하우징 내부에 고정되며, 일반적으로 적층 실리콘 강판으로 구성되며, 코일이 감겨져 여러 개의 전자석 극을 형성합니다.

로터: 로터는 일반적으로 샤프트에 장착되며 영구 자석을 포함합니다. BLDC 모터는 영구자석의 다양한 구성에 따라 여러 종류로 분류될 수 있습니다.

홀 센서: 회전자의 위치를 ​​결정하고 전자 제어 시스템에 대한 피드백을 제공합니다.

컨트롤러: 홀 센서 또는 기타 피드백 메커니즘의 피드백을 기반으로 고정자 권선을 통해 흐르는 전류의 타이밍을 결정하는 전자 제어 시스템입니다.

아웃런너 BLDC 모터 구조는 내부 로터 구조와는 다르다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 회전자는 외부에 있고 고정자는 내부에 있습니다. 이러한 유형의 설계는 드론 프로펠러 구동과 같이 높은 토크가 필요한 응용 분야에서 특히 널리 사용됩니다.

전자기학의 원리: BLDC 모터 작동의 기초

전자기학의 두 가지 기본 원리가 BLDC 모터의 작동을 결정합니다.

앙페르의 법칙: 전류가 흐르는 도체가 자기장 안에 있을 때 도체는 힘을 받게 됩니다. BLDC 모터의 고정자는 코일형 구리 권선으로 구성되며, 이러한 권선에 전원이 공급된 후 회전자의 영구 자석 사이에서 상호 작용하는 자기장을 생성하여 회전자가 회전할 수 있는 기계적 움직임을 제공하는 힘을 생성합니다.

패러데이의 전자기 유도 법칙: 도체가 자기장 선을 절단하거나 변화하는 자기장에 있을 때 도체에 기전력이 유도됩니다. 역기전력을 감지하여 회전자의 위치를 ​​검출하는 센서리스 제어에 널리 사용됩니다.

이러한 원리는 산업용 브러시리스 모터 설계에 적용됩니다. 이는 고정자 권선을 통해 흐르는 전류를 미세하게 조절하고 회전자의 영구 자석과 유리한 전자기 상호 작용을 보장하여 높은 효율과 안정성을 달성함으로써 이를 달성합니다.

BLDC 모터의 정류 과정

BLDC 모터에서 가장 중요한 작동 메커니즘을 전자 정류라고 합니다. 이는 브러시리스 모터와 기존 브러시 모터 사이의 가장 중요하고 핵심적인 구별 요소입니다.

정류 원리: 정류는 모터 코일과 관련하여 전류 흐름의 방향을 변경하여 회전자와 고정자 사이에 지속적인 전자기 상호 작용이 존재하여 지속적인 토크를 생성하는 프로세스입니다.

6단계 정류: BLDC 모터의 기존 제어 방법은 전기 주기를 6단계로 나눕니다. 모든 단계에서 3상 권선 중 2개에 전원이 공급되고 한 상은 꺼집니다.

홀 센서 피드백: 홀 센서는 회전자의 영구 자석 위치를 감지하므로 컨트롤러는 전원을 공급해야 하는 권선과 전류 방향을 결정할 수 있습니다.

무센서 제어: 보다 진보된 방법은 전원이 공급되지 않는 단계에서 역기전력을 모니터링하여 회전자의 위치를 ​​결정하는 것입니다. 이 복잡한 전략을 구현하는 데 홀 센서가 필요하지 않으므로 드라이브의 신뢰성이 향상됩니다.

대형 BLDC 모터는 일반적으로 더 부드러운 토크 출력과 더 높은 효율성을 달성하기 위해 사인파 구동 또는 벡터 제어와 같은 더 복잡한 제어 전략을 채택합니다.

BLDC 모터 시스템에서 컨트롤러의 역할

BLDC 모터는 자체적으로 작동할 수 없으며 특수 전자 컨트롤러와 결합해야 합니다.

모터 드라이버: 일반적으로 제어 신호에 따라 전류 경로를 전환하는 Power MOSFET 또는 IGBT 기반의 3상 브리지 인버터

마이크로컨트롤러: 위치 센서로부터 신호를 수신하고, 제어 알고리즘을 수행하며, 전력 장치를 구동하기 위한 PWM 신호를 생성합니다.

폐쇄 루프 제어: 애플리케이션 요구 사항에 따라 정확한 속도 제어 또는 위치 제어를 제공합니다.

안전한 보호 기능: 과전류 보호, 과열 보호, 저전압 보호 등

48V BLDC 모터 시스템의 응용 분야는 전기 자전거, 소형 전기 자동차 및 기타 산업용 응용 분야에 널리 퍼져 있습니다. 컨트롤러와 처리 회로는 더 높은 전압과 전류를 처리해야 하며 일반적으로 더 복잡한 성능 및 보호 기능 세트를 갖습니다.

BLDC 모터의 성능 특성 및 응용 시나리오

이제 BLDC 모터 작동 원리를 학습한 후 성능 이점을 살펴보겠습니다.

높은 효율성: 브러시와 정류자의 마찰 손실이 없기 때문에 효율성은 일반적으로 85% 이상이며 경우에 따라 95% 이상입니다.

우수한 속도-토크 특성: 광범위한 토크 출력을 제공합니다.

수명 연장: 기계적 마모 요소가 없으면 수명은 궁극적으로 베어링에 의해서만 제한됩니다.

향상된 열 방출 효율: 고정자 권선과 모터 하우징이 직접 접촉하여 보다 효과적인 열 방출이 가능합니다.

낮은 소음 및 전자기 간섭: 브러시 정류로 인해 발생하는 스파크 및 소음이 없습니다.

아웃런너 BLDC 모터는 특수 구조로 인해 저속에서 더 높은 토크를 제공할 수 있어 드론 프로펠러 및 팬 등과 같은 직접 구동 시스템에 특히 적합합니다. 안정성과 내구성의 장점을 갖춘 브러시리스 모터는 자동화 장비 및 정밀 기기의 전원 공급 장치로 선택됩니다.

BLDC 모터의 제어 알고리즘

더욱 발전된 최신 BLDC 제어 기술은 이 간단한 6단계 정류 방법을 능가합니다.

사다리꼴 파형 제어: 가장 기본적인 제어 방법은 사다리꼴 전류 파형입니다. 실제로 적용하는 것은 간단하지만 상당한 진폭의 토크 리플을 생성합니다.

정현파 제어: 정현파 전류로 모터를 구동하여 모터 토크 리플을 줄이고 작동을 더 원활하게 만들 수 있습니다.

자속 기준 제어(FOC): 수학적 변환을 적용하여 3상 전류를 회전 좌표계로 변환하여 제어함으로써 최적의 토크 제어 및 에너지 효율성을 제공합니다.

센서 융합 기술: 제어 정확도와 견고성을 높이기 위해 여러 피드백 신호(예: 홀 센서, 인코더 및 전류 샘플링)를 통합합니다.

열 관리, 효율성 최적화 및 동적 응답과 같은 고전력 애플리케이션의 문제로 인해 일반적으로 대형 BLDC 모터에는 보다 정교한 제어 알고리즘이 사용됩니다.

결론: BLDC 모터의 작동 원리 및 장점

BLDC 모터전자 제어 시스템을 통해 고정자 권선의 전류를 정밀하게 제어하고 회전자의 영구 자석과 상호 작용하여 전기 에너지를 기계 에너지로 효율적으로 변환합니다. 소형 가전제품부터 대형 산업용 장비까지, 저전압 애플리케이션부터 48V BLDC 모터 시스템까지, 브러시리스 DC 모터는 고효율, 고신뢰성, 탁월한 제어 성능을 바탕으로 다양한 산업 분야에서 기술 발전과 에너지 효율 향상을 주도하고 있습니다. 전자 제어 기술과 영구자석 소재의 지속적인 개발로 인해 BLDC 모터의 적용 가능성이 더욱 넓어지고 뛰어난 성능을 발휘할 것으로 예상됩니다.

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