|
|
| 좌측은 RC헬기용, 우측은 RC비행기용 브러시리스 모터 |
|
|
| 지멘스의 산업용 서보모터. 인러너 타입 BLDC전동기이다. |
[clearfix]
1. 개요
Brushless DC electric motor(BLDC motor, BL motor)DC모터 코일의 극성을 바꾸기 위해서 브러시 대신 반도체를 사용하는 모터이다. 전자석이 자석을 당기면 자석은 가까이 오게된다. 자석이 가까운 위치에 도착하면 전자석의 극성을 바꿔서 다시 다른 위치를 향해서 자석이 운동하게 만든다. 이것이 모터가 쉬지않고 돌아가는 원리이다. 이때 회전자가 멈추지 않도록 전자석의 극성을 시간에 따라서 바꾸는 기술이 모터에서 중요하다. [1] 전통적으로 DC모터는 금속 솔이나 카본 브러시가 회전하는 원통에 접촉하면서 극성이 변하도록 모터를 구성해서 회전 각도에 따라 전자석(코일)의 극성이 바뀌게 했다. 그러나 반도체 공학이 발달하면서 MOSFET과 같은 반도체로 고속으로 전류를 제어할 수 있게 되면서 전통적인 브러시를 이용한 극성제어 방식 대신 반도체를 사용한 극성제어 방식을 사용하게 된 것이다.
삼상모터와 유사한 원리인데, 비유하자면 미니 변전소(컨트롤러)에 삼상모터를 연결해두고 변전소 출력 값(전압, 주파수, 파형)등을 바꾸는 것과 유사한 원리이다.
정확한 정의는 브러시가 없으면서 DC 전동기와 비슷한 출력 특성을 가지도록 설계된 모터이다. 용어 자체로만 보면 교류전동기도 권선형 유도전동기를 제외하면 브러시가 없으므로 브러시리스 전동기인데 교류전동기의 경우에는 애초에 브러시 타입을 보기가 힘들기 때문에 보통은 따로 브러시리스라고 표기하지 않는다. 여기서 말하는 브러시리스 전동기라고 하면 다음의 특성을 가지는 것으로 전제를 깔고 생각하게 된다.
- 외부에서의 드라이버를 반드시 사용해야한다.
- 역기전력이 동기전동기처럼 깔끔하게 나오지 않는 경향이 있다.
- 회전자의 위치를 정밀하게 판독하기 위한 센서가 모터에 장착된다.[2]
지금의 BLDC, 혹은 브러시리스 전동기는 실제 의미보다는 일종의 고유명사화가 된 경향이 있다. 현재 시판되는 BLDC 전동기들의 상당수가 이름만 BLDC고 실제론 BLAC인 경우가 많다. 때문에 본 문서도 정확한 정보를 토대로 작성되지는 않았음을 고려하고 보는 것이 좋다. 정확한 정의에 대해서는 교류전동기를 참고하자.
가장 흔하게는 RC 분야에서 쓰이는 모터를 볼 수 있으며 보통 통돌이 모터들이 많이 보이는 편이다. 통돌이라는 말은 영어의 Outrunner를 한국식으로 해석한 것으로, 이 모터는 일반 깡통모터(CanMoter 또는 InRunner Motor)와는 다르게 캔 속의 코일은 고정되어 있고, 캔 자체가 돌아간다. 그리하여, 통돌이 모터라고 부른다. 반대로 Inrunner도 있다. 일반 브러시 모터와 외관이 비슷하며 RC카에 자주 쓰인다.
브러시리스 모터는 소형에서 효율이 매우 높으므로 휴대용 선풍기와 같이 초소형급 제품에는 적합하다. 그러나 전압이 낮은 관계로 출력이 낮아 중, 대형급으로 가면 동기전동기가 주로 사용된다.
인러너 타입이 발열이 극심하다는 등의 말이 있긴 하지만 사실 인하고 아웃타입의 차이는 전기자 계자 위치를 바꿔놓은 것일 뿐이며, 그냥 어느 솔루션에 써먹기 좋냐의 문제일 뿐이다. 굳이 따지자면 계자는 거의 발열이 없기 때문에 전기자가 밖으로 나가는 인러너 타입이 아무래도 구조 측면에서 전기자 사이즈를 키우기 쉽고 방열이 수월하며 관성 모멘트가 작아 단기 고토크 조건에 더 유리하고 반대로 아웃러너는 관성이 크고 자석을 더 박을 수 있어서 꾸준히 지속적인 토크를 내주기 좋은데 방열이 불리하다. 하지만 이는 성능 때문에 갈린다기보다는 어떤 구조가 모터를 쓰는 환경에 적합한지에 따라 갈리는게 더 크다. 두 구조 모두 장단점이 있으므로 제조사가 의도한 성능이 속도 중심인지 토크 중심인지가 더 중요하다. 발열 얘기는 토크를 키우기 위해 전류를 키우던지 코일 턴수를 늘리던지 하는데 둘 다 모터의 발열을 늘리는 요인이라 말이 나온듯. 또한 아웃러너는 일반적으로 프로펠러에 물려서 사용하기 때문에 발열이 해소되어 잘 체감되지 않는다는 점도 있다.?
RC 분야에선 일반 브러시 모터의 단점인 무게대비 출력이 낮다는 것과 브러시 소모 문제를 개선하기 위해 나왔다. Kv 사양을 낮춰서 토크를 높게 하면 RC에서 감속기어를 뺄 수 있지 않을까 해서 도입했다지만 사실 모터 토크는 전적으로 사이즈에 따라 갈리는 경향이 크다. 그러니까 토크를 키우려면 BLDC라고 해도 모터가 커져야 하는데 크기가 커지면 RC 기기에 못넣는다. 그럼 브러시 모터보다 나은게 뭐냐고 따질 수 있는데 고속 성능이 엄청나게 차이가 크다. 그래서 출력이 확 올라갔다고 보면 된다. 그래서 일부 RC 항공기에서만 기어 없이 쓰이고 RC카에는 여전히 기어가 들어간다.
kV 값에 따라 다르긴 한데, 일반적인 인러터 타입의 브러시리스 전동기는 고rpm 정토크 운전이 가능하며 분진이나 외부 이물질에 대한 내구도가 좋아 rc 보트나 아니면 전동공구에 사용되는 경향이 크며 통돌이 모터는 러너가 밖에있어 토크가 큰 편이라 고토크 저 rpm 운전에 용이해 RC 비행기 또는 RC 헬기나 다이렉트 드라이브 타입의 세탁기 및 5축 CNC 공작기구의 4축이나 5축에 쓰인다.
2. 원리
간단한 형태의 브러시리스 모터 내부 구조. 스타 형태의 배선을 가지고 있으며 매우 높은 출력이 요구될 경우 델타 형태의 배선을 사용하기도 하는데 사실 일정 이하 사이즈면 전부 델타 결선이라고 봐도 되긴 한다. 스타 형태가 출력밀도 측면에서 좀 불리하기 때문.
브러시리스 모터는 영구 자석으로 된 회전자와 권선으로 되어 있는 스테이터 폴들로 이루어져있다.
영구 자석 회전자와 전류가 인가된 권선으로부터 생성되는 자기장 사이의 관계에 의해 전기 에너지는 회전자를 회전시킴으로써 기계적인 에너지로 변환된다. 그림 왼쪽에는 간단한 형태의 브러시리스 모터의 내부를 나타내고 있으며, 오른쪽은 고정자의 전기적인 구성을 나타내고 있다.
물론 BLDC가 직류로만 움직인다고 생각하지만, 이는 큰 착각이다. DC모터는 브러시가 있기 때문에 그냥 직류만 흘려도 움직이지만, BLDC는 구조가 AC모터와 같기 때문에 여기에 직류를 흘리면 움직일 수 없다.[3] 대신 교류는 움직일 수 있으며, BLDC는 네모파를 인가시켜서 움직인다.
이 때 매우 중요한 점이, 권선에 흐르는 전류는 정밀하게 측정된 회전자의 위치에 맞추어 드라이버에서 변조된 전류가 흐르게 되는 점이다. 일반적인 AC 동기전동기는 외부 자계의 위상속도가 일정하게 그냥 돌아가지만, BLDC 의 경우 모터드라이버에서 정확하게 계산된 us 단위로 PWM 되어 들어가는 정밀한 파형이 인가된다. 이를 통해 높은 가속성능, 강력하며 일정한 토크 응답성, 정밀한 위치제어가 가능해진다.
3. 브러시드 모터와의 차이점
사진출처
전자 부품 세계에서 "브러시"(brush)는 움직이는 부품에 지속적으로 전기를 공급하기 위한 접점을 말한다. 일반 DC모터(브러시드)를 뜯어보면 전자석으로 구성된 회전자쪽에 전기를 계속 공급하기 위해 마치 양손으로 축을 떠받들듯이 생긴 접점이 존재하는데 그 부품이 브러시이다. 브러시리스 모터는 이걸 뒤집어서 영구자석쪽이 회전자를 담당하기 때문에 브러시가 없이도 전자석에 전기를 계속 공급할 수 있는 것이다. 따라서 접점이 일으키는 마찰력으로 인한 동력 손실 및 마찰 자체로 인한 내구도 문제가 없는 장점도 가지고 있다. 비슷한 이유로 소음도 더 적다.
그렇다면 모든 모터를 다 브러시리스로 만들면 될텐데 기존 브러시드 모터는 도대체 왜 존재하는가. 브러시리스 모터는 브러시드 모터에서 회전자가 브러시와 접촉하면서 자동으로 발생하는 극성 전환 과정이 없기 때문에 직류전원을 넣는 것만으로는 회전하지 않는다(교류로는 가능). 결국 직류전원을 사용해서 회전을 시키려면 내장이든 외장이든 컨트롤러가 필요하다.[4] 즉, 브러시드는 컨트롤러가 필요 없어 살아남은 것이다.
브러시리스 전동기가 대응하지 못 할 정도의 빠른 반응을 요구하는 경우, 부하의 토크 리플이 매우 크거나 속도제어의 변화폭이 매우 클 경우 브러시리스에 비해 제어가 간편하며 더 높은 응답성을 제공하는 브러시 전동기를 이용하기도 한다. 전자식 파워스티어링에 들어가는 모터도 브러시 모터이다. ATM 같은 고신뢰성에 단순한 매커니즘을 요하는 경우에도 브러시 전동기를 쓰기도 하는데, maxon motor 같은 곳에서 파는 개당 10만원이 넘는 가격의 브러시 모터가 이런데 쓰라고 있는 것이다. 또한 브러시드 모터는 작정하고 싸게 만들려면 매우 싸게 만들 수 있는 것이 최대 강점으로, 컨트롤러 값이 생산비용에 포함될 수밖에 없는 브러시리스 모터는 이 점에서 한계가 있다.
그러나 당장 구매하기에는 쌀 수 있어도, 내구성이 발목을 잡아 오히려 유지보수 비용이 더 클 수도 있다는 점도 감안해야 할 뿐더러, 전자제어 기술은 날로 발전하고 있고 가격도 내려가면서 브러시리스 모터의 약점이었던 초기비용 문제는 갈수록 완화되는 중. 이것이 2010년대 이후 일반인들이 즐기는 취미 생활 방면에도 부쩍 브러시리스 모터가 늘어난 이유라고 할 수 있다. 특히 드론처럼 효율을 극대화해야 하는 장비에서는 매우 널리 사용되고 있다.
4. 사용처
엄청나게 많다. 특히 제어를 위해서 별도의 드라이브가 필요하다는점을 역으로 활용해서 일반 교류전동기나 브러시드 모터가 못하는 정밀한 구동력이 필요한 분야[5]에도 많이 쓰인다.4.1. 서보전동기
정말 극적으로 높은 리스폰스를 요구하는 경우 브러시 타입을 이용하기도 하지만 그런 정도가 아니라면 보통은 브러시리스 방식을 사용해 높은 신뢰도와 출력을 확보하게 된다. 특히 서보전동기의 경우 특정 위치에서 고정되기 위한 정지 토크 역시 중요하기 때문에 권선이 밖에 고정되어있어 수랭 등 다른 방법으로 냉각하기 편한 인로터 타입을 사용하게 된다. 또한 일반적인 브러시리스 모터와 달리 분포권으로 권선되어 있는 경우가 많다.많은 산업현장에서 사용되는 미쓰비시의 서보전동기가 그러한데, 수십 kW 에 달하는 높은 출력과 50~300kg.mf 까지 올라가는 무지막지한 토크 그리고 높은 해상도의 서보앰프와 정밀제어 능력으로 거의 한국 FA 시장에서의 표준이라 할 수 있는 제품군이다.
RC용 서보 모터도 브러시리스 모터를 이용하기도 한다. 기존의 DC 브러시드, 코어리스 모터 서보에 비해서 높은 출력과 속도를 자랑하며, 홀 센서를 이용하는 고급 모델인 경우 거의 반영구적인 사용이 가능하다.
4.2. 가전제품
특성에 따라 다른데, 높은 RPM 회전수를 요구하는 진공청소기[6]는 인로터, 고토크 낮은 RPM 운전이 요구되는 경우엔 아웃로터 방식의 전동기가 이용된다.가장 대표적으로 세탁기가 있는데, 특히 LG전자의 세탁기들이 드럼세탁기의 구동을 전부 BLDC 방식으로 바꾸면서 세탁기 분야의 일대 혁명이 일어났다. 매우 높은 토크와 정밀한 속도제어를 통해 드럼세탁기가 가장 수혜를 많이 받았으며 일반형 세탁기들도 BLDC 전동기가 탑재되면서 유도전동기 특유의 우우웅 하는 소음에서 벗어남과 동시에 세탁판 회전용 유성기어가 삭제되는 등 내구도 면에서도 긍정적인 변화가 일어났다. 기존 드럼세탁기들은 속도제어를 통해 위상제어를 통한 브러시 모터 혹은 유도전동기의 가변속 제어를 통해 세탁통의 회전속도를 제어했는데, 이게 리스폰스가 그다지 높지도 않고 위상제어이기 때문에 전력망에 많은 고조파를 유입시키는 등 이슈가 있었지만 브러시리스 방식으로 바뀌면서 드럼의 위치를 모터 포지션을 통해 바로 알 수 있게 되어 정밀한 속도 및 위치제어가 가능하게 되었다.
몇몇 헤어드라이어도 브러시리스 모터를 쓰기도 한다. 대표적으로 JMW사의 헤어 드라이어가 있다. 기존 드라이어에 비해 풍량이 매우 높고 소비전력이랑 소음이 낮은 장점이 있다.
데스크톱 컴퓨터에도 많은데 일단 하드디스크의 플래터 구동모터가 브러시리스이며 본체 곳곳에 있는 냉각팬들 역시 브러시리스 모터와 일체형인 날개를 돌린다.
2020년대 이후 출시하는 신형 유선/무선 선풍기 또한 BLDC 모터를 장착하여 소음을 줄이고 풍향조절을 보다 세밀하게 하는 등의 변화를 이루었다. 다만 일반 AC나 DC 모터 선풍기에 비해 가격대가 10만원대 이상으로 다소 높은 편이다. 그럼에도 소음이 확연히 적고 바람 세기가 강하며 발열이 거의 없으므로 오래 사용할 것이라면 돈을 조금 보태더라도 무조건 BLDC 모터를 탑재한 선풍기를 구매하는 것이 좋다. 또한 일반적인 유도전동기 선풍기는 미풍이나 강풍이나 전력 소모에 큰 차이가 없지만, BLDC는 미풍에서 매우 적은 전력을 소모한다.
4.3. 전기자동차 및 전기 기관차와 각종 원동기장치
브러시리스 모터는 그 특성상 작은 크기에서 높은 토크밀도와 높은 출력밀도를 달성할 수 있어 크기에 민감하지만 높은 출력을 요구하는 경우에도 많이 이용된다. 대표적으로 전기자동차와 전기기관차인데 전기자동차는 배터리 문제를 생각해보면 모터 중량에 민감한건 두말할 것도 없다.[7] 전기기관차 같은 경우에는 사실 전기기관차 자체가 워낙에 크기 때문에 브러시리스 모터냐 아니냐는 상관 없긴 하다. 하지만 브러시 모터보다 브러시리스 모터가 아무래도 유지보수, 전자제어, 회생제동 등의 효율적인 운영을 하는데에 있어 이점이 많으므로 Bombardier MITRAC 3000 플렛폼 시리즈의 경우 1000kg.mf 에 개당 3000kW 이상의 출력을 자랑하는 동기전동기를 견인전동기로 사용한다. 그 외에도 세그웨이나 전동 킥보드 등 각종 원동기장치의 경우에도 높은 출력밀도와 토크 및 높은 신뢰도가 필요하므로 기어 없이 높은 토크를 얻을 수 있는 브러시리스 동기전동기를 이용하게 된다.봄바르디에의 견인전동기는 브러시리스 동기 전동기로서 극적인 토크와 고속 운전 성능을 가진다.
RIMAC 사의 브러시리스 모터는 개당 600kW 의 피크 출력과 300kW 의 출력을 성인 머리보다 작은 크기의 체적에서 구현했다. 이를 장착한 concept one 과 concept s 는 시스템 총출력이 1300hp 를 상회한다.
거의 모든 세그웨이 왕발통들이나 전동 킥보드는 바퀴의 허브에 브러시리스 전동기를 사용해 구동력을 제공한다. 이 경우엔 특별하게 허브 모터라고도 부르는데, 전기 자전거의 경우에도 이러한 허브 모터를 사용해 125cc 오토바이보다 높은 20kW 의 출력을 뽑기도 한다. 각 바퀴에 10kW 모터를 달면 AWD 까지 된다.
4.4. 전동공구
높은 토크 응답성을 요구하는 전동공구 분야는 RC 에서의 BLDC 가 도입됨과 거의 동시에 진행되었다. 어디에서 먼저 도입했냐를 기준으로 치면 히타치인데, 히타치 중공업에서 사용하는 모터 기술을 기반으로 먼저 무선공구에 BLDC 전동기를 도입, 이후에 유선분야까지도 BLDC 전동기를 사용중이며 2017년 2분기 현재까지도 유선전동공구 분야에선 유일하게 BLDC 방식의 제품을 만들어내고 있다.이후 일본 마끼다 사에서 BLDC 방식의 제품을 만들면서 전동공구 시장에서 BLDC가 본격적으로 흐름을 탔으며, 독일 보쉬와 미국 디월트, 밀워키에서도 BLDC 방식의 전동기를 사용하는 제품을 만들어내고 있다. 특히 미국의 디월트와 밀워키 제품의 경우 어지간한 유선 전동공구보다 높은 700~860W 수준의 순 전동기 출력을 최대 rpm 에서 뽑을 수 있어서 무선공구의 보급 확대에 많은 기여를 했다. 그 전까지는 브러시모터가 브러시리스보다 더 강력하다는 인식이 공구 업계에서 만연했지만 디월트가 BL2 전동기를 개발하면서 브러시모터의 피크토크 신화는 이제 죽은 지 오래다.
전동공구의 경우 앞서 언급된것과 같이 내구도 이슈가 있으므로 인로터 타입을 사용하게 된다.
히타치의 BLDC 전동기. 히타치 중공업이 기존 철도나 자동차용 전동기를 만드는 기술이 그대로 들어간 것을 알 수 있는데, 가장 눈여겨 볼 점이 권선의 UWV 말고 XYZ 까지 뽑아냈다는 점. 중성점 제어를 외부 컨트롤러가 할 수 있도록 한 것이다.
마끼다의 BLDC 전동기. 스타 타입의 간소화된 배선과 PCB 일체형 권선 및 컨트롤러 일체형 스로틀 트리거 등 많은 부분에서 지금의 BLDC 공구의 기본적인 모습이 잡혀나가던 시기의 제품이다. 나중에 가서는 상당수 공구가 같은 모터를 쓰는데다가 발전이 없어서 우려먹기 한다는 말이 많다.
BLDC 공구 고출력화의 최선두에 서 있던 밀워키 사의 powerstate™ BLDC 전동기. 이 때 부터 동력을 얻는 자석을 내부에 매입하는 IPM 로터 구조를 사용하여 자기 토크와 릴럭턴스 토크를 동시에 끌어내 최대 전동기 연속 출력이 700W대를 넘어갔다. 이 때 부터 손안에 들어오는 전동공구가 SDS-hex 비트를 끼우더니 치즐링을 하거나 아니면 20mm 두께의 초고강도 콘크리트를 뚫는 일들이 가능해졌다.
2017년 2분기 기준 18V 충전지를 사용한 BLDC 전동공구의 전동기중 가장 높은 출력을 자랑하는 디월트 사의 BL2 BLDC 전동기로 연속 최대 출력은 860W 에 달한다. 권선전류만 해도 50A 대에 달하며 무지막지한 광대역 토크는 덤. 고속운전 특성도 꽤 우수하며 높은 위치정밀도를 가져 급격한 부하 변동시에도 빠른 리스폰스를 자랑한다.
4.5. 엘리베이터
높은 신뢰도와 위치 정밀도, 그리고 유지보수를 최소화 하며 구조적으로 강인한 구조를 요구하는 엘리베이터의 전동기로도 당연히 브러시리스 전동기는 최고의 선택지다. 과거 엘리베이터들이 높은 출력을 요해서 브러시 전동기 혹은 유도전동기를 사용했다면, 이제 그 특징을 그대로 이어간 브러시리스 동기전동기가 뒤를 이어가는 중이다. 특히 브러시리스 동기전동기는 매우 높은 토크를 가지므로 별도의 변속기 없이 바로 엘리베이터 카를 끌어올릴 수 있어 기계적인 신뢰성 역시 아주 높다.코네 사의 ECODISC 는 브러시리스 동기 전동기 타입의 견인전동기를 사용한 대표적인 엘리베이터 솔루션이다.
[1]
이를 위해서 AC모터에는 시간에 따라서 극성이 변하는 전기(교류)를 연결해서 사용한다.
[2]
요즘은 회전자의 역기전력을 통해 회전자의 위치를 추정하는 센서리스 제어법을 사용하여 단가절감 겸 회전자 위치센서를 달지 않는 경우도 많고 이런 모터를 지원하기 드라이버도 많다. 다만 센서리스 제어법은 일정한 방향으로 고속회전 위주의 운전을 할 때만 동작이 가능한 등등, 기술적으로는 이런저런 제약사항이 많기 때문에 이게 지원된다는게 기술적으로 더 우월하다던가 그런 의미로 이해하지는 말 것. 센서리스 제어도 영속도 제어가 불가능하지는 않으나 특정 전동기 유형만 가능하거나 전류제어 성능에 타격이 많이 가는 등등 많은 제약이 따른다.
[3]
그러면 DC 전원으로 움직이는 게 없으므로 BLAC가 되어야 하지 않느냐는 소리가 많다. 그러나, BLDC는 (BL)AC모터에 비해 전압(36, 48, 72V)이 현저히 낮고, 정현파 대신 네모파를 사용하므로 교류와는 다르다. 네모파는 직류 전원이 있어야 가능한 것이기 때문이며, 정현파를 인가시키는 브러시리스 모터는 BLAC 모터라고 한다.
[4]
변속기 또는
ESC라고 불린다.
[5]
엘리베이터,
가전제품 등등
[6]
보통의
진공청소기는 브러쉬가 있는 모터를 사용한다. 청소기를 끌때 나는 특유의 소리는 이 때문이다.
[7]
정확하게 말하자면 여기 들어가는 전동기들을 BLDC라고 할 수는 없다. 자세한 내용은
교류전동기 항목 참조.