Knowledge of working principle of brush motor and brushless motor

브러시 모터 작동 원리

주요 구조브러시리스 모터정류기는 고정자 + 회전자 + 브러시로 구성되며, 회전하는 자기장을 통해 운동 에너지를 출력하여 토크를 얻습니다. 브러시는 회전하는 동안 정류자와 지속적으로 접촉하여 전류를 전도하고 위상을 변화시킵니다.

브러시 모터는 기계식 정류 방식을 사용하며, 자기극은 움직이지 않고 코일이 회전합니다. 모터가 작동할 때 코일과 정류자는 회전하지만 자성 강철 브러시와 탄소 브러시는 회전하지 않습니다. 코일 전류 방향의 교류 변화는 모터와 함께 회전하는 정류자와 브러시에 의해 이루어집니다.

브러시 모터에서 이 과정은 코일의 두 전원 입력단을 절연 재료로 분리하여 고리 형태로 배열하고, 원통형 구조를 형성하여 모터 축과 반복적으로 연결된 유기적인 전체를 만드는 것입니다. 전원은 두 개의 작은 탄소 기둥(카본 브러시)을 통해 공급되며, 스프링 압력에 의해 두 개의 특정 고정 위치에서 압력이 전원 입력단의 두 지점으로 전달되어 하나의 코일 세트를 전기적으로 구동합니다.

~로서모터모터가 회전할 때, 서로 다른 코일 또는 동일한 코일의 서로 다른 극이 서로 다른 시간에 여자되어 자기장을 생성하는 코일의 ns 극과 가장 가까운 영구 자석 고정자의 ns 극 사이에 적절한 각도 차이가 발생합니다. 자기장은 서로 끌어당기고 밀어내면서 힘을 발생시켜 모터를 회전시킵니다. 탄소 전극은 마치 물체 표면을 붓으로 문지르듯 전선 헤드 위를 미끄러지듯 움직이기 때문에 "브러시"라는 이름이 붙었습니다.

서로 미끄러지면서 마찰이 발생하고 카본 브러시가 마모되어 정기적으로 교체해야 합니다. 카본 브러시와 코일의 전선 헤드가 번갈아 접촉하면 스파크가 발생하거나 전자기파 차단이 일어나 전자 장비에 간섭을 일으킬 수 있습니다.

브러시리스 모터 작동 원리

브러시리스 모터에서 정류는 컨트롤러(일반적으로 홀 센서 + 컨트롤러이며, 더욱 발전된 기술은 자기 엔코더임) 내의 제어 회로에 의해 수행됩니다.

브러시리스 모터는 전자식 정류자를 사용하며, 코일 자체는 회전하지 않고 자기극만 회전합니다. 브러시리스 모터는 SS2712 홀 센서를 통해 영구 자석의 자기극 위치를 감지하는 전자 장치를 사용합니다. 이 감지 결과를 바탕으로 전자 회로가 코일의 전류 방향을 적절한 시점에 전환하여 모터 구동에 필요한 자기력을 올바른 방향으로 발생시킵니다. 이로써 브러시 모터의 단점을 해결합니다.

이러한 회로를 모터 컨트롤러라고 합니다. 브러시리스 모터 컨트롤러는 브러시리스 모터 자체로는 구현할 수 없는 몇 가지 기능, 예를 들어 전력 스위칭 각도 조절, 모터 제동, 모터 역회전, 모터 잠금, 그리고 제동 신호를 이용하여 모터에 대한 전원 공급을 차단하는 기능 등을 구현할 수 있습니다. 현재 배터리 구동식 자동차 전자식 경보 잠금 장치는 이러한 기능들을 최대한 활용하고 있습니다.

브러시리스 DC 모터는 모터 본체와 구동기로 구성된 대표적인 메카트로닉스 제품입니다. 브러시리스 DC 모터는 자동 제어 모드로 작동하기 때문에 가변 주파수 속도 조절 및 중부하 기동 기능을 갖춘 동기 모터처럼 회전자에 기동 권선을 추가할 필요가 없으며, 부하 변화 시 진동이나 스텝 아웃 현상이 발생하지 않습니다.

브러시 모터와 브러시리스 모터의 속도 조절 방식 차이

사실 두 종류의 모터 모두 전압 조절 방식으로 제어되지만, 브러시리스 DC 모터는 전자식 정류자를 사용하기 때문에 디지털 제어가 가능하고, 일반 브러시리스 DC 모터는 탄소 브러시 정류자를 사용하기 때문에 실리콘 제어 방식의 기존 아날로그 회로로 비교적 간단하게 제어할 수 있습니다.

1. 브러시 모터의 속도 조절 과정은 모터 전원의 전압을 조절하는 것입니다. 조절 후, 전압과 전류는 정류자와 브러시를 통해 변환되어 전극에서 생성되는 자기장의 세기를 변화시켜 속도를 조절합니다. 이 과정을 압력 조절이라고 합니다.

2. 브러시리스 모터의 속도 조절 과정은 모터 전원의 전압은 일정하게 유지되고, 전기적 조정 제어 신호가 변경되며, 마이크로프로세서가 고출력 MOS 튜브의 스위칭률을 변경하여 속도를 조절하는 것입니다. 이 과정을 주파수 변환이라고 합니다.

성능 차이

1. 브러시 모터는 구조가 간단하고 개발 기간이 길며 기술이 성숙되어 있습니다.

19세기 모터가 처음 등장했을 당시, 실용적인 모터는 브러시가 없는 형태, 즉 교류(AC) 농형 비동기 모터였으며, 교류가 발생한 이후 널리 사용되었습니다. 그러나 비동기 모터는 극복하기 어려운 여러 단점을 가지고 있어 모터 기술의 발전이 더디게 진행되었습니다. 특히 브러시리스 직류 모터는 상용화에 어려움을 겪었습니다. 전자 기술의 급속한 발전과 함께 최근까지 서서히 상용화되고 있지만, 본질적으로는 여전히 교류 모터의 범주에 속합니다.

브러시리스 모터는 비교적 최근에 탄생했으며, 사람들은 브러시리스 DC 모터를 발명했습니다. DC 브러시 모터는 메커니즘이 간단하고 생산 및 가공이 용이하며 유지 보수와 제어가 간편합니다. 또한 DC 모터는 응답 속도가 빠르고 시동 토크가 크며 정지 상태에서 정격 속도까지 정격 토크 성능을 제공할 수 있어 출시 이후 널리 사용되어 왔습니다.

2. 브러시리스 DC 모터는 응답 속도가 빠르고 시동 토크가 큽니다.

DC 브러시리스 모터는 빠른 시동 응답, 큰 시동 토크, 안정적인 속도 변화를 특징으로 하며, 정지 상태에서 최고 속도까지 거의 진동이 느껴지지 않고 시동 시 더 큰 부하를 구동할 수 있습니다. 그러나 브러시리스 모터는 시동 저항(유도 리액턴스)이 크기 때문에 역률이 낮고 시동 토크가 상대적으로 작으며, 시동 시 윙윙거리는 소음과 강한 진동이 발생하고 시동 시 구동 부하가 작다는 단점이 있습니다.

3. 브러시리스 DC 모터는 부드럽게 작동하며 제동 효과가 우수합니다.

브러시리스 모터는 전압 조절 방식으로 제어되므로 시동 및 제동이 안정적이며, 정속 운전 또한 안정적입니다. 브러시리스 모터는 일반적으로 디지털 주파수 변환 방식을 사용하는데, 이 방식은 먼저 교류를 직류로, 다시 직류를 교류로 변환한 후 주파수 변화를 통해 속도를 제어합니다. 따라서 브러시리스 모터는 시동 및 제동 시 진동이 크고 부드럽지 못하며, 정속 운전 시에만 안정적입니다.

4. DC 브러시 모터 제어 정밀도가 높습니다.

DC 브러시리스 모터는 일반적으로 감속기 및 디코더와 함께 사용하여 모터의 출력과 제어 정밀도를 높입니다. 제어 정밀도는 0.01mm에 달하여 움직이는 부품을 원하는 위치에 거의 정확하게 정지시킬 수 있습니다. 모든 정밀 공작기계는 DC 모터 제어의 정밀도에 의존합니다. 그러나 브러시리스 모터는 시동 및 제동 시 불안정하기 때문에 움직이는 부품이 매번 다른 위치에서 정지하게 되며, 원하는 위치에는 위치 고정 핀이나 위치 제한 장치를 통해서만 정지시킬 수 있습니다.

5. DC 브러시 모터는 사용 비용이 저렴하고 유지 보수가 쉽습니다.

브러시리스 DC 모터는 구조가 간단하고 생산 비용이 저렴하며 제조업체가 많고 기술이 성숙되어 있어 공장, 가공 공작 기계, 정밀 기기 등에서 널리 사용됩니다. 모터 고장 시 카본 브러시만 교체하면 되는데, 개당 가격이 몇 달러에 불과하여 매우 저렴합니다. 하지만 브러시리스 모터는 기술이 아직 성숙하지 않아 가격이 높고 적용 범위가 제한적입니다. 주로 주파수 변환 에어컨, 냉장고 등과 같이 정속 작동이 가능한 장비에 사용되며, 고장 시 교체만 가능합니다.