BLDC 모터 원리 (그림으로 이해하는)

BLDC는 Brushed less DC의 약자로 브러시가 없는 DC 모터이다.

기존의 DC 모터는 

일반 DC 모터 구조

 

브러시를 통하여 정류자편으로 마찰을 통하여 작동하므로 브러시가 마모되고 심하면 브러시와 정류자편 사이에 심한 스파크가 발생을 할 수 가 있다. 또한 심한 소음이 발생하며 마찰손실로 인한 효율 또한 낮은 단점을 지니고 있어서 이를 개선하고자 만든 전동기가 BLDC이다.

BLDC 모터 구성도

 

위의 BLDC의 모터는 외부는 전자석을 이용하고 내부는 영구자석을 이용하여 브러시접촉 기능을 제외하였다. BLDC에서 제일 중요한 부분은 모터구성도에 나와 있지 않은 인버터이다. 현재 설명할 인버터는 MOSFET의 전력반도체소자로 스위칭기능을 지니고 있다.

n-channel MOSFET

위의 MOSFET는 두가지 타입이 있다. 게이트에 입력을 주었을 때 단절되게 하는 것(p-channel MOSFET)과 게이트에 입력을 주었을 때 통전이 가능하게 하도록하는 것 (n-channel MOSFET)이 있다. 위의 경우는 게이트에 입력을 주었을 때 Drain 에서 Sorce로 통전시켜주는 n-channel이다.

6개의 MOSFET를 이용하여 스위칭으로 내부의 영구자석을 회전시켜 회전력을 얻는 방법이 있다 

아래의 그림과 같다.

 

 

처음 60도 회전

두번째 60도 총 120도회전

세번째 60도 회전 총180도회전

 

네번째 60도 회전 총240도회전

다섯번째 60도 회전 총300도회전

 

 

여섯번째 60도 회전 총360도회전

BLDC 모터의 특징

BLDC 전동기의 전류파형과 역기전력 파형에 대해 살펴 보겠습니다.

BLDC 전동기는 MOSFET과 같은 switching 소자에 의해 ON/OFF 되는 형태이기 때문에 float 상태와 같이 switching 소자가 OFF인 경우는 전류가 흐르지 않게 됩니다. 따라서 그림 1과 같이 상전류는 준구형파(quasi-square waveform)가 나타나게 됩니다.
그리고 BLDC 전동기의 큰 특징중에 하나가 역기전력 파형이 사다리꼴(trapezoidal)형태로 나타난다는 것입니다.
그림 1은 각각 U, V, W 상에서 나타나는 상전류와 역기전력 파형을 나타낸 것입니다.
사다리꼴 형태의 역기전력을 설명하기 위해 잠깐 BLDC 전동기와 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)을 비교하고 넘어가겠습니다.
BLDC 전동기와 PMSM을 구분할 수 있는 가장 큰 특징이 역기전력의 파형을 비교하는 것입니다.
BLDC 전동기는 역기전력이 사다리꼴 형태로 나타나는 한편 PMSM은 역기전력이 사인파 형태로 나타납니다.

BLDC motorPMSMBack-EMFPhase CurrentDriving methodTorque rippleCost

Trapezoidal	Sinusoidal
Quasi-square waveform	Sinusoidal
-Two-phase excitation method -Rotor position is detected by hall sensors	-Torque control in vector control -High resolution position sensor is needed
Moderate	Low
Low	High

먼저 영구자석의 착자 방향에 따라 역기전력의 형태가 달라집니다.
BLDC 전동기는 방사 형태로 균일한 자속이 발생하도록 착자 되어있는 반면 PMSM은 평행으로 착자 되어있습니다. 이는 상전류의 파형과 연관이 있습니다. BLDC 전동기의 경우 상전류가 준구형파인데 평평한 구간을 같은 평평한 파형으로 일치시키기 위해서 역기전력은 사다리꼴 형태가 발생하게 착자한 것이고, PMSM의 경우 상전류가 사인파이기 때문에 이와 형태를 일치시키기 위해 사인파 형태로 착자한 것입니다.

 MOSFET의 동작 원리 및 특성 곡선 : 네이버 블로그 (naver.com)

출처 BLDC MOTOR (devicemart.co.kr)