BLDC 모터는 정말 직류전동기일까?

BLDC라는 이름을 그대로 풀어보면 Brushless DC Motor다.

우리말로 하면 브러시 없는 직류전동기다.

그래서 처음 BLDC를 접하면 일반적인 직류전동기에서 브러시만 제거한 모터라고 생각하기 쉽다.

하지만 실제 내부에서 일어나는 현상을 보면 그렇게 단순하지 않다.

BLDC 모터에는 일반적인 직류전동기에서 볼 수 있는 기계식 정류자와 브러시가 없다.

대신 고정자에는 여러 상의 권선이 있고 회전자에는 영구자석이 설치된다.

그리고 전력용 반도체 스위치를 이용한 인버터가 고정자 권선의 전류를 순서대로 바꿔준다.

즉 전원측에서는 직류전압을 사용하지만 모터 내부에서는 각 상의 전류 방향과 크기가 계속 바뀐다.

그래서 BLDC를 이해할 때는

“직류가 흐르는 모터”

라고만 생각하기보다

기계식 정류를 전자식 정류로 바꾼 영구자석 동기형 모터

라고 보는 것이 훨씬 정확하다.

먼저 일반적인 직류전동기부터 생각해보자

브러시가 있는 직류전동기에서는 고정자에서 자계를 만들고 전기자권선이 회전한다.

전기자 도체에 전류가 흐르면 자기장과 전류의 상호작용으로 토크가 발생한다.

문제는 회전자가 반 바퀴 돌았을 때다.

같은 도체에 계속 같은 방향으로 전류를 흘리면 토크방향이 바뀔 수 있다.

따라서 회전자가 계속 같은 방향의 토크를 받으려면 회전자 위치에 맞춰 전기자전류 방향을 바꿔줘야 한다.

이 역할을 하는 것이 정류자와 브러시다.

정류자는 회전자와 함께 회전한다.

브러시는 고정된 상태에서 정류자와 접촉한다.

회전자가 움직이면 정류자편과 브러시의 접촉위치가 달라지면서 전기자 코일의 전류방향이 자동으로 바뀐다.

즉 일반 직류전동기에서는 기계적인 구조가 전류의 정류를 담당한다.

브러시와 정류자는 왜 문제가 될까?

브러시는 정류자 표면과 계속 접촉한다.

따라서 마찰과 마모가 발생한다.

브러시 분진이 생기고 정류자 표면도 관리해야 한다.

전류가 전환되는 순간에는 조건에 따라 스파크가 발생할 수도 있다.

고속운전에서는 기계적인 정류 자체가 제한요소가 될 수 있다.

브러시를 주기적으로 점검하거나 교환해야 하는 것도 유지보수 측면에서는 부담이다.

그렇다면 한 가지 생각을 할 수 있다.

회전자 위치를 전자적으로 알아내고 반도체 스위치가 전류를 대신 바꿔준다면 정류자와 브러시가 없어도 되지 않을까?

BLDC는 바로 이 생각에서 이해할 수 있다.

BLDC의 핵심은 기계식 정류자를 전자회로로 바꾼 것이다

BLDC에서도 회전자 위치에 따라 적절한 권선에 전류를 공급해야 한다.

하지만 그 일을 브러시와 정류자가 하지 않는다.

대신

인버터,

전력용 반도체 스위치,

회전자 위치정보,

전자제어회로

가 담당한다.

이를 전자정류라고 한다.

영어로는 Electronic Commutation이라고 한다.

따라서 BLDC의 핵심은 단순히 브러시가 없다는 데 있지 않다.

기계식 정류가 전자식 정류로 바뀌었다는 점이 핵심이다.

BLDC 모터의 기본구조

대표적인 BLDC 모터는 크게

고정자,

3상 권선,

영구자석 회전자,

위치검출 또는 위치추정장치,

인버터

로 구성된다.

고정자 구조만 보면 3상 교류전동기와 비슷한 부분이 많다.

철심 슬롯에 A상, B상, C상 권선을 배치한다.

회전자에는 N극과 S극을 만드는 영구자석이 설치된다.

회전자에는 정상적인 토크 발생을 위한 별도의 전기자전류를 브러시로 공급할 필요가 없다.

자석 자체가 회전자 자계를 만들어주기 때문이다.

BLDC에는 왜 영구자석을 사용할까?

브러시를 없애려면 회전하는 부분에 전류를 공급하지 않는 구조가 유리하다.

그래서 BLDC에서는 회전자에 영구자석을 배치하고 전류를 공급해야 하는 권선은 고정자쪽에 둔다.

그러면 전력선은 움직이지 않는 고정자권선에만 연결하면 된다.

회전자와 전기적으로 접촉할 필요가 없다.

이 구조 덕분에

브러시,

정류자,

회전자 전원공급 접점

을 없앨 수 있다.

그런데 고정자에 3상 권선이 있는데 왜 DC 모터라고 부를까?

BLDC라는 이름이 가장 혼란스러운 부분이다.

전원측에서 보면 BLDC 드라이브에는 DC 링크 전압이 공급된다.

예를 들어 배터리에서 직접 직류전압을 공급받을 수도 있고, 교류전원을 정류해서 DC 링크를 만들 수도 있다.

하지만 이 DC 전압을 고정자권선에 계속 그대로 연결하는 것은 아니다.

인버터가 여러 개의 전력용 반도체 스위치를 ON/OFF하면서 각 상의 전류를 계속 전환한다.

따라서 A상, B상, C상 전류는 시간에 따라 방향과 크기가 바뀐다.

즉

전원은 DC

이지만

고정자권선 전류는 전자정류에 의해 변화하는 다상 전류

다.

그래서 BLDC를 단순한 직류권선 모터라고 이해하면 정확하지 않다.

일반적인 BLDC 인버터는 어떻게 생겼을까?

3상 BLDC에서는 일반적으로 3개의 상을 제어하기 위한 3상 브리지회로를 사용한다.

각 상에는 상측 스위치와 하측 스위치가 있다.

따라서 기본적으로

A상 상·하 스위치,

B상 상·하 스위치,

C상 상·하 스위치

를 합쳐 6개의 전력용 스위치를 사용할 수 있다.

실제 장치에서는 MOSFET이나 IGBT 같은 반도체가 사용될 수 있다.

제어기는 이 스위치들의 ON/OFF 조합을 바꿔 고정자에 필요한 자계를 만든다.

아무 순서로나 스위칭하면 모터가 돌까?

그렇지 않다.

회전자 영구자석의 현재 위치에 맞춰 적절한 고정자 자계를 만들어야 한다.

회전자 N극이 어느 위치에 있는지 모르는 상태에서 임의의 권선에 전류를 흘리면 원하는 방향의 토크가 나오지 않을 수 있다.

따라서 BLDC 제어에서는 회전자 위치정보가 매우 중요하다.

회전자 위치를 기준으로 다음에 어떤 상을 여자해야 하는지 결정한다.

이 과정이 계속 반복되면서 고정자 자계가 회전한다.

회전자 영구자석은 그 회전자계를 따라가면서 회전한다.

홀센서는 어떤 역할을 할까?

BLDC에서 회전자 위치를 알아내는 대표적인 방법이 홀센서다.

홀센서는 자기장을 감지한다.

회전자에 영구자석이 있으므로 회전자 위치가 바뀌면 센서가 보는 자기장의 극성과 상태도 달라진다.

여러 개의 홀센서를 적절한 위치에 배치하면 제어기는 현재 회전자의 전기적인 위치범위를 알 수 있다.

그 정보를 이용해 다음 스위칭 상태를 결정한다.

즉 홀센서는

“지금 회전자 자석이 어디쯤 있는가?”

를 제어기에 알려주는 역할을 한다.

엔코더를 사용할 수도 있을까?

가능하다.

정밀한 위치와 속도제어가 필요한 시스템에서는 엔코더나 리졸버 같은 위치센서를 사용할 수도 있다.

다만 모든 BLDC가 이러한 고정밀 센서를 필요로 하는 것은 아니다.

팬이나 펌프처럼 비교적 단순한 속도제어를 하는 장치에서는 홀센서나 센서리스 방식이 사용될 수 있다.

어떤 위치검출방식을 사용할지는 요구되는 속도범위와 토크제어 정밀도, 비용 등에 따라 달라진다.

센서 없이도 BLDC를 돌릴 수 있을까?

가능하다.

이를 센서리스 제어라고 한다.

모터가 회전하면 각 고정자권선에는 역기전력이 발생한다.

이 역기전력을 측정하거나 추정하면 회전자 위치에 대한 정보를 얻을 수 있다.

대표적인 6스텝 센서리스 방식에서는 통전하지 않는 상의 역기전력과 중성점 기준의 관계를 이용해 정류시점을 추정할 수 있다.

따라서 별도의 위치센서를 설치하지 않고도 모터를 제어할 수 있다.

역기전력은 BLDC에서도 중요한 역할을 한다

직류전동기의 역기전력과 마찬가지로 BLDC에서도 회전자가 움직이면 고정자권선에 유기전압이 발생한다.

역기전력의 크기는 개념적으로 회전속도와 자속에 비례한다.

영구자석 자속이 일정한 정상범위라면

E ∝ ω

로 생각할 수 있다.

즉 회전속도가 올라가면 역기전력도 증가한다.

이 역기전력은 공급전압과 전류의 관계에 영향을 주며 센서리스 위치추정에도 활용될 수 있다.

정지상태에서는 센서리스 제어가 어려운 이유

역기전력을 이용하는 센서리스 방식에는 약점이 있다.

정지상태에서는 회전자속도가 0이다.

그러면 회전에 의해 만들어지는 역기전력도 거의 0이다.

아주 낮은 속도에서도 역기전력이 작기 때문에 잡음과 구분하기 어려울 수 있다.

따라서 단순한 역기전력 검출방식만 사용하는 센서리스 BLDC에서는 기동과 저속영역의 위치추정이 어려울 수 있다.

그래서 초기에는 정해진 순서로 강제정류를 하다가 일정속도 이상에서 역기전력 기반 센서리스 제어로 전환하는 방법 등을 사용할 수 있다.

고급 제어에서는 다른 추정기법을 사용할 수도 있다.

6스텝 전자정류는 어떻게 이루어질까?

대표적인 3상 BLDC의 6스텝 구동에서는 전기각 360도를 여섯 구간으로 나눈다.

즉 약 60도 전기각마다 스위칭 상태를 바꾼다.

예를 들어 개념적으로 다음과 같은 순서를 생각할 수 있다.

A상 +, B상 –

A상 +, C상 –

B상 +, C상 –

B상 +, A상 –

C상 +, A상 –

C상 +, B상 –

그리고 다시 처음으로 돌아간다.

각 구간에서는 주로 두 상을 이용해 전류를 흘리고 나머지 한 상은 통전하지 않는 형태로 운전할 수 있다.

이 스위칭 순서가 계속 반복되면서 고정자 자계가 단계적으로 이동한다.

6스텝에서 왜 두 상씩 통전할까?

대표적인 120도 통전방식에서는 한 상이 양의 방향으로 약 120도 전기각 동안 통전되고, 다른 구간에서는 음의 방향으로 통전된다.

각 60도 구간을 보면 두 상이 주로 전류경로를 형성하고 한 상은 비통전상으로 남는다.

예를 들어

DC+ → A상 → 권선 → B상 → DC-

와 같은 전류경로가 만들어질 수 있다.

다음 정류시점이 되면 B상 대신 C상이 연결되는 식으로 전류경로가 변경된다.

이런 방식으로 고정자 자계의 방향을 계속 바꾼다.

실제 상전류는 완벽한 사각파일까?

이상적인 설명에서는 구형파 또는 직사각형에 가까운 전류를 그린다.

하지만 실제 모터권선에는 인덕턴스가 있다.

전류는 순간적으로 0에서 최대값으로 뛰지 않는다.

PWM 스위칭과 권선 인덕턴스, 역기전력, 데드타임, 전원전압 등의 영향도 받는다.

따라서 실제 측정파형은 이상적인 사각파와 차이가 있을 수 있다.

6스텝이라는 말은 전류가 완벽한 네모모양이라는 뜻보다 전자정류 상태가 여섯 단계로 전환되는 방식이라고 이해하는 것이 좋다.

BLDC의 역기전력은 왜 사다리꼴이라고 할까?

전통적으로 BLDC라고 부르는 모터는 상 역기전력이 사다리꼴에 가까워지도록 권선과 자석의 자속분포를 설계하는 경우가 많다.

이를 Trapezoidal Back EMF라고 한다.

역기전력에 평평한 구간이 만들어지도록 하고 이 구간에서 비교적 일정한 상전류를 흘리면 일정한 전자기출력을 얻기 쉬워진다.

그래서 대표적인 BLDC 설명에서는

사다리꼴 역기전력 + 120도 통전 구형파 전류

조합을 많이 사용한다.

사다리꼴 역기전력과 전류는 왜 맞춰야 할까?

전기기계에서 순간적인 전자기 변환전력은 각 상의 역기전력과 전류를 이용해 개념적으로

Pem = eaia + ebib + ecic

와 같이 볼 수 있다.

그리고 전자기토크는

Te = Pem / ωm

와 연결된다.

따라서 역기전력이 큰 구간에서 적절한 방향의 전류를 흘리면 원하는 방향의 토크를 만들 수 있다.

이상적인 BLDC에서는 사다리꼴 역기전력의 평평한 부분과 직사각형에 가까운 상전류를 잘 맞춰 전체 전자기출력이 가능한 한 일정하게 유지되도록 한다.

그 결과 토크리플을 줄이는 것이 목표다.

그런데 BLDC에서도 토크리플이 생기는 이유

실제에서는 완벽하게 일정한 토크를 만들기 어렵다.

정류가 한 상에서 다른 상으로 넘어가는 동안 전류가 즉시 바뀌지 않는다.

권선 인덕턴스가 있기 때문이다.

역기전력 역시 완벽한 사다리꼴이 아닐 수 있다.

인버터의 스위칭 데드타임과 전류제어 오차도 영향을 준다.

자석과 슬롯에 의한 코깅토크도 존재할 수 있다.

그래서 6스텝 BLDC에서는 정류구간을 중심으로 토크리플과 진동, 소음이 나타날 수 있다.

PWM은 왜 필요할까?

스위치를 단순히 완전히 ON과 OFF만 반복해도 전자정류는 만들 수 있다.

하지만 토크와 속도를 세밀하게 제어하려면 전류의 크기를 조절할 필요가 있다.

이때 PWM을 사용한다.

PWM은 매우 빠른 속도로 반도체 스위치를 ON/OFF하면서 평균적으로 모터에 인가되는 전압과 전류를 조절한다.

듀티비를 높이면 평균적으로 더 큰 전압을 인가할 수 있고 전류와 토크를 증가시키는 방향으로 제어할 수 있다.

단 실제 전류는 부하와 속도, 역기전력, 권선임피던스 등에 의해 결정된다.

속도는 무엇으로 결정될까?

BLDC 회전자의 영구자석은 고정자가 만들어낸 회전자계를 따라 동기적으로 회전한다.

따라서 전기적인 정류주파수와 기계적인 회전속도는 극수에 의해 연결된다.

극쌍수를 p라고 하면

fe = p × n / 60

으로 표현할 수 있다.

또는

n = 60fe / p

이다.

전체 극수를 P라고 하면

n = 120fe / P

로 나타낼 수 있다.

예를 들어 4극, 즉 2극쌍 BLDC에서 전기적인 기본주파수가 100Hz라면

n = 60 × 100 / 2

이므로

3000rpm

에 해당한다.

전기각과 기계각은 왜 다른가?

2극 모터에서는 회전자가 기계적으로 한 바퀴 돌면 전기각도 한 주기를 돈다.

하지만 극수가 많아지면 달라진다.

극쌍수가 p라면

θe = pθm

관계가 있다.

예를 들어 8극 모터라면 극쌍수는 4다.

회전자가 기계적으로 한 바퀴 도는 동안 전기적으로는 네 주기가 진행된다.

따라서 6스텝 정류에서 말하는 60도는 대부분 기계각 60도가 아니라 전기각 60도다.

이 둘을 혼동하면 정류시점 계산이 완전히 달라질 수 있다.

BLDC는 영구자석 동기기 계열로 볼 수 있다

BLDC의 회전자에는 영구자석이 있다.

고정자에서는 인버터가 순차적으로 자계를 만든다.

정상운전에서는 회전자 자계가 고정자에서 만들어지는 기본적인 회전자계와 동기해서 회전한다.

이 점에서 BLDC는 PMSM과 매우 가까운 전자기적인 원리를 가진다.

그래서 전기기계의 큰 분류에서 보면 둘 다 영구자석 동기기 계열로 이해할 수 있다.

둘의 차이는 완전히 다른 물리법칙을 사용하는 데 있는 것이 아니다.

대표적으로 설계된 역기전력 파형과 전류파형, 정류 및 제어방식에서 차이를 설명하는 경우가 많다.

그렇다면 BLDC와 PMSM은 같은 모터일까?

여기서 경계가 조금 복잡해진다.

전통적인 설명에서는

BLDC:

사다리꼴 역기전력,

6스텝 전자정류,

구형파에 가까운 전류

PMSM:

정현파에 가까운 역기전력,

정현파 전류,

벡터제어 또는 FOC

로 구분한다.

하지만 실제 산업제품에서는 이 경계가 항상 완벽하게 나뉘지는 않는다.

같은 영구자석 모터라도 제어기에 따라 여러 방식으로 구동할 수 있고 제조사와 산업분야에 따라 명칭을 다르게 사용할 수도 있다.

따라서 BLDC와 PMSM을 완전히 다른 구조의 기계라고 단정하는 것보다 영구자석 동기기라는 공통 기반 위에서 파형과 제어방식의 차이를 보는 것이 더 정확하다.

이 부분은 다음 글에서 자세히 비교한다.

BLDC의 토크는 무엇으로 결정될까?

영구자석이 만드는 회전자 자속이 일정한 범위에서는 BLDC의 전자기토크는 상전류와 강한 관계를 가진다.

간단한 제어관점에서는

T ≈ KtI

와 같이 생각할 수 있다.

Kt는 토크상수다.

즉 허용범위 안에서는 전류를 크게 만들수록 더 큰 토크를 만들 수 있다.

그래서 BLDC 드라이브는 단순히 속도만 제어하는 것이 아니라 내부적으로 전류를 제한하거나 제어하는 기능이 중요하다.

기동할 때는 왜 회전자 위치가 특히 중요할까?

정지상태에서는 회전자가 어디에 있는지를 알아야 처음 어떤 상을 여자할지 결정할 수 있다.

잘못된 권선조합을 선택하면 원하는 방향의 토크가 충분히 발생하지 않을 수 있다.

홀센서가 있다면 비교적 쉽게 초기 회전자 위치범위를 알 수 있다.

하지만 역기전력만 사용하는 단순 센서리스 방식은 정지상태에서 역기전력이 거의 없기 때문에 초기위치를 직접 얻기 어렵다.

그래서 정렬과 강제정류 같은 별도의 기동과정이 필요할 수 있다.

부하가 증가하면 어떤 일이 일어날까?

BLDC가 일정한 속도로 운전 중인데 부하토크가 증가했다고 하자.

필요한 전자기토크도 증가해야 한다.

제어기는 전류를 증가시키는 방향으로 PWM 듀티나 전류지령을 조절한다.

그러면 고정자권선 전류가 증가하고 더 큰 토크가 발생한다.

속도제어기가 있는 경우에는

부하 증가

→ 속도 감소 경향

→ 속도오차 증가

→ 토크·전류지령 증가

→ 전자기토크 증가

→ 목표속도 회복

의 흐름으로 볼 수 있다.

BLDC에서 역기전력이 높아지면 왜 고속운전이 어려워질까?

회전속도가 올라가면 역기전력도 증가한다.

인버터가 공급할 수 있는 DC 버스 전압에는 한계가 있다.

속도가 계속 증가하여 역기전력이 공급가능전압에 가까워지면 원하는 전류를 권선에 밀어넣을 전압여유가 줄어든다.

그러면 토크를 유지하기 어려워진다.

이 때문에 모터와 인버터를 선정할 때는 단순한 정격전류뿐 아니라

DC 버스전압,

역기전력상수,

최대속도

의 관계도 중요하다.

역기전력상수와 토크상수는 서로 관련이 있다

SI 단위를 일관되게 사용하고 이상적인 조건을 생각하면 역기전력상수 Ke와 토크상수 Kt는 서로 밀접한 관계를 가진다.

모터가 회전할 때는 속도에 비례해 전압을 만들어내고,

전류를 공급하면 그에 비례해 토크를 만들어낸다.

이것은 전동기와 발전기가 서로 완전히 별개의 장치가 아니라 같은 전자기변환을 반대방향으로 이용한다는 것을 보여준다.

따라서 BLDC도 외부기계에 의해 구동되고 적절한 전력회로가 연결되어 있다면 발전운전을 할 수 있다.

BLDC도 회생제동을 할 수 있을까?

가능하다.

앞 글에서 살펴본 회생제동의 기본원리는 BLDC에도 적용된다.

회전자가 돌고 있는 상태에서 인버터가 회전방향과 반대되는 전자기토크를 만들면 회전체의 기계에너지가 전기에너지로 변환된다.

이 에너지는 DC 링크 또는 배터리쪽으로 전달될 수 있다.

다만 실제로 에너지를 전원에 돌려보낼 수 있는지는 인버터와 전원시스템의 구조에 따라 달라진다.

즉 BLDC도 전동기와 발전기의 양방향 에너지변환이 가능하다.

브러시가 없으면 효율이 무조건 높을까?

브러시 접촉손실과 기계적인 마찰요소를 줄일 수 있다는 장점은 있다.

회전자에 전기자권선을 두고 브러시로 큰 전류를 전달하지 않아도 된다.

하지만 그렇다고 손실이 없어지는 것은 아니다.

고정자권선에는 동손이 발생한다.

철심에는 철손이 발생한다.

인버터에는 반도체의 도통손실과 스위칭손실이 있다.

베어링과 냉각구조에도 기계손이 존재한다.

영구자석이나 회전자에서도 고조파에 의한 손실이 발생할 수 있다.

따라서

브러시 없음 = 손실 0

이라고 생각하면 안 된다.

유지보수가 전혀 필요 없는 것도 아니다

브러시가 없기 때문에 정류자와 브러시 관련 유지보수는 크게 줄어든다.

하지만 모터 전체가 무보수 장비가 되는 것은 아니다.

베어링은 여전히 마모된다.

냉각팬이 있다면 팬과 통풍로도 점검해야 한다.

고정자권선의 절연도 열과 전압스트레스에 의해 열화될 수 있다.

인버터와 커넥터, 센서, 배선에도 고장이 생길 수 있다.

특히 위치센서를 사용하는 시스템에서는 센서와 신호배선 이상이 모터불량처럼 보일 수도 있다.

BLDC가 갑자기 돌지 않을 때 모터만 의심하면 안 되는 이유

브러시 DC 모터는 모터 단자에 적절한 직류전압을 직접 인가하면 비교적 직관적으로 동작상태를 확인할 수 있다.

BLDC는 다르다.

단순히 DC+와 DC-를 모터의 임의의 두 선에 계속 연결한다고 정상운전하는 구조가 아니다.

정확한 전자정류가 필요하다.

따라서 BLDC 시스템이 동작하지 않을 때는

모터 권선,

회전자 자석,

홀센서,

센서배선,

인버터 스위칭회로,

DC 링크,

제어기

를 하나의 시스템으로 봐야 한다.

3상 권선저항은 무엇을 확인할 수 있을까?

모터가 정지된 상태에서 상간 저항을 비교하면 권선상태를 점검하는 데 도움이 될 수 있다.

A-B,

B-C,

C-A

사이의 저항이 비슷한지 확인할 수 있다.

특정 상의 저항이 현저하게 다르면

접속불량,

권선단선,

권선이상

등을 의심할 수 있다.

다만 저항이 정상이라고 해서 모든 모터상태가 정상이라는 뜻은 아니다.

절연상태와 센서, 자석, 베어링, 드라이브 상태는 별도로 확인해야 한다.

홀센서 이상은 어떤 증상을 만들 수 있을까?

홀센서 신호가 잘못되면 제어기가 잘못된 정류시점을 선택할 수 있다.

그러면

기동불량,

심한 진동,

역회전,

토크부족,

과전류,

비정상적인 소음

같은 현상이 나타날 수 있다.

그래서 BLDC 점검에서는 단순히 권선저항만 측정하는 것보다 회전자 위치에 따라 홀센서 출력이 정상적으로 변하는지도 확인하는 것이 중요할 수 있다.

정확한 전압과 신호방식은 제조사 회로도와 매뉴얼을 따라야 한다.

상 하나가 끊어지면 어떻게 될까?

BLDC는 여러 상의 전류를 정해진 순서로 전환하면서 토크를 만든다.

따라서 한 상이 단선되거나 인버터의 특정 스위치가 동작하지 않으면 정상적인 회전자계 형성이 어려워진다.

토크가 감소하고 큰 토크리플과 진동이 발생할 수 있다.

기동이 되지 않거나 특정 위치에서 멈추는 현상이 나타날 수도 있다.

이런 경우 모터권선뿐 아니라 드라이브의 출력단도 함께 점검해야 한다.

영구자석도 고장날 수 있을까?

가능하다.

영구자석이라고 해서 자력이 영원히 완전히 일정한 것은 아니다.

지나치게 높은 온도나 매우 강한 반대방향 자기장에 노출되면 영구자석의 자력이 감소하는 불가역 감자가 발생할 수 있다.

자력이 약해지면 같은 전류에서 발생하는 토크가 감소하고 역기전력 특성도 달라질 수 있다.

따라서 영구자석 모터는 권선온도뿐 아니라 회전자 자석의 허용온도도 중요하다.

과전류가 자석에도 영향을 줄 수 있는 이유

고정자에 매우 큰 전류가 흐르면 강한 자계가 만들어진다.

이 자계의 방향과 크기에 따라 회전자 영구자석을 감자시키는 방향의 자기장이 생길 수 있다.

특히 자석온도가 높을수록 감자에 대한 여유가 줄어들 수 있다.

그래서 BLDC와 PMSM 드라이브에는 단순히 반도체와 권선을 보호하기 위한 것뿐 아니라 모터 전체의 자기적인 한계를 고려한 전류제한이 중요하다.

BLDC의 방향은 어떻게 바꿀까?

브러시 DC 모터에서는 전기자전압이나 계자극성을 바꾸는 방법을 생각할 수 있다.

BLDC에서는 전자정류 순서를 반대로 바꾸면 회전자계의 진행방향이 바뀐다.

예를 들어

A-B → A-C → B-C

순으로 진행하던 정류순서를 반대로 구성하면 반대방향의 회전자계를 만들 수 있다.

즉 기계적인 배선절환보다 제어기의 스위칭 순서를 통해 회전방향을 바꿀 수 있다.

다만 실제 제품에서는 제조사가 정한 제어방식과 단자를 따라야 한다.

BLDC의 속도는 DC 전압 하나로만 결정되는 것이 아니다

BLDC를 DC 모터라고 부른다고 해서 단순히 전압을 두 배로 하면 속도가 정확히 두 배가 된다고 보면 안 된다.

실제 속도는

DC 버스전압,

PWM 듀티,

정류주파수,

모터의 역기전력,

부하토크,

전류제어,

극수

등이 함께 영향을 준다.

특히 폐루프 속도제어에서는 제어기가 목표속도를 기준으로 토크와 전류를 계속 조절한다.

따라서 BLDC는 모터와 전자제어기를 분리해서 생각하기 어려운 전동기다.

BLDC에서 모터와 드라이버를 한 세트로 보는 이유

일반적인 상용 유도전동기는 정격주파수의 3상 전원을 바로 공급해서 운전할 수 있다.

하지만 BLDC는 정상적인 전자정류를 위해 제어기가 필요하다.

모터의

극수,

역기전력특성,

정격전류,

홀센서 배열,

정류순서

와 드라이버 설정이 맞아야 한다.

그래서 BLDC는 모터만 떼어놓고 보기보다는 모터 + 인버터 + 위치정보 + 제어알고리즘을 하나의 구동시스템으로 보는 것이 이해하기 쉽다.

BLDC라는 이름에서 DC는 무엇을 의미한다고 봐야 할까?

가장 안전한 이해는 다음과 같다.

BLDC는 보통 DC 버스를 전원으로 사용한다.

기계식 브러시와 정류자가 없다.

대신 전자회로가 정류작용을 수행한다.

고정자에는 시간에 따라 변화하는 다상전류가 흐른다.

회전자 영구자석은 고정자의 회전자계와 동기하여 회전한다.

따라서 BLDC의 DC라는 글자만 보고

“모터 내부의 모든 전류가 일정한 직류다”

라고 생각하면 안 된다.

BLDC와 브러시 DC 모터의 가장 큰 차이

브러시 DC 모터에서는

회전자에 전기자권선이 있고

브러시와 정류자가 전류방향을 기계적으로 바꾼다.

BLDC에서는

영구자석이 회전자에 있고

권선은 고정자에 있으며

인버터가 전류방향을 전자적으로 바꾼다.

결국 두 모터 모두 지속적인 한 방향 토크를 만들기 위해 적절한 시점마다 전류와 자기장의 관계를 바꿔야 한다는 기본목적은 같다.

차이는 그 정류작업을

기계가 하느냐,

전자회로가 하느냐

에 있다.

BLDC의 장점은 무엇일까?

브러시와 정류자가 없기 때문에 마모부품을 줄일 수 있다.

브러시 접촉에 따른 분진과 스파크 문제도 줄어든다.

회전자에 무거운 전기자권선을 두지 않고 영구자석을 사용할 수 있어 설계에 따라 높은 출력밀도를 얻는 데 유리하다.

전자제어를 이용하므로 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수도 있다.

하지만 이러한 장점을 얻는 대신 반드시 전력전자 드라이브와 제어회로가 필요하다.

즉 기계적인 구조는 단순해지지만 전자제어는 더 중요해진다.

BLDC의 단점도 있다

영구자석은 비용과 온도특성의 영향을 받을 수 있다.

전자제어기가 반드시 필요하다.

인버터의 스위칭으로 전자파노이즈가 발생할 수 있다.

대표적인 6스텝 구동에서는 정류토크리플과 소음이 문제가 될 수 있다.

홀센서가 있다면 센서와 배선도 고장요소가 된다.

따라서 BLDC가 모든 용도에서 다른 전동기보다 무조건 우수하다고 볼 수는 없다.

부하와 제어목적, 비용, 환경을 함께 고려해야 한다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, BLDC의 DC는 고정자 각 상에 일정한 직류가 계속 흐른다는 뜻이 아니다.

둘째, BLDC에서는 브러시와 기계식 정류자 대신 인버터가 전자정류를 한다.

셋째, 대표적인 3상 BLDC에서는 6개의 전력용 스위치를 이용한 3상 브리지회로를 사용할 수 있다.

넷째, 대표적인 6스텝 정류에서는 60도 전기각마다 스위칭 상태가 변한다.

다섯째, 60도 전기각과 60도 기계각은 같은 것이 아니다.

극쌍수가 많아질수록 한 기계회전당 여러 번의 전기적인 주기가 발생한다.

여섯째, BLDC의 대표적인 역기전력은 사다리꼴로 설명하지만 모든 실제 BLDC 파형이 완벽한 사다리꼴인 것은 아니다.

일곱째, 실제 상전류도 권선 인덕턴스와 PWM 때문에 완벽한 사각파가 아니다.

여덟째, BLDC의 회전자는 고정자에서 만들어지는 회전자계와 동기하여 움직인다.

아홉째, 센서리스 방식은 역기전력을 이용할 수 있지만 정지와 저속에서는 역기전력이 작아 별도의 기동전략이 필요할 수 있다.

열째, BLDC와 PMSM은 완전히 다른 전자기 원리를 사용하는 모터라기보다 같은 영구자석 동기기 계열에서 파형과 제어방식을 중심으로 구분하는 것이 더 정확하다.

마무리

BLDC 모터는 이름만 보면 브러시를 제거한 일반 직류전동기처럼 보인다.

하지만 내부구조와 동작방식을 보면 상당히 다르다.

일반적인 브러시 직류전동기에서는 회전자 전기자권선에 흐르는 전류를 정류자와 브러시가 기계적으로 전환한다.

BLDC에서는 이 기계식 정류장치를 없앤다.

대신 회전자에 영구자석을 사용하고 고정자에 다상권선을 배치한다.

그리고 인버터의 전력용 반도체 스위치가 회전자 위치에 맞춰 각 상의 전류를 전환한다.

즉

기계식 정류 → 전자정류

로 바뀐 것이다.

대표적인 3상 BLDC의 6스텝 구동에서는 전기각 60도마다 스위칭 상태를 변경하면서 적절한 두 상을 주로 통전한다.

전통적인 BLDC에서는 사다리꼴에 가까운 역기전력과 구형파에 가까운 상전류를 조합하여 비교적 일정한 토크를 만들도록 설계하는 경우가 많다.

하지만 실제 모터에서는 권선 인덕턴스와 PWM, 정류구간, 자속분포 등의 영향 때문에 파형은 이상적인 형태와 차이가 난다.

또한 BLDC 회전자는 고정자에서 만들어지는 자계와 동기해서 회전한다.

그래서 전기기계의 기본원리로 보면 BLDC는 영구자석 동기기와 매우 가까운 기계다.

결국 BLDC의 이름에서 가장 중요한 것은 DC라는 글자보다 Brushless와 Electronic Commutation이다.

전원은 직류일 수 있지만 고정자 권선에서는 인버터에 의해 시간에 따라 변하는 전류가 흐른다.

그리고 이 전자정류가 브러시와 정류자가 하던 일을 대신한다.

그렇다면 여기서 또 하나의 의문이 생긴다.

회전자에 영구자석을 사용하고 고정자에 3상권선이 있으며 회전자계와 동기해서 회전한다면 BLDC와 PMSM은 도대체 무엇이 다른 것일까?

다음 글에서는 BLDC와 PMSM은 무엇이 다를까?를 주제로 역기전력 파형, 전류파형, 6스텝 제어와 정현파 제어, 토크리플과 실제 모터 분류까지 비교해본다.