모터의 종류 (3) - BLDC 모터의 구조

BLDC 모터

by Zin9 2022. 12. 2. 22:49

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지난 시간까지 모터의 종류, BLDC와 PMSM의 구조에 대해 알아보았다.

이번 시간에는 BLDC 모터의 구조에 대해 알아볼 것이다.

BLDC 모터의 구동 원리를 설명한 뒤, 모터를 예시로 하여 구조를 분석할 것이다.

BLDC와 PMSM은 구조가 거의 동일함을 지난 시간을 통해 확인했고,

BLDC(PMSM과 동일하게 부를 것) 모터에 대해 더 자세히 들어가고자 한다.

그림 1에서 2극 3슬롯 BLDC 모터의 회전을 볼 수 있다.

화살표는 고정자 권선에 흐르는 전류를 의미한다.

고정자 권선에 전류가 흐르면 "페러데이의 전자기 유도 법칙"에 따라 고정자의 철심에는 자극이 형성된다.

또한, 고정자에 형성된 극성으로 인해 회전자의 영구자석과 인력과 척력이 작용하게 된다.

같은 극은 밀어내고 다른 극은 끌어당기는 힘에 의해 모터는 회전하게 된다.

고정자 권선의 전류에 주목하자.

그림 1의 화살표가 쉴새없이 바뀌는 것을 볼 수 있다.

전류의 방향이 시계방향으로 회전하고 있는데, 자계가 회전한다고 해서 "회전 자계"라 부른다.

따라서, 모터를 지속적으로 회전하기 위해서는 회전자계가 분주하게 돌아가야 한다.

회전자계로 인해서 고정자의 자극이 지속적으로 바뀌게 되고,

고정자와 회전자의 자성(흡인력과 척력)으로 인해 회전력이 발생한다.

회전자계에 대한 설명은 "서보제어" 카테고리에서 설명하도록 한다.

그림 2의 10극 12슬롯 BLDC 모터를 보자.

위에서는 편의상 2극 3슬롯 모터를 예시로 보였으나, 실제로 사용하는 극수-슬롯 조합으로 된 모터를 가져왔다.

내가 다니던 회사에서는 10극 12슬롯의 모터를 사용했기 때문에, 예시로 가져왔다.

인터넷을 찾아보니 10극 12슬롯의 조합을 많이 사용하고 있는데 자세히 알아보지 않을 것이다.

다니던 회사에서 잠깐 듣기로는 "슬롯/극수" 의 비로 어떠한 조합을 사용할 것인지 판단한다고 들었다.

모터 제조 회사에서는 이 수치를 가지고 모터를 어떻게 설계할 것인지 정하는 듯 하다.

판단 기준과 극수-슬롯 조합의 특성은 나중에 시간되면 같이 알아보자.

편의상 고정자 권선의 극성만 U상, V상, W상으로 나타냈다.

중심에는 회전자가 있고, N극(빨간색)과 S극(파란색)의 자석이 회전자 표면에 부착된 구조이다.

고정자 권선에 3상 교류전류를 흘려주면 그림 2와 같이 3상이 만들어진다.

그런데, 그림 2에 고정자 권선의 형태가 2가지로 존재한다?

바로 고정자 권선을 어떻게 감는가에 따라 여러 방식이 존재한다.

그 중 대표적으로 집중권과 분포권이 있다.

내가 일했던 회사에선 집중권을 사용했다.
아마 로봇 회사는 대부분 집중권을 사용하지 않을까?

집중권은 3개의 상이 집중되어 있는 형태이며, 분포권은 3개의 상이 서로 섞여 있는 형태이다.

(3상을 사용하므로 슬롯은 3의 배수이며, 극수는 2의 배수이다.)

그림 3은 고정자에 집중권을 사용한 모터를 보여준다.

집중권과 분포권의 특성 비교를 표 1로 나타냈다.

먼저 말하자면, 내가 다니던 회사에선 집중권을 사용했었다.

그 이유에 대해 표 1을 토대로 설명해보도록 한다.

권선 저항

권선 저항이 낮기 때문에, 집중권이 동손이 더 작을 것이고 이에 따라 모터의 효율은 높을 것이다.

약계자 제어

먼저 "약계자 제어"에 대해 간단히 설명하자면,

(자세한 설명은 "서보 제어" 카테고리에 기술하겠다.)

계자 자속을 이용하여 원하는 속도-토크 곡선을 얻도록 모터의 특성을 조정하는 것이다.

우리가 사용하는 모터에서 약계자 제어를 사용하기 위해서는 D축 전류 지령을 0보다 작은 값으로 한다.

즉, 약계자 제어는 D축 성분을 이용하여 원하는 성능을 내는 개념이다.

하지만, 표면부착형 PMSM에서는 D축 성분을 0으로 한다고 하지 않았는가?

따라서, 약계자 제어를 사용할 일이 거의 없으므로 약계자 제어에 불리하더라도 큰 영향이 없다.

하지만 약계자 제어를 사용한 경우가 있어서 설명해보겠다.

모터를 설계하고 다이나모를 통해 성능을 실험하던 중, 속도-토크 특성이 원하는 목표보다 조금 모자라서
"약계자 제어"를 사용하여 원하는 속도-토크 특성으로 조정했었다.

이 제어 기법은 모터의 효율이 나빠지기 때문에 가급적 사용하지 않는게 좋다.

약계자 제어를 사용하려고 하기 보다는 약계자 제어를 사용하지 않도록 모터를 설계하는 것이 중요하다.
약계자 제어는 표면부착형 PMSM에서는 모터의 효율을 떨어트리기 때문에 가급적 사용하지 않는 편이 좋다.

양산성

내가 일한 산업용 로봇 업계에서는 양산성이 좋다고 생각한다.

우선 모터를 직접 제작하는 업체가 아니라 모터를 제공받아 로봇을 만드는 회사의 입장에서 생각해보자.

집중권을 사용하기 때문에 모터 제조사로부터 철심과 권선이 감겨져 있는 형태로 제공받는다.

그림 3을 다시 보자.

12개의 슬롯은 각각 철심에 권선을 감은 하나의 유닛으로 이루어져 있다.

이러한 유닛을 모터 제조사로부터 수십, 수백, 수천 개 받아서 재고로 보관하다가,

모터를 제작할 때 12개를 꺼내서 고정자를 만들어내는 것이다.

이렇기 때문에 양산성에 좋은 것이다.

고조파

위에서 계속 집중권이 더 좋은 것처럼 소개했는데, 치명적인 단점이 있다.

바로 고조파가 크다는 것이다.

다행이도 이러한 고조파를 줄이기 위해서 모터에 △결선을 사용한다.

특히 △결선은 고조파 중에서 영향이 큰 제 3 고조파의 영향을 줄여준다.

추가로 △결선을 어떻게 만드는지 소개한다.
모터를 제작하면서 그림 3과 같이 고정자를 만들고 나면,
12개로 나뉘어진 슬롯에서 나온 권선을 UVW상과 연결해주어야 한다.
각각의 슬롯에서 선이 2개가 나오므로 총 24개의 선을 3개의 선으로 줄여줘야 한다.
즉, 등가회로로 그리게 되면 4개의 슬롯을 1개의 상으로 표현한다.
(4개의 슬롯을 어떻게 연결하여 1개의 상으로 표현할지는 각 회사마다의 노하우이다.)
4개의 슬롯에서 나온 8개의 권선을 연결할 때, 인쇄배선기판(PWB)를 이용한다.
24개의 선이 PWB의 배선에 의해 3개의 선으로 정리되어 UVW상의 △결선으로 만들어진다.

주의해야 할 점은 모터 설계자는 모터에 흐르는 전류의 크기를 정확히 파악해서 PWB 제작 의뢰를 맡겨야 한다.
PWB의 배선 폭이 좁아서 전류가 제한되면 모터의 성능이 제한될테니까.
Y결선으로 하기도 한다는데, 어떤 목적으로 하는지는 자세히 들은게 없다.