모터의 종류 (1)

모터의 종류에 대해 알아보자.

먼저 우리는 산업용 로봇에 사용되는 모터를 다룬다.

대부분의 회사는 BLDC 모터를 사용한다.

다만, 회사에 따라 BLAC, BLDC, AC 로 다양하게 부르지만 결국 명칭만 다를 뿐 같은 모터 타입이다.

아래의 그림 1 을 보자.

우리는 BLDC 모터를 다루는데, 그림 1을 보면 표면 부착형 동기 전동기(SMPMSM)을 빨간 글씨로 표현했다.

내가 일하는 곳에서 사용하는 모터는 SMPMSM을 사용한다.

IPMSM보다 최대 토크를 얻기 쉽다는 점도 있기도 하고 여러 이유가 있다.

앞으로 말하는 PMSM은 전부 표면 부착형 영구 자석 동기전동기(SMPMSM)을 의미한다.

(SMPMSM이란, Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor이다.)

 

그렇다면 왜 PMSM과 BLDC를 BLDC라고 부를까?

우리는 벡터 제어를 사용한다. 즉 3상 전류를 PWM 으로 구현해야 한다.

벡터제어란?

이 말은 즉슨, 우리는 3상 교류 모터를 사용하고 있다.

그런데 BLDC는 DC 타입이 아닌가?

 

<그림 1. 모터의 종류>

 

이 의문점에 대한 답은 하나다.

구조를 보면 거의 동일한데, 두 모터는 제어 방식에서 차이가 있다.

(실제로 내가 같이 일을 했던 모터 관련 대기업에서는 영구자석동기전공기(PMSM)를 BLDC 모터라고 부른다!)

BLDC 모터는 일반적으로 6-스텝 제어 방식을 사용하고,

PMSM은 벡터 제어 방식을 사용한다.

이 제어 방식의 차이로 인해서 BLDC 모터의 역기전력 파형은 사다리꼴 형태로 나타나는 반면,

PMSM의 역기전력 파형은 사인파형으로 나타난다.

 

여기에서 한 번 더 생각해보자.

이전에서 BLDC와 PMSM의 구조는 거의 동일하다고 했다.

(상세 비교는 다음 페이지에서 기술한다.)

그렇다면 BLDC 모터를 벡터 제어 방식으로 구동하면 어떻게 될까?

바로 PMSM과 같이 역기전력의 파형이 사인파형으로 나타나게 된다.

이로 인해서 엄밀히 따지면 PMSM이라고 불러야 하는데 BLDC라고 부르는 것이다.

 

다음 장에서 BLDC 모터와 PMSM에 대해 더 자세히 알아보자.

 

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모터의 종류가 무엇인지 알아보았고, 지금부터는 모터의 특성에 대해 알아보고자 한다.

 

자료 출처는 내게 교육해줬던 일본분께서 주신 자료이기에 표에 작성된 자료가 현 시점에서 보는 시각과 다를 수 있다.

참고로만 알아두자.

그림 2를 보면 주로 사용하는 모터를 몇 개 선정하여 그 특성을 비교한 것이다.

여기에서 산업용 로봇에 사용되는 모터의 관점에서 표를 분석해보자.

 

<그림 2. 모터 특성 비교>

산업용 로봇은 보통 최대 속도를 6,000[RPM]으로 설정하고 있다.

산업용 로봇이 아니더라도 파나소닉, 야스카와 모터의 사양서를 보면,

정격 속도를 3,000[RPM]로, 최대 속도를 6,000[RPM]으로 나타낸다.

(모터의 특성에 따라 속도 기준은 달라질 수 있다)

표에는 10,000[RPM]이 최대속도라 했지만, 왜 6,000[RPM]를 최대 속도로 제한했을까?

이유를 보면 모터의 특성에 있다.

 

표면부착형 동기전동기는 말 그대로, 모터의 회전자에 영구자석을 부착하는 방식이다.

따라서, 너무 빠른 속도로 회전자가 회전할 경우에 영구자석이 떨어져 나갈 수 있다.

이로 인해서 매립형 동기전동기보다 상대적으로 낮은 속도로 운전한다.

내가 일했던 곳에서도 모터의 최대 속도를 6,000[RPM]으로 제한하고 있다.

그렇다면 왜 정격속도는 3,000[RPM]일까?

나도 이러한 이유에 대해 들은 것은 없지만, 인터넷을 뒤적거리면서 알아낸 사실로 유추해보겠다.

모터를 가장 많이 제작하고, 모터 제어 기술이 높은 지역에 맞춰서 이러한 기준이 세워지지 않았을까라고 생각해본다.

 

전기에서 60[Hz]를 사용하는 지역(아시아, 유럽 등)과 50[Hz]를 사용하는 지역(북미, 일본 등)이 있다.

모터와 모터 드라이버 기술은 일본이 기반기술로 견고히 잡고 있는 분야이다.

1970년대부터 산업용 로봇을 개발할 만큼 모터를 많이 사용하고 기술을 오래전부터 보유하고 있다.

그래서 일본의 관점에서 기준이 정해 졌을 거라 생각한다.

또한, 북미지역도 50[Hz]를 사용하기에 정격 속도에 대한 기준을 50[Hz]으로 하는 사회적 합의가 이뤄진게 아닐지?

 

이젠 계산으로 넘어가서 50[Hz]가 기준이라고 하자.

주파수의 단위인 [Hz]는 1초당 몇 주기나 바뀌는가를 나타낸다.

주파수랑 정격속도랑 무슨 연관이 있는 것이길래?

 

주파수를 보면 사인파형이 1초동안 몇 주기 반복되는가를 나타낸다.

2극 BLDC 모터를 보면, 공급되는 전압이 1초에 몇 주기 반복되는가에 따라서 모터의 1초당 회전수가 결정된다.

이 말은 공급 전압의 주파수가 회전수로 나타나진다는 소리이다.

회전수 공식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.

1초당 회전수[RPS] = 주파수[Hz] x 극수(P) / 2
(RPS = Revolution Per Second) 

 

이 말을 모터의 관점에서 보면, 1초에 기계각이 몇 번이나 회전했는가로 나타낼 수 있다.

즉, [Hz]를 모터에선 [RPS]로 볼 수 있는 것이다.

따라서, 사양서에서 보이는 정격속도 단위로 환산한다면 아래의 공식이 된다.

속도[RPM] = 60 x 1초당 회전수[RPS]

 

초 단위의 [RPS]에 60을 곱하면 분 단위의 [RPM]이 되기 때문이다.

따라서, 일본에서 사용하는 50[Hz] 주파수에 60을 곱한 값이 3,000[RPM]이라서

모터 사양서에서 기준 속도(정격 속도)로 3,000[RPM]을 사용하는 것이 아닐까라고 생각한다.

개인적인 생각이기 때문에 실제와는 다를 수 있다.

내 추측이 사실이 아니더라도 3,000[RPM]이 정격 속도로 사용되는 것은 변함없는 사실이다.

크게 중요한 것은 아니다.

 

이에 대해 자세히 아시는 분이 있으면 댓글 달아주시면 감사하겠습니다!