BLDC 기어 모터 설명: 작동 방식, 사용 위치, 올바른 모터 선택 방법

BLDC 기어 모터가 다른 모터 유형과 다른 점

BLDC 기어 모터는 브러시리스 DC 모터와 출력 샤프트에 직접 장착된 기계식 기어박스라는 두 가지 개별 구성요소를 단일 통합 드라이브트레인 장치로 결합합니다. BLDC 모터 또는 브러시리스 모터라고도 불리는 브러시리스 DC 모터는 기존 브러시 설계에 사용된 물리적 브러시-정류자 접점이 아닌 전자 정류 자기장을 통해 회전 모션을 생성합니다. 연결된 기어박스는 모터의 특징적인 높은 회전 속도를 실제 기계 작업에 적합한 더 낮은 속도, 더 높은 토크 출력으로 낮춥니다.

설정하는 핵심 구별 BLDC 기어 모터 브러시드 기어모터와는 별도로 기계적 정류가 제거됩니다. 브러시리스 모터에서 회전자는 영구 자석을 운반하고 고정자는 권선을 유지합니다. 전자 속도 컨트롤러(ESC) 또는 통합 드라이버는 정확한 타이밍에 고정자 코일에 순차적으로 전원을 공급하여 영구 자석 로터를 당기는 회전 자기장을 생성합니다. 물리적 브러시가 회전 어셈블리와 접촉하지 않기 때문에 브러시 마모, 아크 및 탄소 먼지 오염이 없습니다. 브러시 모터의 세 가지 주요 고장 모드가 전혀 없습니다.

이 아키텍처는 브러시 처리된 모터보다 근본적으로 더 효율적이고 수명이 길며 더 조용한 모터로 변환됩니다. 정밀 기어박스와 결합하면 유지 관리로 인한 가동 중지 시간에 비용이 많이 들고 신뢰성이 타협할 수 없는 연속 작업 산업 및 상업용 응용 분야에 적합한 소형 고성능 액추에이터가 탄생합니다.

건설 내부: 브러시리스 기어모터 제작 방법

BLDC 기어 모터의 내부 구조를 이해하면 엔지니어와 구매자가 더 나은 선택 결정을 내리고 유지 관리 요구 사항을 정확하게 예측하는 데 도움이 됩니다. 어셈블리는 여러 통합 하위 시스템으로 구성되며 각 하위 시스템은 특정 방식으로 전체 성능에 영향을 미칩니다.

내부 로터와 외부 로터 구성

기어 모터에 사용되는 BLDC 모터는 영구 자석 회전자가 고정자 권선 내부에 위치하는 내부 회전자 구성으로 가장 일반적으로 제작됩니다. 이 설계는 상대적으로 낮은 로터 관성으로 높은 RPM에서 회전하므로 토크 증가를 처리하는 기어박스와 결합하는 데 이상적입니다. 외부 회전자(또는 아웃러너) 설계는 자석 조립체를 고정자 외부에 배치하고 드론 추진 또는 허브 모터와 같이 직접 구동 토크 밀도가 중요한 응용 분야에 사용되지만 회전하는 외부 쉘에 기어박스를 부착해야 하는 기하학적 문제로 인해 통합 기어 모터 패키지에서는 덜 일반적입니다.

홀 효과 센서 및 센서리스 작동

올바른 정류를 위해 운전자는 항상 로터의 각도 위치를 알아야 합니다. 대부분의 산업용 BLDC 기어 모터에는 120도 간격으로 고정자에 내장된 3개의 홀 효과 센서가 포함되어 있습니다. 이 센서는 회전자의 통과하는 자극을 감지하고 위치 신호를 컨트롤러에 공급하여 시동부터 최고 속도까지 정밀하고 원활한 정류를 가능하게 합니다. 일부 설계에서는 전원이 공급되지 않는 권선의 역기전력 신호로부터 회전자 위치를 추정하는 무센서 정류를 사용합니다. 무센서 시스템은 더 가볍고 저렴하지만 역기전력이 너무 약해서 안정적으로 읽을 수 없는 매우 낮은 속도와 시작 시 어려움을 겪습니다. 부하 상태에서 시작되는 대부분의 기어모터 애플리케이션의 경우, 홀 센서 피드백이 선호되고 더욱 안정적인 옵션입니다. .

BLDC 모터와 통합된 기어박스 유형

브러시리스 DC 모터에 부착된 기어박스는 출력 토크, 속도 범위, 효율성 요구 사항 및 애플리케이션의 물리적 공간 제약을 기준으로 선택됩니다. BLDC 기어모터 시장을 지배하는 세 가지 유형은 다음과 같습니다.

• 유성 기어박스 BLDC 모터에 가장 널리 사용되는 페어링입니다. 동축 설계는 결합된 장치를 컴팩트하게 유지하며 여러 유성 기어에 대한 부하 공유를 통해 단계당 90~97%의 효율성으로 높은 토크 밀도를 제공합니다. 이 제품은 반경방향 및 축방향 샤프트 하중을 모두 잘 처리하므로 까다로운 위치 지정 및 드라이브 응용 분야에 적합합니다.
• 스퍼 기어박스 평행축 기어열을 사용하며 더 가벼운 작업을 위한 비용 효율적인 선택입니다. 이는 부하가 걸린 유성 설계보다 소음이 많고 토크 밀도가 낮지만 단순성과 제조 비용이 낮아 음향 성능이 덜 중요한 장비에 적합합니다.
• 웜기어박스 매우 높은 단일 스테이지 기어비(최대 100:1 이상)와 고유한 출력 샤프트 역구동 방지 기능을 제공합니다. 따라서 호이스트, 게이트 및 밸브 응용 분야에서 가치가 높습니다. 이들의 절충안은 효율성이 낮고(비율 및 나선 각도에 따라 40~85%) 지속적인 부하 하에서 열 발생이 더 크다는 것입니다.

브러시리스 DC 기어모터의 핵심 성능 이점

현대 기계 설계에서 BLDC 기어 모터의 매력은 단순히 기술 추세를 따르는 것이 아닙니다. 이는 동일한 전력 등급의 브러시 기어 모터 및 AC 유도 모터에 비해 측정 가능하고 애플리케이션 관련 성능 이점에 기반을 두고 있습니다.

브러시리스 기어모터의 효율성 이점은 배터리 구동 시스템에서 가장 큰 영향을 미칩니다. 여기서 효율성의 모든 백분율 포인트는 직접적으로 더 긴 작동 시간으로 이어집니다. 배터리 팩으로 16시간 교대 근무하는 AGV는 브러시 드라이브트레인에서 브러시리스 드라이브트레인으로 전환함으로써 상당한 작동 개선을 볼 수 있습니다. 이는 에너지 절약뿐만 아니라 모터 열 감소로 인해 인접한 전자 장치 및 기어박스 윤활유에 대한 열 스트레스도 줄어듭니다.

넓은 속도 제어 범위도 마찬가지로 중요합니다. BLDC 기어모터는 정격 속도의 5% 또는 100%에서 원활하게 작동하도록 명령을 내릴 수 있으며 전체적으로 일관된 토크를 전달합니다. 브러시 모터는 매우 낮은 듀티 사이클에서 토크 안정성을 잃으며, 가변 주파수 드라이브 없이 작동하는 AC 유도 모터는 기본적으로 고정 속도 장치입니다. 이러한 유연성으로 인해 브러시리스 기어모터는 처리량이나 프로세스 속도가 동적으로 변화해야 하는 응용 분야에서 특히 유용합니다.

BLDC 기어 모터가 사용되는 곳: 실제 적용 사례

브러시리스 DC 기어모터는 매우 광범위한 산업 분야에 걸쳐 등장합니다. 이러한 애플리케이션의 대부분이 공유하는 점은 기술의 강점을 정의하는 소형 크기, 안정적인 연속 작동, 가변 속도 및 낮은 유지 관리에 대한 요구입니다.

자동 유도 차량 및 모바일 로봇 공학

AGV, AMR(자율 이동 로봇) 및 협동 로봇(cobot) 플랫폼은 BLDC 유성 기어 모터의 가장 큰 성장 부문 중 하나입니다. 이러한 시스템에는 원활한 탐색을 위한 정밀한 속도 제어, 최대 부하 및 경사로에서 출발하기 위한 높은 피크 토크, 유지 관리 중지 사이의 긴 작동 수명, 좁은 섀시 설계에 맞는 컴팩트한 패키지가 필요합니다. 일반적인 AGV 휠 드라이브는 24V 또는 48V BLDC 유성 기어모터 100~500W 범위에서 휠 직경과 목표 이동 속도에 따라 기어비는 10:1~50:1입니다. 모터 샤프트에 통합된 인코더는 주행 거리 측정을 위해 위치 데이터를 내비게이션 컨트롤러에 다시 제공합니다.

산업용 컨베이어 및 핸들링 시스템

현대 전자상거래 주문 처리 센터와 제조 라인은 가변 속도 컨베이어 시스템을 사용하여 제품 흐름을 측정하고 업스트림 및 다운스트림 프로세스를 동기화하며 깨지기 쉬운 품목을 부드럽게 처리합니다. 이러한 시스템의 BLDC 기어모터는 모든 구동 지점에서 VFD 없이 개별적으로 속도 제어가 가능하여 제어 캐비닛의 복잡성과 규모에 따른 비용을 줄일 수 있기 때문에 구형 AC 유도 모터 및 기어박스를 대체합니다. 롤러 컨베이어 시스템은 소형 24V 또는 48V 브러시리스 기어모터를 구동 롤러 내부에 직접 내장하는 경우가 많습니다(전동식 구동 롤러라고 하는 구성). 완전히 분산되고 개별적으로 제어 가능한 컨베이어 구역 레이아웃을 생성합니다.

의료 및 실험실 장비

수술용 로봇, 주입 펌프, 실험실 자동화 플랫폼 및 진단 기기에는 미립자 오염을 생성하지 않고(브러시 제외) 조용하게 작동하며 정확하고 반복 가능한 동작을 제공하고 수년간 연속 작동하는 동안 일관된 성능을 유지하는 모터가 필요합니다. BLDC 기어모터, 특히 정밀 유성 기어박스를 갖춘 소형 22~57mm 프레임 크기의 기어모터는 이 부문에서 가장 널리 사용되는 액추에이터입니다. 낮은 EMI 출력은 민감한 측정 전자 장치가 근처에서 작동하는 환경에서도 중요합니다.

전기 자전거, 스쿠터 및 소형 EV

미드 드라이브 전기 자전거 모터는 본질적으로 인간 규모의 전력 입력 및 출력에 최적화된 고성능 BLDC 기어 모터입니다. 내부 유성 감속 단계를 사용하여 드라이브트레인에 부드러운 토크를 전달하는 동시에 모터가 지형에 관계없이 효율적인 RPM 범위에서 회전할 수 있도록 합니다. 마찬가지로, 전기 스쿠터와 소형 다용도 차량은 내부 감속 기어링이 있는 BLDC 허브 모터를 사용하여 순항 속도에서 모터 효율을 저하시키지 않으면서 낮은 휠 속도에서 토크를 최대화합니다. 이러한 소비자 제품에 브러시 유지 관리가 없다는 점은 최종 사용자가 기계적 서비스 능력이 없는 시장에 판매되는 제품의 주요 신뢰성 이점입니다.

스마트 홈 및 빌딩 자동화

전동 블라인드, 스마트 커튼 시스템, HVAC 댐퍼 액추에이터 및 자동 도어 오프너에는 이전에 이러한 범주를 지배했던 AC 동기 모터 대신 소형 BLDC 기어 모터를 점점 더 많이 사용하고 있습니다. 저전압 DC 공급 장치(12V 또는 24V)에서 작동하고, 위치와 속도를 정밀하게 제어하고, 마이크로컨트롤러 기반 스마트 홈 플랫폼과 쉽게 통합할 수 있는 기능 덕분에 브러시리스 기어모터는 연결된 건물 시스템에 자연스럽게 적합합니다. 조용한 작동은 주거 환경에서 의미 있는 사용자 경험의 이점이기도 합니다.

귀하의 애플리케이션에 적합한 BLDC 기어모터를 선택하는 방법

브러시리스 DC 기어모터를 선택하려면 일련의 상호 의존적인 매개변수를 검토해야 합니다. 특히 토크나 열 정격 중 하나라도 잘못되면 모터가 조기에 고장나거나 첫날부터 성능이 저하될 수 있습니다. 선택 프로세스는 부하 분석부터 드라이버 호환성까지 논리적 순서를 따라야 합니다.

1단계 - 로드 프로필 정의

출력 샤프트 요구 사항부터 시작하십시오. 부하가 요구하는 토크는 얼마이며, 속도는 얼마이며, 듀티 사이클은 얼마입니까? 부하를 이동하는 데 필요한 힘, 모멘트 암 또는 구동 반경, 마찰 손실 및 빠른 시작에 필요한 가속 토크를 고려하여 첫 번째 원칙에 따라 필요한 출력 토크를 계산합니다. 계산된 토크에 항상 1.5–2×의 서비스 팩터를 적용하십시오. 실제 변동, 시동 관성 피크 및 부하 불확실성을 고려합니다. 그런 다음 필요한 출력 속도를 결정하십시오. 출력 토크와 출력 속도라는 두 가지 값은 기어모터가 충족해야 하는 기계적 작동점을 정의합니다.

2단계 - 필요한 기어비 계산

모터의 정격 무부하 속도를 필요한 출력 속도로 나누어 목표 기어비를 얻습니다. 예를 들어 모터가 4,000RPM으로 작동하고 애플리케이션의 출력 샤프트에서 80RPM이 필요한 경우 목표 비율은 50:1입니다. 기어박스가 해당 비율로 출력 토크를 전달할 수 있는지 확인합니다. 0.15 N·m을 생산하는 모터에 연결된 50:1 유성 기어박스는 출력에서 ​​약 7.5 N·m을 전달해야 합니다(0.15 × 50 × 기어박스 효율 ~0.92 ≒ 6.9 N·m). 이를 기어박스의 정격 연속 출력 토크와 비교하여 적절한 마진을 확인하십시오.

3단계 - 열 및 듀티 사이클 등급 확인

주어진 연속 전력 출력에 대한 정격 모터는 적절한 열 방출을 가정합니다. 모터가 반복적으로 시작하고 정지하는 간헐적 부하 애플리케이션에서 모터는 각 활성 기간이 사이클 사이에 모터가 냉각될 만큼 충분히 짧은 한 연속 정격이 제시하는 것보다 더 높은 피크 부하를 처리할 수 있습니다. 연속 작업 애플리케이션(시간의 60% 이상 실행)의 경우 정격 연속 토크 및 출력 수치를 초과해서는 안 됩니다. 주변 작동 온도를 기준으로 모터의 열 등급 등급(클래스 B = 130°C, 클래스 F = 155°C, 클래스 H = 180°C)을 항상 확인하십시오.

4단계 - 공급 전압과 드라이버 일치

BLDC 기어모터는 산업용 장치의 경우 일반적으로 12V, 24V, 36V, 48V 이상의 표준 전압 등급으로 제공됩니다. 기존 전력 아키텍처에 맞는 전압을 선택하세요. 전압이 높을수록 더 낮은 전류에서 더 많은 전력이 허용되므로 케이블 손실과 드라이버 열이 줄어들지만 더 비싼 드라이버 트랜지스터와 더 나은 절연이 필요합니다. 시스템에 사용되는 피드백 장치(홀 센서, 인코더) 및 제어 인터페이스(PWM, 아날로그, CAN 버스, RS-485 또는 EtherCAT)에 대한 지원을 포함하여 모터에 대해 호환 가능한 드라이버 또는 통합 컨트롤러가 있는지 확인하십시오.

통합 컨트롤러 및 스마트 기어모터 모듈

BLDC 기어모터 시장에서 점점 성장하고 있는 부문은 완전히 통합된 스마트 기어모터 모듈로 구성됩니다. 즉, 브러시리스 모터, 기어박스, 인코더 및 드라이버 전자 장치가 모두 단일 소형 어셈블리에 수용되는 장치입니다. 이러한 통합형 브러시리스 기어모터는 별도의 모터 드라이버, 드라이버와 모터 사이의 배선 하니스, 특정 모터-드라이버 쌍을 위한 정류 매개변수 조정 필요성을 제거함으로써 시스템 설계 복잡성을 크게 줄입니다.

통합 장치는 일반적으로 CAN 버스, Modbus 프로토콜이 있는 RS-485 또는 EtherCAT과 같은 산업용 이더넷 변형과 같은 디지털 버스 인터페이스를 통해 통신합니다. PLC 또는 모션 컨트롤러는 버스를 통해 속도, 토크 또는 위치 명령을 보내고 통합 드라이버는 모든 낮은 수준의 정류, 전류 제어 및 피드백 처리를 내부적으로 처리합니다. 이 아키텍처는 다축 기계에서 특히 효율적입니다. 예를 들어 20개의 개별적으로 제어되는 드라이브 포인트가 있는 컨베이어 시스템은 중앙 제어 캐비닛으로 다시 연결되는 20개의 별도 케이블이 필요하지 않고 단일 RS-485 데이지 체인에서 함께 네트워크로 연결될 수 있습니다.

통합 BLDC 기어모터 모듈을 평가할 때 내장 컨트롤러가 회생 제동(감속 중에 운동 에너지를 공급 버스에 다시 공급), 과열 및 과전류 보호, 소프트웨어로 구성 가능한 PID 이득을 지원하는지 확인하십시오. 최고의 장치는 구성 소프트웨어를 통해 전체 매개변수 세트를 공개하므로 엔지니어는 하드웨어를 수정하지 않고도 속도 루프 대역폭, 가속 램프 속도 및 오류 응답 동작을 조정할 수 있습니다.

BLDC 기어모터의 설치, 장착 및 장기 유지보수

브러시리스 기어모터는 브러시형 기어모터에 비해 일상적인 유지 관리가 훨씬 덜 필요하지만 실제로는 유지 관리가 필요하지 않습니다. 적절한 설치와 정기 검사는 서비스 수명을 크게 연장하고 가장 일반적인 고장 모드를 방지합니다.

샤프트 정렬 및 커플링 선택

기어모터 출력 샤프트와 구동 부하 사이의 정렬 불량은 조기 베어링 고장의 주요 원인 중 하나입니다. 작은 각도 또는 평행 오정렬조차도 수백만 회전에 걸쳐 출력 샤프트 베어링에 주기적인 반경 방향 힘을 생성하여 베어링의 정격 수명보다 훨씬 일찍 피로 파손을 유발합니다. 유연한 샤프트 커플링을 사용하여 직접 커플링이 필요한 경우 약간의 정렬 불량을 수용하고 설치 중에 다이얼 표시기와의 평행성을 확인하십시오. 벨트 또는 체인 드라이브의 경우 장력이 기어박스의 정격 돌출 하중 사양 내에 있는지 확인하십시오. 지나치게 조여진 벨트로 인한 과도한 돌출 하중은 초기 베어링 고장의 또 다른 일반적인 원인입니다.

기어박스 윤활 및 재그리싱

정밀 유성 기어박스는 공장에서 고품질 합성 그리스로 채워져 있으며 일반적으로 정상 작동 조건에 대해 평생 윤활 처리된 것으로 평가됩니다. 그러나 고주기, 고부하 또는 고온 환경에서는 그리스가 시간이 지남에 따라 성능이 저하되므로 정의된 간격(보통 5,000~10,000시간마다 또는 제조업체가 지정한 대로)으로 교체해야 합니다. 웜 기어박스는 오일 윤활이 필요하며 웜 기어 메시의 슬라이딩 접촉 특성으로 인해 재윤활 간격이 더 짧습니다. 항상 제조업체가 지정한 윤활유 등급을 사용하십시오. 호환되지 않는 그리스 유형을 교체하면 추가적인 상호 작용이 발생하고 마모가 가속화될 수 있습니다.

모니터링 및 예측 유지 관리 지표

• 비정상적인 소음 — 기어박스에서 갈리는 소리나 덜거덕거리는 소리는 일반적으로 베어링 마모 또는 기어 표면 손상을 나타냅니다. 속도에 따라 증가하는 고음의 윙윙거리는 소리는 기어 메시 문제 또는 부적절한 윤활을 나타냅니다.
• 높은 작동 온도 - 모터 또는 기어박스가 정상 작동 기준선보다 훨씬 더 뜨겁게 작동하는 경우 열로 인해 권선 절연 또는 밀봉 성능이 저하되기 전에 부하 조건, 윤활 상태 및 환기를 조사하십시오.
• 전류 소모 증가 - 알려진 부하에서 정격 값보다 더 많은 전류를 소비하는 모터는 기계적 끌림(베어링 마모, 윤활 부족, 정렬 불량) 또는 권선이나 구동기의 전기적 결함 발생을 나타냅니다.
• 출력축 유격 — 기어박스 출력 샤프트에서 측정 가능한 방사형 또는 축방향 유격은 베어링 마모를 나타냅니다. 기어 톱니 충격 손상으로 플레이가 진행되기 전에 해결하세요.
• 씰 누출 — 기어박스 출력 씰 또는 모터 샤프트 씰에서 흘러나오는 오일은 씰 마모 또는 열 순환으로 인한 압력 상승을 의미합니다. 윤활유 손실 및 오염 유입을 방지하려면 씰을 즉시 교체하십시오.