브러시형 DC 모터 가이드: 작동 방식, 주요 사양 및 사용 시기

브러시형 DC 모터는 오늘날에도 여전히 널리 사용되고 있는 가장 오래되고 가장 간단한 전기 모터 설계 중 하나입니다. 고정 자기장과 회전 전기자 권선의 조합을 사용하여 직류 전기 에너지를 기계적 회전으로 변환합니다. 브러시리스 모터와 구별되는 점은 기계적 정류 시스템입니다. 즉, 로터 샤프트에 장착된 분할된 구리 정류자 링을 누르는 한 쌍의 카본 브러시입니다. 로터가 회전함에 따라 브러시는 연속적인 정류자 세그먼트와의 접촉을 만들고 차단하여 전기자 권선의 전류 방향을 자동으로 전환하여 한 방향으로 연속 회전을 유지합니다.

작동 원리는 간단합니다. 전류는 전원 공급 장치에서 하나의 브러시를 통해 정류자로, 전기자 권선을 통해 흐르고, 정류자를 통해 두 번째 브러시로 다시 흘러 공급 장치로 돌아옵니다. 전기자의 전류 운반 도체는 영구 자석이나 권선된 계자 코일에 의해 생성된 자기장 내부에 위치합니다. 이 자기장과 전기자 도체의 ​​전류 사이의 상호 작용은 로렌츠 힘 법칙으로 설명되는 힘을 생성하여 전기자를 회전시킵니다. 정류자는 전기자가 회전할 때 각 권선의 전류 방향이 올바른 순간에 반전되어 동일한 회전 방향으로 지속적으로 작용하는 토크를 유지하도록 합니다.

이러한 자체 정류 설계는 브러시형 DC 모터에 DC 전원만 필요하고 작동하는 데 외부 전자 장치가 필요하지 않음을 의미합니다. 전압을 가하면 회전합니다. 극성을 반대로 하면 반대 방향으로 회전합니다. 이러한 단순성은 브러시리스 및 AC 모터 기술이 성숙했음에도 불구하고 브러시 모터의 관련성을 100년 넘게 유지해 왔습니다.

브러시형 DC 모터의 주요 유형

브러시형 DC 모터는 단일 제품이 아닙니다. 자기장이 생성되는 방식과 자기장 및 전기자 회로가 연결되는 방식에 따라 속도-토크 특성이 의미 있게 달라지는 일련의 설계입니다.

영구자석 브러시형 DC 모터(PMDC)

중소 전력 응용 분야에서 가장 일반적인 유형인 영구 자석 DC 모터는 고정 자석(일반적으로 페라이트 또는 희토류 네오디뮴)을 사용하여 권선 코일 대신 고정자 자기장을 생성합니다. 전력 또는 제어를 위한 별도의 계자 권선이 없기 때문에 PMDC 모터는 콤팩트하고 효율적이며 선형 속도-토크 관계를 갖습니다. 즉, 토크가 증가함에 따라 속도가 비례적으로 떨어지므로 모델링 및 제어가 쉽습니다. 이 제품은 3V~48V 범위의 배터리 구동 도구, 자동차 액추에이터, 소형 가전제품 및 취미 애플리케이션을 위한 표준 선택입니다. 주된 한계는 자기장의 세기가 자석에 의해 고정되어 있고 조정할 수 없기 때문에 자기장 약화보다는 전기자 전압이나 PWM을 통해 속도 제어를 달성해야 한다는 것입니다.

시리즈 상처 브러시 DC 모터

직렬 권선 DC 모터에서 계자 권선은 전기자와 직렬로 연결되므로 동일한 전류가 양쪽을 통해 흐릅니다. 이는 매우 높은 시동 토크를 생성합니다. 전기자 전류가 가장 높을 때 전기자 전류가 가장 강하며 이는 저속 및 실속에서 발생하므로 직렬 모터는 전기 크레인, 트랙션 드라이브 및 내연 기관의 스타터 모터와 같이 시동 부하가 큰 응용 분야에 이상적입니다. 단점은 불안정한 속도 조절입니다. 부하가 감소하면 전류가 떨어지고 필드가 약해지고 속도가 급격히 증가합니다. 부하가 적거나 부하가 없는 직렬 모터는 위험할 정도로 과속할 수 있습니다. 이러한 이유로 직렬 권선형 브러시 DC 모터는 작동 중에 부하를 완전히 제거할 수 있는 응용 분야에서는 거의 사용되지 않습니다.

분로형 브러시형 DC 모터

션트 권선 모터는 계자 권선을 공급 전압에 걸쳐 전기자와 병렬(션트)로 연결합니다. 계자 전류는 부하 전류가 아닌 공급 전압에만 의존하기 때문에 계자는 전기자 부하에 관계없이 거의 일정하게 유지됩니다. 이는 션트 모터에 탁월한 속도 조절 기능을 제공합니다. 부하가 증가함에 따라 속도는 상대적으로 일정하게 유지되며 일반적으로 무부하에서 최대 부하까지 5~15%만 변합니다. 션트 권선 브러시형 DC 모터는 다양한 부하에서 일관된 속도가 중요한 공작 기계, 인쇄기 및 산업용 드라이브에 사용됩니다. 또한 계자 전류를 줄여 사용 가능한 속도 범위를 확장함으로써 기본 속도 이상 작동을 위한 계자 약화를 허용합니다.

복합 상처 브러시 DC 모터

복합 권선 모터는 직렬 권선과 션트 계자 권선을 모두 결합합니다. 두 권선이 동일한 방향으로 자기장을 생성하는 누적 복합 구성은 직렬 모터의 높은 시동 토크와 션트 모터의 안정적인 속도 조절 간의 절충안을 제공합니다. 이로 인해 복합 모터는 모터가 과도한 속도 저하 없이 갑작스러운 무거운 부하를 처리해야 하는 프레스, 엘리베이터 및 압축기와 같이 크고 간헐적인 부하 스파이크가 있는 응용 분야에 매우 적합합니다. 차동 복합 권선(자계 반대 방향)은 불안정한 작동 특성으로 인해 실제로 거의 사용되지 않습니다.

코어리스 브러시 DC 모터

코어리스 DC 모터는 회전자에서 철심을 제거하고 이를 고정자의 자기장 내부에서 회전하는 자립형 원통형 권선으로 대체합니다. 철심을 제거하면 철 손실(히스테리시스 및 와전류 손실)이 제거되고 회전자 관성이 대폭 감소됩니다. 그 결과 매우 빠른 전기적 및 기계적 반응이 가능합니다. 코어리스 브러시 DC 모터는 수십 밀리초가 아닌 밀리초 만에 최대 속도로 가속할 수 있으며 저속에서도 매우 부드럽고 코깅 없는 회전이 가능합니다. 이러한 특성으로 인해 코어리스 모터는 의료 기기, 항공우주 액추에이터, 카메라 렌즈 드라이브, 펜 플로터, 고속 치과용 핸드피스 등 정밀 응용 분야에서 선호됩니다. 일반적으로 물리적 크기가 작고 3V~24V 범위에서 작동하며 전력 출력이 수백 와트를 초과하는 경우가 거의 없습니다.

주요 사양 설명

브러시형 DC 모터 데이터시트를 읽으려면 각 매개변수가 실제로 무엇을 의미하는지, 그리고 한계를 벗어나 작동하면 어떤 일이 발생하는지 이해해야 합니다.

속도-토크 곡선은 브러시 DC 모터의 작동 범위를 이해하는 데 가장 유용한 단일 도구입니다. 영구 자석 브러시 모터의 경우 이 곡선은 무부하 속도(최대 속도, 0 토크)에서 정지(0 속도, 최대 토크)까지 직선입니다. 모터의 정격 연속 작동 지점은 열 제한으로 인해 이 선을 따라 어딘가에 위치합니다. 연속 정격선을 넘는 작동 지점은 권선 온도가 절연 등급 제한(일반적으로 B등급 절연의 경우 130°C, Class F의 경우 155°C)을 초과하지 않을 정도로 짧은 기간 동안 간헐적으로만 허용됩니다.

브러시형 DC 모터와 브러시리스 DC 모터 비교: 각각의 사용 시기

브러시형과 브러시리스 사이의 선택은 모터 선택 시 가장 일반적인 결정 중 하나입니다. 각 기술에는 진정한 본거지가 있으며 어느 쪽도 보편적으로 우수하지 않습니다.

초기 비용과 제어 단순성이 장기적인 유지 관리 문제보다 더 중요한 경우 브러시 DC 모터를 선택하십시오. 예를 들어 제품 수명이 정의된 소비자 가전 제품, 취미로 사용하는 로봇, 저용량 자동화 또는 브러시 교체가 예정된 유지 관리 작업으로 허용되는 모든 응용 분야에서 그렇습니다. 모터가 수년 동안 지속적으로 작동할 때, 효율성이 운영 비용이나 배터리 수명에 직접적인 영향을 미칠 때, EMI를 최소화해야 할 때, 의료 장비, 산업 자동화 또는 밀봉된 장비와 같이 애플리케이션이 유지보수 가동 중지 시간을 허용할 수 없는 경우에는 브러시리스를 선택하십시오.

브러시형 DC 모터의 속도 제어 방법

브러시형 DC 모터의 가장 실용적인 장점 중 하나는 설계자가 사용할 수 있는 저렴하고 확립된 속도 제어 기술의 범위입니다.

H-브리지를 통한 펄스 폭 변조(PWM)

PWM은 최신 응용 분야에서 브러시 DC 모터를 제어하는 데 널리 사용되는 방법입니다. H-브리지로 구성된 모터 드라이버 IC는 일반적으로 10~20kHz의 고정 주파수에서 모터에 대한 공급 전압을 켜고 끕니다. 모터에 전달되는 평균 전압과 속도는 듀티 사이클에 의해 결정됩니다. 12V에서 75% 듀티 사이클은 약 9V에 해당합니다. H-브리지 구성은 활성 쌍을 반전시켜 모터가 양방향으로 구동될 수 있도록 배열된 4개의 스위칭 트랜지스터를 사용하므로 단일 드라이버 칩으로 양방향 작동이 가능합니다. 일반적인 H-브리지 IC에는 L298N(채널당 최대 2A), TB6612FNG(1.2A 연속, 로직 레벨 호환성으로 인해 마이크로 컨트롤러 프로젝트에 선호됨) 및 DRV8833(1.5A, 소형 설치 공간, 내장 전류 제한)이 포함됩니다. 고전력 브러시 모터의 경우 개별 MOSFET H 브리지 또는 정격 10A, 20A 이상의 전용 모터 드라이버 모듈을 사용할 수 있습니다.

인코더 또는 타코미터 피드백을 사용한 폐루프 제어

개방 루프 PWM 제어는 듀티 사이클을 설정하여 모터 속도를 설정하지만 실제 샤프트 속도는 부하에 따라 달라집니다. 즉, 부하가 증가하면 속도가 떨어집니다. 부하 변동에 관계없이 정확하고 일관된 속도가 필요한 애플리케이션의 경우 피드백 센서가 제어 루프를 닫습니다. 모터 샤프트 또는 출력에 장착된 구적 엔코더는 마이크로컨트롤러 또는 전용 모션 컨트롤러에서 실행되는 PID 컨트롤러에 위치 및 속도 데이터를 제공합니다. PID 알고리즘은 측정된 속도를 설정값과 비교하고 듀티 사이클을 실시간으로 조정하여 보상합니다. 이 접근 방식은 CNC 기계, 로봇 조인트 및 위치와 속도 정확도가 중요한 모든 시스템에서 표준입니다. 먼지가 많거나 진동이 발생하기 쉬운 환경에서는 자기 인코더가 선호됩니다. 광학 인코더는 깨끗한 환경에서 더 높은 해상도를 제공합니다.

계자 전류 제어(권선계 모터)

션트 및 복합 권선 브러시형 DC 모터의 경우 전기자 전압과 관계없이 계자 전류를 변경하여 속도를 조정할 수도 있습니다. 계자 전류를 줄이면 자기장이 약화되어 역기전력이 감소하고 주어진 전기자 전압에 대해 모터가 더 빠르게 회전할 수 있습니다(계자 약화라는 기술). 이는 사용 가능한 토크를 줄이는 대신 정격 전기자 전압에 의해 설정된 기본 속도 이상으로 모터의 사용 가능한 속도 범위를 확장합니다. 약화계자는 넓은 속도 범위가 요구되는 공작 기계, 권선기, 압연기용 산업용 가변 속도 드라이브에 일반적으로 사용됩니다.

동적 및 회생 제동

브러시형 DC 모터는 기계적 마찰 브레이크 없이 능동적으로 제동할 수 있습니다. 동적 제동은 구동 신호가 제거될 때 저항기를 통해 모터 단자를 단락시킵니다. 즉, 모터는 발전기 역할을 하여 저항기에서 운동 에너지를 열로 변환하고 급격하게 감속합니다. 회생 제동은 더 나아가 에너지를 열로 방출하는 대신 회생 드라이브는 제동 에너지를 전원 공급 장치나 배터리로 다시 반환합니다. 이는 에너지 회수를 통해 주행 거리를 의미 있게 확장하거나 운영 비용을 절감하는 전기 자동차, 지게차 및 재생 산업용 드라이브의 표준 제동 방법입니다.

브러시형 DC 모터의 실제 응용

브러시리스 및 스테퍼 모터 기술과의 경쟁에도 불구하고 브러시형 DC 모터는 비용, 단순성 및 제어 가능성이 결정적인 이점을 제공하는 광범위한 응용 분야에서 여전히 지배적인 선택입니다.

• 자동차 시스템: 파워 윈도우, 시트 조절 장치, 선루프 드라이브, HVAC 송풍 모터, 앞 유리 와이퍼 모터 및 미러 액추에이터는 거의 보편적으로 사용되는 12V 브러시 DC 모터입니다. 자동차 환경의 잘 정의된 전압(공칭 12V), 적당한 듀티 사이클 및 비용 압박으로 인해 브러시 모터는 이러한 기능을 위한 실질적인 기본값이 됩니다. 일반적인 승용차에는 20~40개의 소형 브러시 DC 모터가 포함되어 있습니다.
• 전동 공구: 유선 전동 드릴, 원형 톱, 앵글 그라인더 및 실톱은 역사적으로 높은 전력 밀도와 간단한 속도-토크 특성을 위해 직렬 권선 또는 영구 자석 브러시형 DC 모터를 사용했습니다. 무선 공구는 더 긴 작동 시간을 위해 브러시리스 모터로 빠르게 전환하고 있지만, 유선 공구는 동일한 전력 출력에서 ​​더 낮은 비용으로 인해 여전히 브러시 모터를 널리 사용합니다.
• 가전제품 및 가전제품: 전동칫솔, 헤어드라이어, 믹서기, 푸드프로세서, 소형 팬 등은 소형 영구자석 브러시 모터를 사용합니다. 단가가 매우 낮고 소비자 제품 수명에 허용되는 서비스 수명(일반적으로 3~7년)으로 인해 대용량 기기 애플리케이션의 기본 제품이 되었습니다.
• 로봇 공학 및 취미 프로젝트: Arduino 제어 로봇, RC 자동차, 애니마트로닉스 및 교육용 로봇 플랫폼은 거의 보편적으로 브러시 DC 모터로 시작합니다. 왜냐하면 최소한의 전자 지식으로 널리 사용되는 H-브리지 모듈에서 직접 구동할 수 있기 때문입니다. 호환 가능한 드라이버 IC의 광범위한 에코시스템과 선형적이고 예측 가능한 속도-토크 곡선은 초기 단계 프로토타입 제작을 단순화합니다.
• 산업용 액추에이터 및 컨베이어: 전력 범위의 하단에 있는 경량 컨베이어 드라이브, 밸브 액추에이터, 댐퍼 드라이브 및 자재 취급 장비는 특히 기존 DC 인프라가 있는 응용 분야 또는 AC 인버터 시스템보다 사이리스터 제어 DC 드라이브의 단순성이 선호되는 응용 분야에서 션트 및 복합 권선 브러시 모터를 계속 사용합니다.
• 의료 및 정밀 기기: 코어리스 브러시드 DC 모터 부드럽고 코깅 없는 저속 회전과 빠른 동적 반응이 유지 관리가 필요 없는 서비스 수명보다 더 중요하고 브러시 검사 및 교체 기능이 허용 가능한 절충안인 수술 도구, 주입 펌프, 안과 기기 및 정밀 디스펜싱 시스템을 구동합니다.

브러시 마모 및 유지 관리 이해

카본 브러시와 정류자는 브러시 DC 모터의 주요 마모 구성 요소이며 이를 올바르게 관리하는 것이 서비스 수명을 극대화하고 계획되지 않은 고장을 방지하는 열쇠입니다.

브러쉬 착용 방법

카본 브러시는 회전하는 정류자 표면에 대한 기계적 마모와 브러시가 정류자 세그먼트 사이를 전환할 때마다 발생하는 아크로 인한 전기화학적 침식의 조합을 통해 마모됩니다. 산화구리와 흑연의 얇은 막(녹청 또는 필름이라고 함)은 정상 작동 중에 정류자 표면에 형성되어 실제로 마찰과 마모율을 감소시킵니다. 잘못된 브러시를 사용하거나 지나치게 건조하거나 습한 환경에서 작동하거나 상당한 스파크가 발생하는 모터를 작동하여 이 필름을 손상시키면 마모가 가속화됩니다. 연속 사용되는 브러시 DC 모터의 일반적인 브러시 수명은 가볍게 구성된 소비자 모터의 경우 500시간부터 고품질 흑연 브러시 및 적절한 정류자 표면 유지 관리를 갖춘 산업용 등급 모터의 경우 3,000시간 이상입니다.

브러쉬 교체가 필요하다는 신호

• 작동 중 브러시-정류자 인터페이스에서 가시성 스파크가 증가하고 어두운 환경에서 청백색 빛으로 표시됨
• 브러시가 고르지 않게 마모되어 불규칙한 접촉으로 인해 주변 전자 장치에 영향을 미치는 전기 소음 또는 EMI 증가
• 동일한 공급 전압에서 모터 토크 또는 속도가 감소하여 브러시 표면이 저하됨에 따라 브러시 접촉 저항이 높아짐을 나타냅니다.
• 제조업체의 최소 표시 이하의 브러시 길이 - 일반적으로 마모 홈으로 표시되거나 브러시 본체에 인쇄된 최소 치수
• 모터 하우징 내부에 검은 탄소 먼지가 축적되어 스파크 또는 건조한 정류자 조건으로 인해 브러시 마모가 가속화되었음을 나타냅니다.

정류자 관리

정류자 표면은 건강한 녹청 필름으로 인해 부드럽고 원통형이며 중간 갈색이어야 합니다. 마모된 브러시로 인해 잘린 홈, 고르지 못한 마모로 인한 평평한 부분, 과도한 스파크로 인한 검은 탄 자국 등 모두 시정 조치가 필요합니다. 가벼운 표면 산화는 모터를 분해하지 않고 회전하는 정류자에 정류자 청소 막대(흑연 막대 또는 정류자석)를 바르면 연마하여 제거할 수 있습니다. 더 깊은 홈과 원형이 아닌 조건에는 가공이 필요합니다. 즉, 선반에서 정류자를 돌려 동심도를 복원한 다음 정류자 세그먼트 사이의 운모 절연체를 언더컷하여 구리 표면 위로 올라오는 것을 방지해야 합니다. 이러한 절차는 모터 수명을 크게 연장하며 산업용 모터 유지 관리 프로그램의 표준 관행입니다.

귀하의 응용 분야에 적합한 브러시 DC 모터를 선택하는 방법

모터 선택 실수는 흔하고 비용도 많이 듭니다. 이 실용적인 프레임워크는 모터가 애플리케이션에서 안정적으로 작동하는지 여부를 실제로 결정하는 매개변수를 설명하도록 보장합니다.

• 먼저 토크 요구 사항을 정의하십시오. 마찰, 가속 중 관성 및 최악의 피크 부하를 포함하여 모터 출력 샤프트에서 부하가 요구하는 토크를 계산합니다. 25~30%의 안전 여유를 추가합니다. 이는 최소 연속 토크 사양입니다. 정격 토크가 이 값보다 낮은 모터를 선택하지 마십시오.
• 필요한 속도를 결정합니다. 귀하의 응용 분야에 필요한 출력 샤프트 속도 범위를 설정하십시오. 부하가 걸린 상태에서 모터의 실제 작동 속도는 데이터시트의 무부하 속도 수치보다 10~20% 낮다는 점을 기억하세요. 무부하 속도가 아닌 예상 작동 토크에서의 속도가 요구 사항을 충족하는 모터를 선택하십시오.
• 전원 공급 장치에 전압을 맞추세요. 시스템에서 사용 가능한 전압에 맞는 모터를 선택하십시오. 24V 공급 장치에서 12V 모터를 작동하면 수명이 크게 단축됩니다. 공급 전압이 가변적인 경우(배터리 구동 시스템), 피크 또는 최소 충전 전압이 아닌 공칭 중간 충전 전압을 설계 지점으로 사용하십시오.
• 드라이버가 정지 전류를 처리할 수 있는지 확인하십시오. 브러시형 DC 모터의 정지 전류는 일반적으로 무부하 전류의 5~10배입니다. 시동 및 잼 상태에서 이 전류를 공급할 수 있도록 모터 드라이버와 전원 공급 장치의 크기를 조정하거나 드라이버에 전류 제한을 추가하여 지속적인 정지 이벤트로부터 모터와 전자 장치를 보호하십시오.
• 듀티 사이클 및 열 요구 사항을 평가합니다. 모터가 연속적으로 작동하는 경우 필요한 토크에서 S1(연속) 듀티 등급의 모터를 선택하십시오. 간헐적인 애플리케이션의 경우 온 타임, 오프 타임 및 온 기간 동안의 피크 토크를 식별한 다음 모터의 열 모델에서 권선 온도가 전체 듀티 사이클 동안 절연 등급 제한 내에 유지되는지 확인하십시오.
• 환경을 고려하십시오. 표준 브러시 DC 모터는 유입 보호 기능이 없는 개방형 프레임입니다. 먼지가 많거나 습하거나 세척되는 환경의 경우 IP 등급 모터 또는 브러시 챔버가 밀봉된 밀폐형 모터를 지정하십시오. 폭발 위험이 있는 환경에서는 ATEX 등급 모터를 사용하십시오. 식품 및 제약 응용 분야의 경우 윤활제 규정 준수를 확인하십시오(부수적인 식품 접촉 영역에 대한 NSF H1 그리스).
• 서비스 수명 기대 요소: 모터가 유지보수 없이 5,000시간 동안 작동해야 한다면 브러시 모터는 아마도 잘못된 선택일 것입니다. 브러시리스를 고려하십시오. 간헐적으로 사용하면서 제품 수명이 2~3년으로 정의된 애플리케이션의 경우 브러시 모터가 적합하고 훨씬 더 비용 효과적입니다.