24V DC 브러시리스 모터의 신뢰성을 높이는 요소와 올바른 모터 선택 방법

24V DC 브러시리스 모터의 실제 작동 방식

에이 24V DC 브러시리스 모터 24V BLDC 모터라고도 불리는 이 모터는 DC 모터와 동일한 기본 원리로 작동합니다. 즉, 전기 에너지가 회전 기계 에너지로 변환됩니다. 주요 차이점은 정류가 발생하는 방식입니다. 기존 브러시 모터에서는 물리적 카본 브러시가 회전 정류자와 접촉하여 전류 방향을 전환하고 모터 회전을 유지합니다. 브러시리스 설계에서는 이 전환이 컨트롤러에 의해 전자적으로 처리되며 움직이는 부품과 접촉하는 브러시가 전혀 없습니다.

브러시리스 모터의 회전자는 영구 자석을 운반하고 고정자는 권선 코일을 운반합니다. 컨트롤러는 일반적으로 홀 효과 센서 또는 역기전력 감지를 사용하여 회전자 위치를 추적하는 등 정확한 순서로 고정자 코일에 전원을 공급하며 회전 자기장과 영구 자석 사이의 상호 작용이 회전을 구동합니다. 24V는 산업 및 소비자 애플리케이션 모두에서 일반적인 저전압 표준이므로 24V BLDC 모터는 전력 가용성, 안전 및 성능의 실질적인 교차점에 있습니다.

24V가 일반적인 작동 전압인 이유

24V 표준은 우연히 등장한 것이 아닙니다. 24V 시스템은 특별한 고전압 예방 조치 없이 안전하게 취급할 수 있고 일반적인 배터리 구성(예: 직렬로 연결된 12V 납산 배터리 2개 또는 24V 공칭 출력용으로 제작된 리튬 팩)과 호환되며 지나치게 두꺼운 배선 없이 의미 있는 전력을 제공할 수 있을 만큼 효율적이기 때문에 널리 사용됩니다.

24V에서 작동하는 브러시리스 DC 모터의 경우 전력 출력은 전류 소모에 따라 달라집니다. 5A를 그리는 소형 24V BLDC 모터는 약 120W를 제공하는 반면, 20A 이상의 대형 산업 등급 장치는 400W를 초과할 수 있습니다. 이는 심각한 컨베이어, 펌프 또는 액추에이터 작업에 충분합니다. 또한 이 전압 레벨은 대부분의 마이크로컨트롤러 기반 드라이브 회로의 작동 범위 내에서 편안하게 유지되므로 자동화 시스템에 쉽게 통합할 수 있습니다.

구매하기 전에 이해해야 할 주요 사양

핵심 사양을 이해하지 않고 24V 브러시리스 모터를 구입하는 것은 잘못된 부품을 구입하는 가장 빠른 방법입니다. 실제로 중요한 숫자는 다음과 같습니다.

KV 등급(볼트당 RPM)

KV 등급은 부하가 없을 때 모터가 입력 볼트당 생성하는 RPM 수를 나타냅니다. KV가 100인 24V 모터는 무부하 상태에서 약 2,400RPM으로 회전합니다. 높은 KV 모터는 빠르게 회전하지만 토크는 더 적습니다. 낮은 KV 모터는 천천히 회전하지만 토크는 더 높습니다. 로봇 관절 및 정밀 포지셔닝의 경우 일반적으로 낮은 KV가 더 좋습니다. 팬, 펌프, 경부하 스핀들의 경우 KV가 높을수록 더 적합합니다.

정격 토크 및 피크 토크

정격 토크는 모터가 과열되지 않고 유지할 수 있는 연속 토크입니다. 피크 토크는 가속 또는 충격 부하에 대해 짧게(일반적으로 정격 값의 2~3배) 전달될 수 있는 토크입니다. 연속 작업 응용 분야의 경우 항상 정격 토크를 기준으로 크기를 결정하십시오. 지속적인 작동을 위해 피크 토크에 의존하면 모터가 과열되어 서비스 수명이 크게 단축됩니다.

정격 속도 및 무부하 속도

무부하 속도는 아무것도 부착하지 않은 모터의 RPM입니다. 정격 속도는 최대 정격 부하에서의 RPM입니다. 이들 사이의 간격은 모터의 속도 조절 품질을 반영합니다. 즉, 감소가 작을수록 부하 시 성능이 더욱 일관된다는 의미입니다. 속도 안정성이 중요한 모션 제어 애플리케이션의 경우 속도 강하 곡선이 좁은 모터를 찾으십시오.

효율성

BLDC 모터는 브러시형 모터에 비해 눈에 띄게 효율적입니다. 일반적으로 정격 부하에서 85~95%입니다. 이는 폐열의 모든 와트가 실행 시간을 단축시키는 배터리 구동 응용 분야에서 가장 중요합니다. 제조업체의 효율 수치가 정격 부하 또는 최대 효율 지점에 있는지 확인하십시오. 그것들은 동일한 숫자가 아니며 최대 효율은 종종 정격 부하보다 훨씬 낮은 수준에서 발생합니다.

극수

자극이 많을수록 저속 회전이 원활해지고 저속 토크가 향상되지만 더 빠른 전환 컨트롤러가 필요합니다. 2극 모터는 더 간단하고 고속 애플리케이션에 적합합니다. 다극 모터(4, 8, 12극)는 직접 구동 또는 저속 정밀 작업에 더 적합합니다. 컨트롤러가 선택한 모터의 극 수에 맞는 정격인지 확인하십시오.

센서리스 vs. 센서: 어떤 유형을 사용해야 합니까?

이는 실제 애플리케이션에 맞게 24V BLDC 모터를 선택할 때 가장 실용적인 질문 중 하나입니다. 두 가지 유형 모두 컨트롤러가 정류 시간을 정확하게 정하기 위해 회전자 위치를 결정하는 방법을 나타냅니다.

센서 모터에는 고정자에 장착된 홀 효과 센서가 포함되어 있습니다. 이 센서는 실시간 위치 데이터를 컨트롤러에 제공하여 제로 속도에서 원활하고 제어된 시동과 정밀한 저속 작동을 가능하게 합니다. 센서 시스템은 로봇 공학, 전기 자동차, 컨베이어 시스템 및 제어된 시동 토크와 저속 안정성이 중요한 모든 응용 분야에 더 나은 선택입니다.

센서리스 모터는 물리적 센서 대신 역기전력 감지에 의존합니다. 이는 센서 배선을 제거하고 비용을 절감하지만 역기전력은 기본적으로 정지 상태에서 0입니다. 즉, 센서리스 컨트롤러는 매우 낮거나 0의 속도에서 어려움을 겪으며 일반적으로 회전자 위치에 고정되기 전에 개방 루프 시동 시퀀스가 ​​필요합니다. 센서리스 설계는 모터가 이미 회전한 후에 부하가 발생하는 팬, 펌프 및 고속 스핀들에 적합합니다.

24V 브러시리스 DC 모터의 일반적인 애플리케이션

24V BLDC 모터는 매우 다양한 제품과 산업에 걸쳐 사용됩니다. 이러한 모터가 실제로 사용되는 위치를 이해하면 각 상황에서 가장 중요한 성능 특성이 무엇인지 명확히 하는 데 도움이 됩니다.

• 로봇공학 및 자동화: 조인트 액추에이터, 서보 드라이브 및 AGV(자동 가이드 차량) 휠 드라이브. 폐쇄 루프 제어 기능이 있는 센서형 BLDC 모터는 정밀한 위치 지정과 반복 가능한 토크 전달이 타협할 수 없기 때문에 표준입니다.
• 전기 자전거 및 스쿠터: 보급형 전기 자전거용 24V 허브 모터 및 미드 드라이브 모터입니다. 고급 시스템은 36V 또는 48V에서 작동하지만 더 가벼운 도시 스쿠터 및 이동 보조 장치에서는 24V가 여전히 일반적입니다.
• 산업용 컨베이어 및 펌프 드라이브: 효율성, 낮은 유지 관리, 수만 시간 이상의 신뢰성이 중요한 연속 작업입니다. 먼지가 많거나 습한 환경에서는 브러시가 없다는 것이 큰 장점입니다.
• HVAC 및 환기 팬: 센서리스 24V BLDC 모터는 가변 속도 팬 드라이브에 널리 사용됩니다. 이는 기존 AC 유도 팬을 훨씬 더 나은 부분 부하 효율성으로 대체합니다.
• 의료 및 실험실 장비: 깨끗한 작동, 낮은 전자기 소음 및 정밀한 속도 제어가 필요한 원심분리기, 주입 펌프 및 수술 도구. 의료용 BLDC 모터는 종종 밀봉되어 있습니다.
• 전동 공구 및 휴대용 장치: 무선 드릴, 톱, 그라인더에서는 효율성 향상이 충전당 배터리 작동 시간 연장으로 직접 이어지기 때문에 BLDC 모터를 점점 더 많이 사용하고 있습니다.

24V BLDC 모터에 적합한 컨트롤러 선택

에이 brushless motor cannot run without a dedicated controller — this is not optional. The controller handles commutation timing, current limiting, speed regulation, and protection functions. Picking the wrong controller is one of the most common and expensive mistakes in BLDC motor system design.

컨트롤러의 연속 전류 정격은 모터의 정격 전류와 일치하거나 초과해야 합니다. 연속 정격이 15A인 모터에는 최소 15A 정격의 컨트롤러가 필요하며, 부하에 동적 변화가 있는 경우 현실적으로는 20A 이상이 필요합니다. 소형 컨트롤러는 과열되어 고장이 나며 종종 모터 드라이버 FET를 사용하게 됩니다.

24V BLDC 모터 컨트롤러를 선택할 때 전류 정격 외에 다음 기능을 확인하십시오.

• PWM 주파수: 더 높은 PWM 주파수(20kHz)는 가청 모터 소음을 줄이고 전류 리플을 개선합니다. 소비자 및 의료 제품의 조용한 작동에 중요합니다.
• 회생 제동 지원: 애플리케이션에 제동 또는 후진이 포함되는 경우 회생 제동 기능이 있는 컨트롤러는 에너지를 회수하고 제동 저항기의 열 방출을 줄입니다.
• 폐쇄 루프 속도 또는 토크 제어: 개방 루프 속도 제어(PWM 듀티 사이클만 해당)는 팬과 펌프에 적합합니다. 폐쇄 루프 PID 제어는 정확한 위치 지정, 일정한 토크 전달 또는 가변 부하에서의 속도 안정성에 필요합니다.
• 보호 기능: 과전류, 과열, 저전압 및 실속 보호는 기본 요구 사항입니다. 이것이 단순한 소프트웨어 플래그가 아닌 하드웨어 수준 보호인지 확인하십시오. 하드웨어 보호는 더 빠르게 반응하고 펌웨어가 올바르게 실행되는지에 의존하지 않습니다.
• 통신 인터페이스: 자동화 시스템에 통합하려면 PWM 입력이 가장 간단한 옵션입니다. 보다 고급 제어를 위해서는 CAN 버스, RS-485/Modbus 또는 UART 인터페이스가 있는 컨트롤러를 찾으십시오.

24V에서 브러시리스 DC 모터와 브러시 DC 모터 비교: 업그레이드할 가치가 있나요?

브러시형 24V DC 모터는 여전히 널리 사용되고 있으며 브러시리스 모터에 비해 가격이 상당히 저렴합니다. 업그레이드가 적합한지 여부는 애플리케이션 요구 사항에 따라 크게 달라집니다.

하루에 몇 분씩 작동하는 게이트 오프너나 간단한 프로토타입 등 낮은 듀티 사이클 애플리케이션의 경우 브러시 모터가 구현하기에 적합하고 저렴할 수 있습니다. 연속 작업 산업용 장비, 효율성이 런타임에 직접적인 영향을 미치는 배터리 구동식 장치 또는 브러시 마모가 가속화되는 열악한 환경의 애플리케이션의 경우 BLDC 업그레이드는 그 자체로 가치가 있습니다.

열 관리 및 모터 보호

열은 모든 전기 모터의 주요 고장 모드이며 24V BLDC 모터도 예외는 아닙니다. 90% 효율에서도 200W 모터는 20W를 열로 방출합니다. 이는 밀폐된 하우징이나 주변 온도가 높은 환경에서 빠르게 증가합니다.

대부분의 BLDC 모터의 최대 권선 온도 정격은 일반적으로 클래스 B 절연의 경우 130°C, 클래스 F의 경우 155°C입니다. 이 온도 이상에서 지속적으로 작동하면 권선 절연이 되돌릴 수 없을 정도로 저하됩니다. 경험적으로 경감 규칙은 간단합니다. 정격 작동 온도가 10°C 높아질 때마다 절연 수명이 대략 절반으로 줄어듭니다.

24V 브러시리스 모터의 실제 열 관리 단계는 다음과 같습니다.

• 방열판 역할을 하는 금속 구조물에 모터를 장착합니다. 모터 하우징은 장착면을 통해 열을 밖으로 전도합니다. 이를 플라스틱에 묻어두거나 열적으로 격리하면 열이 가두어집니다.
• 주변 온도가 25°C를 초과하는 경우 정격 전류 100%로 연속 작동하지 마십시오. 대부분의 제조업체는 주변 온도 25°C에서 정격 전류를 지정하며, 그 이상에서 10°C마다 10~15%씩 감소합니다.
• 권선이 열 한계에 도달하기 전에 전류를 줄이거나 차단하는 과열 보호 기능이 있는 컨트롤러를 사용하십시오. 소프트웨어 전용 보호는 없는 것보다 낫습니다. 하드웨어 열 차단이 더 좋습니다.
• 밀봉되거나 밀폐된 환경의 경우 컨트롤러에 피드백되는 내부 열 센서(PTC 또는 NTC)가 있는 IP54 등급 이상의 모터를 고려하십시오.