BLDC Motor 기술

 

 

 

                                           서울시립대학교

                                                 계측네트워크 실험실

                                      김희식 교수

 

    목차

1.     BLDC 모터

가- BLDC 모터정의

나- BLDC 모터 구성요소

      

2. BLDC 모터 구조 및 제어

가- 회전자 구조

나- 마그네트

다- BLDC 모터의 구동회로 및 제어기술

(1)    구동회로

(2)    BLCD 모터의 회전자의 자극위치 검출방법

(3)    구동방법과 제어

2.     BLDC 모터 설계기술

가- 모터설계

(1)    설계기술

(2)    정밀제작기술

(3)    특성기술

나- 구동회로 및 제어기술

(1)   센서제어기술

(2)    센서리스 제어기술

    4.BLDC 모터의 장단점

 

 

 

1. BLDC 모터 구성

가- BLDC 모터정의: 브러시리스 모터(Brushless motor)는 DC모터에서 브러시, 정류자 등 기계적인 접촉부를 없애고 이것을 전자적인 정류 기구를 설치한 직류 모터를 말한다. 그래서 브러시리스 모터를 무정류자 모터하고도 한다.

나- BLDC 모터 구성요소 :

a.     A Permanent magnet rotor

b.     A ststor with a three- ,four-, or more phase winding

c.     A rotor position sensor

d.     An electronic circuit to control the phases of the rotor winding


(그림 1) 브러시리스 모터 구동시스템

 브러시리스 서보 모터의 구동시스템은 <그림 1>에서 보는 바와 같이 컨버터, 인버터와 제어기 그리고 서보 모터로 구성되어 있다.
브러시리스 서보 모터는 앞절에서 설명한 바와같이 DC 서보 모터와는 달리 고정자에 3상 전류를 회전자의 자극과 동기시켜 회전시키는 구동방법을 사용하고 있다.

따라서 센서는 서보 모터를 구동하기 위한 회전자의 위치를 검출하여 회전자의 현재 위치에 맞는 전류를 공급하기 위한 위치를 검출할 수 있는 엔코더(Encoder), 혹은 레졸버(Resolver)를 주로 사용한다. 그리고 속도를 검출하는 센서는 타코(Tacho)센서를 주로 사용하나 브러시리스 서보 모터, 즉 AC 서보 모터에서는 회전자의 위치를 검출하여야 함으로 잘 사용하지 않고 내부에서 연산하여 검출한다.
최근에는 센서없이 모터에 흐르는 전류와 모터에서 검출되는 전압을 가지고 구동을 하는 센서없는 구동법, 즉 센서리스 제어방법에 의하여 센서없이도 서보 모터를 구동하기도 한다.
그리고 서보시스템에서는 서보 모터에 흐르는  전류를 제어하여 모터에서 발생하는 토크를 제어하게 된다. 그래서 전류를 검출하기 위한 전류 센서를 가지고 있다. 전류센서로는 홀센서 혹은 선간 저항에 의한 전압 차이를 검출하는 센서를 이용하기도 한다.

 

(그림 2) 3상 전류 제어용 인버터


<그림 2>은 3상 전류 제어형 PWM 인버터의  단순도로써 6개의 전력 스위칭소자로 구성되어 있다. 인버터는 DC 입력 전원으로부터 3상 AC전원으로 변환하는 전력 변환장치로 전류원 인버터와 전압원 인버터의 두가지 형태가 있는데 서보 모터를 구동하기 위한 인버터는 전압원 인버터가 주로 적용된다.

전압원 인버터는 입력된 DC전원을 이용하여 제어하고자 하는 대상에 주파수를 갖는 펄스 열로써 전압은 인가하여 펄스폭을 변조하여 제어하고자 하는 전압과 전류를 공급하여 줌으로 제어를 하게 된다.
<그림 2>에서 나타낸 바와 같이 AC 서보 모터에 3상의 전력을 공급하기 위해서는 6개의 스위칭소자가 필요하며 이러한 인버터를 3상 풀 브릿지(3-Phase Full Bridge) 인버터라 한다.
컨버터는 AC 전원으로부터 DC 전원을 만들어내는 전력 변환기로 정류회로를 지칭하며 서보 모터를 구동하기 위한 컨버터로는 단순히 입력 AC 전원을 DC 전원으로 변형하는 정류회로가 사용되며 출력되는 DC 전원의 전압을 제어하는 등의 복잡한 형태의 컨버터는 적용되지 않는다.
위에서 설명된 구성회로는 브러시리스 서보 모터 구동시스템의 주요 구성부로써 제어기는 센서로부터 입력되는 속도, 위치, 전류의 데이터를 이용하여 제어기에 주어진 제어명령에 서보 모터가 가장 잘 추종하도록 제어하는 기능을 한다. 이와 같이 구성되어 제어되는 시스템을 서보 모터시스템이라 한다. 이러한 제어구조를 조금 더 자세하게 살펴보면 <그림 3>와 같이 나타낼 수 있다.

 

(그림 3) 브러시리스 모터의 전류 제어 블럭도

 <그림 3>에서와 같이 브러시리스 서보 모터의 전류 제어는 모터에 인가되는 전류를 검출하고 제어기 전류 명령과 전류 제어 상변환기의 출력을 연산 전류 에러값을 구하고 제어이득(Control Gain)을 곱하여 인버터에 입력되면 인버터에서는 DC 전원을 입력받아 PWM 제어를 통하여 모터에 전력을 공급하도록 구성된다.
앞에서 언급한 바와 같이 모터의 제어는 모터에 공급되는 전류에 의하여 모터에서 발생하는 토크를 제어함으로 이루어지게 된다. 따라서 서보 모터에 있어서 제어의 핵심이 되는 부분은 전류를 제어하는 전류 제어계라고 할 수 있으며, 이를 토크 제어라고도 한다.

                                     

1. BLDC 모터 구성

. 회전자의 구조

BLDC 모터는 구조면에서 자계를 만드는 마그네트 회전자의 배치에 따라 자로의 구성방법, 권선의 배치방법이 다르다. [표 1.1]에 BLDC 모터의 분류와 특징의 개요를 나타내었다.

[표 1.1] BLDC 모터의 구조와 특징

공극부

회전자·
전기자 구조

특징

용도 예

공극의 위치

자석회전자의 위치

구조상 특징

사용장소

radial gap type

(원주방향 갭)

- 모터의 외주측으로 회 전자를 배치(outer rotor)

- 모터의 내주측으로 회전자계를 생성

- 회전자의 관성모멘트가 크므로 정속도 운전에 유리

- 마그네트를 비교적 크게 할 수 있으므로 고효율, 고토크화하기 쉽다.

- 권선의 1코일 평균길이가 짧게 되어 손실저감

- 회전자 지지기구가 복잡하다.

- 밀폐 구조로 하기 어렵다

- 복사기 드럼구동용 등 고토크에서 정속운전을 필요로 하는 곳

- 모터의 내주측으로 회전자를 배치(inner rotor)

- 모터의 외주측으로 회전가계를 생성

- 회전자의 관성모멘트가 outer rotor에 비하여 작다

- 모터구조를 비교적 간단하게 구성할 수 있다.

- 자동문 구동장치, 복사기의 원고 자동 운반장치 등 비교적 민감한 제어성을 요하는 곳

axial gap type

(축방향 갭)

- 축방향의 두께를 비교적 얇게 한 원판상의 모터

- 회전자의 전기자를 축방향으로 나열한 구조

- 축수간 간격이 짧기 때문에 공작의 정확을 요함, 축수구조도 복잡

- 권선과 전기자를 분리 슬롯리스 구조로 함

- 회전율을 저감시킬 필요가 있는 곳에서 많이 사용되고 있지만 권선의 배치정도와 권선형상의 밸런스를 작게 하여야 할 필요가 있다.

- VTR용 실린더, FDD용 모터 등 모터 이외의 기능을 복합화 하여 기계적 정도를 요하는 곳

 

[그림 1.1]은 외부(Outer) 회전자형 BLDC 모터, [그림 1.2]는 내부(Inner) 회전자형 BLDC 모터, [그림 1.3]에는 엑셜갭(Axial gap)형 BLDC 모터에서의 각 구조 단면도를 나타낸다. 내부 회전자형의 프레임 구성에 있어서, 종래에는 철판 프레임으로 전기자 외주부를 구성하였으나, 최근에는 모터에 대한 진동과 소음의 감소를 요구하므로 이에 대한 대책의 하나로서 레진재료 일체형으로 몰드된 프레임을 높인 것이 있다. 레진의 일례는 폴리에스테르재료로 절연성, 열전도성, 열안정성, 내충격성, 내열 충격성이 우수하다. 그밖에 레진으로 코일을 봉지함에 의해서 악조건하에서도 절연 열화되지 않는다는 점과 레진열전도, 열방산성이 우수하기 때문에 체적을 작게 할 수 있다는 점이 유리하다.

     

[그림 1.1] outer rotor 형 [그림 1.2] inner rotor 형

    

[그림 1.3] axial gap형

. 마그네트

BLDC 모터에 사용되는 마그네트는 소형 모터에 있어서는 그 대부분이 성능과 가격면에서 페라이트 마그네트가 주류이지만 최근에는 그보다 한층 더 성능이 좋은 플라스틱 네오듐을 사용하여 체적효율(경박 단소화)을 보다 높이고 있다. 마그네트의 성능은 [그림 1.4]와 같은 자화특성곡선을 사용한다. 이것은 마그네트를 충분히 포화하기까지 자화시킨 경우의 히스테리시스 루프의 제2상한을 나타낸 것이므로 [그림 1.4]의 Hc 및 Br에서 각 축에 수직선을 그어서 그 교점 P와 원점 O를 연결하는 직선과 자화특성곡선의 교점을 Q라 하고 Q의 각 좌표값을 Hd 및 Bd라 하면 Bd×Hd의 값이 마그네트의 우열비교를 할 때 사용된다. 대표적인 마그네트의 자화특성을 [그림 1.5]에 나타내었다.

[그림 1.4] 자화특성곡선

[그림 1.5] 대표적인 자석의 자화특성

마그네트의 이방성에 있어서는 마그네트를 고정시킬 때 마그네트의 자구에 강제적으로 자계를 주어서 스핀배향으로 일치시켜 고정시킨 것을 이방성을 갖는 마그네트라 부르고, 이와 같은 공정을 취하지 않은 것을 등방성(무방향성) 마그네트라 한다. 이방성 마그네트는 등방성 마그네트에 비해 상당한 성능 개선을 보인다. 등방성은 원통상 마그네트를 구성할 수 있지만 이방성의 경우는 기와 모양의 것을 들러붙게 합쳐서 사용해야 하는 문제가 있다.

. BLDC 모터의 구동회로 및 제어기술

(1) 구동회로

BLDC 모터의 구동회로는 반도체 기술의 발달로 소용량의 것은 IC화되어 사용되고 있다. [그림 1.6]은 회로구성의 일례를 보인 것이고, [그림 1.7]은 실제품의 블록도를 나타낸다.

[그림 1.6] BLDC 모터 구동 기본 회로 구성 예

[그림 1.7] BLDC 모터 제어 IC 블록도

제어 IC 입력으로 속도지령 신호를 인가하면 Hall 센서로부터 자극의 위치 정보를 얻고 IC내에서 PWM 파형을 생성하여 인버터의 스위치를 온·오프한다. 과전류보호기도 내장되어 있으며 DC 전압도 300V급까지 인가할 수 있다.

(2) BLDC 모터의 회전자의 자극위치 검출방법

회전자 자극 위치 검출 방법을 [표 1.2]에 나타내었다. 현재 비교적 구성이 간단한 Hall 소자 포토 커플러를 이용한 광학적인 방법이 많이 사용된다.

 

[표 1.2] BLDC 모터의 위치 검출 방식

방 식

특 징

비 고

Hall 소자 방식

위치검출기구가 간단

Hall 소자의 재질에 따라 GaAs, InSb 계로 분류

광학적 방식

포토커플러를 주로 이용

판재식과 투과식으로 대별

고주파 유도방식

코일의 인덕턴스의 변화를 검출

 

고주파 발진제어 방식

발전기의 Q (공진의 첨예도) 발진을 온·오프함

 

Lead Switch 방식

구조 간단

 

자기저항 소자방식

자전변환 소자를 이용 Hall 소자방식과 동등

 

(3) 구동방법과 제어

BLDC 모터는 인가전압이 일정한 경우 부하 토크에 대한 회전속도가 DC 모터와 같이 부하특성을 갖고, 속도-토크가 거의 직선 관계를 이루므로 인가전압에 의해서 용이하게 속도를 제어할 수 있는 특징이 있다. BLDC 모터의 회전력의 발생은 DC 모터와 같고, 동일한 형태의 속도-토크 특성을 갖는다.

BLDC 모터를 사용하여 일정속도로 제어하는 방식의 예는 F/V(frequency to voltage) 방식과 PLL(phase locked loop) 방식이 있다. F/V 방식은 모터의 회전 오차가 1% 이하의 정밀도가 필요한 경우에 잘 사용된다. [그림 1.8]에 블록도를 나타낸다. FDD의 스핀들 모터에 적용한 경우 프린트 기판 상에 제어회로와 파워회로가 원칩화된 LSI 및 Hall 센서, 속도검출용 FG(frequency generator) 파형, 전기자권선 등이 실장되며 모터 회전 오차는 0.3%이하이다.

[그림 1.8] F/V BLDC 모터 블록도

F/V 방식의 경우 속도의 결정이 저항, 콘덴서로 정해지기 때문에 높은 회전 정밀도가 얻어지지 않는다. 이와 같은 이유에서 PLL 방식이 고려되었다. [그림 1.9]에 블록도를 나타낸다. 이 경우 속도의 설정은 외부의 수정발진자에 의해 행해지므로 매우 높은 회전수 및 회전수 변동 정밀도가 얻어진다.

[그림 1.9] PLL 방식의 BLDC 모터 블록도

[그림 1.10]은 3.5" FDD의 스핀들 모터에 사용한 예를 블록도이며, 모터 구동이 원칩 LSI로 행해진다. 속도제어부에 마이크로프로세서를 사용해서 PWM 제어되는 전력변환기를 조합시킴으로써 여러 가지 특징을 갖는 BLDC 모터가 만들어진다.

3.5" FDD 스핀들 구동방식으로서 DD(direct drive)와 ID(indirect drive) 방식이 있지만 최근에는 박형화된 ID방식이 채용되고 있다. 여기에 수반하여 모터도 박형화가 요구되는 경향이지만 DD 방식용 모터에서는 ID 방식에 비해 감속비분만큼 큰 토크를 필요로 하기 때문에 가격면에서 불리하다.

[그림 1.10] FDD 스핀들 모터용 원칩 LSI 블록도

BLDC 모터도 센서리스 방식이 연구되고 있으며 한 예를 기술한다. [그림 1.11]에 나타낸 것과 같이 120°의 위상차를 가진 각 코일에 유기되는 전압과 점선으로 표시된 각 유기전압의 정의 반주기를 반전하는 1/2 크기로 한 전압을 비교기로 비교해서 전류를 흘리게 한 다이오드에 대응하여 각상의 구동 트랜지스터가 온으로 되어 고정자 코일에 전류가 흐르게 된다. 이것에 의해 마그네트와 요크로 구성된 회전자는 전류가 흘러 여자된 고정자에 동기로 회전한다. 이와 같이 센서리스 모터는 유기전압과 비교하는 것에 의해 전류가 흐르는 시간을 정하므로 일반적으로 필요로 하는 자극검출용의 홀센서가 불필요하게 되고 신뢰성도 향상된다.

[그림 1.11] 전류(轉流)회로의 동작

 

3.1-3 BLDC 모터


가. 모터 설계

BLDC 모터의 설계기술관련 특허로는 설계기술특허, 정밀제작기술특허, 특성기술특허로 구분할 수 있다.

(1) 설계기술

'85년 Papst-Motoren에서 출원하여 '88년 등록된 미국특허 4730136호는 고정자 구조에서 공극을 균일하지 않게 함으로 기동토크를 향상시켰고, '93년 Papst Licensing에서 출원하여 '95년 등록된 미국특허 5418416호는 3상 코일과 위치센서가 특별한 위치로 연관되도록 하여 고정자 전류에 따라 정류시점이 이동하는 것을 방지하였다.

BLDC 모터의 주요한 특성중 하나인 토크리플의 저감과 관련된 특허로서, '82년 Fuji Photo Film Co.에서 출원하여 '85년 등록된 미국특허 4551645호는 디스크형 BLDC 모터로서 전기자 권선을 중첩시키지 않고 권선수를 증가시켜 모터의 상수를 증가시키고 토크리플을 감소시켰고, 이후 '92년 Sankyo Seiki에서 출원하여 '93년 등록된 미국특허 5194771호는 권선과 자기센서 위치를 개선하여 토크리플을 감소시켰다.

한편, 효율 향상과 관련해서는, '85년 Sanyo Electric Co.에서 출원하여 '87년 등록된 미국특허 4668884호는 축방향의 공극을 갖도록 하여 효율을 향상시키고 그에 따라 소비전력을 감소시켰다. 그리고, '87년 Shicoh Engineering Co.에서 출원하여 '89년 등록된 미국특허 4804873호는 하나의 위치검출장치만을 가지며 저소음과 효율이 높은 BLDC 모터에 대한 특허이다.

그리고, 소형화와 관련해서는, '91년 Matsushita Electric Ind.에서 출원하여 2000년 등록된 일본특허 3106582호는 기판상에 IC를 배치하여 모터의 소형화를 달성하는 기술이며, '91년 Nippon Densan Co.에서 출원하여 2000년 등록된 일본특허 3128282호는 큰 자속밀도변화를 얻음으로 코어의 단면적을 줄일 수 있어 모터의 소형화를 달성하는 기술이다.

위 기술들에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 미국특허 4730136호는 고정자 구조에 있어서, 공극이 균일하지 않도록 완전한 원통형에서 약간 벗어나는 형태의 외주면을 갖는 전기자 극편을 포함하는 원통형 공극을 가지는 모터에 관한 것으로, 건조 마찰에서도 신뢰성 있게 기동할 수 있도록 하였다.

미국특허 4551645호[그림3.1]은 다수의 전기자 권선과 계자석으로 구성된 디스크형 브러시리스 모터에 관한 것으로서, 전기자 권선을 서로 중첩시키지 않고 모터의 전기자 권선의 수를 증가시킴으로써, 모터의 상 수가 증가하여, 토크 리플이 크게 감소하고 매끄럽게 회전하도록 하는 기술이다.

[그림3.1] 디스크형 BLDC 모터 [미국특허 4551645호]

미국특허 5418416호[그림3.2]는 적어도 두 쌍의 극을 갖도록 배치된 영구 자석 회전자와, 성형결성된 3상 고정자 권선을 갖는 3상 BLDC 모터에 관한 것으로, 3상 코일에 특수한 형태로 연관되도록 위치 센서를 위한 각각의 각 위치들을 선택함으로써 매우 간단하게 고정자형 직류 모터에 있어서 고정자 권선에 유입되는 전류의 영향에 의한 정류 시점의 이동을 방지하도록 하였다.

[그림3.2] BLDC 3상 모터 [미국특허 5418416호]

이후, 미국특허 4668884호는 축방향으로 공극을 갖는 형태의 BLDC 모터에 관한 것으로, 구동코일과 회전자 자석 사이에 좁은 공극만이 필요함으로써, 모터의 효율이 종래의 기술과 대비하여 크게 향상되고, 따라서 소비 전력이 대폭 감소되었다.

미국특허 4804873호는 스스로 기동할 수 있고 하나의 위치 검출 장치만을 갖는 BLDC 모터에 관한 것으로, 코깅발생 자기판이 계자석이 스스로 기동할 수 있도록 계자석을 인력에 의해 이동시키는 코깅 토크를 발생시킴으로써 보다 적은 소음과 높은 효율로 매끄럽게 회전할 수 있도록 하였다.

미국특허 5194771호는 BLDC 코어모터에 관한 것으로, 자기 감지 소자와 코어 권선이 서로 개선된 상대적 위치에 배치되며, 홀 소자가 전류가 흐르면서 권선으로부터 발생한 자계의 영향을 받지 않게 되어 자속이 코어의 돌극들 간에 균등하게 분포하게 되고 누설전류가 감소하여 토크 리플이 감소되고 모터의 회전이 매끄럽게 되도록 하였다.

한편, 한국특허 213571호[그림3.3]은 더블로터/싱글스테이터 방식의 코어레스 BLDC 모터를 제안하여 각 코일간의 확실한 절연과 우수한 방습, 진동흡수성 및 내식성 구조를 가지며 일반절연동선을 사용하여 범용권선기로 보빈코일을 권취하는 경우, 저렴한 비용으로 스테이터를 제조할 수 있는 고정자 어셈블리를 제공하고, 다단적층구조시 인접단과의 상호연결이 손쉬우며 전체적으로 소형/경량화 하 였다.

[그림3.3] 더블로터/단일스테이터 방식의
코어레스형 BLDC 모터
[한국특허 213571호]

 


(2) 정밀제작기술

'83년 Papst-Motoren에서 출원하여 '85년 등록된 미국특허 4501997호는 실린더형 공극을 갖도록 하여 아우터 회전자 모터의 자화 패턴을 용이하게 하였으며, '84년 Tamagawa Seiki에서 출원하여 '91년 등록된 일본특허 1611477호는 코일을 감는 작업을 용이하게 하고 코일의 크기 및 길이를 감소시켜 코일의 직류저항을 낮춰 모터성능을 향상시켰으며, '88년 Nidec Co.에서 출원하여 '90년 등록된 미국특허 4934041호는 BLDC모터의 조립방법에 대한 특허로서 조립이 용이하고 센서를 보다 정확하게 배치할 수 있게 하였다.

'
93년 Seiko Epson에서 출원하여 '94년 등록된 미국특허 5369325호는 회전자를 제조하기 위하여 영구자석을 슬롯에 삽입하여 영구자석의 이탈을 막고 철손을 줄였고, '94년 Sankyo Seiki MFG Co.에서 출원하여 '98년 등록된 일본특허 2854519호는 홀센서를 인덱스 신호 검출용으로 하여 모터 제작을 간이화하였으며, 이후 '97년 Seiko Epson에서 출원하여 '99년 등록된 미국특허 5952760호는 코일부와 회로부의 연결을 단순화시켜 부품을 줄이고 조립을 용이하게 하고 기동토크를 증가시켜 모터의 성능을 향상시켰다.

한편, 최근 '99년 엘지전자에서 출원하여 2000년 등록된 한국특허 284853호는 아우터 회전자형의 모터에서 회전자의 구조적인 강도를 보강하여 진동 및 소음을 감소시켰다.

이들에 대하여 구체적으로 살펴보면, 미국특허 4501997호는 BLDC 모터 중 외부 회전자 모터를 위한 자화로서 실린더형 공극을 갖는 BLDC 외부 회전자모터를 제공하여 여자 자석과 제어자석이 하나의 피스(piece)로 상호 연결되어 있는 경우에 원하는 자화패턴을 쉽게 구현하도록 하였다.

미국특허 4934041호[그림3.4]는 인쇄회로기판이 적어도 하나 이상의 다른 모터 구성요소와 함께 배치되도록 통합 주사 방식을 이용하는 것을 특징으로 함으로써, 인쇄회로 기판이 자동으로 고정되고 다른 모터 구성 요소들과 함께 쉽게 조립될 수 있으며, 센서를 보다 정확하게 배치할 수 있도록 하였다.

[그림3.4] 센서를 정확하게 배치하는 BLDC 조립 방법 [미국특허 4934041호]

미국특허 5369325호 [그림3.5]는 고효율, 고속으로 동작하기에 적합한 BLDC 모터 및 그를 위한 회전자에 관한 것으로서, 영구자석을 각각의 슬롯에 삽입함으로써 영구자석이 이탈하는 것을 방지하기 위해 필요한 회전자 외주면을 덮는 멤버가 불필요하게 되는 등 구성이 간단해지며, 그에 따른 철손을 최소화하였다.

[그림3.5] BLDC 모터의 회전자 제조 방법 [미국특허 5369325호]

한국특허 284853호는 외부 회전자 형의 BLDC 모터에서 회전자의 구조적인 강도를 보강하여 진동 및 소음을 감소시켰다.

미국특허 5952760호[그림3.6]은 고정자 요크에 자계용 코일을 갖고, 회전자에 영구자석을 갖는 BLDC 모터의 구조에 관한 것으로, 코일부와 회로부의 연결을 단순화하고, 모터의 조립이후에도 상기 회로부를 쉽게 교체하거나 조정할 수 있도록 하며, 조정에 필요한 부품을 줄여, 조립을 쉽게 하고 큰 기동토크를 갖게 하는 등 모터의 성능을 개선하였다.

[그림3.6] 회전자에 영구자석을 갖는 BLDC 모터 [미국특허 5952760호]

(3) 특성기술

'85년 Sony Co.에서 출원하여 '95년 등록된 일본특허 1899824호는 2개의 자기-전기 변환소자로 3상 BLDC 모터를 구동시킬 수 있도록 하고 회전시 토크 리플을 줄였으며, '86년 Hitachi Ltd.에서 출원하여 '96년 등록된 일본특허 2085688호는 부하증가에 대한 위치 검출신호의 위상변화를 보정하여 항상 위치검출이 가능하도록 하였다. 이후, '89년 Mitsubishi Denki에서 출원하여 '90년 등록된 미국특허 4952830호는 위치검출소자로 사용하는 홀 소자를 외부의 물로부터 보호할 수 있도록 하였다.


한편, '90년 Matsushita Electric에서 출원하여 2000년 등록된 일본특허 3119863호는 역기전력을 위치 검출 수단으로 이용하여 홀소자와 같은

위치 검출소자가 불필요한 특성의 BLDC 모터가 제시되었다. '96년 Zexel Co.에서 출원하여 '98년 등록된 미국특허 5798598호는 베어링에 윤활유가 충분히 유지되도록 하여 소음의 증대를 억제하였으며, '97년 Reliance Electric Ind.에서 출원하여 '99년 등록된 미국특허 5932942호는 전력용 반도체의 열을 효율적으로 발산시켜 개선된 열 특성을 갖도록 하였고, '97년 Reliance Electric Ind.에서 출원하여 '99년 등록된 미국특허 5939807호는 구동회로와 모터가 일체로 패키지화되어 속도 및 토크 등 제어변수가 광범위하게 조정될 수 있도록 하였다.

상기 기술에 대하여 구체적으로 살펴보면, 일본특허 1899824호는 2개의 자기-전기변환소자로 3상 BLDC모터를 회전구동시킬 수 있고, 2개의 자기전기변환소자의 특성 혹은 조립정밀도 등에 있는 정도의 불일치가 있더라도 회전토크 리플을 작게 할 수 있다.

미국특허 4952830호는 홀 소자를 회전자의 위치 검출 센서로서 사용하는 BLDC 모터에 있어서 홀 소자의 장착 구조에 관한 것으로서, 홀소자가 홀더 내에 형성된 사각형의 구멍 내부에 완전히 수용되게 함으로써 효율이 높아지고, 진동에 대한 강도가 개선되며, 외부의 물이 침투하는 것으로부터 효과적으로 홀 소자를 보호할 수 있다.

일본특허 3119863호[그림3.7]은 콘덴서를 포함하는 필터회로가 불필요하고, 고속 회전 때에도 진동, 소음이 지극히 적으며, 역기전력검출수단으로 고정자코일에 유기되는 역기전력의 제로 크로싱 점만을 검출하기 때문에, 홀소자의 같은 회전자위치 검출소자가 불필요하면서, 고정자 코일에 흐르는 전류를 양방향에 공급할 수 있다.

[그림3.7] 역기전력을 회전자위치검출수단으로 이용하는
BLDC 모터
[일본특허 3119863호]

미국특허 5932942호 [그림3.8]은 BLDC 모터의 개선된 열 관리 능력을 갖는 전자 구동회로에 관한 것으로, 전력용 소자로부터 발생하는 열을 효율적으로 발산하여 전체적으로 열 부하를 효율적으로 관리하도록 하였다.

[그림3.8] 전력용 소자로부터 발생하는 열을
효율적으로 발산
[미국특허 5962942호]


나. 구동회로 및 제어기술

BLDC 모터의 구동회로 및 제어기술분야는 크게 센서 있는 제어기술과 센서리스 제어기술로 구분된다.

(1) 센서 제어기술

'83년 IBM에서 출원하여 '85년 등록된 미국특허 4514667호는 모터의 총합전류를 감지하지 않고도 정속제어를 하도록 하고, '82년 출원되고 '85년 등록된 미국특허 4520300호(출원인: Richard B. Frandella)는 시스템의 안정도를 높이고 철손을 줄이며, 이어 '83년 The Boeing Co.에서 출원하여 '85년 등록된 미국특허 4528486호는 토크의 방향과 크기를 제어하여 4상한 운전이 가능토록 하였다.

또한, '83년 Oki Electric Ind.에서 출원하여 '94년 등록된 일본특허 1864260호는 제어기를 위해 회전자의 원점위치결정방법을 제공하며, '86년 Sony Co.에서 출원하여 '88년 등록된 미국특허 4760315호는 스위칭시 음향노이즈를 감소시켰다. 이후, '90년 Matsushita Electric Ind.에서 출원하여 '99년 등록된 일본특허 2876681호는 스위치의 듀티비를 변화시켜 회전속도 변경시 회전이 부드럽고 속응성 있게 제어하도록 하였다. '95년 Exabyte Co.에서 출원하여 '98년 등록된 미국특허 5712539호는 디지털적인 방법에 의해 가청 소음을 감소시키도록 하였으며, '95년 Teac Co.에서 출원하여 2001년 등록된 일본특허 3250599호는 잡음에 기인된 부적절한 여자신호의 발생을 막아 정확한 속도제어가 가능하도록 하였다.

'84년 Motorola Inc.에서 출원하여 '86년 등록된 미국특허 4588933호는 제어시스템 소자에 인가될 수 있는 과전압을 보호하여 제어 회로의 파괴를 방지할 수 있도록 하였고, 이어 '95년 Toshiba에서 출원하여 '97년 등록된 미국특허 5694010호는 회전불능, 모터불량 혹은 제어회로의 불량 중 어디가 고장인지를 검출할 수 있도록 하였다.

또한, '96년 Daiken Industries Ltd.에서 출원하여 '98년 등록된 미국특허 5739650호는 위치신호에 따라 인버터의 전압파형을 제어하여 고효율의 제어를 하며, 스위치의 펄스를 제어하여 모터의 특성을 개선한 특허로 '98년 Zexel Co.에서 출원하여 '99년 등록된 미국특허 5901268호는 회전수의 상승변화가 큰 경우 펄스폭을 제어하여 성능저하를 억제하였으며, '97년 엘지전자에서 출원하여 '99년 등록된 한국특허 250108호는 도통각을 가변하여 도통구간을 길게 설정함으로써 최대토크 및 효율을 향상시켰다.

위 기술들에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 미국특허 4514667호는 프린터에서 특성밴드를 구동시키기 위해 사용되는 BLDC의 정속 제어용 방법 및 장치에 관한 것으로, 제어기 회로구성을 변화시키지 않을 뿐만 아니라 모터총합전류를 감지함이 없이 다른 속도에 쉽게 적용할 수 있도록 하였다.

미국특허 4528486호[그림3.9]는 제어기에 관한 것으로 낮은 수준의 토크 명령 신호에 응답하여 BLDC 직류 모터의 토크의 방향과 크기를 제어하기 위한 컨트롤러에 관한 것으로서, 모터의 4가지 동작영역 모두에서 모터의 출력토크에 대한 선형 제어를 제공할 수 있으며, 원하는 모터 토크를 발생시키기 위하여 모터의 여자를 변화시키는 것이 필요한 시기를 결정함으로써 매끄러운 동작을 할 수 있도록 하였다.

[그림3.9] 모든 영역에서 모터의 출력토크에 대하여
선형 제어를 제공
[미국특허 4528486호]

일본특허 1864260호는 위치결정방법에 관한 것으로 직류 BLDC 모터에 있어서의 발광 다이오드 및 수광 트랜지스터 등이 없이 전기자코일과 회전자간의 위상을 쉽고 정확히 할 수 있도록 하였다.

일본특허 2876681호는 회전속도 변경 시와 회전속도 안정 시의 듀티 제어를 달리하는 것에 의해, 부하에 대응하면서 부드럽고 민첩한 회전속도의 변경을 가능하게 하고, 더욱이 소정의 회전수-듀티 곡선의 경사를 저회전시와 고회전시로 바꾼 것에 의해, 저회전시의 인가 전압력이 높아지고, 저회전에로의 이행시나 저전원전압시의 인가전압의 언더슈트에 의한 脫調現象를 방지할 수 있도록 하였다

미국특허 5739650호[그림3.10]은 고효율의 모터 시스템과 제어에 관한 것으로 본 발명은 위치신호에 따라 전압형 인버터의 전압 파형을 제어함으로써, 부하의 변화에 관계없이 고효율의 동작을 얻을 수 있고, 장비의 추가 없이도 넓은 동작범위와 고성능의 동작을 구현할 수 있고, 전압형 인버터 및 스위칭 소자의 전류 용량을 줄일 수 있도록 하였다.

[그림3.10] 위치신호에 따라 전압형
인버터의 전압 파형을 제어
[미국특허 5739650호]


미국특허 5869946호[그림3.11]은 PWM 구동신호로 다상 센서리스 BLDC 모터를 구동하는 경우에 효과적으로 토크를 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 정류시에 PWM 구동신호를 서서히 슬루우 시킴으로써 모터에 가해지는 총 토크를 양호하게 제어하고 토크 리플을 감소시켰다.

[그림3.11] 토크 리플을 감소시킨 다상 센서리스 BLDC 모터 [미국특허 5869946호]


미국특허 4588933호는 제어 시스템 소자에 연결되는 예상보다 큰 신호의 발생에 의한 제어 시스템의 파괴를 방지하는 BLDC 직류 모터의 제어 시스템에 관련된 것으로서, 모터 제어 회로의 입력 단자가 모터 제어 회로의 동작 전압을 공급하기 위한 단자가 되고, 배터리의 과전압에 대비하여 모터 제어 회로에 인가되는 동작전압을 통제함으로써 그러한 과전압에 의한 모터 제어 회로의 파괴를 방지한다.

 

 

(2) 센서리스 제어기술

'82년 Imec Co.에서 출원하여 '84년 등록된 미국특허 4455513호는 부하토크가 걸려 있을 때도 신뢰성 있게 시동을 할 수 있으며, '83년 Sanyo Electric Co.에서 출원하여 '85년 등록된 미국특허 4495450호는 홀소자 없이 모터의 동작을 고효율로 안정적으로 제어하는 기술을 제시하였다. 역기전력을 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 기술이 '85년 Nippon Denso Co.에서 출원하여 '87년 등록된 미국특허 4641066호에서 제시되었으며, 또한'85년 Hitachi에서 출원하여 '87년 등록된 미국특허 4651067호는 역기전력에 따라 전류를 변화함으로써 토크리플을 감소시키는 구동장치에 관한 기술을 제시하였다.

그리고, '90년 Victor Co.에서 출원하여 '96년 등록된 일본특허 2541350호는 2상 이상의 역기전력을 검출하여 속도정보를 얻는 제어방법을 제시하였고, '91년 Matsushita Electric Ind.에서 출원하여 '92년 등록된 미국특허 5130620호는 위치센서 없이 역기전력의 영점교차점을 이용하여 회전자의 위치 신호를 발생시키는 기술을 제시하였다. '94년 Hitachi Ltd.에서 출원하여 '96년 등록된 미국특허 5569988호는 역기전력을 이용하고 보상신호, 펄스신호 등 여러 신호를 발생시키며 정상상태에서 스파이크 노이즈의 발생을 억제하는 구동회로를 제시하였고, '96년 엘지전자에서 출원하여 '98년 등록된 한국특허 186421호는 역기전력을 이용하여 반복운전 시 회전자의 위치를 정확히 검출하는 방법을 제시하였고, 이후 '98년 페어차일드 코리아에서 출원하여 2000년 등록된 한국특허 283513호는 역기전력을 이용하여 주파수 발생 신호를 생성하는 회로를 제시하였다.


한편, '90년 Seagate Technology, Inc.에서 출원하여 '92년 등록된 미국특허 5117165호는 홀 소자를 사용하지 않고 정지상태에서 중속범위까지 모터를 구동하는 기술을 제서하였으며, '92년 Toyota Jidosha에서 출원하여 '93년 등록된 미국특허 5194794호는 엔코더 없이 자극 위치 센서의 출력 신호에 의해 회전을 검출하여 토크를 제어하도록 하였다.

'92년 Nippon Densan Co.에서 출원하여 2000년 등록된 일본특허 3110843호, 2001년 등록된 일본특허 3244799호, 2000년 등록된 일본특허 3124397호는 센서리스 다상직류 모터가 신뢰성 있는 기동되도록 하는 주요 기술이다. '93년 Emerson Electric Co.에서 출원하여 '95년 등록된 미국특허 5420492호는 센서를 사용하지 않고 역기전력을 검출하지도 않으며 직류 DC 링크단의 전류를 샘플링하여 귀환시켜 전 속도영역에서 제어할 수 있는 기술을 제시하였다.

'
97년 ST Microelectronics Inc.에서 출원하여 '99년 등록된 미국특허 5869946호는 PWM 구동으로 센서 없는 BLDC 모터를 운전할 때 토크제어를 효과적으로 할 수 있도록 하였다.

위 기술들에 대하여 구체적으로 살펴보면, 미국특허 4495450호[그림3.12]는 홀 소자와 같은 회전자 위치 감지부를 사용하지 않고 BLDC 모터의 회전을 제어할 수 있는 제어장치를 제공하여, 모터의 동작을 높은 효율로 안정적으로 행할 수 있고, 홀 소자가 필요치 않아 모터의 부하상태 변화에 따라 조정이 쉽게 이루어지며, 리드 선이나 단자의 사용이 불필요하여 장치구조와 조립 동작이 단순해지는 기술이다.

[그림3.12] 회전자 위치 감지부가 없는
BLDC 모터의 회전제어장치
[미국특허 4495450호]


미국특허 4641066호[그림3.13]은 고정자 권선에서 발생된 역기전력 신호에 따라 여자 상을 스위칭하는 BLDC 모터에 관한 것으로서, BLDC 모터의 기동시에 빠르고 매끄러운 제어를 가능하게 하였다.

[그림3.13] 역기전력 신호에 따라 여자 상을
스위칭하는 BLDC 모터 [미국특허 4641066호]

미국특허 5206567호는 회전자의 회전속도에 맞게 항상 여자상이 스위칭될 수 있도록 하여 센서리스 BLDC 직류 모터의 기동이 효율적으로 이루어진다.

센서리스에 관한 특허로 일본특허 2541350호는 기록재생소자의 구동제어계의 여러 회로에 대하여 전력공급을 차단 또는 제한하여 정보기록매체원반 기록재생기의 소비전력을 저감시킬 수 있고, 기록재생소자에 의한 기록재생동작이 행하여지고 있지 않은 상태에서는, 정보기록매체원반은 제1의 회전제어모터로 회전하기 때문에 기록재생이 행하여지는 경우에 있어서의 기록재생소자의 정보기록매체원반에 대한 억세스 시간을 단축할 수 있다.

미국특허 5117165호[그림3.14]는 홀 소자와 같은 위치 검출장치를 사용하지 않고, 정지상태에서 중속도까지 모터를 구동하는, 즉, BLDC 직류 모터 전류 펄스 주사와 샘플링 기술을 이용하여 회전자의 위치를 결정하고, 각 상의 조합에는 양극과 음극의 전류 펄스가 계속적으로 인가되고, 각 쌍의 펄스의 피크 값이 비교되고 그 차이의 부호를 저장함으로써 회전자의 위치를 보다 정확하게 결정함에 따라, 외부의 센서가 필요 없고 크기가 작아지며, 무게와 전력소모를 감소된다.

[그림3.14] 외부 센서 없이 정지상태에서 중속도까지
모터를 구동
[미국특허 5117165호]

미국특허 5194794호[그림3.15]는 엔코더를 사용하지 않고 자극 위치 센서의 출력 신호에 의해 BLDC 모터의 회전을 검출하고, BLDC 모터의 구동 토크는 토크 명령 신호에 의해 제어되어, 결과적으로 고온에서의 BLDC 모터의 회전이 유연하게 제어될 수 있도록 하였다.

[그림3.15] 자극 위치 센서의 출력 신호에 의해 BLDC 모터의 회전을 검출
[미국특허 5194794호]


미국특허 5130620호는 영구 자석 회전자의 회전상의 위치를 검출하기 위한 위치 센서가 없이, 다수의 고정자 권선에 유도된 역기전력의 영점 교차점을 펄스 신호 열 형태로 변환하고, 변환된 신호열의 주기를 측정하며, 그에 따라 회전자의 위치 신호를 발생시켜 결과적으로 고정자 권선의 도통되는 상에는 변화가 없도록 하였다.


일본특허 3110843호는 정방향에서 역방향 또는 역방향으로부터 정방향으로의 逆여자를 步進 자체의 내부에 마련하는 것에 따라 기동 오더 시간을 단축할 수가 있고, 복수상 코일의 높은 토크에 의해 기동특성을 향상시킬 수 있으며, 제어의 계층이 한 번으로 되기 때문에, 기동회로가 간단해지며, 데드 포인트가 다르기 때문에, 회전자가 멈춘 상태로 움직이지 않게 되는 모터의 기동불능을 방지할 수 있다.

일본특허 3244799호는 기동기에 여분인 전력소비를 차단할 수 있어 기동시의 소비전력이 저감되므로 모터구동용의 전원전지의 소전류 소형화에 기여할 수 있다.

일본특허 3124397호는 복수의 상으로 순차 逆여자驅動動作이 행하여지도록 하여 충분한 토크를 꾀함으로써 기동확률을 향상시켜 기동실패의 확률이 거의 0이 되도록 하였다.

미국특허 5420492호[그림3.16]은 직류 버스 전류 프로파일을 사용하여 모터를 위한 정류정보를 결정하도록 하여, 센서를 사용하지도 않고 회전자의 위치를 감시하지도 않고 역기전력을 검출하지도 않으며, 직류 버스 전류를 샘플링하여 귀환시킴으로써 전 속도영역에서 정류각을 제어할 수 있도록 하였다.

[그림3.16] 직류 전류 프로파일을 사용하여 모터를 위한 정류정보를 결정
[미국특허 5420492호]


미국특허 5569988호[그림3.17]은 검출된 역기전력에 근거하여 신호를 출력, 전송하는 선형증폭기를 포함하는 센서리스 구동회로로, 순간적인 스위칭 신호 대신 사다리꼴 형태의 구동전류 파형을 사용함으로써 정상상태에서의 스파이크 노이즈의 발생을 억제하면서도 회로의 구성을 단순화시켰다.

[그림3.17] 역기전력에 근거한 신호를 출력/전송하는 선형증폭기를 포함하는
센서리스 구동회로[미국특허 5569988호]

한국특허 186421호는 BLDC 모터의 회전시 발생하는 역기전력에 의한 모터위치신호를 찾아내고 이 찾아낸 모터위치신호의 레벨과 모터의 가속여부를 체크하여 로터의 위치를 인식하면서 BLDC 모터를 회전하고, 다시 이 동작을 반복하면서 로터의 위치를 정확히 찾아내면서 구동하도록 함으로써 기동시간을 크게 줄이며, 이로 인해 반복재생시의 신속성을 구현하고, 기동 토오크를 향상시켰다.

소용량 BLDC 모터의 구동 IC에서 필요한 펄스인 FG 발생회로와 구동회로에 관한 것으로 한국특허 283513호[그림3.18]은 홀(hole) 신호와 동일주파수를 가지는 펄스형태의 신호와 모터 3상 각각의 출력단과 모터에서 검출한 역기전력을 비교한 신호를 이용하여 논리게이트와 플립플롭의 조화를 통해 잡음이 없는 주파수발생기 신호를 생성하고 이 신호를 이용하여 모터의 속도를 제어함으로써 정속성과 정확한 속도제어를 얻을 수 있게 하였다.

[그림 3-18] 역기전력신호를 이용하여 속도를 제어하는
BLDC 모터 구동회로
[한국특허 283513호]

출처:

http://www.patentmap.or.kr/pm_inquiry/2002/2002-ee/2002-EE-01/EE01_roadmap/left_p.htm

 

4. BLDC Motor의 장점 단점

  a.  Brushless DC Motor의 장점

    - Small rotor size, High power density

    - low inertia, fast dynamic response

    - High speed/torque capability

    - Low maintenance cost

    - High torque/inertia ratio

    - better heat dissipation

 

  b.Brushless DC Motor의 단점  

    - high cost

    - rotor position sensor 필요하다. 

     - Complex power electronic circuit 및  controller 필요하다.