전기 모터(전동기)는 그 특징에 따라서 다양한 형태로 분류되며, 특히 브러시의 유무에 따라서는 브러시 모터(Brushed Motor)와 브러시리스 모터(Brushless Motor)로 분류됩니다.
브러시 모터는 브러시(brush)와 정류자(commutator)를 사용하여 전기 에너지를 기계적인 운동으로 변환하는 전동기의 일종이며, 브러시리스 모터는 브러시와 정류자를 사용하지 않고, 대신 전자적인 컨트롤러를 통해 전기 에너지를 기계적인 운동으로 변환하는 전동기의 형태입니다. 이번 포스팅에서는 브러시 모터와 브러시리스 모터의 이러한 각각의 특징과 서로의 차이점을 자세히 알아보겠습니다.
1. 브러시 모터의 특징
브러시 모터는 사용하는 전기의 종류에 따라서 브러시 DC 모터와 브러시 AC 모터로 나뉘어 질 수 있습니다. 브러시 DC 모터는 모터 로터의 일부인 회전 코일에 전력을 전달하기 위해 브러시와 정류자를 사용하는 직류(DC) 전기 모터의 일종입니다. 또한 교류(AC) 전기 모터는 브러시가 없는 경우가 대부분이므로 ‘브러시 AC 모터‘라는 단어는 잘 사용하고 있지 않지만, 직류·교류 겸용 모터 등에서 브러시가 사용되는 경우가 있습니다.
1-1. 브러시 DC 모터
<브러시 DC 모터>
- 브러시 DC 모터의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.
고정자
고정자로 알려진 모터의 고정 부분에는 영구자석이 있거나, DC 전원에 연결된 와이어 코일이 있습니다. 코일이 있는 경우, 이 코일을 통해 전류가 흐르면 자기장이 생성됩니다.
회전자
회전자는 모터의 회전 부분입니다. 정류자에 연결된 와이어 코일(전기자)로 구성됩니다.
브러시
브러시는 일반적으로 탄소로 만들어지며 정류자와 접촉합니다. 브러시는 고정자에서 회전자로 전류를 전달합니다.
정류자
정류자는 로터에 장착된 회전 스위치입니다. 주요 기능은 회전자 코일이 회전할 때 전류의 방향을 반전시키는 것입니다. 이러한 전류의 역전은 회전자와 고정자 사이의 자기력이 동일한 방향으로 유지되도록 하여 회전자가 계속 회전하도록 합니다.
- 브러시 DC 모터의 작동은 다음 단계에 따라 이루어집니다.
① 고정자의 영구자석이 자기장을 띠거나, 고정자에 코일이 있는 경우에는 코일에 전류가 흐르면 자기장을 생성합니다.
② 브러시와 정류자는 전류를 로터로 전달합니다.
③ 회전자의 자기장은 고정자의 자기장과 상호 작용하여 회전자를 회전시킵니다.
④ 회전자가 회전함에 따라 정류자는 회전자 코일의 전류 방향이 반전되어 연속 회전을 유지하도록 합니다.
- 브러시 DC 모터는 비교적 간단하고 제어하기 쉽지만 브러시와 정류자의 마모로 인한 유지 보수의 필요성을 비롯한 몇 가지 단점이 있습니다.
<브러시 DC 모터 구조, Wapcaplet / CC BY-SA 3.0>
1-2. 브러시 AC 모터
브러시 AC 모터 중에서 직류·교류 겸용 모터는 DC 또는 AC 전원 두 가지 모두에서 작동할 수 있는 브러시 모터의 한 유형입니다. 겸용 모터에는 일반적으로 브러시 DC 모터와 마찬가지로 코일과 정류자가 있는 회전자가 있습니다. 정류자와 브러시는 로터 권선의 전류 방향을 역전시켜 모터가 AC 전원으로 작동할 수 있도록 합니다.
- 다음은 겸용 모터의 구성 요소와 작동에 대한 간략한 내용입니다.
회전자
겸용 모터의 회전자는 DC 모터와 마찬가지로 와이어 코일로 구성됩니다.
고정자
고정자에는 전류가 흐를 때 자기장을 생성하는 계자 권선이 포함되어 있습니다.
브러쉬와 정류자
브러시와 정류자는 전원(DC 또는 AC)에서 로터로 전력을 전송하는 데 사용됩니다. 정류자는 회전자가 회전할 때 회전자 권선의 전류 방향을 반전시키는 역할을 합니다.
AC에서 작동
AC 전원에 연결하면 브러시와 정류자를 통해 모터가 교류로 작동할 수 있습니다. 정류자는 AC 전압이 교대로 회전자 권선의 전류 방향을 반전시켜 모터가 회전 자기장을 생성할 수 있도록 합니다.
- 겸용 모터는 전동 공구 및 소형 가전 제품과 같이 AC 및 DC 전원 모두에서 작동하는 기능이 필수적인 응용 분야에서 자주 사용됩니다.
2. 브러시리스 모터의 특징
브러시리스 모터도 역시 사용하는 전기의 종류에 따라서 브러시리스 DC 모터(BLDC 모터)와 브러시리스 AC 모터(BLAC 모터)로 나뉘어 질 수 있습니다. 브러시리스 DC 모터(BLDC 모터)는 전력 전달을 위해 브러시와 정류자를 사용하지 않는 직류(DC) 전기 모터입니다. 대신 전자 컨트롤러에 의존하여 모터 권선의 전류 흐름 방향을 전환하므로 물리적 브러시가 필요하지 않습니다. 브러시리스 AC 모터(BLAC 모터)는 브러시와 정류자를 사용하지 않는 교류(AC) 전기 모터를 이야기하며, 거의 모든 교류 전기 모터들이 이에 해당됩니다. 또한 AC 전원의 정확한 타이밍과 제어를 위해 전자 컨트롤러에 의존합니다.
2-1. 브러시리스 DC 모터
<브러시리스 DC 모터>
- 브러시리스 DC 모터(BLDC 모터)의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.
고정자
BLDC 모터의 고정자에는 전류가 흐를 때 자기장을 생성하는 와이어 코일이 포함되어 있습니다.
회전자
BLDC 모터의 회전자는 일반적으로 영구 자석으로 구성됩니다. 자석은 고정자에서 생성된 자기장과 상호 작용하는 자기장을 생성합니다.
전자 컨트롤러
ESC(Electronic Speed Controller)라고도 하는 전자 컨트롤러는 모터의 작동을 관리합니다. 센서 또는 로터 위치의 피드백을 기반으로 모터 권선의 전류 흐름 타이밍과 순서를 결정합니다.
센서(옵션)
일부 BLDC 모터는 센서를 사용하여 회전자의 위치를 감지합니다. 그런 다음 이 정보는 전자 컨트롤러에서 고정자 권선의 전류를 적시에 전환하여 원활하고 효율적인 모터 작동을 보장하는 데 사용됩니다.
- 브러시리스 DC 모터의 작동에는 다음 단계가 포함됩니다.
① 전자 컨트롤러는 회전자의 위치를 결정하고 그에 따라 고정자 권선의 전류를 전환합니다.
② 고정자의 자기장과 회전자의 자기장 사이의 상호 작용으로 인해 회전자가 회전합니다.
- 브러시리스 DC 모터는 속도와 토크를 더 잘 제어할 수 있다는 장점 때문에 로봇 공학, 컴퓨터 주변 장치 및 전기 자동차를 포함한 다양한 응용 분야에 많이 사용되고 있습니다.
<브러시리스 DC 모터 구조, Kaspars Dambis / CC BY 2.0>
2-2. 브러시리스 AC 모터
<교류전동기(교류 전기 모터)>
- 브러시리스 AC 모터(BLAC 모터)에는 대부분의 교류 전기 모터(유도 전기 모터=유도전동기, 동기 전기 모터=동기전동기)가 해당되며, 주요 특징은 다음과 같습니다.
고정자
고정자에는 전원이 공급될 때 회전 자기장을 생성하는 와이어 코일이 감겨 있습니다.
회전자
회전자는 구리 등의 전도체, 영구자석, 슬롯을 이용한 원동형으로 되어있습니다. 회전자는 고정자에 의해 생성된 회전 자기장과 상호 작용하는 자기장을 생성합니다.
전자 컨트롤러
브러시리스 AC 모터는 전자 컨트롤러에 의존하여 모터 작동을 관리합니다. 컨트롤러는 센서 또는 회전자 위치의 피드백을 기반으로 고정자 권선에 대한 AC 전원 공급의 타이밍과 순서를 결정합니다.
센서(옵션)
일부 브러시리스 AC 모터는 센서를 사용하여 로터의 위치를 감지합니다. 그런 다음 이 정보는 전자 컨트롤러에서 AC 전원 공급 장치의 타이밍을 조정하는 데 사용되어 효율적이고 제어된 모터 작동을 보장합니다.
- 브러시리스 AC 모터의 작동에는 다음 단계가 포함됩니다.
① 전자 컨트롤러는 센서 또는 회전자 위치의 피드백을 기반으로 고정자 권선에 대한 AC 전원 공급 장치의 타이밍을 조정합니다.
② 고정자의 자기장과 회전자 사이의 상호 작용으로 인해 회전자가 회전합니다.
- 브러시리스 AC 모터는 전자 컨트롤러를 사용하여 속도와 토크를 포함한 모터 작동을 정밀하게 제어할 수 있어서 산업 자동화, HVAC 시스템, 전기 자동차 등을 포함한 다양한 산업 분야에서 사용됩니다.
<교류전동기 구조, S.J. de Waard / CC BY 2.5>
3. 브러시 모터와 브러시리스 모터의 차이점
브러시 모터와 브러시리스 모터 간에는 중요한 차이점이 있습니다. 이러한 차이점은 구조, 동작 원리, 내구성, 유지보수 등 다양한 측면에서 나타납니다.
[구조]
브러시 모터
브러시와 정류자를 사용하여 전력을 전달합니다. 브러시는 회전하는 정류자에 전기를 전달하여 로터를 동작시킵니다.
브러시리스 모터
브러시와 정류자가 없습니다. 대신에 전자적인 컨트롤러를 사용하여 전류의 방향을 제어하고 로터를 동작시킵니다.
[동작 원리]
브러시 모터
전류가 브러시를 통해 흐르고, 브러시는 회전하는 정류자에 전기를 전달합니다. 이로 인해 자석의 교차하는 자극에 의해 로터가 회전합니다.
브러시리스 모터
전자 컨트롤러가 전류의 방향을 정확한 시점에 변경하여 자석을 가진 로터를 회전시킵니다. 브러시와 정류자 없이도 회전 운동을 생성할 수 있습니다.
[내구성과 유지보수]
브러시 모터
브러시와 정류자 간의 마찰로 인해 내구성이 낮아지고 유지보수가 필요합니다. 브러시와 정류자가 마모되면 교체가 필요할 수 있습니다.
브러시리스 모터
브러시리스 모터는 브러시와 정류자가 없기 때문에 내구성이 높습니다. 마찰이 없어서 유지보수가 적게 필요하며, 더 오랜 수명을 제공합니다.
[효율성]
브러시 모터
브러시 모터는 브러시와 정류자의 마찰로 인해 일부 에너지가 손실될 수 있습니다.
브러시리스 모터
브러시리스 모터는 브러시와 정류자가 없어서 효율이 더 높습니다. 더 적은 열이 발생하며 전력 손실이 줄어듭니다.
[비용측면]
브러시 모터
비교적 간단한 구조를 가지며, 상대적으로 저렴하게 생산할 수 있습니다.
브러시리스 모터
전자적인 제어와 센서(센서리스 모델 제외)를 사용하기 때문에 구조가 더 복잡하고 비용이 더 많이 들 수 있습니다.
브러시 모터와 브러시리스 모터는 각각의 장점과 한계를 가지고 있으며, 특정 응용 분야에 따라 선택됩니다. 브러시리스 모터는 특히 효율성과 내구성이 중요한 고성능 응용 분야에서 널리 사용됩니다.