http://sun.uos.ac.kr/info/bldc/bldc.htm
서울시립대학교/계측네트워크실험실/김희식교수
http://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=11&dirId=1114&docId=55535910&qb=YmxkYyBQTVNN&enc=utf8§ion=kin&rank=2&sort=0&spq=0&sp=1
유도전동기는 고정자 권선과 회전자로 되어있는데, 회전자는 권선으로 되어있는 것도 있고 다람쥐 쳇바퀴모양(농형)의 금속으로 되어있는 것도 있습니다. 회전자의 권선에 교류전류가 흐르면 회전자계가 발생하고, 이 자계에 의해 회전자에 유도전류가 발생합니다. 이 유도전류에 의해 생기는 자기장과 고정자의 회전자기장이 서로 작용을 하여 회전자가 돕니다. 기동 시 초기에는 회전자의 기계적 속도가 전기적 속도보다 느리지만(회전자의 유도전류와 이로인한 자계는 막 돌아가는데 실제 회전자는 못 따라간다는 의미입니다. 이 차이를 slip이라 합니다.) 속도가 점점 붙으면서 결국 회전자는 고정자의 회전자계 속도를 거의 따라잡아 정상상태에 도달합니다.
직류모터는 자석으로 된 고정자와 권선으로 된 회전자로 되어있습니다. 회전자의 권선은 브러쉬를 통해 외부의 직류전원과 연결이 되는데, 회전자가 돌감에 따라 이 브러쉬와 외부의 전원이 연결되는 극성이 계속 바뀌고, 회전자에 발생하는 자장도 방향이 계속 바뀌게 됩니다. 즉, 회전자의 자장은 고정자의 자장에 대해 항상 일정한 극성으로 유지가 되어 회전력이 생깁니다.
PMSM은 Permanent Magnet Synchronous motor(영구자석 동기전동기)의 약자입니다. 직류모터와는 반대로 고정자가 권선이고 회전자는 자석으로 되어있습니다. 고정자에 교류를 인가하여 회전자계를 만들어주면 회전자가 이를 따라 도는 원리로 동작합니다. 앞에 예를 든 유도전동기와 직류전동기는 그냥 적당한 교류 혹은 직류전원을 연결하기만 하면 대충 잘 돌아가는 데에 비해 PMSM은 대충 전기를 넣어서는 기동이 되지 않습니다. 220V 교류를 그냥 확 꽂아버리면 그 순간부터 고정자에 회전자계가 발생하지만, 초기에 정지하고 있는 회전자가 따르기엔 너무나 갑작스러워서 아예 안 돌거나 손으로 살짝 돌려주면 돌려고 하다가 다시 서버리거나 합니다. (유도전동기의 경우는 적어도 회전자의 자계는 고정자의 자계와 동기되어 돌고 회전자 자체는 slip만큼 느리게 돕니다. 이에 반해, PMSM은 회전자와 상관없이 고정자의 자장이 마구 돌아가는 것이 다릅니다.) 따라서, PMSM은 반드시 인버터 회로와 함께 하며 기동을 위한 여러가지 방법들이 개발되어있습니다.
BLDC 모터는 PMSM과 모터 자체는 똑같습니다. 다만, 인버터 제어시 벡터제어라는 것을 하여 PMSM을 돌리면 그 토크 특성이 DC 모터와 아주 유사하게 나타나기 때문에, 이 경우에 한해 BLDC 모터라고 합니다. 그러나, 대부분의 경우 PMSM에는 벡터제어가 적용되기 때문에 PMSM이라는 말은 잘 안 쓰고, 대부분의 사람들이 BLDC 모터라는 말로 PMSM을 혼동하여 지칭합니다.
유도전동기, 직류전동기, BLCD전동기 이 셋을 비교하면, 유도전동기가 제일 만들거나 쓰기 좋고 BLDC가 제일 복잡하지요. 유도전동기는 간단한 만큼 복잡한 용도에는 사용하기 곤란하여 그냥 적당히 막 돌기만 하면 되는 선풍기나 제분기에 쓰면 딱 좋고, 직류전동기는 정밀제어가 용이하여 서보제어 등 고급응용에 많이 쓰입니다. 그러나, 직류전동기는 브러쉬라는 치명적인 취약요소가 있기 때문에 (쉽게 손상됩니다) 높은 신뢰성이 필요한 곳에는 좀 더 복잡하지만 BLDC 전동기를 사용합니다. 뿐만 아니라, 고정자가 자석인 직류전동기보다 회전자가 자석인 PMSM이 같은 부피나 무게에 대해 더 큰 힘을 낼 수 있기 때문에, 중용량 이상의 정밀제어 응용에 BLDC 모터를 많이 씁니다. 에어컨이나 세탁기 같은 것이 BLDC 모터로 돌아갑니다.
더욱 상세한 내용은 전기기기 강의를 청강하시던지, 관련 서적을 구해서 보시는 것이 좋겠습니다.
http://cafe.naver.com/traveltrailer.cafe?iframe_url=/ArticleRead.nhn%3Farticleid=434
네이버 "bldc PMSM" 검색 --> 카페
서울시립대학교/계측네트워크실험실/김희식교수
http://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=11&dirId=1114&docId=55535910&qb=YmxkYyBQTVNN&enc=utf8§ion=kin&rank=2&sort=0&spq=0&sp=1
유도전동기는 고정자 권선과 회전자로 되어있는데, 회전자는 권선으로 되어있는 것도 있고 다람쥐 쳇바퀴모양(농형)의 금속으로 되어있는 것도 있습니다. 회전자의 권선에 교류전류가 흐르면 회전자계가 발생하고, 이 자계에 의해 회전자에 유도전류가 발생합니다. 이 유도전류에 의해 생기는 자기장과 고정자의 회전자기장이 서로 작용을 하여 회전자가 돕니다. 기동 시 초기에는 회전자의 기계적 속도가 전기적 속도보다 느리지만(회전자의 유도전류와 이로인한 자계는 막 돌아가는데 실제 회전자는 못 따라간다는 의미입니다. 이 차이를 slip이라 합니다.) 속도가 점점 붙으면서 결국 회전자는 고정자의 회전자계 속도를 거의 따라잡아 정상상태에 도달합니다.
직류모터는 자석으로 된 고정자와 권선으로 된 회전자로 되어있습니다. 회전자의 권선은 브러쉬를 통해 외부의 직류전원과 연결이 되는데, 회전자가 돌감에 따라 이 브러쉬와 외부의 전원이 연결되는 극성이 계속 바뀌고, 회전자에 발생하는 자장도 방향이 계속 바뀌게 됩니다. 즉, 회전자의 자장은 고정자의 자장에 대해 항상 일정한 극성으로 유지가 되어 회전력이 생깁니다.
PMSM은 Permanent Magnet Synchronous motor(영구자석 동기전동기)의 약자입니다. 직류모터와는 반대로 고정자가 권선이고 회전자는 자석으로 되어있습니다. 고정자에 교류를 인가하여 회전자계를 만들어주면 회전자가 이를 따라 도는 원리로 동작합니다. 앞에 예를 든 유도전동기와 직류전동기는 그냥 적당한 교류 혹은 직류전원을 연결하기만 하면 대충 잘 돌아가는 데에 비해 PMSM은 대충 전기를 넣어서는 기동이 되지 않습니다. 220V 교류를 그냥 확 꽂아버리면 그 순간부터 고정자에 회전자계가 발생하지만, 초기에 정지하고 있는 회전자가 따르기엔 너무나 갑작스러워서 아예 안 돌거나 손으로 살짝 돌려주면 돌려고 하다가 다시 서버리거나 합니다. (유도전동기의 경우는 적어도 회전자의 자계는 고정자의 자계와 동기되어 돌고 회전자 자체는 slip만큼 느리게 돕니다. 이에 반해, PMSM은 회전자와 상관없이 고정자의 자장이 마구 돌아가는 것이 다릅니다.) 따라서, PMSM은 반드시 인버터 회로와 함께 하며 기동을 위한 여러가지 방법들이 개발되어있습니다.
BLDC 모터는 PMSM과 모터 자체는 똑같습니다. 다만, 인버터 제어시 벡터제어라는 것을 하여 PMSM을 돌리면 그 토크 특성이 DC 모터와 아주 유사하게 나타나기 때문에, 이 경우에 한해 BLDC 모터라고 합니다. 그러나, 대부분의 경우 PMSM에는 벡터제어가 적용되기 때문에 PMSM이라는 말은 잘 안 쓰고, 대부분의 사람들이 BLDC 모터라는 말로 PMSM을 혼동하여 지칭합니다.
유도전동기, 직류전동기, BLCD전동기 이 셋을 비교하면, 유도전동기가 제일 만들거나 쓰기 좋고 BLDC가 제일 복잡하지요. 유도전동기는 간단한 만큼 복잡한 용도에는 사용하기 곤란하여 그냥 적당히 막 돌기만 하면 되는 선풍기나 제분기에 쓰면 딱 좋고, 직류전동기는 정밀제어가 용이하여 서보제어 등 고급응용에 많이 쓰입니다. 그러나, 직류전동기는 브러쉬라는 치명적인 취약요소가 있기 때문에 (쉽게 손상됩니다) 높은 신뢰성이 필요한 곳에는 좀 더 복잡하지만 BLDC 전동기를 사용합니다. 뿐만 아니라, 고정자가 자석인 직류전동기보다 회전자가 자석인 PMSM이 같은 부피나 무게에 대해 더 큰 힘을 낼 수 있기 때문에, 중용량 이상의 정밀제어 응용에 BLDC 모터를 많이 씁니다. 에어컨이나 세탁기 같은 것이 BLDC 모터로 돌아갑니다.
더욱 상세한 내용은 전기기기 강의를 청강하시던지, 관련 서적을 구해서 보시는 것이 좋겠습니다.
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[출처] BLDC MOTOR (GYROTOR 캠핑카) |작성자 스테파노
BLDC(Brushless Direct Current) Motor는 자동차 산업, 우주산업, 의료기기, 공장자동화, 실험 실습설비뿐만 아니라 일반 사무용품, 가정용기기 등에 폭넓게 적용되고 있다. 그 이름에서 알 수 있듯이 BLDC Motor는 전류(轉流; commutation)을 위해 Brush를 사용하지 않고 제어회로에 의해 전자적으로 정류되어 진다. BLDC Motor는 Brushed DC Motor와 Induction Motor에 비하여 아래와 같은 많은 장점을 가지고 있다.
-더좋은속도대토크특성
-높은동적응답
-고효율
-긴동작수명
-저소음
-더높은속도영역
또한 동일한 모터 크기에 대하여 보다 큰 Torque를 냄으로서 공간과 무게에 제약이 있는 응용제품에 대하여 유용하게 사용될 수 있다. BLDC Motor의 구동원리를 알아보고 제어의 측면에서 고찰하고자 한다.
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| Motor의 구동은 식 2.1.1과 같은 움직이는 전하가 자기장(자계)내에 있을 때 받는 힘(로렌츠의 힘의 법칙; Lorentz force law)으로 설명된다.  이 로렌트의 힘의 법칙은 유도된 것이 아니라 실험적으로 알게된 하나의 공리이다. 이 법칙은 일반적으로 그림 2.1.1과 그림 2.1.2와 같이 오른손의 법칙 또는 플레밍의 왼손법칙으로 그 방향성을 쉽게 알 수 있도록 알려져 있다. 이 원리를 이용하여 그림 2.1.3과 같이 DC Motor를 만들면 Loop 형태로 이루어진 권선은 자속이 Rotor의 각에 따라 역기전력이 발생하게 되는데 이것은 식 2.1.2와 같은 페러데이의 (전자기 유도) 법칙(Faraday's law)으로 알려져 있다. 즉, 자속(자계)의 시간적인 변화는 기전력(전계)를 형성한다는 것은 알 수 있다. [주1-실제 DC Motor에서의 역기전력은 전자기 유도 법칙에 의한 기전력이 아니라 운동기전력(Motional EMF)이다. 하지만 고정자계 내에서 움직이는 도선에서 발생하는 기전력(운동기전력;  )은 상대적으로 고정도선이 시간에 따라 변하는 자계에 놓인 경우(전자기유도 현상)와 개념적으로 같다. BLDC Motor가 이러한 역의 경우에 해당한다.] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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이와 같은 구조의 DC Motor를 전기적인 등가회로로 나타내면 그림 2.1.5와 같다. 이러한 등가회로의 전기적인 등가방적식은 식 2.1.3이 된다. (자기회로 저항(RL)은 R에 비하여 매우 크므로 무시)  길이 인 1개의 권선이 자계(자속밀도; 단위면적당 자속) B 에서 속도  로 움직일 때 역기전력은 식 2.1.2에서 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 이므로(θ : B 와 권선면의 각) 슬롯이 조밀하게 구성되어 있다고 하면 총 역기전력은  와 같다. 반면 토크(T₁)는 식 2.1.1과 식 2.1.4의 계산과정을 이용하면  이므로 총 토크는 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 이다. 따라서, 등가방정식 식2.1.3 은  와 같음을 알 수 있고, 정상상태(di/dt =0; i = Ia )를 고려하고 식 2.1.7 을 대입하면  이 되어, 회전속도는 토크와 직선적인 관계가 됨을 알 수 있다. 또한 기동토크(w =0)는  이 된다. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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BLDC Motor는 구조적으로 DC Motor와 역의 관계로 설계되어 있으며 그 구동 원리는 근본적으로 같다. DC Motor와 BLDC Motor의 구조를 비교하여 보면 와 같다. 여기서 DC Motor의 정류자(commutator)와 bursh의 역할을 반도체 스위치와 Hall 센서가 하고 있음을 알 수 있다. 또한 DC Motor에서는 고정자계에서 권선이 회전하면서 운동기전력에 의한 역기전력이 발생함을 알 수 있고, BLDC Motor는 회전자계에서 고정된 권선이 전자기 유도에 의한 역기전력이 발생함을 알 수 있다.(주석 1. 참조) BLDC Motor는 동기모터의 한 종류이다. 이것은 고정자(Stator)에 의하여 생성된 자계(Magnetic Field)와 회전자(Rotor)에 의하여 생성된 자계가 같은 주파수로 회전함을 의미한다. 그리고 Induction Motor에서 발생하는 "slip"이 발생하지 않는다. BLDC Motor는 single phase, 2-phase, 3-phase 등이 있는데 그 수와 같은(또는 그 배수인) winding을 갖는 구조로 되어 있다. 이들 중 3-phase BLDC Motor가 가장 폭넓게 범용적으로 사용되고 있다. 여기서는 이 3-phase BLDC Motor에 대하여 구체적으로 고찰하고자 한다. BLDC Motor는 일반적인 Brush DC Motor의 구동 원리는 동일하나 구조적으로 반대인 특징(그림 2.1.1과 그림 2.2.2 참조)이 있다. 즉, 3상 BLDC Motor의 구조는 그림2.2.3과 같이 고정자가 전기자권선으로 구성되어 있고, 회전자가 영구자석으로 되어 있어 구조적으로는 영구자석형 동기모터(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)와 유사하다. 하지만 PMSM은 역기전력이 정현파이나 BLDCM은 사다리꼴파인 것과, 고정자의 권선배치와 영구자석의 형태가 다르다는 점에서 차이가 난다. Brush DC Motor의 정류(commutation)를 정류자와 브러시에 의하여 구조적으로 이루어 지는것에 반하여, BLDC Motor는 전기자권선이 고정되어 있으므로 이것을 전자적인 회로에 의하여 Rotor의 위치에 동기하여 이루어지게 된다. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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그림 2.2.1 과 같이 각 상에 1turn 씩 감겨있는 BLDC Motor의 한 상(U phase) 만을 고려하면 그 권선이 분포된 영역의 면적(Su)는   여기서 코아를 통하여.  구간의 모든 Flux 가 권선면 안으로 들어간다고 가정하면, U상에 놓인 N극과 S극의 면적은 이므로 모든 곳에서 Magnetic Flux Density(  )가 같다고 가정하면 U상에 가해지는 Flux( )는  이다. 따라서, 유기되는 기전력(  )은 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
이고, 각 상에 권선된 Turn 수가 Z이고, 직렬회로수가 a(ex, 3slot →a = 1, 6slot → a= 2)이면  이 된다. 이 Flux(  )와 기전력( )를 그래프로 나타내면 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 와 같다. 여기서 기전력이 Zero인 부분(  , )의 Flux는 다른 여러 요인에 의하여 Flux가 일정한 값을 갖지 못하고 근사적으로 θ에 대한 2차 함수의 형태가 된다. 따라서 역기전력은 직선적으로 증가 또는 감소하는 형태가 되어 사다리꼴 모양으로 나타나게 된다. 그리고 다른 상(V, W상)들은 각각 120°씩 뒤쳐져서 나타나게 되므로 종합하여 나타내면 와 같다. 그림 2.2.3.에서 음영부분은 구동 전원 인가파형으로 Rotor의 위치에 따라 위 그림과 같이 각 상에 전원을 인가하도록 Switching회로가 구성되어져야 한다. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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또한, 권선방식이나 착자의 형태에 따라 역기전력은 완전한 사다리꼴의 형태를 갖추지 못한다. 이것은 증가감소구간의 비선형성을 해석하는 방법(Hague의 해석방법)과 평탄구간의 폭이 줄어드는 효과가 있는데 먼저 Hague의 해석방법은 역기전력의 평탄한 구간을  로 나타내면  이 되다. FF의 값에 따른 파형의 변화 그래프가 그림2.2.4 와 같다. 두 번째로 평탄구간의 폭이 줄어듦에 따라 역기전력은 점차 Sinusoidal 형태를 이루게 된다. 이것의 그래프는 그림 2.2.5와 같다. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 특별히 sinusoidal Back-EMF인 경우의 상전압과 상전류의 예측파형과 실제 측정된 파형을 나타내면 그림 2.2.6과 그림 2.2.7이 된다. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| - 표2.3.1 과 표2.3.2 에서 확인 할 수 있듯이 Hall Sensor 는 그 상의 권선과 CW 방향으로 120°의 위치에 있어야 함을 알 수 있다. - 여기서 Rotor의 극수가 2배가 되는 경우를 고려하면 그 각은 절반(45°) 이 됨을 알수 있다. 즉, 권선과Hall Sensor 의 각  는 이 된다. - Rotor의 극수가 많아지면 그에 따라 동일한 Hall 신호를 나타낼 수 있는 대칭각이 생긴다. 예를들어 4극의 경우는  가 45°이지만 이 각에 90°를 더한 각의 위치에서도 동일한 신호를 내게된다. 즉, Rotor 에 의한 대칭각  은 이 된다.- Stator의 slot 수는 상수의 배수로 늘어날 경우 동일한 상의 위치에 대하여 동일한 신호를 내게 된다. 즉, Stator slot 수에 따른 대칭각  은 이된다. 그런데  는 rotor의 극수의 배수( , m은 자연수)로 나타나므로  이 되어 Rotor 의 대칭성에 의하여 나타나는 중복성과 같은 위치에서 나타난다. 그러므로 이것은 고려하지 않아도 된다. - 따라서 각상의 권선과 그 상의 Hall Sensor 의 각(  )은 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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, M 으로 나타낼 수 있다. 
을 식 (3.2)의 시간 미분항에서 빼면 
인 적절한 반도체 물질의 1과 3 단자를 통하여 제어전류 
를 인가하고,
의 전위차가 발생한다.
는
) 구동에 의한 출력전압 
