브러시 DC 모터와 브러시리스 DC(BLDC) 모터 비교

DC 모터의 세계는 브러시(brushed) 모터와 브러시리스(brushless) 모터의 두 가지 기본 범주로 나뉩니다. 브러시 모터는 1830년대부터 사용되어 왔으며, 지금까지 수십억 개의 모터가 성공적으로 사용되고 있습니다. 하지만 브러시 모터는 브러시 마모, 전기적 소음, 제어 가능성 문제 등 많은 단점들을 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 단점에도 불구하고 브러시 모터는 100년 넘게 잘 사용되어 왔으며, 많은 경우 유일한 DC 구동 모터 옵션이었던 시기도 꽤 길었습니다.

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상황은 수십 년 전부터 달라지기 시작했습니다. 브러시리스 DC(BLDC) 모터가 등장했기 때문인데, 전자식 정류(electronic commutation)가 인기를 끌면서 BLDC 모터가 각광을 받게 된 것입니다. 이러한 인기는 주로 고에너지 영구 자석과 영구 자석의 코일을 위한 저비용의 효율적인 전력 스위치 디바이스(MOSFET 및 IGBT)라는 두 가지 개발 덕분이었습니다.

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이전에 브러시 모터를 사용하던 많은 대형 애플리케이션은 브러시리스 모터 또는 그와 유사한 가변 AC 드라이브로 전환한 반면, 소형 모터는 이와 유사한 방식의 스테퍼 모터로 전환하는 경우가 많았습니다. 브러시 모터는 일회용 장난감, 윈도우 디스플레이, 그리고 성능과 신뢰성이 우선 순위가 아닌 유사 활용 사례들과 같은 저가형, 낮은 사양의 애플리케이션에만 적합한 것으로 보였습니다.

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그럼에도 불구하고 이들 두 모터 유형은 애플리케이션에 따라 여전히 사용되고 있으며, 사용자는 어떠한 크기와 유형의 모터를 선택해야 할지 고민이 되기도 합니다.

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이번 글에서는 다양한 애플리케이션에서 효율, 제어 및 애플리케이션별 요구 사항과 같은 요소를 고려하여 브러시 모터와 브러시리스 DC 모터를 선택할 때 직면하는 미묘한 의사 결정 과정을 살펴봅니다.

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브러시 모터와 브러시리스 모터의 개요

브러시 모터와 BLDC 모터는 어떤 차이가 있을까요? 그림 1의 왼쪽 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 브러시 DC 모터는 회전자라고 하는 로터(rotor)와 고정자라고 하는 스테이터(stator) 사이의 자기장 극성을 전환하기 위해 기계적 정류에 의존합니다. 고정자의 자기장은 영구 자석 또는 전자기 코일에 의해 생성됩니다.

소스 전류는 전기자의 코일 권선을 통과합니다. 회전자 코일과 고정자 사이의 자기장의 상호 작용과 지속적인 반전이 회전 운동을 유도합니다. 자기장을 역전시키는 정류 동작은 브러시라는 물리적 접점을 사용하여 수행됩니다. 이 브러시가 회전자의 접점에 닿아 로터 코일에 전력을 공급합니다.

브러시 모터는 별도의 드라이버나 제어 전자 장치 없이 DC 레일에서 직접 작동할 수 있습니다. 따라서 간단한 장난감이나 애니메이션 윈도우 디스플레이와 같이 기초적이고 저렴하며 그리 핵심적이지 않은 애플리케이션에 적합합니다.

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반면, 브러시리스 모터는 폴(pole)이라고 하는 일련의 전자기 코일이 특징인데, 이들은 그림 1의 오른쪽 다이어그램에서 볼 수 있듯이 회전축(로터)에 부착된 고강도 영구 자석과 함께 하우징 내부에 고정되어 있습니다. 필요한 제어 전자 장치에 의해 전자식 정류(EC)라고 하는 프로세스를 통해 폴에 순차적으로 전원이 공급되면 로터를 둘러싼 자기장이 회전하면서 자기장을 따라가야 하는 로터를 끌어당기거나 밀어냅니다.

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폴을 구동하는 전류는 구형파를 사용할 수 있지만, 이 방식은 비효율적이고 진동을 유발하므로 대부분의 설계에서는 원하는 전기 효율과 동작 정밀도의 조합에 맞게 조정된 램핑 파형이나 곡선 파형을 사용합니다. 또한 컨트롤러는 오버슈트 없이 빠르지만 부드러운 시작과 정지를 위해 통전 파형을 미세 조정함으로써, 기계적 부하 과도 상태에 대한 정확한 응답을 보장할 수 있습니다. 브러시 모터의 구성과 작동 사이에는 직접적이고 가시적인 관계가 있습니다. 실제로 브러시 모터는 매우 간단하여 교육 환경에서 STEM용 키트로 제공됩니다(그림 2).

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설계 엔지니어의 일반적인 모터 선택 경향

오늘날에는 프로젝트에 몇 마력 이하의 소형 모터가 필요한 경우, 설계 엔지니어는 일반적으로 다양한 표준 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 먼저 살펴본 다음, 추가적으로 브러시 모터도 고려하는 것이 자연스러운 경향입니다.

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이러한 접근 방식은 여러 가지 이유에서 합리적입니다. 우선, BLDC 모터는 최신 컨트롤러 IC 또는 임베디드 펌웨어로 쉽게 구동할 수 있습니다. 또한 프로세서와 모터 폴 사이에 필요한 MOSFET 드라이버와 모터를 매칭하는 것도 비교적 간단합니다. 마지막으로, 슬라이딩 접촉 브러시가 없기 때문에 안정적이며 EMI 발생도 최소화합니다.

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따라서 신제품에 DC 모터가 필요한 경우, 대부분의 설계 엔지니어는 자연스럽게 BLDC를 고려하게 됩니다. 하지만 이는 근시안적인 생각입니다. 현실은 브러시 모터가 여전히 매우 실용적이며 정교한 설계에서도 그 자리를 차지하고 있다는 것입니다.

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개방적 사고의 필요성

DC 모터를 선택할 때 엔지니어는 일반적으로 대부분의 새로운 설계에 BLDC 모터를 선호하는데, 이는 앞서 살펴본 것처럼 브러시 모터에 비해 장점이 많고 단점이 거의 없기 때문입니다. 설계 엔지니어는 전압, 전류, 토크 등에 대한 다양한 정격 중에서 선택할 수 있으며, 필요한 하드웨어 드라이버와 제어 알고리즘도 소프트웨어 또는 펌웨어에 내장된 형태로 선택할 수 있습니다. 모터 제조회사는 기본적인 모터 선택 가이드 외에도 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 포함된 애플리케이션 소프트웨어 패키지를 제공하여 속도, 가속/감속 프로파일, 응답성 등 원하는 성능 속성을 쉽게 설정할 수 있게 하고 있습니다.

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반면, 브러시 모터는 정밀하게 제어하기가 더 어렵고 알고리즘이 할 수 있는 범위도 제한적입니다. 성능을 개선하기 위해 일부 브러시 모터 시스템 설계에서는 광학, 홀 효과(Hall effect), 정전 용량 또는 자기와 같은 회전 위치 피드백 센서를 추가합니다. 그러나 이러한 접근 방식은 설계 비용이 추가되고 기계적 장착 문제가 있으며 제어 복잡성이 증가합니다. 엄밀히 말하자면, 많은 BLDC 설치에는 이러한 피드백 센서가 필요하지 않지만, 경우에 따라서는 엄격한 폐쇄 루프 피드백과 보다 일관된 성능을 보장하기 위해 이러한 피드백 센서를 추가하기도 합니다.

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그럼에도 불구하고 브러시 모터는 레거시 애플리케이션부터 속도 및 토크 요구 사항이 잘 정의된 자동차 기능과 같은 정교한 시스템에 이르기까지 다양한 설계에 사용됩니다. 많은 모터 제조사들이 BLDC 모터용 드라이버 IC와 브러시 모터에 적합한 모델을 제공합니다. 일부 제조사들은 이러한 까다로운 애플리케이션을 위해 자동차 전용 AEC-Q100 인증 브러시 모터 드라이버를 제공하기도 하는데, 이는 지속적인 실행 가능성을 입증하는 증거입니다.

기존의 엔지니어링 상식에도 불구하고 핵심적인 애플리케이션에는 항상 브러시리스가 더 좋습니다. 반대로 덜 중요한 애플리케이션에는 브러시가 적합할 수 있지만, 브러시형과 브러시리스 DC 모터를 선택하는 것이 그리 간단한 일은 아닙니다. 성실한 엔지니어라면 프로젝트 우선순위와 상대적 비중을 평가하고 다양한 대안을 공정하게 검토한 후 특정 상황에서 가장 적합한 것을 결정할 것입니다.