전기자동차에 사용되는 BLDC 모터가 대체 뭐지?

차종만큼 다양한 메커니즘의 전기차 모터의 세계 - DCBL 모터

 

출처 : gm-volt.com

 

  

전기차 혹은 하이브리드 차량의 동력원은 전동기, 모터 입니다. 

핸드폰에 사용되는 리튬이온 배터리를 사용하고, 주로 교류 유도 전동기를 사용합니다. 

배터리와 모터를 얼마나 잘 만드는지에 따라, 전기 자동차의 달리기 성능이 결정된다고 하지요. 

출처 : www.conceptcarz.com

리튬 이온 배터리 (관련 포스팅)는 많이 사용한 관계로 그래도 이름은 들어본 편입니다. 그런데 간혹 전기차에 BLDC 모터를 사용 한다는 소리가 있습니다. 도대체 BLDC 모터는 무엇일까요?

 

 BLDC 은 직류브러쉬리스 모터의 약자입니다. (Brush-less Direct Current motor) 모터는 크게 직류 형과 교류형으로 나뉘는데 직류형 중 브러쉬가 없는 모터를 BLDC 라고 줄여 말 합니다. 

출처 : educypedia.karadimov.info

교류는 우리가 쓰는 가정용 220V 전기이고, 직류는 건전지나 축전지에서 나오는 전기입니다.

교류의 특징은 60Hz로 +와 –로 바뀌는 위상차이인데요. 

직류는 위상차가 없기 때문에 각각의 AC (Alternating Current) 모터와 DC (Direct Current) 모터는 서로 다른 제어 방식을 갖게 됩니다. 

출처 : rightbattery.com

출처 : freedomoutpost.com

우선, DC 모터는 구조와 제어가 단순한 편입니다.

초등학교때 한 번쯤 만저 보았던 미니카. 모터로 구동되는 장난감인데요. 대부분 DC 모터 입니다. 

같은 모터에 일반 건전지를 넣느냐, 충전지를 넣느냐에 따라 속도가 달라지곤 했죠. 

출처 : www.rakuten.com.sg

미니카의 경우 처럼 DC 모터의 속도를 제어하는 방법은 아주 쉽습니다. 전지를 바꾸어 주면 됩니다. 

직렬로 높은 전압을 만들던지, 아니면 좋은 건전지를 넣어 전류를 높여주면 됩니다. 속도가 바로 빨라집니다.

 출처 : mforum.cari.com.my

하지만 DC 모터는 치명적인 단점이 있습니다. 회전하는 내부의 코일에 계속 전류를 공급 해 주어야 합니다. 브러쉬라는 탄소 마찰판이 필요한 거죠. 

모터는 캔이라 불리는 외부 구조물 안의 코일이라는 회전자가 돌아가는 구조를 가지고 있는데요. 

뱅글뱅글 돌아가는 코일에 전선을 어떻게 연결해야 할까요. 축에다 이으면 될까요.

 

출처 : pictures.picphotos.net

직접 연결하면 어떻게든 전선이 꼬이고 말 겁니다. 한 방향으로 계속 도는 한 꼬이고 꼬이다 결국 끊어 지겠지요. 그래서 전류 공급용 장갑으로 코일을 잡아주게 됩니다. 

마찰로 뜨거워 지긴 하겠지만, 면적을 최소화 하고, 튼튼한 장갑을 사용하면 닿으면서도 안정적인 회전이 가능합니다. 

이 부품이 바로 브러쉬 입니다. 빠르게 도는 회전축을 잡아주어 도는 코어에 전기를 공급해 줄 수 있지요.

 

출처 : www.embedded.com

아무리 튼튼한 소재를 사용한다 해도 마찰입니다. 에너지 손실이 없을 수 없습니다. 조금씩 닳다가 언젠가는 없어지게 됩니다. 

DC 모터의 수명은 브러쉬의 마모가 언제 되느냐에 달려 있습니다. 여기서 개발된 DC 모터가 바로 브러쉬 없는 DC모터 BLDC 모터입니다.

 

출처 : www.goldenmotor.com

원리는 그렇게 어렵지 않습니다. 

고정된 코어에 전류를 흘려줍니다. 회전은 껍데기인 캔이 담당합니다. 캔에는 영구자석이 붙어 있어 전류가 필요가 없거든요.

회전하는 캔 축 앞 뒤에는 베어링이 달려 있습니다. 고정된 접점 없이도 회전이 가능합니다.

브러쉬가 필요 없으므로, 반 영구적인 사용이 가능합니다.

출처 : energiein.e-monsite.com

 

다만 제어가 조금 복잡합니다. 

연속적인 회전을 위해 보통 3쌍, 총 여섯개 이상의 코일 뭉치가 필요하고, 순차적으로 전류를 흘리기 위한 '인버터'라는 제어 장치가 필요합니다. 

전류를 흘리는 순서를 빠르게 해주면 (주파수 변조) 모터의 회전 속도가 빨라집니다. 

출처 : www.embedded.com

영구자석의 위치에 따라 전류를 흘려 주어야 하므로, 축의 위치를 읽기 위한 홀 센서도 필요합니다. 브러쉬를 생략하기 위해 제어 장치 등의 추가 기구가 많이 필요합니다. 가격이 비싸지요.  그럼에도 일반 DC 모터보다 약 30%의 효율 가진다고 알려져 있습니다. 

결론을 내려 본다면, 

브러쉬를 없애면서 부가 시스템이 붙었지만, 성능을 올라간 모터가 바로 BLDC 모터라고 보시면 되겠군요!

사실 전기차의 대부분은 AC 모터를 사용 합니다. DC 모터의 최고봉인 BLDC가 있음에도 AC 모터를 사용하는덴 다 이유가 있겠지요? 

다음 포스팅에서는 전기 자동차에 많이 사용되는 이들 모터에 대해 살펴 보도록 하겠습니다.

출처 : www.ultimatecarblog.com

엔하위키 - 모터

DCBL 모터 작동 원리

DC 모터의 제어 방법 - 전류, 전압, PWM

* 후속 포스팅이 업데이트 되었습니다

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