브러시리스 모터 / 변속기(ESC)의 원리

어려운 내용이 또 나올텐데... 알고보면 재미있는 내용일테니 쉬어 간다는 느낌으로 한번 읽어 보세요.

오늘 짚어볼 내용은 리튬 폴리머 배터리를 사용하는 RC의 경우 필수 요소인 브러스리스 모터와 변속기(ESC)에 대해 알아 보려고 합니다.

우선 브러쉬와 브러시리스의 차이점은 무엇인지 먼저 알아볼게요.

가장 우리가 많이 본 브러쉬 모터는 미니카에 들어있던 우리의 꿈이자 희망이자 상징이었던 블랙 모터!!!!! 바로 그 모터류가 브러쉬 모터구요. 우리가 헬기, 비행기, 드론등을 하면서 보게되는 모터가 브러쉬리스 모터에요.

이게 그 유명한 블랙모터!

이게 브러쉬리스 모터입니다.

차이점은 말그대로 브러쉬가 있느냐 없느냐 차이인데요. 모터 축에 코일이 달려 있구요. 이 코일이 커뮤니케이터라는 것에 연결되어 있지요. 브러쉬가 이 커뮤니케이터를 눌러서 전류를 흘려 줍니다. 음.... 어렵지요 ㅠㅠㅠㅠㅠㅠ 지금부터 브러쉬 모터에 대해 알아 봅시다.

브러쉬 모터에 대하여 

예전에 브러쉬 모터가 달린 RC CAR를 하셨던 분들은 오오오오오~~~~ 하실 사진인데요. 브러쉬 모터의 내부 구조에요. 모터축에 로터와 커뮤니케이터가 붙어 있구요. 로터에 코일이 감겨 있고 이 코일은 커뮤니케이터에 연결되어 있습니다. 모터 외형과 구동축과는 볼베어링으로 연결되어 있지요

커뮤니케이터에는 +극과 -극을 받을수 있게 절반 나눠져서 분리되어 있구요 여기에 전류를 흘려 주어야 하는데, 이 일을 하는게 사진에서 보이는 브러쉬 입니다.

브러쉬는 브러쉬 스프링이 눌러 주고 있구요. 마찰이 생기니 점점 짧아집니다. 

이당시 모터들은 처음 사면 길들이기를 했었는데요. 브러쉬 커뮤니케이터 모양대로 잘 닳아서 이쁘게 맞도록 하는 작업이었답니다. 

그럼 브러쉬 모터가 도는 원리를 알아볼게요

이 그림으로 한방에 해결됩니다. 움짤에서 건전지 모양이 전원공급을 나타 내구요, 하늘색원이 커뮤니케이터, 하늘색원 양쪽의 검정네모가 브러쉬입니다. 전류를 흘려주면 코일에 자기장이 생겨 모터캔에 자석을 밀어내는 힘으로 돌게 되지요. 모터에는 당연히 DC가 인가되지요.

이해를 쉽게 한가지 움짤을 하나 더 퍼왔어요

조금 더 이해가 쉬우려나요?

자, 그럼 브러시 모터의 특징을 정리해볼게요.

1. 브러시를 통하여 전원을 공급받음 - 브러시가 모터 회전에 부하를 준다

2. DC 구동 - 2가닥 전선 연결

3. 모터는 고정되고 모터 내의 로터가 움직임(인러너)

4. 브러시 마모로 인한 내부 이물질 발생 및 수명 짧음

그렇다면 이 모터를 제어하기 위해 변속기가 필요하겠죠?

브러쉬 모터의 변속기는 두가지가 있습니다.

희한하게 생긴 이것은 고대시대 유물인 기계식 변속기 입니다. 모터에 들어가는 전류를 저항으로 제어하는 방식을 사용하죠. 따라서 서보를 이용해서 저항을 늘리거나 줄여주면 모터의 속도가 변합니다. 이때 중대한 문제가 발생하는데요. 배터리에서 나가는 전류를 같다는 겁니다. 똑같은 전류가 나가는데, 저항과 모터에 나눠주는 것이죠.

따라서. 기계식 변속기는 천천히 가던 빨리가던 런타임이 동일하답니다. 저항에 흐르는 전류는 모두 열로 나오게 되니 발열도 많겠지요.

그것을 보완한 것이 전자변속기 입니다.

이것이 브러쉬 모터의 전자 변속기 입니다. 기계식 변속기보다 당연히 좋겠죠? 그럼 이놈은 모터의 속도를 어떻게 제어하느냐.

알기쉽게 그림 한장 띄울게요.

머리아픈 그래프가 또 나오네요. 가 아니라... 이건 쉽습니다.

X축이 시간이고, Y축은 전압입니다. 최대출력일때는 모터에 전부 보내는것이며 중간출력일때는 배터리와 모터간 연결시키고 끊는것을  반복합니다. 연결시켜놓은 시간이 끊어놓은 시간보다 많은수록 속도는 빠르겠지요.

기계식 변속기의 최대 단점인, 낮은 속도일때도 배터리 갉아먹는것을 보완하였습니다. 필요한 만큼만 꺼내쓰게 되지요.

여기까지는 구닥다리 유물 얘기였구요.

지금부터가 진국입니다.

이제 브러시리스 모터에 대해 알아볼게요.

브러시리스 모터는 말그대로 브러쉬가 없습니다.

그럼 어찌 생겼을까요?

브러쉬리스 모터에 대하여 

무언가 좀 다르죠? 브러쉬리스 모터의 분해한 사진입니다. 큰 차이는 축에는 아무것도 없으며 모터캔에 축이 달려 있네요. 그리고 자석은 캔에 있는것은 똑같고,

코일이 감겨있는 로터가 모터 본체에 달려서 배선까지 되어 있습니다. 브러쉬가 없이 바로 코일에 배선이 되어 있는 것이죠. 

어렵지만 그림으로 한번 보겠습니다.

코일은 이런식으로 결선되어 있어요. 깔별로 전기가 들어가죠. 눈치 채셨나요? 3개의 가닥이 나옵니다. 이 그림에선, 파랑, 초록, 빨강이네요. 

그럼 이 모터가 어떻게 돌아가는 것이고 변속기에선 어떤 일이 일어나고 있는 것일까요?

모터가 돌기 위해서는 이런일이 일어나고 있습니다. 아래 왔다갓다 하는 그래프가 전압입니다. 가운데를 중심으로 우측으로 좌측으로 움직이고 있는데.... 어렵네요...

다른 사진을 볼게요.

세개의 극성에 우리의 브러시리스 변속기는 이렇게 생긴 파형을 주고 있는것입니다. 위 움짤에서 (c)의 파형이 들어가는 것을 표현한 것이 아래 막대기 움직입니다. 결국에. 3상 AC 모터인 셈이지요. 따라서 아무 극성이나 두개만 바꾸어주면 상이 바뀌게 되며 모터는 역으로 돌게 됩니다. 신기하지요?

따라서 브러시리스용 변속기 full-bridge로 구성되어 있으며 기본적으로 6의 배수의 mosfet이 필요하게 됩니다.(이 내용은 모르셔도 됩니다만 간단하게 설명드릴게요.)

유명한 KISS 18A 변속기 입니다. 1번이 mosfet이구요. 2번은 MCU(주로 atmega 사용)입니다. 2번이 1번에게 신호를 주어 위와 같은 파형을 그릴 수 있게 해 주는 것이지요.

스위칭 관련 회로도는 이렇습니다.

이로써 모터, 변속기의 원리에 대해 공부해 보았구요. 

머 우리에게 사실 중요한 내용은 아니지만 원리를 알면 접근이 쉬우니까 알고 넘어가자는 취지이니 편하게 읽어 주셨으면 합니다.

이상입니다.

*참고사항 : 브러쉬 모터이든 브러쉬리스 모터인듯 결국엔 코일에 전류를 흘려 그 자기장의 영향으로 자석을 밀어내어 도는것은 똑같습니다. 형태상 코일을 감은 스테이터가 회전을 하느냐 고정되어 있느냐의 차이가 가장 크구요. 이것을 통해 DC모터(브러쉬 모터)인지 AC 모터(브러시리스 모터)인지 나뉠 수 밖에 없습니다. 사실 어떤 코일이던 AC를 흘려야지 DC를 흘리면 short일 뿐입니다. 위 움짤을 유심히 보시면 브러쉬 모터일 경우 전극이 180도로 2개로 나뉘어 있어 브러쉬가 극을 바꾸어 주는 모습을 보실수 있으실 겁니다. 결국 모터에 구형파를 흘리게 되는 것입니다. 브러시리스 모터의 경우 축이 고정되어 있으니 직접 코일에 AC를 흘릴 수 밖에 없는 것이고 그것을 브러시리스 변속기가 담당하는 것이지요. 따라서 브러쉬 모터용 변속기(DC 출력)와 브러시리스용 변속기(3상 AC 출력)는 태생부터 역할이 다르답니다.