Brushless DC (BLDC) Motor를 사용하자

 1. Motor의 종류

일단 직류, 교류에 따라서 크게 나뉘고 전기적 특성에 따라서 나뉘기도 한다. 더 세분하기도 하지만 대략 아래 정도로 이해하자.

DC Motor -------- Brushed DC Motor

             +------- Brushless DC Motor (BLDC)

             +------- Stepper

AC Motor -------- Induction Motor (유도 전동기)

             +------ Synchronous Motor (동기 전동기)

나는 어릴때 부터 장난감으로 DC 모터를 만져본터라, AC 모터에는 유독 정이 가질 않는다. 

2. BLDC를 사용해야 하는 이유

일단 BLDC는 전기 효율이 약 90% 정도라고 한다. 제일 나쁜 AC 모터(약 40%)에 비하면 엄청난 효율이다. 물론 AC -> DC를 만드는 과정의 효율도 생각해야 한다. 만약 교류를 직류로 바꾸는 과정의 효율이 80%라면 BLDC : AC  = 72% : 40% 정도로 볼 수 있다.  (AC 모터의 효율이 나쁜 이유는 열손실때문이라고 한다.)  그 효율을 생각하면 당연히 BLDC를 사용해야 한다. 요즘에는 전동공구들이 BLDC로 만드는 것이 그 트랜드인데 같은 배터리 용량을 사용하더라도 효율이 좋기 때문에 더 많은 작업 시간을 가질 수 있기 때문이다. 

동일 토크를 내기 위하여 필요한 크기가 브러시가 있는 모터 대비 작다. 즉 같은 크기의 모터라면 BLDC가 더 큰 토크를 낼 수 있다. 브러시가 없는 탓에 브러시를 교체할 일이 없는 점 등이 장점이다. 

다만 위의 장점 대비 단점이 컨트롤러가 필요하다는 것이다. 

3. 동작원리

컨트롤러를 만들 것도 아니고, 왜 어렵게 동작원리에 대해여 굳이 설명을 하려는 이유는 모터의 회전 방향때문이다. 일단 원리는 아래의 그림을 보면서 이해하자.

당연히 그림을 봐도 잘 이해가 안간다. 위의 그림은 정말 잘 설명해 놓은 그림이다. (내가 만든것은 아니다.)

BLDC는 기본이 3개의 전기 입력선이 있으며 각각 U, V, W 라 부른다.  회전체 외벽에 존재하는 3개의 입력선 중에서 2개에 전기를 흘리면 회전체에 있는 영구 자석과 반응하여 회전한다. 보통 브러시가 있는 모터는 양극과 음극의 연결을 바꿔서 모터의 회전 방향을 바꾸는데, 3상 입력의 경우는 U, V, W의 연결 순서가 방향을 정한다. 

모터 회전 방향은 당연히 처음에 가늠하기 힘드니 일단 연결하자.  보통 UVW를 정말 딱 맞게 연결하면 시계 방향으로 회전하나 굳이 묻지도 따지지도 말고 아무렇게나 연결해보자.  원하는 방향으로 회전한다면 그대로 사용하면 되고, 반대 방향으로 회전한다면 3개의 선중 아무거나 2개의 연결 위치를 바꾸면 된다. 

다시금 위의 이미지를 보면서 살펴보자. U선 기준으로 왼쪽이 W인지 V인지에 따라서 모터의 회전 방향이 정해짐을 알 수 있다. 그래서 쉽지도 않은 동작 원리를 설명했다. 3개 선중 어느것이 U인지 어느 것이 W인지 굳이 찾을 필요가 없다. 

4. 구매 

멀리 가운데나라의 알리사이트에서 적당한 크기의 BLDC를 싸게 팔길래 구매했다. 

[ 판매 사이트에서 퍼온 사진 ]

대략 지름이 50mm 정도 되는 크기의  BLDC이다.  775모터의 경우 지름이 45mm 정도 이다.

[ 왼쪽 부터 775, 795, 895 모터 ]

앞서 설명했듯이 모터의 지름이 동일하다면 BLDC가 토크가 더 높으니 내 입장에서 충분한 토크라 생각하여 구매하였다. 기존 775 모터로 구동하는 장치였고 이를 대체 하기 위하여 BLDC를 구매하였기 때문이다. 특히나 앞쪽에 M6의 볼트를 체결가능하고, M8 축이 있어서 활용도가 높다고 생각했다. 

5. 반전의 반전

수령해보니, 사용한 흔적이 너무 많았다. 그래서 '분쟁'을 시작하기 위한 전단계로 돌입하였다. 판매자의 상품 설명을 여러번 다시 읽었다. 안타깝게도 자동 번역기로 번역된 내용이라서 사실상 처음부터 주의해서 봐야 했지만, 확실히 제품 설명에 '해체한' 이라는 단어가 사용되었고, 녹이 있을 수도 있다고 설명하고 있었다. . 사실 중고를 판다고 말하고 중고를 배송했으니 아무 문제 없다. (물론 살때 가격이 너무 싸길래 좋아라 했다. ) 다만 배송된 제품이 중고라도 양품이어야 마음이 편할텐데.. 하면서 회전 테스트를 진행하였다. 

아.. 둘다 회전에는 문제가 없었으나, 그중 하나가 생각보다 귀에 거슬리는 긁히는 소리가 나면서 회전을 했다. 어쩔수 없이 분해 시간을 가지게 되었다 

분해는 위의 사진에서 표시한 4개의 볼트를 풀면 된다. 물론 볼트를 풀면 먼가 탁하고 뒷뚜껑이 빠질듯 하지만 현질은 그렇지 않다. 네오디움 자석 때문에 생각보다 뒷뚜껑 조차도 쉽게 분리하지는 못했다. 뭐 망치, 끌 이런 것을 사용한 것이 아니니 쉬운건가?

1차 분해를 하면 4조각이 된다. 앞뚜껑, 뒷 뚜껑, 가운데 외벽, 회전체 (볼트4개 및 링와셔 제외). 사실 그 이상의 분해는 모터를 다시 만들겠다는 각오를 해야하는 수준이라 진행하지 않았다. 다행히도 1차 분해 때 플라스틱 조각이 떨어져 나왔다. 순수 모터의 부품은 아닌듯 하고 기존에 설치되어 있던 곳에서 모터를 분해하는 과정에서 흘러 들어간 조각이 아닌가 생각된다.

[ 앞뚜껑과 그외 친구들 ]

다시 조립을 완료했고 2개 모두 양품으로 스스로 판정하고 만족해 했다. 

6. 컨트롤러

BLDC는 컨트롤러가 필요하다고 처음에 설명했다. 컨트롤러를 만드는 것이 불가능한 것은 아닌데, 내가 부품을 사서 컨트롤러를 만들면 제품 가격보다 비싸진다는 것이 문제다. 저항하나 오십원에 사는 내가 컨트롤로러를 만들기 위해서 필요한 MCU, MOSFET 3개, 기판1개, TR3개 정도만 생각해도 이미 제품 가격을 넘어서고 있었다. 역시 가운데나라의 알리에서 구매했다. 

[ 3천원 풀셋? ]

이 제품은 테스트 컨트롤러라고 하는데, 일반회전, 저속회전, 일반 및 저속을 왔다갔다하는 3종류의 모드가 있는 컨트롤러였다. 나는 일반 기능만 사용하기 때문에 일종의 오버스펙이기는 한데, 타 제품대비 가격이 착해서 구매하게 되었다.  UVW 연결하면 가변저항으로 속도를 조절할 수 있다.

* BLDC 모터중에서는 컨트롤러와 일체형인 것들도 많다.  이러한 모델은 컨트롤러를 구매할 필요가 없다.

7. 결과

필요한 토그 및 회전속도가 모두 만족스러웠다. 775 모터를 사용하는 것이 모터의 회전속도가 너무 빨라서 2차 감속을 해야 하나 고민하고 있었는데, BLDC로 테스트 해보니 현재 상태인 1차 감속만 해도 되는 상황이었다.  아직 원하는 위치에 넣을 정도로 가이드를 만들지 못해서 설치 결과는 다음에 공개할 예정이다.