BLDC 모터가 발전기로 작동할 수 있나요? 구매자와 건축업자를 위한 실용 가이드

3상 증발식 공기 냉각기 모터의 샤프트를 손으로 돌리고 리드 두 개에 미터를 놓습니다. 몇 볼트를 읽을 것입니다. 이를 드릴에 연결하여 1,500rpm으로 가져가면 되감기나 수정 및 컨트롤러가 부착되지 않은 상태에서 판독값이 수십 또는 수백 볼트로 올라갑니다. 단일 벤치 테스트는 대부분의 구매자를 이 주제로 이끄는 질문에 답합니다. BLDC 모터는 영구 자석 동기 기계이고 영구 자석 동기 기계는 토크가 샤프트로 들어가거나 나오는지 여부를 알지 못합니다. 예, 발전기로 작동합니다.

더 유용한 질문은 생성할 수 있는지 여부가 아니라 실제로 사용할 수 있는 것을 생성할 수 있는지 여부입니다. 베어 BLDC 모터는 볼트를 생성하지만, 몇 볼트, 어떤 속도, 어떤 부하에 어떤 규제를 적용하고 권선이 뜨거워지기까지의 시간은 전적으로 기계가 감겨진 방식과 구동 방식에 따라 달라집니다. 이는 기술적 결정만큼이나 상업적인 결정이며, 누군가가 데이터시트를 열기 훨씬 전에 발전기 프로젝트가 성공하거나 실패하는 이유입니다.

짧은 대답: 네, 세 가지 조건이 있습니다.

브러시리스 DC 모터는 회전자가 회전할 때마다 생성됩니다. 회전자의 자석이 고정자 코일을 지나서 전압을 유도하기 때문입니다. 이 효과는 정상적인 모터 작동 중에 모터 자체 드라이브가 의존하는 역기전력을 생성하는 것과 동일한 물리적 법칙입니다. 활성화할 특별한 "발전기 모드"도 없고 펌웨어 스위치도 없으며 기계 내부에 추가해야 하는 하드웨어도 없습니다.

해당 전압이 사용 가능한 전력이 되기 전에 세 가지 조건이 충족되어야 합니다.

• 속도는 충분합니다. 유도된 전압은 회전 속도에 비례합니다. 특정 rpm 미만에서는 정류기, 케이블 배선 및 부하를 통해 전류를 공급하기에는 출력이 너무 낮습니다.
• 변환하고 규제하는 방법입니다. 터미널은 속도에 따라 변하는 주파수로 3상 AC를 제공합니다. 배터리에서 램프, 인버터에 이르기까지 대부분의 부하에는 그보다 더 나은 것이 필요합니다.
• 열 헤드룸. 모터링 임무에서 850W 정격의 모터는 자동으로 850W 발전기가 아닙니다. 기계가 외부 원동기에 의해 샤프트 끝에서 구동되면 냉각 팬, 공기 흐름 경로 및 듀티 사이클이 모두 변경됩니다.

또한 한 가지 확고한 배제가 있습니다. 정류 및 제어 보드가 내장된 EC 팬 모터와 같이 전자 장치가 통합된 모터는 표준 형태의 발전기로 사용할 수 없습니다. 구동 전자 장치는 전력 흐름이 한 방향으로 설계되었으며 보드를 제거하지 않는 한 그 뒤에 있는 기계에 접근할 수 없습니다.

물리학은 대칭이다

영구 자석 브러시리스 기계에서 고정자는 권선을 운반하고 회전자는 자석을 운반합니다. 권선에 전류가 흐르면 결과적인 자기장이 회전자 자석과 상호 작용하여 토크를 생성합니다. 대신 외부 원동기가 회전자를 회전시키면 움직이는 자기장이 동일한 권선에 전압을 유도합니다. 두 효과 모두 동일한 상수로 설명됩니다. 제조업체에서는 일반적으로 역기전력 상수 Ke(1,000rpm당 볼트 단위) 또는 역수 Kv(볼트당 rpm 단위)로 표시합니다.

이 상수는 모터를 발전기로 가동하려는 모든 사람에게 가장 중요한 숫자입니다. 이는 모든 속도에서 개방 회로 전압을 알려주고 특정 토크에 필요한 전류도 설정합니다. Ke가 낮은 기계는 낮은 rpm에서 유용한 전압을 제공하지만 동일한 전력에 대해 높은 전류가 필요하므로 저항 손실이 증가합니다. Ke가 높은 기계는 수백 rpm에서 수백 볼트에 도달하는데, 이는 직접 정류 버스에는 편리하지만 48V 배터리 팩을 충전하려는 경우에는 어색합니다.

두 가지 실질적인 결과가 따릅니다. 첫째, 출력 주파수는 속도 및 극 수에 따라 확장됩니다. 8극 기계는 1,500rpm에서 100Hz의 전기 출력을 생성하고 750rpm에서 50Hz의 전기 출력을 생성하며 이는 변압기, 필터 및 모든 그리드 연결 하드웨어에 중요합니다. 둘째, 파형은 모든 설계에서 깨끗한 사인파가 아닙니다. 6단계 정류를 위해 권선된 모터는 사다리꼴 EMF를 나타내는 경향이 있는데, 이는 정류 후에는 양호하지만 낮은 왜곡 사인파를 기대하는 기기와 장비를 혼란스럽게 할 수 있습니다.

세 개의 리드에서 실제로 나오는 것은 무엇입니까?

3상 리드 중 2개에 걸쳐 오실로스코프를 연결하면 진폭과 주파수가 모두 속도에 따라 증가하는 3상 AC 파형을 볼 수 있습니다. 계자 권선과 조정할 여자 회로가 없기 때문에 출력에 관한 어떤 것도 안정화되지 않습니다. 자석은 일정한 자속을 공급하므로 전압은 rpm 및 부하 전류의 직접적인 함수입니다.

일반적인 변환 경로는 3상 브리지 정류기와 DC 링크 커패시터, 그리고 애플리케이션에 필요한 모든 조정입니다. 정현파 소스에서 공급되는 3상 브리지에 대한 대략적인 규칙은 무부하 DC 출력이 선간 RMS 전압의 약 1.35배이며 권선 저항 및 다이오드 강하로 인해 부하 전류가 증가함에 따라 감소한다는 것입니다. 게다가 전기 주파수의 6배에 나타나는 리플이 발생합니다. 이것이 바로 최악의 저속 작동을 위한 크기의 커패시터가 일반적으로 신규 사용자가 예상하는 것보다 큰 이유입니다.

• 정류된 출력은 조정되지 않습니다. 즉, 전류가 증가함에 따라 출력은 꾸준히 감소합니다.
• 리플 주파수는 속도에 따라 증가하므로 600rpm 크기의 필터링은 1,500rpm에서 넉넉합니다.
• 홀 센서와 인코더 출력은 수동 부하가 아닌 드라이브에만 유용합니다.
• 개방 회로 판독값은 권선의 잠재력을 알려줍니다. 기계가 지속적으로 무엇을 전달할 수 있는지는 알려주지 않습니다.

작동 여부를 결정하는 매개변수

모터를 발전기 용도로 고려할 때 짧은 특성 목록이 거의 모든 것을 결정합니다. 대부분은 이미 명판이나 모터 데이터시트에 기록되어 있습니다. 나머지는 제조업체에 요청해야 합니다.

코깅 토크는 자동차 테스트에서는 보이지 않기 때문에 별도로 언급할 가치가 있습니다. 뚜렷한 코깅이 있는 모터는 드라이브가 멈춤쇠를 통과할 수 있기 때문에 주 전원 공급 장치에서 완벽하게 작동할 수 있지만, 소형 풍력 터빈이나 수동식 충전기는 단순히 멈춰서 유용한 전압이 나타나는 속도에 도달하지 못할 수 있습니다. 기울어진 자석과 분수 슬롯 권선 배열이 일반적인 해결 방법입니다.

모터는 특수 제작된 발전기가 아닙니다.

특수 목적으로 제작된 영구 자석 발전기는 처음부터 하나의 속도, 하나의 전압 및 하나의 듀티 사이클에 맞게 최적화되었습니다. 발전기로 용도가 변경된 모터는 샤프트 출력, 낮은 토크 리플 및 특정 구동 전압에 최적화되어 있습니다. 둘 사이의 격차는 이론적인 것이 아닙니다. 이는 효율성, 규제 및 비용으로 나타납니다.

몇 킬로와트 미만인 대부분의 프로젝트에서 실용적인 대답은 권선을 다시 지정한 기본 모터입니다. 왜냐하면 전자기적 차이는 크지 않고 전용 발전기의 툴링 비용도 그렇지 않기 때문입니다. 그 이상으로, 산술은 특수 제작된 기계를 선호하기 시작합니다.

모터를 발전기로 활용하는 접근 방식이 실제로 작동하는 곳

이 접근 방식은 적당한 전력, 허용 전압 범위 및 속도가 대략적으로 예측 가능한 원동기를 사용하는 애플리케이션에서 입증되었습니다. 일반적인 예로는 소형 풍력 터빈, 마이크로 수력 설비, 운동 및 테스트 장비, 소형 견인 시스템의 회생 제동, 휴대용 엔진 구동 충전기 등이 있습니다.

• 작은 바람과 마이크로 수력: 올바른 Ke를 갖춘 저코깅 PM 기계는 정류기와 부스트 컨버터를 통해 배터리 뱅크를 충전합니다.
• 회생 제동: 바퀴를 구동하는 기계도 에너지를 회수하는데, 이는 정의상 발전기로 사용되는 모터가 하는 일과 정확히 같습니다.
• 벤치 및 테스트 장비: 드라이브에 대해 로드된 BLDC 기계는 제어 가능하고 저렴한 동력계를 만듭니다.
• 독립형 조명 및 배터리 충전: 20W ~ 500W 대역에서는 소형 공랭식 냉각기와 팬 모터 프레임이 일반적인 출발점입니다. 크기가 작고 저렴하며 대량 구매가 가능하기 때문입니다.

이 저전력 대역에서는 회전자 자석이 이미 고정자 외부에 있고 프레임이 짧으며 새로운 툴링 없이 목표 역기전력 상수에 대해 권선을 다시 지정할 수 있기 때문에 외부 회전자 공기 냉각기 모터가 자연스러운 후보입니다.

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중요한 점은 팬 부하에 최적화된 양산형 장치이므로 주문하기 전에 정격 전력뿐만 아니라 측정된 Ke, 선간 저항, 최대 허용 권선 온도를 문의하세요.

구분되는 부분: 실제 실패 모드

대부분의 실망스러운 발전기 제작은 전자기학과 관련이 없는 이유로 실패합니다. 일반적인 것들은 약간의 사전 고려를 통해 모두 피할 수 있기 때문에 나열할 가치가 있습니다.

• 고속에서의 과전압. 개방 회로 전압은 기계가 생성하는 최고 전압입니다. 돌풍으로 인해 부하가 손실된 풍력 터빈은 몇 초 내에 DC 링크를 커패시터 및 인버터 정격을 넘어설 수 있습니다.
• 규제가 없습니다. 출력은 속도와 전류를 모두 따릅니다. 안정적인 레일이 필요한 모든 것에는 컨버터, 덤프 로드 또는 충분한 용량의 배터리를 추가해야 합니다.
• 과열. 연속 전류는 권선 온도에 의해 제한되며 발전기 작동은 종종 팬 카울이 설계된 것과 다른 공기 흐름 경로를 의미합니다.
• 자석 감자. 높은 권선 온도에서 지속적인 과부하는 자속을 감소시켜 출력을 영구적으로 낮춥니다.
• 기계적 불일치. 벨트 장력과 풀리 오버행은 원래 마운트가 예상하지 못한 방향으로 전면 베어링에 부하를 줍니다.
• 회전 예상이 잘못되었습니다. 출력 위상 순서는 방향에 따라 반전됩니다. 3상 정류기는 상관하지 않지만 동기식 또는 계통 연결 시스템은 신경쓰게 됩니다.

고출력 프레임은 손실 와트당 표면적이 더 많기 때문에 열적으로 더 잘 작동하지만 동일한 속도에서 더 높은 전압을 생성하므로 문제가 전기적 측면으로 밀려납니다.

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대략 1kW를 초과하는 프레임의 경우, 공칭 작동 지점이 아니라 원동기가 도달할 수 있는 최고 속도에서 개방 회로 조건을 포괄하는 입력 전압 정격을 갖춘 컨버터 스테이지를 계획하십시오.

작업된 크기 조정 예

숫자는 상충관계를 구체적으로 만듭니다. 역기전력 상수가 1,000rpm당 180V 선간 RMS이고 선간 저항이 약 1.1Ω인 220V, 850W 외부 회전자 BLDC 모터를 예로 들어보겠습니다. 작은 엔진과 벨트로 900rpm으로 주행합니다.

• 개방 회로 선간 전압: 0.9 x 180 = 162V RMS.
• 정류된 무부하 DC: 약 1.35 x 162 = 219V.
• 6A의 부하 전류에서 저항 강하는 대략 7V로 단자에서 약 212V를 제공합니다.
• 권선의 구리 손실: 약 3 x (6 / 1.22) 제곱 x 0.55, 이는 40W에 가깝습니다.

결과적으로 편안한 속도에서 사용 가능한 1.27kW의 전기 출력이 생성됩니다. 단, 이는 프레임 정격을 초과하고 권선이 지속적으로 유지되지 않습니다. 전류를 3A로 줄이면 약 10W의 구리 손실로 대략 560W의 출력이 됩니다. 이는 건강한 마진을 갖춘 합리적인 연속 지점입니다.

이제 목표를 바꿔보세요. 부하가 200V 버스가 아닌 48V 배터리라고 가정합니다. 속도를 300rpm으로 줄이면 54V 라인-라인 개방 회로가 제공되며 이는 약 73V로 정류되지만 8A 미만의 새그는 거의 9V이고 구리 손실은 약 70W로 증가합니다. 이제 원하는 전력에 비해 전압이 너무 낮고 손실이 너무 높습니다. 이는 권선이 작업에 적합하지 않다는 고전적인 신호입니다. 올바른 수정은 속도를 높이는 것이 아니라 Ke가 낮은 고정자를 사용하는 것입니다.

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모터 공장에 RFQ를 제출할 내용

일반적으로 재지정된 권선은 새 기계보다 저렴하기 때문에 개념에서 하드웨어까지 가장 빠른 경로는 명확한 견적 요청입니다. BLDC 및 영구 자석 모터를 대량으로 제작하는 제조업체는 일반적으로 새로운 툴링 없이 회전 수, 와이어 게이지 및 수정된 샤프트 또는 커넥터를 갖춘 변형 제품을 공급할 수 있습니다.

• 명시된 속도에서의 목표 전압 및 전류에 원동기가 도달할 수 있는 최대 속도를 더한 것입니다.
• 필요한 역기전력 상수 또는 알려진 1rpm에서 측정된 개방 회로 전압입니다.
• 연속 및 피크 전류(듀티 사이클 및 예상 주변 온도 포함)
• 기계적 인터페이스: 샤프트 직경 및 길이, 키홈 또는 플랫, 장착 플랜지, 회전 방향.
• 환경 요구 사항: IP 등급, 습도, 먼지, 염분 또는 세척 노출.
• 홀 센서 세트 또는 인코더가 제어용으로 필요한지 아니면 계측용으로만 필요한지 여부.
• 검증 데이터: 단일 속도에서 Ke, 선간 저항 및 무부하 전압 테스트를 측정했습니다.

기계의 구조적 측면은 권선만큼 중요합니다. 영구 자석 회전자 설계, 극 수 및 슬롯 배열은 EMF 파형과 코깅 동작을 결정하며 이러한 기계를 정기적으로 제작하는 공급업체는 상충 관계를 쉽게 설명할 수 있습니다. 유용한 배경 자료는 다음과 같습니다. BLDC 모터 구성 및 영구 자석 로터 가이드 , 자석 등급 및 슬롯 형상에 대한 질문을 구성하는 데 도움이 됩니다.

애플리케이션 컨텍스트도 중요합니다. 발전기가 팬이나 송풍기 뒤에 위치하는 경우, 다음과 같은 모터 제품군이 사용됩니다. 산업용 팬 애플리케이션 속도 범위, 장착 패턴 및 베어링 배열이 이미 해당 종류의 원동력 및 부하 프로필과 일치하므로 합리적인 출발점이 됩니다.

솔직하게 요약하면, 프로젝트가 성격에 반하는 것이 아니라 성격을 중심으로 설계되는 한 BLDC 모터는 완벽하게 서비스 가능한 발전기가 된다는 것입니다. 자체 전압을 조절하지 않고 지속적인 과부하를 견딜 수 없으며 선택한 권선 속도에서만 제대로 작동합니다. 원동기와 부하에 맞는 역기전력 상수를 얻고, 적절한 전압 헤드룸이 있는 정류기와 컨버터 스테이지를 추가하고, 권선의 열 한계를 준수하면 기계가 수년 동안 예상대로 작동합니다. 권선이 잘못되면 추가 전자 장치가 아무리 많아도 전압 및 전류 작동 지점이 일치하지 않아 손실된 효율성을 복구할 수 없습니다.