BLDC 모터 설계 방법: 2026년을 위한 완벽한 단계별 엔지니어링 가이드

BLDC(브러시리스 DC) 모터 설계는 자석 등급이나 권선 수가 아닌 부하 사양으로 시작하는 체계적인 엔지니어링 프로세스입니다. 사양을 올바르게 설정하면 다음 단계마다 구조화된 균형이 이루어집니다. 잘못 이해하면 자기적 또는 전자적 개선을 아무리 많이 해도 손실된 개발 시간을 복구할 수 없습니다. 저장성 성저우에서 생산하는 전문 모터 제조업체인 Shengzhou Jiangxin Motor Technology의 경험에 따르면, 실패한 BLDC 프로젝트의 대부분은 불완전한 사양, 명시되지 않은 환경 제약 또는 선택한 범위 내에서 달성할 수 없는 효율성 목표로 거슬러 올라갑니다. 이 기사에서는 요구 사항 정의, 토폴로지 선택, 자기 회로 설계, 권선 계산, 정류 전자 장치 지정, 열 관리, 프로토타입 검증, 제조 준비 등 3상 BLDC 모터의 전체 설계 절차를 설명합니다. 목표는 설계 엔지니어와 기술 조달 팀이 첫 번째 자석을 주문하기 전에 적용할 수 있는 실용적인 프레임워크를 제공하는 것입니다.

BLDC 모터를 설계하기 전에 이해하기

BLDC 모터는 전자 인버터로 구동되는 영구 자석 동기 기계입니다. 회전자는 영구 자석을 운반하고 고정자는 3상 권선을 운반하며 컨트롤러는 기계적 접촉 없이 토크가 생성되도록 회전자 앞에 고정자 자기장을 지속적으로 생성합니다. 브러시형 DC 모터의 정류자와 브러시가 전자 스위칭으로 교체되므로 브러시 손실이 없고 탄소 먼지가 없으며 스파크가 발생하지 않습니다. 이는 설계자에게 전체 최적화 공간을 변화시킵니다. 효율성은 비슷한 전력에서 10~20% 포인트 향상되고, 서비스 수명은 브러시 마모 대신 베어링과 절연체에 의해 결정되며, 모터 동작은 제어 알고리즘과 형상을 변경하여 조정할 수 있습니다.

두 가지 정류 제품군이 설계 관행을 지배합니다. 6단계 사다리꼴 정류는 한 번에 2개의 모터 위상에 전원을 공급하고 전기적으로 60도마다 전원이 공급되는 세트를 전자적으로 전환합니다. 이는 간단하고 저렴하며 고정 속도 또는 약간 조절되는 팬, 압축기 및 펌프에 완벽하게 적합합니다. 일반적으로 자속 기준 제어로 구현되는 정현파 정류는 사인 프로필을 사용하여 시간에 따라 변하는 전류를 세 위상 모두에 적용합니다. 이는 더 부드러운 토크, 더 적은 음향 소음, 더 나은 부분 부하 효율성을 생성하므로 사실상 모든 EC 팬 모터와 최신 공랭식 모터가 정현파 제어를 사용합니다. "EC 모터"라는 문구는 단순히 전자 장치가 모터 하우징에 통합된 브러시리스 DC 모터를 의미합니다. "BLDC"와 "EC"라는 용어는 서로 바꿔서 사용되며 하드웨어보다는 강조점이 다르다는 것을 듣게 될 것입니다.

BLDC 모터에 사용되는 제어 전자 장치는 나중에 볼트로 고정되는 액세서리가 아니기 때문에 이러한 비교가 중요합니다. 이는 권선 절연체의 전압 스트레스, 구리를 가열하는 전류 파형, 부하에 도달하는 토크 리플, 모터가 생존해야 하는 고장 모드를 정의합니다. 결과적으로 모터 설계와 드라이브 설계는 함께 개발되어야 합니다. 6단계 작동에 최적화된 모터는 사다리꼴 역기전력 모양을 갖습니다. 자속 기준 제어를 위한 모터는 자석 아크 폭과 자화 패턴에 의해 설정된 정현파 역기전력 모양을 가져야 합니다. 하나의 권선 설계를 두 전략 모두에 적용하도록 강제하려고 하면 소음, 진동 또는 불필요한 전력 손실이 발생합니다.

설계 요구 사항 및 사양 정의

첫 번째 디자인 결과물은 3차원 모델이 아닙니다. 그것은 서면 사양입니다. 완전한 사양은 모터 제조업체가 타당성 조사를 인용하고, 슬롯과 폴 조합을 제안하고, 고객에게 9가지 명확한 질문을 하지 않고도 비용을 추정할 수 있을 만큼 작동 범위를 엄격하게 고정합니다. Jiangxin Motor에서 수행한 엔지니어링 검토에서 가장 빠르게 진행되는 프로젝트는 정격 전압, 속도 범위, 토크, 듀티 사이클, 엔벨로프, 주변 온도, 소음 목표 및 목표 효율성 등 짧지만 완전한 사양 시트를 갖춘 프로젝트입니다.

• 정격 전압 및 허용 오차: 배터리 시스템은 넓은 범위(예: 공칭 12V의 경우 10.5V ~ 13.8V)를 갖는 반면 정류된 주 전원 공급 장치는 더 좁은 대역을 갖습니다. 권선과 컨트롤러는 모두 상한을 견뎌야 합니다.
• 정격 출력 또는 연속 토크 및 속도: 전력으로 정격된 팬은 토크로 정격된 컨베이어와 완전히 다르게 동작하기 때문에 설계점에서 고정된 상태입니다.
• 속도 범위: 팬에는 30%~100% 속도 제어가 필요할 수 있으며, 이는 센서리스 컨트롤러가 측정할 수 있는 최소 역기전력을 변경합니다.
• 듀티 사이클: 연속 듀티(S1)는 팬의 기본값입니다. 액추에이터나 커피 그라인더는 간헐적으로 작동할 수 있으며(S2 또는 S3) 훨씬 더 높은 전류 밀도를 견딜 수 있습니다.
• 기계적 엔벨로프 및 샤프트 인터페이스: 최대 직경, 스택 길이, 샤프트 연장, 압입 또는 키홈 및 장착 보어 패턴.
• 주변 환경: 온도, 습도, 먼지, 부식성 가스; 축사 팬 모터는 암모니아와 빈번한 세척에 직면하고, 증발식 공기 냉각기는 높은 습도와 응축수에 직면합니다.
• 실제 덕트 또는 하우징에서 측정된 1미터당 음향 소음 제한(dB(A))입니다.
• 정격 지점에서의 효율성 목표와 가변 속도 제품의 경우 대표적인 부분 부하 지점에서의 효율성 목표입니다.
• 예상 수명 및 신뢰성은 일반적으로 작동 시간(10,000시간, 20,000시간) 또는 시동 횟수로 표시됩니다.
• 적용 가능한 표준: 제품 안전, EMC, 절연 등급 및 고객의 내부 승인 기준.

부하 유형은 주로 토크 포락선을 결정합니다. 원심 팬은 친화력 법칙을 따릅니다. 즉, 흐름은 속도에 비례하고, 압력은 속도의 제곱에 비례하고, 샤프트 출력은 속도의 제곱에 비례합니다. 따라서 모터 토크 요구량은 속도의 제곱에 비례하여 증가합니다. 절반 속도에서 팬은 정격 토크의 약 1/4만 필요합니다. 고속에서는 부하 토크가 최대입니다. 이와 대조적으로 용적형 펌프나 컨베이어는 속도 범위 전반에 걸쳐 일정한 토크를 요구하므로 모터는 저속에서 고전류에 맞게 설계되어야 합니다. 이 단일 구별은 열 설계, 자석 볼륨 및 제어 전략을 변경합니다.

첫 번째 CAD 파일 앞에 사양을 작성하고 서명으로 잠급니다. Jiangxin Motor 제품 개발 흐름에서 모든 BLDC 샘플 주문은 와인딩 일정이 발표되기 전에 사양 양식과 비교하여 확인됩니다. 주변 온도와 같은 매개변수가 누락된 경우 샘플은 임의의 가정에 따라 구축되며 나중에 자격 테스트가 실패합니다.

모터 토폴로지 선택

첫 번째 아키텍처 결정은 내부 로터와 외부 로터 배열 사이에서 이루어집니다. 수십 년간의 가전제품 모터 개발의 결론은 분명합니다. 직접 구동 팬, 공기 냉각기 및 송풍기의 경우 외부 로터 BLDC 모터가 거의 항상 더 나은 선택입니다. 고속으로 작동하거나 낮은 로터 관성이 필요한 샤프트 결합 부하의 경우 내부 로터 모터가 올바른 선택입니다.

외부 회전자 모터는 중앙에 고정자가 있고 고정자 주위를 회전하는 컵 모양의 회전자 내부에 영구 자석이 결합되거나 장착되어 있습니다. 컵을 축 방향으로 확장하여 팬 블레이드를 직접 운반할 수 있으므로 벨트, 풀리 및 기어박스가 필요하지 않습니다. 로터 직경이 클수록 전자기 전단 응력이 작용하는 레버 암이 증가하므로 더 적은 자석 부피와 더 낮은 자기 부하로 주어진 토크가 달성됩니다. 회전 질량이 외부에 있기 때문에 모터는 자연스럽게 플라이휠처럼 작동하여 팬 부하의 토크 맥동을 증폭시키는 대신 부드럽게 합니다.

• 외부 로터의 장점: 직접 구동 팬 허브 통합, 저속에서 높은 토크 밀도, 짧은 축 길이, 로터 표면의 자연스러운 공기 이동 동작.
• 외부 로터 제한: 관성 모멘트가 높고 샤프트를 통한 고정자의 냉각이 덜 편리하며 직경이 큰 경우 밸런싱 절차가 더 복잡합니다.
• 내부 로터의 장점: 작은 로터 관성, 스핀들 또는 벨트에 대한 쉬운 결합, 작은 샤프트 주변의 간단한 밀봉.
• 내부 로터 제한: 저속 팬 부하를 위한 기어박스 또는 벨트와 동일한 토크를 위한 더 긴 축 패키지가 필요합니다.

토폴로지가 고정되면 슬롯과 폴 조합이 두 번째로 기본적인 선택입니다. 소형 외부 회전자 BLDC 모터의 경우 집중 권선이 있는 3상 고정자가 지배적입니다. 각 고정자 톱니에는 하나의 코일이 있고 극 사이에 권선 돌출부가 없으며 코일은 자동 기계로 보빈에 감길 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 두 가지 조합은 10개의 회전자 극이 있는 12개의 슬롯(12S10P)과 14개의 회전자 극이 있는 12개의 슬롯(12S14P)입니다. 두 가지 모두 6단계 또는 자속 기준 제어에 적합한 고조파가 풍부한 파형을 생성하며, 둘 다 슬롯과 폴 사이에 가장 높은 최소 공배수를 제공하여 코깅 토크를 하나의 큰 이벤트가 아닌 여러 개의 작은 이벤트로 나눕니다. 9슬롯, 6극 조합은 구리가 덜 필요하기 때문에 때때로 매우 작은 모터에 사용되지만 불균형 자기력이 더 높고 제조 비대칭을 덜 허용합니다.

팬의 경우 전기 주파수를 편안한 범위로 유지하는 극 수를 선택하십시오. 1,400r/min에서 10극 모터의 전기 주파수는 약 117Hz입니다. 약 163Hz의 14극 모터. 전기 주파수가 높을수록 고정자 라미네이션에서 더 많은 코어 손실이 발생하고 컨트롤러의 회전당 더 많은 스위칭 이벤트가 발생하므로 고속 설계에서는 매우 높은 극 수를 피해야 합니다. 반대로, 극 수가 너무 적으면 더 두꺼운 백 아이언이 로터 자속을 전달하게 됩니다.

생산 규모에서 외부 로터 접근 방식의 예는 Jiangxin 외부 로터 BLDC 공기 냉각기 모터 라인입니다. 149mm 프레임 크기는 증발식 냉각기의 임펠러와 일치하도록 설계된 컵 모양의 로터가 있는 12슬롯 고정자로 제작되었으며, 220V에서 600W ~ 850W의 전력 단계로 제공됩니다.

Jiangxin DC149 220V 850W 외부 로터 BLDC 공기 냉각기 모터 이 생산 규모의 외부 로터 모터는 증발식 냉각기 임펠러를 직접 구동하여 220V에서 최대 850W를 제공하고 높은 효율과 긴 수명을 제공하며, 이는 대규모 공기 이동 응용 분야의 자기 회로 성능에 대한 이전 논의와 일치합니다. 제품보기 →

자기 회로 설계

토폴로지가 고정된 상태에서 자기 회로는 토크 및 효율 잠재력을 정의합니다. 주요 선택 사항은 자석 등급, 자석 극 아크 및 두께, 공극 길이, 고정자 적층 등급 및 자속 경로의 기하학적 구조입니다.

자석 등급을 선택하세요

NdFeB(소결 네오디뮴-철-붕소)는 대부분의 유틸리티 BLDC 모터의 표준입니다. 그 이유는 최대 에너지 제품이 대략 35 MGOe(N35)에서 50 MGOe(N52) 이상에 이르기까지 소형 고정자에서 0.8 ~ 1.1 T의 공극 자속 밀도를 생성할 수 있기 때문입니다. 자석 온도 정격은 최악의 권선 온도와 일치해야 합니다. 표준 N 등급은 약 80°C를 허용하는 반면 H, SH 및 UH 등급은 작동 범위를 각각 120°C, 150°C 및 180°C로 확장합니다. 페라이트 자석은 훨씬 저렴하지만 에너지 제품은 훨씬 더 낮습니다. 비용 압박이 극심하거나 주변 온도가 높거나 모터 직경이 제한되지 않는 경우에만 사용됩니다.

공극 및 극호 설정

공극 자속 밀도는 주로 비용과 효율성에 따라 선택됩니다. 소형 팬 BLDC에서 합리적인 목표는 공극에서 0.6~0.85T입니다. 에어 갭 자체의 범위는 60mm 모터의 경우 0.3mm에서 200mm 모터의 경우 0.8mm입니다. 더 큰 공극은 생산 시 회전자-고정자 접촉 위험을 줄이고 코깅 토크를 낮추지만 동일한 자속 밀도를 설정하도록 더 많은 자석 재료를 강제합니다. 자석 아크 폭은 역기전력 파동의 모양을 제어합니다. 약 120도의 전기 각도 극 아크는 6단계 정류에 적합한 사다리꼴 역기전력을 생성합니다. 단계적 자화를 사용하는 150~170도 극 호는 자속 기준 제어에 적합한 거의 정현파 역기전력을 생성합니다.

코깅 토크 최소화

코깅 토크는 저속 팬 작동에서 가장 눈에 띄는 방해 요소입니다. 고정자 톱니와 정렬되는 것이 자석의 선호이며 낮은 RPM에서 진동, 음향 소음 및 속도 맥동을 생성합니다. 대량생산에서는 세 가지 대책이 실용적이다. 먼저, 12S10P 또는 12S14P와 같이 최소 공배수가 높은 슬롯과 폴 조합을 선택합니다. 둘째, 자석을 기울게 자화시키거나 기울어진 고정자 적층을 사용하십시오. 셋째, 극호를 정수의 슬롯 피치보다 약간 크거나 작게 설계합니다. 각각의 대응책에는 약간의 제조 비용이 추가되므로 최상의 설계는 슬롯과 폴 조합을 사용하여 대부분의 문제를 해결하고 노이즈 목표가 심각한 경우에만 스큐를 추가합니다.

이 단계에서는 유한 요소 해석이 표준입니다. 단면의 2차원 정자기 시뮬레이션은 자속 밀도 맵, 역기전력 파형 및 코깅 토크 값을 제공합니다. 또한 설계자는 로터 부피에서 이론적 최대 토크를 계산해야 합니다. 소형 공냉식 BLDC의 경우 단위 로터 표면적당 토크를 나타내는 전자기 전단 응력은 10~30kN/m² 범위에 속합니다. 목표 토크에 해당 범위를 넘는 전단 응력이 필요한 경우 모터에는 더 많은 자석 재료, 더 나은 냉각 또는 더 큰 프레임이 필요합니다.

고정자와 권선 설계

권선은 전기 사양이 구리와 절연체가 되는 곳입니다. 고정자 코어는 0.35~0.5mm 두께의 무방향성 전기 강철 적층으로 제작됩니다. 50JN470 또는 50JN600과 같은 등급은 기기 모터에 일반적입니다. 더 얇은 0.35mm 강철은 높은 전기 주파수에서 철 손실을 줄이지만 스탬핑 및 스태킹 비용이 더 많이 듭니다. 라미네이션 코팅은 와인딩 수지의 경화 온도를 견뎌야 합니다. 표준 C5 절연 코팅은 짧은 간격으로 200°C에 적합합니다.

회전 수는 가장 중요한 단일 권선 매개변수입니다. 이는 전압 상수, 즉 모터가 주어진 속도에서 생성하는 역기전력의 양을 설정합니다. 회전 수가 많으면 높은 전압 상수가 생성되는데, 이는 저속에서 토크에는 좋지만 역기전력이 버스 전압에 접근하기 때문에 최대 속도를 제한합니다. 권선 수가 적으면 전압 상수가 낮아져 속도가 빨라지지만 주어진 토크에 대해 전류가 높아지며 손실이 커집니다.

1차 추정의 경우 6단계 정류를 사용할 때 연속 작동 지점의 라인 간 역기전력 피크를 DC 버스 전압의 약 80% ~ 90%로 설정하고 나머지 전압은 권선 저항 강하 및 인버터 강하를 위해 남겨 둡니다. 정현파 자속 기준 제어의 경우 관계는 변조 깊이에 따라 다르지만 동일한 원칙이 적용됩니다. 총 역기전력과 최대 속도에서의 저항 강하가 인버터의 선형 출력 범위 아래에 있어야 합니다. 실제로 BLDC 설계자는 유한 요소 모델에서 역기전력 상수를 계산하고 프로토타입을 제작한 후 이를 알려진 속도로 회전시키고 전압을 측정합니다. 프레임을 변경해야 하는 경우 회전 수는 직경 비율의 제곱에 반비례하여 조정됩니다.

와이어 게이지 선택은 전류 밀도에 따라 결정됩니다. 연속 사용이 가능한 자연 냉각 팬 모터의 경우 RMS 전류 밀도를 4~6A/mm² 범위로 유지하십시오. 증발식 공기 냉각기 또는 EC 팬과 같이 공기 흐름이 하우징 위로 통과하는 덕트에 모터가 통합된 경우 6~8A/mm²가 실용적입니다. 간헐적 듀티는 짧은 기간 동안 최대 10A/mm²를 허용합니다. 예를 들어, 약 0.7A의 RMS 위상 전류를 끌어오는 310V 버스가 있는 150W 모터는 약 AWG 25인 4.5A/mm² 전류 밀도에 대해 회전당 약 0.17mm²의 구리가 필요합니다. 연선 또는 평행선은 단일 가닥이 너무 뻣뻣해지거나 작은 치아에 감길 수 없을 정도로 두꺼워지면 사용됩니다.

스타 및 델타 연결은 다르게 동작합니다. 스타(Wye) 연결은 3상 BLDC 권선의 표준입니다. 즉, 위상 전압이 더 낮고 절연 응력이 더 작으며 델타 권선에서 순환하는 3차 고조파 전류가 제거됩니다. 델타 권선은 토크를 제공하지 않고 손실과 열을 추가하는 순환 고조파 전류를 생성하기 때문에 BLDC 팬 모터에서는 거의 사용되지 않습니다. 특별한 이유가 없는 한 권선은 스타 연결형 3상 설계여야 합니다.

전체 슬롯 면적에 대한 구리 단면적의 비율인 구리 충전율은 효율성에 큰 영향을 미칩니다. 무작위로 감긴 집중 코일은 0.4 ~ 0.5에 도달합니다. 미리 형성된 와이어가 있는 보빈 감김 코일은 0.5~0.6에 도달할 수 있습니다. 충전율이 높을수록 권선 저항이 낮아져 구리 손실도 줄어들지만, 더 단단한 와이어와 더 비싼 권선 장비가 필요합니다. 설계자는 프리미엄 충전 비용이 효율성 목표에 부합하는지 확인해야 합니다. 목표가 적당하다면 0.45 채우기의 간단한 바늘로 감긴 보빈이면 충분할 수 있습니다.

로터 및 기계 패키지 설계

로터는 자석을 운반하고 샤프트나 허브에 토크를 전달합니다. 외부 회전자 모터에서 회전자는 세 가지 기능을 수행하는 인발되거나 가공된 강철 컵입니다. 즉, 자기 복귀 경로를 형성하고, 자석을 유지하고, 팬 블레이드 또는 커플링 인터페이스를 운반합니다. 자로의 강철 두께인 백철은 포화 없이 자속을 전도하기에 충분해야 합니다. N35 자석을 사용하는 약 130mm 직경의 10극 로터의 경우 4~6mm의 백 아이언은 자속 밀도를 전기 강철의 포화 한계에 가까운 약 1.5T로 유지합니다. 백 아이언이 두꺼워지면 무게, 관성 및 재료 비용이 추가됩니다.

표면 장착형 자석은 구조용 접착제로 로터 컵의 내부 구멍에 고정됩니다. 팁 속도가 보통인 팬 용도의 경우 일반적으로 접착력 유지력으로 충분합니다. 더 높은 속도의 경우 스테인리스 스틸 고정 슬리브 또는 탄소 섬유 밴드가 자석의 원심 팽창을 방지합니다. 전용 고정 장치의 조립 후 자화는 자화된 구성 요소를 처리하지 않고 자기 동기화를 보장하기 때문에 선호되는 대량 생산 방법입니다.

베어링 배열에 따라 수명, 소음 및 가격이 결정됩니다. 볼 베어링은 축방향 하중이나 예상 수명이 슬리브 베어링이 제공할 수 있는 수준을 초과할 때 사용됩니다. 또한 외부 레이스를 통해 열을 더 잘 방출하기 때문에 더 높은 주변 온도에서도 견딜 수 있습니다. 슬리브 베어링은 샤프트가 수직이거나 축방향 하중이 무시할 수 있는 저가형 팬 모터에 매력적이지만 온도와 오염으로 인해 수명이 급격히 감소합니다. 먼지가 많은 환경의 공기 냉각기에서 20,000시간 동안 작동하도록 설계된 모터의 경우 수명 그리스가 포함된 밀봉된 볼 베어링을 지정하십시오.

기계적 균형은 대구경 외부 로터에서 특히 중요합니다. 불균형한 로터는 회전 주파수의 진동을 생성하며, 이는 팬 블레이드에 전달되어 가청 소음이 됩니다. 소형 팬 모터의 경우 ISO 1940 균형 등급 G6.3이 일반적으로 허용됩니다. 조용한 주거용 제품의 경우 G2.5 등급이 지정됩니다. 두 평면에서의 동적 밸런싱은 너비가 직경의 20%보다 큰 로터의 표준 생산 작업입니다.

마지막으로 샤프트와 장착 인터페이스는 실제 조립 프로세스를 따라야 합니다. D컷이 있는 직선형 샤프트는 팬 허브에 쉽게 압착됩니다. 키홈이 있는 샤프트는 응력을 집중시키며 팬 커플링에 꼭 맞는 키가 필요합니다. 어댑터에 따라 축 길이와 비용이 추가되므로 장착 플랜지는 최종 기기의 하우징 보어 패턴을 중심으로 설계해야 합니다. 설계자는 샤프트, 회전자 컵 및 고정자 보어 사이의 동심도 및 직각도 공차를 지정해야 합니다. 소형 팬 모터의 일반적인 치수 예산은 샤프트와 고정자 보어 사이의 반경방향 런아웃이 0.02mm이고 축방향 면 런아웃이 0.05mm입니다.

정류 및 구동 전자 장치 설계

구동 전자 장치가 없으면 BLDC 모터가 완성되지 않습니다. 컨트롤러는 정류를 수행하고 속도를 제어하며 모터를 보호합니다. 컨트롤러가 전압 스트레스, 전류 파형, 안전 한계를 설정하므로 모터와 컨트롤러는 단일 시스템으로 설계되어야 합니다.

정류 방식을 선택하세요

가장 경제적인 정류 방법은 홀 센서를 사용한 6단계 블록 정류입니다. 3개의 홀 효과 스위치 장치는 정확히 120도의 전기적 간격으로 고정자에 배치됩니다. 이는 회전자 자극을 감지하고 전기 주기당 6개의 인버터 스위칭 이벤트를 트리거합니다. 홀 센서는 시동을 단순화하고 정지 상태에서도 안정적으로 작동합니다. 이는 부하 상태에서 시작해야 하는 애플리케이션에 중요합니다. 비용 불이익은 센서 3개와 작은 자석 링으로 구성되며, 이는 전체 자재 명세서에서는 무시할 수 있는 수준이지만 조립 단계가 추가됩니다.

무센서 6단계 정류는 홀 센서를 제거하고 역기전력의 제로 크로싱에서 회전자 위치를 추정합니다. 그런 다음 모터에는 와이어 3개와 컨트롤러만 필요합니다. 이는 밀봉되거나 포팅된 모터를 위한 매우 깔끔한 제품 아키텍처입니다. 단점은 역기전력이 정지 상태에서는 존재하지 않는다는 것입니다. 컨트롤러는 정렬 펄스를 사용하여 회전자를 알려진 위치로 가져온 다음 역기전력을 측정할 수 있을 때까지 개방 루프 가속 램프를 실행합니다. 센서리스 제어는 항상 무부하 상태로 시작되는 팬 모터에 대한 표준 선택입니다.

매우 낮은 소음과 제로 속도 리플을 요구하는 애플리케이션의 경우 자속 기준 제어가 최고의 솔루션입니다. 자속 기준 제어는 고정자 전류의 직교 구성 요소를 조절하여 위상 전류를 회전자 각도에 대해 정현파로 유지합니다. 6단계 토크 맥동을 제거하고 소음을 줄이며 부분 부하 효율을 향상시킵니다. 구현 비용은 더 빠른 마이크로컨트롤러와 위상 라인의 고해상도 전류 감지입니다.

인버터 및 보호 장치 구축

인버터단은 3상 풀브리지이다. 주전원 전압에서 최대 약 1kW의 모터의 경우 MOSFET이 주요 스위칭 장치입니다. 그 이상으로 IGBT가 매력적입니다. PWM 반송파로 인해 발생하는 금속성 소음을 방지하려면 스위칭 주파수를 가청 범위보다 높은 최소 16~20kHz로 설정해야 합니다. DC 버스의 세라믹 또는 필름 커패시터는 스위칭 리플을 흡수합니다. 전해 커패시터는 버스 홀드업 시간을 제공합니다. 컨트롤러는 DC 버스 전압, 위상 전류 및 권선 온도를 모니터링하고 저전압 차단, 과전류 트립 및 과열 차단을 구현해야 합니다. 회전자가 잠긴 팬의 경우 컨트롤러는 권선을 태우는 대신 상태를 감지하고 짧은 지연 후에 다시 시도해야 합니다.

이러한 모든 기능은 결국 모터 하우징의 일부가 되는 제어 보드에 있습니다. 이는 컨트롤러의 열 설계가 모터 손실과 동일한 예산에 속한다는 것을 의미합니다. MOSFET 접합부-케이스 및 케이스-주위 열 저항, PCB 구리 영역 및 제어 보드 위의 공기 이동은 모두 테스트를 통해 검증되어야 합니다. 흔히 저지르는 실수는 밀폐된 작은 인클로저에서 자체적으로 15W를 소비하는 매우 효율적인 모터와 컨트롤러를 설계하는 것입니다. 그러면 결합된 시스템이 온도 적격성 평가에 실패합니다.

정류 시퀀싱 및 PWM 전략의 세부 사항에 익숙하지 않은 경우 BLDC 모터 컨트롤러 작동 방식에 대한 짧은 입문서 전자 아키텍처를 시작하기 전에 유용합니다. 제어 방법은 모터 사양에 직접적인 영향을 미칩니다.

Jiangxin EC 팬 모터 제품군은 이 통합 설계의 생산 사례입니다. 전자 제어 보드, 3상 고정자 및 회전자가 하나의 하우징 내에 패키지되어 있으므로 고객은 공급 장치만 배선하고 제어 입력을 위한 가변 속도 모터를 받습니다.

Jiangxin ECF-155-10 380V 2200W EC 팬 모터 내장된 보호 기능과 넓은 전압 허용 오차를 갖춘 고전력 통합 EC 팬 모터로 HVAC 및 산업용 환기에 적합합니다. 패키지 설계는 가변 속도 팬 시스템의 열 관리 및 신뢰성의 중요성을 강조합니다. 제품보기 →

열 관리를 위한 설계

전기적 성능이 아닌 열 관리는 대부분의 BLDC 프로토타입에 두 번째 반복이 필요한 이유입니다. 권선 온도 제한은 엄격한 제약입니다. 절연 등급은 최대 허용 총 온도를 설정하며, 등급 B의 경우 130°C, 등급 F의 경우 155°C, 등급 H의 경우 180°C입니다. 주변 온도가 40°C인 경우 클래스 B 모터는 권선 핫스팟에서 90K 상승할 수 있습니다. 예상되는 온도 상승이 해당 한계에 가까워지면 단순히 더 큰 외부 팬을 제공하는 것이 아니라 더 낮은 손실 밀도로 모터를 재설계해야 합니다.

열로 변환될 수 있는 손실은 권선 저항으로 인한 구리 손실, 고정자 적층의 철 손실, 베어링과 회전자의 마찰 및 풍손, 컨트롤러의 스위칭 및 전도 손실입니다. 저속 및 높은 토크에서는 구리 손실이 지배적입니다. 경부하의 고속에서는 철손과 스위칭 손실이 지배적입니다. 정격 지점만으로는 부분 속도에서 열 병목 현상이 나타나지 않으므로 작동 범위에 대한 효율성 맵을 설계 지점에서 계산하고 측정해야 합니다.

열은 고정자 코어를 통해 하우징으로 전도되고 외부 표면의 대류를 통해 BLDC 모터에서 빠져나갑니다. 외부 로터 팬 모터에서 로터 컵은 공기를 이동시키므로 로터 표면의 자연 대류 계수는 정적 인클로저보다 훨씬 높습니다. 이는 유리한 설계 루프를 생성합니다. 즉, 속도가 높을수록 냉각이 강해지며, 이는 고속에서 더 높은 철 손실과 스위칭 손실을 부분적으로 보상합니다. 그럼에도 불구하고 고정자 코일은 강철과 권선 수지 층 내부에 묻혀 있으므로 병목 현상은 구리에서 하우징까지의 온도 저하입니다. 고정자 스택과 하우징 사이의 양호한 열 접촉은 브래킷의 두꺼운 알루미늄 방열판보다 더 중요합니다. 예산이 허용되면 열전도율이 높은 수지나 수축형 하우징을 사용하십시오.

추측하기보다는 열 경로를 정량화하십시오. 코일 끝 회전에 내장된 열전대로 권선 온도를 측정하거나 저항 기반 방법을 사용하여 정격 지점, 과부하 지점 및 자체 냉각이 가장 약한 최소 속도 지점의 온도 상승을 매핑합니다. 적외선 카메라는 인버터와 라미네이션의 국지적 핫스팟을 식별하는 데 유용하지만 고정자 내부의 권선 핫스팟은 볼 수 없습니다. 열전대는 참고 방법입니다.

증발식 공기 냉각기 및 가금류 팬과 같은 실외 장비의 경우 여름 주변 온도는 지역에 따라 45°C ~ 55°C에 도달할 수 있으며 모터는 공기 흐름에 직접 장착될 수 있습니다. 조달 계약서에 주변 온도를 명시하십시오. 40°C와 50°C 주변 사양의 차이로 인해 자석 등급과 필요한 구리 충전율이 변경되고 이에 따라 가격도 변경됩니다.

프로토타입, 테스트 및 검증

시뮬레이션으로만 존재하는 BLDC 모터는 가치가 없습니다. 실제 프로토타입은 초기에 제작되고 계측 및 측정되어야 합니다. 개발 계획에서는 첫 번째 프로토타입이 전체 사양을 동시에 충족하는 경우가 거의 없기 때문에 2~4회의 반복 라운드를 예약해야 합니다.

1. 권선 저항 및 위상 인덕턴스: 1kHz에서 LCR 미터로 측정합니다. 값은 10% 내에서 계산과 일치해야 합니다. 그렇지 않으면 채우기 비율 또는 회전 수가 꺼집니다.
2. 역기전력 파형: 구동 모터로 회전자를 고정 속도로 회전시키고 선간 전압을 기록합니다. 피크 진폭과 파동 모양(6단계의 경우 사다리꼴, 자속 기준 제어의 경우 정현파)을 확인합니다.
3. 무부하 테스트: 컨트롤러로 모터를 작동하고 무부하 전류와 속도를 측정합니다. 무부하 속도와 정격 속도의 차이가 자기 성능을 나타냅니다.
4. 부하 성능: 모터를 동력계에 연결하고 부하 범위 전반에 걸쳐 토크, 속도, 입력 전력, 출력 전력 및 효율성을 기록합니다.
5. 효율성 맵: 진행 각도 및 전류 루프와 같은 컨트롤러 설정을 검증하고 부분 부하 목표를 확인하는 데 사용되는 속도 및 토크에 대한 맵입니다.
6. 온도 상승: 의도한 주변 챔버에 정격 부하를 적용합니다. 연속 사용에 대한 절연 한계보다 최소 15K 낮은 통과 기준을 사용하여 정상 상태까지 권선 온도를 기록합니다.
7. 소음 및 진동: 1미터 떨어진 실제 덕트의 음향 소음을 측정하고 고속 푸리에 변환을 실행하여 전자기 소음(전기 주파수 고조파 및 슬롯 전달 주파수)을 기계적 소음(베어링 및 불균형)에서 분리합니다.
8. 절연 테스트: 정격 전압의 약 2배 + 1,000V AC의 고전위 테스트를 1분간 적용합니다. 절연 저항계로 절연 저항을 확인하십시오.
9. 신뢰성: 입력 전력을 주기적으로 측정하여 정격 부하에서 1,000~2,000시간의 연속 실행을 통해 자석, 접착제 및 베어링이 안정적인지 확인합니다.

테스트 데이터는 서면 설계 검토 게이트의 사양과 비교되어야 합니다. 단일 모터의 성능을 기반으로 생산 배치를 시작하는 것은 권선 허용 오차, 자석 차이 및 베어링 예압 차이로 인해 성능이 분산되기 때문에 허용되지 않습니다. Jiangxin Motor 샘플 승인 프로세스에서는 최소 2~3개의 샘플이 라인 끝에서 측정되며 중앙값과 스프레드가 사양 창 내에 유지되어야 합니다.

팬 모터에 대한 적격성 테스트에는 정지된 팬이 몇 초 만에 과열될 수 있으므로 정지 복구, 회전자 잠긴 전류 측정, 입력 전압 강하 및 서지, 온도 사이클링도 포함되어야 합니다. 대상 제품이 여러 국가에서 판매되는 경우 해당 표준에 대해 절연 및 EMC 테스트를 반복해야 하며 이에 따라 모터 데이터 시트를 업데이트해야 합니다.

제조 및 비용을 조기에 고려

비용 효율적으로 제조할 수 없는 모터 설계는 결코 실험실 밖으로 나갈 수 없습니다. 소형 BLDC 모터의 비용 ​​동인은 균등하게 분배되지 않으며 초기 단계에서 내린 설계 결정의 영향력이 매우 큽니다.

자석 비용은 예산을 파괴하기 가장 쉬운 곳입니다. NdFeB 가격은 희토류 원소 공급에 따라 변동하며, 필요한 것보다 20% 더 많은 자석 부피를 사용하는 모터는 영구적인 비용 패널티를 흡수합니다. 더 큰 극 아크는 역기전력 모양을 개선하지만 값비싼 자성 재료를 소모합니다. 토크 이득은 자석 두께에 따라 선형이지만 호 폭에서는 빠르게 포화됩니다. 프로젝트 시작 시 자석 두께 감도를 시뮬레이션합니다. 3mm와 4mm 자석의 차이는 시각적으로 우려되지만 전기적으로는 무시할 수 있으며 제품이 목표 가격에 도달하는지 여부를 결정할 수 있습니다.

와인딩 자동화는 두 번째 핵심 결정입니다. 톱니형 고정자의 집중 권선은 바늘 권선 기계로 높은 반복성으로 권선될 수 있습니다. 감는 횟수가 많고 와이어가 가는 디자인은 감는 속도가 느립니다. 더 높은 자석 등급을 선택하여 회전수를 줄이는 것이 고정자당 추가 권선 시간(분)을 지불하는 것보다 더 저렴한 경우가 많습니다. 반대로, 평행한 연선 없이는 감을 수 없는 두꺼운 와이어를 사용한 설계는 충전율을 저하시킬 수 있습니다. 코일 포머가 수용할 수 없는 경우 하나의 두꺼운 와이어 대신 평행한 가는 연선을 지정하십시오.

로터의 제조 공차로 인해 수율 손실도 발생합니다. 자석 접착제 압착, 고르지 못한 자석 안착, 둥글지 않은 로터 컵은 불균형과 소음을 유발합니다. 설계에는 로터 컵의 숄더 페이스 및 파일럿 보어와 같은 위치 지정 기능이 포함되어 고정자 보어와 로터 보어 사이의 치수 공차를 일관되게 유지해야 합니다. 마지막으로 모든 완성된 모터는 최종 라인 테스트를 거칩니다. 테스트 계획은 별도의 실험실에서 나중에 고려하는 것이 아니라 생산 라인의 일부여야 합니다. 자동화된 테스트 스테이션은 권선 저항, 절연, 무부하 전류 및 정격 부하 응답을 측정하고 사양 범위를 벗어나는 장치가 고객에게 도달하기 전에 분류합니다.

경험이 풍부한 BLDC 모터 제조업체와 협력하세요

모든 프로젝트가 사내 모터 개발 연구소 구축을 정당화하는 것은 아닙니다. 경제적 교차는 규모, 리드타임, 내부 역량에 의해 좌우됩니다. 연간 10,000개의 팬을 생산하는 회사는 유한 요소 라이센스, 동력계, 자화 고정 장치 및 모터 개념에서 생산까지 모터를 가져오는 데 필요한 엔지니어링 시간 비용을 거의 회수할 수 없습니다. 숙련된 모터 제조업체는 사양을 프로토타입으로 직접 가져갈 수 있으며, 이것이 바로 대부분의 중소 장비 제조업체가 BLDC 제품을 시장에 출시하는 방식입니다.

저장성 성저우에 있는 공장에서 운영되는 Jiangxin Motor Technology는 그러한 제조 파트너 중 하나입니다. 이 회사는 AC 및 DC 모터와 마이크로 모터를 개발 및 제작하고 ISO 9001 품질 관리 시스템 인증을 통과했으며 60개국 이상에 제품을 수출하고 있습니다. 제품 포트폴리오에는 외부 회전자 BLDC 공기 냉각기 모터, EC 팬 모터, 축사 팬 모터, 유리 강화 플라스틱 팬 모터 및 콘크리트 혼합기 모터가 포함됩니다. 이는 엔지니어링 팀이 이미 일반적인 팬 또는 공기 이동 제품에 매우 가까운 애플리케이션을 위해 슬롯 및 폴 조합과 제어 매개변수를 최적화했음을 의미합니다. 예를 들어 Jiangxin 198mm 프레임 외부 회전자 BLDC 공기 냉각기 모터는 220V에서 1,500W를 제공하고 대형 증발 냉각기에 사용되며 기존 설계 플랫폼을 재발명하는 대신 어떻게 확장할 수 있는지 보여줍니다.

Jiangxin DC198 220V 1500W 외부 로터 BLDC 공기 냉각기 모터 F 등급 절연 및 IP54 보호 기능을 갖춘 대형 증발 냉각기 및 환기 시스템용 정격 1500W의 견고한 외부 회전자 BLDC 모터입니다. 이는 BLDC 프로젝트에 대해 제조업체에 브리핑할 때 확장 가능한 설계 플랫폼의 예입니다. 제품보기 →

BLDC 설계 프로젝트에 대해 제조업체에 브리핑할 때 초기 문의 시 다음 자료를 제공하세요.

• 부하 프로필: 토크 대 속도, 듀티 사이클 및 모든 과부하 이벤트.
• 전기 입력: DC 버스 전압 또는 주전원 전압 및 주파수.
• 기계적 엔벨로프: 최대 직경, 스택 길이, 샤프트 치수, 장착 패턴 및 팬 허브 또는 임펠러 인터페이스.
• 환경: 주변 온도 범위, 습도, 먼지, 화학 물질 노출 및 모터의 밀봉 또는 환기 여부.
• 가장 중요한 목표: 효율성, 소음, 수명 또는 첫 번째 비용. 모터는 네 가지를 동시에 최대화할 수 없기 때문에 순위를 매기십시오.
• 안전 및 EMC 지침을 포함하여 최종 제품이 충족해야 하는 표준입니다.

이 개요에 대한 제조업체의 응답에는 타당성 설명, 제안된 슬롯 및 폴 조합, 정격 지점에서의 예상 성능 값, 추정 치수, 냉각 개념 및 개발 일정이 포함되어야 합니다. Jiangxin 프로세스의 다음 단계는 고객 엔지니어링 팀과 모터 공장 개발 직원 간의 설계 검토이며, 여기서 자석 등급, 권선 회전, 컨트롤러 전략 및 신뢰성 샘플이 서면으로 합의됩니다. 검토 후에야 공장에서는 와인딩 일정을 발표하고 툴링을 시작합니다. 이 협업 게이트는 가장 비용이 많이 드는 형태의 모호함, 즉 고객의 마케팅 부서가 믿는 것과 모터가 물리적으로 전달할 수 있는 것 사이의 차이를 방지합니다.

예비 사양이 있는 경우 진행하는 가장 빠른 방법은 다음을 통해 공장 엔지니어링 부서와 부하 프로필 및 한계에 대해 논의하는 것입니다. 연락 채널 ; 팬 곡선의 대략적인 스케치조차도 설계자가 올바른 첫 번째 반복을 식별하는 데 도움이 됩니다.

성공적인 BLDC 모터 설계는 단일 통찰력의 산물이 아닙니다. 이는 사양, 토폴로지, 자기 회로, 권선, 정류, 열 관리, 검증 및 제조 등 루프의 모든 단계에서 규율 있는 결정이 축적된 결과입니다. 사양은 달성 가능한 성능을 제한합니다. 토폴로지는 물리적 아키텍처를 설정합니다. 자기 회로와 권선은 효율성과 토크를 정의합니다. 컨트롤러는 소음, 시동 동작 및 보호를 결정하고 생산 프로세스는 반복성과 비용을 결정합니다. 각 분야는 관리 가능한 선택 항목 집합으로 축소될 수 있으며 각 선택 사항은 작성된 사양과 비교하여 확인할 수 있습니다. 연속 생산 경험이 있는 모터 제조업체는 고장 모드, 테스트 한계 및 제조 허용 오차가 이미 알려져 있기 때문에 2년의 개발 주기를 몇 달로 단축할 수 있습니다. 사양 시트를 사용하고, 테스트 게이트를 사용하고, 첫 번째 프로토타입에서 설계를 제조할 수 있을 만큼 일찍 생산 파트너를 활용하세요.