거두절미하고 설명 들어갑니다. BLDC 모터는 Brushless Direct Current 모터의 줄임말입니다. 브러시없는 직류 모터라는 말입니다. 어렸을 적 가지고 놀았던 미니카나 옛날 선풍기에 들어가는 모터가 일반적인 DC 모터인데 이것의 단점을 보완한 것이라 생각하면 됩니다.
1. DC모터가 회전하는 근본 원리
모터는 자석끼리 밀고 당기는 힘을 이용해서 회전 운동을 만듭니다. 보통 하나는 영구자석, 다른 하나는 전류가 흐를 때만 자석이 되는 전자석으로 구성합니다. 중요한 것은 전자석의 극성(N극, S극)을 적절한 타이밍에 바꿔주는 것입니다. 그렇지 않으면 자석끼리 붙어버립니다. 일반적인 DC 모터에서는 극성 바꾸는 역할을 정류자(Commutator)와 브러시(Brush)가 합니다.
2. 정류자와 브러시가 어떻게 극성을 바꾸는 건데?
DC모터는 바깥 쪽에 영구자석, 안쪽에 전자석을 배치하고, 전자석이 돌아가는 구조입니다. 전자석에 전류를 보내야 하는데 이 때, 전선을 바로 연결하지 않습니다. 그 이유 중 하나는 전자석이 회전하면서 전선이 칭칭 감기기 때문입니다. 다른 이유는 전류의 방향을 바꿀 수 없어 극성이 고정되기 때문입니다. 그래서 정류자(Commutator)와 브러시(Brush)라는 장치를 두기로 합니다.
전류는 고정된 브러시를 타고, 회전축에 붙어 있는 원통 형태의 정류자로 전달됩니다. 정류자는 전기가 통하는 두 조각(A, B)이 절연체로 나뉜 구조입니다. 처음에는 브러시가 A조각에 +전류를 넣어주면 코일을 지나 B조각으로 전류가 나갑니다. 이때 코일은 특정 방향의 전자석이 되어 영구자석에 밀려 회전합니다. 회전축이 반 바퀴를 돌면 상황이 달라집니다. 아까 +전류를 받던 A조각은 반대편 -브러시로 이동하고, B조각이 +브러시와 만납니다. 즉 코일에 흐르는 전류의 방향이 물리적으로 바뀌는 겁니다. 그 결과 전자석의 N극와 S극이 교체되면서 모터는 멈추지 않고 회전합니다.
브러시는 전기를 넣어주는 역할, 정류자는 돌면서 길을 바꾸는 스위치 역할을 합니다.
3. 그런데 브러시없는 DC모터(BLDC 모터)는 왜 나왔는데?
Brush가 있으면 몇 가지 문제가 생깁니다. 직접 접촉해서 마찰이 일어나기 때문입니다. 그래서 다음과 같은 문제가 있습니다.
- 브러시가 마모됩니다. 많이 마모되면 교체를 해줘야 합니다.
- 미세한 가루가 생깁니다. 이 가루로 인해 기계의 신뢰성이 낮아질 수 있습니다.
- 소음이 생기고, 스파크가 생겨서 불이 나거나 전자파 간섭이 생길 수 있습니다.
- 효율이 떨어집니다.
4. 그래서 탄생한 BLDC 모터
BLDC 모터는 문제를 해결하기 위해 뒤집어 생각한 결과입니다. 안쪽에 영구자석을 두고, 전기를 공급해야 하는 전자석을 바깥쪽에 고정했습니다. 전자석이 바깥에 고정되어 있으니, 이제 전선을 직접 연결해도 꼬일 걱정이 없습니다. 브러시와 정류자가 필요없어진 것입니다. 하지만 한 가지 해결되지 않은 것이 있습니다. 전자석의 극성을 바꾸는 문제입니다. 이 문제는 전자 제어 회로(ESC)와 센서로 해결합니다. 모터 내부의 센서가 안쪽 영구자석이 현재 어느 위치에 있는지 실시간으로 감시하고, 컴퓨터 회로가 자석의 위치에 맞춰 바깥쪽 전자석에 전기를 넣었다 뺐다 하며 N극와 S극을 바꿔줍니다. 그래서 BLDC 모터는 다음과 같은 장점이 있습니다.
- 반영구적 수명: 닳아 없어질 브러시가 없습니다.
- 고효율/저소음: 마찰이 없으니 조용하고 열로 낭비되는 에너지가 없습니다.
- 정밀 제어: 컴퓨터가 전기를 조절하니 속도와 힘을 미세하게 컨트롤할 수 있습니다.
5. BLDC 모터, 장점만 있을까?
완벽한 기술은 없겠죠? BLDC모터가 DC모터의 단점을 해결했지만 그에 따른 대가가 있습니다.
- 비싼 가격: 전자 제어 회로(ESC), 센서로 인해 비쌉니다.
- 복잡한 제어: ESC와 센서만 있다고 해결되는 것이 아닙니다. 자석의 위치에 맞춰 전기를 넣어주는 타이밍을 계산하는 소프트웨어 기술이 필수적입니다.
6. 로봇과 드론에는 BLDC 모터가 답이다.
로봇과 드론은 일반적인 가전제품보다 훨씬 더 가혹한 조건에서 정밀한 움직임을 요구합니다. 여기서 BLDC의 진가가 발휘됩니다.
- 드론은 초당 수천 번의 미세한 속도 조절이 필요해!
드론이 공중에서 수평을 잡으려면 4개 이상의 프로펠러 속도를 실시간으로 아주 미세하게 바꿔야 합니다. 브러시가 있는 모터는 물리적 마찰 때문에 반응 속도가 느리고 정밀도가 떨어지지만, BLDC 모터는 컴퓨터 신호(ESC)로 즉각적인 속도 제어가 가능해 안정적인 비행을 실현합니다.
- 로봇은 작지만 강력한 힘이 필요해!
로봇의 관절은 작아야 하면서도 무거운 물체를 들 수 있는 큰 힘이 필요합니다. BLDC 모터는 마찰 손실이 거의 없어 크기 대비 출력이 매우 높습니다. 덕분에 로봇을 더 가볍고 날씬하게 만들면서도 강력한 퍼포먼스를 낼 수 있게 되었습니다.
배터리로 구동되는 드론과 로봇에게 ‘에너지 효율’은 생명입니다. 마찰로 낭비되는 열이 적은 BLDC모터는 배터리 효율을 극대화하여 드론의 비행시간을 늘리고, 로봇이 한 번 충전으로 더 오래 일하게 해줍니다.