브러시 DC 모터를 발전기로 사용

브러시 DC 모터와 무브러시 DC(BLDC) 모터 모두 발전기로 작동 가능하여 설계 엔지니어들을 놀라게 할 수 있습니다. 브러시 DC 모터는 DC 전압 출력이 필요한 발전기 애플리케이션에 적합하고 무브러시 DC 모터는 AC 전압 애플리케이션에 적합합니다. DC 전압 출력에 BLDC를 사용하는 경우 전압 정류 회로가 필요합니다. AC 출력에 브러시 DC 모터를 사용하는 경우 DC-AC 전자 장치가 필요합니다.

이 문서에서는 브러시 DC 모터를 발전기로 사용할 때 속도, 전압, 토크, 전류 간의 기본 관계를 살펴봅니다.

소개

모터의 회전자가 자기장에서 회전할 때 EMF(기전력)가 '역 EMF'라는 회전자 권선에서 전압을 유도합니다. mV/ rpm으로 표시되는 역 EMF 상수(K_E)는 모터 사양 시트에 표시된 값입니다. 역 EMF(U_i) 값은 모터 샤프트 회전의 각속도(ω)에 정비례하며 다음과 같이 주어집니다.

모터를 발전기로 작동할 때 샤프트는 외부 소스에 의해 기계적으로 연결 및 회전되어 회전자의 코일 세그먼트가 공기 간극에서 사인곡선으로 변하는 자속을 통해 회전합니다. 회전자 권선의 각 회전은 사인곡선 전압으로 유도되며 회전 속도와 자속 연결에 따라 전압 크기가 결정됩니다. 예를 들어, 회전자 코일이 1회전으로 이루어질 경우 유도되는 EMF는 1회의 전기 주기와 같은 기간을 갖는 사인곡선입니다.

설계상 브러시 DC 회전자는 홀수 세그먼트(3, 5, 7, 􏘾 등)로 권선되며 한 쌍의 브러시를 통해 코일에 전력을 공급합니다. 샤프트가 발전 모드에서 회전하면 발생된 역 EMF 전압이 출력 터미널에서 측정됩니다. 모터 설계의 등록 정보(코일 세그먼트의 수 포함)에 따라 보통 전압 리플이 표시되며 일반적으로 출력 전압의 5% 미만이 표시됩니다.

출력 전압은 샤프트 속도의 함수이기 때문에 발전기로 사용할 모터를 선택할 때 역 EMF 상수(K_E)가 등식 1을 만족하도록 선택해야 합니다. 부하에 상관없이 권선의 역 EMF 상수는  보다 커야 합니다. 달성 가능한 샤프트 속도가 충분한 역 EMF에 도달하지 않을 경우 모터의 최대 허용 가능한 속도 매개변수를 초과하지 않는다면 기어를 적절히 더 감속하여 모터 샤프트의 속도를 높일 수 있습니다.

터미널 전압, 최대 전류 및 부하 저항

그림 1은 부하(R_Load)가 터미널에 연결되어 있지 않을 때 모터의 터미널(U_i)에 발생하는 전압이 회전자의 각속도에 정비례함을 보여줍니다. 이 조건에서 모터를 통과하는 전류는 0입니다. 모터 터미널에 부하를 연결하면 전체 부하 저항에 따라 전류가 흐르고 전압이 감소합니다. 부하가 연결되고 전류(I_Load)가 회로를 통해 흐르면 터미널 전압(UT)은 다음과 같이 주어집니다.

모터 샤프트의 고정 각속도의 경우 부하 전류가 증가하면 터미널 전압이 감소합니다(등식 3). 역 EMF가 터미널 전체의 저항 전압 강하와 같을 때 터미널 전압은 0이 됩니다.

그림 2는 이상적인 발전기용 브러시 DC 모터의 부하 전류 대 터미널 전압 그래프를 보여줍니다. 모터 터미널이 연결되지 않으면U_T는 U_iUi와 같고 전류는 회전자 권선을 통해 흐르지 않습니다. 터미널이 단락되면 최대 전류량은 회로를 통해 흐르고U_T는 0이 됩니다.

회로를 통해 흐르는 최대 전류는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

다른 모든 매개변수가 일정할 때 모터 샤프트의 각속도가 증가하면 그림 2의 그래프는 동일한 경사로 오른쪽으로 이동하여U_i와 I_Max가 모두 증가합니다. 등식 5에서 모터 권선의 본질적인 저항(R_Rotor)은 발전기 모드에서 최대 전류의 제한 요소입니다. R_Rotor가 높으면 발전기 시스템의 민감도가 증가하고 전류가 소모되는 전압 변동으로 인해 불안정한 시스템을 만듭니다. 역 EMF 상수가 높고 저항이 낮은 모터는 안정적으로 작동합니다.

구동 토크 및 전력 균형

모터가 개방 터미널이 있는 발전기 모드에서 구동되면 회로를 통해 전류가 흐르지 않고 기계적 마찰로 인해 구동 장치에서 손실이 발생합니다. 이 조건은 무부하 모터 작동과 유사합니다.

모터의 토크 (M) 등식은 다음과 같습니다.

부하 저항기(R_Load)전체에서 터미널이 닫혀 있는 경우 발전기는 권선을 통해 필요한 부하 전류를 생성하는 토크로 구동되어야 합니다. 모터 선택은 발전기 모드에서 샤프트에 적용할 수 있는 최대 토크량으로 제한됩니다. 브러시 DC 모터의 작동은 사용 가능한 최대 연속 토크(열 및 기계)와 최대 연속 속도(기계 및 전기)로 제한됩니다. 샤프트의 발전기 토크를 처리하고 회로를 통해 최대 전류를 관리할 수 있는 모터를 선택하는 것은 원하는 부하 지점에 따라 모터의 크기를 조정하는 프로세스와 유사합니다.

안정 상태에서 발전기에 대한 기계적 입력 전력은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

모든 부하 전류 및 터미널 전압의 전기적 출력 전력은 그림 2와 같이 경사 아래의 직사각형 영역으로 나타낼 수 있습니다.

출력 전력은 UT가 Ui의 절반일 때 최대입니다. 이때 부하 전류 ILoad는 최대 전류I_Max의 반입니다.

그러므로,

발전기용으로 사용하는 모터를 선택할 때는 전력만 고려해서는 안 됩니다. 이상적으로P_Max는 항상 발전기에서 필요한 전기적 출력 전력보다 높아야 합니다. 그림 2 그래프의 부하 지점은 부하 전류 값에 따라 x축을 따라 이동할 수 있습니다. 그러므로, 실제 전력 출력(P_Actual)은P_Max보다 작을 수 있습니다. 발전기로 사용하기 적합한 모터를 선택할 때는 P_Max가 아니라 P_Actual을 고려해야 합니다. 이 경우에는 정격이 더 높은 모터를 선택해야 할 수 있습니다.

발전기의 효율성은 다음과 같이 결정할 수 있습니다.

발전기로 사용할 모터 선택

예 1: 이 예에서는 발전기 애플리케이션을 위한 Portescap Athlonix 시리즈 DC 브러시 모터를 선택하는 방법을 검토합니다. 209P 코일을 사용하는 Athlonix 시리즈 17 DCT의 역 EMF 상수는 1.17mv/RPM입니다. 그림 3에는 모터의 특성 곡선이 나타나 있습니다. 이 모터가 샤프트 속도 5,000RPM에서 발전기로 사용되는 경우 출력 역 EMF는 5.85V가 됩니다. (등식 1)

단락된 상태의 회로를 통한 최대 부하 전류는 다음과 같습니다.

이I_Max값은 모터의 최대 연속 전류(0.55A)를 초과합니다. 이 값은 모터의 열 시간 상수와 예상 듀티 사이클에 의해 결정되는 간헐적인 작동에서 허용할 수 있습니다. 연속 발전기 작동의 경우 다음 등식을 사용하여 부하 저항(R_Load)을 사용하는 것이 좋습니다.

여기서, I_Cont는 모터의 최대 연속 전류입니다.

따라서 발전기에서 3Ω 미만의 부하 저항을 사용할 수 있는 경우 입력 속도 5,000RPM까지는 209P 코일이 좋습니다. 기계적 또는 기술적 한계로 인해 부하 저항을 사용할 수 없거나 입력 속도가 5,000RPM을 초과하는 경우에는 다른 코일을 선택해야 합니다. 예를 들어, 이 요구 사항을 고려할 때 코일 211P를 선택하는 것이 더 나을 수 있습니다.

예 2: 205P 코일을 사용하는 Portescap 16C18 모터의 역 EMF는 0.70mV/RPM입니다. 10,000RPM에서 터미널의 개방 회로 출력 전압은 7.0V입니다.

단락된 상태에서 권선을 통해 흐를 수 있는 최대 전류는 다음과 같습니다.

이 값은 모터의 최대 연속 전류(I_Cont)보다 작습니다. 따라서 외부 저항 부하를 고려하지 않고 축 속도 10,000RPM에서 이 모터를 발전기로 사용할 수 있습니다.

다른 샤프트 속도에서 16C18의 출력 특성은 그림 4에 나타나 있습니다.

음영이 있는 상자는 연속 작동 영역입니다. 간헐적 작동 시, 최대 온도 상승, 최대 샤프트 속도, 모터의 기계적 한계 및 발전기 수명과 같은 다양한 요인을 고려해야 합니다.

그림 5와 6은 발전기 전류가 더 낮은 경우에 16C18의 효율이 상대적으로 더 높다는 것을 보여줍니다. 최대 출력 전력에서 출력 효율은 50%에 가깝습니다. 작동점이 최대 효율에 가까운 발전기를 선택하는 것이 적합합니다. 그러면 시스템의 손실이 최소화되고, 원하는 출력 전압-전류 특성을 발생하는 데 필요한 기계적 입력 전력이 감소됩니다.

결론

발전 모드에서 작동하는 브러시 DC 모터가 모터로 작동할 때만큼 효율적이지 않다고 잘못 이해하는 경우가 종종 있습니다. 그러나 모터, 부하 및 작동 속도를 올바르게 선택하면 적당히 높은 효율을 얻을 수 있습니다. 동작점을 결정할 때는 항상 전기적 요소와 기계적 요소를 고려해야 합니다. 폭넓은 설계 경험과 풍부한 지식을 갖춘 애플리케이션 엔지니어가 타코미터 발전기, 박격포 발사 및 에너지 수확기와 같은 다양한 애플리케이션에 적합한 모터를 선택할 때 상담해 드립니다.

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