요즘 선풍기, 서큘레이터 왜 이리 비싼거죠? (AC모터 vs DC모터 vs BLDC모터)

 

선풍기의 라인업에는 크게 두 가지가 존재한다.

하나는 10만원이 넘는 가격의 비싼 라인업

또 다른 하나는 3~5만원의 저렴한 라인업

 

 

 

두 라인업의 차이는 무엇일까? 

뭐 비싼 제품들에는 금이라도 들어가는 것일까?

 

비교적 비싼 제품에는 아래와 같은 문구가 쓰여져 있다.

 

BLDC모터...? 

그러고보니 요즘 나오는 선풍기, 서큘레이터에는 BLDC모터라는 문구가 심심치 않게 보인다.

바로 이 BLDC모터라는게 비싸기 때문에 해당 라인업은 가격이 비교적 비싼것이다.

(물론 BLDC를 쓴다고 절대적으로 다 비싼 건 아니지만, 동일한 기구 크기 대비하여 BLDC모터를 쓰는 제품이 AC모터를 사용하는 제품보다는 확실히 비싸다.)  

대체 BLDC모터가 뭘까? BLDC모터가 무엇으로 구성되어 있길래 저렇게 비싼걸까?

 

 

 

1. AC모터 

원리

AC 모터는 교류전류를 사용한다.

회전자와 고정자로 구성되어 있으며, 고정자에는 세로로 코일이 길게 뻗어져있다. 

이 코일에는 원형으로 자기장이 발생하는데, 각 코일 부분마다 전류의 세기를 다르게 하면 자기장을 한 방향으로 형성할 수가 있다. 

 

 

고정자에 공급되는 전류는 각 코일부분마다 위상이 조금씩 다르며(3상입력) 교류전류에 의해 각 부분의 전류의 세기가 계속 변하기 때문에 각 부분의 자기장도 변화하여 전체적으로는 자기장이 회전하는 양상이 된다. 고정자 내부의 자기장이 바뀌므로, 회전자의 폐회로에 전류가 유도되며 고정자의 자기장과 회전자의 전류 때문에 로렌츠 법칙에 의해 회전자 폐회로가 회전하게 된다. 회전자의 속도는 AC 전력의 주파수에 비례한다.

 

특징

- 모터의 구조가 간단하다.

- 수명이 길고 유지보수가 거의 필요없다. 

- 단상식과 삼상식으로 나뉘어져 있는데, 단상식은 삼상식에 비해 출력이 조금 약하다.

- 고출력이 가능하다. 같은 무게에서 DC모터 대비 강한 힘을 낼 수 있음.

- 속도 제어 방법이 복잡하여 미세한 속도 제어가 어렵다.

- 소음이 심하다.

 

 

2. DC 모터

원리

DC 모터는 고정자와 회전자로 구성되어 있으며, 고정자는 영구자석으로 되어있고 회전자(전기자)는 코일로 되어있다.

회전자에 전류가 흐르면 자기장 내 전류가 흐르는 것이므로 로렌츠 법칙에 의해 전류는 전기자는 회전하게 된다. 이때 정류자에는 중간에 분절된 부분이 있어서 코일이 회전할 때 도중에 극성이 바뀌게 된다. 

 

코일 양 끝의 극성이 바뀌면서 전류 흐름 방향도 바뀌게 되고 그렇게 코일은 계속해서 회전하게 된다. 

코일이 하나면 코일이 N극과 S극 중간에 있을 때 토크가 0이기 때문에 회전에 약해지는 순간이 생기게되어 회전속도가 일정하지 않는 문제가 생긴다. 이를 해결하기 위해 코일을 여러 다발을 사용하여 회전자가 회전하게 한다.

회전하는 정류자에 일정한 전류를 공급해주기위해 브러쉬(Brush)가 연결되는데, 정류자와 밀착되게 하기 위해서 다음과 같이 스프링을 활용한다.

특징

- 입력 전류에 출력 토크가 비례하며 출력 효율이 좋다.

- 회전 속도를 미세하게 조절하기가 용이하다.

- 소음이 적다.

- 수명이 짧고 유지보수가 필요하다.

- 브러시는 계속 마모되므로 교체가 필요하다.

- 브러시에 의해 노이즈 발생 우려.

 

3. BLDC 모터

 

원리

중간에 코일들이 고정자가 되고, 바깥에 있는 영구자석이 회전자가 된다.

고정자의 코일을 U, W, V 세 쌍으로 짝지어주고 각 쌍마다 +, -, off 로 인가해준다. 코일이 감긴 곳은 자기장이 발생하여 N극 또는 S극이 나타나며, 이로써 회전자에 있는 영구자석이 자기장에 이끌려 움직이게 된다. 현재 S극과 N극의 위치를 체크하여 U, V, W에 인가할 전압(+, -, off)을 결정해준다. S극과 N극의 위치는 홀 센서(Hall sensor)를 통해 알 수 있다. 

 

홀 센서를 쓰지 않는 BLDC모터도 있다. 컨트롤러가 회전자의 움직임과 타이밍을 정확히 예측할 수 있다면, 홀 센서를 쓰지 않아도 순차적으로 전압을 바꿔서 인가할 수 있다. 그렇기 때문에 Halless BLDC 모터에 사용되는 컨트롤러는 일반 BLDC모터에 비해 가격이 좀 더 비싸다.

 

특징

- 사용 수명이 길다. (브러쉬 마찰 없음)

- 미세한 속도 조절이 쉽다.

- 발열이 적다.

- 소음이 적다.

- 컨트롤러 시스템이 복잡하다.

- 가격이 비싸다.

 

 

각 모터에 대한 내용을 정리하면 다음과 같다.

 

 

BLDC는 초기 가격이 높은 대신 거의 모든 점에서 다른 모터 대비 강점을 가진다. 다만, 익히 알려진 것과 달리 BLDC도 유지보수비용이 은근히 꽤 발생할 수 있다. 홀센서는 물에 약한데, 물기가 들어가거나 습기가 차면 홀센서가 망가질 수 있기 때문. Halless BLDC 모터는 이러한 문제에서도 비교적 자유롭다.

 

 

 

그래서, BLDC모터 가격이 비싼 이유는?

 

그래서 BLDC모터가 왜 비싼걸까?

앞서 원리를 설명했듯이 BLDC에는 회전자의 위치를 알기위한 홀 센서가 들어가던가, 홀 센서가 없는 경우 위치를 적중시켜 예측할 수 있는 비싼 컨트롤러가 필요하다. 아래 비교 사진만 보아도 기본적으로 AC모터 컨트롤러에 비해 BLDC모터의 컨트롤러 회로가 더 복잡함을 알 수 있다. 사용되는 반도체의 개수도 훨씬 많다.

 

 

컨트롤러만 비싼 것이 아니다.

BLDC모터에는 강자성체가 들어가야한다. 집중되어 있는 자기장 내부에서 회전하는 다른 모터들과는 달리, BLDC모터는 회전하는 자석이 바깥에 있으며 동작 원리 상 순간순간 자석을 움직이는 자기장을 내뿜는 코일은 자석과 어느정도 거리가 있는 편이다. 그래서 강한 자석을 써야 보다 확실한 출력 토크를 얻을 수 있다.

이 강자성체를 구성하는 물질은 주로 네오디뮴인데, 주로 매장되어 있는 곳은 중국이며, 네오디뮴은 희토류이기 때문에 가격이 매우 비싼 편이다. 출력 좋은 BLDC모터의 경우 이 희토류 모터를 사용하게 되며, 그래서 비슷한 출력을 내는 AC모터 제품에 비해 BLDC 모터 제품은 가격이 훨씬 비싼 것이다.