DC 모터 선택시 과거의 인습에서 벗어나라

DC 모터의 매우 다양한 방식이 있지만, 크게 두가지로 나눌 수 있다. 바로 브러시드 방식과 브러시리스 방식이다. 브러시드 모터는 항상 우리 주변에 있어 왔으며, 수십 억 개의 브러시드 모터가 현재 사용되고 있다. 하지만 브러시드 모터는 브러시의 마모와 전기 노이즈, 낮은 효율, 제어 능력 등과 같은 단점으로 잘 알려져 있다.

수십 년 전부터 전기 정류 기능이 적용된 브러시리스 모터가 인기를 얻고 있다. 이런 인기는 바로 높은 에너지의 영구 자석과 낮은 비용, 코일을 위한 효과적인 전력 스위치(MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)와 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)이라는 두가지 측면의 발전에 힘입었다. 이로 인해 브러시드 모터는 높은 성능과 신뢰도에 대한 요구가 크지 않은 곳에만 사용되는 모터라고 폄하하기도 했다. 심지어 수백 마력을 제공하는 대형 브러시드 모터조차도 브러시리스 디자인이나 가변 AC 모터(브러시리스 모터의 일종)로 전환됐을 뿐 아니라, 소형 모터는 브러시리스 모터의 또 다른 종류인 스테퍼 모터(Stepper Motor)로 대체되는 경우가 많았다. 특정한 측면에서 보자면 브러시드 모터는 값싼 장난감이나 자동 창문 계폐기, 그리고 이와 비슷한 저렴한 용도에서나 의미를 찾을 수 있었다.

따라서 어떤 제품 개발에 DC 모터가 필요할 경우 브러시리스 모터를 먼저 고려하는 것이 일반적인 상황이 되고 있다. 하지만 이런 이는 근시안적인 접근 방식이다. 이는 Portescap의 엔지니어가 인퓨전 펌프를 위한 모터 선택의 분석에 대해 메디컬 디자인 브리프(Medical Design Briefs) 2018년 1월호에 게재한 “Every Drop Counts: Designing Motors to Optimize Home and Ambulatory Infusion Pumps”라는 연구 사례 기사에서 극명하게 드러난다. 이 펌프(모터와 기어, 펌프 메커니즘)는 사용자 주변이나 환자의 이동 중에도 사용해야 하기 때문에 매우 작고, 효율적이고 조용하면서도 높은 신뢰도를 제공해야 한다.

저자는 이런 경우 브러시드 모터가 왜 최고의 선택인지에 대한 분석 결과를 설명하지만, 브러시리스 모터와 비교했을 때 갖는 단점 또한 분명히 지적하고 있다. 물론 그는 모터의 토크와 기타 기본적인 성능 지표를 통해 유속과 같은 이 펌프가 반드시 충족시켜야 하는 기본적인 사양을 정의했다. 그리고 이런 요구를 충족시키는 브러시드와 브러시리스, 스테퍼 모터 등의 특성을 정성적으로 비교했다. 그는 또한 모터 선택 프로세스의 중요한 요소중 하나인 다양한 모터 유형이 요구하는 펌프 메커니즘을 위한 다양한 기어 장치를 살펴봤다.

여기서 깊은 인상을 받은 부분은 브러시리스 모터가 효율과 소형화, 수명, 소음도, 신뢰성과 같은 여러 특성에서 모두 우수한 것은 아니라는 점이다. 다시 말해, 놀랄만한 결과는 아니지만, 디자인 선택에서 중요한 것은 종속관계를 맺고 있다는 여러 구성요소의 맥락을 파악하고 균형을 이루는 것이다. 이는 디자인 리뷰나 토론에서 매우 자주 강조되는 엔지니어링의 현실이지만, 그럼에도 불구하고 엔지니어링 프로세스의 핵심을 차지하고 있다.

이런 기사는 구세대, 혹은 신세대 디자이너 모두에게 특정 사례에서 디자인의 우선 순위에 단순히 옵션을 선택해 맞추는 것 이상에 초점을 맞추는 방법에 대해 알려준다. 또한 어떤 분석에서도 우선 순위와 무게, 기술적 비용과 가격 등을 결정할 때, 명확성의 필요성을 확인할 수 있게 해 준다. 이 경우 브러시리스 모터와 스테퍼 모터는 필요한 속도나 토크 수준에서 기어나 효율과 관련된 문제가 있기 때문에, 브러시드 모터의 수명과 관련된 약점에도 불구하고 덜 바람직하다는 평가를 받았다.

모터나 다른 핵심 부품을 결정할 때, 명백한 솔루션이나 일반적인 지식이나 상식에 의존하는 것은 올바른 선택이 아닐 수도 있다. 이 연구 사례가 인퓨전 펌프에 대해 보여준 것처럼, 매개 변수와 성능, 트레이드 오프와 절충 방안 등을 정직하게 살펴볼 필요가 있다.

Written by 빌 슈웨버(Bill Schweber) & Provided by 마우저 일렉트로닉스 (Mouser Electronics)

빌 슈웨버(Bill Schweber)는 전자 통신 시스템에 대한 3권의 교재와 수백 편의 기술 기사, 오피니언 컬럼, 제품 기능설명서 등을 작성한 전자 엔지니어이자 마우저 일렉트로닉스의 저술가다. 그는 EE Times의 여러 주제별 사이트뿐 아니라 EDN의 Executive Editor와 Analog Editor로 근무했다.

[편집자 주] 본 기사는 글로벌 전자부품 유통회사인 마우저 일렉트로닉스 (Mouser Electronics)의 후원을 바탕으로 진행되는 EPNC의 단독 외부 기고입니다.