직류모터
직류모터(DC Motor, Direct Current Motor)는 기계적인 동력으로 직류 전력을 전기 기계로 변환하는 장치이다. 직류전동기라고도 한다. 직류모터는 고정자로 영구자석을 사용하고, 회전자로 코일을 사용해 구성된다. 가장 일반적인 유형은 자기장이 생성한 힘에 의존한다. 대부분의 직류모터는 주기적인 모터 부분의 전류 흐름 방향을 변경하기 위해 전기 또는 전자 기구의 내부 중 일부를 가지고 있다. 직류모터는 기존의 직류 점등 전원 분배 시스템으로부터 전원을 공급받을 수 있기 때문에, 광범위하게 사용되는 1유형이었다. 직류모터의 속도는 가변 공급 전압 또는 계자권선의 전류 강도 변화를 사용하여, 넓은 범위에서 제어될 수 있다. 소형 직류모터는 도구, 장난감 및 가전제품에서 사용된다.
목차
개요[편집]
직류모터는 직류 전압을 사용하는 모터이다. 전동기란 외부에서 전기를 받아 역학적 일(work)을 하는 장치이다. 발전기와는 그 동작 원리가 대부분 비슷하고, 입력과 출력이 바뀐 것으로 생각할 수 있다. 대부분의 발전기가 자기장 하에 회전자의 강제 원운동을 일으킴으로써 전자기 유도 현상을 이용해 전기를 생산하였듯이, 대부분의 전동기는 자기장 하에서 전류가 흐르고 있는 도체가 받는 로런츠힘을 이용하여 회전자가 원운동을 하게 한다. 직류모터는 직류의 전기를 받아 운동하며, 회전자가 일정한 방향으로 돌 수 있도록 적절한 부호의 전류를 제 때에 공급할 수 있도록 하는 정류자가 필요하다.[1]
구조[편집]
모터 구조는 일반적으로 전동기에서 고정되는 부분을 고정자라고 부르고 회전하는 부분을 회전자라고 부른다. 고정자가 바깥쪽, 회전자가 안쪽을 이루지만 바깥 부분이 회전자고 안쪽이 고정자가 되는 아우터 로터의 형태도 있다.
장자석[편집]
장자석은 주 자속의 생성을 담당한다. 전기자와 상호작용하여 자기회로를 구성하는데 장자석이 만들어준 자속을 전기자가 받아 회전력을 얻는다. 필요한 자속만 생성해주기만 하면 되기 때문에 전기자보다 전류가 적게 흐르며 자속을 만들기 위해 영구자석을 이용하거나 전자석을 이용한다. 영구자석을 이용하면 별도의 권선 없이 자속을 만들어 낼 수 있지만, 자속을 제어하지 못하여 속도 조절이 힘들 수 있다. 반면 전자석을 이용하면 별도의 여자 전원이 필요하지만, 전자석으로 흐르는 전류를 조절하여 전동기의 속도제어가 용이해지는 장점이 있다. 권선형 장자석은 세부적으로는 계철, 자극편, 장자석 철심 및 장자석 권선으로 되었다.[2]
전기자[편집]
전기자는 장자석이 만들어낸 자속을 끊어내어 플레밍의 왼손 법칙을 통해 토크를 생성한다. 전동기에 전원을 공급해주면 전동기가 회전하는데, 이때 전원의 전류가 흐르는 곳이 바로 전기자이다. 공급하는 전류가 흐르는 곳이기 때문에 여기서 장자석과 자기장으로 상호작용하는 것은 전자석이며, 대용량일수록 선이 굵고 복잡하다.[2]
정류자[편집]
정류자는 외부로부터 들어오는 직류를 교류로 바꾸어 회전부에 전원을 공급한다. 교류전류로 바꾸어 주는 이유는 전동기는 전류의 방향이 수시로 바뀌면서 플레밍의 왼손 법칙에 의한 힘도 수시로 바뀌어야 회전하기 때문이다. 이렇게 바뀐 교류전류를 전기자에 공급한다. 전기자와 연결되어 있음으로 전기자가 회전하면 같이 돈다. 회전하는 정류자는 가만히 있는 브러시와 접촉하게 되는데, 이때 브러시와의 마찰과 불꽃으로 인해 고온이 발생하므로 전기적으로, 기계적으로 튼튼하게 만들어야 한다.[2]
브러시[편집]
브러시는 정류자와 접촉하여 전동기 내부 회로와 외부 회로를 연결하는 부분이다. 돌아가는 정류자에 닿아 전류를 끌어들이는 장치로 종류는 탄소 브러시, 흑연 브러시, 전기 흑연 브러시, 금속 흑연 브러시 등이 있다.[2][3]
특징[편집]
- 기동 토크가 크다.
- 인가전압에 대하여 회전특성이 직선적으로 비례한다.
- 입력전류에 대하여 출력 토크가 직선적으로 비례하며, 또한 출력 효율이 양호하다.
- 가격이 저렴하다.[4]
작동 원리[편집]
직류모터의 작동 원리는 교류전동기의 일종인 동기전동기(synchronous motor)와 거의 같으며 단지 정류 여부의 차이가 있을 뿐이다. 직류모터의 개략도를 그림 1에 나타내었다. 자석 또는 전자석이 내뿜는 자기장 하에, 석쇠 모양으로 감긴 코일이 자기장 방향에 수직 방향을 회전축으로 회전한다. 코일이 회전하더라도 외부 회로와 전기적으로 연결되도록, 코일의 양 끝이 두 개의 미끄럼고리 (slip ring)에 닿아 있다. 직류모터에서는, C자 형태의 두 미끄럼고리가 서로 닿지 않은 상태에 있는데, 이를 정류자(commutator)로 부른다. 반면 교류전동기에서는 정류자가 필요없고, 두 미끄럼고리가 별도로 설치되어있다.[1]
회전 원리[편집]
자기장이 흐르는 곳과 코일을 감은 회전축에 직류 전류를 흘려서 발생하는 전자력에 의해 코일이 회전하도록 만든 원리이다.[5] 모터의 원리는 플레밍의 왼손법칙에 따라 전자기장의 에너지를 운동에너지로 변환해주는 것이다. 전자기장에서는 전류의 방향, 자기장의 방향, 힘의 방향을 나타낸다. 세 가지 방향 중에서 한 가지 방향을 알면 나머지의 방향을 알 수 있다. 자기장 속에서 도체가 놓여있을 때 도체가 일정 방향으로 운동하면 도체 내부에 전류가 유도되어 흐른다. 이 원리를 이용해 자기장을 형성하고 도체를 구성한 후 전류를 공급하면 도체가 축을 중심으로 회전운동을 하게 하는 것이 모터이다. 자기장 속에서 도체가 놓여있을 때 도체가 어떤 방향으로든지 운동을 하면 도체 내부에는 전류가 유기되어 흐르게 된다. 반대로 도체 내에 전류를 흘리면 특정한 방향으로 힘을 받아 운동하려 한다. 이러한 전자기적 원리를 이용해 인위적으로 자기장을 형성하고 도체를 구성한 후 전류를 공급하면 이 도체가 운동하게 된다. 정류자로부터 공급되는 전류는 코일을 통해 회전자계를 형상하게 된다. 모터가 회전하게 되면 정류자의 각 SLOT으로 들어가게 된다. 이때 플레밍의 왼손 법칙에 의해 전류는 항상 일정한 방향으로 흐른다.[6]
종류[편집]
브러시 모터[편집]
브러시 모터는 계자권선의 전류가 어떤 형태로 보내지는가에 따라서 타려, 분권, 복권, 직권 등 4종류로 나누어진다.
- 타려 전동기: 전기자 권선과 계자극 권선이 분리되어 있으며, 일정한 크기의 유도 기전력을 유지하여, 전기 화학 공업용의 저전압 대전류용, 실험용 전원, 대형 교류 발전기의 주여자기, 직류 전동기 속도 제어용 전원, 속도계용 발전기 등에 사용된다.
- 분권 전동기: 분권 계자권선과 전기자가 병렬로 연결되어 있어 정속도의 특성을 갖는다. 전압 변동률이 작아 전원 한 개로 가동이 가능하여 간편하며, 가장 많이 사용되고 있다. 또한 계자저항기로 전압 조정이 가능하여 전기 화학 공업용 전원, 축전지의 충전용, 동기기의 여자용 및 일반 직류 전원용으로 사용된다.
- 복권 전동기: 전기자권선과 계자극권선이 직렬 및 병렬로 연결되어 있으므로 부하에 따른 속도의 변화가 거의 없다. 또한 과복권 전동기는 주로 승압용으로 사용되며, 차동복권 전동기는 아크용접에 사용된다.
- 직권 전동기: 회전시초(시동)에 흐르는 전류량을 적게 해도 큰 힘을 내는 성질이 있어 전기철도용 전동기로 널리 사용된다.[7]
브러시리스 모터[편집]
브러시리스 모터(BLDC motor)는 직류모터에서 브러시와 정류자를 제거하고 전자적인 정류 기구를 설치한 모터이다. 브러시리스 모터는 일반 직류모터와 개념은 비슷하지만 브러시리스 모터에는 정류자가 없기 때문에 이것을 대신하는 전자 정류 회로가 따로 필요하다. 전자 정류 회로는 홀 소자 등의 자극 센서를 사용하며 마그넷 로터가 어느 위치에 있는가를 검지하고, 이 신호를 기초로 전자 회로를 제어하여 회전 자기장을 발생시킨다. 이것이 브러시리스 모터의 구동 회로인데, 회로 구성이 매우 복잡하게 되어 있어 보통 전용 IC가 사용된다. 수명이 매우 길고 소음과 전자적인 잡음을 거의 발생시키지 않으며 모터 드라이브 회로 자체에서 직접 속도 조절을 할 수 있는 장점이 있다. 단점으로는 회전자에 영구자석을 사용하는 것으로서 완전 무접점의 모터를 실현하기 위한 것으로는 영구자석의 한계로 대용량의 모터 제작이 불가능하다는 단점이 있다.[8] 브러시리스 모터는 주변에서 흔히 볼 수 있다. 가장 대표적으로 PC에 사용되는 환기팬이다. 조용하면서 내구성이 좋아야 하는 하드디스크의 모터 역시 브러시리스 모터이다. 요즘 많이 보급되고 있는 하이브리드 자동차나 전기자동차 역시 브러시리스 모터를 사용한다.[9]
스텝모터[편집]
스텝모터(step motor)는 보진 전동기 또는 계동 전동기라고 할 수 있다. 스텝모터의 최대 특징은 펄스 전력에 대응하여 회전한다는 것이다. 게다가 입력 펄스 수에 비례하여 회전각이 변위되고 또 입력 주파수에 비례하여 회전 속도가 변화하기 때문에 피드백함이 없이 모터의 동작을 제어할 수 있다. 스텝모터는 피드백계가 없는 위치 결정 제어의 구동원으로 FA, OA 관계를 비롯해서 폭넓게 사용되고 있다. 위치 결정 제어를 다른 모터에서 실현하려면 피드백 제어가 필요하게 된다. 스텝모터를 분류하는 경우 자기회로, 즉 모터의 구조에 의한 분류법이 일반적이다. 로터부를 영구 자석으로 만든 PM형, 로터부를 기어 모양의 철심으로 만든 VR형, 그리고 로터부를 기어 모양의 철심과 자석으로 구성한 HB형이 있다. PM형은 로터부에 다극착자된 영구 자석을 사용하고 그 둘레에 구동 계자를 설치한 것이다. 이 PM형은 판금 모양의 요크에 발톱을 세운, 크로 플형이 많이 보급되어 있다. VR형은 로터부에 고투자율 재료를 사용한 기어 모양 회전체를 사용하고 이것과 스테이터 코일에서 발생하는 회전력을 이용한 것이다. HB형은 PM형과 VR형의 장점을 잘 짜맞춘 것인데 스텝모터 중에서 가장 우수한 회전 특성을 나타낸다. 스텝모터의 분류 방법으로는 회전형, 직진형 등의 운동 형태에 의한 분류, 원통형, 박형 등의 외형에 의한 분류, 2상, 3상, 5상 등의 구동 권선에 의한 분류, 1상 여자, 2상 여자, 1-2상 여자 등의 여자 모드에 의한 분류법도 있다. 스텝모터 역시 컴퓨터 주변기기에서 많이 사용되고 있고 스캐너나 오래된 프린터에서 많이 사용되었다.[9][10]
장단점[편집]
직류모터의 고정자 쪽에는 계철이라고 하는 철심이 있어, 그 안쪽에 자기극철심을 부착시킬 수 있다. 극수는 그 전동기의 용량과 회전속도에 따라서 결정되며, 2·4·6·8·10극기 등이 있다. 또한 자속을 발생시키는 계자로 전자석을 이용하고 있으며, 최근에는 영구자석을 사용한 PM(permanaent magnet)형 전동기가 소형의 특수용도로 사용되고 있다. 직류모터는 여자의 전류를 가감하여 자기극의 세기를 변화시켜 전동기의 회전속도를 바꿀 수 있어 속도제어가 용이하며 효율 또한 높다. 그리고 회전방향과 가속토크를 임의적으로 선택할 수 있다. 그래서 전철이나 엘리베이터, 압연기 등과 같이 속도 조정이 필요한 경우 사용된다. 그러나 교류전동기에 비해 구조가 복잡하고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 또한 브러쉬나 정류기를 정기적으로 점검 및 보수해야 하며, 정류나 기계적인 강도상의 문제로 고속 가동에 제한을 받는다.[7]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 〈직류전동기〉, 《물리학백과》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 〈직류전동기〉, 《나무위키》
- ↑ 철길만 걷자, 〈직류전동기〉, 《티스토리》, 2018-10-27
- ↑ 〈DC 모터의 기초지식〉, 《국제테크노정보연구소》
- ↑ 인아그룹, 〈(모터) 직류전동기의 구조 및 회전 원리(1)〉, 《네이버 블로그》, 2016-09-22
- ↑ 필즈모, 〈DC모터의 회전원리〉, 《네이버 블로그》, 2017-11-06
- ↑ 7.0 7.1 〈직류전동기〉, 《두산백과》
- ↑ 엠투플러스, 〈모터(Motor) 정보 - 모터의 종류(1)〉, 《티스토리》, 2021-05-21
- ↑ 9.0 9.1 전기공사 이야기, 〈직류 전동기(DC Motor)의 작동방법〉, 《티스토리》, 2021-01-15
- ↑ 고마쎄리, 〈DC모터의 종류〉, 《다음 블로그》, 2010-12-24
참고자료[편집]
- 〈직류전동기〉, 《나무위키》
- 〈직류전동기〉, 《물리학백과》
- 〈직류전동기〉, 《두산백과》
- 〈DC 모터의 기초지식〉, 《국제테크노정보연구소》
- 철길만 걷자, 〈직류전동기〉, 《티스토리》, 2018-10-27
- 인아그룹, 〈(모터) 직류전동기의 구조 및 회전 원리(1)〉, 《네이버 블로그》, 2016-09-22
- 필즈모, 〈DC모터의 회전원리〉, 《네이버 블로그》, 2017-11-06
- 엠투플러스, 〈모터(Motor) 정보 - 모터의 종류(1)〉, 《티스토리》, 2021-05-21
- 전기공사 이야기, 〈직류 전동기(DC Motor)의 작동방법〉, 《티스토리》, 2021-01-15
- 고마쎄리, 〈DC모터의 종류〉, 《다음 블로그》, 2010-12-24
같이 보기[편집]
