[IoT] Motor

모터

1. 여러 종류의 모터

1.1 모터는 어디에 사용될까?

일본의 1년 약1조kWh 발전된 전력의 반 이상을 모터를 돌리는데 사용됨. 모터의 효율 1%만 상승 해도 발전소 몇 군데는 불필요.(일본 만화라 일본을 기준으로 설명)

1.2 자주 쓰이는 모터

1. 작은 기기에서 많이 쓰이고 있는 ‘직류 모터’ 전지로 움직이는 모형 모터는 대부분이 이것
2. 소형 모터로서 가전제품이나 컴퓨터에 조립되어 있는 ‘브러시리스 모터’
3. 에어컨이나 하이브리드 자동차 등에 사용되는 ‘동기 모터’
4. 환기 팬이나 선풍기 같은 소형 제품에 이용되고 있는 ‘유도 모터’
5. SR 모터
6. 리니어 모터

분류	주로 이용되는 분야	주로 이용되는 크기
직류모터	자동차, 오디오기기, 모형	초소형
브러시리스 모터	가전, 컴퓨터, 소형가전	소형
동기 모터	에어컨, 로봇, 전기자동차	소형~중형
유도 모터	펌프, 전차, 엘리베이터, 환기 팬	소형~

1.3 모터가 진화하고 있다

1. 1984년 네오디뮴 자석 (지구상 현존하는 가장 강력한 영구자석) 발명으로 소형화, 편평하게, 가늘고 긴 형태로 변화도 가능하게 되었다.
2. 절연게이트형 바이폴러 트랜지스터(IGBT)라고 하는 새로운 반도체의 출현으로 모터의 전류를 자유자재로 제어할 수 있게 되었다. - 절연 게이트 양그성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)을 게이트부에 짜 넣은 접합형 트랜지스터이다.
3. 모터를 제어하는 컴퓨터의 진보

기계실없는 엘리베이터: 옥상에 모터나 감속기를 설치하는 ‘기계실’이 필요했었다. 그래서 지하에 엘리베이터를 설치하려면 지상에 기계실이 필요했음.하지만, 네오디뮴 자석 덕분에 편평해진 모터가 엘리베이터 터널 안에 수납할 수 있도록 되어 컴퓨터 제어에 의해 모터를 저속으로 회전할 수 있게 되면서 감속기도 필요 없어지게 되었음.

감속기를 사용하지 않고 모터로 직접 회전하는 가동방식을 ‘다이렉트 드라이브’라고 하는데 이 기술의 진보 덕분에 ‘기계실 없는 엘리베이터’, ‘지하에서 지하로’의 엘리베이터가 만들어지게 됨.

드럼 세탁기도 네오디뮴 자석으로 박형 모터가 실현되고 다이렉트 드라이브도 가능해져 주택에서 사용 가능하게 됨.

고층주택 옥상에 물 탱크가 없어진 것도 모터의 진화 덕분. 최근 펌프는 항상 작동해 바로 수압을 높여가면서 물의 사용에 따라 제어를 해서 수압을 유지

컬러 신문 인쇄 발전도…

Follow-up

21세기의 모터

모터가 발명된 18세기에는 전류를 흐르게 하기 위한 전원은 직류 전류를 공급하는 전지밖에 없었다. 그때, 모든 모터는 직류 모터였다. 그 후 교류 발전기가 발명되고 나서야 교류 모터도 사용되게 되었다. 그 후 당초부터 어떤 전원으로 사용되는 모터인가 하는 것이 문제가 되고, 직류 모터와 교류 모터로 분류하게 되었다.

모터의 분류

2. 모터란 무엇인가?

2.1 모터란?

전류를 흘려보내 모터를 회전시켜 전기 에너지를 운동 에너지로 변환하는 것이 모터

전기 에너지를 자기 에너지로 변환한 뒤 새롭게 운동 에너지로 변환. 자기를 사용하는 편이 전기에 의해 큰 에너지를 얻을 수 있음.

정전기처럼 전기 에너지도 물체를 움직일 수 있는 에너지는 발생하지만 정전기를 모아둔 정전 에너지는 절연능력 이상의 전압이 되면 방전되어 에너지가 날아가 버림. 대규모 방전이 바로 번개.

자기는 전기보다 에너지를 모으기 쉽다. 더 이상 자기력이 강해지지 않는 상태를 ‘자기포화’라고 하는데, 자기포화 되기 직전 자석은 자기로서 에너지를 정전 에너지의 40만 배 이상이나 모아둘 수 있다. - 자력은 도망가지 않는 ‘밀도가 높은’ 에너지.

• 전기 > 자기 > 운동

2.2 모터의 구조

• 스테이터와 로터

  스테이터는 움직이지 않는 부분, 로터는 회전하는 부분

스테이터와 로터 사이에는 ‘에어 갭air gap’이라고 하는 작은 공간이 있어 접촉되지 않음.

스테이터 로터 외에 외측 케이스, 축 받이 등이 구조적 부품.

스테이터는 영구자석으로 되어있는 것도 있지만 철심과 코일로 이루어져 있는 것도 있음.

로터도 자석 또는 철심과 코일로 되어 있음. 자석이나 철심에 감겨진 코일은 모두 같은 재료.

2.3 모터가 돌아가는 원리

• 전기와 자기의 관계

  전선에 전류가 흐르면 자석처럼 주위에 ‘자계’가 생기게 됨. ‘자장’이라고도 하는데 공간에 ‘자기’가 발생해 있다는 것. 자석의 외측에 N극에서 S극 방향으로 자력선이 향하기 때문에 쇳가루는 자력선을 따라 흩어짐.

전류가 흘렀을 때 그 주위에 생기는 자계는 ‘오른나사의 방향’으로 발생

전류를 흘려보냄으로써 전기의 에너지는 저기 에너지로 변환.

코일 처럼 감긴 전선에 전류가 흐를 경우 자계는 전선을 감싸듯 발생. 전선으로 만든 원의 끝에 자극이 있는 것과 같아짐. 얇은 원반 모양의 영구자석과 같은 역할을 함.

연속적으로 감긴 것은 ‘솔레노이드’라고 함.

솔레노이드에 전류를 보내면 각각의 전선을 흐르는 전류에 의한 자계가 ‘오른나사의 법칙’으로 발생하여, 자력선이 솔레노이드의 안에서 같은 방향으로 흘러감.

그것들이 합성되어 솔레노이드 전체로는 외측에 아래와 같이 자계가 생김.

코일에 전류를 흐르게 함으로써 원판형이나 원통형의 영구자석과 같은 자계가 발생하게 된다. - 이것을 ‘전자석’이라고 한다.

N극 S극이 서로 끌어당기는 ‘자기흡인력’과 같은 극이 밀어내는 ‘자기반발력’과 같은 ‘자기력’이 있고,

‘전자력’이라고 하는 힘도 발생시킴.

• 전자력 자석 사이 자계가 있는 도체(전선)에 전류를 흘려보내면 도체의 위쪽으로 힘이 작용하는데 이것이 ‘전자력’이다. - 플레밍의 왼손 법칙

전자력으로 모터를 돌리는 도움이 된다.

2.4 발전기와 모터

회전력 -> 전기

도체가 자계 안에서 움직이면 도체 양 끝에 전압이 발생. 이것을 ‘기전력’이라고 함. 기전력의 방향은 플레밍의 오른손 법칙으로 알 수 있음.

기전력이 발생한 도체의 플러스와 마이너스를 회로에 연결하면 전류가 흘러가게 됨.

이렇게 만들어진 전기는 운동의 속도에 비례하기 때문에 ‘속도 기전력’이라고 함.

2.5 토크란?

모터가 발생시키는 힘은 회전력

F=ma 에서 힘에 해당하는 것이 토크

Follow-up

자계란?

모터는 왜 돌아가는가?

모터가 도는 원리에 대해서는 전기와 자계에 의해 생기는 네 가지 힘을 이해할 필요가 있다. - 두가지 기전력과 두 가지의 전자력

• 변압기 기전력

  코일과 자속(자계의 세기와 방향을 나타낸 자력선속)이 쇄와 같이 서로 교차한 상태에 있을 때, 코일과 자속은 쇄교해 있다고 한다.

코일과 자계가 쇄교할 때 자속의 크기가 변화하면 코일에 기전력이 생긴다. 자계가 커지거나 작아지거나 하면 코일에 전류가 흐르는 힘이 생긴다는 것이다. 이 현상을 전자유도라고 한다.

전자유도에 의해 코일에 생기는 기전력은 유도기전력이라고 한다. 유도기전력의 크기는 자속의 변화하는 속도에 비례한다. 이것을 ‘패러데이의 법칙’이라고 한다.

코일에 쇄교하는 자속이 어떤 시간의 사이에 변화했을 때 전자유도에 의해 생겨난 유도기전력은 아래와 같은 식으로 나타낸다.

…

토크의 계산

회전력 = 토크

SI 단위계에서 토크의 단위는 N * m 이다. 1 kgf * m = 9.8 N * m

3. 직류 모터

3.1 직류 모터의 원리

직류 모터는 영구자석은 스테이터, 회전하는 코일은 로터에 이용하는 모터. 전자력을 이용하여 자계 안에 있는 코일만이 회전함.

코일은 자석의 N극 S극 경계까지 오면 그 이상은 회전하지 않으나 여기서 전류의 플러스, 마이너스의 방향을 바꾸면 계속 같은 방향으로 회전

전류의 방향을 세밀하게 바꾸는 것은 ‘브러시’와 ‘정류자’.

3.2 직류모터의 구조

브러시와 정류자의 설명…

브러시와 정류자는 전류를 흘려보내며 계속해서 접촉하기 때문에 브러시의 마모가 직류 모터의 결점

3.3 직류 모터의 회전을 변환하다

직류 모터의 장점은 회전수를 쉽게 바꿀 수 있다는 것. 회전수를 조절해서 기계를 제어하는 데 적합.

토크는 흐르는 전류에 비례

회전하는 코일은 회전에 의해 ‘속도기전력’을 발생시켜, 발전도 하게됨. 회전으로 유도된 기전력은 ‘유도기전력(E)’이라고 부르는데 E는 회전수에 비례.

코일에는 모터 단자전압과 유도전기력 차이만큼의 전류가 흐름. 전압을 높이면 그만큼 고속 회전, 큰 토크의 운전이 가능

Follow-up

직류 모터가 왜 돌아가는 걸까?

토크 상수와 기전력 상수

직류 모터의 등가회로와 제어방법

4. 브러시리스 모터

4.1 브러시란?

브러시 정류자의 마찰로 마모되는 브러시를 제거하여 개발된 브러시리스 모터

브러시를 대신해서 ‘전류 전환 장치’를 사용

4.2 브러시리스 모터의 원리

직류 모터의 코일을 스테이터에 고정하여 회전하지 않도록 하는 한편 영구자석을 회전할 수 있도록 한다. 이 상태로 코일에 전류를 흘려보내면 코일에 힘이 작용하지만 영구자석이 회전한다.

브러시리스 모터는 자석이 회전하는 직류 모터이다. 회전 방향은 반대.

전류 전환 장치, 트랜지스터(스위칭), 자극 센서(자극 위치 검출)를 포함한 시스템

4.3 브러시리스 모터의 구조

브러시리스 모터는 영구자석이 로터로 회전할 수 있는 구조로 되어있으면 된다.

• 보통 형태의 모터는 ‘이너 로터형’ 원통형 영구자석이 내부에서 회전하고 그 외측에는 원심원형의 코일을 배치
• 외측의 영구자석이 회전하는 ‘아우터 로터형’, 소형화 가능
• ‘디스크형’은 평평한 코일 위를 원반형 로터가 회전. 높이가 낮은 평평한 모터가 실현되면서 오디오 비주얼기기로 잘 쓰임.

Follow-up

브러시의 작용

브러시리스 모터는 왜 회전할까?

스위치에 의한 브러시의 위치 전환

브러시리스 모터의 센서

[칼럼] 브러시리스 모터라는 명칭

5. 동기 모터

5.1 교류 전류

교류 전류는 1초간에 수십 회 전류의 방향이 바뀜. 전류의 방향이나 크기가 항상 변함.

교류 전류의 방향을 변환하는 횟수를 ‘주파수’라고 함. (단위는 Hz) 1초당 변하는 횟수

시간에 따라 전류의 크기는 변화하지만 플러스, 마이너스도 같이 변화하기 때문에 2줄의 전선 각각의 전류의 합계는 0

직류, 단상 교류, 3상 교류 모두 플러스 마이너스를 합치면 0

5.2 회전하는 자계

교류전류일 경우 U,V,W 3상의 코일이 원주상 3분의 1씩 즉 120도씩 떨어져서 감겨있다. 이 3상 코일에 교류전류를 흘려보내면 자극이 1쌍만 생겨나 전류의 주파수에 따라 N극에서 S극을 향해 나아가는 자력선이 회전하게 된다. 자극이 1쌍만 생겨나는건 삼각함수 등이 들어가 수식이 어려워 설명하지 않는다고 함.

3상 코일에 3상 교류전류가 흐르면 3상 코일에 1쌍의 영구자석이 셩겨나는 것. 그 사이에 생겨난 회전축을 중심으로 영구자석이 회전하는 것.

회전수는 전류의 주파수와 같음. 이렇게 발생하는 자계를 ‘회전자계’라고 부름.

5.3 동기 모터의 원리

3상 코일 안쪽에 영구자석을 넣고 3상 코일에 3상 교류전류를 흘려보내면 회전자계가 발생하기 때문에 내측에 있던 영구자석이 회전자계의 자기력에 의해 당겨져서 회전자계와 함께 회전하게 된다. 영구자석은 회전자계와 같은 수만큼 회전한다. 이것을 ‘동기’라고 한다. 동기하고 있으면 전류의 주파수와 회전수는 비례한다. 이것이 교류 전류와 3상 코일을 이용한 교류 모터 중 하나인 ‘동기 모터’가 회전하는 원리.

N, S의 자극이 2개(각각1개)가 되면 2극, 4개(N 2개, S 2개)는 4극

주파수를 변화시키면 회전수를 제어할 수 있음.

위상차: 동기 모터의 영구자석은 회전자계의 자극의 중심과 어떤 각도로 회전하고 있는데 이 각도 차를 위상차라고 한다.

위상차가 일정 범위를 갖지 않으면 동기하는 것은 불가능

기계에 이상이 있어서 위상차가 급변하면 모터가 감속, 정지하게 됨. 이것을 ‘동기 벗어남(pull out)’이라고 한다.

그래서 ‘인버터’라고 하는 장치를 사용해서 영구자석 로터의 자극의 위치를 검출하여 위상차가 적정해지도록 전류를 조정하고 있다.

표면 자석형 모터(SPM)와 매입자석형(IPM) 모터

• 로터 철심의 표면에 영구자석을 부착한 방법에 따라 분류
• SPM은 자기저항이 원주에 걸쳐 일정함 - 철심 전체 표면에 영구자석이 장착
• IPM은 자기저항이 위치에 따라 변한다. 철심 안쪽에 자석이 매입되어 있다.

IPM 모터의 영구자석이 장착되는 방향은 다양함.자력이 있는 위치와 없는 위치에서 자계에 치우침이 생기기 때문에 맥스웰 응력이 발생하기 쉬워짐.

맥스웰 응력을 이용한 IPM모터는 출력이 증가하기 때문에 고효율의 모터가 된다.

• SPM:Surface Permanent Magnet
• IPM:Interior Permanent Magnet
• 자석의 투자율은 공기와 거의 같다. 모터에 사용되는 철(전자 강판)은 그 500배 정도다.

Follow-up

교류전류란?

교류전류와 회전하는 자계

동기 모터가 어떻게 돌아가는가?

동기 모터의 구조

[칼럼]인덕턴스

코일 등의 성능을 나타낼 때 인덕턴스가 사용된다. 전류를 흘렸을 때 생기는 자속이 전류에 비례한다고 하였을 때의 비례계수이다.

6. 유도 모터

6.1 유도 모터의 원리

자석을 사용하지 않는 교류모터. 아라고(Arago)의 원판을 회전시켜서 힘을 만들어냄. 프랑스의 물리학자 프랑수와 아라고가 발견한 현상

원판은 동이나 알루미늄과 같이 자석에 흡인되지 않는 금속으로 되어있음.

원판의 가까이에 있는 자석을 회전시키면 원판도 자석의 움직임에 끌려오듯 돌아가게 됨. ‘속도기전력’이 유도되기 때문

원판의 내부에 링 형태로 전류가 흐름. 흐르는 경로가 둥글어서 이 전류를 ‘소용돌이 전류(와전류)’라고 부르고 있음.

이렇게 속도기전력이 유도되는 현상을 ‘전자유도’ 라고 함.

전자유도를 이용해서 회전하므로 ‘유도 모터’라고 부름.

유도 모터의 스테이터에 사요되는 것은 동기 모터에서도 쓰이는 3상 코일이다. 그곳에 3상 교류전류를 흘려보내면 자석을 회전시켰을 때와 같은 회전자계를 발생하게 됨.

로터에는 원판에 해당하는 동, 알루미늄 등 자석에 흡인되지 않는 도체로 되어있음.

6.2 유도 모터의 구조

철심이 원통도체로 둘러싸여있는 구조. 챗바퀴와 비슷해 ‘쳇바퀴형 도체’라고 부르고 원통도체를 이용한 모터를 ‘농형 도체’라고 한다.

• 농: 바구니, 농, 장

소용돌이 전류가 흐르는 방향이 정해지고 발생하는 토크도 커진다.

6.3 유도 모터의 특성

회전자계의 회전수와 실제 회전수의 차를 비율로 나타낸 값을 ‘미끄러짐slip’이라고 하는데 유도 모터가 발생하는 토크에 의해 변화한다.

정지해 있을 때 미끄러짐은 1, 발생 토크가 제로로 모터만 헛돌고 있을 때 미끄러짐은 제로.

통상적으로 모터에서 미끄러짐은 0.1이하가 되도록 설계되어 있다.

Follow-up

왜 유도 모터가 회전하는가?

유도 모터의 구성

유도 모터의 성능

[캄럼] 임피던스

부록 기타모터

스테핑 모터

SR 모터

리니어 모터