1. 개요
직류 전류를 전원으로 하여 돌아가는 모터를 일컫는다.2. 원리와 구조
| 전기 모터(직류 모터)는 어떻게 작동하나요? |
설명하기 전에 전동기 구조와 관련하여 일반적으로 전동기에서 고정되는 부분을 고정자(Stator)라고 부르고 회전하는 부분을 회전자(Rotor)라고 부르니 참고하자. 일반적으로 고정자가 바깥쪽, 회전자가 안쪽을 이루지만 바깥 부분이 회전자고 안쪽이 고정자가 되는 아우터(Outer) 로터의 형태도 있다.
직류 전동기의 주요 부분으로는 계자, 전기자, 정류자, 브러시가 있다. 직류 전동기들은 대부분 계자가 고정자이고 전기자가 회전자인 구조를 이루지만 용도에 따라서는 반대로 전기자가 회전자로 가는 회전 전기자형 모터도 있다.
- 계자(Field Magnet)
- 전기자(Armature)
- 정류자(Commutator)
- 브러시(Brush)
3. 직류전동기의 종류
직류전동기는 계자, 전기자의 연결 방식에 따라 종류가 구분된다.- 영구자석 직류전동기
계자에 영구자석을 사용한 것 - 타여자(他勵磁) 전동기
계자권선과 전기자(정류자, 브러시를 포함)가 별도로 분리된 전동기다. - 보상권선형 타여자 전동기
타여자 전동기의 주자극 표면에 보상권선을 추가하여 전기자 반작용을 제거한 전동기다. 부하가 급변해도 자기장의 왜곡이 없어 극도로 정밀한 속도 제어가 필요한 압연기 등에 사용된다. - 직권전동기
계자권선과 전기자가 직렬로 연결된 전동기다. 저속에서 전기자 전류의 제곱에 비례하는 큰 토크를 낼 수 있어 전동차, 전기자동차 등 단시간에 큰 힘이 필요한 곳에 사용된다. 부하가 없을 때 회전수가 무한대로 상승하는 무부하 위험 속도 문제가 있어 소형 전동기를 제외하고는 부하 없이 운전하는 것을 피해야 한다. - 보상권선형 직권전동기
대용량 직권전동기의 심한 전기자 반작용을 억제하기 위해 보상권선을 추가한 전동기다. 정류자 소손을 방지하고 안정적인 고출력을 유지해야 하는 대형 산업용 기기에 적합하다. - 직권정류자전동기(유니버설 전동기/단상교류정류자직권전동기)
구조적으로는 직류 직권전동기와 거의 같은데 권선 설계를 약간 고쳐 직류와 교류를 모두 직입해도 작동할 수 있는 전동기로 단상교류 정류자 직권 전동기라고도 불린다. 직류를 투입했을 때에는 직류 직권전동기와 동일하게 작동하지만 교류를 투입하더라도 계자 코일과 전기자 코일의 극성이 서로 착착 맞물리게끔 설계 되어 있어서 교류전원으로도 회전이 가능하고 회전수가 주파수를 따라가지 않는다. 때문에 교류 전원을 받으면서도 직류전동기처럼 굴릴 수 있어서 믹서기, 청소기 등등 가정집에서 RPM이 높고 가벼워야 하는 기기에 사용되며 드릴, 고속절단기 등의 전동공구에도 많이 쓰인다. 단점으로는 브러시와 정류자로 인해 직류전동기의 모든 단점을 동일하게 갖고 있고 효율이 매우 떨어진다는 점이다. 최근에는 BLDC 전동기로 대체되는 추세이지만 저가형 제품에는 여전히 많이 쓰인다. - 맥류직권전동기
교류를 직류로 변환하는 과정에서 생긴 맥류에 포함된 교류 성분의 영향을 최소화하도록 설계된 직권전동기다. 맥류에 의한 정류 불량과 열 발생을 막기 위해 보극 권선에 유도 분로를 병렬로 연결하고 성층 철심을 사용하며 주로 구형 전기기관차에 쓰인다. - 보상권선형 맥류직권전동기
맥류직권전동기에 보상권선을 추가하여 대용량 정류 성능을 상승시킨 형태다. 맥류 대응 성능과 고출력 특성을 동시에 갖추어 대형 전기기관차의 견인 전동기로 활용된다. - 분권전동기
계자권선과 전기자가 병렬로 연결된 전동기다. 속도 변화폭이 적고 일정한 속도를 유지할 수 있어서 필름 영사기, 선풍기, 공작기계, 엘리베이터 등 회전수가 일정한 기기에 사용된다. - 안정분권전동기
분권전동기에 아주 적은 양의 직권권선을 가동 복권식([math(\Phi_{total} = \Phi_{f} + \Phi_{s})])으로 추가한 전동기다. 부하 증가 시 전기자 반작용으로 인해 자속이 감소하여 속도가 비정상적으로 상승하는 현상을 방지하여 운전 안정성을 높인 모델이다. - 복권전동기
직권계자와 분권계자를 함께 갖추어 두 전동기의 특성이 결합된 형태이며, 다음과 같이 분류된다. - 가동복권전동기
직권계자와 분권계자가 만드는 자속의 방향이 서로 일치하여 전체 자속이 두 자속의 합([math(\Phi_{total} = \Phi_{f} + \Phi_{s})])이 되는 방식이다. 직권의 강한 기동 토크와 분권의 정속도 특성을 결합한 형태로, 부하가 커질수록 토크는 증가하지만 속도는 분권보다 완만하게 감소한다. 엘리베이터나 크레인 등 대부분의 구동용 복권전동기에 사용된다. - 맥류 가동복권전동기
맥류 전원 환경에서 직권의 기동 토크와 분권의 속도 안정성을 동시에 확보하기 위해 보극 권선에 유도 분로를 병렬로 연결하고 성층 철심을 사용하는 등의 맥류 대응 설계를 적용한 복권전동기다. - 내분권 맥류 가동복권전동기
부하 전류 변화가 분권계자의 자속에 직접 영향을 주어 제어가 까다로우므로 소형 기기 등에서만 제한적으로 활용된다. - 외분권 맥류 가동복권전동기
분권계자가 전원 단자에 직접 연결되어 맥류 환경에서도 비교적 일정한 자속을 유지할 수 있어 맥류 복권 방식의 대부분을 차지한다. - 내분권 가동복권전동기
분권계자가 전기자 양단에만 병렬로 연결된 구조다. 직권계자가 전선로의 입력 측에 위치하여, 전원 단자 전압에서 직권계자의 전압 강하를 뺀 전압이 전기자와 분권계자 병렬 회로에 인가된다. 이에 따라 부하 전류의 변화에 따라 직권계자의 전류 변화로 인해 직권계자의 전압 강하량이 달라지므로 분권계자의 자속에 미세한 영향을 주고, 구조적 특성상 주로 소형 기기나 특정 제어 시스템에서 활용된다. - 외분권 가동복권전동기
분권계자가 직권계자와 전기자의 직렬 회로 전체에 병렬로 연결된 구조다. 분권계자가 전원 단자에 직접 병렬로 연결되므로, 부하 전류 변화에 따른 내부 전압 강하와는 무관하게 단자 전압이 분권계자에 그대로 인가되어 자속이 비교적 일정하게 유지된다. 이러한 구조는 고속 회전으로 역기전력이 상승하는 환경에서도 일정하게 안정적인 분권계자의 자속을 유지할 수 있어 기관차같은 고출력 대형 기기에 적합하다. - 차동복권전동기
직권계자와 분권계자가 만드는 자속의 방향이 서로 반대여서 전체 자속이 두 자속의 차([math(\Phi_{total} = \Phi_{f} - \Phi_{s})])가 되는 방식이다. 부하가 늘어날수록 직권 자속이 분권 자속을 상쇄하여 전체 자속이 감소하므로 속도 변화가 적거나 오히려 상승할 수 있지만, 과부하 시 자속이 약해져 속도가 급상승하여 제어가 어려워지는 일탈 현상의 위험이 있다. 전동기보다는 용접기용 발전기 등 일정한 전류를 유지해야 하는 특수 목적으로 주로 활용된다. - 내분권 차동복권전동기
전압 강하와 자속 상쇄 효과를 동시에 활용하여 부하 변동에 매우 민감하게 반응해야 하는 특수 제어 환경에서 사용된다. - 외분권 차동복권전동기
외부 단자 전압의 안정성을 유지하면서도 부하 증가에 따른 속도 저하를 방지해야 하는 특수 기계 장치나 용접기용 발전기 등에 제한적으로 활용된다.
4. 직류전동기의 속도제어
직류전동기의 회전 속도 공식은 다음과 같다.[math(\Large N={k}'\frac{V-I_{a}R_{a}}{\phi})]
(여기서 k는 비례 상수, V는 단자 전압, I_a는 전기자 전류, R_a는 전기자 저항, phi는 계자 자속 밀도이다.)
이 공식에 따라 전압(V)을 높이거나 자속 밀도(phi)를 낮추는 방식으로 직류전동기의 속도를 제어한다.
- 저항제어
저항의 전압분배 원리를 이용하여 저항과 전동기를 연결하고 저항의 크기를 조절하여 전동기의 속도를 제어하는 방식이다. 저항값이 클수록 직류전동기에 흐르는 전류와 가해지는 전압이 낮아진다. 구조가 단순하나 저항이 전기를 상당수 소모하기 때문에 효율이 좋지 않다. - 전압제어
전동기에 가해지는 전압의 크기(V)를 조절하여 전동기의 속도를 제어하는 방식이다. 효율이 가장 뛰어나 직류전동기의 속도제어로 널리 쓰인다. - 워드-레오너드 방식
전동발전기를 사용하는 방식이다. 발전기와 모터의 자계를 조정하여 속도제어를 한다. - 일그너 방식
워드-레오너드 방식에서 전동 발전기의 전동기와 발전기 사이에 플라이휠을 추가하여 안정성을 높인 방식이다. - 직병렬제어
출력이 동일한 여러 개의 전동기를 동시에 제어할때 사용된다. 전동기 여러대의 접속 방식을 릴레이 등 전기적 스위치를 이용해 직렬, 직병렬 또는 병렬 3가지로 연결하여 각각의 전동기에 가해지는 전압의 크기를 조절한다. 입력전압의 크기가 동일한 상태에서, 직렬로 접속할 때 전동기에 가해지는 전압의 크기가 적어 회전속도가 낮고, 병렬일때는 전동기에 가해지는 전압이 입력전압과 동일해져 회전속도가 빨라진다.
이 방식은 여러대의 전동기를 제어할 필요가 있는 전동차, 전기 기관차, 디젤 기관차에 사용된다. 저속에서 큰 토크를 내기 위해 여러대의 견인전동기를 직렬로 연결하고, 어느 정도 속도가 붙으면 직병렬로, 고속에 다다르면 병렬로 연결한다. - 초퍼제어
입력쪽에 반도체 스위치를 설치한 뒤 게이트 신호를 반복적으로 ON/OFF하여 입력전원을 제어하는 방식이다. - 위상제어
교류전기로 직류전동기를 돌릴 때 사용하는 제어법. 원리는 초퍼제어와 같으나, 스위치 역할을 하는 사이리스터가 교류를 직류로 바꾸는 정류작용과 ON/OFF작용을 동시에 이루어져 속도를 제어한다. - 계자제어
전동기의 계자권선에서 발생하는 자속 밀도(Φ)를 조절하여 속도를 제어하는 방식이다. - 약계자제어
계자권선에 흐르는 전류의 세기를 약하게 하여 자속밀도를 낮추는 방식이다. 계자권선이 분리된 분권, 복권, 타여자 전동기의 계자권선에 가변저항을 설치하여 자속밀도를 조절하나, 직권전동기의 경우 계자권선과 전기자가 직렬로 연결되어 있어 자속밀도 조절이 어렵다. 이 경우 계자권선 중간에 탭을 설치하여 별도의 선으로 빼내고 스위치를 연결한 뒤, 스위치를 닫아 계자권선의 반에만 전류를 흐르게 하여 자속을 조절한다.
5. 브러시리스 DC (BLDC) 모터
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의 [[브러시리스 모터#|]] 부분을보통 직류전동기는 브러시가 존재하지만 브러시가 없는 브러시리스(Brushless) DC 모터, 줄여서 BLDC 모터도 있다. 브러시가 없어 구조적으로 회전자에 전원을 투입할 수 없는 구조이기 때문에 계자에 전원이 필요 없는 페라이트나 네오디뮴 같은 영구자석이 사용되며 이들이 자속을 생성해준다. 때문에 브러시리스 모터의 경우는 전기자가 고정자로, 계자가 회전자로 강제 된다.
이런 구조 때문에 BLDC 모터는 전기자(고정자)에 직류 전원을 직접 투입할 수 없으며, 외부 인버터(전자 정류 회로)를 이용해 회전자 위치에 맞춰 극을 바꿔 넣어주어야 한다. 이는 기계적 정류자(브러시)의 역할을 전자 회로가 대신하는 것으로, 본질적으로는 직류 전원을 사용하는 시스템이지만 구동 자체는 교류 방식으로 이루어진다.
그럼 BLDC모터가 당최 교류모터와 뭐가 다르냐고 할 수도 있는데 등장하게 된 기원이 다르다. 교류모터는 처음부터 사인파의 교류전원을 수용하기 위해 만들어진 것이지만 BLDC모터는 기본적으로 직류 전원을 쓰되 회전자의 위치에 맞춰서 전원을 끊고 투입하는 동작을 밖에서 해주기 위해 만들어진 것이다. 이는 별로 큰 차이가 없어보이지만 제어 회로 입장에서는 부드러운 사인파의 전압을 성형해내야 하느냐 단순 ON OFF로 스위치 동작만 해주면 되느냐의 차이가 있으므로 구동에 있어 차이가 있긴 있다.
최근에는 전용 드라이브를 사용하는 PMSM이 많이 쓰이기 시작하면서 이런 개념이 혼동되는 경우가 많아졌는데 왜냐하면 기술의 발전으로 똑같은 모터 드라이브를 쓰더라도 출력 파형만 바꿔주면 BLDC든 PMSM이든 구동에 문제가 없기 때문이다. 요즘 시장에서 'BLDC'라고 불리는 모터 중 상당수는 사실 BLAC(Brushless AC) 전동기 즉, PMSM의 일종이며, 역기전력 파형이 깔끔한 정현파로 나타난다. 순수한 BLDC 전동기(사다리꼴파)와의 구분 없이 소형 영구자석 모터를 통칭하는 경향이 크다.
6. 기타
브러시 모터는 전원만 빵빵하다고 끝 없이 돌릴 수 있는 게 아니다. 브러시에 맞닿은 정류자가 계속해서 돌기 때문이다. 마찰이 심해서 속도를 늘리는데도 한계가 있고, 그 과정에서 브러시가 닳아버린다. 이는 모터 수명도 짧아지고 분진이나 소음, 고주파같은 각종 문제를 낳는다. 보면 알겠지만 대부분 브러시가 만악의 근원이다. 때문에 공학자들은 브러시가 없는 모터를 발명하여, 브러시가 있었을 때 가졌던 수많은 단점들을 개선했다. 이를 BLDC라고 한다. 다만, BLDC 또한 나름의 단점이 있었고, DC 모터의 단순한 구조와 저렴한 특성 때문에 일부 영역에서는 살아남아 사용되고 있다. 물론 본격적으로 제어가 필요가 곳에서는 BLDC가 우세하기 때문에 현재는 BLDC에 입지가 밀려서 점차 사용처가 줄어들고 있다.이후에 만들어진 BLDC 모터, PMSM, 동기모터 따위를 알고 싶다면 교류전동기 참조.
[1] 전동기로 들어가는 전선은 멈추어 있고, 전기자는 움직이니 이 두 부분을 연결시켜 주기 위해서는 브러시가 필요하다.