시동모터

시동모터(Starter Motor)는 정지되어 있는 엔진의 크랭크축(crank shaft)을 회전시켜 엔진 자체 동력으로 작동을 시작하게 하는 장치이다. 스타터 모터라고도 한다. 엔진 작동이 시작된 뒤 시동모터는 엔진에서 떨어지며 엔진 자체는 내연기관의 공작에 따라 작동한다.

개요

시동모터 구조도

시동모터는 스타터(Starter) 또는 스타팅 모터(Starting Motor)라고도 부르며 엔진 크랭크축을 회전시켜 시동을 걸게 하는 역할을 한다. 시동모터는 전동기, 전동기의 회전력을 기관에 전달하는 동력 전달 기구, 피니언을 링 기어에 맞물리게 하는 기구로 구성되어 있다. 회전력을 발생하는 전동기는 아마추어, 계자 코일, 브러시 등으로 구성되고 전동기의 회전력을 기관에 전달하는 동력 전달 기구는 오버러닝 클러치, 피니언 등으로 구성되며 피니언을 링 기어에 맞물리게 하는 기구는 마그네틱 스위치, 클러치 시프트 레버 등으로 구성되어 있다.

시동 모터의 동력을 전달하는 경로는 일반적으로 아마추어의 축과 직결되어 있는 피니언 기어가 직접 엔진의 링 기어를 회전시키는 방식과 아마추어의 피니언 기어가 감속 기어(Reduction gear)와 연결되어 회전력을 증대시키는 방식이 사용되고 있다. 피니언 기어가 직접 엔진의 링 기어를 회전시키는 방식을 직결식 시동 모터라고 하고, 피니언 기어가 감속 기어와 연결되어 회전력을 증대시키는 방식을 리덕션식 시동 모터라 한다. 현재 주종을 이루고 있는 마그네틱 스위치식 시동 모터에는 직결식 시동 모터와 리덕션식 시동 모터가 사용되고 있다.

시동모터는 점화스위치에 의해 작동하며 전동기의 회전과 더불어 마그네틱 스위치가 선단에 부착된 피니언을 밀어서, 피니언이 플라이휠의 링 기어와 맞물려 엔진을 회전시킨다. 엔진 시동후 반대로 엔진이 시동모터를 회전시켜 과회전으로 파손될 위험이 있으므로, 전동기와 피니언 사이에 힘이 한 방향으로만 전달되는 오버러닝 클러치를 넣어 이것을 방지한다.

구조와 작동원리

솔레노이드 스위치

시동모터는 회전력을 발생하는 모터부와 모터에 전원을 공급하는 마그네틱 스위치, 피니언 기어를 엔진의 링 기어와 치합하기 위한 마그네틱 스위치의 플런저(Plunger)와 시프트 레버, 시동후 피니언 기어가 이탈하여 원 위치로 복귀하게 하는 오버 런닝 클러치(Over running clutch), 그리고 무부하 시동 시에도 일정 부하를 걸 수 있도록 한 브레이크부로 구성된다.

□ 마그네틱 스위치 - 솔레노이드 스위치라고도 한다. 피니언이 플라이휠 링기어와 치합되도록 하는 액츄에이터 기능과 전동기 전류 개폐의 릴레아 기능을 가지고 있다. 솔레노이드 스위치의 외부에는 스타팅신호(전류)가 들어오는 S단자, 배터리(+)단자와 연결되는 B단자, 전동기의 브러쉬와 연결되는 M단자 등 3개 단자가 있고 내부에는 플런저와 리턴 스프링, 풀인(Pull-In)코일, 홀드인(Hold-In) 코일 등 2개의 코일이 결선되어 있다.

시동 스위치를 START로 하면 풀인 코일과 홀딩 코일이 여자되면서 자기력으로 플런저를 잡아당겨 피니언과 링 기어를 결합시킨다. 이 때, 전원은 홀딩 코일을 지나 전동기에 공급되나, 전력이 약해 전기자를 회전시키지는 못한다. 플런저에 의해 메인 스위치가 닫히면 축전지에서 전동기로 큰 전류가 흘러 전동기가 큰 회전력으로 회전되므로 기관이 회전되며 이 때, 플런저는 홀딩 코일에 의해 당겨진 상태가 유지된다. 엔진이 시동되어 시동 스위치가 OFF되면 풀인 코일과 홀딩 코일에 흐르던 전류가 정지되어 자기력이 없어져 리턴 스프링에 의해 플런저가 복귀되어 피니언이 링 기어와 분리되며 정지한다.

□ 전동기

전동기 분해 구조
1) 하우징, 2) 오버러닝 클러치, 3)전기자, 4) 계자코일, 5) 브러쉬, 6)솔레노이드 스위치

전동기는 회전부분인 전기자(아마추어, Armature), 정류자(Commutator), 계자를 형성하는 계철(Yoke), 계자코일(Field Coil), 전기자 코일에 전류를 공급하는 브러쉬(Brush) 등으로 구성된다.

• 전기자 - 전동기가 회전하는 주요부로서 축과 철심, 철심에 감겨져 있는 절연 전기자 코일, 정류자 등으로 구성되어 있고 축의 양 끝은 베어링으로 지지되어 있다. 전기자 철심(armature core)은 규소 강판을 절연시켜 겹쳐 만든 성층 철심을 사용하며 정류자는 여러 개의 정류자편을 조립하였고 전기자 코일은 각각의 정류자편에 납땜으로 연결되어 있다. 각 정류자편 사이의 절연은 운모로 절연하며 운모는 정류자편의 마멸에 의하여 정류자편보다 높아지는 것을 방지하기 위하여 미리 정류자 표면보다 0.5~0.8mm 정도 낮게 언더컷되어 있다.
• 계자 코일, 철심 및 요크 - 철심에 코일을 감고 전류를 흘려서 N, S극의 자기상을 만드는 부분으로서, 철심을 계자 철심, 코일을 계자 코일(field coil)이라 하고, 코일에 흐르는 전류를 계자 전류라 한다. 요크(yoke)는 주철제로 전동기의 몸통이 되며, 자기력선의 통로가 되는 주요부이다. 요크 안쪽에는 계자 코일을 지지하는 계자 철심이 고정되어 있다. 시동할 때의 전류는 축전지로부터 계자 코일을 통하여 브러시→정류자→전기자 코일로 흐른다.
• 브러쉬 - 브러시(brush)는 정류자에 미끄럼 접촉을 하면서 전기자 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 주는 역할을 한다. 브러시는 구리 분말과 흑연을 원료로 하며 윤활성과 전도성이 우수하고, 고유 저항, 접촉 저항 등이 작다. 브러시는 브러시 홀더에 끼워져 있으며 브러시 스프링이 브러시를 정류자에 적당한 장력으로 눌러 주고 있다. 4극식 전동기인 경우 브러시 홀더의 2개는 절연되어 계자 코일과 연결되어 있고 2개는 접지되어 있다.
• 전동기의 계자 코일과 전기자 코일 - 시동 전동기에서는 자기장을 형성하기 위하여 폴 코어(pole core)에 코일을 감고, 이것에 전류를 흐르게 하여 자기력을 발생하는 전자석을 사용한다. 이 코일을 계자 코일(field coil)이라 한다. 도선에 해당하는 회전 코일을 전기자 코일(armature coil)이라고 한다. 전기자(armature)란 전동기축과 코어에 전기자 코일을 감고 정류자를 붙인 것으로, 전동기의 회전 부분이 된다.

□ 오버러닝 클러치

피니언 링기어 치합방식

엔진이 시동된 후 피니언 기어와 링 기어가 물린 상태로 있으면 전동기는 엔진의 회전 속도보다 약 10배 이상의 빠른 속도로 회전하게 된다. 이렇게 되면 전동기의 정류자, 전기자 코일, 베어링 등이 파손될 우려가 있으므로 시동된 후에는 피니언이 링 기어에 물려 있어도 엔진의 회전력이 전동기에 전달되지 않도록 하여야 한다. 이러한 목적으로 사용되는 장치가 오버러닝 클러치이다. 오버러닝 클러치는 전동기의 토크를 엔진에 전달하는 역할도 하지만 엔진의 회전 토크가 전동기로 전달되는 것을 막아주는 역할도 하며 종류로는 를러식과 다판식, 스프레그, 레이디얼 기어식 등이 있다.

전동기의 동력을 엔진의 플라이휠 쪽으로 전달 또는 단속하기 위해서는 피니언, 오버러닝 클러치, 치합레버, 리턴스프링 등이 필요하다. 피니언은 플라이휠 링기어와 치합되는 부분의 작은 기어로서 기어비는 9~15:1 정도로 하고 특수강으로 제작된다. 또 기어가 항상 맞물려 작동하는 것이 아니고 시동 순간에 기어가 취합하기 때문에 피니언과 링기어의 중심거리를 길게 하여 기어 플랭크에 충분한 백래쉬가 보장되게 한다.

피니언과 링기어의 치합방식에는 크게 사전치합방식과 슬라이딩 치합방식이 있다. 사전치합방식은 전기자의 회전과 더불어 전기자축 상의 피니언이 축방향 운동과 회전운동을 동시에 하면서 링기어와 치합하는 방식을 가리키며 주로 승용차에서 많이 사용한다. 슬라이딩 기어 치합방식은 피니언이 전기자축에 고정되어 전기자와 일체로 섭동하면서 링기어와 치합하는 방식을 가리키며 주로 대형 상용차에서 많이 사용한다.

세계 유명 제조사

1. 레미 인터내셔널(Remy International,Inc / Delco Remy Starter Motor) - 미국 인디애나주 펜들턴(Pendleton, Indiana)에 본부를 두고 있는 스타터와 얼터네이터(alternators) 생산업자이다. 1896년에 설립되었으며 전 세계 11개 국가에 지사를 두고 있다. 2012년 12월에 나스닥에 상장하였다.
   공식홈페이지 - http://www.delcoremy.com/
2. 덴소(DENSO / Nippon Denso Starter Motor) - 일본 아이치현(愛知県) 가리야시(刈谷市)에 본부를 두고 있는 자동차부품 제조사이다. 1949년에 토요타에서 분리독립하였다. 토요타 자동차가 25% 지분을 갖고 있다. 주로 열 시스템(Thermal systems), 파워트레인 제어시스템, 전장 시스템, 전력시스템, 전기모터 등 분야의 부품을 제조한다.
   공식홈페이지 - https://www.denso.com/global/en/
3. 보쉬(BOSCH / Bosch Starter Motor) - 독일 게를링엔(Gerlingen, Germany)에 본부를 두고 있는 엔지니어링과 기술분야의 글로벌 회사이다. 1886년에 설립되었으며 주로 자동차부품, 전동공구, 보안시스템, 가전제품, 엔지니어링, 전자, 클라우드 컴퓨팅, 사물인터넷 등 분야의 사업을 추진하고 있다. 2019년 기준으로 약 40만명의 직원을 고용하고 있었으며 2019년 기준으로 영업수익은 777.21억 유로에 달한다.
   공식홈페이지 - https://www.bosch.com/
4. 미츠비시 일렉트릭(Mitsubishi Electric Corporation / Mitsubishi Starter Motor) - 일본 토쿄(東京) 치요다(千代田区)에 본부를 두고 있는 글로벌 전자와 전기장비 제조회사이다. 1921년 1월에 설립되었으며 주로 에어컨 시스템, 가전제품, 건물 시스템, 정보통신 시스템, 공장 자동화 시스템, 에너지 시스템, 반도체와 장비, 운송 시스템, 자동차 장비, 시각 정보 시스템(Visual information system), 우주항공 시스템, 공중 시스템 등의 사업을 진행한다. 2017년 기준으로 영업수익은 43,944 억엔 수준이다.
   공식홈페이지 - https://www.mitsubishielectric.com/en/index.html
5. 미츠바(MITSUBA / Mitsuba Starter Motor) - 일본 군마현(群馬県)기류시(桐生市)에 본부를 두고 있는 자동차 부품회사이다. 1946년에 설립되었으며 주로 자동차 전장부품, 모토사이클 전장 부품을 생산한다. 2020년 말 기준으로 3,626명의 직원을 고용하고 있었으며 같은 해 영업수익은 1,265억 엔 수준이다.
   공식홈페이지 - https://www.mitsuba.co.jp/en/
6. 히타치(HITACHI / Hitachi Starter Motor) - 일본 토쿄 치요다에 본부를 두고 있는 글로벌 기업이다. 1920년 2월에 설립되었으며 주로 전자, 산업기계, 발전소, 정보시스템, 소재, 자동차부품, 철도산업, 승강기, 방산업, 중장비, 슈퍼컴퓨터, 반도체장비 등 분야의 사업을 추진하며 사물인터넷, 컨설팅, 물류 서비스 사업도 추진한다. 2020년 말 기준으로 29,580명의 직원을 고용하고 있었으며 같은 해 영업수익은 87,292억 엔 수준이다.
   공식홈페이지 - https://www.hitachi.com/
7. 루카스(Lucas / Lucas Starter Motor) - 영국 잉글랜드 버밍엄(Birmingham)에 본부를 두고 있는 글로벌회사이다. 1860년에 설립되었으며 주로 브레이킹, 디젤시스템, 전자, 방산업, 우주항공 시스템 등 분야의 사업을 추진한다. 1996년에 미국의 아메리칸 배리티 코퍼레이션(American Varity Corporation)에 인수되어 루카스배리티로 되었다가 TRW에 인수되었으며 루카스 브랜드는 영국의 엘타 라이트닝(Elta Lighting)에 넘어갔다가 현재는 ZF 프리드리히스하펜(ZF Friedrichshafen)의 소유로 되어 있다. 루카스의 고용직원은 92,000명 수준이다.
   공식홈페이지 - https://www.eltaeurope.com/
8. 보그워너(BorgWarner Inc.) - 미국 미시간주 오번 힐스(Auburn Hills)에 본부를 두고 있는 글로벌 자동차 부품회사이다. 1928년에 설립되었으며 24개 국가에 96개 거점을 두고 있다. 주로 에어 관리, 전자 추진과 드라이브 트레인(e-Propulsion & Drivetrain), 연료 분사 및 애프터 마켓 분야의 사업을 추진한다. 2020년에 델파이(Delphi Technologies)를 인수하고 전자와 파워 일렉트릭(power electronics) 분야의 생산능력을 확장하였다. 2020년 말 기준으로 50,000명의 직원을 고용하고 있었으며 같은 해 영업수익은 102억 달러 수준이다.
   공식홈페이지 - https://www.borgwarner.com
9. 커민스(Cummins Inc.) - 미국 인디애나주(Indiana) 콜럼버스(Columbus)에 본사를 두고 엔진, 필터레이션(filtration), 발전(power generation) 분야의 사업을 추진하는 글로벌 회사이다. 1919년 2월에 설립되었으며 2020년 말 기준으로 약 58,000명 직원을 고용하고 있고 같은 해 영업수익은 198억 달러 수준이다.
   공식홈페이지 - https://www.cummins.com
10. 헬라(Hella KGaA Hueck& Co.,) - 독일의 노르트라인베스트팔렌주(North Rhine-Westphalia) 립슈타트(Lippstadt)에 본부를 두고 있는 자동차 부품회사이다. 1899년에 설립되었으며 현재는 전 세계 50대 자동차 부품회사 중의 하나이고 독일 100대 기업 중의 하나이다. 주로 라이트닝, 전자부품 및 시스템 분야의 사업을 추진한다. 2019년 말 기준으로 영업수익은 70억 유로 수준이고 고용하는 직원은 36,000명 수준이다.
    공식홈페이지 - https://www.hella.com
11. 포드 자동차(Ford Motor Company / Ford Starter Motor) - 포드는 미국 미시간주 디어본(Dearborn)에 본부를 두고 있는 자동차 제조사이다. 1903년에 설립되었으며 주로 자동차 사업을 추진한다. 포드는 스타터 모터의 제작을 사내에서 추진한다.
    공식홈페이지 - https://www.ford.com/
12. 프레스토라이트 일렉트릭(Prestolite Electric Inc. / Prestolite Starter Motor) - 미국 미시간주 플리머스(Plymouth)에 본부를 두고 있는 얼터네이터, 스타터, 전기장비 제조업체이다. 1911년에 설립되었다.
    공식홈페이지 - https://www.prestolite.com
13. 사와후지(SAWAFUJI / Sawafuji Starter Motor, 澤藤電機) - 일본 군마현(群馬県)오타시(太田市)에 본부를 두고 있는 전장부품과 냉장고 업체이다. 1919년 5월에 설립되었으며 주로 스타터/얼터네이터(Starters and Alternators), 엔진 발전기(Engine Generators), 엔진 웰더(Engine Welders), 리타더(Retarder) 및 냉장고를 생산한다. 2018년 말 기준으로 715명의 직원을 고용하고 있었으며 같은 해 영업수익은 295.4억 엔 수준이다.
    공식홈페이지 - https://www.sawafuji.co.jp/
14. 닛코 일렉트릭(Nikko Electric Industry Co. Ltd, 日興電機工業株式会社 / Nikko Starter Motor) - 일본 가나가와현(神奈川県)하다노시(秦野市)에 본부를 두고 있는 자동차 부품회사이다. 1933년에 설립되었으며 주로 전장품, 직류전동기 및 제어기기 분야의 사업을 추진한다. 2020년 말 기준으로 224명의 직원을 고용하고 있었다.
    공식홈페이지 - http://www.nikkodenki.co.jp/
15. 이스크라 아브엘렉트리카(Iskra Avtoelektrika / Iskra Starter Motor) - 슬로베니아(Slovenia)의 류블랴냐(Ljubljana)에 본부를 두고 있는 전자부품회사이다.
    공식홈페이지 - http://www.iskra-agv.cz/us/iskra_starter.htm
16. 발레오(Valeo / valeoValeo Starter Motor) - 프랑스 파리에 본부를 두고 있는 글로벌 자동차 부품업체이다. 1923년에 설립되었으며 현재 전 세계에서 113,600명의 직원을 고용하고 33개 나라에서 186개 생산거점, 59개 R&D센터, 15개 물류센터를 운영한다. 2019년 영업수익은 192억 유로 수준이다. 주요 사업품목으로는 주행보조시스템, 파워트레인 시스템, 열 시스템(Thermal Systems), 가시 시스템(Visibility Systems) 등이 있다.
    공식홈페이지 - https://www.valeo.com/
17. 마그네톤(MAGNETON / Magenton Starter Motor) - 체코에 본부를 두고 부품 제조, 표면처리, 시험 서비스를 제공하는 업자이다. 1926년에 설립되었으며 전자공장, 표면처리공장, 시험센터를 운영한다.
    공식홈페이지 - https://www.magneton.cz/en/
18. 콘티넨탈AG(Continental AG) - 독일의 하노버(Hanover0에 본부를 두고 있는 글로벌 자동차 부품회사이다. 1871년에 설립되었으며 주로 브레이크 시스템, 인테리어 전자, 안전 시스템, 파워트레인, 섀시 부품, 태코그래프(tachographs), 타이어 등 부품을 생산한다. 2020년말 기준으로 232,000명 직원을 고용하였으며 같은 해 영업수익은 377억 유로 수준이다.
    공식홈페이지 - https://www.continental.com

참고자료

• 김민복, 〈자동차의 시동장치〉, 《AEM》, 2007-08
• robobang, 〈시동모터의 구조와 원리 분해순서 - 전기동력장치〉, 《네이버카페》, 2013-03-22
• 사실요것만고치면돼요, 〈스타터(기동전동기/스타팅모터/시동모터) - Starting motor〉, 《네이버 블로그》, 2013-03-20
• "Starter (engine)", Wikipedia

같이 보기

• 시동
• 모터
• 엔진
• 크랭크축

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