직류모터

직류모터

직류모터는 기계적인 동력으로 직류 전력을 전기 기계로 변환하는 정치이다. 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.

구조

장자석

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 권선없이 자속을 만들어 낼 수 있지만 자속을 제어하지 못하여 속도조절이 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.

전기자

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.

정류자

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 있으므로 전기자가 회전하면 같이 돈다. 회전하는 정류자는 가만히 있는 브러시와 접촉하게 되는데, 이때 브러시와의 마찰과 불꽃으로 인해 고온이 발생하므로 전기적으로, 기계적으로 튼튼하게 만들어야한다.

브러시

브러시는 정류자와 접촉하여 전동기 내부회로와 외부회로를 연결하는 부분이다. 돌아가는 정류자에 닿아 전류를 끌어들이는 장치로 종류는 탄소 브러시, 흑연 브러시, 전기 흑연 브러시, 금속 흑연 브러시 등이 있다.

회전 원리

자기장이 흐르는 곳과 코일을 감은 회전축에 직류 전류를 흘려서 발생하는 전자력에 의해 코일이 회전하도록 만든 원리이다. 모터의 원리는 플레밍의 왼손법칙에 따라 전자기장의 에너지를 운동에너지로 변환해주는 것이다. 전자기장에서는 전류의 방향, 자기장의 방향, 힘의 방향을 나타낸다. 세 가지 방향중에서 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 하도록 하게 하는 것이 모터이다. 자기장 속에서 도체가 놓여있을 때 도체가 어떤 방향으로든지 운동을 하면 도체 내부에는 전류가 유기되어 흐르기 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 운동을 하게 된다. 정류자로부터 공급되는 전류는 코일을 통해 회전자계를 형상하게 된다. 모터가 회전하게 되면 정류자의 각 SLOT로 들어가게 된다. 이때 플레밍의 왼손 법칙에 의해 전류는 항상 일정한 방향으로 흐른다.

종류

브러시리스 모터

브러시리스 모터는 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, 회로구성이 매우 복잡하기 되어있어 보통 전용IC가 사용된다. 브러시가 없어짐으로서 마찰로 인한 운동에너지 손실이 없어 효율적이고, 더 조용하며, 모터의 수명이 길어진다. 그리고 구조상 일반 직류모터와는 반대로 고정자에 권선을 감고, 영구자석을 회전자로 사용하는 것이 더 효율적이다. 브러시리스 모터는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있다. 가장 대표적으로 PC에 사용되는 환기팬이다. 조용하면서 내구성이 좋아야 하는 하드디스크의 모터 역시 브러시리스이다. 요즘 많이 보급되고 있는 하이브리드나 전기자동차 역시 브러시리스 모터를 사용한다.