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모터
모터(motor)는 전력으로 회전하고 축에 회전력을 발생시키는 동력 기계이다. 전기모터, 전동모터 또는 전동기(電動機)라고도 한다. 모터는 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 역할을 한다. 이때 자기장은 모터에서 에너지 변환의 수단이 된다.[1]
목차
개요[편집]
마이클 패러데이(Michael Faraday)에 의해 발명된 모터는 전력으로 회전하여 축에 회전력을 발생시키는 기계이다. 모터는 전기자동차에 빠질 수 없는 심장 같은 역할을 하며, 배터리(battery)와 함께 중요한 역할을 한다. 크게 직류모터와 교류모터로 나누며 교류모터는 동기모터와 유도모터로 나눈다. 이중 고정자 구조 모터도 새롭게 개발되었으며 상용화 중인 모터의 두 배의 효율을 낸다. 기존의 냉장고나 세탁기 등의 가전제품 분야 외에도 앞으로의 미래 산업에서 필수 요소로 꼽힌다. 모터 기술을 처음으로 발견한 사람은 마이클 패러데이이다. 1821년에 최초로 전기 구동 모터를 성공적으로 시연하여 전기와 자석으로 회전 운동을 만들 수 있다는 사실을 증명했다. 패러데이는 1832년 초에 자신이 발견한 전기 구동 모터를 왕립협회에 발표했고 이를 기반으로 다른 과학자들이 다양한 전기 원리를 발견했다. 마이클 패러데이부터 현대적인 모터가 개발되기 시작했고, 응용 전기 기술의 시대가 시작했다고 해도 과언이 아니다.[1] 자동차에 탑재한 모터로 예시를 든다면 모터에서 연결된 배터리에서 전기에너지가 고정자로 공급되고 고정자 내의 코일은 고정자 코어의 반대쪽으로 배열되며 자석으로 작동한다. 따라서 자동차에 탑재된 배터리로부터 전기에너지가 모터에 공급되면 코일이 회전자기장을 생성한다. 코일은 회전자 외부의 전도성 로드를 뒤로 당겨 스피닝 로터가 자동차의 기어를 돌리고 타이어를 회전시키는 데 필요한 기계적 에너지를 생성한다.[2]
종류[편집]
모터는 입력되는 전원에 따라서 직류모터와 교류모터의 두 가지로 구분한다.
직류모터[편집]
직류모터의 직류는 방향이 일정한 전기의 흐름을 말하고, 직류모터는 직류 전류로 회전을 일으키는 장치이다. 고정자와 회전자로 이루어져 있으며 회전자는 전기자와 정류자(commutator) 그리고 브러시로 구성되어 있다. 직류모터는 다시 전기자가 180도 회전할 때마다 방향을 바꾸는 방법에 따라서 두 가지로 나눈다. 브러시가 부착된 브러시모터와 전자 스위칭 기술을 이용해 브러시가 없는 브러시리스(brushless) 모터로 구분한다. 브러시 모터에 있는 브러시와 정류자는 전기자에 공급되는 전류 방향을 회전각도에 따라 전환시켜 회전자를 회전시킬 수 있는 자극을 만든다. 브러시리스 모터에서는 변속기가 브러시와 정류자의 역할을 대신하기 때문에 구조가 비교적 단순해진다. 또한, 회전 시 마찰로 인한 발열과 브러시 마모 문제가 생길 브러시가 없으므로 반영구적이다.[3] 직류모터는 속도, 토크 및 회전 방향의 제어가 용이하고 회전 방향과 가속 토크를 임의로 선택할 수 있기 때문에 엘리베이터, 전철, 압연기 등과 같은 속도 조정이 필요한 곳에 사용한다.[4] 하지만 직류모터는 교류를 사용하지 않고 12V, 24V, 90V, 180V 등의 직류전압을 사용하기 때문에 전류가 한 방향으로 흐르게 하는 정류기가 포함된 직류 변환 어댑터가 필요하다. 정류 문제나 기계적인 강도상의 문제로 고속화가 어렵고, 교류모터와 비교했을 때 복잡한 구조와 비싼 가격 또한 직류모터의 단점으로 꼽힌다.[3] 직류모터의 구조상 모터 내부에 브러시와 정류자가 회전할 때 어쩔 수 없는 접촉이 일어나면서 작동하는데, 이때 브러시가 마모되면 작동되지 않기 때문에 브러시모터는 정기적인 보수 점검이 필요하다는 것도 단점으로 지적되곤 한다. 이런 단점을 극복하기 위해 브러시가 없는 브러시리스 모터가 개발되었다.[1]
교류모터[편집]
교류전기는 시간에 따라 흐르는 방향과 크기가 주기적으로 변하는 전기의 흐름을 말한다.[5] 교류모터(AC 모터)는 교류의 전기를 받아 운동하고 전류 방향을 주기적으로 바꾸는 정류자가 필요 없다. 기본적으로 주전원이 있는 가정용 220V 전기를 사용하는 것이 교류모터이다. 교류모터는 크게 단상식과 삼상식 두 가지로 구분하며, 회전자의 유형에 따라서 유도모터, 동기모터, 정류자모터로 구분되기도 한다. 교류모터의 용량은 소형의 수십 와트(w)에서 대형 제품의 수백 킬로와트(kw)까지 적용반경이 넓으며 교류모터는 선풍기, 세탁기, 냉장고, 펌프, 크레인 등 가정 및 산업현장 전반에서 널리 사용된다. 교류모터는 구조가 비교적 간단하고 브러시나 정류자와 같은 소모품이 없기 때문에 고속에서 순간 최대 토크를 낼 수 있어 응답 특성이 빠르다. 게다가 무게 당 토크가 크므로 크기를 작게 줄이고 경량화할 수 있다는 장점이 있다. 다만, 직류모터와 비교했을 때 복잡한 제어 방법이 단점이다.[6]
유도모터[편집]
교류모터 중 한 가지인 유도모터는 전자 유도로서, 회전자에 전류를 흘려 회전력을 만드는 교류모터이다. 전원에 바로 연결이 가능하고 구조가 간단하며 튼튼함에도 가격이 낮고 취급이 간단하여 세계적으로도 널리 사용되고 있다. 유도모터는 교류로 동작하는 모터의 대표적인 예로, 고정자와 회전자로 구성된다. 교류전기로 고정자에 회전 자기장을 발생시키고, 도체의 회전자에 유도전류를 발생시켜, 회전자가 전자기력을 받아 회전 자기장에 대응하여 회전운동을 하는 원리로 작동한다. 유도모터는 부하가 있는 상태에서 기동이 수월하다는 장점이 있다. 또한, 기계적 강도 확보와 제작이 쉽다. 모터 운전을 급하게 멈추더라도 회전자의 자화(磁化)가 스스로 풀리므로 영구자석 모터와는 달리 역기전력에 대해 걱정을 할 필요가 없어 더 안전하다. 또한, 별도의 드라이브가 필요하지 않다. 만약 드라이브를 쓰더라도 센서 의존도가 낮고, 영구자석이 들어가지 않기 때문에 구조가 단순하여 가격이 저렴하다. 게다가, 자석이 사용되지 않으므로 코일만 견디어 주면 열에 의한 성능 문제가 적고 과부하에 강하다. 간단한 구조와 우수한 전기적 특성, 기계적 특성이 결합되어 대용량 모터 제작 및 구동이 영구자석 모터보다 수월하다는 장점도 가지고 있다. 하지만 영구자석 모터와 비교했을 때 영구자석은 자체가 자속원이기 때문에 회전자에 전류가 흐를 필요가 없지만, 유도 모터는 구동 원리상 회전자에도 단락 전류가 흐르기 때문에 여기서 생기는 손실로 효율이 낮다는 단점이 있다.[7]
동기모터[편집]
동기모터도 전자기 유도로 토크(torque), 즉 회전력을 발생시킨다. 유도모터와는 달리 차이점이 있는데, 동기모터의 계자(界磁)는 영구 자석이나 자화된 코일을 통해서 스스로 자계(磁界)를 만든다는 점이다.[8] 동기모터는 모터를 구동하는 고정자 회전 자계와 회전자가 항상 함께 회전한다는 점이 가장 큰 특징이다. 회전자의 자석은 코일이 회전자에 고정되었기 때문에 고정자 회전 자계에 의해서 직접 밀고 당겨지면서 구동력을 얻는다. 일반적으로는 영구자석을 사용한 모터를 동기모터로 표기하는 경우가 대부분이다. 일정한 속도로 회전하며 역률조정이 쉽기 때문에 컨베이어벨트용 모터나 소형시계, 타이밍 모터에 사용된다.[4]
유도모터와 동기모터의 장단점 구분 유도모터 동기모터 장점 - 고정자와 회전자를 동기화할 필요가 없기 때문에 구동하기 쉽다.
- 구조가 단순해서 튼튼하고 안전성이 좋다.
- 가격이 저렴하고 열에 강하다.
- 고정자와 회전자가 최대 토크를 낼 수 있도록 동기화가 되어있기 때문에 효율이 높다.
- 비교적 소음이 적고 정해진 속도를 유지할 수 있는 등 제어가 용이하다.
단점 - 고정자와 회전자가 동기화되어있지 않아서 효율이 낮다.
- 고속 동작이 어렵다.
- 열이나 외부충격에 약하다.
- 제작 단가가 비싸다.
- 고정자와 회전자를 동기화를 고려해서 전원을 인가해야 하기 때문에 제작이 어렵다.
이중 고정자 구조모터[편집]
모터는 배터리 못지 않은 전기자동차의 핵심기술 중 하나다. 모터는 전기자동차뿐만 아니라 하이브리드 자동차에서도 볼 수 있다. 많은 회사들이 더 효율이 개선된 모터 개발을 위해 노력하고 있다. 최근에는 현재 사용하는 모터의 효율보다 두 배가 높은 이중 고정자 구조 모터도 개발되었다. 이중 고정자 모터는 빈 원통형의 회전자 내부에 고정자가 하나 더 들어가는 구조다. 고정자는 회전자계를 만들어 모터의 회전자가 회전할 수 있도록 한다. 이중 고정자 구조는 별도의 회전자계를 회전자 각각의 안과 밖에 만든다. 한쪽에서는 밀고 반대쪽에서는 당기는 역할로 회전력을 두 배로 높여주는 구조다. 비유하자면, 모터를 자동차 엔진으로 보았을 때 기존의 모터는 모두 1기통 엔진이라고 한다면, 이중 고정자 구조 모터는 2기통 엔진이라고 할 수 있다. 전력 효율이 높으며, 전류를 내부와 외부 고정자로 나눠 보내면서 각각 조절이 가능하다. 또한, 회전자 내부는 철심이 없이 텅 빈 구조로 철손을 줄여 열이 적게 발생하고 효율이 높다. 이중 고정자 구조의 모터를 다중 고정자 구조나 다단회전자 방식과 조합하면 6기통 이상의 더 효율적인 모터를 만들 수 있다.[1][9]
활용[편집]
전기자동차[편집]
전기자동차에 사용되는 모터는 교류모터이다. 전기자동차 배터리는 직류 배터리인데 인버터를 사용하면서까지 교류모터를 사용하는 이유는 직류모터의 내구성 때문이다. 직류모터는 구조가 복잡하지 않으며 토크도 높다.[1] 하지만 브러시가 마찰로 인해 1~2년 주기로 닳아버리기 때문에 자주 교체해야 한다. 소음도 적지 않아 안정성과 내구성을 중요시하는 전기자동차에는 사용하기 바람직하지 않다. 이에 비해 교류모터는 브러시가 없어서 주기적인 보수도 필요 없는 데다 자동차의 수명보다 오래가는 내구성을 가지고 있다. 내연기관차의 엔진과 비교하면 아예 손댈 부분이 없다. 또한 직류모터는 전류에 비례해 토크나 RPM을 조절할 수 있기 때문에 제어 방식 구현이 간단하다. 그에 비해 교류모터는 직류에 비해 제어 방식은 복잡하지만 1960년대부터 발전해온 제어 기술로 기술적 완성도가 높고, 정밀하게 속도를 컨트롤하기엔 직류보다 용이하다. 교류모터는 일반 직류모터에 비해 발열 문제가 적은 것도 장점이다. 실제로 테슬라에서도 모델 S에 탑재할 모터를 고를 때, 브러시가 없는 직류 브러시리스 모터도 비교 선상에 놓고 검토했었다. 하지만 제어가 쉽지 않고 고출력 모터를 만들려면 가격도 만만치 않아 아직 양산 전기자동차용으로는 적합하지 않다고 판단했다. 하지만 잠재력이 있는 모터로 꾸준히 연구되고 있으며 양산용 전기자동차에 적용 가능한 종류의 모터도 나오고 있다.[10] 교류모터를 사용하는 전기자동차에는 배터리와 모터 사이에 인버터가 꼭 필요하다. 인버터는 배터리의 직류전류를 교류전류로 변환하는 부품이다. 전기자동차에 탑재되는 인버터는 단순히 직류전류를 모터에 적합하게 변환하는 것 말고도 다양한 일을 한다. 주파수와 전류량을 조절하는 역할과 전기자동차 모터의 회전수도 제어한다. 그러므로 안정된 주행을 위해서는 좋은 인버터가 필요하다. 구동모터는 전기에너지를 운동에너지로 변환시켜 자동차를 움직인다. 모터를 구동 장치로 사용했을 때 얻는 장점은 먼저 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 적은 것이다. 또한, 전기자동차의 파워트레인은 엔진보다 자동차 내부에서 차지하는 공간이 작아 공간 활용성을 높여, 남는 공간을 실내나 트렁크 확장에 활용할 수 있다. 또한, 구동모터는 발전기의 역할도 한다. 내리막길이나 주행 중 속도를 줄일 때 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 전환해 배터리에 저장한다. 이를 회생제동(回生制動) 시스템이라고 한다. 스티어링휠의 패들시프트로 감속과 회생제동을 조작할 수 있다.[11] 전기자동차 이야기엔 배터리 기술이 빠지지 않는다. 하지만 모터 분야의 발전도 더 효율적인 전기자동차를 개발하는 데 도움이 된다. 또한, 모터는 기존의 세탁기, 냉장고 등의 가전제품 분야를 비롯해, 전기자동차, 드론, 로봇 등 미래 산업에서도 필수 요소가 될 것으로 보인다.[1]
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 한국전력, 〈전기자동차의 핵심, 전기모터〉, 《한국전력 블로그》, 2018-01-24
- ↑ Top Class, 〈전기 모터(전동기)는 어떻게 작동하는가?〉, 《네이버 블로그》, 2020-01-23
- ↑ 3.0 3.1 〈직류전동기〉, 《두산백과》
- ↑ 4.0 4.1 〈전동기〉, 《두산백과》
- ↑ 〈교류〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈교류전동기〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈유도전동기〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈교류전동기〉, 《나무위키》
- ↑ 김순기 기자, 〈엔진 2개 단 2기통 모터 등장...루슨트코리아, 이중고정자 구조 고효율 모터 세계 첫 개발〉, 《전자신문》, 2016-05-16
- ↑ 〈전기차 모터에 대해 알아보자〉, 《이브이포스트》, 2018-09-09
- ↑ 현대자동차그룹, 〈전기차 백과사전 A to Z 쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리〉, 《현대모터그룹 저널》, 2020-03-16
참고자료[편집]
- 〈교류〉, 《네이버 지식백과》
- 〈전동기〉, 《두산백과》
- 〈직류전동기〉, 《두산백과》
- 〈교류전동기〉, 《네이버 지식백과》
- 〈교류〉, 《네이버 지식백과》
- 〈교류전동기〉, 《나무위키》
- 한국전력, 〈전기자동차의 핵심, 전기모터〉, 《한국전력 블로그》, 2018-01-24
- Top Class, 〈전기 모터(전동기)는 어떻게 작동하는가?〉, 《네이버 블로그》, 2020-01-23
- 김순기 기자, 〈엔진 2개 단 2기통 모터 등장...루슨트코리아, 이중고정자 구조 고효율 모터 세계 첫 개발〉, 《전자신문》, 2016-05-16
- 〈전기차 모터에 대해 알아보자〉, 《이브이포스트》, 2018-09-09
- 현대자동차그룹, 〈전기차 백과사전 A to Z 쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리〉, 《현대모터그룹 저널》, 2020-03-16
- 김서현, 〈전기자동차의 심장, 전기모터〉, 《타고》, 2020-12-01
- 이슬, 〈자동차 부품 이야기〉, 《타고》, 2020-12-07
같이 보기[편집]
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