직류전동기
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1. 개요
직류 전동기는 전류가 흐르는 코일이 생성하는 자기장과 고정자 자석의 자기장 간 상호 작용을 이용하여 회전력을 발생시키는 전동기이다. 직류 전동기는 고정자 자석 종류, 정류 방식, 회전자 종류에 따라 분류되며, 브러시 직류 모터와 무브러시 직류 모터로 구분된다. 직류 전동기는 전기 자동차, 철도, 공구 등 다양한 분야에서 활용되며, 속도 제어가 용이하다는 장점을 가진다.
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| 직류전동기 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 종류 | 전동기 |
| 작동 방식 | 직류 |
| 전원 | 직류 |
| 작동 원리 | 전자기력 |
| 용도 | 다양한 산업 및 응용 분야 |
| 구조 및 작동 원리 | |
| 주요 구성 요소 | 고정자 회전자 정류자 브러시 |
| 작동 원리 설명 | 전류가 흐르는 도체가 자기장 내에서 힘을 받아 회전하는 원리를 이용 |
| 회전 방향 | 전류 방향과 자기장 방향에 따라 결정됨 (플레밍의 왼손 법칙) |
| 속도 제어 | 인가 전압 또는 전류를 조절하여 속도 제어 가능 |
| 유형 | |
| 계자 방식에 따른 분류 | 직권 전동기 분권 전동기 복권 전동기 영구 자석 전동기 |
| 브러시 유무에 따른 분류 | 브러시 직류 전동기 브러시리스 직류 전동기 |
| 장점 | |
| 제어 용이성 | 속도 및 토크 제어가 용이 |
| 구조 단순성 | 구조가 비교적 단순하고 제작 비용이 저렴 |
| 시동 토크 | 시동 토크가 비교적 높음 |
| 단점 | |
| 브러시 마모 | 브러시 사용 시 마모로 인한 유지 보수 필요 |
| 전력 손실 | 브러시 접촉으로 인한 전력 손실 발생 가능 |
| 정류자 문제 | 정류자 불꽃으로 인한 소음 및 수명 단축 |
| 응용 분야 | |
| 산업 분야 | 전기 자동차 로봇 공작 기계 가전제품 |
| 기타 | 모터 드라이브 제어 시스템 자동화 장비 |
| 추가 정보 | |
| 관련 기술 | 모터 제어 전력 전자 제어 공학 |
| 참고 자료 | 전동기 관련 자료 참고 |
2. 전자기 모터
전류가 흐르는 코일은 코일 중심에 정렬된 전자기장을 생성한다. 이 자기장의 방향과 크기는 코일을 통과하는 전류의 방향과 크기에 따라 변경될 수 있다.
2. 1. 직류 모터의 기본 구조
간단한 직류 모터는 고정자에 고정된 자석 세트와, 자기장을 집중시키는 연철 코어에 감긴 하나 이상의 절연 와이어 권선으로 이루어진 전기자를 가지고 있다.[3] 권선은 일반적으로 코어 주위에 여러 번 감겨 있으며, 대형 모터의 경우 병렬 전류 경로가 여러 개 있을 수 있다.[3] 와이어 권선의 양 끝은 정류자에 연결된다.[3] 정류자는 각 전기자 코일이 차례로 통전되도록 하고, 브러시를 통해 회전하는 코일을 외부 전원에 연결한다.[3] (브러시리스 직류 모터는 각 코일에 직류 전류를 켜고 끄는 전자 장치를 가지고 있으며 브러시가 없다.)[3]2. 2. 직류 모터의 작동 원리
코일에 전류가 흐르면 전자기장이 생성된다. 이 전자기장의 방향과 크기는 코일을 통과하는 전류의 방향과 크기에 따라 달라진다.간단한 직류 모터는 고정자에 고정된 자석과, 연철 코어에 감긴 하나 이상의 절연 와이어 권선으로 구성된 전기자를 가진다. 권선은 보통 코어 주위에 여러 번 감기며, 큰 모터에는 여러 개의 병렬 전류 경로가 있을 수 있다. 와이어 권선의 양 끝은 정류자에 연결된다. 정류자는 브러시를 통해 회전하는 코일을 외부 전원에 연결하여 각 전기자 코일에 순차적으로 전기를 공급한다. (브러시리스 직류 모터는 전자 장치를 사용하여 각 코일에 직류 전류를 켜고 끄므로 브러시가 없다.)
코일에 공급되는 전류의 양, 코일의 크기, 그리고 코일이 감긴 물질은 생성되는 전자기장의 세기를 결정한다.
특정 코일의 켜짐 또는 꺼짐 순서에 따라 유효 전자기장의 방향이 결정된다. 코일을 순차적으로 켜고 끄면 회전하는 자기장을 생성할 수 있다. 이 회전 자기장은 모터의 고정자(영구 자석 또는 전자석)의 자기장과 상호 작용하여 전기자에 토크를 발생시켜 회전하게 한다. 일부 직류 모터 설계에서는 고정자가 전자석을 사용하여 자기장을 생성하므로 모터를 더 잘 제어할 수 있다.
고출력 직류 모터는 거의 항상 강제 공기를 사용하여 냉각된다.
2. 3. 직류 모터의 속도 제어
직류 모터의 속도는 전기자에 인가되는 전압을 변경하여 제어할 수 있다. 전기자 회로 또는 자기장 회로에 가변 저항을 넣어 속도를 제어하는 것도 가능하다. 최신 직류 모터는 전력 전자 장치 시스템에 의해 제어되기도 하는데, 이 시스템은 직류 전류를 실효 전압이 낮은 켜짐 및 꺼짐 사이클로 "잘게 쪼개는" 방식으로 작동한다.[8]토크가 일정한 부하를 받고 회전할 때 계자 전류를 크게 하면 속도는 감소한다.[8]
3. 직류 모터의 분류
직류 모터는 고정자와 전기자의 자기장 수와 연결 방식에 따라 고유한 속도와 토크 조절 특성을 갖는다. 속도는 전기자에 인가되는 전압을 변경하거나, 전기자 회로 또는 자기장 회로에 가변 저항을 넣어 제어할 수 있다. 최신 직류 모터는 전력 전자 장치 시스템으로 제어되며, 직류 전류를 낮은 실효 전압의 켜짐/꺼짐 사이클로 잘게 쪼개는 방식을 사용한다.[6][7]
전기 기관차 및 트램과 같은 견인 응용 분야에는 저속에서 최대 토크를 내는 직렬 권선 직류 모터가 주로 사용된다. 직류 모터는 오랫동안 전기 및 디젤 전기 기관차, 노면 전차/트램, 디젤 전기 시추 장비의 견인 구동 장치로 활용되었다. 1870년대 직류 모터와 전력망 시스템 도입은 제2차 산업 혁명을 일으켰다. 직류 모터는 충전식 배터리로 작동하여 최초의 전기 자동차, 오늘날의 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에 동력을 제공하고, 수많은 무선 공구도 구동한다. 장난감, 디스크 드라이브부터 제철소, 제지 기계 작동용 대형 모터까지 다양한 분야에서 사용된다. 과거 광산 호이스트의 와인더 구동 장치에는 별도 여자 자기장이 있는 대형 직류 모터가 사용되어 높은 토크와 사이리스터 구동 장치를 통한 부드러운 속도 제어가 가능했지만, 최근에는 가변 주파수 구동 장치가 있는 대형 AC 모터로 대체되었다.[6][7]
직류 모터에 외부 기계적 동력이 가해지면 다이나모라는 직류 발전기 역할을 한다. 이 기능은 하이브리드 및 전기 자동차의 배터리 충전, 노면 전차 또는 전기 동력 열차 감속 시 전력망으로 전력을 회생하는 재생 제동에 사용된다. 디젤 전기 기관차는 직류 모터를 발전기로 사용해 속도를 늦추지만, 에너지는 저항 스택에서 소산된다. 최신 설계는 대형 배터리 팩을 추가하여 에너지 일부를 회수한다.[6][7]
3. 1. 정류 방식에 따른 분류
직류전동기는 정류 방식에 따라 크게 브러시 직류 모터, 무브러시 직류 모터, 비정류 직류 모터로 분류할 수 있다.- 직류 브러시 모터: 내부 정류자와 브러시를 통해 전류 방향을 전환하여 회전력을 얻는 방식이다.
- 영구자석계자형 정류자 전동기
- 철심 전동기: 완구 등에 사용된다.
- 무철심 전동기: 휴대전화의 진동 모터 등에 사용된다.
- 전자석계자형 정류자 전동기
- 직권 정류자 전동기: 전기 철도에 사용된다.
- 분권 정류자 전동기: 디젤 기관차나 엘리베이터에 사용된다.
- 복권 정류자 전동기: 주로 계자 초퍼 제어와 조합하여 전기 철도에 사용된다.
- 무브러시 DC 전동기: 브러시와 정류자 없이 전자적인 제어를 통해 회전력을 얻는 방식이다.
- 인너 로터형: 전동 RC카의 주행용 모터에 사용된다.
- 아우터 로터형: 컴퓨터의 FDD나 냉각 팬 등에 사용된다.
- 비정류 직류 모터: 정류 과정이 필요 없는 특수한 형태의 모터이다.
- 단극 발전기: 회전축을 따라 자기장을 가지며, 어떤 지점에서는 자기장과 평행하지 않은 전류를 갖는다. 극성 변화가 없어 단극 발전기라고 불리며, 단일 회전 코일을 가지므로 매우 낮은 전압으로 제한된다.
- 볼 베어링 모터: 두 개의 볼 베어링 유형 베어링으로 구성된 전동기로, 내륜은 공통 도전성 샤프트에, 외륜은 고전류, 저전압 전원에 연결된다.
3. 1. 1. 브러시 직류 모터 (Brushed DC Motor)
브러시 직류 전동기는 내부 정류, 고정 자석(영구 또는 전자석), 회전하는 전자석을 사용하여 모터에 공급되는 직류 전력으로부터 직접 토크를 생성한다.
브러시 직류 모터는 초기 비용이 저렴하고, 신뢰성이 높으며, 모터 속도 제어가 간단하다는 장점이 있다. 단점으로는 고강도 사용 시 유지보수가 많고 수명이 짧다는 점이 있다. 유지보수에는 전류를 전달하는 탄소 브러시와 스프링을 정기적으로 교체하고, 정류자를 청소하거나 교체하는 작업이 포함된다. 이러한 구성 요소는 모터 외부에서 모터 내부 회전자의 회전하는 와이어 권선으로 전력을 전달하는 데 필요하다.
브러시는 보통 흑연이나 탄소로 만들어지며, 전도성을 높이기 위해 분산된 구리가 첨가되기도 한다. 사용 중에는 부드러운 브러시 재료가 정류자의 직경에 맞게 마모되고 계속 마모된다. 브러시 홀더에는 브러시가 짧아짐에 따라 압력을 유지하는 스프링이 있다. 1A 또는 2A 이상을 전달하는 브러시의 경우, 플라잉 리드가 브러시에 몰딩되어 모터 단자에 연결된다. 매우 작은 브러시는 금속 브러시 홀더와 슬라이딩 접촉하여 전류를 브러시로 전달하거나, 브러시 끝에 압력을 가하는 접점 스프링에 의존한다. 장난감 등에 사용되는 작고 수명이 짧은 모터의 브러시는 정류자와 접촉하는 접힌 금속 조각으로 만들어질 수 있다.
3. 1. 2. 무브러시 직류 모터 (Brushless DC Motor)
일반적인 무브러시 DC 모터는 로터에 하나 이상의 영구 자석을 사용하고, 고정자에는 전자석을 사용한다. 모터 컨트롤러는 DC를 AC로 변환한다. 이 설계는 브러시 모터보다 기계적으로 단순한데, 회전하는 로터 외부에서 모터로 전력을 전달하는 복잡한 과정이 필요 없기 때문이다. 모터 컨트롤러는 홀 효과 센서 등을 통해 로터의 위치를 감지하고 로터 코일의 전류 시기를 정밀하게 제어하여 토크를 최적화하고, 전력을 절약하며, 속도를 조절하고, 제동을 적용할 수 있다. 무브러시 모터의 장점은 수명이 길고, 유지보수가 거의 필요 없으며, 효율이 높다는 점이다. 단점은 초기 비용이 높고, 모터 속도 제어기가 더 복잡하다는 점이다. 이러한 무브러시 모터 중 일부는 외부 전원 공급 장치와 동기화할 필요가 없음에도 불구하고 "동기 모터"라고 불리기도 한다.[6][7]- 인너 로터형: 전동 RC카의 주행용 모터에 사용된다.
- 아우터 로터형: 컴퓨터의 FDD나 냉각 팬 등에 사용된다.
3. 1. 3. 비정류 직류 모터 (Uncommutated DC Motor)
- 단극 발전기 – 단극 발전기는 회전축을 따라 자기장을 가지고 있으며, 어떤 지점에서는 자기장과 평행하지 않은 전류를 갖는다. 단극이라는 이름은 극성 변화가 없다는 것을 의미한다. 단극 발전기는 반드시 단일 회전 코일을 가지므로 매우 낮은 전압으로 제한되며, 이는 이러한 유형의 모터의 실용적인 응용을 제한한다.[1]
- 볼 베어링 모터 – 볼 베어링 모터는 두 개의 볼 베어링 유형 베어링으로 구성된 특이한 전동기로, 내륜은 공통 도전성 샤프트에 장착되고 외륜은 고전류, 저전압 전원에 연결된다. 다른 구조로는 외륜을 금속 튜브 내부에 장착하고 내륜은 비전도성 부분(예: 절연봉의 두 슬리브)이 있는 샤프트에 장착하는 방식이 있다. 이 방법은 튜브가 플라이휠 역할을 한다는 장점이 있다. 회전 방향은 일반적으로 작동을 시작하는 데 필요한 초기 회전에 의해 결정된다.[2]
3. 2. 고정자 자석 종류에 따른 분류
영구자석 전동기는 고정자에 여자 권선 대신 영구자석(PM)을 사용하여 회전자 자기장과 상호작용해 토크를 발생시키는 자기장을 제공한다. 이 자기장은 고정되어 있어 속도 제어를 위해 조정할 수 없다. 영구자석 자기장(고정자)은 여자 권선에 필요한 전력을 소비하지 않아 소형 모터에 적합하다. 반면, 대형 영구자석은 비용이 많이 들고 조립이 위험하며 어렵기 때문에 대형 기계에는 전자석을 사용하는 권선형 고정자가 유리하다.[1]과거에는 영구자석이 분해되면 높은 자속을 유지할 수 없어, 필요한 자속을 얻기 위해 여자 권선이 더 실용적이었다. 그러나 네오디뮴 등 전략적 요소로 만들어진 고에너지 자석은 소형 영구자석 모터의 전체 무게와 크기를 최소화 할 수 있다.
직류 전동기의 고정자와 회전자 사이에는 직렬, 병렬 및 복합(직렬과 병렬의 다양한 조합)의 세 가지 전기적 연결 방식이 있으며, 각각은 서로 다른 부하 토크 프로필/특성에 적합한 고유한 속도/토크 특성을 가지고 있다.
직류정류자 전동기는 크게 영구자석계자형과 전자석계자형으로 나뉜다.
- 영구자석계자형은 다시 철심 전동기(완구 등에 사용)와 무철심 전동기(코어리스 모터, 휴대전화 진동 모터 등에 사용)로 나뉜다.
- 전자석계자형은 다시 직권(전기 철도), 분권(디젤 기관차, 엘리베이터), 복권(주로 계자 초퍼 제어와 조합하여 전기 철도) 정류자 전동기로 나뉜다.
무정류자 전동기는 인너 로터형(전동 RC카 주행용 모터)과 아우터 로터형(컴퓨터 FDD, 냉각 팬 등)으로 나뉜다.[6][7]
3. 2. 1. 영구자석 고정자 (Permanent Magnet Stator)
영구자석 전동기는 고정자에 여자 권선 대신 영구자석(PM)을 사용하여 회전자 자기장과 상호작용해 토크를 발생시키는 자기장을 제공한다. 큰 모터에는 보상 권선이 전기자와 직렬로 연결되어 부하 상태에서 정류를 개선할 수 있다. 이 자기장은 고정되어 있어 속도 제어를 위해 조정할 수 없다. 영구자석 자기장(고정자)은 여자 권선에 필요한 전력을 소비하지 않아 소형 모터에 적합하다.과거에는 영구자석이 분해되면 높은 자속을 유지할 수 없어, 필요한 자속을 얻기 위해 여자 권선이 더 실용적이었다. 그러나 대형 영구자석은 비용이 많이 들고 조립이 위험하며 어렵기 때문에 대형 기계에는 권선형 여자가 유리하다.
전체 무게와 크기를 최소화하기 위해 소형 영구자석 모터는 네오디뮴 등 전략적 요소로 만들어진 고에너지 자석을 사용할 수 있다. 대부분 네오디뮴-철-붕소 합금이다. 고에너지 영구자석을 사용하는 전기 기계는 높은 자속 밀도로 최적 설계된 단상 공급 동기 및 유도 전기 기계와 경쟁력이 있다. 소형 모터는 회전자 위치에 관계없이 시동을 보장하기 위해 회전자 극이 3개 이상이며, 외부 하우징은 곡선형 자석의 외부를 자기적으로 연결하는 강철 튜브이다.
3. 2. 2. 권선형 고정자 (Wound Stator)
고정자는 권선(코일)을 감아 전자석을 만들어 자기장을 생성하는 방식으로, 주로 대형 직류 전동기에 사용된다.- '''전자석계자형 정류자 전동기'''
직류정류자 전동기의 한 종류이다.
- '''직권 정류자 전동기''': 전기 철도에 사용된다.
- '''분권 정류자 전동기''': 디젤 기관차나 엘리베이터에 사용된다.
- '''복권 정류자 전동기''': 주로 계자 초퍼 제어와 조합하여 전기 철도에 사용된다.
3. 3. 회전자 종류에 따른 분류
회전자 종류에 따른 직류 전동기 분류는 다음과 같다.[6]- '''인너 로터형''': 전동 RC카 주행용 모터에 사용된다.[7]
- '''아우터 로터형''': 컴퓨터 FDD나 냉각 팬 등에 사용된다.
4. 직류 모터의 활용
직렬 권선 직류 모터는 저속에서 최대 토크를 발휘하기 때문에 전기 기관차 및 트램과 같은 견인 응용 분야에 주로 사용되었다. 직류 모터는 전기 및 디젤 전기 기관차, 노면 전차, 디젤 전기 시추 장비의 전기 견인 구동 장치로도 사용되었다. 1870년대부터 기계 작동에 직류 모터와 전력망 시스템이 도입되면서 제2차 산업 혁명이 시작되었다. 직류 모터는 충전식 배터리에서 직접 작동하여 최초의 전기 자동차와 오늘날의 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 동력을 제공하며, 무선 공구를 구동하기도 한다. 오늘날 직류 모터는 장난감과 디스크 드라이브와 같은 작은 응용 분야부터 제철소 및 제지 기계를 작동하는 대형 크기까지 여전히 사용된다. 별도 여기 자기장이 있는 대형 직류 모터는 과거에 광산 호이스트의 와인더 구동 장치에 사용되어 높은 토크와 사이리스터 구동 장치를 사용한 부드러운 속도 제어를 제공했지만, 최근에는 가변 주파수 구동 장치가 있는 대형 AC 모터로 대체되었다.
외부 기계적 동력이 직류 모터에 인가되면 직류 발전기인 다이나모 역할을 한다. 이 기능은 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 배터리를 감속하고 충전하거나 노면 전차 또는 전기 동력 열차 선로에서 감속할 때 전력을 전력망으로 되돌려 보내는 재생 제동에 사용된다. 디젤 전기 기관차에서는 직류 모터를 발전기로 사용하여 속도를 늦추지만 에너지를 저항 스택에서 소산시킨다. 최신 설계에서는 대형 배터리 팩을 추가하여 이 에너지의 일부를 회수한다.
참조
[1]
서적
Industrial Motor Control
https://books.google[...]
Delmar, Cengage Learning
2010
[2]
웹사이트
DC Series Motors: High Starting Torque but No Load Operation Ill-Advised
http://www.ohioelect[...]
Ohio Electric Motors
2011-10-31
[3]
웹사이트
Universal motor, Construction and working characteristics
http://www.electrica[...]
2015-04-27
[4]
서적
Electrical engineer's reference book
https://books.google[...]
Newnes
2003
[5]
서적
Handbook of small electric motors
https://books.google[...]
McGraw-Hill Professional
2001
[6]
웹사이트
2-2-2 ブラシレスDCモータの構造と用途
http://www.nidec.com[...]
日本電産（現・ニデック）
2016-05-02
[7]
웹사이트
TS50A & Super Fast Type-C コンボセット
http://www.gforce-ho[...]
株式会社ジーフォース
2016-05-02
[8]
문서
電気主任技術者国家試験問題平成16年度第3種
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