모터의 원리

모터는 '왼손법칙'을 응용한 것
자계속을 흐르는 전류가 전자력을 받는 것을 살펴보았다. 이 전자력을 교묘하게 응용한 것이 모터이다.
모터는 회전력(回轉力)을 발생시키는 기계로, 흔히 전동기(電動機)라고 부르기도 한다. 좀더 학술적으로 말하면 전기적 에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 공장이나 가정에서 널리 쓰이고 있는데, 가전 제품의 90% 이상이 모터의 힘을 빌리고 있을 정도이다.

그런데 이 모터는 발명된 것이 아니라, 기계조작의 실수로 우연히 발견한 것이다.

1873년 빈에서 세계박람회가 열렸을 때의 이야기이다. 이때 여러대의 발전기가 전시되어 증기기관으로 그 발전기들을 돌려 발전하고 있었다. 그런데 조수 한사람이 배선을 잘못해서 발전중인 발전기와 정지중인 발전기를 접속해 버렸다.

그러자 정지중인 발전기가 갑자기 돌기 시작했던 것이다. 깜짝 놀란 담당자들은 여기에서 힌트를 얻어 모터의 원리를 고안해냈다고 한다. 즉 모터는 발전기와 같은 구조면 된다는 것을 알게 되었던 것이다.

플레밍의 왼손법칙이란?

두 토막의 레일, 알루미늄 파이프, 자석을 다음과 같이 놓은 다음, 레일에 전류를 흘리면 알루미늄 파이프는 레일 위에서 움직이기 시작한다. 이것은 알루미늄 파이프에 전류가 흐르면 자계에서 힘을 받는다는 것을 나타낸다. 자석의 방향을 이리저리 바꾸어 가면서 알루미늄 파이프에 작용하는 힘 F의 방향을 조사해 보면, 항상 전류 I의 방향과 자계 H의 방향사이에는 직각관계가 있다는 것을 알 수 있다. 이와같이 전류와 자계와의 사이에 작용하는 힘을 전자력이라고 한다.

힘 F의 방향을 정하는데 편리한 플레밍의 왼손법칙이 있다.왼손의 가운데손가락, 집게손가락, 엄지손가락을 서로 직각이 되게 벌리고, 가운데손가락을 전류의 방향으로, 집게손가락을 자계의 방향으로 하면 힘의 방향은 엄지손가락이 가리키는 방향이 된다. 이 법칙은 아주 편리한 법칙으로 모터의 회전 방향을 정할 때 등에 필요하다.

그럼 전자력은 어째서 발행하는 것일까.

이들의 자계가 합성되면도선의 왼쪽에서는 양쪽의 자력선이 가해져서 빽빽하게 되고, 오른쪽에서는 양쪽의 자력선이 서로 상쇄되어 드문드문해진다.
자력선은 고무줄처럼 오무러들려는 성질이 있다. 그 때문에 도선은 자력선이 밀집하고 있는 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 힘을 받게 된다. 이것이 자력선의 정체이다.

이 전자력의 크기 F는 자계의 세기 H, 전류의 크기 I, 자계 속의 도선의 길이 ℓ에 비례한다. 즉, FaIHℓ(a는 비례한다는 것을 나타내는 기호) 전자력은 모터, 전기계기(電氣計器) 등에 이용되는 등 전기응용의 중심이 되고 있다.


직류전동기

직류전동기는 계자권선에 직류를 흐르게 하여 여자(勵磁)시킨 전자석이며 이것을 자극(磁極)이라고 한다. 회전 부분은 철심과 이 철심에 있는 슬롯(slot)에 넣은 코일과 전원에서 보내지는 직류를 교류로 바꾸어서 보내는 작용을 하는 정류자(整流子) 등으로 구성되어 있다. 회전 부분 전체를 전기자(電機子)라고 한다.

직류전동기는 계자권선의 전류(이 전류를 여자전류라고 한다)가 어떤 형태로 보내어지는가에 따라서
타려(他勵)· 분권(分捲)· 복권(複捲)· 직권(直捲) 등 4종류로 나누어진다.

이것은 각각 성질이 다르며 용도에 따라 선택해 사용되는데, 계자저항(Rf)의 수치를 가감하여 속도를 조절한다. 타려식에 있어서는 Rf에 의하지 않고 전기자에 가하는 전압 Vt를 변화시켜서 속도를 바꿀 수 있고 속도 제어법으로서는 Rf 를 변화시키는 것보다 Vt를 변화시키는 것이 바람직하지만, 이 경우는 여자용 전원과 전기자의 전원이 별개로 필요하다. 사용되는 예가 가장 많은 것은 분권식인데, 전원이 하나만 있으면 되므로 간편하다. 복권식은 계자권선이 둘로 나누어져 있으므로 부하의 경중에 따라서는 속도의 변화가 거의 일어나지 않게 할 수 있다. 직권식은 전기철도용 전동기로서 널리 사용된다. 그 이유는 회전시초(이것을 시동이라고 한다)에 흐르는 전류량을 적게 해도 큰 힘을 내는 성질이 있기 때문이다. 속도변화는 Vt 또는 저항 Rs 를 변화시키는 방법에 따르고 있다. 직류전동기에는 정류자(整流子)나 브러시가 있으며 교류전동기에 비해 구조도 복잡하고 값도 비싸지만 속도 제어가 매우 자유로운 장점이 있다.


교류전동기

교류전동기를 크게 나누면
① 유도전동기(誘導電動機),

② 동기전동기(同期電動機),

③ 정류자전동기(整流子電動機)등으로 분류된다.

어느 전동기나 대개 50∼60Hz(사이클)의 교류를 전원으로 하지만 드물게는 수백 Hz 또는 그 이상으로 높은 주파수의 전원을 사용하는 예도 있다. 이것은 높은 회전속도를 얻고자 할 경우이다.

①은 대체적으로 정속도(定速度)이고,

②는 완전한 정속도이며,

③은 광범위한 가변속도(可變速度)인 특징을 가지고 있다.

그러나 이것은 다만 일정한 주파수의 전원에 의해 운전할 경우에만 한정된다.