살다보면...

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.

1. DC브러쉬모터

일반적인 DC모터입니다. 플레밍의 왼손법칙을 이용한 전동기로서, Commutation(전류를 흘렸다 끊었다 하는 일련의 과정)마다 전류의 방향을 반대로 해주어야 하기 때문에, 필시 브러시라는 기계적인 요소가 필요합니다. 브러시는 정류자편에 전류를 공급해 주지만, 기계적인 요소라, 브러시가 닳아 없어지는 단점이 있습니다. 따라서 주기적으로 브러시를 교체하지 않으면 안됩니다. 또한 브러시가 닳아가면서 모터의 성능또한 저하되고, 분진이 날리는 등 환경적인 문제가 대두됩니다.
장점은 제어가 간편하고, 토오크가 전류에 비례하므로 단순히 전류제어만으로 토오크 직접제어를 행할 수 있습니다.

2. BLDC(BrushLess DC)모터, PMSM(Permanent Magnet Syncronous Motor), Syncronous Motor(동기전동기)

BLDC, PMSM 둘다 기본적인 구조는 비슷합니다. 대개 3상으로 구성되어 있습니다. 단지 두개의 차이라면, 역기전력(Back EMF)가 사다리꼴파인가 정현파인가의 차이입니다.

BLDC는 대부분 집중권으로 권선이 감겨져 있고, PMSM은 분산권으로 권선이 감겨져 있습니다.

PMSM의 경우는 요즈음의 대부분의 산업용 서보모터의 방식입니다. 회전하는 부분(회전자)는 영구자석으로 이루어져 있고,전류를 주는 부분(고정자)는 3상의 권선이 감겨져 있습니다. 3상이기 때문에 3상의 전원을 투입하면 내부에 회전자계가 생겨나고, 회전자(자석)는 회전자계와 동기화(Syncronous)하여 회전하게 됩니다. 브러시가 없기 때문에, 브러시의 마모가 없는 것이 가장 큰 장점이고, 공간벡터제어(Space Vector Control)기법의 상용화로 기존의 DC모터를 대체해가면서 DC모터와 유사한 방법으로 전동기를 제어합니다. 이 또한 토오크 직접제어가 가능하고, 속도제어, 위치제어 등에서 탁월한 성능을 발휘합니다.

BLDC는 최근 많은 연구가 진행되고 있고, 상용화가 한창인 전동기 입니다. PMSM이 주로 정밀 서보용인 반면에, BLDC는 고토오크 및 고속도 제어에 많이 이용됩니다. 미사일의 속도제어, 러닝머신의 벨트제어 등등... 여러가지로 이용되죠.

Syncronous Motor는 PMSM과 완전히 같은 구조입니다만, 차이점이 회전자가 권선으로 사실상 전자석인 구조입니다.
따라서 회전자에 직류전원을 투입해야 전자석이 유지됩니다. Syncronous Motor에는 슬립링(Slip Ring)이라는 구조가 있어서 외부 DC전원을 슬립링을 통해서 회전자에 공급하게 됩니다.
Syncronous Motor는 발전기 및 제철소의 압연기 등의 일정한 속도를 요구하는데 많이 쓰이고, 영구자석으로는 도저히 만들 수 없는 초대형 모터에 주로 사용됩니다. 하지만 최근 희토류자석(현재 발견된 자성체중 가장 강한 자석입니다)등의 저가화에 힘입어 메가와트급 전동기도 영구자석으로 개발되고 있습니다.

3. 유도전동기(Induction Motor)

유도전동기는 변압기의 구조와 완전히 동일하며, 1차측과 2차측이분리된 그러한 형태입니다. 유도전동기는 최초 3상유도전동기가 먼저 상용화 되었고, 후에 일반 단상유도전동기가 상용화됩니다. 이유는 단상전원으로는 회전자계를 만들 수가 없었고, 3상은 각상이 120도의 위상차를 가지면서 공급되므로, 적절한 구조에 의해서 쉽게 3상회전자계를 구성할 수 있기 때문입니다.  단상유도전동기는 보조권선을 첨가하여 자기(磁氣)벡터를 전기벡터와 위상차게 생기게끔해서 회전시킵니다.
유도전동기는 말그대로 회전자에 전류를 유도시킵니다. 회전자는 권선 또는 다람쥐챗바퀴처럼 생긴(농형) 형태로 되어 있습니다. 회전자에는 자석도 없고, 따로 외부에서 전원을 공급해 주지 않지만, 고정자의 회전자계가 회전자를 훑고 지나가면 회전자에서는 발전기와 같은 역할이 되어서, 회전자도 자성체가 됩니다.
회전자는 슬립주파수(Slip Frequency)라는 게 있는데, 회전자의 회전속도는 고정자의 회전자계속도와 일치하지 않습니다. 왜냐하면 완전히 일치하면 회전자계가 훑고 지나갈 수 없으므로 전동기의 토오크는 0가 됩니다. 따라서 늘 회전자계보다 조금 늦은 속도로 회전하게 됩니다.