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Motor
1. 엔진의 유의어
라틴어의 "moto"(움직인다)에서 온 단어로 에너지를 받아들여 "일"을 하는 원동기, 즉 엔진을 의미한다.형태를 막론하고 에너지를 공급받아 이를 어떤 기계적인 움직임으로 변환하는 장치면 전부 모터라고 부를 수 있다. 공급되는 에너지의 형태는 전기, 열, 압력, 탄성까지 매우 다양해서 전기 모터부터 시작해서 로켓이나 내연기관도 전부 모터라고 부를 수 있다. 반대로 같은 운동에너지를 받아서 방향만 바꿔 출력하는, 예를 들어 물레방아나 풍차와 같은 기계는 기계적인 움직임의 근원이라고 볼 수 없으므로 모터라고 부르지 않는다.다만 한국에서 모터라고 하면 십중팔구 아래 전기 모터, 즉 전동기를 의미한다. 영어 등에서는 자동차를 모터 카(Motor Car)나 모터 비히클(Motor Vehicle), 오토바이를 모터 사이클(Motor Cycle)이라고 부르는 등, 우리나라보다 좀 더 넓은 의미의 원동기로서 엔진과 거의 동격의 뜻을 가지는 경우가 많다. 그러니 외국어로 된 글을 읽다가 모터라는 단어가 나왔다고 해서 "로켓 모터? 로켓에 쓰이는 전동기인가?"하는 착각을 하지 말도록 하자.[1]
2. Electric Motor(전동기)
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직류 전동기(모터)의 작동원리
우리말로 그냥 모터라고 하면 대개 전기 모터를 의미한다. 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 기계적인 운동으로 바꾸며, 전동기라고도 한다. 자세한 내용은 직류전동기와 교류전동기를 참고하자.
전기 모터는 플레밍의 왼손 법칙을 응용한 엔진이다. 거의 모든 엔진들은 열기관으로 열원을 이용해 압력을 발생시켜 그 힘으로 일을 하는데 비해, 전기 모터는 열기관이 아니라는 점에서 독특한 엔진이다.
전기 모터는 회전자(로터 rotor)와 고정자(스테이터 stator)로 구성되며, 영구 자석이나 전자석이 생성하는 자기장 안에서 전기장을 형성할 때 발생하는 힘( 로렌츠 힘)으로 일을 하는 장치다. 회전자와 고정자 중 어느 쪽이 자석인지, 영구자석 모터와 전자석 모터는 어떤 장단점이 있는지 등의 자세한 내용은 직류전동기 및 교류전동기 문서에 나와있다.
영구 자석 모터의 경우 영구 자석의 자기력이 강할 수록 성능이 좋다. 그래서 고성능의 영구 자석 모터는 현존하는 최고 성능 자석인 네오디뮴 자석을 넣는다.
모터를 고정시킨 채로 내버려두면 터진다. 정상적으로 회전하고 있을 때는 모터의 코일이 회전하면서 발생하는 역기전력이 전류를 제한하여 터지지 않는다.[2] 하지만 모터가 어딘가에 걸려 정지해 있을 때에는 역기전력이 없어져서 전류가 과도하게 흘러 모터가 터질 수 있다. 위기탈출 넘버원에서 선풍기의 날개가 걸려서 멈출 경우 모터가 터질 수 있으니 사용하지 말라는 내용의 방송을 한 적도 있다. 실제로 모터가 들어간 기계가 고장나는 주된 원인 중 하나로 모터가 과도한 힘을 받아 전류가 과도하게 흘러 코일이나 회로가 손상을 입은 경우가 많다. 서보모터나 스탭모터 같이 정지한 상태를 유지해야 히는 모터는 대부분 제대로 된 모터 드라이버가 필요하다.
또한 모터가 처음 기동할 때에도 많은 전류가 흐른다. 이 기동 전류를 제한하여 주기 위해 사용하는 부품이 소프트 스타터이다.
그 예시 중 하나로 자동차 파워스티어링용 모터가 있다. 이 모터는 선풍기나 에어컨의 모터처럼 그냥 회전하는 용도가 아니라 핸들을 돌릴 때에 맞춰서 토크를 내는 역할을 한다. 때문에 모터가 거의 회전하지 않아서 역기전력이 거의 없기에 이 시스템은 엄청난 전류를 사용한다. 하지만 모터 드라이버가 전압을 적정 수준으로 제한하기 때문에 전력소비가 생각보다는 크지 않으며, 안전한 사용이 가능하다.
3. 액츄에이터와의 구분
액츄에이터(actuator)는 어떤 동작을 일으키는 장치를 뜻하며 우리말로는 흔히 구동기 또는 작동기라고 부른다. 의미가 모터와 비슷해서 모터와 액츄에이터를 혼동하거나 이상하게 혼용하는 경우가 종종 있는데 그러지 않도록 주의해야 한다. 모터는 "원동기"의 의미가 강하지만 액츄에이터는 원하는 움직임을 구현하는 "시스템"의 의미가 더 강하므로 의미가 완전히 다르다.예를들어 사람이 앞에 서면 자동으로 열고 닫히는 자동문을 생각해보자. 자동문은 직선운동을 하지만 자동문을 구동하기 위한 원동기는 주로 전동기로 구성되며, 이 전동기는 일반적으로 회전 운동을 한다. 일반적으로는 순수하게 "원동기"만 가지고 직선 운동을 만들기보다는 웜 기어등으로 회전 운동을 직선 운동으로 바꿔줌으로써 자동문의 직선운동을 구현하게 되는데[3] 이 때 움직임의 근원이 되는 전기 모터가 모터가 되고 모터와 기어를 모두 포함하여 시스템이 필요로 하는 기계적인 움직임으로 변환하는 구동 시스템이 액츄에이터가 된다.
자동차와 같이 원동기와 최종출력 사이에 어떤 동력변환이 필요한 경우에도 액츄에이터와 모터가 분리된다. 예를들어 엔진의 운동과 자동차가 필요로 하는 바퀴의 운동은 "회전"이므로 운동의 형태는 동일하지만 그렇다고 해서 멍청하게 바퀴 하나에 내연기관 하나씩을 다이렉트로 꽂아버릴 수는 없는 노릇이다. 엔진과 바퀴 사이에는 동력을 적절하게 분배하기 위한 파워트레인과 회전력의 특성을 제어하기 위한 변속기도 필요하다. 이 때 내연기관 엔진이 모터가 되고, 엔진과 함께 파워트레인, 변속기 등을 모두 포함한 바퀴 구동 시스템이 액츄에이터가 된다.
사람을 비롯한 생물체의 여러 기관과 관절을 구동하는 근육도 모터보다는 액츄에이터로써 골격계와 같이 소개되는 경우가 많다.
이들이 자주 혼동 되는 이유는 모터가 곧 액츄에이터가 되는 시스템도 많기 때문이다. 모터의 회전운동으로 바로 팬을 돌려서 바람을 만드는 선풍기 같은게 그렇다. 이런 경우는 방금 말했다시피 얘가 모터냐 액츄에이터냐를 따질 필요가 없고 그냥 모터이자 액츄에이터라고 하면 된다. 시스템이 필요로 하는 기계적 운동을 모터가 별도의 변환 없이 바로 만들 수 있으므로 모터가 곧 액츄에이터가 되었을 뿐이다.
4. 종류
5. 기타
크기도 크고 출력도 큰 대형 전동기는 뒷면에 어느 방향으로 회전해도 바람을 일으키는 프로펠러가 숨어 있어서 전동기 구동시 일부는 전동기의 외부로, 대다수는 전동기의 내부로 바람이 향해서 쿨러의 역할을 해준다.5.1. 미니카의 모터(FA130)
위의 모터들은 최상급에 속하는 모터로 플라즈마대쉬 모터만 빼고(9800원 한다) 5만 원을 훌쩍넘는 시가를 자랑한다.
미니카의 가장 중요한 요소로서 대부분의 동네 미니카 경주대회는 거진 이걸로 승패가 좌우된다. 그래서 좋은 모터를 지르려고 용돈을 모으는 사람도 존재할 정도. 만일 돈이 없는 사람들이라면 모터의 뚜껑을 따고 더 긴 코일을 감아서 속도를 빠르게 하기도 한다.
과거에는 통상적으로 노멀<블랙≤실버<<<< 넘사벽<<<<블랙레드<골드블랙 순이였지만 인터넷이 발달하고 외산모터를 구하기 쉬워짐에 따라 색으로 성능을 구분하는 것 자체가 무의미해졌다. 다만 좋은 모터는 금장을 취한 경우가 많기는 하다.
모터의 스피드 측정은, 무부하 회전수와 부하 회전수로 측정하는데, 여기서 무부하 회전수는 미니카에 설치하지 않고 그냥 모터만 돌렸을때 1분당 회전수를 측정하는 것이고 부하 회전수는 미니카를 굴릴때 모터가 분당 얼마나 회전하느냐를 측정하는 것이다. 무부하 회전수가 분당 20000회 이상인 모터부터 질 좋은 모터에 속한다. 심지어 중국 제품 중에 회전수가 분당 180000을 넘는 제품도 있었다.
이론적으로 부하 회전수가 높을 수록 좋은 모터라고 생각할지 모르나 부하가 걸리는 것이 미니카를 어떻게 설계하느냐에 따라 이론적인 수치보다 더 높게 나올수도 낮게 나올수도 있다. 일반적으로 명시되어 있는 부하 회전수는 평범한 설계품을 전제로 한 수치이기 때문에 전적으로 신뢰하기는 곤란한 측면이 있다. 얼마나 고수이고 일가견이 있느냐에 따라 충분히 극복할 수도 있는 수치다.
그리고 회전수 못지 않은게 토크인데, 말 그대로 모터의 파워를 말하는 것으로서 아무리 회전수가 빨라도 토크가 작으면 결국엔 느려진다. 예를 들어 타미야의 모터 가운데 지금은 단종된 제트 대쉬 모터는 회전수에 있어서 울트라 대쉬와 플라즈마 대쉬에 떨어지지만 토크가 워낙에 강력해서 뒤의 두 모터보다 더 빨랐다. 물론 이것 또한 개조로 극복할 수 있는 수치이므로 참고하기만 하자.
모터가 빠르다고 해서 무조건 미니카가 제대로 굴러가는 것이 아니라 차가 뜨지 않는 것이 중요하다. 일각에서는 무게추를 달아 상쇄시키면 된다고 하지만 절대 좋은 방법이 아니며 오히려 차를 느리게 하는 주범이다. 적당한 미니카의 무게는 100~120g이다.[8] 이 이상 넘어가면 느려진다. 설계를 다시하고 개조해서 이러한 현상을 극복하도록 하자. 미니카에 스타비라고 해서 봉을 다는 방법이 있는데 코너링 시 원심력에 의해서 이탈하는 걸 방지해준다. 다만 이것만으로도 블랙모터로 안날라간다는 보장을 못한다. 현재에는 에끝이라는 현존하는 가공, 튜닝방법으로 현존 튜닝, 가공 방법 중에서 가장 빠르게 만들 수 있지만 이 방법은 플라즈마 대쉬 아랫급인 스프린트 대쉬를 쓰는데 스프린트 대쉬가 굴리는 중에 길들여져서 일정 RPM이 넘어가면 날아가는데 플라즈마 대쉬 모터는 더더욱...
그리고 일부러 질낮은 모터를 구입해서 더 긴 코일을 감아
사용하는 전력도 중요한데 위에 언급된 고급 모터는 동네 싸구려 전지로는 아예 돌아가지도 않는 상황이 있어서 그 당시로는 비싼 물건인 충전식 전지를 써야 했다. 현재는 돈좀 있다면 다들 사는 수준으로 살 수 있다. 보통은 1000mAh이하인 배터리를 동호인들이 애용하는데 이유는 배터리 용량이 크면 클수록 무게가 늘어나서 속도에 불리할 뿐더러 미니카에서는 1000mAh면 충분하기 때문이다.
미니카를 좋아한다면 싸구려 모터를 무리해서 굴릴 때 나는 독특한 냄새를 맡아본 적이 있을 것이다. 이 냄새는 모터의 브러시에 들어가는 흑연이 마모되면서 나는 냄새라고도 하고 모터 내에서 방전이 발생하며 오존이 생성돼서 나는 냄새라고도 하는데, 아무튼 특이한 냄새다. 어느 쪽이건 많이 들이마셔서 몸에 좋을 것은 없으니 가급적 맡지 않도록 하자.
미니카 이외에는 조이드나 모터라이즈 프라모델에 사용된다. 여기에 동봉되어있는 모터를 빼고 미니카에 쓰이는 빠른 모터를 넣어보면 재미는 있으나, 뒷일은 책임지지 않는다. 모터의 출력을 이기지 못하고 부서지거나, 잡지도 못하고 벽이나 장애물 같은 것에 부딪혀서 파괴될 수 있다.
[1]
덧붙이자면 로켓 모터는 로켓이나 미사일의 추진 장치다.
[2]
발전기의 원리와 동일하다.
[3]
모터를 적절히 배치해서 자동차의 바퀴처럼
회전 운동을 바로 직선 운동으로 바꿀 수도 있기는 한데 지금 이야기에서 그건 중요한게 아니니 쓸데없는 생각은 하지 말자.
[4]
현재 사용되는 대부분의 전동기가 여기에 해당된다. 고정자가 회전자를 감싸는 형태.
[5]
마이클 패러데이가 최초로 고안한 전동기 형태로, 고정자와 회전자가 평행하게 배치되어 있다. 방사형 자속 전동기보다 (일에 참여하는) 자기장 영역의 밀도가 훨씬 높다. 때문에 전력 효율이 좋고 부피가 작으며, 중량대비 강력한 토크와 출력을 자랑한다. 구조상 냉각이 어려워 아직은 연구 단계이지만, 상기한 장점들 때문에 전기차나 항공분야에서의 전망이 좋다.
[6]
직류와 교류에서 모두 사용 가능하도록 한 모터이다. 크기에 비해 토크가 매우 높고 회전수가 빨라 주로 고출력을 필요하는 소형 가전(청소기, 전동드릴, 믹서기 등)에 주로 사용된다. 이것도 두가지로 나눠주는데, 고정자에 코일을 감아놓은 방식이랑 정류기를 이용한 방식이 있다. 이 전동기는 출력밀도 특성상 브러시를 이용하기 때문에 노이즈가 많고 소음이 크다는 단점이 있다. 더불어 고속으로 회전하니 브러시의 수명도 짧다. 일반적으로 직교류 겸용 모터를 사용하는 청소기의 임펠러 회전수는 27000rpm~38000rpm 정도나 된다. 믹서기를 사용할때 나는 특유의 탄내도 이 모터에서 나는 것이다.
[7]
리니어 모터. 기존 모터의 구조를 평평하게 펴서 직선 운동을 할 수 있게 만든 것으로 생각하면 된다.
[8]
뚜껑과 충전지를 모두 넣고 측정한 수치를 말한다.