직류전동기

1. 개요2. 원리와 구조3. 직류전동기의 종류4. 직류전동기의 속도제어5. 브러시리스 DC (BLDC) 모터6. 기타

1. 개요

직류 전류를 전원으로 하여 돌아가는 모터를 일컫는다.

2. 원리와 구조

원리는 다음과 같다. 전압을 가하면 브러시와 정류자를 통해 회전자 도선 속에 전류가 흐른다. 이 때 흐른 전류가 주변 자석(고정자)와 상호작용하여, 플레밍의 왼손 법칙에 의해 힘이 생겨난다. 이 힘에 의해 회전자가 계속해서 돌아간다. 가하는 전압에 돌림힘이 정비례하는 지라, 전압만 조절하는 것만으로 속도와 돌림힘을 원하는대로 조절할 수 있다.

설명하기 전에 전동기 구조와 관련하여 일반적으로 전동기에서 고정되는 부분을 고정자(Stator)라고 부르고 회전하는 부분을 회전자(Rotor)라고 부르니 참고하자. 일반적으로 고정자가 바깥쪽, 회전자가 안쪽을 이루지만 바깥 부분이 회전자고 안쪽이 고정자가 되는 아우터(Outer) 로터의 형태도 있다.

직류 전동기의 주요 부분으로는 계자, 전기자, 정류자, 브러시가 있다. 직류 전동기들은 대부분 계자가 고정자이고 전기자가 회전자인 구조를 이루지만 용도에 따라서는 반대로 전기자가 회전자로 가는 회전 전기자형 모터도 있다.

계자(Field Magnet)

주 자속의 생성을 담당한다. 전기자와 상호작용하여 자기회로를 구성하는데 계자가 만들어준 자속을 전기자가 받아 회전력을 얻는다. 필요한 자속만 생성해주기만 하면 되기에 전기자보다는 전류가 비교적 적게 흐르며 자속을 만들기 위해 영구 자석을 이용하거나 전자석을 이용한다. 영구자석을 이용하면 별도의 권선없이 자속을 만들어 낼 수 있지만 자속을 제어하지 못하여 속도조절이 힘들 수 있다. 반면 전자석을 이용하면 별도의 여자전원이 필요하지만 전자석으로 흐르는 전류를 조절하여 전동기의 속도제어가 용이해진다는 장점이 있다. 권선형 계자는 세부적으로는 계철, 자극편, 계자 철심 및 계자 권선으로 되어 있다.

전기자(Armature)

계자가 만들어낸 자속을 끊어내어 플레밍의 왼손 법칙을 통해 토크를 생성한다. 전동기에 전원을 공급해주면 전동기가 회전하는데 이때 전원의 전류가 흐르는 곳이 바로 이 전기자이다. 공급하는 전류가 직접 흐르는 곳이기 때문에 당연히 여기서 계자와 자기장으로 상호작용하는건 전자석이며, 대용량일수록 선이 굵고 복잡하다.

정류자(Commutator)

외부로부터 들어오는 교류를 직류로 바꾸어 회전부에 전원을 공급한다. 전기자와 연결되어 있으므로 전기자가 회전하면 같이 돈다. 회전하는 정류자는 가만히 있는 브러시와 접촉하게 되는데, 이때 브러시와의 마찰과 불꽃으로 인해 고온이 발생하므로 전기적으로나 기계적으로나 튼튼하게 만들어야한다.

브러시(Brush)

정류자와 접촉하여 전동기 내부회로와 외부회로를 연결하는 부분이다.[1] 종류로는 탄소 브러시, 흑연 브러시, 전기 흑연 브러시, 금속 흑연 브러시 등이 있다.

3. 직류전동기의 종류

직류전동기는 계자, 전기자의 연결 방식에 따라 종류가 구분된다.

타여자(他勵磁) 전동기
계자권선과 전기자(정류자, 브러시를 포함)가 별도로 분리된 전동기다.
직권전동기
계자권선과 전기자가 직렬로 연결된 전동기다. 저속에서 가장 큰 토크를 낼 수 있어 전동차, 전기자동차 등 단시간에 큰 힘이 필요한 곳에 사용된다.
분권전동기
계자권선과 전기자가 병렬로 연결된 전동기다. 속도 변화폭이 적고 일정한 속도를 유지할 수 있어 선풍기, 공작기계, 엘리베이터 등 회전수가 일정한 기기에 사용된다.
복권전동기
직권전동기와 분권전동기를 합친 형태로, 두 계자권선이 하나는 전기자와 직렬, 하나는 전기자와 병렬로 연결된 형태다.

4. 직류전동기의 속도제어

직류전동기의 속도공식은 다음과 같다.
[math(\Large N={k}'\frac{V-I_{a}R_{a}}{\phi})]
(k'는 비례상수(극수, 도체수 등), R_a는 전기자 저항으로 고정된값으로 무시한다)
V는 전동기에 가해지는 전압, I_a는 전기자 전류, Φ는 계자권선에서 발생되는 자속의 밀도를 나타내며 이 세 값을 조절하여 직류전동기의 속도를 제어한다. 입력전압이 커질수록 속도가 빨라지며, 자속 밀도가 셀수록 속도가 느려진다.

저항제어
저항의 전압분배 원리를 이용하여 저항과 전동기를 연결하고 저항의 크기를 조절하여 전동기의 속도를 제어하는 방식이다. 저항값이 클수록 직류전동기에 흐르는 전류와 가해지는 전압이 낮아진다. 구조가 단순하나 저항이 전기를 상당수 소모하기 때문에 효율이 좋지 않다.
전압제어
전동기에 가해지는 전압의 크기(V)를 조절하여 전동기의 속도를 제어하는 방식이다. 효율이 가장 뛰어나 직류전동기의 속도제어로 널리 쓰인다.

워드-레오너드 방식
전동발전기를 사용하는 방식이다. 발전기와 모터의 자계를 조정하여 속도제어를 한다.
일그너 방식
워드-레오너드 방식에서 전동 발전기의 전동기와 발전기 사이에 플라이휠을 추가하여 안정성을 높인 방식이다.
직병렬제어
출력이 동일한 여러개의 전동기를 동시에 제어할때 사용된다. 전동기 여러대의 접속 방식을 릴레이 등 전기적 스위치를 이용해 직렬, 직병렬 또는 병렬 3가지로 연결하여 각각의 전동기에 가해지는 전압의 크기를 조절한다. 입력전압의 크기가 동일한 상태에서, 직렬로 접속할 때 전동기에 가해지는 전압의 크기가 적어 회전속도가 낮고, 병렬일때는 전동기에 가해지는 전압이 입력전압과 동일해져 회전속도가 빨라진다.
이 방식은 여러대의 전동기를 제어할 필요가 있는 전동차, 전기기관차, 디젤전기기관차에 사용된다. 저속에서 큰 토크를 내기 위해 여러대의 견인전동기를 직렬로 연결하고, 어느정도 속도가 붙으면 직병렬로, 고속에 다다르면 병렬로 연결한다.
초퍼제어
입력쪽에 반도체 스위치를 설치한 뒤 게이트 신호를 반복적으로 ON/OFF하여 입력전원을 제어하는 방식이다.
위상제어
교류전기로 직류전동기를 돌릴 때 사용하는 제어법. 원리는 초퍼제어와 같으나, 스위치 역할을 하는 사이리스터가 교류를 직류로 바꾸는 정류작용과 ON/OFF작용을 동시에 이루어져 속도를 제어한다.

계자제어
전동기의 계자권선에서 발생하는 자속 밀도(Φ)를 조절하여 속도를 제어하는 방식이다.

약계자제어
계자권선에 흐르는 전류의 세기를 약하게 하여 자속밀도를 낮추는 방식이다. 계자권선이 분리된 분권, 복권, 타여자 전동기의 계자권선에 가변저항을 설치하여 자속밀도를 조절하나, 직권전동기의 경우 계자권선과 전기자가 직렬로 연결되어 있어 자속밀도 조절이 어렵다. 이 경우 계자권선 중간에 탭을 설치하여 별도의 선으로 빼내고 스위치를 연결한 뒤, 스위치를 닫아 계자권선의 반에만 전류를 흐르게 하여 자속을 조절한다.

5. 브러시리스 DC (BLDC) 모터

자세한 내용은 브러시리스 모터 문서 참고하십시오.

보통 직류전동기는 브러시가 존재하지만 브러시가 없는 브러시리스(Brushless) DC 모터, 줄여서 BLDC 모터도 있다. 브러시가 없어 구조적으로 회전자에 전원을 투입할 수 없는 구조이기 때문에 계자에 전원이 필요 없는 페라이트나 네오디뮴 같은 영구자석이 사용되며 이들이 자속을 생성해준다. 때문에 브러시리스 모터의 경우는 전기자가 고정자로, 계자가 회전자로 강제 된다.

이런 구조 때문에 브러시리스 모터는 전기자에 직류 전원을 그냥 투입할 수 없고 스위치를 이용해 + -로 밖에서 회전자의 위치에 따라 극을 바꿔 넣어주어야 한다. 그러니까 정류 역할을 밖에다 맡긴 것인데 이러면 사실상 직류 모터인 척 하는 교류 모터나 다름없다.

그럼 BLDC모터가 당최 교류모터와 뭐가 다르냐고 할 수도 있는데 등장하게 된 기원이 다르다. 교류모터는 처음부터 사인파의 교류전원을 수용하기 위해 만들어진 것이지만 BLDC모터는 기본적으로 직류 전원을 쓰되 회전자의 위치에 맞춰서 전원을 끊고 투입하는 동작을 밖에서 해주기 위해 만들어진 것이다. 이는 별로 큰 차이가 없어보이지만 제어 회로 입장에서는 부드러운 사인파의 전압을 성형해내야 하느냐 단순 ON OFF로 스위치 동작만 해주면 되느냐의 차이가 있으므로 구동에 있어 차이가 있긴 있다.

최근에는 전용 드라이브를 사용하는 영구 자석 동기 전동기 [2]가 많이 쓰이기 시작하면서 이런 개념이 혼동되는 경우가 많아졌는데 왜냐하면 기술의 발전으로 똑같은 모터 드라이브를 쓰더라도 출력 파형만 바꿔주면 BLDC든 PMSM이든 구동에 문제가 없기 때문이다. 요즘 말하는 BLDC모터는 순수한 BLDC 전동기라기보다는 비교적 작은 소형 영구자석 동기전동기를 의미하는 경우가 많아졌다. 실제로 역기전력 파형을 봐도 깔끔한 사인파로 떠서 그냥 교류전동기라고 보면 된다.

6. 기타

브러시 모터는 전원만 빵빵하다고 끝 없이 돌릴 수 있는 게 아니다. 브러시에 맞닿은 정류자가 계속해서 돌기 때문이다. 마찰이 심해서 속도를 늘리는데도 한계가 있고, 그 과정에서 브러시가 닳아버린다. 이는 모터 수명도 짧아지고 분진이나 소음, 고주파같은 각종 문제를 낳는다. 보면 알겠지만 대부분 브러시가 만악의 근원이다. 때문에 공학자들은 브러시가 없는 모터를 발명하여, 브러시가 있었을 때 가졌던 수많은 단점들을 개선했다. 이를 BLDC라고 한다. 다만, BLDC 또한 나름의 단점이 있었고, DC 모터의 단순한 구조와 저렴한 특성 때문에 일부 영역에서는 살아남아 사용되고 있다. 물론 본격적으로 제어가 필요가 곳에서는 BLDC가 우세하기 때문에 현재는 BLDC에 입지가 밀려서 점차 사용처가 줄어들고 있다.

이후에 만들어진 BLDC 모터, PMSM, 동기모터 따위를 알고 싶다면 교류전동기 참조.

[1] 전동기로 들어가는 전선은 멈추어 있고, 전기자는 움직이니 이 두 부분을 연결시켜 주기 위해서는 브러시가 필요하다. [2] Permanent Magnet Synchronous Motor, 줄여서 PMSM.