안녕하세요, AI 기반 예지보전 솔루션 모터센스입니다.
지난번에는 진동 크기 외의 분석 지표에 대해 알아봤습니다.
만약 해당 게시글을 보지 않았다면, 아래의 링크를 참고해 주세요.
오늘은 모터의 정의와 구성에 대해 알아보고자 합니다.
저희 MotorSense는 모터(전동기)에서 나오는 진동을 통해 예지보전을 하는 솔루션인데요.
오늘은 모터에 대해 알아보고자 합니다.
모터(전동기)란?
전기 에너지를 물리적인 법칙에 따라 기계적인 에너지로 변환하는 구동장치입니다.
모터의 회전 원리
그런데 전기 에너지가 어떻게 기계적인 에너지로 변환되는 걸까요?
혹시 한번쯤 들어보셨나요? ‘플레밍의 왼손 법칙’!
플레밍의 왼손 법칙은 자속(어떤 면적을 통과하는 자기력선의 양) 하에 전류 도체의 회전력 방향(자기력 방향)을 결정하는 규칙을 말합니다.
왼손을 위처럼 세 손가락을 펼치면 검지(B)로 자기장 방향, 중지(I)로 전류 방향, 엄지손가락(F) 방향으로 자기력(힘)을 간단하게 표현할 수 있어 ‘왼손 법칙’으로 불리죠.
그림1. 플레밍의 왼손 법칙 (출처: Nidec.com)
그런데 이 법칙이 모터의 회전 원리와 어떤 관계가 있을까요?
회전축이 있는 물체를 N극과 S극 자석 사이에 두고, 회전축 방향으로 전류를 가하면 두 자석의 당겨지는 힘인 자기장(B)과 물체에 가해지는 전류(I)에 의해 자기력(F)이 발생합니다. 이로 인해 물체는 회전축을 중심으로 돌아가게 되죠.
그림 2. Motor의 회전 원리 (출처: rohm.com)
실제로 도선에 전류를 주입하면, 주위에 회전하는 자기장(회전 자계)이 발생하면서 회전력(자기력)이 만들어져 돌아가게 되는데요. 도선 안에 철심을 넣고 코일을 말면 자력이 합성되고 더 강한 자기력이 발생해 회전 속도가 더 빨라집니다.
그럼 전류가 모터의 회전을 결정하는 가장 중요한 요소라는 건데….전류가 다르면 모터의 종류도 달라지지 않을까요?
전원에 따른 모터 분류
네, 모터는 전류의 종류에 따라 구분할 수 있습니다.
그림 3. AC와 DC 차이 (출처: MotorSense)
모터에 공급되는 전원은 크게 AC(Alternative Current)와 DC(Direct Current) 방식으로 나뉩니다.
DC(Direct Current)는 직류로 전기가 직선으로 흐르며,
AC(Alternative Current)는 교류로 전기가 교차로 흐르는 방식인데요.
앞서 살펴본 자기장의 법칙에 따라 전류가 DC, AC로 달라지면 이로 인해 발생하는 자기력도 달라지게 되겠죠?
따라서 모터의 종류도 구동 전원의 종류에 따라 달라집니다. DC Motor와 AC Motor로요.
그림 4. 공급 전원에 따른 모터의 종류 (출처: MotorSense)
1. AC Motor (Alternative Current Motor)
교류 전류(Alternative Current, AC)를 이용해 회전하는 Motor
•
장점
◦
DC Motor에 비해 상대적으로 저렴하며 효율이 높고 수명이 깁니다.
◦
큰 힘을 필요로 하는 공작 기계, 컴프레서 등에 많이 사용됩니다.
•
단점
◦
속도 및 방향 제어가 까다롭습니다.
▪
토크를 일정하게 하면서 속도를 제어하기 위해서는 주파수를 변조하거나 코일에 유도 전류를 만들어 내는 시간 차이를 잘 조절해야 합니다.
AC Motor는 크게 Induction Motor와 Synchronous Motor로 분류합니다.
주된 차이점은 Synchronous Motor의 회전자는 고정자와 같은 속도로 회전하지만, Induction Motor의 회전자는 고정자보다 느린 속도로 회전한다는 점입니다.
그림 4. AC 모터의 종류 (출처: MotorSense)
1) Induction Motor (유도 Motor)
그림 6. 3 Phase Induction Motors (출처: StudyElectrical.com)
교류(AC)를 통해 고정자에 회전 자계를 발생시킴으로써 회전자에 유도 전류가 발생하여 상호작용으로 회전하는 AC Motor
•
장점
◦
고정된 주파수를 가진 상용 전원을 통해 쉽게 회전하기 때문에 기동이 수월합니다.
◦
Permanent Magnet이 필요 없기 때문에 구조가 단순하고 제작이 쉬워 가격이 저렴합니다.
◦
단순한 구조로 대용량 모터 제작 및 구동이 수월합니다.
◦
고온에 취햑한 Permanent Magnet이 없기 때문에 열에 의한 성능 문제가 적으며 과부하에 강합니다.
•
단점
◦
구동 원리로 인해 회전자에도 단락 전류가 흘러 손실이 추가로 발생합니다.
◦
최대 출력 시간이 너무 짧아서 고속 동작이 어려우며 초기 구동 시에 최대 토크를 낼 수가 없습니다.
◦
전기자 전류, 회전수, 주파수 등 상수로 고정해야 하는 특성이 많아 성능에 영향을 주는 변수가 많고 제어하기에 번거롭습니다.
Induction Motor는 전기를 운반할 때 몇 개의 선을 사용하는지에 따라 크게 Single Phase와 3 Phase로 나뉩니다.
그림 6. Single Phase VS 3 Phase Induction Motor (출처: tutorialspoint)
① Single Phase Induction Motor (단상 유도 모터)
•
이름에서 알 수 있듯이 단상 전원으로 작동하는 것이 특징입니다.
•
대부분 출력 400W 이하인 소형 모터이며 주로 가정용 전자 제품에 내장합니다.
② 3 Phase Induction Motor (3상 유도 모터)
•
3상 전원으로 작동하는 모터입니다.
•
서로 다른 위상을 가진 3개의 교류를 이용해 전자석을 만들어서 회전하는 Motor입니다.
Single Phase Induction Motor | 3 Phase Induction Motor | |
전원 공급 | Single Phase (단상) 공급 | 3 Phase (3상) 공급 |
시작 토크 | 낮음 | 높음 |
효율성 | 낮음 | 높음 |
신뢰성 | 비교적 높음 | 비교적 낮음 |
비용 | 저렴 | 비쌈 |
구조 | 간단 | 복잡 |
유지보수 | 쉬움 | 어려움 |
2) Synchronous Motor (동기 모터)
그림 7. Synchronous Motor (출처: Electricaltechnology.org)
모터의 회전이 공급 전류의 주파수와 동기화되는 AC Motor
•
특징
◦
일반적으로 영구 자석이 있어 Permanent Magnet Synchronous Motor라고도 불립니다.
◦
회전의 속도는 전원 주파수와 동일합니다.
◦
일반적으로 3상 대형 Motor에 사용됩니다.
•
장점
◦
고성능의 Permanent Magnet을 사용하여 출력 밀도가 다른 Motor에 비해 우수합니다.
◦
회전자 구조가 간단합니다.
◦
계자 자속 발생을 위한 회전자의 전기적 연결이 불필요하기 때문에 효율이 매우 높습니다.
•
단점
◦
Permanent Magnet에서 발생하는 계자 자속의 크기를 조절하기 어렵습니다.
◦
자석 성능 개선 및 회전자 형상의 설계 등으로 인한 가공 비용이 추가되어 Induction Motor에 비해 가격이 비쌉니다.
◦
자석의 안정성(감자)으로 인해 신뢰성이 다소 낮습니다.
그림 8. Induction Motor VS Synchronous Motor (출처: MotorSense)
Induction Motor | Synchronous Motor | |
원리 | 회전자에 유도 전류가 흘러 회전 자계속도에 의해 미끄러지는 양만큼 늦게 회전함 | 자석에 의해 토크가 발생하여 회전자는 회전자계와 동일한 속도로 회전함 |
토크 성분 | 유도 전류 | 자석 |
속도 | 부하가 증가하면 속도 감소 | 항상 같은 속도로 실행
속도는 부하와 무관 |
효율 | 비교적 좋음 | 좋음 |
시동성 | 비교적 용이 | 학습 필요 |
가격 | 비교적 저렴 | 비교적 비쌈 |
그림 4. DC 모터의 종류 (출처:MotorSense)
2. DC Motor (= Brushed DC Motor)
그림 9. DC Brushed Motor (출처: maxon group)
고정자에 Permanent Magnet을 사용하고 회전자에 권선을 한 Brush가 있는 DC Motor
가운데 위치한 DC 전압은 Brush에 전류를 흘려주며, 스프링 힘에 의해 Brush는 정류자(Commutator)에 전류를 전달합니다. 정류자에 연결된 코일에 자기장이 생겨 코일이 감긴 로터(Rotor)가 회전하는 방식입니다.
•
특징
◦
기계적인 정류로 인해 마찰력이 높고 회전속도가 비교적 낮은 편입니다.
•
장점
◦
소형화하기에 용이하기 때문에 가정용 가전제품에 많이 사용됩니다.
◦
자기극의 세기를 변화시켜 회전 속도 및 방향 제어에 용이하며 효율이 높습니다.
•
단점
◦
가장 큰 단점인 구조상의 Brush와 정류자(Commutator)에 의해 기계식 접점이 있어 신뢰성 및 수명을 떨어뜨립니다.
◦
또한, Brush와 정류자로 인해 전기적 노이즈, Spark, 회전 소음이 발생합니다.
◦
AC Motor에 비해 구조가 복잡합니다.
3. Brushless DC(BLDC) Motor
Brush와 정류자들을 사용하지 않고 transistor 등의 스위칭 기능을 통해 전기적으로 전류를 전환하여 회전하는 DC Motor
Brushed DC Motor는 Permanent Magnet과 회전자에 전원을 공급하기 위해 정류자와 Brush를 사용하는 구조적인 문제가 있습니다. 이 Motor를 가동 시, 서로 간에 마모가 일어나 Motor의 수명이 다하게 될 뿐만 아니라 정류 과정에서 전기적 노이즈가 발생하는 문제가 있습니다.
이러한 Brushed DC Motor의 구조적인 문제를 해결하기 위해 브러쉬가 없는 DC Motor인 Brushless DC Motor가 개발되었습니다.
일반 DC Motor는 브러쉬가 있어 기계식으로 정류하지만,
BLDC Motor는 홀센서를 이용하여 전자적으로 정류한다는 차이도 있습니다.
•
장점
◦
Brush를 사용하지 않기 때문에 수명이 길고 유지보수 비용이 줄어듭니다.
◦
모터의 속도와 위치에 대한 높은 수준의 제어가 가능하기 때문에 성능과 효율이 높습니다.
◦
작은 사이즈와 무게 대비 높은 토크를 제공하여 로봇이나 의료 분야에 많이 사용됩니다.
•
단점
◦
Brushed DC Motor에 비해 응답 속도가 느려, 속도 및 방향 제어가 비교적 어렵습니다.
◦
Brushed DC Motor에 비해 상대적으로 비용이 많이 듭니다.
◦
저속으로 회전할 때 약간의 진동이 발생합니다. (고속에서는 진동이 줄어듦)
◦
고유 진동수로 인해 본체 또는 플라스틱 부품의 진동 주파수와 일치 또는 근접해져 공진 현상이 발생할 수 있습니다.
◦
전자 제어와 모든 전자석에 대한 연결로 인해 모터의 배선 및 작동이 간단하지 않습니다.
Brushed DC Motor | Brushless DC Motor | |
수명 | 짧음 | 긺 |
속도 | 비교적 느림 | 빠름 |
효율 | 비교적 높음 | 높음 |
전기적 노이즈 | 발생 | 적음 |
소음 | 발생 | 상대적으로 적음 |
비용 | 낮음 | 비교적 높음 |
지금까지 전원에 따른 모터의 종류에 대해 알아봤습니다.
모터센스에 대해 더 자세히 알고 싶으시다면 아래 버튼을 클릭해 홈페이지에 방문해주세요
