모터란 무엇인가

모터란 무엇인가

0. 모터란?

  모터란 전기 에너지를 이용하여 운동 에너지를 만들어 내는 장치를 의미한다. 기본 원리는 맥스웰 방정식중의 하나인 앙페르의 법칙 "전류가 흐르는 도선 주위에는 자기장이 생긴다"와 자기장의 정렬하려는 자기장을 정렬하려는 힘을 이용해서 전기에너지인 전류를 이용해서 실제의 힘을 만들어 내는 장치이다. 어릴적에 자석을 이용해서 서로다른 극 끼리 끌리고 같은 극끼리 밀어내는 실험을 해본 적이 있을 것이다. 이 때에는 같은 극일 경우 서로 밀어내고 다른 극이면 서로 당긴다 정도로만 이해했었지 이것을 자기장의 흐름과 연관시켜서 이해하지 않았었는데 이를 자기장의 path를 한 방향으로 정렬하려고 힘을 받는다고 이해하면 어느 자기장 상황에서 어느 자성을 띈 물체를 두어도 쉽게 움직임의 방향을 예측할 수 있게 된다. 이는 모터의 회전을 이해하는데 매우 중요하다. 

  모터는 고정자에서 공급하는 전류가 발생시킨 자기장과 회전자의 자기장이 서로 어긋나있는것이 정렬하려고 하는 힘을 이용하여 고정자를 회전시키는 기구이다. 우리가 흔히 모터라고 알고있는 기구는 쓰임새에 따라서 같은 구조내에서 모터, 발전기로 불리기도 하며 회전자의 자속(자기장)을 어떻게 만들어내었는가에 따라서 유도기 혹은 동기기로 불리며 고정자의 자속을 위한 전류를 어떻게 인가하느냐에 따라서 DC모터와 AC모터로 나눌 수 있다. 본 포스팅에서는 그 각각의 구조와 동작 원리에 대해서 설명하고자 한다. 

1. 모터의 분류

1) 에너지 흐름에 따른 분류 (발전기 vs 모터)

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  모터와 발전기는 전기기기와 전력 회로는 동일하지만 동작상황에 따라서 따르게 불린다. 발전모드는  또 다른 의미로는 브레이킹모드로 불리는데 회전하고 있는 방향과 반대방향으로 토크가 걸리는 경우를 의미한다. 위 그림은 모터와 전력회로를 이용한 네 가지 운동 모드를 표현한 그래프이다. x축은 토크 방향, y축은 속도 측 회전 방향을 의미한다. 브레이킹 모드를 먼저 설명하자면 위 그래프에서 2사분면, 4사분면에 위치하면서 회전속도와 반대방향의 토크 즉 자동차의 브레이크 처럼 속도를 감속시키는 방향의 힘이 가해질때는 브레이킹 모드라고 한다. 모터링 모드는 이와 반대로 회전방향의 토크로서 전기자동차의 초기 가속 패달을 밟은 경우를 생각하면 이해하기 쉽다. 1사분면은 전진 기어를 넣은채 가속하는 영역이고 3사분면은 후진 기어를 넣은채 가속한다고 이해하면 된다. 이처럼 같은 회로에서 모터모드로 사용되는 전기기기를 모터라고 부르고 발전 모드, 브레이킹모드, 회생모드로 사용되는 것을 발전기라고 부른다. 

  발전기에 대해서 좀 더 예시를 들어 이해하고자 한다면 우리가 흔히 알고 있는 전력 생산소인 수력발전소, 화력발전소, 원자력 발전소 등은 폭포의 힘, 물이 끓는 힘 등 외부의 힘에 의하여 일단 터빈을 돌아간다. 터빈이 돌기 시작하면 회전자의 자기장의 변화가 일어나고 자기장의 변화를 억제하려는 렌츠의 법칙에 의하여 회로에 자기장 변화를 억제하려는 브레이크를 시키는 방향의 전류가 흐르도록 전압이 유도된다(패러데이법칙, 전자기유도). 그리고 이 폭포에 의해서 혹은 끓는 물에 의해서 생성된 전류를 배터리에 저장하면 발전이 완료된다. 

  같은 구조와 회로를 이용하여 발전기와 모터를 이용하는 것의 가장 좋은 예시는 전기 자동차이다. 전기 자동차의 경우 가속 시  배터리의 전기에너지를 이용하여 모터가 회전하는 방향으로 자기장을 비틀경우 전류를 이용하여 만들어 낸 토크를 이용하여 같은 방향으로 회전을 만들어 내기 때문에 모터링 모드이며 감속을 하는 경우에는 기계적으로 브레이크패드를 이용하는 경우도 있지만 자기장을 이용하여 모터가 동작하는 반대방향으로 끌어당기는 방향의 자기장을 만드는 전류를 인가할 경우 회전하고 있던 에너지가 배터리로 충전된다. 

  

  이처럼 모터와 발전기는 구조는 변하지 않고 같은 모터에 대해서 에너지 흐름에 따라서 혹은 제어 방향에 따라서 용어를 달리한 분류이다. 

2) 고정자 자속 생성 방법에 따른 분류 (DC 모터 vs AC 모터)

  DC 모터와 AC모터는 고정자의 자속을 생성하는 방법을 표현하는 모터의 분류 방식이다. DC모터의 경우에는 건전지로 전압만 인가해 주어도 모터가 회전하기 시작하며 모터의 회전속도는 인가한 전압에 비례한다. 또한 전압을 반대로 인가하면 모터가 반대방향으로 회전하게 되고 속도는 양의 방향에서와 마찬가지로 음의 전압에 비례하여 증가한다. 이에 반대 AC모터 (유도기, 동기기, BLDC)는 모터의 고정자에 사인형태의 전압을 인가하여 모터를 구동하게 된다. 이 경우에는 모터의 회전속도를 올리기 위해서는 DC모터처럼 사인파의 크기도 증가하여야 되지만 사인의 주파수 또한 같이 증가하여야 한다. 

  구체적으로 각 모터의 구동원리를 살펴보자면 앞에서 언급 했듯이 각 모터가 자속의 비틀어진 흐름을 정렬하려고자 받는 힘을 이해하여야 한다. 힘을 얻기 위하여 어떤 방식으로 자속을 비틀기 위하여 전류를 인가하였으며 또 그 인가된 전류에 의해서 비틀어진 자속이 정렬되는 것이 어떻게 모터의 회전으로 연결되는지를 이해하여야 한다. 

  DC 모터의 경우 고정자 부분은 고정된 방향의 자속을 제공하고 회전자 부분에서 힘을 만드는 자속의 비틀림을 만드는 전류를 생성한다. 회전자가 회전하여 자속이 정렬되려고 하는 순간 commutator를 통하여 전류의 방향이 180도 바뀌어 다시 자속의 비틀림이 저절로 발생한다. 기계적으로 자속의 비틀림을 유도한 모터이다. (DC모터 구동원리 영상)

  

  AC 모터의 경우 유도기와 동기기의 동작원리가 살짝 다른데 이해하기 쉬운 동기기로 설명하도록 한다. 동기기의 경우는 회전자에 자석이 달려있고 고정자에 위치마다 코일이 달려있다. 가장 많이 쓰이는 3상 모터의 경우 전기각으로 120도 마다 서로다른 코일 A, B, C가 달려있는데 쉽게 설명하자면 회전자의 자석에 의해서 형성된 자속이 A를 향하고 있을때 고정자에는 B방향으로 자속이 생기도록 전류를 인가하여 회전자가 B쪽으로 오게 만든다. 그리고 회전자가 B쪽으로 오면 다시 고정자에서는 자속을 C쪽으로 흐르도록 전류를 바꾸어 모터를 회전시킨다. 이를 모터가 연속해서 회전하도록 하려면 전류는 A, B, C, A, B, C를 반복하게 된다. 가장 많이 쓰이고 있는 동기 전동기 고정자 winding에서는 A, B, C를 3상 대칭 회로로 가운데가 연결된 회로로 만들고 있는데 이 경우에는 A, B, C회로에 각각 전류가 120도 위상차이가 나는 사인 함수로 인가될 경우 모터가 부드럽게 회전할 수 있게 된다. 

  BLDC의 경우에도 AC모터와 자속을 비틀어서 회전시키는 원리는 동일하나 사인형태로 인가하는 것이 아니라 A, B, C상에 DC전류를 순차적으로 인가하하는 six-step 방식으로  구동하는 것이 차이이다. 이 모터는 정확하게 회전자의 위치를 알지 않아도 대략적으로 구동시키는 속도제어를 주로 사용하는 드론등에 많이 사용되는데 주로 위치센서에는 60도마다 위치정보를 알려주는 홀센서가 부착된다. 하지만 BLDC모터의 경우에도 정밀제어를 한다면 AC모터 구동방식과 동일한 회로로 동일하게 구동하여도 무방하다. 하지만 역기전력이 사인형태로 나오지 않기 때문에 FOC제어를 할 경우 역기전력 보상이 정확하게 되지 않아 토크 리플이 발생할 수 있다. 

3) 회전자 자속 생성 방법에 따른 분류 (유도기 vs 동기기)

  다음 분류는 회전자의 자속 생성에 따른 분류이다. 앞서서 언급했듯이 모터는 고정자에서 전력회로를 통해 형성한 전류가 만든 자기장을 회전자의 자속과 어긋나게 만들어 이 어긋남을 정렬하고자 하는 힘을 이용해서 회전하는 기구이다. 회전자(rotor)와 고정자(stator)는 위의 그림과 같이 이루어져 모터를 이루고 있는 구성요소인데 회전자란 모터가 실제로 돌아가고 있는 부분이고 고정자란 배터리를 포함한 전력변환장치가 직접적으로 연결된 코일이 감겨있는 부분을 의미하는데 코일은 전력변환장치가 만들어낸 전류를 자기장으로 변환시켜준다. 본 분류는 원래 회전자의 자속생성 방법에 따른 모터의 분류이다.

 회전자는 자속생성방법에 따라서 두가지로 크게 나눌 수 있다. 영구자석을 이용하여 고정된 크기의 자계를 형성하는 동기기와 회전자에 연결된 코일에 유도된 전류에 의해서 생성된 자속의 자계를 이용하는 유도기가 있다. 물론 영구자석도 아니고 전자기 유도 현상도 아닌 회전자에 별도의 전원을 연결하여 전류를 직접 흐르게 만드는 방법도 있지만 이 응용된 형태의 모터는 생략하고자 한다. 

 동기기(Synchronous Machine)란 회전자에 영구자석을 붙여 영구자석에 의해서 일정하게 발생하는 자속이 존재하는 공간에 외부에서 자계를 인가하여 마치 외부의 전자석이 내부의 자석을 끌어주거나 밀어주는 형태로 모터를 회전시킨다. 모터의 회전속도와 고정자의 가상의 전자석이 회전하는 속도가 동일하기 때문에 동기되어있다는 의미로 동기기라고 부른다. 이해 반해 유도기(Induced Machine)란 코일이 감겨져 있는 회전자에 일단 고정자에 전류를 회전시켜가며 흘려서 자속의 변화를 만들어 낸다. 전자기 유도 현상에 의해서 변하는 자속은 회전자의 전압을 만들어내고 이는 회전자 코일에 전류를 흐르게 만들어 자속이 생성되게 만든다. 이렇게 고정자의 가상의 전자석은 회전자의 유도된 자속에 의해서 형성된 가상의 또 다른 전자석을 끌게 된다. 전자기 유도 현상을 이용하기 때문에 유도기라고 부른다.