본문내용
1. 모터의 종류와 원리
1.1. 모터의 동작 원리
1.1.1. 3상 교류 모터의 동작 원리
3상 교류 모터의 동작 원리는 다음과 같다.
축에 자석을 고정시켜서 자유로이 회전할 수 있도록 하고 N극을 점선 방향으로 회전시키면 축에 붙어 있는 자석의 S극이 밖에서 회전하고 있는 N극에 흡인되어 N극을 따라서 회전하기 때문에 축도 따라서 회전하게 된다. 교류를 이용한 유도 모터는 모두 이와 같은 원리로 회전하는 것이다.
여기에서 문제가 되는 것은 어떠한 방법으로 회전자계(N극이 도는 것과 같은 효과)를 얻느냐 하는 것이다. 3상 교류에서는 이와 같은 회전 자계를 극히 간단하면서도 자연스럽게 얻을 수 있다. 모터의 각 전자석에 a, b, c의 3상 교류가 공급될 때 N1, N2, N3의 순서로 전자석이 차례로 되기 때문에 회전 자계가 되는 것이다. 여기에서 a, b, c의 3선 가운데 임의의 두 선을 서로 바꾸면 회전 자계의 방향이 바뀌어 모터의 회전 방향도 바뀌어진다.
실제의 교류 발전기는 축에 부착되어 회전하는 자석이 영구 자석으로 되어 있지 않고 전자석으로 되어 있는데 여기의 전자석은 철심에 코일을 감고 쇼트(합선)시켜 놓은 것이다. 따라서 회전 자계가 있을 때에는 회전 자계가 철심에 감긴 코일에 쇄교되어 그 코일에 기전력이 발생하고 이 때 발생된 기전력에 의하여 코일이 쇼트되어 있으므로 많은 전류가 흐르며 강한 전자석이 되는 것이다.
1.1.2. 단상 교류 모터의 동작 원리
단상 교류 모터의 동작 원리는 다음과 같다.
두 개의 자극에 단상 교류를 공급하면 N1, S1의 자극이 되었다가 다음 번에는 S1, N1의 자극으로 바뀌어 질 뿐 회전 자계가 되지 않기 때문에 축에 부착되어 있는 자석은 회전할 수가 없다. 따라서 단상 교류 모터는 회전 자계를 얻기 위하여 또 다른 자극을 마련하고 전류의 위상이 빠르거나 늦어지도록 콘덴서나 코일을 통하여 전류를 공급해준다.
이 때 a단자가 +일 때는 즉시 m1의 자석이 N극이 되고 m2는 잠시 후에 N극이 된다(위상이 늦은 전류가 흐르기 때문임). 다음 b단자가 +로 되면 즉시 m3가 N극이 되고 잠시 후에 m4가 N극이 된다(m4에 흐르는 전류도 전류 위상을 늦게 하는 코일을 통하여 전류가 흐르기 때문임). 이상과 같이 전자석은 N1, N2, N3, N4의 순서로 질서있게 순서대로 N극이 되기 때문에 마치 N극이 도는 것과 같은 회전 자계가 되는 것이다. 이와 같은 회전 자계가 생기면 회전자는 자연히 전자석이 되어 회전하게 된다.
여기에서 코일 대신 콘덴서를 이용하면 회전 방향이 바뀌어 진다.
1.1.3. 교류용 전축 모터의 동작 원리
교류용 전축 모터의 동작 원리는 다음과 같다.
교류용 전축 모터에서 코일 D는 AC100V에 의하여 많은 자력선을 만들기 위한 것이다. 코일에 감긴 회수가 많을수록 회전수가 낮아진다. 이는 코일의 회수가 많아지면 코일의 저항이 커져 전류가 적어지고 그에 따라 자력이 약해지기 때문이다.
또한 철심에 한 바퀴 내지 두 바퀴 정도로 굵은 동선이 감겨져 쇼트되어 있는데, 이것을 단락 코일 또는 셰이딩 코일이라고 한다. 이 코일은 자력선이 약간 늦게 나오도록 하는 역할을 한다.
회전자의 외관은 철심에 굵은 동선이 끼워져 있으며 쇼트되어 있다. 철심에 자력선이 공급되면 N1은 즉시 나타나지만, 단락 코일이 있는 쪽은 전류가 발생하면서 자력선을 방해하여 자력선이 약해진다. 하지만 자력선이 없어질 때는 반대 방향의 자력선을 발생시키므로 N2극으로 작용하게 된다.
따라서 단락 코일이 있는 쪽의 자극이 없는 쪽보다 늦게 자력선이 나타나기 때문에 단락 코일이 있는 쪽으로 회전자가 돌게 된다. 이와 같이 N1, N2, N3, N4가 순서대로 질서있게 발생되기 때문에 회전 자계가 형성되어 회전하게 된다. 회전자는 여러 장의 철판에 굵은 구리선이 관통하고 전기적으로 쇼트되어 있기 때문에 회전 자계에 의해 전류가 흘러 여러 개의 전자석으로 작용하며 회전 자계를 따라 회전하게 된다.
1.1.4. 직류 모터의 동작 원리
직류 모터의 동작 원리는 자기장 속의 도체에 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 전자기력의 응용이다. 이 메커니즘은 플레밍의 왼손 법칙으로 설명할 수 있다. DC 모터는 제어용 모터로서 우수한 특성을 갖고 있다. 급격한 가속성, 큰 시동 토크, 리니어한 회전 특성 등 대체로 제어용 모터에 요구되는 모든 성능을 겸비하고 있다.
DC 모터의 구조는 전기자, 마그넷, 브러시, 베어링, 모터케이스 등으로 이루어져 있다. 브러시는 전기자에 전류를 공급하는 섭동 접점 역할을 한다. 전기자는 회전력을 발생시키는 전자석이자 모터의 회전체(로터)를 구성한다. 베어링은 로터의 회전 구조를 형성하며, 볼 베어링이나 오일리스 메탈이 사용된다. 계자 마그넷은 전기자 권선에 자력을 주어 회전력을 발생시킨다.
전기자에 전류가 흐르면 자기장과의 상호작용에 의해 회전력이 발생한다. 이때 브러시와 정류자의 작용으로 전류의 방향이 바뀌어 회전 방향이 일정하게 유지된다. 이러한 원리로 DC 모터는 정회전과 역회전이 가능하며, 빠른 가속과 제동 등 우수한 제어성능을 발휘한다.
DC 모터는 피드백 제어가 용이하고 토크 특성이 좋아 소형 가전제품, 로봇, 공작기계 등 다양한 분야에서 널리 사용된다. 단, 브러시와 정류자로 인해 전기적 노이즈와 기계적 마모가 발생할 수 있다는 단점이 있다.
1.2. 모터의 종류
1.2.1. DC 모터
DC 모터는 자기장 속의 도체에 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 전자기력의 응용인데 이 메커니즘은 플레밍의 왼손 법칙으로 설명할 수 있다. DC 모터는 제어용 모터로서 우수한 특성을 가지고 있다. 예를 들면 급격한 가속성, 큰 시동 토크, 리니어한 회전 특성 등 대체로 제어용 모터에 요구되는 모든 성능을 겸비한 우수한 모터이다.
DC 모터의 구조는 크게 전기자, 마그넷, 브러시, 베어링 모터케이스 등으로 이루어져 있다. 브러시의 작용은 전기자에 전류를 공급하기 위한 섭동 접점이다. 전기자는 회전력을 발생하기 위한 전자석이고 동시에 모터의 회전체(로터)를 구성하는 것이다. 베어링은 로터의 회전구조를 형성하는 것인데 볼 베어링이나 오일리스 메탈이 사용되고 있다. 계자 마그넷은 전기자 권선에 자력을 주는 것이며 전기자에서 발생하는 전자기력과 함께 회전력을 발생시킨다.
이처럼 DC 모터는 구조가 간단하면서도 제어가 용이하여 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 특히 급격한 가속 특성과 큰 시동 토크를 바탕으로 전기차 구동, 공장 자동화 설비, 로봇 등의 동력원으로 사용되고 있...
