전기 모터는 어떻게 작동하나요? 종합 가이드

전 세계 전력 소비의 거의 절반이 전기 모터에 의한 것이므로 효율을 개선하는 것이 글로벌 에너지 문제를 해결하는 가장 효과적인 방법으로 간주됩니다.

모터의 종류

일반적으로 모터는 자기장의 전류 흐름에 의해 생성된 힘을 회전 운동으로 변환하지만, 넓게는 직선 운동도 포함됩니다.

모터를 구동하는 전원의 유형에 따라 DC 모터와 AC 모터로 분류할 수 있습니다.

또한 모터의 회전 원리에 따라 특수 모터를 제외하고 크게 다음과 같은 카테고리로 나눌 수 있습니다.

1. DC(직류) 모터

(1) 브러시드 모터

널리 사용되는 브러시 모터는 일반적으로 DC 모터라고 합니다. 브러시 모터는 고정자 쪽의 '브러시'와 전기자 쪽의 '정류자'라는 전극을 순차적으로 접촉하여 전류를 전환하는 방식으로 회전합니다.

(2) 브러시리스 DC 모터

브러시리스 DC 모터에는 브러시와 정류자가 필요하지 않습니다. 트랜지스터와 같은 스위칭 기능을 사용하여 전류를 전환하고 회전 동작을 구현합니다.

(3) 스테퍼 모터

이 모터는 펄스 전원과 동기화되어 작동하므로 펄스 모터라고도 합니다. 이 모터의 특징은 정확한 포지셔닝 작업을 쉽게 수행할 수 있다는 것입니다.

2. AC(교류) 모터

(1) 비동기 모터

교류 전류는 고정자에 회전 자기장을 생성하여 회전자에 전류를 유도하고 그 상호작용으로 회전을 일으킵니다.

(2) 동기식 모터

교류 전류가 회전 자기장을 생성하고 자극이 있는 로터가 인력을 받아 회전합니다. 회전 속도는 전원 주파수와 동기화됩니다.

스테퍼 모터	브러시드 직류 모터	브러시리스 직류 모터

전류, 자기장 및 힘

먼저, 모터 원리에 대한 후속 설명을 쉽게 이해할 수 있도록 전류, 자기장, 힘에 관한 기본 법칙/규칙을 다시 살펴봅시다.

향수를 불러일으킬 수 있지만, 자석 부품을 정기적으로 사용하지 않는다면 이 지식은 쉽게 잊혀질 수 있습니다.

이미지와 수식을 사용하여 이를 설명하겠습니다.

전선 프레임이 직사각형인 경우 전류에 작용하는 힘을 고려해야 합니다. 프레임의 부품 a와 c에 가해지는 힘 F는 다음과 같습니다:

토크는 중심축을 중심으로 발생합니다. 예를 들어 회전 각도가 θ인 상태를 고려할 때, b와 d에 직각으로 작용하는 힘은 sinθ입니다. 따라서 부품 a의 토크 Ta는 다음 공식으로 표현됩니다:

같은 방식으로 파트 C를 고려하면 토크가 두 배가 되어 다음 공식으로 계산된 토크가 생성됩니다:

직사각형의 넓이가 S = h*l이라고 가정할 때, 앞서 언급한 공식에 대입하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다:

이 공식은 직사각형뿐만 아니라 원과 같은 다른 일반적인 도형에도 적용할 수 있습니다. 이 원리는 전기 모터 작동의 기초가 됩니다.

모터는 어떻게 회전하나요?

1) 모터는 자석과 자력을 이용하여 회전합니다.

회전축이 있는 영구 자석 주변:

자석을 돌립니다(회전 자기장 생성).

반대 극(N과 S)은 끌어당기고 같은 극은 밀어내는 원리를 따릅니다.

그러면 회전축이 있는 자석이 회전합니다.

이것이 모터 회전의 기본 원리입니다.

도체를 통해 흐르는 전류는 도체 주위에 회전 자기장을 생성하여 자석을 회전시키는데, 이는 본질적으로 동일한 운동 상태를 나타냅니다.

또한 도체를 코일에 감으면 자력이 합쳐져 큰 자속을 형성하여 북극과 남극이 만들어집니다.

또한 코일 도체에 철심을 삽입하면 자기장 선이 더 쉽게 통과할 수 있어 더 강한 자기력을 생성할 수 있습니다.

2) 작동 회전 모터

이러한 맥락에서 3상 교류와 코일을 사용하여 회전 자기장을 생성하는 방법을 보여줌으로써 회전 모터에 대한 실용적인 접근 방식을 제시합니다. (3상 교류는 120° 간격으로 위상이 바뀐 교류 신호를 말합니다.)

앞서 언급한 상태 ①에서 합성된 자기장은 아래 그림 ①에 해당합니다.

앞서 언급한 상태 ②에서 합성된 자기장은 아래 그림 ②와 일치합니다.

위에서 언급한 상태 ③과 관련된 합성된 자기장은 아래 그림 ③에 나와 있습니다.

위에서 설명한 것처럼 철심에 감긴 코일은 세 단계로 나뉩니다: U상 코일, V상 코일, W상 코일로 120° 간격으로 배열되어 있습니다. 전압이 높은 코일은 북극을 생성하고 전압이 낮은 코일은 남극을 생성합니다.

각 위상은 사인파에 따라 달라지므로 각 코일에서 생성되는 극성(북극 또는 남극)과 자기장(자기력)이 달라집니다.

이 시점에서 북극을 생성하는 코일만 고려하면 변화의 순서는 U상 코일에서 V상 코일로, 다시 W상 코일로, 마지막으로 U상 코일로 돌아가면서 회전을 일으킵니다.

소형 모터의 구조

아래 그림은 스테퍼 모터, 브러시형 직류(DC) 모터, 브러시리스 직류(DC) 모터 등 세 가지 유형의 모터에 대한 일반적인 구조와 비교를 제공합니다.

이러한 모터의 기본 구성 요소에는 주로 코일, 자석, 로터가 포함됩니다. 종류가 다양하기 때문에 코일 고정형과 자석 고정형으로 다시 분류합니다.

스테퍼 모터	브러시드 직류 모터	브러시리스 직류 모터

다음은 예시 다이어그램과 관련된 구조 설명입니다. 이 문서는 큰 틀에서 구조를 소개하는 것이므로 더 자세히 나누면 다른 구조가 있을 수 있다는 점을 양해해 주시기 바랍니다.

여기서 스테퍼 모터의 코일은 외부에 고정되어 있고 자석은 내부에서 회전하며, 브러시드 DC 모터의 자석은 외부에 고정되어 있고 코일은 내부에서 회전합니다.

브러시리스 모터에서는 코일에 전력을 공급하고 전류의 방향을 바꾸는 것은 브러시와 정류자에 의해 처리되며, 코일은 외부에 고정되어 있고 자석은 내부에서 회전합니다.

모터 유형이 다양하기 때문에 기본 구성품이 동일하더라도 구조가 다를 수 있습니다. 구체적인 내용은 각 섹션에서 설명합니다.

브러시 모터

브러시드 모터의 구조

아래 이미지는 모델에 일반적으로 사용되는 브러시드 DC 모터의 외관과 일반적인 2극(자석 2개) 및 3슬롯(코일 3개) 모터의 분해도입니다. 많은 사람들이 모터를 분해하고 자석을 제거해 본 경험이 있을 것입니다.

브러시드 DC 모터에서 영구 자석은 고정되어 있는 반면 코일은 내부 중심을 중심으로 회전할 수 있습니다. 고정된 쪽을 "고정자"라고 하고 회전하는 쪽을 "회전자"라고 합니다.

다음은 구조적 개념을 설명하는 개략도입니다.

중심 회전축은 전류 전환에 사용되는 곡선형 금속판인 3개의 정류자로 둘러싸여 있습니다. 정류자는 서로 접촉하는 것을 방지하기 위해 120° 간격(360° ÷ 3단위)으로 배열되어 있습니다. 이 정류자는 축과 함께 회전합니다.

각 정류자는 코일의 한쪽 끝과 다른 쪽 끝에 연결되어 있으며, 세 개의 정류자와 세 개의 코일은 함께 완전한 회로 네트워크(링)를 형성합니다.

두 개의 브러시가 0°와 180°로 고정되어 정류자와 접촉합니다. 외부 DC 전원이 브러시에 연결되고 전류는 브러시에서 정류자, 정류자에서 코일, 코일에서 브러시로 다시 흐르는 경로를 따라 흐릅니다.

이것이 브러시드 모터의 회전 원리입니다.

초기 상태에서 시계 반대 방향으로 회전합니다.

코일 A는 브러시에 전원이 연결된 상태로 맨 위에 있으며 왼쪽은 (+), 오른쪽은 (-)로 지정되어 있습니다. 왼쪽 브러시에서 정류자를 통해 코일 A로 높은 전류가 흐르면 코일 A의 위쪽(바깥쪽) 부분이 남극(S)으로 바뀝니다.

코일 A 전류의 절반이 왼쪽 브러시에서 코일 A와 반대 방향으로 코일 B와 C로 흐르기 때문에 코일 B와 C의 바깥쪽은 다이어그램에서 작은 글자로 표시된 약한 북극(N)이 됩니다.

이러한 코일에서 생성된 자기장은 자석의 반발력 및 인력과 함께 코일을 시계 반대 방향으로 회전시키는 힘을 제공합니다.

시계 반대 방향으로 더 회전

다음으로 코일 A가 시계 반대 방향으로 30° 회전했다고 가정하면 오른쪽 브러시가 두 개의 정류자에 접촉합니다.

코일 A의 전류는 왼쪽 브러시에서 오른쪽 브러시로 계속 흐르고 코일의 바깥쪽은 남극으로 유지됩니다. 동일한 전류가 코일 B를 통해 흐르면서 바깥쪽이 더 강한 북극으로 바뀝니다. 코일 C는 양쪽 끝의 브러시에 의해 단락되어 전류가 흐르지 않고 자기장이 생성되지 않습니다.

이 상태에서도 시계 반대 방향으로 회전하는 힘이 가해집니다. 위쪽 코일은 왼쪽으로, 아래쪽 코일은 오른쪽으로 계속 구동되어 ③에서 ④까지 시계 반대 방향으로 계속 회전합니다.

코일을 ③, ④ 상태로 30° 회전할 때마다 코일이 중앙 수평축 위에 있으면 바깥쪽이 남극이 되고, 아래에 있으면 북극이 되며 이 동작이 반복됩니다.

즉, 상단 코일에는 왼쪽으로, 하단 코일에는 오른쪽으로 반복적으로 힘이 가해집니다(둘 다 시계 반대 방향). 이렇게 하면 로터가 시계 반대 방향으로 계속 회전합니다.

전원을 반대쪽 왼쪽 브러시(-)와 오른쪽 브러시(+)에 연결하면 코일에 역자기장이 발생하여 코일에 가해지는 힘의 방향이 반대로 되어 시계 방향으로 회전합니다.

또한 전원이 차단되면 회전을 구동하던 자기장이 없기 때문에 브러시 모터의 로터가 회전을 멈춥니다.

3상 풀웨이브 브러시리스 모터

3상 풀웨이브 브러시리스 모터의 외형 및 구조

아래 이미지는 브러시리스 모터의 외형과 구조에 대한 예시를 보여줍니다.

왼쪽은 디스크 재생 장치에서 디스크를 회전시키는 데 사용되는 메인 스핀들 모터의 예로, 3상 3회로 총 9개의 코일이 포함되어 있습니다.

오른쪽은 12개의 코일(3상 4배)이 있는 FDD 장치의 메인 스핀들 모터의 예입니다. 코일은 회로 기판에 장착되어 철심을 감싸고 있습니다.

코일의 오른쪽에 있는 디스크 모양의 부품은 영구 자석 로터입니다. 주변은 영구 자석이며, 로터의 축은 코일의 중앙에 삽입되어 코일의 일부를 덮고 영구 자석은 코일의 주변을 둘러싸고 있습니다.

3상 풀웨이브 브러시리스 모터의 내부 구조도 및 등가 회로

다음은 3상 풀웨이브 브러시리스 모터의 단순화된 내부 구조 다이어그램과 코일 연결의 등가 회로도입니다.

이 회로도는 2극(자석 2개) 3슬롯(코일 3개) 모터의 간단한 구조를 나타냅니다. 코일 쪽이 고정되어 있고 자석이 회전할 수 있다는 점을 제외하면 극과 슬롯 수가 같은 브러시 모터의 구조와 비슷합니다. 당연히 이 디자인에는 브러시가 포함되어 있지 않습니다.

이 구성에서는 코일이 Y자 형태로 연결됩니다. 반도체 부품이 코일에 전류를 공급하여 회전하는 자석의 위치에 따라 전류의 유입과 유출을 제어합니다.

이 예에서는 홀 소자를 사용하여 자석의 위치를 감지합니다. 홀 소자는 코일 사이에 배치되어 자기장 강도에 의해 생성된 전압을 감지하고 이를 위치 정보에 사용합니다.

앞서 제공된 FDD 스핀들 모터 이미지에서 코일 사이의 위치를 감지하는 역할을 하는 홀 소자(코일 위에 위치)도 관찰할 수 있습니다.

홀 소자는 잘 알려진 자기 센서입니다. 홀 소자는 자기장의 크기를 전압으로 변환하여 양수 또는 음수 값으로 자기장의 방향을 나타낼 수 있습니다. 아래는 홀 효과를 설명하는 다이어그램입니다.

홀 소자는 "반도체에 전류 IH가 흐르고 자속 B가 전류와 직각으로 통과할 때 전류와 자기장에 수직인 방향으로 전압 VH가 발생하는 현상"을 이용합니다.

'홀 효과'로 알려진 이 현상은 미국의 물리학자 에드윈 허버트 홀이 발견했습니다. 생성된 전압 VH는 다음 공식으로 표현됩니다.

V_H=(K_H/d)・I_H・B

여기서 KH는 홀 계수이고 d는 플럭스 투과 표면의 두께입니다.

공식에서 알 수 있듯이 전류가 클수록 전압이 높아집니다. 이 특성은 종종 로터(자석)의 위치를 감지하는 데 사용됩니다.

3상 풀웨이브 브러시리스 모터의 회전 원리

브러시리스 모터의 회전 원리는 ①~⑥단계에서 설명합니다. 이해를 돕기 위해 영구자석을 원에서 직사각형으로 단순화했습니다.

1) 3상 코일 시스템에서 코일 1은 시계의 12시 위치에, 코일 2는 4시 위치에, 코일 3은 8시 위치에 고정되어 있다고 가정합니다. 왼쪽에 북극이 있고 오른쪽에 남극이 있는 2극 영구 자석이 회전할 수 있다고 가정합니다.

전류 Io가 코일 1로 유입되어 코일 외부에 남극 자기장을 생성합니다. 이 전류의 절반인 Io/2는 코일 2와 3에서 흘러나와 코일 외부에 북극 자기장을 생성합니다.

코일 2와 코일 3의 자기장이 벡터 합성을 거치면 아래쪽 북극 자기장이 생성됩니다. 이 자기장은 전류 Io가 한 코일을 통과할 때 생성되는 자기장의 절반 크기이며, 코일 1의 자기장에 더해지면 1.5배 더 커집니다. 이렇게 하면 영구 자석과 90° 각도로 합성 자기장이 생성되어 최대 토크가 발생하고 영구 자석의 시계 방향 회전을 유도합니다.

회전 위치에 따라 코일 2의 전류가 감소하고 코일 3의 전류가 증가함에 따라 합성된 자기장도 시계 방향으로 회전하여 영구 자석의 회전을 계속합니다.

2) 30° 회전하면 전류 Io가 코일 1로 들어가 코일 2의 전류를 0으로 설정하고 코일 3에서 전류 Io가 흘러나오게 합니다.

코일 1의 외부는 S극이 되고 코일 3의 외부는 N극으로 바뀝니다. 벡터 조합 중에 생성되는 자기장은 전류 Io를 전달하는 단일 코일의 √3(약 1.72)배입니다. 또한 영구 자석의 자기장에 대해 90° 각도로 시계 방향으로 회전하는 복합 자기장이 생성됩니다.

회전 위치에 따라 코일 1의 유입 전류 Io가 감소하면 코일 2의 유입 전류가 0에서 증가하기 시작하고 코일 3의 유출 전류가 Io로 증가하면 복합 자기장도 시계 방향으로 회전하고 영구 자석은 계속 회전합니다.

모든 위상 전류가 정현파라고 가정할 때, 여기서 전류는 Io×sin(π⁄3)=Io×√3⁄2입니다. 자기장의 벡터 조합을 통해 총 자기장 크기는 단일 코일에서 생성되는 자기장의 1.5배입니다((√3⁄2)2×2=1.5). 모든 위상 전류가 정현파인 경우 영구 자석의 위치에 관계없이 벡터 복합 자기장의 크기는 항상 단일 코일의 1.5배가 되며, 자기장은 영구 자석의 자기장과 90° 각도를 이룹니다.

3) 30° 더 회전하면 전류 Io/2가 코일 1로 흐르고, 전류 Io/2가 코일 2로 들어가고, 전류 Io가 코일 3에서 흘러나옵니다.

코일 1의 외부가 S극이 되고, 코일 2의 외부도 S극으로 변하며, 코일 3의 외부가 N극이 됩니다. 벡터 결합 시 생성되는 자기장은 전류 Io가 단일 코일을 통과할 때 생성되는 자기장의 1.5배입니다(①과 동일). 여기에도 영구 자석의 자기장에 대해 90° 각도로 시계 방향으로 회전하는 복합 자기장이 형성됩니다.

4~6단계는 1~3단계와 같은 방식으로 회전합니다.

이러한 방식으로 영구 자석의 위치에 따라 코일에 흐르는 전류를 순차적으로 전환하면 영구 자석은 고정된 방향으로 회전합니다. 마찬가지로 전류가 역전되어 합성 자기장의 방향이 바뀌면 시계 반대 방향으로 회전합니다.

아래 다이어그램은 앞서 언급한 각 1~6단계에서 각 코일의 전류를 연속적으로 표시합니다. 위의 소개를 통해 전류와 회전의 변화 사이의 관계를 이해해야 합니다.

스테퍼 모터

스테퍼 모터는 모터 유형 펄스 신호와 정확하게 동기화하여 회전 각도와 속도를 제어할 수 있습니다. "펄스 모터"라고도 합니다.

위치 센서가 필요 없고 개방형 루프 제어를 통해 정확한 위치를 파악할 수 있는 스테퍼 모터는 정밀한 위치 파악이 필요한 장비에 널리 사용됩니다.

스테퍼 모터의 구조(2상 바이폴라)

아래 이미지(왼쪽부터)는 스테퍼 모터의 외형 예시, 내부 구조의 간단한 다이어그램, 설계의 개념도를 보여줍니다.

제공된 외부 예시는 HB(하이브리드) 및 PM(영구 자석) 타입 스테퍼 모터의 모습입니다. 가운데 다이어그램은 HB 및 PM 타입의 구조도 보여줍니다.

스테퍼 모터는 고정 코일과 회전 자석으로 구성되어 있습니다. 스테퍼 모터의 내부 구조에 대한 오른쪽 개념도는 2상(2세트)의 코일을 사용하는 PM 모터의 예시를 보여줍니다. 스테퍼 모터의 기본 구조 예시에서 코일은 외부에 위치하며 영구 자석은 내부에 위치합니다. 2상 외에도 3상, 5상 등 위상 수가 더 많은 타입도 있습니다.

스테퍼 모터마다 구조가 다르지만 작동 원리를 설명하기 위해 이 문서에서는 스테퍼 모터의 기본 구조를 설명합니다. 이 글을 통해 스테퍼 모터는 주로 고정 코일과 회전하는 영구 자석의 구조를 채택하고 있다는 것을 이해하고자 합니다.

스테퍼 모터의 기본 작동 원리(단상 여기)

다음 다이어그램은 스테퍼 모터의 기본 작동 원리를 설명하는 데 사용됩니다. 위에서 언급한 2상 바이폴라 코일의 단상(한 세트의 코일) 여기 예시입니다. 그림의 전제는 ①에서 ④로 변화하는 상태입니다. 코일은 코일 1과 코일 2로 구성됩니다. 또한 전류의 화살표는 전류의 흐름 방향을 나타냅니다.

 코일 1의 왼쪽에서 전류가 흐르고 오른쪽에서 전류가 나오도록 합니다. 코일 2를 통해 전류가 흐르지 않도록 합니다. 그 결과 왼쪽 코일 1의 안쪽은 N(북쪽)이 되고 오른쪽 코일 1의 안쪽은 S(남쪽)이 됩니다. 결과적으로 중간에 있는 영구 자석은 코일 1의 자기장에 이끌려 왼쪽은 S, 오른쪽은 N인 상태가 되어 멈춥니다.

다음으로 코일 1의 전류를 차단하여 코일 2의 위쪽에서 들어오고 아래쪽에서 나가도록 합니다. 그러면 상단 코일 2의 안쪽은 N이 되고 하단 코일 2의 안쪽은 S가 됩니다. 영구 자석은 이 자기장에 이끌려 시계 방향으로 90도 회전하며 멈춥니다.

그 후, 코일 2의 전류를 정지시켜 코일 1의 오른쪽에서 들어오고 왼쪽에서 나가도록 합니다. 왼쪽 코일 1의 안쪽은 S가 되고, 오른쪽 코일 1의 안쪽은 N이 됩니다. 영구 자석은 다시 이 자계에 이끌려 시계 방향으로 90도 더 회전한 후 멈춥니다.

마지막으로 코일 1의 전류를 차단하여 코일 2의 아래쪽에서 위쪽으로 전류가 흐르도록 합니다. 그러면 상단 코일 2의 안쪽은 S가 되고 하단 코일 2의 안쪽은 N이 되며, 영구 자석은 이 자기장에 이끌려 시계 방향으로 90도 회전하며 멈춥니다.

전자 회로를 통해 위 순서(①~④)로 코일을 통과하는 전류 흐름을 전환하면 스테퍼 모터가 회전하도록 만들 수 있습니다. 이 예제에서는 각 스위치 동작이 스테퍼 모터를 90도 회전시킵니다.

또한 특정 코일을 통해 지속적인 전류 흐름을 유지하면 모터가 토크를 유지하면서 정지 상태를 유지할 수 있습니다. 참고로 코일을 통과하는 전류 흐름의 순서를 바꾸면 스테퍼 모터가 반대 방향으로 회전할 수 있습니다.