모터의 종류와 제조 원리 살펴보기

전 세계 전력 소비의 거의 절반이 모터에서 발생하므로 모터의 효율적인 사용은 글로벌 에너지 문제를 해결하는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다.

모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치입니다. 모터는 동력 코일(고정자 권선)을 사용하여 회전 자기장을 생성하고, 이 자기장이 회전자(다람쥐 케이지 형태의 폐쇄형 알루미늄 프레임 등)에 작용하여 회전 자기 토크를 생성합니다.

모터는 사용되는 전원 공급 장치 유형에 따라 직류(DC) 모터와 교류(AC) 모터로 나뉩니다. 전원 시스템의 대부분의 모터는 동기식 또는 비동기식(모터 고정자 자기장의 회전 속도가 회전자 회전 속도와 동기화되지 않음)일 수 있는 AC 모터입니다.

모터는 주로 고정자와 회전자로 구성됩니다. 자기장에서 동력 도체의 운동 방향은 전류의 방향과 자기장 선의 방향과 관련이 있습니다. 모터의 작동 원리는 전류에 대한 자기장의 힘으로 모터가 회전하는 것입니다.

모터 제어는 모터의 시작, 가속, 작동, 감속 및 정지를 제어하는 것을 말합니다. 모터의 종류와 모터가 사용되는 환경에 따라 요구 사항과 목표가 다릅니다. 모터의 경우 모터 제어를 통해 빠른 시동, 빠른 응답, 고효율, 높은 토크 출력, 높은 과부하 용량 등의 목표를 달성할 수 있습니다.

여기서 언급하는 표준 모터, 서보 모터, 스테퍼 모터, 서보 모터는 우리가 흔히 접하는 DC 마이크로모터를 의미합니다. '모터'라고도 하는 모터는 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 전자기 에너지의 변환 또는 전달을 유지하는 전자기 유도 장치를 말합니다.

"전기 기계"라고도 알려진 모터는 전원 회로에서 영문자 "M"(이전에는 "D"로 표시)으로 표시됩니다. 주요 기능은 전기 제품이나 다양한 기계의 동력원으로 구동 토크를 생성하는 것입니다. 발전기는 회로에서 문자 "G"로 표시됩니다.

1. 모터의 종류

일반적으로 모터는 자기장에 전류가 흐르면서 발생하는 힘을 회전 운동으로 변환하는 장치를 말하며, 넓은 의미에서는 직선 운동도 포함합니다.

모터는 전원에 따라 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다: DC 모터와 AC 모터입니다.

또한 특수한 유형의 모터를 제외하고는 회전 원리에 따라 크게 분류할 수 있습니다.

(1) DC 모터

브러시 모터

널리 사용되는 브러시 모터는 일반적으로 DC 모터라고 합니다. 로터는 '브러시'(고정자 쪽)와 '정류자'(전기자 쪽)라는 전극을 통해 전류를 전환하여 회전합니다.

브러시리스 DC 모터

이 모터는 브러시나 정류자가 필요하지 않으며, 대신 트랜지스터와 같은 스위칭 기능을 사용하여 전류를 전환하고 모터를 회전시킵니다.

스테퍼 모터

이 모터는 펄스 전원과 동기식으로 작동하므로 펄스 모터라고도 합니다. 이 모터의 특징은 쉽고 정확한 포지셔닝 작동입니다.

(2) AC 모터

비동기 모터

교류 전류는 고정자가 회전 자기장을 생성하여 회 전자가 유도 전류를 생성하고 그 상호 작용으로 회전하게 합니다.

동기식 모터

교류는 회전 자기장을 생성하고, 자기장이 있는 로터는 인력을 받아 회전합니다. 회전 속도는 전원 주파수와 동기화됩니다.

전류, 자기장 및 힘에 대하여

먼저 모터 원리를 쉽게 설명하기 위해 전류, 자기장, 힘의 기본 법칙을 살펴봅시다. 향수를 불러일으킬 수도 있지만, 자성 부품을 자주 사용하지 않는다면 이 지식을 잊어버리기 쉽습니다.

이를 설명하기 위해 그림과 공식을 사용하겠습니다.

와이어 루프가 직사각형인 경우 전류에 작용하는 힘을 고려해야 합니다.

변 a와 c에 작용하는 힘 F는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:

이렇게 하면 중심 축에 대한 토크가 생성됩니다.

예를 들어 회전 각도가 θ인 상태를 고려할 때, 직각으로 b와 d에 작용하는 힘은 sinθ입니다. 따라서 a 측면의 토크 Ta는 다음 공식으로 표현할 수 있습니다:

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

직사각형의 면적은 S = h x l이므로 위의 공식에 대입하면 다음과 같은 결과가 나옵니다:

이 공식은 직사각형뿐만 아니라 원과 같은 다른 일반적인 도형에도 적용할 수 있습니다. 모터는 이 원리를 활용합니다.

표준 모터

전동 장난감이나 전기 면도기 등 일상용품에서 흔히 볼 수 있는 표준 모터는 일반적으로 직류 브러시 모터입니다. 빠른 속도와 낮은 토크가 특징인 이 모터는 두 개의 핀만 있으면 작동합니다. 배터리의 양극과 음극 단자에 연결하면 모터가 회전하기 시작합니다. 연결을 반대로 하면 모터가 반대 방향으로 회전합니다.

기어 감속 모터

기어 감속 모터는 기어박스가 장착된 표준 모터입니다. 이 설계는 회전 속도를 낮추는 동시에 토크를 높여 표준 모터의 실제 적용 범위를 확장합니다.

서보 모터

서보 모터는 주로 쉘, 회로 기판, 코어리스 모터, 기어, 위치 감지기로 구성됩니다. 서보 모터는 수신기에서 서보 모터로 신호를 받아 작동합니다. 온보드 IC가 회전 방향을 결정하고 코어리스 모터가 회전을 시작하도록 구동합니다.

동작은 감속 기어를 통해 스윙 암으로 전달되고, 위치 감지기는 동시에 신호를 다시 보내 의도한 위치에 도달했는지 확인합니다. 위치 감지기는 기본적으로 서보 모터가 회전함에 따라 저항값이 변하는 가변 저항기입니다. 이러한 저항 값을 감지하여 회전 각도를 결정할 수 있습니다.

사양 제공처 서보 모터 제조업체 일반적으로 치수(mm), 토크(kg/cm), 속도(초/60°), 테스트 전압(V), 무게(g)가 포함됩니다. 토크 단위는 kg/cm로, 스윙 암 길이 1cm에서 몇 킬로그램을 들어 올릴 수 있는지를 나타냅니다.

이것은 지렛대 암의 개념이므로 암이 길수록 토크가 낮아집니다. 속도 단위는 초/60°로, 서보 모터가 60° 회전하는 데 필요한 시간을 나타냅니다.

스테퍼 모터

스테퍼 모터는 전기 펄스 신호를 각도 또는 선형 변위로 변환하는 개방형 루프 제어 요소입니다. 과부하가 없는 조건에서 모터의 속도와 정지 위치는 부하 변화와 관계없이 펄스 신호의 주파수와 수에만 의존합니다.

스테퍼 드라이버는 펄스 신호를 수신하면 스테퍼 모터를 구동하여 '스텝 각도'라고 하는 고정 각도로 미리 정해진 방향으로 회전합니다. 회전은 고정 각도 단위로 진행됩니다. 펄스 수를 제어하여 각도 변위를 관리하고 정밀한 포지셔닝을 달성할 수 있습니다. 마찬가지로 펄스 주파수를 사용하여 모터의 회전 속도와 가속도를 제어하여 속도 조절을 달성할 수 있습니다.

액추에이터 모터라고도 하는 서보 모터는 자동 제어 시스템의 실행 장치로, 수신된 전기 신호를 모터 샤프트의 각 변위 또는 각속도 출력으로 변환하는 역할을 합니다.

서보 모터는 직류(DC) 및 교류(AC) 서보 모터의 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 이러한 모터의 주요 특징은 신호 전압이 0일 때 자체 회전 현상이 없고 토크가 증가함에 따라 회전 속도가 균일하게 감소한다는 점입니다.

서보 모터는 주로 펄스에 의존하여 위치를 지정합니다. 기본적으로 서보 모터는 수신된 각 펄스에 대해 펄스에 해당하는 각도로 회전하여 변위를 달성합니다. 서보 모터 자체에 펄스를 방출하는 기능이 있기 때문에 서보 모터는 회전하는 각 각도에 해당하는 수의 펄스를 방출합니다.

이렇게 하면 수신된 펄스로 반응형 또는 '폐쇄 루프' 시스템이 형성됩니다. 이러한 방식으로 시스템은 서보 모터로 전송된 펄스 수와 다시 수신된 펄스 수를 파악합니다. 따라서 모터의 회전을 매우 정밀하게 제어할 수 있어 최대 0.001mm까지 정밀한 위치 지정이 가능합니다.

서보 모터는 크게 AC 서보와 DC 서보 카테고리로 나뉩니다.

AC 서보 모터는 다시 비동기식 AC 서보 모터와 동기식 AC 서보 모터로 나뉩니다.

DC 서보 모터는 브러시 모터와 브러시리스 모터로 나뉩니다. 브러시 모터는 비용이 저렴하고 구조가 단순하며 높은 시동 토크를 생성하고 속도 제어 범위가 넓으며 제어가 쉽습니다. 하지만 유지보수가 필요하고(예: 브러시 교체), 전자기 간섭이 발생하며 특정 환경 요건을 충족해야 한다는 불편함이 있습니다. 따라서 비용에 민감한 일반 산업 및 민간 애플리케이션에 적합합니다.

2. 모터는 어떻게 회전하나요?

1） 자석과 자력의 도움으로 모터가 회전합니다.

회전축이 있는 영구 자석 주변,

• 자석을 회전(회전 자기장 생성)합니다,
• 반대 극은 끌어당기고 같은 극은 밀어내는 원리에 따라 N극과 S극 사이에는 서로 다른 극이 존재합니다,
• 회전축이 있는 자석이 회전합니다.

이것이 모터 회전의 기본 원리입니다.

전선을 통해 전류가 흐르면 주변에 회전 자기장(자력)이 발생하여 자석이 회전하게 됩니다.

실제로 이것은 앞서 설명한 것과 동일한 작동 상태입니다.

또한 와이어를 코일에 감으면 자력이 결합하여 큰 자기장 플럭스(자속)를 형성하여 N극과 S극을 생성합니다.

코일 모양의 와이어에 철심을 삽입하면 자기장 선이 더 쉽게 통과하여 더 강한 자기력을 생성할 수 있습니다.

2） 실용적인 회전 모터

여기에서는 3상 교류와 코일을 사용하여 회전 모터로 회전 자기장을 생성하는 실용적인 방법을 소개합니다.

(3상 AC는 위상차가 120°인 AC 신호입니다.)

위 상태 ①의 결합 자기장은 아래 그림 ①에 해당합니다.

위 ② 상태의 결합 자기장은 아래 그림 ②에 해당합니다.

위 ③ 상태의 결합 자기장은 아래 그림 ③에 해당합니다.

위에서 언급했듯이 철심을 감은 코일은 U상 코일, V상 코일, W상 코일로 120° 간격으로 배열된 3상 코일로 나뉩니다.

전압이 높은 코일은 N극을 생성하고 전압이 낮은 코일은 S극을 생성합니다.

각 위상은 사인파에 따라 변화하므로 각 코일의 극성(N극, S극)과 자기장(자기력)이 달라집니다.

이때 N극을 생성하는 코일을 보면 U상 코일에서 V상 코일, W상 코일, U상 코일로 순차적으로 바뀌면서 회전을 일으킵니다.

3. 소형 모터의 구조

다음 그림은 스테핑 모터, 브러시 DC 모터, 브러시리스 DC 모터 등 세 가지 유형의 모터에 대한 대략적인 구조와 비교를 보여줍니다.

모터의 기본 구성 요소는 크게 코일, 자석, 로터이며, 그 종류에 따라 코일 고정형과 자석 고정형으로 분류합니다.

다음은 예시 다이어그램과 관련된 구조 설명입니다. 더 세밀하게 나누면 다른 구조가 있을 수 있으므로 전체 구조를 설명하는 것으로 이해해 주시기 바랍니다.

여기에 표시된 스테핑 모터에서는 코일이 바깥쪽에 고정되어 있고 자석이 안쪽에서 회전합니다.

여기에 표시된 브러시 DC 모터에서 자석은 바깥쪽에 고정되어 있고 코일은 안쪽에서 회전합니다. 브러시와 정류자는 코일에 전력을 공급하고 전류의 방향을 변경하는 역할을 합니다.

여기에 표시된 브러시리스 모터에서는 코일이 바깥쪽에 고정되어 있고 자석이 안쪽에서 회전합니다.

모터의 종류가 다양하기 때문에 기본 구성품이 동일하더라도 구조가 다를 수 있습니다. 자세한 설명은 각 섹션에서 확인할 수 있습니다.

4. 브러시드 모터

브러시드 모터의 구조

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

보시다시피 브러시드 DC 모터의 영구 자석은 고정되어 있으며 코일은 모터의 내부 중심을 중심으로 회전할 수 있습니다. 고정된 쪽을 "고정자"라고 하고 회전하는 쪽을 "회전자"라고 합니다.

다음은 모터의 구조 개념을 나타내는 개략도입니다.

회전하는 중심축의 주변에는 세 개의 정류자(전류를 전환하기 위한 곡선형 금속판)가 있습니다. 정류자는 서로 접촉하지 않도록 120도(360도 ÷ 3) 간격으로 배열되어 있습니다. 정류자는 축의 회전과 함께 회전합니다.

각 정류자는 하나의 코일 끝과 다른 코일 끝에 연결되어 있으며, 3개의 정류자와 3개의 코일은 전체적으로 하나의 회로망(고리 모양)을 형성합니다.

두 개의 브러시는 정류자와 접촉하도록 0°와 180°로 고정되어 있습니다. 외부 DC 전원 공급 장치가 브러시에 연결되고 전류는 브러시 → 정류자 → 코일 → 브러시의 경로를 따라 흐릅니다.

브러시드 모터의 작동 원리.

초기 상태에서 시계 반대 방향 회전

초기 상태에서는 코일 A가 상단에 있고 전원 공급 장치가 왼쪽(+) 및 오른쪽(-)이 정의된 브러시에 연결됩니다. 왼쪽 브러시에서 정류자를 통해 코일 A로 큰 전류가 흐르고 코일 A의 위쪽(바깥쪽)은 S극 구조가 됩니다.

왼쪽 브러시에서 코일 A를 통해 코일 B와 C로 흐르는 전류의 절반이 코일 A와 반대 방향이므로 코일 B와 C의 바깥쪽은 더 약한 N극이 됩니다(다이어그램에서 작은 글자로 표시).

이러한 코일에서 생성된 자기장과 자석 사이의 반발력 및 인력으로 인해 코일이 시계 반대 방향으로 회전합니다.

시계 반대 방향으로 더 회전

코일 A가 시계 반대 방향으로 30도 회전하는 상태라고 가정하면 오른쪽 브러시는 두 개의 정류자와 접촉합니다.

코일 A의 전류는 왼쪽 브러시에서 오른쪽 브러시를 통해 계속 흐르고 코일 A의 바깥쪽은 S 극으로 유지됩니다.

코일 A에서와 동일한 전류가 코일 B를 통해 흐르고 코일 B의 바깥쪽이 더 강한 N극이 됩니다.

코일 C의 양쪽 끝이 브러시에 의해 단락되므로 전류가 흐르지 않고 자기장이 생성되지 않습니다.

이 경우에도 코일은 시계 반대 방향으로 회전하는 힘을 받습니다.

에서 ③까지, 위쪽 코일은 왼쪽으로 계속 힘을 받고 아래쪽 코일은 오른쪽으로 계속 힘을 받아 시계 반대 방향으로 계속 회전합니다.

코일이 ③, ④ 상태로 30도 회전할 때마다 코일이 중심 수평축 위에 위치하면 코일의 바깥쪽이 S극이 되고, 그 아래에 위치하면 N극이 되어 이 동작을 반복적으로 수행합니다.

즉, 상단 코일은 왼쪽 방향으로 반복적으로 힘을 받고 하단 코일은 오른쪽 방향으로 반복적으로 힘을 받습니다(둘 다 시계 반대 방향). 이로 인해 로터가 지속적으로 시계 반대 방향으로 회전합니다.

전원 공급 장치를 반대쪽 왼쪽 브러시(-)와 오른쪽 브러시(+)에 연결하면 코일에 반대 방향의 자기장이 발생하고 코일에 가해지는 힘의 방향이 반대로 되어 시계 방향으로 회전하게 됩니다.

또한 전원 공급이 차단되면 브러시 모터의 로터는 회전을 유지할 자기장이 없기 때문에 회전을 멈춥니다.

5. 3상 풀웨이브 브러시리스 모터

3상 풀웨이브 브러시리스 모터의 외형 및 구조

다음 그림은 브러시리스 모터의 외형과 구조의 예를 보여줍니다.

왼쪽은 디스크 재생 장치에서 디스크를 회전시키는 스핀들 모터의 예입니다. 총 9개의 코일이 있으며 3상×3개로 구성되어 있습니다.

오른쪽은 12개의 코일(3상×4)이 있는 FDD 장치용 스핀들 모터의 예입니다. 코일은 회로 기판에 고정되어 있고 철심에 감겨 있습니다.

코일 오른쪽에 있는 디스크 모양의 부품은 영구 자석 로터입니다. 바깥쪽 가장자리는 영구 자석으로 만들어져 있고 로터 샤프트는 코일의 중앙에 삽입되어 코일의 일부를 덮고 있습니다. 영구 자석은 코일의 바깥쪽 가장자리를 중심으로 회전합니다.

3상 풀웨이브 브러시리스 모터의 내부 구조도 및 코일 연결을 위한 등가 회로도.

다음은 코일 연결을 위한 내부 구조 및 등가 회로의 단순화된 다이어그램입니다.

단순화된 다이어그램은 간단한 구조의 2극(자석 2개) 3슬롯(코일 3개) 모터를 보여줍니다. 브러시형 모터와 유사합니다. 모터 구조 와 같은 수의 극과 슬롯이 있지만 코일 쪽은 고정되어 있고 자석은 회전할 수 있습니다. 물론 브러시는 없습니다.

이 경우 코일이 Y자 형태로 연결되고 반도체 부품이 코일에 전류를 공급하는 데 사용됩니다. 전류 흐름은 회전하는 자석의 위치에 따라 제어됩니다.

이 예에서는 홀 소자를 사용하여 자석의 위치를 감지합니다. 홀 소자는 코일 사이에 배치되어 자기장 세기에 의해 생성되는 전압을 감지하여 위치 정보로 사용됩니다. 앞서 제공된 FDD 장치의 스핀들 모터 이미지에서 위치 감지를 위한 코일 사이(코일 위)에도 홀 소자를 볼 수 있습니다.

홀 소자는 자기장의 크기를 전압의 크기로 변환하는 잘 알려진 자기 센서로, 양 또는 음의 전압으로 자기장의 방향을 나타냅니다.

다음은 홀 효과를 설명하는 개략도입니다.

홀 소자는 "전류 IH가 반도체를 통과하고 자속 B가 전류에 수직으로 통과할 때 전류와 자기장에 모두 수직인 방향으로 전압 VH가 발생하는 현상"을 활용합니다. 미국의 물리학자 에드윈 허버트 홀은 이 현상을 발견하고 "홀 효과"라고 명명했습니다. 생성된 전압 VH는 다음 공식으로 표현됩니다:

VH = (KH/d)・IH・B

※KH: 홀 계수, d: 자속 투과 표면의 두께

공식에서 볼 수 있듯이 전류가 높을수록 전압이 높아집니다. 이 특성은 일반적으로 로터(자석)의 위치를 감지하는 데 사용됩니다.

3상 풀웨이브 브러시리스 모터의 회전 원리

이제 브러시리스 모터의 회전 원리를 1~6단계로 설명하겠습니다. 더 쉽게 이해할 수 있도록 영구자석을 원형에서 직사각형으로 단순화했습니다.

3상 코일 시스템에서 코일 1은 12시 위치에, 코일 2는 4시 위치에, 코일 3은 시계 화면의 8시 위치에 고정되어 있습니다. 왼쪽에 N극, 오른쪽에 S극이 있는 2극 영구 자석은 회전할 수 있습니다.

코일 1에 전류 Io를 통과시켜 코일 외부에 S극 자기장을 생성합니다. 코일 2와 3에 Io/2의 전류를 통과시켜 코일 외부에 N극 자기장을 생성합니다.

코일 2와 코일 3의 자기장이 벡터적으로 결합하면 아래쪽을 향하는 N극 자기장이 생성됩니다. 이 자기장은 단일 코일을 통과하는 전류 Io가 생성하는 자기장의 0.5배이며, 코일 1의 자기장에 더해지면 1.5배 더 강해집니다. 이렇게 하면 영구 자석에 수직으로 결합된 자기장이 생성되어 최대 토크가 발생하고 영구 자석이 시계 방향으로 회전하게 됩니다.

회전 위치에 따라 코일 2를 통과하는 전류가 감소하고 코일 3을 통과하는 전류가 증가하면 결합된 자기장도 시계 방향으로 회전하여 영구 자석이 계속 회전하게 됩니다.

30도 회전된 상태에서 전류 Io가 코일 1을 통과하여 코일 2의 전류가 0이 되고 코일 3에서 전류 Io가 흘러나오게 됩니다.

코일 1의 바깥쪽은 S극이 되고 코일 3의 바깥쪽은 N극이 됩니다. 벡터적으로 결합하면 생성되는 자기장은 단일 코일을 통과하는 전류 Io에 의해 생성되는 자기장보다 √3(≈1.72) 배 더 강해집니다. 또한 시계 방향으로 회전하는 영구 자석에 수직으로 결합된 자기장이 생성됩니다.

회전 위치가 바뀌면 코일 1로 흐르는 전류는 감소하고 코일 2로 흐르는 전류는 0에서 시작하여 증가하며 코일 3에서 흘러나오는 전류는 Io로 증가합니다. 결과적으로 결합된 자기장도 시계 방향으로 회전하여 영구자석이 계속 회전하게 됩니다.

각 위상 전류가 사인파라고 가정할 때, 여기서 전류 값은 Io × sin(π⁄3) = Io × √3⁄2입니다. 자기장의 벡터적 조합을 통해 총 자기장 크기는 단일 코일에서 생성되는 자기장의 1.5배가 됩니다.

각 위상 전류가 사인파인 경우 영구 자석의 위치에 관계없이 벡터적으로 결합된 자기장의 크기는 항상 단일 코일에서 생성되는 자기장의 1.5배이며 자기장은 영구 자석의 자기장과 90도 각도로 수직을 이룹니다.

30도 회전이 계속되면 코일 1에 Io/2의 전류가 흐르고, 코일 2에 Io/2의 전류가 흐르고, 코일 3에서 Io의 전류가 흐릅니다.

코일 1의 바깥쪽은 S극이 되고, 코일 2의 바깥쪽도 S극이 되며, 코일 3의 바깥쪽은 N극이 됩니다. 벡터적으로 결합할 때 생성되는 자기장은 1단계와 동일하게 전류가 단일 코일을 통과할 때 생성되는 자기장의 1.5배입니다. 또한 영구 자석의 자기장에 90도 각도로 수직으로 결합된 자기장이 생성되어 시계 방향으로 회전합니다.

④-⑥

1-3단계와 같은 방식으로 계속 회전합니다.

이러한 방식으로 코일에 흐르는 전류가 영구 자석의 위치에 따라 지속적으로 전환되면 영구 자석은 고정된 방향으로 회전합니다. 마찬가지로 전류를 반대 방향으로 흐르게 하고 합쳐진 자기장의 방향을 반대로 하면 회전이 반시계 방향으로 이루어집니다.

다음 다이어그램은 1부터 6까지의 각 단계에 대해 각 코일에 흐르는 전류를 보여줍니다.

위의 설명을 통해 현재 변경과 회전의 관계를 이해하셨을 것입니다.

6. 스테퍼 모터

스테퍼 모터는 펄스 신호와 동기화하여 회전 각도 및 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 모터의 일종입니다. 스테퍼 모터는 "펄스 모터"라고도 합니다.

스테퍼 모터는 위치 센서를 사용하지 않고 개방형 루프 제어만으로 정확한 위치를 설정할 수 있기 때문에 위치 설정이 필요한 장비에 널리 사용됩니다.

스테퍼 모터의 구조(2상 바이폴라)

다음 이미지는 왼쪽에서 오른쪽으로 스테퍼 모터의 외관, 내부 구조의 개략도, 구조의 개념도를 보여줍니다.

외관 예시에는 HB(하이브리드) 및 PM(영구 자석) 유형의 스테퍼 모터가 모두 표시되어 있습니다. 가운데의 회로도에는 HB 유형과 PM 유형의 구조도 나와 있습니다.

스테퍼 모터는 코일이 고정되어 있고 영구 자석이 회전하는 구조입니다. 오른쪽의 스테퍼 모터 내부 구조 개념도는 2상(2세트) 코일이 있는 PM 모터의 예시입니다.

스테퍼 모터의 기본 구조 예시에서는 코일이 외부에 배열되어 있고 영구자석이 내부에 배열되어 있습니다. 2상 타입 외에도 3상, 5상 등 위상이 더 많은 타입이 있습니다.

일부 스테퍼 모터는 구조가 다르지만 스테퍼 모터의 기본 작동 원리를 설명하기 위해 고정 코일과 회전하는 영구 자석의 기본 구조를 가진 스테퍼 모터를 소개합니다.

기본 스테퍼 모터의 작동 원리 (단상 여기)

다음 그림은 스테퍼 모터의 기본 작동 원리를 설명하는 데 사용됩니다. 이전 이미지에 표시된 2상 바이폴라 코일의 각 위상(코일 한 세트)에 대한 여기 예시이며, ①에서 ④로의 상태 변화를 가정한 것입니다. 코일은 코일 1과 코일 2로 구성되며, 전류 화살표는 전류 흐름의 방향을 나타냅니다.

①

코일 1의 왼쪽에서 전류가 흐르고 오른쪽에서 전류가 빠져나갑니다.

코일 2에 전류가 흐르지 않도록 합니다.

이 시점에서 왼쪽 코일 1의 안쪽은 북쪽이 되고 오른쪽 코일 1의 안쪽은 남쪽이 됩니다.

그 결과 중간 영구 자석은 코일 1의 자기장에 이끌려 왼쪽이 남쪽, 오른쪽이 북쪽이 된 상태에서 멈춥니다.

②

코일 1의 전류를 차단하고 코일 2의 상단에서 전류가 흐르고 하단에서 빠져나가도록 합니다.

상단 코일(2)의 내부는 북쪽이 되고 하단 코일(2)의 내부는 남쪽이 됩니다.

영구 자석은 자기장에 이끌려 시계 방향으로 90° 회전한 후 멈춥니다.

③

코일 2의 전류를 차단하고 코일 1의 오른쪽에서 전류가 흐르고 왼쪽에서 빠져나가도록 합니다.

왼쪽 코일 1의 안쪽은 남쪽이 되고 오른쪽 코일 1의 안쪽은 북쪽이 됩니다.

영구 자석은 자기장에 이끌려 시계 방향으로 90° 더 회전한 후 멈춥니다.

④

코일 1의 전류를 차단하고 코일 2의 아래쪽에서 전류가 흐르고 위쪽에서 빠져나가도록 합니다.

상단 코일(2)의 내부는 남쪽이 되고 하단 코일(2)의 내부는 북쪽이 됩니다.

영구 자석은 자기장에 이끌려 시계 방향으로 90° 더 회전한 후 멈춥니다.

전자 회로를 사용하여 ①~④단계의 순서대로 코일에 흐르는 전류를 전환하면 스테퍼 모터를 회전시킬 수 있습니다. 이 예에서는 각 스위칭 동작이 스테퍼 모터를 90° 회전시킵니다.

또한 특정 코일에 지속적으로 전류를 흐르게 하면 스테퍼 모터가 정지된 위치를 유지하고 유지 토크를 가질 수 있습니다. 코일을 통해 흐르는 전류의 순서를 반대로 하면 스테퍼 모터가 반대 방향으로 회전할 수 있다는 점을 언급할 가치가 있습니다.