직류 전동기는 어떻게 동작하나?

완델씨가 최근에 직류모터와 교류모터에 대한 글을 올렸습니다. 목공에 필수적인 전동공구, 그리고 이 전동공구에 반드시 들어 있는 모터에 대해서 쉽게 이해할 수 있는 글이라 번역/첨언하여 소개드립니다. 원문은 다음 링크로...
http://woodgears.ca/motors/dc.html

저는 종종 모터에 대한 질문을 받습니다. 그래서 모터가 어떻게 동작하는지에 대한 글과 비디오를 준비해야 겠다고 생각했습니다.

일반적으로 사용되는 모터는 크게 두가지 타입으로 나눌 수 있습니다. 하나는 직류모터(DC Motor)이고 다른 하나는 유도전동기(Induction Motor)입니다. 직류모터가 이해하기 쉬우므로 이것부터 시작하도록 하지요.

직류 모터(정확히는 유니버설 모터)는 대부분의 휴대할 수 있는 전동공구... 예를 들어 드릴, 라우터, 직쏘, 샌딩기 등에 사용됩니다. 제가 사용하고 있는 드릴 중의 하나를 열어서 회전자(rotor)를 꺼내 보았습니다.

통상적인 직류모터의 회전자는 금속코어에 구리선이 감겨있는 형태입니다. 회전자의 한쪽 끝은 전기와 연결되는 접점(contact)인데 이것을 정류자(commutator)라고 합니다.

정류자는 사진에서 보듯이 서로 절연된 구리조각이 원형으로 배치되어 있습니다. 서로 마주보는 두개의 구리조각은 서로 권선(winding)이 연결되어 있습니다. 그래서 이 권선에 전류가 흐르게 되면 전자기장을 형성하게 되지요. 쉽게 말해서 전자석이 되는 겁니다. 아래 그림은 간단하게 도식화한 것인데 정류자에 두개의 구리조각만 있고, 권선도 그냥 선으로 그린 겁니다. 실제 정류자는 더 많은 조각과 더 많은 권선들로 구성됩니다.

실제로 전기선을 정류자의 한쪽과 반대쪽에 대고 전기를 연결해 보았습니다. 그리고 나침반을 가까이 대면 회전자 쪽으로 바늘이 움직여 자기장이 형성됨을 볼 수 있습니다. 만일 전기선을 다른 방향으로 접촉시키면 그쪽에 자기장이 형성되어 나침반 바늘의 방향이 약간 틀어짐을 볼 수 있습니다.

직류모터는 회전자가 전자석처럼 행동하기 때문에 회전합니다. 회전자의 주위에는 영구자석인 고정자(stator)가 배치되어 있는데 정류자에 전기가 공급되면 영구자석의 N극 S극 방향과 수직으로 전자석의 자극이 형성됩니다. 그러면 자연히 자석의 다른 극을 당기는 현상 때문에 N극이 S극 쪽으로 회전하게 됩니다.

만일 회전자도 고정자도 영구자석이라면 처음 90도를 회전한 다음 그대로 멈추어 버리겠지요.

하지만 회전자는 전자석(electromagnet)입니다. 회전자가 회전함에 따라 정류자의 다른 접점에 전기가 통하게 되고 이 새로운 전자석은 다시 회전하는 힘을 얻게 됩니다. 저는 전기선에 1.5볼트의 배터리를 연결한 뒤 영구자석을 가까이 대었더니 회전자가 천천히 회전하는 걸 볼 수 있었습니다. 이 실험에서는 구리로 된 전기선을 이용했지만 마찰이 심하기 때문에 실제 직류모터에는 카본(Carbon)으로 된 브러쉬(brush)를 사용합니다.

하지만 모든 직류모터가 위와 같이 자석을 갖다 대는 것 만으로 회전하지는 않습니다. 회전자가 효율적으로 회전하기 위해서는 자속(magnetic flux)이 루프(loop)를 이루어야 합니다. 한편 자속은 공기를 잘 통과하지 못하는데, 철(iron)의 경우 공기보다 천배는 더 잘 통과시킬 수 있습니다. 그래서 회전자의 경우도 철로 코어를 만드는 것입니다.

그래서 저는 2mm 두께의 철판을 구부려서 C 모양을 만들었고 안쪽에 네오디뮴 자석 (rare earth magnet, 희토류 자석의 일종)을 붙였습니다. 그리고 회전자의 베어링을 고정할 구조물도 만들었습니다. 그러고 나서 다시 1.5볼트의 전기를 가했더니 아까보다는 훨씬 잘 돕니다. 그러나 여전히 빠르게 돌지는 않습니다.

문제는 모터가 발전기(generator)의 역할도 한다는 데 있습니다. 제가 손으로 회전자를 직접 돌려보면 전압계에서 0.6 볼트 정도의 전기가 생성되는 걸 볼 수 있습니다. 영구자석에 코일을 넣은 구조에 전기를 가하면 모터로서의 역할을 하며, 회전자를 손으로 돌리면 전기를 생산하는 발전기로의 역할을 할 수 있습니다. 이런 이유로 전기의 힘에 의해 모터가 회전하게 되면 전자기장의 변화가 역으로 반대 부호의 전압을 생성하게 되고 이것이 결국 모터의 회전 속도를 떨어 뜨리게 됩니다.

이번에는 30볼트로 전압을 높여 보았더니 무서울 정도로 빨리 회전하더군요. 왜냐하면 회전자를 느슨하게 고정시켜서 그렇습니다. 실제로 실험할 때는 전압을 높일 때 조심하시기 바랍니다. 하지만 실제 환경에서 모터는 보통 초당 100~200회전을 합니다. RPM으로 따지면 6,000~12,000 RPM 정도 됩니다.

이렇게 개선을 했지만 실제 사용되는 최적의 구조는 아닙니다. 실제 모터에서는 고정자(stator)에 철을 많이 사용하여 자속(flux)이 루프를 잘 형성하도록 하고 있습니다. 그래서 회전자에 더 강한 자력이 가해질 수 있습니다. 또한 고정자는 회전자에 최대한 밀착할 수 있도록 곡면이 설계되어야 합니다. 아까도 언급했듯이 공기중으로는 자속의 이동이 어렵기 때문에 고정자와 회전자 사이는 1mm 이내의 간격이 유지되도록 해야 합니다.

실제 모터에서는 정류자에 전기를 공급할 때 전기선이 아닌 카본 브러쉬(carbon brush)를 사용합니다. 저는 처음에 이 말만 믿고 실제로 브러쉬 모양의 접점이 있는 줄 알았습니다. 하지만 실제 모터는 그냥 카본 막대기를 사용합니다. 카본은 미끄럽기 때문에 정류자와의 마찰을 최소한으로 하면서 전기를 흘려 보내줄 수 있습니다. 하지만 카본도 조금씩은 닳습니다. 그래서 카본 막대기 뒷쪽에는 스프링을 장착해서 정류자쪽으로 밀착을 시킵니다. 하지만 언젠가는 이 카본 브러쉬는 모두 닳게 될테고 그때는 이 브러쉬를 교체해야 합니다.

그래서 이런 타입의 모터는 들고 다니는 전동 공구에 많이 사용됩니다. 왜냐하면 갑자기 카본 브러쉬의 수명이 다 되어 모터가 멈춘다고 해도 별 문제가 없기 때문입니다. 만일 오랫동안 안정적으로 동작해야 하는... 예를 들어 냉장고, 가열로(heating furnace), 배수 펌프(sump pump), 욕실 환풍기 등에는 (교류)유도전동기가 주로 사용됩니다.

그런데 위 사진을 자세히 보면 고정자에 전기선이 감겨있어 영구자석이 아니라 전자석임을 알 수 있습니다. 이렇게 회전자에도 고정자에도 권선이 감겨져 있는 모터를 유니버설 모터(Universal Motor)라고 합니다. 유니버설 모터는 고정자에 영구자석이 아니라 전자석을 사용하는 차이가 있습니다. 또 다른 차이는 이 유니버설 모터는 직류를 인가해도 교류를 인가해도 동작한다는 겁니다.

직류를 인가하면 고정자는 일정한 방향의 자기장을 형성하여 영구자석을 사용한 것과 동일합니다. 한편 교류는 전압이 싸인파로 왔다갔다 하지만 이 교류를 유니버설 모터에 인가하면 고정자와 회전자에 상대적으로 같은 방향의 전기가 흐르는 결과가 되어 일정한 방향으로 회전할 수 있습니다. 유니버설 모터에 교류를 사용하면 영구자석을 이용한 직류모터에 비해 몇가지 장점이 있습니다. 먼저 영구자석보다 전자석이 부피가 작으며, 둘째로 마치 임팩트 드릴처럼 교류의 출렁거림이 토크(Torque)의 증대를 가져와 힘이 좋습니다. 마지막으로 고속의 회전을 얻을 수 있습니다. 유니버설 모터는 가정용 청소기, 헤어드라이어, 믹서기, 드릴 등의 소형이면서 고속이 필요한 경우 많이 쓰입니다.

더 자세한 내용은 위키피디아의 정류자(commutator) 항목을 참조하세요.

다른 타입의 모터들

브러쉬리스 모터

최근에는 브러쉬리스 직류 모터 (Brushless DC Motor)가 고급 충전 공구에 조금씩 사용되고 있습니다. 브러쉬리스 모터는 일반 직류모터와 개념은 비슷합니다. 하지만 카본 브러쉬 대신에 결선의 전기흐름을 제어하기 위해 트랜지스터를 사용합니다. 브러쉬가 없어짐으로서 마찰로 인한 운동에너지 손실이 없어 효율적이고, 더 조용하며, 모터의 수명이 길어집니다. 그리고 구조상 일반 직류모터와는 반대로 고정자에 권선을 감고, 영구자석을 회전자로 사용하는 것이 더 효율적입니다.

의외로 브러쉬리스 모터는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있습니다. 가장 대표적인 것이 PC에 사용되는 환기팬입니다. PC업계는 20년전 부터 브러쉬리스 모터를 사용해 왔습니다. 조용하면서도 내구성이 좋아야 하는 하드디스크의 모터 역시 브러쉬리스입니다. 이렇게 브러쉬리스 모터는 효율적이고 수명이 길어서 아주 비싼 충전 공구에서 사용됩니다. 요즘 많이 보급되고 있는 하이브리드나 전기자동차 역시 브러쉬리스 모터를 사용합니다.

스텝 모터 (Stepper Motor)

스텝모터 역시 컴퓨터 주변기기에서 많이 사용되고 있습니다. 특히 스캐너나 오래된 프린터에서 많이 사용되었습니다. 집에서 CNC 라우터를 만드는 분들도 있는데 이 분들도 비용 문제로 이 스텝모터를 사용합니다. 스텝모터는 특유의 소음이 있어 금방 알 수 있습니다. 스캐너나 프린터 헤드가 이동할 때 잉~하는 소리입니다.

스텝모터는 펄스 한번에 특정한 각도만큼 정확히 회전하는 특성이 있어 컴퓨터로 정밀하게 제어해야 하는 경우에 사용됩니다. 정확한 각도로 회전했는지 별도의 센서로 피드백 받을 필요가 없어 가격이 저렴합니다. 하지만 스텝모터는 빠르게 회전하지도 못하고, 비효율적이며, 힘도 약합니다. 스텝모터의 장점은 컴퓨터로 쉽게 제어할 수 있다는 점과 싼 가격입니다. 상용 CNC들은 피드백 센서를 사용하는 서보 모터(servo motor)를 주로 사용합니다.

유도 전동기 (Induction Motor)

유도 전동기는 오랫동안 무고장으로 돌아야 하는 고정식 기계(stationary machine)에 주로 사용됩니다. 직류 모터보다 구조가 간단하여 생산이 쉽고 저렴한 장점이 있습니다. 하지만 그 원리에 대해서 설명하기는 좀 어렵습니다. 그래서 별도로 다시 글을 올리겠습니다.

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