예전에 제가 다른 사람의 질문에 답변한 내용에 좀 더 덧붙여서 답합니다.
모터를 분류하는 방법은 여러가지가 있습니다만,
여기서는 모터의 종류를 나열하고 각각의 특징을 기술하겠습니다.
1. DC브러쉬모터
일반적인 DC모터입니다. 플레밍의 왼손법칙을 이용한 전동기로서,
Commutation(전류를 흘렸다 끊었다 하는 일련의 과정)마다
전류의 방향을 반대로 해주어야 하기 때문에, 필시 브러시라는
기계적인 요소가 필요합니다. 브러시는 정류자편에 전류를 공급해 주지만,
기계적인 요소라, 브러시가 닳아 없어지는 단점이 있습니다.
따라서 주기적으로 브러시를 교체하지 않으면 안됩니다.
또한 브러시가 닳아가면서 모터의 성능또한 저하되고, 분진이 날리는 등
환경적인 문제가 대두됩니다.
장점은 제어가 간편하고, 토오크가 전류에 비례하므로 단순히 전류제어만으로
토오크 직접제어를 행할 수 있습니다.
응용분야는 대부분의 배터리 구동의 소형기기, 헤어드라이기, 청소기 등 입니다.
2. BLDC(BrushLess DC)모터, PMSM(Permanent Magnet Syncronous Motor),
Syncronous Motor(동기전동기)
BLDC, PMSM 둘다 기본적인 구조는 비슷합니다. 대개 3상으로 구성되어 있습니다.
단지 두개의 차이라면, 역기전력(Back EMF)가 사다리꼴파인가 정현파인가의
차이입니다.
BLDC는 대부분 집중권으로 권선이 감겨져 있고,
PMSM은 분산권으로 권선이 감겨져 있습니다.
PMSM의 경우는 요즈음의 대부분의 산업용 서보모터의 방식입니다.
회전하는 부분(회전자)는 영구자석으로 이루어져 있고,
전류를 주는 부분(고정자)는 3상의 권선이 감겨져 있습니다.
3상이기 때문에 3상의 전원을 투입하면 내부에 회전자계가 생겨나고,
회전자(자석)는 회전자계와 동기화(Syncronous)하여 회전하게 됩니다.
브러시가 없기 때문에, 브러시의 마모가 없는 것이 가장 큰 장점이고,
공간벡터제어(Space Vector Control)기법의 상용화로
기존의 DC모터를 대체해가면서 DC모터와 유사한 방법으로 전동기를 제어합니다.
이또한 토오크 직접제어가 가능하고, 속도제어, 위치제어 등에서
탁월한 성능을 발휘합니다.
BLDC는 최근 많은 연구가 진행되고 있고, 상용화가 한창인 전동기 입니다.
PMSM이 주로 정밀 서보용인 반면에, BLDC는 고토오크 및 고속도 제어에
많이 이용됩니다. 미사일의 속도제어, 러닝머신의 벨트제어 등등...
여러가지로 이용되죠.
Syncronous Motor는 PMSM과 완전히 같은 구조입니다만, 차이점이
회전자가 권선으로 사실상 전자석인 구조입니다.
따라서 회전자에 직류전원을 투입해야 전자석이 유지됩니다.
Syncronous Motor에는 슬립링(Slip Ring)이라는 구조가 있어서
외부 DC전원을 슬립링을 통해서 회전자에 공급하게 됩니다.
Syncronous Motor는 발전기 및 제철소의 압연기 등의
일정한 속도를 요구하는데 많이 쓰이고,
영구자석으로는 도저히 만들 수 없는 초대형 모터에 주로 사용됩니다.
하지만 최근 희토류자석(현재 발견된 자성체중 가장 강한 자석입니다)등의
저가화에 힘입어 메가와트급 전동기도 영구자석으로 개발되고 있습니다.
3. 유도전동기(Induction Motor)
유도전동기는 변압기의 구조와 완전히 동일하며, 1차측과 2차측이분리된
그러한 형태입니다.
유도전동기는 최초 3상유도전동기가 먼저 상용화 되었고, 후에
일반 단상유도전동기가 상용화됩니다.
이유는 단상전원으로는 회전자계를 만들 수가 없었고, 3상은
각상이 120도의 위상차를 가지면서 공급되므로, 적절한 구조에 의해서
쉽게 3상회전자계를 구성할 수 있기 때문입니다.
단상유도전동기는 보조권선을 첨가하여 자기(磁氣)벡터를 전기벡터와
위상차게 생기게끔해서 회전시킵니다.
유도전동기는 말그대로 회전자에 전류를 유도시킵니다.
회전자는 권선 또는 다람쥐챗바퀴처럼 생긴(농형) 형태로 되어 있습니다.
회전자에는 자석도 없고, 따로 외부에서 전원을 공급해 주지 않지만,
고정자의 회전자계가 회전자를 훑고 지나가면 회전자에서는
발전기와 같은 역할이 되어서, 회전자도 자성체가 됩니다.
회전자는 슬립주파수(Slip Frequency)라는 게 있는데,
회전자의 회전속도는 고정자의 회전자계속도와 일치하지 않습니다.
왜냐하면 완전히 일치하면 회전자계가 훑고 지나갈 수 없으므로
전동기의 토오크는 0가 됩니다. 따라서 늘 회전자계보다 조금 늦은 속도로
회전하게 됩니다.
유도전동기는 산업계의 80퍼센트 이상, 즉 대부분의 분야에 널리 사용되고 있습니다.
유도전동기는 인버터가 없어도 3상의 전원만 투입하면 곧바로 회전할 수 있기때문에
많이 이용되고 있습니다.
4. 릴럭턴스 모터(Reluctance Motor)
공기와 철은 자속을 흘리는데 있어서 6000배의 차이를 보입니다.
이 원리를 이용한 것이 바로 릴럭턴스(자계저항)모터라고 합니다.
회전자는 자석도 아니고 그냥 쇳덩어리 입니다.
단 뾰족뾰족 튀어나온 부분이 있어서 튀어나온 부분은 자속이
잘 지나갈 것이고, 들어간 부분은 잘 지나갈 수 없습니다.
고정자에서 자속을 공급하면 회전자는 자속이 좀더 잘 지나가는 방향으로
회전을 하게 됩니다.
이모터는 매우 튼튼한 것이 장점이지만, 토오크리플이 크고 소음이 있는 것이 단점입니다.
진공청소기(영국 Dyson제품)등에 일부 상용화가 시도되고 있으나,
아직은 연구단계인 모터입니다.
5. 스테핑모터(Stepping Motor)
스테핑 모터는 위에서 열거한 모터들과 크게 다르지 않으나,
단지 한 스텝씩 작은회전을 정밀하게 하고 싶을 때 사용합니다.
종류는, 릴럭턴스타입, 영구자석타입, 하이브리드타입이 있습니다.
스테핑 모터는 사무용기기등에 많이 사용되며 위의 2번에서 4번까지의 전동기가
각도를 알려주는 엔코더가 필요한 반면, 이 스테핑 전동기는 엔코더가 없이도
사용이 가능한 장점이 있습니다.
최근에는 스테핑모터의 위치를 PMSM이 점차 잠식하고 있는 추세입니다.
6. 초음파 모터(Ultrasonic Motor)
압전전동기라고도 하며, 두개의 울룩불룩한 판에 고주파의 전원을 넣어줍니다.
두개의 판이 미세하게 진동을 일으키며 회전을 하게 됩니다.
이모터는 소형밖에 제작할 수 없지만, 매우 고토오크가 나옵니다.
따라서 카메라의 렌즈촛점조절용 모터 등에서 많이 쓰이고 있습니다.
7. 리니어 모터(Linear Motor)
일반적인 전동기가 회전운동을 하는 반면에 이 모터는 직선운동을 합니다.
주로 PCB기판 자동화용 기기 및 반도체 제작장비등에 많이 사용됩니다.
예전에는 볼네지 라는 스크류를 이용해서 일반적인 회전모터를 사용했지만,
볼네지의 백러쉬(Backlash) 및 마모문제로 마이크로미터 정도의 정밀한 단위에서
오차가 발생하고, 효율이 낮은 등의 문제가 있어서
요즈음 리니어 모터가 많은 각광을 받고 있습니다.
리니어 모터를 대형화하면 리니어모터식 전기철도가 됩니다. ^^
8. 기타 모터
머릿속에 들어 있는 것들을 쭉 나열해 봤는데,
지금 생각나는 게 이것밖에 없어서 이것밖에 적지 못하는 군요.
시간날 때 찾아보고 기회있으면 또 알려드리죠.
궁금하신 것은 쪽지 주세요.
추가답변:
DC전동기가 많이 사용되는 가장 큰 이유는, 제어기가 간단해서 제어하기 용이하기 때문이죠.
하지만, 브러시라는 치명적인 약점때문에 점차 사용이 줄어들고 있습니다.
예전에는 브러시리스타입의 전동기는 제어기가 복잡해서 성능도 안나오고,
타산도 안맞는다고 했었습니다만,
전력전자기술의 발달로 제어기가격또한 계속 하락하고 있고, 성능이 월등해지고 있습니다.
예전에 공장에서 사용하던 DC서보모터는 대부분 AC서보모터로 교체되고 있습니다.
또한, AC서보모터또한 치명적인 약점이 있는데, 바로 엔코더입니다.
엔코더가 없으면 회전을 할 수 없기에 어쩔 수 없이 부착하지만,
단가가 상승하고, 외부충격 및 열 등에 약한 문제가 있어,
최근 엔코더리스 기술이 많이 개발되고 있습니다.
그로서 DC전동기와 충분한 가격경쟁력을 갖게 되는 것이죠.
하지만, 여전히 저가형의 그다지 제어가 필요 없는 곳에는
DC전동기가 계속 사용될 것입니다.
어떤 전동기를 사용할 지는, 전동시스템의 가격 및 쓰임새에 따라서
달라질 것입니다. 이런 것은 딱히 공식이 없죠.
사실 예전에는 전동기를 제어한다는 것은 이론적인 것일 뿐,
그다지 효용성이 없다고 판단되어, 유압시스템을 많이 이용했습니다.
하지만, 마이크로반도체기술 및 전력전자기술, 전동기설계 생산기술의 발달덕에
요즈음은 유압오일에 의한 친환경문제, 무게, 부피, 제어의 용이성 등에 의해서
점차 전동시스템으로 교체되고 있습니다.
자동차에서 예를 든다면,
파워핸들(파워스티어링)이 예전 유압방식에서 전동방식(EPS)으로 바뀌고 있고,
유압식 브레이크도 전기식 브레이크로 바뀌고 있습니다.
자동차는 가볍게 만들 수록 유리한데, 전동기가 유압보다는 단연 유리합니다.
도요다의 프리우스 자동차는 세계최초의 하이브리드 자동차로서
엔진과 전기모터를 같이 사용하는 방식으로, 뛰어난 연비덕에
세계적인 베스트셀러가 되었습니다.
향후 석유고갈에 따른 대책으로, 수소연료전지를 이용한
전기자동차는 피할 수 없는 대세로 될 전망입니다.
간단히는 아파트의 엘리베이터도 전동기이고,
마트의 에스컬레이터도 전동기,
자동문도 전동기, 에어컨, 선풍기, 등등 찾아보면 많습니다.
최근에는 로보트용으로 응용이 가능한 차세대 액츄에이터도 개발되고 있습니다.
로보트의 관절을 회전모터로 구동하던 것을,
인간의 근육조직과 유사한 수축이완작용을 하는 그러한 액츄에이터도 개발되고 있습니다.
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