모터의 종류 - AC 모터, DC 모터, BLDC 모터

2010.12.26

AC 모터 교류 전원으로 운전되며, 생활 주변에서 가장 널리 쓰이는 전동기이다.  교류전동기는 기본적으로 외부 고정자와 내부 회전자로 구성되어 있다. 교류전류가 고정자 권선에 공급되면 전자기유도에 의해 자기장이 변화한다. 이 때 회전자에서 회전하는 자기장에 의해 유도전류가 생기고 토크에 의해 회전자에 있는 축에서 회전력이 발생한다. 보통 50~60Hz의 교류전원을 사용하지만, 높은 회전속도를 얻고자 할 때에는 수백 Hz에 이르는 높은 주파수의 교류전원을 사용하기도 한다. 소형 전동기의 회전자에는 단락된 권선을 사용하고, 대형 교류 모터에는 권선을 감아서 사용한다.  교류전동기는 크게 단상식과 삼상식으로 나뉘며, 회전자의 유형에 따라 유도전동기, 동기전동기, 정류자전동기로 분류한다. 일정한 주파수 전원으로 운전할 경우, 유도전동기는 대체적으로 정속도를 유지하며, 동기전동기는 완전한 정속도를 갖으며, 정류자 전동기는 광범위한 영역에서 속도 조절이 가능하다.  교류전동기의 용량은 수십W의 소형에서 수백kW의 대형에까지 이르며 선풍기, 세탁기, 냉장고, 펌프, 크레인 등 가정과 산업현장 전반에서 널리 사용되고 있다. 교류전동기는 구조가 간단하고 브러시나 정류자와 같은 기계 소모부가 없고, 고속에서 순간 최대 토크를 출력할 수 있어 응답특성이 빠르며 무게당 토크가 크므로 소형 경량화할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 직류전동기에 비해 제어 방법이 복잡하다는 단점이 있다.

DC 모터 고정자로 영구자석을 사용하고, 회전자(전기자)로 코일을 사용하여 구성한 것으로, 전기자에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써 자력의 반발, 흡인력으로 회전력을 생성시키는 모터이다. 모형 자동차, 무선조정용 장난감 등을 비롯하여 여러 방면에서 가장 널리 사용되고 있는 모터이다. 모형용 DC 모터(RE280) 저가격으로 구동력도 크며 사용하기 쉽다. 일반적으로 DC 모터는 회전 제어가 쉽고, 제어용 모터로서 아주 우수한 특성을 가지고 있다고 할 수 있다.  DC 모터는 다음과 같은 특징이 있다. 1. 기동 토크가 크다. 2. 인가전압에 대하여 회전특성이 직선적으로 비례한다. 3. 입력전류에 대하여 출력 토크가 직선적으로 비례하며, 또한 출력 효율이 양호하다. 4. 가격이 저렴하다 . 참고 (1) T-I 특성(토크 대 전류) 흘린 전류에 대해 깨끗하게 직선적으로 토크가 비례한다. 즉, 큰 힘이 필요한 때는 전류를 많이 흘리면 되는 것이다.  (2) T-N 특성(토크 대 회전수) 토크에 대하여 회전수는 직선적으로 반비례한다. 이것에 의하면 무거운 것을 돌릴 때는 천천히 회전시키게 되고, 이것을 빨리 회전시키기 위해서는 전류를 많이 흘리게 된다. 그리고, 인가전압에 대해서도 비례하며, 그림과 같이 평행하게 이동시킨 그래프로 된다. 이들 2가지 특성은 서로 연동하고 있기 때문에 회전수나 토크를 일정하게 하는 제어를 하려는 경우에는 여하튼 전류를 제어하면 양자를 제어할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 참고로 대부분의 미니 전동스쿠터류에는 중국계 거대 모터회사인 Unite 사에서 제조되고 있는 DC 모터가 사용되고 있습니다.  이유는 가격이 좋고 품질도 좋습니다. 중국산이라고 무조건 나쁜것은 아닌 것 같습니다. 9년동안 판매하면서 본 결과치로는 중국산 DC모터들을 일반 소비자들이 사용할 경우 잔고장률도 현저히 낮고 항간에 떠도는 브러시를 교체하는 일도 거의 없었습니다. 이론적으로는 브러시로 인해 문제가 많이 될 것 같지만 그렇지 않습니다. 문제가 된 경우는 일부 저가 허브 모터중에서 DC모터들이 내부의 자석이 떨어지거나 기타의 이유로 문제를 일의켰지 실제로 현재 나오고 있는 원통형 DC모터들의 잔고장률은 제로에 가깝습니다.

BLDC 모터 BLDC는 Brush Less DC 모터의 약자로 카본이 들어 있지 않은 DC 모터를 의미합니다. 효율역시 BLDC가 DC 모터보다 우수해서 보통 같은 사양의 모터라면 출력면에서 20~30% 정도 힘의 차이를 보이며 사용수명 역시 BLDC가 더 오래 갑니다. 가격역시 BLDC가 더 비쌉니다. DC모터와 BLDC모터를 외관적으로 구분하는 가장 쉬운 방법은 모터의 배선이 2선이면 100% DC 모터이며 모터의 배선이 "3선" 또는 "두꺼운3선 가는5선" 으로 되어 있으면 99% BLDC 모터입니다. 모터의 배선이 3선 인 것 중에 열어보면 열감지 바이메탈 등으로 활용되는 선이 있는 경우가 1% 정도 존재 합니다. 내부적으로 모터를 구분할 수 있는 방법은 DC 모터와 BLDC 모터를 구분하는 것은 모터 내부에 브러시라는 것이 있느냐 없느냐의 차이점 입니다. BLDC에서 BL이 의미하는 것은 Brush Less 로 내부에 카본(연필심과 같은 탄소덩어리)이 있느냐 없느냐에 따라 DC와 BLDC로 구분하게 됩니다. BLDC 모터 중에서 또 한단계 진화한 것이 선이 3가닥인 Hallless BLDC 모터 입니다. 말그대로 말씀드린 홀센서가 존재하지 않는 BLDC 모터로 모터 배선이 3가닥으로 되어 있습니다. 일반적으로 홀센서 연결을 위해 필요했던 가는 5가닥의 배선이 사라지게 됩니다. 홀센서를 통해 얻었던 정보를 모터의 콘트롤러에서 처리하는 방식으로 가장 진보된 형태 입니다. 고장원인인 브러시와 홀센서가 모터 내부에 존재하지 않는 모터 입니다. 국내에도 일부 사용되고 있으며 콘트롤러의 가격이 일반적인 BLDC모터 콘트롤러 보다 비쌉니다. 홀센서가 고장난 BLDC모터가 있을 경우 홀센서를 고쳐서도 수리가 가능하지만 Hallless 콘트롤러를 사용하게되면 정상 작동이 가능합니다.

DC 모터와 BLDC 모터

BLDC모터는 힘이 세고 DC모터는 힘이 약하다 라는 표현을 많이 사용하지만 실지 저가는 힘이 약하고 고가의 모터는 힘이 세다라는 표현으로 바꿔야 맞지 않나 생각됩니다. 내부에 사용된 자석의 종류가 어떻게 되고 모터를 제어하는 콘트롤러가 어떻냐에 따라 모터의 힘과 성능에 많은 차이를 보이고 있습니다. 단순히 DC는 힘이 약하고 BLDC는 힘이 약하다는 논리는 좀 식상하며 좋은 자석과 좋은 부품으로 제대로 만든 모터는 힘이 세고 성능이 좋으며 대충 만든 싸구려 모터는 힘도 없고 성능도 약하다는 표현이 맞지 않나 생각 됩니다.

희토류 모터라고 하는 것은 희귀원소로 된 자석을 사용한 모터를 의미하며, 희토류 모터의 대부분은 네오튬계열의 자석을 사용합니다.  이 네오튬의 대부분 매장지가 하필 중국인 것도 재미난 사실입니다. 네오튬의 매장지가 중국인 관계로 아무래도 중국계 모터공장들이 좋은 가격을 만들어 낼 수 있는 것 같습니다.

BLDC는 분명 DC모터보다는 기술적으로 한단계 위인 모터로 모터 내부에 브러시가 없기 때문에 고장율이 적다고 설명하고 있는 분들이 많은데 실제로는 그렇지도 않습니다. 전기자전거에 사용되는 BLDC 내부에는 브러시가 없는 대신에 홀센서라는 것이 3개씩 존재하게 됩니다. 이 홀센서가 물과 접촉하거나 기타의 원인으로 고장나게 되면 덜덜덜 떨면서 회전하거나 모터가 정상적으로 회전하지 않게 됩니다. 이런 증상이 있을 경우 고장난 홀센서를 찾아서 교체해 줘야 합니다. 교체라는 것이 쉽지 않고 해줄수 있는 판매점도 현저히 적습니다. (대부분 공장 입고 되어야 처리가 가능합니다.) BLDC모터는 이론상 반영구적인 모터지만 실제 모터내부에 홀센서가 존재하는 한  2~3% 확률로 고장날 수 있습니다. 쉽게 재수없는 분은 고장날 수 있다고 생각하시면 됩니다.

Tokyo Story NO.2