직류전동기
목차
1. 직류전동기 개요
2. 직류전동기 구성
3. 직류전동기 특징
4. 직류전동기 서보 (servo) 및 서보 모터 (servo motor)
1. 개요
■ 전압을 가하면 브러시와 정류자를 통해 회전자 도선 속에 전류가 흐른다. 이 때 흐른 전류가 주변 자석(고정자)와 상호작용하여, 플레밍의 왼손법칙에 의해 힘이 생겨난다. 이 힘에 의해 회전자가 계속해서 돌아간다. 가하는 전압에 회전하는 힘이 정비례하여, 전압만 조절하는 것만으로 속도와 회전하는 힘을 원하는대로 조절할 수 있다.
2. 구성
■ 일반적으로 전동기에서 고정되는 부분을 고정자(Stator)라고 부르고 회전하는 부분을 회전자(Rotor)라고 부르니 참고하자. 일반적으로 고정자가 바깥쪽, 회전자가 안쪽을 이루지만 바깥 부분이 회전자고 안쪽이 고정자가 되는 아우터(Outer) 로터의 형태도 있다.
직류 전동기의 주요 부분으로는 계자, 전기자, 정류자, 브러시가 있다. 직류 전동기들은 대부분 계자가 고정자이고 전기자가 회전자인 구조를 이루지만 용도에 따라서는 반대로 전기자가 회전자로 가는 회전 전기자형 모터도 있다.
● 계자(Field Magnet)
주 자속의 생성을 담당한다. 전기자와 상호작용하여 자기회로를 구성하는데 계자가 만들어준 자속을 전기자가 받아 회전력을 얻는다. 필요한 자속만 생성해주기만 하면 되기에 전기자보다는 전류가 비교적 적게 흐르며 자속을 만들기 위해 영구자석을 이용하거나 전자석을 이용한다. 영구자석을 이용하면 별도의 권선없이 자속을 만들어 낼 수 있지만 자속을 제어하지 못하여 속도조절이 힘들 수 있다. 반면 전자석을 이용하면 별도의 여자전원이 필요하지만 전자석으로 흐르는 전류를 조절하여 전동기의 속도제어가 용이한 장점이 있다. 권선형 계자는 세부적으로는 계철, 자극편, 계자 철심 및 계자 권선으로 되어있다.
● 전기자(Armature)
계자가 만들어낸 자속을 끊어내어 플레밍의 왼손 법칙을 통해 토크를 생성한다. 전동기에 전원을 공급해주면 전동기가 회전하는데 이때 전원의 전류가 흐르는 곳이 바로 이 전기자이다. 공급하는 전류가 직접 흐르는 곳이기 때문에 대용량일수록 선이 굵고 복잡하다.
● 정류자(Commutator)
외부로부터 들어오는 직류를 교류로 바꾸어 회전부에 전원을 공급한다. 교류 전류로 바꾸어주는 이유는 전동기는 전류의 방향이 수시로 바뀌면서 플레밍의 왼손 법칙에 의한 힘도 수시로 바뀌어야 회전하기 때문이다. 이렇게 바뀐 교류전류를 전기자에 공급한다. 전기자와 연결되어 있으므로 전기자가 회전하면 같이 돈다. 회전하는 정류자는 가만히 있는 브러시와 접촉하게 되는데, 이때 브러시와의 마찰과 불꽃으로 인해 고온이 발생하므로 전기적으로나 기계적으로나 튼튼하게 만들어야한다.
● 브러시(Brush)
정류자와 접촉하여 전동기 내부회로와 외부회로를 연결하는 부분이다. 종류로는 탄소 브러시, 흑연 브러시, 전기 흑연 브러시, 금속 흑연 브러시 등이 있다.
3. 직류전동기의 특징
① 속도제어 용이
② 속도제어 시 효율이 좋다.
③ 교류전동기(농형)에 비하여 가격이 비싸다.
④ 정류자와 Brush가 설치되어 있어 정기적인 보수점검이 필요하다.
⑤ 정류자와 Brush에 불꽃이 일어날 수 있어 통신장애의 원인이 될 수 있다.
⑥ 전류/기계적 강도 때문에 고전압화/고속화에 영향을 받는다.
⑦ 기동/가속 Torque를 임으로 선택할 수 있다.
⑧ 열악한 환경에서 사용할 때 구조상 제한을 받는다.
■ 종류
- 접속방법에 따라 분류: 타여자 전동기, 분권형 전동기, 직권형 전동기, 복권형 전동기
● 타여자 전동기
: 전기자 권선과 계자 권선을 각각 별도의 전원에 접속하는 방식
- 계자 및 전압 제어가 모두 가능하여 주로 큰 출력이 요구되는 산업용 공작기계에 사용
- 설비가 복잡하여 가격이 비싸고 유지보수가 어려움
● 직권 직류 전동기
: 전기자 권선과 계자 권선이 직렬로 전원에 접속하는 방식
- 부하 전류가 증가하면 현저히 속도가 감소하며, 부하 전류가 감소하면 급격히 속도가 상승
- 무부하의 경우 속도가 매우 높아짐
● 가동 복권 직류 전동기
: 가동 복권 전동기는 직권 계자 권선에 의하여 발생되는 자속과 분권 계자권선에 의하여 발생되는 자속이 같은 방향으로 합성되어 자속이 증가하는 방식
- 토크가 크고, 무부하가 되어도 직권 전동기와 같이 위험 속도가 되지 않음
- 절단기, 엘리베이터, 공기 압축기 등에 사용
● 차동 복권 직류 전동기
: 분권 계자 권선과 직권 계자 권선의 자속이 서로 반대가 되어 상쇄하는 구조의 전동기
- 부하 전류의 증가로 인하여 자속의 방향이 반대가 되어 역회전 되는 경우 발생
■ 기동방식
● 전전압 기동법: 정격전압을 인가하여 기동하는 방법
● 저항 기동법: 전기자 회로에 시동저항을 삽입하여 시동전류를 억제하고 속도상승과 함께 저항을 차츰 줄여나가면서 정격상태로 하는 방법
● 전압 기동법: 전원전압(電源電壓)을 낮은 전압에 붙여 가속과 함께 인가전압을 높여나가 는 방법
■ 속도제어
- 속도제어방식에는 계자전류를 바꾸는 계자제어방식, 전기자 회로에 저항을 바꾸는 저항 제어방식, 인가전압을 바꾸는 전압제어방식
● 계자제어
- 자속 Φ를 변화시키기 위해서는 계자저항기(Rf)로 계자전류(If)를 조정하는 방법
● 저항제어
- 전기자 회로에 직렬로 접속된 가변저항( R )을 접속하여 전기자에 걸리는 전압을 가 감하여 속도를 제어하는 방법, 전력손실이 커서 효율이 나쁨
● 전압제어
- 워드레오나드(Word Leonard) 방식: 직류모터 속도제어에 널리 사용되는 방식
- 유도전동기와 직류발전기는 같은 축에 연결되고, 직류발전기의 출력을 직류전동기의 전기자 단자에 공급
- 속도제어는 발전기의 자계를 조절하여 발전기의 직류전압을 제어
- 정지레오나드 방식: 직류발전기 대신 정지형 반도체 소자를 사용
- 교류를 직류로 변환시킴과 동시에 점호각을 제어하여 직류전압의 크기를 제어함
- 정/역 방향으로 속도제어를 할 필요가 있기 때문에 싸이리스터를 이용하여 양방향의 직류 출력을 얻음
4. 서보 (servo) 및 서보 모터 (servo motor)
■ 서보의 개념
: 어떤 장치의 상태를 기준이 되는 것과 비교하고, 안정이 되는 방향으로 피드백(feedback)함으로써 가장 적합하도록 자동 제어하는 것 혹은 임의의 목적값에 가까워지도록 제어하는 것
■ 서보 모터
: 서보매커니즘을 적용한 모터
- 일반적인 모터와는 달리 움직임을 지정하면 제어계측 회로에 의해 정확하게 움직일 수 있는 모터
■ 서보 모터의 종류
● 직류 서보 모터
● 교류 서보 모터 (=브러시리스 서보 모터)
- 동기형
- 유도형
■ 직류 서보 모터의 구동방식
● 상용 교류전류를 반도체 스위칭 소자를 이용하여 펄스폭 변조하여 직류 전원을 얻음
● 직류 전원이 모터에 인가되는 시간 폭을 변화시켜 전동기에 공급되는 평균 전압의 크기를 조정
■ 직류 서보 모터의 특징
● 전류에 대하여 발생 토크가 비례 : 선형 제어계의 구성이 가능
- 간단한 회로로 안정된 제어계 설계가 가능
● 제어성이 우수, 제어 장치가 저렴
● 브러시와 정류자를 포함하기 때문에 브러시의 마모 발생
- 유지 보수가 필요
● 정류에 의한 다량의 발열 발생 및 냉각 필요
● 발열, 정류 불꽃, 섬락 발생 → 수명이 짧고 불안정
■ 스테핑 모터 (=스텝 모터, Stepper motor)
: 한 바퀴의 회전을 많은 수의 스텝들로 나눌 수 있는 브러시 리스 직류 전기 모터
- 회전의 정밀한 제어가 가능하지만, 토크가 낮음
■ 전동기 선정의 고려항목
● 부하 토크 및 속도 특성에 적합한 것을 선정
● 운전 형식에 적당한 정격 및 냉각 방식에 따라 선정
● 사용 장소의 상황에 알맞은 보호 방식에 따라 선정
● 고장이 적고 신뢰도가 높으며, 운전비가 싼 것을 선정
● 가급적 정격 출력인 기기를 선정
● 용도에 알맞은 기계적 형식의 것을 선정
■ 모터의 부하 특성과 속도 특성
● 부하 특성
- 정토크 특성의 부하
: 속도의 변화에 관계없이 일정한 토크를 필요로 하는 특성을 가진 부하
→ 컨베이어, 인쇄기 등
● 정출력 특성의 부하
- 큰 토크가 필요할 때는 회전속도를 낮추어 운전하고, 회전속도가 빠를 때에는 필요한 토크가 작아도 되는 특성의 부하
→ 위치 구동모터나 공작기계 등
● 저감 토크 특성의 부하
- 토크가 속도에 거의 제곱에 비례하여 증가하는 특성을 가진 부하
→ 송풍기, 펌프 등
● 속도 특성
1) 정속도 모터
- 부하에 상관없이 일정한 속도로 운전하는 모터
2) 변속도 모터
- 단자 전압이나 주파수를 일정하게 해도 모터의 회전속도가 부하에 따라 현저하게 변 화하는 모터
3) 다단속도 모터
- 정속도 모터의 일종으로 회전속도를 몇개의 단계로 변화시키`는 모터
4) 가감속도 모터
- 정속도 모터의 일종으로 회전속도를 광범위하게 가∙감속하는 모터
■ 속도 제어 방식의 선정
: 부하 특성, 속도 제어 범위, 응답성, 기기효율, 조작성, 보전의 용이성, 경제성
등을 종합적으로 검토
● 유도 전동기의 속도 제어
1) 주파수 제어
- 가변 주파수 전원을 이용하여 속도를 제어 : 인버터
- 속도제어 전 영역에서 고효율 운전이 가능하고, 광범위한 속도제어 가능
2) 극수변환 제어
- 1차 권선의 접속 변경에 의해 극수를 1:2로 전환하여 2단계의 속도를 얻는 방법 및 1차 권선에 2조의 극수가 다른 권선을 만들어 3단계의 속도를 얻는 방법 등
- 단계적인 속도제어에 유리
3) 1차 전압제어
- 사이리스터 회로 등을 이용해서 1차 전압을 증감시켜 토크가 변화하는 것을 이용해 슬립률을 변화시켜 속도를 제어하는 방법
- 장치가 간단하나 저속시 효율이 나쁨
4) 2차 저항제어
- 비례추이의 원리를 이용하여 권선형 유도 전동기의 2차 측에 접속한 외부 저항값을 조정하여 슬립을 변화시켜 속도를 제어하는 방법
- 권선형 유도전동기에만 적용할 수 있는 방식
- 장치가 간단하나 저속시 효율이 나쁨
5) 2차 여자제어
- 2차 저항 제어 방식에서 저항값을 조정하는 대신에 슬립 주파수의 2차 여자 전압을 제어하여 속도제어를 하는 방법
- 효율이 좋으나 속도제어 범위가 좁음
■ 사용 장소에 따른 모터의 선정
● 방수형 : 옥외용 또는 선박의 갑판용 전동기로 전동기 축에 물이 들어가지 않는 구조
● 수중형 : 수중 펌프용, 선박 내의 전동기
● 방식형 : 화학 공장 등 부식성 가스가 많은 곳
● 방폭형 : 탄광이나 화학 공장 등 폭발성 물질이 있는 곳
● 방습형 : 습기가 많은 곳
● 방진형 : 먼지, 분진이 많은 장소 : 제분소, 사료공장, 도정공장 등에 적합
● 방적형 : 습기가 많은 장소 즉, 물방울이 떨어지는 장소
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