전기 모터란, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜주는 에너지 컨버터로 볼 수 있다. 반대로 작용할 경우 발전기로 작동한다.
모터의 힘은 자기장과 전류의 작용에 의해서 발생한다. 운송장치와 같은 사례에서는 모터가 추진 역활 이외에 감속이나 발전 역할을 수행하기도 한다.
팬, 블로워, 펌프, 공작기계, 가전제품, 전기공구, 하드 디스크 그리고 일반적인 전기 모터는 배터리와 같은 DC 전류를 활용하고, 모터 vehicles 나 정류기, 파워 그리드, 인버터나 발전기는 AC 전류에 기반한다. 크기도 다양한데, 아주 작은 모터는 소형 시계에도 들어가고, 산업용으로 활용되는 모터는 크기와 특성이 규격화가 되어 있으며, 가장 큰 모터(100 메가와트 급)는 배의 추진, 파이프라인 압축, 저수 댐 등에 활용된다. 이러한 모터들은 전원의 종류, 내부 구조, 적용 분야, 출력 운동 형태 등에 따라서 분류되고 있다.
직선, 회전 운동을 발생 시키는지 여부에 따라, 솔레노이드나 스피커 처럼 사용가능한 기계에너지로 전환시키는 지에 따라서 구동기와 변환기로 분류하고도 있다.
모터의 구성
Rotor (회전자)
- 모터의 움직이는 부분(출력축). 일반적으로 conductor 을 포함하나, magnet을 포함하는 경우도 있음.
Stator (고정자)
- 모터의 고정된 부분(고정단). Conductor 나 magnet 로 이루어져 있음. Stator core 는 얇은 금속 판으로 이루어져 있는데, laminations 라고도 부름. Laminations 는 solid core에 비해서 에너지 소모를 줄이는 효과가 존재함.
Air gap (공극)
- Rotor 와 stator 사이의 간격. 큰 air gap는 모터의 효율을 떨어뜨리는 효과가 있기 때문에, 가능한 한 작게 만드는 것이 중요함. Air gap 은 magnetizing current 생성에 직접적인 영향을 줌. 그러나 너무 작은 air gap은 기계적인 노이즈와 손실을 야기함.
Windings (권선)
- 코일에 감겨져 있는 wires. Magnetic core 에 감겨 magnetic pole 을 만드는 역할을 함.
Commutator (정류자)
- 전류의 방향을 바꾸어주는 장치. 일반적으로 DC 모터에 사용되고 간혹 AC 모터에 적용된 경우도 있음.
Rotor (회전자)
- 모터의 움직이는 부분(출력축). 일반적으로 conductor 을 포함하나, magnet을 포함하는 경우도 있음.
Stator (고정자)
- 모터의 고정된 부분(고정단). Conductor 나 magnet 로 이루어져 있음. Stator core 는 얇은 금속 판으로 이루어져 있는데, laminations 라고도 부름. Laminations 는 solid core에 비해서 에너지 소모를 줄이는 효과가 존재함.
Air gap (공극)
- Rotor 와 stator 사이의 간격. 큰 air gap는 모터의 효율을 떨어뜨리는 효과가 있기 때문에, 가능한 한 작게 만드는 것이 중요함. Air gap 은 magnetizing current 생성에 직접적인 영향을 줌. 그러나 너무 작은 air gap은 기계적인 노이즈와 손실을 야기함.
Windings (권선)
- 코일에 감겨져 있는 wires. Magnetic core 에 감겨 magnetic pole 을 만드는 역할을 함.
Commutator (정류자)
- 전류의 방향을 바꾸어주는 장치. 일반적으로 DC 모터에 사용되고 간혹 AC 모터에 적용된 경우도 있음.
모터의 효율
BLDC: 85-90% (96.5% 까지도 보고됨.), DC: 75-80%
BLDC: 85-90% (96.5% 까지도 보고됨.), DC: 75-80%
모터의 종류
- Self-commutated motor (자체정류방식)
-- Brushed DC motor
: 일반적인 DC 모터. Brush 라는 물리적인 바가 회전축에 접촉하여 전류를 정류함. 이것때문에 생기는 문제가 매우 많음. 노이즈, 스파크, 수명, 유지보수문제. 그러나 싸고 구조가 간단. 코일로만 이루어진 Electrically excited DC motor와 영구자석을 이용한 Permanent magnet DC motor 로도 나누어짐.
Series-Wound DC 모터가 dc 중엔 가장 큰 토크를 낸다고 함. 이송수단용으로 많이 사용. 그러나 제어가 잘 안되고 속도도 5kRPM 까지 제한적임.
-- Electronic commutator (EC) motor (전자정류방식)
--- Brushless DC motor (BLDC)
: 위 BDCM 은 물리적인 정류자를 이용하였지만 BLDC 는 전자소자를 이용하여 해당 기능을 대체하였음. 일반적으로 U-V-W의 3상으로 이루어져있고(1, 2상도 존재한다고함), hall sensor를 이용하여 rotor의 위치를 검출하여 적절하게 전류를 흘려주는 방식임. 거의 모든 면에서 DC 모터보다 좋고, AC 모터 보다 효율도 좋음. 소형으로도 제작되어 적용분야가 넓고 소음이 거의 없어 장비용으로도 적합함. 현재 최대 100kW 급의 모터(전기 이동장치용)까지 나와있음. 그러나 아무래도 모터 자체의 가격이 비싸지는 단점이 존재함.
--- Switch reluctance motor (SRM)
: 이건 stator에는 코일이 감겨 있는데, rotor에 코일도 안감고 자석도 안붙임. 다만 rotor가 돌출된 pole을 가진 형상인데, 자기장이 잘 흐를 수 있는 길의 역할을 할 수 있도록 생겼음. 때문에 코일에 전류를 흘려주면 자기장이 발생하고, 해당 변화가 rotor pole에 전달되면서 pole이 자화됨. 이걸 순차적으로 반복하여 회전운동을 발생시킴. 싸다는 장점?
-- Universal AC-DC motor
: 이 모터는 전자적 기계적 정류자를 모두 가지고 있어 AC, DC 전원에 대해서 모두 작동할 수 있는 모터라고 함. 그러나 일반적으로는 AC 전원을 사용하는 것으로 보임. 보통 1000W 아래로 만들어짐. 초기 발생 토크가 굉장히 높음. 그리고 고속기동이 가능함. 그러나 속도가 높아질수록 토크가 급격히 감소됨.
- Externally commutated AC machine (외부 정류 방식)
-- Induction motor
: 변압기 처럼 1, 2차 코일 반응과 비슷하게 작용함. Rotor와 stator 모두 코일이 감겨져 있고, rotor 에 감긴 코일이 bar 혹은 wire 형태인지에 SCIM, WRIM으로 분류됨. 비동기 모터라고도 불림. Rotor 와 stator 코일의 속도를 다르게하여 slip을 발생시켜 운동을 만듦.
-- Synchronous motor
: 간단하게 말하면 걸어준 자기장 변화 주파주와 동기된 속도로 작동하는 모터임. 이를 zero slip 라고도 부름. 입력 주파수와 동일하게 움직이기 때문에 속도 제어 등 정밀 제어에 용이하다고 함.
- Ironless or coreless rotor motor
: 보통 rotor는 금속재료에 코일을 감거나 자석을 붙여서 자기장을 발생시키는데, 이건 그러한 금속재료를 안쓰고 코일만 사용하는 방식. 때문에 rotor 의 질량을 줄일 수 있어 동특성을 월등히 좋게 할 수 있음. 또한 철심이 없어서 cogging이 없음. 하지만 고하중에 대해 취약할 수 밖에 없음.
- Pancake or axial rotor motor
: 납작하게 생긴 모터. 납작한 형상으로 여러 분야에 적용이 용이함. 동특성도 좋아보임.
- Servo motor
: Servo motor 은 새로운 방식의 모터라기 보다는 센서를 부착하여 위치나 속도 제어가 가능한 모터 모듈을 의미함.
- Stepper motor
: SRM과 거의 비슷한 듯 한데.. 장점은 open loop control 이 가능하다는 점? 방식이야 SRM하고 동일하다고 생각도미. 본래 cogging이 큰 문제가 되었지만 근래 microstepping 을 적용하여 부드러운 모션이 가능. Holding torque가 뛰어나고 위치제어에 용이하여 printer, scanniner 등의 머신에 많이 사용됨.
- Linear motor
: Linear motor 는 상기 언급한 모터들을 원형이 아닌 평면형태로 펼쳤다고 생각하면 간단함.
위키를 기준으로 살펴보았는데, 뭔가 설명이 부족하다고 느껴짐. 분류 기준도 불분명하고.. 참고할 만한 자료는 못됨. 부가적으로 참고할 만한 사이트 링크를 걸어둠.
암튼 DC는 효율이 높긴한데 출력을 올리는데 한계가 있고, AC는 효율도 낮고 제어하는 장비도 많이 필요하지만 아주 높은 출력용으로 적합함. 가격은 DC가 비싸다고 함.
http://www.ece.uah.edu/courses/material/EE410-Wms2/Electric%20motors.pdf
- Self-commutated motor (자체정류방식)
-- Brushed DC motor
: 일반적인 DC 모터. Brush 라는 물리적인 바가 회전축에 접촉하여 전류를 정류함. 이것때문에 생기는 문제가 매우 많음. 노이즈, 스파크, 수명, 유지보수문제. 그러나 싸고 구조가 간단. 코일로만 이루어진 Electrically excited DC motor와 영구자석을 이용한 Permanent magnet DC motor 로도 나누어짐.
Series-Wound DC 모터가 dc 중엔 가장 큰 토크를 낸다고 함. 이송수단용으로 많이 사용. 그러나 제어가 잘 안되고 속도도 5kRPM 까지 제한적임.
-- Electronic commutator (EC) motor (전자정류방식)
--- Brushless DC motor (BLDC)
: 위 BDCM 은 물리적인 정류자를 이용하였지만 BLDC 는 전자소자를 이용하여 해당 기능을 대체하였음. 일반적으로 U-V-W의 3상으로 이루어져있고(1, 2상도 존재한다고함), hall sensor를 이용하여 rotor의 위치를 검출하여 적절하게 전류를 흘려주는 방식임. 거의 모든 면에서 DC 모터보다 좋고, AC 모터 보다 효율도 좋음. 소형으로도 제작되어 적용분야가 넓고 소음이 거의 없어 장비용으로도 적합함. 현재 최대 100kW 급의 모터(전기 이동장치용)까지 나와있음. 그러나 아무래도 모터 자체의 가격이 비싸지는 단점이 존재함.
--- Switch reluctance motor (SRM)
: 이건 stator에는 코일이 감겨 있는데, rotor에 코일도 안감고 자석도 안붙임. 다만 rotor가 돌출된 pole을 가진 형상인데, 자기장이 잘 흐를 수 있는 길의 역할을 할 수 있도록 생겼음. 때문에 코일에 전류를 흘려주면 자기장이 발생하고, 해당 변화가 rotor pole에 전달되면서 pole이 자화됨. 이걸 순차적으로 반복하여 회전운동을 발생시킴. 싸다는 장점?
-- Universal AC-DC motor
: 이 모터는 전자적 기계적 정류자를 모두 가지고 있어 AC, DC 전원에 대해서 모두 작동할 수 있는 모터라고 함. 그러나 일반적으로는 AC 전원을 사용하는 것으로 보임. 보통 1000W 아래로 만들어짐. 초기 발생 토크가 굉장히 높음. 그리고 고속기동이 가능함. 그러나 속도가 높아질수록 토크가 급격히 감소됨.
- Externally commutated AC machine (외부 정류 방식)
-- Induction motor
: 변압기 처럼 1, 2차 코일 반응과 비슷하게 작용함. Rotor와 stator 모두 코일이 감겨져 있고, rotor 에 감긴 코일이 bar 혹은 wire 형태인지에 SCIM, WRIM으로 분류됨. 비동기 모터라고도 불림. Rotor 와 stator 코일의 속도를 다르게하여 slip을 발생시켜 운동을 만듦.
-- Synchronous motor
: 간단하게 말하면 걸어준 자기장 변화 주파주와 동기된 속도로 작동하는 모터임. 이를 zero slip 라고도 부름. 입력 주파수와 동일하게 움직이기 때문에 속도 제어 등 정밀 제어에 용이하다고 함.
- Ironless or coreless rotor motor
: 보통 rotor는 금속재료에 코일을 감거나 자석을 붙여서 자기장을 발생시키는데, 이건 그러한 금속재료를 안쓰고 코일만 사용하는 방식. 때문에 rotor 의 질량을 줄일 수 있어 동특성을 월등히 좋게 할 수 있음. 또한 철심이 없어서 cogging이 없음. 하지만 고하중에 대해 취약할 수 밖에 없음.
- Pancake or axial rotor motor
: 납작하게 생긴 모터. 납작한 형상으로 여러 분야에 적용이 용이함. 동특성도 좋아보임.
- Servo motor
: Servo motor 은 새로운 방식의 모터라기 보다는 센서를 부착하여 위치나 속도 제어가 가능한 모터 모듈을 의미함.
- Stepper motor
: SRM과 거의 비슷한 듯 한데.. 장점은 open loop control 이 가능하다는 점? 방식이야 SRM하고 동일하다고 생각도미. 본래 cogging이 큰 문제가 되었지만 근래 microstepping 을 적용하여 부드러운 모션이 가능. Holding torque가 뛰어나고 위치제어에 용이하여 printer, scanniner 등의 머신에 많이 사용됨.
- Linear motor
: Linear motor 는 상기 언급한 모터들을 원형이 아닌 평면형태로 펼쳤다고 생각하면 간단함.
위키를 기준으로 살펴보았는데, 뭔가 설명이 부족하다고 느껴짐. 분류 기준도 불분명하고.. 참고할 만한 자료는 못됨. 부가적으로 참고할 만한 사이트 링크를 걸어둠.
암튼 DC는 효율이 높긴한데 출력을 올리는데 한계가 있고, AC는 효율도 낮고 제어하는 장비도 많이 필요하지만 아주 높은 출력용으로 적합함. 가격은 DC가 비싸다고 함.
http://www.ece.uah.edu/courses/material/EE410-Wms2/Electric%20motors.pdf
BLDC와 PMSM 전동기의 차이점
출처: http://www.ansys.kr/Support/QnA/qnaView.asp?uid=1846
PMDC(Permanent Manet DC) 모터는 브러쉬와 정류자를 사용한 일반적으로 많이 쓰이는 모터인데, BLDC는 이러한 PMDC모터의 브러쉬와 정류자를 제거하고 이의 역활을 Power Chip을 사용한 전자회로로 대치한 것을 말합니다. 정류자 역활만을 대신하는 회로를 만들어 주기 때문에 뒤에 설명하는 PMSM 보다는 훨씬 회로가 간단하지요. 반면에 정밀한 콘트롤은 대개 불가능합니다. PMDC처럼 그냥 주어진 전압을 가지고 상마다 On/Off를 통해 전류를 공급해줄뿐이지요.
이러한 이유로, 일반 DC모터의 공식에서 보듯이 BLDC는 전압이 주어지고 부하가 주어지면 전류와 RPM이 결정이 됩니다. 즉, 전압이 고정되어 있는 경우, 부하에 따라 천천히(부하가 클때) 돌기도 하고 빠르게 돌기도 하는 것이지요.
PMSM(Permanent Manet Synchronous Motor)는 정밀한(또는 의도하는) 콘트롤을 위해 위의 BLDC와 기계적으로는 비슷하나 전자회로는 달라지게 됩니다. 훨씬 더 복잡한 기능을 수행하게 되는 것이지요. 간단하게 얘기하면 입력되는 전압의 크기를 chopping(보통 PWM이라는 방식을 많이 사용합니다)을 통해 조정하는 것입니다.
이렇게 전압의 크기를 조절함으로서 어떠한 부하가 주어지건 간에 의도하는 RPM으로 콘트롤 할 수 있게 되는 것입니다. 이를 위해 PMSM은 대게 인코더나 리졸버 같은 위치와 속도를 정밀하게 센싱할 수 있는 장치를 축상에 덧붙이게 됩니다.
출처: http://www.ansys.kr/Support/QnA/qnaView.asp?uid=1846
PMDC(Permanent Manet DC) 모터는 브러쉬와 정류자를 사용한 일반적으로 많이 쓰이는 모터인데, BLDC는 이러한 PMDC모터의 브러쉬와 정류자를 제거하고 이의 역활을 Power Chip을 사용한 전자회로로 대치한 것을 말합니다. 정류자 역활만을 대신하는 회로를 만들어 주기 때문에 뒤에 설명하는 PMSM 보다는 훨씬 회로가 간단하지요. 반면에 정밀한 콘트롤은 대개 불가능합니다. PMDC처럼 그냥 주어진 전압을 가지고 상마다 On/Off를 통해 전류를 공급해줄뿐이지요.
이러한 이유로, 일반 DC모터의 공식에서 보듯이 BLDC는 전압이 주어지고 부하가 주어지면 전류와 RPM이 결정이 됩니다. 즉, 전압이 고정되어 있는 경우, 부하에 따라 천천히(부하가 클때) 돌기도 하고 빠르게 돌기도 하는 것이지요.
PMSM(Permanent Manet Synchronous Motor)는 정밀한(또는 의도하는) 콘트롤을 위해 위의 BLDC와 기계적으로는 비슷하나 전자회로는 달라지게 됩니다. 훨씬 더 복잡한 기능을 수행하게 되는 것이지요. 간단하게 얘기하면 입력되는 전압의 크기를 chopping(보통 PWM이라는 방식을 많이 사용합니다)을 통해 조정하는 것입니다.
이렇게 전압의 크기를 조절함으로서 어떠한 부하가 주어지건 간에 의도하는 RPM으로 콘트롤 할 수 있게 되는 것입니다. 이를 위해 PMSM은 대게 인코더나 리졸버 같은 위치와 속도를 정밀하게 센싱할 수 있는 장치를 축상에 덧붙이게 됩니다.
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