변속기

 

1. 자동차의 동력 변환 체계
1.1. 설명
2. 브러시리스 모터를 구동하는 컨트롤러


1. 자동차의 동력 변환 체계

[image]

변속기의 작동 원리[1]
變速機, 動力傳達裝置(동력전달장치)[2]
Transmission, Gearbox[3]
각종 동력원의 동력을 속도나 환경에 맞추어 필요한 회전력으로 바꾸는 장치다. transmission의 일본식 발음인 토란스밋숀(トランスミッション)에 따라 밋숑이라 부르기도 한다. 우리나라에서는 주로 기어라고 부른다.

1.1. 설명

보통 자동차 등 이동수단에 많이 이용된다. 자동차에서 이용되는 내연기관은 특정 속도(RPM대역)에서 최대 토크가 나오고, 또 다른 대역에서 최대 출력이 나온다. 이에 따라 엔진의 회전을 일정하게 유지하기 위해 기어를 사용하여 출발할 때는 회전속도보단 토크를 중시하고, 주행시에는 속도의 증가에 맞춰 회전속도를 높이는 역할을 한다.
각 단은 변속기와 엔진이 연결된 입력축[4]에 비해 출력축의 회전하는 비율인 '''기어비'''에 따라 다음과 같이 분류한다.
  • 기어비 1 이상 - 언더 드라이브 (Under Drive, 감속기)
  • 기어비 1 - 다이렉트 드라이브 (Direct Drive, 직결)
  • 기어비 1 이하 - 오버드라이브 (Over Drive, 증속기)
때문에 기어비에 따라서 차량이 낼수 있는 최고 구동력과 최고 속도가 결정된다. 토크(힘)과 속도는 반비례 관계로, 저단일수록 기어비가 높아 힘을 세게 발휘 할 수 있고 고단일수록 기어비가 낮아 속도가 빨라진다.
최고단의 기어를 "탑기어(Top Gear)"라고 한다. 기존에는 1:1인 다이렉트 드라이브를 지칭하는 말이었다. 그러나 90년대 중반 이후 다단화로 인해 오버드라이브를 달고 나오는 차들이 많아지고 사실상 오버드라이브가 전부 달려있다 보면 되기에 오버드라이브를 지칭하는 쓰임이 더 많아졌다.
크게 수동변속기와 자동변속기로 나뉘고 있으며, 보통 수동은 스틱, 자동은 오토로 통칭한다. 운전하기엔 당연하지만 자동변속기가 '''훠어어어얼씬''' 편하다. 두 방식 모두 각자 나름의 장단점이 있다. 자동변속기의 경우, 수동변속기에 비해 운전이 편하고 변속에 대한 부담이 덜어진다는 장점이 있다. 반대로 차의 무게, 가격이 증가하고, 변속기 고장이 발생할 경우 수리비가 크게 증가하는 편이다.
수동변속기의 장점은 자동차 내에 내장된 컴퓨터가 아닌 자신이 직접 자동차의 움직임을 통제할 수 있는 범위가 늘어난다는 점에 있다. 이른바 '운전의 재미'가 바로 여기에 해당한다. 차량의 무게도 가볍고, 동력손실이 적기 때문에 유체 토크컨버터 형식의 자동변속기보다 연비가 높게 나오는 편이기도 하다. 구조가 단순하기 때문에 정비가 쉽고, 비용도 적게 든다는 장점도 있다.[5] 그리고 아직 논란이 끊이지 않고 있는 자동변속기 차량의 급발진문제에서도 100% 자유롭다. 변속 과정에서 전자 기기의 개입이 없으며, 엔진이 ECU 에러 등으로 문제를 일으킨다고 해도 클러치를 밟는 즉시 동력이 물리적으로 끊어지기 때문이다. 그럴 리는 없지만 클러치가 작동을 안 한다면 변속 레버를 중립으로 놓으면 그만이다.
다만 수동변속기의 장점은 보는 관점에 따라 단점이 되기도 한다. 스스로 컨트롤 해야하는 범위가 많아진다는 것은 운전자가 차에 대해 스스로 공부해야할 것이 많아진다는 점을 의미한다. 수동변속이 주는 '피로감'은 단순히 클러치를 반복해서 밟는 것 이상의 의미로 다가올 수도 있다. 연비의 경우도 운전자의 운전습관에 따라 오히려 낮게 나올 수 있다. RPM을 올려서 출력을 뽑아내는 저단 위주 주행을 한다면 당연히 연비가 좋을리 없다. 자동화 수동변속기(주로 DCT)의 경우 오히려 수동변속기보다 높은 효율을 보여주는 편이다.[6] 수동기어의 부속은 기본적으로 소모품이라 주기적으로 교환해야 하는데, 국산차의 경우는 30~40만원 정도의 비용이 들어간다. 물론 몇 만 km를 주행하고 교환을 하는 것이니 교환주기가 짧은 것은 아니지만, 은근 신경이 쓰일 수 밖에 없는 부분.[7]
상세한 사항은 각각 해당 문서들로.

2. 브러시리스 모터를 구동하는 컨트롤러

교류 유도 전동기는 인버터 문서를 참고.
DC 전동기나 BLDC 전동기를 돌리는 용도의 컨트롤러를 지칭한다. 수많은 RC 모형이나 산업기계 등 용도가 매우 많다. ESC라고도 한다.
1번 문단의 변속기와 같은 단어이지만, 의미와 기능 및 역할이 다르다. 내연기관 엔진으로 치자면, 기어변속기가 아니라, 오히려 엔진의 스로틀밸브에 가깝다. 1번 항목의 변속기가 어떻게 기어비를 바꾸는지 생각해보면 알 수 있는 사항이다.
신호는 PWM 형식으로 전환되며, 10bit 의 resolution 을 가진다. 또한, 변속기에 따라 정회전만 지원하기도 하고, 정-역회전 모두를 지원하기도 있다.
이들 변속기에도 여러가지 규격이 있는데,
  1. 연속가동전류
  2. 최대 가동전류/ 허용시간
  3. 사용하는 PWM 주파수 or 주기
  4. 주 배터리 전압
  5. 출력 방식
  6. 저전압 컷오프
  7. 캐리어 주파수
등이 있다. 이 중 크게 신경 쓸 것은 출력 방식이나 전류, 그리고 전압이다. 3번 항목은 대부분이 자동으로 잡아주니까. 특히, 5번 항목은 일반적인 출력방식과 더불어 OPTO란 방식이 있는데, OPTO는 optical isolator의 약자이다. 대전력을 사용하는 BLDC 변속기의 대부분이 OPTO 형식으로 출력단을 드라이브 하는 경우가 있다. 상당 사진도 대전력 제품군으로, 6KW 의 BLDC 모터를 제어한다. 이 경우 전동기용 주 전원과 더불어 변속기의 컨트롤러에 별도의 전압을 공급해야 한다. 이때 사용하는 것을 BEC 라고 부른다.

[1] 위 영상은 1932년에 제작된 것으로, 제너럴 모터스가 쉐보레 차종 구매자들을 교육하기 위해 만든 것이다.[2] Transmission이라고 부르는 이유는 이 의미이기 때문이다.[3] 영국 영어에서 transmission은 gearbox를 포함한 전 구동렬(驅動列, drive train)을 가리킴.[4] 기솔린 엔진 기준으로 보통 분당 1,000~5,000 회전하는데, 이는 초당 16~80 회전 정도이다.[5] 자동변속기의 오일은 동력 전달 역할을 하므로 양도 많고 비싸다. 수동변속기에도 오일이 들어가나, 동력 전달 기능은 없고 단순히 윤활과 냉각 역할만 한다. 그 양도 훨씬 적고, 저렴하며, 교환 주기도 길다. 경제성만큼은 자동변속기가 수동의 상대가 되지 않는다.[6] 이론적으로는 DCT가 수동변속기보다 같거나 약간 높은 동력 효율을 가지긴 하지만, 변속기 자체가 크고 무거워서 실연비는 변속기 무게가 가벼운 수동이 미세하게 높다는 의견이 많다.[7] 자동변속기도 소모품인 것은 마찬가지며, 수동변속기라고 부품 교환 주기가 짧은 것은 아니다. 연 2만 km씩 탄다 해도 10년 이상 부품 교환 없이 타고도 남는다. 변속기 오일도 10만 km까지 쓴다. 그 이전에 클러치 디스크 교체 주기가 오긴하지만, 기어 박스 자체는 수명이 매우 길다.

분류