직류전동기
1. 개요
직류 전류를 전원으로 하여 돌아가는 모터를 일컫는다.
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원리는 다음과 같다. 전압을 가하면 브러시와 정류자를 통해 회전자 도선 속에 전류가 흐른다. 이 때 흐른 전류가 주변 자석(고정자)와 상호작용하여, 플레밍의 왼손 법칙에 의해 힘이 생겨난다. 이 힘에 의해 회전자가 계속해서 돌아간다. 가하는 전압에 돌림힘이 정비례하는 지라, 전압만 조절하는 것만으로 속도와 돌림힘을 원하는대로 조절할 수 있다.
2. 구조
설명하기 전에 전동기 구조와 관련하여 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.
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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)
- 전기자(Armature)
- 정류자(Commutator)
- 브러시(Brush)
3. 브러시리스 DC (BLDC) 모터
상세한 내용은 브러시리스 모터 항목을 참고하십시오.
보통 직류전동기는 브러시가 존재하지만 브러시가 없는 브러시리스(Brushless) DC 모터, 줄여서 BLDC 모터도 있다. 브러시가 없어 구조적으로 회전자에 전원을 투입할 수 없는 구조이기 때문에 계자에 전원이 필요 없는 페라이트나 네오디뮴 같은 영구자석이 사용되며 이들이 자속을 생성해준다. 때문에 브러시리스 모터의 경우는 전기자가 고정자로, 계자가 회전자로 강제 된다.
이런 구조 때문에 브러시리스 모터는 전기자에 직류 전원을 그냥 투입할 수 없고 스위치를 이용해 + -로 밖에서 회전자의 위치에 따라 극을 바꿔 넣어주어야 한다. 그러니까 정류 역할을 밖에다 맡긴 것인데 이러면 사실상 직류 모터인 '''척 하는 교류 모터'''나 다름없다.
그럼 BLDC모터가 당최 교류모터와 뭐가 다르냐고 할 수도 있는데 등장하게 된 기원이 다르다. 교류모터는 처음부터 사인파의 교류전원을 수용하기 위해 만들어진 것이지만 BLDC모터는 기본적으로 직류 전원을 쓰되 회전자의 위치에 맞춰서 전원을 끊고 투입하는 동작을 밖에서 해주기 위해 만들어진 것이다. 이는 별로 큰 차이가 없어보이지만 제어 회로 입장에서는 부드러운 사인파의 전압을 성형해내야 하느냐 단순 ON OFF로 스위치 동작만 해주면 되느냐의 차이가 있으므로 구동에 있어 차이가 있긴 있다.
최근에는 전용 드라이브를 사용하는 영구 자석 동기 전동기[2]가 많이 쓰이기 시작하면서 이런 개념이 혼동되는 경우가 많아졌는데 왜냐하면 기술의 발전으로 똑같은 모터 드라이브를 쓰더라도 출력 파형만 바꿔주면 BLDC든 PMSM이든 구동에 문제가 없기 때문이다. 요즘 말하는 BLDC모터는 순수한 BLDC 전동기라기보다는 비교적 작은 소형 영구자석 동기전동기를 의미하는 경우가 많아졌다. 실제로 역기전력 파형을 봐도 깔끔한 사인파로 떠서 그냥 교류전동기라고 보면 된다.
4. 기타
브러시 모터는 전원만 빵빵하다고 끝 없이 돌릴 수 있는 게 아니다. 브러시에 맞닿은 정류자가 계속해서 돌기 때문이다. 마찰이 심해서 속도를 늘리는데도 한계가 있고, 그 과정에서 브러시가 닳아버린다. 이는 모터 수명도 짧아지고 분진이나 소음, 고주파같은 각종 문제를 낳는다. 보면 알겠지만 대부분 브러시가 만악의 근원이다. 때문에 공학자들은 브러시가 없는 모터를 발명하여, 브러시가 있었을 때 가졌던 수많은 단점들을 개선했다.
이후에 만들어진 BLDC 모터, PMSM, 동기모터 따위를 알고 싶다면 교류전동기 참조.
[1] 전동기로 들어가는 전선은 멈추어 있고, 전기자는 움직이니... 이 두 부분을 연결시켜 주기 위해서는 브러시가 필요하다.[2] Permanent Magnet Synchronous Motor, 줄여서 PMSM.