DC모터와 AC모터의 구동 차이

1. DC모터

위에 있는 장비들은 자르거나, 갈거나, 구멍을 뚫는 기계들로 고속으로 회전하는 모터를 사용하며 220V에 연결한다.

우리나라에서 일반적으로 사용하는 220V는 AC 혹은 교류전압이며, 이러한 AC 전압을 사용하는 모터를 AC 모터라고 한다. 

AC 모터는 동급출력을 내는 DC 모터에 비해서 상대적으로 저렴하며, 효율이 좋고, 수명이 길다는 장점이 있다.

때문에 큰 힘을 필요로 하는 공작기계 (위에 있는 장비들), 컴프레서 등에 많이 사용되곤 한다.

하지만, 속도 및 방향 제어가 까다롭다.

토크를 일정하게 하면서 속도를 제어하기 위해서는 주파수를 변조하거나, 코일에 유도전류를 만들어내는 시간차를 잘 조절해야 한다.

 

반면에, DC 혹은 직류전압을 사용하는 모터는 DC 모터라고 부르며, 아마 가장 많이 사용하는 모터이다.

일반적으로 선풍기처럼 AC 모터에 전원을 가하면 바로 사용할 수 있는 모터도 있지만, 속도 및 방향 제어 등을 쉽게 구현할 수 있기 때문에 DC 모터를 많이 사용한다.

 

https://youtu.be/LAtPHANEfQo

DC모터의 원리는 가운데 위치한 DC 전압은 브러쉬(brush)에 전류를 흘려주며, 스프링 힘에 의해 브러쉬는 정류자(Commutator)에 전류를 전달한다.

정류자에 연결된 코일에 자기장이 생기면 로렌츠 힘에 의해 코일이 감긴 rotor가 회전한다.

stator에 자기장이 흐르고 rotor가 힘을 받아 회전하면서 동작하는 원리이다.

 

2. AC모터 

AC모터는 선풍기에서 흔히 볼 수 있다. 

선풍기는 단상 유도 전동기를 사용해 회전을 하게 되며, 3상 유도 전동기와 달리 정지상태에서는 회전을 시켜줄 수 있는 기동토크가 없다.

따라서, 정지상태에서도 회전할 수 있도록 쉐이딩코일형/분상기동령/콘덴서기동형 등이 있다.

 

단상 유도 전동기에 비해 3상 유도 전동기의 장점으로는 정지상태에서는 별도의 장치 없이 회전이 가능하다는 점과 고출력이 가능하다는 것이다.

따라서 단상 유도 전동기는 상대적으로 저출력(1마력 이하)인 선풍기 및 가정용 전동기에 사용하며, 3상 유도 전동기는 전동기는 전기자동차, 고출력 공장기계 등에 사용하는 것이 적합하다.

 

(1) 아라고 원판으로 유도전동기 원리 설명

얇은 도체 원판 주위에 영구 자석을 움직이면 원판은 회전한다.

원판이 시계방향(CW)으로 움직이면, 원판 관점에서는 자석이동 방향과 반대방향으로 이동하는 것 처럼 느껴 속도는 뒤 쪽 방향이며 N->S로 자속 밀도가 결정 되어 플레밍의 오른손 법칙에 의해 전류는 원판의 중심으로 흐르게 된다. 

그 때의 전류를 맴돌이 전류라 한다.

 

유도 전류가 흐르면 도체 원판은 자기장의 전류가 흐르는 도체가 된다. 

이때 플레밍의 왼손법칙에 의해 힘의 방향이 정해지고 F는 시계방향으로 회전하게 된다.

 

(2) 회전자계

자속은 전류에 비례하므로 위 그림과 같이 3상에서 자계의 변화 값이 나온다.

자계 값이 +인 경우 코일 바깥으로, -인 경우 코일 안쪽으로 자계가 형성된다.

최댓값이 1이라 할때 t1인 경우 a상 자계는 나가는 방향으로 1/2, b상 자계는 들어오는 방향으로 1, c상 자계는 나가는 방향으로 1/2 값을 갖게 되므로 합성 자계는 b코일 방향으로 1.5가 된다.

시간이 흐르면 합성 자계의 값이 회전하게 되고 이는 마치 자석을 회전시켜주는 것과 같은 효과를 가져오기에 회전자계라 한다.

[출처]

https://www.youtube.com/watch?v=R0vHJwAZwDA 

https://wop1575.tistory.com/m/13

 

(3) 유도전동기 원리

유도전동기의 원리는 아라고 원판의 원리와 같다.

자석을 회전시켜 변화를 만들어 그 회전에 따라 도체(회전자)도 같은 방향으로 회전하는 것이다.

다만, 자석을 회전시키는 것을 3상의 교류전원으로 회전자계를 만들어 대체한다.

(4) 실제 유도 전동기 원리

https://youtu.be/LtJoJBUSe28

AC모터의 원리는 가운데 위치한 rotor가 교류 전기 발생시 stator에 생성되는 자기장의 변화에 의해 회전하는 것이 AC모터의 원리이다.

3상 교류 전류가 권선에 흐르면 회전하는 자기장이 생긴다.

닫힌 도체를 이 안에 넣으면 자기장이 변하므로 패러데이 법칙에 의해 도체에 유도 기전력이 발생한다.

기전력이 도체에 자기장을 발생시킨다. 따라서 전류가 흐르는 도체가 자기장 안에 있는 상황이 된다.

결과적으로 로렌츠 법칙에 따라 도체에 힘이 작용한다. 그렇게 도체가 회전한다.

 

유도 모터 안에서도 stator 권선에 흐르는 3상 교류 전류는 회전하는 자기장을 만든다.

다람쥐 장의 막대에 유도전류가 흐른다. 막대는 양쪽 링에 연결되어 있고 따라 회전한다.

이 모터를 유도모터라고 부른다.

모터 전류가 전원에서 직접 공급되지 않고 자기장에 의해 유도되기 때문이다.

3상 유도모터의 다른 장점은 본질적으로 자동 기동이 가능하다. 자기장과 회전자가 모두 회전한다.

회전자 속도가 자기장 속도와 같으면 두 개가 같은 속도로 회전하고 회전자가 받는 자기장은 변하지 않는다.

따라서 기전력과 전류는 유도되지 않는다. 즉 회전자에 걸리는 토크는 영이 되며 회전자는 서서히 느려진다.

회전자가 느려지면 다시 변하는 자기장을 받게 되고 유도전류와 토크는 다시 증가한다. 그러면 회전자의 속도도 올라간다.

결론적으로, 회전자는 절대 자기장의 속도를 따라갈 수 없다.

회전자는 동기 속도보다 살짝 느린 속동로 회전하게 된다.

동기 속도와 회전자의 속도 차이를 슬립(slip)이라 부른다 

회전력은 샤프트를 통해 전달된다.

유도모터는 고정자로 들어간 전기에너지를 회전자의 운동에너지로 바뚸주는 장치이다.

구동 중 발생하는 에너지손실은 열로 발생하지만 반대편에 팬을 달아서 냉각 시킬 수 있다.

 

3. 모터의 구분