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장난감부터 전기자동차까지 구현하는 액추에이터의 꽃, 전기 모터전기 에너지를 운동 에너지로 만드는 핵심 요소
신동윤 기자 | 승인 2018.07.10 14:59

[EPNC=신동윤 기자] 모터는 시스템을 움직이거나 제어하는 데 쓰이는 기계 장치인 액추에이터(actuator. 작동기, 작동장치)의 일종이다. 액추에이터는 전기나 유압, 압축 공기 등을 이용하는 원동 구동장치를 두루 일컫는 용어로, 일반적으로 전류, 작동유압, 기력압 형태로 된 에너지원으로 작동하며 이 에너지를 어떠한 종류의 움직임으로 변환한다.

에너지를 움직임으로 변환하는 장치라는 액추에이터의 가장 대표적인 예가 모터다. 하지만 액추에이터에는 이외에도 보일러에서 난방 용수의 공급을 제어하는 밸브 구동기, 그리고 스피커나 이어폰에서 소리를 내는 진동판에 진동을 만드는 부분도 액추에이터라고 볼 수 있기 때문에 모터는 액추에이터의 일부분이라고 할 수 있다. 하지만 실제 현장에서 액추에이터와 모터의 구분은 조금 다른 의미를 갖는다 일반적으로 완벽한 원운동을 하는 경우를 모터, 그렇지 않고 정해진 범위 안에서만 움직이는 경우, 혹은 직선 운동을 하는 경우를 액추에이터라고 하는 경우가 많다. 하지만 이 구분은 절대적인 것이 아닌 편의상 사람들이 구분하는 방식이라고 이해하는 것이 좋을 것이다.

모터는 라틴어에서 움직인다는 뜻의 ‘Moto’에서 유래한 단어로, 실제 영어의 모터가 갖는 의미는 좀 더 광범위해서 기계적인 운동을 하는 장비를 모두 모터라고 하며, 전기를 에너지로 움직이는 모터는 전기 모터(Electric Motor)로 따로 분류한다.

예를 들면 모터스포츠나 모터사이클의 모터는 회전 운동을 하는 엔진을 의미하는 것으로 전기와는 아무 상관이 없다. 물론 최근에는 포뮬러e와 같은 진짜 전기 모터를 사용하는 모터스포츠도 있지만, 이는 특수한 경우에 불과하다.

특히 모터는 전세계 전력 소비량의 약 50%를 차지할 정도로 우리 주위에서 가장 많이 사용되는 전기 제품 중 하나다. 하지만 이런 만큼 무수히 많은 종류의 모터가 우리 생활의 곳곳에서 저마다의 역할에 맞춰 다양한 방식으로동작하고 있다.

모터의 구동 원리

모터는 회전축을 갖는 영구자석 주변에 자석을 회전시키면(회전 자계), N극과 S극이 당겨지는 힘이나 같은 극끼리 밀어내는 힘에 의해 회전축을 지닌 자석이 회전한다. 이것이 바로 모터 회전의 기본 원리다. 이는 플레밍의 유명한 왼손 법칙 즉 ‘자기장 속에 있는 도선에 전류가 흐를 때, 자기장의 방향과 도선에 흐르는 전류의 방향으로 도선이 받는 힘의 방향이 결정된다’는 원리를 활용한 것이다.

즉, 자기장 속에 있는 도선에 전류가 흐르면 움직이는 전하에 작용하는 로렌츠힘에 의해 도선도 힘을 받는다. 여기에 플레밍의 왼손 법칙을 사용하면 자기장의 방향과 전류가 흐르는 방향을 알 때, 도선이 받는 힘의 방향을 결정할 수 있다. 따라서 도선 내의 전기 에너지는 자기장 속에서 운동 에너지의 형태로 전환될 수 있다. 이것이 바로 전기 에너지를 회전 운동으로 변환하는 모터의 기본 동작 원리다.

실제로는 도선에 전류를 흘려 주변에 자계를 발생시켜 회전 자계(자력)을 만들어 회전하는 것과 동일한 상태가 된다. 또한 도선을 코일 상태로 말아 줌으로써 자력의 합성을 통해 더 큰 자계의 다발(자속)이 됨에 따라 N극과 S극이 발생한다. 그리고 코일 상태의 도선 속에 철심을 넣음으로써 자력선이 통과하기 쉽게 돼, 보다 강한 자력을 발생시킬 수 있다.[그림 1]

[그림 1] DC 모터의 기본 구조

3상 교류를 사용할 경우(3상 교류는 120도로 위상이 시프트된 교류 신호), U상 코일과 V상 코일, W상 코일을 120도 시프트 배치함으로써 3상 전압이 높은 쪽의 코일에 N극, 낮은 쪽에 S극이 발생된다. 각각의 상은 정현파 상태로 변화하므로, 각 코일에서 발생하는 극(N극, S극)과 그 자계(자력)이 변화된다. 이 때, N극이 발생하는 코일만을 보면, U상 코일 – V상 코일, W상 코일의 순서로 변화하므로 회전할 수 있다.[그림 2]

[그림 2] 3상 교류 모터의 기본 구조

하지만 이런 전통적인 전자기를 이용한 모터 외에도 초음파 모터와 같은 압전소자를 기반으로한 모터도 있으며, 일반적인 회전 운동이 아닌 직선 운동을 하는 모터 등 다양한 기술과 방식이 모터에 적용되고 있다.

AC모터와 DC모터

모터는 자장 내에 전류를 흐르게 함으로써 힘을 회전 운동으로 변환하는 장치로, 물론 예외적으로 리니어 모터라는 직선 운동을 하는 모터도 존재한다.

모터를 구동 전원의 종류에 따라 분류하면 DC모터와 AC모터가 있으며, 이외에도 구동 방식이나 구성에 따라 다양한 모터로 분류된다.

DC모터는 직류 전기를 사용하는 모터로 고정된 영구자석 사이에 코일에 전류가 흐를 때 자석과 코일 사이에 작용하는 자기력에 의해 코일이 회전하며, 코일의 면이 자기장에 수직이 되는 순간 정류자에 의해 전류의 방향이 바뀌므로 코일은 계속해서 한쪽 방향으로 회전한다.

일반적으로 모형 자동차와 같은 소형 장난감이나 청소기, 컴퓨터에 사용되는 팬이나 하드디스크 등에 사용되는 모터는 DC모터다.

DC모터는 기동 토크가 크고 인가 전압에 대해 회전 특성이 직선적으로 비례한다. 또한 입력 전압에 대해 출력 토크가 직선적으로 비례하며, 출력 효율이 좋고 가격이 저렴하다는 것이 장점이다.

하지만 DC모터는 구조상 브러시(Brush)와 정류자(Commutator)에 의한 물리적인 접점이 있기 때문에 이로 인해 회전 소음, 수명, 그리고 심지어 전기 불꽃이 발생하기도 한다. 그리고 노이즈로 인해 정밀한 제어가 어려워, 실제 사용시에는 세라믹 콘덴서 등을 같이 사용하는 경우가 일반적이다.

이런 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 브러시리스 DC(Brushless DC, BLDC)모터로 브러시가 없어 구조적으로 회전자에 전원을 전달할 수 없어, 페라이트나 네오디뮴과 같은 영구자석으로 자속을 생성한다. 따라서 브러시리스 모터는 전기자가 고정자, 계자가 회전자의 역할을 한다.

[그림 3] 일반 DC모터와 브러시리스 모터의 차이

이런 구조 때문에 브러시리스 모터는 전기자에 바로 직류 전원을 전달할 수 없으며, 스위치를 이용해 극성을 바꿔 넣어줘야 한다. 다시 말해 정류 역할을 외부에서 별도로 하는 것으로 어찌보면 DC모터보다는 AC모터에 더 가까운 방식이다.

반면 AC모터는 교류전원으로 동작하는 모터로 크게 유도모터와 동기모터로 구분되며, 동기모터는 또 영구자석 동기모터와 비영구자석 동기모터로 구분된다.

일반적인 AC모터는 브러시가 없는 형태를 갖는데, 이는 모터에 인가되는 교류 전원을 통해 정류 기능을 대체하거나 구동 원리상 브러시가 필요없기 때문이다.

유도모터는 동기모터와 달리 고정자계와 회전자계를 항상 시기키려고 노력할 필요가 없으므로, 비동기모터라고도 한다. 다만 실제로는 자계 관점에서 볼 떄, 두 자계를 항상 동기화된 상태로 회전한다. 다시 말해 동기화를 하지 않는 것이 아닌, 동기화 과정이 필요없다고 하는 것이 옳은 의미일 것이다.

유도모터는 구동이 쉽고 내구성이 뛰어나며 가격이 저렴하지만, 효율이 낮고 제어가 어렵다는 단점이 있다.

반면 동기모터는 높은 효율과 저소음, 뛰어난 제어성, 그리고 정속 회전이 가능하다는 장점이 있으나, 일반 상용 전원을 사용할 수 없으며, 전용 모터 드라이브와 회전자의 위치를 확인하기 위한 위치 센서가 필요해 전체적인 시스템의 비용이 크게 상승한다는 단점이 있다.

스테퍼 모터

스테핑 모터, 혹은 펄스 모터라고도 불리는 스테퍼 모터는 펄스 전력에 대응해 회전하는 모터다. 특히 펄스 입력 수에 따라 회전각이 바뀌고 입력 주파수에 비례해 회전 속도가 변화하기 때문에 피드백 없이 모터의 동작을 제어할 수 있다는 것이 특징이다. 이처럼 동작 범위를 제한하고 세밀한 제어가 가능하다는 특징 때문에 정밀한 제어가 필요한 공장 자동화, 로봇 등에 사용되는 경우가 많다.

스테퍼 모터는 모터의 구조에 따라 다양한 종류로 구성돼 있다. 로터부를 영구자석으로 만든 PM(Permanent Magnet Type), 로터부를 기어 형태의 철심으로 만든 VR(Variable Reluctance Type), 그리고 로터부를 기어 모양의 철심과 자석으로 구성한 HB(Hybrid Type) 등이 주로 많이 사용된다.

PM형은 판금 모양의 요크에 발톱을 세운 크로 폴(Craw Pole) 형태가 가장 많이 사용된다. VR형은 로터부에 고투자율 재료를 사용한 기어 모양 회전체를 사용하고, 이것과 스테이터 코일에서 발생하는 회전력을 이용한다. HB형은 PM형과 VR형의 장점을 취합한 방식으로 스테퍼 모터 중 가장 우수한 회전 특성을 제공한다.

스테퍼 모터는 이외에도 회전형, 직진형 등의 운동 형태에 의한 분류, 그리고 구동 권선의 수에 따라 2상, 3상, 5상 등으로도 구분된다.

[그림 4] 스테퍼 모터의 내부 구조

기어드 모터

기어드 모터(Geared Motor)는 모터의 회전축에 기어 등의 감속 기구를 부착한 것으로, 이를 통해 일반 모터로는 얻을 수 없는 저속 회전이나 큰 토크를 발생시킬 수 있다. 또 이런 기어는 어떤 모터에도 부착할 수 있기 때문에, 어떤 모터라도 기어드 모터가 될 수 있다. 일반적으로 모터는 고속으로 동적할수록 효율과 경제성이 올라가기 때문에 모터의 회전 속도를 높이고, 여기에 기어를 통함으로써 원하는 회전수와 토크로 감속해 사용하는 것이다.

[그림 5] 기어드 모터의 일반적인 구조

리니어 모터와 초음파 모터

다양한 분야에 적용되는 모터 중, 특정 분야에서 주로 사용되는 모터들도 있다. 예를 들면 자기부상 열차에 주로 사용되는 리니어 모터, 그리고 주로 카메라 렌즈에 사용되는 초음파 모터가 대표적인 예다.

일반적으로 회전 운동을 하는 모터와는 달리 직선 운동을 하는 모터도 있다. 리니어 모터(Linear Motor)가 바로 이런 종류다.

직선 운동을 위해서는 기어드 모터의 변형된 예로 회전 운동을 직선 운동으로 변형하는 방식도 있지만, 리니어 모터는 기존 둥근 형태의 모터를 길게 펼쳐 놓은 형태로, 레일의 자석과 구동부의 전자석을 이용해 구동부가 공중에 뜬 상태로 이동할 수 있다. 이 방식은 소음과 진동을 줄일 수 있으며, 마모에 의한 영향을 거의 받지 않지만, 구현 비용과 관련 설비에 많은 비용이 소요되고 효율이 일반 모터에 비해 나쁘다는 단점이 있다.

초음파 모터는 기존의 전자기를 이용하는 방식이 아닌, 압전소자를 이용하는 모터로, 소음이 적고 구동 속도가 빠르다는 장점 때문에 주로 카메라 렌즈에 많이 사용된다. 압전 소자를 사용하기 때문에 압전 모터라고 부르기도 한다.

초음파 모터는 2개의 압전소자판에 초음파 수준의 주파수를 인가해 압전소자판의 뒤틀림 현상을 이용해 회전한다. 이런 초음파 모터는 일반 직류 모터에 비해 저진동, 고속, 높은 토크를 갖기 때문에 정교하고 미세한 이동이 필요한 카메라 렌즈의 초점 구동이나 센서의 손떨림 보정 등에 주로 사용된다.

[그림 7] 초음파 모터의 구조와 동작 원리

 

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신동윤 기자  dyshin@techworld.co.kr

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