[경민테크] DC 모터의 기초(1)

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01. 모터의 원리 및 정의, 02. 모터의 구성, 03. DC모터 특성도의 이해, 04. DC모터의 기본 공식, 05. 모터에 관한 일반 사항, 06. 모터의 취급, 07. 권선 소손의 원인, 08. 모터에서 발생하는 소음

01. 모터의 원리 및 정의

모터는 플레밍의 왼손법칙에 따라 전기적 에너지를 운동(기계)에너지로 변환해 주는 장치이다.

근본적으로 자기장 속에서 도체가 놓여있을 때, 이 도체가 어떤 방향으로든지 운동을 하면 도체내부에는 전류가 유기되어 흐른다. 반대로 도체 내에 전류를 흘리면 특정한 방향으로 힘을 받아 운동하려고 한다. 이러한 전자기적 원리를 이용하여 인위적으로 자기장을 형성하고 도체를 구성한 후 전류를 공급하면 이 도체가 운동을 하는데 이것을 바로 모터라고 한다. 자속밀도 B[Wb/m^2)중에 놓여진 길이 l[m] 의 도체에 전압 V[V]를 인가하면 도체에 I[A]의 전류가 흐르고 도체가 회전하게 되는데 이때 유도 기전력 Eo[V]가 발생한다. Eo는 플레밍의 오른손 법칙에 따라 결정되며, 전동기에 가한 인가전압 V[V]에 대해 극성은 반대 방향이고, 전기자 전류 Ia[A]를 방해하도록 흘러 이 유도 기전력을 역기전력이라고 부른다. 여기서 도체에 작용하는 전자력 F=B*I*l 이며 지름이 D인 1개의 도체에 작용하는 회전력 τ=F*D/2 =B*I*l*D/2 [Nㆍm]이다. 전체도체수가 Z이면, 전체 회전력 T=Z*τ가된다. 이 회전력을 Torque라 한다. 도체가 축을 중심으로 회전운동을 하도록 하면 일반적으로 말하는 모터이며, 직선적으로 움직이면 리니어 (linear)모터라고 한다. 자계를 형성하는 방법으로는 영구자석을 사용하거나 계자 권선에 전류를 흘려 전자석으로 만들어 사용하는 것이 있다.

02. 모터의 구성

영구자석방식의 브러시 타입 직류모터의 구조는 일반적으로 그림과 같이 구성된다. (1)엔드커버 (End Coner Assembly) Bracket 이라고도 하며 Frame Assembly 와 같이 모터를 구성하는데 외부로부터 보호하는 Cover와 회전자의 축을 받쳐주는 베어링 (Ball or Bushing), 전원공급을 위한 Brush Holder Assembly 부품의 조립이 이루어진다. 1)브러쉬 (Brush) 회전하는 정류자에 전원을 공급하는 부분으로서 모터의 수명,기계적 소음, 전기적인 소음에 직접적인 영향을 미치는 부품으로 정류자의 조도, 원주속도, 접촉 압력, 마찰 계수, 주변 온도의 영향을 받는다 ①탄소브러쉬 : 저항률, 마찰계수는 크고 전류용량이 작으며 주로 소형기, 저속기에 사용 ②천연 흑연브러쉬 : 재질이 부드럽고 윤활성이 풍부하여 저항률과 접촉저항이 적고, 전류용량이 커서, 대전류, 고속기에 사용된다 ③전기 흑연브러쉬 : 불순물이 적은 탄소를 원료로하여 전기로 안에서 열처리하고 흑연화하여 성형소결한 것이며 브러쉬로써 가장 우수하여 각종기계에 널리사용 ④금속 흑연브러쉬 : 구리분말과 흑연분말을 혼합하여 소결한 것으로 전류용량이커서 저전압, 대전류의 기계에 사용. ※브러쉬의 수명에 영향을미치는 요인 : 브러쉬의 접촉압력, 전류밀도, 진동, 정류자의 표면상태, 환경 (온도,습도,기압), 재질 등. 2)브러쉬 홀더 (Brush Holder) 브러시를 감싸주는 것으로 플라스틱을 사용할 수도 있으며 전류의 통전을 좋게 하기 위하여 동합금 판재를 접어서 사용하기도 한다-재질Bs 3)베어링 (Bearing) Armature를 지지하기 위한 것으로 Ball Bearing을 사용하거나 소결베어링 (Sintered Bearing) 을 사용하는 데 금속 분말을 소결한 후 윤활유를 함침 하여 별도의 주유 없이 베어링으로 사용한다. 4)Fiber Washer & Wave Washer - Front or Rear Cover 의 Shaft 의베어링과의 조립 부위에 위치하여 모터 구동 또는 운전시 전,후로의 힘을 분산시켜 충격을 완화하는 역할을 한다. 5)Holder Base -phenol 수지(樹脂) - Brush Holder등을 안착 시켜 놓는 수지판 . 6)Lead Wire (Heat-resistant pvc insulated wire) 모터에 전원을 인가하는 전원선. 7)Connecter Housing & Terminal Pin Lead Wire 끝에 부착하여 사용자가 원하는 형태의 단자와 연결토록 만든 부속물. (2)회전자 (Armature Assembly or Rotor Assembly) 자석이 생성한 자계 내에서 N극에서 S극으로 지나는 자계의 통로가 되면서 코일이 받는 힘을 축으로 전달하며 코일이 감겨질 수 있도록 형상을 갖고 있다. 1)축 (Shaft) 회전자의 운동을 연결된 물체에 전달하는 것으로 끝단은 적당한 가공을 하여 사용하여 사용하기도 한다. 2)정류자 (Commutator) 회전자가 동일한 방향으로 계속 힘을 받기 위해서 자력선의 극이 바뀜에 따라 브러시로부터 전달되는 전류의 흐름을 바꾸어 주는 역할을 한다. 재질, 표면상태, 진원도, 편심 (흔들림) 등에 주의 3)절연체 (Insulator) 전류가 흐르는 경로를 외부와 차단하기 위한 구조물로 Rotor Core와 권선간의 절연을 위하여 Epoxy Powder로 Coating을 하거나 플라스틱 재질로 Rotor Core를감쌀 수 있는 구조물로 만들어 덧씌우거나 절연지를 사용하기도 하며 Shaft에는 Tube형태로 감싸기도 한다 필요한 경우 Varnish처리를 하기도 한다. -절연단판(nylon66), Wedge, slot 절연지(Poly Film), Vanish (DVB-2129), 희석제(DTB-7302) 4)전기자 철심 (Core) 계자와 함께 자기회로를 만드는 부분으로 전기자가 회전함에 따라 전기자 철심 내부에서 자속방향이 변화하기 때문에 맴돌이전류 (와전류,eddy current), 히스테리시스(hysteresis)현상에 의한 철손이 생긴다. ●성층철심 - 와전류에 의한 철손을 적게 하기위해 0.35~0.7mm의 규소강판이나 무방향성 규소 강대의 표면 에 얇게 절연한것을 겹쳐서 성층철심으로 사용하고 있다. ●규소강판 - 얇은 강판 에 규소를 넣어 자기적 성질이 개선되어 히스테리시스손이 감소한다. 그러나 규소의 함유율이높으면 자기적 성질은 좋아지나, 기계적으로 약하게 되어 보통 Si함유량 1~1.4%정도의 저규소강을 사용한다. 5)마그네트 와이어 (Magnet Wire (Coil))) Enamel Wire라고도 하는데 전류를 통하게 하여 기자력을 얻는 권선을 말하며 보통 구리(CU) 선을 사용한다. 사용되는 온도 조건에 맞는 피복재질을 선정해야 한다. 상용이름 Polyurethane Enamelled copper wire Polyester Enamelled copper wire Polyamide -lmide Enamelled copper wire Polyamide -lmide Enamelled copper wire Nyln Enamelled copper wire 코드 UEW PEW AIW EIW NEW 열적분류 E(120oC) B(130oC) F(155oC) F(155oC) H(180oC) C(220oC) H(180oC) (200oC) 사이즈(mm) 0.05-2.0 0.05-2.0 0.05-2.0 0.05-4.0 0.06-0.3 특성 *절여피막의 제거없이 납땜이 가능 *높은 주파수특성이 뛰어남 *색상 변화가 용이 *뛰어난 절연성 뛰어난 내용매성 *색상 변화가 용이 *뛰어난 내용매성 *높은 속도로 코일 감기가 가능 *뛰어난 내열성 *뛰어난내열 충격성 *과다한 전류가 흘러 코일이 끊어질 때 전류가, 흐르는 것을 막아관계된 장치가상하는 것을막아준다 외부 절연물의 제거없이 바로 용접이 가능하다. 열적성질 *방향족 용제에 약하다. 상대적으로 *기계적 강도가 약하다 *갇혀진 시스템에서 낮은 내가수분해성 유연성 (신축성)이 비교적 약하다 F Type *응력과 함께 용제에서 크레이징 현상 H Type *옆과 동일 응용 *통신장치 *소형모터 *전기장치 *일반목적 모터 *마그네트 코일 *가정용 모터 *프레온 가스용 모터 *높은 온도용 장치 *고속모터와 발전기 *솔레노이드 (원통코일) *중계장치 * AC adaptor코일 * Plunger UL 목록번호 E112875(S) E112875(S) 규정 KS C 3107 JIS C 3202 NEMA MW2-C NEMA MW75-C BS 4520 KS C 3107 JIS C 3202 NEMA MW5-C BS 3160 JCS 334 KS C 3107 JIS C 3202 NEMA MW30-C BS 4665 NEMA MW16-C BS 4663 상용이름 Polyester-lmide overcoated with Enamelled copper wire Low operating Temperature Self-bonding Enamelled copper wire High operating Temperature Enamelled copper wire Nyln overcoated Enamelled copper wire 코드 AI-EIW SBL- UEW- PEW SBH- EIW- AIW NY-UEW NY-PEW NY-EIW 열적분류 (220oC) E(120oC) B(130oC) F(155oC) H(180oC) H(180oC) (220oC) B(130oC) F(155oC) F(155oC) H(180oC) (220oC) H(180oC) (220oC) 사이즈(mm) 0.10-4.0 0.10-2.0 0.1-2.0 0.1-2.0 0.1-2.0 특성 열적성질 응용 UL 목록번호 E112875(S) E112875(S) E112875(S) 규정 NEMA MW35-C NEMA MW73-C KS C 3107 JIS C 3202 NEMA MW28-C JIS C 3202 NEMA MW24-C 6)Balance Weight Rotor 회전시 무게의 불평형으로 인한 소음, 진동등 기계적 손실을 줄여주기 위해 붙이는 물질로 Epoxy종류를 많이 사용한다. (3)프레임 (Frame Assembly) Magnet를 고정하고 Flux의 경로가 되어 자기장을 형성한다. Magnet의 고정에는 보통 Magnet Holder를 사용하거나 접착제를 사용한다. (4)자석 Magnet 자기장을 유지시켜 주는 것으로 N극과 S극으로 나뉘 어서 자력선이 형성된다. ①이방성 페라이트자석: Hc 전후 =2500 [Oe/cm] , B = 4,000 Gauss 전후 ②희토류계 : SmCo(사마륨 ), Nd-Fe-B(네오듐 ) 등의 자석을 말하며 사마륨자석의 경우 잔류자속 밀도 나 보자력 등이 매우 높고 온도특성도 좋기 때문에 이어폰이나 소형 정밀모터 등에 사용된다 그러나 주원료인 코발트 자원이 한정되어있어 대체품으로 개발 . 된것이 네오듐자석이다. 네오듐 자석 역시 사마륨자석을 능가하는 뛰어난 자석이지만 온도 특성이 매우나빠 온도 변화에 의한 자속 밀도의 하락이 심하고 80℃가 넘는 환경에서의 사용이 쉽지 못한 것과 산화력이 강해 공기 중에서 쉽게 산 화하여 녹이 생기는 단점을 보완하기 위하여 코팅을 해야하는 단점이 있다. ③알니코 (AINiCo)계 자석 : 온도에 따른 자속량의 변화가 극히 적고, 높은 자속밀도를 얻을 수 있으나 보자력이 아주 약해 외부자계에 의해 쉽게 감자가 일어난다는 점이다. 실제로 알니코 자석은 착자시킨 직후에는 매우 흡착력이 강하지만 조금만 붙였다 떼었다 하며 금방 거의 자력이 없어질 정도로 약해진다. 그러므로 외부자계의 영향이 큰 곳에는 사용하지 않는 것이 좋다 .

03. DC 모터 특성도의 이해

X축을 Torque로 Y축을 RPM과 전류로 했을 때 모타에 걸리는 Torque(부하)가 커질수록 RPM은 선형적으로 반비례하여 감소한다. 전류는 부하가 커질수록 비례하여 커지는 것을 볼 수 있다

04. DC모터의 기본 공식

(1)직류전동기의 단자 전압 V =Eo+R*I

(2)역기전력 Eo=(pΦ N/60)*Z/a=K1*Φ*N [V] p=극수, Φ=1극당자속, Z=도체수, a=병렬회로수, K1=pZ/60a

(3)I=(V-Eo)/R=(V-k1ΦN)/R

(4)입력 P=V*I

(5)출력 W = Eo*I=9.8*2 πNT/60*10^-²=1.027*T*N*10^-² -정격토크 T (kg-cm)

(6)효율 η= W/(V*I) -정격회전수 N (rpm)

(7)1개의 도체에 작용하는 전자력 F=B*I*l

(8)여러개의 도체가 원형으로 분포시 회전력 (Torque) T=Z*B*l*I*r= Z*pΦI/(2*π*a) (r= 전기자 반지름) 10)자속밀도 B=pΦ/πlD

05. 모터에 관한 일반 사항

모터는 크게 회전자(armature or rotor), 고정자(frame, case or housing), 전원 공급부로 구성되어 있고 전기에너지를 기계에너지로 변환해 주는 기기이다. 회전자는 샤프트에 철판이나 규소강판으로 타발한 Core를 적층하고 정류자 (commutator)를 압입한 후 에나멜로 피복한 동선을 일정한 규칙에 따라 감고 나서 동선과 정류자의 금속편을 전기가 통하게끔 휴 징(fusing)을 한다. 휴징한 후 정류자의 금속편 원주면은 선삭가공을 통해 매끈하게 하여 통전이 잘되고 소음이 발생하지 않도록 해야 한다. 하지만 이렇게 만들어서는 품질적으로 보장을 할 수가 없다. 모터는 전기적인 안정성과 내환경성을 만족해야 한다 그래서 동선과 Core간에는 절연이 되도록 절연물을 사용하여 감싸주는데 발열에 견딜 수 있도록 재질의 선정에도 유의해야 한다. 그리고 모터는 자기에너지를 활용하는 것인 만큼 자석의 특성에 민감하지만 자성을 이용해서 전기에너지를 요구되는 회전운동으로 바꾸어주는 것은 회전자에 감긴 동선의 패턴에 직접적인 영향을 받는다. 즉 동선의 굵기와 감김 수, Core의 Slot수와 Winding Pitch수가 변수가 된다. 동선이 굵을수록 저항이 적어서 많은 전류를 흘릴 수 있고 출력을 크게 한다 동선의 Winding Turn수에 반비례하여 회전수가 직선적으로 변하게 된다 별도로 터미널에 인가되는 사용전압에는 비례하여 회전수가 직선적으로 변하게 된다 그래서 동일한 부품을 사용하는 모델이지만 권선사양에 따라 다양한 특성을 얻을 수 있는 것이다. 고정자는 동선을 감아서 전자석처럼 자기장을 만들어 주는 것 (Wound Field)과 자석을 사용하는 경우(Magnet Field) 가 있는데 자석을 사용하는 경우가 많다. 자석을 공장에서 제조할 때는 자성을 띄고 있지 않지만 모터에 조립되는 전후의 공정에서 자화(magnetizing) 를 하게 된다. 착자가 되고 나면 외부에서 인위적으로 자성을 제거하지 않는 한 항상 일정한 자기장을 유지하게 되는데 이 자기적 성질이 바로 회전자의 동선에서 형성하는 전기장과 상호작용을 하여 플레밍의 왼손법칙에 따른 회전운동을 하게 된다. 자로가 되는 프레임은 철판을 딥 드로잉하여 제작을 하거나 파이프를 사용하기도 하며 또한 철판을 둥글게 말아서 사용하는데 자석의 자로를 구성하여 자기에너지를 충분히 활용할 수 있도록 설계하면서 기구적으로도 외부의 충격에서 내부를 보호하는 기능을 가진다. 전원공급부는 외부의 전원을 회전자의 정류자에 흘러갈 전기 통로를 구성하게 된다. 전기는 (+)극의 터미널-> 브러시-> 정류자편-> 동선-> 반대편의 정류자편-> 반대편의 브러시-> (-)극터미널의 경로로 흘러간다. 이 경로는 통상 브러시 수만큼의 병렬회로를 만들게 되고 모터의 저항은 병렬회로의 합성으로 나타난다. 모터를 강제적으로 구속시킬 경우 V=R*I의 공식을 만족한다. 하지만 회전자가 회전하고 있는 경우에는 동선의 저항 뿐만 아니라 전류가 만드는 인덕턴스에 의한 저항도 고려해야 하므로 전류 값은 다르게 나타난다. 모터가 회전을 한다는 것을 이야기하려면 정류의 개념을 이야기하게 된다. 회전자가 일정한 방향으로 균일한 회전을 하기 위해서는 자석의 극성에 맞추어서 해당되는 영역내의 동선(Core 의 슬롯내에 있는 동선가닥들)에 흐르는 전류의 흐름이 순차적으로 바뀌어 져야만 한다 즉, 플레밍의 왼손법칙을 만족하기 위한 것이다. 바로 이 전류의 흐름 방향을 바꾸어주는 기능을 정류자가 하게 되는데 정류자의 원주면에 있는 홈이 그 역할을 하게 된다 정류자의 원주면에 브러시를 접촉시키고 회전을 시키면서 순간마다 동선을 지나가는 전류의 흐름을 추적해 보면 브러시가 정류자의 금속편을 하나 지나갈 때마다 동선에 흐르는 전류의 방향이 변하게 되는 것을 알 수 있다 이 정류자의 홈의 수는 Core의 슬롯 수와 직접적인 상관관계를 가지게 된다.

06. 모터의 취급

모터는 여러 가지 부품의 조합품이고 회전체이기 때문에 외부의 충격에 약하다. 특히 자석이 파손되어 입자가 문제를 일으키는 경우가 많다. 보통 자기에너지를 충분히 활용하기 위하여 자석과 회전자간의 틈새(공극 , AIR GAP) 는 0.4~1.0mm정도로 좁게 설계한다. 또한 회전자가 두 개의 베어링으로 지지되고 있는데 충격에 의해 틀어지면 발열, 모터의 효율저하, 소음, 내구성 저하가 생긴다. 모터의 내부에는 이물질이 혼입되어서도 안된다. 이는 정류자와 브러시간의 접촉을 불량하게 하고 소음을 유발하며 내구성을 저해한다.

전원공급부가 고정자와의 조립된 각도가 달라지면 회전수가 달라지거나 전류의 소모량이 달라지기도 한다. 회전자는 두 개의 베어링으로 축을 지지하고 두 개 혹은 여러 개의 브러시로 전원으로 공급하게 되는데 베어링이 망가지거나 브러시가 파손되면 모터가 제대로 특성을 낼 수 없을 뿐만 아니라 내구성에서 치 명적으로 영향을 받는다. 전기가 흐르는 경로에 있는 부품을 손으로 직접 만지면 부식을 일으키고 접촉저항을 높게 한다. 자석은 지나친 고온이나 저속에서는 자성을 잃거나 열화되어 제 특성을 내지 못하므로 허용되는 환경에서 사용하여야 한다. 정류자는 브러시와 직접 접촉하여 전기를 공급하는 부분인 만큼 가공상태가 양호하여야 한다. 가공상태가 불량하면 정류불량, 소음유발, 아크발생, 수명저하 등을 가져온다

07. 권선 소손의 원인

전동기 소손의 원인으로는 전기적인 원인과 기계적인 원인으로 구분되며, 첫째, 전기적인 원인으로는 과부하, 결상, 구속, 층간 단락, 권선의 지락, 순간과전압의 유입 등이 있으며, 둘째, 기계적인 원인으로는 전동기 회전자가 고정자에 닿는 경우, 베어링의 마모나 윤활유의 부족으로 발생한 열의 전도에 의한 소손 등이 있다.

① 과부하

전동기에 연결되어 있는 기계에 과중한 부하가 가해져 전동기에 열이 발생시켜 그 열에 의해 권선의 절연이 파괴되어 소손된다.

② 층간 단락

전동기 권선(coil) 중 한 상의 권선이 절연의 취약 또는 열화로 인해 같은 상의 coil이 서로 단락되어 소손된다.

③ 선간 단락

전동기 권선의 열화로 인한 절연이 취약하게 되어 선간 교차부분이 서로 단락을 일으켜 소손된다.

④ 권선 단락

권선의 열화로 인한 또는 절연의 취약부분에서 전동기의 몸체로 누설전류가 흘렀을 때 그 누설전류의 흐름이 진행되면 1선 완전단락 상태로 발전되어 전동기가 소손된다.

⑤ 순간 과전압의 유입

전선로에 유입되는 고전압으로 인해 권선의 내전압을 초과하여 유입되면 소손되나 피뢰기에 의해 보호되고 있어서 극히 희박한 현상이다.

① 구 속

전동기가 과중한 부하로 인해 회전하지 못하고 정지된 상태를 말하며 계속 전원이 투입되어 있을 경우, 이 때 흐르는 전류는 정격전류의 약 6배 이상이 흐르게 되며 계속 그 상태가 유지되면 발생되는 열에 의해 전동기가 소손된다.

② 전동기의 회전자와 고정자의 접촉

전동기의 축(shaft) 의 이상으로 회전자가 고정자를 스치고 돌아갈 때 발생하는 열에 의해 전동기가 소손된다.

③ 축 베어링의 마모나 윤활유의 부족

전동기의 축베어링에서 발생한 열이 전도에 의해 전동기의 권선까지 온도 상승을 일으켜 소손된다.

08. 모터에서 발생하는 소음

기계적 소음은 브러시 (Brush) 와 정류자 (Commutator) 간의 마찰음, 베어링(Bearing)에서 나는 음, 회전자 (Rotor, Armature) 에서 발생하는 바람소리 팬 (Fan) 에서 발생하는 소음 등이 있고, 이것과 연계되어 고유진동수에 의한 음의 증폭과 조립부에서의 이음이 생기게 된다. 브러시와 정류자간의 마찰음은 브러시의 재질, 정류자의 흔들림 량, 표면 조도, 브러시 스프링의 압력, 정류자의 원주속도, 정류자 세그먼트(Segment) 의 Burr의영향을 받게 된다. 베어링에서 나는 소음의 경우 볼 베어링과 소결 베어링 (Oilless Metal)에서 차이가 있다. 볼 베어링의 경우 내/외륜과 볼간의 간격, 기후(윤활재), 베어링의 정도, 베어링의 손상여부에 의하며, 소결베어링은 축(Shaft)와 접촉되는 부위의 표면 조도, 윤활정도, 흠집, 축과의 틈새, 회전자의 흔들림 등에 의해 발생한다. 대부분은 베어링 부위의 손상이나 표면 조도가 적절하지 않아서 발생하는 것으로 볼 수 있다.

전기적 소음은 일반적으로 전기회로를 통해 흐르는 Conduct Mode, 종중으로 전파되는 Radiative Mode, 그리고 Surge가 있고 이것이 외부로 방출되는 것을 차폐하기 위한 EMI, 또는 외부의 전자파 장해로부터 보호하기 위해 EMS를요구하는 추세이다. 전기적 소음을 해소하기 위한 방편으로 직류모터에는 Ring Varistor를 정류자 (Commutator)에 설치하는 것이 일반적이고, 교류모터에서는 쵸크코일(Choke Coil)이나, 커패시터(Capacitor)등을 사용한다. 그러나 자동차의 경우 ECU를 보호하기 위하여 보다 강화된 필터를 사용해야 하는 추세이다. GM자동차의 경우 자체적인 규격 (GM9100P)을 가지고 있다. 이런 경우 커패시터, 쵸크코일, 바리스터 (Varistor)등을 복합적으로 사용하여 회로를 구성하게 된다. http://www.kyungmintech.com/bbs/skin/ggambo7002_boardgallery/print.php?id=techinfo&no=2