자동차용 모터의 종류와 구동 원리, 장단점

자동차에서 일반적으로 많이 사용되는 모터의 종류와 구동 원리, 장단점을 설명하고자 합니다. 전기차 시대가 다가오는 만큼 모터의 사용은 급진적으로 확대가 예상되고 혁신적인 모터 신기술 지속적으로 나올 것이지만 그동안의 개발된 모터에 대한 지식이 그 바탕이 될 수 있다고 생각합니다.

모터의 종류

DC 모터

DC 모터는 직류 전류를 이용하여 구동합니다. 제어 방식은 아래와 같이 분류됩니다.

• 전압 제어
• 직병렬 제어
• 스위치 제어
• PWM 제어

플레밍의 왼손 법칙

전류가 흐르는 도선과 자속이 통과하는 방향과 직교 방향으로 로렌츠의 힘(Lorentz force)이 발생합니다.

• 로렌츠의 힘(F) = 자속밀도(B) X 전류(I) X 도선의 길이(l)

DC 모터의 성질

DC 모터는 고정자에 영구자석을 붙여 계자로 사용하고 회전자에 코일을 감아서 회전 자계를 만듭니다.
지속 회전을 위해서는 극성의 전환이 계속되어야 하므로 정류자를 사용하는데 아래와 같은 문제점을 가지고 있습니다.

• 전기 및 기계적 노이즈 생성
• 정류자 마모로 인한 모터 수명 단축
• 극성 변경 시 전자기 전류가 차단되는 위치(Dead point)에 모터가 정지하면 재구동이 안될 수 있습니다.

그리고 아래와 같은 동작 특성을 가집니다.

회전수는 전원 전압에 비례하고 토크는 전기자 전류에 비례한다.

DC 모터의 장점과 단점

장점

1. 기동 토크가 큽니다.
2. 속도 제어, 정방향 / 역방향 전환이 쉽습니다.
3. 인가전압에 대하여 회전력이 직선적으로 변화합니다.
4. 입력 전류에 대하여 출력 토크가 직선적으로 비례합니다.

단점

1. 브러시(Brush)와 커뮤테이터(Commutator)의 기계식 접촉으로 회전 소음과 불꽃(Spark)이 발생합니다.
2. 브러시와 커뮤테이터 마모에 따른 수명 제한이 있습니다.
3. 불꽃으로 인해 전자파가 발생할 수 있습니다.

AC 모터

영구자석 동기 모터

전자석 형태의 고정자(3상 권선)가 회전자를 끌고 가는 방식입니다. 회전자 주위에 자석을 배치하고 고정자에 교류를 인가하여 회전 자계를 만들어 주면 회전자는 자계의 속도와 같은 속도로 회전합니다. 회전 속도는 전원 주파수와 극수로 결정되며 일정한 범위 내에서는 부하의 증감으로 회전 속도가 변화하지 않습니다. 속도 제어가 필요한 경우에는 주파수를 바꾸면 됩니다.

1. 슬립이 없어 효율이 높고 크기에 비해 출력이 높은 편입니다.
2. 제어기가 포함되어 있어 가격이 비쌉니다.
3. 속도가 일정하고 역률 조정이 쉽기 때문에 정속도 대동력용으로 사용됩니다.
4. 구조와 취급이 상대적으로 복잡합니다.

유도 전동기

고정자 권선과 회전자로 구성되어 있고 회전자는 다람쥐 쳇바퀴 모양의 금속으로 되어 있습니다. 고정자에 전류가 흐르면 회전 자계가 발생하고 이 자계에 의해 회전자에 유도 전류가 발생합니다. 이 유도 전류에 의해 생기는 자기장과 고정자의 회전 자기장이 서로 작용하여 회전자가 회전합니다. 작동을 시작할 때 회전자의 기계적 속도가 전기적 속도보다 느리지만 속도가 점점 붙으면서 결국 회전자는 고정자의 회전자계 속도를 거의 따라잡아 정상 상태에 도달합니다. 토크 제어를 위해서는 전압을 오르내리면 되지만 토크를 일정하게 하고 속도를 제어하기 위해서는 주파수를 변조하거나 코일에 유도 전류를 만들어 내는 시간차를 조절해야 합니다.

• 값이 상대적으로 저렴하고 유지 보수에 유리합니다.
• 정속 운전하는 산업용, 가전기기 중심으로 널리 사용되고 있으며 전체 전동기의 수요의 60% 이상을 차지합니다.

BLDC 모터

BLDC는 Brushless DC의 약자로 브러시가 없는 DC 모터를 의미합니다. 브러시에 의한 수명 및 노이즈 문제를 보완하고자 정류자의 접촉 대신 반도체 소자를 이용하여 전자 스위칭을 합니다.

• 소형화할 수 있고 토크와 효율이 좋습니다.
• 브러시가 없어 내구 수명에는 유리하나 상대적으로 제어가 어렵습니다.
• 자석 위치 확인을 위한 위치 센서가 필요합니다.