요즘 전기차에 대한 포스팅을 상당히 많이 하고 있습니다. 이번 포스팅도 전기차 설명에 연장선에 있는 것으로 전기 자동차의 구동 핵심인 모터에 대해 설명하겠습니다.
모터의 종류는 크게 보았을 때 직류 모터와 교류 모터로 나눌 수 있습니다. 먼저 직류 모터입니다. 직류 모터는 브러시가 있는 형식과 브러시가 없는 형식으로 분류되지만 브러시가 설치된 것은 다시 계자철심에 영구자석을 사용하는 것과 전자석을 사용하는 것으로 분류됩니다. 계자철심에 전자석을 사용하는 것은 전기자 코일과의 접촉 방섭으로 다시 분류됩니다. 계자 코일과 전기자 코일을 병렬로 연결한 것을 분권식 모터, 전기자 코일을 2개로 나누며 한쪽을 병렬, 한쪽을 직렬로 연결한 것을 복권식 모터라고 하며 특성 또한 각각 다릅니다.
기본적인 브러시 형식 직류 모터는 계자철심의 극성에 전기자가 끌려가거나 반발하여 회전하지만, 그대로는 곧 평형상태가 되어 계속 회전할 수 없습니다. 따라서 브러시와 정류자로 1/2 회전마다 전류의 방향을 바꿔 계속 회전하도록 하고 있습니다.
계자철심에 영구자석을 사용한 브러시 형식의 직류 모터는 가장 일반적인 모터입니다. 전기자가 코일에 의해 전자석으로 되기 때문에 전류가 흐르면 브러시가 정류자를 통해 코일에 전류가 흘러 전기자 코일은 자력을 띈 N극과 S극이 됩니다. 따라서 전기자의 자극이 계자철심의 자극에 흡인과 반발을 받아 회전합니다. 그리고 전기자가 계자철심과 평형이 되기 직전이 되면 정류자의 언더컷에 의해 전류가 끊어지기 때문에 전기자는 관성으로 계속 회전하여 평형 점을 통과하면 이번에는 브러시가 반대측의 정류자와 접촉되어 전기자 코일에는 반대로 전류가 흐릅니다. 따라서 전기자의 자극도 반대가 되어 서로 반발과 흡인이 되기 때문에 최초의 회전방향으로 계속 화전하게 됩니다. 이 형식의 직류 모터는 비교적 간단하고 높은 효율을 얻을 수 있지만 브러시와 정류자는 기계적인 접촉을 하고 있기 때문에 마모에 의한 정기적인 점검/정비가 필요함과 동시에 소음과 전기적인 노이즈가 발생하는 단점을 가지고 있습니다.
다음은 교류 모터입니다. 교류 모터는 계자철심의 회전 자계에 의해서 전기자가 회전하는데 어떻게 회전 자계를 얻는가 하면 간단한 방법으로 3상 교류를 이용하는 것입니다. 가정용의 교류는 100V의 단상 교류지만 3상 교류는 공장용으로 200V가 공급되고 있습니다. 또 다른 방법은 전자회로의 의해 직류를 교류로 변환하는 인버터를 사용하여 교류를 만드는 것도 가능합니다.
교류 모터는 3쌍의 계자 코일이 120도 간격으로 배치되어 있습니다. 3상 교류란 위상이 120도씩 떠얼져 있으므로, 여기에 3상 교류를 흐르게 하면 회전 자계가 발생되며, 교류는 직류와 다르게 전류가 변화되지만, 6개인 계자코일은 3극이 N극, 다른 3극이 S극이 됩니다.
단상의 교류에서도 조금만 연구하면 회전 자계를 만들 수 있습니다. 예를 들어 2쌍 4개인 계자코일 중 1쌍에 콘덴서를 두고 접속하면 콘덴서는 교류 전류가 흐를 때 위상이 90도로 진행되는 성질을 가지고 있으므로 90도 씩 간격을 두고 배치된 2쌍 4개의 계자코일에는 90도의 회전 자계가 발생합니다. 이와는 반대로 셰이딩 코일이라 하여 본래의 코일과는 별도로 철심에 수회 감긴 코일로 양끝은 접속되어 있습니다. 주 전류가 흐르면 자력선의 변화에 영향을 받아 셰이딩 코일이 유도 전류가 흐르지만, 90도 늦은 위상에서 흐르기 때문에 자극의 위상도 90도 늦어지게 되어 콘덴서의 경우와 같이 회전 자계가 얻어집니다. 교류 모터는 회전 자계가 모터를 회전시키는 원천입니다. 그러나 같은 회전 자계에서 회전하는 교류 모터도 회전력의 발생 원리의 차기에 의해 동기 모터와 유도 모터의 2종류로 분류됩니다.
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