DC모터(직류) 구조와 동작 원리(정류자, 브러시)

 

목차

 

 

 

DC Motor(직류모터)란?

 

진류모터는 진류(DC) 전원을 사용해서 회전운동에너지로 변환해주는 장치 입니다. 기구적인 구조는 크게 두 파트로 나눌 수 있습니다.

 

• 고정자(stator)
• 회전자(rotor)

 

고정자에서 자계를 형성하고 회전자에서의 코일에 전류를 흘려줘서 플레밍의 왼손법칙에 따라 기전력이 발생하여 회전자를 동작 시킵니다. 

 

 

DC Motor(직류모터) 구조

 

CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=671803

 

직류 모터의 외부를 구성하는 모터케이스, 브래킷(Bracket), 회전축을 잡아주는 베어링(Bearing)은 위 그림에서 생략되어 있습니다. 

 

위 그림은 직류 모터의 회전운동을 위해 필요한 부분을 간략하게 표현하였습니다. 

 

 

• 고정자(stator) : 계자 코일/자석
• 고정자(stator) : 브러쉬(Brush)
• 회전자 : 정류자(Commutator)
• 회전자 : 회전축/철심
• 회전자 : 코일

 

그림 하단에 + / -로 전원이 연결되어 있습니다. 이 부분이 DC 전원으로 고정된 전원이 일정하게 공급됩니다. DC전원에 연결된 부분이 브러시(Brush)입니다. 브러시도 고정되어 움직이지 않습니다.  

 

회전자 부분에서 정류자(Commutator)는 기계적인 스위치로 볼 수 있습니다. 그림처럼 위 아래에 홈이 파여서 분리되어 있습니다. 이 부분은 다음 단락 동작 방법에서 설명하겠습니다. 

 

코일은 그림에서 여러번 감아서 전류 값을 높였습니다. 동작 방법에서는 하나의 코일로 원리만 설명하지만 실제 사용에서는 위 그림처럼 코일을 여러번 감습니다. 

 

회전축에서 철심은 자속이 잘 흐를수 있는 재료로 일반적으로 설계합니다. 그리고 형상은 자속(Magnetic flux)의 밀도(density)를 높이기 위한 구조 입니다.

 

 

 

DC Motor(직류모터) 동작 방법

 

CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15736309

https://upload.wikimedia.org/

 

고정자(stator)에서 자계(magneti field)를 형성 합니다. 전류로 자계를 만드는 형태를 계자코일(field coil)이라고 하고 영구 자석을 이용하여 자계를 만드는 것을 계자자석(field magnet)이라고 합니다. 

 

고정자에 의해자속이 만들어지면 위 첫번째 그림처럼 노란색 선과 같이 자계가 형성됩니다. 그리고 전류를 흘려 보내면 플레밍의 왼손 법칙에 의해 기전력이 만들어 져서 회전하게 됩니다. 

 

여기서 코일이 회전을 진행하다가 상하로 90도로 세워지게 되면 관성력이 있더라도 넘어가지 못하고 반대 힘이 작용되게 됩니다. 

 

정류자(Commutator)는 전류의 방향을 바꿔주는 역할을 해서 90도와 270도를 넘어가는 상황에서 원할하게 회전할 수 있게 해줍니다. 원리는 정류자가 그림처럼 위아래 구멍이 나있는데 회전을 진행하면서 90, 270도 되는 상황에 브러쉬(Brush)와의 연결이 구멍에 의해 끊어지게 되고 관성력에 의해 구멍 부분을 지나서는 정류자가 반대 부분의 브러시와 연결되어서 전류의 방향이 반대로 변하고 회전을 계속 진행하게 되는 것입니다. 

 

 

 

 

DC Motor(직류모터) 특성

 

 

 

 

앞서 얘기한 특성에 의해 토크(Torque)는 회전 운동에서 90도와 270도에서 0이 되고 회전의 각에 따라 사인(sine) 형태로 토크가 발생합니다. 

 

앞서 언급한 DC 모터는 전류가 2개의 슬롯(Slot)에서의 구조만 생각하였습니다. 만일 슬롯을 높이면 위와 같은 토크 특성을 마치 정류(Rectifier) 회로를 거친 것처럼 DC와 같이 만들어 줄 수 있습니다. 

 

토크 보완 방법에 대해서는 차후 포스트에서 작성하도록 하겠습니다.