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직류 모터의 작동원리
Motor
1 원래 의미
라틴어의 "moto"(움직인다)에서 온 단어로서, 움직임을 일으키는 장치, 즉 발동기를 뜻한다.
형태를 막론하고 에너지를 공급받아 이를 움직임으로 전환하는 장치면 모터라고 부를 수 있다. 공급되는 에너지의 형태는 전기(전기모터), 열(증기기관, 스털링 기관), 압력(내연기관, 압축공기 엔진), 위치에너지(물레방아), 탄성(고무동력, 태엽), 운동에너지(풍차) 등 매우 다양하다. 물론 물레방아나 풍차 등은 좁은 의미의 모터에는 포함되지 않으며, 또한 인력이나 동물의 힘을 직접 이용하는 경우는 모터라고 부르지 않는다. [1] 이런 경우엔 운동의 방향이 바뀐 것 뿐이지 에너지를 운동으로 전환하는 것이 아니기 때문이다(에너지-운동의 전환은 인간이나 동물의 근육에서 발생).
우리가 흔히 엔진이라고 부르는 내연기관(자동차 등의)도 팽창하는 기체의 압력을 운동으로 전환하는 모터이며, 미사일 추진체에 달려 있는 로켓 엔진 역시 폭발적으로 팽창하는 추진제의 반작용을 운동으로 전환하는 모터이다.
우리말에서는 모터라고 하면 십중팔구 전기 모터, 즉 전동기를 가리키지만, 영어 등에서는 자동차를 모터카라고 하며 오토바이는 모터사이클, 로켓 엔진은 로켓 모터라고 부르는 등 다양한 형태의 발동기를 어우르는 용어이다. 예를 들어 모터보트에 붙은 모터는 대개 외연기관이지 전기 모터가 아니다. 외국어로 된 글을 읽다가 모터라는 단어가 나왔다고 해서 "로켓 모터? 로켓에 쓰이는 전동기인가?"하는 착각을 하지 말도록 하자.
기왕 헛갈리는 이야기를 꺼낸 김에 "파워플랜트(power plant)"라는 용어도 다루고 넘어가자. 우리나라에서는 미국식 영어의 영향을 받아서 파워플랜트라고 하면 기본적으로 발전소, 즉 화력발전소나 원전처럼 전기를 생산하는 건물을 지칭한다. 그러나 파워플랜트는 자동차나 비행기 등의 구동계, 즉 엔진 및 부속장치를 가리키는 말이기도 하다. 기술문서 등을 읽다가 "이 비행기의 파워플랜트는 제네럴 일렉트릭스의 무슨무슨 모델이다"라는 말이 나오면, 그건 엔진(즉 모터)을 가리키는 것이다. 비행기에 달린 발전기를 가리키는 것이 아니며 발전소는 더더욱 아니다.
2 Electric Motor(전동기)
국내에서 그냥 모터라고 쓸 때는 보통 이것을 의미한다. 업계 용어로는 "모다"라고 발음한다 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 회전에너지로 바꾸는 엔진으로 전동기라고도 한다. 전원의 종류에 따라 직류전동기와 교류전동기로 분류되며, 교류전동기는 다시 3상교류용과 단상교류용으로 구분된다. 오늘날에는 3상교류용 전동기를 주로 사용하고 있다.
1831년 페러데이가 전자기유도를 발견한 무렵부터 나오기 시작했는데, 발전을 거듭해 1889년 독일의 도브로월스키가 출력 100 와트(W)의 3상교류전동기를 처음 만든 이래 3상교류전동기가 오늘날 교류전동기의 주류를 이루고 있다.
구조를 조금만 변형하면 발전기가 된다.[2] 이 때문에 최초의 전동기가 1873년 빈의 박람회에서 발전기를 잘못 연결해서 우연히 만들어졌다는 속설이 널리 퍼져있지만 사실이 아니다. 물론 최초의 실용적인 전동기가 만들어진 계기가 되었다고 할 순 있지만 1873년 이전에도 발전기와는 별개로 전기를 이용한 발동기를 만들려는 시도가 계속 있어왔다.#
2.1 활용
수 없이 많다. 특히 내연, 외연기관을 사용하기 힘든 실내나 작은 기구에서 사용하는 동력원 특히 회전운동에 필요한 경우 전동기는 사실상 필수다. 대표적인게 바로 선풍기. 냉장고나 에어컨 같은 기구 역시 전동펌프를 사용하며 사실상 전기기구의 소음원인의 대부분은 바로 모터. 그외에 핸드폰의 진동기능 역시 보통 추를 단 모터를 이용하여 구현한다.
없을 것 같은 곳에도 모터는 숨겨져 있다. 여러분의 컴퓨터 안에는 모터가 몇개나 있을까? 냉각팬과 하드디스크, 광디스크 드라이브에 있는 모터를 모두 합하면 적어도 열 개는 들어 있을 것이다. 휴대전화에도 진동을 위한 모터가 있으며, 하드웨어 줌 기능이 있다면 카메라 렌즈 구동을 위한 모터도 들어 있다. 또한 요새는 워낙 조용한 모터가 많다보니 모터에 둘러싸여 살면서도 그 존재를 눈치채지 못하는 경우도 많다. 특히 냉각팬 종류는 저소음, 무소음을 위해 많은 연구가 투입된 장비인지라 모터 구동음이 전혀 들리지 않는 경우도 있다. 특히 애플사는 백색소음을 이용한 소음저감의 달인이다. 애플 컴퓨터나 공유기(에어포트 종류), 타임캡슐 같은 것에 귀를 갖다대고 들어보자. 희미한 진동이 느껴질 것이다.
이외에도 발전기나 중장비(특히 크레인)에서도 볼수 있으며, 과학상자에도 1~2개 씩 포함되어 있다.
2.2 액츄에이터와의 구분
액츄에이터(actuator)란 동작을 일으키는 장치를 뜻한다. 우리말로는 흔히 구동기라고 부른다.
예를 들면 자동차의 헤드라이트 안에는 주행 방향에 따라 광선의 방향을 조절해 주는 작은 장치가 있으며, 온돌식 난방을 하는 가정에는 벽에 붙은 서모스탯(온도감지/조절기)과 연동되어 난방용수의 공급을 제어하는 밸브 구동기가 숨겨져 있다. 또한 로봇이 등장하는 애니메이션(건담이나 패트레이버 같은)에서는 로봇의 팔다리를 구동하는 모터를 액츄에이터라고 부르기도 하며, 스피커의 중심에 달린 소리내는 장치를 (일반적으로는 드라이버 유닛이라고 부르지만) 액츄에이터라고 부르기도 한다.
넓은 의미의 모터는 에너지를 움직임으로 전환하는 모든 장치를 어우르는 단어이니, 여기에는 액츄에이터도 포함될 수 있다. 그런가 하면 액츄에이터 중에는 전기 모터로 구동되는 것도 있기 때문에 어찌 보면 액추에이터가 모터보다 위의 개념이 아닌가 하는 생각도 든다. 어떻게 구분해야 할까?
좀 우습게도, 명칭을 붙이는 사람 마음이라고 한다. 하지만 대개는 그 동작이 한정적인가 아닌가로 모터와 액츄에이터를 구분한다. 예를 들어 자동차 헤드라이트의 액츄에이터의 가동폭은 중심축에서 상하좌우로 15도(즉 총 30도) 정도인데 반해 자동차 모터(엔진)의 축은 무한히 회전할 수 있다. 난방 밸브에 붙어있는 구동기는 대개 180도 내에서 회전할 수 있으며, 애니메이션에 나오는 로봇의 팔다리를 움직이는 액츄에이터는 대개 90도 정도의 운동 범위를 갖고 있다. 선풍기의 경우 회전날개를 돌리는 모터와 선풍기 바람 방향을 바꿔주는 액츄에이터는 사실 동일한 전기 모터다(선풍기 머리를 좌우로 움직여주는 암이, 기어를 통해 메인 모터에 연동된다). 그런데도 날개 회전은 모터가, 선풍기의 좌우 운동은 액츄에이터가 한다고 말하는 것이다.
2.3 모터의 종류
입력 전력 방식에 따라
특수전동기
참고로 리니어 모터는 전동기의 구조를 펼친 형태로 회전자의 회전운동이 직선운동으로 대체된 것과 같다.
2.4 미니카에서의 모터
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뚜껑이 빨간색인 모터가 다른모터들보다 세 배 빠르다 카더라
위의 모터들은 최상급에 속하는 모터들로서 5만원을 훌쩍넘는 시가를 자랑한다.코일을 금으로 만드나
대부분의 일반인들은 모터하면 모두 이쪽을 떠올리는 경우가 많다. 하긴 생각하는게 다 그렇지 뭐 그도 그럴것이 어린시절 미니카를 굴려본 사람은 있었을 것이고 직간접적으로 이를 접해봤을 것이니 대체로 이쪽을 생각하는게 당연지사.
미니카의 가장 중요한 요소로서 대부분의 동네 미니카 경주대회는 거진 이걸로 승패가 좌우된다. 그래서 좋은 모터를 지르려고 용돈을 모으는 사람도 존재할 정도. 만일 돈이 없는 사람들이라면 모터의 뚜껑을 따고 더 긴 코일을 감아서 속도를 빠르게 하기도 한다. 코일 사는데 돈이 들어가는 거는 그냥 넘어가자.
과거에는 통상적으로 노멀<블랙≤실버<<<<넘사벽<<<<블랙레드<골드블랙 순이였지만 인터넷이 발달하고 외산모터를 구하기 쉬워짐에 따라 색으로 성능을 구분하는 것 자체가 무의미해졌다. 다만 좋은 모터는 금장을 취한 경우가 많기는 하다.
모터의 스피드 측정은, 무부하 회전수와 부하 회전수로 측정하는데, 여기서 무부하 회전수는 미니카에 설치하지 않고 그냥 모터만 돌렸을때 1분당 회전수를 측정하는 것이고 부하 회전수는 미니카를 굴릴때 모터가 분당 얼마나 회전하느냐를 측정하는 것이다. 무부하 회전수가 분당 20000회 이상인 모터부터 질 좋은 모터에 속한다.
이론적으로 부하 회전수가 높을수록 좋은 모터라고 생각할지 모르나 부하가 걸리는 것이 미니카를 어떻게 설계하느냐에 따라 이론적인 수치보다 더 높게 나올수도 낮게 나올수도 있다. 일반적으로 명시되어 있는 부하 회전수는 평범한 설계품을 전제로 한 수치이기 때문에 전적으로 신뢰하기는 곤란한 측면이 있다. 얼마나 고수이고 일가견이 있느냐에 따라 충분히 극복할수도 있는 수치다.
그리고 회전수 못지 않은게 토크인데, 말 그대로 모터의 파위를 말하는 것으로서 아무리 회전력이 빨라도 파워가 없으면 결국엔 느려진다. 예를 들어 타미야의 모터 가운데 제트 대쉬 모터는 회전수에 있어서 울트라 대쉬와 플라즈마 대쉬에 떨어지지만 토크가 워낙에 강력해서 뒤의 두 모터보다 더 빨랐다. 물론 이것 또한 개조로 극복할 수 있는 수치이므로 참고하기만 하자. 어차피 동네에서 미니카 굴리는 아마추어들에게는 해당사항 없다. 아니 애초에 이런거 다 때려치우고 그냥 비싼모터 쓰면 장땡이려나?
모터가 빠르다고 해서 무조건 미니카가 제대로 굴러가는 것이 아니라 차가 뜨지 않는 것이 중요하다. 일각에서는 무게추를 달아 상쇄시키면 된다고 하지만 절대 좋은 방법이 아니며 오히려 차를 느리게 하는 주범이다. 적당한 미니카의 무게는 100~120g이다.[3] 이 이상 넘어가면 느려진다. 설계를 다시하고 개조해서 이러한 현상을 극복하도록 하자.
그리고 일부러 질낮은 모터를 구입해서 더 긴 코일을 감아 개조한 다음 페이크다 이 병신들아 역관광시키는 사례도 종종 있는데, 여기서 주의해야 할 점이 모터 뚜껑을 따고 닫을때 주의해야만 모터가 망가지는 불상사를 피할수 있을 뿐더러 어설프게 감았다가는 오히려 모터에 과부하가 걸려 역효과가 날수 있으니 모터를 개조할때는 반드시 전문적인 자료에 의거해 감아놓도록 하자. 게다가 당시 초등학생, 끽해봐야 중학생 정도의 손재주로는 모터개조는 상당히 어려운 수준이었다.
사용하는 배터리도 중요한데 위에 언급된 고급 모터는 동네 싸구려 전지로는 아예 돌아가지도 않는 상황이 있어서 그 당시로는 비싼 물건인 충전식 전지를 써야 했다.
미니카를 좋아하던 위키러라면 싸구려 모터를 무리해서 굴릴 때 나는 독특한 냄새를 맡아본 적이 있을 것이다. 이 냄새는 모터의 브러시에 윤활제로 들어가는 흑연이 기화하면서 나는 냄새라고도 하고 모터 내에서 방전이 발생하며 오존이 생성되서 나는 냄새라고도 하는데, 아무튼 특이한 냄새다. 어느 쪽이건 많이 들이마셔서 몸에 좋을 것은 없으니 가급적 맡지 않도록 하자.