DC모터란, 직류전류를 사용해 자기력을 생성 시켜 모터를 회전시키는 방식으로서, 고정자로 영구자석을 사용하고, 회전자(전기자)로 코일을 사용하여 구성한 것입니다. 전기자에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써 자력의 반발, 흡인력으로 회전력을 생성시키는 모터입니다.
DC모터의 원리
DC 모터는 구형 모터와 최근에 사용되는 브러쉬리스 DC 모터가 있습니다. 여기선 자주 사용되는 브러쉬리스 BLDC(Brushless Motor)모터로 작동 원리를 설명해드리겠습니다. 브러쉬리스 DC 모터는 이름에서 알 수 있듯이 브러시를 사용하지 않습니다. 대신 전자적인 방식으로 전류의 방향을 제어합니다.
모터의 작동 원리는 간단합니다. 모터의 내부에는 고정된 부분인 ‘스테이터’와 회전하는 부분인 ‘로터’가 있습니다. 스테이터에는 전자기를 발생시키는 코일이 감겨 있습니다. 전류가 이 코일을 통과하면 전자기장이 생성됩니다. 로터는 주로 퍼머넌트 마그넷(영구 자석)으로 구성되어 있습니다. 스테이터에서 발생한 전자기장에 의해 로터가 회전합니다.
브러쉬리스 DC 모터의 핵심은 전류의 방향을 전자적으로 제어하는 것입니다. 이를 위해 ‘전자 속도 제어기’ 또는 ‘ESC(Electronic Speed Controller)’라는 장치를 사용합니다. ESC는 전원에서 전류를 받아 스테이터 코일에 공급합니다. ESC는 코일을 통과하는 전류의 방향을 정확하게 제어하여 로터가 효율적으로 회전할 수 있게 합니다. ESC는 스테이터 코일을 통과하는 전류의 방향을 계속 바꿔가며 로터를 회전시킵니다. 이 과정을 ‘커뮤테이션’이라고 합니다. 이러한 방식으로 브러쉬리스 DC 모터는 브러시를 사용하지 않고도 효율적으로 회전을 제어할 수 있습니다.
DC모터의 장점
그렇다면 일반적인 DC 모터의 장점과 단점은 어떠한 것이 있는지 알아보겠습니다. DC 모터는 구조가 간단해서 이해하기 쉽습니다. 전류의 방향을 바꾸는 브러시와 커뮤테이터라는 부품이 있습니다. 이 부품들이 모터를 움직이게 합니다. 또한 DC 모터는 전압을 바꿈으로써 속도를 쉽게 제어할 수 있습니다. 전압을 높이면 빠르게, 낮추면 느리게 움직입니다. DC 모터는 작동 시작부터 강력한 토크(회전력)를 제공할 수 있는 장점이 있습니다. 이는 무거운 물건을 들때나 고부하 작업에 유리합니다. 특히 DC 모터는 제조가 비교적 간단하고 가격이 저렴하여 비용면에서도 장점이 많습니다. 따라서 비용을 절약하면서 필요한 작업을 수행하는 데 적합합니다.
하지만 DC 모터는 브러시와 커뮤테이터의 마모로 인해 유지 보수가 필요하고 수명이 상대적으로 짧은 편이라는 단점도 있습니다. 이 점은 브러쉬리스 DC 모터와 비교할 때 주목해야 합니다.
DC모터의 단점
그렇다면 이번엔 DC 모터의 단점에 대해 알아보겠습니다. DC 모터에는 브러시와 커뮤테이터라는 부품이 있습니다. 이 부품들이 모터를 움직이는데 필요하지만, 시간이 지나면서 마모되어 교체가 필요합니다. 즉, 정기적인 유지 보수가 필요합니다.
브러시와 커뮤테이터의 마모로 인해 DC 모터의 수명이 상대적으로 짧습니다. 이 부품들이 마모되면 모터의 성능이 저하되거나 모터가 작동을 멈출 수 있습니다. 수명이 짧다는 것도 DC모터의 특징입니다. DC 모터는 작동 중에 많은 열을 발생시킵니다. 이는 브러시와 커뮤테이터의 마찰 때문인데, 이 열은 모터의 성능을 저하시키고 부품의 수명을 단축시킬 수 있습니다.
브러시와 커뮤테이터의 마찰로 인해 소음도 발생합니다. 이 소음은 오랜 시간 동안 사용하거나 높은 속도로 작동할 때 특히 심해질 수 있습니다. 이런 단점들 때문에, DC 모터는 비록 간단하게 제어할 수 있고 초기 토크가 높지만, 오랜 시간 동안 또는 높은 부하로 사용하기에는 브러쉬리스 DC 모터와 같은 다른 유형의 모터가 더 적합할 수 있습니다.
4가지 종류
DC 모터는 크게 네 가지 주요한 종류로 나눌 수 있습니다. 각각의 특징을 이해할 수 있도록 설명해드리겠습니다. 퍼머넌트 자석 DC 모터(Permanent Magnet DC Motor, PMDC)는 스테이터(고정 부분)에 영구 자석을 사용하고, 로터(회전 부분)에 전류를 흐르게 해서 움직입니다. 자석 때문에 전류를 흐르게 하는데 필요한 에너지가 적기 때문에 작은 사이즈의 모터에 주로 사용됩니다. 셰인트 DC 모터(Shunt DC Motor)는 ‘셰인트’라는 병렬 연결 방식을 사용합니다. 스테이터와 로터에 각각 전류를 공급해서 모터를 움직입니다. 이 모터는 전류를 잘 조절할 수 있어서 정밀한 제어가 필요한 곳에 사용됩니다.
시리즈 DC 모터(Series DC Motor)는 ‘시리즈’라는 직렬 연결 방식을 사용합니다. 스테이터와 로터가 같은 전류를 공유하기 때문에 시작 시에 많은 토크(회전력)를 발생시킵니다. 그래서 무거운 물체를 드는 작업에 잘 맞습니다.복합 DC 모터(Compound DC Motor)는 셰인트와 시리즈 연결 방식을 모두 사용합니다. 즉, 스테이터와 로터에 각각 전류를 공급하면서도 같은 전류를 공유합니다. 이로 인해 셰인트와 시리즈 모터의 장점을 모두 가집니다.