Sam's 초보기계설계



1. DC MOTOR

DC 모터란, 고정자로 영구자석을 사용하고, 회전자(전기자)로 코일을 사용하여 구성한 것으로, 전기자에 흐르는 전류의

방향을 전환함으로써 자력의 반발, 흡입력으로 회전력을 생성시키는 모터이다. 모형자동차, 무선조정용 장난감 등을

비롯하여 여러 방면에서 가장 널리 사용되고 있는 모터이다. 모형용 DC 모터 (RE280) 저가격으로 구동력도 크며 사용하기

쉽다. 일반적으로 DC 모터는 회전 제어가 쉽고, 제어용 모터로서 아주 우수한 특성을 가지고 있다고 할 수 있다.


1) DC MOTOR 의 종류

    박형, 원판형, PULLEY 부착용, ENCODER 부착용 등 여러가지가 있습니다.


2) DC 모터의 특성

    기동 토크가 크다.

   ② 인가전압에 대하여 회전특성이 직선적으로 비례한다.

   ③ 입력전류에 대하여 출력 토크가 직선적으로 비례하며, 또한 출력 효율이 양호하다.

    가격이 저렴하다.

 

3) 제어성의 장점을 실제 특성면에서 비교

   ① T-I 특성 (토크 대 전류)

       흘린 전류에 대해 깨끗하게 직선적으로 토크가 비례한다. 즉, 큰 힘이 필요한 때는 전류를 많이 흘리면 되는 것이다.    

   ② T-N 특성 (토크 대 회전수)

       토크에 대하여 회전수는 직선적으로 반비례한다.

       이것에 의하면 무거운 것을 돌릴 때는 천천히 회전시키게 되고, 이것을 빨리 회전시키기 위해서는 전류를 많이 흘리게 된다.

       그리고, 인가전압에 대해서도 비례한다.

       

       이들 2가지 특성은 서로 연동하고 있기 때문에 3가지 요소는 이 그래프에서 관계를 지을 수 있다.

       즉, 이들 특성에서 알 수 있는 것은 회전수나 토크를 일정하게 하는 제어를 하려는 경우에는 전류를 제어하면

       양자를 제어할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 이것은 제어회로나 제어방식을 생각할 때, 매우 단순한 회로나 방식으로

       할 수 있는 것이다. 이것이 DC 모터는 제어하기 쉽다고 하는 이유이다. 그러므로 회전특성을 중요시하는 제어 장치에는

       우선적으로 DC MOTOR를 사용합니다.


4) DC 모터의 결점 

    DC 모터의 가장 큰 결점으로는 그 구조상 브러시(Brush)와 정류자 (Commutator)에 의한 기계식 접점이 있다는 점이다.

    이것에 의한 영향은 전류 시의 전기불꽃, 회전소음, 수명이라는 형태로 나타난다. 

    그리고, 마이크로 컴퓨터 제어를 하려는 경우는 노이즈(Noise)가 발생하게 된다. 따라서 이 노이즈 대책이 유일한 과제가

    될 수 있다. 이 노이즈 대책을 위해서는 각 단자와 케이스 사이에 0.01 ~ 0.1㎌ 정도의 세라믹 콘덴서를 직접 부착한다.

    이것으로 정류자에서 발생하는 전기불꽃을 흡수하여 노이즈를 억제할 수 있다.

    DC 모터의 노이즈 대책에는 콘덴서를 케이스와 단자간에 직접 부착한다. 콘덴서의 리드는 가급적 짧게 한다.


2. CORELESS MOTOR

    

    일반적인 회전자는 얇은 적층 철심에 코일을 감은 형태이다. 이 때 철심은 자로를 제공하는 역활만 할 뿐이다. 

    따라서 철심이 크면 클수록 관성이 커져서 기동 특성이 나쁘고, 철심에 의한 철손이 증가한다. 그래서 철심을

    없애고 권선만으로 컵 모양의 회전자를 구성하고 내부에 영구자석을 두면 철손도 없고, 기동 특성도 우수한 모터가 된다.

    즉, 일반 마그넷 모터가 모터 내부의 외측에 계자 (마그넷)와 내측에 전기자 (로터)가 있는데 비해, 이 모터는 특수한 

    권선방식 코일을 이용한 원통형 전기자가 마그넷 외측에서 회전하는 방식으로 되어 있다. 마그넷을 모터의 중심부에 고정하고

    그 외측을 컵 모양의 전기자가 회전하기 때문에 아웃로터 방식이라고도 부른다. 전기자는 권선을 수지로 굳혀 성형해 철심이

    없어 코어리스 란 이름이 붙었다. 코깅 (Cogging) 이란 모터의 회전자와 고정자가 덜거덕 거리면서 움직이는 것을 말한다.

    즉, 토크의 변동을 의미한다. 이것을 줄이기 위해서 철심의 슬롯 수를 늘리면 된다. 또 슬롯수가 작은 경우에는 슬롯에 비틀림을

    주어 자속분포를 균등하게 만드는 등의 방법이 있지만 이 경우에는 출력토크가 저하된다. 이것을 완전히 개선한 것이 코어리스

    모터이다. 그러나, 이 형의 모터는 기계적으로 불안정하므로 대형으로 만들 수 없기 때문에 고정밀도기계, 에너지 절약 장치 등

    에 활용되고 있다.

    

3. VIBRATION MOTOR


    진동 모터의 구조적인 특징은 Coreless Motor 로써 영구자석과 하우징으로 구성된 자계와 그 속에 설치한 회전자 코일에

    정류자, 브러시를 통해서 전류를 흐르게 하여 발생된 전자력으로 회전하는 구조로 되어 있다. Coreless Motor 는 Core 가

    없으므로 일반적인 DC Motor 의 Core 에서 발생되는 자기포화 현상은 일어나지 않는다. 따라서 코깅 현상이 없으며 고성능

    자석을 사용하기 때문에 공극의 자속밀도를 높게 할 수가 있어서 체적에 비해 큰 힘을 낼 수가 있으며, 회전자의 관성모멘트가

    적어 시동, 정지의 응답성이 빠르며, 저속에서도 부드러운 회전을 얻을 수 있다. 정류자의 인덕턴스가 낮아 전기적 노이즈가

    적고 정류성능이 우수하며, 저진동, 저소음, 긴 수명과 고효율 등의 장점이 있다. 그러나 회전자의 제조 공정이 복잡하고 출력에

    비해 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 특히, 4mm dia Motor는 좁은 공간에 많은 부품이 조립되므로 회전자와 고정자 사이

    틈새가 0.1 mm 이내로 공정이 매우 까다로워 제조비용이 비싸진다.


4. UNIVERSAL MOTOR

    유니버설 모터는 직류나 교류로 회전시킬 수 있는 정류자 모터를 말한다. 유니버설이란 말은 '여러가지 목적에 사용되는 만능'

    이라는 뜻이며, 이 모터를 직류나 교류로 사용 할 수 있기 때문에 이 명칭으로 불려지고 있다. 이 모터의 구조는 앞에서 설명한

    직류 직권 모터와 같으며, 스테이터 코일과 로터 코일에 동일 전류를 흐르게 하며 회전력을 발생시킨다.

    따라서 직류나 교류에서 토크의 발생 방향이 일정하게 되어 항상 일정한 방향으로 회전할 수 있게 된다. 또 유니버설 모터는

    입력 단자에 공급하는 전압의 극성을 바꾸어도 회전 방향은 변하지 않는다. 유니버설 모터를 교류 전원으로 사용하는 경우 전원

    주파수의 2배로 맥동하는데 50/60Hz 정도의 주파수이면 그 맥동은 별로 문제가 되지 않는다. 이 모터의 특징은 시동 토크가

    크고, 고속회전이 쉽게 얻어 진다는 것이다. 그 때문에 전차 등의 구동 모터로 많이 사용되고 있다. 한편 결점으로는 브러시와

    정류자가 있기 때문에 전기 노이즈, 기계 노이즈가 크고 수명도 그다지 길지 않다는 점 등을 들 수 있다.


    1) 유니버설 모터의 장점

        ① 직류와 교류로 모두 사용할 수 있다.

        ② 시동(가동) 토크가 크다.

        ③ 고속 회전이 쉽게 얻어진다.

        ④ 마그넷을 사용하지 않는다.

        ⑤ 전압의 극성이 바뀌어도 회전 방향은 일정하다.


    2) 유니버설 모터의 단점

        ① 무부하 회전수가 높다.

        ② 전기 노이즈, 기계 노이즈가 크다.

        ③ 수명이 짧다.


5. STEPPING MOTOR

    스테핑 모터는 일명 스텝 모터, 펄스 모터, 스테퍼 모터 등이라고 불려지고 있는데 이것을 번역하면 보진 전동기 또는

    계동 전동기라고 할 수 있다. 보진은 한 발 한 발 단계적으로 움직이는 것을 말하고 스테핑 모터의 동작 이미지를 잘 표현

    하고 있다. 그런데 스테핑 모터의 최대 특징은 펄스 전력에 대응하여 회전한다는 것이다. 게다가 입력 펄스수에 비례하여

    회전각이 변위되고 또 입력 주파수에 비례하여, 회전속도가 변화하기 때문에 피드백함이 없이 모터의 동작을 제어할 수 있다.

    이러한 이점을 가진 스테핑 모터는 피드백계가 없는 위치 결정 제어의 구동원으로 FA, OA 관계를 비롯해서 폭넓게 사용되고

    있다. 위치 결정 제어를 다른 모터에서 실현하려면 피드백 제어가 필요하게 된다.


    1) 스테핑 모터의 개요도


        - 특징 및 동작 형태 -

        ① 간혈 구동 : 간혈 저속 구동, 1시간에 1스텝, 1일 1스텝 스테핑 모터가 할 수 있는 것등, 입력 펄스 주기를 바꾸는 것에

                            의해 가변 감속(전자적 기어)로 사용 할 수 있다. 

        ② 연속 회전 : 일반 모터와 같은 사용법, 단순한 동력원으로 사용할 수 있다.

                            회전수는 입력 펄스의 주파수에 비례한다.

                            총 회전수는 입력 펄스의 총수에 비례한다.

        ③ 정, 역전 : 회전 자기장의 방향을 전환하면 정역전이 된다.

        ④ 변속 회전 : 입력 펄스의 펄스레이트를 바꾼다. (입력 주파수를 가변한다.)

        ⑤ 다상 구동 : 여자 모드를 전환함으로써 스텝각, 발생토크, 주파수 특성을 변화시킬 수 있다.

        ⑥ 마이크로 스텝 구동 전기적으로 미세한 스텝각을 실현할 수 있다.


    2) 여러가지 스테핑 모터


         스테핑 모터를 분류하는 경우 자기회로, 즉 모터의 구조에 의한 분류법이 일반적이다. 이것에는 로터부를 영구 자석으로

         만든 PM형 (Permanent Magnet Type), 로터부를 기어모양의 철심으로 만든 VR형 (Variable Reluctance Type),

         그리고 로터부를 기어 모양의 철심과 자석으로 구성한 HB형 (Hybrid Type)이 있다. PM형은 로터부에 다극 착자된

         영구 자석을 사용하고 그 둘레에 구동 계자 (스테이터)를 설치한 것이다. 이 PM형은 판금 모양의 요크에 발톱을 세운 이른바

         크로 폴 (Craw Pole) 형이 가장 많이 보급 되어 있다. VR형은 로터부에 고투자율 재료를 사용한 기어 모양 회전체를 사용

         하고 이것과 스테이터 코일에서 발생하는 회전력을 이용한 것이다. HB형은 PM형과 VR형의 장점을 잘 짜맞춘 것인데

         스테핑 모터 중에서 가장 우수한 회전 특성을 나타낸다. 또 스테핑 모터의 분류 방법으로는 회전형, 직진형 등의 운동 형태에

         의한 분류, 원통형, 박형 등의 겉모양에 의한 분류, 2상,3상,5상 등의 구동 권선에 의한 분류, 1상 여자, 2상여자, 1-2상 

         여자 등의 여자 모드에 의한 분류법도 있다.


6. GEARED MOTOR

    기어드 모터는 모터의 회전축에 기어 등의 감속 기구를 부착한 것이며, 이것에 의해 모터 단체로는 얻을 수 없는 저속 회전이

    실현되거나 큰 토크를 발생시킬 수 있다. 또 기어 (감속 기구)는 어떤 모터에도 부착할 수 있고 바꿔 말하면 어떤 모터라도 

    기어드 모터가 될 수 있는 것이다. 그런데 모터는 고속 회전시킬수록 효율이 좋고 경제성도 높아진다. 그 때문에 필요로 하는

    회전수의 수십배, 수백배로 모터를 회전시키고 여기에 기어를 짜맞추어 감속하며 최종적으로 목적으로 하는 회전수를 꺼내고

    있다.(발전기 등은 기어로 증속할 수도 있다.)

    기어가 부착된 모터의 경우 기어에 의한 감속에 대응하여 그 토크도 증대되므로 비교적 소형의 모터에서도 쉽게 큰 토크를 얻을

    수 있다. 기어드 모터의 응용 예로는 카메라에 사용되고 있는 필름 자동 감기 장치, 자동차의 시동 모터, 전동 드라이버, 그 밖에

    큰 토크를 필요로 하는 여러가지 장치에 폭 넓게 사용되고 있다. 또 기어드 모터의 종류로는 래크와 피니언을 물리게 한 직진

    운동 (왕복 운동)형, 윔 기어형, 유성 기어형 등이 있다.


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오토캐드/솔리드웍스/키샷/전동기/블로워 분야를 공부하는 사람입니다.

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