로봇의 구성요소(2) - 액츄에이터 - 모터의 구분

직류모터는 내부의 전기자가 180도 회전할 때마다 방향을 바꾸는 방법에 따라 브러시를 사용한 브러시 부착 모터와 전자 스위칭 기술을 이용한 브러시리스(brushless) 모터로 구분된다. 다시 브러시 부착 모터는 여자방식에 따라 타려자식, 분권식, 복권식, 직권식으로 나뉜다.

직류모터는 속도, 토크 및 회전방향의 제어가 용이한 장점이 있다. 그러나 정류기가 필요하 고, 정류 문제나 기계적인 강도상의 문제로 고속화에 제한이 있으며, 브러시 부착 모터는 정기 적인 보수 점검이 필요하다는 단점이 있다. 소형 직류모터는 대개 12 V 정도의 저전압에서 작동한다. 직류모터는 속도제어가 쉬워 전철, 엘리베이터, 압연기 등과 같이 속도 조정이 필요한 경우 널리 사용된다.

교류모터는 3상 교류용과 단상교류용으로 구분되며 각각에 유도모터와 동기모터가 있다. 유도모터는 전원에 바로 연결이 가능하고 구조가 간단하며 튼튼한데 비해 염가이고 취급이 쉬워 세계적으로 가장 많이 사용되고 있다. 동기모터는 정확히 일정한 속도로 회전하며 역률조정이 쉬워 컨베이어벨트용 모터, 소형시계나 타이밍 모터에 사용된다. 3상 교류용은 1 kW 정도 이상부터 수천 kW까지, 그리고 드물게는 1만 kW를 넘는 대형기가 있으며, 단상교류용은 수백 W이하의 소형기에 사용된다.

교류모터의 우수성

교류모터는 같은 출력을 내는 직류모터에 비하여 가격이 3배 이상 싸며, 크기에 비하여 모터의 효율이 크며, 토크가 비교적 크다. 또 보수 유지비용이 상대적으로 저렴하고, 수명이 더길다. 교류식 발전기는 다이오드에 의하여 정류되기 때문에 정류자와 브러시라는 기계적 정류장치가 있는 직류식 발전기에 비해 출력 대비 가볍고 비용이 저렴하다.

발전 시 접촉 부위가 없기 때문에, 진동이나 열, 먼지, 수분 등에 강하며, 회전속도에 구애를 받지 않으며, 수명이 베어링의 수명에만 의존하기 때문에 수명이 길다. 여기에 자동차의 특성 즉 정지 운행의 반복되는 동안의 공회전 시에도 발전이 가능하다는 최대 장점이 있다.

BLDC형식  대부분  적용  신개념  '모젠'  개발  단계

ㆍ자동차를  움직이는  데  큰  동력원이  필요하다.  기존의  엔진차량은  연료의  폭발하는  힘으로  움직이지만  모터는  전기적  회전력으로  움직인다.

ㆍ전기자동차의 핵심 부품인 모터에는 어떤 종류가 있고 그 장단점은 무엇일까.

ㆍ모터는 크게 3가지로 분류된다. DC모터와 브러시가 없는 모터(BLDC), AC모터 등으로 나누어지는데 우선 DC모터는 가장 광범위하게 사용되는 모터 중 하나이지만 전력을 공급하는 카본막대인 브러시가 있어 마찰열이 발생하고 1~2년에 한 번씩 브러시를 교환해줘야 하는 불편함이 있다. 또 에너지를 열로 빼앗기기 때문에 효율이 떨어지는 단점이 있으나 장점은 정격 출력 2배 이상 힘을 낼 수 있고 구조가 간단해 개발이 용이하고 가격이 저렴하다는 점이다.

ㆍDC모터의  단점을  보완해  만든  모터가  BLDC여서  모터  베어링의  수명  동안은  지속적으로  부품  교체 없이 쓸 수  있어  장시간  A/S없이  사용  할  수  있고  마찰열이  없어  효율이  높은  장점을  가지고  있다.  따라서  최근  개발되는  전기스쿠터  및  전기자동차에  많이  적용되고  있고  다양한  출력의  모터가  개발되고  있다.

ㆍBLDC의  단점은  가격이  높고  정격출력의  1.2배를  넘기지  못해  거의  정격출력이  최고  출력과  비슷하고  열을  받으면  모터  힘이  떨어지는  단점이  있어  냉각장치를  추가하거나  정격범위  안에서  가동되도록  컨트롤러를  세팅하는  경우가  많다.

ㆍ최근에는  BLAC를  자동차에  가장  많이  사용하고  있는데  BLDC에  비해  간략한  구조를  가지 고  있지만  크기는  좀더  큰  편이며  장점은  정격출력의  3배까지도  순간적으로  사용할  수  있고  효율  또한  BLDC  못지  않게  높아  고속용으로  개발해  최근  개발되는  전기자동차에  많이  적용되고  있다. 

ㆍ단점은  모터  속도를  조절하는  인버터  가격이  비싸  차량  가격  상승으로  이어질  수  있어  ‘어떻 게  현실적인  가격으로  낮추는가’가  문제가  된다.  최근에는  다양한  모터의  특성을  조합해  새로운  개념의  모터를  개발해  내고  있어  기존  개념을  뛰어  넘어  달리면서  충전까지  되는  ‘모젠’  기술  개발이  시도되고  있으나  아직까지  실용화  단계에  가려면  좀  더  시간이  필요할  것으로  보인다.

일본,  중국에  의존하지  않는  모터  개발

희토류 원소를 사용하지 않는 전기 자동차의 가능성

ㆍ‘탈  중국  의존’,  ‘탈  희토류  원소’가  주장되는  가운데,  신에너지·산업기술  종합  개발  기구 (NEDO)가  5개년  계획으로  ‘차세대  자동차용  고성능  축전  시스템  기술개발  사업’의  일환으로 서  희토류  원소를  사용하지  않는  차세대  자동차용  모터의  연구  개발을  추진하고  있다.  현재  7개  프로젝트가  진행  중으로,  그  중  하나가  홋카이도(Hokkaido)  대학  다케모토(Yakemoto)  교수가  연구  개발을  진행시키고  있는  ‘페라이트(Ferrite)자석을  이용한  3차원  모터’이다. 

ㆍ“여기까지  고생했다고는  생각하지  않는다.  그러나  마침내  자력이  네오디뮴(Neodymium)자석 의  10분의  1  정도의  페라이트  자석을  사용하여  동일한  출력을  내는  모터  개발에  성공하였 다”고  다케모토  교수가  언급하고  있다. 

ㆍ현재  다케모토  교수가  연구  개발하고  있는  것은  희토류  원소를  사용하지  않는  전기  자동차 (EV)나  하이브리드카(HV)용  모터로  ‘페라이트  자석을  이용한  3차원모터’이다. 

ㆍ신에너지·산업기술  종합  개발  기구(NEDO)는  5개년  계획으로  ‘차세대  자동차용  고성능  축전시스템  기술개발  사업’을  개시하여  그  일환으로서  희토류  원소를  사용하지  않는  차세대  자동차용  모터의  연구  개발을  추진하고  있다.  현재  7개  프로젝트가  진행  중으로  그  중  다케모 토  교수가  연구  개발을  진행시키고  있는  ‘페라이트  자석을  이용한  3차원  모터’  프로젝트이다. 

ㆍHV나  EV의  중요한  구성요소인  모터에는  현재  희토류  원소인  ‘네오디뮴’과  ‘디스프로슘(Dysprosium)’을  포함 한  네오디뮴  자석이  사용되고  있다.  고출력으로  에너 지  변환  효율이  높기  때문이다. 

ㆍ네오디뮴  자석은  1982년에  일본에서  발명한  영구자석 으로,  수많은  자석  중에서  가장  강한  자력을  가진다.  이로  인해  지금은  에어컨이나  냉장고,  PC  등  많은  전기제품으로  사용되고  있다.  차세대  자동차의  주요  기술의  하나이기도  하다. 

ㆍ그러나  중국이  현재  희토류  원소의  생산량의  97%를  차지하고  있다.  2004년  말부터  희토류  원소의  가격은  상승하기  시작하고  있었지만  2010년에  들어와  중국  정부에  의한  수출범위의  2009년  대비  40%  삭감  등에  의해  희토류  원소를  사용하지  않고  동일한  정도의  출력과  에너지  변환  효율을  낼  수  있는  차세대  자동차용  모터  개발의  중요성을  더해  오고  있다.  NEDO의  각  프로젝트에서도  연구  개발이  가속되고  있다.

ㆍ페라이트(Ferrite)  :  산화철을  주성분으로  하는  세라믹스의  총칭이다.  강자성을  나타내는  것이  대부분이며  자성  재료로서  이용되고  있다.

ㆍ네오디뮴(Neodymium)  :  원자  번호  60의  금속  원소.  원소  기호는  Nd.  한자에서는  희토류  원소의  하나로,  란타노이드에도  속한다.  네오디뮴을  포함한  희토류  원소의  생산량을  중국이  약  98%  차지하지만,  최근  희토류  원소  가격은  중국의  광물자원  정책의  변화에  의해  외국으 로의  수출량이  감소되어  상승되었다. 

ㆍ디스프로슘(Dysprosium)  :  원자  번호  66의  원소로  원소  기호는  Dy,  희토류  원소의  하나이다.

플레밍의 왼손법칙에 의한 모터 원리

직류 모터의 원리와 같이 자계 안에 자유로이 회전하는 U자형 도체를 놓고 도체에 전원을 공급하기 위하여 구리 링(정류자)을 2분할하여 그 사이에 절연물을 삽입하여 절연한 정류자와 항상 접촉하여 정류자를 통해 도체에 전류를 공급하는 브러시를 부착하고 도체에 전류를 흐르게 하면 전류는 A에서 B로 흐른다.