개요
직류 모터는 직류 전원으로 도는 전동기로, 처음으로 널리 쓰인 모터다. 기존 직류 조명 배전망에서 바로 돌릴 수 있었기 때문이다. 1870년대부터 직류 모터와 전력망으로 기계를 돌리기 시작한 일은 2차 산업혁명의 시작으로 꼽힌다.
원리
고정자의 자석(영구자석이나 전자석)이 자기장을 만든다. 전기자는 연철 심에 절연 전선을 감은 것으로, 전류가 흐르면 양 끝이 자극이 되어 고정자의 반대 극 쪽으로 끌려가며 토크를 낸다. 전선 끝은 정류자에 이어지고, 흑연이나 탄소 브러시가 바깥 전원의 전류를 돌고 있는 정류자에 전한다.
극이 정렬되는 순간 정류자의 틈이 브러시를 지나면서 코일 전류의 방향이 바뀐다. 방금 끌려온 극이 이번에는 밀려나므로 회전이 이어진다. 전원의 극성을 뒤집으면 반대 방향으로 돈다. 돌고 있는 모터를 밖에서 돌리면 전기를 만들어 내는데, 이것이 발전기다.
F = I · L × B · 토크 ∝ I · B · sin θ
빠르게 도는 모터는 대개 기어 감속기를 달아 속도를 줄이고 토크를 키운다.
역사
- 1821년마이클 패러데이가 9월 3일 영국 왕립연구소에서 전자기 회전을 처음 시연했다. 수은에 담근 전선이 영구자석 둘레를 돌았다.
- 1832년윌리엄 스터전이 기계를 돌릴 수 있는 첫 정류자 직류 모터를 만들었다.
- 1834년모리츠 폰 야코비가 쓸모 있는 첫 회전 전동기를 만들었다. 1838년 개량형은 14명이 탄 배를 움직였다.
- 1837년토머스 대븐포트의 정류자 모터가 특허를 받았다. 최대 600 rpm으로 돌았지만 전지 값이 비싸 상업적으로 실패했다.
- 1873년제노브 그람이 빈 만국박람회에서 직류 기계가 발전기와 모터 양쪽으로 쓰일 수 있음을 우연히 보였다.
종류
브러시 모터값싸고 속도 제어가 쉽다. 브러시와 정류자를 정기적으로 손봐야 한다.
브러시리스 모터회전자에 영구자석, 고정자에 코일을 두고 전자 회로가 전류를 바꾼다. 수명과 효율이 높지만 비싸다.
영구자석 모터계자 코일 없이 영구자석이 자기장을 만든다. 소형 모터에 흔하다.
직권 모터전기자와 계자를 직렬로 잇는다. 저속 토크가 가장 커서 전동차에 쓰지만, 무부하로 켜면 과속한다.
분권 모터전기자와 계자를 병렬로 잇는다. 부하가 변해도 속도가 고르다. 공작 기계에 쓴다.
응용
- 공구, 장난감, 가전의 소형 모터
- 무선 공구, 전기차와 하이브리드차(감속할 때 회생 제동)
- 엘리베이터, 호이스트, 압연기
- 전기 기관차와 전차(직권 모터)
이 그림에 대하여
축을 세워 위에서 보이게 했고, 회전 속도는 눈으로 따라갈 수 있게 낮춘 모형값이다. 실제 소형 모터는 이보다 훨씬 빠르게 돈다. 토크는 자기장과 이루는 각의 사인에 비례하는 단순 모형이며 역기전력은 마찰 항에 묶었다. Claude Opus 5.5가 Anatomy 스킬로 그렸다.