모터로 굴러가는 전기차, 모터의 역사와 종류에 대해 알아보자

전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치인 모터는 길고 매혹적인 역사를 가지고 있습니다. 최초의 전기 모터는 1821년 마이클 패러데이(Michael Faraday)에 의해 발명되었으며 영구 자석 위에 매달린 와이어로 구성된 간단한 장치였습니다. 도선에 전류를 흘려주면 도선이 자석을 중심으로 회전하면서 전자기 유도의 원리를 보여주었습니다.

 

 

모터의 구성 <그림 출처 : http://down.edunet4u.net>

이후 수십 년 동안 발명가와 과학자들은 Faraday의 기본 설계를 개선하여 보다 강력하고 효율적인 모터를 만들었습니다. 가장 중요한 발전 중 하나는 1873년에 제노베 그램미(Zénobe Gramme)가 대량으로 전력을 생성하는 최초의 실용적인 장치인 Gramme 발전기를 발명했을 때였습니다. Gramme 다이나모는 직류(DC) 전기를 기계적 운동으로 변환할 수 있는 장치인 정류자(commutator)를 사용한 최초의 전기 모터이기도 합니다.

 

1887년 니콜라 테슬라가 발명한 유도 전동기를 포함하여 20세기 초 교류(AC) 전원 시스템의 개발을 통해 새로운 유형의 전기 모터 개발에 가속이 붙이 시작했습니다. 유도 전동기는 이전 DC 모터보다 효율적이었고 유지관리의 이점 때문에 산업 응용 분야에서 널리 활용됩니다.

 

오늘날 모터는 가전 제품에서 산업 기계, 전기 자동차에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 희토류 자석 및 고급 제어 시스템을 사용하여 더 큰 효율성과 정밀도를 달성하는 등 최신 기술을 통해 지속적으로 개선되고 있습니다.

 

 

 

모터의 원리를 좀 더 구체적으로 알아보겠습니다. 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 기계라고 설명했는데요. 코일 주위에서 자석을 움직이면 코일 내부의 자기장이 변하게 되며, 이에 따라 코일에 전류가 흐르게 됩니다. 이러한 현상을 전자기 유도라고 하고, 이때 코일에 흐르는 전류를 유도 전류라고 합니다. 조금 더 쉽게 설명하면, 전류에 의해 자기장이 생기기도 하고, 반대로 자기장의 변화에 의해서 전류가 흐르기도 하는데, 이를 전자기 유도라고 합니다. 이것이 모터가 움직이는 기본 원리이므로 우선 이해가 필요합니다. 

 

전자기 유도 원리 <그림 출처 : https://i.ytimg.com>

 

 

 

다음으로 전기 모터에는 고정자와 회전자의 두 가지 주요 구성 요소가 있습니다. 고정자는 모터의 권선을 포함하는 고정 부품이고 회전자는 모터의 자석을 포함하는 회전 부품입니다. 전류가 고정자의 권선을 통해 흐를 때 회전자의 자기장과 상호 작용하는 자기장을 생성합니다. 두 필드 사이의 상호 작용으로 인해 로터가 회전하고 이 회전이 기계적 에너지를 생성합니다. 모터의 속도와 토크는 고정자의 권선을 통해 흐르는 전류의 양을 변경하여 제어할 수 있습니다. 이는 일반적으로 모터에 대한 전기 입력의 주파수와 전압을 조정하는 컨트롤러 또는 가변 주파수 드라이브를 사용하여 조절할 수 있습니다.

 

모터의 종류에는 DC(직류) 모터, AC(교류) 모터, 스테퍼 모터 및 서보 모터 등 다양한 유형의 모터가 있는데요. 모터의 종류를 공부하기 전에 직류와 교류에 대해 잠깐 설명하고 넘어가겠습니다.

 

 

직류와 교류는 전기적인 전하가 흐르는 방향이나 형태에 따라 구분되데요.

 

직류와 교류 <그림 출처 : https://blog.kakaocdn.net>

 

직류(Direct Current, DC)는 전기적인 전하가 항상 한 방향으로 일정하게 흐르는 전류입니다. 직류는 전압의 크기와 방향이 일정하여 전기적인 에너지 손실이 적은 장점이 있습니다. 그러나 전류를 전달하는 거리가 멀어질수록 전압이 떨어지는 문제가 있어 주로 전지, 전자기기 등에 사용됩니다.

 

 

 

반면 교류(Alternating Current, AC)는 전기적인 전하가 주기적으로 방향을 바꿔가며 흐르는 전류입니다. 교류는 전력을 장거리로 전달하는데 유리하며, 전압을 변압기를 통해 손쉽게 조절할 수 있습니다. 그러나 전압이 변할 때마다 전류의 방향이 바뀌기 때문에 전기기기의 동작이 복잡해질 수 있습니다. 주로 가정용 전력을 공급하는데 사용됩니다.

 

 

 

이제 모터의 종류에 대해 알아보겠습니다. 가장 일반적인 유형의 모터는 다음과 같습니다.

 

DC(직류) 모터: DC 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환합니다. 회전 전기자와 고정 자기장이 있습니다. DC 모터는 배터리 또는 DC 전원 공급 장치에서 작동할 수 있습니다.

 

AC(교류) 모터: AC 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환합니다. AC 전원 공급 장치에서 작동하며 전자기장을 사용하여 회전을 생성합니다.

 

Stepper Motor스테퍼 모터: 스테퍼 모터는 작고 정밀한 단계로 회전하는 DC 모터 유형입니다. 로봇 공학, 자동화 및 정확한 포지셔닝이 필요한 기타 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

 

Servo Motor서보 모터: 서보 모터는 물체의 위치, 방향, 자세 등을 제어량으로 하여 목표값이 임의의 변화에 추종하도록 구성한 일종의 DC 모터입니다. 제어 신호에 따라 동작하는 동력 발생 장치를 서보 모터라 부릅니다.

 

Brushless DC Motor브러시리스 DC 모터: 흔히 BLDC 모터라고도 하는 브러시리스 DC 모터는 기존 DC 모터와 유사하지만 브러시가 없어 더 효율적이고 수명이 길며 전자기 간섭이 적습니다. 참고로 브러시란 모터의 rotor에 전류공급을 해주고 정류자와 마찰을 일으켜 수명을 단축시킵니다. 정류자는 commutator라 불리며, rotor에 위치한 브러시와 접촉하여 전류를 받는 부분입니다. 정류자의 역할은 회전하면서 rotor에 전류가 같은 방향으로 흐르도록 유지하는 역할을 합니다.

 

 

DC모터와 BLDC 모터 비교 <그림 출처 : http://www.motioncontrol.co.kr>

유도 전동기: 유도 전동기는 전자기 유도를 사용하여 작동하는 AC 모터입니다. 회전 자기장과 고정 로터가 있습니다. 유도 전동기는 일반적으로 산업 분야에서 사용됩니다.

 

범용 모터: 범용 모터는 AC 및 DC 전원 모두에서 작동할 수 있습니다. 소형 가전 제품, 전동 공구 및 기타 휴대성이 필요한 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다.

 

위의 모터들은 다양한 응용 분야에서 사용되는 많은 유형의 모터 중 일부에 불과합니다. 모터 유형의 선택은 필수 속도, 토크, 전력 및 효율성과 같은 요소에 따라 달라 수 있겠죠.

 

 

 

전기 자동차에서 가장 일반적으로 사용되는 모터는 어떤 종류일까요? 바로 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)이라 불리는 모터인데요. PMSM은 전력 밀도, 효율 및 토크 출력이 높아 전기 자동차에 사용하기에 적합합니다. 영구 자석을 사용하여 자기장을 생성하고 권선 세트가 있는 고정자를 사용하여 모터 샤프트를 구동하는 회전 자기장을 생성합니다. 모터의 속도는 고정자 권선에 적용되는 전류의 주파수와 진폭을 조정하여 제어됩니다. PMSM은 또한 생산원가 및 유지관리 비용이 적고 장치가 간단하여 전기 자동차 제조업체에게는 매력적일 수밖에 없습니다.