안녕하세요.
DC 모터에 전원을 인가하면 회전하는 힘이 생깁니다.
이 힘은 어떤 원리로 생길까요?
DC 모터의 동작 원리는 플레밍의 왼손 법칙과 로런츠 힘으로 설명할 수 있어요.
이번에는 DC 모터가 회전하는 힘이 어떤 원리에 의해 생성되는지 두 가지 관점에서 설명해 볼게요!
DC 모터의 다른 내용도 궁금하다면 다음 링크 참고해 주세요^^
■ DC 모터의 동작 원리
▶ 플레밍의 왼손 법칙
DC 모터는 자기장 영역에 회전자 도체에 전류를 흘려 전자기력(Electromagnetic force)을 발생시킵니다.
DC 모터에서 자기장을 만들어주는 건 고정자인데요.
보통 영구자석 또는 전자석을 사용합니다.
그리고 전원을 인가하면 브러시, 정류자를 통해 회전자 도체에 전류가 흐르면서 전자기력이 발생하게 되죠!
이 전자기력의 방향은 플레밍의 왼손 법칙에 의해서 알 수 있어요.
플레밍의 왼손 법칙은 전동기의 원리라고도 볼 수 있어요.
전류, 자기장의 방향에 따른 힘의 방향을 기억하시고 DC 모터의 구조를 다시 한번 보시면 DC 모터가 어떻게 회전하는지 감이 올 거에요.
DC 모터의 회전자가 회전하는 모습을 상상해 보세요.
원래 그림으로 표현해 드리려고 했는데 그리기가 쉽지 않네요..ㅎㅎ 영상으로 하나 보고 오시면 바로 이해돼요^^
회전자가 일정한 방향으로 회전하는 힘을 유지하려면 전류의 방향은 계속 바뀌어져야 합니다.
즉, 우리가 필요한 전류는 사실 교류인 거죠.
이를 가능하게 도와주는 것이 정류자와 브러시입니다.
전원으로 직류를 인가했지만, DC 모터 입장에서는 교류 전류처럼 보이게 되는 거에요!
회전자가 90º, 270º에 위치했을 때가 전류의 방향이 변하기 직전이에요.
따라서 이 시점에는 전류를 안 흘리기 위해서 그림에서 보이듯이 정류자에 끊어져 있는 부분이 존재합니다.
(저 부분에 보통 절연체가 채워져 있어요.)
이러한 원리로 인해서 DC 모터가 지속해서 회전하게 됩니다.
이해를 쉽게 하기 위해서 회전자 도체가 하나인 경우만 예시를 들어 설명했는데요.
실제로는 엄청 많은 회전자 도체로 구성되어 있어요.
회전자 도체가 보다 많이 구성될수록 평균 토크의 크기가 증가하고, 토크 리플이 감소하기 때문에 많은 턴으로 구성하는 것이 중요해요.
회전자 도체가 한 턴밖에 없다면 토크 리플이 매우 크게 나옵니다.
그 이유는 다음에 나올 로런츠 힘 부분을 공부하면 이해가 될 거에요^^
▶ 로런츠 힘 (Lorentz force)
앞에서 다룬 플레밍의 왼손 법칙을 통해 DC 모터의 회전 원리가 직관적으로 이해가 되셨을까요?
그러면 이번에는 전류와 자기장에 따라 회전하는 힘(=토크)이 얼마나 발생하는지 수식적으로 설명해 드릴게요.
로런츠 힘이란, 전자기장 내에서 전하를 가진 물체가 받는 힘을 뜻합니다.
DC 모터의 회전자는 자기장 내에서 전류가 흘러 회전하는 힘이 발생하는 걸 이미 설명했어요.
다시 말해서, 자기장 영역에서 전하(입자)가 움직이면서 힘이 발생하는 거죠
이를 수식적으로 설명하면 다음과 같습니다.
- F : 힘
- q : 전하량
- v : 전하의 속도
- B : 자기장
- I : 전류
- l : 도선의 길이
수식을 보면 힘의 방향은 플레밍의 왼손 법칙에서 설명한 대로 전하와 자기장의 외적으로 정해지네요.
그러면 최소한의 에너지로 큰 힘을 내기 위해선 전류와 자기장이 수직 방향으로 설계되어야 합니다.
DC 모터의 구조를 보시면 이러한 구조로 설계되신 걸 볼 수 있을 거에요.
그러면 전류와 자기장이 수직이라고 가정했을 때, 발생하는 힘의 크기를 수식적으로 구해볼게요.
수식을 벡터가 아닌 스칼라로 표현하면 수식은 다음과 같습니다.
즉, 힘의 크기는 전류와 자기장 크기에 비례합니다.
이렇게 구한 힘(전자기력)을 통해서 토크(돌림힘)를 구할 수 있습니다.
그 수식은 다음과 같습니다.
- T : 토크
- r : 힘의 작용점까지의 위치 벡터
Tip!
DC 모터는 힘을 발생시키는 전동기로써의 역할 뿐만 아니라 발전기로써도 동작할 수 있어요.
플레밍의 오른손 법칙에 따르면 힘과 자기장이 존재하면 유기(유도) 기전력이 생성됩니다.
이 기전력에 의해서 전류가 발생하게 되는데요.
이는 아래 그림을 참고해 주세요^^
이번 포스팅에서는 DC 모터의 동작 원리를 살펴보기 위해 플레밍의 법칙, 로런츠 힘 등을 함께 알아보았습니다.
혹시 잘 이해가 안 되셨다면 다른 영상을 참고해서 함께 보시면 좀 더 직관적으로 이해되실 거예요^^
글 읽어주셔서 감사합니다~
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