모터란? 모터의 역할과 종류, 역사와 동작 원리와 구조

1. 모터란? 모터의 역할

모터란 전기의 힘으로부터 기계적인 힘을 만들어내는 기기입니다. 세탁기나 선풍기, 에어컨 등의 친밀한 가전제품으로부터, ATM(현금 자동 예금기)나 자동 개찰등의 사회적인 인프라에 관련되는 것까지, 온갖 모든 “움직이는 것”에 이용되고 있습니다.
그런 의미에서 현대를 사는 모든 사람이 모터의 혜택을 받으면서 살고 있다고 할 수 있습니다. 기계적인 힘을 낳는 동력원에는 모터 외에도 엔진이나 증기 기관 등이 있습니다.
그러나 모터에는 다른 동력원에는 없는 3가지 특징이 있습니다.

1. 에너지 변환 효율이 높음

예를 들어, 일반적인 엔진의 열효율은 30~40%라고 합니다. 이것은 투입한 에너지의 30~40% 밖에 동력이 되지 않고, 나머지의 60~70%는 열로서 버려지고 있는 것을 나타내고 있습니다.
한편, 모터의 에너지 변환 효율은 80% 이상입니다. 이처럼 엔진에 비해 에너지를 낭비하지 않고 동력으로 바꿀 수 있습니다.

2. 구조가 간단하고 제어하기 쉽습니다.

엔진은 많은 기계 부품으로 구성되어 있으며, 각 부품도 정확하게 만들어야 합니다. 또한 엔진을 전자 제어하기 위해 많은 센서를 사용하므로 제어가 복잡해집니다.
엔진에 비하면 모터는 구조가 간단하고, 직접 전기로 움직일 수 있기 때문에, 전기적으로 미세하게 제어하는 데 적합합니다.

3. 깨끗한

이 점도 잊어서는 안됩니다. 엔진은 가솔린을 태우고 동력으로 변환하므로 아무래도 이산화탄소(CO2)가 배출됩니다. 반대로 모터는 그 자체로 가스를 배출하지 않습니다.
카본 뉴트럴 실현을 향한 흐름이 가속되는 가운데 모터에는 큰 기대가 걸려 있습니다.

이러한 특징으로부터 현재 모터는 다양한 설비나 기기의 동력원이나 제어장치로서의 역할을 담당하고 있습니다. 앞으로 더욱 그 활용 장면은 늘어날 것입니다.

관련 기사：산요교실「스테핑 모터란? 구조, 종류, 사용법(구동 방식·제어 방법), 메리트나 특징을 해설”
스테핑 모터의 구조와 특징에 대해 자세히 설명합니다.

2. 모터의 역사

모터는 사회의 기술 혁신의 흐름 속에서 발명되어 진화해 왔습니다.
인간은 원래 인력과 동물의 힘으로 물건을 움직였습니다. 인간이 자신의 힘으로 물건을 움직이는 것은 옛날에도 지금도 당연히 행해지고 있습니다. 또, 마차는 기원전에는 발명되고 있었다고 하고 있어, 일본의 헤이안 귀족이 소차를 사용하고 있던 것은 알고 있는 대로입니다.
하지만 인력과 동물의 힘으로 아무리 테코나 풀리를 이용해도 속도와 힘에 한계가 있었습니다.

이러한 동력을 크게 변화시킨 것이 1700년대 후반부터 1800년대에 걸쳐 일어난 산업혁명입니다.
사람이나 동물을 훨씬 넘는 힘을 가진 증기기관이 등장하여 공장제 기계공업이 성립. 농경사회에서 공업사회로 사회구조의 변화가 일어났습니다. 또한 증기기관차, 증기자동차, 증기선이 개발됨에 따라 교통이나 물류의 형태도 크게 변화했습니다. 그러나 증기 기관에는 크고 무겁다는 단점이있었습니다.

발명가나 연구자는 증기기관으로 변하는 동력을 모색하기 시작합니다. 모터는 이러한 변혁 속에서 등장한 것입니다.
영국의 과학자 마이클 패러데이가 1821년 모터와 발전기의 원리를 발견. 1831년에는 전자기 유도의 법칙을 발견했습니다. 이것이 모터에 응용되어 가게 됩니다.
그리고 패러데이 이후, 미국의 토마스 대번포트 등에 의해 DC 모터(직류 모터)가 개발되었습니다만, 좀처럼 실용화에는 이르지 않았습니다.

최초의 실용적 모터는 니콜라 테슬라가 발명한 2층 AC 유도 모터(교류 유도 모터)일 것입니다. 테슬라는 1888년 자신이 발명한 모터를 돌리기 위해 다상 유도 발전기를 개발, 1889년에는 특허를 취득했습니다. 이것에 의해, 모터가 실용화되어 가게 됩니다.

그 후 모터는 동력원으로서의 역할뿐만 아니라 제어장치로서의 역할도 담당하면서 진화를 계속해 나갑니다. 현재 국내 전력의 50%가 모터에 의해 소비되고 있다고 합니다. 모터는 그렇게 인간의 삶에 깊이 관여하고 있으며 문명을 뒷받침하는 것입니다.

3. 산요전기 모터의 역사

산요전기 모터의 역사는 20세기 초반까지 거슬러 올라갑니다.

우선은 1932년에, 모터와 원리 구조가 동일한 발전기를 무선 통신기용으로 개발했습니다. 1952년에는, 군사 통신 전원용으로 제조하고 있던 회전기를 민수로 전환. 산요전기는 전기 통신 · 전원 분야에서 주력 메이커가되었습니다.

1952년이 되면, 전기 시험소(현 산업 기술 종합 연구소)로부터 서보 모터 개발의 의뢰를 받아 연구에 착수. 곧 국산 최초의 서보 모터를 완성했습니다. 당초는 기대했던 것 같은 수요가 없고, 좀처럼 날의 눈을 보지 않았습니다만, 이것이 서보 모터를 주력으로 하는 현재의 산요전기의 기초가 되었습니다.

서보 모터를 완성시킨 후에도 국산 최초의 스테핑 모터와 국산 최초의 팬을 완성. 이러한 「국산 최초」의 제품을 개발하면서 OA(오피스 오토메이션)나 FA(팩토리 오토메이션)의 파를 타고 각종 모터를 글로벌하게 전개하고 있습니다.

4. 모터의 기본 원리와 구조, 동작의 구조

모터는 기본적으로 자석의 "이극이 끌어당기는 성질"과 "동극이 반발하는 성질"을 이용하여 회전하고 있습니다.
예를 들어, 라디콘 등에서 이용되는 소형 모터를 이미지해 주십시오. 소형 모터 속에는 회전축이 달린 코일과 그것을 양측에서 끼우도록 배치된 N극과 S극의 영구 자석이 있습니다.

모터에 전기를 흘리면 코일은 전자석이 됩니다. 코일이 N극과 S극을 가진 자석으로 변화한다고 생각하면 알기 쉬울 것입니다.

그러면 N극의 영구자석과 코일의 N극이 반발함과 동시에 S극의 영구자석과 코일의 S극이 반발합니다. 이것은 동시에 N 극의 영구 자석과 코일의 S 극이 끌어 당겨 S 극의 영구 자석과 코일의 N 극이 끌어 당긴다는 것입니다.
이것에 의해 코일은 회전축을 중심으로 180도 회전합니다.

그런데 이것만으로는 코일은 180도 회전한 상태에서 멈춰 버립니다. N극의 영구자석과 코일의 S극이 끌어당겨, S극의 영구자석과 코일의 N극이 잡힌 상태로 남아 버리기 때문입니다. 또한 180도 돌려 회전축을 360도 돌리려면 어떻게 해야 합니까?

그래서 코일에는 흘리는 전기의 방향을 바꾸는 것으로, N극과 S극의 위치가 바뀝니다.
방금 멈춘 상태에서는 N극의 영구자석과 코일의 S극이 끌어당겨, S극의 영구자석과 코일의 N극이 끌려갔습니다. 거기서 브러시를 통해서, 「정류자」라고 불리는 부품에 의해 전기가 흐르는 방향을 바꾸고, 코일의 N극과 S극을 바꿉니다.
그러면 영구자석의 N극과 코일의 N극이 반발하고 영구자석의 S극과 코일의 S극이 각각 반발합니다. 동시에 영구자석의 N극과 코일의 S극이 끌어당겨 영구자석의 S극과 코일의 N극이 끌립니다. 이렇게하면 코일이 180도 더 회전합니다. 이제 360도 회전했습니다.

모터는 이 일련의 움직임을 반복함으로써 연속적으로 회전하고 있습니다.
여기에서는 「동력원으로서의 모터」와 「제어장치로서의 모터」를 소개합니다.

5. 동력원으로서의 모터의 종류

설비나 기기의 동력원으로서의 모터에는 공급 전원에 의해 주로 「DC 모터」와 「AC 모터」의 2종류로 나눌 수 있습니다.

DC 모터(직류 모터)란?

「DC 모터」란, 직류 전기를 흘리는 것으로 움직이는 모터입니다.
일상에서 자주 사용하는 전기 제품에서 공장에서 사용하는 설비까지 다양한 것에 사용되고 있습니다.
그리고 이 DC 모터에는 「브러시 부착 DC 모터」와 브러시가 없는 「브러시리스 DC 모터」의 2종류가 있습니다. 브러시는 코일에 전기를 전달하기 위한 부품입니다.

브러시 부착 DC 모터는 안쪽에 코일, 바깥쪽에 영구 자석이 있고, 브러시를 통해 직류 전기를 흘려 로터(회전축)를 회전시키는 모터입니다. 이것이 최초로 소개한 심플한 구조로 되어 있는 모터로, 라디콘이나 모형 등에 이용되고 있습니다.

이 모터는 기본적으로 전압에 비례하여 회전 속도가 올라가는 것이 특징입니다.
예를 들어 브러시 부착 DC 모터를 건전지로 움직이는 경우, 2개 연결할 때 쪽이 1개일 때보다 빠르게 회전합니다. 단, 코일에 흘리는 전기의 방향을 바꾸는 정류자와 카본 브러시는 항상 접촉하고 있기 때문에, 장시간, 동작하면 마모하기 때문에, 정기적인 메인터넌스가 필요하게 됩니다.

한편의 브러시리스 DC 모터(BLDC 모터)는 안쪽에 영구자석, 바깥쪽에 코일이 있고, 전류의 제어회로를 통해 코일에 전기를 흘리는 것으로, 안쪽의 영구자석을 회전시키는 모터입니다.
브러시가 없기 때문에 유지보수의 빈도를 억제할 뿐만 아니라, 브러시의 마모 찌꺼기가 나오지 않기 때문에 깨끗한 환경에서 사용할 수 있는 것이 특징입니다. 단, 모터 외부에 전류 방향을 제어하기 위한 회로가 필요하며, 브러시 부착 DC 모터와 비교하면 비용이 듭니다.

AC 모터(교류 모터)란?

「AC모터」란 교류전기를 흘리는 것으로 움직이는 모터입니다. 바깥쪽에 코일, 안쪽에 "바구니 모양"로터가 있습니다.
AC 모터의 특징은 정류자나 브러시, 제어 회로가 불필요하다는 것입니다. 심플한 구조로 비용을 억제해 제조할 수 있기 때문에, 선풍기나 진공 청소기 등의 가전, 물을 구부리기 위한 펌프나 반송용의 컨베이어, 산업용 기기 등, 다양한 용도에 사용되고 있습니다.

6. 제어 장치로서 모터의 주요 종류

기기나 설비의 동작을 세밀하게 제어하기 위한 모터에서는, 「스테핑 모터」와 「서보 모터」가 대표예입니다.

스테퍼 모터

스테핑 모터는 일정한 각도(위치)만큼 로터가 회전하는 모터입니다.

아날로그 시계를 이미지하십시오. 1초씩 초침이 움직이고 있습니다. 이렇게 결정된 각도만큼 움직이도록 제어할 수 있는 것이 스테핑 모터입니다. 아날로그 시계 외에 프린터나 에어컨의 루버, ATM, 발매기, 자동 개찰기의 게이트 시스템 등에 사용되고 있습니다.

로터를 정확한 각도만큼 돌리는 구조는 간단합니다. 스테퍼 모터의 로터에는 여러 개의 홈이 들어 있습니다. 그리고 모터에 전기를 흘려, 의도한 그루브만큼 로터가 움직이면 전기를 멈추는 것입니다. 이렇게하면 로터가 정확한 각도만큼 회전하고 정지합니다.

예를 들어, 2상 스테핑 모터에는 일반적으로 200개의 홈이 들어 있습니다. 1회전 360도를 200분할로 하기 때문에, 홈 1개당으로 움직이는 각도는 1.8도가 됩니다. 만일 모터를 18도 회전시키고 싶으면, 모터에 전기를 흘려 홈 10개분의 로터가 움직이면 전기를 멈추게 됩니다.

스테핑 모터를 제어하려면 컨트롤러가 필요합니다. 컨트롤러의 역할은 스테핑 모터에 얼마나 움직이는지 알려주는 신호를 보내는 것입니다. 우선, 전제로서 전기의 온으로부터 오프까지를 세트로 1펄스로 센다. 그리고 컨트롤러가 스테핑 모터에 1펄스의 신호(펄스 신호)를 보내면 로터는 홈 1개분을 회전하여 멈춥니다.

앞의 예와 같이 200개의 홈이 들어 있는 2상 스테퍼 모터를 18도만 회전시킨다고 합시다. 이 경우 컨트롤러에서 10 펄스 신호를 보냅니다. 그러면 신호를 수신한 스테핑 모터는 홈 10개분에 해당하는 18도 회전하여 멈춥니다.

따라서 스테핑 모터를 제어하려면 컨트롤러가 필요합니다.

서보 모터

서보모터는 스테핑모터와 마찬가지로 의도한 각도만큼 로터를 회전시키는 것을 목적으로 한 모터입니다. 단, 서보 모터와 스테핑 모터에는 명확한 차이가 있습니다.

서보 모터의 로터에는 홈이 없습니다. 그 때문에 1.8도씩 로터를 회전시키는 것과 같은 제약이 없기 때문에, 분해능이 높은 센서를 사용하면 100만분의 1도와 같은 정밀한 각도로 로터를 멈출 수 있습니다.

그 제어에 필요한 것이 센서입니다. 서보 모터에서는 이 센서가 로터의 회전 위치를 정확하게 파악하기 위해 의도한 각도로 정지시킬 수 있습니다. 또한 정지 한 후에도 감시를 계속하고 정지 각도가 어긋난 경우는 즉시 자동으로 수정하도록 제어하고 있습니다.

3. 끝에

이상, 「모터의 역할과 종류, 역사와 동작 원리나 구조」에 대해서, 소개 했습니다.
모터의 특징을 이해함으로써 최적의 모터 선정·장치 성능의 향상으로 이어집니다.
산요전기 에서는 각종 모터를 취급하고 있습니다. 모터 선정에 관해 궁금한 점이 있으시면 문의해 주십시오.

게시일: 2022-08-05 00:00