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모터의 종류별 특징: 산업 현장에서는 어떤 모터를 쓸까?

<에너지 전환 패러다임과 유도 전동기> 시리즈를 읽고 오시면 더 재밌게 읽으실 수 있습니다!

모터의 종류는 다양한 기준에 따라 나뉘어질 수 있습니다. PHM의 관점으로 모터의 종류를 나눠보자면, (1) 전원 방식에 따라 교류/직류 구분, (2) 슬립 유무에 따라 동기 전동기(Synchronous motor)와 유도전동기(Asynchronous motor 혹은 Induction motor) 구분될 수 있습니다.

모터의 종류

1. 동기 전동기와 유도 전동기의 차이는?

원프레딕트에서는 상기 이미지 중에서는 기본적으로 교류 전동기(AC motor)를 중심으로 진단하고 있습니다. 상단의 모터 종류 이미지에서 알 수 있듯이 교류 전동기는 동기 전동기(Synchronous Motor)와 유도 전동기(Asynchronous or Induction Motor)로 구분할 수 있는데, 각 이름에 나타난 것처럼 두 전동기 간의 가장 큰 차이는 동기/비동기 여부입니다.

유도 전동기의 회전 원리

유도 전동기는 고정자에 흐르는 3상 교류 전류에 의해 모터 내부에서 회전자계(회전하는 자기장)가 형성이 됩니다. 이를 따라 유도 전류가 발생하고, 유도 전류가 자기장과 반응해 회전자가 회전을 하게 됩니다. 이 때 유도 전동기의 특징은 회전자계의 회전 속도와 회전자의 회전 속도가 약간의 차이가 생기고 이를 슬립(slip) 현상이라고 부릅니다. 이 때문에 비동기 전동기로 불리기도 합니다. 반면, 동기 전동기는 회전자의 설계가 유도 전동기와 완전 다르기 때문에, 공극의 회전자계와 회전자가 같은 속도로 동기되어 움직입니다.

2. 영구자석 동기 전동기란?

이번에는 동기 전동기 중 영구자석 동기 전동기에 대해 더 자세히 알아보겠습니다.

영구자석 동기 전동기는 고효율, 고역률*, 고출력 밀도, 고응답성 등이 장점이기 때문에, 고성능의 모터가 연속적으로 장시간 안정적으로 작동되어야 하는 대형 공장 등에서 주로 사용되고 있으며, 최근에는 전기차 내부에도 엔진 대신 활용되고 있습니다.

*역률: 전기기기에 실제로 걸리는 전압과 전류가 얼마나 유효하게 일했는지를 나타내는 비율의 값

유도 전동기의 회전자는 폐쇄된 도체로 만들어지는 반면, 영구자석 동기 전동기는 회전자에 영구자석을 사용합니다. 영구자석을 회전자에 어떻게 배치하는지, 고정자 권선은 어떻게 배치하는지에 따라 종류가 나뉠 수 있습니다. 이를 정리해보면 아래 그림과 같습니다.

영구자석 동기 전동기의 구분

영구자석 모터의 구조가 이렇게나 다양한 이유는 설계에 따라 토크의 크기를 조절해 동작 안정성을 높일 수 있기 때문입니다.

영구자석은 열을 받으면 자력이 저하되는 등 내환경성이 취약하고, 재료 특성 상 단가가 비싸 평상시에도 철저한 관리가 필요합니다. 하지만 종류가 다양한만큼, 모터를 열어 직접 내부를 보지 않고 데이터시트만으로는 해당 모터가 표면 부착형인지, 매입형인지, 극과 회전자 원주가 평행인지 수직인지 알기 어렵다는 한계가 있습니다.

또한 스마트팩토리에서 일반적으로 사용하는 서보모터는 영구자석 타입의 동기 전동기인 경우가 많습니다.

3. 둥글지도 않고, 회전하지도 않는 모터가 있다?

영구자석 동기 전동기 중에서도 모양과 작동 원리가 독특한 모터에 대해 하나 더 소개하고 이번 짧은 글을 마무리하려고 합니다.

일반적으로 모터는 둥근 형태를 띄고 있을 거라고 생각하는 경우가 많은데, ‘리니어 모터(linear motor)’는 직선처럼 양옆으로 쭉 뻗은 형태를 하고 있습니다.

리니어 모터는 일반 유도전동기에서 고정자와 회전자부분을 축 방향으로 잘라서 펼쳐놓은 형태로, 직선 운동을 하는 공정에 사용됩니다. 일상 생활에서 리니어 모터가 사용된 곳을 찾아보자면 자기부상열차가 있습니다.

리니어 모터의 구조

리니어 모터의 동작 원리는 사실 회전형 모터와 동일합니다. 다만, 원통형의 일반 모터는 회전형의 운동력을 발생시키는 것과 달리, 리니어 모터는 서로 마주보는 판이 서로 밀어내는 극성에 의해 추력을 발생시켜 미끄러지듯 움직이는 구조입니다.

리니어 모터 작동 원리

리니어 모터는 기계적인 변환 장치 없이 직선 구동력을 직접 발생시키기 때문에 시스템이 간단하고, 마모와 소음이 없는 장점 등이 있습니다. 하지만 회전방향으로 무한 연속 운동할 수 있는 회전형 모터와 달리, 리니어 모터는 구조 상 길이가 유한하다는 단점이 있어, 공정에 적용할 때 적합성을 잘 따져보아야 합니다.

이번 포스트에서는 교류/직류 여부에 따른 모터의 구분과 교류 전동기 중에서도 영구자석 동기 전동기에 대해 간단히 알아보았습니다.

모터는 우리에게 가장 친근한 설비입니다. 누구나 일상생활에서 모터가 고장 나 크고 작은 불편함을 겪은 적이 한 번쯤은 있기 때문에, 만일 산업 현장 내에서 모터 결함이 발생한다면 어떤 문제들이 야기될 수 있는지도 어렴풋이 알고 있습니다.

그래서 원프레딕트는 모터 설비가 아무 일 없이 정상적으로 제 할 일을 할 수 있게끔, 또 모터 설비 관리자가 모터 결함에 대한 불안감을 가지지 않게끔 모터 종합 진단 솔루션을 만들고 있습니다.

다음 포스트에서는 스마트팩토리 주요 공정에서 사용되는 모터의 종류인 서보모터에 대해 작동 원리부터 원프레딕트가 결함을 진단하는 방법에 대해서까지 자세히 다뤄보도록 하겠습니다.

다음 포스트 보러가기 서보모터 A-Z: 서보모터 전류 신호 특징