자동차, 전기 자동차(EV) 모터의 기본 구동 원리

모터의 기본을 알기 전에 전류란 무엇이고, 어떤 역할을 할까?

 모터의 기본을 알기 위해선 전류란 개념을 조금이라도 알고 이해하는 것이 좋습니다. 그만큼 전류와 모터는 떼놓을 수 없는 관계이기 때문입니다.

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전류란?

 물질을 구성하는 최소 단위는 '원자'입니다. 그리고 원자는 '원자핵'과 '전자'로 이루어져있는데, 특정한 조건에서 전자는 원자에서 이탈하여 '자유전자'가 됩니다. 그리고 이 자유전자가 많아져서, 도체를 통해 한 방향으로 흐르는 상태를 '전류'라고 합니다.

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전류가 모터에서 담당하는 역할은?

 전류는 모터에 있는 감겨져 있는 코일에 흘러 '자성'을 띄게 만듭니다. 이것을 '앙페르의 법칙'이라고 합니다. 중요한 것은 자성을 띄게 만듦으로서 이후에 알아볼 고정자와 '흡인력', '반발력'으로 상호작용함으로써 모터를 구동하게 됩니다. 그리고 이 전류는 배터리에서 와서 교류의 형태로 흐르게 됩니다. 

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교류와 직류란?

 교류는 플러스와 마이너스가 항상 변화되어 흐르는 전류를 말합니다. 이것을 인버터에 의해 직류를 변환하면서 동시에 제어하여 주기를 생성하고 모터의 회전수를 제어할 수 있습니다.

 

 직류는 플러스와 마이너스에 변화 없이 항상 동일한 방향으로 흐르는 전류를 뜻합니다. 그렇기 때문에 수시로 변하는 모터의 회전수를 제어하기엔 그다지 적합하지는 않습니다.

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 이 블로그에선 대부분 기본적인 내용을 위주로 기술하고 있기 때문에 전류에 대한 약간의 기본지식을 추가하여 다음 글을 읽는다면 큰 도움이 될 것 입니다.

 

 

 

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전기 자동차의 모터의 기본 구조와 구동원리

전기 자동차의 모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸어 차량을 굴러가게 하는 것 입니다. 그리고 이런 모터에는 여러가지 핵심 부품이 존재합니다. 위 그림에 있는 부품들에 대해서 한번 알아보겠습니다.

 

 (사실 위 그림 이외에 다양한 모터가 존재하지만, 이 글에서는 위 같은 형태를 가진 일반적인 모터에 대해서 기술하고 있습니다. 또, 위와 다른 형태의 모터라고 해서 그 원리가 그리 다른 것은 아니기 때문에 기본 지식을 쌓기엔 위의 모터가 대표적이라고 생각합니다.)

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1. 고정자와 코일

 고정자는 'Stator'라고 부르고, 코일은 위 그림처럼 고정자 특정 부분에 감싸져 있는 도선입니다. 위와 같이 일반적으로 외측에 고정자를 배치하지만, 내측에 배치하는 모터도 있습니다. 이 곳에 감싸져 있는 도선에 교류가 흘러 들어가 고정자에 자성을 띄게 만듭니다. 이것이 전자석의 기본적인 원리라고 할 수 있습니다.

 

 위에서 말했듯이 코일에는 교류의 전류가 흐르게 됩니다. '3상 교류'라는 말을 들어보신적이 있을 것 입니다. '3상 교류'는 교류 모터가 최소한의 역할을 하기 위해 3개의 전자석이 필요하게 되는데, 이때 각 전자석 부분에 교류가 순서대로 흘러 들어가 각자 다른 극성을 가진 고정자를 만들어내게 됩니다. 그렇기 때문에 이 교류를 제어함으로서 고정자의 전자석 여러 부분을 다른 극성을 띄게 하고, 이것이 회전자와 흡인력과 반발력을 유지하며 회전자를 회전시키게 합니다.

 

 예를 들어 1초간 100번 위상을 변화하는 교류전력이 있으면 100Hz를 지니는 교류 전력이라고 하고, 그 빈도수를 따라 전자석의 자극을 바꿔줍니다.

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2. 회전자와 영구자석

 회전자는 'Rotor'라고 부르고, 영구자석은 일반적으로 회전자를 이루는 물질을 의미합니다. 그 이유는 회전자는 말 그대로 회전하고 있기 때문에 코일을 감아 전자석을 만들고자 하면, 회전하는 와중에 코일에 전류를 공급해야하기 때문에 제작에 어려움이 있어, 보통은 영구자석이 쓰입니다. (그렇지만 위와 같은 기술을 적용한 모터도 있습니다.)

 

 영구자석은 말 그대로 일반적으로 알듯이 N극과 S극으로 구성되어 있습니다. 이 회전자가 수시로 변하는 고정자의 전자석과 흡인력과 반발력을 적절히 유지하고 제어하면서 회전하게 되는 것입니다. 

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 이렇게 일반 적인 3상 교류 모터가 어떤식으로 작동하는지 알아보았습니다. 추가로 영구 자석이 들어간 3상 교류 모터와 BLDC (Brush Less DC) 모터는 시스템적으로 같은 것입니다. 브랜드에 따라 교류 모터를 BLDC모터라고 표기하는 경우가 있는데, DC모터의 극성을 변환하는 Brush가 빠지고 결국 3상 교류가 흘러들어가서 같은 원리로 회전하게 때문에 브랜드에 따라 BLDC모터라고 부르는 경우가 있는 것 입니다.

 

감사합니다.