DC모터와 AC모터의 차이점 및 장단점

안녕하세요 메카솔루션입니다.

오늘은 DC 모터와 AC 모터에 대해서 간단한 정리를 해보려고 합니다.

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1. 모터는 전원의 특징에 따라서 DC 모터와 AC 모터로 나눕니다. 

위에 있는 장비들은 자르거나, 갈거나, 구멍을 뚫는 기계들로 고속으로 회전하는 모터를 사용하며 220V에 연결합니다. 우리나라에서 일반적으로 사용하는 220V는 AC 혹은 교류전압이며, 이러한 AC 전압을 사용하는 모터를 AC 모터라고 합니다. AC 모터는 동급출력을 내는 DC 모터에 비해서 상대적으로 저렴하며, 효율이 좋고, 수명이 길다는 장점이 있습니다. 때문에 큰 힘을 필요로 하는 공작기계 (위에 있는 장비들), 컴프레서 등에 많이 사용되곤 합니다. 하지만, 속도 및 방향 제어가 까다롭다는 점은 단점입니다. 토크를 일정하게 하면서 속도를 제어하기 위해서는 주파수를 변조하거나, 코일에 유도전류를 만들어내는 시간차를 잘 조절해야 합니다.

반면에, DC 혹은 직류전압을 사용하는 모터는 DC 모터라고 부르며, 아마 가장 많이 사용하는 모터가 아닐까 싶습니다. 일반적으로 선풍기처럼 AC 모터에 전원을 가하면 바로 사용할 수 있는 모터도 있지만, 속도 및 방향 제어 등을 쉽게 구현할 수 있기 때문에 DC 모터를 많이 사용합니다.

다음 동영상은 DC 모터의 원리를 잘 보여주는 동영상입니다. 가운데 위치한 DC 전압은 브러쉬에 전류를 흘려주며, 스프링 힘에 의해 브러쉬는 정류자(Commutator)에 전류를 전달합니다. 정류자에 연결된 코일에 자기장이 생기면 로렌츠힘에 의해 코일이 감긴 로터(Rotor)가 회전하는 것이 DC 모터의 원리입니다.    

2. DC 모터는 브러시가 있는 일반 DC 모터와 브러시가 없는 BLDC(Brushless DC) 모터 [브러시리스 DC 모터]로 나눌 수 있습니다.

아마 일반적으로 사용하는 모터는 대부분 브러시가 있는 일반 DC 모터이며, BLDC 모터가 보다 친숙하게 다가온 이유는 드론의 고속 회전 모터에 BLDC 모터가 사용되면서가 아닌가 싶습니다 (물론 BLDC 모터는 최근에 개발된 것이 아닌 아주 예전에 개발된 모터입니다).

BLDC 모터는 정류자와 접촉하는 브러시가 없기 때문에 수명이 길고 효율이 높다는 장점이 있습니다. 또한 직접 접촉하는 것이 아니기 때문에 고속 회전이 가능합니다. BLDC 모터는 회전 원리는 AC 모터와도 비슷합니다. 

다만, BLDC 모터는 AC 모터와 마찬가지로 속도 및 방향 제어가 DC 모터에 비해서 약간 까다롭습니다. 하지만, ESC와 같은 BLDC 모터 드라이버가 많이 개발되면서 아두이노 및 라즈베리파이로도 손쉽게 제어를 할 수는 있기에 걱정하지 않으셔도 될 것 같습니다. 하지만, 가격은 일반 DC 모터보다 비싸기 때문에 모터가 사용될 환경에 맞는 선택을 하는 것이 좋을 것 같습니다.

3. AC 모터는 일반적으로 단상 유도 전동기 혹은 3상 유도 전동기로 나뉩니다.

AC 모터 중에 가장 손쉽게 접할 수 있는 것은 아마 선풍기 모터일 것 같습니다. 메이커라면 누구나 선풍기 한 대 쯤은 뜯어본 경험 다들 있으시죠?ㅋ

선풍기는 단상 유도 전동기를 사용하여 회전을 하게 되며, 아래 동영상에 보여지는 3상 유도 전동기와 달리 정지상태에서는 회전을 시켜줄 수 있는 기동토크가 없습니다. 따라서, 정지상태에서도 회전할 수 있도록 여러가지 방법을 사용할 수 있는데, 쉐이딩코일형/분상기동형/콘덴서기동형 등이 있ㅇ며, 자세한 내용에 대해서는 별도의 포스팅을 통해 설명해드리겠습니다. 

단상 유도 전동기에 비해 3상 유도 전동기의 장점으로는 정지상태에서도 별도의 장치없이 회전이 가능하다는 점과 고출력이 가능하다는 것입니다. 따라서 단상 유도 전동기는 상대적으로 저출력 (1마력 이하)인 선풍기 및 가정용 전동기에 사용하며 되며, 3상 유도 전동기는 전기자동차, 고출력 공장기계 등에 사용하는 것이 적합합니다.

AC 모터의 원리를 잘 보여주는 동영상입니다. 가운데 위치한 로터(Rotor)가 교류 전기가 발생시 스테이터(Stator)에 생성되는 자기장의 변화에 의해 회전을 하는 것이 AC 모터의 원리입니다.

이번 포스팅에서는 DC 모터와 AC 모터에 대한 간략한 차이점과 특징에 대해서 알아보았습니다. 

다음 포스팅에서는 모터를 선택하는 방법에 대해서 알아보도록 하겠습니다.