전동기의 작동 원리

전동기 (Electric Motor)

자기장 속에서 전류가 흐르는 전선은 자기력을 받게 되는데요, 이를 이용한 것이 바로 전동기입니다. 조금 자세히 설명하자면, 자석 사이에 있는 코일이 전류가 흐를 때 회전하는 힘을 얻는 장치를 전동기라고 하는데요, 따라서 전동기 내부에는 자석과 코일이 있겠죠. 작동 원리에 대해서 정리해 보려고 하는데, 자기장 속에서 전류가 흐르는 전선이 받는 힘에 대한 이해가 먼저 있어야 하므로, 필요하신 분은 아래 링크를 먼저 읽어보시면 좋겠습니다.

 

2023.12.22 - [과학] - 자기장 속에서 전류가 받는 힘의 방향

자기장 속에서 전류가 받는 힘의 방향

 

 

전동기의 작동 원리

 

전동기에서 코일이 회전하는 원리

코일의 양쪽 전선이 받는 자기력의 방향이 서로 반대가 되면 코일이 회전하게 되는데요, 아래 이미지를 보면 쉽게 이해가 될 것입니다.

 

전동기에서 코일이 회전하는 원리, 이미지 출처: studyelectrical.com

 

위의 이미지에서 코일이 N극과 가까운 쪽을 보면 전류의 흐름과 자기장의 방향을 고려할 때 아래 방향으로 힘이 작용하고 코일의 S극 쪽을 보면 전류의 흐름과 자기장의 방향을 고려할 때 위쪽 방향으로 힘이 작용하죠. 위에 링크에 설명된 것과 같이 엄지손가락을 전류의 방향, 나머지 네 손가락을 자기장의 방향으로 두면 손바닥이 가리키는 방향이 자기력의 방향이 됨을 쉽게 알 수 있습니다. 코일의 가운데 부분, 즉 N극과 S극 중간에 코일이 연결된 부분은 자기장의 방향과 전류의 방향이 나란하게 되므로 자기력이 작용하지 않게 되죠. 이것이 DC 모터의 기본 원리이고 이러한 원리로 전동기는 영구 자석과 코일, 코일에 흐르는 정류자 및 브러시 등으로 구성되어 작동하게 되는데요, 코일의 회전 방향에 대해서 좀 더 자세하게 설명해 보겠습니다.

 

코일의 회전 방향

위의 이미지에서도 알 수 있듯이 자석으로 자기장이 형성된 상태에서 코일에 전류가 흐르면 자기력이 작용하면서 코일이 회전을 합니다. 여기서 코일이 회전할 때 세워져서 자기장의 방향과 코일의 모양이 수직이 되면 정류자에 의해 전류가 흐르지 않게 되는데, 하지만 코일은 관성에 의해서 회전하던 방향으로 계속 회전이 이루어지게 됩니다. 그런 다음 코일 각 부분에 전류가 처음과 반대 방향으로 흐르게 되면서 코일은 처음과 같은 방향으로 다시 회전하게 됩니다. 코일의 각 부분에 반대 방향의 자기력이 작용하게 되는데 코일도 반대 방향으로 돌아갔기 때문에 같은 방향이 유지되는 것입니다. 여기서 정류자(commutator)가 회전축이 반바퀴 돌 때마다 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주는 역할을 합니다. 그렇게 해야만 코일이 계속 같은 방향으로 회전을 하게 되겠죠. 아래 이미지를 보면서 오른손으로 힘의 방향을 확인해 보면 쉽게 이해할 수 있을 것이라 생각합니다.

 

자기장 속에서 전류가 흐르는 코일의 회전 방향, 이미지 출처: orientalmotor.com

 

 

전동기 적용 사례

전동기는 자기장 속에서 전류를 흘려주면서 코일이 회전하는 원리를 이용하므로 전기차 모터, 로봇과 드론 같은 정밀한 제어가 필요한 장비, 코일이 앞뒤 방향으로 흔들리면서 진동판을 진동시키는 스피커, 선풍기, 세탁기 및 헤어드라이어나 전자레인지 같은 생활 가전, 엘리베이터, 스마트폰의 진동 모드 등 전기에너지를 이용해 움직이는 대부분의 전기 기구에 사용이 됩니다.