천체 사진에 별이 흐를 때 1 (가대의 모터 특성)

아래 이야기는 과거 훈옥군이 전자메일로 질문을 하여 과거에 천문살롱에 올린 글입니다. 주제와 크게 관계는 없ㅈ만 그냥 기초 상식삼아 그대로 올립니다. 지금 읽어보니 설명이 미흡한 부분도 있으나 그냥 이런 모터  종류가 있다는 정도로 생각하시면 되겠습니다. 여담이지만 일전에 설매재에 번개관측회에 놀러가서 김영렬 교수님과 이야기를 하다가 안 사실인데, 김교수님의 전공이 유도모터(induction motor)랍니다. 우리 동호회에 더 전문가가 계시니 나중에 여러 가지로 여쭈어봐도 되겠지요.
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망원경 이야기 4 (가대 모터)....어느 별친구의 질문에 답변

아래 망원경 이야기를 보고 한 대학생 별친구가 질문을 했습니다. 질문 내용은 다음과 같습니다.

"그리구요.. 이건 평소 궁금해오던건데 도통 이해가 잘안돼는 문제에요.. 빅센모터는 정류모티인걸로 알고있고..다카는 스태핑 모터 인걸로 알고있습니다... 무슨 차이인가요? 그냥 막연히 알기론 빅센은 스르륵....정도의 구동이고 다카는 휙!착! 의 구동이라는데......후략"

질문에 답하기 위하여 관련 자료를 찾아보았으나 책들이 전부 사과 박스 속에 들어있는지라 어느 박스에 있는지를 몰라 상세한 내용은 파악하지 못하였지만 상식적인 범위 내에서 답변합니다. 이것도 재미이므로 말 되는대로 적겠으니 양해바랍니다. 그런데 이 사과 박스 속에 현금이 들어있다면 얼마나 좋을까요. 누가 사과박스에 현금 넣어 가져오는 사람없나? 아니면 14인치 슈미트카세. 케이스 안에 현금 넣어와도 좋은데...

그럼 심심한데 '모터'란 놈에 대해서 잠깐 집고 넘어가겠습니다. 모터를 집고 넘어가려니 '전기' 기초에 대해서 먼저 이야기를 해야겠군요. 다 아시다싶이 전류의 흐르는 방향은 그림1과같이 표시합니다. 나가는 전류 방향을 'X'로 표시한 이유는 화살이 날아갈 때 뒷 쪽 날개가 X형태로 보이기 때문이고 들어오는 방향을 '점'으로 표시하는 이유는 화살이 나에게 날아올 때 화살 꼭지가 '점'으로 보이기 때문에 그렇습니다.

그림 2는 도선에 (전기장)을 흐르게하면 자기장이 생기는데 '오른나사를 돌리는 방향'으로 그 자속의 흐름이 생깁니다. 이게 유명한 '암페어의 법칙'입니다.

그림 3은 자장이 있는 자석 사이에 전기를 흘리면 자속이 밀(密)한 부분과 소(疎)한 부분이 생기는데 자연적으로 밀한 부분에서 소한 부분으로 도선을 밀어주는 힘이 생기게 되는 것을 보여주고 있습니다. 즉 전류, 자속이 있으면 '힘'이 생기게 됨을 말하지요. 이것이 직류모터이던 교류모터이던 스테핑모터이던 그 회전력(토오크)가 생기는 이치입니다. 즉 전동기의 원리를 말하는 것입니다. 이것이 플레밍의 왼손법칙인지 오른손 법칙인지는 모르겠습니다만 그 두 개 중의 하나입니다.

그림 4는 요위와는 반대로 내가 자속 사이에서 힘을 주어 도선을 잡아 당겼을 때 도선의 전기의 흐름 방향이 그 '움직임을 방해하는 방향'으로 전류가 흐릅니다. 즉 힘을 받도록 전류치가 흘러 도선이 움직이고자 하는 방향을 방해를 하는 것입니다. 이것이 유명한 '렌츠의 법칙'입니다. 그림 3과는 반대 현상입니다. 그림3과 그림 4현상을 플레밍의 왼손, 오른손 법칙이라하는데 어느게 왼손인지, 오른 손인지는 모르겠습니다. 굳이 안외워도 자속 방향을 따져보면 전류의 방향이나 힘을 받는 방향을 쉽게 알 수있습니다. 이 원리는 발전기가 전기를 일으키는 원리인데 이것만 보더라도 전동기와 발전기는 똑같고 단지 반대 현상을 이용하여 응용한 기기이라는 것을 알 수있습니다.

그림 5를 볼까요. 자석 사이에 둥근 도체 철판(예. 알루미늄판)을 놓고 자석으로 빙빙돌리니까 세상에 이런 일이 있을 수있나요? 알루미늄판이 같이 빙빙 돌아가는 것이 아니겠습니까? 왜 그럴까요? 알루미늄은 자석에 붙지도 않는데.... 이것이 유명한 '아라고의 원판'이라하는데 이태리 사람 아라고가 발견하였고 이게 유도 전동기의 발명의 동기가 되었습니다. 이 원리는 요위의 전자기 원리가 그대로 적용되는 것입니다. 자석을 돌린다는 것은 상대적으로 도체(알루미늄 원판)이 움직인다는 뜻이고 그럼 그 움직임을 반대하는 방향으로 전류가 원판에 흐르게 됩니다. 그런데 이 도체는 원판이므로 각 부위가 자속 범위에 들어오는 위치에 따라 그 전류 방향이 변하겠지요. 요걸 그려보면 '맴돌이 전류'가 됩니다. 이 맴돌이 전류에 의해서 힘을 받아 원판이 돌게 되는 것입니다. 물론 이 힘은 그림 3의 원리에서 발생한 힘입니다(이건 저도 과거에 각부위별로 한번 따져 본적이 있는데 그렇게 되었습니다).

1. 교류 유도 전동기
단상유도와 삼상 유도가 있습니다만 가정용은 단상인데 어렵게 생각할 것없고 선풍기 모터를 생각하면 됩니다. 뜯어보면 모터 외벽에는 철심에 코일이 감겨있고(고정자) 안에서 돌아가는 물체(회전자)는 알루미늄 주물로 되어 그기에 축이 심어져 선풍기 날개를 붙여 돌리게 되어있습니다. 그 원리를 설명한 것이 그림 6입니다. 외벽의 철심에 박혀있는 코일 다발은 요위에서 말한 도선인데 단지 도선이 여러 가닥으로 되어있다고 생각하면됩니다. 요위의 그림과 같이 코일의 한쪽이 나오는 전류이면 반대쪽은 들어가는 전류가 되도록 코일을 배열을 합니다. 그러면 그림 6과 그림 2의 암페어 법칙에 따라 한 방향으로만 강력하게 몰아주는 자속이 생깁니다. 그런데 교류는 주파수가 60헤르츠이고 이게 1초에 60번이나 자속 방향이 바뀌겠지요. 이게 만약 눈에 보인다면 네온사인이 빙그르르 돌아가듯이 자속 방향이 돌아가는 것처럼 됩니다. 즉 아라고의 원판처럼 영구 자석을 돌리지는 않지만 전자석을 빙그르르 돌리고 있는 것과 같습니다. 이를 '회전자계'라고 합니다. 여기에 아라고의 원판과 같은 알루미늄 주물 축이 있으므로 여기에 맴돌이 전류가 생기고 회전력이 얻어져 돌아가는 것입니다.

전번 글에서 제가 교류유도 전동기 회전수는 주파수에 비례하고 극수에 반비례한다고했는데 이제는 이해가 되겠지요. 주파수가 높으면 회전자계 속도가 빨라집니다. 그러나 극수는 많으면 회전자계 속도가 느려지는 결과가 되어 회전수가 줄어드는 것입니다. 요위의 그림 6은 2극 모터를 말하고 있습니다.

*교류 모터의 단점
단점이라기보다는 적도의 입장에서 보면 단점이라 이렇게 적습니다. 교류모터는 전번에도 이야기했지만 회전수가 주파수와 극수에 따라 정해지고 정동토오크를 넘어가는 부하를 걸면 모터의 특성이 없어집니다. 즉 토오크가 캑 죽어 힘이 없어져버립니다. 그래서 스위치를 켜면 바로 쌩 돌아가던지, 부하가 많이 걸려 안돌아가던지 양단 택일입니다. 즉 회전수 조정이 좁은 구역에서 밖에 안됩니다(예 3000~3600 RPM). 또 켜면 적어도 0.3~4초 이내에 정격 회전수에 도달합니다. 선풍기를 켜 보십시오. 바로 지가 돌아가는 속도로 돌아가지요. 그 이치를 말하고 있습니다. 이러면 내가 저속 회전수를 사용하고 싶어도 도저히 사용할 수없습니다. 또 회전수를 조정할 방법도 극수와 주파수외에는 없는데 극수는 생산시 결정되므로 주파수로 회전수를 조절하는데 주파수를 조절하려면 인버터를 사용해야합니다. 그런고로 적도의같이 저속, 고속의 다양한 회전수가 요구되는 곳에는 DC모터나 스테핑모터를 사용하게 됩니다.

2. DC 모터
앞에서 씰데없는 교류모터 이야기가 길었습니다만 DC 모터도 그 원리는 똑같습니다. 그림 7은 DC 모터를 보여주고 있는데 일단 고정자의 코일에 아닌 영구 자석과 같은 자장을 걸고 회전자에도 전류를 흘려 그림 3의 원리와 같은 힘을 받아 회전시키는 것입니다. 직류 모터는 회전자에도 코일이 있어 전류를 흘려야되므로 코일에 전선을 연결시켜주는 브러쉬가 필요하게됩니다. 우리가 흔히 보는 장난감 자동차에 들어있는 조그만 직류모터 구조가 여기에 해당되지요. DC 모터도 회전수와 토오크가 반비례하는 것은 교류모터와 같습니다(그림 10)

*DC 모터 특성
그럼 DC 모터는 어떻게 회전수를 조절할까요? DC 모터는 주파수, 극수도 필요없어 회전수가 고정되지 않고 다양하게 변합니다. 그 회전수 조정방법으로서는 '자계(磁界) 세기'로 조정, '저항치'로 조정, '전압'으로 조정하는 방법이 있는데 따지고 보면 모두 전원의 전류(OR 전압)으로 조정 가능하다는 이야기입니다. 그런고로 아주 저속에서부터 쌩쌩 돌아가는 고속을 커버하는 가대용 모터로서는 적당하다하겠습니다. 단 정확한 회전수를 얻어려면 입력 전원을 정확히 넣어줘야겠지요. 그러나 아무리 입력 전원을 정확히 넣어준다하더라도 모터라는 것은 'SLIP'이라는 것이 있어 그날의 기온 등에 따라 모터 효율이 달라지므로 약간의 회전수 오차가 발생합니다. 이걸 보정하는 방법으로 모터에 엔코더를 달아 기계적으로 회전수를 감지하여 피드백시켜 전원량을 재조정하는 구조로 하든지, 아니면 입력 전원(전압 OR 전류)를 아나로그식이 아닌 디지털식 비슷하게 미세한 조각으로 잘라서 아주 정확한 양으로 공급할 수도있겠습니다. 아마 빅센 스카이센서 모터는 이 두방법을 다 적용하고 있는 것같습니다. 이런 상황을 볼 때 DC 모터를 채용하여 가대의 정확한 품질을 맞추는 것이 훨씬 어렵다고 할 수있습니다. 그러나 전원양만 많이 공급하면 회전수가 얼마든지 빨라지므로 그게 아주 장점인지라 DC 모터를 채용했다고 봐야합니다.

3, 스테핑모터
스테핑모터는 자료를 찾지못했습니다만 그 원리는 별로 다를게 없습니다. 일단 구조는 회전자계를 만드는 교류 모터 타입이 아니고 직류모터타입이겠지요. 이것은 별도의 회로반에서 신호(펄스)를 발생시켜 이 펄스를 주면 째깍하면서 미소한 각도로 움직이는 모터입니다. 그러니 아주 미소한 각도로 움직이니 그 순간의 토오크는 무지 크게되는 것입니다. 단 일일이 펄스에 따라 움직이므로 회전수는 적습니다.

* 스테핑모터 특성
이건 산업용에 많이 쓰이는데 저속 정속 회전수를 얻고자 또는 정밀하게 제어되는 회전수를 얻고자 할 때 쓰입니다. 따라서 가대에는 스테핑모터를 쓰는 것이 가장 속 편합니다. 진동 문제와 회전수 문제가 난관인데 이것만 해결된다면 제어하기로는 세상에 편한 방법입니다. 따라서 돈도 회로반 포함하면 더 비싸겠지요. 이건 회전수를 더하고 빼고 할 것도 없고 그냥 펄스만 주면 그 양만큼 돌아가는 것입니다. 이런 면에서 빅센은 대단히 도전적인 회사라고 할 수있습니다.

내용은 긴데 답변은 부실한 답변이 된 것같습니다.

여담: 참고로 지하철의 전철 모터도 당연히 DC 모터입니다. 속도 제어를 0에서 일정치까지 시간을 두고 다양하게 변해야하니까요. 앞으로 운행될 경부고속전철도 DC 모터를 채용하겠지요. 이런 DC 모터는 진짜 고급모터입니다. 몇 년전에 동경역에서 오사카를 가면서 신간센을 몇 번 탔는데 동경과 오사카 거리는 거의 550km 정도이므로 서울--부산 거리보다 100km 이상 더 먼거리입니다. 이 신간센이 시속 250km로 달립니다. 그러면 2시간 30분 쯤 걸립니다. 신간센이 가속이 붙어 정상 속도를 내려면 동경역에서 요코하마를 지나야 제 속도를 냅니다. 즉 서울역에서 수원역 이상은 지나야 비로소 제 속도가 나는 것입니다. 그 때 그 생각을 했습니다. 이 열차 DC 모터 끝내주는구나....정말로 진동없이 스무스하게 가속되었습니다. 그러면서 박력있게 달립니다. 전 그 당시 진동 때문에 머리가 아픈 시절이었으니까요. 이 열차와 모터를 제작한 회사가 히타치(日立)인데 히타치는 회사 마크도 동그란 모양인데 이는 모터를 상징하는 것입니다. 일본도 태풍이 많은 곳이라 초강력 태풍에도 진동이 없도록 열차를 설계해야합니다. 그기다가 지진까지도 설계에 반영해야합니다. 이 놈의 지진실험(seismic test) 한가지만 해도 머리가 아프지요. 한번은 히타치기계연구소에 가서 신간센 열차 풍동 실험 장치를 본 적이 있었습다. 거대한 풍동 실험실이 세 개나 있었습니다. 참 어마어마한 실험장비를 가지고 있더군요. 히타치가 이 열차를 개발하여 신간센이 첫 주행을 한 것이 1965년이므로 40년이 다되어 갑니다. 그런데 우리는 고속전철을 프랑스와 기술제휴를 하고도 만날 날림공사다 뭐다 소리듣고 계획 연기에다....어느 세월에 이것 한번 타고 시원하게 열차 여행할 수 있을까요?

나에게 질문한 학생은 교양이 끝나고나면 기계과에 가고 싶다고 했는데 이 못난 선배를 본받지말고 우리도 물건 한번 잘 만들어서 우리 기술로 된 고속 열차 타고 멋지게 여행할 수있도록 기계공학도로 분발해주기를 당부합니다. 우리가 일본 놈보다 얼굴이 못생겼나 머리가 나쁜나 못할 이유가 뭐 있노? 정치는 그 사람들보다 좀 개판이지만....그건 오직 끈기있는 건성과 열정만이 해결할 수있는 것인데....꼭 기계공학도로서 자부심을 잃지말도록...