모터 칼럼모터에 최대 전류가 흐르는 조건

모터를 사용하는 어플리케이션에서, 모터 드라이버 IC의 능력이나 전원의 사양을 결정하는 경우, 모터에 흐르는 최대 전류가 어느 정도인지 파악해 두어야 합니다. 지정된 정상 조건에서의 최대 전류 등에 대한 정보는 모터의 사양서를 통해 입수할 수 있지만, 실제 사용에 있어서는 정상적인 정회전이나 역회전과 더불어, 시동 및 정지 (브레이크)와 같은 과도적인 동작 조건이 존재합니다. 이번 편에서는 모터에 최대 전류가 흐르는 조건에 대해 설명하겠습니다.

Brush DC 모터에 최대 전류가 흐르는 조건

Brush DC 모터의 동작 시, 어떤 조건이나 상태일 때 모터 전류가 최대로 흐르는지 알아보겠습니다.

모터의 동작 시 최대 전류가 흐르는 경우는, 일정 방향으로 무부하 조건에서 최대 회전수로 회전하는 상태에서, 순간적으로 역회전 동작시킨 직후입니다. 그림 1은 Brush DC 모터의 등가 회로이며, 그림 2는 Brush DC 모터가 최대 회전수로 회전할 때 전원의 극성을 반전시키기 직전과 직후의 등가 회로입니다.

Brush DC 모터는 등가적으로 저항, 인덕턴스, 모터 발전 전압의 직렬 접속 회로로 나타낼 수 있습니다. 일정 방향으로 회전하고 있는 경우, 무부하 조건에서 회전수가 최대가 되면 모터의 발전 전압도 최대가 되며, 그 수치를 Ecmax로 표기하였습니다 (그림 2–(a) 참조). 이 상태에서 반대 방향으로 회전 (역회전)시키기 위해 전원의 극성을 반대로 모터에 접속합니다 (그림 2–(b) 참조).

이 때, 전원전압과 발전 전압이 가산되어, 모터의 저항과 인덕턴스의 직렬 회로에 인가됩니다. 따라서, 모터 동작 중에서 가장 큰 전류가 흐르게 됩니다. 이 때의 전류 변화는 그림 3의 청색선과 같습니다.

세로축의 흑색 점선이 전원을 반전시킨 타이밍으로, 급격하게 모터 전류가 상승합니다. 최대 전류를 Ipk라고 하면 (청색 점선) Ipk＝(Ea＋Ecmax)/R의 전류가 흘러야 하지만, 인덕턴스로 인해 전류의 상승에 시정수가 발생하여 전류가 급격하게 상승하므로, 실제의 피크 전류는 식이 나타내는 최대치까지는 도달하지 않습니다.

모터의 전원을 반전시키면 역방향으로 전류가 흘러, 기존 방향의 회전에 대해 역회전시키는 토크가 동작하므로 회전수가 줄어듭니다. 모터의 발전 전압은 회전수에 비례하므로, 발전 전압도 저하되어 모터에 흐르는 전류도 줄어듭니다 (각속도가 제로크로스하는 적색 점선으로 구별된 정회전 영역).

이와 같이 Brush 모터의 최대 전류는, 최대 회전 시에 역회전으로 전환되는 순간부터 약간의 시간 (시정수) 후에 흐르게 됩니다.