동기모터

동기모터는 동기속도로 회전하는 모터이다. 회전자가 장자석인 회전 장자석형을 일반적으로 쓴다.

개요

동기모터는 3상 대형 모터에 널리 사용된다. 고정자 쪽은 3상유도모터와 동일한 구조로 보아도 되지만, 회전자는 직류여자된 자극을 둔다. 정상으로 운전할 경우의 회전자속도는 전원 주파수가 일정한 한 120f/p로 된 일정값으로서, 이 값은 부하의 경중에 관계없이 완전히 일정하다는 점이 동기모터의 특징이라고 할 수 있다. 또 직류여자를 어느 값으로 하면 역률이 1로 되어 동일한 입력으로 교류 쪽에서 흘러들어가는 전류를 최소값으로 할 수 있는 것도 특징이다. 이와 같은 역률 조정은 유도모터로는 할 수 없다. 단상유도모터의 고정자와 동일한 구성에서 회전자는 계자권선을 없애고 자극표면에 농형유도체를 둔 것이 단상동기모터인데, 속도가 완전히 일정한 것을 필요조건으로 하는 특수용도에 사용된다.

진화

동기모터 중에 매입형 영구자석 동기모터는 자석과 자석 간에 발생하는 힘 외에 추가적인 힘을 이용할 수 있다. 즉, 영구자석이 철 속에 매입됐기 때문에 자석과 철 간에 발생하는 힘을 추가로 모터 회전에 이용한다. 자석 간에 발생하는 회전력을 마그네틱 토크라고 하며, 자석과 철 간에 발생하는 회전력을 릴럭턴스 토크라고 한다. 모터의 전체 토크는 이 둘의 합이다. 릴럭턴스 토크는 자기 저항을 최소화하려는 성질을 이용한다. 자력선은 N극에서 S극으로 최단 거리의 경로로 가려는 성질이 있기 때문이다. 즉, 영구자석이 회전자의 철심 속에 일정한 패턴으로 매입됐을 경우에 고정자의 전자석에 대해 회전자의 철심과 자석의 거리가 위치에 따라 달라진다. 이에 따라, 자기 저항도 달라진다. 자기 저항이 커지는 위치에서 자기 저항을 최소화하는 방향으로 회전하려는 힘이 발생하는데 이를 릴럭턴스 토크라고 한다. 릴럭턴스 토크는 동기모터 외에도 다양한 모터에 활용할 수 있다. 릴럭턴스 토크가 주 동력원이 되는 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM, Switched Reluctance Motors), 릴럭턴스 토크로 동기모터를 만드는 동기 릴럭턴스 모터(SynRM, Synchronous Reluctance Motor)가 있다. 최근에는 동기 릴럭턴스 모터에 매입형 영구자석까지 활용한 매입형 영구자석 동기 릴럭턴스 모터(IPM-SynRM, Internal Permanent Magnet-SynRM)의 적용이 늘어나고 있다.

원리

동기모터 회전자의 자극은 유도모터와 같이 고정자의 회전자계에 의해 자극이 유기되는 것이 아니라 직접 직류여자를 가하여 만들어진다. 중,대용량의 동기모터는 회전계자에 직류여자를 인가하기 위해 슬립링과 브러시를 갖추고 있으나, 소용량의 동기모터는 계자 극에 영구자석을 사용한다. 자석을 회전시키는 대신에 3상 권선을 한 고정자의 안쪽에 회전자를 두면, 회전자는 고정자의 회전자기장의 속도와 같은 속도로 회전한다. 정지하고 있는 동기모터는 자극이 무거워 회전자기장과 같은 속도로 회전할 수 없으므로, 처음에는 회전자를 동기 속도까지 회전시켜 주는 기동 방법이 필요하다. 동기모터는 여자기를 필요로 하며 값이 비싸지만, 속도가 일정하고 역률 조정이 쉽기 때문에 정속도 대용량으로 사용된다. 속도제어가 필요한 경우에는 주파수를 바꾸는 방법을 취한다.

장점

• 유도모터는 별다른 기교 없이 고정된 주파수를 가지는 상용 전원을 그냥 직입하더라도 탈조 없이 무난하게 회전력을 얻을 수 있다. 유도모터는 값비싼 전용 모터 드라이브를 사용하지 않아도 되며 부하가 있는 상태에서의 기동이 수월하다.
• 유도모터의 회전자는 그냥 묵직한 쇳덩어리이거나 코일 덩어리일 뿐이다. 그래서 기계적 강도 확보와 제작이 용이하고 모터 운전을 급하게 중지시키더라도 영구자석 모터와는 달리 회전자의 자화가 스스로 풀리므로 역기전력 걱정을 할 필요가 없어서 안전하다. 구동 시 별도의 드라이브가 필요하지 않으며 드라이브를 쓰더라도 비교적 센서 의존도가 낮고, 영구자석이 들어가지 않아 구조가 단순하고 제작이 쉽기 때문에 시스템의 가격이 저렴해질 수 있다.
• 일반적인 유도모터 제작에는, 고온에 취약하고 영구적인 성능 감소를 일으킬 수 있는 자석이 사용되지 않으므로 코일만 견디어 주면 열에 의한 성능 문제가 적고 과부하에 강하다.
• 단순한 구조와 우수한 전기적, 기계적 특성이 결합하여 대용량 모터 제작 및 구동이 영구자석 모터에 비해 수월하다. 여러 가지 사용에 유용한 특성이 있어 전기 기관차, 전기자동차, 엘리베이터 등 많은 애플리케이션에 유도모터가 적용되고 있다.

같이 보기

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