유도모터

유도모터(Induction motor)는 교류로 동작하는 모터의 대표적인 예로, 고정자와 회전자로 구성된다. 교류 전기로 고정자에 회전 자기장을 발생시키고 도체의 회전자에 유도 전류를 발생시키면, 회전자가 전자기력을 받아 회전 자기장에 대응하여 회전 운동을 하는 원리로 작동한다. 유도전동기(誘導電動機)라고도 한다.

개요

유도모터는 교류모터의 대표적인 예이다. 고정자가 만드는 회전 자계에 의해, 전기 전도체의 회전자에 유도 전류가 발생해 미끄러짐에 대응한 회전 토크가 발생한다. 입력되는 교류 전원의 종류에 의해서 크게 단상유도모터와 3상유도모터로 나뉘는데, 일반적으로는 특별한 기교 없이 회전 자기장을 얻을 수 있는 3상 교류를 이용한다. 같은 교류모터인 동기모터와 같이 탈조하는 일이 없기 때문에 토크 변동이 큰 부하에 적합하다고 여겨지지만, 미끄러짐에 의해 토크를 얻는 원리상 회전 속도의 제어가 곤란하게 되는 단점이 있다. 다만, 이 문제는 전력용 전자공학의 발전에 의해 인버터 회로로 회전수를 자유자재로 제어할 수 있게 되었기 때문에 거의 해소되었다. 유도모터는 전기자동차의 용도, 특성, 크기, 비용 등 다양한 요소에 따라 사용된다. 대표적인 업체로 테슬라(Tesla)가 있고 아우디(Audi)와 비엠더블유(BMW)도 일부 모델에 유도모터를 채택하여 사용하고 있다.

작동 원리

유도모터와 동기모터에서, 모터의 고정자에 공급되는 교류 전력은 교류 진동에 맞춰서 회전 자기장을 생성한다. 동기모터의 회전자는 고정자 필드와 같은 속도로 회전하는 반면, 유도모터의 회전자는 고정자 필드보다 느린 속도로 회전한다. 따라서 유도모터 고정자의 자기장은 회전자에 대해서 변화하거나 회전한다. 이것은 유도모터의 회전자에 대향하는 전류를 유도하며, 실제로 모터의 2차 권선은 외부 임피던스를 통해 단락되거나 닫힐 때 발생한다. 회전 자속은 회전자의 권선에 자기 전속을 유도한다. 그것은 변압기의 2차 권선에 유도된 전류와 유사한 방식으로 전류를 흐르게 한다. 회전자 권선의 전류는 회전자에서 고정자 필드에 반응하는 자기장을 생성한다. 렌츠의 법칙으로 생성된 자기장의 방향은 회전자 권선을 통한 전류의 변화에 반대하는 것과 같다. 회전자 권선에서 유도 전류의 원인은 회전하는 고정자 자기장이다. 회전자 권선 전류의 변화에 맞서기 위해 회전자는 회전하는 고정자 자기장의 방향으로 회전하기 시작한다. 회전자는 유도 회전자 전류와 토크의 크기가 하중의 균형을 이룰 때까지 가속한다. 회전자의 속도가 동기 속도 이하로 내려가면, 회전자 자계에서 회전 속도는 올라간다. 회전자에 유도된 자기장의 회전 속도와 고정자의 회전 방향에서 필드 회전 속도 사이의 비율을 슬립이라고 한다. 하중이 늘어나면 속도가 내려가고 슬립이 증가하여 부하를 돌리는데 충분한 토크가 발생한다. 이러한 이유로, 유도모터는 때때로 비동기 모터라고 한다. 유도모터는 유도 발전기로 사용할 수 있으며 직선 운동을 직접 생성할 수 있는 직선형 유도모터를 형성하기 위해 전개될 수 있다.

동기 속도

교류 전동기의 동기 속도 $n_{s}$는 고정자 자계의 회전 속도이다.

$n_{s}={2f \over {p}}$ $f$는 전동기 공급 장치의 주파수이며, $p$는 자극의 수이고 $n_{s}$와 $f$는 동일한 단위이다. $f$를 단위 헤르츠로, 분당 회전수에서 $n_{s}$로 하면 공식은 다음과 같이 된다.

$n_{s}={2f \over {p}}\cdot \left({\frac {60\ \mathrm {s} }{\mathrm {min} }}\right)={120f \over {p}}\cdot \left({\frac {\mathrm {s} }{\mathrm {min} }}\right)$

슬립

슬립$s$는 동기 속도와 작동 속도의 차이로 동일한 주파수에서 rpm, % 또는 동기 속도 비율로 표현된다. 따라서

$s={\frac {n_{s}-n_{r}}{n_{s}}}\,$에서 $n_{s}$는 고정자 전기 속도이고, $n_{r}$는 회전자 기계 속도이다. 회전자가 정지할때, 슬립은 전동기의 토크를 결정한다. 단락된 회전자 권선은 저항이 작기 때문에, 작은 슬립은 회전자에 전류를 유도하고 큰 토크를 발생시킨다. 이러한 속도 변동은 크기가 다른 전동기가 기계적으로 연결된 경우 부하 공유 문제가 발생할 수 있다. 슬립을 줄이기 위한 다양한 방법이 있으며, 종종 VFD가 최적의 솔루션을 제공한다.

구조

유도모터의 정류자는 회전자를 관통하는 자기장을 유도하기 위해 공급 전류를 운반하는 자극으로 구성된다. 자기장의 분포를 최적화하기 위해 권선은 N극과 S극의 동일한 수를 지닌 자계와 고정자 슬롯 주위에 분포된다. 유도모터는 가장 일반적으로 단상 또는 3상 전원으로 작동하지만, 2개의 모터가 존재한다. 단상모터는 시동할 때 회전 필드를 생성하기 위해 몇 가지 메커니즘이 필요하다. 케이지 유도모터 회전자의 도체 막대기는 보통 소음을 저감하기 위해 왜곡한다.

회전 반전

유도모터의 회전 방향을 변경하는 방법은 3상 또는 단상 시스템에 따라 달라진다. 3상의 경우, 반전이 2상 도체의 접속을 교환함으로써 이루어진다. 단상 분상 모터에서, 그것은 주요 권선과 기동 회로 사이의 접속을 변경함으로써 이루어진다. 특정 응용프로그램을 위해 설계되는 단상 분상 모터는 주요 권선과 회전을 변경하지 못하도록 내부로 연결되는 시동 회로 사이에서 접속할 수 있다.

분류

단상유도모터

단상유도모터는 대부분 출력 400W 이하인 소형기인데 가정용 전기기구인 선풍기, 전기세탁기, 우물펌프 등은 단상유도모터를 내장하고 있다. 유도모터는 3상기가 좋으며, 750W 이상의 것은 대부분이 3이상이다. 단상기가 소형 기기에 많이 사용되는 것은, 일반 가정의 전원이 단상교류이기 때문이다. 단상유도모터의 가장 간단한 것은 고정측에 단상의 주권선을, 회전축에 농형으로 짜인 도체를 둔 것이지만, 이 구성으로는 토크가 없어 실용할 수 없으므로, 시동 토크를 발생시키기 위해서 다음과 같은 형식이 연구되었다.

기동법

• 분상형: 고정자에 보조 권선을 더하여 주권선과 5상권선을 형성한 것으로, 보조 권선에 콘덴서를 직렬로 넣은 것을 콘덴서 분상형이라고 한다. 회전자에 원심력으로 작동하는 스위치를 두고, 이것을 보조 권선에 넣어 둔다. 회전속도가 정상속도의 80% 정도로 되면 스위치가 끊어져서 주권선만으로 회전을 계속하는데, 이것을 저항분상형이라고 한다. 또, 스위치를 없애고 보조 권선과 콘덴서가 통전된 상태에서 운전을 계속하는 방식도 있다.
• 셰이딩 코일형: W의 소형에 많이 사용되는 방식으로, 고정측에 주권선 외에 셰이딩 코일을 놓고, 이것으로 시동 토크를 얻는 것이다.
• 반발형: 고정측은 주권선뿐이고, 회전측은 직류기처럼 정류자가 있어 그 위에 둔 2개의 브러시를 단락하고 있다. 브러시의 위치를 가감함으로써 큰 시동 토크를 얻을 수 있다. 즉, 시동시에는 다른 모터로서 동작하는데, 가속 후에는 원심력 스위치로 정류자를 단락하여, 다상의 회전자 권선으로 바뀌어 유도모터로서 작동한다.

3상유도모터

3상유도모터는 서로 다른 위상을 가진 3개의 교류를 이용해 전자석을 만들어 동력을 얻는 장치이다. 교류모터에는 고정자와 회전자가 있고 고정자에는 코일이 감겨 있다. 3상(aa, bb, cc)코일을 한 고정자 안쪽에 회전자를 둔 다음 전기를 보내주면 고정자에 회전 자기장이 발생하고 회전자는 고정자의 회전 자기장 속도로 시계 방향으로 회전한다. 이것을 3상유도모터라고 한다.

원리

아라고 원판 위아래로 자석을 두고 이 자석을 회전시키면 자석을 회전하는 방향으로 아라고 원판이 함께 회전하게 된다. 자석을 시계방향으로 회전하면 아라고 원판도 시계방향으로 힘을 받아 회전하는 원리로 유도모터도 회전을 하게 된다. 유도모터가 회전하려면 자석이 발생하는 자속을 원판이 끊어 주어 스스로 전자유도 전류를 발생시켜야 원판이 힘을 받아 회전을 할 수 있다. 전류가 흐르기 위해서 전자유도법칙에 의한 기전력이 발생하여야 한다. 이를 위해서 유도기는 우선 페러데이의 전자유도 법칙에 따라 발전기의 역할을 하여 기전력을 발생시키고 전류를 흐르게 해야 한다. 계자에서 자속이 발생하여야 하며 도체를 이용하여 자속을 끊어 기전력을 발생시켜야 한다. 자석이 발생시킨 자속을 아라고 원판이 끊어 주어 기전력을 발생시켜야 한다. 자석이 시계방향으로 회전을 하면 아라고 원판은 반시계방향으로 운동하는 효과가 나타난다. 자석의 자계가 위에서 아래로 발생하는데 원판이 자속을 끊어주므로 아라고 원판에 플레밍의 오른손 법칙에 따라 원판 중심으로 유기기전력이 발생하게 된다. 유도모터에서는 아라고 원판과 같이 자석을 회전시키지 않는다. 대신 3상 전류를 공급하여 회전하는 자계를 형성함으로써 자석이 회전하는 것과 같은 역할을 3상 전류가 하게 된다.

구조

3상유도모터에는 고정자에 3상 유도코일을 감아 회전자를 발생시킨다. 회전자에는 회전자 도체가 있고 구리 막대나 권선을 감는다. 3상 교류 전원은 회전자기장을 발생시키는데 이는 자석을 회전시키는 것과 같은 역할을 하게 된다. 원판이 지속을 끊어 주어야 원판이 힘을 받아 회전하게 된다. 이러한 역할을 하는 것이 회전자의 도체이다. 원판은 회전자계와 같은 방향으로 회전을 하게 된다.

종류

• 농형유도모터: 3상 교류로 회전자계를 생성하여, 도체의 양단을 모두 단락시킨 농형 구조로 농형 회전자를 이용한 모터이다. 유도모터의 고정자에서 계자 권선은 3상 전류를 통해 회전자계를 설정한다. 이 필드와 회전자 사이의 상대적인 운동은 도체 바에서 전류를 유도한다. 사실상 회전자가 자계 주위를 회전하지만 약간 느린 속도로 주위에서 이루어진다. 철심 전동기는 도체를 통해 자기장을 이루는 역할을 한다. 회전자의 자계가 시간에 따라 교류하기 때문에, 코어는 코어의 에너지 손실을 줄이기 위해 변압기 코어와 유사한 구성을 이용한다. 이것은 코어 순환 와전류를 줄이고, 절연 바니시로 구분되는 얇은 박판으로 이루어진다. 모터 바의 형상 및 깊이는 유도모터의 속도, 토크 특성을 다양화하는데 이용될 수 있다. 표피 효과로 인해 유도모터가 외측 가장자리에서 흐리기 쉽다. 모터가 가속하는 바와 같이, 슬립 주파수가 감소하고 굴곡의 큰 깊이에서 유도 전류가 흐른다.
• 권선형유도모터: 회전자에 권선과 슬립링을 가진 유도모터를 말한다. 권선형유도모터는 시동특성이 우수하여, 시동시에는 큰 토크를 필요로 하는 경우나 속도 제어가 필요한 경우에 주로 사용된다. 회전자 철심에 3상 권선을 감아 2차 권선으로 하고, 극 각 상 권선의 3개의 단자에는 축에 설치된 슬립링을 경유하여 브러시에 의해 2차 전류를 외부로 안내하는 구조로 되어있다.

단상유도모터와 3상유도모터 차이점

단상유도모터와 3상유도모터의 주된 차이점은 단상유도모터가 단상 전원으로 작동하는 반면 3상유도모터는 3상 전원으로 작동한다는 것이다. 3상유도모터는 단일 전원에서 작동 할 수 있지만, 자체 시동되지 않는다. 단상 전력에서 전원 전압은 조화를 이룬다. 그러나 3상 전력에서 이 기능은 전기 생성, 전송 및 분배 사이에서 번갈아 일어난다. 3상 전력은 전 세계 전력 그리드에서 전력을 전송하는데 가장 일반적으로 사용되는 방법이다. 단상 전력은 넓은 지역이나 프로젝트에 거의 사용되지 않는다. 이는 단상 전력이 일반적으로 3상 전력보다 비싸고 신뢰성이 낮기 때문이다. 3상 전력은 전기를 전송하기 위한 것보다 적은 도체 물질을 사용하기 때문에 경제적이다. 그러나 단상 전력 및 단상유도모터는 가정, 사무실, 상점 및 소규모 공장과 같은 작은 규모에서 사용된다. 대부분의 전력 요건이 단상 모터에 의해 쉽게 충족될 수 있기 때문이다. 3상 모터 및 전력은 더 많은 전력을 생산할 수 있기 때문에 대규모 산업 또는 프로젝트에서 보편적으로 사용된다. 단상유도모터 및 3상유도모터는 고정자와 회전자의 두 부분으로 구성된다. 로터는 유도모터의 회전 부분인데 샤프트를 통해 기계적 부하에 연결된다. 고정자는 고정파로 움직이지 않는다. 그것은 필드 마그넷으로 작동하고 로터에 의해 생성된 모션과 상호 작용하여 힘을 생성하는 데 도움이 된다. 단상유도모터는 회전하는 필드가 없지만 180도 반전된다. 3상유도모터는 일반적으로 자체 시동 메커니즘을 가지고 있다. 또한, 3상유도모터에서 위상은 120도 떨어져 있어 적절한 회전 필드가 생성될 수 있다. 3상유도모터는 단상유도모터보다 저렴하고 효율적이다. 그러나 단상유도모터는 일반적으로 전력 소비가 적고 저렴하고 경제적이다.

선형 유도모터

선형 유도모터는 회전 유도 모터와 같은 일반적인 원리에서 작동하고 종종 3상 직선 운동을 생성하도록 설계된다. 용도는 자기 부상, 선형 추진, 선형 구동기, 그리고 액체 금속 펌프를 포함한다.

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 쉬우므로 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.

단점

• 구동 원리상 회전자에도 단락 전류가 흐르기 때문에 이로 인한 손실이 추가로 발생한다. 영구자석 모터는 영구자석 자체가 자속원이기 때문에 회전자에 전류가 흐를 필요가 없다.
• 유도모터는 저속에서 토크가 낮고 최대 속도 근처에서 최대 토크가 나오며, 해당 지점 뒤부터 속도가 올라갈수록 토크가 급강하하는 형태의 성능 곡선이 그려진다. 그러므로 최대 출력 영역이 너무 좁고 고속 동작이 어려우며 막상 토크가 가장 필요할 초기 구동 시에 최대 토크를 낼 수가 없다는 결점이 있다. 이 단점은 어디까지나 주파수가 고정된 상용 전원을 사용하는 경우의 이야기로, 이 문제점은 모터 드라이브의 제어로 거의 완벽하게 보완할 수 있다. 특히 전기자동차의 성능과 인터넷에 흔히 있는 유도모터 특성이 상반되게 설명되어 혼란을 빚는 경우가 많은데 전기자동차의 모터는 모터 드라이브의 제어를 받기 때문에 이야기가 완전히 다르다. 모터 드라이브가 있으면 전원의 주파수와 전압부터 슬립 주파수에 심지어는 자속까지 모두 제어가 가능하기 때문이다. 제어를 받으면 유도모터도 직류모터와 유사한 성능 곡선과 특성으로 운전할 수 있다.
• 적당히 구동하는 것은 동기모터보다 쉬운데 막상 제대로 제어를 걸려고 하면 꽤 번거롭다. 왜냐하면 동기모터는 상수로 고정되는 특성이 많아서 대체로 전기자 전류와 회전수만 신경 쓰면 되지만 유도모터는 계자 자속부터 전기자 전류, 회전수, 주파수 모두에 영향을 받기 때문에 특성의 변화가 심하고 성능에 영향을 주는 변수가 동기모터에 비해 훨씬 더 많다. 이런 점들을 모두 고려해서 제어를 해줘야 하므로 특성을 예측하고 시험하기가 동기모터보다 어렵다.

참고자료

• 〈유도전동기〉, 《위키백과》
• 〈단상유도전동기〉, 《두산백과》
• 〈권선형유도전동기〉, 《네이버 지식백과》
• 〈3상 유도 전동기〉, 《네이버 지식백과》
• 〈유도전동기〉, 《물리학백과》
• 〈농형 3상 유도전동기〉, 《위키백과》
• 〈단상 및 삼상 모터의 차이점〉, 《나타파》
• 비버, 〈3상 유도전동기의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2021-03-07
• 친절한냉동C, 〈3상 유도 전동기의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2015-11-20
• 윌리, 〈05. 교류 모터의 종류 : 동기모터, 유도모터〉, 《네이버 블로그》, 2021-10-01
• 오빅 오빅, 〈모터-(1) 모터의 기본, 농형 유도 전동기와 권선형 유도 전동기〉, 《티스토리》, 2016-05-10

같이 보기

• 교류모터
• 직류모터
• 동기모터

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