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교류모터
교류모터(AC Motor)는 교류가 구동하는 전동기이다. 교류전동기라고도 한다.
목차
개요
교류모터는 기본적으로 외부 고정자와 내부 회전자로 구성되어 있다. 교전 전류가 고정자 권선에 공급되면 전자기유도에 의해 자기장이 변화한다. 이때 회전자에서 회전하는 자기장에 의해 유도전류가 생기고 토크에 의해 회전자에 있는 축에서 회전력이 발생한다. 보통 50~60Hz의 교류전원을 사용하지만, 높은 회전속도를 얻고자 할 때는 수백 Hz에 이르는 높은 주파수의 교류전원을 사용하기도 한다. 소형 모터의 회전자에는 단락된 권선을 사용하고, 대형 교류모터에는 권선을 감아서 사용한다. 교류모터는 크게 단상식과 삼상식으로 나뉘며, 회전자의 유형에 따라 유도모터, 동기모터, 정류자 모터로 분류한다. 일정한 주파수 전원으로 운전할 경우, 유도모터는 대체로 정속도를 유지하며, 동기모터는 완전한 정속도를 갖고 정류자 모터는 광범위한 영역에서 속도 조절이 가능하다. 교류모터는 선풍기, 세탁기, 냉장고, 펌프, 크레인 등 가정과 산업 현장에 전반에서 널리 사용되고 있다. 교류모터는 구조가 간단하고 브러시나 정류자와 같은 기계 소모부가 없고, 고속에서 순간 최대 토크를 출력할 수 있어 응답 특성이 빠르며 무게당 토크가 크므로 소형 경량화할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 제어 방법이 복잡하다는 단점이 있다.[1]
원리
교류모터가 정상적인 회전 상태에 있을 때, 회전자 및 고정자의 자기장은 미끄러지지 않고 회전한다. 회전자와 고정자 전극 사이의 자기력은 정격 속도에서 부하를 구동할 수 있는 평균 토크를 생성한다. 교류모터는 두 개의 회전을 각각 회전자 또는 고정자의 자계와 함께 동작한다. 교류모터는 직류전류를 사용하는 배터리에서 전력을 끌어와야 하므로 인버터가 필요하다.[2] 교류모터의 두 가지 주요 유형은 유도 또는 동기로 분류한다. 유도모터는 항상 회전자 권선에서 회전류를 유도하는 자계 회전 고정자와 슬립이라고 하는 회전자 축 속도의 차이에 의존한다. 동기모터는 정확하게 동기 속도에서 정격 토크를 생성한다.[3]
역사
교류 기술은 변화하는 자기장이 회로에 전류를 유도할 수 있는 마이클 패러데이(Michael Faraday)와 조셉 헨리(Joseph Henry)의 1830-1831년 발견에 뿌리를 두고 있었다. 패러데이는 자신이 발견한 사실을 먼저 발표했기 때문에 이 발견에 대한 대가를 인정받는다. 1832년에 프랑스 악기 제작자 히폴리테 픽시(Hippolyte Pixii)는 최초의 교류 발전기를 설계하고 제작했을 때 원유 형태의 교류를 발생시켰다. 그것은 2개의 감긴 철사 코일을 지나가는 회전형 말굽자석으로 이루어져 있었다. 장거리 고전압 전송에서 교류의 장점 때문에, 19세기 후반 미국 및 유럽에서 많은 교류모터 개발을 시도한 발명가가 있었다. 회전 자기장을 처음으로 고안한 사람은 월터 베일리(Walter Bailey)였다. 월터 베일리는 1879년 6월 28일에 정류자가 런던의 물리학회에 도움을 준 배터리로 작동하는 다상 모터를 시연했다.[3]
종류
유도모터
유도모터는 회전하지 않는 고정자와 회전할 수 있는 회전자로 이루어지며, 고정자 권선에 회전 자계가 발생하는 전류를 공급하면 전자 유도에 의해 회전자 권선에 유도 전류가 흘러 토크를 발생하여 회전하는 모터이다. 유도모터는 보통 정류자를 갖지 않고, 정상 운전 상태에서는 동기 속도보다 느린 속도로 회전한다. 단상, 3상이 있으며 회전자의 구조에 따라 농형, 권선형으로 나뉜다. 일반적으로 널리 쓰이는 모터이다.[4]
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.[5]
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.[5]
종류
- 3상 유도모터: 서로 다른 위상을 가지는 3개의 교류를 이용해 전자석을 만들어 동력을 얻는 장치이다.[6] 로터 속도는 반드시 고정자에 의해 생성 된 동기 속도에 도달하지 못한다. 속도가 동일해지면 그러한 상대 속도가 없기 때문에 회전자에 EMF가 발생하지 않으며 전류가 흐르지 않으므로 토크가 발생하지 않는다. 따라서 로터가 동기 속도에 도달할 수 없다. 고정자와 회전자 속도의 차이를 슬립이라고 하는데 유도모터의 자기장의 회전은 회전자에 전기 연결할 필요가 없다.[7]
- 단상 유도모터: 교대로 바뀌는 자계를 이용한다. 단상유도모터의 회전자에는 농형 회전자가 사용된다. 고정자에 단상 코일 밖에 없는 단상유도모터는 교류전압이 가해지면 교번자기장을 만들게 된다. 단상유도모터를 시동시키는 방법으로는 고정자에 주 코일 외에 보조코일을 설치하여 여기에 주 코일과 위상이 다른 전류가 흐르도록 하여 불완전하면서도 회전자기장을 만드는 시동 토크를 발생시키는 것이 보통이다.[8] 시동 토크가 낮고 쉽게 수리하고 유지할 수 있다. 3상유도모터에 비해 구조가 간단하고 신뢰성이 높으며 경제적이다. 효율성과 역률은 3상유도모터에 비해 낮다.[9]
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.[10]
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 보완이 가능하다. 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.[10]
동기모터
동기모터는 회전자에도 권선이 있거나, 회전자에 영구자석을 부착하는 모터이다. 동기모터는 효율이 높고, 출력밀도가 우수해 전기차 구동모터에 가장 널리 채택되어 사용된다. 동기모터는 고정자에 3상 교류를 통해 만든 회전자계에 의해 회전자에 위치한 영구자석이 같이 회전한다. 회전자계와 영구자석의 회전수가 동일하기 때문에 동기모터라고 불린다. 동기모터에서 회전자계에 흐르는 전류의 주파수와 회전자의 회전수는 비례한다. 따라서 전류의 주파수를 변화시키면 회전수를 제어할 수 있다. 영구자석이 없으면, 권선에 전류를 보내 전자석을 만든다. 동기모터는 인버터를 통해 전류를 조절한다. 전류가 급격히 변하여 동기가 끊겨버리면 모터가 감속하거나 정지해 버린다. 따라서 회전자의 영구자석 위치를 위치 센서로 지속해서 검출해 전류의 양과 주파수를 제어하여 동기 상태를 유지한다. 영구자석의 배치 방법에 따라 동기모터를 구분하기도 한다. 다양한 배치 방법이 있으나 크게 회전자의 표면에 영구자석을 붙이는 표면부착용 영구자석 동기모터와 회전자 내부에 영구자석을 삽입하는 매입형 영구자석 동기모터로 나눌 수 있다. 매입형 영구자석이 고속 회전에 더 유리해 널리 쓰이는 표면부착형 영구자석은 저속, 저출력 모터에 사용된다. 영구자석 매입 방법에 따라 다시 원주매입형과 방사 매입형 등 다양한 형태가 있다. 매입형 영구자석은 자석에서 나오는 힘 외에 추가적인 힘을 쓸 수 있어 구동모터의 표준이 되고 있다.[11]
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.[11]
장점
- 동기모터는 권선계자형을 제외하면 계자자속을 유지하는 데에 별도의 에너지가 들어가지 않으므로 계자 자속을 만들기 위해 추가적인 전력을 투입하지 않을 수 있어 손실 요인이 감소한다. 이 장점은 영구자석 모터와 비영구자석 모터 모두 포함되는데 일반적으로 영구자석 쪽이 더 효율이 높다.
- 회전자에도 전류가 흘러야 하고 무조건 일정 이상의 교류전원이 들어가야 하는 유도모터와 달리 동기모터는 그럴 필요가 없으므로 정숙성 확보가 약간 더 유리하다. 다만 대용량일 경우에는 둘 다 소음이 필연적으로 나게 되고 전기적 소음은 드라이브의 영향도 커서 차이가 미미하긴 하다.
- 동기모터는 유도모터에 비해 발열이 더 적고 효율이 높아 동일 사이즈에서 고성능의 모터를 만들기가 쉽다.
- 모든 교류모터는 회전수 주파수에 비례하는 특성이 있지만 이건 부하가 없을 때의 이야기이다. 실제로 상용 전원을 넣고 부하를 걸어보면 슬립이 커지면서 회전수가 점점 떨어진다. 반면에 동기모터는 상용 전원 조건에서 부하가 어느 정도 실리더라도 회전수가 바뀌지 않으므로 초기기동만 잘 된다면 꽤 유용한 정속성을 얻을 수 있다. 그래서 상용 전원을 주로 쓰던 시절에는 정속 구동용 모터로 많이 사용되었다. 대신 부하가 너무 커서 동기모터의 토크로 감당이 안 되면 고정자 회전 자계와 회전자의 동기가 깨지면서 그냥 뚝 서버린다는 문제가 있다.
- 모터드라이브의 제어를 받는 동기모터는 회전자의 위치에 따라서 모터드라이브가 전류의 위상을 실시간으로 제어하는데 이 전류가 반드시 일정 주파수 이상의 교류일 필요가 없어서 정지 상태 유지 등의 위치제어 성능이 매우 좋고 응답성이 뛰어나다.[12]
단점
- 일반적으로 동기모터는 유도모터보다 가격이 비싸다. 자석 성능 개선 및 특이한 회전자 형상의 설계 등으로 인한 가공 비용이 추가된다.
- 작류모터는 계자 자속과 전기자 자속의 위상차를 기계적으로 맞춰주는 정류자와 브러시가 존재하지만 동기모터는 그러한 장치가 없어서 교류 전원을 무작정 때려 넣으면 동기각이 맞지 않아 정상적으로 회전하지 못한다. 약하게 토크가 생기기지만 회전자 관성과 부하를 이길 만큼 되지 않아 연속적인 회전으로 이어지지 못한다. 상용 전원에서 사용하려면 전동기를 상용 전원 주파수에 맞게 먼저 회전시켜야 한다.
- 위치 센서 없이도 인버터가 자체적으로 회전자의 위치를 추적하여 제어하는 센서리스 벡터제어가 상용화되긴 했으나 아무래도 센서가 있을 때보다 성능과 안정성이 떨어지므로 정속도만 필요한 저가 시스템이나 속도제어 성능에 매우 둔감한 시스템에서 쓰인다. 특히 역기전력 검출이 어려운 영속도를 자주 드나드는 위치제어가 요구되거나 빠른 응답성이 필요한 서보제어와 로봇, 그리고 최상의 성능이 필요한 차량 같은 시스템에는 센서리스 구성의 채용을 신중하게 한다. 전기기관차같이 주변 환경이 나쁜 대용량 시스템에서 영구자석 모터를 쓴다면 센서리스 운용을 하는 경우가 많다. 용량이 워낙 크다 보니 물리적, 전기적으로 연약한 센서가 망가지기 쉽고, 작동하더라도 잡음으로 인한 위험이 매우 크다.[12]
각주
- ↑ Tayler's Story, 〈모터의 종류 - AC 모터, DC 모터, BLDC 모터〉, 《티스토리》, 2010-12-27
- ↑ 모토야, 〈전기차의 심장, 전동기에 대해 알아보자〉, 《모토야》, 2021-08-10
- ↑ 3.0 3.1 〈교류전동기〉, 《위키백과》
- ↑ 〈유도 전동기〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 5.0 5.1 〈유도전동기〉, 《위키백과》
- ↑ 친절한냉동C, 〈3상 유도 전동기의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2015-11-20
- ↑ 〈3 상 유도 전동기 정의 및 작동 원리〉, 《리버글레냅스》
- ↑ 〈단상유도전동기(single phase induction motor )〉, 《사이언스올》, 2010-08-09
- ↑ 〈단상 및 3 상 유도 전동기의 차이〉, 《일러스트레이션프라이즈》
- ↑ 10.0 10.1 〈유도전동기〉, 《물리학백과》
- ↑ 11.0 11.1 윌리, 〈05.교류 모터의 종류 : 동기모터, 유도모터〉, 《네이버 블로그》, 2021-10-01
- ↑ 12.0 12.1 〈교류전동기 (r20210301판)〉, 《더위키》
참고자료
- 〈교류전동기〉, 《위키백과》
- 〈유도전동기〉, 《위키백과》
- 〈유도전동기〉, 《물리학백과》
- 〈교류전동기 (r20210301판)〉, 《더위키》
- 〈유도 전동기〉, 《네이버 지식백과》
- 〈3 상 유도 전동기 정의 및 작동 원리〉, 《리버글레냅스》
- 〈단상유도전동기(single phase induction motor )〉, 《사이언스올》, 2010-08-09
- 〈단상 및 3 상 유도 전동기의 차이〉, 《일러스트레이션프라이즈》
- 친절한냉동C, 〈3상 유도 전동기의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2015-11-20
- 모토야, 〈전기차의 심장, 전동기에 대해 알아보자〉, 《모토야》, 2021-08-10
- 윌리, 〈05.교류 모터의 종류 : 동기모터, 유도모터〉, 《네이버 블로그》, 2021-10-01
- Tayler's Story, 〈모터의 종류 - AC 모터, DC 모터, BLDC 모터〉, 《티스토리》, 2010-12-27
같이 보기
