스크랩 산업기사이론 전동기의 종류 및 원리

[美세상(최승일)]

전동기란, 전기에너지를 기계에너지로 바꾸는 기계이며, 모터(MOTOR)라고도 한다. 거의 대부분이 회전운동의 동력을 만들지만, 직선운동의 형식으로 하는 것도 있다. 전동기는 전원의 종별에 따라 직류전동기와 교류전동기로 구분된다. 교류전동기는 다시 3상교류용과 단상교류용으로 구분된다. 3상교류용은 1 kW정도 이상부터 수천 kW까지, 그리고 드물게는 1만 kW를 넘는 대형기가 있으며, 단상은 수백 kW 이하의 소형기에 채용되고 있다.

 

 

  직류와 교류의 종별이 있다고는 하지만, 원리상으로 보면 동일한 것으로 자기장 속에 도체를 자기장과 직각으로 놓고 여기에 전류를 통하면 자기장에도 직각 방향으로 전자기적인 힘이 발생한다는 전자유도현상을 응용한 것이다. 전자기력은 자기장의 세기, 전류의 세기 및 도체 길이의 곱에 비례한다.

1. 전동기의 분류 및 특징

 (1) 전동기 전원에 의한 분류

  1) 직류전동기

   ① 고정자와 회전자로 구성되어 있으며, 고정자는 계자극(field poles)과  Frame으

        로 되어있으며 계자극은 대개 스크류나 볼트로 Frame에 고정되어있고, 회전자는

        전기자(armature)와 정류자(commutator) 및 Brush로 구성 되어있다.

   ② 계자극이 자기장을 형성하는 방법에 따라서 wound-field motor와 permanent

        motor로 분류할 수 있다.Permanent magnet motor는 계자극으로 영구자석을

       사 용하며, Wound-field motor는 계자극으로 계자철심 (pole piece)과 계자권선

       (field winding)으로 구성된 전자석을 사용한다.

   ③ 동일 방향의 회전 토르크를 계속 얻기 위해서는 외부에서 공급되는 직류 전류를

       전동기 내에서 전기자가 180 도 회전할 때마다 전류의 방향을 절환 시켜주어야

       하며, 이 역할을 하는 것이 정류자와 브러쉬이다.

       고정된 브러쉬에 정류자가 면접촉을 하면서 회전하게 되므로 브러쉬와 정류자

       에서 마모, 분진 및 소음이 발생 하며 정류자가 더러워지게 된다.

       전자 스위칭 기술(electronic switching technique)을 이용하여 브러쉬를 없앤

       것이 브러쉬레스 전동기이다.

    <참고>

      위 그림에서 볼 수 있듯이 브러쉬레스 전동기(오른쪽)와 브러쉬전동기(왼쪽)의

     가장 큰 차이점은 브러쉬와 커뮤테이터가 없다는 것이다.

     브러쉬모터의 일반적인 구조는 크게 회전코일(회전자)과 고정자석(고정자) 및

     브러쉬와 커뮤테이터 부분으로 구성되어 있다. 브러쉬와 커뮤테이터은 전기자

     (아마튜어코일)에 공급되는 전류방향을 회전각도에 따라 전환시켜 줌으로써 회

     전자를 회전시킬 수 있는 자극의 변화를 만들어 주는 중요한 장치이다.

      브러쉬레스 전동기에서는 컨트롤러(변속기)가 그 역할을 담당하기 때문에

      브러쉬나 커뮤테이터이 필요하지 않기 때문에 구조가 간단해지며, 회전마찰에

      의한 열발생 감소와 브러쉬 마모에 따른 교체가 이루어지지 않으므로 반영구적인

      수명을 보장 받을 수 있다.

   ④ 속도, 토르크 및 회전방향 제어가 용이하다.

   ⑤ 농형 유도전동기보다 고가이다

   ⑥ 정류기가 필요하다.

   ⑦ 소형 직류전동기는 대개 저 전압(12V)에서 작동한다.

   ⑧ 브러쉬 부착 전동기는 정기적인 보수 점검이 필요하다.

   ⑨ 정류 문제나 기계적인 강도상의 문제로 고속화에 제한이 있다.

  2) 직권(直捲)전동기(series-wound motor)

   ① 계자극 권선과 전기자 권선이 직렬로 연결된 직류전동기이다.

   ② 기동 토르크가 크고, 부하가 적어지면 속도는 상승하여 완전 무부하로 되면

       속도가 무한에 가까워져서 위험.

   ③ 변속도 특성 때문에 제어용으로는 부적합하고, 자동차의 시동전동기,크레인,

       전동차등에 사용된다.

  3) 분권(分捲)전동기(shunt-wound motor)

   ① 계자극 권선과 전기자 권선이 병렬로 연결된 직류전동기다.

   ② 부하변동에 따른 속도변화가 적다.(정속도 특성)

   ③ 컨베이어 벨트, blower, 공작기계 등에 사용된다.

  4) 복권(複捲)전동기(compound motor)

   ① 전기자 권선과 직렬 및 병렬로 연결된 계자극 권선을 가지고 있다.

   ② cumulative compound motor(가동복권 전동기)와 differential   compound motor(차동복권 전동기)가 있다.

  5) 타여자(他勵磁)전동기(separately excited motor)

   ① 전기자 권선과 계자극 권선이 별도로 분리되어 있다.

  6) 교류 직류전동기

   ① 직류와 교류에서 운전할 수 있는 전동기로, 사용되는 교류는 대개 단상 교류이다.

   ② 교류에서도 운전할 수 있도록 특별히 설계된 직권(直捲)전동기 (series-wound

        motor)의 일종이다.

   ③ 대부분 분수마력 전동기로, 수동 전동공구나 목공기계와 믹서나 재봉기 같은

       가전제품에 많이 사용한다

  7) 유도전동기 (誘導電動機, induction motor)

   ① 고정자(stator)와 회전자(rotor)로 구성되어 있으며, 고정자 권선(捲線, winding)이

        삼상인 것과 단상인 것이 있다. 삼상 고정자 권선에 교류가 흐를 때 발생하는

        회전자기장(rotating magnetic field)에 의해서 회전자 에 토르크가 발생하여

        전동기가 회전하게 된다. 그러나 단상 고정자 권선에서는 교류가 흐르면 교번

        자기장 (alternating magnetic field)만이 발생되어 회전자에 기동 토르크가 발생

       하지 않아서 별도의 기동장치가 필요하게 된다.

   ② 직류 전동기가 정류기를 통하여 전원에 연결되는 것과는 달리 유도전동기는

       전원에 바로 연결된다.

   ③ 직류 전동기가 Brush를 필요로 하는 것과 달리 대부분의 유도 전동기는

      브러쉬가 필요없다.

   ④ 세계에서 가장 많이 사용되는 전동기이다.

   ⑤ 구조가 간단하고 튼튼하며 염가이고 취급이 용이하다.

   ⑥ 원래 정속도(constant speed) 전동기이지만 가변속 으로도 사용되고 있다.

   ⑦ slip이 있다.

  8) 동기전동기 (synchronous motor)

   ① 고정자(stator)와 회전자(rotor)로 구성되어 있으며 고정자는 유도전동기의

       고정자 같으나, 회전자는 자극 (poles)과 여자 권선으로 되어있으며 이 권선에

       brush와 slipring을 통하여 직류 전류를 공급하여 자극을 여자하게 된다. 즉

      고정자 권선에는 흐르는 교류에 의하여 발생되는 회전자기장 속에서 직류 전류에

      의하여 여자된 회전자에 토르크가 발생하여 회전하게 된다.

   ② 전원주파수와 극수로 결정되는 속도로 완전 동기되어, 정확히 일정한 속도로

       회전한다.

   ③ 부하의 증감으로 회전속도가 변화하지 않는다. (slip이 없다.)

   ④ 역률이 항상 1 이다.

   ⑤ 기동 토르크가 작고 구조와 취급이 복잡하다.

   ⑥ 여자용 직류 전원이 필요하다.

   ⑦ convey belt용 전동기, 소형 시계 또는 timing motor에 사용된다.

   ⑧ 종류에는 릴럭턴스전동기(reluctance), 히스테리시스전동기(hysterisis motor),

       세이딩코일형 히스테리시스전동기, 워렌전동기, 인덕터전동기 (inductor motor)

       등이 있다.

  9) 단상 유도 전동기 (single phase induction motor)

   ① 단상 교류는 쉽게 구할 수 있는 전원이므로, 단상 유도 전동기는 가정용과

       산업용으로 많이 사용된다.

   ② 자력 기동을 할 수 없으므로, 별도의 기동권선(start winding)이 필요하다.

       즉 운전권선(run winding)과 기동권선이 있다.

   ③ 대개 1 - 2 hp 정도의 크기이다.

  10) 분상 기동형 (단상 유도) 전동기 (split phase motor)

   ① 고정자(stator), 회전자(rotor), 엔드플레이트 또는 브래킷(end plate or bracket),

       원심력 스위치(centrifugal switch)의 4가지 주요부품으로 되어있다.

   ② 회전자는 농형권선(squirrel cage winding)으로 되어있고, 고정자는 주권선인

       운전권선(running winding)과 보조권선인 기동권선(starting winding)이 병렬로

        감겨저 있어서 이 병렬회로에 단상 교류전압을 가하면 운전권선과 보조권선

       사이의 리액턴스 차이로 두 회로에 흐르는 전류에 위상차이가 생겨서 회전

      자기장이 발생하여 토르크가 발생하게된다.

   ③ 원심력 스위치(centrifugal switch)는 기동권선과 직렬로 연결되어 있으며, 기동

        초기에는 스위치가 on 상태로 있다가 회전자의 속도가 증가하여 정격속도의

        75% 정도에 이르면 스위치가 off 되어 기동권선 회로가 개방되고, 전동기는 운

        전권선에 의하여 계속 회전하게 된다.

   ④ 가격이 싸나, 기동 토르크가 작고 원심력 스위치 때문에 부피가 크며 큰 기동

       전류 때문에, 소형 분수마력형 전동기(냉장고, 펌프, 세탁기등)에 많이 사용되고

       있다.

  11) 콘덴서 기동형 (단상 유도) 전동기(capacitor start motor)

   ① 분상 기동형 전동기와 비슷하나, 기동토르크 증대 목적으로 콘덴서를 기동권

        선과 직렬로 연결한 점이 다르다.

   ② 산업용으로 많이 사용되는 Capacitior(축전기)는 oil-filled, or running,

        capacitor(오일 커페시터)와 starting, or electrolytic, capacitor(전해 커페시터)

        의 2가지이다.

        starting capacitor는 두 장의 알루미늄 판 사이에 전기를 통하지 않도록

        화학적 처리를 한 종이가 채워저 있으며 용량은 대략 75 ~600 μF 정도이고,

        running capacitor는 두 장의 알루미늄 판사이에 종이가 채워지고 이것이 다시

       오일 속에 담겨있는 구조로 되어있으며 용량은 대략 2 ~ 60 μF 정도이다. run-

        ning capacitor의 용량이 starting capacitor의 용량 보다 적으나, 외형은 run-

        ning capac-itor가 starting capacitor 보다 크다.

   ③ 분상기동형 전동기에 비하여 기동토르크가 크고 기동전류가 작으며, 분수

       마력형에서 10여 마력까지 다양하고, 펌프 에어컨 냉장고 등에 사용된다.

   12) 영구콘덴서형 (단상 유도) 전동기

      (PSC motor, permanent split capacitor motor)

   ① 콘덴서 기동형 전동기에서 원심력 스위치를 제거한것. 따라서 컨덴서를 기동시

       뿐만아니라 정상 운전시에도 계속하여 사용한다.

   ② 용량이 적은 콘덴서를 사용하기 때문에 기동 토르크는 콘덴서 기동형 전동기

       보다 작으나, 원심력 스위치가 없어서 구조가 간단하다.

   ③ oil-filled capacitor가 주로 사용되며, 큰 기동 토르크가 필요하지 않은 선풍기나

       세탁기 등에 많이 사용된다.

  13) 셰이딩 코일형 (단상 유도) 전동기(shaded pole motor)

   ① 각각의 고정자 자극의 한쪽 끝에 홈을 파서 돌출(salient)극을 만들고 이 돌

       출극에 셰이딩코일(shading coil)이라 부르는 구리 단락 고리를 끼운 것이다. 이

       shading coil에 의해서 회전 자계장이 형성되어 토르크가 발생하여 회전하게

       된다.

   ② 운전 중에도 shading coil에 전류가 계속 흐르므로 효율과 역률이 아주 작으며,

       기동 토르크도 작다.

   ③ 구조가 간단하고 견고하지만 회전방향을 변경할 수 없다.

   ④ 크기는 ~ 마력 정도이며, 정지상태(stall)로 오랫동안 전전압이

       걸려도 권선이 소손되지 않는 경우도 있다.

   ⑤ FCU의 fan, 소형 condensing unit의 fan, 소형 선풍기, record player 등에

       쓰인다.

  14) 콘덴서 기동-콘덴서 운전형 (단상 유도) 전동기

       (CSR motor, pacitor start-capacitor run motor)

   ① 콘덴서 기동형 전동기의 운전권선에 running capacitor를 추가한 형태의

      전동기로, 기동토르크가 크고 운전효율도 높은, 특성이 아주 좋은 전동기로

      알려져 있다.

   ② 대부분 밀폐형 또는 반밀폐형 압축기에 사용되며, 고가이기 때문에 개방형

       압축기에는 거의 사용되지 않고 있다.

  15) 삼상 유도전동기 (three phase induction motor)

   ① 같은 마력수의 단상 유도 전동기에 비해서 구조가 간단하고 더 소형이다.

   ② 회전자의 구조에 의해서 농형과 권선형으로 나누어진다.

   ③ 고정자의 권선법에는 성형결선(star winding or Y winding)법과 델타(delta

       winding)결선법이 있다.

   ④ 대부분 공장용으로 사용되며, 1 마력 이상에서 수 천 마력까지 다양한 크기가

       생산됨. (분수 마력도 생산이 되는 경우가 있으나 납기가 길다.)

   ⑤ 소용량에서는 대부분 농형이 사용되고, 기동전류가 문제가 되는 대용량에서는

       권선형이 사용된다.

   ⑥ 대부분의 중소형 삼상 전동기는 결선을 바꾸어 고.저 두 개의 전압중 어느

       전압에서도 작동하게할 수 있다.

   ⑦ Y(wye) 결선(Y winding)의 표기법 - Name Plate 상의 결선도 - 실제 연결

      설명도

   ⑧ 델타 결선(delta winding)의 표기법 - Name Plate 상의 결선도

  16) 농형(籠形) 유도전동기(squirrel cage induction motor)

   ① 회전자는 구리나 알루미늄 환봉을 도체 철심 속에 넣어서 그 양쪽 끝을 원형

       측판(shorting ring)에 의해서 단락시킨 것으로, 그 모양이 마치 다람쥐 쳇바퀴처럼

       생겼다하여 squirrel cage라고 한다.

   ② 회전자의 구조가 간단하고 튼튼하며 운전 성능이 좋으므로 건축설비에 쓰이는

       대부분의 삼상 전동기는 농형이다.

   ③ 기동시에 큰 기동전류(전부하 전류의 500 - 650 %)가 흐르는 것이 단점이며,

       이 단점 때문에 권선이 타기 쉽고 공급전원에 나뿐 영향을 끼친다.

   ④ 기동 토르크는 전부하 토크의 100 - 150 % 정도이다.

  17) 권선형(捲線形) 유도 전동기(wound-rotor induction motor)

   ① 회전자에도 3상의 권선을 감고(대개 wye 결선), 각각의 단자를 SlipRing을 통해

       서  저항기에 연결한다. 저항기의 저항치를 가감하여 광범위하게 기동특성을 바꿀

       수 있다.

   ② 회전자 권선으로인하여 농형보다 구조가 복잡하다.

   ③ 기동전류는 전부하 전류의 100 - 150 % 정도이고, 기동토르크는 전 부하

       토르크의 100 - 150 % 정도이므로, 상대적으로 적은 전원 용량에서 큰 기동 토

       르크를 얻을 수 있다.

   ④ 기동이 빈번하여 농형으로는 열적으로 부적합한 경우 및 대용량에  많이 사용

       한다.

 (2)외피의 형에 따른 분류  

  1) 개방형(open type motor)

      전동기와 그 전동기가 구동하는 기기가 어떠한 형태의 단일 외피에 의 해서도

      폐쇄되지 않은 것.

  2) 폐쇄형(enclosed type motor)

     전동기와 그 전동기가 구동하는 기기가 어떠한 형태의 단일 외피에 의해서 폐쇄

     된 것.

     "예" 밀폐형 압축기(hermetic compressor) 속의 전동기(hermeticmotor)

 (3) 전동기 마력수에 의한 분류

     1) 분수형(fractional size motor)

         전동기 마력 수가 1보다 작은 것.

     2) 정수형(integral size motor)

         전동기 마력 수가 1보다 큰 것.

2. 전동기의 원리

(1) 직류전동기의 원리

    자기장 중에 놓인 도체에 직류 전류를 흘리면 플레밍의 왼손법칙에 의해 도체에

    전자력이 발생하여 회전하게된다.

    직류 전동기는 속도제어가 용이하기 때문에 전철, 엘리베이터, 압연기 등과 같이

    속도 조정이 필요한 경우에 널리 이용된다.

 (2) 유도전동기의 원리

    유도 전동기의 회전 원리는 Arago의 원판의 실험에서 발전하였다.

  아래 그림과 같이 회전 가능한 도체 원판 위에서 자석의 N극을 시계 방향으로 회전

  시키면 상대적으로 원판은 자기장 사이를 반시계 방향으로 움직이는 것과 같다.

  (그림 왼쪽)

  따라서 플레밍의 오른손 법칙에 따라 원판의 중심으로 향하는 기전력이 유도된다.

  (그림 가운데)

  이 기전력에 의한 맴돌이 전류가 흐르고, 이 전류에 의해 플레밍의 왼손 법칙에

  따라 원판은 전자기력을 받아 시계 방향으로 회전한다.(그림 오른 쪽) 

   즉, 원판은 자석이 회전하는 방향과 같은 방향으로 움직인다. 이 때, 원판은 자석

  보다는 빨리 회전할 수는 없다. 또한, 원판이 자석과 같은 속도로   회전한다면 원판이

  자석의 자기장을 쇄교할 수(자를 수)없으므로 원판은 반드시 자석보다 늦게 회전한다.

  자석을 회전시키는 대신에 3상 교류로 회전자기장을 만들어 주면, 같은 원리로 원판은

  회전한다.

 (3) 단상 유도전동기의 원리

    아래의 그림과 같이 외부의 자석을 회전시키면 내부에 있는 도체 원통도 유도

  전동기의 회전원리에 의해서 자석의 회전방향과 같은 방향으로 도는 현상을 이용한다.

  아래와 같이 자극 대신에 코일을 이용하면 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 두 코일의

  감는 방향을 같은 방향으로 하면 마치 자석의 N극과 S극이 되어 여기에 교류 전원을

 연결하면 자기장이 형성된다.

    그러나 단상 교류에 의한 교번 자기장은 생기지만, 일정 방향으로의 회전 자기장이

  생기지 않기 때문에 자체적으로 기동하지 못한다. 따라서 단상 유도전동기는 먼저

  일정 방향으로 기동 회전력을 주는 장치가 있어야한다.

 (4) 3상 유도전동기의 원리

   아래의 그림과 같이 금속원통의 회전자 주위에 3상(aa' bb' cc')의 전원을 인가하면

 시계방향으로 회전자기장이 생긴다. 따라서, 유도전동기의 회전원리에 따라 회전자도

 시계방향으로 회전한다.

    오른쪽 그림은 3상 농형 유동전동기의 회전자 중 철심에 결합시키는 도체를 나타

   낸 것으로 구리막대(또는 알루미늄막대)와 단락환(端絡環:end ring)으로 되어 있다.

  시계방향으로 회전자기장이 생기면 도체(회전자)는 반대방향으로 움직이는 것과

  같으며 이 회전자기장에 의한 자속에 의해 플레밍의 오른손 법칙에 따라 회전자에

  기전력이 발생한다. 이 기전력은 다시 플레밍의 왼손법칙의 적용을 받아 회전자를

  시계방향으로 회전하도록 하는 것이다. 이때, 도체가 회전자기장을 쇄교해야 하므로

  도체의 회전속도는 회전자기장의 속도보다 느리다.

(5) 3상 동기전동기의 원리

    자극으로 되어 있는 회전자 주위에 자석을 회전시키면 흡인력에 의해서 회전자는

    자석이 회전하는 속도와 같은 속도로 시계방향으로 회전한다.

    자석을 회전 시키는 대신에 위의 그림처럼 3상 권선을 한 고정자의 안쪽   에

  회전자를 두면, 회전자는 고정자의 회전자기장의 속도와 같은 속도로 회전한다.

   단, 정지하고 있는 동기 전동기는 자극이 무거워 회전자기장과 같은 속도로 회전할

  수 없으므로, 처음에는 회전자를 동기 속도까지 회전시켜 주는 기동 방법이 필요하다.

  동기 전동기는 여자기를 필요로 하며 값이 비싸지만, 속도가 일정하고 역률 조정이

  쉽기 때문에 정속도 대동력용으로 사용된다. 속도제어가 필요한 경우에는 주파수를

  바꾸는 방법을 취한다.