전동기(Electric Motor)

[그림자(朴 鉉求)]

전동기(Electric Motor)  

1.서론

건설공사에서 발주처로부터 자재승인을 적절한 시기에 받는 것은 공사의 성패와 밀접한 관련이 있습니다. 자재승인을 늦게 받아서 공사가 지연되는 경우는 자주 있는 일입니다. 2차, 3차가 아닌 단 한번의 submittal로 원하는시기에 승인을 받기 위해서는, 시방서에서 요구하는 사항을 만족하는 자재라는 것을 조리있게 발주처에 설명하여 발주처를 만족시켜야 할 것입니다. 그러기 위해서 시공자측의 자재승인 담당자는 해당 자재에 대해서 해박한 지식을 갖고 있는 것이 필요합니다. 전동기(electric motor)는 전기기계라고 하여 지금까지 별 관심을 기울이지 않았던 기계 기술자에게, 전동기는 (특히 해외공사에서) 극복해야 할 산일 수도 있습니다.

더구나 전동기가 없는 기계는 거의 상상할 수도 없기 때문에 전동기의 중요성은 한층 커지게 됩니다.

여기서는 각종 냉동기, 공조기, 펌프 및 송풍기 등과 밀접한 관계가 있는 삼상유도전동기의 Nameplate에표시되는 사항을 중심으로 알아보겠습니다. 그러나 먼저 전동기의 종류와 간단한 특징 정도는 알아보아야 되겠지요.

전동기(electric motor)는 전기적에너지를 유용한 기계적에너지로 변환하는 변환기라고 말할 수 있겠지요.

2.전동기의 분류

 1)전동기 전원에 의한 분류

교류 전동기	유도 전동기(induction motor)	단상 유도 전동기(single phase induction motor)	분상 기동형 (단상 유도) 전동기(split phase motor)
			콘덴서 기동형 (단상 유도) 전동기(capacitor start motor)
			영구콘덴서형 (단상 유도) 전동기(PSC motor, permanent split capacitor motor)
			셰이딩 코일형 (단상 유도) 전동기(shaded pole motor)
			콘덴서 기동-콘덴서 운전형 (단상 유도) 전동기(capacitor start-capacitor run motor)
		삼상 유도 전동기(three phase induction motor)	농형(籠形) 유도 전동기(squirrel cage induction motor)
			권선형(捲線形) 유도 전동기(wound-rotor induction motor)
	동기 전동기(synchronous motor)	단상 동기 전동기(single phase synchronous motor)
		삼상 동기 전동기(three phase synchronous motor)
직류 전동기	부러쉬부착 전동기(brush d.c. motor)	Wound-field motor	직권(直捲)전동기(series-wound motor)
			분권(分捲)전동기(shunt-wound motor)
			복권(複捲)전동기(compound motor)
			타여자(他勵磁)전동기(separately excited motor)
		Permanent magnet motor
	부러쉬레스 전동기(brushless d.c. motor)
교류 직류 전동기(universal motor)

 2)외피의 형에 따른 분류

 (1)개방형(open type motor)

 전동기와 그 전동기가 구동하는 기기가 어떠한 형태의 단일 외피에 의해서도 폐쇄되지 않은 것.

 (2)폐쇄형(enclosed type motor)

 전동기와 그 전동기가 구동하는 기기가 어떠한 형태의 단일 외피에 의해서 폐쇄된 것.

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

 3)전동기 마력 수에 의한 분류

 (1)분수형(fractional size motor)

 전동기 마력 수가 1보다 작은 것.

 (2)정수형(integral size motor)

 전동기 마력 수가 1보다 큰 것.

3.전동기 종류별 특징

 1)유도 전동기(誘導電動機, induction motor)

 ①고정자(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 회전자에 토르크가 발생하여 전동기가 회전하게 된다. 그러나 단상 고정자 권선에서는 교류가 흐르면 교번 자기장 (alternating  magnetic field)만이 발생되어 회전자에 기동토르크가 발생하지 않아서 별도의 기동장치가 필요하게 된다.

 ②직류 전동기가 정류기를 통하여 전원에 연결되는 것과는 달리 유도전동기는 전원에 바로 연결된다.

 ③직류 전동기가 Brush를 필요로 하는 것과 달리 대부분의 유도 전동기는 Brush가 필요없다.

 ④세계에서 가장 많이 사용되는 전동기.

 ⑤구조가 간단하고 튼튼하며 염가이고 취급이 용이하다.

 ⑥원래 정속도(constant speed) 전동기이지만 가변속으로도 사용되고 있다.

 ⑦slip이 있다.

 2)동기 전동기(동기전동기, synchronous motor)

 ①고정자(stator)와 회전자(rotor)로 구성되어 있으며 고정자는 유도전동기의 고정자 같으나, 회전자는 자극 (poles)과 여자 권선으로 되어있으며 이 권선에 brush와 slip ring을 통하여 직류 전류를 공급하여 자극을 여자하게된다. 즉 고정자 권선에는 흐르는 교류에 의하여 발생되는 회전 자기장 속에서 직류 전류에 의하여 여자된  회전자에 토르크가 발생하여 회전하게 된다.

 ②전원주파수와 극수로 결정되는 속도로 완전 동기되어, 정확히 일정한 속도로 회전한다.

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

 ④역률이 항상 1 이다.

 ⑤기동 토르크가 작고 구조와 취급이 복잡하다.

 ⑥여자용 직류 전원이 필요.

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

 3)직류 전동기

 ①고정자와 회전자로 구성되어 있으며, 고정자는 계자극(field poles)과 Frame으로 되어있으며 계자극은 대개 스크류나 볼트로 Frame에 고정되어있고, 회전자는 전기자(armature)와 정류자(commutator) 및 Brush로 구성 되어있다.

 ②계자극이 자기장을 형성하는 방법에 따라서 wound-field motor와 permanent magnet motor로 분류할 수 있다. permanent magnet motor는 계자극으로 영구자석을 사용하며, wound-field motor는 계자극으로 계자철심 (pole piece)과 계자권선(field winding)으로 구성된 전자석을 사용한다.

 ③동일 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 정류자에서 마모, 분진 및 소음이 발생 하며 정류자가 더러워지게 된다.

 ④전자 스위칭 기술(electronic switching technique)을 이용하여 브러쉬를 없앤 것이 브러쉬레스 전동기이다.

 ⑤속도, 토르크 및 회전방향 제어가 용이.

 ⑥농형 유도전동기보다 고가

 ⑦정류기 필요.

 ⑧소형 직류전동기는 대개 저 전압(12 V)에서 작동.

 ⑨브러쉬 부착 전동기는 정기적인 보수 점검이 필요.

 ⑩정류 문제나 기계적인 강도상의 문제로 고속화에 제한이 있다.

 4)교류 직류 전동기 (universal motor)

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

 ②교류에서도 운전할 수 있도록 특별히 설계된 직권(直捲)전동기 (series-wound motor)의 일종.

 ③대부분 분수마력 전동기로, 수동 전동공구나 목공기계와 믹서나 재봉기 같은 가전제품에 많이 사용.

 5)단상 유도 전동기(single phase induction motor)

 ①단상 교류는 쉽게 구할 수 있는 전원이므로, 단상 유도 전동기는 가정용과 산업용으로 많이 사용된다.

 ②자력 기동을 할 수 없으므로, 별도의 기동권선(start winding)이 필요하다. 즉 운전권선(run winding)과 기동권선이 있다.

 ③대개 1 - 2 hp 정도의 크기.

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

 

 ①고정자(stator), 회전자(rotor), 엔드플레이트 또는 브래킷(end plate or bracket), 원심력 스위치(centrifugal switch)의 4가지 주요부품으로 되어있다.

 ②회전자는 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 회전자기장이 발생하여 토르크가 발생하게된다.

 ③원심력 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 운전권선에 의하여 계속 회전하게 된다.

 ④가격이 싸나, 기동 토르크가 작고 원심력 스위치 때문에 부피가 크며 큰 기동전류 때문에, 소형 분수마력형 전동기(냉장고, 펌프, 세탁기 등)에 많이 사용되고 있다.

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

 

 ①분상 기동형 전동기와 비슷하나, 기동토르크 증대 목적으로 콘덴서를 기동권선과 직렬로 연결한 점이 다름.

 ②산업용으로 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 이것

 이 다시 오일 속에 담겨있는 구조로 되어있으며 용량은 대략 2 ~ 60 μF 정도이다. running capacitor의 용량이 starting capacitor의 용량 보다 적으나, 외형은 running capacitor가 starting capacitor 보다 크다.

 ③분상기동형 전동기에 비하여 기동토르크가 크고 기동전류가 작으며, 분수 마력형에서 10여 마력까지 다양하고, 펌프 에어컨 냉장고 등에 사용된다.

 8)영구콘덴서형 (단상 유도) 전동기(PSC motor, permanent split capacitor motor)

 ①콘덴서 기동형 전동기에서 원심력 스위치를 제거한것. 따라서 컨덴서를 기동시 뿐만아니라 정상 운전시에도 계속하여 사용.

 ②용량이 적은 콘덴서를 사용하기 때문에 기동 토르크는 콘덴서 기동형 전동기 보다 작으나, 원심력 스위치가 없어서 구조가 간단하다.

 ③oil-filled capacitor가 주로 사용되며, 큰 기동 토르크가 필요하지 않은 선풍기나 세탁기 등에 많이 사용.

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

 ①각각의 고정자 자극의 한쪽 끝에 홈을 파서 돌출(salient)극을 만들고 이 돌출극에 셰이딩코일(shading coil)이라부르는 구리 단락 고리를 끼운 것. 이 shading coil에 의해서 회전 자계장이 형성되어 토르크가 발생하여  회전하게 된다.

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

 ③구조가 간단하고 견고하지만 회전방향을 변경할 수 없다.

 ④크기는 ~ 마력 정도이며, 정지상태(stall)로 오랫동안 전전압이 걸려도 권선이 소손되지 않는 경우도 있다.

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

 10)콘덴서 기동-콘덴서 운전형 (단상 유도) 전동기

 (CSR motor, capacitor start-capacitor run motor)

 ①콘덴서 기동형 전동기의 운전권선에 running capacitor를 추가한 형태의 전동기로, 기동토르크가 크고 운전효율도 높은, 특성이 아주 좋은 전동기로 알려져 있다.

 ②대부분 밀폐형 또는 반밀폐형 압축기에 사용되며, 고가이기 때문에 개방형 압축기에는 거의 사용되지 않고 있다.

 11)삼상 유도 전동기(three phase induction motor)

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

 ②회전자의 구조에 의해서 농형과 권선형으로 나누어진다.

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

 ④대부분 공장용으로 사용되며, 1 마력 이상에서 수 천 마력까지 다양한 크기가 생산됨. (분수 마력도 생산이 되는 경우가 있으나 납기가 길다.) 

 ⑤소용량에서는 대부분 농형이 사용되고, 기동전류가 문제가 되는 대용량에서는 권선형이 사용된다.

 ⑥대부분의 중소형 삼상 전동기는 결선을 바꾸어 고.저 두 개의 전압중 어느 전압에서도 작동하게할 수 있다.

 ⑦Y(wye) 결선(Y winding)의 표기법 - Name Plate 상의 결선도 - 실제 연결 설명도(*주 1)

   

 (*주 1) : 최신 모타 수리(월간 전기기술 편집부 역, 성안당 ) 123쪽, 그림 4-70, 4-71을 다시 그린 것 입니다.

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

 

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

 ①회전자는 구리나 알루미늄 환봉을 도체 철심 속에 넣어서 그 양쪽 끝을 원형 측판(shorting ring)에 의해서 단 락시킨 것으로, 그 모양이 마치 다람쥐 쳇바퀴처럼 생겼다하여 squirrel cage라고 함.

 ②회전자의 구조가 간단하고 튼튼하며 운전 성능이 좋으므로 건축설비에 쓰이는 대부분의 삼상 전동기는 농형이다.

 ③기동시에 큰 기동전류(전부하 전류의 500 - 650 %)가 흐르는 것이 단점이며, 이 단점 때문에 권선이 타기 쉽고 공급전원에 나뿐 영향을 끼친다.

 ④기동 토르크는 전부하 토르크의 100 - 150 % 정도.

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

 ①회전자에도 3상의 권선을 감고(대개 wye 결선), 각각의 단자를 Slip Ring을 통해서 저항기에 연결한다. 저항기의 저항치를 가감하여 광범위하게 기동특성을 바꿀 수 있다.

 ②회전자 권선으로인하여 농형보다 구조가 복잡하다.

 ③기동전류는 전부하 전류의 100 - 150 % 정도이고, 기동토르크는 전부하 토르크의 100 - 150 % 정도이므로, 상대적으로 적은 전원 용량에서 큰 기동 토르크를 얻을 수 있다.

 ④기동이 빈번하여 농형으로는 열적으로 부적합한 경우 및 대용량에 많이 사용.

14)직권(直捲)전동기(series-wound motor)

 ①계자극 권선과 전기자 권선이 직렬로 연결된 직류전동기.

 ②기동 토르크가 크고, 부하가 적어지면 속도는 상승하여 완전 무부하로되면 속도가 무한에 가까워저서 위험.

 ③변속도 특성 때문에 제어용으로는 부적합하고, 자동차의 시동전동기, 크레인, 전동차등에 사용.

15)분권(分捲)전동기(shunt-wound motor)

 ①계자극 권선과 전기자 권선이 병렬로 연결된 직류전동기.

 ②부하변동에 따른 속도변화가 적다.(정속도 특성)

 ③컨베이어 벨트, blower, 공작기계 등에 사용.

16)복권(複捲)전동기(compound motor)

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

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

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

 ①전기자 권선과 계자극 권선이 별도로 분리되어 있다.

[나그네12]

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[김동완]

좋은 자료 감사 합니다..