유도전동기의 원리와 구조에 대해 알아보도록 하겠습니다.
목차
유도전동기 원리
유도전동기는 구리판에 영구자석을 넣고 회전시키면 구리판이 도는 원리에는 플레밍의 오른손 법칙과 플레밍의 왼손 법칙이 적용됩니다.
영구자석을 회전시키면 구리판이 영구자석의 자속을 끊으며 플레밍의 오른손 법칙에 의해 기전력이 만들어지고, 이 기전력에 의해 구리판 표면에는 맴돌이 전류인 소용돌이 전류가 흐르게 됩니다. 이 전류는 자속을 만들게 되는데 이 자속은 플레밍 왼손 법칙에 의해 힘이 발생하여 회전하게 되며, 이 방향은 영구자석을 회전시키는 방향으로 회전하게 됩니다.
이것은 만일 원판이 자석과 같은 회전속도가 되면 원판과 자석 간의 상대 속도가 없어져서 맴돌이 전류를 유도하지 않게 되어 힘이 생기지 않습니다. 따라서, 원판이 자석에 유도되어 회전하려면 반드시 자석보다 느리게 회전해야 하며 이것을 아라고의 원판 실험이라고 합니다.
구리판에 회전자계를 가하면 동일한 현상이 발생하고 이것이 바로 유도전동기의 원리입니다.
이러한 원리를 이해하기 위해서는 플레밍의 오른손 법칙과 왼손 법칙에 대한 이해가 필요합니다. 플레밍의 오른손 법칙은 전류가 흐르는 도체를 잡았을 때 엄지손가락이 전류의 방향을 가리키고, 플레밍의 왼손 법칙은 전자의 방향, 자성의 방향, 그리고 힘의 방향을 가리키는 엄지, 검지, 중지의 순서로 엄지손가락, 검지손가락, 중지손가락을 편하게 움직일 수 있도록 하는 법칙입니다. 따라서, 이러한 법칙들을 이용하여 영구자석과 구리판 사이의 상호작용을 설명할 수 있으며, 이를 통해 유도전동기의 작동 원리를 이해할 수 있습니다.
유도전동기 구조
유도전동기는 고정자와 회전자로 구성됩니다. 고정자는 자속이 통과하는 자기회로로 규소 강판을 수십겹 성층하여 3상 코일을 감은 것으로, 고정자 내부에 회전자가 위치하게 됩니다.
회전자에는 농형 회전자와 권선형 회전자가 있습니다. 농형 회전자는 구조가 간단하여 중, 소형 유도 전동기에 널리 사용되며, 대형이 되면 기동 토크가 작아지므로 적합하지 않습니다. 그러나 권선형 회전자는 대형 유동기에 적합하며, 기동 토크가 크고 2차 회로에 저항을 삽입할 수 있어 비례추이가 가능하다는 것이 특징입니다. 따라서 농형 회전자와 권선형 회전자는 각각의 장단점을 가지고 있습니다.
유도전동기 슬립
유도전동기의 슬립(Slip)은 유도전동기가 정상 작동할 때 회전자 속도와 고정자의 자기장 속도 사이의 상대적인 차이를 나타냅니다. 슬립은 일반적으로 백분율로 표현되며, 전동기의 효율과 성능을 평가하는 중요한 요소 중 하나입니다. 유도전동기는 고정자 코일에 교류 전류를 흘려보내 회전자 주변에 회전하는 자기장을 생성합니다. 이 회전하는 자기장이 회전자를 통과하면서 회전자 내의 전류를 유도하고, 이 유도된 전류가 생성하는 자기장이 원래의 회전하는 자기장과 상호 작용하여 회전자를 회전시킵니다. 이때 회전자가 고정자의 자기장 속도(동기 속도)에 완전히 도달하지 못하는 현상을 슬립이라고 합니다.
슬립의 중요성
- 토크 생성: 슬립은 유도전동기에서 토크를 생성하는 데 필수적입니다. 슬립이 없다면, 회전자와 자기장 사이에 상대적인 운동이 없게 되어 토크가 발생하지 않습니다.
- 속도 제어: 슬립을 조절함으로써 유도전동기의 속도를 조절할 수 있습니다. 슬립이 증가하면 토크가 증가하지만, 너무 높은 슬립은 효율을 감소시키고 과열을 일으킬 수 있습니다.
- 효율과 성능: 적절한 슬립은 유도전동기의 효율과 성능을 최적화합니다. 일반적으로 유도전동기는 약 0%에서 6% 사이의 슬립에서 가장 효율적으로 작동합니다.
유도전동기 종류
유도전동기는 전력을 기계적 에너지로 변환하는데 사용되며, 다양한 종류가 있습니다. 유도전동기는 구조, 작동 방식, 사용되는 상(Phase)의 수에 따라 분류될 수 있습니다.
단상 유도전동기
단상 유도전동기(Single-Phase Induction Motor)는 단일 상 전력 공급을 사용하여 작동하는 전동기입니다. 이들은 주로 가정용 기기, 사무실 장비, 그리고 소형 산업용 기계에 사용됩니다. 단상 유도전동기는 간단하고 경제적이지만, 작은 크기의 어플리케이션에 주로 제한됩니다. 주요 단상 유도전동기 유형에는 분할 권선 모터, 축전기 시작 모터, 축전기 시작 및 운전 모터 등이 있습니다.
3상 유도전동기
3상 유도전동기(Three-Phase Induction Motor)는 세 개의 상을 사용하여 더 높은 효율과 강력한 성능을 제공합니다. 3상 유도전동기는 산업과 상업 어플리케이션에서 널리 사용됩니다. 3상 유도 전동기는 크기가 크고, 고출력의 어플리케이션에 적합하며, 단상 유도전동기보다 효율적이고 강력합니다. 이들은 고정밀도 작업과 무거운 기계를 운영하는 데 이상적입니다.
권선형 유도전동기
권선형 유도전동기(Wound Rotor Induction Motor) 는 회전자에 권선이 있는 유도전동기로, 회전자 권선의 끝이 외부 회로의 저항을 통해 연결됩니다. 이 구조는 전동기의 시작 특성과 속도 조절을 개선합니다. 권선형 유도전동기는 토크 요구 사항이 크게 변하는 어플리케이션에 사용됩니다. 예를 들어, 크레인, 엘리베이터, 그리고 다양한 형태의 펌프와 같은 어플리케이션에 적합합니다.
2중 농형 유도전동기
2중 농형 유도전동기(Dual Cage Induction Motor) 는 두 개의 회전자 농(케이지)을 가지고 있어, 하나는 고저항을, 다른 하나는 저저항을 제공합니다. 이 구조는 전동기의 시작 토크를 증가시키고, 시작하는 동안의 전류를 감소시킵니다. 2중 농형 구조는 또한 전동기의 속도 조절을 향상시키며, 특히 고부하 시작이 요구되는 산업 어플리케이션에 적합합니다.