전동기

전동기의 기본원리

전류와 자기장의 관계

전동기의 작동 원리를 이해하는 데 있어서 중요한 법칙은 플레밍의 왼손과 오른손 법칙이다(플레밍의 법칙). 그림1-1에 나와 있는 것처럼 자기장 중에 놓인 도체에 전류가 흐르면 도체에는 힘이 작용한다.

즉 왼손의 집게손가락을 자기장의 방향, 가운뎃손가락을 전류의 방향으로 향했을 때 그것들에 수직으로 세운 엄지손가락의 방향이 힘의 방향과 일치한다는 것이 플레밍의 왼손법칙이다. 그 크기는 로렌츠 힘으로 알려져 있고, 자속 밀도를 BT(테슬라), 그것에 직교하는 도체의 길이를 lm, 전류를 i A(암페어)라고 하면 iBl N(뉴턴)으로 주어진다.

이 힘을 받아 도체가 자기장 안에서 운동하면 패러데이의 법칙에 따라 도체의 양끝에는 기전력이 발생한다. 그림1-2는 도체의 운동, 기전력의 방향을 나타내는 것이다. 오른손의 집게손가락을 자기장의 방향, 엄지손가락을 속도의 방향으로 놓으면 기전력의 방향은 그것들에 수직으로 세워진 가운뎃손가락의 방향과 일치하는 것이 플레밍의 오른손법칙이다. 기전력의 크기는, 자속 밀도가 B인 자기장을 길이 lm의 도체가 자기장의 직각 방향으로 v㎧로 이동했을 때 uBl V(볼트)로 된다.

전동기는 고정자와 회전자라고 불리는 2개의 부분으로 구성된다.

회전자는 도체·자성체로 구성되어 있고, 대부분의 경우 슬립 링 또는 정류자라고 불리는 접촉용 소자를 가지고 있다. 이것은 회전자를 외부 회로와 연결해준다. 또 회전자에는 그밖에도 베어링, 지지축, 냉각용 팬 등이 갖추어져 있다. 고정자는 전동기 전체를 지탱하는 외틀 외에 회전자와 마찬가지로 자기장을 만들기 위해서 필요한 도체와 자성체로 구성되어 있다. 이 도체들을 어떻게 배열하는가에 따라 전동기의 형과 그 특성이 결정된다.

전동기의 발전은 덴마크의 과학자 한스 크리스티안 외르스데드의 연구로 거슬러 올라갈 수 있다.

19세기초에 외르스데드는 전기의 움직임으로부터 자기장이 발생됨을 발견했다. 이 발견에 대한 역의 증명을 탐구하던 중 1821년 영국의 물리학자·화학자인 마이클 패러데이는 전동기의 원시모형을 고안했다. (패러데이)1870년대 초반 베를린 태생의 전기기사 제노브 테오필 그람은 최초의 상업성이 있는 전동기를 개발했다.(그람) 1888년 또다른 전기기사인 니콜라 테슬라는 최초의 교류 유도 전동기를 개발했는데, 이것이 일반적으로 현대적 전동기의 전형으로 여겨진다.(테슬라)

유도전동기

유도 전동기에는 2개 조의 권선이 감겨 있다.

이 권선은 외부의 전원에 접속되고, 고정자와 회전자 사이의 좁은 공간 속에 회전 자기장을 만든다. 다른 권선군은 2차 권선이라고 하며, 회전자 위에 감겨 있다. 이것은 위의 권선군과 독립된 폐회로를 만들고 있다. 이 2차 권선 위를 1차 권선에서 만들어진 자기장이 이동하면 플레밍의 오른손법칙에 따라 2차 권선에 기전력이 생긴다. 2차 권선은 폐회로를 만들고 있기 때문에 거기에는 기전력과 같은 방향의 전류가 흐르는데, 이 전류와 회전 자기장 사이에 플레밍의 왼손 법칙을 따르는 힘이 발생하고 회전자에 회전력이 생긴다.

유도 전동기의 모형은 그림2와 같다.

교류 유도 전동기는 근본적으로 회전속도가 일정한 장치이며 그것만으로도 가장 빈번히 사용된다. 이 교류 유도 전동기는 그 구조의 간단함과 효율성, 저렴한 비용 등으로 가장 널리 사용되고 있다. 더욱이 교류 유도 전동기는 매우 튼튼하며, 작은 규격(25HP 이하)의 경우 일반적으로 정지시 급작스런 최대 전압을 걸었을 때 파손 없이 견딜 수 있다.

동기 전동기에서는 유도 전동기와 마찬가지로 회전자기장을 만드는 권선은 보통 고정자에 감겨 있고 구조는 유도 전동기의 1차 권선과 같은데, 이것은 전기자 권선이라고 한다.

회전자는 유도 전동기의 것과는 다르고, 회전자의 주위에 일정한 극성을 지닌 자기장이 생기도록 구성되어 있다. 이것을 계자라고 부른다. 예를 들면 2극의 동기 전동기에서는 회정자상의 권선에 슬립 링을 통해 직류를 흐르게 해서 1개 조의 N극과 S극을 만든다. 이 회전자 상에 감겨서 1개 조의 자극을 만드는 권선을 계자 권선이라고 한다.

만일 이 회전자를 고정자에서 만들어지는 회전 계자와 같은 속도로 회전시키면 고정자와 회전자의 자극은 서로 끌어당겨서 회전자는 회전 계자와 같은 속도로 회전을 계속하게 된다. 동기 전동기는 고정자에 전기자 권선이 감기고 계자가 회전하고 있기 때문에 회전 동기 전동기라고 한다.

직류 전동기

직류 전동기

직류 전동기는 이미 말한 유도 전동기, 동기 전동기보다 더 오래전부터 사용되어왔다.

그 이유는 많은 도시의 배전 계통에서 교류 배전이 아직 연구단계에 있을 때 이미 직류 배전이 사용되고 있었기 때문이다. 따라서 테슬라가 유도 전동기를 발명했을 당시에는 이미 직류 전동기가 대단히 많이 사용되고 있었던 것이다. 최근에 직류 전동기는 속도 제어에도 사용되고 있다. 직류 전동기의 기본 원리는 그림3에 나와 있는 것처럼 자기장 내를 자유롭게 회전하도록 전기자 코일에 전류를 흐르게 하면 오른쪽의 코일 편에는 위로 향하는 힘이 생긴다.

그결과 코일은 시계방향과는 반대로 회전하게 된다. 그런 이 회전을 유지하기 위해서는 도체 AA'가 S극 쪽에 왔을 때 전류 i의 방향이 반전하지 않으면 안 된다. 이 움직임은 정류자에 의해서 정해진다. 정류자는 전기적으로 서로 절연된 독립한 2개의 구리조각으로 되어 있고, 코일과 함께 회전한다. 그리고 보통 흑연으로 만들어진 2개의 브러시가 전동기 외틀에 고정되어 있는데, 이것은 정류자편과 접촉하고 있다. 이 브러시에 의해서 코일이 외부회로와 전기적으로 접속한다. 실제의 직류 전동기에서는 그림4에 나와 있는 것처럼 도체를 자극에 접근시켜 더욱 강한 자기장이 생기도록 하고 있다.

또한 N극과 S극의 자기장은 주극 철심에 감긴 주계자 권선에 직류를 흐르게 해서 만든다. 직류 전동기와 구조상 완전히 동일한 전동기로 교류 정류자 전동기가 있다.

선형 유도 전동기

전기 에너지를 회전 운동 에너지로 변환하는 전동기에 대하여 전기 에너지를 직접 직선 운동 에너지로 변환하는 전동기는 선형 모터이다.

초고속 철도 등의 지상 수송기관의 구동용이나 정보기기 등으로 개발, 응용이 진행되고 있다. 그 구조를 보면 회전형 전동기의 고정자와 회전자에 대응하여 평상판의 고정자와 주행자가 붙어 있고, 1차 권선이나 전기자 권선을 고정자 쪽에 놓는 것이나 주행자 쪽에 놓는 것이 모두 가능한 구조를 갖고 있다. 선형 유도 전동기와 선형 동기 전동기는 실용성이 높다.

그림5는 선형 유도 전동기의 구조 원리도이다.

직류 전동기는 전기자의 전압·전류 또는 계자의 전류를 바꾸어서 자유롭게 속도나 토크를 변화시킬 수 있다. 이것에 대해서 유도 전동기나 동기 전동기는 정속도 전동기로 사용되는 것이 보통이다. 유도 전동기는 1차 권선에 가해지는 전압을 저하시키면 속도를 줄일 수 있지만, 효율이 현저하게 낮아진다.

동기 전동기는 원리에서 말한 대로 동기 속도로만 회전한다. 그러나 사이리스터(thyristor)나 파워 트랜지스터 등의 반도체 스위칭 소자가 출현함에 따라 효율이 좋은 대전력의 가변 주파 전원이 비교적 용이하게 얻어지게 되었기 때문에, 유도 전동기나 동기 전동기의 가변속 운전이 가능해졌다.