목차
1 개요
말 그대로 교류전원을 받아 회전하는 전동기를 말한다. 크게 유도전동기와 동기전동기로 나뉘며 동기전동기는 다시 영구자석 동기전동기와 비영구자석 동기전동기로 나뉜다. [1]
일반적인 교류전동기의 경우, 정류자(브러쉬)가 없는 형태를 띄는데[2] 이는 전동기에 인가 되는 교류 전원을 통해서 정류 기능을 대체하거나 구동 원리 상 정류자가 불필요한 요소이기 때문이다.
2 유도 전동기와 동기 전동기
교류 전동기는 크게 유도 전동기와 동기 전동기로 나뉘는데 토크를 발생시키는 방법과 운전 방식이 다르며 이로 인한 장단점도 뚜렷하다.
유도 전동기의 경우, 동기 전동기처럼 고정자계와 회전자계가 항상 동기되어 회전할 필요가 없어 비동기 전동기라고도 불린다.
2.1 유도 전동기
유도 전동기의 고정자에 교류 전원을 투입하여 여자 전류를 흘려주면 회전자에 기전력이 유도 되어 맴돌이 전류가 발생하는데 이 전류에 의해 회전자에 자계가 형성되어 플레밍의 왼손 법칙에 의한 토크를 얻는다. 프랑스의 물리학자인 아라고는 자석과 철 원판으로 상술한 토크 발생 원리를 입증하는 장치를 발명하였는데 이를 아라고의 원판이라고 한다.
위와 같은 원리로 유도 전동기의 토크가 발생한다.
2.1.1 장점
- 구동하기가 쉽다.
유도 전동기는 고정자 전류로 회전자 여자전류를 공급하는 구조이기 때문에 고정자계의 각속도와 회전자계의 각속도가 회전자의 기계적인 상황과 무관하게 항상 동일하다. 따라서 고정된 주파수를 가지는 상용 전원을 그냥 직결로 투입하더라도 어지간해서는 무난하게 회전력을 얻을 수 있는데 이는 값비싼 전용 모터 드라이브를 사용하지 않아도 되며 부하가 있는 상태에서의 기동이 수월하다는 큰 장점이 있다.
- 정전이나 긴급 토크 차단 등의 전기적, 기계적 충격에 강인하며 안전하다.
유도 전동기의 회전자는 그저 묵직한 쇳덩어리이거나 코일 덩어리일 뿐이고 추가 전원의 투입이 필요하지도 않다. 그래서 기계적으로 강인하며 전동기의 전원이 급하게 차단 될 경우, 영구자석 전동기와는 달리 회전자의 자화가 스스로 풀리므로 역기전력의 부담을 걱정하지 않아도 되어 안정적이다. 게다가 뭔가 문제가 생기더라도 전기적인 원리로 인해 인가 되고 있는 교류 전원의 주파수보다 회전수가 올라가는 것도 불가능하기 때문에 회전수를 직접 제한하기도 쉽다.
- 가격이 저렴하다.
필요하다면 구동시 별도의 드라이브가 필요하지 않으며, 영구자석이 들어가지 않고 구조가 단순하여 제작이 쉽기 때문에 시스템의 가격이 저렴해질 수 있다.
- 비교적 열에 강하다.
일반적인 유도 전동기 제작에는 자석이 사용되지 않으므로 열에 의한 성능 변화가 적다.
- 대용량화 하기 쉽다.
단순한 구조와 우수한 전기적, 기계적 특성이 결합되어 대용량 전동기 제작 및 구동이 비교적 수월하다. 여러가지 사용에 유용한 특성이 있어 전기기관차, 전기자동차, 엘리베이터 등 많은 애플리케이션에 유도 전동기가 적용 될 수 있다.
2.1.2 단점
- 효율이 비교적 낮다.
구동 원리상 회전자에 자속을 직접 만들어줘야 하고 이로 인해 회전자 내부에도 큰 단락 전류가 흐르기 때문에 추가 손실이 발생한다. 또한 항상 높은 주파수의 교류 전원이 흘러야 하기에 이것에 의한 손실도 있다.
- 성능 곡선의 형태가 나쁘다.
유도 전동기는 저속에서 토크가 낮고 최대 속도 근처에서 최대 토크가 나오며, 해당 지점 뒤부터 속도가 올라갈수록 토크가 급강하하는 형태의 성능 곡선이 그려진다. 그러다보니 최대 출력 영역이 너무 좁은데다 막상 최대 토크가 가장 필요할 초기 구동시에 최대 토크를 낼 수가 없다는 희한한 문제점이 있다.
- 제어가 어렵다.
상용 전원에서도 구동이 무난한 유도 전동기의 특성은 장점이기도 하지만 슬립으로 인해 부하에 따른 회전수 변화가 크다보니 정속도를 필요로 하는 곳에서는 적합하지 않다. 또한 적당하게 구동하는 수준이 아니라 모터 드라이브를 사용하는 정밀 제어쪽으로 들어가게 되면 온통 단점 투성이가 되어버린다. 투입하는 전기자 전류에 따른 계자 자속의 변화를 예측하기도 힘들고 슬립으로 인해 회전수를 맞추기도 힘들다. 게다가 토크 응답이 느려서 속도 제어 성능도 떨어지고 여기에 토크를 내기 위해서 정방향이든 역방향이든 항상 일정 속도 이상으로 회전하는 회전자계를 만들어줘야 하다보니 위치 제어 성능도 떨어진다.
2.2 동기 전동기
마찬가지로 동기전동기도 플레밍의 왼손 법칙으로 토크를 발생시키는데 유도 전동기와는 달리 동기 전동기의 회전자는 여자된 코일이나 영구자석을 통해 스스로 자계를 만든다는 차이점이 있다. 그래서 유도 전동기처럼 회전자계를 만들기 위한 삽질이 필요 없어 효율이 높고 응답이 빠르다.
3상 동기 전동기의 원리
2.2.1 장점
- 높은 효율
- 높은 출력밀도
- 정밀 서보 제어 가능
- 저소음
- 우수한 성능 곡선
2.2.2 단점
- 상용 전원 이용 곤란
- 전용 모터 드라이브 필요
- 높은 센서 의존도
3 교류전동기의 종류
3.1 브러쉬(Brush) 전동기
위에도 서술했다시피 일반적인 교류 전동기는 브러쉬가 없는 경우가 대다수이지만 있는 경우도 있다. 권선형 유도전동기나 계자권선형 동기전동기가 그 예인데 둘 다 계자 자속의 제어가 필요한 경우이다.
- 권선형 유도 전동기
회전 원리는 농형 유도 전동기와 같으나 회전자를 권선으로 구성하며, 이 2차 권선에 브러쉬를 붙인다. 여기에 저항을 연결하여 회전자에 유도되어 흐르는 전류를 조절할 수 있게 만들어진 전동기이다. 농형 유도 전동기에 비해 비교적 수월하게 속도 제어나 토크 제어가 가능하며 초기 기동시 전류를 제한하기 용이하고 대용량 부하에 유리하지만 유도 전동기 자체가 원래 효율이 낮은데 회전자가 권선인데다 거기에 저항이 또 붙는지라 효율이 대단히 나쁘다는 단점이 있다.
- 계자권선형 동기 전동기
회전자에 자석 대신 권선을 감아서 그 권선에 브러쉬를 통해 전류를 흘려 계자 자속을 제어할 수 있는 동기 전동기이다. 영구자석이 없으므로 가격이 싼데다 영구자석이 온도에 민감하다는 문제점을 피할 수 있어 더 고온 조건에서 높은 전류를 인가할 수 있으므로 고토크 전동기를 소형으로 저렴하게 제작할 수 있으며 계자 자속 제어가 용이함을 이용해서 정전압 발전기로 전환하여 운전하기도 좋다. 그러나 코일이 2개나 들어가다보니 임피던스가 높아 고속에서의 특성이 좋지 못하고 효율이 떨어져 고속기에서 사용하기에는 적합하지 않다.
3.2 브러쉬리스(Brushless) 전동기
3.2.1 유도(비동기) 전동기
- 농형 유도 전동기
3.2.2 동기 전동기
3.2.2.1 영구자석 전동기
- 표면형 영구자석 동기 전동기
줄여서 SPM이라고도 한다. 회전자 표면에 자석이 배치된 형태의 전동기이다. 이러한 유형의 전동기는 순수히 회전자의 영구자석과 고정자의 전자석이 상호작용하여 플레밍의 왼손 법칙으로 만들어지는 토크만을 이용한다. 효율도 높고 특성도 좋지만 회전자 표면에 영구자석을 직접 부착해야 하기 때문에 회전자에 테이프를 둘둘 감아놓은 식인 경우가 많으며, 이 문제로 인해 고RPM으로 제작하기가 불리하다는 단점이 있다.[3]
- 매입형 영구자석 동기 전동기
줄여서 IPM이라고도 한다. SPM과 유사하지만 회전자 내부로 자석이 매입된 형태의 전동기이다. 상단에 소개했던 SPM과 같은 원리로도 토크가 발생하지만 회전자 구조에 따라서 동시에 릴럭턴스 토크도 효과적으로 이용할 수 있다는 특징이 있다. 자석이 내부로 매입 되어 있어 고속에서도 안정적이며, 특성이 우수하고 효율이 매우 높다.
3.2.2.2 비영구자석 전동기
- 동기 릴럭턴스 전동기