교류전동기

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1. 개요

교류전동기는 회전자와 고정자에서 발생하는 회전 자기장을 이용하여 작동하는 전동기이다. 유도 전동기와 동기 전동기로 분류되며, 유도 전동기는 고정자 회전 자기장과 회전자 축 속도 차이를 이용하여, 동기 전동기는 슬립에 의존하지 않고 정확히 동기 속도에서 정격 토크를 생성한다. 유도 전동기는 슬립을 이용하여 작동하며, 슬립은 부하가 걸리면 증가한다. 교류 모터의 속도는 교류 공급 주파수와 고정자 권선의 극 수에 따라 결정된다. 다람쥐 케이지 로터는 대부분의 교류 전동기에 사용되며, 권선형 회전자는 가변 속도 제어에 사용된다. 또한 유니버설 모터, 반발 전동기, 전자 정류식 모터 등 다양한 종류의 교류 전동기가 존재한다.

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교류전동기
지도
기본 정보
종류	전동기
전원	교류
작동 원리	전자기 유도
속도 제어	주파수 또는 극수 조절
주요 유형
동기 전동기	회전 속도가 전원 주파수와 동기화됨.
유도 전동기	회전자가 회전 자기장에 의해 유도된 전류로 회전함.
단상 교류 전동기	가정용 또는 소형 기기에 사용됨.
특징
장점	간단한 구조 및 유지 보수 용이 높은 효율 및 신뢰성 다양한 속도 및 토크 범위
단점	속도 제어의 어려움 (일부 유형) 특정 유형은 기동 토크가 낮음
응용 분야
산업	펌프, 팬, 압축기 컨베이어 벨트 공작 기계
가정용	세탁기, 냉장고, 에어컨 선풍기, 청소기
수송	전기 자동차, 기차
기타	전동 공구, 로봇
추가 정보
관련 기술	인버터 주파수 변환기

2. 동작 원리

교류 전동기는 회전자와 고정자에서 발생하는 회전 자기장을 이용하여 작동한다. 회전자와 고정자 사이의 자기력은 평균 토크를 생성하여 부하를 구동한다. 교류 전동기는 크게 유도 전동기와 동기 전동기로 분류된다.^[28]

유도 전동기는 고정자 회전 자기장과 회전자 축 속도의 작은 차이(슬립)를 이용하여 회전자 권선에 유도 전류를 발생시킨다. 반면, 동기 전동기는 동기 속도에서 정격 토크를 생성한다.

2. 1. 유도 전동기

유도 전동기(또는 비동기 전동기)는 고정자 회전 자기장과 회전자 축 속도 사이의 작은 차이(슬립)를 이용하여 회전자 권선에 유도 전류를 발생시켜 회전력을 얻는다. 결과적으로 유도 전동기는 슬립이 없거나 존재하지 않는 동기 속도 근처에서는 회전력을 생성할 수 없다.^[28]

교류 전동기의 속도는 주로 교류 공급 장치의 주파수와 고정자 권선의 극 수에 따라 결정되며, 관계식은 다음과 같다.

:

N_{s} = 120F/p

여기서

:''N_s'' = 동기 속도(분당 회전 수)

:''F'' = 교류 전원 주파수

:''p'' = 위상 권선당 극 수

유도 전동기의 실제 RPM은 위 식에 의해 계산된 동기 속도보다 약간 작다.

다상 모터를 기동하는 방법에는 여러 가지가 있다. 큰 돌입 전류와 높은 기동 토크가 허용될 경우, 전체 선로 전압을 인가하는 직접 기동(DOL)을 할 수 있다. 기동 돌입 전류를 제한해야 할 경우, 직렬 인덕터, 자동 변압기, 싸이리스터 등을 사용하여 전압을 낮춰 기동한다. 별-델타(YΔ) 기동은 모터 코일을 প্রথমে 별 모양으로 연결하여 가속한 후, 속도가 올라오면 델타 모양으로 전환하는 방식이다. 이 방식은 유럽에서 주로 사용된다. 트랜지스터 드라이브는 모터와 부하의 기동 특성에 따라 인가 전압을 직접 조절할 수 있다.

이러한 유형의 모터는 기관차와 같은 견인 장치에 많이 사용되며, 비동기 견인 전동기로 알려져 있다.

2. 1. 1. 슬립

회전 자계가 회전자보다 빠르게 회전하기 때문에, 회전자 표면을 ''미끄러져'' 지나간다고 할 수 있다. 동기 속도와 실제 속도의 차이를 '''슬립(Slip)'''이라고 하며, 전동기에 부하가 걸리면 전동기 속도가 약간 느려지면서 슬립이 증가한다. 부하가 없더라도 내부 기계적 손실로 인해 슬립이 0이 되는 것을 막는다.

교류 전동기의 슬립은 다음과 같이 계산된다.

:

S = (N_{s} - N_{r})/N_{s}

여기서

:''N_r'' = 회전 속도(분당 회전 수)

:''S'' = 정규화된 슬립(0~1)

예를 들어, 60Hz에서 작동하는 일반적인 4극 전동기는 최대 부하에서 1725 RPM의 명판 정격이 있으며 계산 속도는 1800 RPM이다.

표준 전동기에는 하중을 가할 때 2-3%의 슬립이 발생하고 특수 전동기에는 최대 7%의 슬립이 발생한다. 토크 전동기로 알려진 전동기 종류는 100% 슬립으로 작동한다.

2. 1. 2. 다람쥐형 회전자

대부분의 일반적인 교류 전동기는 다람쥐 케이지 로터를 사용하며, 이는 거의 모든 가정용 및 경공업용 교류 전동기에 사용된다. 다람쥐 케이지는 애완동물을 위한 회전하는 운동장을 가리킨다. 이 모터는 로터 "권선"의 모양, 즉 로터의 양쪽 끝에 있는 고리와 고리를 연결하는 막대가 로터의 길이를 따라 뻗어 있는 형태에서 그 이름을 따왔다. 이것은 일반적으로 로터의 철심 박판 사이에 주입된 주조 알루미늄 또는 구리로 만들어지며, 일반적으로 끝 고리만 보인다. 로터 전류의 대부분은 저항이 더 높고 일반적으로 바니시 처리된 박판이 아닌 막대를 통해 흐른다. 막대와 끝 고리에는 매우 낮은 전압에 매우 높은 전류가 흐르는 것이 일반적이다. 고효율 모터는 로터의 저항을 줄이기 위해 주조 구리를 사용하는 경우가 많다.^[1]

작동 중에 다람쥐 케이지 모터는 회전하는 2차측을 가진 변압기로 볼 수 있다. 로터가 자기장과 동기적으로 회전하지 않으면 큰 로터 전류가 유도된다. 큰 로터 전류는 로터를 자화시키고 고정자의 자기장과 상호 작용하여 로터를 고정자의 자기장과 거의 동기화시킨다. 정격 무부하 속도에서 무부하 다람쥐 케이지 모터는 마찰 및 저항 손실에 대한 로터 속도를 유지하기 위해서만 전력을 소비한다. 기계적 부하가 증가함에 따라 전기적 부하도 증가한다. 전기적 부하는 기계적 부하와 본질적으로 관련이 있다. 이것은 1차측의 전기적 부하가 2차측의 전기적 부하와 관련된 변압기와 유사하다.^[1]

이것이 다람쥐 케이지 블로어 모터가 시작 시 가정용 조명을 어둡게 할 수 있지만 팬 벨트(그리고 따라서 기계적 부하)가 제거될 때 시작 시 조명을 어둡게 하지 않는 이유이다. 또한 정지된 다람쥐 케이지 모터(과부하 또는 샤프트가 막힘)는 시작을 시도할 때 회로 저항에 의해서만 제한되는 전류를 소비한다. 다른 무언가가 전류를 제한하거나 완전히 차단하지 않는 한 권선 절연체의 과열 및 파손이 발생할 가능성이 높다.^[1]

거의 모든 세탁기, 식기세척기, 독립형 팬, 레코드 플레이어 등은 다람쥐 케이지 모터의 일종을 사용한다.

2. 1. 3. 권선형 회전자

권선형 회전자는 가변 속도가 필요할 때 사용된다. 이 경우 회전자는 고정자와 같은 수의 극을 가지며 권선은 와이어로 만들어지고 샤프트의 슬립 링에 연결된다. 탄소 브러시는 슬립 링을 모터의 슬립 속도를 변경할 수 있는 가변 저항기와 같은 제어 장치에 연결한다. 특정 고출력 가변 속도 권선형 회전자 드라이브에서는 슬립 주파수 에너지가 캡처되어 정류되고 인버터를 통해 전원 공급 장치로 반환된다. 양방향으로 제어되는 전력을 사용하면 권선형 회전자는 에너지 변환 과정에 적극적으로 참여하게 되며, 권선형 이중 공급 구성은 두 배의 전력 밀도를 보인다.

다람쥐 케이지 회전자와 비교하여 권선형 회전자 모터는 비싸고 슬립 링과 브러시의 유지보수가 필요하지만 소형 전력 전자 장치가 등장하기 전까지는 가변 속도 제어의 표준 형태였다. 가변 주파수 드라이브를 사용하는 트랜지스터 인버터는 이제 속도 제어에 사용될 수 있으며, 권선형 회전자 모터는 점점 덜 일반적이 되고 있다.

2. 2. 동기 전동기

교류 전동기의 두 가지 주요 유형에는 유도 전동기(비동기 전동기)와 동기 전동기가 있다. 유도 전동기는 고정자 회전 자기장과 회전자 축 속도 사이의 작은 차이(슬립)를 이용하여 회전자 AC 권선에 유도 전류를 발생시킨다. 따라서 유도 전동기는 슬립이 없으면 토크를 생성할 수 없다. 반면, 동기 전동기는 슬립 유도에 의존하지 않고 영구 자석, 돌출 극, 또는 독립 여자된 회전자 권선을 사용하며, 정확히 동기 속도에서 정격 토크를 생성한다.

동기 전동기는 발전기로도 사용될 수 있다.

다른 유형의 전동기로는 와전류 전동기와 속도가 전압 및 권선 연결에 따라 달라지는 교류 및 직류 기계식 정류기가 있다.

2. 2. 1. 다상 동기 전동기

슬립 링에서 3상 전동기의 회전자 코일에 연결하고 자계 전류를 공급하여 연속 자기장을 생성하는 경우를 동기 전동기라고 한다. 왜냐하면 회전자는 다상 전원 공급 장치가 생성한 회전 자기장과 동기적으로 회전하기 때문이다.^[27] 동기 전동기는 교류 발전기로도 사용될 수 있다.

3상 모터의 회전자 코일 접속부를 슬립 링을 통해 외부로 연결하고 별도의 여자전류를 공급하여 연속적인 자기장을 생성하면(또는 회전자가 영구 자석으로 구성되어 있으면), 동기 전동기가 된다. 이는 회전자가 다상 전원에 의해 생성된 회전 자기장과 동기적으로 회전하기 때문이다. 또 다른 동기 전동기 시스템으로는 독립적으로 여자된 회전자 다상 AC 권선 세트를 가진 무부러시 권선형 이중 공급 동기 전동기 시스템이 있는데, 이 시스템은 동기 속도를 넘어 슬립 유도를 경험할 수 있지만, 다른 모든 동기 전동기와 마찬가지로 토크 생성에 슬립 유도를 의존하지 않는다.

현대의 동기 전동기는 종종 고체 상태 가변 주파수 드라이브에 의해 구동된다. 이는 대형 동기 전동기의 거대한 회전자를 기동하는 문제를 크게 완화해 준다. 또한 공통 회전자를 공유하는 다람쥐장치 권선을 사용하여 유도 전동기로 기동할 수도 있다. 모터가 동기 속도에 도달하면 다람쥐장치 권선에는 전류가 유도되지 않으므로 부하 변화 시 모터 속도를 안정시키는 것 외에는 모터의 동기 작동에 거의 영향을 미치지 않는다.

동기 전동기는 때때로 견인 전동기로 사용된다. TGV(프랑스 고속철도)가 이러한 용도의 가장 잘 알려진 예일 것이다.

현재 전기 자동차에는 수많은 3상 동기 전동기가 장착되어 있다. 이들은 네오디뮴 또는 다른 희토류 영구 자석을 가지고 있다.

이러한 유형의 모터의 한 가지 용도는 역률 보정 방식에서의 사용이다. 이들은 동기 조상기라고 불린다. 이것은 회전자가 과여자 될 때 선행 역률로 전력을 소비하는 기계의 특징을 이용한 것이다. 따라서 전원 공급 장치에는 콘덴서처럼 보이며, 유도 부하에 의해 전원 공급 장치에 일반적으로 제공되는 지상 역률을 보정하는 데 사용할 수 있다. 거의 유니티 역률이 얻어질 때까지 여자가 조정된다(종종 자동으로). 이 목적으로 사용되는 기계는 샤프트 연장이 없다는 점에서 쉽게 식별할 수 있다. 어떤 경우에도 동기 전동기는 역률이 유도 전동기보다 훨씬 우수하기 때문에 고출력 응용 분야에 선호된다.

가장 큰 AC 모터 중 일부는 나중에 동일한 기계를 사용하여 전기를 생산하기 위해 더 높은 고도의 저수지에 물을 펌핑하는 데 동기 전동기로 작동되는 양수 발전 발전기이다. 미국 버지니아 주의 배스 카운티 양수발전소에는 500MW 발전기 6기가 설치되어 있다. 펌핑 시 각 유닛은 479.3MW을 생산할 수 있다.^[27]

2. 2. 2. 단상 동기 전동기

소형 단상 교류 모터는 자화된 회전자 또는 릴럭턴스를 이용하여 설계할 수 있다.

기존 다람쥐 우리형 회전자에 돌기를 만들고 평면을 갈아 릴럭턴스를 증가시켜 만든 릴럭턴스 모터는 기동은 기존 방식과 같지만 동기 속도로 작동한다. 다만, 동기 속도에서 제공할 수 있는 토크는 적다. 관성 때문에 정지 상태에서 동기 속도로 회전자를 즉시 가속하기 어렵기 때문에, 이러한 모터는 일반적으로 기동을 위한 특별한 기능이 필요하다. 일부는 회전자를 동기 속도에 가깝게 만드는 다람쥐 우리형 구조를 포함한다. 다른 설계는 소형 유도 전동기나 일방향 메커니즘이 있는 매우 가벼운 회전자를 사용한다. 후자의 경우 교류 전원을 가하면 불규칙한(또는 불규칙해 보이는) 앞뒤 점프 운동이 발생하지만, 역전 방지 메커니즘이 없으면 회전 방향을 예측할 수 없다. 해몬드 오르간 음색 발생기는 자체 기동이 되지 않는 동기 모터를 사용했으며, 보조 그림자극 기동 모터를 갖추고 있었다. 스프링 장착 수동 기동 스위치는 몇 초 동안 이 두 번째 모터에 전원을 공급했다.

3. 역사

1832년 프랑스의 계측기 제작자 히폴리테 픽시는 최초의 발전기를 설계 및 제작하면서 조잡한 형태의 교류를 생성했다. 이는 회전하는 말굽 자석이 두 개의 권선 코일 위를 지나가는 방식이었다.^[2]

마이클 패러데이와 조지프 헨리가 1830년에서 1831년 사이에 변하는 자기장이 회로에 전류를 유도할 수 있다는 사실을 발견하면서 교류 기술이 시작되었다. 패러데이가 자신의 연구 결과를 먼저 발표했기 때문에 일반적으로 그에게 이 발견에 대한 공로가 돌아간다.^[1]

19세기 후반, 미국과 유럽의 많은 발명가들이 장거리 고전압 전송에서 교류의 이점 때문에 실용적인 교류 전동기를 개발하려고 노력했다.^[3] 회전 자기장을 처음으로 구상한 사람은 월터 베일리였는데, 그는 1879년 6월 28일 런던 물리학회에서 정류자의 도움을 받아 배터리로 작동하는 다상 전동기의 실용적인 시연을 선보였다.^[4] 프랑스 전기 기술자인 마르셀 드프레는 베일리의 장치와 거의 동일한 장치를 설명하면서, 1880년에 회전 자기장 원리와 그것을 생성하는 2상 교류 시스템에 대한 논문을 발표했다.^[5] 1886년, 영국 기술자 엘리후 톰슨은 유도 반발 원리와 그의 전력계를 확장하여 교류 전동기를 만들었다.^[6] 1887년, 미국의 발명가 찰스 쉔크 브래들리는 4개의 전선을 사용하는 2상 교류 전력 전송을 최초로 특허받았다.

"정류자 없는" 교류 유도 전동기는 갈릴레오 페라리스와 니콜라 테슬라에 의해 독립적으로 발명된 것으로 보인다. 페라리스는 1885년에 단상 유도 전동기의 작동 모델을 시연했고, 테슬라도 1887년에 2상 유도 전동기를 만들어 1888년 미국 전기 기술자 협회에서 시연했다.^[7]^[8]^[9] (하지만 테슬라는 1882년에 회전 자기장을 고안했다고 주장했다).^[10] 1888년, 페라리스는 토리노 왕립 과학 아카데미에 자신의 연구 결과를 발표하여 전동기 작동의 기초를 자세히 설명했다.^[11] 같은 해, 테슬라는 자신의 전동기에 대한 미국 특허를 받았다.^[12]

미국 특허 제381,968호 도면. 테슬라의 교류 전동기 원리를 보여준다.

페라리스의 실험을 바탕으로 미하일 돌리보-도브로볼스키는 1890년에 최초의 3상 유도 전동기를 선보였는데, 이는 훨씬 더 성능이 뛰어난 설계로 유럽과 미국에서 사용되는 원형이 되었다.^[13]^[14]^[15] 그는 또한 최초의 3상 발전기와 변압기를 발명하여 1891년에 최초의 완전한 교류 3상 시스템으로 결합했다.^[16] 3상 전동기 설계는 스위스 기술자 찰스 유진 랜슬롯 브라운도 연구했고,^[13] 독일 기술자 프리드리히 아우구스트 하젤반더와 스웨덴 기술자 요나스 벤스트롬이 다른 3상 교류 시스템을 개발했다.^[17]

4. 분류

교류 전동기는 크게 유도 전동기와 동기 전동기로 분류된다. 유도 전동기는 고정자 회전 자기장과 회전자 속도의 차이(슬립)를 이용해 회전자에 유도 전류를 발생시키는 반면, 동기 전동기는 슬립 유도 없이 영구 자석, 돌출 극, 독립 여자 회전자 권선 등을 사용한다.

그 외 와전류 전동기, 교류 및 직류 기계식 정류자 전동기 등이 있다.

교류 전동기의 종류는 다음과 같다.

유도 전동기
단상 유도 전동기
다람쥐형 삼상 유도 전동기
권선형 삼상 유도 전동기
동기 전동기
전자석 동기전동기
영구자석 동기전동기
릴럭턴스 모터(Reluctance motor)^[28]
교류정류자전동기

4. 1. 유도 전동기

유도 전동기는 고정자의 회전 자기장과 회전자 속도의 차이(슬립)를 이용하여 회전자에 유도 전류를 발생시켜 작동한다.

'''단상 유도 전동기''': 전기 선풍기, 펌프 등 소형 가전제품에 주로 사용된다.^[18]
'''다람쥐형 삼상 유도 전동기''': 산업 현장, 전차, 전기 기관차 등 다양한 분야에서 사용된다.
'''권선형 삼상 유도 전동기''': 가변 속도 제어가 필요한 곳에 사용된다. 권선형 회전자는 슬립 링과 브러시의 유지 보수가 필요하지만, 소형 전력 전자 장치가 등장하기 전까지는 가변 속도 제어의 표준 형태였다.

4. 2. 동기 전동기

동기 전동기는 슬립 유도에 의존하지 않고 영구 자석, 돌출 극(돌출된 자극을 가짐), 또는 독립적으로 여기된 회전자 권선을 사용한다. 동기 전동기는 정확히 동기 속도에서 정격 토크를 생성한다. 브러시리스 권선형 회전자 이중 공급 동기 전동기 시스템은 슬립 유도 전류의 원리에 의존하지 않는 독립적으로 여기된 회전자 권선을 가지고 있다. 브러시리스 권선형 회전자 이중 공급 전동기는 공급 주파수 또는 공급 주파수의 하위 또는 상위 배수에서 정확히 작동할 수 있는 동기 전동기이다.

소형 단상 교류 모터는 자화된 회전자(또는 그와 유사한 여러 가지 변형)를 사용하여 설계할 수도 있다.

기존 다람쥐 우리형 회전자에 돌기를 만들어 꺼짐극을 생성하고 릴럭턴스를 증가시키기 위해 평면을 갈면 기존 방식으로는 기동하지만 동기 속도로 작동한다. 다만 동기 속도에서 제공할 수 있는 토크는 적다. 이를 릴럭턴스 모터라고 한다.

관성으로 인해 정지 상태에서 동기 속도로 회전자를 순간적으로 가속하는 것이 어렵기 때문에 이러한 모터는 일반적으로 기동을 위한 특별한 기능이 필요하다. 일부는 회전자를 동기 속도에 가깝게 가져오는 다람쥐 우리형 구조를 포함한다. 다양한 다른 설계는 소형 유도 전동기(동기 전동기와 동일한 계자 코일과 회전자를 공유할 수 있음) 또는 일방향 메커니즘이 있는 매우 가벼운 회전자(회전자가 "정방향"으로 기동하도록 보장하기 위해)를 사용한다. 후자의 경우 교류 전원을 인가하면 불규칙한(또는 불규칙해 보이는) 앞뒤 점프 운동이 발생한다. 이러한 모터는 항상 기동하지만 역전 방지 메커니즘이 없으면 회전 방향을 예측할 수 없다. 해몬드 오르간 음색 발생기는 (비교적 최근까지) 자체 기동이 되지 않는 동기 모터를 사용했으며, 보조 기존 그림자극 기동 모터를 갖추고 있었다. 스프링으로 장착된 보조 수동 기동 스위치는 몇 초 동안 이 두 번째 모터에 전원을 공급했다.

동기 전동기는 다음과 같이 분류할 수 있다.

전자석 동기전동기: 양수 발전소의 펌프 터빈 등에 사용된다.
영구자석 동기전동기: 전기 자동차, 고효율 가전제품 등에 사용된다.
릴럭턴스 모터(Reluctance motor): 계자의 여자(励磁)가 불필요하고 회전자의 흡인력만으로 회전한다.^[28]

4. 3. 교류 정류자 전동기

교류 정류자 전동기는 직렬 권선형 전동기 구조로, 교류 및 직류 전원 모두에서 작동 가능하다. 진공청소기, 전동 공구 등 높은 기동 토크가 필요한 곳에 사용된다.^[28]

5. 기타 교류 전동기 유형

'''반발 전동기'''는 권선형 회전자를 가진 단상 교류 유도 전동기의 한 종류이다. 전기자 브러시가 단락되어 있고, 변압기 작용에 의해 고정자가 회전자에 전류를 유도하여 반발력으로 토크를 발생시킨다. 반발 기동 유도 운전(RS-IR) 전동기가 가장 많이 사용되며, 원심 스위치를 통해 정격 속도에 도달하면 유도 전동기처럼 작동한다.
'''외부 회전자'''는 속도 안정성이 중요한 경우에 사용되며, 고정자가 내부에, 회전자가 외부에 배치되어 관성과 냉각을 최적화한다.
'''슬라이딩 로터 모터'''는 브레이크를 원추형 슬라이딩 로터의 일체형 부품으로 통합한 형태이다. 모터 정지 시 스프링이 로터를 정지 상태로 유지하고, 전력 공급 시 자기장이 브레이크를 해제하고 로터를 회전시킨다.
'''전자 정류식 모터'''(EC 모터)는 직류 전동기의 일종으로, 직류(DC) 전력으로 구동되며 전자 정류 시스템을 갖추고 있다. 전류-토크 및 주파수-속도 관계는 선형이다.
'''전력량계 모터'''는 2상 유도 전동기로, 영구 자석을 사용하여 로터 속도를 미터를 통과하는 전력에 정확하게 비례하도록 제어한다. 로터는 알루미늄 합금 디스크이며, 유도된 전류는 고정자의 자기장과 상호 작용한다.^[1]
'''저속 동기 타이밍 모터'''는 대표적인 저토크 동기 모터로, 다극 중공 원통형 자석(내부 극)이 고정자 구조를 둘러싸고 있는 구조이다. 고정자는 샤프트와 같은 축에 있는 코일 하나를 가지며, 코일 양 끝에는 직사각형 이빨이 있는 원형 플레이트 쌍이 있다.

5. 1. 범용 전동기 (Universal Motor)

유니버설 모터(universal motor)는 교류(AC) 또는 직류(DC) 전원으로 작동할 수 있는 모터이다. 유니버설 모터에서는 직류 브러시 모터의 고정자(stator)와 회전자(rotor) 모두 권선되어 외부 전원으로부터 전력을 공급받으며, 토크는 회전자 전류와 고정자 전류의 곱에 비례한다. 따라서 회전자와 고정자의 전류 방향을 동시에 바꾸어도 회전 방향은 바뀌지 않는다. 유니버설 모터는 고정자 권선의 인덕턴스 리액턴스와 와전류 손실이 문제가 되지 않을 정도로 주파수가 높지 않다면 교류와 직류 모두에서 작동할 수 있다. 거의 모든 유니버설 모터는 인덕턴스를 최소화하기 위해 고정자가 비교적 적은 권선을 가지는 직렬권선형(series-wound)이다. 유니버설 모터는 소형이며, 높은 시동 토크를 가지고 있으며, rheostat 및 PWM 쵸퍼와 같은 비교적 간단한 제어 장치를 사용하여 속도를 넓은 범위에서 변화시킬 수 있다. 유도 전동기와 비교했을 때, 유니버설 모터는 브러시와 정류자(commutator)의 고유한 단점인 비교적 높은 수준의 전기적 및 음향적 소음, 낮은 신뢰성, 그리고 더 빈번한 유지보수가 필요하다는 단점이 있다.^[1]

유니버설 모터는 소형 가전제품과 휴대용 전동 공구에 널리 사용된다. 1970년대까지는 전기 철도(전기 및 디젤 전기 철도 및 도로 차량 포함)에서 주도적인 역할을 했다. 많은 궤도 전력 시스템은 앞서 언급한 손실 및 리액턴스 문제를 극복하기 위해 16.7 Hz 및 25 Hz와 같은 특수 저주파를 여전히 사용한다. 널리 사용되고 있지만, 유니버설 견인 모터는 현대의 전력 반도체 소자에 의해 가능해진 가변 주파수 드라이브를 갖춘 다상 교류 유도 전동기 및 영구 자석 모터에 의해 점차 대체되고 있다.^[1]

5. 2. 반발 전동기 (Repulsion Motor)

반발 전동기는 권선형 회전자를 가진 단상 교류 유도 전동기의 한 종류이다. 반발 전동기에서는 범용 전동기와 달리 계자와 직렬로 연결하는 대신, 전기자 브러시가 단락된다. 변압기 작용에 의해, 고정자는 회전자에 전류를 유도하고, 이는 다른 전동기와 같이 흡인력이 아닌 반발력에 의해 토크를 발생시킨다. 여러 종류의 반발 전동기가 제조되었지만, ''반발 기동 유도 운전''(RS-IR) 전동기가 가장 많이 사용되었다. RS-IR 전동기는 원심 스위치를 가지고 있어, 전동기가 정격 속도에 가까워지면 정류자의 모든 부분을 단락시켜 유도 전동기처럼 작동한다. 이러한 전동기 중 일부는 브러시를 전압 조정 전원과의 접촉에서 들어 올리기도 한다. 적절한 전동기 기동 콘덴서가 사용 가능하기 전에 반발 전동기가 개발되었으며, 2005년 현재는 반발 전동기의 판매량이 거의 없다.

5. 3. 외부 회전자 (Exterior Rotor)

일부 파스토 모터(Papst motor)와 같이 속도 안정성이 중요한 경우, 교류 전동기는 관성과 냉각을 최적화하기 위해 고정자를 내부에, 회전자를 외부에 배치하기도 한다.

5. 4. 슬라이딩 로터 모터 (Sliding Rotor Motor)

원추형 로터 브레이크 모터는 브레이크를 원추형 슬라이딩 로터의 일체형 부품으로 통합한 형태이다. 모터 정지 시 스프링이 슬라이딩 로터에 작용하여 브레이크 링을 모터의 브레이크 캡에 대고 로터를 정지 상태로 유지한다. 모터에 전력이 공급되면 자기장이 축 방향 및 반경 방향 성분을 모두 생성하는데, 축 방향 성분은 스프링 힘을 극복하여 브레이크를 해제하고, 반경 방향 성분은 로터를 회전시킨다. 따라서 추가적인 브레이크 제어는 필요하지 않다.

높은 시동 토크와 낮은 관성을 가진 원추형 로터 브레이크 모터는 50년 이상 전에 발명, 설계 및 출시된 이후로 고주기 동적 구동이 필요한 응용 분야에 이상적인 것으로 입증되었다. 이러한 유형의 모터 구성은 1963년 미국에서 처음으로 도입되었다.

단일 속도 또는 이중 속도 모터는 감속기 시스템에 결합하도록 설계되었으며, 마이크로 속도 구동에도 사용된다.

이러한 유형의 모터는 크레인 및 호이스트에서도 찾아볼 수 있다. 마이크로 속도 장치는 두 개의 모터와 중간 감속기를 결합하여 극도의 기계적 위치 정확도와 높은 사이클링 성능이 필요한 응용 분야에 사용된다. 마이크로 속도 장치는 빠른 속도를 위한 “주” 원추형 로터 브레이크 모터와 느린 속도 또는 위치 지정 속도를 위한 “마이크로” 원추형 로터 브레이크 모터를 결합한다. 중간 감속기는 다양한 비율을 허용하며, 서로 다른 속도의 모터를 결합하여 고속과 저속 사이에 높은 비율을 생성할 수 있다.

5. 5. 전자 정류식 모터 (Electronically Commutated Motor, EC Motor)

전자 정류식(EC) 모터는 직류 전동기의 일종으로, 직류(DC) 전력으로 구동되며 기계식 정류자와 브러시 대신 전자 정류 시스템을 갖추고 있다. BLDC 모터의 전류-토크 및 주파수-속도 관계는 선형이다. 모터 코일은 직류로 구동되지만, 전력은 케이스 내에서 교류(AC)를 정류기를 통해 정류하여 공급받을 수 있다.

5. 6. 전력량계 모터 (Watthour-meter Motor)

영구 자석을 사용하여 로터의 속도를 미터를 통과하는 전력에 정확하게 비례하도록 제어하는 2상 유도 전동기이다. 로터는 알루미늄 합금 디스크이며, 여기에 유도된 전류는 고정자의 자기장과 상호 작용한다.^[1]

단상 전력량계는 디스크를 향한 3개의 코일이 있는 고정자를 가지고 있다. 자기 회로는 투자율이 높은 철로 된 C자형 코어에 의해 완성된다. 디스크 위쪽의 "전압" 코일은 전원과 병렬로 연결되며, 많은 권수를 가지고 있어 높은 인덕턴스/저항 비율(Q)을 갖는다. 따라서 그 전류와 자기장은 인가 전압의 시간 적분이며, 90도 위상이 뒤처진다. 이 자기장은 디스크를 수직으로 통과하여, 자기장을 중심으로 디스크 평면에 원형 와전류를 유도한다. 이러한 유도 전류는 자기장의 시간 미분에 비례하며, 90도 위상이 앞선다. 이로 인해 와전류는 전압 코일에 인가된 전압과 위상이 일치하게 된다. 마치 저항 부하를 가진 변압기의 2차측에 유도된 전류가 1차측에 인가된 전압과 위상이 일치하는 것과 같다.^[1]

와전류는 디스크 아래의 두 개의 "전류" 코일의 극부 바로 위를 통과한다. 각 코일은 부하 임피던스에 비해 유도 리액턴스가 작은 굵은 게이지 와이어로 몇 바퀴 감겨 있다. 이 코일들은 전원을 부하에 연결하여 부하 전류와 위상이 일치하는 자기장을 생성한다. 이 자기장은 한 전류 코일의 극에서 디스크를 수직으로 통과하여 다른 전류 코일의 극으로 내려가고, 첫 번째 전류 코일로 다시 돌아가는 완전한 자기 회로를 형성한다. 이러한 자기장이 디스크를 통과할 때, 전압 코일이 유도한 와전류를 통과하여 디스크에 로렌츠 힘을 발생시키며, 이 힘은 두 힘 모두에 대해 서로 수직이다. 부하로 전력이 흐른다고 가정하면, 왼쪽 전류 코일의 플럭스는 디스크를 위로 통과하고, 와전류는 디스크 중심으로 방사형으로 흐르며, (오른손 법칙에 따라) 디스크 앞쪽을 오른쪽으로 구동하는 토크를 생성한다. 마찬가지로, 플럭스는 디스크를 통과하여 오른쪽 전류 코일로 내려가고, 와전류는 디스크 중심에서 방사형으로 멀어지며, 역시 디스크 앞쪽을 오른쪽으로 구동하는 토크를 생성한다. AC 극성이 반전되면, 디스크의 와전류와 전류 코일의 자기 플럭스 방향이 모두 변하지만, 토크의 방향은 변하지 않는다.^[1]

따라서 토크는 순시 선간 전압과 순시 부하 전류에 비례하며, 역률을 자동으로 보정한다. 디스크는 영구 자석에 의해 제동되므로 속도는 토크에 비례하고, 디스크는 기계적으로 실제 전력을 적분한다. 미터의 기계식 다이얼은 디스크 회전 수와 부하에 전달된 총 에너지를 표시한다. (부하가 계통에 전력을 공급하는 경우, 디스크는 래칫에 의해 방지되지 않는 한 역회전하여 순계량을 가능하게 한다.)^[1]

단상 전력량계에서 전압 코일은 두 개의 "핫"(선) 단자(북미에서는 240V) 사이에 연결되고, 두 개의 별도 전류 코일은 해당 선과 부하 단자 사이에 연결된다. 선-중성 및 선-선 부하를 올바르게 처리하는 데 시스템 중성선에 대한 연결은 필요하지 않다. 선-선 부하를 통해 동일한 전류가 두 전류 코일을 통해 흐르고, 단일 전류 코일을 통해 동일한 전류를 끄는 선-중성 부하보다 두 배 빠르게 미터를 회전시켜 선-선 부하에 의해 소비되는 전력이 선-중성 부하의 두 배임을 올바르게 기록한다.^[1]

동일한 설계의 다른 변형은 다상(예: 3상) 전력에 사용된다.^[1]

5. 7. 저속 동기 타이밍 모터 (Slow-speed Synchronous Timing Motor)

대표적인 저토크 동기 모터로, 다극 중공 원통형 자석(내부 극)이 고정자 구조를 둘러싸고 있는 구조이다. 알루미늄 컵이 자석을 지지한다. 고정자는 샤프트와 같은 축에 있는 코일 하나를 가지고 있다. 코일의 각 끝에는 샤프트와 평행하게 형성된 가장자리에 직사각형의 이빨이 있는 한 쌍의 원형 플레이트가 있다. 이것들이 고정자 극이다.^[1] 한 쌍의 디스크 중 하나는 코일의 자속을 직접 분배하고, 다른 하나는 공통 차폐 코일을 통과한 자속을 받는다.^[1] 극은 상당히 좁으며, 코일의 한쪽 끝에서 나오는 극 사이에는 다른 쪽 끝에서 나오는 동일한 세트가 있다.^[1] 전반적으로 이것은 음영이 없는 극과 음영이 있는 극이 번갈아 가며 나타나는 4개의 극이 반복되는 시퀀스를 생성하며, 이는 회전자의 자극이 빠르게 동기화되는 원주 방향 이동 자기장을 생성한다.^[1] 일부 스테핑 모터는 이와 유사한 구조를 가지고 있다.^[1]

참조

_[1] 서적 Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences https://books.google[...] Springer Science & Business Media
_[2] 서적 The Gateway to Understanding: Electrons to Waves and Beyond https://books.google[...] AuthorHouse
_[3] 서적 Empires of Light: Edison, Tesla, Westinghouse, and the Race to Electrify the World https://books.google[...] Random House Publishing Group
_[4] 서적 Wizard: The Life and Times of Nikola Tesla : Biography of a Genius https://books.google[...] Citadel Press
_[5] 서적 Polyphase Electric Currents and Alternate-current Motors https://archive.org/[...] Spon
_[6] 서적 Innovation as a Social Process: Elihu Thomson and the Rise of General Electric https://books.google[...] Cambridge University Press
_[7] 서적 The Froehlich/Kent Encyclopedia of Telecommunications: Volume 17 – Television Technology https://books.google[...] CRC Press
_[8] 간행물 The Electrical Engineer Biggs & Co.
_[9] 간행물 Electromagnetic rotation with an alternating current
_[10] 서적 Prodigal Genius: The Life of Nikola Tesla
_[11] 웹사이트 Two-Phase Induction Motor http://www.fi.edu/le[...] The Franklin Institute
_[12] 서적 Biographical Dictionary of the History of Technology https://books.google[...] Taylor & Francis
_[13] 서적 Evolving Technology and Market Structure: Studies in Schumpeterian Economics https://books.google[...] University of Michigan Press
_[14] 서적 Micromechatronics: Modeling, Analysis, and Design with MATLAB https://books.google[...] Taylor & Francis
_[15] 서적 The Fundamentals of Nuclear Power Generation: Questions & Answers https://books.google[...] Author House
_[16] 웹사이트 History of Transformers http://edisontechcen[...] 2018-05-05
_[17] 학술지 Early Three-Phase Power (History) IEEE Power & Energy Society
_[18] 웹사이트 Split Phase Induction Motor section in Neets module 5: Introduction to Generators and Motors http://www.tpub.com/[...]
_[19] 서적 Audel HVAC Fundamentals, Volume 2: Heating System Components, Gas and Oil Burners, and Automatic Controls https://books.google[...] John Wiley & Sons 2004-07-02
_[20] 서적 Electrical Science https://books.google[...] S. Chand 2005-08-08
_[21] 서적 Commercial Electrical Wiring https://books.google[...] Craftsman Book Company 2024-02-20
_[22] 서적 Basic Electrical and Electronics Engineering https://books.google[...] Laxmi Publications 2024-02-20
_[23] 서적 Electrical Craft Principles https://books.google[...] 1995-02-20
_[24] 서적 Alternating Current Machines https://books.google[...] Firewall Media 2024-02-20
_[25] 서적 Transformers and Motors https://books.google[...] Newnes 2008-09-26
_[26] 웹사이트 13.7. Tesla polyphase induction motors http://www.web-books[...] 2013-09-01
_[27] 웹사이트 Bath County Pumped Storage Station https://www.dom.com/[...] 2007-03-30
_[28] 문서 従来は回転数の制御が困難だったが、近年ではパワーエレクトロニクスの進歩により制御技術が向上し、直流ブラシレスモータで使用されていた希土類磁石が不要なことから、徐々に活路を広げつつある。
_[29] 서적 Historcal Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences, Volume 1 http://books.google.[...] Springer 2009-03-06
_[30] 서적 The Gateway to Understanding: Electrons to Waves and Beyond http://books.google.[...] AuthorHouse 2005-03-03

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