유도전동기의 회전원리

유도전동기 회전원리

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▣ 유도 전동기는 아라고 원판의 회전원리에 따라 회전한다.

    아라고 원판 위 아래로 자석을 두고 이 자석을 회전시키면 자석을 회전하는 방향으로

    아라고 원판이 함께 회전하게 된다.

 

위 그림과 같이 자석을 시계방향으로 회전하면 아라고 원판도 시계방향으로

힘을 받아 회전하는 원리로 유도전동기도 회전을 하게 된다.

 

유도 전동기가 회전하려면 자석이 발생하는 자속을 원판이 끊어 주어 스스로 전자유도 전류

를 발생시켜야 원판이 힘을 받아 회전을 할 수 있다. 전류가 흐르기 위해서는 전자유도법칙

에 의한 기전력이 발생되어야 한다. 이를 위해서는 유도기는 우선 페러데이의 전자유도 법

칙에 따라 발전기의 역할을 하여 기전력을 발생시키고 전류를 흐르게 해야 한다.

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 ⊙ 계자에서 자속이 발생되어야 한다.

 ⊙ 도체를 이용하여 자속을 끊어 기전력을 발생시켜야 한다.

 

즉 자석이 발생시킨 자속을 아라고 원판이 끊어 주어 기전력을 발생시켜야 한다.

 

위 그림을 보면 자석을 시계방향으로 회전을 하면 아라고 원판 즉, 도체는 반시계방향으로

운동하는 효과가 나타난다. 즉, 자석의 자계가 위에서 아래로 발생하는데 원판이 자속을

끊어 주므로 아라고 원판에 플레밍의 오른손 법칙에 따라 원판 중심으로 유기기전력이

발생하게 된다.

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 ⊙ 플레밍의 오른손 법칙 : 기전력(전류) 방향

   ① 엄지(F) : 도체의 운동방향

   ② 검지(B) : 자속밀도 방향

   ③ 중지(I) : 전류의 방향

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플레밍의 오른손 법칙에 따라 전류가 원판의 중심으로 흐르는 것을 알았다.

전류는 원판중심 방향으로 흐르고 자속밀도 방향은 위에서 아래로 발생하므로

플레밍의 왼손 법칙에 따라 원판은 시계방향으로 힘을 받게 됨을 알 수 있다.

 ⊙ 플레밍의 왼손 법칙 : 도체에 작용하는 힘의 방향

   ① 엄지(F) : 도체에 작용하는 힘의 방향

   ② 검지(B) : 자속밀도 방향

   ③ 중지(I) : 전류의 방향

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※ 유도기는 스스로 유기기전력(전류)를 발생시켜야 하는데 유기기전력을 발생시키기 위해

   서는 자속을 도체가 끊어 주어야 한다. 그런데 자속을 발생시키는 자석과 원판(도체)가

   같은 속도로 회전을 하면 자속을 끊어 주지 못하므로 전류를 발생시킬 수 없고 결국에는

   원판이 회전력을 발생시키지 못하게 된다. 따라서 유도전동기가 계속 회전하려면 자속

   의 회전속도보다 원판의 회전속도가 늦어야 한다.

※ 유도기는 원판이 스스로 유기기전력을 발생해야만 회전하게 된다.

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유도전동기에서는 아라고 원판과 같이 자석을 회전시키지 않는다.

대신 3상 전류를 공급하여 회전하는 자계를 형성함으로서 자석이 회전하는 것과 같은

역할을 3상 전류가 하게 된다. 3상 전류를 인가해 주면 회전자속을 발생하게 되므로

자속을 돌리는 것과 같은 효과를 발생한다.

 

 

 

3상 교류 전력을 고정자에 공급을 하면 합성 자계가 시간의 흐름에 따라 회전하게 된다.

위 그림 1/4t에서는 a상은 나오는 방향이고 b,c상은 a상이 나오는 방향이므로 들어가는

방향이 된다. 그리고 a', b', c'는 각각 a, b,c상과 반대방향이 반대방향이 된다.

이를 연속하여 보면 아래 그림과 같이 회전자계가 합성되어 하나의 자극을 형성하게 되고

이 합성 회전자계가 회전하게 됨을 알 수 있다.

 

위 그림과 같이 3상 교류 전류는 합성 자속이 회전하고 있는 것을 볼 수 있다.

이 때 회전속도는 다음과 같다.

 

위 식에서 극수 P는 합성회전자계의 극수를 말한다. 위의 그림에서는 3상 전류가

Y결선으로 접속하였을 때 하나의 회전자계를 만드므로 자극은 N극, S극 이렇게

2개의 자극이 된다. 주파수는 60[Hz] 이므로 3상 전류가 만드는 회전자계의 회전

속도는 Ns = 120×60÷2 = 3600[rpm]이 된다.

 

2. 3상 유도전동기 구조 및 종류

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▣ 3상 유도전동기의 구조를 다음 그림을 보며 알아 보자

 

3상 유도전동기에는 고정자에 3상 유도코일을 감아 회전자를 발생킨다.

회전자에는 회전자 도체가 있고 구리 막대(농형)나 권선(권선형)을 감는다.

3상 교류 전원은 회전자기장을 발생시키는데 이는 자석을 회전시키는 것과

같은 역할을 하게 된다.

 

원판이 자속을 끊어 주어야 원판이 힘을 받아 회전을 하게 된다.

이러한 역할을 하는 것이 회전자의 도체가 하게 된다.

원판은 회전자계와 같은 방향으로 회전을 하게 된다.

 

  ⊙ 1차 : 자석 : 회전자계

  ⊙ 2차 : 회전자 (원판) : 회전자 도체

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▣ 유도 전동기는 회전자의 모양에 따라 농형유도전동기화 권선형 유도전동기로 나눈다.

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【 농형유도전동기】

 

⊙ 고정자 1차 권선에 3상 교류 전류를 공급하면 회전자계가 형성된다.

   이 회전자계를 농형 2차 권선이 끊게 되면 유기기전력이 발생하게 되는데

   이 역할을 하는 것이 회전자의 구리막대이다.

   구리막대는 농형전동기를 기동할 때 사용하는 기동권선(제동권선)이다.

 ※ 제동권선 : 3상 동기 전동기 : 난조발생 방지

     3상 농형 유도전동기 : 기동토크 발생 (기동권선 역할)

     농형전동기에는 스큐슬롯 , 경사슬롯, 사슬롯, 사구를 사용한다.

 

▣ 스큐스롯을 사용하는 목적

 

 ◎ 고조파 제거 (기전력의 파형 개선)

 ◎ 고조파의 소음 발생 방지 (클로우링 현상 방지)

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  【 권선형유도전동기】

 

권선형 유도전동기는 회전내에 권선을 감은 형태의 전동기이다.

회전자 권선은 외부에 슬립링을 통해 외부의 가변저항과 연결된다.

 

※ R : 가변저항기의 저항, r2 : 회전자 내부에 있는 권선의 저항

 

고정자 1차 권선에 3상 교류 전류를 공급하면 회전자계가 발생하게 되고

이 회전자계를 끊어 주어 유도기전력을 발생시켜야 회전력을 얻을 수 있다.

권선형 유도 전동기는 농형과 달리 2차 저항을 가변할 수 있다.

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⊙ 권선형 유도 전동기의 2차 저항을 가변하는 이유

  ◎ 기동할 때 기동전류를 제한하는 역할 R ↑ ⇒ I ↓

  ◎ 기동토크를 개선할 때 토크 τ ↑

  ◎ 속도 제어 (조정)​ ​​

 

※ 권선형 유도전동기는 회전자 권선에 전류가 흐르고 이 권선에는 저항이 브러쉬로

   연결되어 있으므로 브러쉬에 의한 손실, 그리고 전류 I2R에 의한 손실이 발생하는

   등으로 효율이 좋지 않다. 따라서 권선형은 잘 사용되지 않는다.