■교통안전공단 │ 발표자 : 차주엽 / 공동연구자 : 위승만

Ⅰ. 서론
각종 산업용 및 가정용 등에 이르기까지 모든 분야에 동력원으로 사용되는 전동기는 그 응용분야가 점점 더 확대 및 다양화되면서 고도의 성능을 필요로 하고 있다. 특히 전력용 반도체소자 및 각종 센서와 같은 관련분야의 기술발전과 신제품 개발, 제어분야의 연구성과가 전동력 응용기술 진보에 커다란 공헌을 하고 있다.
예를 들어 과거에는 속응성이나 고정밀도를 요하는 속도제어에 있어서 주로 직류기가 사용됐지만, 근래에는 유도전동기 인버터제어에 의해 고성능 속도제어 시스템이 실용화되고 있다. 전동력 응용에 있어서 전동기를 선정하는 문제는 부하중량은 물론 부하의 특성, 제어방식, 성능과 가격등을 전반적으로 검토해 최적 제품의 선택을 위한 전동기의 종류 및 특성을 살펴보기로 한다.

Ⅱ. 본론
1. 전동기(motor)의 개념
전동기는 어떤 일을 하는 기기의 구동원이 되는 것으로 전원을 넣으면 전기 작용에서 발생하는 회전력을 축(SHAFT)으로 꺼내 다른 기계에 벨트 또는 기어를 통해 힘을 전달 시키는 작용을 한다.
또 회전축과 직결시켜 어떤 구체적인 작용을 하는 것으로 전기 에너지를 기계 에너지(회전 에너지)로 변환하는 장치로 기기의 심장과 같은 중요한 역할을 한다.

2. 전동기의 회전 원리
가. 후레밍의 왼손 법칙
[그림 1]과 같이 자속이 있는 영구 자석에 자력선의 방향과 직각으로 도체를 넣고 이 도체에 화살표 방향으로 전류를 흘리면 도체는 힘을 받아 화살표 방향인 위로 움직인다. 이와같이 자속과 전류와의 관계에서 발생하는 힘을 전자력이라 하고, 세가지 관계는 서로 직각으로 뻗어진 왼손의 엄지, 검지, 중지로 나타내며 이 작용을 발견한 사람의 이름을 따서 ‘후레밍의 왼손법칙’이라 한다.

나. 아라고의 원판
[그림 2]에서 처럼 영구 자석을 화살표 방향으로 이동시키면 원판(도체)은 영구 자석이 이동하는 방향을 따라서 회전한다.
전기학적으로 보면 자석에 의한 자속이 자석과 함께 이동하므로 원판(도체)은 자속을 자르게 되고 후레밍의 왼손법칙과 같은 결과가 되어 원판 내에는 기전력이 유기되어 나선형 전류i가 흐른다. 이 유기되는 나선형 전류(유도 전류)와 자속과의 관계에서 전자력F가 발생해 자석의 이동 방향과 같은 방향이 되며, 이것을 모타의 회전 원리인 ‘아라고의 원판’이라 부른다.
이 원판은 자속의 회전이 스테이터에서 만들어진 자계와 같고 원판은 회전자와 같아 실제의 전동기는 이보다 회전력과 효율이 좋다.

3. 단상전동기의 회전 원리
단상전동기의 회전원리는 주권선과 보조권선을 가지고 있어 서로 전기각으로 π/2 위치에 권선을 배치하고 있으며 보조권선과 직렬로 콘덴서를 접속하고 있다. 보조권선과 콘덴서는 기동장치이지만 콘덴서 운전형 모타의 경우, 운전시에도 떨어지지 않고 통전을 하며 주권선의 전류 Im에 대한 보조권선의 전류 Ia가 π/2 만큼 앞서게 흐른다.
주파수 그림에서는 주권선 전류 Im과 보조권선 전류 Ia와의 관계를 횡축은 시간으로 1주기분을 나타내며(주파수가 60Hz라면 1/60초를 나타낸다), 고정자 권선의 예로 [그림 3]과 같이 2극 콘덴서 모타의 권선 배치도를 나타내고, 2극 콘덴서모타에서 주권선은 A와 B, 보조권선은 C와 D로서 A와 B 및 C와 D는 상대극으로 되도록 배치했다.
이에따라 권선에 正의 전류가 흐르게 되면 A권선 - N극, B권선 - S극, C권선 - N극, D권선 - S극의 극성을 구성하도록 권선하고 있으며, [그림 3]의 권선 배치도에서 正負와 이것의 극성 관계를 결합시키면 권선의 극성 변화는 시간 t1 - t2 - t3 - t4 - t5로 변화해 극성도 변화한다.
다선 배치도 상에서 동심원으로 시간을 외주에서 변화하도록 하면 시간 t1에 걸리는 보조권선 D의 S극은 시간 t2에 걸리는 주권선 B의 위치에, 시간 t3에 걸리는 보조권선 C의 위치에 순서로 이동하고, 시간 t5가 1주기로 본래의 보조권선 D의 위치에 돌아온다.
다른 극(N극)도 같은 모양으로 시계 방향으로 회전하기 때문에 회전 자계를 구성하게 된다. 여기에서 1분간 회전자계의 회전수 Ns는 Ns = 60 X 60 = 3600[rpm]으로 동기 속도를 나타내며, 유도 전동기의 회전자는 동기 속도보다 늦게 회전하므로 그 늦은 율을 Slip s로 나타낸다.

4. 전동기의 종류
가. 외피의 형에 따른 종류
(1) 개방형(open type motor) : 전동기와 그 전동기가 구동하는 기기가 어떠한 형태의 단일 외피에 의해서도 폐쇄되지 않은 것.
(2) 폐쇄형(enclosed type motor) : 전동기와 그 전동기가 구동하는 기기가 어떠한 형태의 단일 외피에 의해 폐쇄된 것으로, 밀폐형 압축기(hermetic compressor) 속의 전동기(hermetic motor)를 예로 들 수 있다.

나. 전동기 마력 수에 의한 분류
(1) 분수형(fractional size motor) : 전동기 마력수가 1보다 작은 것.
(2) 정수형(integral size motor) : 전동기 마력수가 1보다 큰 것.<FRAMEBREAK>@1.1=5. 전동기의 종류별 특성

1) 유도 전동기(induction motor)
① 고정자(stator)와 회전자(rotor)로 구성되어 있으며, 고정자 권선(winding)은 삼상과 단상이 있다. 삼상 고정자 권선에 교류가 흐를 때 발생하는 회전자기장(rotating magnetic field)에 의해 회전자에 토르크가 발생해 전동기가 회전하게 된다. 그러나 단상 고정자 권선에서는 교류가 흐르면 교번 자기장 (alternating magnetic field)만이 발생되어 회전자에 기동토르크가 발생하지 않아 별도의 기동장치가 필요하다. ② 직류 전동기가 정류기를 통해 전원에 연결되는 것과는 달리 유도 전동기는 전원에 바로 연결된다. ③ 직류 전동기가 Brush를 필요로 하는 것과 달리 대부분의 유도 전동기는 Brush가 필요없다. ④ 세계에서 가장 많이 사용되는 전동기. ⑤ 구조가 간단하고 튼튼하며 염가이고 취급이 용이하다. ⑥ 원래 정속도(constant speed) 전동기이지만 가변속으로도 사용되고 있다. ⑦ slip이 있다.
2) 동기 전동기(동기전동기, synchronous motor)
① 고정자(stator)와 회전자(rotor)로 구성되어 있으며 고정자는 유도 전동기의 고정자와 같지만, 회전자는 자극 (poles)과 여자 권선으로 되어 있어 이 권선에 brush와 slip ring을 통해 직류 전류를 공급해 자극을 여자하게 된다. 즉 고정자 권선에는 흐르는 교류에 의해 발생되는 것과 회전 자기장 속에서 직류 전류에 의해 여자된 회전자에 토르크가 발생해 회전하게 된다. ② 전원주파수와 극수로 결정되는 속도로 완전 동기되어, 정확히 일정한 속도로 회전한다. ③ 부하의 증감으로 회전속도가 변화하지 않는다(slip이 없다). ④ 역률이 항상 1 이다. ⑤ 기동 토르크가 작고 구조와 취급이 복잡하다. ⑥ 여자용 직류 전원이 필요. ⑦ convey belt용 전동기, 소형 시계 또는 timing motor에 사용한다.
3) 직류 전동기
① 고정자와 회전자로 구성된 직류 전동기의 고정자는 계자극(field poles)과 Frame으로 되어있으며 계자극은 대개 스크류나 볼트로 Frame에 고정되어 있고, 회전자는 전기자(armature)와 정류자(commutator) 및 Brush로 구성되어 있다. ② 계자극이 자기장을 형성하는 방법에 따라서 wound-field motor와 permanent magnet motor로 분류할 수 있다. permanent magnet motor는 계자극으로 영구자석을 사용하며 wound-field motor는 계자극으로 계자철심 (pole piece)과 계자권선(field winding)으로 구성된 전자석을 사용한다. ③ 동일 방향의 회전 토르크를 얻기 위해서는 외부에서 공급되는 직류 전류를 전동기 내에서 전기자가 180도 회전할 때마다 전류의 방향을 절환 시켜야 하며 이 역할을 하는 것이 정류자와 브러쉬이다. 고정된 브러쉬에 정류자가 면접촉을 하면서 회전하게 되므로 브러쉬와 정류자에서 마모, 분진 및 소음이 발생하며 정류자가 더러워지게 된다. ④ 전자 스위칭 기술(electronic switching technique)을 이용해 브러쉬를 없앤 것이 브러쉬레스 전동기이다. ⑤ 속도, 토르크 및 회전방향 제어가 용이. ⑥ 농형 유도전동기보다 고가. ⑦ 정류기 필요. ⑧ 소형 직류전동기는 대개 저 전압(12 V)에서 작동. ⑨ 브러쉬 부착 전동기는 정기적인 보수 점검이 필요. ⑩ 정류 문제나 기계적인 강도상의 문제로 고속화에 제한이 있다.
4) 교류 직류 전동기 (universal motor)
① 직류와 교류에서 운전할 수 있는 전동기로, 사용되는 교류는 대개 단상 교류이다. ② 교류에서도 운전할 수 있도록 특별히 설계된 직권 전동기 (series-wound motor)의 일종. ③ 대부분 수동 전동공구나 목공기계와 믹서나 재봉기 같은 가전제품에 많이 사용한다.
5) 단상 유도 전동기(single phase induction motor)
① 단상 교류는 쉽게 구할 수 있는 전원이므로 단상 유도 전동기는 가정용과 산업용으로 많이 사용된다. ② 자력 기동을 할 수 없으므로 별도의 기동권선(start winding)이 필요하다. 즉 운전권선(run winding)과 기동권선이 있다. ③ 대개 1 - 2 hp 정도의 크기.
6) 분상 기동형(단상 유도) 전동기(split phase motor)
① 고정자(stator), 회전자(rotor), 앤드플레이트 또는 브래킷(end plate or bracket), 원심력 스위치(centrifugal switch)의 4가지 주요부품으로 되어있다. ② 회전자는 농형 권선(squirrel cage winding)으로 되어있고, 고정자는 주권선인 운전 권선(running winding)과 보조 권선인 기동 권선(starting winding)이 병렬로 감겨져 있다. 이때 병렬회로에 단상 교류전압을 가하면 운전 권선과 보조 권선 사이의 리액턴스 차이로 두 회로에 흐르는 전류에 위상차이가 생겨서 회전자기장이 발생해 토르크가 발생하게 된다. ③ 원심력 스위치(centrifugal switch)는 기동 권선과 직렬로 연결되어 있으며, 기동 초기에는 스위치가 ON 상태로 있다가 회전자의 속도가 증가해 정격속도의 75% 정도에 이르면 스위치가 OFF되어 기동 권선 회로가 개방되고, 전동기는 운전 권선에 의해 계속 회전하게 된다. ④ 가격이 싸나, 기동 토르크가 작고 원심력 스위치 때문에 부피가 크며 큰 기동전류 때문에, 소형 분수마력형 전동기(냉장고, 펌프, 세탁기 등)에 많이 사용되고 있다.
7) 콘덴서 기동형(단상 유도) 전동기(capacitor start motor)
① 분상 기동형 전동기와 비슷하나 기동토르크 증대 목적으로 콘덴서를 기동권선과 직렬로 연결한 점이 다름. ② 산업용으로 많이 사용되는 Capacitior(축전기)는 oil-filled, or running, capacitor(오일 커페시터)와 starting, or electrolytic, capacitor(전해 커페시터)의 2가지이다. starting capacitor는 두 장의 알루미늄 판 사이에 전기를 통하지 않도록 화학적 처리를 한 종이가 채워져 있어 용량은 대략 75~600μF 정도이고, running capacitor는 두 장의 알루미늄 판사이에 종이가 채워져 이것이 다시 오일 속에 담겨있는 구조로 되어 있으며 용량은 대략 2~60μF 정도이다. running capacitor의 용량이 starting capacitor의 용량보다 적으나, 외형은 running capacitor가 starting capacitor보다 크다. ③ 분상기동형 전동기에 비해 기동 토르크가 크고 기동전류가 작으며, 분수 마력형에서 10여 마력까지 다양하고 펌프, 에어컨, 냉장고 등에 사용된다.
8) 영구콘덴서형(단상 유도) 전동기(PSC motor, permanent split capacitor motor)
① 콘덴서 기동형 전동기에서 원심력 스위치를 제거한 것으로 컨덴서를 기동시 뿐만 아니라 정상 운전시에도 계속 사용. ② 용량이 적은 콘덴서를 사용하기 때문에 기동 토르크는 콘덴서 기동형 전동기 보다 작으나, 원심력 스위치가 없어 구조가 간단하다. ③ oil-filled capacitor가 주로 사용되며 큰 기동 토르크가 불필요한 선풍기, 세탁기 등에 많이 사용한다.
9) 셰이딩 코일형(단상 유도) 전동기(shaded pole motor)
① 각각의 고정자 자극의 한쪽 끝 홈을 파서 돌출(salient)극을 만들고 이 돌출극에 셰이딩 코일(shading coil)이라 불리는 구리 단락 고리를 끼운 것. 셰이딩 코일에 의해 회전 자계장이 형성되면 토르크가 발생해 회전하게 된다. ② 운전 중에도 셰이딩 코일에 전류가 계속 흐르므로 효율과 역률이 아주 작으며 기동 토르크도 작다. ③ 구조가 간단하고 견고하지만 회전방향을 변경할 수 없다. ④ 크기는 1/100~1/20마력 정도이며 정지상태(stall)로 오랫동안 전전압이 걸려도 권선이 소손되지 않는 경우도 있다. ⑤ FCU의 fan, 소형 condensing unit의 fan, 소형 선풍기, record player 등에 쓰인다.
10) 콘덴서 기동-콘덴서 운전형(단상 유도) 전동기(CSR motor, capacitor start-capacitor run motor)
① 콘덴서 기동형 전동기 운전 권선에 running capacitor를 추가한 형태의 전동기로 기동 토르크가 크고 운전효율도 높아 특성이 아주 좋은 전동기로 알려져 있다. ② 대부분 밀폐형 또는 반밀폐형 압축기에 사용되며 고가이기 때문에 개방형 압축기에는 거의 사용되지 않고 있다.
11) 삼상 유도 전동기(three phase induction motor)
① 같은 마력수의 단상 유도 전동기에 비해 구조가 간단하고 더 소형이다. ② 회전자 구조에 의해서 농형과 권선형으로 나뉜다. ③ 고정자의 권선법에는 성형 결선(star winding or Y winding)법과 델타(delta winding) 결선법이 있다. ④ 대부분 공장용으로 사용되며 1마력 이상에서 수천마력까지 다양한 크기가 생산됨(분수 마력도 생산이 되는 경우가 있으나 납기가 길다). ⑤소용량에서는 대부분 농형이 사용되고, 기동전류가 문제가 되는 대용량에서는 권선형이 사용된다. ⑥ 대부분의 중소형 삼상 전동기는 결선을 바꿔 고·저 두 개의 전압중 어느 전압에서도 작동할 수 있다.
12) 농형 유도전동기(squirrel cage induction motor)
① 회전자는 구리나 알루미늄 환봉을 도체 철심 속에 넣어 양쪽 끝을 원형 측판(shorting ring)에 의해 단락시킨 것으로, 모양이 다람쥐 쳇바퀴처럼 생겨 squirrel cage라고 함. ② 회전자 구조가 간단하고 내구성이 강해 운전 성능이 좋은 건축설비에 주로 사용되는 삼상 전동기는 농형이다. ③ 기동시에 큰 기동전류(전부하 전류의 500~650%)가 흐르는 것이 단점이며 이 때문에 권선이 타기 쉽고 공급전원에 나쁜 영향을 끼친다. ④ 기동 토르크는 전부하 토르크의 100~150% 정도이다.
13) 권선형 유도 전동기(wound-rotor induction motor)
① 회전자에도 3상의 권선을 감고(주로 wye 결선) 각각의 단자를 Slip Ring을 통해서 저항기에 연결한다. 이때 저항기의 저항치를 가감해 광범위하게 기동특성을 바꿀 수 있다. ② 회전자 권선으로 인해 농형보다 구조가 복잡하다. ③ 기동전류는 전부하 전류의 100~150% 정도이고, 기동 토르크는 전부하 토르크의 100~150% 정도이므로 상대적으로 적은 전원 용량에서 큰 기동 토르크를 얻을 수 있다. ④ 기동이 빈번해 농형으로는 열적으로 부적합한 경우 및 대용량에 많이 사용한다.
14) 직권전동기(series-wound motor)
① 계자극 권선과 전기자 권선이 직렬로 연결된 직류전동기. ② 기동 토르크가 크고 부하가 적어지면 속도가 상승해 완전 무부하로 되므로 속도가 무한에 가까워져 위험. ③ 변속도 특성 때문에 제어용으로는 부적합하고 자동차 시동전동기, 크레인, 전동차 등에 사용한다.
15) 분권 전동기(shunt-wound motor)
① 계자극 권선과 전기자 권선이 병렬로 연결된 직류전동기. ②부하변동에 따른 속도변화가 적다(정속도 특성). ③ 컨베이어 벨트, blower, 공작기계 등에 사용한다.
16) 복권 전동기(compound motor)
① 전기자 권선과 직렬 및 병렬로 연결된 계자극 권선을 가지고 있다. ② cumulative compound motor(가동복권 전동기)와 differential compound motor(차동복권 전동기)가 있다.

Ⅲ. 결론
지금까지 살펴본 바와 같이 전동기와 관련 장치의 특성은 예상되는 운전 및 물리적 환경 여건에 맞게 선정돼야 하며 이러한 관점에서 전동기 형식, 정격 주파수의 형태, 고정속도 또는 가변속도 운전의 영향, 기계적 진동, 전동기속도 조절변환기 유형, 전압 또는 전동기에 공급되는 전류가 온도 상승에 미치는 영향, 기동 방식 및 돌입 전류가 다른 사용자 운전에 미치는 영향 등을 고려해야 한다.
특히 기계식 주차장치에서 주로 사용하는 전동기는 대부분 유동 전동기이므로 유도 전동기 특성에 대해 깊이 이해하고 활용할 수 있어야 한다.