유도전동기(1)

유도전동기에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

직류전동기 편에서 요즘 철도에서 직류전동기 사용이 많이 줄고 유도전동기를 쓰고 있다고 했는데요, 여러 이유가 있지만 유도전동기는 직류전동기와 달리 정류자와 브러시가 필요 없습니다. 

그래서 고장이 적고 유지보수가 편리하다는 것이 그 이유 중 하나입니다.

유도전동기는 교류전원을 사용하는 교류전동기로서 3상의 교류를 사용한 3상 유도전동기가 쓰입니다.

1. 유도전동기의 원리를 이해하기 전 알아둬야할 기본 법칙

유도전동기는 아파고 원판의 원리로 작동합니다.

또한 아라고 원판 원리를 알기 위해 몇가지 법칙을 알아 둬야 합니다.

앙페르 법칙, 플레밍의 왼손법칙, 렌츠의 법칙 그리고 패러데이 법칙입니다.

1-1) 앙페르 법칙

도선에 전류가 흐르는 방향을 엄지 방향으로 하면 나머지 손가락의 방향으로 자기장이 유도되는 것을 말하며 이는 자기장이 나머지 손가락 방향으로 생성되면 전류가 엄지 방향으로 유도됨을 의미합니다.

맴돌이 전류란 도체의 내부안에서 만들어지며 도체 전체가 아닌 일부분에 소용돌이 모양으로 닫힌 통로를 흐르는 전류를 말합니다. 아래그림과 같이 시계방향으로 회전하는 맴돌이 전류에 앙페르 법칙을 적용하면 자기장의 방향의 합은 아래 방향을 향하게 됩니다.

정리하면 엄지손가락이 전류방향이면 나머지 손가락이 자기장 방향, 

엄지손가락이 자기장 방향이면 나머지 손가락이 전류방향임을 나타내는 법칙이 앙페르 법칙입니다.

1-2) 플레밍의 왼손법칙 

이는 직류전동기에서 설명하였으니 링크따라 가시면 보실 수 있습니다.

2018/10/27 - [철도 알자/철도전기 ] - 직류전동기

1-3) 렌츠의 법칙, 페러데이 법칙

자속의 크기를 변화시키면 이 변화를 방해하는 방향으로 유도기전력이 발생합니다. 

이 유도기전력의 방향을 구하는 것이 렌츠의 법칙, 크기를 구하는 것이 페러데이 법칙입니다. 

식으로 표현하면 다음과 같습니다.

이를 페러데이 법칙이라 하고 여기서 -는 변화에 방해하는 방향이라는 렌츠의 법칙을 나타냅니다.

왼쪽 사진은 자석의 운동으로 가까워지므로 아래방향으로 자속의 변화가 커져 변화를 방해하는 위로 유도기전력이 발생하고 

오른쪽 사진은 자석의 운동으로 멀어지므로 위 방향으로 자속의 변화가 작아져 변화를 방해하는 아래 방향으로 유도기전력이 발생합니다.

이를 유념한 채로 아라고 원판을 알아보도록 하겠습니다.

2. 아라고 원판

아라고 원판이란 축을 기준으로 회전 가능한 도체의 원판에 자석을 그림과 같이 시계방향으로 회전시켜주면 도체 원판이 같은 방향으로 자석을 따라 회전하는 현상입니다.

오른쪽 그림들은 원판을 위에서 봤을 경우인 데 자기장의 방향은 언제나 들어가는 방향(⊗)입니다. 

자석을 움직이면 자석이 움직인 곳의 자기장은 들어가는 방향의 자기장의 세기가 계속 증가하므로 이를 방해하는 방향 즉, 나오는 방향(⊙)으로 기전력이 유도됩니다. 

반대로 자석이 떠난 자리는 들어가는 방향의 자기장의 세기가 감소하므로 이를 방해하는 방향 즉, 들어가는 방향(⊗)으로 기전력이 유도됩니다.

이렇게 유도된 기전력에 의해 맴돌이 전류가 생성되고 이 맴돌이 전류의 합성 전류가 분홍색 화살표 방향으로 유도됩니다.

왼쪽 그림에서 전류방향(분홍색)과 자기장방향(적색)으로 플레밍의 왼손법칙을 적용하면 청색 화살표 방향으로 힘이 작용함을 알 수 있고 이 힘으로 원판이 회전하는 것이 아라고 원판의 원리입니다.

3. 회전자계

이를 유도전동기에 적용할 때 문제가 하나 생깁니다.

전동기는 전기에너지를 기계적 에너지로 바꿔주는 장치인데 자석을 회전시키려면 동력이 필요한 것 아닌가? 그러면 동력으로 전기에너지를 만들고 다시 그걸 동력으로? 하는 이상한 의문이 생깁니다. 

이를 해결하기 위해 3상의 교류를 사용한답니다.

자속은 전류에 비례하므로 위 그림과 같이 3상에서 자계의 변화 값이 나옵니다.

자계 값이 +인 경우 코일 바깥으로, -인 경우 코일 안쪽으로 자계가 형성됩니다.

최댓값이 1이라 할때 t1인 경우 a상 자계는 나가는 방향으로 1/2, b상 자계는 들어오는 방향으로 1, c상 자계는 나가는 방향으로 1/2 값을 갖게 되므로 합성 자계는 b코일 방향으로 1.5가 됩니다.

시간이 흐르면 합성 자계의 값이 회전하게 되고 이는 마치 자석을 회전시켜주는 것과 같은 효과를 가져오기에 회전자계라 합니다.

4. 유도전동기 원리

유도전동기의 원리는 아라고 원판의 원리와 같습니다.

자석을 회전시켜 변화를 만들어 그 회전에 따라 도체(회전자)도 같은 방향으로 회전하는 것입니다.

다만, 자석을 회전시키는 것을 3상의 교류전원으로 회전자계를 만들어 대체하는 거죠.

5. 3상 유도전동기 구조

직류전동기에서 봤듯이 회전자와 고정자는 회전하는 부분과 움직이지 않는 부분입니다.

유도전동기는 움직이지 않는 고정자에서 회전자계를 만들고 이 회전자계를 따라 고정자 내부의 회전자가 따라 회전합니다.

회전자는 차축과 연결되어 있어 회전자의 회전이 곧 차축을 돌려 바퀴가 돌아가는 거죠.

고정자=회전자계 속도=실제 전동기 회전속도

회전자=동기속도=실제 차축 회전속도

이를 명확히 하고 넘어가셔야 슬립 부분에서 헷갈리지 않을 수 있습니다.

작성하다보니 생각보다 알려드려할 지식도 많고 글도 길어져서 부득이하게 2번에 걸쳐 설명하겠습니다.

다음엔 유도전동기의 슬립과 토크, 이를 통한 철도차량 속도제어에 대해 알아보겠습니다.