AC 모터란?
AC 모터는 교류 전원으로 구동하는 전동기를 말합니다.
AC는 alternating current의 약자로, 시간에 따라 플러스와 마이너스가 번갈아 가며 주파수가 바뀌는 전류를 말합니다. 이러한 전류를 출력하는 전원을 교류 전원(AC 전원)이라고 합니다.
AC 모터는 크게 고정자와 회전자로 구성되어 있습니다.
고정자 : 전자기 강판에 코일을 감은 것입니다.
로터(회전자) : 전자기 강판으로 구성된 로터 코어에 알루미늄이나 코일을 감아 도체를 바구니 모양으로 구성한 것입니다.
직류 전원으로 구동하는 전동기를 직류 모터, 또는 DC 모터(영문: direct current motor)라고 합니다.
AC 모터의 사용 용도
AC 모터는 펌프 등의 장비나 공장 내 이송용 컨베이어, 롤러, 팬 등을 회전시키기 위해 사용됩니다. 회전시키고자 하는 설비와 로터의 출력축을 커플링이라는 장비 등으로 연결하여 사용합니다.
AC 모터는 직류 전원으로 구동하는 DC 모터에 비해 브러시라는 소모품이 없다는 점에서 유지보수성이 뛰어나 폭넓게 사용되고 있습니다.
원래 속도 제어로 운전하기에는 DC 모터가 더 다루기 쉽다고 여겨졌지만, AC 모터에서도 속도 제어가 보편화되면서 사용 용도가 더욱 확대되고 있습니다.
AC 모터의 원리
그림 1. 회전 자기장의 발생 원리
AC 모터는 120도씩 위상이 어긋난 3상 교류 전원을 고정자 코일에 공급하고, 코일에 흐르는 전류에 의해 전자기 강판이 전자석이 되어 전동기 내부에 자기장을 형성합니다(오른쪽 나사의 법칙에 의해 전자석의 극성이 결정됩니다).
교류전원은 시간이 지남에 따라 위상이 변하기 때문에 시간에 따라 자기장의 방향이 회전합니다.
그림 1은 회전 자기장의 발생 원리를 보여 주며, 3상 교류 전원의 U상, V상, W상의 위상이 변함에 따라 고정자 자기장의 방향이 변하는 것을 볼 수 있다(그림 1에서 회전 자기장은 반시계방향으로 회전한다).
자기장이 회전하면 회전자에 와전류가 발생하고, 와전류와 자기장에 의해 회전력이 발생하여 회전자에 회전력이 발생합니다. 회전력은 플레밍의 왼손의 법칙에 의해 방향이 결정됩니다.
이 회전 원리는 아라고의 원반 원리와 동일합니다.
또한, 고정자의 수를 극수(극수)라고 하며, 2극, 4극 등으로 표현합니다. 회전 자기장의 속도 Ns는 이 극수 p와 전원의 주파수 f로 정해지며 Ns=120f/p로 구할 수 있습니다.
회전자 속도 N은 후술하는 AC 모터의 종류에 따라 다르지만, 유도 모터는 회전 자기장보다 약간 느린 속도로 회전합니다. 회전 자기장과 회전자 속도 차이를 ‘슬립’이라고 부르는 파라미터 s를 사용하여 N=120f(1-s)/p로 나타냅니다.
AC 모터의 종류
그림 2. AC 모터의 종류
AC 모터는 주로 그림 2와 같이 분류됩니다.
크게 동기 모터와 유도 모터로 나뉘며, AC 전원의 종류에 따라 분류할 수도 있습니다.
단상 교류 모터
가정에 배전되는 것과 같은 AC100V를 전원으로 사용합니다. 세탁기용 모터 등 가전제품에 사용되는 모터가 이 분류에 속합니다.
삼상 교류 모터
공장 등에 배전되는 것과 같은 삼상 전원으로 작동하는 펌프용, 컨베이어용 모터가 이 분류에 해당합니다. 일본에서는 AC200V가 주류입니다.
또한 직류 전원으로 AC 모터를 구동할 수도 있습니다. 이 경우 직류를 삼상 교류로 변환하는 인버터를 함께 사용합니다.
1. 동기 모터
동기 모터는 회전 자기장과 로터의 회전 속도에 미끄러짐이 없는(동기화되는) 모터를 말하며, 모터의 극수(극수)와 전원 주파수에 따라 회전 속도가 결정됩니다.
동기모터는 로터의 구조에 따라 여러 종류로 나뉘는데, 여기서는 비교적 많이 사용되는 영구자석형에 대해 설명합니다.
영구자석형 동기모터는 로터 코어에 자석을 배치하여 자석의 자기장이 전원의 회전 자기장과 동기화되어 회전합니다.
자석을 로터 코어 표면에 고정한 것을 표면 영구자석형(Surface Permanent Magnet, SPM), 로터 코어 내부에 내장한 것을 내장자석형(Interior Permanent Magnet, IPM)이라고 합니다.
2. 유도 전동기
그림 3. 유도전동기의 로터 구조
유도전동기는 유도전동기 또는 비동기전동기라고도 합니다.
유도 전동기는 로터의 회전 속도가 동기 속도보다 약간 느리다는 특징이 있습니다(전원 공급 장치의 회전수와 로터의 회전수가 비동기식이다).
그림 3은 유도 전동기의 로터 구조를 보여줍니다. 유도전동기는 그림과 같이 알루미늄 등의 도체를 바구니 모양으로 구성하는 것이 일반적입니다.
교류전원으로부터의 회전 자기장에 의해 전자기 유도의 원리에 따라 바구니형 도체에 유도전류가 발생하고, 플레밍의 법칙에 따라 전류와 자기장의 작용으로 힘이 발생합니다. 이 힘으로 AC 모터가 회전하여 출력축으로 연결된 기계를 움직일 수 있습니다.