자동차정비소, 자동차학과, 자동차정비기사 등 자동차정비사업 요점정리 13. 장비관리 3

13. 장비관리 3

 

2. 전동기

가. 전동기의 종류와 특성

(1) 전동기의 개요
전기에너지를 기계에너지로 변환하는 회전기를 말하며, 기계적 출력이 축의 회전으
로 나타나며 제어에 의하여 속도나 토크의 상태를 변화시키는 것이 가능한 장치이다.
(2) 전동기의 종류
전동기는 여러 가지 종류가 있으나 전원으로 구분하면 직류로 구동되는 직류전동기와
교류로 구동되는 교류전동기로 크게 나눌 수 있으며 동작원리에 따라 표와 같이 분류
될 수 있다.

(3) 전동기의 구조
가) 3상 전동기의 구조
① 고정자(stator)
회전기의 주요 정지부분으로 얇은 규소강판을 겹쳐 쌓아서 만든 고정자철심
(stator core)의 슬롯 속에 전류를 통하는 권선을 넣어 3상 교류를 통전함으
로써 회전자계를 형성하는 역할을 한다.

고정자

② 회전자(rotor)
구조에 따라 농형과 권선형으로 나누어지고 이들 특성에는 차이가 있으며,
특히 농형에서 2차 도체와 슬롯의 형상에 따라 속도 또는 회전력 특성은 달
라진다.

회전자

● 농형회전자(Squirrel-Cage)
회전자 권선이 여러개의 도체(Bar)와 이 도체를 단락시키는 단락환(End
Ring)으로 구성되어 있으며, 알루미늄 다이캐스팅으로 대량생산이 가능하
고 취급과 구조가 간단하고 견고하기 때문에 가격이 싸고, 효율, 역률, 최대
회전력이 우수하다.
● 권선형
회전자 권선이 고정자 권선처럼 다상 권선으로 되어 있고, 회전자 권선은 슬
립 링(Slip Ring)과 브러쉬(Brush)를 통해 외부저항(기동저항)과 연결된다.

이 외부저항을 조정하여 기동전류의 제한과 기동회전력을 증가시키고, 가속
되면 외부저항을 단락 시킨다.

고정자

나) 단상 전동기의 구조
단상유도전동기의 고정자는 주 권선과 보조 권선으로 구성되고, 이 두 권선은 전
기각으로 90°떨어져 있다. 3상유도전동기보다 특성이 나쁘기 때문에 크기가 동일
할 때, 3상유도전동기 출력의 약60% 정도 된다.
① 콘덴서 기동형 전동기
보조 권선에 콘덴서가 직렬 연결되고, 기동이 완료되면 원심력스위치에 의해 보
조 권선이 개방된다. 콘덴서에 의해 보조 권선 전류와 주 권선전류의 위상차가
90°로 되어 주 권선의 전류의 위상보다 앞서기 때문에 양 권선이 만드는 자계
의 합성자계는 회전자계를 만든다. 시동 토크도 비교적 크기 때문에 소형 단상
전동기로서는 이용 범위가 넓다.

회전자

② 분상 기동형 전동기(Split-Phase Motor)
주 권선과 보조 선권이 있는데 보조 권선은 가는 선이 많이 감겨져 있기 때문
에 저항이 크며 그 때문에 두 권선에 흐르는 전류의 위상이 떨어져 회전자계가
생긴다.

분상 기동형

③ 반발 기동형
전동기고정자는 주 권선만이고 회전자는 직류전동기의 회전자와 동일한 구조인
데 브러시간 단락 되어 있어 고정자와 회전자 사이에 일어나는 자극의 반발력
에 의해 시동 한다. 시동 토크가 대단히 큰 것이 그 특징이며 단상전동기 등에
서 대형인 것은 이 전동기이다.
④ Shaded-Pole Motor
고정자의 돌출극(Salient Pole)부에는 굵고 단락된 동선이 감겨있고, 회전자는
농형이다. 이 단락된 동선을 세이딩코일(Shading Coil)이라 부르며, 보조 권선
의 역할을 한다. 고정자의 단락동선은 철심자속의 증가를 방해하는 역할을 하여
세이딩 코일이 없는 쪽으로 자속을 흐르게 한다.

(4) 전동기의 특성
가) 삼상 유도 전동기(Three phase induction motor)
● 단상유도전동기에 비해서 구조가 간단하고 더 소형이다.
● 고정자 권선법은 Y winding 과 delta winding이 있다.
● 소용량에서는 농형이 사용되고, 기동전류가 문제가 되는 대용량에서는 권선
형이 사용된다.
① 농형(籠形) 유도전동기(squirrel cage induction motor)
- 회전자는 구리나 알루미늄 환봉을 도체 철심 속에 넣어서 그 양쪽 끝을
원형측판(shortingring)에 의해서 단락시킨 것으로 squirrel cage라고도 한다.

- 회전자의 구조가 간단하고 튼튼하며 운전 성능이 좋고 취급 방법이 간단
하여 대부분의 삼상 전동기는 농형이다.
- 기동 시에 큰 기동전류가 흐르는 것이 단점이며 권선이 타기 쉽고 공급전
원에 나쁜 영향을 끼친다.
- 기동 토크는 전부하 토크의 100~150% 정도이다.
- 가격이 저렴하고, 슬립링이 없기 때문에 불꽃이 없다.
- 속도제어가 곤란하다.
② 권선형(捲線形) 유도 전동기(wound-rotor induction motor)
- 회전자에도 3상의 권선을 감고 각각의 단자를 Slip Ring을 통해서 저항기
에 연결하여 저항치를 가감하여 기동특성을 바꿀 수 있다.
- 회전자 권선으로 인하여 농형보다 구조가 복잡하다.
- 기동전류 및 토크가 전부하 전류의 100~150% 정도이므로, 적은 전원 용
량에서 큰 기동 토크를 얻을 수 있다.
- 기동이 빈번하여 열적으로 부적합한 경우 및 대용량에 많이 사용한다.
- 속도의 제어가 용이하다.
- 취급이 약간 번잡하며 가격이 높다.
- 슬립링에서 불꽃이 발생하여 화재위험이 있다.

나) 단상 유도 전동기(single phase induction motor)
● 단상교류는 쉽게 구할 수 있는 전원이므로, 단상 유도 전동기는 가정용과 산
업용으로 많이 사용된다.
● 고정자 권선에서는 교류가 흐르면 교번자기장 만이 발생되어 회전자에 기동
토크가 발생하지 않아서 별도의 기동장치가 필요하게 된다.
● 대개 1-2hp 정도로 소용량에 한정된다.
① 분상 기동형 전동기(split phase motor)
- 고정자, 회전자, 브래킷, 원심력 스위치의 4가지 주요부품으로 되어있다.
- 회전자는 농형으로 되어 있고, 고정자는 주 권선인 운전 권선과 보조 권
선 병렬로 감겨져 있어서 단상 교류전압을 가하면 운전 권선과 보조 권선
사이의 리액턴스 차이로 전류의 위상차가 발생하고 이로인해 회전자기장
이 발생하여 토크가 발생하게 된다.
- 원심력 스위치는 기동 권선과 직렬로 연결되어 있으며, 기동 초기에는 on
상태로 있다가 속도가 증가하여 정격속도의 75% 정도에서 off 되어 기동
권선 회로가 개방되고, 전동기는 운전 권선에 의하여 계속 회전하게 된다.

- 가격이 저렴하나 기동 토크가 작고 원심력 스위치 때문에 부피가 크며 큰
기동전류 때문에, 소형전동기(냉장고,펌프, 세탁기 등)에 많이 사용되고
있다.
② 콘덴서 기동형 전동기(capacitor start motor)
- 분상 기동형 전동기와 비슷하나, 기동 토크 증대 목적으로 콘덴서를 기동
권선과 직렬로 연결한 점이 다르다.
- Starting capacitor는 두 장의 알루미늄 판 사이에 전기를 통하지 않도
록 화학적 처리를 한 종이가 있으며, Running capacitor는 두 장의 알루
미늄 판사이에 종이가 채워지고 이것이 다시 오일 속에 담겨있는 구조로
되어있다.
- 분상기동형 전동기에 비하여 기동 토크가 크고 기동전류가 작으며, 펌프
에어컨, 냉장고 등에 사용된다.
③ 영구 콘덴서형 전동기( permanent split capacitor motor)
- 콘덴서 기동형 전동기에서 원심력 스위치를 제거한 것. 따라서 컨덴서를
기동 시 뿐만 아니라 정상 운전 시에도 계속하여 사용한다.
- 용량이 적은 콘덴서를 사용하기 때문에 기동 토크는 콘덴서 기동형전동기
보다 작으나, 원심력 스위치가 없어서 구조가 간단하다.
- oil-filled capacitor가 주로 사용되며, 큰 기동 토크가 필요하지 않은 선
풍기나 세탁기 등에 많이 사용한다.
④ 셰이딩 코일형 전동기(shaded pole motor)
- 각각의 고정자 자극의 한쪽 끝에 홈을 파서 돌출(salient)극을 만들고 세
이딩 코일(shading coil)이라 부르는 구리단락 고리를 끼운 것으로 이
shading coil에 의해서 회전자계장이 형성되어 토크가 발생하여 회전하
게 된다.
- 운전 중에도 shading coil에 전류가 계속 흐르므로 효율과 역률이 아주 작
으며 기동 토크도 작다.
- 구조가 간단하고 견고하지만 회전방향을 변경할 수 없다.
- 소형마력 정도이며, 정지상태로 오랫동안 전전압이 걸려도 권선이 소손
되지 않는 경우도 있다.
- 소형 condensing unit의 fan, 소형 선풍기, record player 등에 쓰인다.
⑤ 콘덴서 기동-콘덴서 운전형 전동기(Capacitor start-capacitor run motor)
- 콘덴서 기동형 전동기의 운전권선에 running capacitor를 추가한 형태
로, 기동토크가 크고 운전효율이 높고 특성이 아주 좋은 전동기로 알려 져 있다.
- 대부분 밀폐형 또는 반밀폐형 압축기에 사용되며, 고가이기 때문에 개방
형 압축기에는 거의 사용되지 않고 있다.
다) 동기 전동기(synchronous motor)
● 고정자(stator)와 회전자(rotor)로 구성되어 있으며 고정자는 유도전동기의
고정자와 같으나 회전자는 자극(poles)과 여자 권선으로 되어 있으며 이 권
선에 brush와 slip- ring을 통하여 직류 전류를 공급하여 자극을 여자하게
된다. 즉 고정자 권선에 흐르는 교류에 의하여 발생되는 회전 자기장 속에서
직류 전류에 의하여 여자된 회전자에 토크가 발생하여 회전하게 된다.
● 주파수와 극수로 결정되는 속도로 완전 동기되어 일정한 속도로 회전한다.
● 부하의 증감으로 회전속도가 변화하지 않는다.(slip이 없다.)
● 역률이 항상 1 이다.
● 기동 토크가 작고 구조와 취급이 복잡하다.
● 여자용 직류 전원이 필요하다.
● conveyor belt용 전동기, 소형 시계 또는 timing motor에 사용한다.
라) 직류 전동기
● 고정자와 회전자로 구성되어 있으며, 고정자는 계자극(field poles)과 Frame
으로 되어있으며 계자극은 Frame에 고정되어 있고, 회전자는 전기자(armature)와 정류자(commutator) 및 Brush로 구성되어 있다.

직류전동기

● 계자극은 wound-field motor와 permanent magnet motor로 분류되며 permanent magnet motor는 계자극으로 영구자석을 사용하며, wound-field
motor는 계자극으로 계자 철심과 계자 권선으로 구성된 전자석을 사용한다.
● 동일방향의 회전 토크를 계속 얻기 위해서는 외부에서 공급되는 직류전류를
전동기 내에서 전기자가 180 도 회전할 때 마다 전류의 방향을 전환시켜 주
어야 하며, 이 역할을 하는 것이 정류자와 브러쉬이다.
● 전자 스위칭 기술을 이용하여 브러쉬를 없앤 것이 브러쉬레스 전동기이다.
● 속도, 토크 및 회전방향 제어가 용이하다.
● 농형 유도전동기보다 고가이다.
● 정류기가 필요하다.
● 소형 직류전동기는 대개 낮은 전압(12V)에서 작동한다.
● 브러쉬 부착 전동기는 정기적인 보수 점검이 필요하다.
● 정류 문제나 기계적인 강도상의 문제로 고속화에 제한이 있다.
● 직류전동기는 직권, 분권, 복권, 타여자 등이 있다.
마) 직류 전동기 (universal motor)
● 직류와 교류에서 운전할 수 있는 전동기로, 사용되는 교류는 대개 단상교류
이다.
● 교류에서도 운전할 수 있도록 특별히 설계된 직권(直捲)전동기의 일종이다.
● 대부분 분수마력 전동기로, 수동 전동공구나 목공기계와 믹서나 재봉기 같은
가전제품에 많이 사용한다.