유도전동기 손실과 발열 원리 – 동손·철손·회전자 손실과 효율

유도전동기에 전기에너지를 공급하면 회전축에서 기계적인 출력을 얻을 수 있다.

하지만 전동기에 공급한 전력이 모두 축출력으로 변환되는 것은 아니다.

고정자 권선에서는 전류에 의한 동손이 발생하고, 철심에서는 히스테리시스손과 와전류손이 발생한다. 회전자에서도 전류가 흐르기 때문에 동손이 발생하며, 회전축에서는 베어링 마찰과 냉각팬, 공기저항 등에 의한 기계손이 발생한다.

이러한 손실의 상당 부분은 결국 열로 변환된다.

따라서 전동기의 손실을 이해하는 것은 단순히 효율을 계산하기 위한 문제가 아니다.

왜 전동기의 온도가 올라가는지, 왜 과부하 운전이 위험한지, 왜 냉각팬과 통풍로 관리가 필요한지, 왜 절연등급과 허용온도가 중요한지까지 모두 연결된다.

유도전동기의 손실을 가장 정확하게 이해하는 방법은 각각의 손실을 따로 외우기보다 전력이 전동기 내부를 어떤 순서로 이동하는지 따라가는 것이다.

전동기의 에너지는 어디에서 어디로 이동할까?

3상 유도전동기의 전체적인 에너지 흐름은 다음과 같이 생각할 수 있다.

전기적 입력전력

→ 고정자 동손 발생

→ 고정자 철손 발생

→ 공극을 통해 회전자로 전력 전달

→ 회전자 동손 발생

→ 나머지가 기계적 에너지로 변환

→ 기계손 발생

→ 최종 축출력

이를 식으로 정리하면 입력전력 Pin에서 각종 손실을 빼고 남은 전력이 실제 출력 Pout이 된다.

Pout = Pin – Ploss

여기서 Ploss는 전동기 내부에서 발생하는 전체 손실이다.

3상 유도전동기의 입력전력

평형된 3상 전동기의 유효 입력전력은 일반적으로

Pin = √3 VL IL cosφ

로 나타낼 수 있다.

여기서

VL은 선간전압,

IL은 선전류,

cosφ는 역률이다.

예를 들어 전동기에 공급되는 전압과 전류를 알고 있더라도 단순히 √3VI만 계산해서는 실제 유효 입력전력을 정확히 구할 수 없다.

교류전동기에서는 역률도 함께 고려해야 한다.

입력전력에서 가장 먼저 발생하는 고정자 동손

전원이 고정자 권선에 공급되면 권선에는 전류가 흐른다.

도체에는 저항이 있기 때문에 전류가 흐르면 열이 발생한다.

이를 고정자 동손(Stator Copper Loss)이라고 한다.

3상 권선의 상전류를 I1, 상저항을 R1이라고 하면

Pcu1 = 3I1²R1

로 나타낼 수 있다.

여기서 중요한 부분은 전류가 제곱으로 들어간다는 것이다.

전류가 조금 증가해도 동손은 크게 증가한다

고정자 저항이 일정하다고 가정해보자.

정격전류에서 고정자 동손이 100이라고 하면 전류가 정격의 120%가 되었을 때 동손은

1.2² = 1.44

배가 된다.

즉 전류는 20% 증가했지만 동손은 약 44% 증가한다.

전류가 150%가 되면

1.5² = 2.25

배다.

전류가 50% 증가했는데 동손은 125% 증가한 셈이다.

이것이 전동기의 과전류와 과부하를 장시간 방치하면 발열이 급격하게 증가하는 중요한 이유 중 하나다.

실제로는 저항도 일정하지 않는다

앞에서는 설명을 단순하게 하기 위해 R1이 일정하다고 가정했다.

하지만 실제 구리권선의 저항은 온도가 올라가면 증가한다.

구리의 저항은 기준온도 근처에서 대략

R = R0[1 + α(T – T0)]

와 같은 형태로 생각할 수 있다.

여기서 α는 저항의 온도계수다.

즉 권선온도가 상승하면 저항도 증가한다.

따라서 같은 전류가 흐른다고 하더라도 높은 온도에서는 I²R 손실이 더 커질 수 있다.

전동기의 열적 상태와 전기적 손실이 서로 완전히 독립적인 것이 아닌 이유다.

고정자 철심에서는 철손이 발생한다

고정자 철심에는 시간에 따라 방향과 크기가 변하는 자속이 존재한다.

교류자속이 철심을 통과하면 철손(Core Loss 또는 Iron Loss)이 발생한다.

철손은 크게

히스테리시스손

와전류손

으로 나눌 수 있다.

히스테리시스손이란 무엇일까?

철심은 자화와 소자를 반복한다.

교류에서는 자기장의 방향이 계속 변하므로 철심 내부의 자구 상태도 반복적으로 변화한다.

이 과정에서 에너지가 소모되고 열이 발생한다.

이를 히스테리시스손이라고 한다.

개념적으로 히스테리시스손은 주파수와 최대자속밀도에 영향을 받는다.

재료의 자기특성도 매우 중요하다.

따라서 전동기 철심에는 일반 구조용 철이 아니라 전기기기에 적합한 전기강판이 사용된다.

와전류손이란 무엇일까?

변화하는 자속이 도전성 철심을 통과하면 패러데이의 전자기유도 법칙에 따라 철심 내부에도 유도기전력이 발생한다.

철심 자체가 전도체이기 때문에 내부에 순환전류가 흐를 수 있다.

이를 와전류(Eddy Current)라고 한다.

와전류가 철심의 전기저항을 통과하면서 I²R 형태의 열을 발생시킨다.

이것이 와전류손이다.

철심을 얇은 강판으로 적층하는 이유

만약 철심을 하나의 두꺼운 금속덩어리로 만들면 와전류가 넓은 경로를 따라 크게 순환할 수 있다.

그래서 전동기의 철심은 얇은 전기강판을 여러 장 쌓아 만든 적층철심 구조를 사용한다.

각 강판 사이에는 전기적으로 절연되는 표면처리가 적용된다.

이렇게 하면 와전류의 순환경로가 제한되고 전기저항이 증가해 와전류를 줄일 수 있다.

즉 철심을 적층하는 가장 중요한 이유 중 하나가 와전류손 감소다.

왜 철심을 얇게 만들수록 유리할까?

와전류손은 강판 두께의 영향을 크게 받는다.

일반적인 개념식에서는 와전류손이 강판 두께의 제곱과 관련되는 형태로 나타난다.

따라서 강판을 얇게 만들면 와전류손을 상당히 줄일 수 있다.

하지만 무조건 얇게 만들 수는 없다.

강판이 지나치게 얇아지면 제조비용과 가공성, 적층공정 등이 불리해질 수 있다.

따라서 전동기의 효율과 제조비용 사이에서 적절한 두께가 선택된다.

고정자에서 손실을 빼고 남은 전력은 어디로 갈까?

입력전력 Pin에서 고정자 동손 Pcu1과 철손 Pfe 등을 빼면 회전자로 전달되는 전력을 생각할 수 있다.

이를 공극전력(Air-Gap Power) Pg라고 한다.

기본적인 전력 흐름에서는

Pg = Pin – Pcu1 – Pfe

로 생각할 수 있다.

좀 더 세밀한 모델에서는 추가적인 손실을 별도로 고려할 수 있지만 유도전동기의 기본 에너지 흐름을 이해할 때는 이 관계가 중요하다.

왜 공극전력이라고 부를까?

고정자와 회전자 사이에는 물리적으로 연결되지 않은 작은 공극이 존재한다.

고정자에서 회전자로 전선이 연결되어 전력이 전달되는 것이 아니다.

고정자의 자기장을 통해 전자기적으로 에너지가 회전자에 전달된다.

즉 전력이 공극을 넘어 전달되기 때문에 공극전력이라고 부른다.

이것은 유도전동기를 일종의 회전하는 변압기처럼 이해할 수 있는 이유이기도 하다.

회전자에서도 동손이 발생한다

농형 회전자에는 외부 전원이 직접 연결되지 않지만 회전자 도체에는 유도전류가 흐른다.

도체바와 엔드링에도 전기저항이 존재한다.

따라서 회전자에서도

I²R

손실이 발생한다.

이를 회전자 동손(Rotor Copper Loss)이라고 한다.

농형 회전자에서 실제 도체재료가 알루미늄이어도 전기기기 이론에서는 관습적으로 회전자 동손 또는 rotor copper loss라는 표현을 사용할 수 있다.

회전자 동손과 슬립의 관계

유도전동기에서는 매우 중요한 관계가 성립한다.

회전자 동손을 Pcu2라고 하면

Pcu2 = sPg

이다.

즉 공극전력 가운데 슬립 s에 해당하는 비율이 회전자 동손으로 소비된다.

예를 들어 공극전력이 50kW이고 슬립이 4%라면

Pcu2 = 0.04 × 50

= 2kW

이다.

공극을 통해 회전자로 전달된 50kW 가운데 2kW가 회전자 저항손실로 소모되는 것이다.

나머지 전력은 기계적 에너지로 변환된다

공극전력 Pg에서 회전자 동손 sPg를 빼면 기계적으로 변환되는 전력이 남는다.

이를 Pm이라고 하면

Pm = Pg – Pcu2

이고

Pcu2 = sPg

이므로

Pm = (1-s)Pg

가 된다.

따라서 공극전력은

Pg = sPg + (1-s)Pg

로 나뉜다.

즉

공극전력

→ 회전자 동손

기계적 변환전력

이라는 구조다.

슬립이 작다는 것은 에너지 측면에서도 의미가 있다

정상운전에서 슬립이 3%라고 해보자.

공극전력 가운데

3%는 회전자 동손,

97%는 기계적 에너지로 변환된다.

물론 이것이 전동기의 전체 효율이 97%라는 의미는 아니다.

고정자 동손, 철손, 기계손 등의 다른 손실도 존재하기 때문이다.

하지만 회전자 내부의 에너지 변환만 보면 슬립이 작을수록 공극전력 가운데 기계적으로 변환되는 비율이 높다는 것을 알 수 있다.

기동 순간에는 어떻게 될까?

기동 순간에는

Nr = 0

이므로

s = 1

이다.

따라서

Pcu2 = sPg = Pg

이고

Pm = (1-s)Pg = 0

이 된다.

회전자가 아직 움직이지 않기 때문에 기계적으로 변환되는 출력은 0이다.

이것은 기동상태에서 회전자 발열 부담이 매우 커질 수 있는 이유를 설명해준다.

전동기가 기동하지 못하고 정지해 있으면 왜 위험할까?

전원이 공급된 상태에서 회전자가 움직이지 못하고 구속되어 있다고 생각해보자.

슬립은 계속 1이다.

큰 기동전류가 흐를 수 있고 고정자에서는 I²R 손실이 크게 발생한다.

회전자에서도 큰 전류가 유도되어 상당한 열이 발생한다.

하지만 냉각팬이 축에 직접 연결된 전동기라면 회전자가 정지해 있으므로 냉각능력도 충분히 확보되지 않을 수 있다.

즉

큰 발열

낮은 냉각능력

이 동시에 발생할 수 있다.

그래서 구속상태나 스톨 상태를 장시간 지속하면 전동기가 빠르게 과열될 수 있다.

기계적 에너지로 변환되었다고 모두 축출력이 되는 것은 아니다

회전자에서 전자기적으로 기계적 에너지로 변환된 Pm도 모두 부하에 전달되는 것은 아니다.

회전하는 과정에서 기계적인 손실이 발생한다.

대표적으로

베어링 마찰손,

공기저항에 의한 풍손,

냉각팬 구동손실

등이 있다.

이를 기계손 Pmech_loss라고 하면 실제 축출력은

Pout = Pm – Pmech_loss

로 나타낼 수 있다.

베어링도 전력을 소비한다

베어링은 회전축을 지지하면서 마찰을 줄이는 역할을 한다.

하지만 마찰이 완전히 0인 것은 아니다.

윤활상태가 나빠지거나 베어링이 손상되면 마찰토크가 증가한다.

그러면 같은 축출력을 유지하기 위해 전동기가 더 큰 전자기토크를 만들어야 할 수 있다.

결과적으로 전류와 발열이 증가할 가능성이 있다.

따라서 베어링 문제는 단순한 기계적 고장을 넘어 전동기의 전기적 운전상태에도 영향을 줄 수 있다.

냉각팬도 공짜로 돌아가는 것이 아니다

전동기 축에 설치된 냉각팬 역시 회전시키기 위해 토크가 필요하다.

즉 전동기가 만든 기계적 에너지의 일부가 팬을 돌리는 데 사용된다.

팬이 공기를 움직이면서 발생하는 공기저항 역시 기계손의 일부가 된다.

다만 이 손실을 감수하는 대신 전동기 내부의 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있다.

전동기 설계에서는 손실과 냉각 사이에도 절충관계가 존재한다.

표유부하손이란 무엇일까?

실제 전동기에서는 고정자 동손, 회전자 동손, 철손과 기계손만으로 모든 손실을 완벽하게 설명할 수 없다.

부하가 걸렸을 때 누설자속, 고조파 자속, 도체의 전류분포 변화, 추가적인 철손과 와전류 등으로 인해 추가손실이 발생할 수 있다.

이를 표유부하손(Stray Load Loss)이라고 한다.

정밀한 효율계산이나 고효율 전동기 설계에서는 이 손실도 무시할 수 없다.

전체 전력 흐름을 식으로 정리하면

유도전동기의 입력전력을 Pin이라고 하자.

먼저 고정자에서

Pin

→ 고정자 동손 Pcu1

→ 철손 Pfe

를 제외한다.

남은 전력이 공극전력 Pg가 된다.

Pg = Pin – Pcu1 – Pfe

회전자에서는

Pcu2 = sPg

의 회전자 동손이 발생한다.

따라서 기계적 변환전력은

Pm = (1-s)Pg

이다.

여기서 기계손과 기타 필요한 손실을 빼면 최종 축출력 Pout을 얻는다.

개념적으로

Pout = Pin – 전체 손실

이다.

숫자로 전체 전력 흐름을 계산해보자

어떤 유도전동기의 입력전력이 100kW라고 하자.

고정자 동손이 3kW,

철손이 2kW라고 가정하면

공극전력은

Pg = 100 – 3 – 2

= 95kW

이다.

슬립이 4%라면 회전자 동손은

Pcu2 = 0.04 × 95

= 3.8kW

이다.

기계적 변환전력은

Pm = 0.96 × 95

= 91.2kW

이다.

기계손과 기타 축측 손실을 1.7kW라고 가정하면

Pout = 91.2 – 1.7

= 89.5kW

이다.

따라서 전체 효율은

η = Pout / Pin

= 89.5 / 100

= 0.895

즉 약 89.5%다.

이 계산을 보면 입력전력이 전동기 내부의 여러 단계를 지나면서 조금씩 손실되고 최종적으로 축출력이 만들어지는 과정을 이해할 수 있다.

전동기의 효율

전동기의 효율 η는

η = Pout / Pin

으로 정의한다.

백분율로 나타내면

η(%) = (Pout / Pin) × 100

이다.

효율이 95%라면 입력전력의 95%가 유용한 축출력으로 전달되고 나머지 약 5%가 여러 형태의 손실로 소비된다는 의미다.

손실된 전력은 어디로 갈까?

대부분의 손실은 최종적으로 열이 된다.

권선의 I²R 손실은 직접 열을 발생시킨다.

철손도 철심의 온도를 높인다.

베어링 마찰과 공기저항에 사용된 에너지 역시 결국 열로 변환된다.

따라서 전동기가 운전하면서 뜨거워지는 것은 자연스러운 현상이다.

중요한 것은 온도가 설계된 허용범위 안에 있는가 하는 점이다.

발열과 온도는 같은 개념이 아니다

손실전력은 열이 발생하는 속도와 관련된다.

하지만 최종적으로 전동기가 몇 도까지 올라가는지는 손실뿐 아니라 냉각조건에 의해서도 결정된다.

같은 손실이 발생해도

주변온도,

통풍상태,

냉각팬 성능,

프레임 구조,

설치환경,

운전시간

에 따라 전동기 온도는 달라질 수 있다.

따라서

“손실이 얼마인가”

와

“온도가 얼마인가”

는 연결되어 있지만 동일한 문제는 아니다.

전동기의 열평형

전동기가 운전하면 내부에서 열이 계속 발생한다.

동시에 프레임과 냉각공기를 통해 열이 외부로 빠져나간다.

처음 운전을 시작하면 전동기 온도가 낮기 때문에 열방출량이 상대적으로 작을 수 있다.

시간이 지나 온도가 올라가면 주변과의 온도차가 커지고 열방출량도 증가한다.

결국

발생하는 열

=

외부로 방출되는 열

이 되는 지점에 도달한다.

이 상태를 열적 정상상태라고 볼 수 있다.

열시정수라는 개념

전동기의 온도는 전원을 켰다고 즉시 최종온도까지 올라가지 않는다.

전동기 철심과 권선, 프레임에는 열용량이 있기 때문이다.

따라서 온도는 시간에 따라 서서히 상승한다.

이러한 열적 응답속도를 설명할 때 열시정수(Thermal Time Constant)라는 개념을 사용할 수 있다.

대형 전동기는 열용량이 크기 때문에 온도변화가 비교적 느릴 수 있다.

반대로 작은 전동기는 온도가 더 빠르게 변할 수 있다.

이 때문에 단시간 과부하와 장시간 과부하는 전동기에 미치는 영향이 다를 수 있다.

전동기 절연이 중요한 이유

고정자 권선은 서로 전기적으로 절연되어 있어야 한다.

권선도체 사이와 권선과 철심 사이의 절연이 파괴되면

층간단락,

상간단락,

지락

등의 심각한 고장이 발생할 수 있다.

절연재료의 열화에 영향을 주는 중요한 요인 가운데 하나가 온도다.

높은 온도에서 장시간 운전하면 절연재료의 노화가 빨라질 수 있다.

따라서 전동기의 온도관리는 결국 절연수명과 연결된다.

절연등급은 무엇을 의미할까?

전동기의 절연시스템은 허용 가능한 열적 성능에 따라 등급으로 구분된다.

전기기기에서 흔히 볼 수 있는 절연등급에는

Class B,

Class F,

Class H

등이 있다.

다만 절연등급의 온도값을 단순히 “전동기 표면이 이 온도까지 올라가도 된다”는 의미로 이해하면 안 된다.

절연시스템의 허용온도와 실제 권선온도상승, 주변온도 및 측정방법 등을 함께 고려해야 한다.

전동기 표면온도만으로 권선온도를 정확히 알 수 있을까?

정확히는 어렵다.

우리가 손이나 열화상카메라로 확인하는 프레임 표면온도와 내부 권선의 가장 뜨거운 지점인 핫스폿 온도는 같지 않다.

전동기 내부에서는 열이 발생하고 여러 열저항을 거쳐 프레임으로 전달된다.

따라서 프레임 표면이 비교적 낮은 온도라도 내부 권선은 더 높은 온도일 수 있다.

중요한 설비에서는 권선온도센서나 베어링 온도센서 등을 이용해 상태를 직접 감시하기도 한다.

부하가 증가하면 왜 온도가 올라갈까?

부하토크가 증가하면 유도전동기는 더 큰 전자기토크를 만들어야 한다.

정상운전 영역에서는 회전속도가 약간 감소하고 슬립이 증가한다.

회전자 전류와 고정자 전류가 증가하는 방향으로 작용한다.

전류가 증가하면

Pcu = I²R

관계에 의해 동손이 크게 증가한다.

따라서 부하가 증가할수록 전동기의 발열이 커지는 것이 일반적이다.

과부하 운전이 위험한 핵심 이유

과부하 상태에서는 단순히 전류가 조금 더 흐르는 것이 아니다.

전류가 증가하면서 I²R 손실이 제곱관계로 증가한다.

발생한 열로 권선온도가 올라간다.

권선온도가 올라가면 저항도 증가한다.

냉각능력을 넘어서는 열이 계속 발생하면 내부온도가 계속 상승한다.

결국 절연열화가 빨라지고 심한 경우 절연파괴로 이어질 수 있다.

따라서 전동기의 과부하 보호는 단순한 전류제한 기능이 아니라 열적 손상을 방지하는 보호라고 이해할 필요가 있다.

전압이 낮으면 발열이 줄어들까?

반드시 그렇지는 않다.

일정한 기계적 부하를 구동하고 있는 유도전동기에서 전압이 낮아지면 전동기의 토크능력이 감소할 수 있다.

부하토크를 유지하기 위해 슬립과 전류가 증가할 수 있다.

전류가 증가하면 동손과 발열도 증가할 수 있다.

따라서 “전압이 낮으면 전력이 작으니 전동기가 덜 뜨겁다”라고 단순하게 생각하면 안 된다.

전압 불평형도 발열의 원인이 될 수 있다

3상 전동기에서는 세 상의 전압이 가능한 한 균형을 이루는 것이 중요하다.

전압이 불평형하면 전류 불평형이 더 크게 나타날 수 있고 역상분 자계가 발생한다.

역상분 자계는 회전자 입장에서 큰 상대속도를 갖는 자계를 형성하여 추가적인 회전자 손실과 발열을 유발할 수 있다.

따라서 전동기 과열을 점검할 때는 단순히 평균전압만 확인하는 것이 아니라 각 상의 전압과 전류 균형도 살펴봐야 한다.

주파수와 냉각의 관계도 중요하다

인버터로 전동기를 저속 운전할 때는 또 다른 문제가 생길 수 있다.

축에 직접 연결된 자체 냉각팬을 사용하는 전동기라면 회전속도가 낮아질수록 팬속도도 낮아진다.

그러면 냉각풍량이 감소할 수 있다.

저속에서 큰 토크를 계속 요구하면 전류와 동손은 상당한데 냉각능력은 떨어지는 상황이 발생할 수 있다.

그래서 저속에서 장시간 높은 토크로 운전하는 설비에서는 별도의 강제냉각팬을 사용하는 경우가 있다.

통풍로가 막혀도 전동기는 과열될 수 있다

전동기의 냉각핀이나 통풍구에

먼지,

오일,

섬유질,

이물질

등이 쌓이면 열방출이 나빠진다.

이 경우 전류가 정상범위인데도 전동기 온도가 이전보다 높아질 수 있다.

따라서 전동기 과열의 원인을 찾을 때 전기적인 문제만 보는 것은 부족하다.

부하상태와 전류뿐 아니라 냉각상태도 함께 확인해야 한다.

베어링 온도와 권선 온도는 구분해서 봐야 한다

전동기의 온도가 높다고 해서 항상 권선이 원인은 아니다.

베어링 윤활불량이나 과도한 벨트장력, 축 정렬불량 등이 있으면 베어링 부위의 온도가 높아질 수 있다.

반대로 고정자 권선의 전기적인 문제가 있으면 전동기 몸체 전체의 온도분포가 달라질 수 있다.

따라서 온도를 측정할 때는

DE 베어링,

NDE 베어링,

프레임,

권선센서

등 측정위치를 구분해 추세를 보는 것이 유용하다.

전동기 효율이 중요한 경제적인 이유

산업현장의 전동기는 장시간 운전되는 경우가 많다.

전동기 한 대에서 효율 차이가 몇 퍼센트에 불과해 보여도 수십 대 또는 수백 대의 전동기가 장시간 운전되면 전체 전력소비에서는 큰 차이가 날 수 있다.

예를 들어 같은 축출력을 만들면서 손실이 적은 전동기는

전력소비 감소,

발열 감소,

냉각부담 감소

측면에서 유리할 수 있다.

그래서 산업용 전동기의 고효율화는 단순한 전동기 자체의 성능을 넘어 전체 설비의 에너지관리와도 연결된다.

전동기 손실을 현장에서 어떻게 바라봐야 할까?

전동기 내부의 각 손실을 운전 중 직접 분리해서 측정하기는 쉽지 않다.

하지만 다음과 같은 운전정보를 함께 보면 이상상태를 판단하는 데 도움이 된다.

전압,

상별 전류,

회전속도,

부하,

권선 또는 프레임 온도,

베어링 온도,

진동,

소음,

냉각상태

등이다.

예를 들어 같은 설비가 같은 생산조건에서 운전되고 있는데 이전보다 전류와 온도가 함께 증가했다면 부하 증가나 기계적 마찰 증가 등을 의심해볼 수 있다.

전류는 비슷하지만 온도만 증가했다면 냉각상태나 주변온도 변화 등도 확인할 필요가 있다.

자주 혼동하는 부분

첫째, 전동기에 공급되는 전력 전체가 축출력으로 변환되는 것은 아니다.

둘째, 동손은 전류의 제곱에 비례하기 때문에 과전류에서 빠르게 증가한다.

셋째, 농형 회전자에서도 회전자 동손이 발생한다.

넷째, 회전자 동손은

Pcu2 = sPg

와 연결된다.

다섯째, 기계적 변환전력은

Pm = (1-s)Pg

이다.

여섯째, 1-s가 전동기 전체 효율을 의미하는 것은 아니다.

일곱째, 철심을 얇은 강판으로 적층하는 중요한 이유 중 하나는 와전류손을 줄이기 위해서다.

여덟째, 전동기 온도는 손실뿐 아니라 냉각조건에도 크게 영향을 받는다.

아홉째, 프레임 표면온도와 내부 권선 핫스폿 온도는 같지 않다.

열째, 저전압이라고 해서 전동기 발열이 반드시 감소하는 것은 아니다.

열한째, 인버터 저속운전에서는 자체 냉각능력이 감소할 수 있다는 점도 고려해야 한다.

마무리

유도전동기의 효율과 발열을 이해하려면 전동기 내부에서 전력이 이동하는 과정을 하나의 흐름으로 보는 것이 중요하다.

전동기에 공급된 입력전력 Pin은 먼저 고정자 권선을 통과하면서 고정자 동손을 발생시킨다.

철심에서는 히스테리시스손과 와전류손이 발생한다.

이러한 손실을 제외한 전력이 공극을 통해 회전자로 전달되며 이를 공극전력 Pg라고 한다.

회전자에서는 공극전력 가운데

sPg

가 회전자 동손으로 소비되고,

(1-s)Pg

가 기계적 에너지로 변환된다.

이후 베어링 마찰, 풍손, 냉각팬 등에 필요한 기계손을 제외하고 남은 전력이 실제 축출력으로 전달된다.

따라서 유도전동기의 에너지 흐름은 크게

입력전력 → 고정자 손실 → 공극전력 → 회전자 동손 → 기계적 변환전력 → 기계손 → 축출력

으로 이해할 수 있다.

그리고 이 과정에서 발생한 손실의 상당 부분은 결국 열로 변환된다.

특히 권선 동손은

I²R

관계를 가지기 때문에 전류가 증가하면 빠르게 커진다.

그래서 전동기의 과부하, 구속, 전압 불평형과 냉각불량은 단순한 운전조건의 변화가 아니라 전동기의 절연수명과 고장 가능성에 직접 영향을 줄 수 있다.

결국 전동기의 온도관리는 단순히 “모터가 뜨겁다”는 문제를 넘어 전기적 손실, 부하, 냉각 그리고 절연수명을 함께 관리하는 문제라고 할 수 있다.

다음 글에서는 여기서 한 단계 더 나아가 유도전동기가 왜 기동할 때 정격운전보다 훨씬 큰 전류를 끌어가는지 살펴본다.

특히 정지상태의 슬립 s=1에서 회전자 주파수와 임피던스가 어떻게 달라지는지, 역기전력 관점에서 왜 고정자 기동전류가 커지는지, 그리고 큰 기동전류가 전압강하와 설비에 어떤 영향을 주는지까지 연결해서 알아본다.