직류전동기 토크와 속도 원리 – 분권·직권전동기 특성 비교

직류전동기를 공부할 때 가장 중요한 두 가지 성능은 토크와 회전속도다.

전동기가 얼마만큼의 부하를 돌릴 수 있는지 판단하려면 토크를 알아야 하고, 축이 얼마나 빠르게 회전하는지 판단하려면 속도를 알아야 한다.

직류전동기의 장점 가운데 하나는 토크와 속도의 관계를 비교적 명확한 식으로 설명할 수 있다는 것이다.

대표적인 식은 다음 두 가지다.

토크는

T = KtΦIa

이고,

속도는

N ∝ (V – IaRa) / Φ

로 나타낼 수 있다.

여기서

Φ는 계자자속,

Ia는 전기자전류,

V는 전기자 공급전압,

Ra는 전기자저항이다.

이 두 식을 이해하면 왜 부하가 증가할 때 전동기 전류가 커지는지, 왜 분권전동기는 비교적 일정한 속도로 운전되는지, 왜 직권전동기는 큰 기동토크를 만들 수 있는지, 그리고 왜 무부하 운전이 위험할 수 있는지까지 하나의 흐름으로 설명할 수 있다.

직류전동기의 토크는 어떻게 결정될까?

직류전동기의 전기자 도체는 고정자에서 만들어진 자기장 속에 놓여 있다.

전기자 도체에 전류가 흐르면

F = BIl

에 의해 전자기력이 발생한다.

여러 개의 전기자 도체에서 발생한 힘이 회전축을 중심으로 합쳐져 토크가 된다.

직류기의 구조적인 상수를 하나로 묶으면 전자기토크는

T = KtΦIa

로 나타낼 수 있다.

즉 직류전동기의 토크는 기본적으로

계자자속 Φ

와

전기자전류 Ia

의 곱에 비례한다.

자속이 일정하면 토크는 전기자전류에 비례한다

분권전동기처럼 정상적인 운전범위에서 계자자속이 거의 일정하다고 가정해보자.

그러면

Φ ≈ 일정

이므로

T ∝ Ia

가 된다.

즉 부하토크가 두 배 가까이 필요하면 전기자전류도 그에 맞춰 증가하는 방향으로 작용한다.

이 때문에 직류전동기에서는 전기자전류를 측정하면 부하토크의 크기를 어느 정도 판단할 수 있다.

다만 실제 기계에서는 포화, 손실, 온도 등의 영향이 있으므로 모든 영역에서 완전히 정확한 선형관계가 성립하는 것은 아니다.

부하가 증가하면 왜 전류가 증가할까?

앞에서 배운 역기전력 관계를 다시 살펴보자.

전기자 회로에서는

V = E + IaRa

이고

E = KeΦω

이다.

전동기에 부하가 증가하면 회전속도가 순간적으로 감소한다.

속도가 감소하면 역기전력 E도 감소한다.

그러면

Ia = (V-E)/Ra

에서 V-E가 증가한다.

따라서 전기자전류가 증가한다.

전기자전류가 증가하면

T = KtΦIa

에 의해 토크가 증가한다.

결국 증가한 전동기 토크가 새로운 부하토크와 균형을 이루게 된다.

즉

부하 증가

→ 속도 감소

→ 역기전력 감소

→ 전기자전류 증가

→ 토크 증가

라는 흐름이 만들어진다.

직류전동기의 속도는 어떻게 결정될까?

역기전력은

E = KΦω

이다.

전기자 회로에서는

E = V – IaRa

이므로

KΦω = V – IaRa

가 된다.

따라서

ω = (V – IaRa) / KΦ

이다.

회전속도를 rpm으로 나타내면 구조상수를 포함하여

N ∝ (V – IaRa) / Φ

로 표현할 수 있다.

이 식은 직류전동기의 속도제어 원리를 거의 모두 설명해준다.

속도에 영향을 주는 세 가지 요소

속도식

N ∝ (V – IaRa) / Φ

를 보면 직류전동기의 속도를 결정하는 주요 요소는 크게 세 가지다.

첫 번째는 전기자전압 V다.

두 번째는 전기자 회로의 전압강하 IaRa다.

세 번째는 계자자속 Φ다.

따라서 직류전동기의 속도를 조절하려면

전기자전압을 바꾸거나,

전기자 회로에 저항을 추가하거나,

계자자속을 바꾸는

방법을 생각할 수 있다.

전기자전압을 높이면 속도가 올라가는 이유

계자자속이 일정하고 전기자저항 전압강하가 비교적 작다고 가정하면

N ∝ V

에 가까운 관계를 가진다.

즉 전기자전압을 높이면 회전속도가 증가하고 낮추면 속도가 감소한다.

이 방법을 전기자전압제어(Armature Voltage Control)라고 한다.

직류전동기의 대표적인 속도제어 방법이다.

전압을 낮췄는데 토크는 어떻게 유지할까?

속도를 낮추기 위해 전기자전압을 낮추더라도 계자자속을 일정하게 유지한다면

T = KΦIa

관계는 그대로 유지된다.

즉 전류를 충분히 공급할 수 있다면 낮은 속도에서도 정격에 가까운 토크를 만들 수 있다.

이 때문에 전기자전압제어 영역을 흔히 정토크 영역(Constant Torque Region)과 연결해 설명한다.

정토크 영역이란 무엇일까?

기본속도 이하에서 자속 Φ를 거의 일정하게 유지하고 전기자전압 V를 조절한다고 생각해보자.

토크는

T = KΦIa

다.

자속이 일정하고 허용 전기자전류가 일정하다면 최대토크도 거의 일정하게 유지할 수 있다.

따라서 속도만 변화시키면서 일정한 토크를 사용할 수 있는 영역이 만들어진다.

기계출력은

P = Tω

이므로 토크가 일정하다면 속도가 증가할수록 출력도 증가한다.

기본속도란 무엇일까?

전기자전압을 계속 올려 속도를 증가시키고 있다고 하자.

언젠가는 전동기에 허용된 정격 전기자전압에 도달한다.

이때의 속도를 기준속도 또는 기본속도(Base Speed)라고 볼 수 있다.

기본속도보다 더 높은 속도가 필요하다면 전기자전압을 계속 증가시키기 어려울 수 있다.

그러면 다른 방법을 사용해야 한다.

대표적인 방법이 약계자제어(Field Weakening)다.

계자자속을 약하게 하면 왜 속도가 증가할까?

속도식은

N ∝ (V – IaRa) / Φ

이다.

전압이 일정한 상태에서 Φ를 감소시키면 N은 증가한다.

즉 계자전류를 줄여 자속을 약하게 만들면 전동기의 속도를 높일 수 있다.

이것이 약계자제어의 기본원리다.

자속을 줄이면 역기전력은 어떻게 될까?

역기전력은

E = KΦω

이다.

전기자전압이 거의 일정하다면 정상상태에서 E 역시 V에 가까운 값을 유지해야 한다.

따라서 Φ를 감소시키면 같은 E를 만들기 위해 ω가 증가해야 한다.

즉 자속이 약해진 만큼 회전속도가 올라가 새로운 역기전력 균형을 만든다.

이것이 약계자 시 속도가 올라가는 전자기적 이유다.

약계자를 하면 토크는 어떻게 될까?

토크식은

T = KΦIa

이다.

자속 Φ가 감소하면 같은 전기자전류 Ia에서 만들어낼 수 있는 토크도 감소한다.

즉 약계자제어는 속도를 높이는 대신 토크능력을 줄인다.

그래서 기본속도 이상의 약계자 영역에서는 정토크 운전보다 정출력(Constant Power) 특성과 연결되는 경우가 많다.

왜 약계자 영역을 정출력 영역이라고 할까?

기계출력은

P = Tω

이다.

약계자 영역에서 속도 ω는 증가하지만 자속이 줄어들면서 최대토크 T는 감소한다.

이 두 효과가 서로 반대 방향으로 작용해 일정 범위에서 출력이 대략 일정하게 유지되는 특성을 만들 수 있다.

즉

저속 영역:

토크 ≈ 일정

속도 증가 → 출력 증가

고속 약계자 영역:

출력 ≈ 일정

속도 증가 → 토크 감소

와 같은 특성을 생각할 수 있다.

전기자저항을 추가하면 속도를 낮출 수도 있다

속도식에서

N ∝ (V – IaRa)/Φ

이다.

전기자 회로에 외부저항 Rext를 추가하면

N ∝ [V – Ia(Ra + Rext)] / Φ

가 된다.

부하전류가 흐를수록 외부저항에서 더 큰 전압강하가 발생한다.

따라서 실제 전기자에 걸리는 유효전압이 감소하고 속도가 낮아진다.

이를 전기자저항제어라고 할 수 있다.

전기자저항제어는 왜 효율이 낮을까?

외부저항에는

P = Ia²Rext

의 손실이 발생한다.

속도를 낮추기 위해 전압을 저항에서 열로 소비하는 방식이기 때문이다.

특히 부하전류가 클수록 손실이 크게 증가한다.

따라서 단순하고 저렴하게 속도를 낮출 수는 있지만 에너지효율이 좋지 않다.

현대에는 전력전자장치를 이용한 전압제어가 훨씬 유리한 경우가 많다.

분권 직류전동기란 무엇인가?

직류전동기는 계자권선과 전기자권선을 어떻게 연결하느냐에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다.

대표적인 방식 가운데 하나가 분권전동기(Shunt Motor)다.

분권전동기에서는 계자권선이 전기자와 병렬로 연결된다.

따라서 공급전압이 일정하면 계자전류도 비교적 일정하게 유지된다.

결과적으로 계자자속 Φ도 비교적 일정하다.

분권전동기의 토크특성

자속이 거의 일정하므로

T = KΦIa

에서

T ∝ Ia

로 볼 수 있다.

따라서 토크는 전기자전류에 거의 비례한다.

부하가 증가하면 전기자전류가 증가하고 토크가 증가한다.

이 특성은 비교적 이해하기 쉽고 제어하기도 편하다.

분권전동기의 속도특성

분권전동기의 속도는

N ∝ (V – IaRa)/Φ

이다.

Φ가 거의 일정하다.

부하가 증가하면 Ia가 증가하여 IaRa 전압강하가 커진다.

따라서 속도는 조금 감소한다.

하지만 Ra가 작기 때문에 정상적인 부하범위에서는 속도변화가 크지 않은 경우가 많다.

즉 분권전동기는 비교적 정속도 특성이 좋은 직류전동기다.

분권전동기의 부하가 증가했을 때

흐름을 따라가보면 다음과 같다.

부하토크 증가

→ 회전속도 약간 감소

→ 역기전력 감소

→ 전기자전류 증가

→ 토크 증가

→ 새로운 평형속도에서 운전

한다.

계자자속은 거의 일정하기 때문에 부하에 따른 속도변화가 비교적 작다.

직권 직류전동기는 어떻게 다를까?

직권전동기(Series Motor)에서는 계자권선이 전기자와 직렬로 연결된다.

따라서

계자전류 = 전기자전류

가 된다.

즉 부하가 증가하여 전기자전류가 증가하면 계자자속도 증가한다.

이 점이 분권전동기와 가장 큰 차이다.

직권전동기의 토크가 큰 이유

토크는

T = KΦIa

이다.

철심이 자기포화되기 전의 영역에서는 계자자속 Φ가 전기자전류 Ia에 거의 비례한다고 생각할 수 있다.

즉

Φ ∝ Ia

라고 하면

T ∝ Ia × Ia

가 되므로

T ∝ Ia²

에 가까운 관계를 가진다.

따라서 낮은 전류에서 시작하더라도 전류가 증가하면 토크가 매우 빠르게 증가할 수 있다.

이 때문에 직권전동기는 매우 큰 기동토크를 얻는 데 유리하다.

자기포화 이후에는 어떻게 될까?

전류를 계속 증가시키면 철심의 자기포화 때문에 자속이 전류에 계속 비례해서 증가하지 않는다.

포화영역에서는 Φ가 상대적으로 일정한 값에 가까워진다.

그러면 토크관계는 다시

T ∝ Ia

에 가까워진다.

따라서

포화 전:

T ∝ Ia²에 가까움

포화 후:

T ∝ Ia에 가까움

으로 이해할 수 있다.

직권전동기의 속도는 왜 부하에 크게 영향을 받을까?

직권전동기의 속도식도

N ∝ (V – IaRa)/Φ

의 기본관계를 따른다.

그런데 직권전동기에서는 Φ 자체가 Ia에 따라 크게 변한다.

부하가 증가하면 Ia가 증가한다.

→ Φ가 증가한다.

→ 분모가 커진다.

→ 속도가 감소한다.

반대로 부하가 줄면 Ia가 감소한다.

→ Φ도 감소한다.

→ 속도가 크게 증가할 수 있다.

따라서 직권전동기는 분권전동기보다 부하에 따른 속도변화가 크다.

직권전동기의 무부하 운전이 위험한 이유

직권전동기에 거의 부하가 없다고 생각해보자.

필요한 토크가 매우 작으므로 전기자전류 Ia가 감소한다.

계자권선도 전기자와 직렬이므로 계자전류 역시 감소한다.

따라서 계자자속 Φ가 크게 약해진다.

속도식

N ∝ (V – IaRa)/Φ

에서 Φ가 매우 작아지면 회전속도가 크게 증가하려는 경향이 생긴다.

결과적으로 위험한 과속으로 이어질 수 있다.

따라서 직권 직류전동기는 일반적으로 무부하 운전을 피해야 한다.

직권전동기는 어디에 유리했을까?

직권전동기는 큰 기동토크가 필요한 부하에서 유리하다.

대표적으로 역사적으로

전기철도,

크레인,

호이스트,

견인용 설비

등에서 널리 사용되었다.

정지상태에서 무거운 물체를 움직이기 시작할 때 큰 토크가 필요한 용도와 잘 맞기 때문이다.

다만 현대에는 전력전자 제어와 교류전동기 기술의 발전으로 적용방식이 많이 달라졌다.

복권전동기란 무엇인가?

복권전동기(Compound Motor)는 분권계자와 직권계자를 함께 사용하는 방식이다.

즉

분권전동기의 비교적 안정적인 속도특성

과

직권전동기의 높은 기동토크

특성을 조합하려는 구조라고 볼 수 있다.

복권방식에는 계자의 방향에 따라 누적복권과 차동복권이 있다.

누적복권전동기

누적복권에서는 직권계자의 자속이 분권계자의 자속을 강화하는 방향으로 작용한다.

부하전류가 증가하면 직권계자의 자속도 증가하면서 전체 계자자속이 커진다.

따라서 분권전동기보다 높은 기동토크를 얻으면서 직권전동기보다는 안정적인 속도특성을 만들 수 있다.

차동복권전동기

차동복권에서는 직권계자의 자속이 분권계자의 자속을 약화시키는 방향으로 작용한다.

부하전류가 증가하면 전체자속이 감소할 수 있다.

이 경우 특성에 따라 속도가 불안정해질 가능성이 있기 때문에 일반적인 전동기 용도에서는 신중하게 사용해야 한다.

분권과 직권의 차이를 토크식으로 보면

분권전동기:

Φ ≈ 일정

따라서

T ∝ Ia

직권전동기:

포화 전

Φ ∝ Ia

따라서

T ∝ Ia²

이라는 차이를 가진다.

이 두 관계만 이해해도 왜 직권전동기가 큰 기동토크에 유리하고 분권전동기가 비교적 정속도 운전에 유리한지 설명할 수 있다.

속도특성으로 비교하면

분권전동기는 계자자속이 거의 일정하다.

따라서 부하가 증가해도 속도가 조금만 감소한다.

직권전동기는 부하전류에 따라 계자자속이 크게 변한다.

따라서 부하가 증가하면 속도가 상당히 낮아지고, 부하가 감소하면 속도가 크게 올라갈 수 있다.

즉

분권전동기:

정속도 특성이 좋음

직권전동기:

부하에 따른 속도변화가 큼

이라고 볼 수 있다.

기동 순간에는 왜 토크가 클까?

직류전동기의 기동 순간에는

E = 0

이다.

따라서 전기자전류가 매우 크게 흐르려고 한다.

토크는

T = KΦIa

이므로 전류가 크면 기동토크도 크게 만들 수 있다.

특히 직권전동기에서는 전기자전류 증가가 계자자속 증가에도 동시에 영향을 주기 때문에 포화 전 영역에서 매우 높은 기동토크를 얻을 수 있다.

하지만 지나치게 큰 기동전류는 권선과 정류자, 브러시에 부담을 주므로 실제로는 반드시 제한해야 한다.

전기자전류에는 허용한계가 있다

토크를 크게 만들고 싶다고 해서 Ia를 무한히 증가시킬 수는 없다.

전기자 동손은

Pcu = Ia²Ra

로 증가한다.

또한 큰 전류는

정류불량,

브러시 스파크,

전기자반작용 증가,

권선과 정류자의 발열

등을 일으킬 수 있다.

따라서 직류전동기의 최대토크는 단순한 전자기식뿐 아니라 열적·기계적·정류상의 한계에도 영향을 받는다.

전기자반작용은 토크에도 영향을 줄까?

부하가 증가하여 Ia가 커지면 전기자에서 발생하는 자기장도 강해진다.

이 자계는 주계자 자속을 왜곡시키고 일부 경우에는 유효자속을 감소시키는 방향으로 작용할 수 있다.

이를 전기자반작용이라고 한다.

따라서 실제 직류전동기에서 Φ가 항상 완전히 일정하다고 보는 것은 근사다.

특히 큰 부하에서 전기자반작용과 자기포화를 고려하면 실제 토크와 속도특성은 단순식과 약간 달라질 수 있다.

속도제어 방법을 한 번에 정리하면

직류전동기의 속도식은

N ∝ (V – IaRa)/Φ

이다.

따라서 크게 세 가지 방법이 가능하다.

전기자전압제어

V를 조절한다.

효율적인 저속·기본속도 이하 속도제어에 유리하다.

계자제어

Φ를 조절한다.

자속을 약하게 해 기본속도 이상으로 속도를 높일 수 있다.

하지만 토크능력은 감소한다.

전기자저항제어

Ra에 외부저항을 추가한다.

속도를 낮출 수 있지만 I²R 손실이 커서 효율이 낮다.

현대 직류드라이브에서는 어떻게 제어할까?

과거에는 가변저항이나 발전기-전동기 조합 등을 이용한 방식이 사용되기도 했다.

현대에는 반도체 전력변환기를 이용해 전기자전압과 전류를 정밀하게 제어할 수 있다.

속도센서나 전류센서를 이용해 폐루프 제어를 구성하면 부하가 변해도 목표속도를 유지하도록 전압과 전류를 자동으로 조정할 수 있다.

즉 직류전동기 자체의 자연적인 역기전력 특성에 전자제어를 추가하면 매우 우수한 속도·토크 제어가 가능하다.

정속도 운전과 속도제어는 구분해야 한다

분권전동기가 부하변화에도 속도가 비교적 일정하다고 해서 속도가 완벽하게 고정되는 것은 아니다.

부하가 증가하면 IaRa 전압강하 때문에 속도는 조금 감소한다.

보다 정확하게 일정한 속도를 유지하려면 속도를 측정하고 전기자전압 등을 보정하는 제어기가 필요하다.

즉 자연적인 속도특성과 능동적인 속도제어는 구분해야 한다.

토크와 출력은 같은 개념이 아니다

토크가 크다고 출력이 반드시 큰 것은 아니다.

기계출력은

P = Tω

이다.

따라서 같은 토크라도 속도가 낮으면 출력은 작을 수 있다.

반대로 높은 속도에서 비교적 작은 토크를 발생시켜도 큰 출력을 만들 수 있다.

예를 들어

100N·m × 낮은 속도

와

50N·m × 두 배의 속도

는 같은 출력이 될 수 있다.

따라서 전동기를 선정할 때는 kW만 보거나 토크만 보는 것이 아니라 둘을 함께 봐야 한다.

출력으로 토크를 구하는 방법

축출력 P와 회전속도 N을 알고 있다면

T = P/ω

로 토크를 계산할 수 있다.

실무적으로 P를 kW, N을 rpm으로 사용하면

T(N·m) = 9550 × P(kW) / N(rpm)

식을 사용할 수 있다.

예를 들어

출력 20kW,

속도 1500rpm

이라면

T = 9550 × 20 / 1500

≈ 127.3N·m

이다.

같은 출력에서 저속전동기가 큰 토크를 필요로 하는 이유

위 식을 보면

T ∝ 1/N

이다.

같은 출력이라면 회전속도가 낮을수록 더 큰 토크가 필요하다.

예를 들어 같은 20kW라면

1500rpm에서 약 127N·m,

750rpm에서는 약 255N·m

정도의 토크가 필요하다.

즉 속도를 절반으로 낮추면서 같은 출력을 유지하려면 토크는 약 두 배가 되어야 한다.

직류전동기의 운전특성을 에너지 흐름으로 보면

직류전원을 공급한다.

→ 계자자속 Φ가 형성된다.

→ 전기자에 Ia가 흐른다.

→ T = KΦIa의 토크가 발생한다.

→ 회전자가 가속한다.

→ E = KΦω의 역기전력이 증가한다.

→ 전류가 감소하며 정상운전점에 접근한다.

부하가 증가하면

→ 속도가 감소한다.

→ E가 감소한다.

→ Ia가 증가한다.

→ T가 증가한다.

그리고 속도제어가 필요하면

V를 바꾸거나,

Φ를 바꾸거나,

회로저항을 조절한다.

이 모든 현상이 몇 개의 기본식으로 서로 연결된다.

분권·직권·복권을 한 번에 비교하면

분권전동기

계자와 전기자가 병렬 연결

계자자속이 비교적 일정

토크는 전기자전류에 거의 비례

부하에 따른 속도변화가 작음

정속도 특성이 필요한 부하에 유리

직권전동기

계자와 전기자가 직렬 연결

계자자속이 부하전류에 따라 변화

포화 전에는 매우 큰 기동토크 가능

부하에 따른 속도변화가 큼

무부하 과속 위험이 있음

복권전동기

분권계자와 직권계자를 함께 사용

높은 기동토크와 비교적 안정적인 속도특성을 조합할 수 있음

자주 혼동하는 부분

첫째, 직류전동기의 토크는 기본적으로

T = KΦIa

로 결정된다.

둘째, 자속이 일정한 경우 토크는 전기자전류에 거의 비례한다.

셋째, 직권전동기에서는 자기포화 전 영역에서 자속도 전류에 따라 증가하므로 토크가 Ia²에 가까운 특성을 가질 수 있다.

넷째, 속도는 단순히 공급전압 하나로만 결정되지 않는다.

N ∝ (V-IaRa)/Φ

관계를 함께 봐야 한다.

다섯째, 약계자하면 속도는 증가할 수 있지만 토크능력은 감소한다.

여섯째, 직권전동기는 무부하에서 위험한 과속이 발생할 수 있다.

일곱째, 전기자저항을 추가하는 속도제어는 가능하지만 에너지손실이 크다.

여덟째, 토크와 출력은 같은 개념이 아니다.

아홉째, 전동기의 실제 최대토크는 전기적 조건뿐 아니라 발열과 정류, 기계적 한계도 고려해야 한다.

마무리

직류전동기의 토크와 속도는 몇 개의 핵심관계로 설명할 수 있다.

토크는

T = KΦIa

이므로 계자자속과 전기자전류의 곱에 비례한다.

속도는

N ∝ (V-IaRa)/Φ

이므로 전기자전압, 전기자저항 전압강하와 계자자속에 의해 결정된다.

이 두 식 때문에 직류전동기는 전압과 자속을 각각 조절하여 비교적 자유롭게 속도와 토크를 제어할 수 있다.

분권전동기에서는 계자자속이 거의 일정하기 때문에

T ∝ Ia

가 되고 부하변화에 따른 속도변화도 비교적 작다.

반면 직권전동기에서는 계자전류와 전기자전류가 같기 때문에 자기포화 이전에는

T ∝ Ia²

에 가까운 큰 기동토크를 만들 수 있다.

하지만 부하가 작아지면 자속도 약해지면서 속도가 크게 증가할 수 있기 때문에 무부하 운전은 위험할 수 있다.

속도제어 측면에서는 기본속도 이하에서 전기자전압을 조절하면 비교적 일정한 토크를 유지할 수 있고, 기본속도 이상에서는 약계자를 이용해 속도를 높이는 대신 토크가 감소하는 운전을 할 수 있다.

결국 직류전동기의 특징은 자속과 전기자전류를 비교적 독립적으로 다룰 수 있다는 점에서 나온다.

이러한 특성 때문에 직류전동기는 오랫동안 정밀한 가변속 구동이 필요한 분야에서 중요한 역할을 해왔다.

다음 글에서는 다시 교류전동기로 돌아가 동기전동기의 구조와 유도전동기와의 차이를 살펴본다.

특히 유도전동기는 슬립이 반드시 필요한데 동기전동기는 어떻게 회전자계와 정확히 같은 속도로 회전할 수 있는지, 회전자 자계를 어떤 방식으로 만드는지까지 자세히 알아본다.