농형과 권선형 유도전동기 차이 – 구조·기동토크·속도제어 비교

유도전동기는 회전자 구조에 따라 크게 농형 유도전동기(Squirrel-Cage Induction Motor)와 권선형 유도전동기(Wound-Rotor Induction Motor)로 나눌 수 있다.

두 전동기는 모두 고정자에서 만들어지는 회전자계에 의해 회전자 전류가 유도되고, 그 전류와 자기장의 상호작용으로 토크가 발생한다는 기본원리는 같다.

하지만 회전자 회로를 어떻게 구성하느냐에 따라 기동특성, 속도제어, 유지보수성, 효율과 적용분야가 크게 달라진다.

농형 유도전동기는 구조가 단순하고 견고해 산업현장에서 가장 널리 사용된다.

반면 권선형 유도전동기는 회전자 회로에 외부저항을 연결할 수 있기 때문에 큰 기동토크가 필요한 부하나 과거의 속도제어 분야에서 중요한 역할을 해왔다.

두 방식의 차이를 제대로 이해하려면 회전자 구조부터 살펴볼 필요가 있다.

농형 회전자의 기본 구조

농형 회전자는 회전자 철심의 슬롯 안에 도체바가 들어 있고, 이 도체바의 양쪽 끝이 엔드링으로 서로 연결된 구조를 가진다.

전체 구조를 보면 새장과 비슷한 모양이기 때문에 Squirrel Cage라는 이름이 붙었다.

도체바와 엔드링은 하나의 폐회로를 형성한다.

고정자의 회전자계가 회전자 도체를 지나가면 유도기전력이 발생하고, 폐회로가 형성되어 있기 때문에 회전자 전류가 흐른다.

즉 농형 회전자는 외부에서 전원을 직접 공급하지 않아도 스스로 전류가 유도되는 구조다.

농형 회전자에는 브러시와 슬립링이 필요하지 않다

농형 유도전동기의 가장 큰 장점 중 하나가 바로 이 부분이다.

회전자 회로가 내부에서 완전히 단락되어 있기 때문에 회전하는 회전자에 외부 전류를 공급할 필요가 없다.

따라서

브러시

슬립링

정류자

같은 접촉식 전류전달장치가 필요하지 않다.

이 구조적인 단순함은 유지보수와 신뢰성 측면에서 큰 장점이 된다.

농형 회전자는 왜 견고할까?

회전자 권선이 복잡하게 감겨 있는 것이 아니라 비교적 단순한 도체바와 엔드링 구조다.

또한 별도의 브러시 접촉부가 없기 때문에 마모되는 전기적 접촉부품이 적다.

그래서 진동, 먼지, 산업환경에서도 비교적 안정적으로 사용할 수 있다.

대량생산에도 유리하다.

이 때문에 펌프, 팬, 컨베이어, 압축기 등 일반적인 산업용 전동기의 대부분이 농형 구조를 사용한다.

권선형 회전자는 어떻게 생겼을까?

권선형 유도전동기의 회전자에는 고정자와 비슷한 형태의 3상 권선이 설치되어 있다.

이 회전자 권선의 끝은 보통 Y결선으로 연결되고, 나머지 단자는 회전축에 설치된 슬립링(Slip Ring)으로 외부에 인출된다.

슬립링에는 고정된 브러시가 접촉한다.

이를 통해 회전자 회로에 외부저항이나 다른 회로를 연결할 수 있다.

즉 농형과 권선형의 가장 큰 구조적 차이는

농형: 회전자 회로가 내부에서 고정적으로 단락

권선형: 회전자 회로를 외부에서 접근하고 변경할 수 있음

이라고 정리할 수 있다.

권선형에서 슬립링이 필요한 이유

회전자는 계속 회전한다.

따라서 회전자 권선을 일반 전선으로 외부에 직접 연결할 수 없다.

회전하는 부분과 정지한 외부회로 사이에 전기적으로 연결할 수 있는 장치가 필요하다.

그 역할을 하는 것이 슬립링과 브러시다.

슬립링은 회전자와 함께 회전하고, 브러시는 고정된 상태에서 슬립링 표면과 접촉해 전류를 전달한다.

권선형의 가장 큰 특징은 외부저항을 연결할 수 있다는 것이다

회전자 회로에 외부저항을 직렬로 연결하면 회전자 전체저항을 증가시킬 수 있다.

왜 이것이 중요할까?

앞에서 유도전동기의 최대토크가 발생하는 슬립은 기본적으로

smax = R2 / X20

과 관련된다고 설명했다.

회전자 저항 R2가 증가하면 최대토크가 발생하는 슬립도 증가한다.

즉 최대토크점이 기동영역 쪽으로 이동한다.

기동 순간에는 슬립이 1이다

전동기 기동 순간에는

s = 1

이다.

만약 외부저항을 조절해서 최대토크가 발생하는 슬립을 1에 가깝게 만들 수 있다면 기동 시 큰 토크를 얻을 수 있다.

이것이 권선형 유도전동기에서 외부저항을 사용하는 핵심적인 이유다.

즉 외부저항은 단순히 전류를 줄이는 역할만 하는 것이 아니다.

회전자 전류의 크기와 위상관계를 바꾸어 기동토크 특성을 개선하는 역할도 한다.

권선형에서는 왜 높은 기동토크를 얻기 쉬울까?

기동 순간의 회전자 주파수는 전원주파수와 같기 때문에 회전자 리액턴스가 비교적 크게 나타날 수 있다.

회전자 저항이 너무 작으면 전류가 크게 흐르더라도 위상지연이 커서 토크를 만드는 유효성분이 충분하지 않을 수 있다.

회전자 외부저항을 증가시키면 회전자 임피던스의 저항성 비율이 높아지고 전류의 위상특성이 개선된다.

그 결과 같은 조건에서 더 큰 기동토크를 얻을 수 있다.

농형은 기동토크가 항상 작을까?

그렇지는 않다.

농형 유도전동기에서도 회전자 슬롯과 도체 구조를 어떻게 설계하느냐에 따라 기동토크를 상당히 개선할 수 있다.

대표적으로

심구형 회전자

이중농형 회전자

등이 있다.

이러한 구조는 기동 시 높은 회전자 주파수에서 표피효과를 이용해 회전자 유효저항을 크게 만들고, 정상운전에서는 유효저항을 낮추는 방향으로 동작할 수 있다.

즉 현대 농형 전동기는 구조적인 설계를 통해 상당히 좋은 기동특성을 얻을 수 있다.

농형과 권선형의 기동전류 차이

유도전동기는 기동 순간에 큰 전류가 흐를 수 있다.

농형 전동기에서는 회전자 회로의 저항을 외부에서 직접 바꾸기 어렵기 때문에 기동전류를 줄이기 위해 다른 방법을 사용한다.

예를 들어

Y-Δ 기동

리액터 기동

단권변압기 기동

소프트스타터

인버터

등이 사용될 수 있다.

반면 권선형에서는 회전자 외부저항을 이용해 기동전류와 기동토크 특성을 동시에 조절할 수 있다.

권선형의 기동 과정

기동 초기에는 비교적 큰 외부저항을 회전자 회로에 삽입한다.

→ 기동전류를 조절한다.

→ 기동토크를 높인다.

→ 회전자가 가속한다.

→ 슬립이 감소한다.

→ 외부저항을 단계적으로 줄인다.

→ 정상속도에 가까워지면 외부저항을 대부분 제거한다.

→ 회전자 권선을 사실상 단락상태로 운전한다.

이런 방식으로 기동특성을 제어한다.

외부저항을 계속 넣어두면 어떻게 될까?

외부저항을 계속 유지하면 회전자 회로에서 추가적인 I²R 손실이 발생한다.

회전자에서 소비되는 전력의 일부가 외부저항에서 열로 소모된다.

따라서 효율이 떨어진다.

즉 외부저항 방식은 기동이나 속도제어에는 유리하지만 에너지효율 측면에서는 불리할 수 있다.

그래서 정상운전에서는 일반적으로 외부저항을 제거하거나 최소화한다.

권선형은 속도제어도 가능하다

회전자 저항을 증가시키면 같은 부하토크를 만들기 위해 더 큰 슬립이 필요하게 된다.

슬립이 커진다는 것은 실제 회전속도

Nr = Ns(1-s)

가 낮아진다는 의미다.

따라서 회전자 저항을 조절하면 일정 범위에서 속도를 낮출 수 있다.

이것을 회전자 저항제어라고 한다.

회전자 저항제어의 단점

속도를 낮추기 위해 슬립을 크게 만들면 회전자에서 발생하는 손실이 증가한다.

앞에서 공극전력 Pg에 대해

회전자 동손 = sPg

라고 했다.

슬립이 커질수록 회전자에서 열로 소모되는 전력비율도 커진다.

따라서 회전자 저항을 이용한 속도제어는 효율이 낮은 방식이다.

또한 속도를 높이는 방향으로는 제한이 있다.

기본적으로 동기속도보다 낮은 영역에서 제어하게 된다.

현대에는 왜 인버터가 더 많이 사용될까?

인버터는 전동기에 공급되는 주파수와 전압을 직접 조절한다.

동기속도는

Ns = 120f/P

이므로 주파수를 바꾸면 회전자계 속도 자체를 바꿀 수 있다.

따라서 회전자 저항에서 큰 전력을 열로 버리지 않고도 효율적으로 속도를 조절할 수 있다.

게다가 일반적인 농형 유도전동기와 조합할 수 있다.

이 때문에 현대 산업설비에서는 가변속 운전이 필요할 때

농형 유도전동기 + 인버터

조합이 매우 널리 사용된다.

그렇다면 권선형 전동기는 필요 없을까?

완전히 그렇지는 않다.

설비특성상 매우 큰 기동토크가 필요하거나 기존 시스템과의 호환성, 특수한 운전조건 등으로 인해 권선형 유도전동기가 사용되는 경우가 있다.

특히 과거에는 대형 크레인, 호이스트, 압연기 등 큰 기동토크와 조절 가능한 가속특성이 필요한 설비에서 중요한 역할을 했다.

다만 전력전자 기술이 발달하면서 농형 전동기와 인버터가 많은 영역을 대체하고 있다.

유지보수에서는 어떤 차이가 있을까?

농형 유도전동기에는 회전자 브러시와 슬립링이 없다.

따라서 대표적인 유지보수 항목은

베어링,

고정자 권선,

냉각계통,

절연상태,

진동,

회전자 바 상태

등이다.

반면 권선형에서는 여기에

브러시 마모,

슬립링 표면상태,

브러시 압력,

카본 분진,

접촉저항,

회전자 권선 연결상태

등을 추가로 관리해야 한다.

즉 권선형은 회전자 회로를 제어할 수 있는 대신 유지보수 대상도 늘어난다.

브러시는 왜 마모될까?

권선형의 브러시는 회전하는 슬립링 표면과 계속 접촉한다.

기계적인 마찰이 존재하므로 시간이 지나면 브러시가 마모된다.

또한 브러시와 슬립링 사이의 접촉상태가 나쁘면

과열,

스파크,

접촉저항 증가,

슬립링 손상

등이 발생할 수 있다.

따라서 브러시 길이와 접촉면, 스프링 압력 등을 주기적으로 확인해야 할 수 있다.

농형은 유지보수가 전혀 필요 없는 전동기일까?

그렇지는 않다.

회전자 브러시가 없다는 것이 유지보수가 필요 없다는 의미는 아니다.

베어링 윤활과 마모,

고정자 절연열화,

냉각팬,

통풍로 오염,

축 정렬,

회전자 바 균열,

진동

등은 여전히 관리해야 한다.

다만 권선형보다 회전자측 전기적 접촉부품이 적기 때문에 일반적으로 유지보수가 단순한 편이다.

효율은 어느 쪽이 유리할까?

일반적인 정상운전에서는 농형 유도전동기가 효율과 구조적 단순성 면에서 유리한 경우가 많다.

권선형에서도 외부저항을 모두 제거하면 정상운전 효율을 높일 수 있지만 슬립링과 브러시에 따른 추가손실과 유지관리 요소가 존재한다.

특히 회전자 외부저항을 속도제어 목적으로 계속 사용하면 저항손실이 크게 발생할 수 있다.

농형 회전자 도체는 구리만 사용할까?

농형 회전자 도체에는 구리나 알루미늄 등이 사용될 수 있다.

소형과 중형 전동기에서는 회전자 철심에 알루미늄을 다이캐스팅하면서 도체바와 엔드링을 한 번에 형성하는 방식도 널리 사용된다.

구리는 전기전도성이 높다는 장점이 있지만 제조비용과 공정 등을 함께 고려해야 한다.

회전자 재료는 단순한 저항값뿐 아니라 기동특성과 손실에도 영향을 준다.

권선형 회전자 권선은 왜 3상일까?

고정자에서 만들어진 회전자계는 3상 대칭구조를 가진다.

권선형 회전자도 일반적으로 3상 권선을 배치하여 대칭적인 전자기 작용을 만들 수 있도록 한다.

회전자 권선은 보통 Y결선으로 구성되고 세 단자를 슬립링을 통해 외부에 인출한다.

외부에서는 각 상에 균형 있게 저항을 추가해야 한다.

저항값이 심하게 불균형하면 회전자 전류도 불균형해지고 토크와 발열에 문제가 발생할 수 있다.

회전자 회로에 저항을 넣으면 최대토크 자체는 어떻게 될까?

기본적인 이상화 모델에서는 회전자 저항을 증가시켜도 최대토크의 크기는 크게 변하지 않는다고 본다.

대신 최대토크가 발생하는 슬립이 증가한다.

즉 토크-슬립 곡선의 최대점이 오른쪽, 다시 말해 큰 슬립 쪽으로 이동한다.

그래서 기동점 s=1 근처에서 높은 토크를 얻기 쉬워진다.

이것이 권선형 유도전동기에서 외부저항을 사용하는 전기공학적 핵심이다.

토크-속도곡선으로 비교해보면

일반 농형 전동기는 정해진 회전자 구조에 따라 하나의 토크-속도곡선을 갖는다.

반면 권선형은 외부저항을 변경할 수 있기 때문에 여러 개의 토크-속도곡선을 만들 수 있다.

저항을 높이면 최대토크점이 저속 쪽으로 이동하고,

저항을 낮추면 최대토크점이 동기속도에 가까운 쪽으로 이동한다.

따라서 기동과 가속과정에서 저항을 단계적으로 조절하면 비교적 부드러운 가속특성을 만들 수 있다.

기동 시 발열도 고려해야 한다

전동기는 기동하는 동안 큰 전류가 흐르고 슬립이 크다.

특히 기동시간이 길어지면 회전자에 상당한 열이 발생할 수 있다.

권선형에서는 외부저항으로 일부 에너지를 전동기 외부에서 소모시킬 수 있다는 점도 기동 시 장점이 될 수 있다.

하지만 반복기동이 많다면 외부저항기의 열용량과 냉각도 반드시 고려해야 한다.

큰 관성부하에서 왜 기동특성이 중요할까?

팬이나 플라이휠, 대형 기계처럼 회전체의 관성이 크면 정상속도까지 가속하는 데 많은 에너지가 필요하다.

회전운동식은

J(dω/dt) = Te – TL

로 볼 수 있다.

관성모멘트 J가 크면 같은 가속도를 얻기 위해 더 큰 가속토크가 필요하다.

기동토크가 부족하면 가속시간이 길어진다.

그러면 큰 기동전류가 장시간 지속되고 전동기가 과열될 수 있다.

따라서 큰 관성부하에서는 단순히 정격출력만 확인하는 것이 아니라 기동토크와 가속시간도 중요하다.

부하의 기동토크도 함께 봐야 한다

전동기가 만들어내는 기동토크가 크더라도 부하가 요구하는 기동토크보다 작으면 전동기는 가속하지 못한다.

기동 순간에는

Te > TL

이어야 한다.

그래야

dω/dt > 0

가 되어 회전자가 가속한다.

따라서 전동기 선정에서는 전동기의 토크-속도곡선뿐 아니라 부하의 토크-속도곡선도 함께 봐야 한다.

농형과 권선형을 실제 운전 관점에서 비교하면

농형 유도전동기는 구조가 간단하다.

→ 고장요인이 상대적으로 적다.

→ 유지보수가 쉽다.

→ 효율이 좋다.

→ 가격과 제작 측면에서도 유리한 경우가 많다.

→ 일반 산업설비에 널리 사용된다.

권선형 유도전동기는 회전자 회로를 외부에서 제어할 수 있다.

→ 높은 기동토크를 얻기 쉽다.

→ 기동전류 조절이 가능하다.

→ 회전자 저항에 의한 속도제어가 가능하다.

하지만

→ 브러시와 슬립링이 필요하다.

→ 유지보수가 많다.

→ 외부저항 운전 시 손실이 커진다.

라는 특징을 가진다.

농형과 권선형의 차이를 한 번에 정리하면

농형 유도전동기

회전자 구조: 도체바 + 엔드링

회전자 외부접속: 불가능

브러시·슬립링: 없음

구조: 단순하고 견고함

유지보수: 비교적 적음

기동특성 조정: 회전자 구조 또는 고정자측 기동장치 이용

속도제어: 현대에는 인버터 사용이 일반적

효율: 일반적으로 유리

대표 적용: 펌프, 팬, 컨베이어, 압축기 등

권선형 유도전동기

회전자 구조: 3상 권선

회전자 외부접속: 슬립링을 통해 가능

브러시·슬립링: 있음

구조: 복잡

유지보수: 상대적으로 많음

기동특성 조정: 회전자 외부저항 이용 가능

속도제어: 회전자 저항제어 가능하지만 손실 큼

기동토크: 크게 만들기 유리

대표 적용: 큰 기동토크가 필요한 특수·대형 설비 등

어떤 전동기가 더 좋은가?

농형과 권선형 가운데 하나가 모든 면에서 무조건 우수한 것은 아니다.

중요한 것은 부하의 특성이다.

일반적인 일정속도 산업부하이고 특별히 큰 기동토크가 필요하지 않다면 농형이 매우 유리하다.

구조가 단순하고 유지보수가 쉽기 때문이다.

반면 매우 큰 기동토크나 특수한 가속특성이 필요하다면 권선형이 유리한 상황도 있다.

다만 현대에는 인버터 기술이 발전하면서 농형 전동기로도 기동토크와 속도를 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 적용범위가 크게 넓어졌다.

자주 혼동하는 부분

첫째, 농형 회전자에도 전류는 흐른다.

단지 외부에서 직접 공급하지 않을 뿐이다.

둘째, 권선형은 회전자 권선을 외부전원으로 계속 공급하기 위해 만든 구조가 아니다.

슬립링을 통해 회전자 회로에 외부저항 등을 연결할 수 있도록 만든 구조다.

셋째, 외부저항을 넣으면 최대토크의 크기가 무조건 크게 증가한다고 보면 안 된다.

기본모델에서는 최대토크가 발생하는 슬립 위치가 크게 변하는 것이 핵심이다.

넷째, 권선형은 외부저항을 오래 사용하면 손실과 발열이 커진다.

다섯째, 농형은 브러시가 없다고 해서 유지보수가 전혀 없는 것이 아니다.

여섯째, 현대에는 인버터로 농형 유도전동기의 속도와 기동특성을 제어하는 경우가 매우 많다.

마무리

농형과 권선형 유도전동기는 고정자의 회전자계에 의해 회전자 전류가 유도되고 그 결과 토크가 발생한다는 기본원리는 같다.

차이는 회전자 회로를 어떻게 구성하고 외부에서 제어할 수 있는가에 있다.

농형 유도전동기는 도체바와 엔드링으로 구성된 단락회전자를 사용한다.

브러시와 슬립링이 없기 때문에 구조가 단순하고 견고하며 유지보수가 비교적 쉽다.

이러한 장점 때문에 산업현장의 일반적인 구동용 전동기로 매우 널리 사용된다.

반면 권선형 유도전동기는 회전자에 3상 권선을 설치하고 슬립링을 통해 외부저항을 연결할 수 있다.

회전자 저항을 증가시키면

smax = R2 / X20

관계에 의해 최대토크점을 큰 슬립 쪽으로 이동시킬 수 있다.

따라서 기동 시 높은 토크를 얻고 기동전류와 가속특성을 조정하기 유리하다.

하지만 브러시와 슬립링의 유지보수가 필요하고 외부저항을 이용한 속도제어에서는 상당한 에너지손실이 발생한다.

결국 농형과 권선형의 선택은 단순히 어느 구조가 더 좋은지를 결정하는 문제가 아니라

부하의 기동토크, 관성, 운전속도, 제어방식, 효율, 유지보수와 설비비용을 함께 고려하는 문제라고 볼 수 있다.

다음 글에서는 농형 회전자를 자세히 보면 발견할 수 있는 또 하나의 특징을 살펴본다.

농형 유도전동기의 회전자 도체 슬롯은 축 방향으로 완전히 일직선이 아니라 약간 비스듬하게 기울어져 있는 경우가 많다.

왜 제작하기 복잡하게 일부러 슬롯을 비틀어 놓을까?

다음 글에서는 회전자 슬롯의 스큐(Skew)가 코깅, 토크맥동, 자기소음과 어떤 관계가 있는지 자세히 살펴본다.