3상 유도전동기의 구조와 고정자·회전자의 역할

산업현장에서 가장 널리 사용되는 전동기 가운데 하나가 3상 유도전동기다.

펌프, 팬, 컨베이어, 압축기, 공작기계 등 회전력이 필요한 수많은 설비에 사용된다.

유도전동기가 이렇게 널리 쓰이는 이유는 구조가 비교적 단순하고 견고하며, 특히 농형 유도전동기의 경우 브러시나 정류자 같은 접촉식 전류전달장치가 필요하지 않아 유지보수가 비교적 쉽기 때문이다.

하지만 겉으로 보면 단순해 보여도 내부에서는 매우 정교한 전자기 현상이 일어난다.

고정자에서는 회전자계가 만들어지고, 회전자에서는 그 회전자계에 의해 전압과 전류가 유도되며, 그 결과 전자기력이 발생해 축이 회전한다.

즉 3상 유도전동기의 구조를 제대로 이해하려면 단순히 “고정자와 회전자가 있다”에서 끝내지 않고 각각의 부품이 어떤 전자기적 역할을 수행하는지까지 살펴봐야 한다.

유도전동기의 가장 기본적인 구성

3상 유도전동기는 크게 두 부분으로 나눌 수 있다.

첫 번째는 고정자(Stator)다.

고정자는 이름 그대로 움직이지 않는 부분이다.

두 번째는 회전자(Rotor)다.

회전자는 고정자 안쪽에서 실제로 회전하는 부분이다.

그리고 두 부분 사이에는 아주 작은 공기층이 존재한다.

이를 공극(Air Gap)이라고 한다.

즉 가장 기본적인 구조는

고정자

→ 공극

→ 회전자

로 이루어진다.

이 세 부분이 전자기적으로 서로 연결되면서 토크가 발생한다.

고정자는 무엇을 하는 부분일까?

고정자의 가장 중요한 역할은 회전자계를 만드는 것이다.

고정자에는 3상 권선이 일정한 공간각을 가지고 배치된다.

여기에 서로 120°의 위상차를 가진 3상 교류전류를 공급하면 각 권선에서 만들어지는 자기장이 합성되어 공간적으로 회전하는 자기장이 형성된다.

이를 회전자계라고 한다.

유도전동기의 동작은 사실상 이 회전자계에서 시작한다.

따라서 고정자는 단순히 전원을 받는 부분이 아니라 전기적인 3상 교류를 회전하는 자기장으로 바꾸는 역할을 한다.

고정자는 어떤 구조로 되어 있을까?

고정자는 크게

고정자 철심

고정자 슬롯

고정자 권선

프레임

등으로 구성된다.

고정자 철심은 자속이 통과할 수 있는 자기회로를 만든다.

고정자 슬롯에는 3상 권선이 배치된다.

프레임은 철심과 전체 구조를 지지하고 외부 충격으로부터 내부를 보호한다.

즉 고정자는 전기적 기능과 기계적 기능을 동시에 수행한다.

고정자 철심은 왜 적층구조일까?

고정자 철심에도 시간에 따라 변화하는 자속이 존재한다.

3상 권선에서 만들어진 회전자계가 철심을 따라 이동하기 때문에 철심 각 부분은 계속 변화하는 자기상태를 경험한다.

철심을 하나의 두꺼운 철 덩어리로 만들면 내부에 와전류가 크게 발생할 수 있다.

그래서 변압기와 마찬가지로 얇은 전기강판을 여러 장 적층하여 만든다.

이렇게 하면 큰 와전류 경로를 제한할 수 있고 철손과 발열을 줄일 수 있다.

즉 고정자 철심의 적층은 단순한 제조방식이 아니라 교번자속에 의한 손실을 줄이기 위한 전자기적 설계다.

고정자 슬롯은 왜 필요할까?

고정자 철심 안쪽을 보면 일정한 간격으로 홈이 파여 있다.

이 홈을 슬롯(Slot)이라고 한다.

슬롯 안에는 고정자 권선이 배치된다.

슬롯을 사용하는 가장 기본적인 이유는 권선을 일정한 위치에 안정적으로 고정하기 위해서다.

하지만 슬롯의 형상과 개수는 단순한 기계적 배치만의 문제가 아니다.

자속분포,

고조파,

토크리플,

소음,

냉각,

절연,

권선작업

등에도 영향을 미친다.

따라서 슬롯 설계는 전동기의 전자기적 성능과 밀접한 관계가 있다.

고정자 권선은 왜 120°씩 배치할까?

3상 전원은 서로 120°의 위상차를 가진다.

고정자 권선 역시 공간적으로 적절한 각도를 두고 배치해야 이 세 전류가 합성되어 일정한 속도로 회전하는 자기장을 만들 수 있다.

전기적으로 120° 위상차가 있는 전류가 공간적으로도 적절하게 배치된 권선에 흐르면 합성자계는 방향과 크기가 시간에 따라 변하면서 원형으로 회전하는 특성을 가진다.

이것이 다음 글에서 자세히 다룰 회전자계의 원리다.

회전자는 어떤 역할을 할까?

회전자는 고정자의 회전자계에 의해 전압과 전류가 유도되는 부분이다.

유도전동기라는 이름이 붙은 이유도 바로 여기에 있다.

회전자에 외부 전원을 직접 공급하지 않아도 고정자의 회전자계가 회전자 도체를 상대적으로 지나가면서 전자기 유도에 의해 전압을 발생시킨다.

회전자 회로가 닫혀 있으면 전류가 흐르고, 이 전류와 고정자 자계가 상호작용하면서 토크가 발생한다.

즉 회전자는 유도된 전류를 이용해 실제 기계적 회전을 만들어내는 부분이다.

유도전동기 회전자는 크게 두 종류가 있다

대표적으로

농형 회전자

와

권선형 회전자

가 있다.

가장 널리 사용되는 것은 농형 회전자다.

농형 회전자는 구조가 단순하고 견고하다.

권선형 회전자는 회전자에도 3상 권선이 존재하며 슬립링을 통해 외부 저항 등을 연결할 수 있다.

두 구조는 기동특성과 속도제어, 유지보수성에서 차이가 있다.

이 부분은 이후 별도의 글에서 자세히 비교한다.

농형 회전자는 왜 ‘농형’이라고 부를까?

농형 회전자의 구조를 보면 회전자 철심의 슬롯 안에 도체바가 들어 있고 양쪽 끝이 엔드링으로 서로 연결되어 있다.

이 구조를 따로 분리해서 보면 새장 또는 다람쥐 쳇바퀴와 비슷한 형태를 가진다.

그래서 영어로 Squirrel Cage Rotor라고 부른다.

우리말로는 농형 회전자라고 한다.

회전자 도체바가 엔드링에 의해 모두 단락되어 있기 때문에 별도의 외부 전원이 없어도 유도기전력이 발생하면 전류가 흐를 수 있다.

농형 회전자 도체에는 왜 전류가 흐를까?

고정자 회전자계는 동기속도로 회전한다.

기동 순간 회전자는 정지해 있다.

따라서 회전자계가 회전자 도체를 빠른 속도로 지나가는 것과 같은 상대운동이 존재한다.

전자기 유도에 의해 회전자 도체에 유도기전력이 발생한다.

그리고 도체바가 엔드링에 의해 단락되어 있으므로 전류가 흐른다.

즉 농형 회전자에는 브러시나 외부 전원이 없어도 전자기 유도만으로 전류가 발생한다.

이것이 유도전동기의 가장 중요한 특징 중 하나다.

회전자 철심도 왜 적층할까?

회전자 철심에서도 자기상태가 변하기 때문이다.

특히 회전자가 동기속도보다 느리게 회전하기 때문에 회전자와 회전자계 사이에 상대속도가 존재한다.

그 결과 회전자 철심은 일정한 주파수의 변화하는 자기장을 경험한다.

따라서 회전자 철심에서도 와전류손이 발생할 수 있다.

이를 줄이기 위해 회전자 철심 역시 얇은 전기강판을 적층하여 만드는 것이 일반적이다.

공극은 왜 반드시 필요한가?

고정자와 회전자 사이에는 물리적인 공간이 필요하다.

회전자가 고정자와 접촉하지 않고 자유롭게 회전해야 하기 때문이다.

이 공간이 공극이다.

공극이 없다면 회전자가 고정자와 마찰하거나 기계적으로 간섭하게 된다.

따라서 회전기에서는 공극이 반드시 필요하다.

하지만 자기회로의 관점에서는 공극이 불리한 요소다.

공극이 자기적으로 불리한 이유

자기저항은

Rm = l / μA

로 나타낼 수 있다.

공기의 투자율은 철심보다 훨씬 낮다.

따라서 공극의 길이가 매우 짧더라도 자기저항에서 차지하는 비중은 상당히 클 수 있다.

즉 공극이 커지면 동일한 자속을 만들기 위해 더 큰 기자력이 필요하다.

결국 고정자에서 더 큰 여자전류가 필요할 수 있다.

그래서 유도전동기에서는 기계적 안정성을 확보하는 범위 안에서 공극을 가능한 한 적절하게 작게 설계한다.

공극이 너무 작아도 문제다

그렇다고 공극을 무조건 작게 하면 좋은 것도 아니다.

회전자는 실제 운전 중 진동할 수 있고,

베어링에는 미세한 유격이 존재하며,

열팽창도 발생한다.

축이 완벽하게 중심을 유지하지 못하는 경우도 있다.

공극이 너무 작으면 회전자와 고정자가 접촉하는 사고가 발생할 수 있다.

이를 러빙(Rubbing)이라고 부르기도 한다.

따라서 실제 설계에서는 자기적 성능과 기계적 안전성 사이의 균형이 필요하다.

공극이 균일해야 하는 이유

회전자와 고정자 사이의 공극은 원주 전체에서 가능한 균일해야 한다.

공극이 한쪽은 좁고 반대쪽은 넓어지면 자기저항도 위치에 따라 달라진다.

그러면 자속이 좁은 쪽에 더 집중될 수 있다.

결과적으로 회전자에 한쪽 방향으로 불균형한 전자기력이 발생할 수 있다.

이러한 현상은 불평형 자기흡인력(Unbalanced Magnetic Pull)과 관련된다.

심한 경우 진동과 소음, 베어링 부담 증가로 이어질 수 있다.

따라서 베어링 상태와 축 정렬은 단순한 기계적 문제에 그치지 않고 전자기적인 공극 균형에도 영향을 준다.

회전축은 어떤 역할을 할까?

회전축(Shaft)은 회전자와 함께 회전하면서 전동기에서 만들어진 토크를 외부 부하로 전달한다.

펌프나 팬, 감속기, 커플링 등이 이 축에 연결된다.

전동기의 전자기적 토크는 결국 회전축을 통해 실제 설비에 전달되어야 한다.

따라서 축은 토크뿐 아니라 굽힘, 진동, 반복하중 등을 견딜 수 있어야 한다.

베어링은 왜 중요할까?

회전축은 베어링에 의해 지지된다.

베어링의 역할은 회전축을 정확한 위치에 유지하면서 마찰을 줄이는 것이다.

베어링 상태가 나빠지면

진동 증가,

소음 증가,

온도 상승,

축 흔들림,

공극 불균형

등이 발생할 수 있다.

결국 전동기 전체의 수명과 성능에 영향을 준다.

그래서 실제 유도전동기 유지보수에서는 권선뿐 아니라 베어링 상태도 매우 중요하다.

베어링 문제는 전기적인 문제로 이어질 수도 있다

베어링 마모로 회전자가 중심에서 벗어나면 공극이 불균일해질 수 있다.

그러면 자속분포가 비대칭이 되고 불평형 자기력이 발생할 수 있다.

즉

베어링 마모

→ 축 중심 이동

→ 공극 불균형

→ 자속 불균형

→ 전자기적 진동 증가

라는 연쇄관계가 만들어질 수 있다.

이 때문에 전기기기에서는 기계적 문제와 전기적 문제를 완전히 분리해서 보기 어렵다.

프레임은 단순한 외함일까?

고정자 바깥쪽을 감싸는 구조물을 프레임(Frame)이라고 한다.

프레임은 고정자 철심과 권선을 기계적으로 지지하고 외부 충격으로부터 내부를 보호한다.

동시에 전동기 내부에서 발생한 열을 외부로 전달하는 역할도 한다.

많은 전동기 프레임 바깥쪽에 방열핀 형태의 구조가 있는 것도 표면적을 증가시켜 열을 더 효과적으로 방출하기 위해서다.

냉각팬은 왜 축에 붙어 있을까?

전동기 내부에서는 여러 손실이 발생한다.

고정자 권선에서는 동손,

철심에서는 철손,

회전자에서는 회전자 동손,

베어링에서는 마찰손

등이 발생한다.

이 손실은 대부분 열로 바뀐다.

전동기 후면에 설치된 냉각팬은 축과 함께 회전하면서 프레임 바깥으로 공기를 흘려 열을 방출하는 데 도움을 준다.

즉 냉각팬은 출력토크를 만드는 핵심 전자기부품은 아니지만 전동기의 절연수명과 연속운전에 매우 중요한 부품이다.

왜 전동기에는 명판이 붙어 있을까?

유도전동기의 명판에는 보통

정격출력,

정격전압,

정격전류,

주파수,

극수 또는 회전속도,

역률,

효율,

절연등급,

보호등급

등이 표시된다.

이 값들은 단순한 제품정보가 아니다.

해당 전동기를 어떤 조건에서 정상적으로 사용할 수 있는지 알려주는 기준이다.

특히 정격전압과 주파수는 전동기의 자속과 직접 연결되므로 매우 중요하다.

전압과 주파수는 왜 같이 봐야 할까?

교류전동기의 철심 자속은 대략 V/f 관계와 밀접하다.

주파수는 낮아졌는데 전압을 그대로 유지하면 V/f가 증가한다.

그 결과 자속밀도가 높아지고 철심이 포화에 가까워질 수 있다.

반대로 주파수는 같은데 전압이 지나치게 낮아지면 자속과 토크 생성능력에 영향을 줄 수 있다.

따라서 인버터로 유도전동기의 속도를 제어할 때 V/f 제어가 기본적으로 사용되는 이유도 여기에 있다.

고정자와 회전자는 전기적으로 직접 연결되어 있을까?

농형 유도전동기에서는 고정자와 회전자 사이에 직접적인 전기접속이 없다.

고정자는 전원에 연결되지만 회전자에는 외부 전원이 직접 연결되지 않는다.

두 부분 사이의 에너지 전달은 공극을 통한 전자기장으로 이루어진다.

이 점에서 유도전동기는 변압기와 상당히 비슷한 면이 있다.

유도전동기를 회전하는 변압기라고 부르는 이유

유도전동기의 원리를 이해할 때 매우 좋은 관점이 있다.

유도전동기를 일종의 회전하는 변압기처럼 생각하는 것이다.

고정자는 변압기의 1차권선과 비슷한 역할을 한다.

회전자는 변압기의 2차권선과 비슷한 역할을 한다.

고정자 전류가 자속을 만들고,

이 자속이 회전자 도체에 전압을 유도한다.

회전자 회로가 닫혀 있으므로 전류가 흐른다.

여기까지는 변압기와 상당히 비슷하다.

차이는 유도전동기에는 공극과 회전운동이 존재한다는 점이다.

변압기와 유도전동기의 차이

변압기에서는 1차와 2차가 모두 정지해 있다.

따라서 2차 유도전압의 주파수는 1차 전원주파수와 같다.

하지만 유도전동기에서는 회전자가 움직인다.

회전자의 속도가 증가하면 고정자의 회전자계와 회전자 사이의 상대속도가 감소한다.

따라서 회전자에 유도되는 전압의 크기와 주파수도 달라진다.

이것이 유도전동기에서 슬립(Slip)이라는 개념이 필요한 이유다.

고정자에서 회전자까지 에너지는 어떻게 이동할까?

에너지 흐름을 따라가보자.

3상 전원이 고정자에 공급된다.

→ 고정자 권선에 3상 전류가 흐른다.

→ 회전자계가 만들어진다.

→ 회전자계가 공극을 지나 회전자와 쇄교한다.

→ 회전자 도체에 유도기전력이 발생한다.

→ 회전자에 전류가 흐른다.

→ 회전자 전류와 자계가 상호작용한다.

→ 전자기토크가 발생한다.

→ 회전자가 회전한다.

→ 축을 통해 기계적 출력이 전달된다.

이 흐름이 3상 유도전동기의 기본적인 에너지 변환과정이다.

입력전력이 모두 축출력으로 나오는 것은 아니다

실제 유도전동기에서도 여러 손실이 발생한다.

고정자 권선에서는

고정자 동손

이 발생한다.

철심에서는

철손

이 발생한다.

회전자 도체에서는

회전자 동손

이 발생한다.

또한 베어링 마찰과 냉각팬, 공기저항 등에 의해 기계손도 발생한다.

따라서 에너지 흐름은

전기입력

→ 고정자손실

→ 공극전력

→ 회전자 동손

→ 기계적 변환전력

→ 기계손

→ 축출력

으로 나눌 수 있다.

이 관계는 슬립과 토크를 배우면서 매우 중요해진다.

공극전력이란 무엇인가?

고정자에서 회전자로 전자기적으로 전달되는 전력을 공극전력(Air-gap Power)이라고 한다.

고정자와 회전자가 전기적으로 직접 연결되지 않기 때문에 에너지가 공극을 통해 전자기적으로 전달된다고 보는 것이다.

공극전력의 일부는 회전자 도체에서 I²R 손실로 소모된다.

나머지가 기계적인 힘으로 변환된다.

나중에 슬립을 s라고 하면 회전자 동손과 공극전력 사이에 매우 중요한 관계가 나온다.

회전자 동손 = s × 공극전력

기계적으로 변환되는 전력 = (1-s) × 공극전력

이 관계는 유도전동기의 에너지 변환을 이해하는 핵심이다.

회전자는 왜 회전자계를 따라 회전할까?

회전자계가 회전자 도체를 지나가면 유도전류가 발생한다.

렌츠의 법칙에 따르면 유도전류는 자신을 발생시킨 상대운동을 줄이려는 방향의 효과를 만든다.

따라서 회전자에는 회전자계를 따라가려는 방향으로 토크가 발생한다.

이 때문에 회전자는 고정자의 회전자계와 같은 방향으로 회전한다.

하지만 회전자가 회전자계와 정확히 같은 속도가 되면 중요한 문제가 생긴다.

상대속도가 0이 되기 때문이다.

이 내용은 이후 왜 유도전동기는 동기속도에 도달할 수 없는가에서 자세히 다루게 된다.

고정자 권선의 상순서를 바꾸면 회전방향이 바뀌는 이유

3상 유도전동기의 회전방향은 고정자 회전자계의 방향으로 결정된다.

3상 전원의 상순서가

R-S-T

일 때 만들어지는 회전자계 방향과

R-T-S

일 때의 회전자계 방향은 반대다.

따라서 세 상 가운데 두 상을 서로 바꾸면 상순서가 역전되고 회전자계의 회전방향도 반대가 된다.

결과적으로 전동기의 회전방향이 바뀐다.

이것이 3상 유도전동기의 회전방향을 변경할 때 일반적으로 두 상을 바꾸는 이유다.

유도전동기의 구조가 단순한 이유

농형 유도전동기에는 직류전동기처럼 정류자와 브러시가 필요하지 않다.

회전자 전류가 전자기 유도에 의해 만들어지기 때문이다.

따라서 회전하는 부분에 외부 전원을 공급하기 위한 접촉장치가 필요하지 않다.

이 구조적인 단순함은

높은 신뢰성,

비교적 적은 유지보수,

견고한 구조,

산업현장에서의 범용성

으로 이어진다.

그래서 농형 유도전동기가 산업현장에서 매우 널리 사용된다.

유도전동기에서 전기와 기계는 분리되어 있지 않다

유도전동기는 전기기기이지만 실제 고장은 순수하게 전기적인 원인만으로 발생하지 않는다.

예를 들어

베어링이 손상된다.

→ 축이 흔들린다.

→ 공극이 불균일해진다.

→ 자속분포가 변한다.

→ 진동과 전류특성이 달라질 수 있다.

반대로

전원 불평형이 발생한다.

→ 고정자 전류가 불평형해진다.

→ 발열이 증가한다.

→ 절연열화가 빨라진다.

→ 장기적으로 기계적인 상태에도 영향을 줄 수 있다.

따라서 유도전동기를 이해할 때는 전기와 기계를 하나의 시스템으로 보는 관점이 중요하다.

주요 구성요소를 한 번에 정리하면

고정자 철심

자속이 흐르는 자기회로를 구성한다.

철손을 줄이기 위해 적층 전기강판을 사용한다.

고정자 권선

3상 전류를 받아 회전자계를 만든다.

고정자 슬롯

권선을 일정한 위치에 배치하며 자속분포와 전동기 특성에도 영향을 준다.

공극

고정자와 회전자 사이의 기계적 공간이다.

자기저항이 크기 때문에 가능한 적절하게 작게 설계한다.

회전자 철심

회전자 자속의 경로를 형성한다.

와전류손 감소를 위해 적층한다.

회전자 도체

유도기전력에 의해 전류가 흐르고 토크 발생에 참여한다.

엔드링

농형 회전자의 도체바를 서로 단락시켜 폐회로를 만든다.

축

전자기토크를 외부 기계부하로 전달한다.

베어링

축을 지지하고 원활하게 회전하도록 한다.

프레임과 냉각구조

전동기를 기계적으로 지지하고 손실로 발생한 열을 외부로 방출한다.

자주 혼동하는 부분

첫째, 농형 유도전동기의 회전자에는 외부 전원을 직접 공급하지 않는다.

회전자 전류는 전자기 유도에 의해 발생한다.

둘째, 고정자가 직접 회전하는 것이 아니다.

고정자에서 만들어지는 것은 회전하는 자기장이다.

셋째, 공극은 단순한 빈 공간이 아니다.

전동기의 자기회로 특성과 여자전류에 큰 영향을 준다.

넷째, 회전자 철심도 적층되어 있다.

회전자 역시 변화하는 자기장을 경험하기 때문이다.

다섯째, 베어링 문제는 순수한 기계적 문제로만 끝나지 않을 수 있다.

공극과 자속분포를 변화시켜 전자기적 특성에도 영향을 줄 수 있다.

여섯째, 유도전동기는 변압기와 전혀 다른 원리의 장치가 아니다.

고정자에서 회전자로 전자기 유도로 에너지가 전달된다는 점에서 회전하는 변압기와 비슷하게 이해할 수 있다.

마무리

3상 유도전동기의 기본 구조는 고정자와 회전자, 그리고 두 부분 사이의 공극으로 이루어진다.

고정자의 3상 권선에는 서로 120° 위상차를 가진 전류가 흐르고, 이 전류들이 합성되어 회전자계를 만든다.

회전자계는 공극을 지나 회전자와 쇄교하고, 회전자 도체에는 전자기 유도에 의해 전압과 전류가 발생한다.

그 전류와 자기장의 상호작용으로 전자기토크가 만들어지고 회전자는 실제로 회전한다.

즉

고정자 = 회전자계를 만드는 부분

회전자 = 유도전류를 이용해 토크를 만드는 부분

이라고 이해할 수 있다.

하지만 여기에서 가장 중요한 질문이 하나 남는다.

3상 고정자 권선에 단지 위상차가 있는 교류전류를 흘렸을 뿐인데, 어떻게 실제로 일정한 속도로 회전하는 자기장이 만들어질까?

다음 글에서는 3상 교류전원으로 회전자계가 만들어지는 원리를 수식과 벡터관계를 이용해 자세히 살펴본다.