단상 유도전동기 10분만에 이해하기

유도미사일은 표적을 따라가는 미사일입니다. 유도전동기 또한 자석을 따라가면서 도는 전동기라 할 수 있겠습니다. 단상 유도 전동기는 어떠한 원리로 작동되는지 알아보고 원리를 스스로 가르쳐보는 시간을 가져보시길 바랍니다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 목차

 

 

• 유도전동기의 원리
• 교번자계
• 보조권선과 콘덴서

 

 

 

 

 

 

 

 

 유도전동기의 원리 

 

자석을 가지고 알루미늄캔 위로 가져가 왔다 갔다 하면 자석에 붙지도 않는 알루미늄 캔이 자석을 따라서 움직이게 됩니다. 이상합니다. 자석에 붙지도 않는 알루미늄 캔이 어째서 자석에 반응을 하는 것일까요 ?

 

 

 

그것은 알루미늄 캔이 도체이기 때문입니다. 도체는 자기장과 밀접한 관계가 있습니다. 전선에 전류가 흐르면 자기장이 발생하는 전자석이 됩니다. 그렇다면  반대로 전선에 자기장을 발생시키면 전류가 흐르게 되고 역시나 똑같이 자석이 됩니다. 

 

 

따라서 알루미늄 캔 같은 도체에 자석을 왔다 갔다 하면 알루미늄 캔에 전류가 흐르게 되고 전류가 흐르게 되면 자기장이 발생하므로 자석도 아닌 알루미늄캔이 똑같은 자석이 되어 손으로 흔드는 자석을 따라 움직이는 것입니다. 이러한 전류를 유도전류라 합니다.

 

 

도체에 자기장이 어떻게 형성되고 전류는 어떻게 형성되는지 궁금하신 분은 아래에 플레밍의 오른손 왼손 법칙과 앙페르의 오른나사법칙, 렌쯔의 법칙을 참고해 주세요 

 

 

플레밍의 오른손 법칙 10분 만에 이해하기

플레밍의 왼손법칙 10분만에 이해하기

렌쯔의 법칙 10분 만에 이해하기

앙페르의 오른나사 법칙 10분만에 이해하기 

 

 

 

 

이제 원판에 자석을 대고 움직이니 원판이 따라도는 것이 이해가 될 것입니다. 자석이 움직임으로써 원판에 유도전류가 발생하고 그 유도전류는 자기장을 만들어 원판 또한 자석이 되었습니다 그래서 자석을 따라서 돌게 됩니다. 유도전동기는 이러한 원리로 움직이게 됩니다. 

 

 

그런데 문제가 있습니다. 원판을 저렇게 돌리기 위해선 자석을 돌리기 위한 에너지도 필요하기 마련입니다. 원판을 돌리기 위해서 자석을 또 돌려야 하는데 말이 되질 않습니다. 

 

 

그래서 과학자들이 생각한 것이 회전자계입니다. 어차피 도체에 전기만 넣어주면 도체는 돌지 않아도 알아서 회전하는 전자석을 만들어내니 도체에 전기를 넣어주고 그 사이에 자석을 넣어주면 돌지 않겠냐는 것입니다. 

 

 

그것이 바로 유도전동기의 원리인 회전자계가 되겠습니다. 하지만 단상 유도전동기는 전기를 넣어준다고 해서 회전하는 자석이 되질 못합니다. 그 이유는 단상유도전동기는 회전자계가 아닌 교번자계이기 때문입니다. 

 

 

 

 

 교번자계

 

 

교번자계란 말이 쉽지는 않습니다. 쉽게 풀어서 설명을 하면 교대로 번복하는 자석이라고 이해하시면 되겠습니다. 단산 유도 전동기는 220V 로써 2개의 전선이 연결됩니다. 3상처럼 3개의 전선에 연결이 된다면 회전하는 자석을 만들 수 있지만 단상은 2개를 연결하여 회전하는 자석인 회전자계를 얻을 수가 없습니다.

 

 

앞서 아라고 원판에서 설명한 것처럼 자석이 회전하면서 움직여야 회전자가 회전을 할 수 있지만 단상교류특성상 시간에 따라 그 값이 계속 변한다는 것은 자석의 극성도 제자리 뜀걸음처럼 변하기만 하지 움직이질 않는다는 것입니다. 

 

 

 

 

이제 두 개의 코일사이에 회전자를 넣고 220V를 인가해보겠습니다. 주권선과 보조권선으로 인해 회전자는 어떠한 힘을 받고 있지만 스스로 회전하지 못합니다. 그것은 주권선과 보조권선의 위상차가 없기 때문입니다. 쉽게 말하자면 서로 동일한 위치에서 같은 힘으로 경쟁을 하는데 어떻게 회전자가 방향을 스스로 정해서 돌 수 있냐는 말입니다.

 

 

여기서 사람이 회전자를 손으로 툭하고 건드려주면 건드린 방향으로 회전자가 회전하게 됩니다. 가끔 오래된 선풍기나 환풍기가 힘없이 돌거나 멈춰서 웽~~ 하는 소리가 날 때 손으로 살짝 돌려주면 회전하는 것과 같은 원리입니다. 

 

 

이제 회전자가 스스로 회전할 수 있으려면 위상차를 만들어야 하는데 단상유도전동기의 핵심 콘덴서가 되겠습니다. 

 

 

 

 보조권선과 콘덴서 

 

단상유도전동기는 교번자계로 인해 위상차가 없어 회전을 하지 못합니다. 물도 수평바닥에 뿌려놓으면 흐르지 않듯이 전동기도 위상차가 없으면 회전을 하지 않습니다. 그래서 설치되는 것이 콘덴서입니다. 

 

 

콘덴서는 전류가 전압보다 90도 앞서서 흐르게 됩니다. 이 개념이 이해가 어려울 수 있으니 쉽게 설명하면 콘덴서를 설치한 권선에서 먼저 전류가 흘러준다는 것입니다. (실제로는 전류는 동시에 흐르는 것이고 시간적으로 다르게 흐른다라는 개념) 

 

 

 

 

• 위상차

 

전기적 신호의 시간적 차이를 말한다. 두 개의 파형에서 서로 얼마나 앞서느냐 뒤 쳐 저 있느냐의 차이다. 이해를 돕기 위해 주권선에서 먼저 전류가 흐르느냐 보조권선에서 먼저 전류가 흐르느냐의 차이를 만들어 내는 것이 위상차이다. 

 

 

콘덴서설치로 위상차가 생기고 이로 인해 주권선과 보조권선의 시간적 차이를 만들어냄으로써 순서가 결정된다. 이는 사람이 직접 손으로 밀어줘야 돌 수 있는 방향을 콘덴서가 직접 해주는 것이다. 

 

 

 

 

 

 

 

선풍기가 고장 나서 웽~~ 하는 소음만 발생했을 때, 손으로 살짝 밀면 돌아가는 이유는 외부의 힘으로 방향을 결정해 줬기 때문입니다. 이처럼 콘덴서를 설치하여 스스로 회전할 수 있는 이유는 콘덴서를 설치한 쪽이 먼저 전류가 흘러 보조권선보다 먼저 자석이 되었기 때문이라고 볼 수 있습니다. 마치 사람이 손으로 툭하고 치면 돌아가던걸 콘덴서가 대신해 주는 것 같습니다. 

 

 

주권선이 먼저 자석이 되고 보조권선이 그다음 자석이 된다면 아라고의 원판처럼 자석이 회전하는 것과 같은 회전하는 자석이 만들어지는 것입니다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

선풍기 모터 내부를 분해한 모습입니다. 도면과 비교해 보시기 바랍니다.  가운데에는 선풍기 날개인 회전자가 들어가게 됩니다.

 

 

철덩어리에  주권선, 보조권선의 코일을 각각 감아 놓고 220V 인가하면 코일을 감은 철덩어리는 전자석이 될 것입니다. 이제 전자석이 된 주권선과 보조권선은 콘덴서로 인해 위상차를 만들어내고 마치 아라고 원판의 자석이 움직이는 것처럼 회전하는 자석이 되어 가운데에 설치되는 회전자를 회전시켜 선풍기 바람을 만들 것입니다. 

 

 

 

 

글을 마치며,

 

전동기의 원리를 공부해 보면 그 시절 과학자들의 연구가 경이로울 정도로 놀라게 됩니다. 단상유도전동기의 원리를 알면 집에서 고장 나는 웬만한 모터로 작동되는 가전제품도 쉽게 수리할 수 있습니다. 다양한 지식을 내 것으로 만들어 업무와 일상생활에 활용해 보시기 바랍니다.