전자기 유도 모터 및 AC 모터: 작동 방식

전기 모터는 공학 역사상 가장 중요한 발명품 중 하나이며, 대부분의 모터를 작동시키는 원리인 전자기 유도는 거의 2세기 전에 확립되었습니다. 오늘날에도 동일한 원리가 산업용 압축기부터 전기 자전거에 이르기까지 모든 장치에 적용됩니다. AC 모터가 무엇인지, 전자기 유도 구동 방식, 기술이 현대 전기 이동성에 사용되는 브러시리스 모터로 어떻게 발전했는지 이해하면 엔지니어링의 가장 내구성과 적응력이 뛰어난 아이디어 중 하나에 대한 완전한 그림을 얻을 수 있습니다.

AC 모터란 무엇입니까?

AC 모터는 교류(AC) 전기 에너지를 기계적 회전 에너지로 변환하는 전기 모터입니다. 한 방향으로 흐르는 전류로 작동하는 직류(DC) 모터와 달리 AC 모터는 주기적으로 방향을 바꾸는 전류로 작동합니다. 일반적으로 해당 지역의 전력망 주파수에 따라 초당 50~60회입니다.

모든 AC 모터는 두 가지 주요 기계 구성 요소로 구성됩니다. 는 고정자 적층 강철 코어에 감겨진 전자석 코일 링으로 형성된 고정식 외부 어셈블리입니다. AC 전원이 고정자 권선을 통해 흐를 때 자기장이 생성됩니다. 는 로터 고정자의 원통형 공동 내부에 위치한 회전 내부 어셈블리입니다. 모터 유형에 따라 전자기 유도, 영구 자석 또는 외부 여자를 통해 달성되는 고정자의 자기장과 회전자 사이의 상호 작용은 출력 샤프트를 구동하는 토크를 생성합니다.

AC 모터는 유도(비동기) 모터와 동기 모터라는 두 가지 기본 작동 범주로 나뉩니다. 유도 모터는 산업 및 상업용 응용 분야에서 훨씬 더 일반적인 유형으로, 전 세계적으로 사용되는 모터의 압도적인 대다수를 차지합니다.

전자기 유도의 원리

전자기 유도는 유도 모터가 회전자에 전기를 연결하지 않고도 토크를 생성하는 방법의 기초입니다. 1831년 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 확립한 원리는 도체를 통과하는 변화하는 자기장이 그 도체에 전류를 유도한다는 것입니다. 이 유도 전류는 차례로 자체 자기장을 생성합니다.

유도 전동기에서 고정자의 AC 전원 권선은 고정자 보어 주위를 연속적으로 회전하는 자기장을 생성합니다. 이 회전 자기장은 회전자 도체를 통과하여 패러데이 법칙에 따라 전류를 유도합니다. 유도된 전류는 회전자에 2차 자기장을 생성합니다. 렌츠의 법칙에 따르면 이 2차 자기장은 이를 생성한 변화에 반대됩니다. 즉, 회전자가 고정자 자기장과 동일한 방향으로 회전하게 하여 회전하는 고정자 자기장과 고정 회전자 사이의 상대 운동을 제거하려고 시도한다는 의미입니다.

결과: 고정자와 회전자 사이에 물리적인 전기적 연결 없이 회전 자기장을 따라 회전자가 회전합니다. 브러시도 없고, 로터 측의 슬립 링도 없고, 정류자도 없습니다. 에너지 전달은 전적으로 에어 갭을 가로질러 변화하는 자기장을 통해 발생합니다. 이것이 유도 모터가 브러시형 모터에 비해 기계적으로 매우 단순하고 견고하며 수명이 긴 이유입니다. 회전자에 마모될 접촉 부품이 없습니다.

회전 자기장이 생성되는 방법

회전 자기장은 AC 모터에서 전자기 유도를 구동하는 핵심 메커니즘이며 3상 AC 전원의 새로운 특성입니다. 3상 시스템에서는 세 개의 별도 AC 전압이 세 세트의 고정자 권선에 동시에 공급되며, 각 권선 쌍은 고정자 보어 주위에서 다른 권선과 물리적으로 120도 오프셋되어 있습니다. 세 가지 전압은 또한 전기적으로 120도 오프셋됩니다. 즉, 각 사이클의 서로 다른 순간에 최고 값에 도달합니다.

각 위상이 최고점에 도달하면 해당 위상에 의해 활성화된 전자석이 가장 강해지며 고정자의 유효 자기장을 해당 극 세트로 끌어당깁니다. 사이클이 진행되고 다음 단계가 정점에 도달하면 필드는 고정자 주위 120도의 다음 극 세트로 이동합니다. 원주 주위에 동일한 간격으로 배치된 세 세트의 전자석이 연속적으로 정점을 이루는 순 효과는 공급 주파수와 고정자 권선의 자극 수에 의해 결정되는 속도로 고정자 주위를 부드럽게 회전하는 것처럼 보이는 자기장입니다.

분당 회전 수로 표시되는 이 동기 속도는 다음과 같이 제공됩니다. Ns = (120 × f) / P 여기서 f는 공급 주파수(Hz)이고 P는 극 수입니다. 50Hz 전원의 2극 모터는 3,000RPM의 동기 속도로 회전합니다. 동일한 공급 장치의 4극 모터는 1,500RPM으로 회전합니다. 단상 모터도 회전 자기장을 생성할 수 있지만 단상 전원만으로는 회전 자기장이 아닌 맥동 자기장이 생성되므로 보조 시동 권선이나 커패시터가 필요합니다.

다람쥐 케이지 로터 및 슬립

AC 유도 전동기의 가장 일반적인 회전자 구조는 다람쥐 회전자입니다. 작은 동물이 사용하는 운동 바퀴와 닮았기 때문에 이름이 붙여졌습니다. 이는 적층 철심의 슬롯에 내장된 일련의 알루미늄 또는 구리 도체 막대로 구성되며 막대는 엔드 링을 전도하여 양쪽 끝이 단락됩니다. 권선, 절연체, 외부 전기 연결이 없습니다. 로터는 기계적으로 제조가 간단하고 정상적인 작동 조건에서는 실제로 파손되지 않습니다.

고정자에서 회전하는 자기장이 이러한 도체 막대를 가로질러 스윕하면 막대와 엔드 링 주위로 흐르는 전류가 유도됩니다. 이러한 순환 전류는 회전자의 자기장을 생성하고, 이는 고정자 자기장과 상호 작용하여 토크를 생성합니다. 유도 전류, 즉 토크는 고정자 자기장이 회전자 바를 가로지르는 속도에 따라 달라집니다. 회전자가 회전하는 고정자 계자와 정확히 동일한 속도(동기 속도)에 도달하면 상대 운동도 없고 계자 절단도 없고 유도 전류도 없고 토크도 없습니다. 따라서 로터는 항상 동기 속도보다 약간 느리게 작동합니다.

이 속도 차이를 미끄러짐 , 동기 속도의 백분율로 표시됩니다. 부하가 없을 때 미끄러짐은 매우 작습니다(일반적으로 0.5%~1%). 최대 정격 부하에서 슬립은 모터 설계에 따라 약 3%~8%까지 증가합니다. 미끄러짐은 결핍이 아닙니다. 유도 전동기가 토크를 생성하는 데 필요한 메커니즘입니다. 슬립이 없으면 전자기 유도가 없고, 전자기 유도가 없으면 토크가 없습니다.

유도 모터와 동기 모터

동기 모터는 AC 모터 설계의 또 다른 주요 분야를 나타냅니다. 유도 전동기의 회전자가 전적으로 전자기 유도 전류에 의해 구동되는 경우 동기식 전동기의 회전자에는 영구 자석 또는 개별적으로 여자된 전자석이 장착되어 회전자를 회전 고정자 자기장의 속도에 정확하게 고정시킵니다(슬립 없음).

동기 모터는 시계, 신호 발생기, 고정밀 위치 결정 드라이브 등 부하 변동에 관계없이 정확하고 일정한 속도가 필요한 곳에 사용됩니다. 유도 전동기는 저렴한 비용, 높은 견고성 및 3상 구성의 자체 시동 기능으로 인해 일반 산업 및 상업용 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

단상 및 3상 유도 전동기

3상 유도 모터는 자체 시동됩니다. 3상 공급 장치는 자연적으로 회전 자기장을 생성하며, 이는 전원이 공급되는 즉시 농형 회전자에 토크를 유도하기 시작합니다. 이는 더 효율적이고 더 높은 역률을 생성하며 소형 펌프부터 멀티 메가와트 드라이브에 이르기까지 거의 모든 산업용 모터 응용 분야에 사용됩니다.

단상 유도 모터는 근본적인 과제를 제시합니다. 단상 AC 전원은 회전 자기장이 아닌 맥동 자기장을 생성합니다. 맥동장은 회전을 유지할 수 있지만 시작할 수는 없습니다. 모터는 정지 시 선호하는 회전 방향이 없으며 순 시작 토크가 0입니다. 이를 해결하는 여러 가지 설계 전략이 있으며 각각 고유한 모터 변형을 생성합니다.

AC 유도에서 브러시리스 DC까지: 현대적인 진화

현재 전기 자전거, 전기 스쿠터, 드론 및 전기 자동차 보조 드라이브의 주요 모터 유형인 BLDC(브러시리스 DC) 모터는 전통적인 의미의 AC 유도 모터가 아닙니다. BLDC 모터는 전자기적으로 유도된 회전자 전류에 의존하는 대신 회전자에 영구 자석을 사용하고 고정자에서 전자적으로 제어되는 전류 스위칭을 사용하여 회전을 생성합니다. 이 점에서 유도 전동기보다 동기 전동기와 더 유사합니다.

AC 모터 원리와의 연결은 고정자에 있습니다. BLDC 모터의 고정자는 권선을 통해 정확한 시간에 맞춰 DC 전류를 전환하여 회전 자기장을 생성합니다. 이는 3상 AC가 정현파 전류 변화를 통해 달성하는 것과 기능적으로 동일한 효과입니다. 모터 컨트롤러는 회전 주기의 각 순간에 올바른 고정자 권선에 전원을 공급하기 위해 회전자 위치 피드백(홀 효과 센서 또는 역기전력 감지)을 사용하여 기존 DC 모터의 브러시를 대체하는 전자 정류를 수행합니다.

그 결과 영구자석 동기 모터의 동기 작동 및 고효율을 배터리 구동 응용 분야에서 요구되는 제어 가능성 및 소형화와 결합한 모터가 탄생했습니다. BLDC 모터는 기존 DC 모터의 서비스 수명을 제한하는 브러시 마모를 제거하고 넓은 속도 범위에서 효율적으로 작동하며 컴팩트한 패키지로 높은 토크 밀도를 생성하여 현대 전기 이동성의 엔지니어링 기반이 됩니다.

현대 전기 이동성의 응용

19세기에 개발된 전자기 유도 및 회전 자기장의 원리는 현대적인 브러시리스 영구 자석 형태이기는 하지만 오늘날의 전기 자전거 및 경전기 자동차에 전력을 공급하는 모터에 직접적으로 구현됩니다. 두 개의 서로 다른 모터 구성이 이 시장을 지배하고 있으며, 각각은 다양한 라이딩 스타일과 요구 사항에 적합한 서로 다른 성능 특성을 가지고 있습니다.

허브 모터 축에 고정된 고정자와 휠을 구동하는 외부 쉘을 형성하는 로터를 사용하여 모터를 휠 허브(전면 또는 후면)에 직접 통합합니다. 고정된 고정자 권선과 회전하는 영구 자석 회전자 사이의 전자기적 상호 작용은 모터와 휠 사이에 기계적 동력 전달 체인 없이 휠을 직접 회전시킵니다. 이러한 단순성은 허브 모터를 유지 관리하기 쉽고 조용하게 만듭니다. 허브 모터 for electric bicycles and light electric vehicles 간단한 설치와 낮은 유지 관리가 우선시되는 통근, 화물 및 레저 응용 분야에 적합합니다.

미드 드라이브 모터 자전거의 버텀 브래킷에 모터를 배치하여 휠이 아닌 크랭크와 체인을 직접 구동합니다. 이러한 배열을 통해 라이더는 자전거의 기존 기어 시스템을 사용하여 모터 토크를 증가시켜 언덕이 많은 지형에서 미드 드라이브 시스템을 훨씬 더 효율적으로 만들고 가변 부하 조건에 더 잘 맞출 수 있습니다. 미드 드라이브 모터 for high-performance electric bikes 산악 전기자전거, 화물용 자전거 및 고성능 통근 용도에 필요한 토크와 지형의 다양성을 제공합니다.

두 구성 모두에서 모터는 일치하는 모터 컨트롤러 없이는 효과적으로 작동할 수 없습니다. 컨트롤러는 기계식 브러시를 대체하는 전자 정류를 수행하고, 로터 위치 피드백을 기반으로 고정자 권선에 대한 전류 전달을 관리하며, 라이더 입력(스로틀, 페달 지원 수준)을 정확한 토크 출력으로 변환합니다. 허브 및 미드 드라이브 시스템용 브러시리스 DC 모터 컨트롤러 특정 모터 권선 구성, 전압 범위 및 통신 프로토콜과 일치하도록 설계되었습니다. 완전한 드라이브 시스템을 구축하는 엔지니어 및 통합업체를 위한 컨트롤러 및 모터 페어링 가이드 특정 차량 플랫폼 및 성능 목표에 대해 호환 가능한 컨트롤러 및 모터 조합을 선택하는 데 필요한 사양 일치 프레임워크를 제공합니다.