16편 – 삼상 유도전동기의 구조와 회전자계 생성 원리

삼상 유도전동기는 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 전동기이며, 전기기사를 준비하는 과정에서도 반드시 명확하게 이해해야 하는 핵심 장치다. 특히 전동기의 기초 원리 중 하나인 ‘회전자계의 생성’은 유도기뿐 아니라 동기기, 변압기 이해로도 연결되며 전기 기초 이론 전체를 묶는 중요한 연결고리 역할을 한다. 삼상 유도전동기의 기본 원리를 설명하려면 먼저 그 구조를 차근차근 뜯어볼 필요가 있다.

 

 

이 전동기는 크게 고정자와 회전자로 이루어져 있으며, 고정자는 철심과 고정자 권선으로 구성되어 삼상의 전압이 공급되는 부분이다. 반면 회전자는 두 가지 타입, 즉 **와운드형(권선형)**과 **케이지형(스크롤 케이지형)**이 존재하는데, 실제 현장에서는 케이지형 회전자가 압도적으로 많이 쓰인다. 그 이유는 구조가 간단하고 가격이 저렴하며 유지보수가 거의 필요 없는 장점 때문이다. 회전자의 도체 막대는 한쪽 끝에서 다른 끝까지 닫힌 고리 형태로 연결되어 있어, 외부에서 전류를 직접 공급받지 않더라도 고정자의 자속 변화에 의해 유도전류가 자연스럽게 흘러들어가도록 만들어져 있다.

 

삼상 전압이 고정자 권선에 공급되면, 각 상이 120도의 위상차를 가지고 있기 때문에 시간에 따라 변화하는 세 개의 교류 자속이 발생한다. 이 세 자속은 공간적으로는 120도 떨어져 있는 권선에서 발생하지만, 시간적으로는 계속 변화하는 패턴을 보이므로 결과적으로 일정한 속도로 회전하는 자속, 즉 **회전자계(旋轉磁界, rotating magnetic field)**를 만들어낸다. 이 회전자계는 전동기에서 가장 핵심적인 개념이며, 유도전동기의 작동 원리를 이해하는 출발점이다. 회전자계의 회전속도는 공급 주파수에 의해 결정되는데, 이를 동기속도 Ns라고 하며 공식은 다음과 같다:

Ns = 120f / p.

여기서 f는 전원 주파수, p는 극수다. 이 공식은 산업 현장에서 매우 자주 등장하므로 자연스럽게 외워질 정도로 반복해서 사용하게 된다.

고정자에서 생성된 회전자계는 회전자의 도체를 관통하며, 패러데이 법칙에 따라 회전자 도체 내부에 유도기전력을 만들어낸다. 회전자 도체는 양 끝이 단락되어 있기 때문에 유도기전력에 의해 전류가 흐르고, 이 전류와 회전자계 사이에 로렌츠 힘이 발생해 회전자는 자연스럽게 회전자계의 방향으로 돌려고 한다. 이때 회전자가 회전자계를 100% 따라잡을 수 없다는 점이 중요하다. 만약 완전히 따라잡는다면 자속 변화가 없어져 유도기전력이 사라지고, 결국 전동기는 회전력을 잃게 된다. 그래서 회전자는 반드시 회전자계보다 조금 느리게 회전하는데, 이 속도 차이를 **슬립(slip)**이라고 하며 유도전동기 특성을 설명하는 핵심 요소가 된다.

 

삼상 유도전동기의 매력은 단순한 구조 속에서도 매우 안정적이고 견고한 성능을 보여준다는 점이다. 회전자계가 만들어내는 안정적인 회전, 스스로 전류를 유도해내는 회전자의 특성, 그리고 외부 브러시나 정류기가 필요 없다는 점은 유지관리 측면에서 엄청난 장점이다. 또한 과부하에도 강하며, 순간적인 토크도 준수하고, 기계적인 내구성 역시 매우 높기 때문에 산업 현장에서 펌프, 팬, 컴프레서, 컨베이어 등 다양한 장비의 핵심 동력원으로 널리 쓰인다. 전기기사 시험에서는 이러한 구조적 특징뿐 아니라 슬립의 의미, 회전 원리, 전압·전류 관계, 회전자 저항 변화에 따른 토크 특성까지 매우 폭넓게 묻기 때문에 기초 원리부터 단단하게 쌓아놓는 것이 중요하다. 삼상 유도전동기의 작동 원리를 이해하고 나면 이후 출제되는 기동방식, 토크-슬립 곡선, 효율 계산 등 다른 응용 파트도 훨씬 자연스럽게 이해할 수 있게 된다. 결국 기초 원리는 다음 단계의 모든 내용을 열어주는 열쇠와도 같다는 사실을 다시 한 번 느끼게 된다.