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에너지 전환 패러다임과 유도 전동기, 그리고 GuardiOne Motor: 1) 에너지 전환과 유도 전동기

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Intro.

전동기(Motor)는 현대 산업계의 더 효율적이고, 친환경적인 원동기에 대한 요구에 따라 고전적인 동력 기관의 대체재로 주목받고 있다. 이에따라 산업 현장의 압축기 및 펌프 같은 고전적인 기계 장치 뿐 아니라, 산업용 로봇 및 자동차에 이르기까지 점점 더 많은 설비들에 점점 더 큰 규모로 이용되고 있으며 현재에 이르러서는 전체 산업계 전기 에너지 소비량 중 70%를 차지할 정도로 막대한 영향력을 끼치고 있다. 산업계에서 모터의 방대한 규모와 그 영향력에서 엿볼 수 있듯 전동기는 단순히 동력을 전달하는 부품이 아니라 주요 산업 설비로서 인식되고 있으며, 따라서 적절한 건전성 관리를 통한 유지보수의 중요성이 대두되고 있다.
산업계에 가장 많이 사용되고 있는 전동기는 Michael Faraday가 발견한 전자기 유도(Electromagnetic induction) 현상을 이용한 유도 전동기(Induction motor)이며, 간단한 구조와 저렴한 가격 때문에 전체 산업 전동기 시장의 80%에 이른다. 원프레딕트의 GuardiOne Motor는 이 유도 전동기의 원활한 건전성 관리를 위해 고안된 종합 건전성 관리 솔루션이다.
GuardiOne Motor는 모터 구동을 위한 3상 전류를 활용해 운영 환경 및 유도 전동기의 전기적 특징들을 AI (Artificial intelligence) 기술을 통해 이산화하고, 정규화 하여 직관적인 건전성 정보들을 제공한다. 결과적으로 사용자는 GuardiOne Motor에서 제공하는 여러 기능들(에너지 관리, 상세 진단 및 세부 진단)을 통해 사용자는 모터의 현재 건전성 상태를 직관적으로 이해하고, 이에 따라 유지 보수 및 예방 정비에 활용할 수 있다. 따라서 본 게시글의 목적은 GuardiOne Motor 솔루션의 제공 기능에 대한 이해를 돕기 위해 유도 전동기의 슬립, 토크 및 여러 전기적 특징을 소개하는데 있다.

유도 전동기(Induction Motor)

유도 전동기는 전자기 유도 현상을 이용해 작동하는 전동기이다. 먼저 고정자에 입력된 전류에 의한 회전 자계(Rotating magnetic field)의 영향으로, 회전자에 유도 기전력이 발생해 전류가 흐른다. 회전자에는 이 전류에 의한 회전 자계가 발생하고, 이렇게 발생한 두 회전 자계의 상호 작용으로 토크가 발생하는 형태이다. 본 단락에서는 앞서 언급된 회전 원리를 유도 전동기의 구조와 이로 인해 발생하게 되는 물리적인 현상들을 관찰하며 설명한다.
유도 전동기의 구조
그림1. 유도 전동기 구조
유도 전동기의 구조는 <그림 1>에서 확인할 수 있듯이, 크게 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)로 이루어져 있다. 고정자는 회전 자계를 만들기위해 입력된 3상 전류가 직접적으로 흐르는 권선들이 뭉쳐 있는 곳이며, 이름에서 알 수 있듯이 전동기 케이스에 고정되어 있다. 이때 흐르는 전류에 의한 공극 자속이 정현적인(Sinusoidal) 특징을 갖게 하기 위해 <그림 2>와 같이 각 상의 도체들을 정현적으로 배치한다.
그림2. 고정자 구조와 기자력 분포
회전자는 고정자와 직접적으로 연결되어 있지 않고, 고정자에 입력된 전류에 의한 전자기 유도 현상으로 토크를 생성, 축에 전달하는 역할을 담당한다. 회전자 또한 고정자와 유사하게 강자성체의 철심에 도체가 삽입된 구조를 갖는다. <그림 3>과 같이, 일반적으로 농형(Squirrel cage)타입이 주로 사용되고, 드물게 권선형 구조를 사용한다.
그림3. 농형 회전자 구조
유도 전동기의 회전 원리
그림4. 전자기 유도를 이용한 회전 원리
<그림 4>와 같이, 자석이 원판 주위를 회전하는 경우를 생각해보자. 자석이 회전함에 따라 원판의 자속은 변동되고, 이 자속의 변동은 유도 기전력을 발생시켜 결과적으로 원판에 전류가 흐른다. 이 현상을 전자기 유도라고 하며, 이 때의 전류의 방향은 자속의 변화를 방해하는 방향이고, 이를 렌츠(Lenz)의 법칙이라 부른다. 이렇게 발생한 전류와 자속의 방향을 플레밍(Fleming)의 왼손법칙을 사용해 해석하면, 로렌츠(Lorentz) 힘에 의한 토크 방향은 회전 자계의 방향과 같음을 알 수 있다.
결과적으로 회전 자계에 의한 유도 기전력이 회전 자계 방향으로 회전하는 힘 (토크, Torque)를 발생시킴을 알 수 있다. 마찬가지의 원리로 동일한 현상이 실제 유도 전동기에서도 발생한다. <그림 5>와 같이, 고정자에 의해 발생한 회전 자계의 영향으로, 회전자 도체에 유도 전류가 발생한다. 이 유도 전류와 자계에 의해 회전 자계의 이동 방향으로 토크가 발생한다.
그림5. 유도 전동기의 회전 원리

Conclusion

이렇게 해서 유도전동기의 정의와 구조, 회전의 원리를 살펴보았다.
다음 장에서는 유도 전동기의 회전의 원리에 따라 유도전동기의 구조를 나타내는 등가회로를 그려보도록 하겠다. 유도 전동기의 등가 회로가 도출이 되면 인가된 전류에 따른 토크값을 계산해 유도전동기의 효율을 따져볼 수 있다. 바라건데 이 글을 보는 모두에게 may the (electromagnetic) force be with you
이상으로 이번 장을 마치도록 하겠다.

이 글을 쓴 사람

반 영 준 | 책임연구원
반만 아는 반(Half)박사 (= 석사) 반영준 입니다. 과학, 철학, 인문학, 경제학 등 다양한 분야를 반만 알고 있지만 GuardiOne Motor에 대한 마음은 One!
원프레딕트 홈페이지 https://onepredict.ai/
원프레딕트 블로그 https://blog.onepredict.ai/
원프레딕트 기술 블로그 https://tech.onepredict.ai