AC 모터, 비동기 모터

AC 모터 제품군은 회전하는 자기장이 고정자와 회전자 사이의 빈 공간에 있으며 이 자기장에 기초하여 작동합니다. AC 모터 제품군에서 가장 중요하고 자주 사용되는 제품은 농형 구조를 갖춘 비동기 AC 유도 모터입니다. 비동기 AC 농형 유도 모터는 다음과 같은 특징을 갖습니다:

• 간단하고 강력한 설계
• 높은 동작 신뢰성
• 쉬운 유지보수
• 저렴한 가격

전기 드라이브 기술에서는 일반적으로 다음과 같은 전기 모터가 사용됩니다:

• 비동기 AC 모터 (농형 회전자, 슬립링 회전자, 토크 모터)
• 비동기 단상 AC 모터
• 비동기 혹은 동기 서보 모터
• DC 모터

주파수 인버터를 갖춘 AC 모터는 간단하고 우수하며 속도 제어의 유지보수 또한 쉽기 때문에 DC 모터나 슬립링을 갖춘 AC 모터는 점점 사용이 줄어들고 있습니다. 다른 AC 비동기 모터들은 드라이브 엔지니어링에서만 중요하게 사용됩니다. 따라서 여기서는 상세히 다루지 않을 것입니다.

AC 모터 같은 전기 모터를 기어유닛과 조합한 것을 기어 모터 라고 합니다. 모터의 전기적 원리와는 관계가 없지만, 모터의 기계적 설계 측면에서 모터가 기어유닛에 장착되는 방식은 특히 중요해지고 있습니다. SEW‑EURODRIVE는 이러한 점을 염두하여 특별하게 조정된 모터를 제공하고 있습니다.

회전자

회전자 적층 코어의 슬롯에는 권선을 주입하거나 삽입합니다. (대부분은 알루미늄 및 구리로 제작합니다). 전통적으로, 1 바퀴의 권선은 1개의 bar에 해당합니다. 이 권선은 같은 재료로 만들어진 고리에 의해 양쪽 끝이 단락됩니다. 단락된 고리를 갖춘 bar는 마치 케이지를 연상 시킵니다. AC 모터를 부르는 또 다른 이름인 "농형 모터 (the squirrel-cage motor)"가 여기서 유래했습니다.

고정자

합성 수지로 압축된 권선은 반쯤 폐쇄된 적층 고정자 코어 슬롯에 삽입됩니다. 코일의 수와 너비는 필요한 극수에 따라서 달라집니다. 모터 하우징과 함께 적층 코어는 고정자를 형성합니다.

엔드 실드

엔드 실드는 강철 또는 회색 주철 혹은 다이캐스트 알루미늄으로 제작되며 모터의 A 측과 B 측의 내부를 밀봉하는 역할을 합니다. 고정자로 전환할 때의 구조적인 설계가 모터의 보호 IP 보호 등급을 결정합니다.

회전자 축

회전자 쪽의 적층 코어는 강철 축에 연결됩니다. 두 개의 축 끝 단은 A 측과 B 측의 엔드 실드를 통과합니다. 출력 축은 A 측에 설치됩니다. (기어 모터의 피니언 샤프트로서 설계됨) 팬과 냉각 윙 및 기계식 브레이크 인코더 등의 보조 시스템은 B 측에 설치됩니다.

모터 하우징

정격 전력이 낮거나 중간 정도 수준이라면 모터 하우징은 다이캐스트 알루미늄으로 제작될 수 있습니다. 그러나 그 이상의 전력에서도 사용하려면 하우징은 회색 주철과 용접된 강철로 제작되어야 합니다. 터미널 박스를 하우징에 부착하면 고정자의 권선이 고객 측의 전기 연결을 위해 터미널 블록에 연결될 수 있습니다. 냉각 핀은 하우징의 표면적을 넓힐 수 있습니다. 넓어진 표면적으로 열을 더 많이 방출하도록 돕습니다.

팬, 팬 가드

B 측의 축 끝단 팬은 후드로 덮혀 있습니다. 팬이 회전하면 공기의 흐름이 생성됩니다. 이 후드는 공기의 흐름이 하우징의 핀을 통해서 흐르도록 유도합니다. 일반적으로, 팬은 회전자의 회전 방향에 독립적이지 않습니다. 캐노피 옵션을 추가하면 모터가 수직으로 설치되어도 작은 부품이 팬 가드 그리드를 통해 떨어지는 것을 방지합니다.

베어링

A 측과 B 측의 엔드 실드에 있는 베어링은 회전하는 부품에 기계적으로 연결됩니다. 보통은 딥 그루브 볼 베어링이 사용됩니다. 간혹 실린더 롤러 베어링이 사용되기도 합니다. 베어링의 크기는 베어링이 흡수해야 하는 속도와 힘에 따라서 결정됩니다. 다양한 종류의 실링 시스템으로 베어링에 요구되는 윤활 특성을 확보하고 오일 및 그리스가 빠져나오지 않도록 합니다.

대칭 구조를 갖춘 고정자의 3상 권선 시스템은 적절한 전압과 주파수를 갖춘 3상 전원 시스템에 연결됩니다. 동일한 진폭의 사인파 전류 가 2각각의 3상 권선에 흐르게 됩니다. 각각의 전류는 일시적으로 서로 120°씩 오프셋을 갖습니다. 이 때, 권선의 위상도 공간적으로 120°씩 오프셋 되기 때문에 고정자는 인가된 주파수에 따라 회전하는 자기장을 생성합니다.

이 회전하는 자기장 혹은 짧은 용어로 회전자계는 회전자의 권선 혹은 회전 bar에 전기적인 전압을 유도합니다.. 단락 전류가 권선이 링에 의해서 단락되므로 흐르게 됩니다. 회전자계에 따라서 단락 전류는 회전자계 주변에 힘과 토크를 생성하게 됩니다. 따라서 회전자계의 방향에 따라서 회전자의 속도가 가속됩니다. 회전자가 생성한 전압의 주파수는 회전자의 속도가 증가함에 따라서 낮아지게 됩니다. 이 현상은 회전자계의 속도와 회전자의 속도 차이가 작아지기 때문입니다.

결과적으로 유도된 전압은 낮아지게 되고 회전자 케이지에 전류 역시 낮아집니다. 따라서 힘과 토크 역시 낮아집니다. 회전자가 회전자계와 같은 속도로 회전한다면 둘은 동기화하여 회전하게 될 겁니다. 따라서 전압이 유도되지 못 하고 결과적으로 모터는 토크를 생성하지 못 하게 됩니다. 그러나 베어링에 걸리는 부하와 마찰에 의해서 회전자의 속도와 회전자계의 속도는 차이가 생기게 되고 가속 토크와 부하 토크 사이에 평형을 이루게 됩니다. 즉 모터는 비동기식으로 작동합니다.

이러한 차이의 크기는 모터의 부하에 따라서 증가하거나 감소할 수 있으나 절대 0이 될 수는 없습니다. 무부하 작동 시에도 베어링에는 항상 마찰이 존재하기 때문입니다. 만약 부하 토크가 모터가 생산할 수 있는 최대 가속 토크를 초과하게 된다면, 모터는 "정지"하게 되고 열 손상을 입을 수 있습니다.

기능에 필요한 회전자계 속도와 기계적인 속도 사이의 상대적인 움직임은 슬립이라고 하며 "s"로 표기합니다. 회전자계의 속도를 백분율로 명시한 기호입니다. 낮은 정격 전압을 가진 모터의 슬립은 10에서 15 퍼센트 입니다. 높은 정격 전압을 갖춘 AC 모터의 경우는 대략 2에서 5 퍼센트의 슬립을 갖습니다.

AC 모터는 전압 공급 시스템에서 전력을 얻어 기계적인 힘으로 변환하는 장치입니다. 즉 전력을 속도와 토크로 변환합니다. 만약 모터를 손실 없이 운영할 수 있다면 기계적인 힘의 출력 P_out은 모터에 입력되는 입력되는 전기적인 힘 P_in와 동일할 것 입니다.

그러나 에너지 변환에 의한 손실이 반드시 AC 모터에서 발생합니다. Copper losses P_Cu 및 bar losses P_Z가 전류가 컨덕터를 흐름에 따라서 발생합니다. Iron losses P_Fe는 선 주파수로 적층 코어를 다시 자기화 시키는 과정에서 발생합니다. Friction losses P_Rb는 베어링의 마찰에 의해 발생하고 air losses는 냉각을 위해 공기를 사용하면서 발생합니다. copper, rod, iron 및 friction losses는 모터에 열을 발생 시킵니다. >기계의 효율은 출력되는 힘과 입력되는 힘의 비율로 정의됩니다.

지난 몇 년간 법적인 규제로 인해서 높은 수준의 효율성을 갖는 모터에 더 많은 관심이 기울여지고 있습니다. 에너지 효율 등급은 관련된 규범 합의서에 정의되어 있습니다. 제조업체들은 기술 사양에 해당 등급을 적용하고 있습니다. 기계에 의해서 발생하는 상당한 손실을 줄이기 위해서 다음과 같은 설계들이 전기 모터에 적용되고 있습니다.

• 모터의 권선에 더 많은 구리 사용 ( P_Cu)
• 더 뛰어난 금속 재료 (P_Fe)
• 팬 형상의 최적화 (P_Rb)
• 에너지에 최적화된 베어링 (P_Rb)

토크와 속도에 대한 전류를 기록함으로서 귀하는 AC 모터의 속도-토크 특성을 확인할 수 있습니다. 모터에 전원이 켜지면 안정적인 동작 지점에 도달할 때까지 해당 특선 곡선을 따릅니다. 특성 곡선은 회전자 권선의 재료와 설계, 모터의 극수에 영향을 받습니다. 이러한 특성 곡선을 파악하는 것은 역토크로 작동하는 드라이브의 경우 특히 중요합니다. (예시: 호이스트)

만약 구동되는 기계의 역토크가 풀업 토크보다 높다면 회전자의 속도에 "문제가 생기게" 됩니다. 모터는 더 이상 공칭 작동 지점에 도달하지 못하게 됩니다 (안정적이고 열적으로 안전한 동작 지점). 만약 역토크가 시작 토크 보다 크다면 아예 모터가 정지할 수도 있습니다. 만약 실행 중인 드라이브에 과부하가 걸린 경우, 부하가 증가함에 따라서 속도가 줄어들게 됩니다. (예시: 컨베이어 벨트 과부하). 만약 역토크가 브레이크다운 토크를 초과할 경우, 속도는 감소하여 풀업 속도가 되거나 0 (zero)이 될 수 있습니다. 이러한 상황에서 회전자와 고정자에는 엄청나게 높은 전류가 인가되고 따라서 아주 빠르게 온도가 올라가게 됩니다. 올라간 온도는 적절한 보호 장치가 없을 경우 모터에 회복할 수 없는 열 손상 - 또는 "버닝 아웃" - 을 초래할 수 있습니다.

컨덕터를 따라 흐르는 전류에 의해서 열이 발생합니다. 이 때 발열은 컨덕터의 저항과 흐르는 전류의 크기에 달려 있습니다. 특히나 역토크를 걸고 자주 전원을 끄고 켜거나 시동을 걸게 되면 AC 모터에 매우 큰 열 부하가 발생합니다. 모터의 허용되는 열은 주변 환경의 냉각 매체의 온도와 (예시: 공기), 권선의 절연 재료의 열 저항에 따라 달라집니다.

모터는 thermal classes에 해당하며 (과거에는 "insulation classes"이라고 불렸습니다) 모터의 최대 허용 과열을 관장합니다. 모터는 설계된 열 등급에 따른 정격 전압에서 높은 온도를 받더라도 손상 없이 지속적으로 동작할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 냉각수의 최대 온도가 40° C일 때 허용되는 최대 과열은 열 등급으로 thermal class 130 (B)입니다: dT = 80 K.

• 가장 간단한 운영 모드는 일정한 부하 토크를 적용하는 것입니다. 일정 시간이 지나면 모터는 작동 지점의 지속적인 부하로 인해서 열적으로 안정된 상태에 도달합니다. 이 동작을 연속 듀티 S1 이라고 합니다.
• 단시간 듀티S2에서 모터는 일정 시간 (tB) 동안 일정한 부하로 작동합니다. 이 시간 동안 모터는 안정적인 열 상태에 도달하지 않습니다. 그 다음에는 모터가 냉각수의 온도로 돌아갈 수 있을 만큼 충분한 공회전 시간이 요구됩니다.
• 간헐적 듀티 S3에서는 모터는 일정한 시간 (tB) 동안 일정한 부하로 작동합니다. 이 경우 시동은 모터의 온도 증가에 영향을 주지 않아야 합니다. 그 다음에는 특정 유휴 시간(tSt)이 뒤따릅니다. 상대 순환 지속 시간 계수(cdf)가 이 작동 모드에서 지정됩니다. 표준 IEC 60034-1 IEC 60034-1에는 설명을 위해 10분의 주기 시간(= 작동 시간 + 공회전 시간)에서 작동 시간의 비율이 지정되어 있습니다.

예시: 작동 모드 S3/40%는 모터가 4분 동안 작동하고 6분 동안 스위치가 꺼진 경우 적용됩니다.

허용된 스위칭 주파수는 모터가 열적으로 과열되지 않는 범위에서 1 시간에 얼마나 자주 켜고 꺼질 수 있는지를 나타냅니다. 이는 다음과 같은 조건에 따라 달라집니다:

• 가속되어야 하는 관성의 질량 모먼트
• 일정한 부하
• 브레이크 타입
• 작동 준비 기간
• 주변 온도
• 순환 지속 시간 계수

모터에 허용된 시동 주파수는 다음과 같은 조건에 따라 증가할 수 있습니다:

• 높은 열 등급
• 더 큰 모터를 선택
• 강제 냉각 팬 장착
• 기어 유닛 비율 및 관성 비율 변경
• 다른 유형의 브레이크 선택

권선이나 권선의 부품을 스위칭함으로써 AC 모터는 다른 속도로 동작할 수 있습니다. 여러 개의 권선을 고정자 슬롯의 권선에 삽입하거나 권선의 개별 부분에서 전류 흐름을 반대로 변환 시킴으로써 여러 개의 극을 얻을 수 있습니다. 분리된 권선의 경우, 각각의 극 수의 힘은 같은 크기의 단상 모터의 절반 이하입니다.

극변환 AC 기어모터는 주로 이동 드라이브로 사용됩니다. 낮은 극 수에서 작동할 때 이동 속도는 상대적으로 높습니다. 포지셔닝을 할 때 낮은 속도를 위한 권선으로 스위칭 합니다. 변환이 이루어지는 초기에 모터는 관성으로 인해서 높은 속도를 유지합니다. AC 모터는 이 단계에서 발전기로 작동하고 감속합니다. 운동 에너지는 전기 에너지로 변환되어 공급 시스템으로 다시 공급됩니다. 변환 과정에서 발생하는 큰 토크 스탭은 단점이라고 할 수 있습니다. 하지만 적절한 회로 조치를 통해서 줄일 수 있습니다.

현 시점에서 저렴한 비용의 인버터 기술 개발로 인해서 다양한 분야의 어플리케이션에서 극 전환 모터보다는 단일 속도의 모터를 주파수 인버터와 함께 사용하는 것이 추천됩니다.

단상 모터는 어플리케이션에서 좋은 선택이 될 수 있습니다.

• 높은 시동 토크를 요구하지 않고
• 모터가 단상 AC 공급 시스템에 연결되며,
• 상대적으로 낮은 전력(<= 2.2 kW)에서 사용됩니다.

대표적인 어플리케이션 예시를 들자면 환기 장치, 펌프 및 압축기 등이 있습니다. 두 가지의 기본적인 설계를 예를 들어 보겠습니다:

첫 번째로, 고전적인 비동기 AC 모터는 하나의 상과 중성 컨덕터에 연결됩니다. 세 번째 연결은 커패시터를 사용하여 위상 변이를 통해 생성됩니다. 커패시터는 90°의 위상 오프셋만 생성할 수 있기 때문에, 이러한 유형의 단상 모터의 정격 전력은 동급 AC 모터의 3분의 2 전력으로 사용됩니다.

단상 모터를 만드는 두 번째 방법은 권선에 기술적 조정을 하는 것 입니다. 3상 권선 대신에 2상만을 적용하는데 하나는 메인 상으로 다른 하나는 보조 상으로 사용합니다. 코일은 90° 만큼 공간적으로 오프셋되며 시간적으로도 90° 오프셋 되어 회전 자기장을 생성하는 커패시터에 의해 전류를 공급 받습니다. 메인 권선과 보조 권선의 전류 차이 비율은 동일한 크기의 AC 모터의 3분의 2의 전력만을 허용합니다. 단상 작동을 위한 일반적인 모터는 커패시터 모터, 쉐이드 폴 모터 및 시동 모터가 포함되며 커패시터를 포함하지 않습니다.

SEW‑EURODRIVE에서 제공하는 모터는 두 가지 유형의 단상 모터 설계 – DRK.. 모터를 포함합니다. 두 가지 경우 모두 통합되어 작동하는 커패시터가 제공됩니다. 이 커패시터는 터미널 박스에 들어있기 때문에 간섭을 막을 수 있습니다. 커패시터를 작동시키면 대략 공칭 토크의 45에서 50 퍼센트를 시동에 사용할 수 있습니다.

정격 토크의 최대 150%의 높은 시동 토크가 필요한 고객의 경우, SEW-EURODRIVE는 이러한 용도로 사용하기 적합한 시동 커패시터를 제공하며 충분한 재고를 확보하고 있는 전문 대리점에서 구매하실 수 있습니다.

토크 모터는 특별한 설계를갖춘 AC 모터로서 농형 구조 회전자를 장착합니다. 토크 모터는 설계에 따라서 등급을 매기게 되는데 속도가 0일 때 너무 높지 않은 전류를 소모할 수 있도록 하여 치명적인 열 손상을 입는 것을 방지하도록 등급을 매깁니다. 이 기능은 도어를 열고 포인트 설정을 하거나 프레스 금형같은 전기 모터를 이용하여 포지션을 안전하게 유지해야 하는 분야에서 매우 유용합니다.

또 다른 일반적인 작동 모드는 역류 제동 동작입니다: 외부 하중은 회전자계가 회전하는 반대 방향으로 회전자를 회전시킬 수 있습니다. 회전자계는 속도가 "느려지게" 되고 시스템에서 회생 에너지를 인출하게 되며 이 에너지는 공급 시스템으로 공급됩니다 - 이는 기계적인 제동 작업이 없는 회전 제동과 유사합니다.

SEW‑EURODRIVE는 DRM../DR2M..를 함께 제공합니다. 아이들 상태에서 정격 토크를 장기간 유지할 수 있도록 열적인 설계를 갖춘 12극 토크 모터입니다. SEW‑EURODRIVE 토크 모터는 다양한 요구사항과 속도에 적합하며 작동 모드에 따라 최대 3개의 정격 토크로 제공됩니다.

만약 폭발의 위험이 있는 장소에서 전기 모터를 사용해야 한다면 (2014/34/EU (ATEX) 지침에 따름), 귀하의 드라이브에 반드시 구체적인 예방 조치를 취해야 합니다. SEW‑EURODRIVE는 이 점을 염두에 두고 사용 공간과 지역에 따라서 다양한 설계를 제공합니다.

SEW‑EURODRIVE는 다양한 어플리케이션에 적합한 LSPM 모터를 제공합니다. 공급 시스템에 직접 작동되고 동기 속도가 필요한 어플리케이션 혹은 간단한 인버터로 구동되며 센서가 없는 어플리케이션에 적합합니다. LSPM은 "Line Start Permanent Magnet" 의 약자입니다. LSPM 모터는 AC 비동기 모터로서 추가적인 영구자석이 회전자에 사용됩니다. 비동기적으로 작동하며 작동 주파수에 동기화 합니다, 그 후에는 메인 주파수에 동기화 모드로 작동하며 슬립 없이 동기화 모드로 작동합니다. SEW의 모터 기술은 어플리케이션을 새롭고 유연하게 구성할 수 있는 가능성을 열어드립니다. 예를 들어, 속도 저하 없이도 부하를 전달할 수 있습니다.

이러한 컴팩트한 크기의 하이브리드 모터는 작동 중에도 회전자 손실을 전혀 발생시키지 않습니다. 또한 높은 에너지 효율을 자랑합니다. 에너지 절약 등급은 최대 IE4까지 달성할 수 있습니다.

LSPM 기술이 적용된 DR..J 모터의 크기는 같은 출력과 에너지 효율 등급을 가진 직렬 모터에 비해 두 단계나 작습니다. 반면에 같은 크기의 모터는 비동기 모터에 비해 두 배 더 높은 효율 등급을 달성합니다.