전기기기›유도전동기

유도전동기의 구조 및 원리

Induction Motor Structure & Principle

아라고 원판에서 유도전동기로
알루미늄 원판 위에서 자석을 돌리면, 원판도 같은 방향으로 따라 돈다. 이것이 바로 아라고(Arago)의 원판 실험이다. 자석이 만드는 변화하는 자기장이 원판에 와전류를 유도하고, 이 와전류가 자기장과 작용하여 토크가 발생한다.
💡 아라고 원판 → 유도전동기
아라고 원판에서 자석을 물리적으로 돌렸다면
①유도전동기에서는 3상 교류가 만드는 '회전자기장'이 그 역할을 한다
②자석 없이 전기만으로 회전자기장을 만들어내는 것이 핵심!
3상 전류가 만드는 회전자기장
고정자에 120° 간격으로 배치된 3상 코일에 3상 교류를 흘리면, 각 코일이 만드는 자기장의 합성 벡터가 일정한 크기를 유지하면서 회전한다. 이 회전자기장이 회전자 도체를 지나며 유도기전력과 전류를 만들고, 그 전류가 자기장과 상호작용하여 토크를 발생시킨다.

유도전동기 회전자기장 애니메이션 — 고정자·회전자·슬립 시각화

60 Hz
4 극
5 %
⚡ 왜 회전자는 자기장보다 느린가?
회전자가 자기장과 같은 속도로 돌면 상대속도가 0이 된다
①상대속도가 0이면 유도기전력도 0 → 전류도 0 → 토크도 0
②그래서 회전자는 반드시 자기장보다 느리게 회전한다 — 이 속도차를 '슬립'이라 한다
동기속도 공식
회전자기장의 속도(동기속도)는 전원 주파수와 극수에 의해 결정된다. 주파수가 높을수록, 극수가 적을수록 회전자기장은 빠르게 회전한다.
동기속도
Ns = 120f / P
Ns: 동기속도 [rpm], f: 주파수 [Hz], P: 극수
예를 들어, 60Hz 전원에 4극 전동기라면 동기속도는 120 × 60 / 4 = 1800 rpm이다. 극수를 2극으로 줄이면 3600 rpm, 8극이면 900 rpm이 된다.
동기속도
Ns = 120f / P [rpm]
60Hz 기준: 2극→3600, 4극→1800, 6극→1200, 8극→900
슬립 — 속도 차이의 비율
유도전동기에서 회전자는 동기속도보다 항상 느리게 회전한다. 이 속도차의 비율을 슬립(slip)이라 하며, 유도전동기의 모든 특성을 결정하는 가장 중요한 변수이다.
슬립
s = (Ns − N) / Ns
s: 슬립, Ns: 동기속도 [rpm], N: 회전자 속도 [rpm]
슬립으로부터 회전자 속도를 구하면 N = N_s(1 − s)이고, 회전자에 유도되는 기전력의 주파수는 f₂ = sf가 된다.
회전자 속도
N = Ns(1 − s)
회전자 실제 속도
2차 주파수
f2 = sf
회전자 유도 주파수 (2차 주파수)
🔍 슬립의 범위
정지 시: s = 1 (N = 0)
①동기속도 시: s = 0 (이론상, 실제 불가)
②정상 운전: s ≈ 0.02~0.05 (2~5%)
③슬립이 커지면 2차 전류 증가 → 토크 증가 (일정 범위까지)
시험 정리
동기속도
Ns = 120f / P
동기속도 (회전자기장 속도)
슬립
s = (Ns − N) / Ns
슬립 (속도 차이 비율)
회전자 속도
N = Ns(1 − s)
회전자 속도
2차 주파수
f2 = sf
2차 주파수
📝 시험 포인트
①동기속도 공식 N_s = 120f/P에서 P는 극수(짝수)이며, 극쌍수(p)가 아니다
②슬립 s = 0이면 토크 = 0 → 유도전동기는 동기속도로 회전 불가
③정격 슬립은 보통 2~5% → 4극 60Hz면 실제 약 1710~1764 rpm
④회전자 유도 주파수 f₂ = sf → 정격운전 시 f₂는 매우 작다 (1~3Hz)
⑤농형 회전자: 도체봉 + 단락환 구조, 권선형 회전자: 슬립링을 통해 외부저항 연결 가능
📝 대표 기출문제
①[기출유형] 60Hz, 4극 유도전동기의 동기속도는? (답: Ns = 120×60/4 = 1800rpm)
②[기출유형] 동기속도 1800rpm, 슬립 5%일 때 회전자 속도는? (답: N = 1800×(1−0.05) = 1710rpm)
③[기출유형] 유도전동기가 동기속도로 회전할 수 없는 이유는? (답: s=0이면 유도기전력=0 → 토크=0)