유도전동기는 고정자 회전자계가 회전자에 전류를 유도해 토크를 만드는 비동기 기계예요. 동기속도보다 조금 느리게 도는 슬립이 있어야 유도 전류와 토크가 생기고, 농형·권선형 회전자 구조가 달라요. 구조와 원리를 알면 등가회로·기동·제어 단원이 한 줄로 연결돼요. 단면 시각화에서 고정자·회전자·공극과 회전자계 방향을 따라가 봐요.
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.
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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