전기에너지를 기계에너지로 바꾸는 기계. 거의 대부분이 회전운동의 동력을 만들지만, 직선운동의 형식으로 하는 것도 있다. 전동기는 전원(電源)의 종별에 따라 직류전동기와 교류전동기로 분류된다.

교류전동기는 다시 3상교류용과 단상교류용으로 구분된다. 3상교류용은 1 kW 정도 이상부터 수천 kW까지, 그리고 드물게는 1만 kW를 넘는 대형기가 있으며, 단상은 수백 kW 이하의 소형기에 채용되고 있다.

직류와 교류의 종별이 있다고는 하지만 원리상으로 보면 동일한 것으로, 자기장 속에 도체를 자기장과 직각으로 놓고 여기에 전류를 통하면 ［그림 1］과 같이 자기장에도 직각 방향으로 전자기적인 힘이 발생한다는 전자유도현상을 응용한 것이다. 전자기력은 자기장의 세기, 전류의 세기 및 도체 길이의 곱에 비례한다. 전동기를 종류별로 설명하면 다음과 같다.

【직류전동기】 축방향에서 본 약도를 그리면 ［그림 2］와 같이 된다. N·S는 계자권선 F에 직류를 흐르게 하여 여자(勵磁)시킨 전자석이며 이것을 자극(磁極)이라고 한다. A는 회전 부분인데 철심과 이 철심에 있는 슬롯(slot)에 넣은 코일과 도면에는 표시되지 않았지만 전원에서 보내어지는 직류를 교류로 바꾸어서 보내는 작용을 하는 정류자(整流子) 등으로 구성되어 있다.

회전 부분 전체를 전기자(電機子)라고 한다. 직류전동기는 계자권선의 전류(이 전류를 여자전류라고 한다)가 어떤 형태로 보내어지는가에 따라서 타려(他勵)·분권(分捲)·복권(複捲)·직권(直捲) 등 4종류로 나누어지는데, 그 약도는 ［그림 3］과 같다. 이것은 각각 성질이 다르며 용도에 따라 선택해 사용된다.

각 도면의 R`f`를 계자저항이라고 하는데 이 수치를 가감하여 속도를 조절한다. ⒜의 타려식에 있어서는 R`f`에 의하지 않고 전기자에 가하는 전압 V`t`를 변화시켜서 속도를 바꿀 수 있고 속도 제어법으로서는 R`f`를 변화시키는 것보다 V`t를 변화시키는 것이 바람직하지만, 이 경우는 여자용 전원과 전기자의 전원이 별개로 필요하다.

사용되는 예가 가장 많은 것은 ⒝의 분권식인데, 전원이 하나만 있으면 되므로 간편하다. ⒞의 복권식은 계자권선이 둘로 나누어져 있으므로 부하의 경중에 따라서는 속도의 변화가 거의 일어나지 않게 할 수 있다. ⒟의 직권식은 전기철도용 전동기로서 널리 사용된다. 그 이유는 회전시초(이것을 시동이라고 한다)에 흐르는 전류량을 적게 해도 큰 힘을 내는 성질이 있기 때문이다.

속도변화는 V`t 또는 저항 R`s 를 변화시키는 방법에 따르고 있다. 직류전동기에는 정류자(整流子)나 브러시가 있으며 교류전동기에 비해 구조도 복잡하고 값도 비싸지만 속도 제어가 매우 자유로운 장점이 있다.

【교류전동기】 교류전동기를 크게 나누면 ① 유도전동기(誘導電動機), ② 동기전동기(同期電動機), ③ 정류자전동기(整流子電動機) 등으로 분류된다. 어느 전동기나 대개 50∼60 Hz(사이클)의 교류를 전원으로 하지만 드물게는 수백 Hz 또는 그 이상으로 높은 주파수의 전원을 사용하는 예도 있다. 이것은 높은 회전속도를 얻고자 할 경우이다.

①은 대체적으로 정속도(定速度)이고, ②는 완전한 정속도이며, ③은 광범위한 가변속도(可變速度)인 특징을 가지고 있다. 그러나 이것은 다만 일정한 주파수의 전원에 의해 운전할 경우에만 한정된다.

〈유도전동기〉 ［그림 4］는 3상유도전동기의 약도를 표시한 것이다. 바깥쪽의 고정자(固定子)와 안쪽의 회전자를 모두 얇은 강판(鋼板)으로 쌓아올려서 만들어져 있으며 거기에 각각 슬롯을 내고 있다. 고정자 슬롯에는 ［그림 4］의 아래쪽 도면과 같은 코일을 넣는다.

A, B, C는 3상의 각 상(相)의 코일로서 그 대표를 표시하는 것이지만 실제에 있어서는 각 상이 1개의 코일인 예는 없으며 적어도 몇 개의 코일을 사용하기 때문에 고정자의 슬롯수는 24, 36, 48, 64 … 등이며 많은 것은 수백에 달한다. 각 상의 코일은 도면과 같이 공간에서 120 °씩 이동시켜서 배치한다.

회전자에는 피복(被覆)되지 않은 동봉(銅棒)이나 알루미늄의 주물을 슬롯 속에 넣는 농형(籠型)이라 불리는 것과 3상권선으로 하는 권선형이 있다. 또 ［그림 4］는 2극전동기라고 하며 2극의 회전자계를 발생하는 경우인데, 코일의 넓이 A, A'를 도면의 1/2로 줄이고 코일수를 2배로 하면 4극의 회전자기장을 발생한다.

코일의 폭을 더욱 좁혀서 6극과 8극 등을 만들 수 있으며 수십 극을 만드는 예도 있다. 극수가 많을수록 회전자기장의 속도가 늦어지며, 회전자의 속도도 이에 따라서 저속도로 회전한다. 고정자의 3상권선에 3상전압을 가하면 3상전류가 흘러들어서 회전자계를 만든다. 그 속도 N`s`는 p`를 극수(極數)로  f`를 주파수로 하면 1분당 120 f`/p 회전이 된다.

회전자가 전기적으로 닫혀진 회로로 되어 있으면 회전자계에 의해서 발생한 회전자도체 속의 기전력(起電力) 때문에 전류는 흘러서 ［그림 1］의 원리에 따라 전동기로서 회전한다. 그 회전방향은 회전자기장의 방향과 같지만 회전자의 속도는 회전자기장의 속도보다 느리다. 이 차이를 슬립(slip)이라고 하는데 이 슬립의 값이 전동기의 동작에 끼치는 영향은 크다.

예를 들면 슬립이 0에 가까이 하면 출력은 0에 가까워진다. 일반적으로 규정출력을 낼 때의 슬립의 값은 회전자계 속도의 몇 % 정도이다. 이상과 같은 것은 회전자가 농형이든 권선형이든 마찬가지이다.

일반적으로 볼 수 있는 3상유도전동기는 농형으로 4극의 것이 많으며, 속도는 거의 1,500 rpm이다. 농형전동기는 정속도(定速度)로 운전하는 데 적합하다. 권선형은 그 3상단자(三相端子)가 축에 설치된 집전링[集電環]과 브러시를 통해 외부로 나와 있다.

이 3상단자에 적당한 값의 저항을 연결함으로써 속도를 제어할 수 있고 또한 시동할 때의 유입전류를 적게 할 수 있으며, 더욱이 토크를 크게 할 수 있는 것이 특징이다. 농형전동기의 속도를 제어하는 방법은 여러 가지로 연구·검토되고 있지만 직류전동기처럼 자유로이 조정하기가 매우 어렵다.

소형 유도전동기는 단상 100 또는 200 V의 전압으로 사용되는 단상기이며 가정용 기기로서 세탁기·선풍기·냉장고·펌프 등을 예로 들 수 있다. 이것은 모두 단상유도전동기이고 출력은 750 W 이하이며 회전자의 농형은 3상전동기와 거의 같은 구조이다. 고정자 쪽의 구성의 한 예는 ［그림 5］와 같이 주권선(主捲線) M과 보조권선 A를 서로 공간적으로 90 °벗어난 곳에 놓고, 전원전압은 주권선에는 직접 가하고 보조권선에는 콘덴서 C와 스위치 K를 통해서 가한다.

그 이유는 주권선만으로는 전압을 가해도 시동되지 않는 성질이 있으므로 보조권선 A를 두어 시동 토크를 만드는 것으로서, 더욱이 콘덴서를 넣음으로써 시동할 때의 특성을 좋게 할 수 있기 때문이다. 시동이 되어 회전자가 고속으로 회전하게 되면 보조권선 A가 없어도 회전이 계속되기 때문에 회전자측에 부착되어 있으며 원심력으로 작동하는 스위치 K를 열고 A를 회로에서 벗어나게 한다.

운전 후 전원을 끊으면 회전자속도가 저하되어 정지하게 되는데 이 때는 스위치 K를 닫고 다음 시동에 대비한다. 시동 토크를 얻는 방법에는 ［그림 5］ 이외에도 몇 가지 방법이 있다. 운전 중의 회전자속도는 3상의 경우와 마찬가지로 120 f`/p`보다 수 % 가량 느리게 된다. 펌프용 회전자와 같이 고속회전이 요구되는 것으로는 2극이 사용되지만 그 밖의 것은 4극이 많다.

〈동기전동기〉 이 형은 3상 대형 전동기에 널리 사용된다. 고정자 쪽은 3상유도전동기와 동일한 구조로 보아도 되지만, 회전자는 ［그림 6］과 같이 직류여자된 자극(［그림］은 2극의 예)을 둔다. 정상으로 운전할 경우의 회전자속도는 전원 주파수가 일정한 한 120 f`/p 로 된 일정값으로서, 이 값은 부하의 경중에 관계 없이 완전히 일정하다는 점이 동기전동기의 특징이라고 할 수 있다.

또 직류여자를 어느 값으로 하면 역률(力率)이 1로 되어 동일한 입력으로 교류쪽에서 흘러들어가는 전류를 최소값으로 할 수 있는 것도 특징이다. 이와 같은 역률 조정은 유도전동기로는 할 수 없다. 단상유도전동기의 고정자와 동일한 구성에서 회전자는 ［그림 6］의 계자권선을 없애고 자극표면에 농형유도체를 둔 것이 단상동기전동기인데, 속도가 완전히 일정한 것을 필요조건으로 하는 특수용도에 사용된다.

〈정류자전동기〉 이 형의 전동기는 상당히 많은 종류가 있지만, 그 대부분이 역사적인 이름만 남기고 있으며, 현재 실용되고 있는 것은 그 종류가 적다. ［그림 3］ ⒟의 직권전동기와 동일한 구성으로 단상교류전압을 가하는 것을 단상직권정류자전동기라 하며, 이것은 회전이 매우 빨라 수천 rpm 또는 그 이상의 높은 속도를 얻을 수 있으므로 가정용 전기청소기나 믹서·전기드릴 등에 사용된다.

그리고 단상직권기(單相直捲機)는 전기철도용 전동기로서도 사용될 수 있는 성질을 가진다. 3상전원에서 사용하는 정류자전동 3상 가운데는 3상분권전동기가 있으며 이것은 상당한 수가 실용되고 있다. 이 전동기는 바깥틀에 부착된 핸들의 조작으로 많은 브러시를 동시에 이동함으로써 속도를 대폭적으로, 그리고 자유롭게 바꿀 수 있기 때문에 속도 제어를 필요로 할 경우에 사용된다.

속도를 자유롭게 변경할 수 있는 점은 직류전동기와 유사하지만 전원을 얻는 것은 직류의 경우보다 손쉽다. 그러나 브러시의 수가 많으므로 이것의 손모 등 관리상의 문제점이 직류기보다 많다.

【전동기의 회전방향을 바꾸는 방법】 전동기가 좌우 어느 방향으로 회전하는가의 문제는 ［그림 1］의 자기장과 전류의 방향과의 관계로 결정되기 때문에 회전방향을 바꾸려고 할 때는 자기장이나 전류 어느 한쪽의 방향을 바꾸면 된다.

［그림 7］은 각종 전동기의 회전방향을 바꾸는 방법을 표시한 것이다. ⒜의 직류 전동기에서는 전기자(電機子)에 가하는 전압을 반대로 하면 전기자전류의 방향이 바뀌어져 반대방향으로 회전한다. 그러나 ［그림 3］ ⒝의 직류분권식이나 ⒞의 복권식, ⒟의 직권식의 경우는 단순히 전원의 ＋, －를 반대로 바꾸어 연결하는 것으로는 자기장의 전류가 모두 반전(反轉)하기 때문에 회전방향이 변경되지 않는다.

이 경우에는 전기자나 계자권선의 어느 한쪽만의 접속을 바꾸도록 하지 않으면 안 된다. ［그림 7］ ⒝는 3상유도 또는 동기전동기(同期電動機)를 역전(逆轉)시키는 방법이며 3가닥선(線) 중에서 임의의 두 가닥선의 접속을 그림과 같이 바꾸어 접속하면 된다. 이렇게 하면 회전자기장의 방향이 반대로 되고 회전자도 반대 방향으로 회전한다.

아무튼 어느 방향으로 회전시켜도 성질은 똑같다. 그러나 특정된 부하에 연결되고 회전방향이 지정되어 있을 때에는 그 지정에 따른다. ⒞의 단상유도 또는 동기전동기에서는 주권선이나 보조권선 어느 한쪽의 접속을 반대로 하면 된다.