직류기 구조

직류 발전기의 구조와 동작 원리에 대한 유튜브 동영상입니다.

회전축에 평행한 양쪽의 코일변(coil side), 코일변 사이를 이어주는 코일단부(coil end)

코일이 회전하면 두 코일변이 양쪽 자극 사이의 자기장을 가로지르면서 전기기계적 에너지 변환이 일어난다.

코일 양 끝에 슬립링(slip ring), 접촉하는 브러시(brush)를 통해 단자를 인출한 모습

구성요소 :

(1) 자기장을 만들어주는 계자

(2) 자기장 안에서 전기기계적 에너지변환이 일어나는 전기자

(3) 전기자 코일을 외부와 접속시켜주는 정류자/브러시

자속을 발생시키는 부분입니다.
코일을 감는 계자철심(pole piece), 자속이 전기자 표면에 일정하게 가해지도록 전기자 표면을 덮어주는 자극편(pole shoe), 자극들은 기계적, 자기적으로 연결해준다는 의미로 계철과 코일의 계자권선으로 이루어진다.
계자 철심은 0.8 ~ 1.6[mm]정도의 얇은 강판을 겹쳐 쌓은 성층 철심을 사용합니다.
공극은 보통 소형기는 1.5 ~ 3[mm], 대형기는 5 ~ 6[mm] 정도입니다.
공극이 클수록 큰 기자력이 필요하므로 계자권선에 많은 동이 소요된다.
극수가 크면 자기회로가 짧아지고 자속이 여러 경로로 분산되므로 계철과 자극에 들어가는 철이 절약되며, 계자 권선에 필요한 동량도 줄어들어 제작비 측면에서 유리하다.
중소형기의 계철은 주철이나 주강의 주물, 대형기는 압연강을 여러장 겹쳐서 용접으로 제작한다.
전기자가 회전하면서 극을 지날 때마다 자화방향이 바뀌기 때문에 극이 많으면 전기자 철심에서 손실이 커진다.
저속기 일수록 극수가 크고 고속기 일수록 극수가 작다.

전기자는 기전력을 발생시킨다.
원통형 회전자 표면의 도체홈(slot)에 코일들이 배치되어 전기자(armature)를 구성한다. 축에 평행한 도체홈은 자극의 아래로 진입해 들어가거나 벗어날 때 자기저항의 급격한 변화로 자속이 요동하고, 그 결과 유기하는 토클에 변동이 일어난다. 이 현상은 진동과 소음의 원이이 되며 코깅토크라한다. 이를 해결하기 위해 도체홈이 비스듬하게 자극 아래로 진입했다가 비스듬하게 벗어나게 경사홈(skewed slot)을 사용한다.
전기자 코일들의 집합을 전기자권선(armature winding) 회전자 원주의 접선 방향으로 운동하는 코일변은 어느 위치에서건 자기력선을 직각으로 가로지르게 된다.
전기자는 0.35 ~ 0.6[mm]의 규소 함유율이 1~1.4%의 규소(히스테리시스손) 강판을 성층(와전류손)하여 사용한다.
철손은 히스테리시스손과 와전류손이 주류를 이룬다.
냉각을 위한 통풍이 잘 이루어지도록 약 10cm마다 1cm정도씩 띄어 적층하고, 철심에 축방향으로 통풍 구멍을 뚫기도 한다.
소형에서는 에나멜선 다발을 사용하고 20A이상에서는 4각 단면의 편편한 동선을 여러 턴을 겹쳐 성형 코일을 사용한다.
턴 사이의 절연내력을 넘지 않도록 코일변의 개별 도체들에 유기되는 기전력은 수V로 제한된다.

정류자는 교류전압을 직류로 변환하는 장치입니다.
회전자 한쪽 끝에는 정류자와 정류자 표면에 접촉하면서 외부로 단자를 인출하는 브러시가 설치되고, 반대쪽에는 냉각날개가 부착된다.
정류자는 경인동판으로 만들어진 정류자편을 양질의 운모판으로 서로 절연하고 이것을 원통형으로 조립한 것을 양측에서 운모제의 V형 절연고리(V-ring)와 철제 조임판으로 눌러 볼트로 고정하여 만든다.
정류자 편과 편 사이는 운모(mica)나 열경화수지로 절연된다.
정류자편 사이의 간격은 1mm미만이기 때문에 운전 중 절연물을 건너 섬락이 일어나지 않도록 인접 정류자편 사이의 전압이 15~20V정도로 제한되며, 과도상태에서도 최대 40V를 넘지않아야 한다.
개별 정류자편을 갈아 끼울 수 있는 구조이다. 소형기는 일체형 몰드로 제작된다.
정류자 편수는 슬롯의 갯수를 나타냅니다.
슬롯 내부에 들어가는 도체수를 코일 변수라합니다. 예를 들어 이층권이면 코일 변수는 2입니다.
고속기에 사용되는 정류자는 0.3[%]의 은(Ag)을 섞은 것이 사용된다.

브러시지지대에 끼워져 정류자 표면과 일정하게 접촉하도록 스프링의 필요한 압력은 0.1 ~ 0.25 [ $\frac{kg}{cm^2}$ ]입니다.
브러시는 정류자와의 접촉면 반대편에 부착된 전선(pigtail)을 통해 외부 단자로 인출된다.
브러시 전류밀도 한계는 10[ $\frac{A}{cm^2}$ ] 정도이고 크기는 대략 3[ $cm^2$ ]다.
브러시 하나당 30A를 감당할 수 있으므로 큰 기기에서는 여러개의 브러시가 한조를 이루어 전류를 분담한다.
브러시 재질의 종류로는 탄소질, 흑연질, 전기흑연질, 금속흑연질을 사용합니다.
- 탄소 브러시는 접촉 저항 큼만큼 저전류, 저속기에 사용합니다.
- 흑연 브러시는 접촉 저항이 작으므로 대전류, 고속기에 사용합니다.
- 전기흑연브러시는 접촉저항 및 마찰계수가 커서 각종 기계에 광범위하게 이용합니다.
- 금속흑연브러시는 저항율 및 접촉저항이 적어 저전압, 대전류용 기계에 사용합니다.
탄소브러시의 경우 한 쌍당 2V정도의 전압강하가 일어난다.
브러시의 필요한 성질은 다음과 같습니다.
- 적당한 접촉 저항을 가질 것
- 전기 저항이 적을 것
- 정류자와 잘 접촉하여 마찰 저항이 적을 것
- 기계적 강도가 클 것
- 내열성이 클 것
- 일반적으로 금속흑연질 브러쉬는 마찰계수가 적고 연마성이 적은것

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