8.1 직류전동기의 구조와 운전 원리

DC Motor Construction and Operating Principles

 

직류 전동기는 2가지 주요 구성품으로 제작되어 있으며 하나는 End Bell, 브러쉬 및 계자극이 포함된 비회전 부분인 주 프레임이고, 나머지 하나는 전기자, 정류자 및 전기자 도체로 이루어진 전기자 축 장치이다. 그림 11-64에 이 두 장치 및 직류 전동기를 구성하고 있는 다른 기본 구성품이 함께 나타나 있다.

그림 11-64 일반적인 직류 전동기의 구조

 

8.1.1 주 프레임 (Main Frame)

주 프레임은 그림 11-64에 나타난 것처럼 계자극에 대한 자로(Magnetic Flux Path) 역할을 하는 원통 구조이며 그림 11-65에서 처럼 이 계자극은 프레임 내부에 볼트로 체결되어 있다. 프레임은 강철 라미네이션 혹은 강판을 말아 고리 형태로 용접하여 만든다. 자동차 시동용 전동기가 강판을 말아 용접하여 만든 것 중 하나이며, 일반적으로 전동기 지지대(다리)는 주 프레임의 구성품으로 간주되지만 End Bell의 구성품으로도 간주될 수 있다. End Bell에는 그림 11-64에서와 같이 전기자 축 베어링뿐만 아니라 브러쉬 홀더 지지대도 이에 속해 있다. 브러쉬 홀더(그림 11-67 참조)는 전동기의 정류자 측(전동기 구동측 반대)에 설치되어 있으며 정류자에 전류를 흐르게 하여 전기자가 회전할 수 있도록 한다.

주계자극은 주프레임 내부에 N, S극 쌍이 마주보게 장착되어 있으며(그림11-60 참조), 대개 1쌍에서 4쌍의 자극(즉 2~8극)이 설치된다. 교류 유도 전동기와는 달리 자극의 수는 전동기의 회전수와 무관하며 전동기의 물리적인 크기와 연관이 있다(직류 전동기의 회전수는 인가한 전압의 크기에 따라 변한다). 전동기가 커지면 계자극이 많아야 된다. 계자극은 얇은 강판 라미네이션을 쌓아 Pole Shoe 형태로 만든 후 그림 11-65에서와 같이 이 주위에 구리선(계자 코일)을 감아 만들며, 계자 코일에 에너지를 가하면(전류를 통하면) 계자극이 자화된다. 주계자 코일에는 직권, 분권, 복권 등이 있으며 이 들은 코일의 직경과 감은 횟수로 구별할 수 있다. 직권코일은 직경이 큰 코일이 조금 감겨 있고, 분권코일은 직경이 작은 코일이 많이 감겨져 있다. 반면 복권코일은 양 코일이 다 감겨져 있다. 직권 전동기는 광범위하게 속도를 변동시킬 수 있지만 부하에 민감하다(즉 부하가 증가하면 속도가 떨어지며 부하가 줄어들면 속도가 상승한다). 반면 분권 전동기는 부하 증가에 대해 속도 변동이 거의 없다(전동기의 토오크 영역내에서). 복권 전동기는 직권 및 분권 전동기 특징을 다 지니고 있어 더욱 더 일정 속도를 유지할 수 있고 또한 쉽게, 광범위하게 속도도 조정할 수 있는 장점이 있다. 직권 전동기는 부하가 상실되면 과속되어 전동기가 파괴될 수 있다.

그림 11-65 Pole Shoe와 계자 코일을 가지는 전형적인 라미네이션으로된 자극

 

정류자 브러쉬는 직류 전동기 정류자 End Bell에 있는 브러쉬 홀더 내에 장착(그림 11-64 참조)되어 있으며 각 계자극당 하나의 브러쉬 홀더가 설치되어 있다. 브러쉬 홀더는 전동기 케이싱과 전기적으로 격리되어 있으며 브러쉬는 정류자 주변에 정류자편과 잘 접촉되어 정류자가 회전될 수 있게 적절히 설치되어 있다. 브러쉬는 정류자편에 전기를 공급하며 정류자편은 전기자 도체에 전기를 공급하여 전기자 내에 연속적으로 변화하는 전류흐름이 생기게 한다. 이렇게 전류 흐름 방향이 바뀌면 전기자 내의 자계도 바뀌게 되어 전기자가 계자 코일 자극과의 상호 관계에 따라 회전되게 된다. 이 것을 정류라고 하며 이 정류 작용이 진행되는 동안 브러쉬가 순간적으로 동시에 두 개의 정류자편에 접촉되는 때가 많으며 이 때 유효 정류자편에 접속되어 있는 전기자 코일은 순간적으로 단락 상태가 되어 브러쉬와 정류자면 간에 불꽃을 발생시키게 한다. 보조극(Interpole)을 사용하여 주자극 사이의 자계를 감소시켜 불꽃 발생을 억제한다. 주자극 사이에 위치한 보조극이 그림 11-66에 나타나 있다. 보조극이 주자극 보다도 작다는 것에 주목하라. 대형 직류 전동기나 회전 방향 변경이 필요한 직류 전동기에는 보조극이 있어야 한다.

그림 11-66 주자극과 보조극을 나타내는 주 프레임

 

브러쉬는 주로 탄소나 흑연 탄소로 만들며 정류자면에 스프링으로 눌러 접촉시킨다(그림 11-67). 사용중 마멸됨에 따라 주기적으로 교체하기 위하여 브러쉬에 쉽게 접근할 수 있도록 되어있다. 브러쉬와 구리재질로 된 정류자편간의 접촉상태가 양호하면 매끈한 산화 구리 피막이 형성될 것이다. 그리고 좋은 운전상태에서는 이 산화구리 피막으로 인해 브러쉬와 정류자의 수명이 늘어날 것이다. 브러쉬의 누름 압력이 부적절하거나, 정류자면이 고르지 않거나, 또는 전동기 부하가 충분치 않으면 브러쉬와 정류자가 과도하게 마멸되며 불꽃이 발생되고 탄소 가루가 발생될 것이다(즉 직류 발전기의 부하가 적으면 브러쉬 마멸로 생긴 탄소 퇴적물(가루)을 연속적으로 제거하지 못한다). 이런 상태가 되면 전동기 성능과 수명이 저하될 것이다.

그림 11-67 전형적인 브러쉬와 브러쉬 홀더

 

8.1.2 電機子 裝置 (Armature Assembly)

그림 11-68은 회전자 축, 정류자, 전기자 적층, 도체 권선, 베어링 및 냉각 Fan으로 이루어진 전기자 장치이다. 전기자 적층은 그림 11-67과 같이 끝부위에 여러 개의 슬롯 및 Teeth가 있는 얇은 강철이나 찍어낸 강철판으로 만들며 슬롯내에는 도체 권선이 삽입된다. 전기자 슬롯 수와 Teeth수는 같다. 전기자 슬롯수와 정류자편수는 언제나 정수배(1, 2, 3 등)이다. 예를 들어 어느 전동기의 전기자 슬롯수가 39개고 정류자편 수가 117개(이 경우 3배)가 될 수 있다.

정류자는 그림 11-70에서와 같이 많은 쐐기 모양의 구리편을 원형으로 조립하여 만든 것이며 마이카 조각으로 각 정류자편(혹은 막대)과 인접편 그리고 Clamping Ring과를 전기적으로 절연시키고 있다. 정류자 장치는 전기자와 아주 작은 공간을 두고 가까이(하지만 닿지는 않음) 장착되어 있으며 각 정류자편의 전기자 끝부위에서 전기자 코일(권선)이 감기기 시작하고 또 끝나는 정류자 Riser 부위이다. 브러쉬 및 정류자편을 통해 전기자 도체 권선에 전류가 흐르면 이 도체 권선이 실제 전동기에서 일을 하는 부분이 된다(그림 11-68 참조). 이런 경로를 통해 전류가 흘러 전기자내에 회전력의 원천인 자계를 형성시킨다. 코일은 구리선이나 구리 Bar로 제작할 수 있다.

그림 11-68 전형적인 전기자

 

각 Riser에는 코일이 하나 이상 접속되어 있을 것이며, 각 코일은 Riser에서 감기기 시작하여 전기자 슬롯을 거쳐 지난 다음 역으로 둥글게 굽혀져 다른 전기자 슬롯을 통해 되돌아와 다른 Riser에 접속된다. 각 코일이 연결된 Riser와 슬롯이 전기자 주위에 연속되게 설치되어 있기 때문에 코일에 의해 발생된 자계에 의해 회전이 가능하다.

정류자와 전기자 사이 부분을 코일 헤드라고 부르며(그림 11-68참조), 전기자 양끝에 각각 코일 헤드가 있다. 전기자 도체로 동선을 사용한 경우(딱딱한 도체 Bar 사용에 비교할 때) 전기자 코일 헤드를 유리섬유 강화 테이프로 감싸거나 또는 코일을 지지해 주는 기계적 장치(즉 지지 Ring)를 설치하는 것이 특히 중요하다. 이 것은 동선으로 된 코일 헤드 부분이 회전시 무게 불평형으로 인한 원심력에 의해 변형되는 것을 방지하기 위해서이다.

그림 11-69 전형적인 전기자 적층

 

그림 11-70 전형적인 정류자

 

8.1.3 直流 電動機의 運轉 原理 (DC Motor Operating Principles)

그림 11-71은 한 쌍의 정류자편과 계자 코일용으로 영구 자석이 설치되어 있는 단권 직류 전동기이다. 정류자를 통해 브러쉬와 전기자 코일에 전류가 흐르면 전기자는 자화된다. 자화된 전기자의 극성은 전기자의 정류자편 위치에 따라 바뀐다. 즉 전기자가 회전함에 따라 N, S극이 교대로 바뀌게 된다. 이에 따라 계자극의 자계에 의해 전기자의 일부분은 잡아 당겨지고 일부는 밀려서 회전하게 된다. 만일 전기자 극성이 교번적으로 바뀌지 않는다면 회전하지 못할 것이다. 전기자의 S극이 N계자극 중간 부위를 지날 때 전류 방향이 바뀌며, 이 때 전기자의 S극이 N극이 되어 N 계자극에 의해 반발된다. 전기자는 또 다시 반회전을 하게 되어 전기자의 극성 반전이 계속된다. 이와 같은 이유로 전류가 차단될 때까지 전기자는 회전한다.

그림 11-71에서 1의 상태는 전기자 S극이 N 계자극에 끌리고 S 계자극에 밀려 있는 상태를 나타낸 것이다. 2의 상태는 전기자와 정류자가 계속 회전함에 따라 코일에 흐르는 전류 방향이 바뀐 것과 전기자 극성이 S극은 N극으로, N극은 S극으로 바뀐 것을 보여주고 있다. 계속해서 극성이 바뀜에 따라 회전은 계속되게 된다. 직류 전동기의 회전 속도는 전기자나 계자의 전압을 조정하든지 혹은 전기자나 계자 둘 다의 전압을 변경시켜 변화시킬 수 있다. 전동기에 인가하는 직류 전압의 극성을 바꾸면 회전 방향이 바뀐다.

그림 11-71 단권 직류 전동기의 운전

 

8.1.4 直流 電源 發生 (DC Power Generation)

직류 전동기 초기 개발시 증기 구동 직류 발전기나 Battery로 직류 전원을 공급하였으나 점차적으로 교류가 많이 사용되게 됨에 따라 직류 전원공급원의 수요뿐만 아니라 직류 전기에 대한 수요도 점차적으로 줄어들게 되었다. 직류 전원 공급원이 줄어들게 되자 많은 산업 현장에서는 교류 전동기와 직결된 직류 발전기(MG sets)를 사용하거나 혹은 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 회로를 사용하여 자체적으로 직류 전원을 생산하게 되었다.

오늘날 대부분 산업용 직류 전원은 SCR을 사용하여 만들어 낸다. SCR회로 는 AC전원을 DC전원으로 바꿀 수 있는 단순한 정지형 전자 회로이며 MG sets와 비교해 볼 때 움직이는 부분이 없어 상대적으로 유지 관리가 쉽다는 뚜렷한 장점이 있다. 3개의 SCR을 사용하면 반파 직류 전원이 만들어지며 6개의 SCR을 사용하면 전파 직류 전원이 만들어진다 (그림 11-72 참조). 한국과 미국 내에서는 60 ㎐ 주파수의 AC 전원을 이용할 수 있다. 3상 전원은 그림 11-72와 같이 각각 120˚ 상차각의 3개의 정형파를 가지고 있다. 3개의 SCR로 3상 전원을 반파 정류하면 단지 (+)부분 파형만 남는다 (그림 11-72 참조). 이것은 직선형인 직류 전류 파형과 유사한 파형이 포함된 전류를 흘리게 한다. 반파 정류된 직류 전류에는 3×60 ㎐(3600 cpm), 즉 180 ㎐(10,800 cpm)과 같은 비율의 맥동이 발생한다. 이와 같은 주파수 (10,800 cpm)는 반파 정류회로의 SCR 점호율(혹은 SCR 주파수)로서 진동 측정기를 사용하여 알 수 있다. 6개의 SCR을 사용한 전파 정류회로에서는 6×60 ㎐(3600 cpm), 즉 360 ㎐(21,600 cpm) 점호율(Firing Rate)이 발생되어 그림 11-72에서와 같이 60˚ 위상이 빠른 맥동파가 발생된다. 전파 정류는 AC 파형의 (-)부분을 정류하여 (+) 파형으로 바꾸어 주며 파형이 작아 순수한 DC의 직선 파형과 유사한 파형을 발생한다. 그림 11-73에는 단순한 반파 정류 직류 전동기 회로가 그리고 그림 11-74에는 6개의 SCR을 사용한 전파 회로 보기가 있다. 이 두 시스템은 AC 전원을 DC 전원으로 변환시켜 직류 전동기의 속도를 적절하게 잘 제어하기 위함이다. 이런 시스템의 부품들이 고장나면 DC 파형과 전동기의 회전 상태 규칙성에 혼란이 초래될 것이고 이렇게 되면 전동기에는 감지가 될 만큼 진동이 발생될 것이다. 그림 11-74에서 이런 이상 상태를 알 수 있는 중요 요소로 각 SCR이 3600 cpm(60 ㎐) 주파수로 점호되어야 하고 또한 각 점호 카드가 점호율의 1/3과 같게 각 AC 위상에 동기를 맞추어야 한다는 것을 알고 있어야 한다는 것이다. 그러므로 SCR이 6개인 경우에는 6×3600 cpm 즉 21,600 cpm이, 3개인 경우에는 3×3600 cpm 즉 10,800 cpm의 점호율이 될 것이다. 6개의 SCR과 3개의 점호 회로로 구성되어 있는 그림 11-74에서 1상이 상실되거나 점호 카드 하나가 고장나면 점호율의 1/3(1/3×21,600 cpm = 7200 cpm)이 줄어들거나 혹은 2개의 SCR(2×3600=7200 cpm)이 손실된 것과 같아 질 것이다. 그림 11-74에서 1개의 SCR이 손실되면 3600 cpm만큼의 점호율이 줄어들 것이다. 다음 항인 진동 분석을 통한 직류 전동기 문제점 진단에서 추가 설명이 있을 것이다.

그림 11-72 전기적인 파형틀

 

그림 11-73 전형적인 반파 정류회로로 점호 카드당 1개의 SCR씩 3개의 SCR이 장착된 직류발전기 제어도

그림 11-74 전파 정류회로로 점호 카드당 2개의 SCR씩 총 6개의 SCR이 장착된 직류 발전기 제어도

 

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