단상 정류자 전동기

Single-Phase Commutator Motors

단상 정류자 전동기는 직권·분권·반발 형태로 단상 교류에서도 토크를 내는 기계예요. 직권형은 AC/DC 겸용 범용모터로 쓰이고, 분권·반발은 속도·기동 특성이 달라요. 교류 정류 악화와 브러시 관리가 직류기보다 까다로운 제약이에요. 종류 탭을 바꿔 구조와 속도 제어 포인트 차이를 비교해 봐요.

단상직권 정류자 전동기 (범용모터)

직류직권 전동기에 교류를 넣으면 어떻게 될까? 계자와 전기자의 전류가 동시에 반전되므로 토크 방향은 변하지 않는다. 따라서 교류에서도 회전이 가능하며, AC/DC 겸용이므로 범용모터라 한다. 가정용 믹서, 전동드릴, 진공청소기 등에 널리 사용된다.

💡 왜 AC에서도 동작하는가?

T ∝ Φ·I_a = (kI_a)·I_a = kI_a² (직권이므로)

①교류에서 I_a가 사인파여도 I_a²은 항상 양수

②따라서 평균 토크가 0이 아닌 양의 값 → 일방향 회전

③다만 DC보다 효율·출력이 떨어진다 (리액턴스 전압강하 때문)

특성곡선 비교

부하 (토크)50 %

AC 직권의 특성

AC 직권 전동기는 DC 직권과 유사한 쌍곡선형 속도-토크 특성을 가진다. 다만 교류에서는 리액턴스 전압강하와 철손 증가로 인해 같은 토크에서 속도가 낮고 효율도 떨어진다.

직권 토크

T ∝ I_a² (직권 특성)

계자전류 = 전기자전류 → 토크는 전류 제곱에 비례

직권 속도 특성

N ∝ 1/√T (근사)

무부하 시 과속 위험: 반드시 부하 연결 운전

단상분권 정류자 전동기

분권형은 변압기 결합을 통해 계자와 전기자에 별도의 전압을 공급한다. 브러시 위치를 이동하면 전기자에 유도되는 기전력의 위상이 변하여 역률과 속도를 동시에 제어할 수 있다. 정속도 특성을 가지며, 유도전동기보다 역률이 우수하다.

분권형 전압 방정식

V₁ = E_a + I(r + jx)

분권형 전압 방정식

역률 제어

브러시 이동 → E_a 위상 변화 → cosφ 조정

역률 개선의 원리

시험 정리

직권형 정리

직권형: T ∝ I_a², AC/DC 겸용

범용모터, 쌍곡선 속도 특성

분권형 정리

분권형: 정속도, 역률 조정 가능

변압기 결합 + 브러시 이동

📝 시험 포인트

①AC 직권 = 범용모터 = AC/DC 겸용: 가전제품에 가장 많이 쓰임

②AC 직권의 무부하 과속 위험: 벨트 구동 금지, 직결 부하만 사용

③AC에서 DC보다 출력·효율 저하 이유: 리액턴스 전압강하 + 철손 증가

④분권형은 변압기 결합이 핵심: 직접 병렬 아님 (DC 분권과 차이)

⑤분권형의 브러시 이동으로 역률 1(unity) 가능

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 범용모터(Universal Motor)가 AC/DC 겸용인 이유는? (답: T∝Ia² → 전류 반전해도 토크 양수)

②[기출유형] AC 직권 전동기의 무부하 운전 금지 이유는? (답: 과속 위험. N∝1/√T)

③[기출유형] 단상분권 정류자 전동기에서 역률 개선 방법은? (답: 브러시 위치 이동으로 Ea 위상 변경)