전기자 반작용과 중성축 이동

브러시를 어디에 두어야 불꽃이 없나

발전기로 도는 직류기에서 주자속(세로)과 전기자 횡축 자속(가로)이 합쳐지면 합성 자속이 회전 방향으로 기울고, 자속이 0인 자기 중성축(금색 점선)도 그만큼 밀린다. 정류는 자속이 0인 곳에서 일어나야 하는데, 탭으로 브러시를 세 자리에 두어 보면 불꽃이 사라지는 자리는 하나뿐이에요. 그 자리가 어디인지가 이 강의 질문이다.

전기자도 자석이 된다

부하가 걸리면 전기자 권선에 전류가 흐르고, 그 전류가 만드는 전기자 기자력의 축은 브러시 축, 곧 기하학적 중성축 쪽을 향한다. 주자속이 자극에서 전기자로 세로로 지난다면 전기자 자속은 그와 직각인 가로 방향이에요. 이 횡축 자속이 전기자 반작용의 출발점이다.

두 자속의 벡터 합이 중성축을 민다

주자속과 전기자 횡축 자속은 직각이라 합성 자속은 둘의 벡터 합만큼 기울고, 자속밀도가 0이 되는 자기 중성축도 합성 자속과 직각을 이루며 기하학적 중성축에서 같은 각만큼 밀린다. 발전기에서는 회전 방향으로, 전기자 전류의 방향이 반대인 전동기에서는 회전 반대 방향으로 밀려요. 이동각은 전기자 전류가 클수록 커지고, 그림의 기울기는 한 부하에서의 예다. 한쪽 자극 끝에는 자속이 몰려 포화되고 반대쪽은 약해져, 전체 자속이 조금 줄기도 한다(감자 작용).

정류를 지키는 세 가지 보정

브러시를 새 자기 중성축으로 옮기면 그 부하에서는 정류가 깔끔하지만, 부하마다 이동각이 달라 매번 옮겨야 한다. 보극은 기하학적 중성축 자리에 둔 작은 자극으로, 전기자 전류와 직렬로 감겨 있어 부하에 맞춰 세기가 따라 변하며 정류 코일에 알맞은 반대 기전력을 만들어 불꽃을 없애요. 보상권선은 자극면 슬롯에 넣어 전기자 횡축 자속을 그 자리에서 상쇄하므로 자속이 일그러지는 것 자체를 막는다. 큰 기계일수록 보극과 보상권선을 함께 쓴다.

첫 화면으로 돌아가서

불꽃이 사라진 것은 브러시를 회전 방향으로 옮겨 자기 중성축에 맞췄을 때뿐이었다. 전기자 횡축 자속이 주자속과 벡터로 합쳐져 합성 자속을 기울이고, 자속이 0인 중성축을 그만큼 밀어낸다. 정류는 자속이 0인 곳에서 일어나야 하니 제자리에 둔 브러시는 어긋나 불꽃을 내요. B1의 정류자가 영교차에서 연결을 바꾼다는 약속을 전기자 반작용이 흔드는 셈이고, 그래서 브러시를 옮기거나 부하와 상관없이 듣는 보극과 보상권선으로 영교차를 제자리에 지킨다.

전기자 반작용은 직류기의 골칫거리이자 설계의 솜씨가 드러나는 곳이다. 중성축과 자속을 잡았으니 이제 같은 기계를 전동기로 돌릴 때 자속과 전기자 전류가 만드는 토크와 속도로 넘어가요. 다음 강에서는 토크 T ∝ Φ·Ia와 속도 N ∝ (V - IaRa)/Φ의 관계, 그리고 계자를 바꿔 속도를 조절하는 법을 다룬다(MC-B3).