MC-B1 · 직류기 원리

직류기와 정류자

자기장 속에서 도는 코일의 기전력은 본래 교류다. 정류자가 그 교류를 어떻게 한 방향으로 뒤집는지, 연결을 바꾸는 시점을 직접 골라 가며 확인한다.

외부에서 직류를 얻으려면 언제 연결을 바꿔야 하나

코일 안의 기전력은 반 바퀴마다 부호가 뒤집히는 교류다. 탭으로 브러시가 코일과의 연결을 맞바꾸는 시점을 세 가지 가운데 고르면 위쪽 파형이 외부 단자에 나타나는 전압으로 바뀌는데, 어느 시점에서 외부 단자가 한 방향의 전압만 보는지가 이 강의 질문이다.

탭으로 연결을 바꾸는 시점을 고른다. 위쪽 파형이 외부 단자 전압이다.

외부 단자가 보는 전압

e_ext = sin θ

연결을 한 번도 바꾸지 않으면 외부는 코일 속 교류를 그대로 본다. 반 바퀴마다 양과 음을 오가는 sin θ라 직류가 아니다.

어긋남

회전 도체의 기전력은 교류다

자기장 속에서 코일이 돌면 쇄교 자속이 회전각에 따라 변하고, 유도 기전력은 e = -dΦ/dt다. 도체가 자기력선을 가장 빠르게 가로지를 때 기전력이 최대이고, 자기력선과 나란히 움직일 때 0이다. 반 바퀴를 돌면 도체가 움직이는 방향이 자기장에 대해 뒤집혀 기전력의 부호도 뒤집히므로, 코일 안의 기전력은 본래 교류이다. 정류자 대신 슬립링 두 개로 꺼내면 이 교류가 그대로 나오고, 그것이 교류 발전기다.

관찰e(θ) ∝ sin θ

회전 도체의 기전력은 각도의 사인을 따르는 교류다.

정류자가 영교차에서 연결을 뒤집는다

정류자는 둘로 쪼갠 고리로, 코일과 함께 돈다. 고정된 브러시는 코일 면이 자기장에 수직이 되어 쇄교 자속이 최대이고 기전력이 0이 되는 순간에 다음 조각으로 넘어가며, 바로 그때 외부와의 연결이 맞바뀐다. 코일 기전력이 음으로 향해도 연결이 이미 뒤집혔으니 외부 단자는 늘 같은 극성을 본다. 기전력이 0인 순간에 바꾸므로 불꽃도 작고, 그래서 브러시는 이 자리, 곧 중성축에 맞춰 둔다. 요즘은 브러시와 정류자 대신 회전자 위치를 재는 센서와 반도체 스위치로 같은 전환을 하는 브러시리스 전동기도 많다.

고르기정류 시점 θ = ?

정류자는 기전력이 0인 영교차에서 연결을 바꾼다.

빈칸e_ext = ?

외부 기전력은 정류되어 사인의 절댓값이 된다.

도체를 늘리면 매끄러운 직류와 큰 기전력

코일 하나로는 |sin θ| 꼴로 크게 맥동한다. 슬롯과 정류자편을 늘려 여러 코일을 겹치면 저마다 위상이 다른 맥동이 합쳐져 거의 평탄한 직류가 되고, 평균 기전력도 커진다. 정리하면 평균 유기기전력은 E = (P Φ Z N) / (60 a)다. 여기서 P는 극수, Φ는 극당 자속, Z는 전체 도체 수, N은 분당 회전수, a는 병렬 회로 수다.

스스로E = ?

평균 유기기전력은 자속과 도체 수, 회전수의 곱에 비례한다.

첫 화면으로 돌아가서

외부가 한 방향의 전압만 본 것은 영교차에서 연결을 바꿨을 때뿐이었다. 바꾸지 않으면 교류가 그대로 나왔고, 엉뚱한 때 바꾸면 음으로 파였다. 정류자의 핵심은 기전력이 0이 되는 바로 그 순간에 외부 연결을 뒤집는 타이밍이고, 그러면 코일이 음으로 가도 외부는 양을 유지해 교류 기전력이 맥동 직류로 바뀐다. 직류기는 회전으로 만든 교류를 기계적으로 정류하는 장치다.

직류기: 자기장 속 회전 코일의 기전력은 교류(e ∝ sin θ)지만, 정류자가 기전력이 0인 영교차 순간 브러시 연결을 맞바꿔 외부에서 한 방향(맥동 직류 |sin θ|)으로 만든다. 도체와 정류자편을 늘리면 맥동이 평활해지고, 평균 유기기전력은 E = P Φ Z N / (60 a)다.

이 정류 작용을 손에 쥐면

정류자는 직류기의 심장이다. 같은 기계를 거꾸로 쓰면 외부 직류가 정류자를 거쳐 코일에 들어가 한 방향 토크를 만드는 직류 전동기가 된다. 다만 전기자 전류가 만드는 자속이 주자속을 일그러뜨려 영교차가 밀리는데, 다음 강의 전기자 반작용이 바로 그 문제이다(MC-B2). 거기서 영교차가 어떻게 밀리고 어떻게 보정하는지를 본다.