MC-B1 · 직류기 원리

직류기와 정류자

자기장 속에서 도는 코일의 기전력은 본래 교류다. 정류자가 그 교류를 어떻게 직류로 뒤집는지, 전환 시점을 직접 골라 알아본다.

외부에서 직류를 얻으려면 언제 연결을 바꿔야 하나

코일 안의 기전력은 반 바퀴마다 부호가 뒤집히는 교류다. 브러시가 코일과의 연결을 맞바꾸는 시점을 세 가지로 두어 보라. 외부 단자가 깔끔한 직류를 보는 시점은 언제인가.

탭으로 전환 시점 선택. 위 파형이 외부 단자 전압.

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 θ이고, 직류가 아니다.

어긋남

회전 도체의 기전력은 교류다

자기장 속에서 코일이 돌면 쇄교 자속이 회전각으로 변하고, 유도 기전력은 e = -dΦ/dt다. 도체가 자속을 가장 빠르게 가로지를 때 기전력이 최대, 자속과 나란할 때 0이다. 반 바퀴를 돌면 도체의 운동 방향이 자기장에 대해 뒤집혀 기전력의 부호도 뒤집힌다. 그래서 코일 안의 기전력은 본래 교류다.

관찰e(θ) ∝ sin θ

회전 도체의 기전력은 각도의 사인이라 교류다.

정류자가 영교차에서 연결을 뒤집는다

정류자는 둘로 쪼갠 고리로, 코일과 함께 돈다. 고정된 브러시는 코일이 자기장과 나란해져 기전력이 0이 되는 순간 다음 조각으로 넘어간다. 바로 그때 외부와의 연결이 맞바뀐다. 코일 기전력이 음으로 향해도 연결이 뒤집혔으니 외부 단자는 늘 같은 극성을 본다. 기전력이 0인 순간에 바꾸므로 불꽃도 작다.

고르기정류 시점 θ = ?

정류자는 기전력이 0인 영교차에서 전환한다.

빈칸e_ext = ?

외부 기전력은 정류되어 사인의 절댓값.

도체를 늘리면 매끄러운 직류와 큰 기전력

코일 하나는 |sin θ| 꼴로 크게 맥동한다. 슬롯과 정류자편을 늘려 여러 코일을 겹치면, 저마다 다른 위상의 맥동이 합쳐져 거의 평활한 직류가 되고 평균 기전력도 커진다. 정리하면 평균 유기기전력은 E = (P Φ Z N) / (60 a)다. 여기서 P는 극수, Φ는 극당 자속, Z는 전체 도체수, N은 회전수, a는 병렬 회로수다.

스스로E = ?

평균 유기기전력은 자속·도체수·회전수의 곱꼴.

첫 화면으로 돌아가서

외부가 깔끔한 직류를 본 것은 영교차에서 연결을 바꿨을 때뿐이었다. 안 바꾸면 교류 그대로, 엉뚱한 때 바꾸면 음으로 파였다. 정류자의 핵심은 기전력이 0이 되는 바로 그 순간에 외부 연결을 뒤집는 타이밍이다. 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 직류전동기가 된다. 다만 전기자 전류가 만드는 자속이 주자속을 일그러뜨려 정류 시점이 어긋나는데, 다음 유닛의 전기자 반작용이 그 문제다(MC-B2). 거기서 영교차가 어떻게 밀리고 어떻게 보정하는지를 본다.