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전기기기 중 직류기는 직류 발전기(DC generator)와 직류 전동기(DC motor)를 주로 사용하며 둘의 구성은 동일합니다. 전자기의 원리를 사용하여 기계적 에너지를 전기 에너지(DC 발전기)로 또는 전기 에너지를 기계적 에너지(DC 모터)로 변환하는 장치입니다. 직류기를 동작하는 이론과 원리를 자세히 알아보도록 합시다.
이론1 - 앙페르의 오른나사 법칙
전선에 전류가 흐르면 전선의 주위로 회전하는 형태의 자기장이 형성된다. 앙페르의 오른나사 법칙은 자기장의 회전 방향을 정의하는 법칙이다. 오른손의 엄지 손가락을 전류의 방향으로 설정하였을 때 나머지 네개의 방향이 자기장의 방향으로 정의한다.
이론2 - 플레밍 오른손 법칙
자기장 속에서 도체가 임의의 속도로 운동할 때 도체에 유기기전력이 형성된다. 플레밍의 오른손 법칙은 기전력의 방향을 정의해 주는 법칙이다. 오른손을 펼친 상태에서 엄지 손가락이 도체의 운동방향, 나머지 네개의 손가락 방향이 자기장 방향, 손바닥의 방향이 유기 기전력의 방향이 된다. 수학적으로 정의하면 속도벡터와 자기장 벡터의 외적(cross)한 결과가 유기 기전력의 크기와 방향을 결정한다.
이론3 - 플레밍의 왼손 법칙
전류가 흐르는 고정되어 있는 도체에 운동하는 자기장을 가하면 자기장의 방향에 따라 도체가 운동하는 방향을 정의하는 법칙이다. 왼손을 펼친 상태에서 엄지 손가락이 자기장의 방향, 나머지 네개의 손가락의 방향이 전류 방향, 손바닥의 방향이 도체에 적용되는 힘의 방향이다. 수학적으로 정의하면 전류벡터와 자기장 벡터의 외적(cross)한 결과가 힘의 크기와 방향을 결정한다.
기본 구성 요소:
고정자: 계자 권선을 수용하는 기계의 고정 부분.
회전자: 전기자 권선 또는 영구 자석을 운반하는 기계의 회전 부분.
필드 와인딩: 자기장을 생성하기 위해 고정자 극 주위에 감긴 와이어 코일.
전기자 권선: 자기장과 상호 작용하는 회전자 주위에 감긴 와이어 코일.
정류자: 전기자 권선에서 생성된 교류(AC)를 DC 발전기에서 직류(DC)로 변환하거나 DC 모터에서 그 반대로 변환하는 수단을 제공하는 회전자에 장착된 분할된 원통형 장치.
브러시: 정류자와 전기적 접촉을 유지하는 탄소 또는 흑연 기반 접점.
자기장 생성:
DC 기계에서 자기장은 계자 권선을 통해 직류를 통과시켜 생성됩니다. 계자 권선은 일반적으로 자기장의 강도를 제어하기 위해 직렬 또는 병렬 배열로 연결됩니다. 전류가 권선을 통해 흐르면 고정자 극 주위에 자기장이 생성됩니다. 극은 전자석(계자 코일) 또는 영구 자석일 수 있습니다.
전기자 권선 및 정류:
전기자 권선은 회 전자에 장착되고 정류자에 연결됩니다. 정류자는 서로 절연된 구리 세그먼트로 구성됩니다. 전기자 권선은 폐쇄 루프를 형성하는 방식으로 배열됩니다.
DC 발전기 작동:
DC 발전기에서 기계적 에너지는 전기 에너지로 변환됩니다. 외부 원동기 또는 샤프트에 연결된 모터에 의해 발전기의 회전자가 회전하면 전기자 권선이 고정자에 의해 생성된 자기장을 절단합니다. 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 전기자 권선에 전압이 유도됩니다. 권선이 다른 자기장 영역을 통과할 때 유도 전압의 방향이 바뀝니다. 전기자 권선이 회전함에 따라 정류자의 세그먼트가 고정 브러시와 접촉하게 됩니다. 정류자 세그먼트는 전기자 권선의 다른 섹션에 전기적으로 연결됩니다. 세그먼트가 브러시를 통과함에 따라 권선에 유도된 전압의 극성이 변경됩니다. 정류자와 브러시는 전기자 권선에 유도된 교류 전압을 직류로 효과적으로 변환합니다. 발전기에서 생성된 DC 전압은 기계의 단자에서 사용할 수 있으며 전기 부하에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.
DC 모터 작동:
DC 모터에서는 전기 에너지가 기계 에너지로 변환됩니다. 전기자 권선을 통해 직류가 흐르면 회전자 주위에 자기장이 생성됩니다. 전기자 권선에 의해 생성된 자기장과 고정자 극에 의해 생성된 자기장 사이의 상호 작용으로 인해 전기자 권선에 힘(로렌츠 힘)이 작용합니다. 플레밍의 왼손 법칙에 따르면 힘이 로터를 회전시킵니다. 정류자와 브러시는 DC 모터의 작동에 중요한 역할을 합니다. 로터가 회전함에 따라 정류자 세그먼트가 브러시와 접촉하고 전기자 권선의 전류 극성이 변경됩니다. 이러한 전류 방향의 변화는 전기자 권선에 의해 생성된 자기장이 항상 회전자에 회전력을 계속 생성하는 방식으로 고정자에 의해 생성된 자기장과 상호 작용하도록 합니다.