다이너모
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1. 개요
다이너모는 기계적 회전을 펄스 직류 전류로 변환하는 전기 발전기의 초기 형태이다. 1831년 마이클 패러데이가 전자기 유도 법칙을 발견하면서 다이너모의 작동 원리가 밝혀졌다. 패러데이는 최초의 다이너모인 패러데이 원판을 제작했지만, 정류자가 없어 현재의 다이너모와는 달랐다. 이후 이폴리트 픽시가 정류자를 사용하여 직류를 얻는 다이너모를 만들었고, 안토니오 파치노티와 야노스 예들리크 등 여러 과학자들이 다이너모 개발에 기여했다. 베르너 폰 지멘스와 찰스 휘트스톤은 자기 여자 방식을 적용한 실용적인 다이너모를 개발했으며, 제노브 그람은 상업용 다이너모를 설계했다. 19세기 말, 교류 발전기가 등장하면서 다이너모는 쇠퇴했지만, 자전거 조명, 수동 발전기 등 특정 분야에서는 여전히 사용된다.
마이클 패러데이는 1831년부터 1832년 사이에 전자기 유도 현상을 발견하면서 다이너모의 역사가 시작되었다.Faraday's law영어라고 불리는 이 원리는 기전력이 가변 자속을 둘러싸고 있는 전기 도체에서 발생한다는 것이다.[15][16]
다이너모는 회전하는 전선 코일과 자기장을 사용하여 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 기계적 회전을 맥동하는 직류 전류로 변환한다. 다이너모는 일정한 자기장을 제공하는 고정자와 그 자기장 내에서 회전하는 전기자로 구성된다. 소형 기계에서는 영구 자석이, 대형 기계에서는 전자석이 일정한 자기장을 제공하며, 이를 ''계자 코일''이라고 부른다.[15][16]
2. 역사
'다이너모'라는 단어는 힘을 의미하는 그리스어 단어 'dynamis'(δύναμις)에서 유래했으며, 초기에는 전기 발전기를 지칭하는 또 다른 이름이었다. 1831년 마이클 패러데이는 전기와 자성 분야에서 자신의 발명을 활용하면서 이 단어를 만들었다.[15][16]
베르너 폰 지멘스의 "다이너모 원리"는 자여자 원리만을 사용하여 직류 전기를 생성하는 직류 발전기만을 지칭했다. 영구 자석을 사용했던 초기 직류 발전기는 "다이너모 전기 기계"로 간주되지 않았다.[17] 다이너모 원리(자기 유도)의 발명은 기존의 영구 자석 기반 직류 발전기를 뛰어넘는 주요 기술 도약이었으며, 산업 규모의 전력 생산을 가능하게 했다.
교류 발전기의 발명과 교류가 전원 공급 장치로 사용될 수 있다는 사실이 알려진 후, '다이너모'라는 단어는 '정류자 직류 전기 발전기'와 독점적으로 연관되었으며, 슬립 링 또는 회전자 자석을 사용하는 교류 전기 발전기는 교류 발전기로 알려지게 되었다.
자전거 바퀴 허브에 내장되어 조명에 전원을 공급하는 소형 전기 발전기를 허브 다이너모라고 부르지만, 이들은 교류 장치이며, 마그네토이다.
최초의 발전기는 마이클 패러데이가 1831년에 발명한 '패러데이 원판'으로, 구리 원반을 자석의 양극 사이에서 회전시키는 단극 발전기였다. 그러나 정류자를 사용하지 않아 현재 의미의 다이너모는 아니었다. 패러데이는 도선을 여러 번 감은 코일을 사용하면 전압을 높일 수 있다는 것을 발견하고, 이후 발전기 설계에는 코일이 사용되었지만, 직류를 생성하기 위해서는 정류자의 발명이 필요했다.
2. 1. 패러데이의 발견 (1831-1832)
마이클 패러데이는 1831~1832년에 전자기 발전기의 작동 원리인 패러데이 유도 법칙을 발견했다. 이 원리는 가변 자기 선속을 둘러싸는 전기 전도체에서 기전력이 발생한다는 것이다.
패러데이는 말굽형 자석의 극 사이에서 회전하는 구리 원반을 사용하여 최초의 전자기 발전기인 패러데이 원판을 만들었다. 이는 일종의 단극 발전기로, 작은 DC 전압을 생성했다. 그러나 정류자를 사용하지 않아 현재 의미의 다이너모는 아니었다.
패러데이 원판의 설계는 자기장의 영향을 받지 않는 원판 영역에서 자체 상쇄되는 역류로 인해 비효율적이었다. 자석 바로 아래에서 전류가 유도되었지만, 자기장의 영향을 받지 않는 영역에서 뒤로 순환하여 전력 출력을 제한하고 구리 원반의 폐열을 유도했다. 이후의 단극 발전기는 원판 둘레에 배열된 자석을 사용하여 이 문제를 해결, 하나의 전류 흐름 방향에서 일정한 자기장 효과를 유지했다.
또 다른 단점은 자기 선속을 통한 단일 전류 경로로 인해 출력 전압이 매우 낮다는 것이었다. 패러데이 등은 여러 번의 전선을 코일로 감아 더 높고 유용한 전압을 생성할 수 있다는 것을 발견했다. 와이어 권선은 회전 수를 변경하여 원하는 전압을 편리하게 생성할 수 있으므로, 이는 모든 후속 발전기 설계의 특징이 되었으나, 직류를 생성하기 위해서는 정류자의 발명이 필요했다.
2. 2. 초기 다이너모의 발전
최초의 정류자 다이너모는 1832년 프랑스의 기기 제작자 이폴리트 픽시에 의해 제작되었다. 그는 영구 자석을 크랭크로 회전시켰다. 회전하는 자석은 북극과 남극이 절연 전선으로 감싼 철 조각을 지나도록 배치되었다.
픽시는 자석이 코일을 지날 때마다 전선에 전류 펄스를 생성한다는 것을 발견했다. 그러나 자석의 북극과 남극은 반대 방향으로 전류를 유도했다. 교류를 직류로 변환하기 위해 픽시는 샤프트에 분할된 금속 실린더인 정류자를 발명했으며, 이 실린더에는 두 개의 스프링 금속 접촉부가 부착되어 있었다.[1]
이 초기 설계에는 생성된 전류가 전혀 없는 일련의 "스파이크" 또는 전류 펄스로 구성되어 평균 전력 출력이 낮다는 문제가 있었다.
이탈리아 물리학 교수 안토니오 파치노티는 1860년경 회전하는 2극 축 대칭 코일을 다극 환상 코일로 대체하여 이 문제를 해결했다. 그는 철 링을 연속적인 권선으로 감싸고, 링 주위의 많은 동일한 간격의 지점에서 정류자에 연결하여 환상 코일을 만들었다. 정류자는 여러 부분으로 나뉘었다. 이는 코일의 일부가 지속적으로 자석을 지나가 전류를 부드럽게 한다는 의미였다.[1]
1827년, 헝가리의 발명가 야노스 예들리크는 전자기 회전 장치를 실험하기 시작했으며, 이를 예들리크의 다이너모(Jedlik's dynamo) 또는 전자기 자기 회전자라고 불렀다. 단극 전기 시동기의 시제품에서 정지 부분과 회전 부분 모두 전자기적이었다.
1856년경, 베르너 폰 지멘스와 찰스 휘트스톤보다 6년 앞서 야노스는 다이너모의 개념을 정립했지만, 자신이 그 아이디어를 처음으로 실현한 사람이 아니라고 생각하여 특허를 내지 않았다. 그의 다이너모는 영구 자석 대신 회전자를 중심으로 자기장을 유도하기 위해 서로 반대쪽에 배치된 두 개의 전자기석을 사용했다.[6][7] 이는 또한 다이너모 자기 여자의 원리를 발견한 것이기도 하며,[8] 이는 영구 자석 설계를 대체했다.
2. 3. 실용적인 다이너모의 등장
베르너 폰 지멘스와 찰스 휘트스톤은 1867년 1월 17일 거의 동시에, 각각 독자적으로 자기 여자 방식을 적용한 실용적인 다이너모를 발표했다.[9][10] 지멘스는 베를린 아카데미에서 "dynamo-electric machine"(이때 '다이너모'라는 용어가 처음 사용됨)을 발표했다.[24] 같은 날, 왕립 학회에 전달된 논문에서 찰스 휘트스톤도 유사한 설계의 발전기를 발표했다. 지멘스 설계에서는 고정자 전자기석이 회전자와 직렬로 연결된 반면, 휘트스톤 설계에서는 병렬로 연결되었다는 차이점이 있었다.[9][10][25] 영구 자석 대신 전자기석을 사용함으로써 다이너모의 출력 전력이 크게 증가했고, 처음으로 고출력 발전이 가능해졌다. 이 발명은 전기의 최초 주요 산업적 사용으로 이어졌다. 예를 들어, 1870년대에 지멘스는 전기 아크로에 전력을 공급하기 위해 전자기 다이너모를 사용했다.
제노브 그람은 1871년에 파리에서 운영되는 최초의 상업 발전소를 설계하면서 파치노티의 설계를 재발명했다. 그람의 설계는 자기 선속에 대한 더 나은 경로를 제공하기 위해 무거운 철심으로 자기장이 차지하는 공간을 채우고 고정 부분과 회전 부분 사이의 공극을 최소화했다는 장점이 있었다. 그람 다이너모는 산업용으로 상업적인 양의 전력을 생성하는 최초의 기계 중 하나였다.[11] 그람 링에 대한 추가적인 개선이 이루어졌지만, 회전하는 무한 루프 와이어의 기본 개념은 모든 현대식 다이너모의 핵심으로 남아 있다.[12]
찰스 F. 브러시는 1876년 여름에 말에 의해 끌리는 트레드밀을 사용하여 첫 번째 다이너모를 조립했다. 브러시의 설계는 그람 다이너모를 수정했는데, 링 전기자를 원통형 대신 디스크 모양으로 만들었다. 계자 전자기석 또한 전기자 디스크의 원주 주위가 아닌 측면에 배치되었다.[13][14]
2. 4. 다이너모의 쇠퇴와 교류 발전기의 등장
19세기 말, 변압기를 사용하여 전력을 교류(AC)로 경제적으로 원거리에 분배할 수 있게 되면서 전력 시스템이 교류로 전환되었다. 이에 따라 20세기 동안 다이너모는 교류 발전기로 대체되었고, 현재는 거의 사용되지 않는다. 교류의 편리성이 밝혀지고 교류 발전기가 사용되면서 "다이너모"라는 용어는 직류 정류자 발전기를 나타내게 되었고, 교류 발전기는 알터네이터라고 불리게 되었다.
직류 기계는 정류자를 사용하기 때문에 교류 (AC) 기계보다 유지 보수 비용이 더 많이 들고 전력 제한이 더 컸다. 정류자의 단점은 다음과 같다.
3. 기술
전자기 발전기의 작동 원리는 1831~1832년에 마이클 패러데이에 의해 발견되었다. 이후 패러데이 유도 법칙이라고 불린 이 원리는 가변 자기 선속을 둘러싸는 전기 전도체에서 기전력이 발생한다는 것이다. 패러데이는 구리 원반을 회전시켜 단극 발전기인 패러데이 원판을 만들었는데, 이는 작은 DC 전압을 생성했지만, 정류자를 사용하지 않아 현재 의미의 다이너모는 아니었다. 이 설계는 자기장의 영향을 받지 않는 원판 영역에서 자체 상쇄되는 역류로 인해 비효율적이었다. 이후의 단극 발전기는 원판 둘레에 배열된 자석을 사용하여 이 문제를 해결했다. 또 다른 단점은 자기 선속을 통한 단일 전류 경로로 인해 출력 전압이 매우 낮다는 것이었는데, 여러 번의 전선을 코일로 감아 더 높고 유용한 전압을 생성할 수 있다는 것을 발견했다.
산업에 전력을 공급할 수 있는 최초의 전기 발전기인 다이너모는 찰스 휘트스톤 경, 베르너 폰 지멘스, 새뮤얼 앨프리드 바ley에 의해 독립적으로 발명되었다. 이들은 1867년 1월 17일 자신들의 발견을 알렸다.[9][10] "다이너모-전기 기계"는 고정자 자장을 생성하기 위해 영구 자석 대신 자체 전원을 공급하는 전자기장 코일을 사용했다. 휘트스톤과 지멘스의 설계는 유사했지만, 지멘스 설계에서는 고정자 전자기석이 회전자와 직렬로 연결된 반면, 휘트스톤 설계에서는 병렬로 연결되었다.[9][10] 영구 자석 대신 전자기석을 사용함으로써 다이너모의 출력 전력이 크게 증가했고, 처음으로 고출력 발전을 가능하게 했다.
제노브 그람은 1871년에 파리에서 운영되는 최초의 상업 발전소를 설계하면서 파치노티의 설계를 재발명했다. 그람 다이너모는 산업용으로 상업적인 양의 전력을 생성하는 최초의 기계 중 하나였다.[11] 찰스 F. 브러시는 1876년 여름에 트레드밀을 사용하여 첫 번째 다이너모를 조립했다. 브러시의 설계는 그람 다이너모를 수정했다.[13][14]
3. 1. 구성 요소
다이너모는 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 도선을 감은 코일과 자기장을 사용하여 기계적인 회전력을 맥동하는 직류 전류로 변환한다. 다이너모를 구성하는 부품 중 회전하지 않는 부분을 고정자라고 부르며, 일정한 자기장을 제공한다. 한편 회전하는 부품을 전기자라고 부르며, 그 자기장 안에서 회전한다. 작은 장치라면 그 일정한 자기장은 하나 또는 여러 개의 영구 자석으로 제공된다. 큰 장치에서는 전자석으로 제공하며, 이를 "자장 코일(field coil)" 등으로 부른다.
직류를 생성하는 데 필수적인 것은 정류자이다. 도선을 감은 것이 자기장 내에서 회전하면 거기에 생기는 전위차는 반 회전마다 역전되어 교류를 생성한다. 그러나 초기에는 교류의 사용법이 알려지지 않았다. 당시 몇 안 되는 전기 용도로는 전기 도금이 있는데, 이것에는 직류가 필요했고, 다루기 어려운 액체를 사용한 전지로 직류를 공급했다. 다이너모는 그러한 전지의 대체물로서 발명되었다. 정류자는 장치의 축에 설치된 일련의 접점이며, 회전 부분과 외부 회로와의 연결을 전위차의 역전에 맞춰 반전시켜 교류가 아닌 맥동하는 직류를 생성하는 것이다.[1][11][12]
3. 2. 작동 원리
패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라, 자기장 내에서 도선을 감은 코일이 회전하면 코일에 전류가 유도된다. 다이너모는 회전하지 않는 부분인 고정자와 회전하는 부분인 전기자로 구성된다. 고정자는 일정한 자기장을 제공하고, 전기자는 그 자기장 안에서 회전한다. 작은 장치에서는 하나 이상의 영구 자석이, 큰 장치에서는 전자석("자장 코일(field coil)"이라고도 함)이 고정자의 역할을 한다.[15][16]
직류를 생성하기 위해서는 정류자가 필수적이다. 코일이 자기장 내에서 회전하면, 코일을 통과하는 자기 선속이 반 회전마다 바뀌면서 교류가 발생한다. 정류자는 회전축에 설치된 접점으로, 회전하는 부분과 외부 회로 사이의 연결을 전위차가 역전될 때 반대로 바꾸어 교류 대신 맥동하는 직류를 생성한다.[12] 초기에는 금속 브러시가 사용되었기 때문에 "브러시"라고 불리는 흑연 블록 고정 접점을 사용한다.
3. 3. 자기 여자(Self-Excitation)
초기 다이너모는 영구 자석을 사용하여 자기장을 생성했지만, 더 강력한 자기장을 얻기 위해 전자석(계자 코일)을 사용했다.[19] 헨리 와일드와 베르너 폰 지멘스는 1866년에 다이너모 자체에서 생성된 전류를 사용하여 전자석 (계자 코일)에 공급하여 자기장을 강화하는 ''자기 여자'' 방식을 발견했다.[8] 이 방식은 훨씬 더 강력한 자기장을 생성하여 더 큰 출력 전력을 제공했다.
자기 여자 직류 다이너모는 일반적으로 직렬 및 병렬(분로) 계자 권선의 조합을 가지며, 정류자를 통해 회전자에 의해 재생 방식으로 직접 전원이 공급된다. 이는 전기 그리드에서 다른 발전기와 함께 사용되지 않는 현대식 휴대용 교류 발전기와 유사한 방식으로 시작하고 작동한다.
다이너모가 작동하지 않을 때는 금속 프레임에 약한 잔류 자기장이 남아 있는데, 이는 계자 권선에 의해 금속에 각인된 것이다. 다이너모는 외부 부하에 연결되지 않은 상태에서 회전을 시작하며, 잔류 자기장은 회전자가 회전하면서 회전자 권선에 매우 작은 전류를 유도한다. 이 작은 전류는 외부 부하가 연결되지 않은 상태에서 계자 권선에 완전히 공급되며, 잔류 자기장과 결합하여 회전자가 더 많은 전류를 생성하게 한다. 이러한 방식으로 자기 여자 다이너모는 정상 작동 전압에 도달할 때까지 내부 자기장을 ''구축''한다. 다이너모가 내부 자기장과 외부 부하를 모두 유지하기에 충분한 전류를 생성할 수 있게 되면 사용할 준비가 된 것이다.
금속 프레임에 잔류 자기장이 불충분하면 회전자의 회전 속도에 관계없이 회전자에서 어떠한 전류도 생성할 수 없다. 이러한 상황은 현대식 자기 여자 휴대용 발전기에서도 발생할 수 있으며, 두 유형 모두 정지된 발전기의 출력 단자에 짧은 직류 배터리 충전을 적용하여 해결할 수 있다. 배터리는 잔류 자기장을 각인할 수 있을 정도로 권선에 에너지를 공급하여 전류를 구축하는데, 이를 ''계자 플래싱''이라고 한다.
정지 상태에서 대형 외부 부하에 연결된 자기 여자 발전기는 잔류 자기장이 존재하더라도 전압을 구축할 수 없다. 부하는 에너지 싱크 역할을 하며 잔류 자기장에 의해 생성된 작은 회전자 전류를 지속적으로 소모하여 계자 코일에서 자기장 형성을 방지한다.
최초의 실용적인 발전기인 다이너모는 베르너 폰 지멘스와 찰스 휘트스톤이 거의 동시에 독자적으로 발표했다. 1867년 1월 17일, 지멘스는 베를린 아카데미에서 "dynamo-electric machine"(다이너모라는 용어는 이때 처음 사용됨)을 발표했는데, 이는 자력식 전자기 전기자를 사용했다.[24] 같은 날 왕립 학회에 전달된 찰스 휘트스톤의 논문에서는 유사한 설계의 발전기가 발표되었다. 지멘스의 설계는 전기자와 회전자가 직렬로 연결된 반면, 휘트스톤의 설계는 병렬 연결이었다는 차이점이 있다.[25] 영구 자석 대신 전자석을 사용함으로써 다이너모에서 발생하는 전력이 대폭 증가했으며, 이를 통해 사상 최초의 대전력 발전이 가능해졌다. 이러한 발명으로 산업에 전력이 사용되게 되었으며, 1870년대 지멘스는 다이너모를 전력원으로 사용하여 전기로를 운용, 금속 정제 등에 사용했다.
4. 현대적 응용
다이너모는 교류 발전기에 비해 효율이 낮고 유지보수가 필요하지만, 저전압 직류 전원이 필요한 특수 분야에서 여전히 사용된다. 반도체 정류기가 있는 교류 발전기는 이러한 응용 분야에서 비효율적일 수 있기 때문이다. 손으로 크랭크를 돌리는 다이너모는 태엽 라디오, 수동 손전등 및 기타 인력 발전 장비에서 배터리를 재충전하는 데 사용된다. 특히 인간의 동작을 동력원으로 전력을 얻는 방식은 인력 발전이라고 불린다.
4. 1. 소규모 발전
자전거 발전기는 자전거 바퀴의 회전력을 이용하여 전조등을 켜는 데 사용된다. 자전거 프레임에 장착하여 바퀴 (림 또는 타이어)와의 접촉으로 회전력을 얻는 '''림 다이너모''' 타입과, 바퀴에 영구 자석을 부착하는 '''비접촉 발전''' 타입, 그리고 허브에 다이너모가 내장된 '''허브 다이너모''' 타입으로 나뉜다.[28]
저렴한 자전거에 흔히 사용되는 림 다이너모는 병 모양 다이너모 또는 블록 다이너모라고도 불린다. 램프가 켜지지 않을 때는 바퀴에서 떼어두고, 점등 시에는 레버 조작으로 다이너모 자체를 토션 바 스프링과 같은 스프링의 힘으로 타이어 또는 림에 밀착시켜 발전을 한다. 고장이 적고 저렴하지만, 옆에서 밀어붙이는 방식이기 때문에 회전 전달 효율이 허브 내장형보다 떨어지는 경우도 있다.[28]
허브 다이너모는 미리 발전기를 내장한 허브를 사용한다. 림 다이너모보다 큰 코일을 사용할 수 있기 때문에 발전 효율이 높고, 페달 무게에 비교적 영향을 덜 받는 장점이 있다. CdS나 포토 다이오드 등의 광 센서를 사용한 오토 라이트 기능을 사용하여 자동 스위치로 라이트의 점등 및 소등을 제어한다.[28]
비접촉 발전 방식은 전륜에 장착된 자석이 회전하면서 고정된 램프 본체의 코일이 반응하여 비접촉으로 발전해 라이트가 켜진다. 점등 시 소리나 페달에 가해지는 부담이 거의 없다는 장점이 있다.[28]
수동 발전기는 손으로 크랭크를 돌려 전기를 생산하는 장치로, 재해 시 등의 비상용 라디오, 손전등, 휴대 전화 충전 등에 사용된다.[28]
4. 2. 과거의 응용
과거 자동차에서는 엔진의 동력으로 작동하는 다이너모를 사용하여 배터리를 충전하고 전기 장치에 전력을 공급했다.[20] 초기 유형은 3 브러시 다이너모였다. 그러나 현대에는 교류 발전기(알터네이터)로 대체되었다. 오토바이에서도 엔진의 힘으로 발전하여 배터리 충전이나 전장품 구동에 필요한 전력을 생산하는 직류 발전기를 다이너모라고 불렀다. 과거에는 셀 모터를 겸하여 엔진 시동 시에는 전동기, 엔진 시동 후에는 발전기가 되는 "셀 다이너모"가 존재하여, 경자동차에 널리 채용되었을 뿐만 아니라, 킥 시동이 주류였던 오토바이에 셀프 스타트 보급에 일익을 담당했다.산업 혁명 초기에는 증기 기관으로 구동되는 대형 다이너모가 발전소에서 널리 사용되어 산업 및 가정용 전력 생산을 담당했다.[20] 이후 교류 발전기로 대체되었다. 직렬 및 병렬(션트) 권선을 가진 대형 산업용 다이너모는 발전소에서 함께 사용하기 어려울 수 있었는데, 로터 또는 계자 배선이나 기계 구동 시스템이 특정 특수 조합으로 연결된 경우가 아니면 어려웠다.[20]
5. 같이 보기
참조
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この棒が、一台８役…？驚くほど緊急事態に心強い「ダイナモラジオライト」がなかなかやるぅ～。 - iPhoneケース・カバーならAppBank Store
https://www.appbanks[...]
2022-12-26
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