정류자
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1. 개요
정류자는 전기자 권선에 연결된 회전축에 고정된 세그먼트 집합으로 구성되며, 모터나 발전기에서 전류의 방향을 주기적으로 반전시키는 역할을 한다. 모터에서는 정류자가 자기장 내에서 회전력을 생성하고, 발전기에서는 기계적 토크를 통해 전류를 유도한다. 실용적인 정류자는 최소 세 개의 접촉 부품을 가지며, 구리 세그먼트와 브러시로 구성된다. 탄소 브러시는 구리 브러시보다 마모가 적고 스파크가 적으며, 브러시 홀더는 브러시와 전기자 간의 일정한 접촉을 유지한다. 정류자는 자기장 왜곡과 자려 현상을 보상하기 위해 브러시 위치를 조정하거나 보극을 사용하며, 슬라이딩 마찰, 마모, 전압 강하, 스파크 등의 단점으로 인해 교류 모터 및 브러시리스 직류 모터로 대체되는 추세이다.
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| 정류자 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 용도 | 직류 전동기 직류 발전기 |
| 기능 | 전류 방향 전환 |
| 관련 항목 | 브러시 |
| 상세 정보 | |
| 재료 | 구리 강철 |
| 구조 | 회전축에 부착된 분리된 금속 세그먼트 |
| 작동 원리 | 브러시와의 접촉을 통해 전기 회로 연결 변경 |
| 역할 | 전동기: 코일에 흐르는 전류 방향을 주기적으로 반전시켜 회전력 유지 발전기: 유도된 AC 전압을 DC 전압으로 정류 |
| 역사 | |
| 발명 시기 | 19세기 초 |
| 발명가 | 윌리엄 스터전 또는 히폴리트 픽시 (이견 있음) |
| 추가 정보 | |
| 문제점 | 스파크 발생 브러시 마모 전기적 노이즈 발생 |
| 개선 방안 | 브러시 재료 개선 정류자 설계 개선 전자 정류 (브러시리스 모터) |
| 대체 기술 | 브러시리스 전동기 |
2. 작동 원리
정류자는 회전축에 고정되어 전기자 권선에 연결되는 접촉 막대 세트로 구성된다. 축이 회전하면 정류자는 전류 흐름을 반전시킨다. 발전기에서 축에 가해지는 기계적 토크는 고정 자계를 통해 전기자 권선의 움직임을 유지하여 권선에 전류를 유도한다. 모터와 발전기 모두에서 정류자는 권선을 통해 흐르는 전류의 방향을 주기적으로 반전시켜 기계 외부 회로의 전류 흐름이 한 방향으로만 유지되도록 한다.
2. 1. 모터의 경우
정류자는 기계의 회전축에 고정되고 전기자 권선에 연결된 일련의 접촉 막대(bar)로 구성된다. 축이 회전함에 따라 정류자는 권선 내의 전류 흐름을 반전시킨다. 단일 전기자 권선의 경우, 축이 반 바퀴 회전하면 권선이 연결되어 초기 방향과 반대 방향으로 전류가 흐르게 된다. 모터에서 전기자 전류는 고정된 자기장이 권선에 회전력, 즉 토크를 가하여 회전하게 한다.2. 2. 발전기의 경우
정류자는 회전축에 고정되어 전기자 권선에 연결되는 접촉 막대 세트로 구성된다. 축이 회전할 때, 정류자는 전류 흐름을 반전시킨다. 발전기에서 축에 가해지는 기계적 토크는 권선에 전류를 유도하는 고정 자계를 통해 전기자 권선의 움직임을 유지한다.[1]
발전기에서 축에 가해지는 기계적 토크는 고정된 자기장을 통과하는 전기자 권선의 움직임을 유지하여 권선에 전류를 유도한다. 정류자는 권선을 통해 흐르는 전류의 방향을 주기적으로 반전시켜 기계 외부 회로의 전류 흐름이 한 방향으로만 유지되도록 한다.[1]
2. 3. 정류자의 구조
정류자는 기계의 회전축에 고정되어 전기자 권선에 연결되는 일련의 접촉 바(bar)로 구성된다. 축이 회전함에 따라 정류자는 권선 내의 전류 흐름을 반전시킨다. 단일 전기자 권선의 경우, 축이 반 바퀴 회전하면 권선이 연결되어 초기 방향과 반대 방향으로 전류가 흐르게 된다. 모터에서 전기자 전류는 고정된 자기장이 권선에 회전력, 즉 토크를 가하여 회전하게 한다. 발전기에서 축에 가해지는 기계적 토크는 고정된 자기장을 통과하는 전기자 권선의 움직임을 유지하여 권선에 전류를 유도한다. 모터와 발전기 모두에서 정류자는 권선을 통해 흐르는 전류의 방향을 주기적으로 반전시켜 기계 외부 회로의 전류 흐름이 한 방향으로만 유지되도록 한다.실용적인 정류자는 적어도 세 개의 접촉 부품을 가져야 하는데, 이는 두 개의 브러시가 동시에 두 개의 정류자 부품만 연결하는 "데드(dead)" 지점을 방지하기 위함이다. 브러시는 절연 갭보다 넓게 제작되어 브러시가 항상 전기자 코일과 접촉하도록 한다. 최소 세 개의 부품을 가진 정류자의 경우, 로터가 두 개의 정류자 부품이 하나의 브러시에 닿는 위치에서 멈출 수 있지만, 이는 로터의 한 팔만 무전원화하며 다른 팔들은 여전히 제대로 작동한다. 나머지 로터 팔을 사용하여 모터는 로터를 회전시키기에 충분한 토크를 생성할 수 있으며, 발전기는 외부 회로에 유용한 전력을 공급할 수 있다.
정류자는 회전 기계 또는 회전자의 원주 부분을 따라 고정된 일련의 구리 세그먼트와 기계의 고정 프레임에 고정된 일련의 스프링 장착 브러시로 구성된다. 둘 이상의 고정 브러시는 모터의 전류 공급원 또는 발전기의 부하인 외부 회로에 연결된다.
정류자 세그먼트는 전기자의 코일에 연결되며 코일(및 정류자 세그먼트) 수는 기계의 속도와 전압에 따라 달라진다. 대형 모터는 수백 개의 세그먼트를 가질 수 있다.
정류자의 각 전도 세그먼트는 인접한 세그먼트와 절연되어 있다. 초기 기계에는 운모가 사용되었으며, 여전히 대형 기계에 사용된다. 다른 많은 절연 재료가 소형 기계의 절연에 사용된다. 예를 들어 플라스틱은 절연체의 빠른 제조를 가능하게 한다. 세그먼트는 각 세그먼트의 가장자리 또는 바닥면에 주먹장 맞춤 모양을 사용하여 샤프트에 고정된다. 각 세그먼트의 둘레를 둘러싼 절연 웨지는 정류자가 정상 작동 범위에서 기계적 안정성을 유지하도록 눌러진다.
소형 기기 및 공구 모터의 경우 세그먼트는 일반적으로 영구적으로 압착되어 제거할 수 없다. 모터가 고장나면 폐기하고 교체한다. 대형 산업 기계(예: 정격이 수 킬로와트에서 수천 킬로와트)의 경우 손상된 개별 세그먼트를 교체하는 것이 경제적이며, 따라서 엔드 웨지를 풀고 개별 세그먼트를 제거하고 교체할 수 있다.
구리 및 운모 세그먼트를 교체하는 것을 일반적으로 "재충전"이라고 한다. 재충전 가능한 주먹장 맞춤 정류자는 대형 산업용 정류자의 가장 일반적인 구조이지만, 유리 섬유(유리 밴드 구조) 또는 단조 강철 링(외부 강철 수축 링 유형 구조 및 내부 강철 수축 링 유형 구조)으로 만든 외부 밴드를 사용하여 재충전 가능한 정류자를 구성할 수도 있다.
소형 DC 모터에서 일반적으로 발견되는 일회용 성형 정류자가 더 큰 전기 모터에서 점점 더 보편화되고 있다. 성형 정류자는 수리할 수 없으며 손상된 경우 교체해야 한다.
일반적으로 사용되는 열, 토크 및 톤수 정류자 시즈닝 방법 외에도 일부 고성능 정류자 응용 분야에서는 개별 세그먼트의 안정성을 보장하고 탄소 브러시의 조기 마모를 방지하기 위해 보다 비싸고 특정적인 "스핀 시즈닝" 프로세스 또는 과속 스핀 테스트가 필요하다. 이러한 요구 사항은 클램핑 고장 및 세그먼트 또는 절연 돌출로 인해 심각한 부정적인 결과를 초래할 수 있는 견인, 군사, 항공 우주, 원자력, 채광 및 고속 응용 분야에서 일반적이다.
세그먼트와 브러시 사이의 마찰은 결국 두 표면 모두에 마모를 유발한다. 탄소 브러시는 더 부드러운 재료로 만들어져 더 빨리 마모되며 기계를 분해하지 않고도 쉽게 교체할 수 있도록 설계될 수 있다. 구형 구리 브러시는 정류자에 더 많은 마모를 일으켜 시간이 지남에 따라 표면에 깊은 홈과 노치가 생기게 했다.
소형 모터(예: 정격이 1킬로와트 미만)의 정류자는 장치 수명 동안 수리하도록 설계되지 않았다. 대형 산업 장비의 경우 정류자를 연마재로 다시 표면 처리하거나 회전자를 프레임에서 제거하여 대형 금속 선반에 장착하고 정류자를 더 작은 직경으로 절단하여 다시 표면 처리할 수 있다. 가장 큰 장비에는 정류자 바로 위에 선반 선삭 부착 장치가 포함될 수 있다.
3. 브러시
초창기 기계는 전기자 정류자 표면에 접촉하기 위해 구리선 가닥으로 만든 브러시를 사용했다. 그러나 이러한 단단한 금속 브러시는 매끄러운 정류자 세그먼트를 긁고 홈을 내는 경향이 있어 결국 정류자를 재표면 처리해야 했다. 구리 브러시가 마모되면서 먼지와 조각이 정류자 세그먼트 사이에 끼어 단락을 일으키고 장치의 효율을 떨어뜨렸다. 미세한 구리선 메쉬 또는 거즈는 세그먼트 마모가 적고 표면 접촉이 더 좋았지만, 스트립 또는 와이어 구리 브러시보다 더 비쌌다.
현대의 회전 기계는 거의 예외 없이 탄소 브러시를 사용하며, 전도성을 향상시키기 위해 구리 가루를 섞기도 한다. 금속 구리 브러시는 장난감이나 매우 작은 모터, 자동차 시동 모터와 같이 매우 간헐적으로 작동하는 일부 모터에서 찾아볼 수 있다.
모터와 발전기는 '전기자 반작용'이라는 현상을 겪으며, 그 영향 중 하나는 부하가 변함에 따라 전류 반전이 이상적으로 발생해야 하는 위치를 변경하는 것이다. 초창기 기계는 손잡이가 있는 링에 브러시가 장착되어 있었고, 작동 중에는 브러시의 스파크를 최소화하기 위해 브러시 링의 위치를 조정하여 정류를 조정해야 했다.
브러시에서 정류를 조정하고 스파크를 최소화하는 과정을 자동화하기 위해 다양한 개발이 이루어졌다. 그중 하나는 구리 가루와 탄소의 혼합물로 만든 '고저항 브러시'였다.[3] 고저항 브러시는 밀리옴 단위의 저항을 가졌으며, 정확한 값은 기계의 크기와 기능에 따라 달랐다. 또한 정류자 모양에 맞춰 곡면을 가진 탄소 블록 형태로 만들어졌다.
고저항 또는 탄소 브러시는 절연 세그먼트보다 상당히 넓게 만들어졌다. 그 결과, 정류자 세그먼트가 브러시 아래에서 지나갈 때 전류가 갑자기 끊어지는 대신, 해당 세그먼트로 전달되는 전류가 더 부드럽게 감소한다. 마찬가지로 브러시에 접촉하는 세그먼트는 전류가 유사하게 증가한다.
탄소 브러시는 구리 브러시보다 더 균일하게 마모되는 경향이 있으며, 부드러운 탄소는 정류자 세그먼트에 훨씬 적은 손상을 입힌다. 탄소는 구리에 비해 스파크가 적으며, 탄소가 마모됨에 따라 탄소의 높은 저항으로 인해 정류자 세그먼트에 먼지가 쌓이는 문제가 줄어든다.
구리와 탄소의 비율은 특정 목적에 따라 변경할 수 있다. 구리 함량이 높은 브러시는 매우 낮은 전압과 높은 전류에서 더 잘 작동하는 반면, 탄소 함량이 높은 브러시는 고전압과 낮은 전류에 더 적합하다. 구리 함량이 높은 브러시는 일반적으로 접촉 표면 1제곱인치당 150~200 암페어를 전달하는 반면, 탄소 함량이 높은 브러시는 40~70 암페어만 전달한다. 탄소의 높은 저항은 또한 접촉당 0.8~1.0 볼트 또는 정류자 전체에서 1.6~2.0 볼트의 더 큰 전압 강하를 초래한다.[4]
3. 1. 브러시의 종류
초창기 기계에는 전기자 정류자 표면에 접촉하기 위해 구리선 가닥으로 만든 브러시를 사용했다. 그러나 구리 브러시는 정류자 세그먼트를 긁고 홈을 내는 경향이 있어 정류자를 다시 표면 처리해야 했다. 또한 마모된 구리 브러시의 먼지와 조각이 정류자 세그먼트 사이에 끼어 단락을 일으키고 장치의 효율을 떨어뜨렸다.[2] 미세한 구리선 메시나 거즈는 세그먼트 마모가 적고 표면 접촉이 더 좋았지만, 가격이 더 비쌌다.
현대의 회전 기계는 대부분 탄소 브러시를 사용하며, 전도성을 높이기 위해 구리 가루를 섞기도 한다. 금속 구리 브러시는 장난감이나 매우 작은 모터, 자동차 시동 모터처럼 간헐적으로 작동하는 일부 모터에서 볼 수 있다.
모터와 발전기에서는 '전기자 반작용' 현상으로 인해 부하에 따라 전류 반전 위치가 변한다. 초기 기계에서는 브러시의 스파크를 최소화하기 위해 브러시 링의 위치를 수동으로 조정해야 했다.
이후 구리 가루와 탄소 혼합물로 만든 '고저항 브러시'가 개발되어 정류 조정 및 스파크 최소화 과정이 자동화되었다.[3] 이 브러시는 밀리옴 단위의 저항을 가지며, 크기와 기능에 따라 값이 달랐다. 또한 정류자 모양에 맞춰 곡면을 가진 탄소 블록 형태로 만들어졌다.
고저항 탄소 브러시는 절연 세그먼트보다 넓게 만들어져 전류 전달이 부드럽게 이루어지도록 했다. 정류자 세그먼트가 브러시 아래를 지나갈 때 전류가 갑자기 끊어지지 않고 점차 감소하며, 브러시에 접촉하는 세그먼트는 전류가 점차 증가한다.
탄소 브러시는 구리 브러시보다 균일하게 마모되고 정류자 손상이 적으며, 스파크가 적고 먼지 쌓임 문제도 덜하다. 구리와 탄소의 비율은 용도에 따라 조절할 수 있는데, 구리 함량이 높으면 저전압/고전류에, 탄소 함량이 높으면 고전압/저전류에 적합하다. 구리 함량이 높은 브러시는 1제곱인치당 150~200 암페어를, 탄소 함량이 높은 브러시는 40~70 암페어를 전달한다. 탄소의 높은 저항은 접촉당 0.8~1.0 볼트, 정류자 전체에서 1.6~2.0 볼트의 전압 강하를 유발한다.[4]
3. 2. 브러시 홀더
초창기 기계에는 구리선 가닥으로 만든 브러시가 사용되었으나, 이는 정류자를 긁고 홈을 내는 경향이 있었다. 구리 브러시 마모로 인한 먼지와 조각은 정류자 세그먼트 사이에 끼어 단락을 유발하기도 했다. --현대의 정류자가 있는 회전 기계는 대부분 탄소 브러시를 사용하며, 전도성을 높이기 위해 구리 가루를 섞기도 한다. 금속 구리 브러시는 장난감이나 소형 모터, 자동차 시동 모터 등에서 간헐적으로 사용된다.
초기 기계에서는 브러시 위치를 조정하여 정류를 조절했지만, 현대에는 고저항 브러시(구리 가루와 탄소 혼합)를 사용하여 자동화했다. 고저항 브러시는 밀리옴 단위의 저항을 가지며, 정류자 모양에 맞춰 곡면 탄소 블록 형태로 제작된다.
탄소 브러시는 절연 세그먼트보다 넓게 만들어져 전류 전달이 부드럽게 이루어지도록 한다. 탄소 브러시는 구리 브러시보다 균일하게 마모되고 정류자에 손상을 덜 주며, 스파크가 적고 먼지 문제도 덜하다.
구리와 탄소의 비율은 용도에 따라 조절된다. 구리 함량이 높으면 저전압/고전류에, 탄소 함량이 높으면 고전압/저전류에 적합하다. 구리 함량이 높은 브러시는 1제곱인치당 150~200 암페어, 탄소 함량이 높은 브러시는 40~70 암페어를 전달한다. 탄소의 높은 저항은 접촉당 0.8~1.0 볼트, 정류자 전체에서 1.6~2.0 볼트의 전압 강하를 유발한다.[4]
브러시는 스프링을 사용하여 정류자와의 접촉을 유지하며, 마모되면 교체해야 한다. 유연한 전원 케이블은 브러시에 직접 연결되는데, 이는 스프링을 통해 전류가 흐르면 발열로 인해 장력이 손실될 수 있기 때문이다.
정류형 모터나 발전기가 단일 브러시보다 더 많은 전력을 사용하는 경우, 여러 브러시 홀더가 병렬로 장착되어 전류를 분산시킨다. 이를 통해 기계 작동 중에도 불량 브러시를 교체할 수 있다.
최근에는 교류 발전기의 발전으로 고전력, 고전류 정류 장비가 드물며, 탄소 브러시를 사용하는 최신 장치는 유지 보수가 필요 없는 설계를 갖추고 있다.
3. 3. 브러시 접촉각
초창기 기계에는 전기자 정류자 표면에 접촉하기 위해 구리선 가닥으로 만든 브러시가 사용되었다. 그러나 구리 브러시는 정류자 세그먼트를 긁고 홈을 내는 경향이 있었고, 마모된 먼지와 조각은 세그먼트 사이에 끼어 단락을 일으키기도 했다. 따라서 현대의 회전 기계는 대부분 탄소 브러시를 사용하며, 전도성을 높이기 위해 구리 가루를 섞기도 한다.[2]모터와 발전기에서는 '전기자 반작용' 현상으로 인해 부하에 따라 전류 반전 위치가 변하는데, 초창기 기계는 브러시 위치를 수동으로 조정해야 했다. 이를 자동화하기 위해 고저항 브러시, 즉 구리 가루와 탄소 혼합물로 만든 브러시가 개발되었다.[3] 이 브러시는 저항이 밀리옴 단위였으며, 정류자 모양에 맞춰 곡면을 가진 탄소 블록 형태로 만들어졌다. 고저항 탄소 브러시는 절연 세그먼트보다 넓게 만들어져 전류 전달이 부드럽게 이루어지도록 했다.
탄소 브러시는 구리 브러시보다 균일하게 마모되고 정류자 손상이 적으며, 스파크도 적게 발생한다. 구리와 탄소의 비율은 용도에 따라 조절할 수 있는데, 구리 함량이 높으면 낮은 전압과 높은 전류에, 탄소 함량이 높으면 고전압과 낮은 전류에 적합하다.[4]
브러시 유형에 따라 정류자와 접촉하는 방식이 다르다. 구리 브러시는 정류자와 동일한 경도를 가지므로, 회전자가 구리 브러시 끝을 거슬러 회전하면 손상을 입을 수 있다. 따라서 스트립/라미네이트 구리 브러시는 정류자와 접선으로만 접촉하고, 구리 메쉬 및 와이어 브러시는 경사진 접촉 각도를 사용한다. 반면 탄소 브러시는 부드러워서 정류자와 직접적인 방사형 접촉이 가능하다. 따라서 회전자 방향을 쉽게 바꿀 수 있다. 일반 가전 제품 모터는 역전되지 않으므로 방사형 접촉 브러시를 사용한다. 반응형 탄소 브러시 홀더의 경우, 탄소 브러시가 정류자에 대해 역으로 기울어져 정류자가 탄소를 밀어내도록 설계된다.
4. 정류 평면
브러시가 정류자에 닿는 접점을 '''교환 평면'''이라고 한다. 정류자에서 충분한 전류를 전도하기 위해 브러시 접촉 면적은 얇은 선이 아닌 세그먼트 전체에 걸쳐 있는 직사각형 모양이다. 일반적으로 브러시는 2.5개의 정류자 세그먼트를 가로지를 만큼 넓다. 이는 브러시가 두 개의 인접한 세그먼트에 접촉할 때 두 세그먼트가 전기적으로 연결됨을 의미한다.[7]
4. 1. 자기장 왜곡
대부분의 모터 및 발전기 설계는 브러시가 필드에서 완벽하게 90도 각도로 배열된 간단한 2극 장치로 시작한다. 이는 필드가 어떻게 상호 작용하는지 이해하는 데 유용하지만, 실제 모터 또는 발전기의 작동 방식은 아니다.
실제 모터 또는 발전기에서 회전자 주변의 필드는 절대 균일하지 않다. 대신 회전자의 회전은 외부의 고정자(stator)의 자기 선을 끌고 왜곡시키는 필드 효과를 유도한다.
회전자가 더 빨리 회전할수록 이 필드 왜곡의 정도는 더욱 커진다. 모터 또는 발전기는 회전자 필드가 고정자 필드에 직각일 때 가장 효율적으로 작동하므로, 왜곡된 필드에 직각이 되도록 회전자의 필드를 올바른 위치에 배치하기 위해 브러시 위치를 지연시키거나 전진시켜야 한다.
이러한 필드 효과는 회전 방향이 반전될 때 반전된다. 따라서 효율적인 가역 정류 다이노를 제작하는 것은 어렵다. 왜냐하면 최대 필드 강도를 위해서는 브러시를 정상적인 중립 평면의 반대쪽으로 이동해야 하기 때문이다. 이러한 효과는 전기자 전류를 전달하는 필드 극의 표면에 있는 보상 권선을 통해 완화될 수 있다.
이 효과는 내연 기관의 타이밍 전진과 유사하다고 볼 수 있다. 일반적으로 특정 고정 속도로 작동하도록 설계된 다이노는 해당 속도에서 최대 효율을 위해 필드를 정렬하도록 브러시가 영구적으로 고정된다.[12]
4. 2. 자여자 (Self-Induction)
자려(Self-Induction)는 각 전선의 코일 내 자기장이 결합 및 합성되어 전류 변화에 저항하는 자기장을 생성하는 현상이다. 이는 전류가 관성을 갖는 것과 유사하다.
로터 코일에서는 브러시에 도달한 후에도 전류가 잠시 동안 계속 흐르는 경향이 있다. 이로 인해 브러시가 여러 정류자 세그먼트를 가로질러 연결되고, 전류가 세그먼트 간에 단락되어 열로 인한 에너지 손실이 발생한다.
''유사 저항''은 전기자 권선의 저항이 겉보기로 증가하는 현상으로, 전기자 속도에 비례하며 전류 지연으로 인해 발생한다.
이 단락으로 인한 브러시에서의 스파크를 최소화하기 위해, 브러시는 자기장 왜곡을 위한 전진각보다 몇 도 더 전진된다. 이렇게 하면 정류를 겪고 있는 로터 권선이 정지자(stator) 자기장으로 약간 이동하게 되는데, 이 자기장은 반대 방향의 자기 선을 가지며 정지자의 자기장에 반대한다. 이 반대 자기장은 정지자 내에서 지연되는 자려 전류를 반전시키는 데 도움이 된다.
따라서 정지 상태에 있고 처음에는 회전 자기장 왜곡에 대한 보상이 필요 없는 로터의 경우에도, 자려를 보상하기 위해 많은 초보자 교과서에서 가르치는 완벽한 90도 각도보다 브러시를 더 전진시켜야 한다.
5. 보극 (Interpoles)
보극은 고정자의 주 극 사이에 위치한 작은 계자 코일과 극편으로, 가변자 전기자 반응을 보상하고 계자 왜곡을 보정하는 데 사용된다. 현대식 전동기 및 발전기 장치에 사용되는 "정류자"가 바로 이것이다.[14]
부하, 회전 속도(RPM), 또는 장치의 회전 방향이 변하면 보극에 동적으로 변화하는 계자를 적용하여 전기자 반작용으로 인한 계자 왜곡을 상쇄한다. 이를 통해 브러시 위치를 고정된 상태로 유지하고 세그먼트 간의 스파크 발생을 최소화할 수 있다.[14]
6. 한계 및 대안
정류자 직류 전동기와 다이나모는 한때 산업을 지배했지만, 지난 세기 동안 정류자의 단점으로 인해 사용이 감소했다. 이러한 단점은 다음과 같다.
- 브러시와 정류자 사이의 마찰은 전력을 소비하며, 이는 저전력 기계에서 상당할 수 있다.
- 마찰로 인해 브러시와 구리 정류자 세그먼트가 마모되어 먼지가 발생한다. 소형 가전 제품은 브러시가 제품만큼 오래 지속될 수 있지만, 더 큰 기계는 정기적인 브러시 교체 및 정류자 재표면 처리가 필요하다. 따라서 정류자 기계는 입자가 적거나 밀폐된 응용 분야 또는 유지 보수 없이 장기간 작동해야 하는 장비에는 사용되지 않는다.
- 브러시와 정류자 사이 슬라이딩 접점의 저항은 "브러시 강하"라고 하는 전압 강하를 유발한다. 이는 수 볼트가 될 수 있으므로 저전압, 고전류 기계에서 큰 전력 손실을 유발할 수 있다. 정류자를 사용하지 않는 교류 전동기가 훨씬 더 효율적이다.
- 정류자로 전환할 수 있는 최대 전류 밀도와 전압에 제한이 있다. 예를 들어 수 메가와트 이상 정격의 매우 큰 직류 기계는 정류자로 제작할 수 없다. 가장 큰 전동기 및 발전기는 모두 교류 기계이다.
- 정류자의 스위칭 작용은 접점에서 스파크를 유발하여 폭발성 대기에서 화재 위험을 초래하고 전자기 간섭을 생성한다.
교류의 광범위한 사용으로 인해 직류 전동기는 보다 효율적인 교류 동기 전동기 또는 유도 전동기로 대체되었다. 최근에는 전력 반도체의 광범위한 사용으로 인해, 남아있는 많은 응용 분야에서 정류자 직류 전동기가 "브러시리스 직류 전동기"로 대체되었다. 이들은 정류자를 가지고 있지 않으며, 대신 전류의 방향이 전자적으로 전환된다. 센서는 회전자 위치를 추적하고 트랜지스터와 같은 반도체 스위치가 전류를 반전시킨다. 이러한 기계의 작동 수명은 베어링 마모에 의해 주로 제한되어 훨씬 더 길다.
7. 반발 유도 전동기 (Repulsion Induction Motor)
이들은 고용량(비극성, 비교적 고전류 전해질) 시동 콘덴서가 실용화되기 전에 분상 시동 권선으로 얻을 수 있는 것보다 더 높은 시동 토크를 가진 단상 AC 전용 전동기이다. 일반적인 유도 전동기와 마찬가지로 일반적인 권선 고정자를 가지고 있지만, 전선으로 감은 회전자는 기존 정류자와 매우 유사하다. 서로 마주보는 브러시는 서로 연결되어 있으며(외부 회로에는 연결되지 않음), 변압기 작용은 반발력에 의해 토크를 발생시키는 회전자 내로 전류를 유도한다.
조정 가능한 속도를 갖는 것으로 유명한 한 종류는 브러시가 접촉된 상태로 지속적으로 작동하는 반면, 다른 종류는 높은 시동 토크에만 반발력을 사용하고, 경우에 따라 모터가 충분히 빠르게 작동하면 브러시를 들어 올린다. 후자의 경우, 모터가 작동 속도에 도달하기 전에 모든 정류자 세그먼트도 함께 연결된다.
속도에 도달하면 회전자 권선은 기존 유도 전동기의 다람쥐 케이지 구조와 기능적으로 동일해지며, 모터는 그렇게 작동한다.[15]
8. 실험용 정류자
전류 반전기는 물리학 실험실에서 전기 실험을 위한 간단한 정/역 스위치로 사용되었다. 잘 알려진 두 가지 역사적 유형이 있다.[16]
9. 관련 특허
| 특허 발명자 | 특허명 | 특허 날짜 |
|---|---|---|
| 엘리후 톰슨 | 발전기용 정류자 | 1881년 6월 7일 |
| 헨리 제이콥스 | 자석 발전기용 정류자 | 1881년 9월 6일 |
| 프랭크 B. 레이 & 클래런스 L. 힐리 | 발전기 또는 자석 발전기용 정류자 | 1884년 2월 26일 |
| 니콜라 테슬라 | 발전기용 정류자 | 1886년 1월 26일 |
| 토마스 E. 아담스 | 전기 발전기용 정류자 | 1886년 4월 27일 |
| 니콜라 테슬라 | 발전기용 정류자 | 1888년 5월 15일 |
참조
[1]
서적
Hawkins Electrical Guide
[2]
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Hawkins Electrical Guide
[3]
서적
Higher Electrical Engineering
[4]
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2-1-1 DCモータの回転原理を見直す
http://www.nidec.com[...]
ニデック株式会社
2016-05-08
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