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회전 자계

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목차

1. 개요

회전 자계는 전동기의 작동 원리이며, 프랑수아 아라고가 1824년에 처음 발견했다. 교류 전동기의 회전 자계에 대한 아이디어는 갈릴레오 페라리스와 니콜라 테슬라가 연구했으며, 페라리스는 1885년에, 테슬라는 1887년에 각각 회전 자계를 이용한 모터를 제작했다. 회전 자계는 3상 교류 시스템에서 널리 사용되며, 유도 전동기와 동기 전동기를 비롯한 다양한 응용 분야에서 활용된다.

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회전 자계

2. 역사

1824년, 프랑스 물리학자 프랑수아 아라고가 아라고의 회전을 통해 회전 자계의 존재를 처음으로 공식화했다.[3] 이후 여러 과학자들의 연구를 거쳐, 1888년 갈릴레오 페라리스와 니콜라 테슬라가 각각 회전 자계에 대한 연구 결과를 발표하고 특허를 획득했다. 갈릴레오 페라리스의 원리를 바탕으로 프리드리히 아우구스트 하젤반더가 최초의 교류 3상 발전기를 개발했고, 미하일 돌리보-도브로볼스키는 이를 기반으로 3상 발전기와 모터를 개발하여 3상 교류 시스템 발전에 기여했다.

2. 1. 초기 발견

1824년, 프랑스 물리학자 프랑수아 아라고는 회전하는 구리 원반과 바늘을 사용하여 회전자계의 존재를 공식화했으며, 이를 "아라고의 회전"이라고 명명했다.[3] 영국의 실험가 찰스 배비지와 존 허셜은 아라고의 구리 원반에 회전을 유도하기 위해 구리 원반 아래에서 U자형 자석을 회전시켰고, 영국의 과학자 마이클 패러데이는 이 효과를 전자기 유도의 결과로 보았다.[3] 1879년, 영국의 물리학자 월터 베일리는 U자형 자석을 4개의 전자석으로 대체하고 수동으로 스위치를 켜고 끄면서 원시적인 유도 전동기를 시연했다.[4][5][6][7][8]

2. 2. 페라리스와 테슬라의 독립적 연구

교류 전동기의 회전 자계에 대한 아이디어는 이탈리아의 물리학자이자 전기 기술자인 갈릴레오 페라리스와 세르비아계 미국인 발명가이자 전기 기술자인 니콜라 테슬라가 탐구했다.[9] 페라리스는 교류 기계의 이론과 설계를 연구하여 1885년에 교실 시연용으로 작동하는 모델을 제작했지만, 1888년까지 이를 공개적으로 설명하지 않았다.[10] 테슬라는 1880년대 초 여러 번의 (실패한) 설계와 작동 모델을 시도한 후 1887년에 작동하는 프로토타입을 제작했다.[11][12][13] 1888년 페라리스는 토리노의 ''왕립 과학 아카데미''에 자신의 연구 결과를 논문으로 발표했고, 테슬라는 자신의 설계에 대한 미국 특허([//www.google.com/patents/US381968 U.S. Patent 0,381,968])를 받았다.

회전 자계의 발견은 일반적으로 갈릴레오 페라리스와 니콜라 테슬라 두 사람에게 귀속된다.[19] 테슬라는 자서전에서 1882년에 구상을 얻었다고 밝혔고, 페라리스는 1885년에 구상 연구에 대해 기록했으며, 작동 모델도 만들었다고 주장했다.[20] 그러나 두 사람의 주장 모두 제3자에 의한 뒷받침은 없다.

2. 3. 3상 교류 시스템의 발전

갈릴레오 페라리스의 회전 자계 원리에 따라 프리드리히 아우구스트 하젤반더는 1887년에 최초의 교류 3상 발전기를 개발했다.[14] 1888년 페라리스는 토리노의 ''왕립 과학 아카데미''에 자신의 연구 결과를 논문으로 발표했고, 니콜라 테슬라는 자신의 설계에 대한 미국 특허를 받았다. 하젤반더 발전기를 기반으로 미하일 돌리보-도브로볼스키는 1891년 독일 프랑크푸르트에 건설된 세계 최초의 3상 발전소용 3상 발전기와 모터를 개발했다.[15]

3. 원리

회전 자계는 유도 전동기의 작동에 있어서 핵심 원리이다. 유도 전동기는 고정자와 회전자로 구성된다. 고정자에는 고정된 권선 그룹이 배열되어 있어, 2상 또는 3상 전류가 교류의 주파수에 의해 결정되는 각속도로 회전하는 자기장을 생성한다. 회전자 또는 전기자는 슬롯에 감겨 있고 단락되어 있으며, 자기장의 변화하는 자속이 전류를 유도한다. 전기자 전류에 의해 생성된 자속은 자기장에 작용하며 전기자는 특정 방향으로 회전하게 된다.[2]

회전자는 일정한 자기장을 갖는다. 회전자의 북극은 고정자의 자기장의 남극으로 이동하고 그 반대도 마찬가지이다. 이러한 자력 기계적 효과는 회전 자계를 동기적 방식으로 따라가도록 회전자를 구동하는 힘을 생성한다.

대칭 회전 자계는 90도 위상이 어긋난 교류 전류를 흘려 발생시킬 수 있다. 하지만 대부분의 경우 삼상 교류를 이용하기 위해 세 개의 고정자 코일이 사용된다.

회전 자계는 유도 전동기에도 사용된다. 영구 자석은 경년 열화 문제가 있으므로 유도 전동기에는 로터로서 전기적으로 단락된 코일이 사용되며, 이것이 여러 고정자 코일이 만드는 회전 자계를 따라 회전한다. 이 회전 자계 안에 놓인 로터에는 와전류가 생기며, 이 전류에 작용하는 로렌츠 힘에 의해 로터가 회전한다. 이 형식의 전동기에서는 로터에 와전류가 생기기 위해서는 "슬립"이 필요하므로 로터의 회전은 회전 자계와 동기하지 않는 경우가 많다.

3. 1. 2상 회전 자기장

대칭 회전 자기장은 90도 위상으로 구동되는 두 개 이상의 극성 권선 전자 코일로 생성할 수 있다. 두 개의 코일에 90도의 위상차를 갖는 교류 전류를 흘려보내면 회전 자기장이 생성된다.

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하지만, 대칭 3상 AC 사인 전류 시스템과 호환되기 때문에 세 개의 코일 세트가 거의 항상 사용된다. 세 개의 코일은 각 세트가 다른 세트보다 120도 위상차를 두고 구동된다. 모터 축에서 120도 위상차를 갖는 세 개의 정현파를 더한 결과는 크기가 항상 일정하게 유지되는 단일 회전 벡터이다.[17]

회전하는 검은색 화살표로 표시된 회전 3상 자기장


실제로는 3상 시스템이 사용되며, 여기서 세 개의 전류는 크기가 같고 120도의 위상차를 갖는다. 상호 기하 각도가 120도인 세 개의 유사한 코일은 이 경우 회전 자계를 생성한다.

세 개의 고정자 코일에 정현파 전류를 흘리면 회전축에 수직인 세 개의 정현파 자계가 발생한다. 이 세 자계를 하나로 합성하면 회전 자계가 된다.


120도 위상차가 있는 정현파를 하나로 합성하면 크기가 일정하고 방향이 회전하는 벡터를 얻는다.[18]

3. 2. 3상 회전 자기장

대칭 3상 AC 사인 전류 시스템과 호환되기 때문에 거의 항상 세 개의 코일 세트가 사용된다. 세 개의 코일은 각 세트가 다른 세트보다 120도 위상차를 두고 구동된다. 모터 축에서 120도 위상차를 갖는 세 개의 정현파를 더한 결과는 크기가 항상 일정하게 유지되는 단일 회전 벡터이다.[17] 이러한 자기장 내의 영구 자석은 외부 자기장과 정렬을 유지하도록 회전한다. 이 효과는 초기 교류 전기 모터에 활용되었다. 3상 시스템은 세 개의 전류가 크기가 같고 120도의 위상차를 갖는다. 상호 기하 각도가 120도인 세 개의 유사한 코일은 이 경우 회전 자계를 생성한다. 전기 모터에서 사용되는 회전 자계를 생성하는 3상 시스템의 능력은 3상 시스템이 세계의 전력 공급 시스템을 지배하는 주요 이유 중 하나이다.

대부분의 경우 삼상 교류를 이용하기 위해 세 개의 고정자 코일이 사용된다. 세 개의 코일 각각에는 서로 120도 위상차가 있는 교류 전류가 흐른다. 120도 위상차가 있는 정현파를 하나로 합성하면 크기가 일정하고 방향이 회전하는 벡터를 얻는다.[18] 이러한 자계 안에 놓인 영구 자석은 외부 자장과 방향을 일치시키도록 회전한다. 이 삼상 구성으로 전동기에 사용되는 회전 자계를 쉽게 발생시킬 수 있는 것이 송전 시스템에서 삼상 교류가 지배적인 이유 중 하나가 되었다.

3. 3. 회전자의 구동

회전 자계는 유도 전동기의 작동에 있어서 핵심 원리이다. 유도 전동기는 고정자와 회전자로 구성된다. 고정자에는 고정된 권선 그룹이 배열되어 있으며, 회전자는 슬롯에 감겨 있고 단락되어 있다. 고정자의 권선에 교류 전류가 흐르면, 주파수에 의해 결정되는 각속도로 회전하는 자기장이 생성된다. 이 변화하는 자기장은 회전자에 전류를 유도하고, 유도된 전류에 의해 생성된 자속은 고정자의 자기장과 상호작용하여 회전자를 특정 방향으로 회전시킨다.[2]

회전자는 일정한 자기장을 갖는다. 회전자의 북극은 고정자의 자기장의 남극으로 이동하고 그 반대도 마찬가지이다. 이러한 자력 기계적 효과는 회전 자계를 동기적 방식으로 따라가도록 회전자를 구동하는 힘을 생성한다.[17]

자석은 시간이 지남에 따라 열화되기 때문에, 유도 전동기는 다중 코일 고정자의 회전 자계를 따르는 단락된 회전자(자석 대신)를 사용한다. 이러한 모터에서 회전자의 단락 회전은 고정자의 회전 자계에서 와전류를 발생시키고, 이는 차례로 로렌츠 힘에 의해 회전자를 움직인다. 이러한 유형의 모터는 일반적으로 동기식이 아니며, 대신 자기장과 회전자의 상대적 움직임으로 인해 전류가 생성되기 위해 어느 정도의 '슬립'을 포함해야 한다.

U.S. Patent 381968: Mode and plan of operating electric motors by progressive shifting; Field Magnet; Armature; Electrical conversion; Economical; Transmission of energy; Simple construction; Easier construction; Rotating magnetic field principles.

4. 응용

회전 자기장은 현대 산업과 기술의 여러 분야에서 널리 응용된다. 유도 전동기는 고정자가 생성하는 회전 자기장이 회전자에 와전류를 유도하여 회전력을 얻는 방식으로 작동하며, 동기 전동기는 회전자가 회전 자기장에 맞춰 같은 속도로 회전하는 원리를 이용한다.

4. 1. 유도 전동기

유도 전동기는 고정자와 회전자로 구성되며, 고정자에 배치된 권선 그룹이 회전 자기장을 생성한다. 이 자기장은 회전자에 와전류를 유도하고, 이로 인해 발생하는 로렌츠 힘에 의해 회전자가 회전하게 된다.[2] 이러한 작동 원리는 3상 전력 시스템과 결합하여 효율적인 전력 공급을 가능하게 한다.

회전 자계는 유도 전동기에서 핵심적인 역할을 한다. 유도 전동기는 다중 코일 고정자의 회전 자계를 따르는 단락된 회전자(자석 대신)를 사용한다. 회전자의 단락 회전은 고정자의 회전 자계에서 와전류를 발생시키고, 이는 차례로 로렌츠 힘에 의해 회전자를 움직인다.[2]

일반적인 유도 전동기는 회전 자기장과 회전자 사이의 '슬립'이 필요하며, 이 때문에 회전자는 회전 자기장과 완전히 동기화되지 않는다.

4. 2. 동기 전동기

대칭 회전 자기장은 90도 위상으로 구동되는 두 번의 극성과 함께 감긴 코일로 만들 수 있다. 3개의 코일은 다른 위상이 120도를 중심으로 각각의 세트가 구동된다. 회전자는 일정한 자기장을 가지는데, 이 자기 기계 매력은 동기 방식으로 회전하는 자기장을 따라 회전자를 구동하는 힘을 생성한다.

5. 관련 특허


  • 0381968, 테슬라, "전자기 모터".[13]
  • 3935503, 레스, "입자 가속기".

6. 같이 보기


  • 다이나모 이론
  • 할바흐 배열: 공간적으로 회전하는 자계를 생성하는 배열이다.
  • 테슬라의 콜럼버스의 달걀
  • 마그네틱 교반기
  • 음영극형 유도 전동기
  • 농형 삼상 유도 전동기
  • 동기 전동기
  • 모터 및 엔진 기술의 역사
  • 전류 전쟁

참조

[1] 서적 Audels Engineers and Mechanics Guide https://archive.org/[...] THEO. AUDEL & CO.
[2] 논문 Practical wireless instruction https://archive.org/[...] 1919-01
[3] 서적 Tesla: Inventor of the Electrical Age https://books.google[...] Princeton University Press
[4] 서적 Tesla: Inventor of the Electrical Age https://books.google[...] Princeton University Press
[5] 논문 Account of the Repetition of M. Arago's Experiments on the Magnetism Manifested by Various Substances during the Act of Rotation https://archive.org/[...] 2012-12-02
[6] 서적 Polyphase Electric Currents and Alternate-Current Motors https://archive.org/[...] E. & F.N. Spon 2012-12-02
[7] 논문 A Mode of producing Arago's Rotation https://books.google[...] Taylor & Francis 1879-06-28
[8] 논문 Interpretation of a Discovery http://www.doiserbia[...] 2013-02-10
[9] 서적 Networks of power: electrification in Western society, 1880-1930 https://archive.org/[...] Johns Hopkins University Press
[10] 간행물 Ferraris https://archive.org/[...] Scholastic Library
[11] 서적 Tesla: Inventor of the Electrical Age https://books.google[...] Princeton University Press
[12] 웹사이트 Debunking the Tesla Myth https://edisontechce[...]
[13] 서적 Prodigal Genius: The Life of Nikola Tesla
[14] 서적 Africon 2007
[15] 웹사이트 AC Power History and Timeline https://edisontechce[...]
[16] 서적 Advanced Work In Aircraft Electricity https://archive.org/[...] U.S. Govt. Print. Off.
[17] 웹사이트 Production of rotating magnetic field http://www.electrica[...]
[18] 웹사이트 Production of rotating magnetic field http://www.electrica[...]
[19] 서적 Networks of power: electrification in Western society, 1880-1930 https://books.google[...]
[20] 간행물 Encyclopedia Americana: Meyer to Nauvoo Scholastic Library Pub.


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