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반발 전동기

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목차

1. 개요

반발 전동기는 회전자의 권선이 정류자에 연결되고, 정류자가 브러시와 접촉하는 구조의 교류 전동기이다. 브러시 위치를 변경하여 속도와 회전 방향을 제어하며, 고정자와 회전자 간의 자기장 반발 작용을 이용하여 작동한다. 고전압 사용이 가능하며, 데리 전동기, 라투르-빈터-아이히베르크 전동기, 반발 기동 유도 운전 전동기 등 다양한 종류가 있다. 과거에는 고속 엘리베이터, 전기 기관차 등에 사용되었으나, 효율성 문제로 인해 다른 전동기로 대체되는 추세이다.

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반발 전동기
반발 전동기
개요
종류교류 전동기
전기자권선형
여자직권 또는 분권
극수2극 이상
속도 제어인가 전압 또는 전기자 저항 제어
작동 원리
작동 원리'반발 전동기는 교류 전동기의 한 종류로, 전기자 권선에 유도된 전류와 계자 자속 사이의 반발력을 이용하여 회전력을 발생시킨다.'
'전기자 권선은 정류자를 통해 브러시로 단락되어 있으며, 브러시 위치에 따라 회전 방향과 토크가 결정된다.'
특징
특징'기동 토크가 크다.'
'속도 제어가 비교적 쉽다.'
'브러시와 정류자 유지보수가 필요하다.'
'소음이 크고 효율이 낮다.'
적용 분야
적용 분야'과거에는 기차, 엘리베이터 등에 사용되었으나, 현재는 유도 전동기나 서보 전동기로 대체되는 추세이다.'
'일부 특수 용도에 사용된다.'

2. 구조

반발 전동기는 고정자와 회전자로 구성되며, 이 둘 사이에는 직접적인 전기적 연결 없이 전자기 유도를 통해 회전자에 전류가 흐른다.[2] 회전자 권선은 정류자에 연결되고, 정류자는 서로 단락된 한 쌍의 브러시와 접촉한다.[1][2] 이 브러시의 각도 위치를 조절하여 전동기의 시동, 정지, 역회전 및 속도 제어가 가능하다.[2]

2. 1. 고정자와 회전자

이 전동기는 고정자와 회전자로 구성된다. 고정자와 회전자 사이에는 직접적인 전기적 연결이 없으며, 회전자에 흐르는 전류는 전자기 유도 원리에 의해 생성된다. 회전자 권선은 정류자에 연결되어 있다. 이 정류자는 한 쌍의 브러시와 접촉하는데, 이 브러시들은 서로 단락되어 있다. 브러시는 고정자의 축을 기준으로 각도 위치를 조절할 수 있도록 이동 가능하다.

2. 2. 정류자와 브러시

회전자 권선은 정류자에 연결된다. 이 정류자는 한 쌍의 브러시와 단락된 상태로 접촉하는데, 이 브러시는 고정자 축을 기준으로 각도 위치를 조절할 수 있도록 이동 가능하다.[1] 반발 전동기는 이 브러시의 각도 위치를 변경하는 것만으로 시동, 정지, 역회전이 가능하며 속도 조절도 할 수 있다.[2]

참고로, 반발 전동기의 고정자와 회전자 사이에는 직접적인 전기적 연결이 없다. 회전자에 흐르는 전류는 전자기 유도 현상에 의해 생성된다.[2]

3. 작동 원리

브러시 위치단락 상태의
브러시 위치시계 방향 회전을 위한
브러시 위치반시계 방향 회전을 위한
브러시 위치


3. 1. 자기장 간의 반발 작용

반발 전동기는 두 자기장 사이의 반발 작용 원리를 이용한다. 전기자는 정류자와 브러시에 연결되어 있다. 교류 전류가 계자 권선(고정자)에 공급되면, 전기자에 기전력(EMF)이 유도된다.

수직 자기축을 가진 2극 돌극(salient pole) 전동기를 예로 들어보자. 전기자는 정류자와 브러시에 연결되며, 브러시는 저항이 낮은 점퍼를 사용하여 단락되어 있다.

교류 전류가 고정자의 계자 권선에 공급되면 전기자에 기전력(EMF)이 유도된다. 이때 교류 전류는 고정자 상단에 북극(N극), 하단에 남극(S극)을 형성한다고 가정하자. 유도된 기전력의 방향은 렌츠의 법칙에 따라 결정되는데, 이는 기전력을 발생시키는 자기장의 변화를 방해하는 방향이다. 이 유도 기전력은 전기자 도체에 전류를 흐르게 하며, 이 전류의 방향은 브러시의 위치에 따라 달라진다.

3. 2. 기전력 유도

반발 전동기는 두 자기장 사이에서 발생하는 반발력을 이용하는 원리로 작동한다. 전기자는 정류자와 브러시에 연결되어 있으며, 이 브러시들은 저항이 낮은 도선으로 서로 연결되어 단락 상태를 만든다.

교류 전류가 고정자인 계자 권선에 공급되면, 전자기 유도 현상에 의해 회전자인 전기자에 기전력(EMF, electromotive force)이 발생한다. 예를 들어, 교류 전류가 고정자 권선에 흘러 위쪽에 북극(N극), 아래쪽에 남극(S극)을 형성한다고 가정해 보자. 이때 전기자에 유도되는 기전력의 방향은 렌츠의 법칙에 따라 결정된다. 렌츠의 법칙은 유도 기전력이 자신을 만들어 낸 자기장의 변화를 방해하려는 방향으로 생긴다는 원리이다.

이렇게 유도된 기전력은 전기자 도체에 전류를 흐르게 한다. 이 유도 전류의 방향은 브러시의 위치에 따라 달라지며, 이는 전동기의 회전 방향과 속도에 영향을 미친다.

3. 3. 브러시 위치와 회전 방향

반발 전동기는 고정자 자기장과 전기자 자기장 사이의 반발력을 이용하여 회전한다. 고정자 권선에 교류 전류가 흐르면 렌츠의 법칙에 따라 전기자에 기전력(EMF)이 유도되고, 이 기전력은 전기자 도체에 전류를 흐르게 한다. 이때 전기자에 흐르는 전류의 방향과 크기는 브러시의 위치에 따라 결정된다.

브러시의 위치를 조절함으로써 전동기의 회전 방향을 바꿀 수 있다. 특정 위치에서는 전동기가 회전하지 않으며, 브러시를 특정 각도로 이동시키면 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시킬 수 있다. 또한, 브러시의 위치는 발생하는 회전력(토크)의 크기에도 영향을 미쳐, 이를 통해 전동기의 속도 제어도 가능하다.[1]

3. 3. 1. 정지 위치



반발 전동기는 두 자기장 사이의 반발력을 이용하는 원리로 작동한다. 수직 자기축을 가진 2극 돌극(salient pole) 전동기를 예로 들어보자. 전기자는 정류자와 브러시에 연결되고, 브러시는 저항이 낮은 도체로 서로 연결되어 단락된다.

고정자 권선에 교류 전류가 흐르면 전기자에 기전력(EMF)이 유도된다. 이 교류 전류가 고정자 위쪽에 N극, 아래쪽에 S극을 형성한다고 가정하자. 유도 기전력의 방향은 렌츠의 법칙에 따라 결정되며, 이는 기전력을 발생시키는 원인인 자기장 변화를 방해하는 방향이다. 이 유도 기전력은 전기자 도체에 전류를 유도하고, 유도된 전류의 방향은 브러시 위치에 따라 달라진다. 특정 브러시 위치에서는 회전력(토크)이 발생하지 않는데, 다음 두 가지 경우가 있다.

'''자기장과 평행한 브러시 축'''

브러시 축이 고정자 자기장 방향과 평행하면, 전기자는 전자석처럼 작동한다. 이때 고정자의 N극 아래에는 전기자의 N극이, 고정자의 S극 위에는 전기자의 S극이 형성된다. 이 상태에서는 같은 극끼리(N극-N극, S극-S극) 서로 밀어내는 반발력이 발생한다. 하지만 두 반발력은 서로 정확히 반대 방향으로 작용하여 상쇄되므로, 순수한 회전력(토크)은 발생하지 않는다. 즉, 순 토크는 0이 된다.

'''자기장과 직각을 이루는 브러시 축'''

브러시 축이 자기장 방향과 90도 직각을 이루면, 브러시에 의해 단락되는 코일이 달라진다. 이 위치에서는 단락된 코일을 제외한 다른 코일들에 유도된 전압들이 서로 상쇄되어 브러시 단자 사이의 순 전압은 0이 된다. 결과적으로 순 유도 기전력이 없으므로 전기자 회로에 전류가 흐르지 않고, 따라서 회전력(토크)도 발생하지 않는다. 순 토크는 0이다.

3. 3. 2. 작동 위치

위치시계 반대 방향 회전을 위한
위치



브러시 축이 자기 축에 대해 각도를 이루며 변위되면 브러시 단자에 순전압이 유도되어 전기자에 전류가 흐른다. 전기자 회로의 전류는 자체적인 자기장을 생성하며, 북극과 남극을 형성한다. 하지만 이 조건에서는 북극이 자기 축의 북극 바로 아래에 있지 않고 남극이 자기 축의 남극 바로 위에 있지 않다. 전기자의 극은 고정자의 극에서 약간 벗어나 있다. 이 조건에서 고정자 자장의 N극은 회전자 자장의 N극을 밀어내고, 고정자 자장의 S극은 회전자 자장의 S극을 밀어내어 회전자가 회전을 시작한다.
회전 방향회전 방향은 고정자의 자기장에 대한 브러시의 위치에 따라 결정된다. 브러시가 주 자기 축에서 시계 방향으로 이동하면 모터는 시계 방향으로 회전한다. 브러시가 주 자기 축에서 시계 반대 방향으로 이동하면 모터는 시계 반대 방향으로 회전한다.
토크 및 속도 제어반발 전동기의 시작 토크는 주 자기 축으로부터의 브러시 이동 각도에 의해 결정된다. 최대 토크는 45도의 브러시 이동에서 얻어진다. 브러시 이동은 반발 전동기의 속도를 제어하는 데에도 사용될 수 있다.

4. 전압

대부분의 정류자 전동기는 전기 아크 발생 위험 때문에 약 1,500 볼트로 사용 전압이 제한된다. 하지만 반발 전동기는 회전자 회로가 전원에 전기적으로 연결되지 않아 더 높은 전압에서도 사용할 수 있다.

4. 1. 정류자 전동기의 전압 제한

대부분의 정류자 전동기는 약 1,500 볼트 정도로 사용 전압이 제한된다. 이는 더 높은 전압을 사용할 경우 정류자에서 아크 방전이 발생할 위험이 커지기 때문이다. 반면, 반발 전동기는 회전자 회로가 전원 공급 장치에 전기적으로 직접 연결되지 않기 때문에 정류자 전동기보다 더 높은 전압에서도 사용할 수 있다.

4. 2. 반발 전동기의 고전압 사용 가능성

대부분의 정류자 전동기는 약 1,500 볼트 정도의 전압으로 사용이 제한된다. 이는 더 높은 전압에서 정류자를 통해 아크가 발생할 위험이 크기 때문이다. 하지만 반발 전동기는 회전자 회로가 전원에 전기적으로 직접 연결되지 않는 구조를 가지고 있어, 이러한 아크 발생 위험이 적어 더 높은 전압에서도 사용될 수 있다.

5. 반발 전동기의 종류

반발 전동기는 다양한 종류가 있다. 이러한 다양한 유형은 전동기가 사용되는 환경에 필요한 토크/속도 특성을 최대한 맞추기 위해 개발되었을 가능성이 높다.

5. 1. 일라이휴 톰슨 전동기

일라이휴 톰슨 전동기는 최초의 반발 전동기이다.

5. 2. 데리 전동기

2극 데리 전동기


4극 데리 전동기


데리 전동기는 엘리후 톰슨 방식과 유사하지만, 단락된 브러시 한 쌍(고정 브러시와 가동 브러시)을 가지고 있다. 이는 매우 정밀한 속도 제어를 가능하게 한다.

5. 3. 라투르-빈터-아이히베르크 전동기

이는 '''라투르'''와 '''빈터-아이히베르크'''가 각각 독립적으로 고안한 "보상형" 반발 전동기이다. 이 전동기에는 두 쌍의 브러시가 있는데, 서로 직각으로 고정되어 있다. 한 쌍의 브러시는 단락되어 있고, 다른 한 쌍은 소형 변압기의 2차 권선에 있는 탭을 통해 가변 전압의 교류를 공급받는다. 변압기의 1차 권선은 전동기의 고정자 권선과 직렬로 연결된다. 이 전동기는 일반적인 직권 전동기와 동일한 토크 및 속도 특성을 가진다.

5. 4. 앳킨슨 전동기

앳킨슨 전동기는 서로 직각을 이루는 두 개의 고정자 코일을 가지고 있다. 속도 제어는 브러시 이동을 통해 이루어지며, 동기 속도의 75%에서 110% 범위까지 조절할 수 있다. 시동 시 발생하는 토크는 정격 부하 토크의 약 2.5배이고, 이때 흐르는 전류는 정격 부하 전류의 2배 수준이다.

5. 5. 반발 기동 유도 운전 전동기

이 전동기는 높은 시동 토크가 필요한 곳에 사용된다. 처음에는 반발 전동기 방식으로 시동하지만, 전동기가 정격 속도의 일정 수준까지 회전하게 되면, 기계 장치가 브러시를 들어 올리고 모든 정류자 바를 전기적으로 연결(단락)시킨다. 이렇게 되면 유도 전동기의 다람쥐 꼬리형 회전자와 동일한 방식으로 작동하게 된다.

6. 응용 분야

반발 전동기는 과거 다양한 산업 기계 및 운송 수단에 사용되었다.

6. 1. 과거 응용 분야

반발 전동기는 과거 다음과 같은 분야에서 사용되었다.

참조

[1] 서적 The Electrical Year Book 1937 Emmott and Company Limited
[2] 서적 The Electrical Year Book 1937 Emmott and Company Limited


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