회전자

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1. 개요

회전자는 전자기 시스템의 핵심 부품으로, 주로 유도 전동기, 발전기, 교류 발전기 등에서 사용된다. 회전자는 고정자와 함께 작동하며, 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하거나 그 반대로 변환하는 역할을 한다. 회전자의 유형은 유도 전동기의 경우 다람쥐 꼬리형과 권선형, 발전기 및 교류 발전기의 경우 돌극형과 원통형으로 나뉜다. 회전자의 배치 및 형상에 따라 이너 로터, 아우터 로터, 플랫 로터로 구분되며, 작동 원리는 고정자 권선에서 생성된 자기장과 회전자 도체의 상호 작용에 기반한다. 회전자의 특성은 종류에 따라 다르며, 회전자의 작동과 관련된 다양한 방정식이 존재한다.

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전동기 - 직류전동기
직류 전동기는 전류와 자기장의 상호 작용으로 회전력을 발생시키는 전동기로, 고정자 자석, 정류 방식, 회전자에 따라 분류되며 전기 자동차, 철도 등에서 활용되고 속도 제어가 용이하다.
전동기 - 유도전동기
유도전동기는 교류 전력으로 만들어진 회전 자기장을 이용하여 회전자에 전류를 유도하고 토크를 발생시키는 전동기이며, 비동기 전동기라고도 불린다.

회전자
개요
회전 전기 기계의 로터
유형	전기 기계 부품
사용 분야	전기 모터, 발전기
상세 정보
설명	회전 전기 기계의 비정지 부품

2. 회전자의 유형

유도 전동기(비동기 전동기), 발전기, 교류 발전기(동기 전동기)는 고정자와 회전자로 구성되는 전자기 시스템을 갖추고 있다. 유도 전동기의 회전자는 농형과 권선형 두 가지로 설계되며, 발전기와 교류 발전기의 회전자는 돌극형 또는 원통형으로 설계된다.

; 권선형 (직류기·동기기·유도기)

: 직류로 여자(勵磁)하는 경우 전류를 조절하여 자력을 바꿀 수 있다. 교류로 여자하는 경우에는 주파수를 변경하여 회전 속도를 제어할 수 있다. 유도기에서는 권선에 연결된 저항의 크기를 조절하여 시동 특성을 바꿀 수 있다.

; 영구 자석형 (직류기·동기기)

: 회전자의 손실에 따른 온도 상승이 없으므로 보호 장치가 필요하지 않다.^[16]

2. 1. 유도 전동기 (비동기 전동기)용 회전자

유도 전동기(비동기 전동기)는 고정자와 회전자로 구성되며, 회전자는 크게 농형과 권선형 두 가지로 나뉜다.

2. 1. 1. 농형 회전자

농형 회전자는 코어 내부에 적층된 강철로 구성되며, 주변에 구리 또는 알루미늄의 균등하게 간격을 둔 막대가 축 방향으로 배치되고, 단부 링에 의해 영구적으로 단락된다.^[3] 이 단순하고 견고한 구조로 인해 대부분의 응용 분야에서 선호된다. 이 어셈블리에는 비틀림이 있다: 막대가 경사지거나 꼬여 자성 험과 슬롯 고조파를 줄이고, 로킹 경향을 줄인다. 고정자에 수용된 회전자와 고정자 톱니는 동일한 수일 때 그리고 자석이 동일하게 떨어져 위치하여 양방향 회전에 반대할 때 로킹될 수 있다.^[3] 각 끝의 베어링은 하우징에 회전자를 장착하고, 샤프트의 한쪽 끝이 돌출되어 부하 부착을 허용한다. 일부 모터에는 비구동 끝에 속도 센서 또는 기타 전자 제어 장치가 장착되어 있다. 생성된 토크는 회전자를 통해 부하로 운동을 가한다.

농형(유도기)은 적층 규소강판의 철심 슬롯에 전기 전도체의 막대를 묻고 그 끝을 전기 전도체의 단락환으로 연결한 구조이다. 구조가 단순하고 견고하며 저렴하다. 소용량과 중용량에서는 도체와 단락환과 통풍 날개가 순도가 높은 알루미늄의 가압 주조로 만들어진 일체 구조로 되어 있다.^[16]

특수 농형(유도기)은 시동 시의 전류는 작고 토크는 큰 것이 바람직하므로, 시동 시의 회전자의 전기 저항을 크게 하기 위해 사용된다.

이중 농형 - 회전자 전기 도체를 반경 방향으로 이중으로 배치한 것.
심구 농형 - 반경 방향으로 가늘고 긴 회전자 전기 도체.

2. 1. 2. 권선형 회전자

권선형 회전자는 3상 권선용 와이어를 고정하기 위한 슬롯이 있는 강철 적층으로 만들어진 원통형 코어이며, 이는 120전기적 각도로 균등하게 간격을 두고 'Y' 형태로 연결된다.^[4] 회전자 권선 단자는 회전자의 샤프트에 있는 브러시가 있는 세 개의 슬립 링에 연결되어 있다.^[5] 슬립 링의 브러시는 속도 제어를 제공하기 위해 외부 3상 저항을 회전자 권선에 직렬로 연결할 수 있게 해준다.^[6] 외부 저항은 모터 시동 시 큰 토크를 생성하기 위해 회로의 일부가 된다. 모터 속도가 증가함에 따라 저항을 0으로 줄일 수 있다.^[5]

2. 2. 발전기 및 교류 발전기 (동기 전동기)용 회전자

유도 전동기(비동기 전동기)와 발전기, 교류 발전기(동기 전동기)는 고정자와 회전자로 구성된 전자기 시스템을 가지고 있다. 유도 전동기의 회전자는 다람쥐 꼬리형과 권선형 두 가지 설계가 있으며, 발전기와 교류 발전기의 회전자 설계는 돌극형 또는 원통형이다.

2. 2. 1. 돌극형 회전자

돌극 회전자는 "별 모양"의 강철 적층판으로 구성되며, 일반적으로 중앙에서 2개, 3개, 4개, 6개 또는 심지어 18개 이상의 "방사형 갈래"가 튀어나와 있다. 각 갈래는 구리선으로 감겨 개별적인 바깥쪽을 향하는 전자석 극을 형성한다. 각 갈래의 안쪽 끝은 회전자의 공통 중심 본체에 자기적으로 접지된다. 극은 직류 전류로 공급되거나 영구 자석에 의해 자화된다.^[7] 3상 권선이 있는 전기자는 전압이 유도되는 고정자에 위치한다. 외부 여자 장치 또는 회전자 샤프트에 장착된 다이오드 브리지의 직류 (DC)는 자기장을 생성하고 회전 자계 권선을 여자시키며, 교류는 동시에 전기자 권선을 여자시킨다.^[7]^[8]

돌극은 '''극 슈'''로 끝나는데, 이것은 투자율이 높은 부품으로, 바깥 표면은 고정자에 대한 자기 선속 분포를 균질화하기 위해 원통의 일부로 형성된다.^[9]

2. 2. 2. 원통형 회전자

원통형 회전자는 고체 강철 샤프트로 만들어지며, 샤프트의 바깥쪽 길이를 따라 홈이 있어 회전자의 계자 권선을 지지한다. 이 권선은 홈에 삽입된 적층 구리 막대이며, 쐐기로 고정된다.^[10] 홈은 권선과 절연되어 있으며, 회전자의 끝 부분에서 슬립 링으로 고정된다. 외부 직류(DC) 전원은 동심으로 장착된 슬립 링에 연결되며, 링을 따라 브러시가 작동한다.^[8] 브러시는 회전하는 슬립 링과 전기적 접촉을 한다. 직류 전류는 또한 교류를 직류로 변환하는 기계 샤프트에 장착된 정류기를 통해 브러시리스 여자 방식으로 공급된다.

2. 3. 영구 자석형 회전자 (직류기·동기기)

회전자는 손실에 따른 온도 상승이 없으므로, 그 보호가 불필요하다.^[16]

3. 회전자의 배치 및 형상

회전자는 배치 및 형상에 따라 이너 로터, 아우터 로터, 플랫 로터의 세 가지로 분류된다. 이너 로터는 원통형 회전자 바깥에 고정자를 배치하고, 아우터 로터는 컵 모양 회전자 안에 고정자를 배치한다. 플랫 로터는 편평한 회전자와 고정자를 회전축 방향으로 겹쳐 배치한다.

3. 1. 이너 로터 (Inner Rotor)

원통형 회전자의 외부에 고정자를 배치한 것으로, 구조적으로 무리가 없다. 소형의 경우 특히 관성 모멘트가 작고, 속도 변화 및 정역 회전 운전이 쉽다. 일반적인 대형 전동기, 소형의 경우 로봇 등의 액추에이터로 사용된다.

3. 2. 아우터 로터 (Outer Rotor)

컵 모양의 회전자 내부에 고정자를 배치한 것으로, 관성 모멘트가 크고 구동 토크도 크게 할 수 있어 이너 로터와는 대조적으로 정속성에 뛰어나다. 정속성을 살려 DVD의 회전부, 비디오 테이프 레코더 등의 드럼용으로 사용된다. 또한, 경량임에도 불구하고 고토크라는 점을 살려 모형 비행기 프로펠러의 직결 구동용으로도 사용되고 있다.

3. 3. 플랫 로터 (Flat Rotor)

편평한 회전자와 편평한 고정자를 회전축 방향으로 겹쳐 배치한 것으로, 얇은 장치용으로 사용된다.

4. 작동 원리

자속은 고정자와 회전자 사이에서 에어 갭의 자계를 발생시키고 회전자 바를 통해 전류를 발생시키는 전압을 유도한다. 회전 자속과 전류의 동작은 전동기를 기동하는 토크를 발생시키는 힘을 생성한다. 교류 발전기는 회전자 철심 주위에 감는 와이어 코일로 구성된다. 전류가 와이어 코일을 통과하면, 자기장은 계자 전류라고도 하는 코어 주위에 생성된다. 계자 전류 강도는 자기장의 전력 레벨을 제어한다. 직류 (DC)가 한 방향으로 필드 전류를 구동하며, 브러시와 슬립 링 세트에 의해 와이어 코일로 전달된다.

3상 유도 전동기에서 고정자 권선에 공급되는 교류는 전원을 공급하여 회전 자속을 생성한다.^[11] 이 자속은 고정자와 회전자 사이의 공극에 자기장을 생성하고 전압을 유도하여 회전자 바를 통해 전류를 발생시킨다. 회로가 단락되고 회전자 도체에 전류가 흐른다.^[5] 회전 자속과 전류의 작용은 전동기를 시작시키는 토크를 생성하는 힘을 만들어낸다.^[12]

교류 발전기 회전자는 철심을 감싼 와이어 코일로 구성된다.^[13] 회전자의 자기 부품은 특정 모양과 크기로 도체 슬롯을 스탬핑하는 데 도움이 되도록 강철 라미네이션으로 만들어진다. 전류가 와이어 코일을 통과하면 코일 주위에 자기장이 생성되는데, 이를 계자 전류라고 한다.^[1] 계자 전류의 세기는 자기장의 전력 레벨을 제어한다. 직류(DC)는 한 방향으로 계자 전류를 구동하며, 브러시와 슬립 링 세트를 통해 와이어 코일에 전달된다. 모든 자석과 마찬가지로 생성된 자기장에는 북극과 남극이 있다. 회전자가 동력을 공급하는 전동기의 정상적인 시계 방향은 회전자의 설계에 설치된 자석과 자기장을 사용하여 조작할 수 있으며, 전동기가 반대 방향 또는 반시계 방향으로 작동할 수 있도록 한다.^[1]^[13]

5. 회전자의 특성

농형 회전자는 고정자 회전 자기장 또는 동기 속도보다 낮은 속도로 회전한다. 회전자의 속도가 올라가면 슬립은 감소한다. 회전자 슬립은 모터 토크에 필요한 회전자 전류 유도를 제공하며, 이는 슬립에 비례한다.^[16] 슬립을 증가시키면 유도 모터 전류가 증가하고, 이는 다시 회전자 전류를 증가시켜 부하 요구량 증가에 대한 더 높은 토크를 얻을 수 있다.

권선형 회전자는 일정한 속도로 작동하며 시동 전류가 낮다. 회로 회전에 외부 저항이 추가되어 시동 토크가 증가한다. 모터 속도가 증가하면 외부 저항이 감소하여 모터 작동 효율이 향상된다. 더 높은 토크와 속도 제어가 가능하다.

돌극형 회전자는 1500 rpm 미만의 속도와 여자 없이 정격 토크의 40%로 작동한다. 큰 지름과 짧은 축 방향 길이를 가진다. 공극이 균일하지 않다. 회전자는 기계적 강도가 낮다.

원통형 회전자는 1500-3600 rpm 사이의 속도로 작동한다. 강한 기계적 강도를 가지고 있다. 공극이 균일하다. 지름이 작고 축 방향 길이가 길며 돌극형 회전자보다 더 높은 토크가 필요하다.

회전자의 종류별 특성은 다음과 같다.

종류	특징	비고
농형 (유도기)	적층 규소강판의 철심 슬롯에 전기 전도체의 막대를 묻고 그 끝을 전기 전도체의 단락환으로 연결한 구조이다. 구조가 단순하고 견고하며 저렴하다. 소용량과 중용량에서는 도체와 단락환과 통풍 날개가 순도가 높은 알루미늄의 가압 주조로 만들어진 일체 구조로 되어 있다.	^[16]
특수 농형 (유도기)	시동 시의 전류는 작고 토크는 큰 것이 바람직하므로, 시동 시의 회전자의 전기 저항을 크게 하기 위해 사용된다.	이중 농형, 심구 농형
권선형 (직류기·동기기·유도기)	직류로 여자하는 경우에는 전류의 가감에 따라 자력의 조정이 가능하다. 교류로 여자하는 경우에는 주파수를 변경하여 회전 속도의 제어를 수행하는 것도 가능하다. 유도기의 경우에는 권선에 접속하는 저항의 크기를 변경함으로써 시동 특성을 변경할 수 있다.
영구 자석형 (직류기·동기기)	회전자의 손실에 따른 온도 상승이 없으므로, 그 보호가 불필요하다.

6. 회전자 관련 방정식

회전하는 자기장은 회전자 막대를 지나면서 회전자 막대에 전압을 유도하며, 토크는 자기장과 전류의 상호 작용을 통해 생성된 힘에 의해 발생한다.^[14] 고정자 자계는 동기 속도로 회전하며, 유도 전동기의 슬립은 회전자 속도에 따라 결정된다. 슬립 및 동기 속도에 따른 회전자의 기계적 속도와 슬립의 상대 속도는 특정 식으로 표현된다.

6. 1. 회전자 막대 전압

회전하는 자기장은 회전자 막대를 지나면서 회전자 막대에 전압을 유도한다. 다음 방정식은 회전자 막대에서 유도된 전압에 적용된다.^[14]

:E = BL(V_syn - V_m)

여기서,

E: 유도 전압
B: 자기장
L: 도체 길이
V_syn: 동기 속도
V_m: 도체 속도

6. 2. 회전자의 토크

토크는 자기장과 전류의 상호 작용을 통해 생성된 힘에 의해 발생하며, 다음 식으로 표현된다.^[1]

:

F=(BxI)L

:

T=Fxr

여기서,^[1]

$F$ = 힘
$T$ = 토크
$r$ = 회전자 링의 반지름
$I$ = 회전자 바

6. 3. 유도 전동기 슬립

로터 슬립은 슬립에 비례하는 전동기 토크를 위한 회전자 전류의 유도를 제공한다. 회전자 속도가 올라가면 슬립은 감소한다. 고정자 자계는 동기 속도

n_s

로 회전한다.

:

n_s=\frac{120f}{p}

여기서

f

는 주파수,

p

는 극수이다.

만약

n_m

이 회전자 속도라면, 유도 전동기의 슬립 S는 다음과 같이 표현된다.

:

s=\frac{n_s - n_m}{n_s} \times 100\%

슬립 및 동기 속도에 따른 회전자의 기계적 속도는 다음과 같다.

:

n_m = (1-s)n_s

:

\omega_m=(1-s)\omega_s

슬립의 상대 속도는 다음과 같다.

:

n_{slip}=n_s-n_m

6. 4. 유도 전압 및 전류의 주파수

rotor^영어가 정지해 있을 때, 즉 슬립이 1일 때 유도 전압의 주파수는 stator^영어의 전원 주파수와 같고, 회전하기 시작하면 슬립에 비례하여 주파수가 감소한다.^[1]

참조

_[1] 웹사이트 Understanding Alternators. What is an Alternator and How Does It Work http://alternatorpar[...] 2014-12-11
_[2] 간행물 The Invention of the [[Electric Motor]] 1800-1854 http://www.eti.kit.e[...] Ing Doppelbauer Martin Dr. 2014-11-28
_[3] 간행물 AC Induction Fundamentals http://ww1.microchip[...] Parekh, Rakesh 2014-11-29
_[4] 웹사이트 Three-Phase Wound-Rotor Induction Motor http://www.industria[...] Industrical-Electronics 2014-12-10
_[5] 웹사이트 Three Induction Motor http://web.uettaxila[...] University of Taxila 2014-11-28
_[6] 웹사이트 Archived copy http://www.purduecal[...] Fathizadeh Masoud, PhD, PE 2014-11-25
_[7] 문서 Principles of Operation Of Synchronous Machine http://www.science.s[...] Cardell, J.
_[8] 문서 SYNCHRONOUS MACHINES http://www.ece.mssta[...] Donohoe 2014-11-30
_[9] US특허 9,742,224
_[10] 웹사이트 American Society of Power Engineers, Inc http://www.asope.org[...] O&M Consulting Services 2016-01-02
_[11] 웹사이트 Archived copy http://www.uotechnol[...] Shahl, Suad Ibrahim 2014-12-12
_[12] 웹사이트 Archived copy http://www.uotechnol[...] Shahl, Suad Ibrahim 2014-12-12
_[13] 웹사이트 Electric motor -- Britannica Online Encyclopedia http://www.britannic[...] Slemon, Gordon. Encyclopædia Britannica Inc 2014-11-25
_[14] 웹사이트 Archived copy http://www.uotechnol[...] Shahl, Suad Ibrahim 2014-12-12
_[15] 문서 これに対し、固定された電機子または界磁を[[固定子]]という
_[16] 문서 電気主任技術者国家試験問題平成16年度第3種
_[17] 웹사이트 Understanding Alternators. What Is an Alternator and How Does It Work http://alternatorpar[...] Staff 2014-11-24

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