[전기공학] 전기기기(1) - 전자기 유도법칙과 직류기(직류발전기, 직류전동기, DC모터)의 원리

전기기기란 통상 전자기력을 사용하는 기계를 말한다. 대표적으로 전동기(모터), 발전기, 변압기 같은 것이 해당된다. 여기에 전력전자 기술의 발전으로 인버터, 쵸퍼, STACOM 등의 기기들도 통틀어서 전기기기라고 부른다. 흔히 전자라고 부르는 분야보다 고전압의 설비들을 부른다고 생각하면 쉽게 이해가 될 것이다.

 

전기기기를 이해하는데 가장 기본이 되는 공식은 패러데이의 전자유도법칙이다. 그 외에도 아래 공식들은 이해하고 암기하고 있어야 한다.

 

1. 전기기기 기본공식

 ○ 페러데이의 전자유도법칙 : 자기장의 변화에 의해 도체에 기전력이 발생한다.

페러데이의 법칙

 

 ○ 렌츠의 법칙 : 유도기전력은 자기력선속의 변화를 방해하려는 방향으로 발생한다.

렌츠의 법칙

 

 ○ 플레밍의 오른손 법칙 - 발전기에 적용된다.

플레밍의 오른손 법칙

 

 ○ 플레밍의 왼손 법칙 - 전동기에 적용된다.

플레밍의 왼손 법칙

 

 ○ 유도기전력(전동기에서는 역기전력)

유도기전력 공식

 

 ○ 전기자 전류

전기자 전류

 

 ○ 토크

토크

 

 

2. 직류기의 원리

직류발전기의 원리는 자기장 내에 위치한 코일이 회전하면 전자유도법칙에 의해 코일 내에 발생되는 교류전기를 정류하여 직류 전압을 얻는 것이다. 유사한 구조에서 역으로 코일에 전압을 가해 자기장 내에서 회전력을 얻으면 직류전동기가 됩니다. 이러한 직류발전기와 직류전동기를 합쳐서 직류기라고 부른다.

 

DC모터 (출처:en.wikipedia.org/wiki/DC_motor)

 

직류전동기(DC모터)의 원리를 위 그림으로 더 살펴보면, 코일은 N극과 S극 사이의 정자기장 내에 위치한다. 브러시를 통해 외부에서 전압을 인가해 전류가 흐르게 된다. 이때. '플레밍의 왼손 법칙'에 따라 왼쪽 코일은 아래 방향으로 힘이 작용하고, 오른쪽 코일은 위쪽 방향으로 힘이 작용하게 된다. 자기장의 방향은 N극에서 S극으로 동일하지만 직류 전류가 코일을 따라서 한바퀴 돌아나오면서 들어가는 측과 나가는 측에서 방향이 바뀌기 때문이다.

 

직류발전기(DC발전기)의 원리도 마찬가지로 살펴보자. 코일은 N극과 S극 사이의 정자기장 내에 동일하게 위치한다. 이때, 코일을 회전시키면 좌측과 우측 코일은 자속을 끊으면서 '플레밍의 오른손 법칙'에 따라 서로 다른 방향으로 유도기전력이 발생하면서 전류가 흐르게 된다.

 

 

3. 직류발전기 구조

타여자 발전기 예시

 

직류발전기의 구조를 위 타여자 발전기 예시를 통해 살펴보자. 발전기나 전동기가 작동하기 위해서는 자기장이 필요하다. 자석처럼 자기력선속(Φ)을 발생하는 부분을 계자(F)라고 한다. 계자의 자기력선속을 끊으면서 유도기전력을 발생시키는 부분은 전기자(A)라고 부른다. 이때 유도되는 기전력은 교류인데 이걸 직류로 정류시키는 부분은 정류자이다. 최종적으로 직류 기전력을 외부로 인출하는 부분은 브러시라고 부른다.

 

보통의 직류발전기는 계자는 고정되어 있고 전기자가 회전하는 구조로 되어 있다. 하지만 전기기기의 종류에 따라 계자가 회전하는 회전계자형 기기가 있고, 전기자가 회전하는 회전전기자형 기기가 있으므로 이 역할은 고정된 것은 아니다.

 

 

다음글 - [전기공학] 전기기기(2) - 전기자 반작용의 발생 원인과 방지대책

https://gaesung.tistory.com/32

[전기공학] 전기기기(2) - 전기자 반작용의 발생 원인과 방지대책