직류전동기

요약 직류전류로 회전을 일으키는 장치로서 회전자와 고정자로 구성되어 있다. 회전자는 일반적으로 전기자라고도 부르는데 전기자(armature)와 정류자(commutator) 그리고 브러쉬(brush)로 구성되어 있다. 고정자는 계자극(field poles)과 프래임()으로 구성되어 있으며 극당 1개 이상의 권선을 갖고 있다.

직류전류가 회전자와 고정자를 흐르면서 자계를 형성하게 되며 토크를 발생시켜 전동기를 회전시킨다. 정류자는 전기자 권선과 결합되어 있는 기계적 장치이며, 위치에 관계없이 동일한 방향으로 전기자 전류가 항상 순환되도록 한다. 즉, 전기자를 계속해서 회전시키기 위해서는 전기자가 180도 회전할 때마다 공급되는 직류의 방향을 전환시켜 동일 방향의 토크를 계속 얻도록 해야 하며, 이러한 역할을 하는 것이 정류자와 브러쉬이다. 공급되는 직류가 브러쉬를 거쳐 전기자 권선을 흐르면 전기자의 각 코일 내에서 교류로 전환된다. 고정된 브러쉬에 정류자가 면접촉을 하면서 회전하기 때문에 브러쉬와 정류자의 마모 및 오염이 발생하고, 분진과 소음이 발생하게 된다.

원리

직류전동기와 교류전동기 모두 전자유도현상을 응용한 것이다. 균일한 자기장 내에 두 개의 도선을 놓고 도선 1은 앞쪽에서 뒤쪽방향으로, 도선 2는 도선 1과 반대 방향으로 전류를 흘리면 도선 1은 아래쪽으로 힘을 받고 도선 2는 위로 힘을 받는다. 이제 이 두 개의 도선을 연결하여 그 중심을 축으로 회전할 수 있는 구조로 하여 전류를 흘리면 도선은 회전하게 된다. 이때, 도선에 흐르는 전류 방향이 항상 같으면 결국 도선이 90도 위치에 올 때 도선은 회전을 멈추게 된다. 따라서 회전을 계속 시키기 위해서는 도선이 90도 위치에 왔을 때 전류 방향을 역방향으로 전환시켜야 한다. 외부에서 공급되는 직류를 고정된 브러쉬로부터 그 브러쉬와 접촉되어 회전하는 반원형의 도체(정류자)를 통하여 도선으로 통하게 한다면, 외부의 전류가 직류라 할지라도 도선 내에서는 반회전마다 전류의 방향이 바뀌게 되며 동일 방향으로 회전 토크를 얻을 수 있어 회전을 계속하게 된다.

분류

직류전동기는 크게 브러쉬가 없는 것과 브러쉬가 있는 것으로 분류할 수 있다. 브러쉬레스 전동기(brushless electric motor)는 전자 스위칭 기술(electronic switching technique)을 이용하여 브러쉬를 없앤 것이다. 브러쉬 전동기에 있는 브러쉬와 커뮤테이터는 전기자에 공급되는 전류방향을 회전각도에 따라 전환시켜 회전자를 회전시킬 수 있는 자극의 변화를 만들어 주는 장치이다. 브러쉬레스 전동기에서는 컨트롤러(변속기)가 브러쉬와 커뮤테이터의 역할을 대신하기 때문에 구조가 간단해지며, 회전마찰로 인한 열발생과 브러쉬 마모 문제가 없으므로 반영구적인 수명을 갖는다.

브러쉬 전동기의 종류

브러쉬 전동기는 계자권선의 전류(여자전류)가 어떤 형태로 보내어지는가에 따라서, 타려(separately excited motor)·분권(shunt-wound motor)·복권(compound motor)·직권(series-wound motor) 등 4종류로 나누어진다.

1. 타려 전동기: 전기자 권선과 계자극 권선이 분리되어 있으며, 일정한 크기의 유도 기전력을 유지하여, 전기 화학 공업용의 저전압 대전류용, 실험용 전원, 대형 교류 발전기의 주여자기, 직류 전동기 속도 제어용 전원, 속도계용 발전기 등에 사용된다.
2. 분권 전동기: 분권 계자권선과 전기자가 병렬로 연결되어 있어 정속도의 특성을 갖는다. 전압 변동률이 작아 전원 한 개로 가동이 가능하여 간편하며, 가장 많이 사용되고 있다. 또한 계자저항기로 전압 조정이 가능하여 전기 화학 공업용 전원, 축전지의 충전용, 동기기의 여자용 및 일반 직류 전원용으로 사용된다.
3. 복권 전동기: 전기자권선과 계자극권선이 직렬 및 병렬로 연결되어 있으므로 부하에 따른 속도의 변화가 거의 없다. 또한 과복권 전동기는 주로 승압용으로 사용되며, 차동복권 전동기는 아크용접에 사용된다.
4. 직권 전동기: 회전시초(시동)에 흐르는 전류량을 적게 해도 큰 힘을 내는 성질이 있어 전기철도용 전동기로 널리 사용된다.

장·단점

직류전동기의 고정자 쪽에는 계철이라고 하는 철심이 있어, 그 안쪽에 자기극철심을 부착시킬 수 있다. 극수는 그 전동기의 용량과 회전속도에 따라서 결정되며, 2·4·6·8·10극기 등이 있다. 또한 자속을 발생시키는 계자로 전자석을 이용하고 있으며, 최근에는 영구자석을 사용한 PM(permanaent magnet)형 전동기가 소형의 특수용도로 사용되고 있다. 직류전동기는 여자의 전류를 가감하여 자기극의 세기를 변화시켜 전동기의 회전속도를 바꿀 수 있어 속도제어가 용이하며 효율 또한 높다. 그리고 회전방향과 가속토크를 임의적으로 선택할 수 있다. 그래서 전철이나 엘리베이터, 압연기 등과 같이 속도 조정이 필요한 경우 사용된다. 그러나 교류전동기에 비해 구조가 복잡하고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 또한 브러쉬나 정류기를 정기적으로 점검 및 보수해야 하며, 정류나 기계적인 강도상의 문제로 고속 가동에 제한을 받는다.