직류발전기의 동작원리

직류발전기의 동작원리는 플레밍의 오른손 법칙으로 설명됩니다.

오른손 법칙은 자계가 설정되어 있는 상황에서 도체를 움직이면 도체에 전류가 유기된다는

것입니다. 도체의 움직임에 대하여 생각해 봅시다.

자계내에서 연속적인 도체의 움직임을 얻을 수 있는 방법은 무엇일까요?

직선운동으로는 불가능합니다.

무한한 평등자계를 만들어 주는 것은 불가능하기 때문입니다.

결국 제한된 영역에서 도체의 운동을 이용하는 방법을 생각해 내야 합니다.

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회전운동은 문제해결의 실마리를 제공합니다.

기계적인 동력을 이용하는 방법도 원래 원동기를 이용한 회전운동을 축을 통하여

전달하는 것입니다. 이러한 회전운동을 이용하기 위해서 간단한 기계적인 구조를

고안해 보겠습니다.

회전하는 원통 위에 도체를 감아 놓은 것입니다.

이제는 무한 평등 자계가 필요없이 회전자가 회전하는 공간에서만 자계를 만들어

주면 됩니다.

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자계를 설정하여 주는 부분을 계자(Field)라고 하고,

도체가 있는 부분을 전기자(Armature)라고 합니다.

이는 전기 자기적인 역할에 의한 분류이고 운동하는 부분을 회전자(Rotor), 정지되어

있는 부분을 고정자(Stator)로 분류하기도 합니다.

직류기에서는 계자가 고정자이고, 전기자는 회전자입니다.

                                                    [계자와 전기자 구분]

구 분	계자	전기자
전기적인 역할	자계를 설정하는 부분	도체가 있는 있는 부분
기계적인 역할	고정자	회전자

제안된 구조에서 두가지 문제점을 생각할 수 있습니다.

하나는 도체에 유기된 전압을 어떻게 뽑아 사용할 수 있는가 하는 문제이고

다른 하나는 유기되는 전압이 일정하지 않으며 변화할 것이라는 사실입니다.

첫번째 문제는 슬립링을 설치하여 해결할 수 있습니다.

슬립링을 설치하면 회전하는 회전자의 도체로 부터 전류를 얻어 낼 수 있습니다.

슬립링은 반지 모양의 도체를 축상에 설치하고 외부 도체가 브러시를 통하여 접촉함으로써

전선이 꼬이지 않고 전류를 외부로 얻어 내는 구조를 갖고 있습니다.

그림 2-1(a)는 이러한 슬립링의 구조를 보여줍니다.

직류발전기 구조

직류발전기 정류

직류발전기 구조2

정류 개념

슬립링을 통하여 얻은 전압은 교류입니다.

슬립링의 역할은 회전하는 회전자의 도체로 부터 전류를 얻어 내는 것입니다.

도체가 한번 회전할 때 교차하는 자속의 밀도는 도체의 위치에 따라서 다르게 됩니다.

도체에 유기된 전압은 교류형태의 전압이 유기됩니다.

직류 발전기는 직류를 얻는 것입니다.

유기되는 교류에서 어떻게 직류를 얻을 수 있을까요?

두번째 문제점입니다.

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이 문제에 대한 해답은 정류자를 설치하는 것입니다.

정류자는 회전자에 위치한 도체가 특정위치에 올 경우

회전자측에 위치한 정류자편과 외부 회로측에 연결된 브러시 측의

접점이 바뀌도록 기계적으로 구성한 장치입니다.

회전을 하면서 기계적인 스위칭 동작이 일어나 외부회로에서는

직류전원을 얻을 수 있습니다.

그림 2-1의 (b)은 이러한 정류자의 구조를 보여줍니다.

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직류기의 기본 원리 -1

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직류기의 기본원리에 대해 알아 봅시다.

직류기는 모터와 발전기 2종류가 있는데요

물론 직류기에서 또 여러가지 종류로 나뉘지만

보통 일반적으로 자주 보는 DC모터를 생각해 봅시다.

전동기 작동원리

간단하게 생각한다면 자석은 같은 극끼리 밀고 다른 극은 끌어 옵니다.

코일에 전류가 흐르면 전자석 처럼 되고 이게 같은 극은 밀고 다른 극은

끌러 오니까 회전을 합니다.

회전을 하면 정류자에서 전압인가를 다시 원위치로 하여

항상 한쪽 방향으로 회전을 하도록 하는 것입니다.

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제대로 된 설명으로는 플레밍의 왼손법칙과 관련하여 설명합니다.

플레밍 왼손

왼손을 펼쳐서 보면 엄지의 방향으로 도선은 힘을 받습니다.

직선의 도선은 일반적인 전자석과 다르게 자기장을 만들어도 N극과 S극을

구별하기 힘들어서 전자석을 이유하며 설명하기엔 충분하지 않습니다.

그래서 일반적으로 플레밍의 왼손법칙을 얘기하는게 좋습니다.

직류발전기 원리

그래서 위와 같은 그림대로 움직이게 됩니다.

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직류발전기의 원리 - 플레밍의 오른손 법칙

플레밍 오른손

오른손을 펼쳐서 자기장속의 전선을 엄지방향으로 이동시키면(힘을 주면)

중지 방향으로 전류가 흐르게 됩니다.

발전기 원리2

발전기는 결국 모터와 구조가 같습니다.

외부에서 힘을 주냐 아니냐가 다릅니다.

왼손, 오른손 각각 다른 이유는 모터와 발전기에서의 부호가

서로 다르기 때문입니다.

모터의 원리 : 플레밍의 왼손 법칙

발전기의 원리 : 플레밍의 오른손 법칙

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양손을 펼쳐서 본다면

엄지와 검지는 방향이 같지만 중지만 방향이 다릅니다.

즉 전류를 넣고 힘을 발생시키냐, 힘을 넣어서 전류를 발생시키냐는

전류를 기준으로 반대이기에 왼손, 오른손 번갈아 쓰게 됩니다.

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사실 플레밍의 오른손이냐 왼손이냐 하는 것은 나타나는 방향을 알기위해 쓰는건데

진짜 원리라고 한다면 자기장속에서의 전하가 받는 힘인 '로렌츠의 힘'에 의해서

발전기는 '페러데이 전자기 유도법칙'에 의해서 발생합니다.

로렌츠의 힘이나 전자기 유도법칙에 의해서 전류와 자기장이 서로 엮여 있는

이유는 '암페어 법칙'과 관련이 있습니다.

이와 자세한 이야기는 전자기학에서 다룹니다.

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모터의 원리 : 로렌츠의 힘

발전기의 원리 : 전자기 유도 법칙, 페러데이 전자기 유도 법칙