회전자계의 원리는?

회전자계 원리는 무엇인가

회전자계의 원리는 보통 어떻게 자속이 생기고 벡터가 형성되는지만 알고 있는 걸로 알고 있습니다. 저 또한 어떻게 생기고 이렇구나 정도만 알고 있다가 요번에 새롭게 정리를 해보았습니다. 쉽지 않은 개념입니다. 벡터도가 들어가기 때문에 그리고 입체적으로 생각하고 이해를 해야 해서 더욱 어려운 듯합니다. 설명에 들어가기에 앞서, 유도성 리액턴스 개념, 앙페르의 오른 속 법칙, 플레밍의 왼손 법칙 자속과 전압의 상관관계, 전압 인가시 왜 다른 측에 전압이 형성되는가 제가 작성한 유도성 리액턴스 보시는 걸 추천드립니다.)에 대한 개념을 갖고 있어야 이해하기 쉬울 듯합니다. 우선 유도전동기는 변압기와 비슷한 형태입니다.

변압기 구조 비교

변압기의 경우 1차 측에서 전압을 받아서 2차 측에 전압을 유기해서 전압을 승압/다운을 시킵니다. 유도기의 경우도 마찬가지이지만 틀린 점이 있습니다. 구조로 보자면, 변압기는 패러데이 법칙에 의해 2차 측에 전압을 유기시켜 전기적 출력(승압/다운)을 확보하는 것이 목적이고. 유도 기는 공극이 존재하고, 이 2차 측이 회전함으로써 기계적 출력을 얻어내는 게 주목적입니다.

회전자

위의 그림과 같이 변압기와 같은 형태이나 위아래로 두 동강 내서 공극을 형성하고 그 격리된 철심에 코일을 감아 놓습니다. 폐회로로써, 그러면 이 회전자에 전압이 유기될 것이고. 전류가 흐를 것입니다. 여기서 고정자가 회전자에 주는 자속.! 얘가 바로 회전자계의 정체입니다. 고정자에서 회전자계를 형성하여 회전자에게 자속을 넘겨주어 회전자에 전압이 유기되고. 전류가 형성되고. 전류가 형성되면 자속이 형성될 터이니 서로 밀고 당기면서 회전자는 회전하게 됩니다. 실제로 회전자와 고정자의 공극은 정말 조밀합니다. 하지만 이 공극에 의해서 자기 저항 이 발생하게 되고. 변압기에 비해 전류 흐름에 따른 자속 곡선은 다른 양상을 나타나게 됩니다. 한마디로 동등한 자속 레벨을 얻기 위해선 더 많은 양의 자화 전류를 필요로 하게 됩니다.

그래프

상기 그림과 같이 같은 전류이지만 다른 자속 레벨을 보입니다. 공극에 의한 차이라고 볼 수 있습니다. // 변압기에 대한 비교가 들어간 이유는 원리가 완존 똑같기 때문입니다. 유사한 것도 아니고 똑같습니다. 다만, 변압기는 1차 측 2차 측의 주파수가 똑같고, 유도 기는 2차 측을 공극으로 동강 내고 회전자로 쓰기 때문에, 그리고 유기된 전압과의 상관관에 의해서 슬립이 발생한다는 점이 틀리고 똑같습니다. 변압기다 생각하고 개념을 파고들면 쉽습니다.// 그럼 이제 회전자계의 원리를 파고들어보겠습니다. 회전자계는 고정자에서 발생하는 아이라고 말씀드렸습니다. 당연합니다 전압이 인가됨에 따라 자속이 발생하게 됩니다. (전압과 자속은 적분의 관계에 있습니다. 제가 적어놓은 변압기 돌입전류 발생 이유를 보시길 권합니다)

FIG1

뜬금없는 도형입니다. 별거 없습니다 원에 동그라미 6개 들어가 있는 녀석은 R상 S상 T상 에 해당하는 유도기 단면을 자른 도형입니다. 각 A, B, C에 대응하고 엑스 표시는 모니터로 전류가 흐르는 것, 점 표시는 모니터로 전류가 나오는 것을 뜻합니다. 그리고 각 A, B, C가 120도씩 기울어져 있고 A'B'C'가. 이 A, B, C 기준으로 반대편 코일 입구입니다. 밑에는 삼상 전류 파형입니다 A상은 블루 B상은 그린 C상은 레드 파형입니다. 이제부터 이 파형이 플러스에 위치 있다면, X 표시로 전류가 들어가고 마이너스에 위치해 있다면 0 표시로 모니터 밖으로 나온다고 하겠습니다. fig 1-1입니다 전류가 흐르면 상기 그림처럼 자속이 전류 주변으로 생기게 됩니다. 앙페르의 오른손 법칙에 의해서 각 상마다 조그마한 화살표 표시를 해놓았는데 그 표시가 자속의 발생을 나타냅니다. 이제 파형 쪽으로 가서. 검은색 선을 기준으로 A상은 플러스 각 B, C는 마이너스입니다. 그래서 각 A상은 는 모니터로 전류가 들어가는 모양(플러스)을 나타냅니다. 반대로 B, C는 모니터로 나오는 모양(마이너스)을 나타냅니다. 이 모든 자속을 합치게 되면, 위쪽으로 향하는 모양이 됩니다. 이 모든 자속의 벡터 합은 북쪽을 가리키게 됩니다.

FIG1-2

Fig 1-2입니다. 파형을 보면 이번엔 B상이 제로에 도달하고 A상이 플러스 C상이 마이너스입니다 각 자속을 그려보면 fig 1-1 보다 중심축으로 30도 정도 기울인 위치 해 전체 자속이 존재하게 됩니다.

FIG1-3

fig 1-3입니다. 파형을 보시면 이번엔 A상과 B상이 플러스 C상은 마이너스에 위치해 있습니다. 실제로 그림을 보면 헷갈릴 수 있으니깐 위의 그래프를 직접 종이에 그려서 자속이 어느 방향을 향하는지 확인해보시는 게 좋을 듯합니다. fig 1-1 대비 중심축 기준으로 60도가량 fig 1-2 대비 30도 이동했습니다. 이 동작을 합성해 보겠습니다.

FIG1-1

뭐가 돌기 시작했습니다. 파란색은 고정자 권선에서 발생하는 자속의 총합입니다. 이자 속이 우리가 투입해주는 60Hz 삼상 그래프의 플러스/마이너스에 따라서 회전을 하기 시작합니다. 이가 바로 자계가 회전한다 하여 회전자계라 칭하고 회전자계의 원리가 되겠습니다. 실제 유도기에서는 아래와 같이 될 것입니다.

회전자

여기까지가 우리가 고정자에 전압 60Hz 인가시 발생하는 회전자계의 원리입니다. 하지만 이거 하나만으론 모터가 돌지 못합니다. 이 자속이 회전자에게도 영향을 줘야 모터가 돌기 시작합니다.

FIG2-1

fig 2-1의 flux가 위에 언급한 회전자계입니다. 이 녀석이 고정자로부터 회전자로 영향을 줍니다. 단순 등가 회로 적으로 보면 fig 2-2처럼 됩니다. 고정자에 우리가 3상 60Hz를 주게 되고 이 녀석이 플러스 마이너스로 가변 됨에 따라 자속 방향이 바뀌게 되고 이 자속이 고정자로부터 넘어가서 패러데이 법칙에 의거하여 2차 측인 회전자에 전압을 유기하게 됩니다. 전압이 유기되니 이 전원이 없는 2차 측에도 전류가 흐르게 됩니다. 변압기와 비슷한 원리입니다. 하지만 다른 점은 위에 언급했듯이 공극이 존재합니다.

FIG2-3

위는 회전자 모형입니다. 회전자계로부터 넘어온 자속이 회전자를 통과하고 전류가 유기됨을 나타냅니다. 보라색은 이 자속(회전자계)과 전류(회전자에 유기된 전압에 의한 전류)에 의해 힘 force의 방향을 나타냅니다. 모니터 밖으로 나오는 모양새입니다. 어디서 많이 본듯한 그림 같지 않습니까?? 바로. 전동기의 원리라는 플레밍의 왼손 법칙이 되겠습니다 손가락을 위치해 보면 일치함을 알 수 있습니다. 자속에 의해 전류가 유기되고 이 전류에 의해 힘이 발생한다. 왼손 법칙을 위에 적용해보면 벡터의 모양이 위와 똑같은 형태를 띠게 됩니다.

FIG2-4

 실제 그림을 나타내면 회전자에 이러하게 영향을 미치게 됩니다. 플레밍의 왼손 법칙에 따라 노란색 모양이 회전자계가 고정자를 통과하게 되어 유기된 전류가 흐르게 되고 이에 따라 보라색 화살표인 힘 force가 형성되어 이 방향대로 회전자가 돌기 시작합니다. 이가 바로 회전자계의 원리에 의한 모터의 구동까지 에 해당되는 내용입니다. 쭈욱 설명을 하였는데, 유도기의 2 극기에 해당되는 내용입니다. 전류가 들어가는 얘 한극 나오는 얘 한극 이래서 2 극기입니다. 4극, 6극으로 넘어가면 더 조밀하게 될 것입니다. 실제로 유도기 데이터 시트를 보더라도 극이 높은 것이 더 토크가 높습니다. 여기까지가 회전자계의 원리입니다.