[전기기기 12] 전기자 반작용 문제점과 해소방안

전기자 반작용이 발생하는 이유를 간단하게 다시 요약하면, 회전자(전기자)에 도체에서 흐르는 전류가 자기장을 발생해 자기장의 모양을 변형시킵니다. 발전기의 경우 회전방향으로, 모터의 경우 회전의 반대방향으로 중성축을 이동시키는 형태로 왜곡시킵니다.

 

 

직선으로 지나가야 하는 자기장은 위와 같이 왜곡이 되는데, 전기자 반작용이 작용했기 때문입니다.

 

전기자 반작용이 주는 효과는 크게 2가지로 요약할 수 있습니다.

1. 중성축 이동
2. 주자속 감소

그러면 중성축 이동과 주자속감소가 야기하는 악영향은 여러가지로 나옵니다.

중성축 이동 -> 정류자 불꽃 발생 -> 정류자 및 브러시 소손
주자속 감소 -> 유기기전력 감소 -> 효율 저하

중성축 이동이 정류자 불꽃을 발생시키는 이유는 다음의 식에서 인덕턴스와 커패시턴스가 각각 전류와 전압을 쉽게 바꾸지 않게 하려는 성질에 의해 나타납니다.

 

 

인덕턴스에서 전류가 급격히 변화하면 전압이 무한대로 증가합니다. 따라서 갑작스런 전류의 변화는 불꽃을 야기합니다. 이것은 중성축 이동과 불균형한 정류에 의해서 불꽃을 발생시킵니다. (자세한건 다음 포스팅으로)

전기자 반작용의 문제점:
1. 주자속감소(효율감소)
2. 중성축 이동(불꽃발생)

이제 전기자 반작용을 그나마 해소시킬 방안이 있습니다.

1. 보상권선 설치
2. 보극 설치
3. 브러시 이동


첫번째로 보상권선 설치입니다. 보상권선은 고정자 권선에 '보상'을 해주는 모양입니다.

 

 

수직으로 코일을 감는 형태로 아래에서 위로 향하는 자기장을 만들어 냅니다.

 

 

권선에서 나오는 자기장은 각각 회전자가 만들어내는 자기장과 반대방향으로 만들어집니다.

 

 

따라서 보상권선의 효과로 인해 왜곡이 줄어들게 됩니다. 보상권선은 전기자반작용을 감소시키는 가장 좋은 방법입니다.

 

 

보극은 영구자석을 설치해서 전기자 반작용의 효과를 다소 줄이는 방법입니다. 이 방법 역시 효과가 있지만 보상권선보다는 덜하다고 합니다. 대신 '정류'에 효과가 크기 때문에 설치합니다. 정류성능에 대해서는 다음 포스팅에서 합니다. 그런데 위쪽에 S극이고 아래쪽이 N극이어야 하는지에 대해서 내용은 검색해도 잘 안나오네요. 중성축이 시계방향으로 되었기 때문에 정류가 늦어지는 형태가 되어서 부족정류(Under commutation) 현상이 일어나게 됩니다.

 

 

위 그래프는 회전자가 180도 돌때의 유도되는 전류를 나타냅니다. 나중에 자세히 다뤄지는데, 한바퀴 돌면서 전류가 +에서-으로 변합니다. 부족정류가 발생하면 A곡선을 따라 갑니다. 이 과정에서 12시방향이 도달해있을 때(B지점) 자속이 이미 있는 형태임을 알 수 있습니다. 그래서 S극으로 자속을 줄어주는 방향으로 놓고, 6시방향에는 반대의 상황이라서 N극을 넣는거 같습니다.

마지막으로 브러시의 중성축 이동입니다. 이 방법은 중성축 이동만큼의 브러시를 이동시켜서 중성축 이동을 상쇄시킨다는 아이디어인데, 사실 발전기나 모터에서 회전자 도체에 흐르는 전류에 따라 중성축이 이동되는데, 얼마나 이동될지도 모르기 때문에 큰 효과를 기대하기 힘듭니다.