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[독자칼럼]전기기기 설계-직류기와 변압기 설계를 중심으로③
2018년 5월 1일 (화) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2018년 5월호 - 전체 보기 )

전기기기 설계-직류기와 변압기 설계를 중심으로

이번 호에도 일본의 다카하시(高橋辛人) 박사의 저서를 편역한 배진용 공학박사 겸 변리사의 세 번째 연재를 이어간다. 이번 호부터는 ‘직류기의 설계’에 대해 정리해 나갈 예정이다. 직류기는 통풍구의 유무와 통풍방식, 보호방식 등에 따라 형태를 달리하며 다양한 종류로 나뉜다. 직류기는 전기자에서 발생한 전압이 교류이므로 이를 직류로 바꾸기 위한 정류자를 필요로 하는데, 전기자 코일은 정류자편에 접속되는 것으로 철심 감는 방법과 전기자 권선의 삽입 방법 등에 따라 종류가 나뉘기도 한다. 또, 직류기 권선은 중권과 파권으로 나뉘기도 한다. 이번 호에서는 2장의 세 번째 절인 ‘중권’ 편까지만 다루고, ‘파권’편은 다음호에서 이어질 예정이다. (편집자)

2.1 직류기의 구조
직류기는 다양한 종류가 있고 그 용도에 따라서 여러 가지 형태로 제작된다. 따라서 외관은 변형된 형태로 만드는 경우가 있지만 내부는 대체로 동일하다. 여기에서는 일반적인 보상권선을 갖는 직류 발전기에 대하여 설명한다. 전동기의 경우도 거의 동일하지만 전동기로는 기계적으로 직결된 부하에 따라 여러 가지 다른 구조를 만든다. [그림 2.1]은 보상권선이 달린 450kW, 600V, 875rpm 직류발전기의 구조를 나타낸다.

고정자 부품으로는 (1)계철, (2)주자극 철심, (3)보상권선용 슬롯, (4)주자극의 계자권선, (5)보상권선, (6)보극철심, (7)보극의 계자권선이 있으며, 회전자 부품으로는 (1)전기자 철심, (2)전기자 권선, (3)정류자, (4)축이 있고, 브러시의 취부에 대해서는 (1)브러시 홀더, (2)브러시 취부암, (3)브러시 로커링이 있으며, 기타 기계적 부품으로 (1)브라켓, (2)메탈 베어링, (3)베어링 하우징, (4)베이스 등이 있다.
[그림 2.1] 보상권선형 450[kw], 600[v], 875[rpm] 직류 발전기 구조

이들에 대해서 순서대로 설명하면 다음과 같다. 계철은 자기회로로 이용되므로 보통은 주강 또는 압연한 강재로 만든다. 단면의 형태는 여러 가지가 있다. [그림 2.2]는 그 예를 나타낸다. 대부분은 길고 얇은 사각형으로 만들지만 기계적 강도를 증가시키기 위해서 중앙 혹은 양단에 가장자리를 둠으로써 단면적이 굵은 부분을 만들어 강도를 증대시키는 경우가 있다.
[그림 2.2] 계철단면도

주 자극 철심은 보통 1.6mm정도의 철심을 사용한다. 계자권선은 분권의 경우 [그림 2.1]에 나타낸 것과 같으나, 복권의 경우 분권계자 권선이 내측에 감기고, 직권계자 권선은 외측에 감긴다. 보상권선은 주자극의 자극단에 만든 슬롯에 삽입한다.

보극철심은 대체로 주자극과 비슷하게 만든다. 보극의 계자권선은 출력이 작은 전동기의 경우 절연해서 주자극의 계자권선과 동일한 방법으로 감지만, 다소 출력이 커지면 나선(裸線)으로 감아서 층간절연을 한다. 철심과의 사이에는 절연물을 넣어서 절연한다. 즉, 에지 와인딩(Edge Winding)을 한다. 전기자 철심은 0.35mm 두께의 규소강판을 적층해서 만든다. 통풍을 위해 간극편으로 덕트를 만든다. 덕트 부분은 철판을 적층하지 않고 간극을 만들어 공기가 전기자 내측에서 외측으로 나가도록 되어 있다. 전기자권선은 전기자 슬롯에 삽입되며, 각 코일은 정류자편에 접속된다. 정류자는 경동(硬銅)의 정류자편을 조립한 것으로 정류자 편의 한쪽 끝에는 라이저(riser)를 접속하고 여기에 코일을 연결한다. 축의 중앙은 양 끝단보다 직경을 크게 하며 소용량 전동기에서는 이 부분에 철심을 그대로 끼워 넣지만 다소 용량이 큰 기계에서는 스파이더 위에 적층해서 끼운다. 정류자도 전기자 철심과 동일하게 끼운다. 축은 원동기 혹은 구동하는 기계에 직결하도록 되어 있다.

브러시 이동기(移動器, rocker)는 브러시 취부암을 지지하고 브러시 전체를 어느 정도 회전할 수 있도록 되어 있어, 브러시를 정류상태가 가장 좋은 전기적 중성점에 이동할 수 있게 한다. 브러시 홀더는 홀더에 브러시를 넣고 스프링에 의해 브러시를 정류자면에 밀착되게 한다. 베어링의 메탈은 직접 축과 접하는 부분으로 베어링 메탈에 오일링에 의해 오일을 공급함으로써 축과 베어링 사이에 오일막을 만들어 축이 베어링의 중심에서 회전하도록 한다. 축은 베어링 스탠드에 의해 베이스에 고정된다.

직류기의 구조는 대략 위에 기술되어 있는 것과 같지만, 외관은 외피의 형태에 따라 (a)개방형과 (b)전폐형 두 가지 종류가 있다. 개방형은 외피에 통풍구가 있어 직류기 주위의 공기가 직류기 내부로 유입할 수 있는 구조이다. 전폐형은 직류기 주위의 공기가 내부로 유입할 수 없도록 외피가 폐쇄된 구조이다.

이 외에 통풍방식, 보호방식에 의해 형태가 변한다. 통풍방식에는 자기 통풍방식과 타력 통풍방식이 있다. 보호방식에는 무(無) 보호형, 반(半) 보호형, 보호형, 방진형, 방적형, 방수형, 방적 보호형, 수중형, 방식형, 방폭형 및 옥외형 등 여러 종류가 있다.

2.2 전기자 권선의 종류
직류기뿐 아니라 어떤 기계도 권선은 철심에 감긴 각 코일에서 발생하는 전압이 더해지도록 접속되어 있다. 직류기의 경우 전기자에서 발생한 전압이 교류이므로 이를 직류로 바꾸기 위해서 정류자가 있으며, 전기자 코일은 이 정류자편에 접속된다. 전기자권선에도 여러 종류가 있지만 철심에 감는 방법에 따라 크게 환상권선, 고상권선, 원판권선의 세 가지로 나눌 수 있다. 환상권선은 [그림 2.3]에 나타낸 것 같이 환상으로 되어 있는 철심의 외측과 내측에 권선을 한다. 고상권선은 [그림 2.4]에 나타낸 것 같이 철심의 외측에만 권선을 한다. 환상권선의 경우 환상 철심을 축에 취부하기가 곤란하며, 또한 철심표면에 분포된 도체만이 자속을 끊으므로 표면 도체에만 전압이 유도된다. 즉 철심 안쪽의 도체에는 전압이 유도되지 않는다. 이런 이유에서 환상권선은 거의 사용되지 않는다. 고상권선은 환상권선과 같은 결점이 없으므로 대부분의 기계에 사용된다. 이상 두 가지 권선에서는 도체가 축방향으로 삽입되어 있지만, 원판권선에서는 이것과 반대로 도체가 반경 방향으로 삽입되어 있다. 즉, 원판면이 전기자로서 전압을 발생한다. 이것도 구조상 취약하므로 현재 사용되지 않는다. 따라서 권선이라고 하면 고상권선만이 실질적으로 사용된다.
[그림 2.3] 환상권선
[그림 2.4] 고상권선

다음에 전기자 권선의 삽입 방법은 단중권, 이중권, 삼중권 등 다중권으로 분류할 수 있다.

그 중 단중권은 [그림 2.5]와 같다. 이것은 고상권선이며 원통상의 번호는 선이 연결되는 순서를 나타낸다. 선의 번호는 한 곳에서 직경의 반대측으로 순차적으로 진행하지만 전체로서 원을 일주하게 된다. 즉 선의 진행방향을 보면 1, 3, 5, 7, ……으로 기수 번호는 원주의 반만큼 진행하고, 2에서 시작하는 우수번호는 2, 4, 6, 8, ……으로 역시 반원주를 진행해 전체로서 원주를 일주한다. [그림 2.6]은 [그림 2.5]의 등가회로를 나타낸다.
[그림 2.5] 단중권
[그림 2.6] 단중권 등가회로

같은 방법으로 2중 중권의 경우 [그림 2.7]에 나타낸 선의 순서로 연결할 때 철심을 2회전 한다. 이것을 단중권의 경우와 같이 등가회로로 나타내면 [그림 2.8]과 같으며 원주상 2회전 하는 것을 알 수 있다.
[그림 2.7] 2중권
[그림 2.8] 2중권 등가회로

또한, 2중 중권이라도 [그림 2.9]에 나타낸 바와 같이 독립적인 2개의 권선을 동일 철심상에 연결할 수 있다. 이것을 등가회로로 표시하면 [그림 2.10]과 같이 된다.
[그림 2.9] 2중권
[그림 2.10] 2중권 등가회로

[그림 2.7]의 권선을 단구 이중권(Single entrance duplex lap winding)이라 하고 [그림 2.9]의 권선을 2구 이중권(Double entrance duplex lap winding)이라 한다. 단구라는 것은 권선의 한 곳에서 한 방향으로 코일을 통과하는 것으로 가정할 때, 코일 전부를 통과한 후 처음의 위치로 돌아오는 것을 말한다. 2구라는 것은 권선의 한 곳에서 출발하여 1/2의 코일을 통과한 후 처음의 위치로 오고, 나머지의 1/2의 코일이 한 곳에서 출발하여 남은 부분 전부를 통과했을 때 처음의 위치로 돌아오는 것을 말하며, 2곳에서 출발하여 전부의 코일을 통과하게 된다.

2구 이상으로 된 경우를 다구(多口)라 부른다. 그러나 직류기에서 정류대가 넓게 된다는 점과 불평형을 초래할 우려가 있으므로, 일반적으로 다중권은 사용하지 않으며 대부분의 경우는 단중권을 사용한다. 따라서 직류기의 권선은 일반적으로 “단구 단중권의 고상권선”표시방식을 주로 사용한다. 이하는 중권과 파권에 대하여 기술한다. 직류기의 권선은 중권과 파권으로 구분된다.

중권은 [그림 2.11]에 나타낸 권선방식이다. 이 그림은 전기자의 표면을 축방향으로 절단해 원주에 따라 펼친 것으로, 알기 쉽게 2개의 코일을 나타내었다. 이 그림에서 은 코일의 피치이며 숫자로 나타낸다. y₂도 그림에 나타낸 코일의 피치이다. 코일의 수를 계산하는 경우는 [그림 2.12] ⒜, ⒝에 나타낸 것과 같이 슬롯에 들어있는 상·하 숫자에 순서로 번호를 붙여서 계산한다. 따라서 이 그림에서는 y₂= 16 - 1 = 15, y₂= 16 - 3 = 13으로 코일 번호의 차가 된다.
[그림 2.11] 중권의 전개도
[그림 2.12] 피치 계산에 따른 도체순서 표시

같은 방법으로 파권의 전개도는 [그림 2.13]과 같다. 파권에서도 코일의 피치는  y₁이라 하고  y₂는 그림과 같이 다음 코일과의 피치이다. [그림 2.11], [그림 2.13]에서 코일의 턴수는 1턴이지만, 턴수가 2턴 이상이 되면 각각 [그림 2.14], [그림 2.15]에 나타낸 것과 같다.
[그림 2.13] 파권의 전개도
[그림 2.14] 코일 턴수 2 이상의 중권
[그림 2.15] 코일 턴수 2 이상의 파권

중권과 파권 모두 일반적으로 코일은 철심에 슬롯을 만들어 삽입한다. 즉, 슬롯이 있는 전기자가 되는 데 슬롯에 넣을 수 없는 전기자인 경우 코일 삽입은 대단히 번거로운 작업이 된다. 그러나 때로는 필요에 따라 슬롯이 없는 전기자를 만든다. 이것을 평활 전기자라 하며, 공전식 전화에서는 충전용 발전기의 리플을 줄이기 위해서 사용된다.

2.3 중권
중권의 경우 코일의 모양은 [그림 2.16]에 나타낸 것과 같이 길고 좁은 육각형이다. 코일을 슬롯에 삽입할 때 코일이 삽입되는 슬롯의 피치는 자극의 피치와 대체로 일치한다. 즉, N 을 슬롯수, P 를 극수라 하면, N/P가 코일이 삽입되는 슬롯의 피치이다. 이 경우 N/P는 반드시 정수가 되고, 이 피치 코일을 삽입하는 경우 전절권이라 한다. 하지만, N/P가 분수로 되는 경우도 있으며, 이 경우를 단절권이라 한다.
[그림 2.16] 중권코일

직류기에서 보극은 정류작용을 돕기 위해 설치되며, 코일의 양 변이 정확히 정류대에 들어오도록 권선하지 않으면 정류 불량이 발생한다. 따라서 단절권으로 하는 경우 정류대를 벗어나지 않도록 설계하는 것이 필요하다.

[그림 2.17]은 중권의 예를 표시한 것으로 극수는 6극이다. [그림 2.17]은 전개도로서 정류자와 코일 변의 관계를 잘 알 수 있도록 축 방향에서 도시한 것으로, 원판 전기자와 같이 그린 것이다.
[그림 2.17] 중권 6극, 48 슬롯, 정류자편 48, 코일 1

이 그림에서 마주하는 브러시 사이에 6개의 병렬회로가 있으며, 이것은 극수와 같다. 일반으로 중권에서 병렬회로 수는 극수와 같으며, 파권에 비해서 병렬회로수가 많으므로 중권을 병렬권이라고 부르기도 한다. 중권에서 정류자편수는 도체수의 1/2, 즉 코일수와 동일하다. [그림 2.11]에 나타낸 중권에서 코일피치를 계산하면 식 (2.1)과 같이 된다.

y₁-y₂=±2 (2.1)

여기서 정(+)의 부호는 우측에서 삽입하는 권선이며 부(-)의 부호는 좌측으로 진행하는 권선을 의미한다. [그림 2.17]에서는 y₁=15, y₂=13, y₁-y₂=2로 오른쪽으로 진행한다. 실제로 부(-)의 방향으로 진행하면 코일의 길이가 길어지므로, 거의 사용하지 않는다. 따라서 식 (2.1)은 y₁-y₂=2만 사용한다. (다음 호에는 2장 ‘직류기의 설계’의 4절 ‘파권’으로 이어질 예정이다)

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