직류전동기

전동기란 뭘까요?
철도차량에서 쓰이는 전동기에 관한 글을 써볼까 합니다.
그중 오늘은 직류전동기에 대해 알아보겠습니다.

1. 직류전동기의 정의

전동기는 전기에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 장치로서 흔히 엔진 혹은 모터를 말합니다. 

철도에서는 열차를 끄는 힘을 내는 역할을 하기에 견인전동기라고 부르기도 합니다.
전동기 종류는 직류, 유도, 동기전동기가 있고 직류전동기는 직류전원을 사용하는 전동기입니다.
철도분야에서 과거에 직류 전동기를 많이 사용하다가 반도체 스위치 소자의 발전으로 현재는 유도 전동기를 사용하고 있답니다.

2. 직류전동기의 구조 및 명칭/역할

직류 전동기는 고정자, 회전자, 정류자, 브러시로 구성됩니다.

• 고정자 : 전동기에 고정되어 있는 부분으로 권선을 지지하는 철심과 이를 부착하는 프레임
• 회전자 : 전동기에서 회전하는 부분으로 전기자라고 하며 권선을 수용
• 정류자 : 전류의 방향을 주기적으로 바꿔주어 전기자에 공급하는 장치
• 브러시 : 돌아가는 정류자에 닿아 전류를 전류를 끌어들이는 장치

3. 직류전동기의 회전 원리 및 토크

회전 원리에 이해하기 위해 전동기는 플레밍의 왼손법칙을 설명하겠습니다.

그림과 같은 방향인 자기장과 전류가 흐른다면 엄지손가락 방향으로 힘이 작용한다는 법칙입니다. 전자기력의 크기를 구하는 공식은 다음과 같습니다. 
F=BIsinΘ 

(B : 자기장의 세기, I : 전류의 세기, Θ : 자기장과 전류의 끼인 각)
위 식으로 자기장과 전류의 외적을 구하면 힘을 구할 수 있음을 알 수 있습니다.

이를 유념한 채로 회전 원리를 알아보도록 하겠습니다.

전동기 회전 원리는 처음(0°)엔 전기자 양 축에 힘이 반대 방향으로 작용하여 회전을 합니다. 전기자의 회전이 90°가 되는 시점에서 자기장과 전기장의 끼인 각 Θ는 0°이고 sinΘ의 값도 0이 되므로 힘이 작용하지 않게 됩니다. 하지만 관성모멘트가 작용하여 회전하게 됩니다.(관성이란 정지 상태에선 정지를, 운동 상태에선 운동을 유지하려는 성질입니다.) 또한 sinΘ값이 0이 되는 시점(90°, 270°)에서 정류자가 브러시와 접촉하지 않도록 만들어 회전으로 인해 sinΘ가 반대 값을 갖게 될 때 전류의 방향을 역전하여 전자기력의 힘을 일정한 범위 내로 유지하도록 설정해 놓았습니다.

전자기력은 왼쪽 아래 그림과 같이 수직으로 작용하지만 전기자의 회전중심에 따라 원운동 하기 때문에 실질적으로 토크가 되는 부분은 회전반경의 접선 방향으로 회전하게 되고 그 크기는 전자력과 접선 방향 토크의 사잇각을 Θ라 할 때 전자력의 cosΘ만큼 작용하게 됩니다. 

전체적인 토크의 흐름은 다음과 같습니다.

4. 직류전동기의 기본 특성 – 토크 및 속도 특성

4-1) 토크의 특성

토크는 일반적으로 물체를 회전시킬 수 있는 힘을 회전력 또는 토크라고 합니다. 주전동기의 회전력은 자속과 전기자 전류의 곱으로 표시고 회전력의 크기는 자극의 강한 정도와 전기자권선에 흐르는 전류의 대소에 관계가 있습니다. 

이를 식으로 표현하면 다음과 같습니다.

계자 미 포화 시 자속과 전류는 비례하므로

계자 포화 시 자속의 값이 일정하므로

로 표현됩니다.

4-2) 속도(회전수) 특성

주전동기에 전압을 가하면 전기자 코일은 자속을 끊으며 자계 내를 회전합니다. 이때 전기자 코일에 플레밍 오른손법칙에 의해 기전력이 발생하는데 이러한 힘을 역기전력이라 하며 공급 전류 방향과 반대입니다. 역기전력은 공급 전류에 대해 일종의 저항으로 작용해서 이를 극복할 수 있는 전압을 외부에서 공급하지 않으면 전류는 흐르지 않게 됩니다. 회전수는 이 역기전력과 관계가 있어 주전동기의 회전수를 구할 수 있답니다.
전동기에 공급되는 전압 Et는 역기전력 Ec와 전동기 내부의 전압강하 Ir로 소비됩니다.

Et = Ec + Ir
Et = Ec + Ia · ra
Ec = Et - Ia · ra
(여기서 Et : 단자전압(V), Ec : 역기전력(V), a : 전기자 전류(ra : 전기자 내부저항(Ω))

내부저항 r는 극히 적어 0.01~0.2Ω 정도이고 K는 전동기에 따른 일정치로 주전동기의 회전수

즉, 속도는 단자전압 Et에 비례하고 자속 수에 반비례합니다.

5. 직류전동기의 속도제어 방법

위 식에서 전동기의 회전수는 단자전압(Et), 전동기 내부저항(Ir), 계자의 전류량(I →Φ)을 조절하면 제어할 수 있음을 알 수 있습니다. 철도 동력차에 사용되는 직류 전동기는 3가지 방법을 병용하여 회전수를 제어합니다.

• 전압 제어법 : 전동기의 결선 방법을 직렬, 직병렬, 병렬 등으로 변경하면 견인전동기의 단자전압을 변화시킬 수 있습니다. 이것을 단자전압 제어라고도 합니다. 이때 단자전압의 변동폭이 크게 되면 회전속도의 변동폭도 크게 되어 열차에 충격이 발생하므로 단자전압 제어와 저항제어 방법을 병용하여 순차적으로 전압을 제어하는 방법을 쓰고 있습니다.

• 저항 제어법 : 저항제어 방법은 전압 제어를 보완하는 방법으로서 전동기 회로에 연결된 여러 개의 저항기를 단계적으로 차감하여 견인전동기에 공급되는 전압을 제어합니다. 즉, 전압 제어만 하면 돌입전류에 의해 열차에 충격이 발생하므로 이 충격을 줄이기 위해 저항제어 법과 병용하여 전압이 서서히 증가하도록 속도를 제어합니다. 

• 계자 제어법 : 자속을 감소시키는 방법으로 계자 전류를 감소시키는 방법을 사용하는데 약계자 제어법 또는 분로계자법이라 합니다. 전동기의 회전수는 자속수에 반비례하므로 자속을 감소시키면 회전수는 커져서 전류의 크기는 증가하지만 어느 정도 유지하면서 속도 향상을 기대할 수 있습니다. 이때 전류의 증가는 자속의 감소보다 크기 때문에 회전력은 증가합니다.