전기자

전기공학에서 전기자(電機子, armature)는 교류를 흘리는 전기기계의 권선 (또는 권선 세트)이다.^[1] 전기자 권선은 정류자 동작(주기적으로 전류 방향을 역전시킴) 또는 브러시리스 모터와 같은 전자식 정류 때문에 직류 기계에서도 AC를 전도한다. 전기자는 전기기계의 종류에 따라 회전자 (회전 부분) 또는 고정자 (계자권선, 고정 부분)에 있을 수 있다.

소형 전동기(또는 발전기)의 직류 전기자

삼중 T형 전기자의 예

부분적으로 제작된 직류 전기자, (미완성) 권선

전동기에 사용되는 전기자의 모양으로는 이중 T형 및 삼중 T형 전기자가 있다.^[2]

전기자 권선은 공극의 자기장 (자기 선속)과 상호 작용한다. 자기장은 영구 자석이나 도체 코일에 의해 형성된 전자석에 의해 생성된다.

전기자는 전류를 흘려야 하므로, 항상 전기 전도체 또는 전도성 코일이며, 자기장과 운동 방향, 돌림힘 (회전 기계), 또는 힘 (물리학) (선형 기계) 모두에 수직으로 향한다. 전기자의 역할은 두 가지이다. 첫째는 자기장을 가로질러 전류를 흘려 회전 기계에서 구동축 돌림힘을 생성하거나 선형 기계에서 힘을 생성하는 것이다. 둘째 역할은 기전력 (EMF)을 생성하는 것이다.

전기자에서는 전기자와 자기장의 상대적인 움직임에 의해 기전력이 생성된다. 기계 또는 전동기가 전동기로 사용될 때, 이 기전력은 전기자 전류에 저항하고, 전기자는 전력을 돌림힘 형태의 기계적 동력으로 변환하고 이를 샤프트를 통해 전달한다. 기계가 발전기로 사용될 때, 전기자 기전력은 전기자 전류를 구동하고, 샤프트의 움직임은 전력으로 변환된다. 유도 발전기에서는 생성된 전력이 고정자에서 추출된다.

그라울러는 전기자의 단락 및 개방 회로와 접지 누설을 확인하는 데 사용된다.

용어

"Armature"라는 단어는 19세기 중반에 처음으로 전기적 의미, 즉 자석 보관자로 사용되었다.^[3]

교류 발전기 또는 관련 장비의 부품은 기계적 용어 또는 전기적 용어로 표현될 수 있다. 이 두 용어 세트는 분명히 분리되어 있지만, 자주 상호 교환적으로 사용되거나 하나의 기계적 용어와 하나의 전기적 용어를 포함하는 조합으로 사용된다. 이는 브러시리스 교류 발전기와 같은 복합 기계를 다루거나, 다르게 구성된 기계에 익숙한 사람들 간의 대화에서 혼란을 야기할 수 있다.

대부분의 발전기에서 계자 자석은 회전하며 회전자의 일부이고, 전기자는 고정되어 있으며 고정자의 일부이다.^[4] 전동기와 발전기 모두 고정된 전기자와 회전하는 계자 또는 회전하는 전기자와 고정된 계자로 만들 수 있다. 영구 자석 또는 전자석의 극편과 솔레노이드의 움직이는 철 부분, 특히 후자가 개폐기 또는 전자계전기 역할을 하는 경우에도 전기자로 지칭될 수 있다.

직류기에서의 전기자 반작용

직류기에는 '전기자 자속'과 '주 계자 자속'이라는 두 가지 자속원이 존재한다. 주 계자 자속에 대한 전기자 자속의 영향을 "전기자 반작용"이라고 한다. 전기자 반작용은 자기장 분포를 변경하여 기계의 작동에 영향을 미친다. 전기자 자속의 영향은 주 극에 보상 권선을 추가하거나, 일부 기계에서는 전기자 회로에 연결된 중간 자기 극을 추가하여 상쇄할 수 있다.

전기자 반작용은 앰플리다인 회전 증폭기에서 필수적이다.

전기자 반작용 강하는 발전기의 주 극 아래 자속 분포에 대한 자기장의 영향이다.^[5]

전기자는 코일로 감겨 있기 때문에 코일에 전류가 흐르면 항상 전기자 내부에 자기장이 형성된다. 이 자기장은 발전기 자기장과 직각을 이루며 전기자의 교차 자화라고 불린다. 전기자 자기장의 효과는 발전기 자기장을 왜곡하고 중성면을 이동시키는 것이다. 중성면은 전기자 권선이 자기 선속선과 평행하게 움직이는 위치이며, 이 평면에 놓인 축을 자기 중성축(MNA)이라고 한다.^[6] 이 효과는 전기자 반작용으로 알려져 있으며 전기자 코일에 흐르는 전류에 비례한다.

기하학적 중성축(GNA)은 인접한 극의 중심선 사이의 각을 이등분하는 축이다. 자기 중성축(MNA)은 전기자의 중심을 통과하는 자속의 평균 방향에 수직으로 그려진 축이다. 이 축을 따라서는 전기자 도체에서 기전력이 발생하지 않는데, 이는 이때 자속을 끊지 않기 때문이다. 전기자 도체에 전류가 없을 때 MNA는 GNA와 일치한다.

발전기의 브러시는 중성면에 놓여야 한다. 즉, 유도 기전력이 없는 전기자 코일에 연결된 정류자의 세그먼트와 접촉해야 한다. 만약 브러시가 중성면 바깥의 정류자 세그먼트와 접촉하면 "활성" 코일을 단락시켜 아크 발생과 전력 손실을 초래할 것이다.

전기자 반작용이 없으면 자기 중성축(MNA)은 기하학적 중성축(GNA)과 일치한다. 전기자 반작용은 중성면이 회전 방향으로 이동하게 하며, 무부하 상태, 즉 전기자 전류가 흐르지 않을 때 브러시가 중성면에 있다면, 전기자 전류가 흐를 때는 중성면에 있지 않게 된다. 이러한 이유로 발전기 설계에 보정 시스템을 통합하는 것이 바람직하다.

전기자 반작용의 영향을 극복하는 두 가지 주요 방법이 있다. 첫 번째 방법은 브러시의 위치를 이동시켜 발전기가 정상 부하 전류를 생성할 때 중성면에 있도록 하는 것이다. 다른 방법은 전기자 회로에 연결된 특수 계자극인 보극(interpoles)을 발전기에 설치하여 전기자 반작용의 영향을 상쇄하는 것이다.

브러시 설정 방법은 발전기가 비교적 일정한 부하로 작동하는 설비에서 만족스럽다. 부하가 현저하게 변하면 중성면도 비례적으로 이동하여 브러시가 항상 정확한 위치에 있지 않게 된다. 브러시 설정 방법은 소형 발전기(약 1,000W 이하를 생산하는 발전기)에서 전기자 반작용을 보정하는 가장 일반적인 수단이다. 더 큰 발전기에는 보극을 사용해야 한다.

권선 회로

권선의 코일은 공극의 전체 표면에 분포하며, 이는 기계의 회전자 또는 고정자일 수 있다. "겹감기(lap winding)"에서는 브러시(또는 선) 연결 사이에 계자 권선의 극 수만큼의 전류 경로가 있다. "파도감기(wave winding)"에서는 두 개의 경로만 있으며, 직렬 코일 수는 극 수의 절반과 같다. 따라서 주어진 정격의 기계에 대해 파도감기는 큰 전류와 낮은 전압에 더 적합하다.^[7]

권선은 고정자 자석으로 덮인 회전자 또는 전기자의 슬롯에 고정된다. 권선의 정확한 분포와 계자의 극당 슬롯 수 선택은 기계의 설계 및 성능에 크게 영향을 미치며, 직류기에서의 정류 또는 교류기의 파형과 같은 요소에 영향을 미친다.

정류자가 있는 직류기의 개략적인 권선 다이어그램, 파도감기 - 전기자의 표면이 평평하게 펼쳐진 것처럼 표시됨

권선 재료

전기자 배선은 구리 또는 알루미늄으로 만들어진다. 구리 전기자 배선은 더 높은 도전율 때문에 전기 효율을 높인다. 알루미늄 전기자 배선은 구리보다 가볍고 저렴하다.

같이 보기

• 밸런싱 머신
• 정류자
• 계자권선