계자권선
계자권선 또는 필드 코일(field coil)은 자기장을 생성하는 데 사용되는 전자석으로, 일반적으로 전동기 또는 발전기와 같은 회전 전기기계에서 사용된다. 이는 계자 전류가 흐르는 코일로 구성된다.
회전기계에서 계자권선은 자기장 선을 유도하는 철 자기 철심에 감겨 있다. 자기 철심은 두 부분으로 나뉜다. 고정된 고정자와 그 안에서 회전하는 회전자. 자기 자기장 선은 고정자에서 회전자를 거쳐 다시 고정자로 돌아오는 연속적인 루프 또는 자기 회로를 형성한다. 계자권선은 고정자 또는 회전자에 있을 수 있다.
자기 경로는 극으로 특징지어진다. 극은 자기장 선이 고정자에서 회전자로 또는 그 반대로 통과하는 회전자를 둘러싼 등각 위치이다. 고정자(및 회전자)는 극의 수에 따라 분류된다. 대부분의 배열은 극당 하나의 계자권선을 사용한다. 일부 오래되거나 간단한 배열은 각 끝에 극이 있는 단일 계자권선을 사용한다.
계자권선은 회전기계에서 가장 흔하게 발견되지만, 항상 같은 용어로 불리지는 않지만, 다른 많은 전자기계에서도 사용된다. 여기에는 단순한 전자석에서부터 질량 분석기 및 NMR 기계와 같은 복잡한 실험실 기기에 이르기까지 다양한 기기가 포함된다. 계자권선은 가벼운 영구 자석이 널리 사용되기 전에는 확성기에 널리 사용되었다.
고정 및 회전 자기장
[편집]대부분의[note 1] 직류 계자권선은 일정하고 정적인 자기장을 생성한다. 대부분의 3상전력 교류 계자권선은 유도전동기의 일부로서 회전 자기장을 생성하는 데 사용된다. 단상 교류 전동기는 다음 두 가지 패턴 중 하나를 따를 수 있다.
- 소형 모터는 일반적으로 직교류 겸용 모터(universal motor)로, 정류자가 있는 브러시 직류 모터와 유사하지만 교류로 작동한다.
- 대형 교류 모터는 일반적으로 3상 또는 단상 유도 전동기이다.
고정자와 회전자
[편집]많은[note 1] 회전 전기기계는 움직이는 회전자(보통 슬립 접점, 즉 정류자 또는 슬립링을 통해)에 전류를 전달하거나 회전자로부터 전류를 추출해야 한다. 이러한 접점은 종종 이러한 기계에서 가장 복잡하고 신뢰성이 떨어지는 부분이며, 기계가 처리할 수 있는 최대 전류를 제한할 수도 있다. 이러한 이유로, 기계가 두 세트의 권선을 사용해야 할 때, 가장 적은 전류를 운반하는 권선은 보통 회전자에 배치하고 가장 많은 전류를 운반하는 권선은 고정자에 배치한다.
계자권선은 장치 설계에 가장 비용 효율적인 방법에 따라 회전자 또는 고정자 중 하나에 장착할 수 있다.
브러시 직류 모터에서는 자기장이 정적이지만, 전기자 전류는 계속 회전하기 위해 정류되어야 한다. 이는 회전 슬립링과 스위치의 조합인 정류자를 통해 회전자의 전기자 권선에 전원을 공급함으로써 이루어진다. 교류 유도 전동기도 고정자에 계자권선을 사용하며, 회전자의 전류는 다람쥐 농형에서 유도에 의해 공급된다.
발전기의 경우 계자 전류는 출력 전류보다 작다.[note 2] 따라서 계자 권선은 회전자에 장착되고 슬립링을 통해 전원이 공급된다. 출력 전류는 고정자에서 취해지므로 고전류 슬립링이 필요하지 않다. 현재는 정류기가 있는 교류 발전기에 비해 일반적으로 구식인 직류 발전기에서는 정류의 필요성으로 인해 브러시 장치와 정류기가 여전히 필요할 수 있었다. 전기도금에 사용되는 고전류, 저전압 발전기의 경우 특히 크고 복잡한 브러시 장치가 필요할 수 있었다.
양극 및 다극 자기장
[편집]발전기 개발 초기에 고정자 자기장은 단일 양극 자기장에서 나중에 다극 설계로 진화했다.
양극 발전기는 1890년 이전에는 보편적이었지만, 그 후 몇 년 동안 다극 계자 자석으로 대체되었다. 양극 발전기는 그 후 매우 작은 크기로만 만들어졌다.[1]
이 두 가지 주요 유형 사이의 발판은 고정자 주위에 고리 형태로 배열된 두 개의 계자 코일을 가진 이어지는 극 양극 발전기였다.
이러한 변화는 더 높은 전압이 작은 전선을 통해 전력을 더 효율적으로 전송하기 때문에 필요했다. 출력 전압을 높이려면 직류 발전기를 더 빠르게 회전시켜야 하지만, 특정 속도 이상에서는 매우 큰 전력 전송 발전기에는 비현실적이다.
그램 링을 둘러싼 극면 수를 늘림으로써, 링은 기본 2극 발전기보다 한 바퀴에 더 많은 자기력선을 가로지를 수 있다. 결과적으로, 4극 발전기는 2극 발전기의 두 배의 전압을 출력할 수 있었고, 6극 발전기는 2극 발전기의 세 배의 전압을 출력할 수 있었다. 이는 회전 속도를 늘리지 않고도 출력 전압을 증가시킬 수 있게 한다.
다극 발전기에서 전기자와 계자 자석은 계자 자석이 부착된 원형 프레임 또는 "링 요크"로 둘러싸여 있다. 이는 극 조각이 가능한 한 작은 표면을 가지며 자기 선속의 경로가 2극 설계보다 짧기 때문에 강도, 단순성, 대칭적인 외관, 최소한의 자기 누설이라는 장점을 가진다.[1]
권선 재료
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이 부분의 본문은 코일입니다.코일은 일반적으로 에나멜 처리된 구리선으로 감겨 있으며, 때로는 마그넷 와이어라고도 한다. 권선 재료는 계자 코일에서 소비되는 전력을 줄이기 위해 낮은 저항을 가져야 하지만, 더 중요하게는 저항 가열로 인해 발생하는 폐열을 줄여야 한다. 권선 과열은 일반적인 고장 원인이다. 구리 가격 상승으로 인해 알루미늄 권선이 점점 더 많이 사용되고 있다.
구리보다 훨씬 더 좋은 재료는 높은 가격을 제외하고는 은인데, 이는 비저항이 훨씬 더 낮기 때문이다. 은은 드물게 사용되었다. 제2차 세계 대전 중 최초의 원자폭탄을 만들기 위한 맨해튼 계획은 캘루트론으로 알려진 전자기 장치를 사용하여 우라늄 농축을 했다. 수천 톤의 은이 미국 재무부 비축금에서 빌려져 자석용 고효율 저저항 계자 코일을 만드는 데 사용되었다.[2][3]
같이 보기
[편집]각주
[편집]- ↑ 가 나 Field coils are found in a vast array of electrical machines and so any attempt to categorise them in a readable manner is likely to exclude some obscure examples.
- ↑ Strictly it is the output power that is greater than the field power, although in practice this usually implies that the current is greater too.
- ↑ 가 나 Hawkins Electrical Guide, Volume 1, Copyright 1917, Theo. Audel & Co., Chapter 14, Classes of Dynamo, page 182
- ↑ 《The Silver Lining of the Calutrons》. 《ORNL Review》 (Oak Ridge National Lab). 2002. 2008년 12월 6일에 원본 문서에서 보존된 문서.
- ↑ Smith, D. Ray (2006). 《Miller, key to obtaining 14,700 tons of silver Manhattan Project》. 《Oak Ridger》. 2007년 12월 17일에 원본 문서에서 보존된 문서.