전기 기계

전기공학에서 전기 기계는 전기 모터, 발전기 등 전자기력을 이용한 기계의 총칭이다. 그것들은 전자기계 에너지 변환기들이다: 전기 모터는 전기를 기계 전원으로 변환하고 발전기는 기계 전원으로 변환한다. 기계의 움직이는 부품은 회전(회전 기계) 또는 선형(선형 기계)이 될 수 있다. 모터와 발전기 외에도 세 번째 범주가 종종 포함된 변압기가 있는데, 이 변압기는 움직이는 부품이 없지만, 에너지 변환기가 있어 교류 전압 레벨을 변화시킨다.^[1]

전기 기계는 발전기의 형태로 지구상에 거의 모든 전력을 생산하며, 전기 모터의 형태로 생산되는 모든 전력의 약 60%를 소비한다. 전기 기계는 19세기 중반부터 개발되었고 그 이후로는 인프라의 유비쿼터스 구성 요소가 되어왔다. 보다 효율적인 전기 기계 기술을 개발하는 것은 어떤 세계적인 보존, 녹색 에너지 또는 대체 에너지 전략에 있어서도 중요하다.

제너레이터

발전기는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치다. 발전기는 외부 전기 회로를 통해 전자를 흐르게 한다. 물의 흐름을 만들어내지만 내부의 물을 만들어내지는 않는 물펌프와 다소 유사하다. 기계적 에너지의 원천인 프라이머리 모버는 왕복 또는 터빈 증기 엔진, 터빈 또는 물레바퀴를 통해 떨어지는 물, 내연기관, 풍력 터빈, 손 크랭크, 압축 공기 또는 기타 기계적 에너지의 원천일 수 있다.

전기 기계의 두 가지 주요 부품은 기계적 또는 전기적 용어로 설명할 수 있다. 기계적 용어로 로터는 회전 부품이고 스테이터는 전기 기계의 정지 부품이다. 전기적 용어로 전기자는 전력을 생산하는 구성 요소, 장은 전기 기계의 자기장 구성 요소다. 전기자는 로터 또는 스테이터에 있을 수 있다. 자기장은 로터나 스테이터에 장착된 전자석이나 영구 자석에 의해 제공될 수 있다. 발전기는 AC 발전기와 DC 발전기의 두 가지 유형으로 분류된다.

AC 발전기

교류 발전기는 기계적 에너지를 교류 전기로 변환한다. 전기장 회로로 전송되는 전력은 전기자 회로로 전송되는 전력보다 훨씬 작기 때문에 AC 발전기는 거의 항상 전기장이 로터에, 전기자는 스테이터에 권선이 있다.

AC 발전기는 몇 가지 유형으로 분류된다.

• 유도 발전기에서 스테이터 자속은 로터의 전류를 유도한다. 그런 다음 프라이머리 모버는 로터를 동기 속도 이상으로 구동하여 반대쪽 로터 플럭스가 스테이터 코일을 절단하여 스테이터 코일에 활성 전류를 생성하여 전력을 다시 전기 그리드로 보낸다. 유도 발전기는 연결된 시스템에서 반응성 전력을 끌어오기 때문에 고립된 동력원이 될 수 없다.
• 동기식 발전기(대체 발전기)에서 자기장의 전류는 별도의 DC 전류원에 의해 제공된다.

DC 발전기

DC 발전기는 기계적 에너지를 직류 전기 에너지로 변환하는 기계다. DC 발전기는 일반적으로 교류 대신 직류를 생성하기 위해 분할 링이 있는 정류자를 가지고 있다.

모터

전기 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 발전기의 역방향 공정, 대부분의 전기 모터는 회전력을 발생시키기 위해 상호 작용하는 자기장과 전류 운반 도체를 통해 작동한다. 모터와 발전기는 많은 유사점을 가지고 있고 많은 종류의 전기 모터를 발전기로 구동할 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지다. 전기 모터는 산업용 선풍기, 송풍기와 펌프, 공작기계, 가전제품, 전동공구, 디스크 드라이브와 같은 다양한 응용 분야에서 발견된다. AC 모터와 DC 모터의 두 가지 주요 분류로 이어지는 직류 또는 교류에 의해 구동될 수 있다.

AC 모터

교류 모터는 교류 전류를 기계적 에너지로 변환한다. 일반적으로 회전 자기장을 생성하기 위해 코일이 교류와 함께 공급되는 외부 정지 스테이터와 회전장에 의해 토크가 주어지는 출력축에 부착되는 내부 로터로 구성된다. 두 가지 주요 유형의 AC 모터는 사용되는 로터의 유형에 의해 구별된다.

• 유도(비동기) 모터, 로터 자기장은 유도 전류에 의해 생성된다. 로터는 유도 전류를 공급하기 위해 스테이터 자기장보다 약간 느리게(또는 더 빠르게) 회전해야 한다. 유도 모터 로터는 다람쥐-케이지 로터, 상처 로터, 고체 코어 로터 등 3종류가 있다.
• 동기식 모터는 인덕션에 의존하지 않기 때문에 공급 주파수 또는 하위 배수로 정확하게 회전할 수 있다. 로터의 자기장은 슬립 링(제조사)을 통해 전달되는 직류 또는 영구 자석에 의해 생성된다.

DC 모터

브러시된 DC 전기 모터는 내부 정류, 고정된 영구 자석, 회전 전기 자석을 사용하여 모터에 공급되는 DC 전원으로부터 직접 토크를 생성한다. 브러시와 스프링은 정류자에서 모터 내부의 로터의 회전 와이어 권선으로 전류를 전달한다. 브러시리스 DC 모터는 로터에 회전하는 영구 자석과 모터 하우징에 고정된 전기 자석을 사용한다. 모터 제어기는 DC를 AC로 변환한다. 이 설계는 모터 외부에서 회전 로터로 동력을 전달하는 복잡성을 제거하기 때문에 브러시드 모터보다 간단하다. 브러시리스 동기식 DC 모터의 예로는 스테퍼 모터가 있는데, 스테퍼 모터는 전체 회전을 많은 수의 스텝으로 나눌 수 있다.

기타 전자기기

그 밖의 전자기기로는 엠프리디네, 싱크로, 메타디네, 에디 전류 클러치, 에디 전류 브레이크, 에디 전류 동력계, 이스트레시스 동력계, 로터리 컨버터, 워드 레너드 세트 등이 있다. 로터리 컨버터는 기계 정류기, 인버터 또는 주파수 컨버터의 역할을 하는 기계의 조합이다. 워드 레너드 세트는 스피드 컨트롤을 제공하는 데 사용되는 기계들의 조합이다. 다른 기계 조합은 Kraemer와 Scherbius 시스템을 포함한다.

변압기

변압기는 주파수를 변경하지 않고 한 전압 레벨에서 다른 레벨(더 높거나 더 낮음) 또는 같은 레벨로 교류전류를 변환하는 정적 소자다. 변압기는 전기 에너지를 한 회로에서 다른 회로로 유도 결합 도체, 즉 변압기의 코일을 통해 전달한다. 1차 또는 1차 권선의 전류가 변화하면 변압기 코어에 다양한 자속이 생성되며, 따라서 2차 권선을 통한 자기장이 변화한다. 이러한 변화된 자기장은 2차 권선의 다양한 기전력(emf) 또는 "전압"을 유도한다. 이런 효과를 상호유도라고 한다.

변압기의 종류는 세 가지가 있다.

1. 스텝업 변압기
2. 스텝다운 변압기
3. 절연변압기

구조기준 변압기는 4종류다.

1. 핵심형
2. 조개 활자
3. 권력형
4. 계기 활자

전자기 회전기

전자파 회전 기계는 스테이터 권선과 상호작용하는 자기장을 생성하는 로터에 일종의 전류를 가진 기계다. 로터 전류는 영구 자석의 내부 전류(PM 기계), 브러시를 통해 로터에 공급되는 전류(브러시 기계) 또는 다양한 자기장에 의해 닫힌 로터 권선에 설정된 전류(유도 기계)가 될 수 있다.

영구 자석 기계

PM 기계는 자기장을 설정하는 로터에 영구 자석을 가지고 있다. PM의 자전력(정렬된 스핀으로 전자 궤도를 선회하여 발생하는)은 일반적으로 구리 코일에서 가능한 것보다 훨씬 높다. 그러나 구리 코일은 강자성 물질로 채워질 수 있으며, 이는 코일에 훨씬 낮은 자기 거부감을 준다. 그래도 현대의 PM(네오디뮴 자석)에 의해 생성된 자기장은 더 강하며, 이는 PM 기계가 연속 작동 중인 로터 코일이 있는 기계보다 토크/볼륨 및 토크/가중비가 더 좋다는 것을 의미한다. 이는 로터 내 초전도체 도입에 따라 달라질 수 있다.

PM 기계에 있는 영구 자석은 이미 상당한 자기적 거부감을 불러일으키기 때문에 공극과 코일의 거부감은 덜 중요하다. 이것은 PM 기계를 설계할 때 상당한 자유를 준다.

일반적으로 코일의 전류가 기계의 일부를 손상시키는 온도로 가열할 때까지 짧은 시간 동안 전기 기계에 과부하를 가할 수 있다. PM 기계는 코일의 너무 높은 전류가 자석을 분해할 만큼 강한 자기장을 만들 수 있기 때문에 그러한 과부하를 덜 받을 수 있다.

브러시드 머신

브러시드 기계는 전기 슬롯 카 트랙에서 자동차에 전류가 공급되는 것과 동일한 방식으로 로터 코일에 브러시를 통해 전류를 공급하는 기계다. 더 튼튼한 브러시는 흑연이나 액체 금속으로 만들어질 수 있다. 회전자와 스테이터의 일부를 토크를 생성하지 않고 전류를 전달하는 변압기로 사용함으로써 "브러시 머신"의 브러시를 제거하는 것도 가능하다. 브러시는 정류자와 혼동해서는안 된다. 차이점은 브러시가 전류만을 움직이는 로터로 전달하는 반면 정류자는 전류 방향 전환을 제공한다는 것이다.

스테이터 코일 뒤쪽에 검은 철 외에 로터 코일 사이 철(일반적으로 판금 등으로 만든 적층강 코어)과 스테이터 코일 사이 철의 톱니가 있다. 로터와 스테이터의 간격도 최대한 작게 만든다. 이 모든 것은 로터 코일에 의해 생성된 자기장이 이동하는 자기회로의 자기저항을 최소화하기 위해 수행되는데, 이 자기회로의 자기저항은 이러한 기계들의 최적화에 중요한 것이다.

동기식 속도로 스테이터 권선에 DC로 구동되는 대형 브러시드 기계는 발전소에서 가장 일반적인 발전기로, 터빈에 의해 시동될 수 있고 이 시스템의 기계는 제어기 없이 일정한 속도로 전력을 생산할 수 있기 때문에 그리드에 반응형 전력을 공급하기 때문이다. 이러한 종류의 기계는 문헌에서 흔히 동기식 기계라고 한다.

이 기계는 또한 스테이터 코일을 그리드에 연결하고 로터 코일에 인버터로부터 AC를 공급함으로써 작동될 수 있다. 부분 정격 인버터로 기계의 회전 속도를 조절할 수 있는 것이 장점이다. 이러한 방식으로 기계를 작동하면 브러시된 이중 공급 "유도" 기계로 알려져 있다. "유도"는 유도에 의해 설정된 기계에 유용한 전류가 없기 때문에 오해의 소지가 있다.

유도기

유도 기계에는 전류가 설정되고 유도에 의해 유지되는 단락 로터 코일이 있다. 이를 위해서는 로터가 동기식 속도 이외의 속도로 회전해야 하므로 로터 코일은 스테이터 코일에 의해 생성되는 다양한 자기장의 영향을 받는다. 유도기는 비동기식 기계다.

인덕션은 보통 전기 기계에서 약한 부분인 브러시의 필요성을 없앤다. 또한 로터 제작이 매우 용이하도록 설계할 수 있다. 금속 실린더는 로터로 작동하지만 효율을 높이기 위해 "스퀴럴 케이지" 로터 또는 닫힌 권선이 있는 로터가 주로 사용된다. 충분한 로터 전류와 로터 자기장을 설정하기 위해서는 스테이터와 로터의 큰 속도 차이가 필요하기 때문에 비동기 유도기의 속도는 부하가 증가하면 감소한다. 비동기 유도기계는 AC 그리드에 연결되면 제어 수단 없이 시동 및 구동할 수 있지만 시동 토크는 낮다.

특별한 경우는 로터에 초전도체가 있는 유도기일 것이다. 초전도체 내 전류는 유도에 의해 설정되지만, 로터 전류를 유지하기 위해 스테이터의 자기장과 로터의 속도 사이의 속도 차이가 필요하지 않기 때문에 로터가 동기 속도로 작동한다.

또 다른 특별한 경우는 스테이터에 이중 코일 세트가 있는 브러시리스 이중 공급 유도 기계일 것이다. 스테이터에 두 개의 움직이는 자기장이 있기 때문에 동기식이나 비동기식 속도에 대해 말하는 것은 의미가 없다.

내성기계

저항기계는 로터에 권선이 없고 스테이터의 '전극'이 로터에 있는 치아를 '그러브'하고 조금 전진시킬 수 있도록 만든 강자성 물질만 있다. 그리고 나서 전자석들은 꺼지고, 다른 전자석 세트는 로터를 더 이동시키기 위해 켜진다. 또 다른 이름은 스텝 모터로 저속과 정확한 위치 제어에 적합하다. 저항 기계는 스테이터에 영구 자석을 공급하여 성능을 향상시킬 수 있다. 그러면 "전자석"은 코일에 음전류를 보내 "꺼짐"된다. 전류가 양수일 때 자석과 전류가 협조하여 더 강한 자기장을 생성하여 전류의 최대 절대값을 증가시키지 않고 저항기계의 최대 토크를 개선한다.

정전기 기계

정전기 기계에서 토크는 로터 및 스테이터의 전하를 끌어당기거나 반발하여 생성된다.

정전기 발전기는 전하를 축적하여 전기를 발생시킨다. 초기 타입은 마찰기였고, 후기 타입은 정전기 유도에 의해 작동하는 영향기였다. Van de Graaff 발전기는 오늘날까지도 연구에 사용되는 정전기 발전기다.

호모폴라 기계

호모폴라 기계는 브러시를 통해 전류가 물레에 공급되는 진정한 DC 기계다. 바퀴는 자기장에 삽입되며, 토크는 전류가 자기장을 통해 바퀴의 가장자리에서 중심까지 이동하면서 생성된다.

전기기계시스템

전기기계의 최적화 또는 실용적 작동을 위해, 오늘날의 전기기계 시스템은 전자 제어로 보완된다.

참조

• 채프먼, 스티븐 J. 2005. 전기 기계 기본 원리. 4월 4일. 뉴욕: 맥그로우 힐.

추가 읽기

• Chisholm, Hugh, ed. (1911). "Electrical Machine" . Encyclopædia Britannica. 9 (11th ed.). Cambridge University Press. pp. 176–179. 이것은 전기기계의 동시대 역사와 상태를 상세히 조사한다.