전기기기 기초
작성일 : 2023년 04월 09일 (Sunday)
Table of contents
전기기기 공부를 들어가며 기본적으로 알아야 하는 개념들에 대해서 서술했다.
플레밍 왼손 법칙
자기장에 있는 도선에 전류가 흐를 때 도선이 받는 힘의 방향을 나타내는 법칙으로 전동기의 원리를 나타낸다.
$$ F = BIlsin{\theta} $$
플레밍 왼손법칙. F는 도선의 길이 l에 가해지는 힘을 나타내고, B는 자계의 세기, I는 전류를 의미함.
플레밍 오른손 법칙 (유도기의 원리)
자기장에 있는 도선을 움직일 때 도선 내에 생기는 전류의 방향을 나타내는 법칙으로 발전기의 원리를 나타낸다. 플레밍 왼손 법칙과 오른손 법칙은 사실 전류만 반대방향을 가리키고 있음에 집중하자.
플레밍 오른손 법칙을 이용하면, 자기장 내에서 이동하는 회로에 유기되는 전류의 방향을 알 수 있다. 예를 들어, 다음을 보자.
위와 같이, 영구자석 사이에 사각형 회로가 존재하고, v의 속도로 회전하고 있다고 한다면 회로의 방향은 다음과 같다.
전동/유도 예제
전자기학의 전자기역학 파트를 참고하자.
기자력 (MMF;Magnetomotive Force)
코일이 자속을 생산할 수 있는 힘을 기자력이라고 한다. 기자력(m.m.f)은 턴수 N, 전류 I를 곱한 값이다.
자기저항 ($\mathfrak{R}$;Reluctance)
자기저항은 기자력으로부터 자속을 구할 수 있게 해준다. 아래의 식을 이용하면 자속을 구할 수 있다.
$$ \phi = \frac{m.m.f}{\mathfrak{R}} $$
자기장 옴의 법칙
자기저항의 크기는 아래와 같이 투자율, 단면적, 길이로 구할 수 있다.
$$ \mathfrak{R} = \frac{L}{A\mu} $$
자기저항 공식
자기저항 역시 전기회로의 저항과 동일하게 직렬일 때는 그 값을 합하고, 병렬일 때는 합성저항의 역수는 각 자기저항의 역수의 합이 된다. 공극은 코어가 없는 형태인데, 공기의 투자율이 일반적으로 코어로 사용되는 철의 투자율에 비해 현저히 작으므로 공극의 자기저항은 동일 길이라고 할 때 몇 천배는 크다.
공극 (Airgap)
전동기에서는 유도체에 가해지는 힘을 최대화하기 위해서 공극을 사용한다. 공극을 사용하면 어느 코어를 사용하더라도 원하는 인덕턴스를 만들 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라 공극은 자속을 일부러 누설시켜서 자기포화로 인해 자속-전류 관계가 비선형적으로 가지않도록 해주는 역할도 수행한다.
공극의 길이에 비례해서 자기저항이 조절되기 때문에 공극의 길이를 정확하게 하는 것은 굉장히 중요한 작업이다. 하지만, 공정 오차 때문에 공극의 길이 L을 정밀하게 조정하는 일은 쉽지 않아서 공극 대신 절연지(Insulation Paper 혹은 갭지, Gap Sheet)를 집어넣어서 L을 정밀하게 조정한다. 더 자세한 내용은 변압기 글을 참조하자.
전기기기에서의 손실
전기기기에서는 아래와 같이 손실을 분류한다. 전기기기에서 고루고루 언급되므로 잘 기억해두는 것이 중요하다.
- 전손실 $P_l$
- 무부하손 (고정손) $P_o$
- 철손 $P_i$
- 히스테리시스손 $P_n$ : 강자성체가 자화되는데 필요한 초기손실
- 와류손 $P_e$ : 자속이 침투할 때 줄열($Q = RI^2t$)에 의해 철 표면에 생기는 멤돌이 전류에 의한 손실
- 기계손 $P_m$
- 마찰손 : 마찰에 의한 손실
- 풍손 : 모터 등 터빈이 돌 때 바람에 의한 손실
- 철손 $P_i$
- 부하손 (가변손) $P_c$
- 표류 부하손 : 철손과 동손을 제외한 전기적인 손실. 대표적으로 누설자속에 의한 주변 금속체에 생기는 와류 손이 있다.
- 동손 $P_c$ (동손 $\thickapprox $ 부하손) : 부하(저항)전류에 의한 손실. 대표적으로 히스테리시스 손, 와류 손이 해당된다.
- 무부하손 (고정손) $P_o$
