전기 11 > 시동 장치의 구성과 종류

1. 시동장치의 구성

    시동 장치는 그림과 같이 축전지, 시동 전동기(starting motor), 시동 스위치, 배선 등으로 구성되어 있다. 시동 전동기는 일반적으로 직류 직권 모터, 마그네틱 스위치, 오버러닝 클러치로 구성되어 있다.

      시동 스위치를 START 위치에 놓으면 마그네틱 스위치의 솔레노이드에 전류가 흘러 솔레노이드 플런저와 클러치 시프트 레버의 작동에 의해 전동기축에 끼워진 피니언과 기관 플라이휠의 둘레에 끼워져 있는 링 기어가 맞물린다. 동시에 마그네틱 스위치를 통해 축전지의 전류가 전동기에 흘러 전동기가 회전한다. 이 회전력은 피니언을 통해 링 기어로 전달되어 기관이 회전되어 시동이 걸린다. 기관이 시동되면 피니언은 링 기어에서 풀리고 시동 전동기는 정지한다.

2. 시동전동기의 구성

     시동 전동기는, 일반적으로 그림과 같이 전동기, 전동기의 회전력을 기관에 전달하는 동력 전달 기구, 피니언을 링 기어에 맞물리게 하는 기구로 구성되어 있다. 회전력을 발생하는 전동기는 아마추어, 계자 코일, 브러시 등으로 구성되어 있다. 전동기의 회전력을 기관에 전달하는 동력 전달 기구는 오버러닝 클러치, 피니언 등으로 구성되어 있다. 피니언을 링 기어에 맞물리게 하는 기구는 마그네틱 스위치, 클러치 시프트 레버 등으로 구성되어 있다.

3. 전동기  종류

     전동기는 전원으로 축전지를 사용하는 직류 모터이며, 전동기에는 그림 Ⅴ-5와 같이 계자 코일과 전기자 코일을 직렬로 접속한 직권 전동기와 병렬로 접속한 분권 전동기, 직권과 분권의 두 계자 코일을 가지는 복권 전동기가 있다. 전동기의 회전력은 전기자 전류와 계자 전류의 세기의 곱에 비례한다.

   직권 전동기에서는 전기자 전류와 계자 전류의 세기가 같기 때문에 회전력은 전류의 제곱에 비례하므로 시동 회전력이 매우 크다. 또 전기자 전류는 회전 속도에 반비례하므로 부하가 커서 직권 전동기의 속도가 낮으면 큰 전기자 전류가 흘러 큰 회전력을 낼 수 있다. 따라서 자동차 시동용 전동기로는 직류 직권 전동기가 알맞다.

명 칭	장 점	단 점
직권 전동기	기동 회전력이 크다.	회전 속도의 변화가 크다.
분권 전동기	회전 속도가 거의 일정하다.	회전력이 비교적 작다.

직권 전동기와 분권 전동기의 비교

4. 전동기의 구조와 작동

(1) 전기자(armature) : 전기자는 그림과 같은 전동기가 회전하는 주요부로서 축과 철심, 절연되어 철심에 감겨져 있는 전기자 코일, 정류가(comutator)등으로 구성되어 있고, 축의 양 끝은 베어링으로 지지되어 있다. 전기자 철심(armature core)으로는 자기력선을 잘 통과시키고, 와전류의 감소와 발열을 방지하기위하여 규소 강판을 절연시켜 겹쳐 만든 성층 철심을 사용한다. 정류자는 그림 Ⅴ-8과 같이 여러 개의 정류자편을 조립한 것이고, 전기자 코일은 각각의 정류자편에 납땜으로 연결되어 있다. 각 정류자편은 그 사이에 운모를 끼워 절연시켰고, 운모는 정류자편의 마멸에 의하여 정류자편보다 높아지는 것을 방지하기 위하여 미리 정류자 표면보다 0.5~0.8mm 정도 낮게 언더컷되어 있다.

(2) 계자 코일, 철심 및 요크 ; 철심에 코일을 감고 전류를 흘려서 N, S극의 자기상을 만드는 부분으로서, 철심을 계자 철심, 코일을 계자 코일(field coil)이라 하고, 코일에 흐르는 전류를 계자 전류라 한다. 요크(yoke)는 주철제로 전동기의 몸통이 되며, 자기력선의 통로가 되는 주요부이다. 요크 안쪽에는 계자 코일을 지지하는 계자 철심이 고정되어 있다. 시동할 때의 전류는 축전지로부터 계자 코일을 통하여 브러시→정류자→전기자 코일로 흐른다.

(3) 브러시 : 브러시(brush)는 정류자에 미끄럼 접촉을 하면서 전기자 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 주는 역할을 한다. 브러시는 구리 분말과 흑연을 원료로 하여 만든 것이다. 윤활성과 전도성이 우수하고, 고유 저항, 접촉 저항 등이 작다. 브러시는 그림 Ⅴ-10과 같이 브러시 홀더에 끼워지고 브러시 스프링이 브러시를 정류자에 적당한 장력으로 눌러 주고 있다. 4극식 전동기인 경우 브러시 홀더의 2개는 절연되어 계자 코일과 연결되어 있고 2개는 접지되어 있다.

(4) 전동기의 계자 코일과 전기자 코일  :  시동 전동기에서는 자기장을 형성하기 위하여 폴 코어(pole core)에 코일을 감고, 이것에 전류를 흐르게 하여 자기력을 발생하는 전자석을 사용한다. 이 코일을 계자 코일(field coil)이라 한다. 도선에 해당하는 회전 코일을 전기자 코일(armature coil)이라고 한다. 전기자(armature)란 전동기축과 코어에 전기자 코일을 감고 정류자를 붙인 것으로, 전동기의 회전 부분이 된다.

(5) 오버러닝 클러치 :  기관이 시동된 후 피니언 기어와 링 기어가 물린 상태로 있으면 전동기는 기관의 회전 속도보다 약 10배 이상의 빠른 속도로 회전하게 된다. 이렇게 되면 전동기의 정류자, 전기자 코일, 베어링 등이 파손될 수 있다. 따라서 시동된 다음에는 피니언이 링 기어에 물려 있어도 기관의 회전력이 전동기에 전달되지 않도록 하여야 한다. 이러한 목적으로 사용되는 장치가 오버러닝 클러치(overrunnig clutch)로 전동기의 토크를 기관에 전달하는 역할을 하지만, 기관 회전 토크가 전동기로 전달되는 것을 막아 준다. 오버러닝 클러치에는 를러식과 다판식 등이 있다.

▶ 롤러식 오버러닝 클러치 : 롤러식 오버러닝 클러치는 그림 Ⅴ-11과 같이 이너 레이스(inner race), 아우터 레이스(outer race), 클러치 롤러(clutch roller), 스프링 등으로 구성되어 있다. 이너 레이스는 피니언과 일체로 되어 있고 아우터 레이스는 슬리브와 일체로 되어 있다. 아우터 레이스에는 쐐기형의 홈이 마련되어 있고 여기에 롤러가 삽입되어 있다.

전동기의 토크가 기관에 전달될 때는 클러치 롤러가 이너 레이스와 아우터 레이스 사이의 좁은 홈에 끼어 이너 레이스, 클러치 롤러, 아우터 레이스가 일체로 되어 회전된다. 기관이 시동된 후에는, 이너 레이스의 회전 속도가 아우터 레이스의 회전 속도보다 빨라져 클러치 롤러가 넓은 홈으로 옮겨져 회전력이 전달되지 않는다.

▶ 다판식 오버러닝 클러치  : 디젤 기관용의 시동 전동기 등 구동 회전력이 크고, 큰 결합력을 필요로 하는 경우에 그림과 같은 다판식 오버러닝 클러치가 사용된다. 피니언과 일체로 된 이너 케이스와 드라이브 슬리브(drive sleeve)와 일체로 된 아우터 케이스사이에 금속으로 만든 구동판과 수동판이 서로 겹치도록 조립되어 있다. 기관을 시동시키고자 할 때에는 스플라인에 의하여 구동 슬리브가 좌측으로 추진력을 발생하므로 구동판과 수동판은 강하게 밀착된다. 따라서 전기자의 회전력이 피니언에 전달되므로 링 기어가 구동되어 기관의 시동이 이루어진다. 기관이 시동된 후에는 피니언의 회전 속도가 전기자축보다 빠르게 회전하므로 나선형 스플라인의 작동에 의하여 드라이브 슬리브가 우측으로 이동되어 구동판과 수동판 사이의 결합이 풀린다. 따라서, 피니언은 공회전하므로 기관으로부터의 회전력이 전동기로 전달되지 않는다.

(6) 마그네틱 스위치 : 마그네틱 스위치는 솔레노이드 스위치(solenoid switch)라고도 하며, 피니언을 링 기어에 물리게 하고 전동기의 회로에 전류를 흐르게 하는 작용을 한다. 마그네틱 스위치는 그그림과 같이 플런저(plunger), 플런저를 끌어당기는 풀인 코일(pull in coil), 끌어 당긴 플런저를 계속 유지시켜 주는 홀딩 코일(holding coil), 리턴 스프링, 전동기 회로에 전류를 개폐시켜주는 메인 스위치 등으로 구성되어 있다.

▶ 마그네틱 스위치의 작동  

① 시동 스위치를 START로 하면 풀인 코일과 홀딩 코일이 여자된다. 이것에 의한 자기력으로 플런저를 잡아당겨 피니언과 링 기어를 결합시킨다. 이 때, 전원은 홀딩 코일을 지나 전동기에 공급되나, 전력이 약해 전기자를 회전시키지는 못한다.

② 플런저에 의해 메인 스위치가 닫히면 축전지에서 전동기로 큰 전류가 흘러 전동기가 큰 회전력으로 회전되므로 기관이 회전된다. 이 때, 플런저는 홀딩 코일에 의해 당겨진 상태가 유지된다.
③ 기관이 시동되어 시동 스위치가 OFF되면 풀인 코일과 홀딩 코일에 흐르던 전류가 정지되어 자기력이 없어져 리턴 스프링에 의해 플런저가 복귀되어 피니언이 링 기어와 분리되며 정지한다. 유지시켜 주는 홀딩 코일(holding coil), 리턴 스프링, 전동기 회로에 전류를 개폐시켜주는 메인 스위치 등으로 구성되어 있다.