전기 17 > 충전장치(교류 발전기)

6. 교류발전기

1) 스테이터  : 스테이터(stator)는 그림 Ⅳ-3과 같이 철심과 코일로 구성되어 있다. 철심은 얇은 철판을 여러 장 겹쳐서 고정한 것으로 그 안쪽에는 코일이 들어가는 홈(slot)이 24개 또는 36개가 있으며, 작동 중에는 로터의 자극에서 나온 자속의 통로가 된다.

  

스테이터의 구조

스테이터 코일의 형상

스테이터 코일(stator coil)은 그림 Ⅳ-4와 같이 절연재로 피복된 구리선을 철심의 홈에 끼워 넣은 것으로서, 코일의 피치는 극 간격(pole pitch)과 같다. 스테이터 코일은 120˚간격으로 독립된 3쌍을 감은 다음, Y 결선 또는 결선 방식으로 접속하여 결선된다. 보통, 자동차용 교류 발전기에서는 Y 결선 방식으로 연결되어 있다.

 

2) 로터 :  로터(rotor)는 그림과 같이 자극이 되는 로터 철심, 여자 전류가 흐르는 로터 코일, 로터축, 슬립 링(slip ring)등으로 구성되어 있으며, 크랭크축 풀리와 V 벨트로 연결되어 회전한다. 로터 철심은 4개 또는 6개의 자극을 서로 맞대어 조립한 것으로, 8개 또는 12개의 극을 형성하고 있다. 로터 코일은 로터축 위에 원통형으로 감겨져 있고, 양쪽 끝은 축 위에 절연되어 설치된 2개의 슬립 링에 각각 접속되어 있다. 여자 전류가 브러시→슬립 링→로터 코일→슬립 링→브러시의 순서로 슬립 링에 접촉된 브러시를 통해 흐르면 한쪽 철심은 N극, 다른 한쪽 철심은 S극으로 자화된다.

 

3) 브러시 : 2개의 브러시는 브래킷에 고정된 브러시 홀더에 끼운 다음, 브러시 스프링으로 눌러 슬립 링에 접촉시킨다. 한쪽 브러시는 여자 전류가 흘러들어오는 단자에 연결되고, 다른 한쪽 브러시는 접지되어 있다. 브러시는 로터가 회전할 때 슬립 링과 미끄럼 접촉을 하면서 로터 코일에 여자 전류를 공급하기 때문에, 접촉 저항이 작고 내마멸성이 좋은 금속 흑연질의 것이 사용된다.

4). 정류기  : 정류기(rectifier)는 스테이터 코일에서 발생한 3상 교류를 정류하는 것으로 그림 Ⅳ-7과 같이 6개의 다이오드로 구성되어 있다. 다이오드는 +측과 -측에 각각 극성이 다른 다이오드 3개로 방열판의 히트 싱크(heat sink)인 홀더 (holder)에 고정(납땜)되어 있다.

 

5) 팬 : 다이오드는 열에 약하므로 다이오드를 공기로 냉각시키기 위하여 로터축에 팬 (fan)이 설치되어 있다.

 

7. 타려식 발전기와 자려식 발전기

      전자석의 코일에 전류를 흘려 자화시키는 것을 여자(勵磁)라 하고, 이 전류를 여자 전류(또는 계자 전류)라 한다. 발전기의 경우 외부의 전원으로부터 여자 전류를 공급하는 방식을 타려식(他勵式)이라 하고, 발전기의 자체에서 발생한 전류로 여자 전류를 공급하는 방식을 자려식(自勵式)이라 한다. 그러나 전자석을 이용하는 교류 발전기는 작동 초기에는 타려식이다.

 

8. 교류 발전기의 작동 :

     아래  그림에서다. 먼저 점화 스위치를 ON으로 하면 전류는 배터리에서전압 조정기를 통하여 F단자 → (+)브러시 → 슬립 링 → 로터 코일 → 슬립 링 → (-)브러시 → E단자(접지)의 경로로 약 2∼3A정도의 전류가 흐른다. 이 전류에 의하여 로터 코일은 자화 되어 자속이 발생한다.

그리고 교류 발전기는 처음에는 타려자식으로 작동한다. 엔진이 가동되면 구동 벨트에 의하여 구동되는로터가 회전하고 스테이터는 로터의 자속을 끊기 때문에 스테이터 코일에는 3상 교류 전압이 발생한다. 이교류 전압은 6개의 실리콘 다이오드에 의하여 정류되어 직류 전압이 B단자로 출력된다. 로터의 회전속도가1,000rpm정도 되면 이 교류 전압은 배터리 단자 전압보다 높아지며, 출력 전류는 B단자에서 각 전장 부품및 배터리 충전 전류로 공급된다. 또 B단자에서 나온 출력 전류 일부가 로터 코일에 공급된다.

직류 발전기는 처음부터 자려자식으로 작동되나, 교류 발전기는 실리콘 다이오드에 가해지는 전압이 약0.5V정도에 이르지 않으면 전류가 흐르지 않기 때문에 여자 전류의 흐름 시작이 늦어져 처음부터 자려자식으로 작동시키면 출력 전압으로 발생되는 시간이 지연되기 때문에 타려자식으로 작동된다. N단자에는 B단자 출력 값의 1/2 전압을 나타내지만 이 전압은 조정기를 작동시키기 위해 이용된다..

 

9. 교류 발전기의 특성

1) 교류 발전기의 무부하 특성  : 교류 발전기의 무부하 특성 교류 발전기의 기전력은 스테이터 코일의 권선 수, 로터 철심의 자극 수, 자속의 세기 등에 따라 다르다. 일반적으로 그림과 같이 여자 전류가 증가할수록, 또는 회전 속도가 빠를수록 단자 전압이 증가한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) 교류 발전기의 부하 특성 : 그림과 같이 교류 발전기에 부하를 접속하고, 회전 속도가 일정한 상태에서 부하 전류를 증가시키면, 내부의 전압 강하량이 증가하기 때문에 단자 전압이 낮아진다. 이와 같은 특성을 발전기에 부하를 걸었을 때의 외부 특성이라 한다. 축전지를 전원으로 하는 타려자 상태에서 발전기의 회전 속도를 높이면 출력 전압이 상승한다. 이 출력 전압이 축전지의 전압보다 높게 되면 여자 전류는 발전기 B단자에서 공급되어 자려자 상태로 된다.