회전자

회전자(Rotor)

회전자(Rotor, 回轉子)는 발전기나 전동기 등 회전 동작과 관련된 장치에서 회전하는 부분을 말한다. 영어로 로터(roter)라고 부른다.

개요

회전자는 회전을 통해 에너지를 얻어내거나 변환하는 전동기, 발전기 등의 전자/자기장치에서 회전 동작을 맡는 부분을 의미한다. 이 밖에 전자기기에서 고정된 부분을 고정자(계자), 회전자가 일정 방향으로 회전하도록 전류방향을 주기적으로 바꿔주는 부분을 정류자라고 한다. 예를 들면 전동기에서는 전류가 흘러 회전하는 도체를 회전자, 도체를 회전시키기 위해 자기장을 형성하는 고정된 자석을 고정자, 외부에서 전류를 받아서 도체인 회전자로 보내는 부분을 정류자라고 할 수 있다. 외부에서 전기를 받아 역학적 일(work)을 하는 전동기, 그리고 역학적 일을 받아 전기를 생산하는 발전기에서의 역학적 운동은 대부분 회전운동이다. 따라서 이 장치들에서는 회전하는 부분과 고정된 부분이 필연적으로 존재하는데, 회전하는 부분을 회전자, 고정된 부분을 고정자라고 한다. 전동기나 역학적 발전기는 자기력을 이용하기 때문에, 자기장을 제공하는 자석과 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 도체판 또는 도선이 필수적이다. 전동기나 발전기의 세부 방식에 따라 자석이 회전자, 도선이 고정자가 되기도 하고, 반대로 자석이 고정자, 도선이 회전자가 되기도 한다.

작동 원리

자속은 고정자와 회전자 사이에서 에어 갭의 자계를 발생시키고 회전자 바를 통해 전류를 발생시키는 전압을 유도한다. 회전 자속과 전류의 동작은 전동기를 기동하는 토크를 발생시키는 힘을 생성한다. 교류 발전기는 회전자 철심의 주위에 감싸는 와이어 코일로 구성된다. 전류가 와이어 코일을 통과하는 바와 같이, 자기장은 자계 전류라고도 하는 코어 주위에 생성된다. 자계 전류 강도는 자기장의 전력 레벨을 제어한다. 직류(DC)가 한 방향으로 필드 전류를 구동하며, 브러시와 슬립 링의 세트에 의해 와이어 코일로 전달된다.

전동기에서 회전자의 예

교류전동기의 개략도

자석 또는 전자석이 내는 자기장 하에, 석쇠 모양으로 감긴 고리 혹은 코일이 자기장 방향에 수직 방향을 회전축으로 회전한다. 외부기전력에 의해 코일에 전류가 흐르면, 코일 안의 자유전자가 로런츠힘을 받아 코일을 돌리게 된다. 이 돌림힘에 의해 전동기가 일하게 된다. 코일이 회전하더라도 외부 회로와 전기적으로 연결되도록, 코일의 양 끝이 각각 서로 다른 미끄럼 고리(slip ring)에 닿아 있다. 이 경우, 자석이 고정자, 도선이 회전자이다. 실제 교류전동기에서는, 회전자가 장치의 안쪽에 있고, 고정자가 바깥쪽에 있기 마련인데, 자석이 안쪽에 있어 회전자이며 코일은 바깥쪽에 있어 고정자인 형태도 있고, 반대로 코일이 안쪽에 있어 회전자, 자석이 바깥쪽에 있어 고정자인 형태도 있다. 코일에 흐르는 교류로는 단상교류 또는 삼상교류를 쓴다. 그리고 자석은 영구자석 또는 전자석이다. 전자석이 회전자인 유도전동기에서는, 자기장 형성을 위한 전자석 내 코일의 형태가 새장 또는 다람쥐 쳇바퀴와 같은 농형 회전자(squirrel-cage rotor)도 있고, 선이 감긴 형태의 권선형 회전자(wound rotor)가 있다. 전자석이 회전자인 동기전동기는, 전자석이 하나 있는 2극, 전자석이 N극-S극-N극-S극으로 90도 간격으로 설치된 4극 형태가 있다. 직류전동기에서와 마찬가지로 자기장에 의한 역기전력이 동기전동기의 동작에 영향을 끼치게 된다. 또한, 동기전동기의 전기자에 흐르는 전류에 의한 자기장의 영향, 즉 전기자 반작용(armature reaction)도 있다. 특히 삼상교류를 쓰는 동기전동기의 경우는 역기전력과 전기자반작용이 교류의 위상 변화를 일으키며 복잡하게 작용한다.

발전기에서 회전자의 예

교류발전기의 작동원리

석쇠 모양으로 감긴 코일 또는 도선의 양 끝이 회전하더라도 항상 외부 회로와 연결되도록, 양끝이 고리 모양의 두 개의 미끄럼 고리(slip ring)에 닿아 있다. 자석 혹은 전자석의 N극으로부터 S극 방향으로 자기장이 형성되어 있고, 그 사이에 외부 힘으로 회전할 수 있는 코일 그 자기장 하에 있다. 코일이 외부 돌림힘에 의해 강제 원운동을 하면, 코일 내 자유전자는 코일의 회전 방향을 따라 전류를 형성한다. 자기장 안에 있는 전류가 받는 로런츠힘은 자기장과 전류에 수직인 방향, 즉 코일의 양 끝 방향으로 작용하여 결과적으로 a와 b 단자 사이에 기전력을 만든다. 원판의 회전 방향이 바뀌면 기전력의 부호만 바뀔 뿐 나머지 물리적 상황은 같다. 따라서, 원판의 회전축과 가장자리에 전선을 연결하면 이 장치는 교류발전기로서 작동하게 된다. 이 경우, 코일이 회전자, 자석이 고정자이다. 그림에서는 자석이 고정자이고, 코일이 회전자인 교류발전기의 예를 보여 주었지만, 이 경우 일반적으로 양 끝과 미끄럼 고리 사이의 마찰이 불가피하며 배선이 복잡하다. 그런 이유로 고전압의 발전기에서는 반대로 도체 코일이 바깥쪽에 고정되어 있고 영구자석 또는 전자석이 안쪽에서 회전하는 방식을 택한다. 또한, 코일의 쌍을 120도 간격으로 배열하면, 동시에 세 쌍의 코일로부터 기전력을 얻을 수 있는데 이로부터 얻는 전기는 삼상교류가 된다. 고압용 교류발전기나 교류전동기에서는 단상교류보다는 삼상교류의 전기가 일반적인데, 가정용 기기와 같은 저전력 설비를 위한 단상교류를 삼상교류 전원으로부터 쉽게 추출할 수 있다.

참고자료

• 〈회전자〉, 《네이버 지식백과》
• 〈회전자〉, 《위키피디아》
• 〈회전자〉, 《사이언스올》, 2015-09-09

같이 보기

• 회전
• 회전축
• 회전운동
• 토크
• 고정자
• 교류모터
• 유도모터
• 동기모터

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