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고정자
고정자(固定子)는 발전기 또는 전동기에서 고정되어 있는 부분을 가리킨다.
개요
고정자는 회전자(回轉子) 주위에 고정시킴으로써 회전자계를 형성하며, 유도전류를 형성할 때 유도자기장의 변화를 받는 부분, 즉 멈추어 있는 부분을 생각하면 이해하기 쉬우며 기전력을 높이기 위해서 고정자 철심에 권선을 감아두어 코일을 형성하는 경우가 대부분이다. 공학 용어로는 고정자 철심과 권선, 지지하는 프레임 등을 통칭하기도 한다.[1] 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.[2]
전동기에서 고정자의 예
오른쪽 그림은 교류전동기의 개략도를 나타냈다. 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 일을 하게 된다. 코일이 회전하더라도 외부 회로와 전기적으로 연결되도록, 코일의 양 끝이 각각 서로 다른 미끄럼고리(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. ~[코일]에 흐르는 교류로는 단상교류 또는 삼상교류를 쓴다. 그리고 자석은 영구자석 또는 전자석이다.
발전기에서 고정자의 예
오른쪽 그림은 교류발전기의 작동원리를 보여준다. 석쇠 모양으로 감긴 코일 또는 도선의 양 끝이 회전하더라도 항상 외부 회로와 연결되도록, 양 끝이 고리 모양의 두 개의 미끄럼 고리(slip ring)에 닿아 있다. 자석 혹은 전자석의 N극으로부터 S극 방향으로 자기장이 형성되어 있고, 그 사이에 외부 힘에 의해 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 b단자 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 보여주었지만, 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. 고정자인 코일의 쌍을 120도 간격으로 배열하면, 세 쌍의 기전력을 동시에 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 추출해 낼 수 있다.
