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전기기계업
전기기계업(電氣機械業)은 전기·전자 전기 기계를 제조하거나 판매하는 산업을 말한다.
전기기계는 항시 회전하여 전력을 발생시키거나 또는 전력을 받아서 회전하며 동작하는 기계를 이른다. 전기 기계는 모든 형태의 에너지를 전기 에너지로 또는 그 반대로 변환 할 수 있는 장치로 발전기, 전기 모터 및 변압기의 세 가지 큰 그룹으로 분류된다.
발전기는 기계에너지를 전기 에너지로 변환하는 반면 전기 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 차례로 전기 모터는 직류 모터와 교류 모터로 분류된다. 이전 변압기와 달리 변압기는 동일한 유형의 에너지를 보존하여 전압 수준 만 변환한다.
전기기계의 작동은 전자기 원리를 기반으로 한다.
전기 기계에서 중요한 측면은 제어에 사용되는 드라이브 유형입니다. 현재 농형 유도 모터, 서보 모터, DC 모터 등의 고급 제어를 위해 가변 주파수 드라이브 및 PLC를 자주 사용하고 있다. 가변 주파수 드라이브를 사용하면 이러한 기계의 토크와 회전 속도를 정밀하게 제어 할 수 있다. 과전류 및 과부하 보호와 같은 다양한 유형의 보호 기능이 있다. 또한 주파수 인버터는 일반적으로 해당 전기 모터가 개입하는 여러 프로세스의 자동화를 위해 디지털 및 아날로그 신호를 가지고 있다. 전기 \기계 용 전자식 스타터는보다 경제적이고 간단하다. 이러한 유형의 드라이브는 시동 과도 전류를 최소로 줄여 고전력 전기 모터의 시동을 허용한다. 저렴한 비용으로 여전히 사용되는 다른 기존 드라이브는 스타 델타 수동 스타터이다. 스타 델타 스타터는 농형 모터의 시동 전류를 줄여 전기 네트워크의 장애와 일시적인 불균형을 줄인다.
전기기계의 개발
전기자동차(EV)의 역사는 전기기계(EM; 전동기와 발전기의 총칭)의 발명으로부터 시작되며, 1820년으로 거슬러 올라간다.
1820년 외르스테드(Hans Christian Ørsted(1777~1851년, 덴마크)는 전자기학(電磁氣學)의 기본 현상인 전류의 자기(磁氣)효과를 발견하였다.
1년 후인 1821년 패러데이(Michael Faraday, 1791~1867년, 영국)는 "전자기장(電磁氣場)의 회전"에 관한 실험결과를 발표하였다. 패러데이는 고정된 자석을 중심으로 도체가 회전하는 장치를 만들고, 반대 실험에서는 고정된 도체를 중심으로 자석이 회전하는 장치를 만들었다. 또 패러데이는 1831년 최초의 전자(電磁) 발전기인 “Faraday Disk”를 제작하였다. 그의 실험은 전기기계(전동기와 발전기)의 개발 초기의 중요한 업적이다.
1822년 발로우(Peter Barlow, 1776~1862, 영국)는 단극(single-pole) 전동기인 Barlow-wheel을, 1832년 스터전(William Sturgeon, 1783~1850, 영국)은 실용적인 회전 전동기(rotating electric motor)를 개발하였다.
유럽 대륙에서는 1827년 에들릭(Ányos István Jedlik, 1800~1895, 헝가리)이 유럽 최초의 단극 전동기를, 1828년에는 최초의 모형 전기차(first electric model car)를 제작하였다. 그리고 1861년에는 자려자(自勵磁) 발전기(self-excited dynamo)의 개념을 확립, 발표하였으나 특허를 신청하지는 않았다. 이는 지멘스(Ernst Werner von Siemens)와 휘스톤(Charles Wheatstone)에 6년 앞서는 업적이다.
1834년 야코비(Moritz Hermann von Jacobi(1801~1874, 독일, 주로 러시아에서 활동)는 포츠담에서 최초의 실용적인 DC-전동기를 개발하고, 1839년에 상트페테르부르크에서 14명이 탑승할 수 있는 보트(길이 28피트)에 자신이 개발한 220W DC-전동기를 탑재하여, 축전지(64개의 백금-아연 셀(element)) 전력으로 네바(Neva)강에서 시속 3마일로 7km를 항해하였다.
미대륙에서는 1834년 데이븐포트(Thomas Davenport, 1802~1851, 미국)가 미국 최초로 축전지로 구동되는 DC-전동기를 개발하였으며, 1837년 2월 25일 이에 대한 특허를 취득하였다. 그는 또 DC-전동기로 작동하는 모형 기관차를 개발하여, 직경 4피트(feet)의 원형 레일에서 달리는 실험을 하였다.
종합적으로 볼 때, 1837~1838년경에 실용 가능한 전동기의 기초가 확립되었으며, 다양한 분야의 동력기계로 발전할 수 있는 토대가 마련되었음을 확인할 수 있다.
지멘스(Ernst Werner von Siemens, 1816년~1892년, 독일)는 1866년에는 직류발전기(Siemens Dynamo)에 대한 특허를 취득하고, 1882년 베를린에서 트롤리-버스(trolley-bus)의 운행을 시작하였으며, 1885년 전기철도에 대한 특허를 취득하였다.
1870~1880년 사이에 유럽과 미국에서 대규모로 전력을 생산할 수 있게 됨에 따라, 전기기계(전동기와 발전기)가 전 산업부문에 걸쳐 널리 사용되는 토대를 마련하는 데 크게 공헌하였다.
1859년 쁠랑떼(Gaston Planté, 1834~1889, 프랑스)가 오늘날 우리가 사용하는 충전식 납축전지를 발명하고, 그의 친구 포레(Camille Alphonse Faure, 1840~1898, 프랑스)가 이 축전지의 용량을 개선하여 1861년 자동차에 적용하면서부터, 납축전지는 오늘날까지도 자동차산업 발전에 크게 공헌하고 있다.
1888년 테슬라(Nikola Tesla, 1856~1943년, 세르비안-아메리칸)는 유도전동기를 개발하였으며, 이보다 10년 전인 1878년에는 대량의 전기에너지 전송에 직류 회로망 대신에 교류 회로망의 사용을 제안하였다.
전기기계 기본용어
- 전기기계(EM
- electric machine)
전동기와 발전기를 포괄하는 개념이다. 전기기계에 전기에너지를 공급하여 기계적 에너지를 생성하도록 할 경우를 전동기(electric motor), 외부의 기계적 에너지로 전기기계를 회전시켜 전기를 생산할 경우를 발전기(generator)라고 한다. 또 하이브리드 전기자동차에서 구동전동기 기능과 발전기 기능을 겸비한 전기기계를 모터-제네레이터(MG; Motor-Generator)라고도 표현한다. 그리고 제동하는 동안에 구동 전동기가 차륜에 의해 구동되어 전기를 생산하는 경우를 전동기의 발전기 모드라 한다. 그러나 혼동할 우려가 없는 경우에는 발전기나 전동기를 모두 전기기계라고 표현할 수 있다.
- 교류기(AC-machine)와 직류기(DC-machine)
교류 전동기나 교류 발전기를 모두 교류기, 직류 발전기나 직류 전동기를 모두 직류기라고 한다. 역시 혼동할 우려가 없을 때는 교류기와 직류기라는 용어를 사용할 것이다.
- 계자(界磁
- field), 전기자(電氣子 : armature), 계자극(界磁極 : field pole)
- 계자(界磁 : field) : 발전기나 전동기에서 자계를 생성하는 부분
- 전기자(電氣子 : armature) : 전기를 생성하는 부분
- 계자극(界磁極 : field pole) : 계자가 영구자석인 경우
- 회전자(回轉子
- rotor)와 고정자(固定子 : stator)
- 회전자(回轉子 : rotor) : 발전기나 전동기의 주축에 설치되어 회전하는 부품. 회전-전기자 방식에서는 전기자가 회전자이다. 그러나 회전-계자형에서는 계자가 회전자이다.
- 고정자(固定子 : stator) : 발전기나 전동기에서 고정되어 있는 부품. 고정자는 바로 계자(界磁)라고 생각하는 사람들이 있으나, 형식에 따라서는 전기자가 고정자인 경우도 있다.
- 회전계자(rotating field) 방식
계자가 회전자이고, 전기자가 고정자인 방식. 고정자(전기자)에서 생성되는 교류 출력전압에 비교해 아주 낮은 계자 여자전압이 회전자에 공급되기 때문에 슬립링을 거치는 전력이 적어지므로 슬립링의 크기가 작아도 되며, 절연이 쉽다. 따라서 회전자의 무게가 가벼워져 베어링의 부하도 감소한다. 더 나아가 고정자(전기자)가 움직이지 않기 때문에 도선을 더 많이 감아 더 많은 전류를 생산할 수 있다. 고전압 발전기에 적합한 형식이다.
- 기계각과 전기각
- 기계각 ; 회전자가 실제로 회전한 각도, 예를 들어 4극기에서 회전자가 1회전하면, 기계각은 360°가 된다.
- 전기각 ; 회전자가 1회전하는 동안에 실행된 전기적 주기에 의한 각도. 예를 들어 4극기에서 회전자가 1회전하면, 전기각으로는 720°를 회전한 것이 된다.
- 전기각 = 0.5 × 기계각 ×극수 = 0.5 × 360° × 4 = 720°
- 전기기계의 회전방향
전기기계의 단자 표시를 위해서는 회전방향이 아주 중요하다. 전기기계의 회전방향은 좌회전과 우회전으로 구분한다.
- 우회전 : 구동풀리나 구동클러치를 정면에서 보았을 때, 축은 시계방향으로 회전한다.
- 좌회전 : 구동풀리나 구동클러치를 정면에서 보았을 때, 축은 반시계방향으로 회전한다.
- 작동 한계-정격출력(토크)과 최대출력(토크)
- 최대출력과 최대토크 : 전기기계에 큰 부하가 걸린 상태에서 아주 짧은 시간 동안 작동시켰을 때의 최대출력 및 최대토크를 말한다.
- 정격출력과 정격토크 : 전기기계에 열적, 기계적 과부하가 걸리지 않은 상태로, 연속 작동했을 때의 출력과 토크를 말한다.
참고자료
- 〈전기^기계^산업〉, 《네이버 국어사전》
- 〈전기 기계〉, 《전기용어사전》
- 〈전기기계(EM; Electric Machine)의 개발〉, 《친환경 전기동력 자동차》
- 〈전기기계 기본 용어〉, 《친환경 전기동력 자동차》
- 〈전기 기계〉, EDIBON ®
같이 보기
