유니버셜 모터를 이용한 직류 자여자 발전기 실험

자여자 직류발전기 실험을 해 보았다. 

발전기에는 자석과 코일이 들어있는데, 자석(계자)이 회전하여 전기가 만들어지는 방식은 "회전 계자형 발전기(回轉 界磁型 發電機)" 이고, 코일(전기자)이 회전하여 전기가 만들어지는 방식은 "회전 전기자형 발전기(回轉電機子型 發電機)" 이다. 

발전기가 대형화 되면 이 발전기에 맞는 대형 자석을 만들기가 어려우므로, 전자석을 이용하게 되는데, 이 전자석을 자석으로 만드는데 필요한 전류(여자전류)를 외부에서 공급하게 되면 "타여자 발전기" 가 되고, 자신이 직접 공급하게 되면 "자여자 발전기" 가 된다. 

믹서기나 청소기 등에는 유니버셜 모터가 들어있는데, 이 유니버셜 모터를 이용하여 자여자 발전기 실험을 해 보았다. 

유니버셜 모터(Universal Motor)란, 직류와 교류 모두에서 사용이 가능한 모터라서 유니버셜 모터로 불리게 되었고, 전기자와 계자가 모두 코일로 된 직류전동기라고 보면 된다. 

유니버셜 모터는 직류 자여자 발전기와 기계적인 구조가 서로 같다고 볼 수 있다.

실제로 사용되는 산업용 직류전동기나 직류발전기에는 전기자 반작용을 줄이기 위한 보극과 보상권선이 있다. 

유니버셜 모터를 이용한 자여자 발전기 실험을 하기 위한 준비물이다. 

220V 용 믹서기에서 빼낸 유니버셜 모터, 24V-30W 백열등, 직류전압계(30V), 12V LED 모듈, (발전기를 돌리기위한) 끈 을 준비했다.

먼저 유니버셜 모터를 계자권선과 전기자 권선이 병렬로 된 분권발전기 형태로 연결했다. 

분권발전기가 동작하는 원리는 다음과 같다. 

전기자가 회전하여 계자에 남아있는 잔류자기에 의해서 기전력이 생겨나게 되고, 이 기전력으로 인해 계자전류가 흘러서 계자의 자기력이 좀 더 강해진다. 그렇게 되면, 전기자에서 발생하는 기전력도 늘어나게 되고, 계자전류도 점점 늘어나서 출력전압이 형성되는 원리이다.

이 때, 전기자와 병렬로 부하를 연결하면 직류 자여자 분권발전기가 된다.

손으로 유니버셜모터를 돌리면, 잔류자기가 미약하므로 전압이 거의 나오지 않지만, 끈을 이용해서 고속회전을 시켜주니 약 12V 정도의 전압이 출력되는 것을 볼 수 있다. 

직류 분권발전기 형태로 연결된 유니버셜 모터의 전기자에 12V LED 모듈을 연결하고 강하게 돌려줬더니 LED 모듈에 불이 켜지는 것을 볼 수 있다. 

이번에는 전기자 권선과 계자권선을 직렬로 연결하여 직류 자여자 직권발전기 형태로 만들고, 이것을 24V 30W 백열전구에 연결했다. 

부하와 전기자, 계자가 모두 직렬로 연결된 것이다. 

직류 직권발전기는 부하와 전기자, 계자가 모두 직렬이므로 초기에 부하가 연결되어있어야만 발전기가 된다. 

직류 직권발전기 형태로 연결된 유니버셜 모터를 돌려주면, 잔류자기에 의해서 미약한 기전력이 생겨나게 되고, 이 기전력으로 인한 전류가 계자와 부하로 흘러서 계자 자속이 강해지고 결국 발전기가 되는 것이다. 

위의 사진은 초기에 잔류자기에 의한 기전력으로 전압을 확립해 나가는 과정이다. 

유니버셜 모터가 직류 직권발전기가 되어 백열등이 켜졌다. 

직권발전기는 부하가 연결되어있어야 하므로, 일정 전압 이상에서만 켜지는 LED 부하만을 연결한 경우, 전압이 잘 발생하지 않았다. 

자여자 발전기는 한 방향으로 돌릴 때에만 발전기가 되며, 반대방향으로 돌리면 전기가 생기지 않는다. 그 이유는 반대방향으로 돌리면, 잔류자기가 소멸되는 방향으로 계자전류가 흐르게 되기 때문에, 미약한 기전력만 나올 뿐 발전기가 되지 않는다. 

유니버셜 모터에 직류전원을 가했을 때 돌아가는 방향으로 돌려줘야 발전기가 된다.

유니버셜 모터로 만든 직류 자여자 발전기를 자전거를 이용하여 돌려보기로 했다. 

백열등을 이용하여 직권발전기 형태로 연결한 후, 자전거 바퀴로 돌려보았다. 

자전거로 돌려봤더니 전압이 잘 발생하는 것을 볼 수 있다. 

자전거 바퀴와 잘 연결하면 여행용 발전기로 사용해도 손색이 없을 것 같다. 

http://youtu.be/5_CyfJYhGfc

위의 영상은 위 실험을 하는 과정을 촬영한 영상이다. 

자여자 발전기이므로 직권발전기 형태로 하면 초기부하가 있어야만 발전기가 되고, 분권발전기 형태로 하면 발생한 전기가 계자로 흘러가게 되므로, 계자 자체가 하나의 부하가 되어 영구자석형 발전기보다 힘을 더 가해야 동일한 출력을 얻을 수 있다. 

또한, 초기 잔류자기의 극성에 따라 출력되는 직류전압의 극성이 바뀌게 되므로, 극성에 민감한 전자제품은 사용하기 어려울 것 같다. (정류회로를 달면 된다.)

실제로 사용되는 발전기(자동차 발전기 등)는 계자전류를 변경해서 출력전압을 조절하는 타여자 발전기가 대부분이다. 

기회가 되면 가동복권 발전기나 차동복권 발전기 실험도 해 봐야겠다.