직류전동기의 구조와 원리 – 정류자와 브러시가 필요한 이유

직류전동기는 직류전원을 이용해 회전력을 만들어내는 대표적인 전기기기다.

유도전동기는 고정자의 회전자계가 회전자에 전류를 유도해 토크를 만드는 반면, 직류전동기는 회전자 권선에 직접 전류를 흘리고 고정자 자계와의 상호작용을 이용해 토크를 만든다.

따라서 두 전동기는 모두 자기장과 전류 사이의 전자기력을 이용하지만, 회전자 전류를 만드는 방식은 크게 다르다.

직류전동기를 이해할 때 가장 중요한 부품은 전기자, 정류자, 브러시다.

특히 정류자는 단순히 회전하는 권선에 전류를 공급하는 접점이 아니다.

회전자의 위치에 따라 전기자 권선의 전류방향을 적절하게 바꾸어 회전토크가 계속 같은 방향으로 발생하도록 만드는 핵심 장치다.

이번 글에서는 직류전동기의 전체 구조부터 정류자와 브러시가 왜 필요한지까지 자세히 살펴본다.

직류전동기의 가장 기본적인 구조

직류전동기는 크게 두 부분으로 나눌 수 있다.

첫 번째는 고정되어 있는 고정자(Stator)다.

두 번째는 실제로 회전하는 회전자(Rotor)다.

직류기에서는 전통적으로 회전자 부분을 전기자(Armature)라고 부르는 경우가 많다.

기본적인 구성요소는 다음과 같다.

계자극

계자권선

전기자 철심

전기자 권선

정류자

브러시

회전축

베어링

프레임

등이다.

각 부분은 서로 독립된 부품이 아니라 하나의 전자기적 시스템을 구성한다.

직류전동기의 토크는 어디에서 시작할까?

자기장 속의 도체에 전류가 흐르면 도체에는 힘이 발생한다.

기본적인 관계는

F = BIl sinθ

로 나타낼 수 있다.

여기서

F는 도체에 작용하는 힘,

B는 자속밀도,

I는 도체에 흐르는 전류,

l은 자기장 속 도체의 유효길이,

θ는 자기장과 전류방향 사이의 각도다.

직류전동기에서는 고정자에서 자기장을 만들고 회전자 전기자 권선에 전류를 흘린다.

그 결과 회전자 도체에 전자기력이 발생하고 이 힘이 회전축을 중심으로 토크를 만든다.

고정자는 어떤 역할을 할까?

직류전동기의 고정자는 기본적으로 회전자에 작용할 주자속을 만드는 역할을 한다.

고정자에는 자극이 설치되고, 그 자극에 계자권선을 감아 전류를 흘리면 자계가 형성된다.

소형 직류전동기에서는 계자권선 대신 영구자석을 사용하는 경우도 있다.

즉 고정자의 핵심 역할은 회전자 도체가 힘을 받을 수 있는 자기장을 제공하는 것이다.

계자극이란 무엇인가?

계자극(Field Pole)은 고정자 안쪽에 설치되어 N극과 S극의 자기극을 만드는 부분이다.

계자권선에 직류전류가 흐르면 자극 철심이 자화되고 공극을 통해 자기장이 형성된다.

이 자속은 전기자 철심과 공극을 통과하면서 자기회로를 구성한다.

직류전동기의 토크는 이 계자자속과 전기자 전류의 상호작용으로 발생한다.

따라서 계자자속은 직류전동기의 토크와 속도특성을 결정하는 매우 중요한 요소다.

전기자는 무엇인가?

전기자(Armature)는 직류전동기에서 회전하면서 실제 전자기토크를 만들어내는 핵심 부분이다.

전기자는 일반적으로

전기자 철심

전기자 슬롯

전기자 권선

으로 구성된다.

전기자 철심에는 여러 슬롯이 있고 슬롯 안에 권선도체가 배치된다.

이 권선에 전류가 흐르면 고정자의 자기장과 상호작용하여 힘이 발생한다.

전기자 철심도 왜 적층할까?

직류전원이라고 해서 전기자 철심에서 자속이 변하지 않는 것은 아니다.

고정자의 자계 자체는 공간적으로 비교적 일정하더라도 회전자가 회전하면서 전기자 철심의 특정 부분은 N극 영역과 S극 영역을 번갈아 지나간다.

따라서 회전자 철심 입장에서는 자기장의 방향이 반복적으로 변하는 것과 비슷하다.

그 결과 철손이 발생할 수 있다.

특히 와전류손을 줄이기 위해 전기자 철심 역시 얇은 전기강판을 적층하여 만든다.

즉 직류전동기라고 해서 철심을 하나의 단단한 철 덩어리로 만드는 것은 아니다.

전기자 권선에는 어떻게 전류를 공급할까?

여기에서 직류전동기의 구조적인 어려움이 나타난다.

전기자 권선은 회전자와 함께 계속 회전한다.

하지만 외부의 직류전원과 배선은 정지해 있다.

회전하는 권선에 단순한 전선을 직접 연결하면 축이 회전할 때 전선이 꼬여버린다.

따라서 정지된 외부회로와 회전하는 전기자 권선 사이에서 전류를 전달할 수 있는 장치가 필요하다.

그 역할을 하는 것이 브러시와 정류자다.

정류자는 어떻게 생겼을까?

정류자(Commutator)는 회전축에 설치되어 전기자와 함께 회전하는 원통형 구조다.

하나의 금속원통처럼 보일 수 있지만 실제로는 여러 개의 정류자편(Commutator Segment)으로 나누어져 있다.

각 정류자편은 서로 전기적으로 절연되어 있으며 전기자 권선의 특정 부분과 연결된다.

정류자편은 축과 함께 회전하고, 그 표면에는 고정된 브러시가 접촉한다.

따라서 정류자는 회전하는 전기자 권선과 정지된 브러시 사이의 전기적 연결점을 제공한다.

브러시는 무엇인가?

브러시(Brush)는 정류자 표면과 접촉하여 전류를 전달하는 부품이다.

이름 때문에 붓처럼 생긴 물건을 떠올릴 수 있지만 전기기기의 브러시는 일반적으로 탄소계 재료를 사용한 블록 형태다.

브러시는 스프링 압력에 의해 회전하는 정류자 표면에 일정하게 밀착된다.

외부 전원에서 들어온 전류는

브러시

→ 정류자편

→ 전기자 권선

으로 전달된다.

반대쪽에서는 다시 정류자와 브러시를 통해 외부회로로 빠져나온다.

왜 금속 대신 탄소 브러시를 사용할까?

브러시 재료에는 여러 조건이 요구된다.

전기를 충분히 잘 전달해야 하고,

회전하는 정류자와의 마찰을 견뎌야 하며,

정류자 표면을 지나치게 마모시키지 않아야 하고,

정류 과정에서 발생하는 스파크도 줄여야 한다.

구리처럼 매우 단단하고 전도성이 좋은 금속을 그대로 사용하면 접촉특성과 마모 측면에서 불리할 수 있다.

그래서 탄소 또는 흑연계 재료가 널리 사용된다.

용도에 따라 전기흑연, 탄소흑연, 금속흑연 등 다양한 브러시 재질이 사용될 수 있다.

브러시는 소모품일까?

그렇다.

브러시는 회전하는 정류자 표면과 지속적으로 접촉하기 때문에 마찰에 의해 조금씩 마모된다.

따라서 일정 기간 사용하면 브러시 길이가 짧아진다.

브러시가 지나치게 마모되면

접촉불량,

스파크 증가,

발열,

정류자 손상

등이 발생할 수 있다.

그래서 브러시가 있는 직류전동기는 농형 유도전동기보다 정기적인 유지보수가 더 필요한 편이다.

정류자는 단순히 전류를 전달하는 장치일까?

아니다.

직류전동기의 정류자를 이해할 때 가장 중요한 부분이다.

정류자는 전류를 회전자로 전달하는 기능과 함께 전기자 권선에 흐르는 전류의 방향을 회전자 위치에 맞춰 바꾸는 역할을 한다.

이 기능이 없다면 직류전동기는 한 방향으로 계속 회전하는 토크를 만들기 어렵다.

왜 그런지 하나의 코일을 이용해 생각해보자.

하나의 회전자 코일을 생각해보자

N극과 S극 사이에 사각형 코일 하나가 놓여 있다고 하자.

코일의 한쪽 도체에는 전류가 위쪽으로 흐르고 반대쪽에는 아래쪽으로 흐른다고 하자.

플레밍의 왼손법칙을 적용하면 두 도체에는 서로 반대 방향의 힘이 발생한다.

하지만 회전축을 기준으로 보면 두 힘은 같은 방향의 회전효과를 만든다.

따라서 코일에 토크가 발생한다.

코일이 반 바퀴 돌아가면 문제가 생긴다

코일이 180° 회전했다고 생각해보자.

코일의 좌우 도체 위치는 서로 바뀐다.

그런데 전류방향을 그대로 유지하면 각 도체에 작용하는 전자기력의 방향관계도 바뀌게 된다.

결과적으로 회전토크의 방향이 반대로 변할 수 있다.

그러면 회전자는 계속 한 방향으로 돌지 못하고 특정 위치에서 멈추거나 앞뒤로 흔들리는 형태가 될 수 있다.

따라서 회전자가 반 바퀴 돌 때마다 코일 전류의 방향을 적절하게 뒤집어줘야 한다.

정류자가 전류의 방향을 바꾼다

정류자는 회전자 위치에 따라 브러시와 접촉하는 정류자편을 바꾼다.

회전자가 180° 돌아 코일의 위치가 반대로 바뀌는 시점에 해당 코일에 공급되는 전류방향도 반대로 전환된다.

즉

코일 위치 반전

전류 방향 반전

이 동시에 일어난다.

그 결과 코일에 작용하는 회전토크의 방향은 계속 같은 방향으로 유지된다.

이것이 직류전동기에서 정류자가 필요한 가장 중요한 이유다.

왜 ‘정류’라는 이름을 사용할까?

정류라는 단어는 일반적으로 교류를 직류로 바꾸는 과정에서 많이 사용한다.

직류기에서도 정류자는 전기자 권선 안에서 흐르는 전류의 방향을 기계적으로 전환한다.

전동기에서는 외부에서 공급되는 직류가 정류자를 거치면서 회전자의 위치에 맞춰 각 전기자 코일에 적절한 방향으로 분배된다.

반대로 직류발전기에서는 전기자에서 본질적으로 교번하는 유도기전력을 정류자를 통해 외부에서는 일정한 방향의 전압으로 얻을 수 있도록 한다.

즉 같은 정류자가 전동기와 발전기 모두에서 중요한 역할을 한다.

직류전동기 내부의 전기자 전류는 정말 직류일까?

이 부분은 조금 더 깊게 볼 필요가 있다.

외부 전원에서 바라보면 직류가 공급된다.

하지만 회전자 개별 코일의 관점에서는 회전위치에 따라 정류자에 의해 전류방향이 주기적으로 바뀐다.

즉 개별 전기자 코일 내부의 전류는 회전하면서 방향이 교번될 수 있다.

그럼에도 정류자의 기계적인 전환작용 덕분에 공극에서 만들어지는 전자기토크는 같은 방향으로 유지된다.

따라서 “직류전동기니까 전기자 모든 도체에 항상 같은 방향의 직류만 흐른다”고 이해하면 부족하다.

정류가 일어나는 순간에는 무엇이 발생할까?

브러시가 하나의 정류자편에서 다음 정류자편으로 넘어갈 때 잠시 두 정류자편에 동시에 접촉할 수 있다.

이때 해당 전기자 코일은 짧은 시간 동안 브러시에 의해 단락된 상태가 되면서 전류방향을 바꾸게 된다.

이 짧은 과정을 정류(Commutation)라고 한다.

이상적으로는 이 과정에서 전류가 부드럽게 반전되어야 한다.

하지만 실제 코일에는 인덕턴스가 존재한다.

코일의 인덕턴스가 정류를 방해한다

인덕터는 전류가 급격하게 바뀌는 것을 방해한다.

기본식은

v = L(di/dt)

이다.

정류과정에서는 매우 짧은 시간 안에 코일전류를 한 방향에서 반대방향으로 바꿔야 한다.

따라서 di/dt가 매우 클 수 있다.

코일의 인덕턴스는 이 전류변화를 방해하는 유도전압을 만들고, 정류가 제대로 이루어지지 않으면 브러시와 정류자 사이에 스파크가 발생할 수 있다.

브러시에서 스파크가 생기는 이유는 하나뿐일까?

아니다.

스파크는 여러 원인으로 발생할 수 있다.

대표적으로

부적절한 브러시 위치,

브러시 마모,

스프링 압력 불량,

정류자 표면 오염,

정류자 편심,

전기자 권선 이상,

과부하,

부적절한 브러시 재질,

정류불량

등이 있다.

따라서 브러시에서 스파크가 보인다고 해서 브러시만 교체하면 해결된다고 단정할 수는 없다.

전기적·기계적 상태를 함께 점검해야 한다.

중성축은 무엇인가?

고정자의 주자계 안에서 전기자 도체가 이동할 때 유도기전력이 거의 0이 되는 위치가 존재한다.

이를 자기적 중성축(Magnetic Neutral Axis)과 관련하여 설명할 수 있다.

정류는 가능하면 해당 코일에 큰 유도기전력이 발생하지 않는 위치 근처에서 이루어지는 것이 유리하다.

그래서 브러시 위치는 정류성능과 밀접한 관계가 있다.

하지만 부하가 변하면 전기자반작용 때문에 실제 중성축이 이동할 수 있다.

전기자반작용이란 무엇일까?

전기자 권선에 전류가 흐르면 전기자 자체도 자기장을 만든다.

이 전기자 자계가 주계자 자계와 합성되면서 전체 공극자속 분포를 왜곡시킨다.

이를 전기자반작용(Armature Reaction)이라고 한다.

부하전류가 커질수록 전기자 자계도 강해진다.

따라서 주자속의 분포가 왜곡되고 자기적 중성축의 위치가 달라질 수 있다.

이는 정류에도 영향을 준다.

보극은 왜 사용할까?

대형 직류기에서는 정류를 개선하기 위해 주자극 사이에 작은 보조극을 설치하는 경우가 있다.

이를 보극(Interpoles 또는 Commutating Poles)이라고 한다.

보극은 일반적으로 전기자전류에 비례하는 자기장을 만들어 정류 중인 코일에 필요한 전압을 제공하고 전류반전을 돕는다.

이를 통해 브러시 스파크와 정류불량을 줄일 수 있다.

즉 직류기의 작은 추가 자극도 단순한 구조물이 아니라 정류문제를 해결하기 위한 전자기적 장치다.

보상권선은 무엇을 할까?

대형 직류기에서는 전기자반작용을 줄이기 위해 주자극 표면에 보상권선(Compensating Winding)을 설치하기도 한다.

보상권선은 전기자 자계의 영향을 상쇄하는 방향으로 자기장을 만든다.

특히 부하변화가 크거나 전류가 큰 직류기에서 자속분포를 안정시키고 정류특성을 개선하는 데 도움이 된다.

직류전동기의 토크식

직류전동기의 전자기토크는 기본적으로

T ∝ ΦIa

관계를 가진다.

여기서

Φ는 극당 자속,

Ia는 전기자전류다.

좀 더 구체적으로는 기기의 극수와 도체수, 권선방식 등을 포함하는 상수 K를 사용하여

T = KΦIa

형태로 표현할 수 있다.

이 식은 직류전동기에서 매우 중요하다.

자속이 일정하다면 토크는 전기자전류에 거의 비례한다.

부하가 증가하면 전기자전류는 어떻게 될까?

직류전동기에 부하토크가 증가하면 회전자는 순간적으로 감속하려고 한다.

속도가 감소하면 역기전력이 감소한다.

그러면 공급전압과 역기전력의 차이가 커지면서 전기자전류가 증가한다.

Ia가 증가하면

T = KΦIa

에 의해 전자기토크도 증가한다.

결국 증가한 부하토크와 전동기 토크가 균형을 이루는 속도에서 다시 안정된다.

이 과정은 다음 글에서 다룰 역기전력을 이해하면 더욱 명확해진다.

브러시 접촉에는 전압강하도 존재한다

브러시와 정류자 사이의 접촉은 완전한 무저항 접촉이 아니다.

따라서 일정한 브러시 접촉전압강하가 발생할 수 있다.

특히 저전압·대전류 직류기에서는 이러한 브러시 전압강하도 손실과 효율에 영향을 줄 수 있다.

브러시 접촉부에서는 전력손실이 열로 발생하기 때문에 브러시와 정류자 온도관리도 중요하다.

정류자 표면은 왜 매끄러워야 할까?

브러시는 회전하는 정류자 표면에 계속 접촉한다.

정류자 표면이 거칠거나 편심되어 있으면 브러시가 튀는 현상이 발생할 수 있다.

브러시가 안정적으로 접촉하지 못하면

접촉저항 변화,

스파크,

국부적인 발열,

브러시 마모 증가

등이 나타날 수 있다.

그래서 정류자 표면상태는 직류전동기 유지보수에서 중요한 점검항목이다.

정류자에는 왜 여러 개의 편이 있을까?

회전자에 코일 하나만 있다면 토크도 위치에 따라 크게 변하고 회전이 매끄럽지 못하다.

실제 직류전동기에는 많은 전기자 코일이 원주방향으로 분포되어 있다.

각 코일은 적절한 정류자편과 연결된다.

회전자가 움직이면서 여러 코일이 순차적으로 전류전환을 하게 된다.

그 결과 전체 토크의 맥동을 줄이고 보다 부드러운 회전을 얻을 수 있다.

직류전동기의 주요 부품을 기능별로 정리하면

계자권선 또는 영구자석

주자속을 만든다.

계자극

공극에 적절한 자기장을 형성한다.

전기자 철심

자속경로를 제공하고 전기자 권선을 지지한다.

전기자 권선

전류가 흐르면서 자기장과 상호작용하여 토크를 만든다.

정류자

회전자 위치에 맞춰 전기자 권선의 전류방향을 전환한다.

브러시

정지된 외부회로와 회전하는 정류자를 전기적으로 연결한다.

보극

정류를 개선하고 스파크를 줄이는 데 도움을 준다.

축

토크를 외부 부하로 전달한다.

베어링

축을 지지하고 원활한 회전을 가능하게 한다.

직류전동기와 농형 유도전동기의 유지보수 차이

농형 유도전동기의 회전자에는 브러시와 정류자가 없다.

따라서 회전자측 접촉부에 대한 유지보수가 상대적으로 적다.

반면 직류전동기는 정류자와 브러시가 계속 접촉한다.

따라서

브러시 마모,

정류자 표면,

브러시 압력,

카본 분진,

스파크

등을 관리해야 한다.

이러한 유지보수 부담은 직류전동기의 중요한 단점 가운데 하나다.

그럼에도 직류전동기가 많이 사용되었던 이유

직류전동기는 속도와 토크 제어가 비교적 직관적이다.

기본적인 관계를 보면

T = KΦIa

이고 속도는 역기전력과 자속의 관계를 통해 조절할 수 있다.

따라서 전기자전압이나 계자자속을 조절하여 넓은 범위에서 속도와 토크를 제어하기 용이했다.

전력전자 기술이 충분히 발전하기 전에는 정밀한 가변속 제어가 필요한 설비에서 직류전동기가 매우 중요한 역할을 했다.

현대에는 왜 교류전동기가 많이 사용될까?

인버터와 벡터제어 같은 전력전자 기술이 발전하면서 농형 유도전동기나 동기전동기도 높은 수준으로 속도와 토크를 제어할 수 있게 되었다.

농형 유도전동기는 브러시와 정류자가 없어 유지보수성이 좋다.

따라서 많은 산업분야에서

직류전동기

→ 인버터 구동 교류전동기

로 전환된 경우가 많다.

하지만 기존설비나 특수용도에서는 여전히 직류전동기를 볼 수 있다.

직류전동기를 에너지 흐름으로 이해하면

외부 직류전원을 공급한다.

→ 계자에서 자속이 형성된다.

→ 브러시를 통해 전기자전류가 공급된다.

→ 정류자가 회전자 위치에 맞춰 각 코일의 전류방향을 전환한다.

→ 공극 자기장 속 전기자 도체가 힘을 받는다.

→ 회전축을 중심으로 토크가 발생한다.

→ 회전자가 회전한다.

→ 축을 통해 기계적 에너지가 부하로 전달된다.

이 과정에서 회전자가 움직이기 시작하면 전기자 권선에는 다시 유도기전력이 발생한다.

그리고 이 유도기전력은 공급전압과 반대방향으로 작용한다.

이것이 바로 역기전력(Back EMF)이다.

자주 혼동하는 부분

첫째, 정류자는 단순히 회전자에 전류를 전달하는 접점이 아니다.

회전자의 위치에 맞춰 전기자전류 방향을 전환해 토크방향을 일정하게 유지하는 핵심 장치다.

둘째, 브러시와 정류자는 같은 부품이 아니다.

정류자는 회전하고 브러시는 정지한 상태에서 정류자에 접촉한다.

셋째, 직류전동기의 전기자 철심도 적층구조를 사용한다.

넷째, 외부에서 직류를 공급하더라도 개별 전기자 코일의 전류방향은 정류작용에 의해 회전위치에 따라 바뀔 수 있다.

다섯째, 브러시는 마모되는 소모성 부품이다.

여섯째, 브러시 스파크는 브러시 마모 하나만의 문제로 발생하는 것이 아니다.

정류상태와 전기자반작용, 정류자 표면 등 다양한 원인을 고려해야 한다.

일곱째, 직류전동기의 토크는 기본적으로

T = KΦIa

관계를 가진다.

마무리

직류전동기의 구조를 이해하는 핵심은 자계와 전기자전류, 그리고 정류작용의 관계를 이해하는 것이다.

고정자의 계자극은 공극에 자속을 만든다.

회전자 전기자 권선에는 브러시와 정류자를 통해 전류가 공급된다.

자기장 속 전기자 도체에 전류가 흐르면

F = BIl

에 따른 전자기력이 발생하고, 이 힘들이 회전축을 중심으로 합쳐져 토크를 만든다.

하지만 회전자가 반 바퀴 돌면 코일의 위치가 바뀌기 때문에 전류방향을 그대로 두면 토크방향도 바뀔 수 있다.

정류자는 회전자 위치에 맞춰 전기자 코일의 전류방향을 바꿈으로써 전자기토크가 계속 같은 방향으로 발생하도록 한다.

브러시는 정지된 외부회로와 회전하는 정류자 사이에서 전류를 전달한다.

이 접촉방식 때문에 직류전동기는 브러시 마모와 정류자 관리가 필요하지만, 동시에 매우 직관적인 토크제어 특성을 얻을 수 있다.

특히 직류전동기의 토크는

T = KΦIa

와 같이 자속과 전기자전류에 직접적으로 연결된다.

그런데 전동기가 회전하기 시작하면 전기자 권선은 자기장 속을 움직이는 도체가 된다.

즉 전동기이면서 동시에 발전기적인 작용도 발생한다.

그 결과 전기자에는 공급전압과 반대방향의 역기전력이 만들어진다.

다음 글에서는 직류전동기의 역기전력은 왜 발생하며 어떤 역할을 하는지, 그리고 왜 기동 순간에는 전기자전류가 매우 커질 수 있고 회전속도가 올라가면 전류가 자동으로 줄어드는지 자세히 살펴본다.