[[전기학]]시동계통 / 스타트모터

[뉘앙스]

시동계통 / 스타트모터

 

개요

가솔린 엔진 및 디젤엔진 등의 내연기관은 자력으로 회전할 수 없다. 따라서 시동 시에는 외부로부터 회전을 시킬 필요가 있으므로 스타터를 사용한다. 모터의 동력 전달은 피니언기어(시동모터)와 링기어(플라이휠)의 결합에 의해서 행해진다.

시동장치의 주체가 되는 스타터는 엔진 본체에 설치되어 있고 시동 시 스타터 스위치의 조작에 의해 스타터의 피니언이 플라이 휠의 링기어와 물려 모터의 힘에 의해 크랭크 샤프트를 회전시켜 엔진을 시동시킨다.

피니언과 링기어의 물림은 마그네트 스위치의 전자력에 의해 피니언을 구동축상에서 이동시켜 이루어진다. 스타터를 분류하면 모터의 회전을 그대로 피니언에 전달하는 방식과 감속기어를 사용하여 모터의 회전을 피니언에 전달하는 방식이 있다.

분류

직류 전동기에는 전기자 코일과 계자 코일의 연결 방법에 따라 직권식, 분권식, 복권식 등이 있으며, 전기자 코일, 계자코일, 정류자와 브러시 등의 주요 부품으로 구성되어 있습니다. 그리고 최근에는 페라이트 자석식 전동기도 사용되고 있습니다.

직권식 전동기

이 전동기는 전기자 코일과 계자 코일이 직렬로 연결된 것이며 각 코일에 흐르는 전류는 일정합니다.

이 형식의 특징은 회전력이 크고 부하변화에 따라 자동적으로 회전 속도가 증감하므로 고부하에서는 과대 전류가 흐르지 않습니다. 이러한 특성을 이용하여 기동 전동기에서 주로 사용하고 있습니다.

분권식 전동기

분권식 전동기는 전기자 코일과 계자 코일이 병렬로 연결된 것이며 각 코일에는 전원 전압이 가해져 있습니다.

이 형식은 부하 변화에 대하여 회전 속도 변화가 적으나 계자 코일에 흐르는 전류를 변화시키면 회전속도를 넓은 범위로 쉽게 바꿀수 있어 부하가 변화하더라도 회전속도가 변하지 않는 일정 속도 작동용 전동기용으로 이용됩니다. 이 전동기는 주로 냉각팬 전동기, 파워윈도(POWER WINDOW)전동기 등에서 사용되고 있습니다.

복권식 전동기

복권식 전동기는 전기자 코일과 계자 코일이 직렬과 병렬로 연결된 것이며 계자 코일의 자극의 방향이 같으며 직권과 분권의 중간적인 특성을 나타낸다.

즉, 기동할 때에 직권 전동기와 같이 회전력이 크고 기동 후에는 분권전동기와 같이 일정 속도 특성을 나타낸다. 그리고 직권 전동기에 비해 그 구조가 약간 복잡한 결점이 있다. 이 전동기는 윈드 실드 와이퍼와이퍼(WIND SHIELD WIPER MOTOR)에서 사용되고 있다.

페라이트 자석식 전동기

페라이트 자석이란 라륨과 철 등의 산화 분말을 압축성형하여 고온에서 소결시킨 자석(영구자석)이며 특징은 가볍고 자력을 유지하는 힘이 매우 큽니다. 이 자석은 전동기의 계자코일과 계자 철심의 대용으로 사용합니다.

즉 전기자 코일에만 전류를 공급하여 회전시키므로 전원 전류의 공급 방향이 바뀌게 되면 회전 방향도 바뀌게 됩니다. 여기서 회전 방향이 바뀌는 이유는 페라이트 자석은 극성이 바뀌지 않지만 전기자는 인공자석이므로 전류의 공급방향이 바뀌면 극성도 바뀌게 되어 회전 방향이 바뀌게 됩니다.

이 형식은 윈드 실드 와이퍼 전동기, 전자제어 엔진의 공전속도 조절 서보 모터, 스텝전동기, 연료펌프 등에서 사용됩니다.

구성

현재 자동차 엔진에서는 배터리를 전원으로 하는 직류 직권식 전동기를 사용하고 있습니다.

직권식 전동기는 부하가 결렸을 경우에는 회전속도는 낮으나 회전력이 크고 부하가 작아지면 회전력은 감소하나 회전수는 점차로 빨라집니다. 즉 회전수가 부하에 따라 현저하게 변환됩니다. 또 기동 전동기는 엔진 실린더의 압축 압력이나 각부의 마찰력을 이기고 시동 가능한 회전속도로 구동하여야 하므로 기동 회전력이 커야 합니다.

이 요구에 가장 적합한 것이 직류 직권식 전동기입니다.

원리

1. 자계내에서 자유롭게 회전할 수 있는 도체(전기자)를 설치하고 전류를 공급하기 위하여 정류자를 두고 정류자와 항상 접촉하여 도체에 전류를 공급하는 브러시(brush)를 부착한 다음 전류를 공급하면 플레밍의 왼손 법칙에 따르는 방향의 힘을 받습니다.

2. 이때 전류는 도체 A에서 B로 흐릅니다. 이에 따라 N극에 가까이 있는 도체 A는 아래쪽 방향으로 힘을 받고 S극 가까이 있는 도체 B는 위쪽 방향으로 힘을 받아서 왼쪽으로 회전을 하게 되며 발생하는 회전력은 자계의 세기와 도체를 흐르는 전류와의 곱에 비례합니다.

3 . 도체가 회전을 하여 위치가 바뀐 경우를 고려하면 도체 A와 B의 위치가 반대로 되었으므로 회전 방향이 역회전 위치로 되어 전동기로 사용을 할 수 없습니다. 이를 방지하기 위하여 전류의 공급이 항상 자계에 대하여 일정한 방향으로 흐르도록 직류를 공급하여 회전 방향이 변화하지 않고 한쪽 방향으로만 회전하도록 하고 있습니다.

4 . 자계 속에서 전기자(도체)를 두고 직류를 브러시와 정류자를 통하여 흐르게 하였을 때 전기자에 작용하는 전자력을 그림의 (a), (b), (c)에서 설명하면 다음과 같습니다.

(1) 그림(a)의 경우：전기자 코일 B부분에 전류가 들어가도록 하고, A부분으로 나오도록 하였을 경우 플레밍의 왼손 법칙을 적용하면 코일 A부분에는 전자력(힘)이 위쪽 방향으로 작용하고, 코일 B부분에는 아래쪽 방향으로 작용하여 전기자는 왼쪽으로 하게 됩니다.
(2) 그림 (b)의 경우：전기자 코일이 중앙에 도달하면 전류는 흐르지 않으나 전기자는 관성에 의하여 회전하게 됩니다.
(3) 그림 (c)의 경우：전기자가 회전하여 전기자 코일 A부분과 B부분이 그림(a)의 반대 위치로 되지만 브러시에서의 전류 공급 위치가 변화하지 않기 때문에 전기자 코일 A부분으로 전류가 들어가고 코일 B부분에서 나온다고 하더라도 전자력이 방향이 그림(a)와 동일하므로 전기자는 왼쪽으로 회전하게 됩니다.

이런 원리를 이용하여 자동차의 기동 전동기, 윈드 실드 와이퍼 전동기, 전동 팬, 전자 제어 엔진의 공전 속도 조절 서보 모터 등에서 사용되고 있습니다.

제어

기동전동기가 회전할때

1. 기동 스위치를 넣습니다 (키 스위치 START위치)
2. 솔레노이드 스위치의 기동전동기 스위치 단자(S단자)로 부터 풀인코일과 홀드 인 코일에 전류가 흐릅니다.
3. 풀인 코일에 흐르는 전류는 솔레노이드 스위치의 기동 전동기 단자(M단자)를 거쳐 기동전동기의 계자 코일, 브러시, 정류자, 전기자 코일로 흘러 전기자는 천천히 회전하기 시작합니다.
4. 솔레노이드 스위치는 플런저는 흡인되어 시프트 레버를 잡아 당기고, 시프트 레버에 의해 기동 전동기의 피니언이 밀려나가 링 기어에 맞물리게 됩니다.

5. 플런저의 흡인에 의해 솔레노이드 스위치의 접촉판이 2개의 접점에 닫힙니다.
6. 배터리에서 케이블을 통하여 계자코일과 전기자 코일로 흘러 기동전동기는 강력한 회전을 시작하여 엔진을 크랭킹 합니다.

엔진을 크랭킹 할때

1. 풀인 코일에 흐르던 전류는 접촉판이 2개의 접점에 닫히면 단락되어 플런저에 작용하는 자력은 감소하게 됩니다.
2. 이때 피니언이 리턴 스프링의 장력에 의하여 본래의 위치로 복귀하지 못하도록하여 피니언과 링 기어의 맞물림이 풀리는 것을 방지 해 주는 것이 홀드 인 코일에 발생하는 자력입니다.

엔진 시동후

1. 기동 전동기 피니언이 플라이 휠 링기어에 의해 회전하면 오버 러닝 클러치에 의해 전기자가 보호 됩니다.
2. 기동 스위치를 여는(OFF)순간 접촉 판은 아직 닫혀 있는 상태 이므로 배터리에서 공급되는 전류는 솔레노이드 스위치 기동 전동기 단자에서 풀인 코일에 역방향으로 흘러 홀드 인 코일로 흐르게 합니다.
3. 풀인 코일의 자력은 역방향으로 되어 홀드 인 코일의 자력은 상쇄되어 흡입력은 감소합니다. 이에 따라 흘런저와 피니언은 리턴 스프링의 장력에 의하여 복귀하여 링기어로 부터 이탈되고 접촉판이 열려 축전지에서 기동전동기로 흐르는 전류가 차단되므로 기동전동기의 작동이 정지됩니다.

[온달왕자 63]

좋은 자료가 많군요....

[차카게살자 54]

정보 감사합니다.

[박관장(47)]

잘 읽었습니다^^