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자동차용 기관은 흡입과 압축, 폭발, 배기의 4 행정으로 작동됩니다. 이 행정 중 에너지의 발생은 폭발행정뿐이며 폭발행정에서 발생한 에너지를 기관의 플라이휠이 저장 한 다음 플라이휠의 관성을 이용하여 연속적인 작동이 이루어집니다. 따라서 기관을 시동하려고 할 때 최초의 흡입과 압축행정에 필요한 힘을 외부에서 제공하여 크랭크축을 회전시켜야 합니다.
필요한 장치는 축전지, 기동전동기, 점화 스위치, 배선 등이 있습니다. 그리고 자동차 기관 시동용으로 직류직권 전동기를 사용합니다. 지금부터 직류전동기의 원리와 종류에 대해 알아보도록 하겠습니다.
자계 내에서 자유롭게 회전할 수 있는 도체를 설치하고 전류를 공급하기 위하여 정류자를 설치하고 정류자와 항상 접촉하여 도체로 전류를 공급하는 브러시를 설치한 후 전류를 공급하면 플레밍의 왼손법칙에 따르는 방향의 힘을 받게 됩니다. 이것이 직류전동기의 원리입니다.
직류전동기의 종류
직류 전동기에는 전기자 코일과 계자코일의 연결방법에 따라 직권전동기, 분권전동기, 복권전동기 등이 있으며 전기자 코일과 계자코일, 정류자와 브러시 등의 주요 부품으로 구성되어 있습니다.
1. 직권전동기
직권전동기는 전기자 코일과 계자코일이 직렬로 연결된 것이며 각 코일에 흐르는 전류는 일정합니다. 직권전동기의 특징은 회전력이 크고 부하변화에 따라 자동적으로 회전속도가 증감하므로 높은 부하에서는 과대전류가 흐르지 않습니다. 그러나 무부하 상태에서는 회전속도가 빨라지므로 전동기가 파손될 우려가 있습니다. 이러한 특성을 이용하여 기동전동기에서 주로 사용하고 있습니다.
2. 분권전동기
분권전동기는 전기자 코일과 계자코일이 병렬로 연결된 것이며 각 코일에는 전원전압이 가해져 있습니다. 분권전동기는 부하변화에 대하여 회전속도 변화가 적으나 계자코일에 흐르는 전류를 변화시키면 회전속도를 넓은 범위로 쉽게 바꿀 수 있어 부하가 변화하더라도 회전속도가 변하지 않는 일정 속도용 전동기 또는 계자전류를 변화시켜 회전속도를 변환시키는 가감속용으로 이용됩니다. 분권전동기는 주로 직류발전기, 윈드 와셔용 전동기, 냉각 팬 전동기, 파워 윈도 전동기 등에서 사용됩니다.
3. 복권전동기
복권전동기는 전기자 코일과 계자코일이 직렬과 병렬로 연결된 것입니다. 계자코일의 자극의 방향이 같습니다. 복권전동기는 직권과 분권의 중간적인 특성을 나타냅니다. 시동할 때 직권전동기와 같이 회전력이 크고 시동 후에는 분권전동기와 같이 일정한 속도특성을 나타냅니다. 직권전동기에 비해 그 구조가 약간 복합한 결점이 있습니다. 이 전동기는 윈드 실드와이퍼 전동기에서 사용이 되고 있습니다.
기동전동기의 성능 특성
기동전동기의 구비조건은 다음과 같습니다. 기동회전력이 크고 소형, 경량이며 출력이 커야 합니다. 전원 용량이 적어도 되고 진동에 잘 견뎌야 합니다. 기계적 충격에도 잘 견뎌야 합니다. 기관을 시동하려고 할 때 회전 저항을 이겨내고 기동전동기로 크랭크축을 회전시키는데 필요한 회전력을 시동소요 회전력이라 합니다.
최소 기관시동 회전 속도
기관시동은 크랭크축을 회전시킬 수 만 있으면 되는 것이 아니라 어느 정도 이상의 회전속도가 필요합니다. 회전속도가 낮으면 실린더와 피스톤 링 사이에서 압축가스가 누출되어 시동에 필요한 압축압력을 얻지 못하게 됩니다. 가솔린 기관에서는 점화코일 공급전압의 저하 때문에 점화불량이 원인이 됩니다. 디젤기관의 경우에는 충분한 단열압축이 이루어지지 않으면 연료의 착화에 필요한 온도를 얻지 못하여 시동이 되지 않습니다.
기관 시동에 필요한 최저한계의 회전속도를 최소 시동 회전속도라 합니다. 이 회전속도는 가솔린 기관보다 디젤기관 쪽이 높으며 기온이 높을수록 높지만 이외에 실린더 수, 사이클 수, 연소실 형상, 점화방식 등에 따라 달라집니다. 최소 기관 시동 회전속도는 -15도에서 2 행정 사이클 기관에서는 150~200 rpm, 4 행정 사이클 기관의 경우 가솔린 기관은 100 rpm 이상, 디젤기관은 180 rpm 이상입니다.