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충전 장치는 기관의 크랭크축에 의하여 구동되는 발전기, 발생 전압을 규정된 상태로 조정하기 위한 전압 조정기, 축전지의 충방전상태를 표시하는 전류계 또는 충전경고등 등으로 구성이 되어 있습니다. 오늘은 자동차의 교류 발전기에 대해서 간단하게 한 번 살펴보도록 하겠습니다.
교류 발전기는 3상 교류 발전기이며 정류용의 실리콘 다이오드에 의해 직류출력을 얻는 방식입니다. 다음과 같은 특징들을 가지고 있습니다. 소형, 경량이며 저속에서도 충전이 가능한 출력전압이 발생합니다. 회전부분에 정류자를 두지 않으므로 허용 회전속도 한계가 높습니다. 실리콘 다이오드로 정류하므로 전기적 용량이 큽니다. 브러시 수명이 길고 전압조정기만이 필요합니다.
교류 발전기 구조
스테이터
스테이터는 성층한 철심에 독립된 3개의 코일이 감겨져 있고 이 코일에서 3상 교류가 유기됩니다. 스테이터 철심은 철심 주위에서 자속의 크기가 변화하는 경우가 많기 때문에 히스테리 손실과 맴돌이 전류손실이 발생하는 현상을 감소시키기 위하여 얇은 규소강판을 몇장 겹쳐서 고정한 것으로 그 안쪽에 스테이터 코일을 설치하기 위해 몇 개의 슬릿이 절단되어 있으며 작동 중에는 로터의 자극에서 나온 자속의 통로가 됩니다.
스테이터 코일은 절연 피복 구리선을 슬릿에 감아 넣고 이것을 차례차례로 접속한 것을 1조로 합니다. 그리고 코일피치는 자극간극으로 동일하게 되어 있습니다. 이와 같은 코일 군을 서로 120도씩 겹쳐서 3조로 설치하여 3상 결선으로 합니다. 코일 접속방법에는 Y결선과 삼각결선이 있으며 선간 전압이 높은 Y결선을 주로 사용합니다.
로터
로터는 자속을 만드는 부분입니다. 구조는 로터철심, 로터코일, 축, 슬립 링으로 되어 있습니다. 로터의 구조는 축 위에 원통형의 로터코일 양쪽에서 끼우는 방법으로 4~6개의 철심을 조합한 것입니다. 로터코일의 감기 시작과 끝은 각각 축 위에 절연하여 설치한 2개의 슬립 링에 접속되어 있습니다.
작동은 슬립 링에 접촉된 브러시를 통하여 로터코일에 전류가 흐르면 축 방향으로 자계가 형성되어 한쪽 철심에는 N극, 다른 한쪽 철심에는 S극으로 자화되기 때문에 서로 마주보고 결합된 각각 자극 편은 자극이 되어 N극과 S극이 서로 번갈아 배열되어 8~12극이 형성됩니다. 로터철심의 재질은 자계의 손실을 방지하기 위해 저탄소강을 단조 또는 인발하여 사용하며 슬립 링은 통전성능이 좋은 스테인리스 또는 구리를 사용합니다.
브러시
2개의 브러시는 각각 브래킷에 고정된 브러시 홀더에 끼워져 브러시 스프링 장력에 의해 슬립 링에 접촉되어 있습니다. 1개의 브러시는 절연된 외부단자에 접속되며 또 다른 1개의 브러시는 브러시 홀더를 통하여 접지됩니다.
정류기
교류발전기에서는 정류기로 실리콘 다이오드를 사용합니다. 다이오드는 스테이터 코일에서 발생한 3상 교류를 전파 정류하여 직류 전류로 변환하기 위하여 6개의 정류용 다이오드와 로터코일에 여자전류를 공급하기 위한 3개의 여자 다이오드가 있습니다.
교류 발전기의 작동
점화스위치를 ON으로 하면 전류는 축전지에서 전압 조정기를 통하여 F단자, 플러스 브러시, 슬립 링, 로터 코일, 슬립 링, 마이너스 브러시, E단자의 경로로 약 2~3A 정도의 전류가 흐릅니다. 이 전류에 의해 로터 코일은 자화되어 자속이 발생합니다. 그리고 교류 발전기는 처음에는 타려자식으로 작동합니다. 기관이 가동되면 구동벨트에 의하여 구동되는 로터가 회전하고 스테이터는 로터의 자속을 끊기 때문에 스테이터 코일에는 3상 교류전압이 발생합니다.
이 교류전압은 6개의 실리콘 다이오드에 의하여 정류되어 직류전압이 B단자로 출력됩니다. 로터의 회전속도가 1,000rpm 정도 되면 이 교류전압은 축전지 단자전압보다 높아지며 출력전류는 B단자에서 각 전장부품 및 축전지 충전전류로 공급됩니다. 또 B단자에서 나온 출력전류 일부가 로터코일에 공급됩니다. 직류발전기는 처음부터 자려자식으로 작동되나 교류발전기는 실리콘 다이오드에 가해지는 전압이 약 0.5V 정도에 이르지 않으면 전류가 흐르지 않습니다. 그렇기 때문에 여자전류의 흐름 시작이 늦어져 처음부터 자려자식으로 작동시키면 출력전압으로 발생되는 시간이 지연되기 때문에 타려자식으로 작동됩니다. N단자에는 B단자 출력 값의 1/2 전압을 나타내지만 이 전압은 조정기를 작동시키기 위해 이용됩니다.