자동차 알터네이터: 3상 발전기 제작 및 실습 학습

프로젝트 부품 및 재료

• 자동차 알터네이터 (1개 필수, 2개 권장)

중고 알터네이터는 폐차장에서 저렴하게 구할 수 있습니다. 많은 제품이 이미 편의를 위해 탈거되어 있습니다. 새 알터네이터가 필요 없습니다. 상태 좋은 중고품도 이 실험에 동일한 성능을 냅니다.

델코-레미(Delco-Remy) 알터네이터를 추천합니다. GM 계열 차량(GMC, 쉐보레, 캐딜락, 뷰익, 올즈모빌)에 널리 쓰이며, 1960년대 초반부터 거의 변경되지 않아 폐차장에서 흔하고 분해도 쉽습니다.

알터네이터 2개가 있으면 하나는 3상 발전기로, 다른 하나는 모터로 개조할 수 있습니다. 개조 단계는 동일합니다.

참조 자료

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapter 14: "Magnetism and Electromagnetism" (자기와 전자기)

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, Chapter 10: "Polyphase AC Circuits" (다상 교류 회로)

학습 목표

• 전자기 및 유도 원리 이해
• 실제 전자기 기계의 구조 탐구
• 3상 권선 지식을 실전에 적용

 

자동차 알터네이터 회로도

 

 

자동차 알터네이터는 6다이오드 정류기를 내장한 3상 발전기입니다. 엔진 크랭크축에 의해 구동되는 풀리(또는 시브)가 돌면, 회전 전자석이 고정자 Y자 권선 사이를 지나갑니다.

로터는 영구 자석이 아닌 전자석으로, 작은 DC 입력으로 자계 강도를 조절할 수 있습니다. 이 설계로 축 속도에 관계없이 출력 전압을 안정적으로 유지합니다.

계자 코일은 구리 슬립 링과 탄소 브러시를 통해 전력을 공급받으며, 스프링 압력으로 제자리에 고정됩니다. 많은 알터네이터에는 배터리를 켜고 끄며 계자 코일을 제어하는 내장 레귤레이터가 있습니다. 이것이 있으면 실험 단순화를 위해 제거할 수 있습니다.

레귤레이터를 제거할 때는 브러시 단자를 접근 가능하게 남겨두어, 알터네이터를 완전 조립한 상태에서 계자 코일에 DC를 공급할 수 있게 하세요.

 

자동차 알터네이터 실물 배선도

 

 

실험 지침

본인 알터네이터 모델의 정비 매뉴얼을 먼저 참조하세요. 아래 지침은 일반적이며 다른 브랜드엔 수정이 필요할 수 있습니다.

제조사 단자가 우리 실험에 맞지 않으므로 맞춤 연결을 만들어야 합니다. 알터네이터를 신중히 분해해 두 카본 브러시에 전원을 공급하는 단자를 찾으세요. 이 단자에 20게이지 와이어 한 쌍을 납땜하고, 로터와 간섭되지 않게 통풍구로 빼내세요.

다음, 다이오드 브리지에 연결된 3개 고정자 단자를 찾으세요. 각각에 18~20게이지 와이어를 납땜해 케이스 밖으로 빼내세요. 이 선들이 전선 전류를 모두 감당하므로 가능한 가장 굵은 게이지를 쓰세요.

신뢰성을 위해 와이어 끝에 링 러그 단자를 달고 원래 단자 너트 아래에 고정하세요. 이렇게 하면 다이오드 블록과 견고하게 연결되고 향후 분해도 간편해집니다.

알터네이터를 재조립하되, 브러시가 로터와 접촉하지 않게 당겨진 상태인지 확인하세요. 델코-레미 제품엔 보통 작은 접근 구멍이 있어, 종이클립이나 가는 와이어로 브러시를 스프링 장력에 맞춰 뒤로 고정할 수 있습니다.

축이 부드럽게 도는지 확인한 후, 계자 리드를 6V 배터리에 연결하고 3개 라인 단자 중 임의의 두 개에 전압계를 연결하세요:

미터를 DC 볼트 모드로 두고 축을 살살 돌리세요. 읽기가 양/음으로 진동하며 AC 생성을 보여줍니다. AC 볼트 모드로 바꿔 여러 속도에서 테스트하면 기계적 입력과 전기적 출력의 관계를 알 수 있습니다.

3개 라인 와이어 중 임의의 두 개를 쇼트시키고 알터네이터를 다시 돌리세요. 회전 저항이 커지는 것을 느낄 것입니다. 이것이 전기적 단락이 가하는 기계적 부하입니다.

이제 계자 코일에 12V DC를 공급하고 DC, AC, 단락 테스트를 반복하세요. 6V 때와 결과를 비교하세요. 더 높은 계자 전압은 출력 전압을 높이고 부하 토크를 증가시킵니다.

극성 무관한 부하(예: 소형 백열등)를 3개 라인 단자에 연결하세요. 풀리에 밧줄을 감고 알터네이터를 빠르게 돌리면 램프가 켜지며, 알터네이터가 실제 부하를 구동할 수 있음을 확인합니다.

두 번째 알터네이터가 있다면 같은 배선 단계를 거쳐 모터로 준비하세요. 첫 번째 알터네이터의 라인 단자를 두 번째의 해당 단자에 연결하세요. 첫 번째(발전기) 계자 코일을 6V 배터리로 구동하고, 두 번째(모터) 계자 코일을 단락시켜 유도 모터를 만드세요.

발전기를 돌리고 모터 축을 관찰하세요. 3상 라인 중 임의의 두 개를 뒤바꾸면 위상 순서가 바뀌어 모터 회전 방향이 바뀝니다.

또는 모터 계자 코일도 발전기와 같은 6V 배터리에 연결하세요. 그러면 모터가 동기 모터로 동작하며, 로터가 회전 자기장에 고정됩니다.

개조 알터네이터를 다음 단계로

금속 가공 기술이 있다면 알터네이터를 자전거에 장착해 페달 발전기를 만들 수 있습니다. 제 설계는 알터네이터 풀리를 긴 V-벨트로 뒷바퀴에 연결하며, 이 벨트가 자전거 뒷부분을 지지하면서 주행 중 장력을 유지합니다.

발전기는 강철 프레임(여기선 2인치 사각 파이프 사용, 목재 프레임도 가능)으로 지지됩니다. 이 장치는 실용적인 운동 기구이자 저렴한 제작 비용을 자랑합니다.

세 개의 12V "RV" 램프를 부하로 쓰며, 자전거 앞쪽에 장착한 스위치로 제어합니다. 3상 출력을 정류하면 알터네이터가 자기 계자 코일에 전원을 공급할 수 있어, 시스템 가동 후 배터리가 필요 없습니다. 초기 가동을 위해선 여전히 DC 소스가 필요합니다.

 

관련 워크시트:

• AC Generator Theory Worksheet
• Polyphase Power Systems Worksheet