1. 개요
직류기는 외부로부터 직류전원을 공급받아 작동하는 직류전동기와 외부에 직류 전기를 생산해내는 직류발전기, 이 2가지를 모두 이르는 말이다. 직류전동기와 직류발전기는 그냥 보면 다른 목적을 위해 사용되는 별개의 기기이기 때문에 왜 두 개의 기기를 합쳐서 직류기라고 부르는지 의아해할 수 있다. 그러나 사용목적과 기능은 달라도 구조가 이론상으로는 완전히 같기 때문에 아래의 구조를 가진 기기를 모두 직류기라고 부른다.2. 구조
직류기의 구조
위의 사진에서는 여러 부분들이 많이 나와있지만 주요한 부분은 고정자자석, 전기자코일, 정류자, 브러쉬, 이렇게 4부분이다.
- 계자(Field magnet)
위의 사진에서는 고정자자석을 말한다. 직류전동기나 직류발전기나 목적에 맞는 동작을 하기 위해서는 모두 자기장, 다시말해 자속[1]이 필요하다. 즉 자속이 없으면 직류전동기는 회전하지 않아 동력을 낼 수 없고, 직류발전기는 발전할 수 없다. 이때 이 자속을 만들어주는 부분이 바로 계자이다. 영구자석을 이용할 수도 있고 전자석을 이용할 수도 있는 데, 공장과 같은 산업체등에 쓰이는 직류전동기는 대부분 전자석을 이용한다. 왜냐하면 전자석은 전류의 세기에 따라 자속을 변화시킬 수 있기 때문에 전동기의 속도 및 발전기의 발전전압을 조정할 수 있기 때문이다. - 전기자(Armature)
주요전류가 흐르는 부분을 말한다. 전동기에서는 이 전기자에 외부로부터 공급하는 전류가 흐른다. 이 전기자에 흐르는 전류는 계자에서 만든 자속과 상호작용하여 플레밍의 왼손 법칙에 의해 전기자가 힘을 받아 회전하게 된다. 발전기에서는 이 전기자가 회전하면 계자에서 만든 자속과 상호작용하여 플레밍의 오른손 법칙에 의해 전기자에 기전력이 발생하며 전류가 흐른다. 즉, 직류기에서는 축과 연결되어 회전하는 회전자 중 하나이다. - 정류자(Commutator)
전동기에서는 직류를 교류로 변환해주는 부품이며, 발전기에서는 교류를 직류로 변환해주는 부품이다. 이 부품이 있기 때문에 직류전동기는 직류전원으로 운전할 수 있으며, 직류발전기는 직류전기를 발생시킬 수 있다. 사실 직류기가 '교류를 사용하는 전기기기인 동기기'와 다른 점은 전기자와 회전자 하나차이이다. 전동기는 전기자와 축이 붙어있어 같이 돈다. - 브러시(Brush)
정류자와 접촉해있는 고정자이며 열심히 회전하는 회전자와는 달리 외부회로와 붙어있기 때문에 동작 중에도 가만히 있는다. 전기자와 정류자로 이루어진 직류기의 내부회로와 외부회로를 연결하는 역할을 한다. 정류자는 회전하는데 브러시는 정지하고 있기 때문에 이부분은 엄청난 마찰이 있으며 전기불꽃(일명 스파크)도 많이 발생한다. 따라서 이 부분이 고장이 매우 잘 발생한다.[2] 강도가 높고 내열성이 커야하며, 적당한 접촉저항을 가지게하여 정류자를 손상시키지 않아야 한다. 종류로는 탄소브러시, 전기흑연브러시, 금속흑연브러시 등이 있다.
그 외에도 기기에 따라 여러 부품들이 있다.
3. 이용실태
사실 직류기는 교류에 비해 많이 쓰이지는 않는 기기이다. 직류기는 다른 교류기에 비해 정류자와 브러시가 추가로 붙는다는 단점이 있다. 직류기 고장의 많은 경우가 브러시 문제라는 것을 생각한다면 꽤나 큰 문제이다. 직류전동기를 이용하려면 직류전원을 공급해야 하는데 가정이나 공장이나 대부분 교류전원을 공급받고 있기 때문이다. 그리고 직류송전의 단점 때문에 직류발전기는 특수한 용도에만 사용된다.[3]직류발전기는 축전기의 충전용[4], 통신기기(스마트폰 등)의 전원용, 전기철도의 전등용 및 선박용으로 사용된다. 직류전동기는 정밀하고 정확한 속도 제어가 가능하다는 장점이 있다. 전해연마, 구리, 알루미늄의 정련, 철도차량용 전동기, 전기화학공업의 산업체에서 일부 이용되며, 완구용으로도 폭넓게 이용된다.
4. 종류
[1] 자기장과 자기력선이 투과하는 면적을 곱한 값이다.[2] 직류기의 단점 중 하나이다.[3] 하지만 전력전자공학의 발달로 직류도 전압을 올리고 내리고하는게 용이해져서 고전압 직류송전이 각광을 받는다.[4] 충전은 직류만 할 수 있다.