동기발전기 권선법

전기자 권선의 기본 개념

• 전기자(Armature): 동기발전기에서 고정자가 전기자 역할을 하며, 회전자 자기장에 의해 전압이 유도됩니다.
• 매극 매상 (( q )): ( q = \frac{S}{P \cdot m} )로 계산되며, ( S )는 슬롯 수, ( P )는 극 수, ( m )은 상 수입니다. 이는 한 극과 한 상당 슬롯 또는 코일 수를 나타냅니다.
• 영향: ( q ) 값에 따라 권선 분포, 고조파 억제, 출력 품질이 달라집니다.

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주요 전기자 권선법과 매극 매상의 관계

1. 단층 권선 (Single-Layer Winding)

• 설명: 각 슬롯에 하나의 코일 측면이 배치됩니다.
• 매극 매상과의 관계:
  • ( q )는 슬롯 수와 직접 연관되며, 단층 권선에서는 슬롯 활용도가 낮아 ( q )가 작을 수 있습니다.
  • 예: 12슬롯, 4극, 3상 → ( q = \frac{12}{4 \cdot 3} = 1 ). 각 극과 상마다 1슬롯만 사용.
• 특징:
  • 단순한 설계로 ( q = 1 )일 때 집중 권선에 가까움.
  • ( q )가 작으면 고조파가 증가하며 전압 파형이 왜곡될 가능성 있음.
• 적용: 소형 발전기.

2. 이층 권선 (Double-Layer Winding)

• 설명: 각 슬롯에 두 개의 코일 측면(상층과 하층)이 배치됩니다.
• 매극 매상과의 관계:
  • 슬롯 활용도가 높아 ( q )가 큰 경우에도 효율적으로 코일을 분배 가능.
  • 예: 36슬롯, 4극, 3상 → ( q = \frac{36}{4 \cdot 3} = 3 ). 각 극과 상마다 3슬롯 사용.
• 특징:
  • ( q )가 증가하면 권선이 더 넓게 분포되어 고조파 감소.
  • 복잡하지만 ( q )를 활용해 정현파에 가까운 전압 생성.
• 적용: 대형 산업용 발전기.

3. 전절 권선 (Full-Pitch Winding)

• 설명: 코일 피치가 극간 거리(180° 전기각)와 동일합니다.
• 매극 매상과의 관계:
  • ( q )와 독립적이지만, ( q )가 클수록 전절 권선의 효과가 분산되어 나타남.
  • 예: ( q = 2 )이면 2개 슬롯에 걸쳐 전절 코일 배치 가능.
• 특징:
  • 최대 전압을 유도하나, ( q )가 작으면 고조파 억제 효과 미미.
  • ( q )가 크면 분포 효과로 인해 성능 개선.
• 적용: 기본 설계 실험용 발전기.

4. 단절 권선 (Short-Pitch Winding)

• 설명: 코일 피치가 극간 거리보다 짧습니다(예: 120° 또는 150° 전기각).
• 매극 매상과의 관계:
  • ( q )가 클수록 단절 권선의 고조파 감소 효과가 두드러짐.
  • 예: ( q = 3 )일 때, 3개 슬롯에 걸쳐 단절 피치로 배치하면 5차, 7차 고조파 감소.
• 특징:
  • ( q )와 조합 시 전압 파형 개선 및 구리 손실 감소.
  • ( q )가 작으면 효과 제한적.
• 적용: 고품질 전압 요구 발전기.

5. 분포 권선 (Distributed Winding)

• 설명: 코일이 여러 슬롯에 걸쳐 분산 배치됩니다.
• 매극 매상과의 관계:
  • ( q )가 직접적인 지표로, ( q > 1 )일 때 분포 권선으로 간주.
  • 예: ( q = 4 )이면 각 상과 극마다 4슬롯에 코일 분포, 고조파 최소화.
• 특징:
  • ( q ) 증가 시 정현파 출력에 근접, 효율성 향상.
  • ( q )가 정수일 경우 대칭 설계 가능.
• 적용: 3상 대형 동기발전기(풍력, 수력).

6. 집중 권선 (Concentrated Winding)

• 설명: 코일이 특정 슬롯에 집중 배치됩니다.
• 매극 매상과의 관계:
  • ( q = 1 ) 또는 1 미만일 때 주로 사용.
  • 예: 6슬롯, 2극, 3상 → ( q = \frac{6}{2 \cdot 3} = 1 ), 집중 권선 적합.
• 특징:
  • ( q )가 작아 고조파 많고, 제조는 간단.
  • ( q ) 증가 시 분포 권선으로 전환 필요.
• 적용: 소형 발전기, 자동차 교류 발전기.

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매극 매상의 설계적 중요성

• 고조파 억제: ( q )가 클수록 권선이 분산되어 고조파 감소(특히 분포 및 단절 권선).
• 출력 전압: ( q )와 권선법 조합으로 유도 전압 크기와 품질 조정.
• 기계적 안정성: ( q )에 따라 슬롯 배치가 결정되며, 진동과 소음에 영향.
• 예외: ( q )가 소수(예: 2.5)일 경우 비대칭 권선 설계로 특수 목적(소음 감소) 충족.

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결론

동기발전기의 전기자 권선법(단층, 이층, 전절, 단절, 분포, 집중)은 매극 매상(( q ))과 밀접히 연계됩니다. ( q )는 권선의 분포 정도를 나타내며, 각 권선법의 성능과 적용성을 결정합니다. 예를 들어, ( q )가 큰 분포 이층 단절 권선은 대형 발전기에 적합하며, ( q )가 작은 집중 단층 권선은 소형 기기에 유리합니다.