안녕하세요! 이 프로젝트는 저(Vincent!)와 Jeffery Phan, 두 사람이 함께 진행했습니다. 저희는 San Jose State University의 기계공학 학생이며, 교내 American Society of Mechanical Engineers 학생회 지부의 도움을 받아 이 프로젝트를 진행했습니다. 이번 경연을 위해 저희에게는 미완성 자이로스코픽 댐퍼 프로젝트와 부품용으로 분해할 수 있는 오래된 로봇이 있었습니다(바로 이것입니다!). 두 프로젝트에서 각각 얻은 부품 중 가장 유용했던 것은 DC 모터와 900 kV 브러시리스 모터였습니다. 여러 활용 아이디어가 떠올랐지만, 최종적으로 선택한 것은 3상 발전기였습니다. 잘 모르는 분들을 위해 설명하자면, 3상 전력은 서로 120도 위상차가 나는 3개의 AC 전력 위상으로 이루어집니다. 그 결과 전압 파형의 ‘피크’가 단상 AC 신호보다 훨씬 더 자주 나타납니다. 이 방식은 주기의 어느 시점에서도 전압 입력이 0이 되지 않으므로 일반적인 AC보다 전원으로서 훨씬 효율적이라는 장점이 있습니다. 3상 전력은 일반적으로 산업용 기계나 건물처럼 높은 전력이 필요한 분야에 사용됩니다. 취미 제작자에게도 3상 전력은 장점이 있습니다. DC로 정류하면 단상 AC를 정류할 때보다 출력이 훨씬 더 매끄러워지기 때문입니다. 따라서 AC 노이즈를 필터링하기가 훨씬 쉬워집니다.
저희 프로젝트의 3상 발전기는 전원으로 구동되는 DC 모터를 브러시리스 AC 모터에 연결하여 작동합니다. DC 모터가 AC 모터를 회전시키면 서로 120도 위상차가 나는 3개의 AC 전압 출력이 생성됩니다.
기계 조립
전기 조립
기계 조립은 모터 마운트 2개와 커플러 하나만 필요했기 때문에 상당히 간단했습니다. 커플러는 처음에 브러시리스 모터의 나사산 축과 체결할 수 있도록 히트셋 인서트를 넣는 방식으로 설계했습니다. 하지만 실제로는 히트셋 인서트를 삽입할 때 발생한 열 때문에 부드러운 3D 프린팅 커플러가 휘었습니다. 그 결과 모터 결합부가 중심에서 벗어났고, DC 모터가 사방으로 움직이면서 시스템에 큰 진동이 발생했습니다. 따라서 축에 압입되는 구멍 2개가 있는 단순한 원통을 대신 사용했습니다. 완벽한 해결책은 아니었지만 두 모터는 충분히 정렬된 것처럼 보였습니다. 모터 마운트의 경우 브러시리스 모터 뒷면에 장착용 나사 구멍이 있어 쉽게 장착할 수 있었습니다. 하지만 안타깝게도 온라인에서 실제 치수를 찾을 수 없어서 직접 측정해야 했습니다. 그 결과 나사 구멍 하나가 정렬되지 않았습니다. 그래도 나사 3개면 충분해 보여서 그대로 조립을 진행했습니다. DC 모터에는 장착할 수 있는 뚜렷한 방법이 없었기 때문에 대신 볼트를 이용해 조이는 방식으로 고정했습니다. 3D 프린팅 커플러에서 필연적으로 발생할 약간의 중심 오차에 대응하기 위해, 모터를 최대한 정렬할 수 있도록 순간접착제로 고정하기 전에 마운트를 앞뒤로 밀어 움직일 수 있게 설계했습니다.
이 회로는 DC 모터에 전력을 공급하는 전원 공급 장치로 구성됩니다. DC 모터는 900kV 브러시리스 AC 모터와 결합되어 기계적 에너지를 전달하고, 그 에너지로 모터를 회전시킵니다. AC 모터가 회전하면서 기계적 에너지가 전기로 변환되며, 모터 내부의 코일 때문에 서로 120도 위상차가 나는 3개의 전압 파형이 출력됩니다. 이 3개의 전압 출력은 AC를 DC로 변환하기 위해 6개의 다이오드로 구성된 3상 전압 정류기에 연결됩니다. DC 신호에는 요철이 많아 매우 거칠었기 때문에, 신호를 깨끗하게 만들기 위해 커패시터를 추가하여 전압을 평활화하고 전압 강하를 줄였습니다.
오실로스코프에서 전압 파형을 시험하고 관찰하려면 가상 접지를 만들어야 했습니다. 이를 위해 3개의 저항을 Y자 형태로 구성하고 한 접점에서 만나게 했습니다. 3개의 전압 파형은 서로 동일하지만 각각 120도씩 위상이 어긋나 있으므로, 어느 순간이든 세 전압의 합은 0이 됩니다. Y 구성에서는 3개의 전압 파형이 한 접점에서 만나 서로 상쇄되므로 0V 접지 기준점, 즉 가상 접지가 만들어집니다.
서로를 기준으로 전압을 측정한 결과 전압은 정확히 같았습니다. 가상 접지를 사용해 오실로스코프로 각 출력을 측정하고 전압 파형을 서로 비교했습니다. 하지만 단일 채널 오실로스코프만 사용할 수 있었기 때문에 세 파형을 한 번에 관찰할 수 없었고, 각 출력의 위상차도 확인할 수 없었습니다. 각 출력의 전압 파형을 관찰했을 때 한 출력이 다른 출력보다 더 높게 나타났습니다. 그 이유를 알아보기 위해 멀티미터로 각 100kΩ 저항의 저항값을 측정했습니다. 전기를 출력하는 동안 측정된 저항값을 보면 저항 하나는 100kΩ을 유지한 반면 나머지 두 개는 절반으로 줄어들었습니다. 이는 두 저항이 병렬 연결로 간주되었기 때문일 수 있지만, 전체적인 원인은 결론을 내리지 못했습니다.
또 한 가지 흥미로운 점은 이 장치가 회전 속도계로 꽤 잘 작동한다는 것입니다. 브러시리스 모터가 900kV이므로 1V를 발생시키는 데 약 900RPM이 필요하다는 것을 알 수 있습니다. Vmax가 2.30V이므로 모터가 3V 입력에서 2000RPM을 조금 넘는 속도로 회전하고 있음을 의미합니다. 이전 프로젝트에서 IR 센서를 사용해 회전 속도계를 만든 적이 있는데, 이 모터를 사용했을 때 비슷한 결과를 얻어서 흥미로웠습니다. 더 나은 커플러를 사용하면 이 방식을 더 개선할 수 있을 것입니다.
순수한 3상 발전기를 사용한 실험에서 결론을 내리지 못한 후, DC 전원을 얻기 위해 출력을 정류하는 단계로 넘어갔습니다. 앞서 말했듯이 정류된 출력은 단상 전원에 비해 이미 상당히 매끄럽기 때문에 평활화하기가 훨씬 쉬워 매우 유용합니다(사진 2를 참조하세요! 눈부심이 심해 죄송합니다 D:). 출력을 정류하기 위해 단상 정류기가 4개의 다이오드를 사용하는 것과 유사한 방식으로 다이오드 6개를 사용했습니다. 작동 원리가 궁금하다면, 다이오드는 순방향으로만 전류를 통과시킬 수 있으므로 전압은 다이오드 기준 순방향에서는 항상 양수이고 역방향에서는 0입니다. 그 결과 다이오드 배열의 양쪽 사이 전압 차는 항상 양수가 됩니다. 전압을 평활화하기 위해 가지고 있던 간단한 1000 uF 커패시터를 사용했더니 충분했습니다. 그 결과 LED를 켤 수 있었고, 꽤 멋졌습니다.
전반적으로 말하면, 이 시스템은 처음 예상했던 것보다 훨씬 원활하게 작동했습니다. 하지만 몇 가지 개선할 점은 있었습니다. 우선 커플러가 약간 중심에서 벗어나 있어 시스템에 불필요하게 큰 진동이 발생했습니다. 이를 해결하는 가장 좋은 방법은 커플러를 직접 가공하거나 온라인에서 구매하는 것입니다. 또한 3상 발전기에서 나오는 전력은 그다지 유용하지 않습니다. 이 프로젝트의 주된 목적이 시연이었으므로 큰 문제는 아니지만, 브러시리스 모터의 3상 전력을 정류하면 저전압·고전류 전원으로 활용할 수 있습니다. 이러한 전원은 용접이나 유도가열 같은 작업에 매우 유용합니다. 개인적으로는 전해조에 사용하고 싶습니다. 고전류·저전압 전원 공급 장치는 가격이 비쌀 수 있기 때문입니다. 출력 전력을 유용하게 만들려면 DC 모터와 브러시리스 모터를 모두 교체해야 합니다. 브러시리스 모터는 더 높은 전압을 출력할 수 있도록 kV 정격이 더 낮은 새 모터가 필요합니다. 전동 스쿠터에 사용하는 300kV 미만 모터 중 하나면 될 것 같습니다. 또한 DC 모터를 브러시리스 모터 어셈블리에 연결하는 전체 구성도 교체해야 할 가능성이 큽니다. 기계 에너지와 전기 에너지를 서로 변환하는 과정에서 효율 손실이 많이 발생하기 때문입니다. 아주 강력한 DC 모터를 구할 수도 있겠지만, 증기 동력이나 다른 에너지원을 사용하는 편이 훨씬 현실적인 것 같습니다. 그래도 전반적으로 프로젝트의 목표를 달성했고 많은 것을 배웠습니다! 현재로서는 이러한 개선 사항이 우선순위가 높지 않지만, 언젠가는 작업할 수 있기를 바랍니다. 읽어 주셔서 감사합니다!
https://www.instructables.com/3-Phase-Power-Generator/