시동장치의 구성

시동장치의 구성요소 파헤치기

시동장치의 구성요소 파헤치기

시동장치의 구성과 기동 전동기의 원리

자동차용 기관은 스스로 크랭크축을 회전시켜 시동할 수 없으므로 축전지를 전원으로 하는 기동 전동기를 이용하여 시동을 걸어야 한다. 이와 같이, 기관을 시동하려고 할 때 최초의 흡입 및 압축행정에 필요한 힘을 외부에서 제공하여 기관을 회전시키는 일련의 장치를 시동장치라 한다. 시동장치는 축전지, 기동 전동기, 시동 스위치 및 전기배선 등으로 구성되어 있다. 기관을 시동할 때에 전동기의 토크는 전동기 축에 끼워진 피니언으로부터 기관 플라이휠 바깥 둘레에 장착된 링 기어에 전달되어 크랭크축을 구동시킨다. 점화장치의 작동에 의해 기관이 시동되면 피니언은 링 기어에서 풀리고 전동기는 정지한다. 다음으로는 기동 전동기의 원리에 대해서 알아보겠다. 기동 전동기의 원리는 전류의 자기 작용에 의하여 생기는 전자력을 이용한 것이다. N극과 S극 사이에 도선을 놓고 전류를 흐르게 하면 전류의 자기 작용에 의하여 도선은 전자력을 받게 된다. 전자력의 크기는 자계의 세기와 도선에 흐르는 전류 및 자계 내의 도선의 길이에 비례하며, 도선이 자계의 자력선과 직각이 될 때에 최대가 된다. 직류전동기는 자석, 코일의 도선을 배치하고, 브러시와 정류자를 통하여 도선에 전류를 흐르게 하면 자력선이 생겨서 코일이 회전하게 되어 전기 에너지를 기계적인 일로 바꿀 수 있게 된다. 이와 같이 전동기의 원리는 플레밍의 왼손법칙을 이용한 것으로 보인다. 기동 전동기는 자계를 일으키는 계자 철심에 코일을 감고, 이것에 전류를 흐르게 하여 자력을 발생하는 전자석을 사용하는데, 이 코일을 계자 코일이라 하고, 코일의 도선에 해당하는 회전 코일을 전기자 코일이라고 한다. 여기서 전기자란, 전동 기축과 코어에 전기차 코일을 감고 정류자를 붙인 것으로서, 전동기의 회전 부분이 된다. 기동 전동기에는 계자 코일과 전기자 코일을 직렬로 접속한 직권식, 병렬로 접속한 분권식, 그리고 직권과 분권의 두 계자 코일을 가지는 복권 식이 있다. 자동차용 기동 전동기로는 짧은 시간에 큰 토크를 얻을 수 있는 직류 직권 전동기를 많이 사용하고 있다. 기동 전동기에 요구되는 조건을 요약하면 다음과 같다. 첫 번째로 소형이고 고, 가벼우며 출력이 커야 되고 시동 토크가 커야 한다. 둘째로는 전원 용량이 적어도 작동이 잘되어야 하고 방진 및 방수형이어야 한다. 마지막으로 기게 적인 충격에 견딜 줄 알아야 한다. 기관을 시동할 때 기동 전동기는 전동기 축에 붙어있는 피니언을 작동시켜 플라이휠 바깥 둘레에 장착된 링 기어를 구동시켜 크랭크축을 회전시킨다. 따라서 기동 전동기는 피니언 기어를 링 기어에 물리는 방식에 따라 피니언 미끄럼식, 전기다 이동식, 감속 기어식, 체인 구동식, 동축식 등이 있으나 이들 중 자동차 기관용 기동 전동기로는 마그네틱 시프트 식이 많이 사용된다.

기동 전동기의 종류

기동 전동기는 작동 상 토크를 전달시키는 전동기 부분, 토크를 기관에 전달하는 동력 전달 기구 및 피니언 기어를 섭동 시켜 링 기어에 물리게 하는 부분, 재시동을 위한 브레이크 기구로 나누어진다. 전동기 부분은 자계를 발생시키는 계자 철심 및 계자 코일, 계자 철심을 지지해서 자기 회로를 이루는 계철, 토크를 발생시키는 전기자, 전기자 코일에 전류를 흘리는 정류자 및 브러시로 구성되어 있다. 계자 코일은 철심에 도체를 감고 전류를 흘려서 N, S극의 자계를 만드는 부분으로써, 철심을 계자 철심, 도체를 계자 코일이라 하고 도체에 흐르는 전류를 계자 전류라 한다. 계철은 철계 통으로 전동기의 몸통이 되며 자력선의 통로가 되는 주요 부이다. 그 내부에는 계자 코일을 통하여 브러시, 정류자, 전기자 코일로 전류가 흐를 수 있도록 되어 있으며 내부에는 계자코일을 지지하는 계자 철심이 고정되어 있다. 브러시는 정류자에 미끄럼 접촉을 하면서 전기자 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 4개가 있다. 4개의 브러시 중 2개는 절연된 홀더로 지지되어 있고 다른 2개는 접지된 홀더로 지지되어 모두 정류자와 접촉하고 있다. 브러시는 구리 분말과 흑연을 원료로 하여 만든 금속 질이 50~90% 정도로써 윤활성과 전도성이 우수하고 고유저항, 접촉 저항 등이 다른 것에 비하여 작다. 다음으로는 마그네틱 스위치인데 마그네틱 스위치는 솔레노이드 스위치라고도 하며, 축전지에서 기동 전동기까지 흐르는 전류를 단속하는 역할과 피니언을 플라이휠 링 기어에 물려주는 일을 한다. 시동 스위치가 ON 되게 되면 전류는 마그네틱 스위치의 여자 코일로 흐른다. 마그네틱 스위치의 코일에는 플런저를 흡입하는 풀인 코일과 당겨진 플런저가 리턴 스프링의 장력에 의해 되돌아가지 못하도록 흡인 상태를 유지시키는홀딩코일이 있다. 플런저가 이동하면 메인 접점스위치를 작동시켜 전동기는 축전지로부터 흐르는 전류에 의해 전기자가 회전하며, 동시에 시프트 레버를 당겨서 피니언을 링 기어에 물리게 한다. 메인 스위치가 닫힘과 동시에 풀인 코일은 단락되어 플런저의 흡인력은 홀딩 코일만으로 된다. 시동 스위치를 놓으면 플런저는 리턴스프링의 장력에 의하여 원위치로 되돌아가게 된다. 마지막으로 동력 전달기구와 브레이크 기구에 대하여 알아 볼 것이다. 동력 전달기구는 기동전동기에서 발생한 토크를 플라이휠의 링 기어에 전달하여 기관을 회전시키는 기구이다. 마그네틱 스위치의 플런저 작동에 의하여 시프트레버가 움직이면 플런저의 작동에 의해 피니언과 링 기어가 물리게 되고 이때, 전동기가 회전하면서 기관이 시동된다. 피니언과 링 기어의 기어비는 기동전동기의 구동토크를 크게 하기 위하여 9~15 : 1 정도로 하고 있다. 기관이 시동되면 기동전동기는 기관의 회전수보다 약 10배 이상의 고속으로 회전하게 된다. 이렇게 되면 전동기의 정류자, 전기자 코일, 베어링 등이 파손될 염려가 있으므로 시동이 걸린 다음에는 피니언이 링 기어에 물려있어도 기관의 토크가 기동전동기에 전달되지 않도록 하여야 한다. 이러한 목적으로 기동전동기에는 오버런닝 클러치를 장착하고 있다. 오버 런닝 클러치에는 롤러식과 다판식이 있다. 시동스위치를 작동시켜 한번에 시동이 걸리지 않는 경우 재시동을 시키면 전기자의 관성으로 피니언이 계속 헛돌게 된다. 따라서 기어가 신속히 물리지 않고, 소리가 나며, 파손되기 쉽다. 즉, 피니언의 회전 관성을 없게 하여 즉시 재시동이 가능하도록 하는 기구가 브레이크 기구이다. 브레이크 기구에는 기계식과 전기식이 있는데 기계식에는 원심식, 스프링식, 클러치식 등이 있으며, 전기식에는 복권형 전동기가 사용된다.