변압기 코어에서 실리콘 강판이 사용되는 이유 – 배전류 손실 줄이기
왜 다른 종류의 철 손실인 배전류 손실을 줄여야 할까요?
변압기가 작동할 때 교류가 감속선을 통해 흐르고 이에 따라 교류 자기 유도가 발생합니다. 이러한 변화하는 자기 유도는 철심 내에서 전류를 유도합니다. 이러한 유도된 전류는 자기 유도 방향과 수직인 평면에서 순환하며 폐쇄 회로를 형성하기 때문에 배전류라고 합니다. 배전류 손실 또한 코어를 가열시킵니다.
왜 변압기 코어는 실리콘 강판으로 만들어지는가?
실리콘 강판은 실리콘(또는 "Si") 함유량이 0.8%부터 4.8% 사이인 강철 합금으로 변압기 코어에 널리 사용됩니다. 그 이유는 실리콘 강판의 강력한 자속 투과성 때문입니다. 고효율 자성 재료로서, 전기에 의해 고밀도의 자기 유도를 생성할 수 있어 변압기를 더 컴팩트하게 만들 수 있습니다.
알다시피 실제 변압기는 교류(AC) 조건 하에서 작동합니다. 손실은 감속선의 저항뿐만 아니라 주기적인 자화로 인해 철심에서도 발생합니다. 이러한 코어 관련 손실은 "철 손실"이라고 불리며 두 가지 구성 요소로 나뉩니다:
히스테리시스 손실
배전류 손실
히스테리시스 손실은 코어의 자화 과정 중에 발생하는 자기 히스테리시스 현상으로부터 발생합니다. 이 손실의 크기는 재료의 히스테리시스 루프에 둘러싸인 면적과 비례합니다. 실리콘 강판은 좁은 히스테리시스 루프를 가지고 있어 히스테리시스 손실이 적고 발열이 크게 줄어듭니다.
이러한 장점에도 불구하고 왜 단일 덩어리의 실리콘 강판을 코어로 사용하지 않는 것일까요? 왜 대신 얇은 판으로 가공하는 것일까요?
답변은 철 손실의 두 번째 구성 요소인 배전류 손실을 줄이기 위함입니다.
앞서 언급했듯이 교류 자기 유도는 코어 내에서 배전류를 유도합니다. 이러한 전류를 최소화하기 위해 변압기 코어는 서로 절연되어 겹쳐진 얇은 실리콘 강판으로 구성됩니다. 이러한 설계는 배전류를 좁고 긴 경로로 제한하여 횡단면적이 작아지고 전기 저항이 증가합니다. 또한 합금에 실리콘을 추가하면 재료 자체의 전기 저항이 증가하여 배전류 형성을 더욱 억제합니다.
일반적으로 변압기 코어는 약 0.35 mm 두께의 냉간 압연 실리콘 강판을 사용합니다. 필요한 코어 차원에 따라 이러한 판들은 긴 스트립으로 잘라지고 "日" (더블 윈도우) 또는 싱글 윈도우 구성을 가진 형태로 쌓입니다.
이론적으로 판이 더 얇고 스트립이 더 좁을수록 배전류 손실이 작아져 온도 상승과 재료 사용량이 줄어듭니다. 그러나 실제로 제조 시 설계자는 배전류를 최소화하는 것만을 목표로 최적화하지 않습니다. 매우 얇거나 좁은 스트립을 사용하면 생산 시간과 노동이 크게 증가하고 코어의 효과적인 횡단면적이 줄어들게 됩니다. 따라서 실리콘 강판 코어를 제작할 때 엔지니어는 기술 성능, 제조 효율성, 그리고 비용을 신중하게 균형 잡아 최적의 차원을 선택해야 합니다.
