B-H 곡선의 비밀을 풀다: DC 모터의 히스테리시스 손실

"B-H 곡선", "자화 곡선", "히스테리시스 손실", 이러한 용어는 복잡해 보이지만 모든 유형의 모터를 다루는 경우 이러한 개념을 이해하는 것이 매우 중요합니다. DC 모터. 이 짧은 글은 이러한 곡선이 무엇을 의미하고 왜 중요한지 궁금했던 분들을 위한 글입니다. 유명한 B-H 곡선을 살펴보고, 이 곡선이 재료의 자기 특성을 정확히 어떻게 나타내는지 알아보고, 모터에서 히스테리시스 손실이 왜 에너지를 낭비하게 되는지 알아볼 것입니다.

자화를 위해 계속 읽어야 하는 B-H 곡선이란 무엇인가요?

자성 물질을 자석으로 만들려고 할 때 어떻게 작동하는지를 보여주는 지도라고 생각하면 됩니다. 이 곡선의 'H'는 자화력(또는 자기장 강도)을 나타냅니다. 이것은 전자기장을 생성하기 위해 전류를 흘려보내는 전선 코일과 같은 힘을 가하는 것입니다. B-H 곡선의 "B"는 자속 밀도를 나타냅니다. 이는 자성 물질 내부에서 전자기장이 얼마나 강한지 정확히 알려줍니다. 이 자화 곡선은 자성을 인식하는 데 필수적입니다. 따라서 B-H 곡선은 이 관계를 나타냅니다. 자화력(H)을 높이면 재료의 자속 밀도(B)가 자화되어 마찬가지로 높아집니다. 이 첫 번째 윤곽을 흔히 초기 자화 곡선이라고 합니다. 이 곡선의 가파른 정도는 재료의 투과성, 즉 자속이 얼마나 쉽게 형성되는지를 알려줍니다. 좋은 B-H 곡선은 전자석이나 모터의 부품과 같은 지점에 적합한 강자성 소재를 선택하는 데 도움이 됩니다. B-H 곡선은 자화를 인식하는 데 기본이 됩니다. 이 B-H 곡선은 많은 제품에 적용되는 단순한 선이 아닙니다. 자화가 발생하고 이후 자화가 해제되는 방식은 특별한데, 바로 여기서 루프라는 개념이 등장합니다. 우리는 전기 모터를 개발할 때 이 B-H 곡선을 많이 확인합니다. 트랜스포머 코어. B-H 곡선은 실리콘 스틸과 같은 제품의 자기적 특성을 나타냅니다. 엔지니어에게 중요한 곡선입니다.

내 마그네틱 제품이 B-H 곡선에서 직선 코스를 따르지 않는 이유는 무엇인가요?

여기서 히스테리시스 손실의 "히스테리시스" 부분이 등장합니다. 히스테리시스는 "뒤처지다"라는 뜻입니다. 재료의 자화가 변화할 때 자화 압력을 완벽하게 준수하지 못합니다. B-H 곡선은 이러한 지연을 나타냅니다. 자화력을 양의 방향으로 높이면 자속 밀도는 한 곡선을 따라 올라갑니다. 그러나 자화력을 다시 0으로 줄이면 자속 밀도는 같은 곡선을 따라 0으로 돌아가지 않습니다. 재료는 자화되어 자화 상태를 일부 유지합니다. 이 '메모리'는 B-H 곡선에서 드러나는 중요한 특징입니다. 이 지연 효과는 주로 B-H 곡선과 재료의 주거 특성을 인식하는 데 사용됩니다. 이 지연은 강자성 제품 내부에 자기 도메인이라는 아주 작은 위치 때문에 발생합니다. 자성 도메인을 작은 자석이라고 생각하면 됩니다. 외부 전자기장을 가하면 이러한 자기 도메인이 일렬로 정렬됩니다. 하지만 전자기장을 제거해도 자기 영역이 모두 완전히 되돌아오지는 않습니다. 이러한 변형에 대한 저항이 B-H 곡선 또는 B-H 곡선의 독특한 형태를 형성합니다.

그렇다면 히스테리시스 손실이란 무엇일까요?

자성 물질이 지연된다는 것을 알았으니 히스테리시스 손실이란 무엇일까요? 강자성 물질의 자화가 한 가지 방법으로 자화되었다가 AC 회로나 회전 모터처럼 다른 방법으로 자화되는 지연 주기를 거칠 때마다 일부 에너지가 손실됩니다. 이 손실된 에너지는 자성 제품에서 따뜻한 느낌으로 나타납니다. 이것이 히스테리시스 손실입니다. 이 손실은 자성 물질 자체에 따라 달라집니다. 마찰이 많은 무언가를 누르고 그린다고 상상해 보세요. 에너지를 소비하게 되고 그 힘은 분명 따뜻함으로 발전할 것입니다. 이는 자성 물질의 자화 및 자화 주기와 비슷합니다. B-H 곡선은 루프를 만들고 이 자기 히스테리시스 루프 내부의 면적은 주기당 손실의 양을 알려줍니다. B-H 곡선의 루프가 클수록 히스테리시스 손실이 더 커집니다. 이 히스테리시스 손실은 변압기 및 DC 기계와 같은 장치에서 고려해야 할 매우 중요한 요소입니다. 이 히스테리시스 손실은 제품 내에서 열로 소실되는 일종의 전력입니다. 이는 모터와 변압기가 안락함을 얻는 요인 중 하나입니다. 히스테리시스 손실을 최소화하는 것은 엔지니어가 장치를 더 효율적으로 만들기 위한 큰 목표입니다. 히스테리시스 손실은 특히 모터에서 실리콘 스틸을 다룰 때 처리하지 않으면 큰 손실이 발생할 수 있습니다.

자기 히스테리시스 루프가 어떻게 생겼는지 보여줄 수 있나요?

이 지연된 결과를 보여주는 B-H 곡선을 자기 히스테리시스 루프(또는 B-H 히스테리시스 루프)라고 합니다. 매핑해 보겠습니다. 자화되지 않은 강자성 물질로 시작하겠습니다. 양의 방향으로 자화력(H)을 사용하면 자속 밀도(B)가 증가합니다. 이것이 초기 자화 곡선입니다. 어느 시점에서 재료는 최대로 자화되어 포화점에 도달합니다. 이제 자화력(H)을 다시 0으로 낮추면 자속 밀도(B)는 0이 되지 않을 가능성이 높습니다! 곡선을 보면 강자성 생성물에 여전히 약간의 자화가 남아 있음을 알 수 있습니다. 이를 잔류 자성 또는 잔류 자력이라고 합니다. 자속 밀도를 0으로 되돌리려면 역방향으로 자화력을 가해야 합니다. 이 역방향으로 필요한 힘의 양을 보자력이라고 합니다. 자기 히스테리시스 루프는 이 전체 자화 과정을 보여줍니다. 자화력을 계속 음의 방향으로 사용하면 재료는 확실히 다시 한 번 포화 상태에 도달하지만 반대쪽 자극을 갖게 됩니다. 그 후 H를 0으로 되돌린 다음 다시 한 번 양의 방향으로 가져가면 자기 히스테리시스 루프가 완성됩니다. 이 곡선, 즉 자기 히스테리시스 루프는 실리콘 스틸과 같은 자성 제품의 지문입니다. 자기 히스테리시스 루프의 면적이 핵심입니다. 강자성 코어의 곡선은 이 루프의 유형을 따릅니다.

히스테리시스 손실이 DC 모터의 성능에 어떤 영향을 미칩니까?

DC 모터에서 강자성 재료의 구성 요소(예: 실리콘 스틸로 구성된 코어)는 모터가 회전함에 따라 자화가 지속적으로 변화합니다. 자화가 순환할 때마다 B-H 곡선에서 자기 히스테리시스 루프를 추적합니다. 그리고 이 루프의 면적은 열로 손실되는 전력, 즉 히스테리시스 손실을 나타냅니다. 이 히스테리시스 손실은 모터가 동일한 양의 작업을 수행하기 위해 더 많은 전력이 필요하다는 것을 나타냅니다. 히스테리시스 손실로 인한 원치 않는 발열은 문제가 될 수 있습니다. 모터의 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다. 또한 과도한 온도는 시간이 지나면서 모터의 절연이나 베어링에 손상을 줄 수 있습니다. 따라서 특히 DC 기계에서 좋은 모터 설계를 위해서는 히스테리시스 손실이 적은 자성 소재를 선택하는 것이 좋습니다. 즉, B-H 곡선에서 히스테리시스 루프가 좁은 강자성 소재가 필요하다는 뜻입니다. 히스테리시스 손실로 인한 손실량이 누적됩니다. 모터가 장시간 작동하는 경우 사이클당 히스테리시스 손실이 조금만 있어도 낭비되는 전력과 열이 많아질 수 있습니다. 그렇기 때문에 모터 효율을 위해 히스테리시스와 B-H 곡선을 연구하는 것이 매우 중요합니다. 히스테리시스 루프는 가능한 한 작아야 합니다.

모든 자성 제품이 똑같을까요? 부드러운 자성 소재는 어떨까요?

아니요, 모든 자성 물질이 일치하는 것은 아닙니다! 이 순간은 저에게 큰 "아하!"의 순간이었습니다. 서로 다른 자성 특성을 가지고 있기 때문에 B-H 곡선 형태가 다르다는 것을 의미합니다. 우리는 일반적으로 경자성 물질과 연자성 물질의 두 가지 주요 유형에 대해 이야기합니다. 영구 자석에 사용되는 것과 같은 경자성 물질은 자기 히스테리시스 루프가 넓습니다. 자화하기는 어렵지만 일단 자화하면 견고한 자석으로 남아 있습니다. 높은 유지력과 높은 보자력을 가지고 있습니다. 반면 연자성 소재는 모터 코어와 변압기 코어에 일반적으로 사용되는 소재입니다. 이러한 제품은 히스테리시스 루프가 좁아 히스테리시스 손실이 매우 적습니다. 실리콘 스틸과 일부 자성 복합재가 이에 해당합니다. 연자성 소재는 쉽게 자화 및 자성을 제거합니다. 이는 B-H 곡선이 좁은 히스테리시스 루프를 나타낸다는 것을 의미합니다. 이는 각 자화 주기 동안 열로 손실되는 에너지가 적다는 것을 의미하므로 매우 중요합니다. 실리콘 스틸과 같은 자성 재료의 옵션은 히스테리시스 손실에 직접적인 영향을 미칩니다. AC 회로나 회전 모터와 같이 전자기장이 변형되는 애플리케이션의 경우 연자성 소재 또는 연강자성 제품을 선택합니다. 이 제품들은 잔류 자력이 낮고 보자력이 낮습니다. 따라서 히스테리시스 손실을 낮추고 성능을 높이는 데 도움이 됩니다. 히스테리시스 손실을 줄이려면 연자성 제품을 사용하는 것이 필수적입니다.

마그네틱 제품에서 유지력이란 무엇을 의미하나요?

포화 상태에 도달한 후 자화력(H)을 다시 0으로 낮췄는데도 자성 물질이 자성을 유지한 경우를 기억하시나요? 이러한 자화 상태를 잔류 자성 또는 잔류성이라고 합니다. 잔류 자력은 외부 전자기장이 제거된 후에도 이 잔류 자기를 유지하는 자성 제품의 능력입니다. B-H 곡선 또는 자기 히스테리시스 루프에서 유지력은 포화 후 곡선이 B축을 가로지르는 지점(여기서 H는 0)입니다. 유지력이 높다는 것은 강자성 물질이 외부 자기장이 사라진 후에도 높은 자화 상태를 유지한다는 것을 의미합니다. 이는 영구 자석에는 우수하지만 자화를 빠르고 편리하게 변환해야 하는 모터나 변압기 코어의 부품에는 적합하지 않습니다. 코어 재료의 유지력이 높으면 자기 히스테리시스 루프가 커지고 히스테리시스 손실이 훨씬 더 커집니다. 따라서 전기 모터나 솔레노이드 및 변압기와 같이 자성 제품이 지속적으로 자화 및 자화 해제되는 애플리케이션의 경우 일반적으로 낮은 유지력을 가진 소재가 필요합니다. 이는 자기 히스테리시스 루프를 더 작게 만들어 히스테리시스 손실을 낮추는 데 도움이 됩니다. 유지력과 같은 제품의 주거 특성은 B-H 곡선에 표시됩니다. 실리콘 스틸은 투자율은 좋지만 부드러운 자성 재료로서는 상대적으로 낮은 유지력을 가질 수 있기 때문에 일반적으로 선택됩니다.

모터에서 이러한 히스테리시스 손실을 실제로 줄일 수 있는 방법은 무엇일까요?

모터를 만들거나 다루는 사람이라면 누구나 궁금해할 만한 질문입니다! 히스테리시스 손실은 B-H 곡선의 자기 히스테리시스 루프 면적에서 발생한다는 점을 고려할 때, 히스테리시스 손실을 낮추는 주요 방법은 히스테리시스 루프가 좁은 자기 제품을 선택하는 것입니다. 앞서 이야기했듯이 부드러운 자성 소재를 사용하는 것이 좋습니다. 실리콘 스틸이 가장 대표적인 옵션입니다. 왜 실리콘 스틸일까요? 철에 실리콘을 첨가하면(실리콘 스틸을 만들면) 자성 구조가 바뀝니다. 재료의 전기 저항을 높여 와전류 손실이라는 또 다른 종류의 손실을 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라(이 이야기는 다음 기회에!) 히스테리시스 루프를 좁게 만들어 히스테리시스 손실을 줄이는 데도 도움이 됩니다. 보자력은 더 작게 만들 수 있으며, 부드러운 자성 물질의 경우 낮은 잔류 자성을 원하는 경우도 있습니다. 다른 다양한 방법으로는 자성 재료를 더 낮은 최적 자속 밀도에서 실행하는 것이 이상적입니다. 히스테리시스 루프는 자화를 누르는 B-H 곡선이 얼마나 올라가느냐에 따라 달라집니다. 또한 강자성 코어의 자화 부품을 신중하게 제조하는 것도 도움이 될 수 있습니다. 때때로 독특한 열처리 또는 얇은 강자성 코어를 사용하기도 합니다. 실리콘 스틸 라미네이션 는 자기 홈을 최적화하고 히스테리시스 손실로 구성된 총 손실을 줄일 수 있습니다. B-H 히스테리시스 루프는 가능한 한 작게 만드는 것이 중요합니다. 이 루프는 철이나 강철과 같은 자성 재료의 특성에 따라 달라집니다.

자화 곡선이 일정하게 선형이 아닌 이유는 무엇인가요?

자화력(H)의 값이 작은 경우 자속 밀도(B)가 다소 느리게 상승할 수 있습니다. 그런 다음 다양한 H 값의 경우, 강자성 물질의 투자율이 높고 자속 밀도(B)도 빠르게 증가하기 때문에 곡선이 훨씬 가파르게 나타납니다. 곡선의 이 부분은 자화에 대해 매우 신뢰할 수 있는 부분입니다. B-H 곡선의 이러한 비선형적 거동은 앞서 언급한 자성 도메인 이름 때문입니다. 처음에는 쉽게 이동할 수 있는 도메인 이름 벽면만 바뀝니다. 자화력이 증가함에 따라 더 많은 도메인 이름이 곧게 펴지면서 자화가 급격히 증가합니다. B-H 곡선은 강자성 물질 내에서 이러한 복잡한 내부 과정을 보여줍니다. 완벽하게 직선이라면 삶이 덜 복잡할 수 있지만, 실리콘 강철과 같은 강자성 제품의 독특한 구조는 B-H 곡선이 직선이 아니더라도 우리에게 강한 자석과 효과적인 코어를 제공합니다. 어느 순간 자화력이 매우 높아지면 대부분의 자성 도메인 이름이 일렬로 늘어서게 되고, 자속 밀도를 더 높이기가 점점 더 어려워집니다. 그러면 자화 곡선이 평평해집니다. 이러한 B-H 곡선의 구부러짐과 평탄화는 강자성 물질의 특징이며, 공기나 비자성 제품이 자기장에 반응하는 방식인 선형과는 매우 다릅니다. 자화 곡선은 매우 중요한 곡선입니다.

강자성 제품이 포화 상태에 도달하면 어떻게 되나요?

채도는 B-H 곡선이나 자화 곡선을 볼 때 중요한 개념입니다. 여행용 가방에 점점 더 많은 물건을 넣으려고 한다고 상상해 보세요. 처음에는 쉽지만 결국 가방이 꽉 차서 아무리 힘껏 눌러도 더 이상 넣을 수 없게 됩니다. 실리콘 스틸과 같은 강자성 제품의 포화도 이와 비슷합니다. 자화력(H)을 높이면 재료 내부의 자속 밀도(B)가 끌어당겨져 포화도가 높아집니다. 그럼에도 불구하고 한계가 있습니다. 특정 계수에서 강자성 제품 내부의 거의 모든 자성 영역이 실제로 전자기장과 일직선을 이루게 됩니다. 이런 현상이 발생하면 자화력을 훨씬 더 높여도 자속 밀도가 거의 증가하지 않습니다. 이 물질은 자기 포화 상태라고 합니다. 이것이 바로 곡선이 평평해지는 B-H 곡선의 포화 지점입니다. 자속 밀도는 포화 유도라고 하는 최적의 유용한 값에 도달합니다. 포화도를 인식하는 것이 중요합니다. 모터나 변압기를 설계할 때 코어 재료가 너무 빨리 포화 상태에 도달하면 예상한 대로 작동하지 않습니다. 포화 상태에서는 투자율이 크게 떨어집니다. 즉, B-H 곡선은 자성 재료의 작동 한계를 알려줍니다. 강자성 제품이 포화 상태에 도달하면 전자기장을 더욱 증폭시킬 수 있는 능력이 현저히 감소합니다. 높은 투자율이 필요한 대부분의 애플리케이션에서는 이 포화 수준 이하에서 작동하는 것이 좋습니다.