입자 방향이 CRGO 라미네이션에서 변압기 효율에 미치는 영향

그레인 방향은 변압기 효율이 조용히 천장에 닿는 곳입니다. 현대적으로 잘 정렬 CRGO 를 사용하면 무부하 손실을 킬로그램당 와트 미만 범위로 압축할 수 있으며, 플럭스가 20~30도 떨어져 있으면 그 여유분의 상당 부분을 열로 돌려받을 수 있습니다.

1. 입자 방향은 단순한 재료 사양이 아닌 실제 효율성 예산입니다.

대부분의 데이터시트는 입자 방향을 두 개의 친숙한 라인으로 포장합니다: 1.9-2.0T 전후의 B₈와 얇은 Hi-B 등급의 경우 1.5T, 50Hz에서 0.7-0.9W/kg에 가까운 코어 손실 수치입니다. 그런 다음 설계 텍스트에 "롤링 방향을 따라 플럭스 유지"라고 표시하고 계속 진행합니다. 유용하지만 매우 압축적입니다.

실제로 이 '방향'은 무부하 손실 예산에서 가장 큰 숨겨진 변수입니다. 입자 지향 강재는 투자율과 손실이 강한 이방성을 갖도록 설계되어 압연 방향을 따라 흐르는 플럭스는 낮은 보자력과 높은 투자율을 보이고, 반대로 회전하는 플럭스는 높은 페널티를 지불합니다. 최근의 전기강에 대한 리뷰에서는 여전히 입자 방향성 강재와 비입자 방향성 강재 사이에 명확한 차이가 있지만, 자화 각도가 압연 방향에서 멀어질수록 성능이 점차 저하되는 것으로 나타났습니다.

변압기 제조업체는 이를 거의 설명하지 않더라도 알고 있습니다. 강철 곡선으로 인한 코어 손실을 예측할 때 이미 접합부, 모서리 영역 및 축외 자속을 커버하기 위해 "설계" 또는 "가중치" 계수를 적용합니다. 이 요소는 기본적으로 조립된 코어 내부의 입자 방향을 얼마나 잘(또는 잘못) 준수했는지에 대한 페널티입니다.

2. 자화 각도가 드리프트할 때 실제로 일어나는 일

서류상으로 CRGO는 매우 날카로운 고스 텍스처의 다결정으로, {110}〈001〉은 대부분 롤링 방향에 고정되어 있습니다. 실제로는 모든 입자가 조금씩 어긋나 있습니다. 몇 도의 편차 각도가 일반적이며 결정립마다 다릅니다. 롤링 방향을 따라 균일한 자화 필드 아래에서 "가장 잘 정렬된" 입자의 도메인은 자유롭게 움직이고, 잘못 정렬된 입자의 도메인은 더 많은 필드가 필요하고 덜 협조적으로 뒤집히며 매 사이클마다 더 많은 에너지를 낭비합니다.

압연 방향과 비스듬히 자화하면 더 단단한 입자를 더 많이 적재할 수 있습니다. 초박형 입자 지향 강철의 자기 측정에 따르면 포화 자속 밀도와 투자율은 자화 각도에 따라 꾸준히 감소하며 약 20~30도를 넘어서면 급격히 저하됩니다. 기존 GO에 대한 고전적인 각도 연구에서도 손실 및 투과성 곡선은 압연 방향을 중심으로 거의 대칭을 이루며 1.5T에서의 특정 코어 손실은 0°와 약 60-90° 사이에서 거의 두 배가 될 수 있다는 동일한 이야기가 나타납니다.

그렇기 때문에 현대 이방성 작업에서 "약 30도"가 계속 등장하는 것입니다. 이 범위 내에서 GO는 여전히 자속 밀도 및 손실 측면에서 비배향 강철을 능가합니다. 그 이상에서는 이점이 급격히 줄어들고 더 높은 플럭스 또는 주파수에서 효과적으로 사라질 수 있습니다.

이를 디자인 친화적인 방식으로 표현하려면 각주를 각주 대신 스틸 데이터시트에서 승수로 처리하면 됩니다.

자화 각도가 일반적인 GO 강철에 미치는 대략적인 영향(1.5 T, 50Hz)

아래 표는 여러 각도 의존성 연구의 추세를 간단한 상대적 보기로 압축한 것입니다. 이 표는 자신의 엡스타인 측정값을 대체하는 것이 아니라 이미 발표된 이방성 곡선이 의미하는 바를 대략적으로 보여주는 지도입니다.

다시 말하지만, 이 수치는 참고용입니다. 등급, 두께, 응력 상태 및 유도 수준에 따라 수치가 달라지지만 추세의 형태는 일정합니다.

3. 코어가 실제로 방향을 잃는 경우

그림에서는 3상 코어가 완벽하게 정렬된 것처럼 보입니다. 하지만 스택에서는 그렇지 않습니다.

플럭스와 평행한 롤링 방향으로 절단된 직선형 리브는 재료의 상태가 가장 좋습니다. 조인트와 모서리에 도달하면 플럭스가 구부러져야 합니다. 연귀 또는 스텝 랩 조인트의 경우에도 국부적인 플럭스 방향이 라미네이션을 30~60도로 절단하는 작은 영역이 있습니다. 바로 여기에 이전 표의 페널티가 숨어 있습니다.

층이 일정한 각도로 이동된 입자 지향 코어에 대한 최근 이방성 연구는 스택의 적층이 서로 각도가 잘못 정렬되는 방식을 변경하는 것만으로도 총 코어 손실의 측정 가능한 변화를 보여줍니다. Fe-Si GO 시트에 대한 유사한 조사에서 총 손실은 등방성 와전류 손실과 강한 방향성 히스테리시스 및 초과 손실이 혼합되어 있으며, 모두 자화 각도에 따라 변동하는 것으로 확인되었습니다.

설계 소프트웨어는 종종 타원형으로 보간된 롤링 곡선과 가로 곡선으로만 구성된 단순한 투과성 텐서를 사용해 바둑을 모델링합니다. 이는 횡방향을 최악의 방향으로 취급하고 그 사이의 모든 것이 원활하게 작동한다고 가정합니다. 여러 각도에서 더 자세히 측정한 결과, 이 지름길은 특히 이방성이 더 비선형적이 되는 높은 플럭스 수준에서 눈에 띄는 오류를 발생시킬 수 있음을 보여줍니다. 새로운 설계에서 예측된 무부하 손실과 측정된 무부하 손실 사이의 격차가 커지는 것을 느낄 수 있습니다.

따라서 플럭스 라인이 복잡한 2D 궤적을 갖는 코어의 모든 영역(스텝 랩 중첩, T 조인트 영역, 상처 코어의 코너 영역)은 기하학적 세부 사항뿐만 아니라 정신적으로 "축외 손실 승수"로 태그를 지정해야 합니다.

4. 오리엔테이션도 스트레스, 코팅 및 처리입니다.

오리엔테이션은 CAD 모델의 각도뿐만 아니라 강철의 응력 상태와 도메인 패턴에 따라 변경됩니다.

오리엔트코어와 같은 Hi-B 등급의 생산업체는 표면 코팅에 의해 주로 유도되는 압연 방향에 따른 인장 응력이 히스테리시스와 와류 손실을 줄이는 동시에 자기 변형이 줄어들어 효율과 소음 모두에 도움이 된다는 것을 보여줍니다. 최적의 영역이 있습니다. 스트레스가 너무 적으면 도메인이 안정화되지 않고, 너무 많으면 손실이 다시 증가합니다.

레이저 스크라이빙 및 기타 도메인 세분화 기술은 코팅을 손상시키지 않고 롤링 방향을 따라 도메인을 세분화하여 작동합니다. 자화가 롤링 방향에 가까울 경우 3% Si-Fe에 대한 측정 결과 이러한 처리 후 코어 손실이 의미 있게 감소하는 것으로 나타났습니다. 일단 플럭스가 회전하기 시작하면 조심스럽게 형성된 좁은 도메인은 효율적으로 사용되지 않습니다.

절단은 그 반대입니다. 기계식 펀칭은 잔류 응력과 국부적인 방향 이탈로 인해 소성 변형된 가장자리 영역이 발생합니다. 이는 특히 얇은 초저손실 등급에서 각 라미네이션의 축외 쉘을 효과적으로 두껍게 만듭니다. 갭 압력을 제대로 제어하지 못하거나 클램핑이 고르지 않은 상태에서 코어를 감거나 조립하면 의도한 플럭스 방향과 깔끔하게 정렬되지 않는 응력 상태가 추가됩니다. 이 모든 것이 제철소의 등급 라벨에는 표시되지 않지만, 완성된 변압기에서 볼 수 있는 유효 이방성을 모두 변경합니다.

자기 변형은 조용히 방향과도 연결됩니다. 입자 지향 강재의 데이터에 따르면 자기 변형 진폭은 재료 등급과 자화 및 압연 방향 사이의 각도에 따라 달라집니다. 잘못 정렬된 조인트는 에너지를 낭비할 뿐만 아니라 국부적인 소음원이 되기도 합니다.

5. 자화 각도를 설계 변수로 취급

대부분의 핵심 설계 흐름은 여전히 입자 방향을 CRGO 사용, 라미네이션 정렬, 완료라는 이분법적인 선택으로 처리합니다. 현재의 효율 기대치와 에너지 가격을 고려할 때 이는 매우 거친 접근 방식입니다.

더 유용한 사고방식은 각도를 할당하는 제한된 리소스로 취급하는 것입니다.

고자속 영역(중앙 리브, 메인 요크, 인덕션이 1.7-1.8T에 가깝게 밀리는 탱크 측면 영역)은 레이아웃이 허용하는 한 0°에 가까운 자화 각도를 가져야 합니다. 조인트 영역은 지오메트리에 의해 국부 자속 밀도가 감소하면 더 많은 편차를 허용할 수 있지만, 이러한 영역을 높은 자속에서 약 30°로 유지하면 손실 승수가 1.5 이상에 근접하는 표의 줄에 앉게 됩니다.

0-90° 이상의 입자 방향성 강재와 비방향성 강재를 비교한 재료 연구에서는 설계자들이 이미 의심했던 것을 확인했습니다: GO는 약 20~30° 내에서 강력한 우위를 유지하다가 그 우월성이 빠르게 사라집니다. 따라서 넓은 영역에서 플럭스가 일상적으로 45~60°를 보이는 제품을 설계하는 경우 프리미엄 GO 등급이 적합한 비용 선택인지, 아니면 지오메트리를 변경해야 하는지 고민해 볼 필요가 있습니다.

제조 공차도 동일한 정신 모델에 들어맞습니다. 개별 스트립의 유효 롤링 방향에 약간의 불확실성을 남기는 슬리팅 공정은 저유속 요크에서는 허용될 수 있지만 스트립이 리브로 이동하는 경우 비용이 많이 듭니다. 우수한 코어 제작업체는 이미 측정된 손실과 방향성에 따라 코일과 적층 세트를 분리하고 있으며, 설계 엔지니어는 손실 마진을 측정할 때 이상적인 재료가 아닌 이러한 동작을 가정해야 합니다.

6. 실제로 효율성이 얼마나 중요한가요?

숫자를 사용하면 추상적이지 않습니다. 최신 Hi-B 코어가 있는 1MVA 배전 변압기를 예로 들어 보겠습니다. 일반적인 등급 표에 따르면 약 0.23~0.27mm의 최신 GO 등급을 사용하면 공칭 인덕션에서 800~1000W에 가까운 무부하 손실을 목표로 할 수 있습니다.

이제 코어 설계 및 제조 선택이 코어의 평균 자화 각도를 "거의 완벽"에서 20~30° 대역으로 효과적으로 끌어올렸다고 가정해 보겠습니다. 앞의 표는 동일한 자속 밀도에서 해당 영역의 특정 손실이 30~50% 증가하는 것으로 나타났습니다. 순 효과가 총 무부하 손실이 보수적으로 20% 증가한다고 가정하면 160~200W가 추가로 증가합니다.

변압기가 대부분의 시간 동안 전력을 공급하는 25년의 수명 동안 200W의 추가 전력은 약 44MWh를 조용히 소모합니다. 에너지 가격이 낮다고 해도 이는 이방성을 잘못된 방식으로 공급하는 것 외에는 아무것도 달성하지 못한 운영 비용의 수천 배에 해당합니다. 이를 수천 대의 장치로 확장하면 손실 자본화 스프레드시트의 열이 다르게 보이기 시작합니다.

핵심은 이 비용이 '재료 등급' 비용이 아니라 오리엔테이션 비용이라는 점입니다. 이미 좋은 강철에 대한 비용을 지불한 것입니다.

7. 방향성 효과 측정 및 정책

실험실 측면에서는 설계자가 필요로 하는 것을 따라잡고 있습니다. 0° 및 90°에서의 기존 엡스타인 프레임 테스트는 여전히 등급 인증의 근간을 이루고 있지만, 이제 이방성의 다중 각도 특성화 및 모델링에 대한 작업이 훨씬 더 많이 이루어지고 있습니다. 솔버에 두 개의 커브를 입력하고 보간하는 대신 세 개 이상의 절단 각도에서 측정값을 기반으로 모델을 구축하고 더 나은 충실도로 임의 각도에 대한 특성을 예측할 수 있습니다.

자기 바크하우젠 노이즈와 같은 비파괴 방법도 입자 지향 강철을 분류하고 완전한 자기 테스트 없이 텍스처 품질과 응력을 유추하는 데 사용되고 있으며, 흥미롭게도 이러한 각도 의존성은 특성이 저하되기 전 특정 각도 창까지 상당히 평탄하게 유지된다는 생각과 일치합니다. 이를 통해 방금 공장에 도착한 코일이 설계한 대로 선명한 질감과 낮은 응력 상태를 유지하고 있는지 감사할 수 있는 도구를 제공합니다.

작동 중인 변압기에서는 코어를 엡스타인 프레임에 다시 넣을 수 없습니다. 하지만 자화 전류의 고조파 함량, 접합부의 온도 패턴, 모서리 주변의 노이즈 시그니처를 모니터링하여 방향이 낭비되는 위치를 간접적으로 파악할 수 있습니다.

8. 곡물 배향 연구의 방향과 이것이 변압기에 피드백되는 이유

최근의 입자 지향 강철에 대한 많은 연구는 실제로 변압기가 아닌 모터에 의해 구동됩니다. 엔지니어들은 각 세그먼트가 유리한 ±20~30° 범위 내에서 자속을 유지하고 비방향성 코어에 비해 몇 퍼센트의 토크 또는 효율을 얻는 세그먼트형 고정자를 실험하고 있습니다.PMC) 이는 트랜스포머 조인트에서 발생하는 동일한 이방성의 또 다른 표현일 뿐입니다.

초박형 GO, 고실리콘 합금 및 고급 코팅은 이상적인 정렬에서 코어 손실을 지속적으로 감소시키고 있습니다. 그러나 내재적 재료 손실이 줄어들면서 오리엔테이션 실수, 절단 손상 및 조립 응력으로 인한 손실의 비중은 점점 더 커지고 있습니다. 절대 와트가 감소하더라도 설계 및 제조 규율의 상대적 중요성은 커집니다.

따라서 실행이 지저분하더라도 실질적인 요점은 간단합니다. 그레인 오리엔테이션은 슬로건이 아니라 희소성이 있는 자산입니다. CRGO를 선택하면 좋은 형상, 정밀한 절단, 세심한 응력 제어 및 사실적인 모델링으로 보호하거나 모서리와 조인트에서 그 조각을 교환합니다. 변압기는 여분의 와트가 더 싼 등급에서 나왔는지, 엉성한 각도에서 나왔는지는 신경 쓰지 않고 실제로 보이는 자화 경로만 파악합니다.