용어집: 모터 코어 및 변압기 적층 설계의 핵심 용어

이미 물리적 원리는 알고 계실 겁니다. 이 용어집은 모터 코어와 변압기 라미네이션.

라미네이션 어휘가 중요한 이유

현대 기계에서 발생하는 대부분의 연자성 문제는 맥스웰 방정식에서 비롯되지 않습니다. 이는 층판의 절단, 절연, 적층, 클램핑 방식과 도면 및 강재 데이터시트에 기재된 사양에서 비롯됩니다. 펀칭, 적층, 하우징과 같은 제조 공정은 층판 가장자리에 소성 변형과 잔류 응력을 가함으로써 히스테리시스 손실과 와전류 손실을 "카탈로그" 값에서 쉽게 벗어나게 할 수 있습니다. 변압기와 모터에서는 이로 인해 코어 손실이 증가하고, 발열 지점이 더 뜨거워지며, 때로는 효율 보증이 실패하는 결과를 초래합니다.

따라서 아래 용어들은 이미 B–H 곡선을 읽을 수 있지만, 구매 담당자, 코어 샵, FEA 전문가들과 공통 언어를 원하시는 분들을 위해 작성되었습니다.

1. 재료 및 라미네이션 용어

전기강판

전기강판 적층 코어의 기본 재료는 실리콘 합금 저탄소강으로, 전력 주파수 및 그 이상에서 낮은 손실과 적절한 투자율을 위해 최적화되었습니다. 현대 모델에서는 이 손실이 준정적(히스테리시스 지배), 기생(와전류 유사), 그리고 비정상적 또는 초과 성분으로 분해되는 경우가 많습니다. 이 세 단어가 인용문에서 함께 등장하는 경우는 드물지만, 바로 이것이 "W/kg @ 1.5 T, 50 Hz" 뒤에 숨겨진 의미입니다.

방향성 전기강판 (GO, CRGO) 자화하기 쉬운 축이 압연 방향과 일치하도록 압연됩니다. 이는 주로 해당 방향을 따라 흐르는 자속을 위해 설계되었으며, 이는 바로 고전적인 변압기 리브와 요크에서 발생하는 현상입니다. 자속 경로가 정돈되고 주로 일차원적인 경우에 사용하십시오. 공극 주변에서 방향이 자주 바뀌는 복잡한 이빨 모양의 고정자에서는 사용하지 마십시오.

비방향성 전기강판 (NO, CRNO/CRNGO) 시트 평면 내에서 대략 등방성 자기 특성을 가집니다. 모터와 회전 기계는 자속이 이빨, 백 아이언, 브릿지를 통해 다양한 방향으로 순환하기 때문에 이 특성에 크게 의존합니다. NO 등급은 일반적으로 50/60Hz에서 "최적" 방향에서 GO 등급보다 손실이 높지만, 자속이 축에서 벗어날 때 불이익을 주지 않습니다.

누군가 단순히 "M235-35A" 또는 이와 유사한 표현을 사용할 때, 이는 두께(약 0.35mm)와 손실 등급을 의미합니다. 전기강판 공급업체의 데이터시트는 이러한 수치가 에프스타인 시험 조건 하에서 얼마나 낙관적인지, 실제 펀칭 및 클램핑된 상태와 비교하여 알려줍니다.

라미네이션, 두께 및 적층 계수

A 라미네이션 전기 강판 한 장을 절연층("코어플레이트")으로 코팅하여 적층하여 자기 회로를 형성합니다. 적층은 와전류 경로를 제한하며 두께와 손실 간의 절충을 가능하게 합니다: 더 얇은 적층 → 더 작은 와전류 루프 → 주어진 주파수에서 더 낮은 와전류 손실, 그러나 더 높은 비용과 더 낮은 적재 효율.

라미네이션 두께 / 게이지 전력 응용 분야에서는 일반적으로 0.18~0.50 mm 범위를 사용합니다. 고주파, 저손실 설계나 비정질 합금에는 얇은 두께(0.18~0.23mm)를 사용합니다. 두꺼운 두께(~0.35~0.50mm)는 저주파 영역에서 히스테리시스가 지배적일 때 비용이 저렴하고 허용됩니다. 적절한 두께는 단순히 손실 문제뿐만 아니라 펀칭 및 취급에 대한 제약 조건도 부과합니다.

코어플레이트 / 층간 절연재 각 적층판 사이에 전기적으로 분리된 상태를 유지하기 위해 도포되는 얇은 코팅층입니다. 이 코팅은 여러 기능을 동시에 수행합니다: 적층판 간 전류 제한, 펀칭 공정 견딤, 어닐링 공정(해당 시) 견딤, 습기 및 부식 저항, 그리고 적층 계수를 지나치게 소모하지 않음. 열화된 적층판 간 절연은 적층체 내 국부적 단락 회전, 국부적 손실 증가로 직접 이어지며, 적층 코어에 대한 특수 플럭스 주입 및 서지 테스트를 통해 검출될 수 있습니다.

스태킹 팩터 (라미네이션 계수 또는 공간 계수라고도 함)은 유효 철 길이와 측정된 적층 길이의 비율을 의미합니다. 즉, 적층 높이의 어느 정도가 강철이고 어느 정도가 코팅 및 공기 주머니인지를 나타냅니다. 실리콘 강철 코어의 일반적인 수치는 약 0.95~0.97이며, 비정질 스트립 코어는 거친 표면과 코팅으로 인해 약 0.8에 가깝게 나타날 수 있습니다.

설계자들은 적층 계수를 두 가지 방식으로 활용합니다. 첫째, 유한 요소 해석(FEA) 및 수동 계산에 사용되는 순 자기 단면적(B = Φ / A_eff, 여기서 A_eff에는 적층 계수가 포함됨)을 보정합니다. 둘째, 공차 논의 과정에서 공급업체에 이를 피드백합니다: 공격적인 적층 계수를 지정하면서도 버, 웨이비티, 두꺼운 코팅을 허용한다면 일치하지 않는 부분이 발생할 것입니다.

자기 노화 긴장 완화, 산화 또는 부적절한 어닐링으로 인한 코어 손실과 투과성의 장기적 변화입니다. 이는 수년간의 작동 또는 반복적인 열 사이클링 후 W/kg의 점진적 증가로 나타나는 경우가 많습니다. 기계 사양서에서 명시적으로 언급되는 경우는 드물지만, "노후화 후 보장 손실"을 언급하는 모든 강재 데이터시트는 이를 은근히 암시하고 있습니다.

요약: 기계 간 주요 라미네이션 레버

아래 표는 일반적인 라미네이션 관련 용어들을 실제 대화에서 나타나는 방식으로 압축하여 정리한 것입니다. 일반적인 수치 범위는 참고용이며, 정확한 값은 공급업체와 표준에 따라 결정됩니다.

2. 기하학 용어: 모터와 변압기

고자, 회전자, 이빨, 슬롯, 백 아이언

모터에서는, 고정자 코어 이빨과 홈을 지닌 적층 링입니다. 로터 코어 또 다른 적층 구조로, 영구 자석, 다람쥐 우리형 바, 또는 돌출부를 지지할 수 있습니다. 적층 관련 용어는 주로 고정자에 적용되며, 여기에는 이빨 형상, 슬롯 개구부, 브리지, 그리고 백 아이언 두께가 시트에 새겨집니다.

치아 측면에 권선을 감는 돌출부이다. 이들의 폭, 테이퍼 및 끝단 형상은 이빨 내 자속 밀도와 과부하 시 포화 마진을 결정한다. 슬롯 슬롯은 도체를 고정하는 공간으로, 그 형상은 슬롯 누설, 슬롯 고조파 및 권선 삽입에 대한 기계적 제약을 결정합니다. 슬롯 형상은 또한 펀칭으로 인한 국부 응력 집중을 제어하며, 이는 가장자리 근처의 손실 모델링에 중요합니다.

그리고 백 아이언 (또는 고정자 요크)는 치아 바깥쪽에 위치한 링 영역으로, 자기 회로를 닫는 역할을 합니다. 그 두께는 표준 설계 관계를 사용하여 자속 요구 사항과 적층 계수로부터 결정됩니다. 많은 교과서와 설계 보고서에서 적층 계수가 명시적으로 백아이언 너비를 조정하는 대수적 표현을 볼 수 있습니다.

변압기의 리브, 요크 및 코어 윈도우

코어형 변압기에서는, 사지 (또는 다리)는 1차 및 2차 권선을 지지하는 적층판의 수직 기둥이다. 멍에 수평 단면은 사지를 연결하고 복귀 경로를 제공하는 부분입니다. 이들은 함께 폐쇄된 자기 회로를 형성합니다.

그리고 핵심 창 개구부는 지주와 요크로 경계가 정해져 있습니다. 여기에는 권선, 절연체, 냉각 덕트 및 클램핑 구조물이 수용됩니다. 그 높이, 너비 및 간극은 창 공간 계수 구리 단면적과 절연 수준에 따라 얼마나 야심차게 설계할 수 있는지를 결정합니다.

기계들 사이에 공통적으로 사용되는 흥미로운 용어는 에어 갭모터에서 에어 갭은 고정자와 회전자 사이에 설계된 구조적 요소입니다. 반면 변압기 코어에서 '에어 갭'은 대부분 불완전한 부분, 즉 접합 틈새, 정렬 불량, 또는 갭형 인덕터 같은 특수 설계에서 의도적으로 만든 작은 틈을 의미합니다. 두 경우 모두, 적층판 용어는 적층 구조가 얼마나 정밀하게 가공되거나 연마되었는지를 논의할 때 등장합니다.

3. 적층 관련 손실 용어

총 핵심 손실 및 특정 손실

핵심 손실 또는 철 손실 시간에 따라 변화하는 자속이 가해질 때 자성체 내부에서 소모되는 전력이다. 일반적으로 다음과 같이 보고된다. 특정 손실 주어진 자기장 B(예: 1.0–1.7 T) 및 주파수(50/60 Hz 이상)에서 W/kg 단위로 표시됩니다. 전기강판의 경우, 카탈로그에 단일 W/kg 수치만 기재되어 있더라도 현대적 모델은 이를 히스테리시스, 고전적 와전류, 초과 성분으로 구분합니다.

강철 데이터 시트에는 여러 시험 점(예: 1.5T, 50Hz 및 1.7T, 50Hz)이 표시될 수 있습니다. 이러한 점들은 공정 가정(깨끗한 에프스타인 스트립, 펀칭 손상 없음, 이상적인 적층)을 내포합니다. 라미네이션이 펀칭, 굽힘, 클램핑을 거치면 조립된 코어의 측정 손실은 일반적으로 기계적 응력과 손상된 가장자리로 인해 증가합니다.

히스테리시스 손실, 와전류 손실, 과잉 손실

히스테리시스 손실 B-H 히스테리시스 루프의 면적과 연관됩니다. 각 사이클마다 도메인 벽 이동과 비가역적 자화에 에너지가 손실됩니다. 재료 등급, 자속 밀도, 어닐링 상태와 같은 1차 설계 변경이 이를 크게 좌우합니다. 변압기에서는 포화 상태에 가깝게 작동하거나 더 높은 보자력을 가진 강종 사용이 여기에 반영됩니다.

와전류 손실 각 적층판 내에서 유도된 순환 전류에서 발생하며, 적층 두께와 작동 주파수에 따라 크게 비례합니다. 더 얇은 적층판과 우수한 적층간 절연은 이러한 전류를 억제합니다. 부적절한 적층(간극, 버, 단락된 표면)은 이러한 이점을 무효화할 수 있습니다.

초과 손실 (때로는 "비정상적" 손실이라 함)은 단순한 와전류 모델을 넘어서는 추가적인 주파수 의존적 손실을 설명하며, 미세구조적 세부 사항 및 도메인 벽 휘어짐과 연관된다. 현대 재료 및 모델은 특히 고주파 및 복잡한 파형에서 이 항을 포함한다.

설계 팀이 항상 "초과 손실"을 명시적으로 언급하지는 않지만, 고조파 성분이 높은 경우 FEA 결과가 측정된 손실과 일치하지 않을 때 이것이 바로 숨겨진 원인이다.

자속 밀도, 무릎점, 포화, 자기수축

자속 밀도 B 코어의 자속은 순자속과 유효 면적에서 계산되며, 적층 계수는 이 면적을 조정합니다. B-H 곡선은 이미 알고 계시겠지만, 적층 기술 용어에서는 강종별 "무릎점" 또는 "무릎점 자속 밀도"라는 표현을 자주 접하게 됩니다. 이는 자화 곡선상에서 추가 투과율이 급격히 감소하기 시작하는 지점을 의미합니다. 이 무릎점에 너무 근접하여 작동하면 히스테리시스 손실이 증가하고 파형이 왜곡됩니다.

포화 자화력 H를 증가시켜도 자속 밀도 B는 거의 증가하지 않으면서 손실과 발열만 크게 증가하는 실질적 상한선이다. EI 변압기와 소형 모터 설계 시에는 공칭 작동점을 무릎 지점보다 충분히 낮게 유지하지만, 과도 현상과 고조파로 인해 국부 영역이 더 높은 수준으로 밀려난다.

자력 제한 자화 시 재료에 유도되는 변형률이다. 이는 자기 설계와 진동 및 가청 소음을 결합시킨다. 예를 들어 변압기 코어의 스텝-랩 접합부는 무부하 손실을 줄일 뿐만 아니라 접합부에서의 자기변형 변형률 집중을 감소시켜 험(hum)을 낮추는 데 사용된다.

4. 이음매, 절단 및 적재

맞대기 이음, 사접 이음, 계단식 이음

변압기 적층판은 여러 가지 접합 방식으로 조립될 수 있습니다:

A 맞대기 이음 라미네이션을 정사각형으로 절단하여 서로 맞대어 접합합니다. 이는 제조가 간편하지만 상대적으로 큰 유효 틈새와 높은 국부적 자속 밀집도를 남깁니다.

A 연귀 조인트 각도(주로 45°)로 적층을 절단하여 플럭스가 접합부를 더 완만하게 통과하고 방향성 강판의 압연 방향에 더 가깝게 유지되도록 합니다. 이는 맞대기 이음부에 비해 손실을 개선하고 국부 포화 현상을 감소시킵니다.

A 스텝-랩 접합 한 단계 더 나아간다. 접합부에서 적층을 작은 단계(보통 3~5층)로 겹쳐 쌓아, 자속이 단일한 급격한 경계면이 아닌 단계적 전환을 경험하도록 한다. 이러한 배치는 무부하 코어 손실을 크게 줄이고, 접합부를 통한 자속 분포를 개선하며, 자기변형에 의한 진동과 소음을 감소시킨다.

이 단어 뒤에 숨겨진 용어집 항목은 핵심 공급업체와 협상하는 내용에 관한 것입니다: 더 복잡한 접합부는 더 많은 절삭 공정, 더 많은 적층 작업, 더 엄격한 정렬 요구사항을 의미하지만, 손실 감소와 더 조용한 작동을 확보합니다.

패킷, 버, 적층 품질

라미네이션을 적층할 때, 종종 그룹으로 분류됩니다. 패킷: 대형 스텝 랩 또는 원형 조립에서 단위로 취급되는 소형 서브 스택. 패킷 설계는 각 단계를 라미네이션 횟수의 편리한 배수로 유지하여 조립이 반복 가능하도록 합니다.

버 펀칭이나 전단 가공 후 남는 돌출된 가장자리입니다. 작은 버라도 두 배로 중요합니다. 기계적으로, 이 버는 적층판이 서로 얼마나 밀착되는지에 영향을 미치며, 따라서 적층 효율에 영향을 줍니다. 자기적으로, 이 버는 적층판 사이에 원치 않는 전도성 다리를 제공하여 적층판 간 전류를 증가시키고 국부 자기장을 왜곡시킵니다.

왜곡 모터에서 스큐는 고정자 또는 회전자 적층 스택이 축 방향으로 약간 비틀리는 현상이다. 이는 코깅 토크와 토크 리플을 줄이기 위해 사용되지만, 제조 복잡성 증가, 슬롯 누설 변화, 때로는 구리 길이 증가라는 대가를 치른다. 적층 측면에서 스큐는 펀칭 패턴과 적층 지그를 복잡하게 만든다.

적재 압력, 클램핑 플레이트, 타이 볼트는 모두 최종 유효 적재 계수와 강재의 응력 상태에 영향을 미칩니다. 너무 느슨하면 진동과 덜거덕거림이 발생하며, 일관되지 않은 손실이 나타납니다. 너무 꽉 조이면 추가 응력이 발생하여 접합부 및 가장자리 근처의 히스테리시스 손실이 증가합니다.

5. 슬롯, 창, 및 공간 요소

슬롯 채움 계수 및 구리 채움 계수

슬롯 채움률 전도체(일반적으로 구리)의 총 단면적과 고정자 슬롯의 물리적 단면적의 비율을 의미합니다. 많은 산업용 기계에서 전도체 형상, 절연 두께 및 권선 방법에 따라 실제 값은 약 0.4~0.6 범위가 일반적입니다.

디자이너들도 이야기합니다 구리 충전율때로는 절연체를 제외하고 노출된 금속 면적과 슬롯 면적의 비율을 가리키기도 하고, 때로는 도체와 절연체를 합한 총 면적을 가리키기도 합니다. 정확한 정의는 실무상 복잡하므로, 설계 검토 시에는 유한 요소 분석(FEA)이나 스프레드시트에서 어느 쪽을 사용하는지 명확히 하는 것이 도움이 됩니다.

슬롯 충전률은 전자기적 특성과 제조 가능성 사이의 가교 역할을 합니다. 높은 목표 충전률은 열 및 구리 손실 모델에서는 훌륭해 보일 수 있으나, 자동 삽입 공정이나 헤어핀 벤딩 공차 측면에서는 비현실적일 수 있습니다. 따라서 이 수치는 시뮬레이션, 권선 엔지니어링, 코어 스택 치수 간에 협상하여 결정해야 합니다.

창 공간 계수

변압기에서, 창 공간 계수 도체가 차지하는 면적과 권선이 차지할 수 있는 전체 창 면적의 비율입니다. 구리뿐만 아니라 절연체, 냉각 덕트, 인터리빙 방식 및 유전체 시험 수준을 충족하기 위한 간극을 위한 공간도 확보해야 합니다.

창 공간 계수는 적층 설계와 상호작용합니다. 왜냐하면 리밋 너비, 요크 높이 또는 스텝 랩 기하학적 구조를 변경하면 사용 가능한 창 공간이 이동하기 때문입니다. 코어 샵에서는 적층을 용이하게 하기 위해 리밋 치수를 약간 변경할 것을 제안할 수 있으며, 이러한 변경은 창 계수와 권선 레이아웃에 직접적인 영향을 미칩니다.

6. 적층 공정 관련 제조 및 품질 용어

펀칭, 절단 및 응력 효과

펀칭 그리고 스탬핑 대량 생산에서 라미네이션 절단에 여전히 주된 방법으로 사용됩니다. 이 방법은 절단면 근처에 소성 변형을 유발하여 국부적으로 보자력과 손실을 증가시킵니다. 이 손상 영역의 깊이와 그 중요성은 공구의 날카로움, 간극, 유지보수에 따라 달라집니다.

레이저 커팅 기타 정밀 절단 방법은 기계적 응력을 줄이지만 열적 영향을 발생시키고 코팅 상태에 영향을 미칠 수 있습니다. 프로토타입이나 소량 생산의 경우 레이저 절단 적층이 흔히 사용되며, 응력 분포가 다르기 때문에 측정된 코어 손실은 펀칭 생산과 종종 차이가 있습니다.

기계적 응력이 투과율과 코어 손실에 영향을 미치기 때문에, 내장형 영구자석 전동기의 고급 철손 모델은 이제 부하 및 클램핑 하에서 고정자와 회전자 적층판의 기계적 변형을 명시적으로 고려합니다. 이는 카탈로그 값을 생성하는 깔끔한 엡스타인 스트립 시험과는 거리가 멉니다.

응력 제거 어닐링 절단/적층 후 적용되는 열처리로, 응력을 완화하여 원래의 자기 특성을 일부 회복시킵니다. 정확한 온도와 시간은 코팅 유형 및 코어 조립 상태에 따라 달라지며, 절연 및 기계적 제약으로 인해 모든 코어 설계가 조립 후 어닐링될 수 있는 것은 아닙니다.

층간 절연 결함 및 코어 시험

An 층간 절연 결함 층간 절연 코팅이 손상되거나 오염된 층간 단락 지점으로, 인접한 시트 사이를 순환하는 전류에 저항이 낮은 경로를 제공하여 국부 손실과 핫스팟 위험을 증가시킵니다.

플럭스 주입 프로브 및 서지 시험과 같은 검사 방법은 조립된 변압기 코어를 구동하고 절연 파괴를 나타내는 응답 신호를 측정함으로써 이러한 결함을 감지할 수 있습니다. 현장 중심 표준 및 수리 업체는 종종 지정된 유도율에서 와트/킬로그램 또는 와트/파운드 코어 손실 시험과 함께 역률 지표를 사용하여 수리 또는 재권선 후 코어가 허용 가능한지 여부를 판단합니다.

고주파 펄스 자기장 응용 분야에서는 훨씬 가혹한 파형에서도 손실을 관리 가능한 수준으로 유지하기 위해 추가적인 적층간 절연 방식이 제안되었으며, 이는 적층 구조가 절연 세부 사항에 얼마나 민감한지를 보여준다.

7. 이 용어집을 염두에 두고 사양서 읽기

전기강판 데이터시트를 열면 주요 적층 관련 항목이 일렬로 나열됩니다: 강종, 두께, 비손실점, 보장 적층률. 이 수치들은 이상적인 시험 조건을 전제로 하며, 펀칭 공정, 적층 압력, 어닐링 선택에 따라 목표값이 달라진다는 점을 알고 계실 것입니다.

코어 도면을 살펴보면, 접합 방식(맞대기, 사접, 계단식 겹침)과 패킷 배열을 통해 플럭스 집중 현상과 자기변형 과열 지점이 어디에 위치할지 알 수 있습니다. 모터에서는 이빨과 백아이언 형상, 적층 길이, 슬롯 채움 계수가 라미네이션 설계를 토크 리플, 손실, 제조 가능성과 직접적으로 연결합니다.

그리고 시험 결과가 도착하면 — 예상보다 높은 W/kg 측정값, 전력 계수 불일치, 모델보다 약간 높은 온도 상승 — 여기서 사용되는 용어는 문제가 강종, 적층 두께, 가정했던 적층 계수, 시트 간 절연 품질, 혹은 지나치게 밀어붙인 윈도우 및 슬롯 계수 중 어디에 있는지 정확히 논의하는 데 사용됩니다.

이 용어집의 핵심은 바로 여기에 있습니다: 모터 코어와 변압기 적층판이 논의될 때, 모호한 논쟁은 줄이고, 더 구체적인 질문을 하며, 전자기 설계, 제조, 공급업체 간에 공통된 언어를 사용하는 것입니다.