철도 차량용 변압기 라미네이션: 기계적 견고성에 대한 숨겨진 이야기

전동차 가까이 서서 귀를 기울이면 출입문과 안내 방송 소음에 묻혀 낮은 웅웅거리는 소리가 들립니다. 그 윙윙거리는 소리 뒤에는 견인 변압기가 매우 열심히 작동하고 있으며, 그 변압기의 중심에는 얇은 철판 더미가 있습니다. 라미네이션.

철도 견인 업무에서 이러한 라미네이션은 지속적인 진동, 선로 조인트에서 발생하는 충격, 격렬한 단락, 과부하 패턴으로 인한 열 순환, 때로는 혹독한 기후 등 거친 환경에서 수명을 다합니다. 트랙션 변압기 브로셔는 효율성과 냉각에 대해 많이 이야기하지만, 그보다 더 중요한 것은 라미네이션 팩의 기계적 견고성 는 장기적인 안정성을 위해 매우 중요합니다.

• 이 글에서는 이에 대해 자세히 설명합니다:
  • 트랙션 환경이 라미네이션에 그토록 가혹한 이유
  • 라미네이션 팩이 실제 환경에서 실제로 실패하는 방법
  • 코어를 기계적으로 견고하게 만드는 설계 레버(효율적일 뿐만 아니라)
  • 표준 및 테스트가 라미네이션 견고성과 연결되는 방법
  • 어떤 지정자가 실제로 물어보세요 변압기 공급업체의 라미네이션 정보

1. 선상 생활: 트랙션 트랜스포머가 겪는 일들

철도 견인 변압기는 조용한 변전소의 콘크리트 패드 위에 놓여 있지 않습니다. 다음 중 하나에 해당합니다. 대차 또는 섀시에 볼트 체결 (온보드형) 또는 선로 근처(고정 설치)에 설치되어 있어 합선 및 전류 충격이 자주 발생합니다.

온보드 트랙션 트랜스포머는 살아남아야 합니다:

• EN 61373에 따른 지속적인 기계적 진동 및 무작위 충격
• 가속/제동 시 급격하게 흔들리는 로드 사이클
• 영하의 창고에서 뜨거운 터널로의 온도 변화
• 오염, 습기, 때로는 염분이나 먼지

EN 50329에 따른 고정 견인 변압기는 충격이 적지만 다음과 같은 문제에 직면합니다. 잦은 단락 및 전류 충격 전차선 또는 피더 라인에 있습니다.

• 라미네이션의 주요 기계적 스트레스 원인은 다음과 같습니다:
  • 단락 힘 권선에 높은 반경 방향 및 축 방향 응력을 유발하고 코어와 클램프를 통해 전달됩니다.
  • 자력 제한강철이 변화하는 플럭스로 인해 물리적으로 변형되어 코어가 흔들리는 경우
  • 휠/레일 상호작용으로 인한 진동변압기 프레임과 코어에 구조적으로 전송됩니다.
  • 열 주기 강철 및 클램핑 구조물을 확장 및 축소하는
  • 취급, 충격 및 운송 하중 변압기가 철도 네트워크를 보기도 전에

중요한 점은 트랙션 서비스에서 라미네이션 팩은 지속적으로 "흔들리고, 눌리고, 가열"된다는 것입니다. 기계적 설계가 약하면 첫해에 문제가 나타나지 않고 차량이 운행 중이고 정전이 발생했을 때 문제가 나타납니다.

2. 라미네이션 팩: 단순히 쌓아 올린 강철 그 이상

변압기 코어는 일반적으로 0.23~0.35mm 두께로 절연되어 프레임에 내장된 입자 지향 전기 강판으로 이루어진 3D 퍼즐을 조심스럽게 쌓아 올린 것입니다. 적절하게 설계된 라미네이션 팩은 한 번에 세 가지 기능을 수행합니다:

1. 저손실 자기 경로 제공 (라미네이션의 교과서적인 이유).
2. 와류 차단를 사용하여 코어 손실과 발열을 줄입니다.
3. 기계적으로 통합된 구조로 작동 풀리거나 갈라지지 않고 진동과 결함의 힘을 견딜 수 있습니다.

세 번째 역할은 종종 잘 설명되지 않는 역할입니다. 트랙션 서비스에서는 기본적으로 단열재로 분리된 얇은 시트 더미가 30~40년 동안 하나의 견고하고 완충된 기계체처럼 작동하도록 요구합니다.

• 라미네이션은 다음과 같은 방식으로 기계적 견고성에 기여합니다:
  • 만들기 많은 마찰 인터페이스 습기 진동을 완화하는 데 도움이 되는
  • 허용 제어된 유연성 프레임에 균열이 생기지 않고 코어가 자기 수축 상태에서 "호흡"할 수 있습니다.
  • 클램핑 및 요크 구조로 단락 부하를 공유하는 작업
  • 제공 안정적이고 평평한 지지대 권선 및 구조용 부재를 적절히 가공하고 적층할 경우

라미네이션 시스템이 잘못 설계되거나 조립된 경우 변압기는 형식 테스트를 통과할 수 있지만 허밍이 커지고 볼트가 느슨해지며 최악의 경우 몇 년 후 절연 마모 및 내부 손상이 나타나기 시작합니다.

3. 라미네이션 팩이 실제로 실패하는 방법

라미네이션의 기계적 고장은 극적인 골절처럼 보이는 경우는 거의 없습니다. 대신, 일반적으로 다음과 같은 느리고 시끄러운 이야기입니다. 풀기, 문지르기, 이동하기 반복적인 스트레스를 받고 있습니다.

시간이 지남에 따라 바니시가 갈라지고, 버가 물리고, 클램프 압력이 느슨해지는 등 작은 변화가 누적됩니다. 완벽하게 밀착된 라미네이션 스택으로 시작했던 것이 약간 덜컹거리는 스택으로 바뀌고, 진동 주기 및 단락 이벤트가 발생할 때마다 상황이 악화됩니다.

• 일반적인 장애 및 성능 저하 모드:
  • 클램프 및 요크 풀기 → 코어가 더 크게 "윙윙"거리기 시작하고 진동 진폭이 증가합니다.
  • 라미네이션 가장자리의 프레팅 및 마모특히 버나 정렬이 잘못되어 스트레스가 집중되는 곳에서는 더욱 그렇습니다.
  • 단열 코팅의 박리 또는 벗겨짐층간 마찰을 줄이고 와전류 경로를 변경합니다.
  • 좌굴 또는 국소 변형 주요 결함 후 모서리, 조인트 근처 또는 타이바 아래 라미네이션의 비율
  • 습한 환경에서의 부식특히 라미네이션 가장자리와 볼트 구멍에서 시간이 지남에 따라 팩이 느슨해지고 소음이 커집니다.
  • 소음 및 진동 증가는 종종 더 심각한 기계적 문제의 첫 번째 현장 가시적 증상입니다.

심각한 성능 문제를 발견했을 때는 보통 코어가 적층 사이에 수천 또는 수백만 번의 미세한 슬립을 거쳤을 때입니다.

4. 기계적으로 견고한 라미네이션을 위한 설계 레버

좋은 소식은 라미네이션 견고성은 마술이 아니라는 점입니다. 제어, 측정 및 지정할 수 있는 수십 가지 설계 및 제조 결정의 누적된 효과입니다.

트랙션 듀티의 기계적 견고성이라는 관점에서 보면 라미네이션 시스템은 단순한 자성 부품이 아니라 튜닝된 기계 부품이라고 생각할 수 있습니다. 이러한 사고방식의 전환만으로도 엔지니어는 소재, 형상 및 클램핑에 대해 더 나은 질문을 할 수 있습니다.

• 기계적 견고성에 큰 영향을 미치는 주요 설계 선택 사항:
  • 강철 등급 및 두께
    • 얇은 GO 강판(예: 0.23mm)은 자기 변형에 의한 진동을 줄일 수 있으며, 두꺼운 강판은 더 단단하지만 소음이 더 클 수 있습니다.
  • 단열 코팅 및 표면 마감
    • 시트 사이의 마찰을 제어하고 진동을 완화하며, 우수한 코팅으로 철도 환경의 균열과 부식을 방지합니다.
  • 라미네이션 지오메트리 및 조인트
    • 스텝 랩 또는 연귀 조인트는 플럭스와 힘을 더 고르게 분산시켜 자기 변형과 기계적 응력의 핫스팟을 줄일 수 있습니다.
  • 스태킹 정확도 및 버 제어
    • 제대로 제어되지 않은 버와 정렬 불량은 진동 시 소형 끌처럼 작용하여 프레팅과 소음을 촉진합니다.
  • 클램핑 시스템 설계(프레임, 타이로드, 요크 볼트)
    • 단락 부하에서 팩을 단단하게 유지하기 위해 충분한 사전 응력이 필요하지만 단열재가 부서지거나 강철이 과도하게 응력을 받을 정도는 아닙니다.
  • 본딩 및 함침 전략
    • 바니시 또는 수지 함침은 특히 건식 또는 주조 수지 트랙션 변압기의 경우 더욱 통일되고 감쇠된 구조를 만들 수 있습니다.

특히 공간과 질량 제한이 엄격한 기내에서 이 모든 것을 전기적 성능, 무게, 비용과 균형을 맞추는 것이 관건입니다.

5. 온보드와 고정식: 같은 강철을 두고도 다른 세상

고속 EMU 아래에 매달린 변압기의 라미네이션 팩은 콘크리트 하우징이 있는 선로변압기의 라미네이션 팩과는 일상적인 경험이 매우 다릅니다. 이 둘은 중복되지만 동일한 표준(온보드 견인 변압기의 경우 EN 60310, 충격 및 진동에 대한 EN 61373, 고정 견인 변압기의 경우 EN 50329, 단락 내전에 대한 IEC 60076-5)의 적용을 받습니다.

이러한 차이점을 이해하면 올바른 라미네이션 디자인을 선택하는 데 도움이 됩니다.

핵심 아이디어: 같은 물리학, 다른 강조점. 차량이 대부분 온보드 트랙션 장치인 경우, 훨씬 더 높은 출력 수준에서 자동차 업계의 NVH(소음, 진동, 거칠기) 엔지니어처럼 생각하고 싶을 것입니다.

6. 표준, 테스트 및 라미네이션과 접촉하는 방법

표준에서는 "라미네이션을 이렇게 하라"고 말하는 경우는 거의 없지만, 다음과 같이 설명합니다. 스트레스 및 테스트 체제 라미네이션은 전체 변압기의 일부로 살아남아야 합니다.

EN 60310은 열차에 설치된 견인 변압기에 대한 성능, 안전 및 테스트 방법을 규정하며, 여기에는 견고한 기계적 설계(열 순환, 과부하, 진동 시 유전체 성능 등)를 간접적으로 강제하는 요구 사항도 포함됩니다.

EN 61373은 철도 장비에 대한 충격 및 진동 테스트 프로파일을 정의하며, 온보드 변압기는 완전한 어셈블리로서 이를 통과해야 합니다. EN 50329(고정 견인 변압기)는 이러한 장치가 단락 및 전류 충격에 자주 노출된다는 점을 명시적으로 언급하며, 단락 내성을 위해 IEC 60076-5와 다시 연결합니다.

• 라미네이션 견고성의 경우 가장 적합한 테스트와 방법은 다음과 같습니다:
  • 단락 내성 테스트(IEC 60076-5) - 코어, 권선 및 클램프가 시스템 오류와 동등한 힘을 견뎌내는지 실제 환경에서 검증합니다.
  • 충격 및 진동 테스트(EN 61373) - 진동/충격 프로파일을 적용한 후 기계적 손상이나 기능 저하가 발생하지 않음을 보여줍니다.
  • 소음 및 진동 측정 - 기계 설계(라미네이션 포함)가 배출량을 프로젝트 한도 이하로 유지하는지 검증하고 수명 동안 상태를 추적하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
  • SFRA(스윕 주파수 응답 분석) - 주파수 응답의 변화를 통해 권선과 코어의 기계적 변화를 감지하며, 시간 경과에 따른 '지문'을 비교하는 데 자주 사용됩니다.

트랜스포머 간신히 단락 테스트 또는 진동 테스트를 통과했다는 것은 편안하게 바를 클리어합니다. 기계적 여백이 있습니다. 견고한 라미네이션 설계는 이러한 여백을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.

7. 상태 모니터링: 라미네이션 청취

트랙션에서는 다운타임이 발생하면 비용이 많이 들고 장비에 대한 접근이 불편할 수 있습니다. 그렇기 때문에 다음 사항에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 진동 및 음향 시그니처를 사용하여 문제를 조기에 포착하는 방법특히 견인 변압기에서는 더욱 그렇습니다.

코어 진동은 이제 변압기 소음, 특히 전력 및 트랙션 유닛의 주요 원인으로 인식되고 있습니다. 입자 지향 강철의 자기 변형이 이 진동의 대부분을 유발하며, 적층 기밀성, 클램핑 압력 또는 재료 상태의 변화는 진동 스펙트럼에서 뚜렷한 변화로 나타납니다.

• 라미네이션 팩이 기계적으로 '불만족스러운' 상태라는 신호입니다:
  • 눈에 띄는 가청 윙윙 거리는 소리 증가 로딩에 상응하는 변화 없이
  • 신규 고주파 버즈 구성 요소 또는 진동 측정의 톤 피크
  • 내부 기계적 변화를 암시하는 SFRA 곡선의 변화
  • 열화상 이미지의 핵심 핫스팟 또는 비정상적인 온도 변화
  • 다음의 증거 부식 또는 느슨해진 클램프 하드웨어 검사 중

최근 연구에서는 진동 데이터에 이중 주의 신경망을 사용하여 트랙션 변압기의 턴 간 결함을 조기에 식별하는 방법을 모색하고 있으며, 동일한 데이터 스트림으로 적층 관련 문제를 감지하는 데도 도움이 될 수 있습니다.

실용적인 포인트: 상태 모니터링을 위해 이미 진동 데이터를 수집하고 있다면 라미네이션 상태를 추적하는 데도 사용하세요.. 이는 기계적 성능 저하를 파악할 수 있는 가장 빠른 창 중 하나입니다.

8. 이를 스펙으로 전환하기: 공급업체에 물어볼 질문

철도 차량 OEM, 인프라 소유자 또는 조달 엔지니어의 경우 라미네이션 설계 세부 사항을 자세히 살펴볼 기회가 거의 없습니다. can 더 스마트한 질문을 던져 공급업체를 보다 기계적으로 견고한 솔루션으로 유도합니다.

기술 사양 및 디자인 검토에서 라미네이션 견고성을 '암시적'에서 '명시적'으로 전환한다고 생각하면 됩니다.

• 실용적인 질문과 요구 사항을 포함할 수 있습니다:
  • 소재 및 두께
    • "어떤 등급의 GO 강철과 두께를 사용하며 진동 및 자기 변형과 관련하여 어떻게 선택했나요?"
  • 라미네이션 가장자리 품질 및 버 제한
    • "최대 버 높이는 얼마이며 어떻게 제어하고 검사하나요?"
  • 클램핑 철학
    • "단락 내성을 위한 클램핑 사전 응력은 어떻게 계산되며, 수명에 따른 이완은 어떻게 계산되나요?"
  • 진동 분석
    • "코어와 탱크에 대해 FEM 기반 진동 분석을 수행했으며, 트랙션 고조파와 관련하여 어떤 고유 진동수가 확인되었습니까?"
  • 환경 및 부식 대책
    • "지정된 기후 및 오염 등급에서 라미네이션 가장자리와 클램프를 보호하기 위해 어떤 코팅 시스템과 밀봉 조치가 사용됩니까?"
  • 증거 테스트
    • "유사한 설계에 대한 최근 단락 테스트 및 진동 테스트 보고서를 제공할 수 있으며, 이는 당사의 등급과 어떤 관련이 있습니까?"

라미네이션 견고성에 대해 깊이 고민한 공급업체는 이러한 질문에 명확하고 일관성 있게 답할 수 있습니다. 답변이 모호하거나 순전히 마케팅 지향적이라면 이는 위험 신호입니다.

9. 미래 전망: 더 스마트한 철도를 위한 더 스마트한 라미네이션

철도 네트워크는 더 빠른 속도, 더 많은 가속도, 더 많은 전력 전자 장치로 인해 점점 더 과부하가 걸리고 있습니다. 이는 더 많은 고조파 콘텐츠와 더 많은 동적 부하, 그리고 견인 변압기와 그 코어에 더 많은 스트레스를 의미합니다.

변압기 자기 변형, 진동 및 소음에 대한 연구는 개선된 입자 지향 강철, 하이브리드 코어 구조, 미세 구조 수준에서 전체 변압기까지 진동을 예측하는 고급 시뮬레이션 방법 등 빠르게 발전하고 있습니다.

두고 봐야 할 것 같습니다:

• 손실뿐만 아니라 다음에도 최적화된 라미네이션 강재 낮은 자기 변형과 더 나은 진동 동작
• 더 널리 사용되는 레진 결합 또는 부분 결합 코어 구조 견인 업무
• 표준화 진동 성능 메트릭 소음 및 효율성과 함께 견인 변압기용
• 더욱 긴밀하게 통합된 머신 러닝 기반 진동 진단 차량 모니터링 시스템으로

하지만 현재로서는 한 가지 간단한 원칙이 적용됩니다:

라미네이션 견고성을 사후 고려 사항이 아닌 최우선 설계 목표로 삼으면 트랙션 변압기가 조용하게 윙윙거리고 부드럽게 주행하며 예상 시간보다 오래 서비스를 유지할 수 있습니다.

그리고 플랫폼 어딘가에서 승객은 조용히 윙윙거리는 소리만 듣고 모든 것이 '정상 작동'한다고 생각할 것입니다. 왜냐하면 여러분이 숨겨진 철판에서 열심히 일했기 때문입니다.