실리콘 스틸이 변압기 코어의 비밀 재료인 이유는 무엇일까요?

이 문서에서는 다음과 같은 이야기를 다룹니다. 실리콘 스틸. 이 특정 종류의 실리콘 스틸이 모든 변압기의 심장을 만드는 데 최고의 선택인 이유를 알게 될 것입니다.

트랜스포머 코어란 정확히 무엇인가요?

기본부터 시작하겠습니다. 변압기에는 1차 권선과 2차 권선의 두 가지 주요 부품이 있습니다. 이들은 전선 코일일 뿐입니다. 첫 번째 코일을 통해 전류를 보내면 자기장이 생성됩니다. 변압기 코어의 역할은 이 자기장을 두 번째 코일로 안내하는 것입니다. 이 과정은 전자기 유도 원리를 기반으로 합니다.

코어는 자속이라고 부르는 자기 에너지의 도로와 같은 역할을 합니다. 우리는 이 자속이 가능한 한 많이 1차 권선에서 2차 권선으로 이동하기를 원합니다. 도로가 울퉁불퉁하거나 구멍이 많으면 도중에 에너지를 잃게 됩니다. 그렇기 때문에 철심에 사용하는 소재가 매우 중요합니다. 좋은 철심 재료는 여정을 부드럽고 효율적으로 만들어 줍니다. 철심은 이 자기 에너지를 전달하는 것이 주된 역할이기 때문에 보통 자기심이라고 불립니다.

코어에 일반 다리미를 사용하면 안 되는 이유는 무엇인가요?

"그냥 단순한 철제 블록을 사용하면 되지 않나요?"라고 궁금해하실 수도 있습니다. 결국 강철 자체는 자성 물질이고 철은 저렴하기 때문입니다. 문제는 일반 철심은 많은 에너지를 낭비한다는 것입니다. 이렇게 낭비되는 에너지를 철 손실 또는 코어 손실이라고 합니다. 철심의 이러한 손실은 열로 변해 변압기에 좋지 않은 영향을 미치고 전기를 낭비합니다.

이러한 철 손실은 코어 재료 내부에서 발생하는 두 가지 주요 문제로 인해 발생합니다. 코어를 통해 흐르는 자속을 상상해 보세요. 변압기는 항상 교류(AC)로 작동하기 때문에 자기장이 끊임없이 앞뒤로 뒤집힙니다. 이러한 지속적인 변화는 에너지 손실을 유발합니다. 이러한 손실은 변압기에서 투입된 전력보다 더 적은 전력을 얻을 수 있음을 의미합니다. 이러한 전력 손실을 막기 위해서는 특수 자성 소재가 필요합니다.

실리콘 스틸이 특별한 이유는 무엇일까요?

이때 실리콘 스틸이 구세주 역할을 합니다. 실리콘 스틸은 주로 변압기 코어를 만드는 데 사용되는 놀라운 자성 소재입니다. 그렇다면 그 비밀은 무엇일까요? 첫째, 투자율이 매우 높다는 점입니다. 투자율은 재료가 얼마나 쉽게 자화할 수 있는지를 의미합니다. 실리콘 스틸은 넓고 매끄러운 파이프를 통과하는 물처럼 자속이 매우 쉽게 흐르게 합니다.

높은 자기 투과성이라는 특성은 실리콘 스틸이 사용되는 가장 큰 이유 중 하나입니다. 이는 코어가 아주 적은 노력으로 강력한 자기 경로를 만들 수 있다는 것을 의미합니다. 물론 핵심 성분은 실리콘입니다. 강철의 실리콘 함량에 따라 자성 특성이 달라집니다. 우리는 이러한 훌륭한 결과를 얻기 위해 적절한 양의 특정 종류의 실리콘 강철을 사용합니다. 이 뛰어난 자기 투과성은 실리콘 강철로 만든 변압기의 큰 장점입니다.

실리콘 스틸은 히스테리시스 손실에 어떻게 대응할까요?

두 가지 큰 에너지 낭비 중 하나는 히스테리시스라고 합니다. 철심 안에 자기 도메인이라고 하는 작은 자석이 많이 있다고 상상해 보세요. 자기장이 켜져 있을 때는 모두 일직선으로 정렬됩니다. 자기장이 뒤집히면 모두 뒤집혀야 합니다. 여기에는 에너지가 필요합니다. 히스테리시스는 이 작은 자석의 마찰과 같습니다. 히스테리시스가 높은 물질은 자화하기 어렵고 자기를 제거하기도 어렵습니다.

이렇게 계속 뒤집히면 히스테리시스 손실이 발생합니다. 따라서 작은 자석이 쉽게 앞뒤로 뒤집힐 수 있는 보자력이 낮은 소재가 필요합니다. 실리콘 스틸은 히스테리시스가 매우 낮도록 설계되었습니다. 실리콘 스틸을 만드는 공정은 자기 영역이 자유롭게 움직일 수 있도록 도와줍니다. 이는 마찰을 줄이고 열로 낭비되는 에너지의 양을 줄입니다. 이 특별한 특성은 효율적인 변압기를 만드는 데 매우 중요합니다. 실리콘 스틸을 만드는 특별한 방법은 두 가지 요인으로 인해 이러한 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다.

와류란 무엇이며 왜 문제가 되나요?

두 번째로 큰 에너지 낭비 요인은 와전류입니다. 변화하는 자속이 철심을 통과할 때 금속 내부에 소용돌이치는 작은 전류 웅덩이를 만듭니다. 이것이 바로 유도 때문입니다. 이 작은 소용돌이를 와전류라고 합니다. 와류는 유용한 작업을 수행하지 않습니다. 대신 코어를 가열할 뿐입니다.

이러한 발열을 와전류 손실이라고 합니다. 이 손실은 두 가지 이유로 발생하지만 와전류가 가장 큰 원인입니다. 전류가 잘못된 방향으로 흐르다가 코어 내부에서 손실되어 전력 전달에 도움이 되지 않고 열을 발생시킨다고 생각하면 됩니다. 철심의 전력 손실은 전기를 낭비하고 변압기가 과열될 수 있기 때문에 심각한 문제입니다. 이러한 전류를 제어하지 않으면 변압기의 철심은 매우 뜨거워질 수 있습니다.

실리콘 스틸은 어떻게 지저분한 와류를 줄이나요?

그렇다면 이 작은 전류의 소용돌이를 어떻게 막을 수 있을까요? 여기서 실리콘 스틸이 빛을 발하는 또 다른 곳이 있습니다. 비결은 와류가 흐르기 어렵게 만드는 것입니다. 이를 위해서는 금속의 전기 저항, 즉 저항률을 높여야 합니다.

철에 실리콘을 첨가하면 바로 그 역할을 합니다. 실리콘 원자가 방해가 되어 소용돌이치는 전류의 이동을 훨씬 더 어렵게 만듭니다. 저항이 높을수록 와류의 흐름이 낮아져 열로 낭비되는 에너지가 줄어듭니다. 이것은 간단하지만 매우 영리한 해결책입니다. 실리콘 스틸을 사용하면 와전류 문제를 줄이고 변압기를 훨씬 더 효율적으로 만들 수 있습니다. 이것이 바로 강철을 사용하는 주요 이유 중 하나입니다.

트랜스포머 코어가 얇은 시트로 만들어진 이유는 무엇인가요?

변압기 코어를 자세히 살펴보면 단단한 금속 덩어리가 아니라는 것을 알 수 있습니다. 얇은 실리콘 강판을 여러 겹 쌓아 만든 것입니다. 이를 라미네이션. 이것은 와류를 물리치기 위한 계획의 두 번째 부분입니다.

철심을 얇은 판으로 잘라 와류가 흐르는 경로를 분리합니다. 라미네이션은 장벽과 같은 역할을 합니다. 와전류는 시트 사이의 얇은 절연층을 가로질러 흐르지 못합니다. 이로 인해 소용돌이가 아주 아주 작아집니다. 소용돌이가 작다는 것은 와전류 손실이 훨씬 적다는 것을 의미합니다. 이런 식으로 솔리드 코어를 사용하면 손실이 크게 증가합니다. 일반적으로 접합된 시트의 폭이 좁을수록 효과가 더 좋습니다. 그래서 단일 실리콘 강판의 두께가 0.35mm에 불과한 경우가 많습니다. 이 구조는 와전류를 매우 효과적으로 감소시킵니다.

열연과 냉연 실리콘강의 차이점은 무엇인가요?

실리콘 스틸이라고 해서 모두 같은 것은 아닙니다. 열간 압연 실리콘과 냉간 압연 스틸의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 이름은 강철이 만들어지는 방식을 설명합니다. 열간 압연 실리콘 강철은 매우 높은 온도에서 가공됩니다. 좋은 소재이지만 더 좋은 소재가 있습니다.

냉간 압연 실리콘 강판은 상온에서 가공됩니다. 이 공정은 강철의 입자를 매우 특정한 방향으로 정렬합니다. 이렇게 하면 자속이 더 쉽게 흐르기 때문에 자기 유도 강도가 커집니다. 이 특수 전기강은 자기 특성이 훨씬 더 우수하고 에너지 손실이 적습니다. 고성능 전력 변압기의 경우 거의 항상 냉간 압연 실리콘 스틸이 사용됩니다. 변압기 코어를 위한 이 고급 소재는 현대 전기 시스템에서 큰 부분을 차지합니다.

실리콘 스틸은 어떻게 만들어졌을까요?

고품질 실리콘강을 만드는 것은 신중한 과학입니다. 변압기에 완벽한 실리콘 스틸을 만들기 위해 제조업체는 저탄소강으로 시작합니다. 그런 다음 적절한 양의 실리콘을 첨가합니다. 실리콘 함량이 높으면 저항이 높아져 와전류를 차단하는 데 유리합니다.

강철을 얇은 판으로 압연하고 나면 어닐링을 해야 합니다. 어닐링이란 강철을 가열한 다음 천천히 식히는 것을 의미합니다. 이 과정을 통해 금속의 응력을 제거하고 완벽한 입자 구조를 형성하여 놀라운 자기 성능을 구현합니다. 이러한 세심한 공정 덕분에 실리콘 스틸은 열팽창 계수가 낮습니다. 또한 전기가 통하는 코일에 넣었을 때 소재가 강한 자기 반응을 보이도록 보장합니다.

모든 것을 종합합니다: 실리콘 스틸을 사용하는 것이 최선의 선택인 이유는 무엇인가요?

이제 이 모든 것을 종합해 보겠습니다. 변압기 코어에 실리콘 스틸을 사용하는 것이 가장 좋은 이유는 에너지 손실을 줄이는 데 탁월하기 때문입니다. 실리콘강으로 만든 변압기는 히스테리시스와 와전류 손실이라는 두 가지 가장 큰 문제를 해결하기 때문에 코어 손실이 적습니다. 위에서 언급한 모든 유리한 요소로 인해 확실한 승자입니다.

자기 투과성이 높아 자속이 원활하게 흐르도록 길을 만들어줍니다. 내부의 실리콘은 저항을 높여 낭비되는 와류를 차단합니다. 라미네이션 설계는 와전류를 더욱 세분화합니다. 이는 놀라운 변압기 성능으로 이어집니다. 즉, 전기 낭비를 줄여 비용을 절감하고 지구에 더 좋은 영향을 미칩니다. 또한 온도 상승을 줄여 변압기를 더 오래 사용할 수 있도록 도와줍니다. 이것이 바로 전력 시스템에 사용되는 모든 종류의 장치에 실리콘 스틸이 중요한 이유입니다.