손실을 줄이기 위해 변압기 코어를 적층하는 이유

의 핵심은 변압기 적층 를 사용하여 특정 종류의 에너지 낭비를 줄일 수 있습니다. 이 글에서는 그 이유에 대해 자세히 설명합니다. 이 간단한 아이디어가 휴대폰 충전기부터 전력망까지 모든 것을 어떻게 더 효율적으로 만드는지 알아보세요. 이 글은 엔지니어뿐만 아니라 작동 원리가 궁금한 모든 분들을 위한 글입니다.

트랜스포머 코어가 중요한 이유는 무엇인가요?

움직이는 부품 없이 한쪽에는 전기를 넣고 다른 쪽에는 다른 전압을 내보냅니다. 그 비밀은 전자기 유도의 원리입니다. 변압기에는 1차 권선과 2차 권선의 두 세트의 전선이 있습니다. 이들은 중앙 철심을 감싸고 있습니다. 교류(AC)가 1차 코일을 통해 흐르면 변화하는 자기장을 생성합니다. 이 자기장은 변압기 코어를 통해 유도됩니다.

코어의 역할은 자속이라고 부르는 이 자기 에너지의 슈퍼 고속도로 역할을 하는 것입니다. 자속은 1차 코일에서 2차 코일로 이동합니다. 이렇게 움직이는 자속이 2차 권선을 통과하면서 해당 코일에서 전류를 생성하거나 유도합니다. 철심은 이 모든 과정이 효율적으로 이루어지도록 하는 다리 역할을 합니다. 이 브릿지에는 좋은 자성 재료가 필요합니다. 그리고 변압기 코어에 가장 적합한 재료는 특수한 종류의 강철입니다. 철심을 보통 변압기 코어라고 합니다. 좋은 변압기 코어는 1차 권선에서 나오는 대부분의 자속이 2차 권선에 도달할 수 있도록 합니다.

와류란 정확히 무엇인가요?

자, 여기에 문제가 있습니다. 변압기 코어는 금속으로 만들어져 있습니다. 강철 자체가 자성 물질이자 도체이기 때문에 변화하는 자속이 2차 코일에만 전류를 생성하는 것이 아닙니다. 철심에서도 작은 소용돌이 전류가 생성됩니다. 유유히 흐르는 강을 상상해 보세요. 중간에 큰 바위를 놓으면 그 뒤에 작은 소용돌이, 즉 소용돌이가 생깁니다. 와류는 이와 비슷하지만 철심 내부에 전기가 흐르고 있습니다.

이 작은 전기 소용돌이는 큰 문제입니다. 유용한 작업을 수행하지 못하기 때문입니다. 그냥 코어 내부에서 빙글빙글 돌면서 열을 발생시킬 뿐입니다. 이 열은 낭비되는 에너지입니다. 이를 와전류 손실이라고 합니다. 이 손실은 자속의 강도와 코어 재료가 얼마나 쉽게 전기를 전도하는지 두 가지 주요 요인으로 인해 발생합니다. 강한 자기장과 전도성 코어는 큰 와전류를 생성합니다. 이는 변압기의 상당한 온도 상승으로 이어져 비효율적이며 심지어 기기를 손상시킬 수도 있습니다. 이러한 전력 손실은 우리가 반드시 해결해야 할 문제입니다.

라미네이션은 이러한 성가신 와류를 어떻게 막을 수 있을까요?

그렇다면 이 에너지 낭비적인 소용돌이를 어떻게 멈출 수 있을까요? 바로 여기에서 라미네이션이라는 기발한 아이디어가 등장합니다. 단단한 금속 블록 대신 매우 얇은 금속 시트를 쌓아 코어를 만드는 것입니다. 각 시트는 바니시 또는 산화물 층과 같은 얇은 절연 층으로 코팅되어 있습니다. 나무 블록이 아닌 카드 한 장이라고 생각하면 됩니다. 자속은 여전히 1차 코일에서 2차 코일까지 시트의 길이를 따라 쉽게 이동할 수 있습니다.

그러나 절연 층은 장벽 역할을 합니다. 와류 소용돌이가 형성되는 것을 매우 어렵게 만듭니다. 와류는 넓은 원을 그리며 흐르고 싶어 하지만 절연 층은 그 원을 여러 개의 작고 비효율적인 경로로 잘라냅니다. 이 영리한 트릭은 와류를 극적으로 감소시킵니다. 각 적층을 얇게 만들수록 잠재적인 와전류의 경로가 작아지고 와전류 손실이 줄어듭니다. 이러한 방식으로 철심을 만드는 것이 효율적인 변압기의 핵심입니다. 이것이 바로 와전류를 줄이는 방법입니다.

그렇다면 왜 그냥 단단한 철심을 사용하지 않을까요?

"그냥 철심 하나를 사용하는 것이 더 저렴하고 간편하지 않을까요?"라고 질문하실 수도 있습니다. 표면적으로는 그렇습니다. 하지만 에너지 낭비가 엄청날 것입니다. 단단한 철심은 전체 단면을 통해 매우 큰 와전류가 흐르게 됩니다. 이로 인해 와전류 손실이 커져 변압기가 매우 뜨거워지고 많은 전력이 낭비될 수 있습니다. 이러한 방식으로 솔리드 코어를 사용하면 철 손실이 크게 증가합니다.

이러한 에너지 낭비 또는 철 손실은 이러한 전류로 인해 발생합니다. 솔리드 코어는 효율성에 재앙이 될 수 있습니다. 유입되는 대부분의 전기 에너지가 2차 권선으로 전달되지 않고 열로 변환되기 때문입니다. 열을 처리하려면 철심의 크기가 훨씬 커져야 하므로 비용과 무게가 증가합니다. 변압기의 핵심은 전력을 효율적으로 전송하는 것입니다. 솔리드 철심은 정반대의 역할을 합니다. 라미네이션을 사용하면 자기 경로를 손상시키지 않고 와전류 흐름을 줄일 수 있습니다.

코어에 사용하는 특수 실리콘 스틸은 무엇인가요?

라미네이션에 사용하는 얇은 시트는 단순한 강철이 아닙니다. 이 시트는 특수 합금으로 만들어집니다. 실리콘 스틸. 때로는 전기 강철이라고도 합니다. 실리콘강은 저탄소강에 소량의 실리콘을 첨가하여 만든 합금의 일종입니다. 실리콘의 첨가는 매우 중요합니다. 그렇다면 실리콘 스틸이 주목받는 이유는 무엇일까요? 그것은 변압기 코어에 완벽한 두 가지 놀라운 자기 특성을 가지고 있기 때문입니다.

첫째, 사용되는 소재는 높은 자기 투과성이 필요합니다. 둘째, 높은 전기 저항이 필요합니다. 저항률은 재료가 전류의 흐름에 얼마나 저항하는지를 나타내는 척도입니다. 일반 강철은 괜찮은 전도체입니다. 하지만 실리콘 스틸을 만들면 실리콘 함량이 재료의 저항을 증가시킵니다. 저항률이 높다는 것은 와전류가 흐르기 어렵다는 것을 의미하며, 와전류 손실이 더욱 줄어듭니다. 이것이 바로 강철이 이러한 형태로 사용되는 이유입니다. 실리콘 스틸은 완벽한 코어 소재입니다. 이 작업에 가장 적합한 자성 소재입니다. 우리는 실리콘 스틸의 놀라운 능력 때문에 실리콘 스틸을 좋아합니다. 실리콘 스틸로 만든 변압기는 훨씬 더 효율적입니다. 실리콘 스틸을 사용하는 것은 업계 표준입니다. 이 특별한 실리콘 스틸은 업계의 판도를 바꾸고 있습니다.

실리콘 스틸은 자기장에 어떻게 도움이 되나요?

어떻게 실리콘 스틸은 원치 않는 전류를 줄이는 데 도움이 됩니다.. 그러나 그것의 주요 역할은 자속의 훌륭한 통로가 되는 것입니다. 여기서 마법의 속성을 높은 자기 투과성이라고 합니다. 투자율은 재료에 자기장이 얼마나 쉽게 형성될 수 있는지를 나타내는 척도입니다. 마그네틱 웰컴 매트라고 생각하면 됩니다. 실리콘 스틸은 자기 투과성이 매우 높습니다. 즉, "누설"이 거의 없이 1차 권선에서 2차 권선으로 자속을 열심히 받아들이고 안내합니다.

이 속성은 1차 코일에서 생성된 거의 모든 자기 에너지가 2차 코일로 전달되도록 합니다. 그 결과 자기 유도 강도가 커집니다. 이것이 바로 변압기가 전력을 효율적으로 전송하는 이유입니다. 실리콘 스틸의 높은 자기 품질 덕분에 더 작고 가볍고 강력한 변압기를 만들 수 있습니다. 실리콘 스틸의 높은 실리콘 함량은 이러한 환상적인 자기 조건을 만드는 데 도움이 됩니다. 실리콘 스틸의 높은 자성은 바로 우리에게 필요한 것입니다. 이 강력한 자기 특성은 필수적입니다. 실리콘 스틸은 자기장을 완벽하게 관리합니다. 이러한 자기 투과성은 핵심 성능 지표입니다. 우리는 높은 자기 성능이 필요합니다. 자기장 선은 실리콘 스틸 내부에 집중되어 있습니다.

핵심 손실이란 무엇이며 왜 줄여야 할까요?

변압기가 항상 교류 전원으로 작동하는 경우 코어에서 항상 일부 에너지가 손실됩니다. 이러한 총 손실을 코어 손실 또는 철심 손실이라고도 합니다. 이러한 철심 손실은 전력 변압기의 주요 비효율 원인입니다. 우리는 철심 손실을 줄이는 것을 최우선 과제로 삼고자 합니다. 철심의 전력 손실은 열로 낭비됩니다.

코어 손실은 두 가지 이유로 인해 발생합니다. 첫 번째는 이미 설명한 와전류 손실입니다. 두 번째는 히스테리시스 손실입니다. 히스테리시스와 와전류 손실을 합쳐서 히스테리시스와 와전류 손실이라고 합니다. 이 두 가지 손실을 줄이는 것이 변압기 성능 개선의 핵심입니다. 첨단 실리콘 스틸과 같은 더 나은 코어 소재의 개발은 코어 손실이 가장 낮은 자성 소재를 만드는 것입니다. 여기서 절약되는 1와트의 에너지는 가정과 기기에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 와트입니다.

히스테리시스 손실을 간단하게 설명할 수 있나요?

복잡하게 들리지만 아이디어는 간단합니다. 실리콘 스틸과 같은 자성 물질은 자성 영역이라고 하는 작은 영역으로 구성되어 있습니다. 자성 도메인을 작은 자석이라고 생각하면 됩니다. 자기장이 없을 때는 모두 임의의 방향을 가리키고 있습니다. 전기가 통하는 코일에 자기장이 생성되면 이러한 영역이 일렬로 정렬됩니다. 이 과정을 자화라고 합니다.

변압기는 교류로 작동하기 때문에 전류가 초당 50~60회씩 끊임없이 앞뒤로 전환됩니다. 이는 자기장도 빠르게 반전된다는 것을 의미합니다. 자기장이 반전될 때마다 모든 작은 자기 영역이 새로운 방향에 맞춰 뒤집혀야 합니다. 뒤집으려면 약간의 에너지가 필요합니다. 이 에너지는 열로 손실됩니다. 이 손실을 히스테리시스 손실. 실리콘 스틸은 보자력이 낮기 때문에 자기 영역이 많은 에너지 없이도 매우 쉽게 앞뒤로 뒤집힐 수 있다는 점에서 특별합니다. 이 히스테리시스 효과는 최소화됩니다. 일단 자화되면 자기를 제거하고 반대 방향으로 다시 자화해야 하는데, 이 과정에서 히스테리시스 손실이 발생합니다.

실리콘 스틸 시트는 어떻게 만들어지고 조립되나요?

코어를 만드는 과정은 상당히 복잡합니다. 실리콘 스틸은 큰 금속 롤로 시작됩니다. 열간 압연 실리콘강과 냉간 압연 실리콘강의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 냉간 압연 실리콘 강판은 자기 특성이 더 우수하기 때문에 오늘날 주로 사용됩니다. 이 열간 압연 실리콘 강판은 추가 가공을 거칩니다. 그런 다음 강철은 이상적인 결정 구조를 만들기 위해 처리됩니다. 여기에는 금속을 가열하고 천천히 냉각하는 어닐링이라는 공정이 포함되는 경우가 많습니다. 어닐링은 강철을 더 좋게 만듭니다.

그런 다음 실리콘 강판을 매우 얇은 절연 층으로 코팅합니다. 이는 와류를 차단하는 데 매우 중요합니다. 마지막으로, 코팅된 실리콘 강판을 긴 조각으로 자릅니다. "E"와 "I"의 모양입니다. 그런 다음 이 조각들을 하나씩 쌓아 올려 변압기의 철심을 형성합니다. 실리콘 강판은 조심스럽게 다루어야 합니다. 이 실리콘 강판을 쌓는 방식이 중요합니다. 접합된 조각의 간격이 좁을수록 더 좋은 효과를 얻을 수 있습니다. 최종 실리콘 강판의 두께는 0.35mm에 불과할 수도 있습니다. 이러한 이유로 실리콘 강판을 사용합니다. 이 특정 종류의 실리콘 강판이 일반적으로 사용됩니다. 이 실리콘 강판은 실리콘 강판으로 사용하기에 완벽합니다. 열간 압연 실리콘 소재는 이제 덜 일반적입니다.

적층 실리콘 스틸 코어를 사용하면 어떤 큰 이점이 있나요?

그렇다면 이 모든 작업을 통해 얻을 수 있는 것은 무엇일까요? 고효율 변압기를 얻을 수 있습니다. 실리콘 스틸로 만든 적층 코어를 사용하여 에너지 손실의 두 가지 주요 원인을 모두 해결합니다. 라미네이션은 와전류를 차단하고 실리콘 스틸의 특수한 특성은 히스테리시스 손실을 줄입니다. 그 결과 전체 코어 손실이 줄어듭니다. 또한 이 디자인은 열팽창 계수가 낮기 때문에 온도 변화에 따라 너무 많이 팽창하거나 수축하지 않습니다.

위에서 언급한 모든 유리한 요소들이 결합되어 최신 변압기는 98% 또는 99% 이상의 놀라운 효율을 자랑합니다. 즉, 낭비되는 전기가 적고 작동 온도가 낮으며 더 작고 강력한 장치를 사용할 수 있습니다. 변압기의 크기도 줄일 수 있습니다. 변전소의 거대한 변압기부터 기기의 작은 변압기에 이르기까지 적층 실리콘 스틸 코어의 사용은 우리의 전기 세계를 가능하게 하는 기본 원리입니다. 이는 낭비되는 에너지의 감소와 성능 향상으로 이어집니다. 유효 손실을 줄입니다. 새로운 소재의 개발은 계속되고 있지만 핵심 원리는 변하지 않습니다. 실리콘 스틸의 사용은 전기 산업에 널리 퍼져 있습니다.