1. 변압기 코어의 기능
실제 변압기는 항상 교류(AC) 조건에서 작동합니다. AC 자화로 인해 권선 저항뿐만 아니라 코어에서도 전력 손실이 발생합니다. 코어 내의 전력 손실은 일반적으로 '철 손실'(또는 코어 손실)이라고 하며, 이는 '히스테리시스 손실'과 '와전류 손실'이라는 두 가지 주요 요인에 의해 발생합니다. 히스테리시스 손실은 히스테리시스 현상으로 인해 자화 과정에서 소산되는 에너지입니다. 이 손실의 크기는 재료의 히스테리시스 루프로 둘러싸인 영역에 비례합니다. 규소강은 히스테리시스 루프가 좁기 때문에 이를 심재로 사용하면 히스테리시스 손실이 크게 줄어들고 발열도 대폭 최소화됩니다.
규소강은 이러한 장점을 갖고 있는데 왜 코어는 규소강의 단단한 블록으로 만들지 않고 얇은 시트로 가공됩니까? 이는 적층형 코어가 또 다른 유형의 철 손실, 즉 와전류 손실을 감소시키기 때문입니다. 작동 중에 권선의 교류 전류는 교류 자속을 생성합니다. 이렇게 변화하는 자속은 코어 내에 전류를 유도합니다. 이러한 유도 전류는 자속 방향에 수직인 평면에서 순환하므로 와전류라고 합니다. 와전류 손실로 인해 코어가 가열될 수도 있습니다. 이러한 손실을 최소화하기 위해 변압기 코어는 서로 절연된 실리콘 강판을 적층하여 구성됩니다. 이는 와전류가 더 작은 단면적을 가진 좁은 루프를 통해 흐르도록 하여 와전류 경로의 전기 저항을 증가시킵니다. 또한 강철의 실리콘은 재료의 전기 저항률을 높여 와전류를 줄이는 데 더욱 도움이 됩니다. 변압기 코어의 경우 일반적으로 0.35mm 두께의 냉간 압연 실리콘 강판이 선택됩니다. 필요한 코어 치수에 따라 직사각형 스트립으로 절단한 다음 쌓아서 '8자' 또는 직사각형 프레임 모양을 형성합니다. 이론상으로는 규소강판의 두께가 얇을수록, 스트립의 폭이 좁을수록 와전류 저감 효과는 더 좋습니다. 이는 와전류 손실을 줄이고 온도 상승을 낮출 뿐만 아니라 재료도 절약합니다. 그러나 실제 제조에서는 이러한 유리한 요소만 고려되는 것은 아닙니다. 시트를 너무 얇고 좁게 만들면 노동 시간이 크게 늘어나고 코어의 유효 단면적이 줄어듭니다. 따라서 규소강판 코어를 제조할 때 특정 상황에 따른 장단점을 따져 최적의 치수를 선택해야 합니다.
변압기는 전자기 유도 원리를 바탕으로 제작됩니다. 두 개의 권선이 닫힌 코어 림 주위에 감겨 있습니다: 1차 권선과 2차 권선. 1차 권선에 AC 전압이 가해지면 교류 전류가 흐르면서 기자력(MMF)이 발생합니다. 이 MMF의 영향으로 코어에 교번 주 자속이 생성됩니다. 이 주 자속은 1차 권선과 2차 권선을 모두 통과하여 연결합니다. 전자기 유도로 인해 두 권선 모두에서 기전력(EMF)이 생성됩니다. 전압을 높이거나 낮출 수 있는 이유는 렌츠의 법칙으로 설명됩니다. 유도 전류에 의해 생성된 자속은 항상 원래 자속의 변화에 반대됩니다. 원래 자속이 증가하면 유도 전류에 의해 생성된 자속이 반대가 됩니다. 즉, 2차 권선에 유도된 자속은 1차 권선에 의해 생성된 주 자속과 반대가 되어 2차 권선에 걸쳐 더 낮은 수준의 교류 전압이 발생합니다. 따라서 코어는 변압기의 자기 회로 역할을 하고 권선은 전기 회로를 구성합니다.
2. 변압기 코어 구성의 분류
쉘형 및 코어형 코어
코어에서 권선이 감겨 있는 부분을 '코어 림'이라고 하고, 권선이 없고 단지 자기 경로 역할만 하는 부분을 '요크'라고 합니다. 코어가 권선을 둘러싸는 경우에는 '쉘형', 권선이 코어 림을 둘러싸는 경우 '코어형'이라고 합니다. 쉘형과 코어형 구성은 각각 고유한 특징을 갖고 있지만, 그들이 지시하는 제조 공정은 크게 다릅니다. 특정 구조를 선택하면 다른 구조로 전환하기가 어렵습니다. 중국에서는 대부분의 변압기 코어가 적층형 코어 유형 설계를 활용합니다.
규소강판은 저주파 변압기에 사용되며 다양한 종류가 있습니다. 제조 공정에 따라 로 나눌 수 있습니다.
A: Annealed(검은색 시트)
N: Non-Annealed(White Sheet)
형태에 따라 EI형, UI형, C형, 사각(입)형으로 분류됩니다.
각형 실리콘 강판은 고출력 변압기에 흔히 사용됩니다. 절연 성능이 뛰어나고 열 방출이 용이하며 자기 경로가 짧습니다. 이 제품은 주로 전력 정격이 500~1000W 이상인 변압기와 고전력 변압기에 사용됩니다. 두 개의 C형 시트로 구성된 규소강판 세트를 CD형 코어라고 합니다. CD형 시트로 제작된 전력 변압기의 경우 동일한 단면적에서 창이 높을수록 변압기의 전력 용량이 커집니다. 코일을 코어의 양면에 별도로 설치할 수 있으므로 코일 권수를 두 개의 보빈에 분산시킬 수 있어 보빈당 평균 권선 길이가 짧아지고 동손이 줄어듭니다. 또한 두 개의 대칭 코일을 별도의 보빈에 감으면 완벽한 대칭을 얻을 수 있습니다.
4개의 C형 시트로 구성된 규소강판 세트를 ED형 코어라고 합니다. ED형 코어로 제작된 변압기는 평평하고 넓은 프로파일을 갖습니다. 동일한 정격 전력에서 ED형 변압기는 CD형 변압기보다 짧고 넓습니다. 코일은 외부 자기 경로를 통해 규소 강판 중앙에 설치되므로 누설 자속이 적고 주변 부품과의 간섭이 최소화됩니다. 그러나 모든 코일은 하나의 두꺼운 보빈에 감겨져 있으므로 평균 감는 길이가 길어지고 구리 손실도 높아집니다.
C형 코어는 뛰어난 성능을 제공하여 소형, 경량, 고효율 변압기를 제공합니다. 조립 관점에서 볼 때 C형 코어는 부품이 거의 필요하지 않고 다양성이 높아 생산 효율성이 높습니다. 그러나 C형 규소강판의 가공 공정은 복잡하고 전문 장비가 필요하기 때문에 현재 가격이 상대적으로 높습니다.
쉘형 또는 8자형 시트라고도 알려진 E형 규소강판은 1차 권선과 2차 권선 모두에 대해 단일 보빈을 공유하는 주요 이점을 가지며, 높은 창 공간 계수(공간 계수 Km: 창 면적에 대한 구리 와이어의 순 단면적의 비율)를 생성합니다. 실리콘 강판은 권선 주위에 보호 쉘을 형성하여 기계적 손상을 방지합니다. 또한 넓은 방열 면적을 제공하고 자기장 분산을 최소화합니다. 그러나 1차 권선과 2차 권선 사이의 누설 인덕턴스가 더 높고 외부 자기 간섭에 대한 민감도가 더 높습니다. 또한 권선의 평균 둘레가 길기 때문에 E형 변압기에는 동일한 권선 수와 코어 단면적에 대해 더 많은 구리선이 필요합니다.
규소강판의 일반적인 두께는 0.35mm와 0.5mm입니다. 규소강판의 조립방법에는 인터리빙(interleaving)과 버트스태킹(butt-stacking)의 두 가지 방법이 있습니다. 인터리빙 방법은 반대쪽 시트의 열린 끝을 번갈아 가며 배치합니다. 이 방법은 더 지루하지만 공극이 더 작아지고 자기 저항이 낮아져 자속을 증가시키는 데 유리합니다. 따라서 전력 변압기에 널리 사용됩니다. 맞대기 쌓기 방법은 직류(DC) 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다. DC 전류에 의한 포화를 방지하기 위해서는 규소강판 사이에 공극을 남겨두어야 합니다. 이 방법에서는 E-시트와 I-시트를 반대쪽에 배치하고 종이 심을 사용하여 둘 사이의 에어 갭을 조정할 수 있습니다.
3. 코일 코어 유형
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A. TOROIDAL CORE : O형 적층판을 적층하거나 실리콘 강판을 권취하여 제작됩니다 이러한 유형의 코어에 와이어를 감는 것은 매우 어렵습니다.
B. ROD CORE: 막대 모양의 철심.
C. DRUM CORE : 드럼 모양의 철심.
4. 변압기 심재의 분류
1. 고주파 카테고리: 페라이트 코어
페라이트 코어는 고주파 변압기에 사용됩니다. 이것은 산화철과 kFe2O₄(k는 다른 금속을 나타냄)와 같은 기타 2가 금속 화합물로 구성된 스피넬 결정 구조의 세라믹 자석입니다. 현재 흔히 사용되는 금속으로는 망간(Mn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 구리(Cu) 등이 있습니다. 일반적인 조합에는 망간-아연(MnZn) 시리즈, 니켈-아연(NiZn) 시리즈 및 마그네슘-아연(MgZn) 시리즈가 포함됩니다. 이러한 재료는 1kHz ~ 200kHz 이상의 작동 주파수 범위에서 높은 투자율과 임피던스 특성을 가지고 있습니다.
페라이트 코어 주파수 범위: 18kHz ~ 1MHz 이상.
2. 저주파 범주: 규소 강판 및 비정질 합금 규소
강 코어 주파수 범위: 5Hz ~ 1kHz.
규소강을 사용하는 변압기는 일반적으로 50Hz에서 작동합니다. 그러나 효율성 측면에서는 규소강판의 가우스 등급에 따라 주파수가 조금 높을수록 더 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 오디오 주파수는 20kHz 이상에 도달할 수 있지만 이는 실용적이지 않습니다. 50~60Hz에서 작동하는 것이 좋지만 50~200Hz의 주파수 범위 내에서 정상적으로 작동할 수 있습니다.
비정질 코어 주파수 범위: 2kHz ~ 13kHz.
