자기 변형 및 변압기

변압기 근처에 서 본 적이 있나요? 아마도 저주파의 윙윙거리는 소리를 들어보셨을 겁니다. 사소한 성가심에 지나지 않지만 이 소리는 자기 변형이라는 매우 흥미로운 물리적 효과의 청각적 신호입니다. 이 효과는 변압기의 작동을 이해하는 데 중요할 뿐만 아니라 전기 공학에서 효율, 설계 및 재료 선택과 관련된 문제에도 중요합니다.

자기 변형에 대한 이해

자기 변형은 자화의 변화로 인해 기계적 변형이 발생하는 강자성 재료의 특성으로, 자기 영역이 적용된 자기장에 정렬됨에 따라 재료가 약간 팽창하거나 수축합니다. 일반적으로 변압기 코어는 자성이 매우 높은 실리콘 스틸 적층으로 구성되어 있어 자기 변형의 영향을 받기 쉽습니다.

변압기의 1차 코일에 교류 전류가 흐르면 코어에 교류 자기장이 형성됩니다. 강철 내부의 자기 영역은 변화하는 자기장에 따라 반복적으로 이동하고 정렬되며, 이러한 재료의 반복적인 팽창과 수축은 교류 전원 공급 장치의 두 배 주파수에서 발생합니다. 미국의 표준 전력이 60Hz라면 강철 코어는 120Hz로 진동하며 특유의 험한 소리가 발생합니다.

미세한 영역에서 가청 소음까지

자기 영역은 모든 원자 자기 모멘트가 한 방향을 가리키는 작은 부피의 영역으로, 미세한 규모에서는 도메인 벽 운동이 발생합니다. 외부 필드의 방향이 회전하면 이에 따라 도메인이 회전하거나 이동하며, 이 효과로 인해 코어 재료의 결정 격자 치수에 미세한 변화가 일어납니다. 각각의 개별 변화는 0.1% 미만의 작은 변형률이지만 대형 변압기 코어에 미치는 순 효과는 철재 적층에 진동을 일으키기에 충분할 수 있습니다.

이러한 진동은 변압기 철제 탱크와 이를 둘러싼 구조물에 전달되어 공진체 역할을 하며 소리를 증폭시킵니다. 그 결과 가정, 사무실 및 산업 환경에서 흔히 들을 수 있는 험 소리가 발생합니다. 험의 강도는 변압기 크기, 코어 구조, 심지어 장착 및 절연 재료의 품질에 따라 달라질 수 있습니다.

재료 요인 및 자기 변형

변압기 코어는 모두 똑같이 험하지 않습니다. 자기 변형의 정도는 다음과 같이 다양합니다:

1. 코어 재료 구성: 표준 전기 강철에는 약 3%의 실리콘이 함유되어 있어 저항을 높이고 와전류 손실을 줄이면서 자기변형을 완화합니다. 실리콘 함량이 높을수록 일반적으로 자기 변형 변형률이 낮아져 작동이 더 조용해집니다.

2. 입자 방향: 입자 지향 실리콘 스틸(일반적으로 GOSS라고 함)은 결정 축이 자속 방향과 정렬되는 방식으로 제조되어 손실과 기계적 진동을 최소화합니다.

3. 라미네이션 두께: 표준 변압기의 경우 약 0.35mm의 얇은 라미네이션으로 와전류를 줄이고 자기 변형 효과를 더 고르게 분산시킵니다.

4. 기계적 장착: 라미네이션과 탱크의 적절한 클램핑과 댐핑은 진동 전달을 줄여 가청 험을 감소시킵니다.

엔지니어링 시사점

자기 변형은 단순한 청각적 호기심이 아니라 실질적인 공학적 결과를 가져옵니다. 자기 변형에 의해 유발된 진동은 다음과 같은 결과를 초래할 수 있습니다:

- 기계적 스트레스: 반복되는 팽창과 수축은 결국 시간이 지남에 따라 볼트, 라미네이션 또는 단열재를 피로하게 만들 수 있습니다.

- 에너지 손실: 미미하지만 일부 에너지가 전기에서 기계로 변환되고 결국 열이나 소리로 변환되어 변압기 효율이 약간 감소합니다.

- 소음 공해: 도심 지역의 변압기 험은 자극 요인이 될 수 있으며 대형 배전 변압기의 경우 규제 문제가 될 수 있습니다.

이러한 영향은 저소음 코어, 더 나은 감쇠 재료 및 엔지니어의 향상된 적층 기술을 사용하여 줄일 수 있습니다. 일부 최신 변압기는 비정질 금속 코어를 사용하기도 하는데, 무질서한 원자 구조로 인해 자기 변형이 현저히 감소하여 더 조용하고 효율적으로 작동합니다.

더 읽어보기: 자기 열전 전력: 기본 및 응용 분야

자기 변형 측정 및 모델링

엔지니어와 연구자들은 스트레인 게이지, 레이저 진동 측정, FEM을 통해 자기변형을 연구합니다. 이러한 도구를 사용하면 자기 변형 변형률과 진동 진폭을 높은 정확도로 측정할 수 있으므로 제조 전에 코어 설계를 최적화할 수 있습니다. 예를 들어 FEM은 적층 두께, 코어 형상 또는 합금 구성의 변화가 진동과 가청 소음에 어떤 영향을 미치는지 시뮬레이션할 수 있습니다.

트랜스포머 그 이상

자기 변형은 변압기에만 국한되지 않습니다. 자기 변형은 전기 모터, 센서, 액추에이터, 소나 장치 등 정밀한 기계적 동작을 위해 제어된 자기 변형 효과를 활용하는 다양한 분야에서 활용됩니다. 변압기 내의 자기 변형에 대한 이해는 자기-기계 결합을 사용하는 다른 장치를 설계하는 데 기초를 제공합니다.

결론

변압기에서 들리는 이 익숙한 윙윙거리는 소리는 단순한 배경 소음이 아니라 거시적 진동을 일으키는 자기 영역의 미세한 재배열인 자기 변형의 청각적 표현입니다. 엔지니어는 재료 특성, 코어 설계 및 실장 전략을 연구함으로써 험을 줄이고 효율성을 개선하며 변압기 수명을 연장할 수 있습니다.

자기 변형은 다소 산문적인 소리의 영역 내에서도 재료 과학, 물리학, 전기 공학을 중요하지만 눈에 띄지 않는 방식으로 조용히 연결하는 흥미로운 과학적 근거가 있다는 것을 상기시켜 줍니다. 다음에 변압기에서 윙윙거리는 소리가 들리면 단순한 소음이 아니라 물리학이 작동하고 있다는 사실을 기억하세요. 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)에서 확인하세요.