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자기 철심

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목차

1. 개요

자기 철심은 코일의 자기장을 강화하기 위해 코일 내부에 사용되는 강자성 또는 페리자성 재료 조각이다. 코일에 전류가 흐르면 자기장이 생성되는데, 자기 철심은 이 자기장을 수백에서 수천 배까지 증폭시킨다. 자기 철심은 연철, 규소강, 특수 합금, 분말 금속, 세라믹, 공기 등 다양한 재료로 만들어지며, 와전류 손실, 히스테리시스 손실, 이상 손실과 같은 코어 손실이 발생할 수 있다. 자기 철심은 인덕턴스, 자속 밀도, 주파수 특성 등을 고려하여 다양한 형태로 제작되며, 변압기, 인덕터, 전동기, 발전기 등 다양한 전자 부품에 사용된다.

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자기 철심

2. 핵심 재료

코일로 감긴 전선을 통해 흐르는 전류는 암페어의 회로 법칙에 의해 코일 중심에 자기장을 생성한다. 코일은 전자기석, 인덕터, 변압기, 전동기, 발전기와 같은 전자 부품에 널리 사용된다. 자기 코어가 없는 코일은 "공심 코일"이라고 한다. 코일 중심에 강자성체 또는 페리자성체 재료 조각을 추가하면 자기장이 수백 수천 배 증가할 수 있으며, 이를 자기 코어라고 한다. 전선의 자기장은 코어 재료를 관통하여 자화시켜 코어의 강한 자기장이 전선에 의해 생성된 자기장에 추가된다. 자기장이 코어에 의해 증가하는 양은 코어 재료의 자기 투자율에 따라 달라진다. 와전류 및 히스테리시스와 같은 부작용으로 인해 주파수에 따라 에너지 손실이 발생할 수 있으므로, 서로 다른 주파수에서 사용되는 코일에는 서로 다른 코어 재료가 사용된다.

경우에 따라 손실이 바람직하지 않으며, 매우 강한 자기장에서는 포화가 문제가 될 수 있으므로 '공심'이 사용된다. 플라스틱이나 복합 재료와 같이 유의미한 자기 투자율이 없지만 단순히 전선을 제자리에 고정하는 재료 조각인 포머(former)가 여전히 사용될 수 있다.

2. 1. 고체 금속

2. 1. 1. 연철

연화(소둔)된 "연철"은 자기 조립체, 직류 (DC) 전자기, 일부 전기 모터에 사용되며, 공심보다 최대 50,000배나 강한 집중된 자기장을 만들 수 있다.[1]

철은 자기장의 높은 수준에서도 포화되지 않고 견딜 수 있기 때문에 (주변 온도에서 최대 2.16 테슬라까지)[2][3] 자기 코어를 만드는 데 바람직하다. 연철은 "경질" 철과는 달리 낮은 보자력을 가지고 있어 자기장이 제거되면 자화 상태를 유지하지 않기 때문에, 자기장을 반복적으로 전환해야 하는 응용 분야에서 종종 중요하다.

금속의 전기 전도성으로 인해, 변압기 및 인덕터와 같은 교류 (AC) 응용 분야에서 단일 부품의 고체 금속 코어를 사용하면, 변화하는 자기장이 코어 내부에서 큰 와전류를 유도하여 자기장에 수직인 평면에서 전기 전류의 폐쇄 루프를 형성한다. 금속의 저항을 통과하는 전류는 줄 가열에 의해 가열되어 상당한 전력 손실을 일으킨다. 따라서 고체 철심은 변압기나 인덕터에 사용되지 않으며, 적층 또는 분말 철심, 또는 페라이트와 같은 비전도성 코어로 대체된다.

2. 1. 2. 적층 규소강



위에 언급된 와전류 손실을 줄이기 위해 대부분의 저주파 전력 변압기 및 인덕터는 얇은 실리콘 강 시트를 겹쳐 만든 적층 코어를 사용합니다.

2. 1. 3. 특수 합금

자기 철심 응용 분야에는 특수 합금 계열이 존재한다. 예로는 뮤 메탈, 퍼멀로이, 슈퍼멀로이가 있다. 이들은 스탬핑 또는 테이프 권선 코어용 긴 리본 형태로 제조될 수 있다. 일부 합금, 예를 들어 센더스트는 분말로 제조되어 모양을 만들기 위해 소결된다.

많은 재료는 자기적 특성에 도달하기 위해 주의 깊은 열처리가 필요하며, 기계적 또는 열적 손상을 받으면 이를 잃게 된다. 예를 들어, 뮤 메탈의 투자율은 자기장 내 수소 분위기에서 어닐링 후 약 40배 증가한다. 이후의 더 급격한 굽힘은 입자 정렬을 방해하여 국부적인 투자율 손실을 초래하며, 이는 어닐링 단계를 반복하여 회복할 수 있다.

2. 1. 4. 비정질 금속

비정질 금속은 비결정질 또는 유리질인 다양한 합금(예: 메트글라스)이다. 이는 고효율 변압기를 만드는 데 사용되고 있다. 이 재료는 낮은 히스테리시스 손실에 대해 자기장에 매우 민감하게 반응할 수 있으며, 와전류 손실을 줄이기 위해 전도도가 낮을 수도 있다. 전력 회사는 현재 새로운 설비에 이러한 변압기를 널리 사용하고 있다.[4] 높은 기계적 강도와 내식성 또한 금속 유리의 일반적인 특성이며, 이는 이 응용 분야에 긍정적이다.[5]

2. 2. 분말 금속

분말 코어는 적절한 유기 또는 무기 바인더와 혼합된 금속 입자로 구성되며, 원하는 밀도로 압축된다. 더 높은 밀도는 더 높은 압력과 더 적은 양의 바인더로 달성된다. 밀도가 높은 코어는 투자율이 높지만 저항이 낮아 와전류로 인한 손실이 더 크다. 더 미세한 입자는 와전류가 개별 입자 내로 제한되므로 더 높은 주파수에서 작동할 수 있다. 입자를 절연층으로 코팅하거나 얇은 바인더 층으로 분리하면 와전류 손실이 줄어든다. 더 큰 입자가 있으면 고주파 성능이 저하될 수 있다. 투자율은 분산된 공극을 형성하는 입자 사이의 간격에 의해 영향을 받는다. 간격이 적을수록 투자율이 높고 연자성 포화가 적습니다. 밀도 차이가 크기 때문에 바인더의 양이 적더라도 무게상 부피가 크게 증가하여 입자 간 간격이 커질 수 있다.

코어 손실과 권선 손실의 균형을 맞추기 때문에 투자율이 낮은 재료가 더 높은 주파수에 더 적합하다.

입자 표면은 종종 산화되어 인산염 층으로 코팅되어 서로 전기적 절연을 제공한다.

; 철

: 분말 철은 가장 저렴한 재료이다. 더 발전된 합금보다 더 높은 코어 손실을 보이지만, 코어를 더 크게 만들어 이를 보상할 수 있다. 질량과 크기보다 비용이 더 중요한 경우에 유리하다. 약 1~1.5 테슬라의 포화 자속을 가진다. 비교적 높은 히스테리시스 손실과 와전류 손실로 인해, 낮은 주파수(약 100 kHz 미만)에서 작동이 제한된다. 에너지 저장 인덕터, DC 출력 초크, 차동 모드 초크, 트라이액 조절기 초크, 역률 보정용 초크, 공진 인덕터, 펄스 및 플라이백 변압기에 사용된다.[7]

: 사용되는 결합제는 일반적으로 에폭시 또는 기타 유기 수지이며, 열화에 취약하다. 더 높은 온도, 일반적으로 125 °C 이상에서 결합제가 분해되어 코어의 자성 특성이 변경될 수 있다. 내열성이 더 높은 결합제를 사용하면 코어를 최대 200 °C까지 사용할 수 있다.[6]

: 철 분말 코어는 토로이드 형태로 가장 흔하게 사용된다. 때로는 E, EI, 막대 또는 블록 형태로 사용되며, 주로 고전력 및 고전류 부품에 사용된다.

: 카르보닐 철은 수소 환원 철보다 훨씬 더 비싸다.

; 카르보닐 철

: 카르보닐 철로 만들어진 분말 코어는 광범위한 온도와 자기 선속 수준에서 높은 안정성을 가지며, 50kHz에서 200MHz 사이에서 우수한 Q 팩터를 나타낸다. 카르보닐 철 분말은 기본적으로 얇은 전기 절연체 층으로 코팅된 미크론 크기의 철 구로 구성된다. 이는 미세한 적층 자성 회로와 동일하므로, 특히 매우 높은 주파수에서 와전류를 감소시킨다. 카르보닐 철은 수소 환원 철보다 손실이 적지만, 투자율도 낮다.

: 카르보닐 철 기반 자성 코어는 고주파 및 광대역 인덕터 및 변압기 (특히 고전력)에 주로 사용된다.

: 카르보닐 철 코어는 종종 "RF 코어"라고 불린다.

: "E형" 입자는 양파와 같은 껍질을 가지며, 간격으로 분리된 동심원 층을 가지고 있다. 상당한 양의 탄소를 포함하고 있으며, 외부 크기가 시사하는 것보다 훨씬 작게 행동한다. "C형" 입자는 E형 입자를 400°C의 수소 분위기에서 장시간 가열하여 탄소가 없는 분말을 얻음으로써 제조할 수 있다.[8]

; 수소 환원 철

: 수소 환원 철로 만들어진 분말 코어는 카르보닐 철보다 투자율이 높지만 Q는 낮다. 이들은 주로 전자파 간섭 필터 및 저주파 초크에 사용되며, 주로 스위치 모드 전원 공급 장치에 사용된다.

: 수소 환원 철 코어는 종종 "파워 코어"라고 불린다.

; MPP (몰리퍼멀로이)

: 몰리브덴 2%, 니켈 81%, 철 17%로 구성된 합금이다. 매우 낮은 코어 손실과 낮은 히스테리시스를 가져, 신호 왜곡이 적다는 특징을 지닌다. 온도 안정성이 매우 우수하나, 가격이 비싸다. 최대 포화 자속은 약 0.8 테슬라이다. 고-Q 필터, 공진 회로, 로딩 코일, 변압기, 초크 등에 사용된다.[7]

: 1940년에 처음 소개되었으며, 장거리 전화선의 정전 용량을 보상하기 위한 로딩 코일에 사용되었다. 공급업체에 따라 약 200kHz에서 1MHz까지 사용 가능하다.[6] 온도 안정성 때문에 지상 전화선에 여전히 사용되고 있다. 다만, 온도 변화가 적은 지하선의 경우, 비용 절감을 위해 페라이트 코어를 사용하는 경향이 있다.[8]

; 고자속 (Ni-Fe)

: 니켈(Ni)과 철(Fe)의 합금은 높은 에너지 저장 능력과 약 1.5테슬라의 포화 자속 밀도를 갖는다. 잔류 자속 밀도는 거의 0에 가깝다. 이러한 특성으로 인해 높은 직류 바이어스(선로 잡음 필터 또는 스위칭 레귤레이터의 인덕터)가 필요한 응용 분야나 낮은 잔류 자속 밀도가 필요한 경우(예: 펄스 및 플라이백 변압기, 높은 포화는 단극 구동에 적합함)에 사용되며, 특히 공간이 제한적인 경우에 적합하다. 이 재료는 약 200kHz까지 사용할 수 있다.

; 센더스트, KoolMU

: 6% 알루미늄, 9% 실리콘, 85% 철의 합금이다. MPP보다 높은 코어 손실을 가진다. 자기수축이 매우 낮아 오디오 노이즈가 적다. 다른 재료와 달리 온도가 증가함에 따라 인덕턴스가 감소한다. 온도 보상을 위해 다른 재료와 복합 코어로 결합하여 활용할 수 있다. 약 1 테슬라의 포화 자속을 갖는다. 우수한 온도 안정성을 보인다. 스위칭 전원 공급 장치, 펄스 및 플라이백 변압기, 인라인 노이즈 필터, 스윙 초크, 위상 제어기 (예: 디머)의 필터에 사용되며, 여기서 낮은 음향 노이즈가 중요하다.[7]

: 니켈이 없기 때문에 재료 가공이 더 쉽고 고자속 및 MPP보다 비용이 저렴하다.

: 이 재료는 1936년 일본에서 발명되었다. 공급업체에 따라 최대 약 500kHz에서 1MHz까지 사용할 수 있다.[6]

; 나노결정질

: 나노결정 합금은 표준 철-붕소-규소 합금으로, 소량의 구리와 니오브가 첨가된 합금이다. 분말의 결정립 크기는 10~100 나노미터까지 작다. 이 재료는 저주파수에서 매우 우수한 성능을 보인다. 인버터용 초크 코일 및 고전력 응용 분야에 사용된다. Nanoperm, Vitroperm, Hitperm 및 Finemet과 같은 이름으로 판매된다.[6]

2. 2. 1. 철

분말 철은 가장 저렴한 재료이다. 더 발전된 합금보다 더 높은 코어 손실을 보이지만, 코어를 더 크게 만들어 이를 보상할 수 있다. 질량과 크기보다 비용이 더 중요한 경우에 유리하다. 약 1~1.5 테슬라의 포화 자속을 가진다. 비교적 높은 히스테리시스 손실과 와전류 손실로 인해, 낮은 주파수(약 100 kHz 미만)에서 작동이 제한된다. 에너지 저장 인덕터, DC 출력 초크, 차동 모드 초크, 트라이액 조절기 초크, 역률 보정용 초크, 공진 인덕터, 펄스 및 플라이백 변압기에 사용된다.[7]

사용되는 결합제는 일반적으로 에폭시 또는 기타 유기 수지이며, 열화에 취약하다. 더 높은 온도, 일반적으로 125 °C 이상에서 결합제가 분해되어 코어의 자성 특성이 변경될 수 있다. 내열성이 더 높은 결합제를 사용하면 코어를 최대 200 °C까지 사용할 수 있다.[6]

철 분말 코어는 토로이드 형태로 가장 흔하게 사용된다. 때로는 E, EI, 막대 또는 블록 형태로 사용되며, 주로 고전력 및 고전류 부품에 사용된다.

카르보닐 철은 수소 환원 철보다 훨씬 더 비싸다.

2. 2. 2. 카르보닐 철

카르보닐 철로 만들어진 분말 코어는 광범위한 온도와 자기 선속 수준에서 높은 안정성을 가지며, 50kHz에서 200MHz 사이에서 우수한 Q 팩터를 나타낸다. 카르보닐 철 분말은 기본적으로 얇은 전기 절연체 층으로 코팅된 미크론 크기의 철 구로 구성된다. 이는 미세한 적층 자성 회로와 동일하므로, 특히 매우 높은 주파수에서 와전류를 감소시킨다. 카르보닐 철은 수소 환원 철보다 손실이 적지만, 투자율도 낮다.

카르보닐 철 기반 자성 코어는 고주파 및 광대역 인덕터 및 변압기 (특히 고전력)에 주로 사용된다.

카르보닐 철 코어는 종종 "RF 코어"라고 불린다.

"E형" 입자는 양파와 같은 껍질을 가지며, 간격으로 분리된 동심원 층을 가지고 있다. 상당한 양의 탄소를 포함하고 있으며, 외부 크기가 시사하는 것보다 훨씬 작게 행동한다. "C형" 입자는 E형 입자를 400°C의 수소 분위기에서 장시간 가열하여 탄소가 없는 분말을 얻음으로써 제조할 수 있다.[8]

2. 2. 3. 수소 환원 철

수소 환원 철로 만들어진 분말 코어는 카르보닐 철보다 투자율이 높지만 Q는 낮다. 이들은 주로 전자파 간섭 필터 및 저주파 초크에 사용되며, 주로 스위치 모드 전원 공급 장치에 사용된다.

수소 환원 철 코어는 종종 "파워 코어"라고 불린다.

2. 2. 4. MPP (몰리퍼멀로이)

몰리브덴 2%, 니켈 81%, 철 17%로 구성된 합금이다. 매우 낮은 코어 손실과 낮은 히스테리시스를 가져, 신호 왜곡이 적다는 특징을 지닌다. 온도 안정성이 매우 우수하나, 가격이 비싸다. 최대 포화 자속은 약 0.8 테슬라이다. 고-Q 필터, 공진 회로, 로딩 코일, 변압기, 초크 등에 사용된다.[7]

1940년에 처음 소개되었으며, 장거리 전화선의 정전 용량을 보상하기 위한 로딩 코일에 사용되었다. 공급업체에 따라 약 200kHz에서 1MHz까지 사용 가능하다.[6] 온도 안정성 때문에 지상 전화선에 여전히 사용되고 있다. 다만, 온도 변화가 적은 지하선의 경우, 비용 절감을 위해 페라이트 코어를 사용하는 경향이 있다.[8]

2. 2. 5. 고자속 (Ni-Fe)

니켈(Ni)과 철(Fe)의 합금은 높은 에너지 저장 능력과 약 1.5테슬라의 포화 자속 밀도를 갖는다. 잔류 자속 밀도는 거의 0에 가깝다. 이러한 특성으로 인해 높은 직류 바이어스(선로 잡음 필터 또는 스위칭 레귤레이터의 인덕터)가 필요한 응용 분야나 낮은 잔류 자속 밀도가 필요한 경우(예: 펄스 및 플라이백 변압기, 높은 포화는 단극 구동에 적합함)에 사용되며, 특히 공간이 제한적인 경우에 적합하다. 이 재료는 약 200kHz까지 사용할 수 있다.

2. 2. 6. 센더스트, KoolMU

6% 알루미늄, 9% 실리콘, 85% 철의 합금이다. MPP보다 높은 코어 손실을 가진다. 자기수축이 매우 낮아 오디오 노이즈가 적다. 다른 재료와 달리 온도가 증가함에 따라 인덕턴스가 감소한다. 온도 보상을 위해 다른 재료와 복합 코어로 결합하여 활용할 수 있다. 약 1 테슬라의 포화 자속을 갖는다. 우수한 온도 안정성을 보인다. 스위칭 전원 공급 장치, 펄스 및 플라이백 변압기, 인라인 노이즈 필터, 스윙 초크, 위상 제어기 (예: 디머)의 필터에 사용되며, 여기서 낮은 음향 노이즈가 중요하다.[7]

니켈이 없기 때문에 재료 가공이 더 쉽고 고자속 및 MPP보다 비용이 저렴하다.

이 재료는 1936년 일본에서 발명되었다. 공급업체에 따라 최대 약 500kHz에서 1MHz까지 사용할 수 있다.[6]

2. 2. 7. 나노결정질

나노결정 합금은 표준 철-붕소-규소 합금으로, 소량의 구리와 니오브가 첨가된 합금이다. 분말의 결정립 크기는 10~100 나노미터까지 작다. 이 재료는 저주파수에서 매우 우수한 성능을 보인다. 인버터용 초크 코일 및 고전력 응용 분야에 사용된다. Nanoperm, Vitroperm, Hitperm 및 Finemet과 같은 이름으로 판매된다.[6]

2. 3. 세라믹

2. 3. 1. 페라이트

페라이트 세라믹은 고주파 응용 분야에 사용된다. 페라이트 재료는 광범위한 매개변수로 설계할 수 있다. 세라믹이므로 기본적으로 절연체이며, 이는 와전류를 방지하지만, 히스테리 손실과 같은 손실은 여전히 발생할 수 있다.

2. 4. 공기

코일 내부에 자성 코어가 없는 경우를 '공심 코일'이라고 한다. 여기에는 플라스틱 또는 세라믹 폼에 감긴 코일과 자체 지지하며 내부에 공기가 있는 뻣뻣한 와이어로 만들어진 코일이 포함된다. 공심 코일은 일반적으로 유사한 크기의 강자성 코어 코일보다 훨씬 낮은 인덕턴스를 가지지만, 라디오 주파수 회로에서 코어 손실이라고 하는 에너지 손실을 방지하는 데 사용된다. 코어 손실이 없기 때문에 더 높은 Q 팩터를 얻을 수 있어, 공심 코일은 수 메가헤르츠까지의 고주파 공진 회로에 사용된다. 그러나 근접 효과 및 유전 손실과 같은 손실은 여전히 존재한다. 공심 코어는 약 2 테슬라 이상의 자기장 강도가 필요할 때에도 사용되는데, 이는 포화되지 않기 때문이다.

3. 일반적인 구조

3. 1. 직선형 실린더 막대

페라이트 로드는 감을 수 있는 간단한 페라이트 실린더이다.


직선형 실린더 막대 형태의 코어는 대부분 페라이트 또는 분말 철로 만들어지며, 특히 라디오에서 인덕터를 튜닝하는 데 사용된다. 코일은 막대 주위나 막대 내부의 코일 폼 주위에 감겨 있다. 막대를 코일 안팎으로 움직이면 코일을 통과하는 플럭스가 변경되어 인덕턴스를 조정할 수 있다. 종종 막대에는 드라이버로 조절할 수 있도록 나사산이 있다. 라디오 회로에서는 인덕터를 조정한 후 코어가 움직이지 않도록 왁스 또는 수지 덩어리를 사용한다.

높은 투자율 코어가 있으면 인덕턴스가 증가하지만, 자기장 선은 여전히 막대의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 공기를 통과해야 한다. 공기 경로는 인덕터가 선형으로 유지되도록 한다. 이러한 유형의 인덕터에서는 막대 끝에서 방사가 발생하며, 어떤 경우에는 전자기 간섭이 문제가 될 수 있다.

3. 2. 단일 "I" 코어

단일 "I" 코어는 원통형 막대와 유사하지만 사각형 형태를 띤다. 단독으로는 거의 사용되지 않으며, 주로 자동차 점화 코일에서 발견된다.

3. 3. "C" 또는 "U" 코어

"U"형 코어와 "C"형 코어는 "I"형 코어 또는 다른 "C"형, "U"형 코어와 결합하여 사각형의 폐쇄형 코어를 만들 수 있다. 이는 가장 간단한 폐쇄형 코어 형태이다. 코어의 한쪽 다리 또는 양쪽 다리에 권선을 감을 수 있다.

3. 4. "E" 코어

E자형 코어는 폐쇄된 자기 시스템을 형성하기 위한 보다 대칭적인 솔루션이다. 대부분의 경우, 전기 회로는 중앙 다리에 감겨 있으며, 중앙 다리의 단면적은 각각의 외부 다리 단면적의 두 배이다. 3상 변압기 코어에서는 다리의 크기가 같고 세 개의 다리가 모두 감겨 있다.

== "E"와 "I" 코어 ==

적절한 철판을 산세리프 문자 "E"와 "I" 모양으로 스탬핑하여 "I"를 "E"의 열린 끝에 대고 쌓아 3개의 다리가 있는 구조를 형성한다. 코일은 어떤 다리에도 감을 수 있지만 일반적으로 가운데 다리를 사용한다. 이러한 유형의 코어는 전력 변압기, 자동 변압기 및 인덕터에 자주 사용된다.

== 한 쌍의 "E" 코어 ==

다시 철심에 사용됩니다. "E" 코어와 "I" 코어를 함께 사용하는 것과 유사하게, 한 쌍의 "E" 코어는 더 큰 코일 포머를 수용하며 더 큰 인덕터 또는 변압기를 생산할 수 있습니다. 에어 갭이 필요한 경우, "E"의 중앙 다리를 짧게 하여 코일 중앙에 에어 갭이 위치하도록 하여 프린징을 최소화하고 전자기 간섭을 줄입니다.

3. 4. 1. "E"와 "I" 코어

적절한 철판을 산세리프 문자 "E"와 "I" 모양으로 스탬핑하여 "I"를 "E"의 열린 끝에 대고 쌓아 3개의 다리가 있는 구조를 형성한다. 코일은 어떤 다리에도 감을 수 있지만 일반적으로 가운데 다리를 사용한다. 이러한 유형의 코어는 전력 변압기, 자동 변압기 및 인덕터에 자주 사용된다.

3. 4. 2. 한 쌍의 "E" 코어

다시 철심에 사용됩니다. "E" 코어와 "I" 코어를 함께 사용하는 것과 유사하게, 한 쌍의 "E" 코어는 더 큰 코일 포머를 수용하며 더 큰 인덕터 또는 변압기를 생산할 수 있습니다. 에어 갭이 필요한 경우, "E"의 중앙 다리를 짧게 하여 코일 중앙에 에어 갭이 위치하도록 하여 프린징을 최소화하고 전자기 간섭을 줄입니다.

3. 5. 평면 코어

평면 코어는 코일 위와 아래에 있는 두 개의 평평한 자성 재료 조각으로 구성된다. 일반적으로 인쇄 회로 기판의 일부인 평평한 코일과 함께 사용된다. 이 디자인은 대량 생산에 매우 적합하며 낮은 비용으로 고전력, 소부피 변압기를 구축할 수 있다. '''포트 코어''' 또는 '''토로이달 코어'''만큼 이상적이지는 않지만 생산 비용이 저렴하다.

3. 6. 포트 코어

포트 코어는 페라이트 또는 이와 유사한 재료를 사용하며, 인덕터와 변압기에 사용된다. 팟 코어는 둥근 형태로 내부가 비어있어 코일을 거의 완전히 감싸는 구조이다. 보통 코일 보빈 주위에 맞춰지는 두 부분으로 만들어진다. 이러한 코어 디자인은 전자기 차폐 효과를 가져 방사선을 방지하고 전자기 간섭을 줄여준다.

3. 7. 환형 코어

이 설계는 환형체(도넛과 동일한 모양)를 기반으로 한다. 코일은 토러스의 구멍을 통과하여 외부를 감는 방식이다. 이상적인 코일은 토러스의 원주 전체에 균등하게 분포된다. 이 기하학적 구조의 대칭성은 코어 내부에 원형 루프의 자기장을 생성하며, 날카로운 굴곡이 없기 때문에 거의 모든 자기장이 코어 재료 내에 갇히게 된다. 이것은 매우 에너지 변환 효율이 높은 변압기를 만들 뿐만 아니라 코일에서 방출되는 전자기 간섭을 줄여준다.

이러한 특징은 질량 및 부피당 높은 전력 대 중량비, 낮은 전원 잡음, 최소한의 전자기 간섭이 요구되는 응용 분야에서 인기가 있다. 이러한 응용 분야 중 하나는 하이파이 오디오 앰프의 전원 공급 장치이다. 일반적인 용도로 사용을 제한하는 주요 단점은 토러스의 중심을 통해 전선을 감는 본질적인 어려움이다.

분할 코어와 달리, 환형 코어를 자동적으로 감으려면 특수한 기계가 필요하다. 토로이드는 굽힘 모멘트가 코어에 가해지지 않기 때문에 전원 잡음과 같은 가청 소음이 적다. 코어는 압축 또는 인장 상태에만 있으며, 원형 모양은 기계적으로 더 안정적이다.

3. 8. 링 또는 비드

페라이트 비드

왼쪽은 끝에 연결 와이어가 접착된 조절 불가능한 페라이트 막대이다. 오른쪽은 구멍이 있는 성형 페라이트 막대로, 하나의 와이어가 구멍을 통과한다.


링은 인덕터가 일반적으로 코어를 여러 번 감지 않고 코어 중앙만 통과한다는 점을 제외하면, 토로이드와 모양과 성능이 본질적으로 동일하다.

링 코어는 플라스틱 쉘 내에서 함께 고정된 두 개의 분리된 C자형 반구로 구성될 수도 있다. 이는 이미 설치된 큰 커넥터가 있는 완제품 케이블에 배치할 수 있게 해주는데, 이는 케이블을 솔리드 링의 작은 내부 직경을 통과시키지 못하게 하기 때문이다.

4. AL 값

코어 구성의 AL 값은 제조업체에서 자주 지정한다. 자화 곡선의 선형 부분에서 인덕턴스와 AL 값 사이의 관계는 다음과 같이 정의된다.

:L = n^2 A_L

여기서 n은 권선 수, L은 인덕턴스(예: nH)이고 AL은 턴 제곱당 인덕턴스(예: nH/n2)로 표현된다.

5. 코어 손실

코어가 변압기, 인덕터, 교류 전동기 및 교류 발전기와 같이 교류 전류를 사용하는 장치에서 ''변화하는'' 자기장에 노출될 때, 이상적으로 장치를 통해 전달되어야 할 전력의 일부가 코어에서 손실되어 열로 소산되고 때로는 소음으로 소산된다. 코어 손실은 권선의 손실인 구리 손실과 대조적으로 ''철 손실''이라고 불린다.[10][11] 철 손실은 종종 세 가지 범주로 설명된다.


  • 히스테리시스 손실


코어를 통과하는 자기장이 변하면, 코어 재료의 자화는 코어를 구성하는 작은 자기 도메인의 팽창과 수축에 의해 변화하며, 이는 도메인 벽의 이동 때문이다. 이 과정은 손실을 발생시키는데, 도메인 벽이 결정 구조의 결함에 "걸리고" 이를 "넘어서" 에너지를 열로 소산시키기 때문이다. 이를 히스테리시스 손실이라고 한다. 이는 재료의 ''H''장과 관련된 ''B''장의 그래프에서 볼 수 있으며, 이는 닫힌 루프 형태를 띤다.

코어의 B-H 특성과 관련된 인덕터로 유입되는 순 에너지는 다음 식으로 표현된다.

가해진 자기장의 한 주기 동안 재료에서 손실되는 에너지의 양이 히스테리시스 루프 내부 면적에 비례한다는 것을 보여준다. 각 주기에서 손실되는 에너지는 일정하므로, 히스테리시스 전력 손실은 주파수에 비례하여 증가한다. 히스테리시스 전력 손실에 대한 최종 방정식은 다음과 같다.

  • 와전류 손실


전기적으로 전도성이 있는 코어의 경우, 변화하는 자기장은 전자기 유도에 의해 내부에서 순환하는 전류 고리를 유도하며, 이를 와전류라고 한다.[14] 이 고리는 자기장 축에 수직으로 흐른다. 전류의 에너지는 코어 재료의 저항에서 열로 소산된다. 전력 손실은 고리 면적에 비례하고 코어 재료의 저항률에 반비례한다. 와전류 손실은 코어를 절연 코팅된 얇은 적층으로 만들거나, 또는 페라이트와 같이 높은 전기 저항을 가진 자성 재료로 코어를 만들어 줄일 수 있다.[15] 전력 변환기 적용을 위한 대부분의 자성 코어는 이러한 이유로 페라이트 코어를 사용한다.

  • 이상 손실


정의에 따르면, 이상 손실에는 와전류 손실 및 히스테리시스 손실 외에 발생하는 모든 손실이 포함된다. 이는 주파수에 따른 히스테리시스 루프의 확장으로도 설명될 수 있다. 이상 손실의 물리적 메커니즘에는 이동하는 자기 도메인 벽 근처의 국소적인 와전류 효과가 포함된다.

  • Legg의 방정식


낮은 자속 밀도에서 자기 코어 손실을 모델링하는 Legg의 방정식은 히스테리시스, 잔류 및 와전류의 세 가지 손실 구성 요소를 갖는다.[16][17][18]

  • 슈타인메츠 계수


자기 재료의 손실은 슈타인메츠 계수로 특징지을 수 있지만, 온도 변화는 고려하지 않는다. 재료 제조업체는 실제 사용 조건에 대한 코어 손실 데이터를 표 및 그래프 형식으로 제공한다.

5. 1. 히스테리시스 손실

코어를 통과하는 자기장이 변하면, 코어 재료의 자화는 코어를 구성하는 작은 자기 도메인의 팽창과 수축에 의해 변화하며, 이는 도메인 벽의 이동 때문이다. 이 과정은 손실을 발생시키는데, 도메인 벽이 결정 구조의 결함에 "걸리고" 이를 "넘어서" 에너지를 열로 소산시키기 때문이다. 이를 히스테리시스 손실이라고 한다. 이는 재료의 ''H''장과 관련된 ''B''장의 그래프에서 볼 수 있으며, 이는 닫힌 루프 형태를 띤다.

코어의 B-H 특성과 관련된 인덕터로 유입되는 순 에너지는 다음 식으로 표현된다.

가해진 자기장의 한 주기 동안 재료에서 손실되는 에너지의 양이 히스테리시스 루프 내부 면적에 비례한다는 것을 보여준다. 각 주기에서 손실되는 에너지는 일정하므로, 히스테리시스 전력 손실은 주파수에 비례하여 증가한다. 히스테리시스 전력 손실에 대한 최종 방정식은 다음과 같다.

5. 2. 와전류 손실

전기적으로 전도성이 있는 코어의 경우, 변화하는 자기장은 전자기 유도에 의해 내부에서 순환하는 전류 고리를 유도하며, 이를 와전류라고 한다.[14] 이 고리는 자기장 축에 수직으로 흐른다. 전류의 에너지는 코어 재료의 저항에서 열로 소산된다. 전력 손실은 고리 면적에 비례하고 코어 재료의 저항률에 반비례한다. 와전류 손실은 코어를 절연 코팅된 얇은 적층으로 만들거나, 또는 페라이트와 같이 높은 전기 저항을 가진 자성 재료로 코어를 만들어 줄일 수 있다.[15] 전력 변환기 적용을 위한 대부분의 자성 코어는 이러한 이유로 페라이트 코어를 사용한다.

5. 3. 이상 손실

정의에 따르면, 이상 손실에는 와전류 손실 및 히스테리시스 손실 외에 발생하는 모든 손실이 포함된다. 이는 주파수에 따른 히스테리시스 루프의 확장으로도 설명될 수 있다. 이상 손실의 물리적 메커니즘에는 이동하는 자기 도메인 벽 근처의 국소적인 와전류 효과가 포함된다.

5. 4. Legg의 방정식

낮은 자속 밀도에서 자기 코어 손실을 모델링하는 Legg의 방정식은 히스테리시스, 잔류 및 와전류의 세 가지 손실 구성 요소를 갖는다.[16][17][18]

:\frac{R_{\text{ac}}}{\mu L} = a B_{\text{max}} f + c f + e f^2

여기서

  • R_{ac}는 유효 코어 손실 저항(옴)이고,
  • \mu는 재료 투자율이고,
  • L은 인덕턴스 (헨리)이고,
  • a는 히스테리시스 손실 계수이고,
  • B_{\text{max}}는 최대 자속 밀도(가우스)이고,
  • c는 잔류 손실 계수이고,
  • f는 주파수(헤르츠)이고,
  • e는 와전류 손실 계수이다.

5. 5. 슈타인메츠 계수

자기 재료의 손실은 슈타인메츠 계수로 특징지을 수 있지만, 온도 변화는 고려하지 않는다. 재료 제조업체는 실제 사용 조건에 대한 코어 손실 데이터를 표 및 그래프 형식으로 제공한다.

참조

[1] 웹사이트 Soft iron core http://www.physicsfo[...]
[2] 간행물 Les composants magnétiques de l'électronique de puissance Supélec 2001-03
[3] 논문 New Determinations of the Saturation Magnetization of Nickel and Iron 1968-02-01
[4] 웹사이트 Metglas® Amorphous Metal Materials – Distribution Transformers https://www.hitachim[...] 2020-09-25
[5] 논문 Development and application of Fe-based soft magnetic bulk metallic glassy inductors http://www.sciencedi[...] 2018-01-15
[6] 웹사이트 Powder Material for Inductor Cores, Evaluation of MPP, Sendust and High flux core characteristics http://publications.[...] Department of Energy and Environment, Division of Electric Power Engineering, Chalmers University of Technology 2013
[7] 웹사이트 How to choose Iron Powder, Sendust, Koolmu, High Flux and MPP Cores as output inductor and chokes : CWS Coil Winding Specialist, manufacturer of transformers, inductors, coils and chokes http://www.coilws.co[...]
[8] 서적 Handbook of Modern Ferromagnetic Materials https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2012-12-06
[9] 웹사이트 AL Value http://www.jmag-inte[...]
[10] 서적 Engineering Basics: Electrical, Electronics and Computer Engineering https://books.google[...] New Age International 2007
[11] 서적 Electrical Craft Principles https://books.google[...] IET 1995
[12] 서적 Fundamentals of Power Electronics, Second Edition Kluwer Academic Publishers 2001
[13] 서적 Basic Electrical Engineering, Volume 1 Tata McGraw-Hill Education 1986
[14] 서적 High-frequency magnetic components Wiley 2014
[15] 서적 Fundamentals of Power Electronics, Second Edition Kluwer Academic Publishers 2001
[16] 간행물 null
[17] 논문 Magnetic Measurements at Low Flux Densities Using the Alternating Current Bridge http://www3.alcatel-[...] Bell Telephone Laboratories 1936-01
[18] 서적 Soft ferrites : properties and applications Butterworths 1988


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