14. 히스테리시스 손실(철손)이란 무엇인가?

14. 히스테리시스 손실(철손)이란 무엇인가?

변압기, 발전기, 모터 등의 전력기기 내부에는 철심이 있다. 이 철심에 코일을 감아놓고 전류를 흐르게 하며 사용하는데
이때 철심에서 열이 발생할 수 있다. 철심에서 열이 나는 이유는 '철손' 때문이다.
일반적으로 '철손'은 히스테리시스 손실과 와전류 손실을 합친 손실을 말한다.

이번에는 이 두 가지 손실 중 히스테리시스 손실에 대해 알아보자.

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1. 철심의 자화특성곡선 복습
2. 히스테리시스 손실 발생 이유, 히스테리시스 곡선

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1. 철심의 자화특성곡선 복습

앞에서 공부했던 철심의 자화특성곡선을 다시 복습해보자.
yyxx.tistory.com/124

12. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(2)

먼저 철심에 자석을 가져다 놓으면서 자기쌍극자모멘트의 변화를 확인해보자.

철심 외부의 자석의 세기를 바꿀 때, 자기쌍극자모멘트의 변화

(1) 아무런 외부의 힘도 가해지지 않은 초기의 철심의 자기쌍극자모멘트 ①② 의 합은 '0'이다.
(2) 철심에 작은 자석을 가져다 놓으면 자기쌍극자는 자석의 N극과 S극을 따라 조금 움직이게 된다. 그러면 철심의 자기쌍극자모멘트 ①② 의 벡터합은 '0'이 아니게 된다.
(3) 철심에 큰 자석을 가져다 놓으면 벡터합은 더 커진다.
(4) 철심에 아주 큰 자석을 가져다 놓으면 자기쌍극자모멘트가 아예 누워버리고 더 이상 움직이지 않는다. 이때가 철심이 포화된 시점이다.


이 과정을 자화특성곡선으로 나타내면 아래와 같다.

자화특성곡선

H는 외부에서 걸어준 자석의 세기를 나타내고, B는 자기쌍극자모멘트의 합쳐진 크기를 나타낸다.
더 강한 자석을 철심 주변에 놓음에 따라 자기쌍극자모멘트의 합이 선형적으로 커지다가 철심이 포화된 시점에서
자기쌍극자모멘트의 합은 최대가 되고 더 이상 커지지 않음을 확인할 수 있다.

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2. 히스테리시스 손실 발생 이유, 히스테리시스 곡선

초기의 자성체에 외부 자석의 세기를 점점 늘려가면 아래와 같은 자화특성곡선을 얻을 수 있었다.

자화특성곡선

자석의 세기(H)를 점점 늘려서 철심 포화 지점까지 간 상태라고 생각해보자.
이때 자석의 세기(H)를 다시 줄이면 어떻게 될까?

손실이 없을 때 자계세기를 줄이면 자화특성곡선을 그대로 따라 내려간다.

빨간색 곡선을 그대로 따라 0까지 도달할거라고 생각할 수 있다.



하지만 실제로는 손실(열)이 발생해서 원래의 빨간색 자화특성곡선과는 전혀 다른 경로인 파란색 곡선을 따라간다.

포화된 철심의 자계를 줄여줬을 때 발생한 손실 때문에 초기 자화특성곡선과 다른 곡선을 그린다.

자기쌍극자모멘트로 비교를 해보면 위의 그래프를 쉽게 이해할 수 있다,

1) 손실이 없는 경우

손실이 없는 경우 자계세기를 줄이면 철심의 자기쌍극자모멘트는 원래자리로 돌아간다.

손실이 없다면 철심이 포화된 상태에서 누워있던 자기쌍극자모멘트가 자석의 세기(H)를 다시 '0'으로 만들면 두 화살표가 초기 상태와 같이 벡터합이 '0'인 상태로 돌아온다.



2) 손실이 발생할 경우

히스테리시스 손실 발생으로 자계의 세기를 '0'으로 만들어줘도 자기쌍극자모멘트가 초기 상태로 돌아가지 못한다.

그러나 손실(열)이 발생하기 때문에 자석의 세기(H)를 다시 '0'으로 바꿨음에도 불구하고 벡터합이 '0'이 아니게 된다.
손실로 인해 화살표가 원래 자리로 돌아갈만큼 충분한 힘이 남아있지 못한 상태가 됐다.

그래서 하늘색 그래프처럼 자계(H)가 '0'에 도달했음에도 불구하고 B(내부자속밀도)가 '0이 아니게 된 거다.

히스테리시스 손실로 인해 자석의 세기를 다시 '0'으로 만들어도 내부자속밀도(B)가 '0'이 아니게 된다.

다시 정리해보자면
초기의 철심 내부 자기쌍극자모멘트의 힘(B) '0'이다.
철심 외부에서 걸어준 자석의 세기(H)를 늘려감에 따라 철심 내부의 자기쌍극자모멘트가 자석을 따라 서서히 회전하기 시작한다.
어느 이상 자석의 세기를 늘리면 자기쌍극자모멘트의 값(B)이 최대가 되고 철심이 포화가 된다.
그런데 이 과정에서 히스테리(손실)이 발생한다.
그래서 철심 외부에서 걸어준 자석의 세기(H)를 다시 '0'으로 만들어도 히스테리(손실)이 발생한 양이 있기 때문에 자기쌍극자모멘트가 원래 위치까지 가지 못해서 자기쌍극자모멘트의 값이 '0'을 가리키지 못한다.

바로 여기서 발생한 손실이 '히스테리시스 손실'이다.



아래는 전압원이 철심에 감아놓은 코일을 통해 전류를 공급하는 회로이다.

철심에 감아 놓은 코일에 교류전류 공급

교류전류는 커졌다 작아졌다를 반복하므로 자화특성곡선에서 자계(H) 역시 커졌다 작아졌다를 반복한다.
손실이 없다면 빨간색 곡선을 오고 갔겠지만, 히스테리시스 손실이 발생하기 때문에 하늘색 곡선을 따라 움직이게 된다.

철심에 교류전류가 공급됨에 따라 히스테리시스 곡선이 그려진다.

이 하늘색 곡선을 '히스테리시스 곡선'이라고 한다. 또한 이 곡선 내부의 면적이 손실이다.

히스테리시스 곡선의 내부 면적이 곧 '손실'이다.