15. 와전류 손실(철손)이란 무엇인가?

15. 와전류 손실(철손)이란 무엇인가?

전력설비 대부분은 철심을 사용하고 있다.
변압기, 발전기, 모터 등의 전력기기 내부에도 철심이 들어있다.
이 철심에 코일을 감아놓고 전류를 흘리게 되면 철심에서 열이 발생할 수 있는데
철심에서 열이 나는 이유는 '철손' 때문이다.
일반적으로 '철손'은 히스테리시스 손실과 와전류 손실을 합친 손실을 말한다.

이번에는 이 두 가지 손실 중 와전류 손실에 대해 알아보자.

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1. 철심에서 와전류 손실이 발생하는 이유
2. 와전류 손실을 줄이기 위한 방법

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1. 철심에서 와전류 손실이 발생하는 이유

와전류 손실은 철심에 와전류(Eddy Current)가 흐르면서 발생하는 손실이다.

와전류가 왜 발생하는지 알기 위해서는 먼저 어떤 경우 전류가 생성되는지 알아야 한다.
'전류는 폐경로에서 자기장의 크기가 시간에 따라 변화하면 생성된다.'

공식으로 표현하면

전기에너지(E) = dφ/dt

전기에너지(E) = dφ/dt
-> 시간(t)에 따라 자기장(φ)이 변화하면 전기에너지(E)가 만들어진다. 즉 전류가 흐른다.



예를 들어 확인해보자.
1) 아래와 같이 폐경로를 이루고 있는 단락된 코일이 있다고 해보자.

단락된 코일위로 자석이 지나가면 유도전류가 흐른다.

그 위로 자석을 이동시키면 단락된 코일을 통과하는 자기장의 크기가 시간마다 변하게 된다.
그러면 단락된 코일로 전류(I)가 흐르게 된다.
여기서 생성된 단락 된 코일을 따라 정해진 방향으로 흐르는 전류를 '유도전류'라고 한다.






2) 이번엔 철심과 비슷한 금속의 판을 예로 들어보자.

금속판 위로 자석이 지나가면 와전류가 흐른다.

금속판 위로 자석을 지나가게 하면 금속판을 지나가는 자기장의 크기가 시간마다 변하게 되어서 전류가 흐를 수 있게 된다.
그런데 금속판은 면이기 때문에 전류가 한 방향으로 흐르지 못한다.

금속판의 면을 확인해보면 금속판 위로 임의의 폐경로를 그리는 여러 전류가 흐르는 걸 확인할 수 있다.
이렇게 금속판 위에 임의로 빙글빙글 돌고 있는 전류를 '와전류'라고 한다.

이런 '와전류'가 흐르게 되면 철심에 열이 발생한다.
철심에 저항(R)이 있으니까 손실 =(i^2) x R 이 발생하게 된다. 이걸 '와전류 손실'이라고 한다.

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2. 와전류 손실을 줄이기 위한 방법

철심에 전류를 흘리게 되면 자기장 변화에 의해 철심의 면에 '와전류'가 발생하면서 '와전류 손실'에 의해 철심에 열이 발생하고 전력손실이 발생하게 된다.
철심 자체가 금속으로, 쇳덩이를 그대로 쓰게 되면 많은 와전류가 발생하고 와전류 손실이 어마어마하게 발생한다. 쓸데없는 전기 손실로 인하여 늘어난 전기요금을 내게 된다.

'와전류' 발생을 혁신적으로 낮추는 방법은 철심을 자르는거다. 덩어리 그대로 철심을 쓰는 경우는 없다.
철심을 자세히 보면 얇은 판으로 돼 있는 걸 적층해서 쭉 쌓아서 만든다. 얇으면 얇을수록 더 좋다.
얇아질수록 시간에 따라 변화하는 자기장의 면적이 줄어들면서 유기기전력이 줄어들고 '와전류'의 양이 줄어든다.

얇은 판을 적층해서 철심을 만들면 와전류를 줄일 수 있다.

철심이 한덩이 그대로 일 때 보다 나눠져 있을 때 와전류의 크기가 작아진 걸 확인할 수 있다.



와전류 손실(Eddy Cuurent Loss)은 아래와 같이 표현가능하다.

와전류 손실식

와전류 손실(Pe) = K x (f^2) x (B^2) x (t/ρ) [W/m^3]

( f = 주파수, B =최대자속밀도, t = 철심의 두께, ρ = 저항률)

와전류 손실 식에서 보았듯이 철심의 두께(t)가 줄어듦에 따라서 와전류 손실이 감소함을 확인할 수 있다.

또한, 저항률(ρ)이 증가하면 와전류 손실이 감소함을 볼 수 있는데, 저항이 증가하면 손실이 늘어날 거라고 생각할 수도 있지만 저항이 증가하면 전류가 감소하게 된다. 손실 = (I^2)R에 따라서 손실은 전류의 영향을 크게 받으므로 저항이 증가하면 오히려 손실이 감소함을 알 수 있다.
그래서 철심으로 순철을 사용하지 않고 불순물을 섞어서 저항률을 높인 철심을 사용한다. 대표적으로 저항률을 키우기 위해 순철에 규소를 섞은 규소강판철심을 많이 사용하고 있다.