KR100290095B1 - 삼각구조를 갖는 철심코어 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 삼각구조를 갖는 철심코어 변압기에 관한 것으로, 기존 변압기의 평행 철심 코어 구조를 삼각 철심 코어의 구조로 변경하고, 각동선 및 절연체와 에나멜선으로 권선(코일)을 제작하여 1차 측과 2차 측은 절연물질로 절연한 변압기를 제작함으로써, 철심코어 변압기의 손실(철손 및 동손), 소음, 및 진동을 감소시킬 수 있도록 하는 장치에 관한 것이다.

변압기의 코일(2) 구조를 각동선(5)과, 절연체(4) 및 에나멜선(3)으로 일체형이 되게 접합하고, 철심코어(1)의 형상을 삼각 구조형상으로 제작하여, 코일(2)에 철심코어(1)를 삼각 구조로 결합하는 것으로 구성되어진 삼각구조를 갖는 철심코어의 변압기이다.

Description

삼각구조를 갖는 철심코어 변압기{Triangular shaped steel core transformer}

본 발명은 삼각구조를 갖는 철심코어의 변압기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존의 평행 철심 코어를 삼각의 철심 코어의 구조로 변경하고 각동선 및 절연체와 에나멜선으로, 코일을 제작하고 1차 측과 2차 측은 절연물질로 절연한 변압기를 제작하여 철심코어 변압기의 손실(철손 및 동손), 소음 및 진동을 감소시킬 수 있도록 하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 변압기를 사용하면 교류 전압을 매우 간단히 고전압 또는 저전압으로 만들 수 있다. 발전소에서 발전한 교류 전력은 송전선로에서는 전력 손실을 적게하기 위하여 승압용의 변압기로 345〔kV〕또는 154〔kV〕등의 고전압으로 높여서 송전하고 수요지의 변전소나 배전탑의 강압용 변압기에 의하여 적당한 전압으로 낮추어 공장이나 가정에 배전하고 있다.

이와 같이 변압기는 송전, 배전 상의 중요한 기기이다. 또 공장이나 작업장에서는 전동기 시동용, 용접용 등 특수한 변압기도 널리 이용되고 있으며 더욱 소용량의 변압기는 라디오, 텔레비전, 방전등, 벨 등 가정용 기기에 많이 이용되고 있다.

종래 송.배전 용 변압기의 형상은 도 6과 같이 평행 구조의 철심코어와 권선으로 이루어졌다. 즉 변압기의 특성에 영향을 미치는 철심코어가 1차 측과, 2차 측이 서로 평행한 구조로 되어 있다.

1차 측의 전기적 에너지가 자기적으로 변환된 에너지를 보유하게 되고, 이것을 2차 측의 권선에서 다시 전기적 에너지로 변환시키는 역할을 수행한다. 특히 전력 계통상에서 사용되고 있는 변압기의 경우 철심이 권선을 덮고 있는 구조를 가지며 일반적으로 대전류 용이나 고전압 대용량에 많이 사용된다.

이와 같은 에너지 변환 과정에서 가장 중요한 문제는, 입력 측에 공급된 에너지가 가능하면 손실 없이 2차 측에 전달되도록 전기자기적 에너지 변환 손실을 최소화하는 것으로, 계통상의 큰 에너지 전송을 고려할 때 변환손실의 최소화 기술의 중요성은 더욱 부각된다.

그러나 종래의 변압기를 나타낸 도 6과 7, 8을 통해 살펴보면 종래 변압기가 전형적인 평행 구조에 변압기의 철심 재료에 따른 자화 특성을 개선시키는 부문에서만 기술 개발이 이루어져 왔으며 재료기술 개발주기의 장기화로 인해 변압기의 효율 향상 요인인 철손과 동손에서의 감소 효과를 얻는데 한계를 드러내고 있는 것이 현 실정이다.

상기와 같이 누설 자속의 증대로 인한 무부하 및 부하 손의 증대로 인해 변환 효율 및 온도상승으로 인한 이용율 저하 문제가 발생하였으며, 또한 상호 평행한 구조를 지니고 있어 변압기의 1차 측과 2차 측 권선을 감는 방식에 따라 상호적인 전기자기적 힘의 비대칭 현상은 결국 변압기의 소음은 물론 진동을 발생시키는 원인이 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 재료 특성개선의 관점에서 벗어나 변압기의 구조적인 특성 개선이라는 접근을 시도하였다.이를 통해 전력 변환 효율을 증대시킴은 물론, 기존 변압기의 철심 코어를 삼각의 규소강판 철심 코어의 구조로 변경하고, 1차 및 2차 코일을 각동선 및 에나멜선으로 제작하고 1차 측과 2차 측을 절연물질로 절연한 변압기를 제작하여 철심코어 변압기의 손실( 철손 및 동손), 소음 및 진동을 감소시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있는 것이다.

발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기의 목적을 달성하기 위해 변압기의 철심코어를 삼각 구조로 제작하고, 코일 구조를 각동선과, 절연체 및 에나멜선으로 일체형이 되게 접합한 후, 상기 코일의 형상을 삼각형상으로 제작하여, 철심코어와 코일을 상호 결합한 삼각구조 철심코어 변압기를 제공함에 있다.

도 1 은 본 발명 삼각구조 철심코어 변압기의 사시도

도 2 는 도 1의 A-A선 단면도

도 3 은 본 발명 삼각구조 철심코어 자속 분포도

도 4 는 본 발명 삼각 구조 철심코어의 전류의 분포도

도 5 는 본 발명 삼각 구조 철심코어의 또 다른 실시 예의 평면도

도 6 은 종래 평행 구조 철심코어 변압기의 전체 구성도

도 7 는 종래 평행 구조 철심코어의 자속 분포도

도 8 은 종래 평행 구조의 철심 코어의 전류의 분포도

도 9 는 도 6의 단면 B-B(코어 반지름 비교용)

도 10 은 도 1의 단면 A-A(코어 반지름 비교용)

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 철심코어 (2) : 코일

(3) : 에나멜선 (4) : 절연체

(5) : 각동선 (6) : 철심코어

첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명 삼각구조 철심코어 변압기의 사시도,

도 2 는 도 1의 A-A선 단면도,

도 3 은 본 발명 삼각구조 철심코어 자속 분포도

- Maxwell: FEM해석 프로그램 이용,

- 100 Ampere turn 에서의 코어 내의 자속분포를 나타낸 그림이다.

도 4 는 본 발명 삼각 구조 철심코어의 전류의 분포도

- Maxwell: FEM해석 프로그램 이용,

- 100 Ampere turn 에서의 코어 내의 전류집중도를 나타낸 그림으로, 전류의 분포는 힘의 분포와 비례한다.

도 5 는 본 발명 삼각 구조 철심코어의 또 다른 실시예의 평면도를 도시한 것이다.

도 6 은 종래 평행 구조 철심코어 변압기의 전체 구성도

도 7 는 종래 평행 구조 철심코어의 자속 분포도

- Maxwell: FEM해석 프로그램 이용,

- 100 Ampere turn 에서의 코어 내의 자속분포를 나타낸 그림이다.

도 8 은 종래 평행 구조의 철심 코어의 전류의 분포도

- Maxwell: FEM해석 프로그램 이용,

- 100 Ampere turn 에서의 코어 내의 전류집중도를 나타낸 그림으로, 전류의 분포는 힘의 분포와 비례한다.

도 9 는 도 6의 단면 B-B(코어 반지름 비교용)

도 10 은 도 1의 단면 A-A(코어 반지름 비교용)

발명품은 변압기의 코일(1) 구조를 각동선(5)과, 절연체(4) 및 에나멜선(3)으로 일체형이 되게 접합하고 상기 코일(2)의 형상을 삼각 구조형상으로 제작하며 코일(2)에 철심코어(1)를 삼각 구조로 결합하는 것으로 구성되어진 것이다.

본 발명의 작용은 다음과 같다.

도 2와 같이 1차 및 2차 코일을 각동선(5)과 절연체(4) 및 에나멜선(3)을 상부로 층이 되게 접합한다. 더 상세하게는 2차 220V 기전력 발생측 각동선(5)(t2.5×ψ7m/m) 17.5m/m²1 단계층에 16회씩 4단계 층으로 권선분 총합계 64회를 한 것이다. 1차 13,200V 충전측 에나멜선(3) 피복분 0.6m/m²전선 1단계층에 128회씩 권선분 30단계층에 권선분 총합계 권선수 3840회를 권선 조립하는 것이다.

상기 접합된 코일(2)의 형상을 삼각 구조를 갖는 형상으로 제작하고 규소 강판인 철심 코어(1)를 도 1에 도시한 바와 같이 삼각 구조가 되게 결합한다.

상기와 같은 삼각 구조에서는, 기존의 변압기에서 사용되는 에나멜선과 같은량을 사용하되, 코어 내의 자속분포(B)는 식 (1)에서와 같이 반지름(r)에 반비례하므로, 삼각구조 철심 코어의 반지름 r = b가(도 9 참조) 기존의 평행 구조 반지름 r = a(도 10 참조)보다 작게 제작하여 코어내의 평균 자속 밀도를 높은 수준으로 유지시킴으로써 누설 자속을 감소시키는 것이 가능하다.

즉 내원의 직경은 동일하지만 코어의 두께가 종래보다 본 발명이 얇아(b〈a) 평균 자속 밀도가 높게 유지될 수 있게 되는 것이다.

B a 1/r (식 1)

또한 본 발명 삼각구조의 철심 코어 변압기의 또 다른 특징은 도 4에 도시한 바와 같이, 삼각 대칭 구조에 따른 전기자기적 힘의 평형 효과로 인하여, 변압기의 진동 및 소음 저감 효과를 얻을 수 있는 것이다. 이를 평가하기 위하여, 하나의 철심코어(1) 혹은 권선에 의해 발생하는 자속이 일정한 각을 가지며 마주보고 있는 다른 철심코어(1) 및 권선에 미치는 힘을 로렌츠의 힘(Lorenz's force)으로 정의하여 상용 FEM 해석 프로그램인 'Maxwell'을 이용하여 코어내의 자속분포 및 그로 인한 힘의 평형에 의한 변압기의 진동 원인을 분석하였다. 코일의 길이를 기존 방식의 것과 동일한 길이로 가정하고 분석하였을 때, 본 발명 변압기에 대한 각 코어내의 자속분포는(도 3 참조) 도 7에서와 같이 기존 변압기의 자속분포와 동일하지만, 본 발명 변압기의 자속분포가 공간적으로 삼각구조를 형성함으로 자속벡터의 상쇄에 의한 힘의 현저한 감소를 얻을 수 있는 것이다.

이것은 기존의 변압기의 경우 권선법에 따라 상호적으로 밀어내거나 당기는 힘이 발생되는 방식에서 벗어나, 삼각구조로 인하여 상호작용하는 기계적인 힘의 평형을 얻음으로서 그 진동 발생이 감소하게 되는 것이다. 또한 변압기 공극 사이의 기구들이 받는 전자기적인 힘 또한 변압기의 진동 요인으로 작용하는데, 기계적으로 삼각 구조로 배치할 경우, 도 3 및 8에서 보는 바와 같이, 도 8에서는 평행구조의 철심코어(1) 양변에는 힘이 작용하고 나머지 권선에는 힘의 작용이 없기 때문에 힘의 불균형이 발생하여 진동과 소음의 원인이 된다. 도 3에서는 삼각구조 철심코어(1) 세변 모두에 힘이 작용하여 삼각 평형을 이루며 서로 상쇄되는 효과가 있어 공극 안에서 기구들이 받는 상대적인 힘이 줄기 때문에 같은 권선 길이를 사용하였을 때, 기존 변압기에 비해 진동 및 소음을 유발하는 힘도 현저히 감소하게 된다. 상기의 결과는 계통에 사용되는 변압기의 기계적 진동 및 소음 원인을 구조적으로 해결하는 방안이 되는 것이다.

이러한 이론적 해석을 뒷받침하기 위하여, 실제로 삼각 대칭 구조를 갖는 철심코어 변압기를 제작하여 변압기의 손실(철손 및 동손) 및 소음에 관한 실험을 수행하였고, 그 결과를 기존 변압기의 수치와 비교하였다(표 1-1 참조).

표 1-1. 삼각구조를 갖는 철심코어 변압기의 성능 시험결과

[품명 : 일단접지 변압기]

규격 : ψ 10KVA 13200V 230/115V

항 목	기존변압기 (KS기준치)	본 발명품에 대한 측 정 치
철 손	41W이하	13W
동 손	KS업체 193∼209W	130W
소 음	48dB 이하	18dB

표 1-1에서와 같이 본 발명 삼각구조를 갖는 철심코어 변압기의 철손은 기존변압기의 31.7%로 감소하였으며, 동손은 62.2 - 67. 4 %로 감소하였다.

본 발명 삼각구조 철심코어 변압기의 소음은 기존 변압기의 37.5%로 감소하였고, 소음의 감소는 일반적으로 진동의 감소에 기인하므로 진동도 크게 감소될 것으로 확신한다.

또한 도 5에 도시한 바와 같이 코일이 삼각 구조의 형상을 띤 상태에서 철심코어(1) 3개를 결합하고 철심코어(1)가 코일(2)에 결합되고 남은 빈 공간의 코일(2)에 복수 개의 작은 철심코아(6)를 결합하여 누설 자속을 저하시켜 기계적 진동과 소음을 추가로 줄일 수도 있는 것이다.

(1) 본 발명 변압기에 의한 에너지 손실 저감 효과

손실 표 1-1에서와 같이 본 발명 삼각구조를 갖는 철심코어 변압기의 철손은 기존변압기 손실의 31.7%로 감소하였으며, 동손은 62.2 - 67. 4 %로 감소하였다. 교류 전력의 송배전 시에 사용되는 수많은 변압기에서의 에너지 손실을 기존 변압기의 약 30%(철손)로, 그리고 동손을 약 65%(동손)로 감소시킬 수 있을 때, 그 에너지 절감 및 환경보호 효과는 국내 또는 세계 경제에 지대한 영향을 끼칠 것임에 틀림없다.

(2) 본 발명 변압기에 의한 진동 및 소음의 저감 효과

본 발명 삼각구조 철심코어 변압기의 소음은 기존 변압기의 37.5%로 감소하였고, 소음의 감소는 일반적으로 진동의 감소에 기인하므로 진동도 크게 감소될 것으로 확신한다. 이러한 변압기의 진동 및 소음의 획기적인 감소는 송배전 기기의 진동 및 소음 성능을 대폭 개선하여 관련 산업의 국.내외 경쟁력을 제고하여 국익을 크게 신장하리라 확신한다.

본 발명은 기존 변압기의 철심코어의 형상을 삼각구조로 변경함으로써, 코어의 유효 면적을 증가시켜 누설 자속을 저하시킴으로 변압기의 전력변환효율을 증대시킴은 물론, 전자기적 힘의 대칭을 통한 힘의 상쇄효과로 인해 변압기의 기계적 진동 및 소음을 줄일 수 있는 발명의 효과를 가져올 수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 변압기의 철심코어(1)를 삼각 구조로 하고, 코일(2) 구조를 각동선(5)과, 절연체(4) 및 에나멜선(3)으로 일체형이 되게 접합하여 상기 코일(2)의 형상을 삼각 구조형상으로 제작하며, 코일(2)과 철심코어(1)를 삼각 구조로 결합한 것을 특징으로 하는 삼각구조를 갖는 철심코어의 변압기.
2. 제 1항에 있어서;

   코일이 삼각 구조의 형상을 띤 상태에서 철심코어(1) 3개를 삼각구조로 배치하고, 철심코어(1)를 코일(2)에 결합하고 남은 빈 공간의 코일(2)에 도 5와 같이 복수 개의 작은 철심코아(6)를 추가 결합하여 누설 자속을 저하시키는 것을 특징으로 하는 다각구조를 갖는 철심코어의 변압기.