KR100450621B1 - 저소음 변압기용 일방향성 전자강판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인간의 청감이 큰 고조파를 저감할 수 있으며, 효과적으로 소음을 저감할 수 있는 저소음 변압기용 일방향성 전자강판을 제공하는 것으로, 일방향성 전자강판에 미리 글래스 피막을 형성시키지 않거나, 또는 형성되어 있는 경우에는 임의의 방법으로 제거한 후, 표면에 코팅 또는 그에 준하는 방법으로 0.5MPa＜σ＜4.0MPa의 장력을 부여하는 것을 특징으로 하는 저소음 변압기용 일방향성 전자강판.

Description

저소음 변압기용 일방향성 전자강판{GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET USED FOR A TRANSFORMER HAVING REDUCED NOISE}

본 발명은 변압기 등의 철심에 사용되고, 자기 변형 특성이 우수한 저소음 변압기용 전자강판에 관한 것이다.

전기, 전자기기에 폭넓게 사용되는 자성 재료에 있어서, 자계 인가시의 길이 변화의 정도(이를 ‘자기 변형’이라 한다)는 변압기 소음의 원인이 되므로, 품질 관리에 있어서 중요한 평가 항목 중 하나가 되었다. 최근, 전자기기로부터의 소음은 생활환경 쾌적화에 대한 요구와 더불어 더욱 규제가 엄격해지고 있다. 이 때문에 자기 변형의 저감에 의한 저소음화 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

자성재료 중, 변압기의 철심에 사용되는 일방향성 전자강판에 대하여는 환류자구를 감소시킴으로써 자기 변형을 저감하는 수법이 있다. 여기서 말하는 환류자구란, 자계 인가방향에 대하여 직각으로 향하고 있는 자화를 가지는 영역이다. 이 자화가 인가 자계에 의하여 자계와 평행방향을 향하여 움직일 때 자기 변형이 발생한다. 따라서 환류자구량이 적을수록 자기 변형이 작아진다. 주요 자기 변형 저감 수법으로서, 아래와 같은 방법들이 알려져 있다.

① 결정립의 <001> 방향을 압연방향에 맞추어, 자화 회전에 의하여 형상 변화를 발생시키는 환류자구를 만들지 않는 방법 (T.Nozawa et al., “Relationship between Total Losses under Tensile Stress in 3 Percent Si-Fe Single Crystals and Their Orientations near (110)[001]”, IEEE Trans, on Mag., Vol. MAG-14, No. 4, 1978),

② 소성변형을 개방함으로써 환류자구를 소거하는 방법 (일본특개평7-305115, [획기적인 방향성 규소 강판 오리엔트코어·하이비 개발]: OHM 1972.2),

③ 피막 장력을 강판에 인가함으로써 환류자구를 소거하는 방법 (T.Nozawa et al., “Relationship between Total Losses under Tensile Stress in 3 Percent Si-Fe Single Crystals and Their Orientations near(110)[001]”, IEEE Trans. on Mag., Vol. MAG-14, No.4, 1978).

주로 이 세 방법에 의하여 자기 변형을 저감시키고, 전기기기의 저소음화에 기여하여 왔다.

일방향성 전자강판으로 변압기를 제조하여, 여자시키는 경우, 구조체에 여러 가지 진동 모드가 발생하며, 고차의 진동 주파수가 발생한다. 특히 여자 기본 진동수(예를 들면, 여자 전류의 주파수가 50Hz인 경우는 100Hz) 및 그 정수배의 주파수 (예를 들면 여자 전류의 주파수가 50Hz인 경우에는 200, 300, 400Hz...)는 변압기 소음 중에서도 특히 큰 강도를 가진다. 이 중 비교적 낮은 주파수의 성분은 철심 본체를 직접 진동시키고, 또한 높은 고주파수의 성분은 탱크, 냉각장치, 콘서베이터 등의 변압기의 부가장치를 공진시킨다. 그러나 진동의 강도는 고주파수 성분이 될수록 지수적으로 저하하여 영향이 작으므로, 종래 기술에 있어서는 저주파수 성분의 진동 저감을 주로 이용하였다. 그러나 저소음화에 대한 요구는 강하고, 더욱 고도의 기술이 요구되고 있다. 본 발명은 자기 변형 파형의 높은 주파수 성분을 저감하여 저소음화를 효과적으로 실현하는 자기 변형 특성이 우수한 저소음 변압기용 전자강판을 제공하는데 있다.

본 발명의 구체적인 수단은 아래와 같다.

(1) 0.5MPa 이상 4.0MPa 이하의 장력을 강판에 부여하는 피막을 가지는 저소음 변압기용 일방향성 전자강판.

(2) 일방향성 전자강판에 미리 글래스 피막을 형성시키지 않거나 또는 형성되어 있는 경우에는 임의의 방법으로 제거한 후, 표면에 코팅 또는 그에 준하는 방법으로 0.5MPa 이상 4.0MPa 이하의 장력을 부여하는 것을 특징으로 하는 저소음 변압기용 일방향성 전자강판의 제조방법.

(3) λ₁₉가 1.5×10^-6이하인 것을 특징으로 하는 저소음 변압기용 일방향성 전자강판.

(4) 판 두께가 0.27mm 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (3)의 저소음 변압기용 일방향성 전자강판.

도 1은 자기 변형의 프로필을 도시한 도.

도 2는 자기 변형을 푸리에 분해하고, 청감 보정을 실시한 예.

도 3은 변압기의 소음 특성.

도 4는 피막 장력과 자기 변형의 관계.

본 발명이 요지로 하는 것은 글래스 피막을 임의의 방법으로 형성하지 않거나 제거한 후, 표면에 적량의 코팅을 도포하고, 자기 변형 파형을 제어함으로써 진동의 고조파 성분을 감소시키고, 사람의 청각으로 감지하는 소음을 크게 저감시킨 저소음 변압기용 일방향성 전자강판이다.

이미 서술한 바와 같이, 현재까지의 연구는 모두, 환류자구를 줄임으로써 자기 변형을 저감시켜 왔다. 그러나 본 발명자들은 자기 변형이 보다 작은 재료를 사용하더라도 인간의 청각이 보다 민감하게 작용하는 비교적 높은 음역의 소음이 거의 저감되지 않는 것에 착안, 예의 연구를 하였다. 이하 실험에 기초하여 설명한다.

본 발명자들은 일정한 주파수(통상은 50Hz 또는 60Hz)로 여자시키는 변압기에서 고조파의 자기 변형이 발생하는 이유가 원만한 곡선을 이루지 않는 자기 변형 파형에 의한 것이라 생각하고 이 파형의 원만함과 피막 장력과의 관계에 대하여 검토하였다.

도 1은 피막 장력을 바꾼 2 종류의 일방향성 전자강판을 1.9T, 60Hz로 여자한 때의 자기 변형의 시간 변화를 도시한 것이다. 일방향성 전자강판의 자기 변형 파형은 레이저 조사 조건이나 피막 장력 등을 변경함으로써 크게 변화되는 것이 알려져 있다. 이 예에서는 통상적인 방법으로 제조한 일방향성 전자강판을 사용하고, 시료 1에는 피막 도포량을 통상보다 80% 적게 하여, 장력을 다소 줄였다. 피막 장력은, 편면의 피막을 산에 의하여 제거하고 강판을 만곡시켜, 이 만곡량으로부터 계산하였다(식 1). 또한, 판의 만곡량 H(mm)는, 만곡한 시료를 평판 상에 세우고, 일방의 단부에 대한 접선으로부터 타단까지의 거리를 측정하였다.

이 때, σ_B: 피막장력 (g/mm²)

E : 영율 (kg/mm²)

ν: 포아송비(= 0.3)

t : 강판의 판 두께 (mm)

T : 시료의 판 두께 (mm)

H : 판의 만곡량 (mm)

λ: 시료의 길이 (mm)

도 1에서부터 자기 변형의 최고치와 최저치와의 차 λ_p-p는 시료 1에서는 0.62×10^-6, 시료 2에서는 0.64×10^-6이며, 종래의 지표인 자기 변형 진폭의 관점에서 소음은 거의 동일한 값이 될 것으로 예측된다.

이 시료 1 및 시료 2를 60Hz에서 0T∼1.9T의 범위에서 여자시킨 때의 여자 자속 밀도 B와 자기 변형 λ_B(여자 자속 밀도가 BT인 때의 강판의 △1/1; 이른바 0-p치이다. λ₁₉는 B=1.9T인 때의 0-p치를 나타낸다)와의 관계를 도 2에 나타낸다.

λ_B로 나타내면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 피막 장력이 작은 시료 1에서는 λ_B가 모든 자속 밀도에 있어서 정(正)의 값을 나타내는데 대하여, 통상의 장력을 가지는 재료에서는 B가 1.7T까지 음으로 커진 후, 다시 높은 자속밀도로 정의 값을 나타낸다.

이 두 종류의 재료를 사용하여 630kVA의 3상 변압기를 조립하고, 이를 60Hz, 1.9T로 여자한 때의 소음을 측정하였더니, 시료 1을 사용한 것이 66dB, 시료 2를 사용한 것이 73dB로, λ_p-p가 거의 동등한데도 불구하고, 소음에 대하여는 큰 차가 발생하였다. 이때 이러한 재료의 파형을 상세하게 조사하였다.

도 3은 시료 1, 2 각각에 대하여, 60Hz, 1.9T로 여자한 때의 주파수 성분마다 자기 변형 속도 레벨(LvA)을 도시한 것이다. 이것은 자기 변형의 시간적 변화를 자속으로 고친 것을 푸리에 변환으로 주파수 마다의 강도로 분해하고, 이를 주파수마다 인간의 청감 레벨(A특성)로 보정한 값이다. 또한 청감 레벨의 보정이란 주파수마다의 감각 감도에 따른 계수를 곱하는 것이다.

도 3으로부터 주파수 성분마다 자기 변형 속도 레벨로 비교하면, 변압기를 만들 때, 소음이 큰 시료 2는 시료 1과 비교하여, 기본 주파수 성분(120Hz)에 있어서 LvA는 동등하나, 제 2 고조파 성분(240Hz) 이후에서는 오히려 커진다. 인간의 청각은 4kHz까지는 주파수가 높아질수록 청감이 크므로, 청감 보정을 한 경우 4kHz까지에서는 주파수가 높을수록 강도가 크게 보정된다. 이 때문에 시료 2는 변압기를 만든 때의 소음 레벨이 커졌다.

상기와 같이 시료 2의 고조파 성분이 높아진 이유는 자기 변형 파형의 차이에 있다고 본 발명자들은 생각하였다. 도 2를 보면 장력이 큰 시료 2에서는 λ_0-B가 여자 자속 밀도 1.7T 부근에 변곡점을 가지며, 이 이상의 자속밀도에 있어서 자기 변형이 급격하게 증가하고 있다.

피막 장력을 크게 한 시료 2는 시료 1과 비교하여 유도 자기 이방성이 크기 때문에, 1.7T 부근에 있어서 표면으로부터의 누설 자속을 억제하는 환류 자구의 발생이 많아진다. 이 환류 자구는 1.7T 이상이 되면 소멸되기 시작하며, 이에 따라서 자기 변형이 증가한다. 시료 2는 환류 자구의 변화가 커지므로, 자기 변형의 증가는 급격해지고, 이것이 고조파 성분이 되어 LvA에 반영된 것으로 발명자들은 생각하고 있다. 이와 같은 급격한 변화는 보다 높은 주파수 성분의 음을 발생시키는 원인이 되며, 전체적으로 소음 레벨을 올려 바람직하지 않다.

한편, 시료 1의 자기 변형은 급격한 변화가 없고, 모든 자속 밀도에 있어서 파형이 원만하게 증가하고 있다. 이 이유는 환류자구의 발생이 비교적 적으므로, 자기 변형이 저자속 밀도로부터 서서히 증가하기 때문에 발생하는 것으로 생각된다.

피막 장력과 LvA의 관계를 도 4에 도시한다. 피막 장력이 커짐에 따라 LvA가작아져 2.0MPa에서 극소점을 이루고 다시 증가한다. 이 때 1.7T로 측정한 이유는 이 자속 밀도에서 환류 자구가 가장 발생하기 쉽고, λ_B가 음이 되기 쉽기 때문이다. 또한 변압기의 설계 자속 밀도가 이 부근에 해당하기 때문이다.

피막 장력이 종래의 제품에 비하여 다소 작은 제품으로서, 글래스 피막을 형성하지 않는 공정으로 제조된 강판에 절연 피막을 도포한 일방향성 전자강판이 제조되고 있다.(Y.Yoshitomi, O.Tanaka,et al; Ultrathick glassless high-permeability, grain-oriented silicon steel sheets with high workability, JMMM, 160(1996), 123). 이는 종래 제품과 동등한 피막(8MPa)을 도포하고 있고 장력은 본 발명에서 청구하는 장력보다 강하다. 또한 U.S. Patent 5,961,744에는 글래스 피막이 없는 재료에 통상의 일방향성 전자강판과 동일한 절연피막을 도포한 강판이 개시되어 있다. 그러나, 이들 재료는 터빈 발전기용 철심 등에 사용하기 위한 것이고, 피막 두께는 2.5μm 이상(=8MPa 이상)을 청구하며, 양호한 타발성 및 전단 버(burr)를 억제하는 데 그 목적이 있으며, 자기변형 저감을 목적으로 하고 있지 않다.

이상의 관점으로부터 본 발명자들은 자기 변형 중에서도 소음에 영향이 강한 고차 주파수 성분을 저감하기 위하여 적절한 피막 장력을 가하고, 급격한 변화가 적은 매끄러운 자기 변형 파형을 가지는 일방향성 전자강판을 제공함으로써, 효과적으로 변압기 등 전기기기 소음을 저감할 수 있다고 생각하여 본 발명을 발명하기에 이르렀다.

다음으로 본 발명의 한정이유에 대하여 설명한다.

본 발명에서는 실제의 자기 변형 파형에 있어서 급격한 변화가 적은 조건으로서, 도 4의 결과에 기초하여, 0.5 이상부터 4.0MPa 이하의 장력을 강판에 부여하는 피막을 가지는 것이 재료의 저소음화에 대하여 양호한 범위라고 규정하였다.

하한을 0.5MPa로 한 이유는, 변압기의 철심을 만들 때 강판끼리 떨어지지 않도록 결속하는데, 그 압축력이 0.5MPa 이상이며, 이 정도의 응력에 견딜 수 있는 장력이 없으면 외부 응력에 의한 변형이 강판에 생겨, 자기 변형이 커지기 때문이다. 또한 상한을 4.0MPa 이하로 한 이유는, 이를 넘는 피막 장력이면 1.7T에 있어서 강판이 일단 줄어들고 또한 포화를 향하여 급준하게 증가하므로, 파형의 원만함을 잃고 LvA가 증가하기 때문이다. 또한 피막 장력이 바람직한 범위는 1.0MPa 이상 3.0MPa 이하이다.

λ₁₉를 1.5×10^-6이하로 한 이유는 고자장에서 종래 이상의 저소음을 얻으려면 이 조건을 충족할 필요가 있기 때문이다.

판 두께를 0.27mm 이상으로 하는 이유는 이 조건으로 변압기가 많이 조립되어 있고, 저소음화를 위하여는 이 판 두께에서 상기 조건을 충족할 필요가 있기 때문이다.

이상과 같이 피막 장력에 의하여 자기 변형 파형을 제어할 수 있는 이유는 이하와 같이 생각되고 있다. 피막 장력을 가하면 자기 변형의 역효과에 의하여 환류 자구가 소자 상태로 소멸한다. 이 소멸량은 피막 장력의 크기에 거의 비례한다. 이 자구는 자속 밀도가 약 1.7T까지 여자되면 나타나기 시작하여, 이 이상의 자속밀도에서는 다시 소멸한다. 따라서, 이 장력을 적절하게 조정함으로써 자기 변형 파형을 제어할 수 있고, 조건에 따라서는 원만한 파형을 만들 수 있다.

실시예 1

통상의 방법으로 제조한 판 두께 0.30mm의 일방향성 전자강판에 대하여, 장력이 0MPa∼7.0MPa의 범위가 되도록, 도포량을 5 조건으로 나누어 도포하였다. 이 5 시료에 대하여 1.4T, 1.7T, 1.9T로 여자한 때의 자기 변형을 레이저 도플러 방식에 의한 비접촉식 자기 변형 측정 장치에 의하여 측정하였다. 결과를 표 1에 도시한다.

이 중에서 본 발명의 파형 조건을 충족하는 시료 D와, 만족하지 않는 A, E를 사용하여 500kVA의 3상 변압기를 조립하고, 50Hz 1.5T로 여자한 상태에서, 잡음을 측정하였다. 그 결과를 표2에 도시한다.

본 발명의 조건을 만족하는 재료로 제작한 변압기에서는, 잡음을 낮출 수 있었다.

실시예2

통상의 방법으로 제조한, 판 두께 0.30mm의 일방향성 전자강판에 대하여, 장력이 0.02MPa∼7.0MPa의 범위가 되도록, 도포량을 5조건으로 나누어 장력 피막을 도포하였다.

이 5 시료에 대하여 1.4T, 1.7T, 1.9T로 여자한 때의 자기변형을 레이저 도플러 방식에 의한 비접촉성 자기 변형 측정장치에 의하여 측정하였다. 결과를 도3에 도시한다.

이 중에서 본 발명의 파형 조건을 충족하는 시료 C와, 충족하지 않는 A, E를 사용하여 500kVA의 3상 변압기를 조립하고, 50Hz 1.5T로 여자한 상태에 있어서 잡음을 측정하였다. 이 결과를 도 4에 도시한다.

본 발명의 조건을 충족하는 재료로부터 제작한 변압기로는 잡음을 낮출 수 있다.

Claims (4)

1.7T에서 자기 변형이 정(正)이 되도록 0.5MPa 이상 4.0MPa 이하의 장력을 강판에 부여하는 피막을 구비하는 저소음 변압기용 일방향성 전자강판.

일방향성 전자강판에 글래스 피막을 형성시키지 않은 상태이거나 또는 글래스 피막이 형성되어 있는 경우에는 그 글래스 피막을 임의의 방법으로 제거한 후, 표면에 코팅 방법 또는 그에 준하는 방법으로 1.7T에서 자기 변형이 정(正)이 되도록 0.5MPa 이상 4.0MPa 이하의 피막 장력을 부여하는 것을 특징으로 하는 저소음 변압기용 일방향성 전자강판의 제조방법.

제 1항에 있어서,

자기 변형 λ₁₉가 1.5×10^-6이하인 것을 특징으로 하는 저소음 변압기용 일방향성 전자강판.

여기서, λ₁₉는 여자 자속 밀도가 1.9T인 때의 0-p치를 나타냄.

제 1항 또는 제 3항에 있어서,

판 두께가 0.27mm 이상인 것을 특징으로 하는 저소음 변압기용 일방향성 전자강판.