KR101838274B1 - 표류부하손실을 저감하는 변압기 - Google Patents

Abstract

철심;
상기 철심을 둘러싸도록 동심원상으로 순차적으로 설치되는 권선;
상기 철심과 상기 권선을 포함하여 외부를 둘러싸는 외부함;
상기 외부함의 내부에 비자성 도전성재료를 구성하는 것을 특징으로 하는 표류부하손실을 저감하는 변압기에 관한 것이다.

Description

표류부하손실을 저감하는 변압기{The transformer which reduce stray loss}

본 발명은 변압기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표류부하손실이 저감된 변압기에 관한 것이다.

표류 부하손실을 저감하는 변압기가 요구되어 변압기의 철심에 지그재그로 코일을 권취하는 것으로 해결하여 왔다.

또한 권선의 와류손실이 감소되는 변압기로서 상단부와 하단부에 도체의 일부를 제거하여 목적을 달성하여 왔다.

이에 대한 종래기술을 설명하면 하기와 같다.

대한민국특허공개번호 10-2016-0103438(2016.09.01)호에 기술된 내용으로

도 1에는 변압기 권선의 누설자속과 누설자속에 의한 와류 손실을 나타내고 있다. 변압기 1차 권선(2)에 전원을 인가하면 2차 권선(3)에 전압이 유기되며, 2차 권선(3)에 흐르는 전류의 방향은 1차 권선(2)과 반대 방향으로 발생하게 된다. 이러한 영향으로 인하여 1차 권선(2)과 2차 권선(3) 사이에 누설자속이 크게 발생되며, 이렇게 구성되어 각 권선 주변에는 와전류가 발생하게 된다.

이러한 와전류로 인한 손실을 와(전)류 손실이라 한다. 와류 손실은 변압기의 누설자속의 크기와 방향, 권선 도체의 치수, 권선의 전류밀도, 도체의 저항 및 전원주파수에 영향을 받는다.

누설자속에 의한 와류 손실이 많이 발생하는 부분은 변압기 권선의 말단 부분이며, 와류 손실에 의한 국부 온도 상승(Hot-Spot) 또한 높게 측정된다.

전술한 바와 같이, 권선에서 발생하는 와류 손실의 크기에 영향을 미치는 인자는 누설자속의 최대값, 권선에 대한 자속의 입사 방향, 권선 도체의 형상 및 크기에 따른 치수, 권선의 전류밀도, 도체의 저항 및 전원주파수의 크기이다.

도 2는 종래기술의 일 실시예에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면의 개략도이다. 도면을 참조하여 종래 발명의 각실시예에 따른 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

종래기술의 일 실시예에 따른 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기는 코아인 철심(10); 상기 철심(10)을 둘러싸도록 동심원 상으로 순차적으로 설치되는 제1권선(21) 및 제2권선(26);을 포함하며, 상기 제1권선(21)의 제1 외측 상단부(22)와 제1 외측 하단부(22) 및 상기 제2권선(26)의 제2 내측 상단부(29)와 제2 내측 하단부(30)에 도체(31)의 일부가 제거되는 절개부가 형성되는 것이다.

철심(10)은 자로를 형성하도록 하고 자속밀도를 높일 수 있도록 한다. 철심(10)의 재질은 냉간 압연 방식으로 제조된 방향성 규소강판을 사용할 수 있다. 철심(10)은 열적,기계적 특성이 우수한 절연 테이프로 감싸질 수 있으며, 철심(10) 표면에는 보호용으로 방청도장 처리가 될 수 있다.

철심(10)은 동일한 크기의 강판이 적층되어 제조된다. 적층된 강판은 하나의 그룹을 이루는 층을 이룰 수 있다.

이와 같은 층이 다시 복수 개 쌓여 철심(10)을 이루게 된다.

철심(10)의 주변에 권선(20)이 철심(10)을 동심원 형태로 감싸면서 설치된다. 철심(10)에 가장 인접한 권선을 제1권선(21)이라 하고, 그 다음에 설치된 권선을 제2권선(26)이라 하기로 한다. 권선(20)은 더 많은 층으로 형성될 수 있으나 편의를 위하여 2개의 권선을 대상으로 설명하기로 한다.

단면도 상에서 제1권선(21)의 모서리를 이루고 있는 각 단부를 구분하는 부호를 붙여, 제1 외측 상단부(22), 제1 외측 하단부(23), 제1 내측 상단부(24), 제1 내측 하단부(25)로 칭하기로 한다.

마찬가지로, 단면도 상에서 제2권선(26)의 모서리를 이루고 있는 각 단부를 구분하여 제2 외측 상단부(27), 제2외측 하단부(28), 제2 내측 상단부(29), 제2 내측 하단부(30)로 칭하기로 한다.

권선의 와류 손실이 가장 크게 발생하는 권선 단부의 도체 부위가 제거되도록 형성된다. 즉, 제1권선(21)과 제2권선(26)이 마주하는 측의 상,하단부의 도체 부위가 제거된다. 다시 말하면, 제1권선(21)의 제1 외측 상단부(22)와 제1 외측 하단부(23) 및 제2권선(26)의 제2 내측 상단부(29)와 제2 내측 하단부(30)에 절개부가 형성된다.

제1권선(21)의 제1 외측 상단부(22)와 제1 외측 하단부(23) 및 제2권선(26)의 제2 내측 상단부(29)와 제2 내측 하단부(30)에 절개부가 형성됨에 따라 각 단부에 발생하는 누설자속에 따른 와류 손실이 감소하게 된다.

여기서 상기 절개부는 도2에 도시된 바와 같이 경사면으로 형성될 수 있다. 또는 별도로 도시하지는 않았지만 상기 절개부는 라운드 형태로 형성될 수 있다. 각 단부의 절개면이 라운드 형태로 형성되어 누설자속의 형태와 유사한 면을 형성하도록 하여 와류 손실을 어느정도 감소하였다.

그러나 본 발명은 종래기술보다 더욱 와류손실을 감소하는 것에 있다.

도3은 권선에 의한 와류자속은 변압기의 외함을 타고 흐르게 되고 이로 인하여 자속의 손실이 표류부하손실을 가져오는 것이다.

이를 해결하기 위하여 하기와 같은 구성을 가진다.

대한민국특허공개번호 10-2016-0103438(2016.09.01) 대한민국특허등록번호 10-1573813(2015.12.02) 대한민국특허등록번호 10-1098391(2011.12.23) 대한민국특허등록번호 10-1229631(2013.02.04)

변압기의 효율의 극대화를 위하여 기타손실을 더욱 적게 하는 구성을 가지게 하는 것이다.

특히 기타손실 가운데 표류손실을 극소화시키는 것이다.

첫째는 표류 자속이 코아와 외함외부를 흐르는 표류손실을 저감시키는 과제를 해결하는 것이다.

둘째는 코일과 외함사이의 정전용량을 작게하여 손실을 저감시키는 과제를 해결하는 것이다.

세째는 코아와 외함외부사이의 표류손실과 코일과 외함사이의 정전용량을 작게하여 손실을 저감시키는 과제를 해결하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 하기와 같은 구성을 가진다.

제1실시예로는 하기와 같은 구성을 가진다.

코아인 철심;

상기 철심을 둘러싸도록 동심원상으로 순차적으로 설치되는 권선;

상기 철심과 상기 권선을 포함하여 외부를 둘러싸는 외부함;

상기 외부함의 내부에 비자성 도전성재료를 구성하여 표류부하손실을 저감하는 변압기를 구성한다.

여기서 상기 비자성 도전성 재료는 알미늄 또는 스텐레스인 것으로 한다.

제2실시예로는 하기와 같은 구성을 가진다.

코아;

상기 코아를 단차지도록 구성하고,

상기 코아를 둘러싸도록 동심원상으로 순차적으로 설치되는 권선;

상기 코아와 상기 권선을 포함하여 외부를 둘러싸는 외부함;

상기 외부함과 가장 근거리에 있는 모서리 부분의 권선과의 거리를 크게하기 위하여 절개형상으로 구성하는 것을 특징으로 하는 표류부하손실을 저감하는 변압기를 구성한다.

여기서 상기 단차진 코아에 알루미늄판을 동심원상으로 구성한다.

여기서 상기 외부함의 내부에 비자성 도전성 재료를 구성하는 것이 표류부하손실을 더욱 저감할 수 있다.

바람직하기로는 상기 비자성 도전성 재료는 알미늄 또는 스텐레스인 것이 좋다.

제3실시예로는 제1실시예와 제 2실시예를 결합하는 것이다.

코아;

상기 코아를 단차지도록 구성하고,

상기 코아를 둘러싸도록 동심원상으로 순차적으로 설치되는 권선;

상기 코아와 상기 권선을 포함하여 외부를 둘러싸는 외부함;

상기 외부함의 내부에 비자성 도전성재료를 구성하고,

상기 외부함과 가장 근거리에 있는 모서리 부분의 권선과의 거리를 크게하도록 구성하여 표류부하손실을 저감하는 변압기를 구성하는 것이다.

변압기의 기타손실 특히 표류손실을 극소화 시켜 변압기의 효율을 개선하는 것이다.

첫째효과로는 표류 자속이 코아와 외함외부를 흐르는 표류손실을 저감시키는 효과를 나타낸다.

둘째효과로는 코일과 외함사이의 정전용량을 작게하여 손실을 저감시키는 효과를 나타낸다.

세째효과로는 코아와 외함외부사이의 표류손실과 코일과 외함사이의 정전용량을 작게하여 손실을 저감시키는 효과를 나타낸다.

제1도는 변압기 권선의 누설자속과 누설자속에 의한 권선 단부 와류 손실을 나타내고 있다.
제2도는 종래기술의 일 실시예에 따른 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기에 대한 변압기의 철심과 권선의 단면의 개략도이다.
제3도는 변압기 외함을 타고 표류부하손이 발생하는 것을 나타내는 도이다.
제4도는 제1실시예의 도로써 변압기 외함의 내부에 비자성 도전체인 알루미늄을 구성한 것을 나타내는 도이다.
제5도는 제2실시예의 도로써 일반변압기의 외부함과 권선의 모서리 길이를 크게하기 위하여 절개의 형상을 가진 것을 보이는 도이다.
제6도는 제3실시예의 도로써 제5도에 차폐판을 구성한 것을 보이는 도이다.

과제를 해결하기 위하여 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 하기와 같다.

고효율 주상변압기는 코일과 외함 사이에 자기차폐 구조물이 없는 상태로 제작이 되어 변압기에서 발생하는 누설자속에 의하여 표류부하 손실이 많이 발생한다. 즉 누설자속이 변압기 외함을 통과하면서 손실이 발생하게 되는데 시간이 지남에 따라 더욱더 손실을 저감하기 위한 노력이 있어왔다.

손실가운데 본 발명에서 다루고자 하는 문제는 표류부하손실의 감소에 관한 것이다.

자속은 대부분 코아와 코일사이를 지나게 되는데 이때 코일과 외함의 외부에 흐르는 자속을 감소시키는데 본 발명은 탁월한 효과가 발휘되는 것이다.

외함 내부에 스텐레스 및 알루미늄등 비자성 도전성 재료로 자기차폐를 설치하면 변압기에서 발생하는 누설자속에 의한 표류부하 손실이 감소한다.

손실의 감소량은 10~15%정도로 변압기의 용량이나 부하전류에 따라 변하게 된다.

본 발명에서는 표류부하손을 줄이기 위하여 비자성 도전성 재료인 알루미늄 또는 스테인레스로 하였다.

또한 정전용량을 줄여서 부하손실을 방지하는 것이다.

정전용량은 거리에 반비례하고 전극의 면적에 비례하며 유전체의 유전율에 비례한다.

본 발명에서는 외함과 코일사이의 거리를 길게 구성하여 정전용량을 축소시키는 것이다.

코일과 외함사이를 길게 구성하는데는 외함의 크기를 자연적으로 크게되어 이로 인한 비용이 증가됨으로 한계가 있는 것이다.

따라서 본원발명에서는 코일의 코너부분의 길이를 작게 구성하여 외함의 크기를 늘리지 않으면서 정전용량을 감소시키는 효과를 발휘하도록 구성한 것이다.

제1실시예로는 도4 에의하여 설명하면 하기와 같다.

코아인 철심(400)

상기 코아를 둘러싸도록 동심원상으로 순차적으로 설치되는 권선(500)

상기 코아와 상기 권선을 포함하여 외부를 둘러싸는 외부함(600)

상기 외부함의 내부에 비자성 도전성재료인 차폐판(700)를 구성하여 표류부하손실을 저감하는 변압기를 구성한다.

여기서 상기 비자성 도전성 재료는 알미늄 또는 스텐레스인 것이 좋다.

본 출원인은 실험에서 알미늄은 1mm두께로 원통형상으로 말아서 사용하였다. 작업성이 뛰어나고 가격이 저렴하다.

가공후에 용접이 용이하다.

스텐레스강판 역시 1mm의 두께로 원통형상으로 말아서 사용하는 것이 좋다.

원통형으로 가공후에 용접이 어렵다는 단점이 있고 가격이 알미늄에 대하여 비싸다.

따라서 알미늄을 사용하는 것이 가격 대 성능현상이 탁월하다.

이렇게 구성하면 자속이 차폐되어 표류부하손실이 줄어든다.

차폐된 외함과 코일사이의 공간부에서의 자속의 누설은 피할 수 없으나 차폐된 외함의 외부로 누설되는 자속의 양을 줄임으로 기타손실이 줄어들게 되는 것이다.

하기표는 이건출원에 대한 발명인이 직접 알미늄판을 변압기 외함의 내부에 부착한 상태로 실험을 계속한 것이다.

이를 표로 정리하면 하기와 같다.

표1은 일반변압기의 용량별로 표류손실을 나타내는 표이다.

차폐판인 알루미늄판을 사용하기 전의 용량별 저항손실과 기타손실을 표시하는 것이다. 기타손에는 표류손실이 포함되어있는 것이다.

손실의 단위는 watt이다.

일반변압기
용량	I2R손	기타손	효율	손실합계
20KVA	189	43	98.85%	232
30KVA	275	52	98.92%	327
50KVA	407	94	99.00%	501
75KVA	530	151	99.10%	681
100KVA	673	178	99.15%	851
200KVA	2011	209	98.90%	2220
250KVA	2053	313	99.06%	2366
300KVA	2462	391	99.06%	2853
500KVA	3880	721	99.09%	4601
750KVA	5696	1109	99.10%	6805
1000KVA	6283	1985	99.18%	8268
1500KVA	7900	2971	99.28%	10871
2000KVA	8501	4161	99.37%	12662

효율개선식으로는 하기와 같은 구성을 통하여 구하는 것이다.

20KVA 내지 100KVA는 단상변압기 계산이다.

200KVA 내지 2000KVA는 삼상변압기 계산이다.

표2는 표1의 일반변압기에 알미늄판으로 변압기의 외함의 내면에 감싼 상태에서 측정한 기타손실의 저감을 보이는 것이다.

20KVA에서 기타손은 43watt이다.손실합계는 232watt이다.

차폐변압기
용량	I2R손	기타손	효율개선	손실합계
20KVA	189	17	98.98%(+0.13%)	206
30KVA	275	20	99.03%(+0.11%)	295
50KVA	407	35	99.12%(+0.12%)	442
75KVA	530	53	99.23%(0.13%)	583
100KVA	673	58	99.27%(0.12%)	731
200KVA	2011	30	98.99%(0.09%)	2041
250KVA	2053	78	99.15%(0.09%)	2131
300KVA	2462	108	99.15%(0.09%)	2570
500KVA	3880	248	99.18%(0.09%)	4128
750KVA	5696	304	99.21%(0.11%)	6000
1000KVA	6283	632	99.31%(0.13%)	6915
1500KVA	7900	824	99.42%(0.14%)	8724
2000KVA	8901	1149	99.50(0.13%)	10050

20KVA 내지 100KVA는 단상변압기 계산이다.

200KVA 내지 2000KVA는 삼상변압기 계산이다.

알미늄판으로 인한 표류부하손이 작아짐으로 인하여 효율이 개선되고 있는 것을 보이는 도이다. 예를 들면 20KVA에서 기타손이 26watt가 저감되었다.

여기서 알루미늄판으로 차폐를 하므로 20KVA에서 전체효율개선은 0.13%이다.

차폐변압기의 전체효율개선은 0.11%에서 0.13%로 개선되었다.

효율개선에 있어서 상기의 수치는 매우 획기적인 것이다.

효율개선을 하여 더 이상 효율개선의 여지가 없는 입장에서 상기의 효율개선으로 인하여 출원인은 변압기 분야에서 상당한 경쟁력을 가지게 되었다.

표3에서는 표1과 표2에 대하여 전체손실절감율과 기타손실절감율을 수치로 보이는 것이다.

용량	일반변압기 손실합계	차페변압기 손실합계	전체손실 절감율	기타손실 절감율
20KVA	232	206	11.20%	60.40%
30KVA	327	295	9.80%	61.50%
50KVA	501	442	11.78%	62.77%
75KVA	681	583	14.39%	64.90%
100KVA	851	731	14.10%	67.42%
200KVA	2220	2041	8.06%	85.65%
250KVA	2366	2131	9.93%	75.08%
300KVA	2853	2570	9.92%	72.38%
500KVA	4601	4128	10.28%	65.60%
750KVA	6805	6000	11.83%	72.59%
1000KVA	8268	6915	16.36%	68.16%
1500KVA	10871	8724	19.75%	72.27%
2000KVA	12662	10050	20.63%	72.39%

20KVA 내지 100KVA는 단상변압기 계산이다.

200KVA 내지 2000KVA는 삼상변압기 계산이다.

20KVA에서는 전체손실율에서는 11.20%가 절감되었다.

기타손실율에서는 60.4%가 절감되었다.

75KVA에서는 전체손실율에서는 14.39%가 절감되었다.

기타손실율에서는 64.9%가 절감되었다.

특히 2000KVA에서는 전체손실율이 20.63%로 절감되었다.

기타손실율에서는 72.39%로 절감되었음을 알 수 있다.

제2실시예에 의한 설명을 5도에 의하여 설명하기로 한다.

제5도에 의하여 설명하면 하기와 같다.

코아인 철심;(400)

상기 코아를 단차지도록 구성한다. 본 발명에서는 가로 세로 15mm로 단차되도록 구성하였다.

단차거리(b,c)가 15mm로 구성하고 상기 단차진 코아에 알루미늄판을 동심원상으로 구성한다.

상기 알루미늄판의 상부로 동심원상으로 순차적으로 설치되는 권선(300);

상기 코아와 상기 권선을 포함하여 외부를 둘러싸는 외부함(600);

상기 외부함과 가장 근거리에 있는 모서리 부분의 권선과의 거리가 상기와 같은 구성을 통하여 a의 거리는 이전보다 6mm정도 이격거리가 증가된다.

이렇게 구성함으로써 외함과 코일사이에 거리가 증가함으로 정전용량이 적어짐으로 이로 인한 손실이 적어지게 된다.

이렇게 구성하여 표류부하손실을 저감하도록 변압기를 구성하는 것이다.

거리가 단축되면 될수록 변압기에 과도현상이 발생하게되고 권선이 소손되는 일이 발생할 수 있다.

또한 외부함과 권선의 모서리 부분의 거리가 가까워지면 표류부하자속의 밀도가 높아진다. 이렇게 하여 표류부하손이 많아지게 된다.

1일시예는 외부함을 알루미늄 및 스테인 레스로 하는 비자성도전체로 구성하여 차폐로 인한 부하손실을 축소시키고 ,

2실시예는 코일과 외함사이의 거리를 늘려서 정전용량을 줄여서 손실을 줄이는 것이다.

3실시예는 도6에 도시한 것으로 1실시예와 2실시예를 결합하여 구성한 것으로 더욱 표류손실을 줄이는 것이다.

코아;(400)

상기 코아를 단차지도록 구성하고,(455)

상기 코아를 둘러싸도록 동심원상으로 순차적으로 설치되는 권선(500);

상기 코아와 상기 권선을 포함하여 외부를 둘러싸는 외부함(600);

상기 외부함의 내부에 비자성 도전성재료를 구성하고(700),

상기 외부함과 가장 근거리에 있는 모서리 부분의 권선과의 거리(a)를 크게하도록 구성하는 표류부하손실을 저감하는 변압기를 구성하는 것이다.

여기서 단차지도록 구성한 코아에 알루미늄판을 감싸고 그의 상부에 코일선을 감는 것이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

2:변압기 1차권선 3:변압기 2차권선
10,40,400:철심 20:권선 21:제1권선 22:제1외측 상단부
23:제1외측하단부 24:제1내측 상단부 25:제1내측 하단부
26:제2권선 27:제2외측상단부 28:제2외측하단부
29:제2내측상단부 30:제2내측하단부 450:제2철심 455:단차 구성
50,500:권선 55,56,550:누설자속 60,600:철판외함
560:절개형상 700:차폐판 800:절연유

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 코아;
   상기 코아의 단면을 직사각형 형상으로 구성하고 ,
   상기 코아를 외부면과 내부면으로 구성하되,
   상기 코아가 외함방향으로 배치되는 면을 외부면으로 하며,
   상기 코아의 내부방향으로 배치되는 면을 내부면으로 하되,
   상기 코아를 둘러싸도록 동심원상으로 순차적으로 설치되는 권선;
   상기 코아와 상기 권선을 포함하여 외부를 둘러싸는 외부함;
   상기 코아는 상기 외부함과 가장 근거리에 있는 모서리 부분의 권선과의 거리를 크게 하기 위하여 상기 코아의 외부면 모서리를 코아의 내부로 단차지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 표류부하손실을 저감하는 변압기.
   
4. 삭제
5. 제3항에 있어서 상기 외부함의 내부에 비자성 도전성 재료를 구성한것을 특징으로 하는 표류부하손실을 저감하는 변압기.
   
6. 제5항에 있어서 상기 비자성 도전성 재료는 알미늄 또는 스텐레스인 것을 특징으로 하는 표류부하손실을 저감하는 변압기.
   
7. 삭제

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