KR101967877B1 - 변압기 철심과 권선 조립방법 및 그를 이용한 변압기 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하기와 같은 구성을 가진다.
내부의 철심을 포함한 6~8장의 1단계 숫철심 패킷(male core packet)을 1차 권선과 2차 권선 사이에 삽입하는 제 1단계과정;
내부의 철심을 포함한 6~8장의 1단계 암철심 패킷(female core packet)을 반대쪽의 1차 권선과 2차 권선 사이로 삽입하는 제 2단계과정;
상기 제1단계에서 삽입한 철심 외부로 6~8장의 상기 제2단계 숫철심 패킷을 삽입하는 제3단계과정;
상기 제 2단계에서 삽입한 철심 외부로 6~8장의 상기 제 2단계 암철심 패킷을 삽입하는 제4단계과정;
최외곽의 철심을 삽입할 때까지 상기 과정을 반복하는 변압기 철심과 권선 조립방법에 관한 것이다.

Description

변압기 철심과 권선 조립방법 및 그를 이용한 변압기 제조방법{Method of assembling transformer core and winding, and method of manufacturing transformer using same}

변압기 제조 공정 중 열처리(소둔) 과정을 없애 전력 소모를 줄이고 원가를 절감시키는 변압기 제조 방법 및 그를 이용한 변압기 발명에 관한 것이다.

지구온난화 및 이상기후의 원인이 되고 있는 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 사회적, 국가적 관심이 커지면서 산업 제조 현장에서 에너지의 효율적인 사용에 대한 요구가 증대되고 있다.

변압기에서 가장 중요한 요소는 전력이 열로 소비되어 에너지가 손실되는 것으로 손실에는 철손과 동손이 있는데 철손은 철심에서 자기장의 변화에 의해 발생하는 히스테리시스손과 와전류에 의해 발생하는 와류손이 있고, 변압기에 부하가 걸릴 때 권선 저항에서 발생하는 저항손과 누설자속에 의해 발생하는 표류부하손이 있으며, 이들 손실 중 철손이 변압기의 특성에 가장 큰 영향을 미친다.

변압기는 철심의 형태에 따라 철심을 한 장씩 쌓아서 만든 적철심 변압기와철심을 감아서 만든 권철심 변압기로 구분하며, 한전에서 년 평균 10만대 씩 신규 구매하는 주상변압기는 대부분이 유입식 권철심 변압기이다.

일반적으로 기존의 권철심 변압기 제조 공정은 도면 1에 나타난 바와 같이 규소강판 절단단계, 철심성형단계, 포밍단계, 열처리단계, 절연물가공단계, 권선단계, 중신조립단계, 열풍건조단계, 절연유주입 및 완성조립단계, 제품시험단계로 구성된다.

규소강판 절단단계는 규소강판을 필요한 치수로 절단하는 공정이다.

철심성형단계는 절단된 철심을 Round Jig 안에 필요한 두께가 되도록 환형으로 겹쳐 쌓아 성형하는 공정이다.

포밍단계는 환형으로 성형된 철심을 사각형 모양으로 눌러 변형시켜 고정시키는 공정이다.

도면 2a는 포밍단계를 거친 철심 형태의 예시도이다.

열처리단계는 포밍 과정 중에 발생한 기계적 응력을 보상 복원하기 위하여 철심을 가열 및 냉각시키는 공정이다. 포밍 및 열처리 과정이 끝난 철심은 철심끼리 조밀하게 밀착되어 있게 된다.

절연물가공단계는 절연지 등의 절연물을 가공하는 공정이다.

권선단계는 변압기의 1차(고압부) 및 2차(저압부) 코일을 감는 단계이다

중신조립단계는 권선단계에서 감아진 권선과 열처리과정이 끝난 철심을 조립하는 공정이다.

하나의 철심을 벌린 상태를 보이는 도2b에 의하여 설명하면 하기와 같다.

철심을 권선과 조립하기 위해서 철밴딩(11)을 풀고 철심을 6~8장 씩 떼어내 권선에 끼워 넣는 과정을 반복하게 된다. 권선 사이로 철심을 끼워 넣기 위해서는 철심을 벌려서 넣게 되는데 이 과정에서 물리적인 스트레스를 받게 되고 조밀하게 밀착되어 있던 철심 사이에 미세하게나마 공간이 생김으로써 철손이 증가하게 된다. 열처리가 끝난 후와 중신 조립이 끝난 후의 철손을 측정해보면 보통 10% 내외의 철손 열화가 발생함을 알 수 있다.

이후 단계에 해당하는 단계는 열풍건조단계는 중신 속의 습기를 제거하여 변압기 성능을 향상시키기 위하여 조립된 중신을 건조로에서 열풍 건조하는 공정이다.

절연유주입 및 완성조립단계는 외함에 중신과 절연유를 주입하고 부품 및 완제품을 조립하는 공정이다.

제품시험단계는 완성된 변압기의 품질 및 특성을 검사하는 공정이다.

열풍건조단계에서 제품시험단계는 본 발명과 배경이 되는 발명과 동일하다.

기존 제조 공정의 포밍단계에서는 철심 전체가 응력을 받아 대략 30% 정도 철손이 증가하기 때문에, 열처리에 의해 응력을 완전히 제거하지 않으면 잔류응력으로 남게 되며, 열처리 후에도 냉각속도가 빠른 경우 열응력을 받아 잔류응력이 발생하게 된다.

이처럼 포밍 과정에서 증가된 철손을 포밍 과정 전의 철손값까지 줄이기 위하여 일반적으로 다음의 조건으로 열처리 과정을 거친다.

가장 좋은 연자성체의 자기적 특성을 나타내는 850℃에서 열처리를 한다.

열처리 후 열응력에 의한 잔류 응력의 발생을 막기 위해 시간당 100℃ 이하로 냉각한다.

500℃가 지난 후에는 공냉 방식으로 냉각 시킨다.

열처리 시간은 6~8시간 하는 것이 바람직하다.

이처럼 850℃에서 6~8시간 동안의 열처리 과정에서 많은 전력을 소모한다.

또한 기존 공정의 열처리 과정에서 보통 변압기를 소둔로에 상단, 중단, 하단의 3단으로 쌓아서 열처리를 하게 되는데 열처리 후에 철손을 측정해보면 적층된 단에 따라 최대 7%의 철손 편차가 발생한다.

기존 공정에 따라 당사에서 제조한 변압기의 열처리 후 철손 분포 예시

열처리 위치	철손(W)
상단 적층	120.94
	119.80
	120.40
	119.60
	120.73
	120.10
중단 적층	124.98
	125.20
	124.40
	125.60
	124.40
	123.90
하단 적층	125.90
	126.10
	125.70
	127.00
	126.95
	127.60

종래기술에서는 균일한 품질의 변압기를 제조할 수 없는 것으로 이에 본발명은 균일한 품질의 변압기를 생산하여야 하는 과제를 해결한 것이다.

또한 철손이 가장 많이 발생하는 포밍단계와 열처리 단계를 생략하고 중신조립단계에서 발생하는 철손을 방지하는 기술이 필요한 것이다.

본 발명은 이와 같은 배경하에서 과제를 해결하고자 하는 것이다.

일본국특허공보 번호제6362814(2018.07.06) 일본국특허공보 번호제6354076(2018.06.22)

본 발명의 첫번째 과제는 기존 변압기 제조 공정에서 철심의 성형 방법을 달리하여 포밍과 열처리 과정을 없애 변압기 생산에 소비되는 전력을 40% 이상 줄이면서도 변압기의 철손에는 변화가 없는 변압기 제조 공정과 개선된 공정으로 제조된 변압기를 제공하는 것이다.

본 발명의 두번째 과제는 절단된 철심이 기계에 의해 접혀져 나오면서 성형되므로, 철심을 접는 위치에서만 응력을 발생시키기 때문에 철심의 평균 경로 길이(MPL)가 증가하면 스트레스 영역의 백분율이 감소하여 열처리에 의한 철손 감소의 이점이 무시할 수 있을 정도로 낮아져 열처리가 불필요해지는 것을 제공하는 것이다.

기존의 열처리 공정에서는 열처리하는 시간을 6~8시간을 소요하기 때문에 시간을 절약할 수 있어 시간당 생산량을 늘릴 수 있는 것으로 단위시간당 생산량을 획기적으로 늘릴 수 있는 것으로 단위 시간당 생산량을 늘리는 과제를 해결한 것이다.

본 발명에서는 열처리를 하지 않아 균일한 품질의 변압기를 제조할 수 있는 과제를 해결한 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 중신을 조립하는 과정은 하기와 같은 과정을 가진다.

내부의 철심을 포함한 6~8장의 제1 숫철심 패킷(male core packet)을 1차 권선과 2차 권선 사이에 삽입하는 제 1단계과정;

내부의 철심을 포함한 6~8장의 제1 암철심 패킷(female core packet)을 반대쪽의 1차 권선과 2차 권선 사이로 삽입하는 제 2단계과정;

상기 제1단계과정에서 삽입한 철심 외부로 6~8장의 제2 숫철심 패킷을 삽입하는 제3단계과정;

상기 제 2단계과정에서 삽입한 철심 외부로 6~8장의 제2 암철심 패킷을 삽입하는 제4단계과정;

최외곽의 철심을 삽입할 때까지 철심패킷을 삽입하는 단계를 반복하는 변압기 중신의 조립방법을 갖는다.

또한 권철심 변압기 제조방법은 하기와 같다.

강판을 절단하는 단계;

상기 강판을 굽히는 철심성형단계;

절연물을 가공하여 1차 코일 및 2차 코일을 감는 권선단계;

상기 권선과 상기 철심을 조립하는 중신조립단계;

상기 중신조립단계 후에 상기 중신 내부에 습기를 제거하여 변압기 성능을 향상시키기 위해 열풍으로 건조하는 열풍건조단계;

상기 열풍건조단계 후에 절연유를 주입한 외함에 건조된 상기 중신을 삽입하여 완제품인 변압기를 조립하는 단계;

상기 완제품의 품질 및 특성을 검사하는 단계를 갖는 것으로 본 발명의 권철심 변압기 를 제조하는 방법을 갖는다.

본 발명의 첫번째 효과는 기존 변압기 제조 공정에서 철심의 성형 방법을 달리하여 포밍과 열처리 과정을 없애고 변압기 생산에 소비되는 전력을 40% 가까이 줄이면서도 변압기의 철손에는 변화가 없는 변압기 제조 공정과 개선된 공정으로 제조된 변압기에 관한 발명이다.

본 발명 두번째 효과는 절단된 철심이 기계에 의해 접혀져 나오면서 성형되므로, 철심을 접는 위치에서만 응력을 발생시키기 때문에 철심의 철손이 미미하여 열처리에 의한 철손 감소의 이점을 무시할 수 있을 정도로 낮아져 열처리가 불필요해지는 것이다.

본 발명의 세번째 효과는 열처리를 하지 않아 균일한 품질의 변압기를 제조할 수 있는 장점이 있는 것이다.

본 발명의 네번째 효과는 기존의 공정에서 열처리하는 시간을 6~8시간을 하기 때문에 본 발명은 해당시간 만큼 시간을 절약할 수 있어 시간당 생산량을 늘릴 수 있는 것으로 단위시간당 생산량을 획기적으로 늘릴 수 있는 것이다.

제1도는 기존의 권철심 변압기 제조 공정을 보이는 도이다.
제2a도는 포밍단계를 거친 철심 형태의 예를 보여주는 도이다.
제2b도는 하나의 철심을 벌린 상태를 보이는 도이다.
제3a도는 철심을 절단하여 굽히는 과정을 보이는 도이다.
제3b도는 스트레스에어리어를 보이는 도이다.
제3c도는 응력을 받는 영역의 백분율을 보이는 도이다.
제4도는 2차권선을 감는 과정을 보이는 도이다.
제5도는 1차권선을 감는 과정을 보이는 도이다.
제6a도는 권선의 내부로 철심을 조립한 상태를 보이는 도이다.
제6b도는 철심을 권선에 조립하는 순서를 보이는 도이다.
제6c도는 제6b도에 이어 조립한 권선의 반대쪽으로 철심을 삽입하는 것을 보이는 도이다.
제6e도는 철심과 권선 조립이 완료된 것을 보이는 도이다.
제7도는 완성된 변압기를 보이는 도이다.
제8도는 완성된 변압기를 테스트하는 것을 보이는 도이다.

용어의 정의

중신조립방법:변압기 철심과 권선을 조립하는 방법을 의미한다.

본 발명은 기존 변압기 제조 공정에서 철심의 성형 방법을 달리하여 포밍과 열처리 과정을 없애 변압기 생산에 소비되는 전력을 50% 가까이 줄이면서도 변압기의 철손에는 변화가 없는 변압기 제조 공정과 개선된 공정으로 제조된 변압기에 관한 발명이다.

본 발명 공정에서는 절단된 철심이 기계에 의해 접혀져 나오면서 성형되므로, 철심을 접는 위치에서만 응력을 발생시키기 때문에 철심의 평균 경로 길이(MPL)가 증가하면 스트레스 영역의 백분율이 감소하여 열처리에 의한 철손 감소의 이점이 무시할 수 있을 정도로 낮아져 열처리가 불필요해지는 것이다.

본 발명 공정에 따른 철심의 절단, 접음단계에서는 철심 원재료 대비 10% 정도의 철손의 증가가 발생한다.

기존의 권철심 변압기를 제조하는 공정 방법에서는 열처리를 거쳐 향상된 철손 성능이, 철심과 권선을 조립하는 중신 조립 과정에서 다시 철손의 저하가 발생한다. 즉 열처리가 끝난 철심을 6~8장 씩 떼어내 권선에 끼워 넣는 과정이 반복되면서 물리적인 스트레스를 받음으로써 철손이 보통 10% 내외로 증가한다.

본 발명의 공정에서는 다음과 같은 과정을 거쳐서 철심과 권선을 조립하기 때문에 중신조립 과정에서 철손 증가가 거의 발생하지 않는다.

철심의 응력부위가 감소되어 응력을 받는 백분율은 현저히 줄어든다.

도3a 는 철심을 절단하고 접는 과정을 보이는 도이다.

접는 과정에서 스트레스 영역에 대하여는 도3b,3c에 의하여 자세히 설명하면 하기와 같다.

각 코너는 8군데 이다.

스트레스 영역(111,112,113,114.115,116,117,118)은 5mm 인 것으로 평균경로길이(MPL)는 길이가 길수록 응력을 받은 영역의 백분율은 현저히 줄어든다.

스트레스 영역은 8군데 이므로 평균경로길이와 관계없이 스트레스 전체 영역은 5*8=40mm 인데 대하여 평균경로길이가 200mm 일 경우에는 40/200=0.2로 20%에 해당한다.

이에 대하여 평균경로길이가 2000mm 일 경우에는 40/20,000=0.02 로 2%에 불과하다.

이렇게 하여 접는 방식은 스트레스 영역을 제한적으로 하여 스트레스로 인한 포밍이 별도로 필요없게 되는 것이다.

더우기 변압기가 큰 경우는 스트레스 영역으로 인한 잔류응력이 무시할 정도로 적은 것임은 앞에서 설명한 바와 같다.

기존의 발명은 절단을 하고 스택킹하여 다시 원형의 밴드로 묶어 사각형의 포밍단계를 거치면서 대략 30%에 상당하는 응력을 제거하기 위하여 열처리과정을 반드시 가지게 되는 것이다.

그러나 본 발명은 접는 방식을 선택하므로 포밍과정과 열처리과정을 거치지 않게 되는 것이다.

도4는 2차권선(210)을 제조하는 과정을 보이는 도이다.

2차 권선의 경우는 알루미늄판으로 하는 경우가 일반적이다.

도5은 1차권선(220)을 제조하는 과정으로 2차권선을 알루미늄판으로 보빈에 감은 후에 절연지(500)를 감싸고 그의 상부에 1차권선을 감는 것을 보이는 도이다.

도3 내지 도5에 구성된 것을 조립하는 방법으로는 하기와 같은 방법을 가진다.

본 발명의 공정에서의 중신 조립 방법은 다음과 같다.

본 발명의 공정에서는 다음과 같은 과정을 거쳐서 철심과 권선을 조립하기 때문에 중신조립 과정에서 철손이 증가하지 않게 된다.

도6a,6b,6c에 의하여 설명하면 하기와 같다.

도6a에서는 철심과 권선을 조립한 상태를 보이는 도이다.

도6b 내지 도6e에 의하여 권선 내부에 철심을 조립하는 과정을 보이는 것이다.

1단계로는 가장 안쪽의 철심을 포함한 6~8장의 제1 숫철심 패킷(male core packet;150)을 권선과 권선 사이에 끼워 넣는다.

2단계로는 가장 안쪽의 철심을 포함한 6~8장의 제1 암철심 패킷(female core packet;160)을 반대쪽의 권선과 권선 사이로 끼워 넣는다.

3단계로는 1단계에서 끼워 넣은 철심 바깥으로 6~8장의 제2 숫철심 패킷(170)을 끼워 넣는다.

4단계로는 1단계에서 끼워 넣은 철심 바깥으로 6~8장의 제2 암철심 패킷(180)을 끼워 넣는다.

5번째 단계로는 가장 바깥쪽의 철심을 끼워 넣을 때까지 위 과정을 반복한다.

암철심패킷과 숫철심 패킷은 편의상 설명을 위하여 명명한 것이다.

중신 조립 과정에서 철심은 기계에서 절단 및 굽혀져 나온 그 상태로 권선 사이로 끼워지고, 철심의 전체 적층 두께와 권선의 가운데 공간의 두께가 같도록 설계되었기 때문에 철심과 철심의 접촉 밀도가 뛰어나 추가적인 철심의 열화가 발생하지 않게 된다.

기존 공정 및 본 발명 공정에서의 철손 변화 비교

기존 공정	단계	원재료	절단, 성형, 포밍	열처리	중신조립
	철손	100	130	100	110
본 발명 공정	단계	원재료	절단, 굽힘	-	중신조립
	철손	100	110		110

기존의 공정은 포밍단계에서 30% 정도 증가한 철손이 열처리단계를 거쳐 원상으로 회복되고, 중신조립하는 과정에서 10%의 철손이 증가하여 전체적으로 110인데 대하여, 본 발명의 공정은 굽힘단계에서 10%의 철손이 증가하고 중신을 조립하는 과정에서는 철손의 증가가 없어 전체적으로 110%에 해당하는 것으로 동일하다.

기존 공정의 전력 사용량

공정단계	장비명 (전력-kW))	전력량 (kWh)	단위생산당 사용시간 (h)	단위생산당 전력량 (kWh)	비고
철심절단	절단기(1.5kW)	1.5	0.5	0.75
	언코일러(2.2kW)	2.2	0.5	1.1
철심성형	와인딩(2kW)	2	0.5	1.0
	포밍(2kW)	2	0.1	0.2
권선	1차권선기(2.2kW)	2.2	0.5	1.1
	2차권선기(2.5kW)	2.5	0.5	1.25
열처리	소둔로(60kW)	2.4	4.0	9.6	25대/회 작업
열풍건조	건조로(30kW)	1	7.0	7.0	30대/회 작업
절연유 주유	진공여과기(2.2kW)	2.2	0.1	0.22
진공 탈기	진공탈기장치(2.2kW)	2.2	0.1	0.22
계				22.44

본 발명 공정의 전력 사용량

공정단계	장비명 (전력-kW))	전력량 (kWh)	단위생산당 사용시간 (h)	단위생산당 전력량 (kWh)	비고
철심절단	절단기(1.5kW)	1.5	0.5	0.75
	언코일러(2.2kW)	2.2	0.5	1.1
권선	1차권선기(2.2kW)	2.2	0.5	1.1
	2차권선기(2.5kW)	2.5	0.5	1.25
열풍건조	건조로(30kW)	1	7.0	7.0	30대/회 작업
절연유 주유	진공여과기(2.2kW)	2.2	0.1	0.22
진공 탈기	진공탈기장치(2.2kW)	2.2	0.1	0.22
계				11.64

본 발명의 공정에서는 기존공정에서 철심성형과 열처리가 없으므로 철심성형의 단위생산당 전력량이 1.2KWH 이고 열처리 단위 생산당 전력량이 9.6KWH로 전체 10.8KWH가 절감되는 것이다.

기존의 공정과 철손이 동일하면서 생산전력량은 50%가까이 절감하는 효과가 있는 것이다.

열처리하는 시간을 6~8시간을 하기때문에 시간을 절약할 수 있어 시간당 생산량을 늘릴 수 있는 것으로 단위시간당 생산량을 획기적으로 늘릴 수 있는 것이다.

본 발명에서는 열처리를 하지 않아 균일한 품질의 변압기를 제조할 수 있는 장점이 있는 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.

100:철심 110:굽히는 영역 111~118:응력을 받는 영역
150:1단계 숫철심 패킷 160:1단계 암철심 패킷
170:2단계 숫철심 패킷 180:2단계 암철심 패킷
200:권선 210:2차 권선 220:1차 권선
400:완성된 변압기 500:절연물

Claims (3)

1. 삭제
2. 강판을 절단하는 단계;
   절단된 상기 강판이 접혀지는 접음단계를 가지되,
   상기 접음단계에서는 접는 위치에서만 응력을 발생시키기 때문에 강판의 철심평균 경로 길이가 증가하면 스트레스 영역의 백분율이 감소하여 열처리에 의한 철손 감소의 이점이 무시할 수 있을 정도로 낮아져 열처리가 불필요해지는 철심성형단계;
   1차 코일 및 2차코일과 상기 철심성형단계에서 성형된 복수의 철심들을 조립하되,
   상기 복수의 철심들은 상기 철심성형단계에서 절단 및 굽혀져 나온 그 상태로 권선 사이로 삽입되는 중신조립단계;
   상기 중신조립단계 후에 상기 중신 내부의 습기를 제거하여 변압기 성능을 향상시키기 위해 열풍으로 건조하는 열풍건조단계;
   상기 열풍건조단계 후에 절연유를 주입한 외함에 건조된 상기 중신을 삽입하여 완제품인 변압기를 조립하는 단계;
   상기 완제품으로 품질 및 특성을 검사하는 단계를 갖되,
   상기 복수의 철심의 전체 적층 두께와 상기 1차코일 및 상기 2차코일의 가운데 공간의 두께가 같도록 구성되어 상기 복수의 철심들끼리 접촉 밀도가 뛰어나 추가적인 철심의 열화가 발생하지 않도록하는 것을 특징으로 하는 변압기 제조방법.
   
3. 제2항에 있어서 상기 중신조립단계는
   내부의 철심을 포함한 6~8장의 제1 숫철심 패킷(male core packet)을 권선과 권선 사이에 삽입하는 제 1단계과정;
   내부의 철심을 포함한 6~8장의 제1 암철심 패킷(female core packet)을 반대쪽의 권선과 권선 사이로 삽입하는 제 2단계과정;
   상기 제1단계과정에서 삽입한 철심 외부로 6~8장의 제2 숫철심 패킷을 삽입하는 제3단계과정;
   상기 제2단계과정에서 삽입한 철심 외부로 6~8장의 제2 암철심 패킷을 삽입하는 제4단계과정;
   최외곽의 철심을 삽입할 때까지 철심패킷을 삽입하는 단계를 반복하여 구성하는 변압기 제조방법
   
   
   
   
   

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