KR20140012363A - 자기특성이 우수한 방향성 전기강판 및 이의 제조방법 - Google Patents

자기특성이 우수한 방향성 전기강판 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 변압기, 발전기 등의 철심 재료로 사용되는 방향성 전기강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는,(a) 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판을 준비하는 단계; (b) 상기 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판의 상호 대립관계되는 2면 중 1면 이상의 면에 절연 접착제를 부착하는 단계; (c) 상기 절연 접착제가 방향성 전기강판 사이에 개재하도록 상기 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판을 적층하여 방향성 전기강판 적층체를 얻는 단계; (d) 상기 방향성 전기강판 적층체를 2~4N/mm2의 압하력으로 1~2시간 동안 압연한 후, 200~350℃에서 가열하여 접착시켜 방향성 다중 전기강판을 제조하는 단계; 및 (e) 상기 제조된 방향성 다중 전기강판의 상면 및 하면에 절연 코팅제를 도포하여 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기특성이 우수한 방향성 전기강판 및 이의 제조방법 {GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET WITH EXCELLENT MAGNETIC PROPERTY AND A METHOD FOR MANUFACTURING IT}
본 발명의 변압기, 발전기 등의 철심 재료로 사용되는 방향성 전기강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전자기기 중 변압기는 전자기 유도현상을 이용하여 교류 전압과 전류값을 변화시키는 장치로, 자성을 지닌 철심 주위를 전기전도체인 권선(코일)으로 와이딩하여 제조된다.
변압기 제조시, 1차 코일과 2차 코일을 사용하는데 1차 코일은 전압을 변경해야할 입력회로에 연결되며, 2차 코일은 변경된 전압이 사용되는 출력회로에 연결된다. 여기서, 1차 코일과 2차 코일의 전기적인 에너지를 서로 연결하기 위해 자기적인 에너지를 사용하는데, 이때 자기적인 손실이 적은 방향성 전기강판(도 1)을 철심 코어로서 사용한다. 상기 방향성 전기강판을 이용한 철심 코어는 적철심 코어와 권철심 코어로 나뉘며, 이중 적철심 코어를 도 2에 나타내었다.
그런데, 변압기의 철심으로 사용되는 방향성 전기강판을 적층하는 과정은 자동화 공정 설비가 전무하여 대부분 수작업으로 제작되며, 이로 인해 제조 공정 시간이 증가하는 문제가 있다.
이에, 방향성 전기강판의 적층 공정 시간을 줄이기 위한 하나의 방안으로서 두꺼운 강판을 사용할 수 있으나, 전기강판은 두께가 두꺼워질수록 철손(Iron loss)이 증가하기 때문에 이 방안은 적합하지 않다. 반면, 변압기의 철손을 만족하기 위해 저철손 제품인 얇은 강판을 사용할 수 있으나, 절연 코팅층과 순수 전기강판으로 구성된 종래의 전기강판은 자기장이 유도되는 면적인 점적율(순수 전기강판이 차지하는 비율)이 적어 더 많은 전기강판을 적층하여야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해서 제안된 것으로서, 철심 코어로서 제조하기 위해 방향성 전기강판을 적층함에 있어서, 공정 시간 및 점적율 등의 효율을 높일 수 있는 방향성 전기강판의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 자기 특성이 우수한 방향성 전기강판을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, (a) 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판을 준비하는 단계; (b) 상기 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판의 상호 대립관계되는 2면 중 1면 이상의 면에 절연 접착제를 부착하는 단계; (c) 상기 절연 접착제가 방향성 전기강판 사이에 개재하도록 상기 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판을 적층하여 방향성 전기강판 적층체를 얻는 단계; (d) 상기 방향성 전기강판 적층체를 2~4N/mm2의 압하력으로 1~2시간 동안 압연한 후, 200~350℃에서 가열하여 접착시켜 방향성 다중 전기강판을 제조하는 단계; 및 (e) 상기 제조된 방향성 다중 전기강판의 상면 및 하면에 절연 코팅제를 도포하여 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 자기특성이 우수한 방향성 다중 전기강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 중량%로, 실리콘(Si): 1.0~6.5%를 함유하는 2 이상의 방향성 전기강판; 상기 2 이상의 방향성 전기강판 사이에 개재된 접착층 및 상기 2 이상의 방향성 전기강판의 최상면과 최하면에 부착된 절연층을 포함하는 자기특성이 우수한 방향성 다중 전기강판을 제공한다.
본 발명에 의하면, 방향성 다중 전기강판을 이용하여 변압기의 철심을 제조할 시, 강판의 적층 공정 시간을 단축시킬 수 있으며, 점적율이 개선되고, 동일 두께 기준으로 단일 강판 대비 다중 강판의 장점인 와전류 손실을 저감할 수 있으므로, 변압기의 성능을 개선시키는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 변압기의 철심코어로서 이용되는 종래의 방향성 전기강판의 단판을 도시한 것이다.
도 2는 상기 방향성 전기강판을 이용하여 제조한 적철심 변압기의 철심구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 소둔 처리된 방향성 전기강판에 절연 접착제를 도포한 강판의 단판을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따라 소둔 처리된 방향성 전기강판을 접착한 후 압연하는 과정을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 방향성 다중 전기강판을 도시한 것이다.
도 6은 종래의 방향성 전기강판을 적층한 구조(A)와, 본 발명에 따른 방향성 다중 전기강판을 적층한 구조(B)를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 방향성 다중 전기강판 및 상기 강판을 제조하는 방법에 대한 실시예들을 상세하게 설명하겠지만, 본 발명은 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 자기특성이 우수한 방향성 다중 전기강판의 제조방법은 소둔 처리된 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판의 상호 대립되는 1면 이상의 면에 절연 접착제를 도포한 후, 상기 접착제가 방향성 전기강판 사이에 개재하도록 상기 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판을 적층하여 방향성 전기강판 적층체를 얻은 후, 일정 압하력으로 상기 적층체를 압연하고 일정 온도에서 가열하여 다중층을 갖는 전기강판을 제조할 수 있다. 이와 같이 방향성 다중 전기강판이 제조되면, 이의 최상면 및 최하면에 절연 코팅제를 도포하여 절연층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 방향성 다중 전기강판은 2 이상의 방향성 전기강판을 이용하여 제조할 수 있으며, 2매의 방향성 전기강판을 이용한 경우에는 방향성 이중 전기강판, 3매의 방향성 전기강판을 이용한 경우에는 방향성 삼중 전기강판이라고 표현할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방향성 다중 전기강판을 제조하는 공정에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 소둔 처리된 방향성 전기강판을 2매 이상 준비하며, 바람직하게는 2~3매, 가장 바람직하게는 2매로 준비한다.
통상, 전기강판은 방향성 전기강판과 무방향성 전기강판으로 구별되는데, 방향성 전기강판이란 3중량% 정도의 실리콘(Si)을 함유한 것을 특징으로 하여 결정립의 방위가 (100)[001]방향으로 정렬된 집합조직을 가지고 있어서, 압연방향으로 우수한 자기적 특성을 갖는 강판으로, 주로 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로서 사용된다.
본 발명에서 사용되는 방향성 전기강판은 상술한 바와 같은 통상의 방향성 전기강판을 이용하되, 실리콘(Si)의 함량이 1.0~6.5중량%로 함유하는 전기강판을 이용함이 바람직하다. 이때, 상기 전기강판의 두께는 0.20~0.30mm를 갖는다.
이후, 상기 2 또는 2 이상의 소둔 처리된 방향성 전기강판의 상호 대립관계되는 2면 중 1면 이상의 면에 절연 접착제를 부착할 수 있다.
절연 접착제는 이후의 적층공정에서 적층될 방향성 전기강판끼리 대립하는 면의 1면 또는 양면에 절연 접착제를 부착할 수 있다. 도 3은 방향성 전기강판의 1면에 절연 접착제를 부착한 형태를 보여준다.
이때, 절연 접착제는 강판과 강판을 접착할 수 있는 어떠한 접착제도 이용가능하므로, 그 구체적인 종류는 한정되는 것은 아니나, 예컨대 고온에서 사용가능한 접착제, 즉 열경화성 수지계로 내열성과 절연성이 우수한 접착제로서 에폭시 접착제 또는 세라믹 접착제를 사용할 수 있다.
또한, 상기 접착제를 도포하는 수단은 접착제를 도포할 수 있는 어떠한 수단도 적용가능하다. 본 발명의 일 실시예에서는 그루브 롤(groove roll)을 이용하였다.
이와 같이, 절연 접착제를 도포할 시, 강판 전체에 충분히 도포될 수 있도록 일정량을 계량하여 균등하게 부착함이 바람직하며, 이때 부착되는 접착제의 양은 강판의 크기에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 절연 접착제의 두께는 사용하는 접착제의 절연성 또는 밀착성에 따라 달리 적용할 수 있다.
상기 도포시킨 절연 접착제가 방향성 전기강판들 사이에 개재하도록, 접착제가 부착된 방향성 전기강판의 1면 또는 양면에 다른 방향성 전기강판을 위치시킴으로써 방향성 전기강판 적층체를 제조할 수 있다.
이후, 상기 방향성 전기강판 적층체를 적정 압하력으로 압연한 후, 적정온도에서 가열하여 접착시킴으로써 방향성 다중 전기강판을 제조할 수 있다.
이때, 적층체를 접착시키기 위한 전처리로서, 상기 적층체를 2~4N/mm2의 압하력으로 1~2시간 동안 압연을 적용할 수 있으며, 도 4에 도시한 바와 같이 압연은 통상 압연시 적용되는 압연롤(140)을 이용할 수 있다. 또한, 상기 압연 조건은 절연 접착제로 열경화성 수지를 도포한 경우 밀착성이 유지되는 조건을 실험적으로 설정한 것이다.
적층체의 압연이 완료되면, 200~350℃의 온도범위에서 가열을 수행하여 적층되어 있는 전기강판들을 접착시킬 수 있다. 이때, 가열온도 범위는 절연 접착제인 열경화성 수지가 녹으면서 접착력을 나타내는 온도 범위로 설정한 것이다.
상기에 의해 제조되는 방향성 다중 전기강판은 0.40mm 이상의 두께를 갖도록 제조할 수 있으며, 바람직하게는 0.40~0.90mm의 두께를 갖도록 제조함이 바람직하다.
이후, 상기의 제조공정을 거쳐 제조된 방향성 다중 전기강판의 최상면 및 최하면에 절연 코팅제를 도포하여 절연층을 형성할 수 있다.
절연 코팅은 절연 내전압이 높은 안료를 고밀도로 포함하는 수지 등의 조성물로 코팅층을 형성하는 것이다. 본 발명에서 절연 코팅제는 종래 전기강판에 절연층 형성을 위해 사용되는 어떠한 코팅제도 이용가능하므로 구체적인 종류는 한정되는 것은 아니나, 예컨대 금속 인산염 절연 코팅제를 사용할 수 있다.
또한, 상기 코팅제를 도포하는 수단으로는 특별히 한정되지 아니하며, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 접착제 도포시와 동일한 수단을 이용하였다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면인 방향성 다중 전기강판에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 방향성 다중 전기강판(100)은 2 이상의 방향성 전기강판 사이에 개재된 접착층 및 상기 방향성 다중 전기강판의 최상면 및 최하면에 부착된 절연층을 포함한다.
예컨대, 상기 방향성 다중 전기강판이 이중으로 형성되는 경우, 도 5에 나타낸 바와 같이 2매의 방향성 전기강판이 층상으로 형성되어 있는 구조로서, 하나의 방향성 전기강판(110) 상부에 다른 하나의 방향성 전기강판(110')이 위치하고, 상기 두 전기강판 사이에는 접착층(120)을 포함하며, 최상면 및 최하면에는 절연층(130)을 포함한다.
이때, 사용되는 방향성 전기강판은 실리콘(Si)을 1.0~6.5중량%로 함유하고, 0.23~0.30mm의 두께를 갖는 어떠한 전기강판도 이용 가능하며, 접착층(120)을 형성시키기 위해서는 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판의 상호 대립관계될 2면 중 1면 이상의 면에 절연 접착체를 부착시킴에 따라 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 방향성 다중 전기강판은 몇 가지 기술적 특징을 갖는다. 이때, 방향성 다중 전기강판은 2매의 전기강판을 이용하여 제조한 방향성 이중 전기강판인 것으로 예를들어 설명한다.
먼저, 단일층의 판재형 전기강판을 사용하여 철심을 제조하는 종래의 적층 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
예컨대, 두께 0.23mm를 갖는 방향성 전기강판을 23mm의 적고(적층한 실제의 높이)로 적층하는 경우, 100장의 강판을 쌓는 공정이 필요하나, 본 발명에 따른 방향성 이중 전기강판으로 동일한 높이로 적층할 경우에는 50장의 강판만을 쌓으면 된다. 즉, 동일 적고 기준으로, 제조 시간이 반으로 단축되는 효과를 볼 수 있으며, 이로 인해 생산성이 향상된다.
본 발명의 따른 방향성 다중 전기강판을 이용할 시, 와전류 손실(맴돌이 전류(Eddy Current)에 의한 손실로, 열로 나타나는 손실)을 저감시킬 수 있다.
예컨대, 종래의 제조 기술로 0.46mm 두께의 방향성 전기강판을 제조할 시 단일층 전기강판 두께에 해당하는 와전류 손실을 Q라고 가정한다. 본 발명의 방향성 이중 전기강판이 두께 0.46mm를 갖는다고 할 때, 이 방향성 이중 전기강판은 0.23mm 두께를 가지는 방향성 전기강판이 분할되어 구성되는 것이다.
와전류 손실은 단면적 크기에 비례하므로, 이중 전기강판의 분할 구면마다 Q/4 만큼의 완전류 손실이 발생하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 방향성 이중 전기강판은 Q/4(단일 와전류 손실) X 2(두장의 방향성 전기강판) 만큼의 와전류 손실이 발생되는 것이므로, 동일한 전체 단면적 대비 와전류의 손실은 1/2 만큼 저감되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 방향성 다중 전기강판은 점적율을 개선시킬 수 있다.
점적률(space factor)이란, 정해진 공간 면적 중 유효한 부분의 면적이 차지하는 비율을 의미하는 것으로, 본 발명에서는 방향성 전기강판이 철심을 구성하는 전체 면적 중 자기장이 발생하는 유효한 면적을 의미한다. 점적율은 강판 상면 및 하면에 절연층을 형성하기 위해 전기 절연재를 도포하는 경우, 전기 절연재가 차지하는 공간만큼 점적률의 감소를 가져온다.
도 6의 (A)에 나타낸 바와 같이, 종래의 제조 기술로 4장의 방향성 전기강판을 적층할 시 8면의 절연재 공간이 발생하지만, (B)에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 방향성 이중 전기강판의 경우에는 총 4면의 절연재 공간이 발생하므로 점적율이 향상된다. 이와 같이 점적율이 향상되면, 실제 적고가 낮아지게 되며, 낮아진 적고 만큼 전기 권선의 사용량이 줄어드는 효과를 볼 수 있다.
본 발명에 따른 방향성 다중 전기강판은 종래에 비해 무부하 손실을 축소시킬 수 있다.
통상, 변압기의 규격은 무부하 손실 및 무부하 소음을 측정하여 확인한다.
무부하 시험을 통해 손실(무부하 손실) 및 소음(무부하 소음)을 측정하는데, 측정 방법은 2차 권선부를 개방하여 1차 권선부에 전원을 공급할 시 발생하는 손실과 소음을 측정한다.
무부하 손실은 전기강판에서 발생하는 열로 인해 발생하는 손실로, 이는 상기의 와전류 손실과 관련이 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방향성 다중 전기강판은 와전류 손실을 저감시킬 수 있는 바, 이는 즉 전기강판에서 발생하는 열이 저감되는 것으로 해석할 수 있으므로, 결과적으로 무부하 손실이 저감되는 효과를 볼 수 있다.
무부하 소음은 전기강판에서 발생하는 떨림에 의한 소음으로, 자기장이 유도되었을 때 전기강판 단판의 자체 떨림(자기변형)이 발생하여 나타나는 소음과 적층된 상판과 하판이 부딪히는 층간 마찰소음이 주요 원인으로 작용한다. 본 발명에 따른 방향성 이중 전기강판의 경우에는, 접착을 통해 두 장의 방향성 전기강판이 적층된 구조로서, 동일 적고로 적층할 경우 종래에 비해 층간 마찰이 줄어드는 효과를 볼 수 있다. 따라서, 무부하 소음 또한 저감시킬 수 있다.
100: 방향성 다중 전기강판,
110: 방향성 전기강판,
110': 방향성 전기강판,
120: 절연 접착제(접착층),
130: 절연층,
140: 압연롤.

Claims (5)

  1. (a) 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판의 상호 대립관계되는 2면 중 1면 이상의 면에 절연 접착제를 부착하는 단계;
    (c) 상기 절연 접착제가 방향성 전기강판 사이에 개재하도록 상기 2 또는 2 이상의 방향성 전기강판을 적층하여 방향성 전기강판 적층체를 얻는 단계;
    (d) 상기 방향성 전기강판 적층체를 2~4N/mm2의 압하력으로 1~2시간 동안 압연한 후, 200~350℃에서 가열하여 접착시켜 방향성 다중 전기강판을 제조하는 단계; 및
    (e) 상기 제조된 방향성 다중 전기강판의 상면 및 하면에 절연 코팅제를 도포하여 절연층을 형성하는 단계
    를 포함하는 자기특성이 우수한 방향성 다중 전기강판의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (d)단계의 압연은 압연롤을 이용하여 수행하는 자기특성이 우수한 방향성 다중 전기강판의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 방향성 전기강판은 중량%로, 실리콘(Si): 1.0~6.5%를 함유하고, 두께 0.20~0.30mm의 두께를 갖는 자기특성이 우수한 방향성 다중 전기강판의 제조방법.
  4. 중량%로, 실리콘(Si): 1.0~6.5%를 함유하는 2 이상의 방향성 전기강판;
    상기 2 이상의 방향성 전기강판 사이에 개재된 접착층 및 상기 2 이상의 방향성 전기강판의 최상면과 최하면에 부착된 절연층을 포함하는 자기특성이 우수한 방향성 다중 전기강판.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 다중 전기강판은 0.40~0.90 mm의 두께를 갖는 자기특성이 우수한 방향성 다중 전기강판.
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