KR20190051917A - 삼각형 구조를 갖는 리액터 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리액터의 Yoke의 형상이 삼각형(Δ) 구조로 구성하는 개발에 대한 설명이며, 이 구조를 적용하게 되면, 리액터의 사이즈와 무게가 줄어들고, 삼상의 인덕턴스 값이 구조적으로 동일하며, 제품 이동시 외부의 진동에 대해 기존의 리액터 보다 안정적이다. 삼각형 구조를 하는 방법은 금속분말 Core 를 이용하거나, 기존 Steel Core Type(Fe-si(규소) 코아, 아물포스 코아, 슈퍼코아, 나노 크리스탈등)을 이용하며, 마지막으로 금속분말과 Steel Core를 혼합하여 제작하는 방법이 이다.

Description

삼각형 구조를 갖는 리액터 제작 방법{Method of making a reactor having a triangular structure}

[0001] 본 발명은 삼상의 인덕턴스가 균일한 삼각기둥 형상의 리액터를 제작하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 자로의 길이가 같도록 Yoke 부분을 제작하는 방법에 관한 것이다. Yoke 부분을 제작할 때 기존 Steel Core를 단독으로 적용하는 방법과 금속분말 Core를 이용하는 방법 그리고 이 두 가지를 혼합하는 제작하는 세 가지 방법을 모양별로 제시하였다.

[0002] 지금까지 제작되고 있는 삼상 리액터의 경우는 직사각형 형태의 구조를 가지고 있다. 이 형상으로 리액터를 제작하게 되면, 각 상에서 발생한 자속(Flux)이 지나가는 자로 길이(MPL : Magnetic Path length)가 달라 각 상의 측정되는 인덕터스(L) 값이 오차가 발생하게 된다. 지금까지는 이러한 오차율을 무시하고 리액터를 사용해 왔지만, 지속적인 전력품질에 대한 이슈가 발생하면서 이 부분을 보다 안정적으로 개선해야 할 필요가 생겼다.

수학식 1은 인덕턴스를 계산하는 식을 나타내었고, a상과 c상의 MPL(Magnetic Path length)이 b상 보다 길어 b상의 인덕턴스 값이 높게 계산된다.

여기서 N은 권선 수(Winding Turns)이며, μ는 투자율(permeability)이고, Ac는 코어의 단면적이며, MPL은 자로 길이(Magnetic path length)이고, L은 인덕턴스(Inductance)이다.

[0003] 신재생 에너지(태양광, 풍력 발전등) 및 ESS 장비등과 같은 DC 전기를 생산하는 방식 및 이에 따른 기술개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 이에 따라 리액터의 기능 또한 개선되어야 한다. 특히 예전에는 인버터 제품이 용량별 (100kW, 250kW, 500kW 그리고 1000kW)로 독립적인 디자인으로 개발되었지만, 현재에는 특정 용량(250kW)을 모듈화로 개발하여 복수 개를 조합하여 용량을 증가시키고 있다.

[0004] 이때 리액터의 각 상에서 오차율이 있는 제품을 적용할 경우 복수로 이루어진 제품의 전류 불균형이 발생하여 한 쪽에 과도한 전류가 흐를 수 있는 문제가 발생하고, 이는 제품의 수명을 단축시키거나, 고장 원인이 되며, 이러한 제품은 정상적인 제품보다 화재의 우려가 높아진다.

[0005] 삼상 리액터를 구성하는 각각의 상에서 측정되는 인덕턴스 값을 구조적으로 안정하 시켜 제품의 수명 연장 및 효율을 높이기 위해 기술이 개발하였다.

특허 출원 번호 : 10-2018-0121846 특허 출원 번호 : 10-2019-0040801

학술발표자료 : 교류 손실에 미치는 전류 분류의 영향 및 비접촉 전류 분류 측정 2007, 대한전기학회 학술대회 논문집

[0006] 구조적으로 삼상 인덕턴스 값이 균일하게 만들기 위해 리액터 형상을 삼각기둥 형식으로 제작할 때, Yoke 부분이 삼각형 구조를 갖도록 금속분말 Core를 사용하는 방법;

기존 steel Core를 이용하는 방법;

그리고 Leg Core 형상이 사각형인지, 원형인지에 따라 이 두 가지 재료를 조합하여 각각의 모양을 다르게 하여 제작하는 방법을 제시한다.

[0007] 상기의 과제 중 금속분말을 이용한 모형을 만들기 위해 금속분말의 단일 또는 다수의 분말을 일정한 비율로 조합하는 과정이 필요한다. 또한 열경화 수지(에폭시류) 또는 열가소성 수지(아크릴류, 폴리에스테드류)와 경화제의 조합이 필요하며, 금속 분말과 함께 수지가 배합된 상태에서 제품에 열을 가해주는 온도 및 시간이 중요다. 열을 가하는 조건에 따라 코아의 강도 및 제품의 투자율(μ)이 결정되고, 이는 리액터 설계시 중요한 기초자료가 된다.

[0008] Steel Core(Fe-si Core, Super Core, Amorphous Core, Nano Crystalline Core 등등)를 이용하여 삼각형이 되도록 하기 위해서는 Core를 사이즈에 맞게 절단하는 각도가 중요하다. 평행사변형 타입으로 구성하게 되면 각각의 각도가 60℃, 120℃, 60℃, 120℃의 구조를 갖고, 육각형 구조로 구성하게 되면, 각각의 각도가 120℃,90℃,150℃,120℃,90℃,150℃으로 제작하게 된다.

위 각도를 구성하는 조건은 leg Core 단면적이 70 x 60mm 기준이며, leg 코아의 모양, 사이즈나 단면적이 달라지면 변경될 수 있다.

[0009] Steel core의 특성에 따라 [0008]에 제시된 각도는 가로로 적층하는 기준으로 제시되었지만, Core의 사이즈를 다르게 하여, 세로로 적층하는 것도 가능하다.

[0010] Leg Core 가 사각형 구조를 가질 때;

금속분말 Core와 Steel Core를 섞어서 삼각형 형상을 제작할 때에도 각도가 중요하다. 분말금속을 오각형(120℃, 90℃, 120℃, 120℃, 90℃)으로 구성하고, Steel 코아를 사각형(90℃) 형상을 유지하는 방법이 있고, 분말금속을 삼각형(60℃, 60℃, 60℃)을고 구성하고, Steel Core를 평행사변형(120℃, 60℃) 형상으로 구성하는 방법도 있다.

이때에도 Steel Core의 특성에 따라 가로로 적층하는 것을 기준으로 제시하였지만, Steel Core 길이의 편차를 두어 세로로 적층하여 제작하는 방법도 있다.

[0011] Leg Core가 원형 구조를 가질 때;

금속분말 Core와 Steel Core를 섞어서 삼각형 형상을 제작할 때에는 금속분말 Core의 형태가 중요하다. 금속분말 Core는 형상 제작이 자유롭기 때문에 물방울 이미지와 유사하게 제작하고, Steel Core는 사다리꼴 형상으로 제작하게 된다. 이 방법에서도 Steel Core는 가로방향 적층 또는 세로방향 적층이 가능하다.

[0012] 본 발명에 따르면, 수학시 1에 근거하여 삼각기둥 형상의 리액터는 기존 직사각형 형태의 리액터에 비하여 구조적으로 인덕턴스 오차율이 0%이다. 하지만, 리액터를 제작할 때 사용하는 Air Gap을 구성하는 물질이 종이 또는 에폭시 판의 구조로 되어있어 사이즈가 항상 일정하지 않고, 오차율을 가지게 되어 샘플 제작시 인덕턴스 값의 오차율을 발생할 수 있다. 이 오차율은 기존 직사각형 형태에서도 있었던 문제이므로, 무시할 수 있다.

[0013] 삼각기둥 형상의 리액터를 적용한 모듈형 인버터는 전류 분배가 균일하게 이루어지기 때문에, 보다 안전하게 시스템이 작동하고, 우수한 전력품질을 구현할 수 있다.

[0014] 삼각기둥의 Yoke는 기존 사각형 타입의 Yoke 보다 최대 1/2 사이즈가 줄어 Core의 재료비, 사이즈 및 무게가 감소한다. 또한 종전에 사용되던 직사각형 형상의 리액터의 경우에는 a상, b상, c상의 구조에서 b상은 a상과 c상에서 발생하는 열을 양쪽으로 받아 온도 상승에 많은 문제가 되었지만, 삼각기둥의 구조는 코일에서 발생하는 발열온도가 균일하게 발생되어 코일 저항값이 균일하고, 전류밀도를 기존 설계보다 높게 가져갈 수 있다.

[0015] 또한 삼각기둥 형상의 리액터는 구조적으로 기존에 사용되던 사각형 형상보다 구조적으로 안정적이다. 리액터를 인버터 안에 고정하고, 제작이 완료된 제품은 고객이 설치하는 곳까지 운송되어야 한다. 운송 과정에서 고속도로 및 일반도로의 방지턱 등으로 인해 외부의 진동으로 인버터 장비에 전달되고, 이 진동으로 리액터가 흔들릴 수 있다. 리액터는 인버터에서 2번째로 무게가 많이 나가는 장비로 리액터의 진동이 다른 부품들에게 영향을 줄 수 있다.

[0016] 해외로 수출할 때 배로 운송을 할 때 파도의 영향으로 발생하는 진동문제가 더 심각해 줄 수 있어, 삼각기둥 형상을 적용을 한다면 외부의 진동에 보다 안정적으로 고정되어 제품의 조립 상태를 보전할 수 있다.

[0017] 도 1은 금속 분말로 제작된 삼각형 형상의 Yoke Core의 그림으로 Leg Core의 형상에 따라 Yoke Core의 모양이 변하는 것을 설명하는 그림이다.
도 2는 기존 Steel 형태의 Core를 이용하여 육각형으로 절단 후 삼각기둥 구조를 설명하는 그림이다.
도 3은 기존 Steel 형태의 Core를 이용하여 평행사변형으로 절단 후 삼각기둥 구조를 설명하는 그림이다.
도 4는 Leg Core가 사각일 때 금속분말과 Steel Core를 혼합하여 삼각기둥 구조를 설명한 그림이다.
도 5는 Leg Core가 원형일 때 금속 분말과 steel Core를 혼합하여 삼각기둥 구조를 설명한 그림이다.

[0018] 본 발명에 따른 리액터를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 그림을 통한 특정한 실시 형태에 대해 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 범위에 포함되는 전반적인 것이 이해되어야 하고, 본 발명에 대해 한정하려는 것이 아니다.

[0019] 도 1은 본 발명에 청구항 1에 따른 삼각기둥을 설명하는 그림이다. (a) 는 Leg Core(410)가 원형 일 때 금속분말(100)을 이용한 Yoke Core(300)의 형상을 보여주고 있다. (a)의 구조에서는 Leg Core(410)를 제작하는 방법이 금속분말 Core를 이용한 Powder Core, ferrite Core를 사용할 수 있고, Steel Core(200)로 원형의 구조로 제작시에는 사이즈가 다른 사각형의 코아를 사방으로 적층하여 구성할 수 있다.

[0020] 도 1의 (b)는 Leg Core(420)가 사각형 구조를 가질 때, 금속분말 Core(100)을 이용한 Yoke Core(300)의 형상을 보여주고 있다. (b)의 구조에서는 Leg Core(420)를 제작하는 방법은 일반적으로 Steel Core(200)류 (Fe-si Core, Super Core, Amorphous Core, Nano Crystalline Core 등등)를 이용하여 제작할 수 있고, 이때 코일에서 발생하는 열을 빼주기 위해 Yoke Core의 중심부에 공기통로(700)를 추가할 수 있다.

[0021] 도 2는 Leg Core(420)가 사각형 구조를 가질 때, Steel Core(200)류 (Fe-si Core, Super Core, Amorphous Core, Nano Crystalline Core 등등)를 이용하여 제작하는 방법을 설명하고 있다. 이러한 구조는 Yoke Core(300)의 중심부에 공기통로(700)가 생기게 된다. 무엇보다 육각형 구조를 제작하는 방법이 위 [0008]에서 설명한 일정한 각도를 가지며, 가로 방향 적층(500) (d) 와 세로 방향 적측(600) (e)처럼 구성된다.

[0022] 도 3은 Leg Core(420)가 사각형 구조를 가질 때, Steel Core(200)류를 이용하여 제작하는 방법을 설명하고 있다. 이러한 구조도 Yoke Core(300)의 중심부에 공기통로(700)가 추가되며, 무엇보다 평행 사변형 구조를 제작하는 방법이 위 [0008]에서 설명한 일정한 각도를 유지한다. 또한 Steel Core로 Yoke Core를 제작하기 위해 가로 방향 적층(500) (g) 와 세로 방향 적층(600) (h)로 처럼 구성된다.

Steel Core의 Loss를 최적화할 수 있는 구조는 도 3이고, 제품의 안정적인 구조적를 갖는 것은 도 2번이다.

[0023] 도 4는 금속분말(100) 코아와 Steel Core(200)를 조합하여 삼각구조를 제작 할 때, Leg Core(420)가 사각형 구조일 때의 기준으로 한다. (i)의 그림에서 금속분말(100)의 형태는 오각형 구조(120)를 하고, Steel Core(200)는 사각형(210) 구조이다. (j) 의 그림에서 금속분말(100)의 형태는 삼각형 구조(130)를 하고, Steel Core(200)는 사다리꼴(220) 구조이다.

[0024] 도 5는 금속분말(100) 코아와 Steel Core(200)를 조합하여 삼각구조를 제작 할 때, Leg Core (410)가 원기둥 구조 일 때의 기준으로 한다. 도 5의 (k)는 전반적인 삼각 기둥의 구조를 보여주고 있고, (l)은 윗면에서 금속분말 코아(100)구조와 Steel Core 구조를 확인할 수 있따. 금속분말 코아(100)는 물방물 이미지(150)와 Steel Core(200)류를 이용하여 사다리꼴(220) 형상으로 구성된다. 여기서 사다리꼴(220) 형상은 가로방향 적층(500) 과 세로방향 적층(600)으로 제작이 가능하다.

[0025] 도 1에서 도 5까지의 삼각형 구조를 구성하는 내용을 설명하였다. 이때 추가로 그림으로 나타내지는 않았지만, 도 1의 (a) Yoke Coe(300)과 도 5의 (l) 에 나타난 금속분말 Core(150) 과 Steel Core(220)의 조합으로 구성하거나, 도 4의 (i)와 (j)의 Yoke Core(300)를 각각 한 개씩 사용하여 금속분말 Core(120) 과 Steel Core(210)를 상부로 금속분말 Core(130) 과 Steel Core(220)를 하부로 하여 제작하는 방법도 본 특허에 하나라고 설명할 수 있다.

[0026]
100 : 금속분말 Core
200 : Steel Core
300 : Yoke Core
400 : Leg Core
500 : 가로 방향 적층
600 : 세로 방향 적층
700 : 공기 통로

Claims (4)

1. 리액터 Yoke의 형상을 삼각형으로 만드는 방법으로;
   금속분말(sendust, Megaflux, CIP(철 분말), Ni-Fe, 아몰퍼스 합금, 페라이트 등등)을 이용하여 Yoke 코아를 제작 할 때는 Leg Core 가 원형이든 사각형이든 상관 없고;
   금속 분말을 단일 또는 여러 가지의 성분을 일정한 비율의 조합하여;
   열경화 수지(에폭시류), 열가소성 수지(아크릴류, 폴리에스테드류)와 경화제를 섞어 상온 또는 그 이상의 온도로 열을 가하여 삼각형 형태의 모양을 제작하는 것.
   
2. 제1항에 있어서,
   분말금속 이외에 Steel Core Type(Fe-si(규소) 코아, 아물포스 코아, 슈퍼코아, 나노 크리스탈등)으로 평행사변형(60℃, 120℃, 60℃, 120℃);
   사다리꼴(30℃, 150℃, 30℃, 150℃) 형태에서 다시 양끝을 2회의 컷팅하여 육각형(120℃,90℃,150℃,120℃,90℃,150℃)으로 제작 후 3개의 변을 구성하여 삼각형 구조로 제작하는 것을 특징으로 한다
   
3. 제1항과 제2항에 있어서, 금속 분말과 Steel Core를 조합하여;
   1항의 분말금속을 오각형(120℃, 90℃, 120℃, 120℃, 90℃)으로 구성하고, 2항의 Steel Core를 사각형(90℃) 형상으로 구성;
   1항의 분말금속을 삼각형(60℃, 60℃, 60℃)와 2항의 Steel Core를 평행사변형(120℃, 60℃, 120℃, 60℃) 형상으로 구성;
   1항의 분말금속을 물방울 형상과 2항의 Steel Core 사다리꼴(30℃, 150℃, 30℃, 150℃)형상으로 구성하여 제작할 수 있다.
   
4. 삼각형을 구성하는 방법으로 제1항, 제2항, 제3항을 분배하여 구성하는 것;
   제 2항과 제 3항에서 제시된 각도들은 Leg Core 형상, 단면적 그리고 사이즈에 따라 달라질 수 있으며, Steel Core를 가로로 적층하는 방법과, 세로로 적층하여 제작하는 방법이 있다.

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