[ 유도가열] 1. 유도가열의원리 2. 히스테리시스손실 3. 와전류손실 4. 표피효과 5. 임계주파수
1. 유도가열의원리 시간적으로변하는자장은폐회로에전류를흐르게할수있는전압을유도라한다 교류전류가흐르는코일쪽에위치한금속등의도전체에는와전류손실과 히스테리시스손실에의하여열이빌생되며이열을이용하여피가열물질을가열하는 것을유도가열이라하고손실이되는종류는다음과같다. 1 2 3 히스테리시스손실 와전류손실 지연손실( 자기유도가자계에대하여시간적으로 지연되는현상으로인한손실 ) 4 절연물중의유전체(1) 손실등이있으나도체의 경우 3, 4는 1, 2에비하여매우적어무시된다 자력선은물체의내부에고루흐르는것이아니라 주로표면으로집중되어흐르는바이런현상을 표피효과라부르며고주파응용부분에서는매우중요하게다루는내용이다. 2. 히스테리시스손실 변압기(2) 1차측에서전압을인가하고 2차측은개방시킨후변아압기의철심을만져 보면온도가상승되는것을알수있게된다. --------------------------------------------------------------------------------- (1) 유전체 : 전하사이에절연물을놓으면정전기의작용을전달하는매질이되므로이와같은때의절연물을특히유전체라한다. 절연물은전계속에서전하를이용시키지는않지만전기력선에의해서전기력을전덜한다. 물질에따라전기적으로각각다른작용을나타낸다. (2) 변압기 : 하나의연철에 1차코일과 2차코일을감고 1차코일에교류를흘리면상호유도에의해 2 차코일에전압이발생된다. 이장치를변압기 또는트랜스라고한다철심은와전류를방지하기위해절연한앏은강철판을겹쳐서만든다종류는단권변압기상변압기단상변압기가있다..,3,. - 9 -
이현상은변압기철심에교류전압에따른자속이교번하게되어그결과철심중에유도전류(3) 가흘러철심이가열되는것으로이것이바로히스테리시스손실인것이다 강자성체의철심에코일을감고교류전류를 (O A C E F G) 흘리면철심은자화 하게된다. 이때자계(4) 강도를점점증가시켜갈때자속밀도(5) 의변화를나타내는 곡선과자계의세기를나타내는곡선은일치하지않고 [ 제2 도] 와같이별도의경로를 통과하면서환상곡선으로된다. 이와같은현상을히스테리시스현상이라하며그곡선 을히스테리시스루우프라한다. (H) 의방향을주기적으로변환시키면루우프의면적 에상당하는에너지가자성체내에서열로소비된다. 이히스테리시스손실이크므로 변압기내에는나쁜결과가되지만고주파유도가열에는가열효과를높이게되며이를 스타인메츠씨는다음식으로발표했다. = 여기서 : 히스테리시스손 : : 1.6 : 히스테리시스계수 사용주파수 : 최대자속밀도 스타인메츠정수 [ ( 표1) 대표적히스테리시스계수] 재료히스테리시스계수 니켈 33 ~ 95 x 10² 주강 28 ~ 40 x 10² 박강판 5 ~ 7.5 x 10² 2.5% 규소강판 5.5 x 10² 4.5% 규소강판 1.9 x 10² 그러나사용(6) 주파수가 50KHz 이상으로비교적높아지면주파수의제곱에비례하는 와전류손실을상대적으로적어지게되며주파수가상당히높아지며거의무시하게 된다. -------------------------------------------------------------------------------- (3) 유도전류 : 전자유도작용에의해회로속에생기는전류또는정전유도작용에의한과도적인전류를말한다. (4) 자계 : 자극이나전류등에의한자력이작용을미치는공간을말한다. 자계속의한점에있어서의자계의세기는그점에단위정자극(+1WB) 을 놓았을때이것에작용하는자력으로나타내며, 그힘의발향으로자계의방향을정한다. 따라서자계의세기는기호에는 H, 단위에는암페어희수 매미터(AT/m) 를쓴다. 즉 1Wb의정자극에작용하는힘이 1N( 뉴우턴) 일때자계의세기는 1AT/m 가된다. (5) 자속밀도 : 자기에관한현상을양적으로다루기위해쓰이는것으로써, 단위면적당의자속을말한다. 자계의세기와의사이에는다음의관계 가있다. B = uh B: 자속밀도(Wb/m²), u: 투자유(H.m), H: 자계의세기(AT/m) - 10 -
물론구리(Cu) 나알루미늄(AL) 과같은비자성체나자성체의경우도온도를높여자기 변태점이상으로가열하면히스테리시스손실은없어지며그때부터는완전류만에의해 가열되는것이다. 표2 [ 재료별자기변태점 ] 재료명온도재료명온도 철 771 니켈철 70 코발트 1152 파마로이 549 니켈 360 카본-스틸 721 3. 와전류손실 교번하는교류자계내에도체를넣으면전자유도작용으로도체에는전류가발생하게 되는데이는소용돌이형태의전류가되어우리는이를와전류라부른다. 이전류로인해변압기의 2차권선에는기전력이유기되며이는권선뿐만아니라 철심에도나타나손실이되므로이를줄이기위해얇은규소철판을절연시켜성층 하여사용하는것이다. 도체의고주파가열은이미앞에서설명한바와같이 주로와전류가담당하며이는저항이있는도체에 전류가흐르며열이발생하며그열량은흐르는전류 제곱과도체의저항및전류가흐르는시간에비례한다 이는주울법칙에의한가열로고주파코일내에서발생 되는와전류(we) 는다음식과같다. 상수 파형율 실효값 / 평균값 = = 1.1 주파수 최대자속밀도 이식에서보듯이와전류손실은주파수의제곱에비례하므로히스테리시스손실보다 더크게주파수에영향을받게된다. --------------------------------------------------------------------------------- (6) 주파수 : 교류에서 1 초간에생기는사이클수를말하며단위에는헤르츠(Hz) 가쓰인다. 단, 최근까지는사이클매초(C/S) 가쓰였다. 주기를 T(s), 주파수를 f(hz) 라고하면다음의관계가있다. f = 1 / T - 11 -
[ 표3 주파수별전력손실비교] ( 표3) 은주파수에따른이두가지의손실의크기를나타낸것으로주파수가낮으며히스테리시스손이크고주파수가높아지면이와는반대로와전류손이증가하는것을보여주고있다. 그러므로금속용융과같이낮은주파수를이용할경우는히스테리시스손이주효하고주파수가100KHz 이상으로높아지면주로와전류손실로가열이되는것이다. 4. 표피효과 도체에교전류가흐르면도체의중심부에는전류밀도가낮아지게되며따라서대부분 의전류는도체의표면에집중해서흐르게되는데이런현상을표피현상또는표피효 과라고한다. 이현상은도체의중심부일수록쇄교자속수가많아져인덕턴스가커지면서그로인해 교류전류가흐르기어렵기때문이다. 이표피현상은주파수와재료에의해결정되며이들관계식은다음과같다. [ ] 전류침투깊이 재료의고유저항 주파수 비투자율 (7) [ 강자성체(8) 상자성체 (9) 반자성체 (10) ] 여기서전류침투깊이 는표면으로부터 까지는 90% 의전력이집중되는깊이를 말한다. 그러므로도체표면으로부터이깊이까지에모든전류가흐른다고보아도크게 틀리지않는다. 또한재료온도가변하면저항율(11) 이변화하므로당연히동일재료 --------------------------------------------------------------------------------- (7) 비투자율 : 물질의투자율와진공의투자율 의비 = / 를말한다. (8) 강자성체 : 비투자율이매우큰철, 코발트, 니켈및그들의합금으로서, 자화력과자속밀도는비례하지않으며또히스테리시스나타내는성질 이있다. 그결정은원자의자기모우멘트의방향이일정한자구의모임으로되어있다. 자석또는자심재료로서사용되는데이와비슷한것에 페리자성체가있다. (9) 성자성체 : 자화방향은강자성체와같지만자화의세기가매우약한것을말한다. 비투자율은 1 보다야간크다. 아루미늄, 백금, 주석, 이리듐, 산소, 공기등이이것에속한다. (10) 반자성체 : 가한자계와반대방향, 즉자력선이들어가는쪽이 N 극, 나오는쪽이 S 극이되도록자화되는물질을말한다. 비투자율이 1보다 작으며동, 안티몬, 비스무트, 물등이이것에속한다. (11) 저항율 : 길이 1m, 단면적 1 m2당의저항치를말하며, 재질의따른저항의차이를비교하는데사용된다. 균일한단면적을가진도체의저항은 다음식으로나타낼수있다. 단, R: 저항[], : 저항율[m], 1: 길이[m], S: 단면적[ m2] R = l / S 연동( 연동) 의 는20 에서1.72x10 이다. - 12 -
라도온도에따라침투깊이는차이가나게되며 ( 표3) 은이러한관계를종합한것이다 고주파가열을기타연료가열과비교하면가장큰특징이바로이표피효과를이용 한것으로금속의열처리나접합등이모두여기에해당된다. [ 제4 도] 는균일한크기의 금속봉에유기되는와전류발생분포를알기쉽게그래프화한것으로이를예로들어 보면표면에흐르는전류 ( 혹은자속밀도) 를 100라할때표면으로부터재료의 1/8되는 곳에반이되고 1/4되는곳은 1/2정도로중심에는거의전류가흐르지않고있음을 보여주구있다. 그러므로고주파전력을담금질이나기타의열로이용코져할때재료 에따른주파수의선정은매우중요한것이된다. 이식은재질이같다면주파수가높을수록침투깊이는작아지고, 가열은표면가까이 에집중되는것을알수있다. 그렇지만이식은이론적으로전류의분포상태에서 산출된것이고피가열물의재질 의열전도는무시한것이기 때문에실제의가열층은이식 에서계산된값보다다소크게 되는경향이있다. [ 제4 도금속봉의유도가열과표피효과 ] [ 단위 cm ] 재료온도 주파수 (Hz) 50 500 1K 3K 10K 400K 상온 0.32 0.11 0.08 0.04 0.02 - 철 1200 6.60 2.30 1.62 0.95 0.52 0.08 용융시 9.10 3.18 2.25 0.30 0.71 0.10 스텐레스 동 알루미늄 상온 5.70 1.97 1.39 0.80 0.44 0.07 1200 7.50 2.60 1.84 1.06 0.58 0.09 상온 0.95 0.33 0.23 0.12 0.07 0.01 850 1.93 0.66 0.47 0.27 0.15 0.02 상온 1.07 0.37 0.26 0.14 0.08 0.01 500 1.93 0.60 0.47 0.27 0.15 0.02 흑연상온 20.0 7.20 5.06 2.93 1.60 0.25-13 - [ 표4 재료와그온도에따른침투깊이]
금속비저항 ( μω cm) 저항비 [ R(t) / R(0) ] -200-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 알루미늄 28.1 - - 1.000 1.239 1.428 1.537 1.637 1.637 1.814 1.899 1.982 2.066 구리 1.56 0.117 0.557 1.000 1.431 1.862 2.299 2.747 3.210 3.695 4.208 4.752 5.334 철 8.57 - - 1.000 1.650 2.464 3.485 4.716 6.162 7.839 9.790 12.009 12.790 니켈 6.38 - - 1.000 1.663 2.501 3.611 4.847 5.398 5.882 6.327 6.751 7.156 백금 9.83 0.177 0.599 1.000 1.392 1.773 2.142 2.499 2.843 3.178 3.500 3.810 4.109 은 1.50 0.176 0.596 1.000 0.408 1.827 2.256 2.698 3.153 3.616 4.094 4.586 5.091 [ 표4-1 여러가지금속의온도대저항관계] 4. 표피효과 전리층을향해전파를수직으로입사시켰을때반사가가능한최고주파수를말하며 관통주파수라고도한다. 어떤도체에주파수를광범위하게바꿔가면서유도가열을 시킬때와전류발생은아래 [ 제5 도] 같이낮은주파수에서는그것이급속히감소하게 된다. 이는주파수가침투깊이보다너무낮으면피가열내에서자력선이서로크로스 되면서상쇄되기대문이다. 이임계주파수를 fc 라할때그관계식은다음과같다. 가열물의반경 저항율 비투자율 [ 제5 도] 처럼임계주파수이하에서는약간의주파수변동이큰가열상태의변화를초 래하게되며또한주파수가너무높아지면이번에는표피효과가심해져이로인한표면 으로부터의열방출이심해오히려가열효율이떨어져가열종류에따른차는있으나 열처리에있어서는이주파수선택은임계주파수의 5 배정도의높은주파수가쓰여진다. 그러므로유도가열에서주파수선택은재료의종류 와크기에부합되는표피효과와임계주파수를 함께고려하면서정해야한다. [ 제5 도주파수에따른유도전력발생] - 14 -