자기 회로 분석과 설계에서의 BH 관계

테이블 목차

1. 소개
   • 전환 에너지
   • 자기 회로 분석과 설계
2. BH 관계
   • BH 관계의 정의
   • 자기장 강도와 자기장 밀도의 관계
   • 투자율과 투자량
3. 자기 재질의 영향
   • 투자율의 의미
   • 자기 재질의 특성
   • 비자기 재질의 BH 관계
   • 자기 재질의 BH 관계
4. 자기장과 전류
   • 암페어의 법칙
   • 자기장 강도와 전류의 관계
   • 자기장 밀도와 전류의 관계
5. 자기 재질의 포화
   • 포화의 개념
   • 자기 재질의 포화 곡선
6. 모터와 자기화 곡선
   • 전자기 기계와 변압기의 중요성
   • 자기화 곡선의 선형 영역
   • 효율적인 설계
7. 결론

자기 회로 분석과 설계에서의 BH 관계

1. 소개

전환 에너지 강의에 다시 오신 것을 환영합니다. 이번 강의에서는 자기 회로 분석과 설계에서 또 다른 중요한 관계인 BH 관계를 검토하고 논의하겠습니다. BH 관계는 자기장 강도 H가 자기장 밀도 B를 어떻게 생성하는 지를 나타내는 관계로, 어떤 매체에서든지 자기장 강도 H가 존재한다면 자기장 밀도 B와 상호 관련되어 있다는 것을 말합니다. 이 두 가지 자기장 변수는 다음과 같은 관계를 갖습니다: B는 mu에 H를 곱한 값과 같으며, 단위는 웨버/미터 제곱입니다. 여기서 mu는 mu naught에 mu r을 곱한 값으로, mu는 매질의 특성을 나타내는 요소로 투자율이라고도 부릅니다. 투자율은 자기장에 대한 물질의 영향을 나타내는 것으로, 매질의 투자율이 높을수록 자기장에 대한 저항(투자량)이 낮다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 투자율이 높을수록 투자량이 낮아지며, 이는 자기장의 흐름에 대한 저항과 같습니다. mu naught는 자유 공간의 투자율로, 4π × 10^(-7) 헨리/미터의 크기를 갖는 단위입니다. mu r은 매질의 상대 투자율로, 자유 공간의 mu r은 1로 정의되며, 전기 기계에서 사용되는 매질의 mu r은 범위 내에서 2000에서 6000까지 다양하게 변합니다. mu r 값이 커질수록 작은 전류로도 많은 양의 자기장 밀도를 발생시킬 수 있으므로, 대형 mu r 값은 기계 내에서 작은 전기 전류로도 많은 양의 자기장 밀도를 생성할 수 있음을 의미합니다. 이제 BH 관계가 다양한 재료에서 어떻게 작용하는 지 살펴보겠습니다.

2. BH 관계

가. 비자기 재질

비자기 재질인 공기, 알루미늄, 플라스틱, 나무, 구리와 같은 재료의 경우, 상대 투자율인 mu r 값이 1로 일정합니다. 따라서 mu는 mu naught와 동일하게 적용되며, 자기장 밀도 B는 mu naught에 H를 곱한 값과 같습니다. 단위는 웨버/미터 제곱입니다.

나. 자기 재질

철, 코발트, 니켈, 강철 및 페라이트와 같은 자기 재질의 경우, 상대 투자율인 mu r의 값은 수백에서 수천으로 다양하게 변합니다. 따라서 자기장 밀도 B는 mu naught, mu r 및 H를 모두 곱한 값과 같습니다. 단위는 웨버/미터 제곱입니다.

3. 자기장과 전류

자기 회로의 경우, 암페어의 법칙을 적용할 수 있습니다. 암페어의 법칙은 전체 암페어 턴의 값인 I가 공기 갭 턴의 값인 Sglg와 자기 재질 암페어 턴의 값인 C Lc의 합인 총 암페어 턴에 대해 정의합니다. 일반적으로, 공기 갭 턴 Hglg의 값은 자기 재질 암페어 턴 Clc의 값보다 훨씬 크다고 가정할 수 있습니다. 이는 나중에 공기 갭 강의를 통해 더 자세히 알아보게 될 유효한 가정입니다. 이 가정에 따르면, Clc는 무시되며, 자기 회로에 대한 암페어의 법칙은 다음과 같이 간소화될 수 있습니다: 자기장 강도 H는 Ni/LG로 계산될 수 있습니다. 단위는 암페어 턴/미터 입니다. 이 식을 식 (4)에 대입하여 자기장 밀도 B를 계산하면 B는 Mu naught × Mu r × Ni/LG로 표시되며, 단위는 웨버/미터 제곱입니다. LG, N 및 Mu 값이 모두 상수로 이미 선택된 경우, ph 관계를 생성하는 데 필요한 유일한 가변값은 전기 흥분전류인 I입니다. 전기 흥분전류 I는 자기장 밀도를 활성화하고 설정하기 위해 사용되는 전류입니다. 식 (2)와 (3)을 사용하여 ph 관계를 도식화하면 다음과 같습니다. 자기장 강도 H가 증가함에 따라 자기장 밀도 B가 선형적으로 증가하는 것을 명확히 알 수 있습니다. 이 선형 관계의 기울기는 공기의 투자율인 Mu naught와 같습니다.

4. 자기 재질의 포화

마지막으로, 자기 재질의 경우 상대 투자율 Mu r의 값이 여러 백에서 여러 천으로 변동하기 때문에 자기장 밀도 B는 Mu naught × Mu r × H와 같습니다. 단위는 웨버/미터 제곱입니다. 식 (5)와 (6)에 따라 자기 재질의 ph 관계를 도식화하면, H가 증가함에 따라 자기 재질의 자기장 밀도 B도 증가함을 알 수 있습니다. 이 ph 곡선은 자기화 곡선이라고도 불리며, 낮은 자기장 강도 H 값의 영역에서 자기장 밀도 B가 거의 선형적으로 증가함을 볼 수 있습니다. 그러나 높은 자기장 강도 H 값에서는 자기장 밀도 B의 변화가 비선형적입니다. 다른 말로 하면, 자기 재질은 높은 자기장 강도 H에서 포화 효과를 나타냅니다.

가. 왜 자기화 곡선이 이런 모양인가?

자기화 곡선에 이러한 형태가 나타나는 이유에 대해 자세히 알아보겠습니다. 먼저, 코어의 작은 부분을 살펴보겠습니다. 전류가 흐르지 않을 때, 자기 재질에는 에너지가 저장되지 않고, 진동하거나 분포된 자기 양극을 가지고 있습니다. 전류가 약간의 값을 가지게 되면, 자기장 강도 H도 약간의 값으로 증가하며, 일부 자기 양극은 자기장과 정렬됩니다. 이렇게 하면 자기장 밀도 B가 증가하고, 자기 재질의 일부 양극은 자기장과 정렬됨에 따라 자기장 밀도 B가 증가합니다. 낮은 자기장 강도 H 값의 영역(h1 및 h2)에서는 자기 재질의 투자율 Mu의 값이 높기 때문에 자기장에 대한 투자량이 낮아져서 자기장에 대한 저항이 낮습니다. 이런 식으로 전류와 자기장 강도 H 값이 계속 증가함에 따라서만 자기 재질은 투자량이 낮아지며(즉, 투자율이 작아짐), B 값은 줄어들고, 결과적으로 자기 재질은 높은 재각에 따라 저항력을 나타냅니다. 전류를 줄이기 시작하면, 자기장 밀도 B도 감소하고, 결국 전류가 0이 되면 자기 재질의 진동은 무작위 분포가 됩니다. 이 과정을 자기 재질의 탈자기화라고 합니다. 음수 전류를 적용하면, 자기 재질의 양극은 반대 방향으로 정렬될 때까지 정렬됩니다. 하지만 음수 전류에 대한 가정은 긍정적인 방향과 정반대의 개념이므로 설명은 동일합니다. 아마도 모든 수식과 수학 공식에 지루함을 느끼셨을 것입니다. 따라서 항상 기억해야 할 정보를 이야기해 보겠습니다.

5. 자기 회로에서의 자기화 곡선의 의미

예를 들어, 기계 제어용 모터가 메카닉 로드를 제어하는 경우, 모터는 일정한 양의 에너지를 자기장으로 저장한 다음 이를 회전력으로 변환합니다. 저장된 이 에너지는 자기화 곡선의 표면적으로 표시됩니다. 자기화 곡선은 자기화를 위해 사용되는 자기화 전류인 magnetizing current I와 로드 전류인 load current I로 전체 전류가 나뉘어지는 지극히 중요한 부분입니다. 자기화 전류는 자기장을 활성화하고 설정하는 데 필요한 전류이며, 로드 전류는 로드를 지원하기 위해 기계 에너지를 변환하는 전류입니다. 자기화 전류는 일반적으로 기계의 총 전류의 5~20% 사이입니다. 이는 기계의 유형과 크기에 따라 달라질 수 있습니다. 자기 구성의 중요성 때문에 대부분의 설계자는 magnetization curve의 선현 영역 또는 조금 더 넓은 영역의 작동점을 유지하고자 합니다. 이렇게 함으로써 불필요한 손실을 최소화하고 높은 효율을 유지할 수 있습니다.

6. 결론

이번 강의에서는 자기 회로 분석과 설계에서의 BH 관계에 대해 살펴보았습니다. BH 관계는 자기 회로에서 자기장 강도와 자기장 밀도 사이의 관계를 설명합니다. 자기 재질에 따라 BH 관계는 다양한 형태를 갖으며, 자기 재질의 투자율에 따라 선형 또는 비선형적인 관계가 나타납니다. 특히, 자기화 곡선은 자기 재질의 자기장 밀도가 어떻게 변화하는 지를 보여주며, 주로 선형 영역에서 변화함을 알 수 있습니다. 하지만 자기장 강도가 높아질수록 자기 재질의 포화 효과가 나타나며, 자기장 밀도의 변화가 비선형적으로 변합니다. 또한, 자기 회로에서는 멀티로터 기계 및 변압기 등의 디자인 시 자기화 곡선을 고려하는 것이 중요합니다. 이렇게 함으로써 설계자는 기계의 작동점을 선형 영역 내에 유지하거나 가능한한 선형 영역에 가깝게 유지하여 불필요한 손실을 방지하고 높은 효율을 유지할 수 있습니다. 감사합니다.

강의 내용 요약

• 자기 회로 분석과 설계에서의 BH 관계는 자기장 강도와 자기장 밀도 사이의 관계를 설명합니다.
• 비자기 재질인 경우 자기장 밀도는 자기장 강도와 같으며, 자기 재질인 경우는 mu naught, mu r 및 자기장 강도에 따라 결정됩니다.
• 자기회로에서는 주로 자기화 전류와 로드 전류의 개념이 중요하며, 자기화 곡선은 자기 재질의 자기장 밀도 변화를 보여줍니다.
• 자기 재질의 포화 현상은 자기장 강도가 높아질수록 나타나며, 자기장 밀도의 변화가 비선형적으로 발생합니다.
• 디자인시 자기화 곡선을 고려하여 작동점을 선형 영역 내에 유지하려는 것이 좋습니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: 자기 회로에서의 BH 관계는 왜 중요한가요? A: 자기 회로에서의 BH 관계는 자기장 강도와 자기장 밀도의 관계를 설명하며, 자기 재질의 특성을 이해하는 데 도움이 됩니다. 이를 토대로 기계나 변압기 등의 설계시 작동점을 적절하게 설정하고 효율을 높일 수 있습니다.

Q: 자기화 곡선은 어떤 의미를 갖고 있나요? A: 자기화 곡선은 자기 재질의 자기장 밀도 변화를 나타내는 곡선으로, 자기화 전류와 로드 전류의 상호 관계를 보여줍니다. 이를 통해 자기 재질의 포화 현상을 이해하고 설계시 효율적인 작동점을 설정할 수 있습니다.

Q: 자기 회로 설계시 어떤 요소를 고려해야 하나요? A: 자기 회로 설계시 주로 자기화 곡선을 고려해야 합니다. 작동점을 선형 영역 내에 유지하거나 가능한한 선형 영역에 가깝게 설계하여 불필요한 손실을 최소화하고 높은 효율을 얻을 수 있습니다.

Q: 자기 재질의 포화 현상이 무엇인가요? A: 자기 재질의 포화 현상은 자기장 강도가 높아질수록 자기 재질의 자기장 밀도 변화가 비선형적으로 발생하는 현상입니다. 이는 전류의 증가에 비해 자기장 밀도의 증가가 미미하게 일어나는 것을 의미합니다.

Q: 자기장 밀도를 증가시키기 위해 어떤 요소를 조절해야 하나요? A: 자기장 밀도를 증가시키기 위해서는 자기회로에서 자기화 전류를 조절해야 합니다. 자기화 전류는 자기장을 활성화하고 설정하는 데 사용되는 전류로, 작동점 설정시 고려되어야 하는 주요 요소입니다.