철심 (鐵心, Core)

철심 (鐵心, Core)

변압기에서 전자유도작용을 하기 위한 자속의 통로, 즉자기회로는 철로 구성되어 있으며, 이를 철심이라 한다.
철심을 사용하는 것은 자속통로의 자기저항을 감소시키 고, 여자전류, 철손을 적게 하기 위해서다. 철심은 변압기의 외함을 제외한 중량의 절반 이상의 무게가 되고, 변압 기의 가격, 크기 및 특성에 큰 영향을 준다.
영국의 로버트 하드필드가 규소강판을 발견하였으며, 수년 후 독일의 굼리히가 규소강판의 공업적 생산에 성공 하여 널리 사용되게 되었다. 초기에는 규소강판제작이 열간압연에 의한 방법이었으나, 후에 냉간압연방법이 연구되어 현재는 대부분 냉간압연 규소강판을 사용하고 있다.
우수한 자기특성을 가지는 방향성 규소강판의 이용에 의해 변압기의 소형 경량화와 대용량화를 실현할 수 있었 으며, 성층에 의한 철심조립으로 변압기의 특성과 제작에 많은 변화를 가져오게 되었다.
철덩어리로 철심을 만들면, 철심자체가 전기회로를 형성하여 큰 전류가 철 내부를 순환하여 과대한 철손을 발생시킨다. 이 순환전류 즉 와전류를 억제하고 와류손을 감소시키기 위해, 얇은 철판을 겹쳐 적층한 성층철심이 메이 슨에 의하여 고안되어 널리 사용되며, 철판의 두께는 얇을수록 와류손을 줄이는데 유리하나 표면의 무기질 절연피막 때문에 占積率이 저하하고, 또 철심 조립시간이 증가하 므로 현재 변압기에 사용되는 철판의 두께는 0.27mm～ 0.35 mm까지 사용되고 있다.
철심에 교번자속이 통과하면 히스테리시스손이 발생한 다. 이 손실을 감소시키기 위해 규소강판이 사용된다. 규소의 함유량은 3～4%이다.
변압기에 사용되는 규소강판은 열간압연강판(규소함유량 4%)과 냉간압연강판(규소함유량 3%)의 두 종류가 있고, 현재는 거의 냉간압연규소강판이 사용되고 있다. 이 냉간압연 규소강판은 자속의 방향이 압연방향과 일치되었을 때 양호한 자기특성(높은 투자율과 저손실)을 나타내며, 자속의 방향이 압연방향과 차이가 생기면 특성이 크게 저하한다.
자화방향과 압연방향이 일치하도록 제작한 냉간압연규소 강판을 방향성 규소강대(방향성 규소강대, Grainoriented magnetic steel sheet and strip)라고도 한다.
철심구조의 설계에 있어서 자속은 가능한 한 압연방향과 일치하도록 할 필요가 있다.
이 방향성 규소강대는 기계적인 외력을 가하게 되면 자기특성이 저하하고, 특히 절단시, 또는 구멍을 뚫을 떄 발생하는 burr에 의하여 손실이 증가하여 과열의 우려가 있으므로, 가공시 각별히 유의하여야 하며, 조립시 강대에 국부적으로 조이는 힘이 작용하지 않도록 하여야 한다

철심의 구성

1. 내철형(內鐵型, Core type)
내철형은 철심과 코일의 상호관계를 다음과 같이 표시 한다.

A부분을 자속이 통과하며 권선이 감기는 다리(leg)라고 하고, B부분을 자기회로를 형성하는 계철(yoke)이라 하며, C부분을 권선이 차지하는 창(window)이라고 한다.

내철형의 변압기에서는 먼저 다리와 하부 계철을 조립하고, 권선을 넣은 다음, 상부 계철을 조립한다.
철심에 발생하는 진동과 소음을 줄이기 위해 다음과 같은 방법을 사용하여 철심을 조립한다. 다리 부분의 철심에는 딱딱한 절연판이 삽입되어 와류와 자기회로의 단락을 억제하며, 철심편의 이탈을 막기 위하여 합성수지를 함침한 유리섬유 테이프로 묶고, 절연볼트로 철심을 관통하여 조인다. 또한 철심에 발생되는 열을 냉각하기 위해 유통로를 만들기도 한다.

2. 외철형(外鐵型, Shell type)

외철형은 권선을 수직으로 한 상태에서 하부 지지틀 위에 세우고, 권선의 안쪽 철심과 바깥쪽 철심을 차례로 쌓아 올려 상부 지지틀을 조여 완성한다.

3. 철심의 적층방법

1) 적철심(積鐵心, Laminated Core)
적철심은 규소강대에서 낱장철판을 특정한 형으로 찍어내어, 이 철판을 조립하여 성층하고 자기회로를 형성한다. 철판의 조립 방법에는 중접합법(重接合法, Lap joint)과 충두접합(衝頭接合, But joint)이 있으나, 충두접합은 이은 곳의 공극으로 인하여 여자전류가 증대되고 자기적 흡인력 때문에 진동과 소음이 커지므로 잘 사용하지 않으며, 대부분 중접합법이 많이 사용된다. 중접합법은 철편의 접합부분이 30∼60°되게 찍어 내어 홀, 짝의 순서로 번갈아 쌓아 적층하게 된다.

방향성 규소강대를 사용할 경우 찍어낸 철판의 압연방향과 자기회로의 방향이 일치하지 않으면 철손이 증가하므로, 철판의 절단과 적층시 이에 대한 고려를 하여야 한다.
적철심은 특히 압연방향과 직각에 가까운 방향에서는 자기특성이 매우 변화하므로 철심의 구성에 있어서 다리와 계철에서의 자속의 흐름은 모두 압연방향과 일치가 되도록 하여야 한다.

2) 스텝랩 접합(Step lap joint)
철심 적층시 스텝랩 접합을 적용하면 변압기의 소음을 4～5dB 정도 줄일 수 있다.

3)  권철심(卷鐵心, Strip-wound core)
일정한 폭의 규소강대를 고리 형태로 감은 것이고, 자속은 압연방향과 일치하여 통과시키도록 한 형태이다. 권선을 감기 위해 수지로 성형하고 2개소를 절단하여 권선을 넣은 cut core와 철심을 자르지 않은 non cut core 두 종류가 있다. 권철심은 주로 주상변압기 등에서 많이 사용된 다