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문제 정의
- 본 논문은 함정 건조에 이용되는 철판에 대하여 인가자계에 따른 잔류자화상태를 해석하기 위해 사각판재형 강재의 B-H 곡선을 실험과 수치해석적인 방법을 이용하여 구하였다. 실험적인 방법은 반자계가 존재하는 자성체의 자기적인 특성은 일반적으로 고투자율의 자심을 이용하여 폐자로 형태로 한 후, 전체의 자속이 자심의 자기저항에 영향을 받지 않도록 측정하는 것이다.
제안 방법
- 이 2차 다항식은 일반적으로 미세공극을 가지는 자심의 경우 공극의 크기에 따른 투자율의 변화는 2차함수로 되는 것에 착안하였다. 그리고 사각판재형 강재의 자계와 자속밀도는 3차원 유한요소법 해석 프로그램으로 구한 다음, B-H 곡선을 보정하였다. 즉, 유한요소법 프로그램에 Fig.
- 따라서 공극이 없는 상태, 즉 반자계의 영향을 받지 않는 비투자율은 10 μm의 폴리에틸렌 필름을 한 장씩 적층시키면서 공극의 크기에 따라 B-H 곡선을 측정한 후, 이 측정치를 최소자승법의 2차 다항식 근사시켜 구하였다.
- 그러나 자심과 철판 사이에는 아주 미세한 공극이 존재하며 특히, 철판의 면적이 자심의 단면적보다 크면 자속은 외연효과에 의해 철판 전면에 분포하게 되어 정확한 자로길이를 구할 수가 없게 된다. 따라서 이 연구에서는 사각철판과 자심 사이에 일정 공극을 순차적으로 증가시켜 구한 후, 최소자승법으로 공극이 없는 상태의 특성을 근사하였으며 3차원 전자장 해석 프로그램을 이용하여 측정해서 구한 자심의 동작 B-H 곡선을 수치해석 프로그램에 입력한 후, 해석하여 사각철판의 B-H 곡선을 구하였다.
- 이 경우에서도 페라이트 자심의 경우와 같이 페라이트 자심과 사각판재형 강재 사이의 미세공극이 존재한다. 따라서 측정된 B-H 곡선의 보정을 위해 페라이트 자심과 사각판재형 강재 사이의 공극을 증가시켜 측정한 다음 최소자승법의 2차 다항식으로 근사하여 기자력, 자속밀도를 구하였다. Fig.
- 본 논문에서는 사각판재형 강재의 마이너 B-H 곡선을 구하기 위해 Labview 프로그램과 DAQ보드를 이용하여 B-H 측정 장치를 구성하고 B-H 곡선의 측정을 바탕으로 한 3차원 유한요소법으로 해석하였다. 측정방법은 고투자율의 페라이트 자심에 1차, 2차 권선을 감은 후, 자심을 철판 위에 두고 페라이트 자심의 자계와 자속밀도를 측정하는 것이다.
- 본 논문은 함정 건조에 이용되는 철판에 대하여 인가자계에 따른 잔류자화상태를 해석하기 위해 사각판재형 강재의 B-H 곡선을 실험과 수치해석적인 방법을 이용하여 구하였다. 실험적인 방법은 반자계가 존재하는 자성체의 자기적인 특성은 일반적으로 고투자율의 자심을 이용하여 폐자로 형태로 한 후, 전체의 자속이 자심의 자기저항에 영향을 받지 않도록 측정하는 것이다. 그러나 자심과 철판 사이에는 아주 미세한 공극이 존재하며 특히, 철판의 면적이 자심의 단면적보다 크면 자속은 외연효과에 의해 철판 전면에 분포하게 되어 정확한 자로길이를 구할 수가 없게 된다.
- 해석 후에 페라이트 자심의 자속밀도는 실험을 통해 얻어진 보정된 기자력에 해당하는 자속밀도와 비교되며, 자속밀도의 해석치가 보정된 실험치와 일치할 때까지 사각판재형 강재의 투자율을 변화시켰다. 이 때 구한 비투자율을 사각판재형 강재의 비투자율로 정하고, 사각판재형 강재의 중심에서 H와 B를 구하였다.
- 2(a)와 (b)에서 보여진 시료의 자기이력곡선을 측정하기 위한 실험장치의 구성을 나타낸 것이다. 자심의 1차측 권선에 인가되는 전류와 2차측 권선에 발생하는 전압은 컴퓨터 기반 데이트 수집보드인 DAQ 보드를 통해 Labview 프로그램으로 생성 및 측정되고 1차권선의 전류는 전류 프루브를 이용하여 측정하였다. Fig.
- 본 논문에서는 사각판재형 강재의 마이너 B-H 곡선을 구하기 위해 Labview 프로그램과 DAQ보드를 이용하여 B-H 측정 장치를 구성하고 B-H 곡선의 측정을 바탕으로 한 3차원 유한요소법으로 해석하였다. 측정방법은 고투자율의 페라이트 자심에 1차, 2차 권선을 감은 후, 자심을 철판 위에 두고 페라이트 자심의 자계와 자속밀도를 측정하는 것이다. 이때 자심과 철판 사이의 미세한 공극에 대한 보정은 최소자승법의 2차다항식으로 보정하였다.
- 2(b)의 측정을 통해서 얻어진 공극이 보정된 기자력을 소스로 설정하여 해석하였다. 해석 후에 페라이트 자심의 자속밀도는 실험을 통해 얻어진 보정된 기자력에 해당하는 자속밀도와 비교되며, 자속밀도의 해석치가 보정된 실험치와 일치할 때까지 사각판재형 강재의 투자율을 변화시켰다. 이 때 구한 비투자율을 사각판재형 강재의 비투자율로 정하고, 사각판재형 강재의 중심에서 H와 B를 구하였다.
대상 데이터
- 나머지 원소는 Si, Mn, P, S, Cu, Cr, Ni, Mo, Al, Nb, V, Ti을 가지고 두께는 12 mm, 크기는 300mm × 300mm인 사각철판이다.
이론/모형
- 측정방법은 고투자율의 페라이트 자심에 1차, 2차 권선을 감은 후, 자심을 철판 위에 두고 페라이트 자심의 자계와 자속밀도를 측정하는 것이다. 이때 자심과 철판 사이의 미세한 공극에 대한 보정은 최소자승법의 2차다항식으로 보정하였다. 사각판재형 강재의 자기저항이 페라이트 자심의 자기저항보다 비교적 큰 자계영역에서는 강판의 투자율이 측정되지만 페라이트 자심의 자속밀도가 포화에 가까워지게 되면 페라이트 자심의 투자율이 감소하여 페라이트 자심의 자기저항이 점차 증가하게 되므로 인가된 기자력에 대한 자속이 페라이트 자심의 자기저항에 크게 영향을 받아 정확하게 측정할 수 없었다.
성능/효과
- 사각판재형 강재의 자기저항이 페라이트 자심의 자기저항보다 비교적 큰 자계영역에서는 강판의 투자율이 측정되지만 페라이트 자심의 자속밀도가 포화에 가까워지게 되면 페라이트 자심의 투자율이 감소하여 페라이트 자심의 자기저항이 점차 증가하게 되므로 인가된 기자력에 대한 자속이 페라이트 자심의 자기저항에 크게 영향을 받아 정확하게 측정할 수 없었다. 따라서 본 실험에서는 자계가 약 520 A/m, 자속밀도가 0.15 T의 범위에서 사각판재형 강재의 B-H 곡선를 구할 수 있었다.
- 이것은 페라이트 자심의 자속밀도가 포화에 가까워짐에 따라 투자율이 감소하여 페라이트 자심의 자기저항이 점차 증가하게 되고 인가된 기자력에 대한 자속이 페라이트 자심의 자기저항에 크게 영향을 받아 정확한 마이너루프를 구할 수 없기 때문이다. 따라서 본 실험에서는 자계가 약 520 A/m, 자속밀도가 0.15 T의 범위에서 사각판재형 강재의 비투자율이 약 140~230 이하의 마이너루프를 구할 수가 있었다. 더 큰 범위의 자계에 대한 루프에 대해서는 보다 단면적이 넓은 페라이트자심을 이용함에 의해 구할 수 있으리라 생각된다.
- 이 그림으로부터 사각판재형 강재의 투자율은 페라이트 자심의 투자율보다 매우 작으며 보자력이 매우 큼을 추정할 수 있고 사각판재형 강재에 흐르는 자속은 페라이트의 포화자속밀도에 의해 제한됨을 알 수 있다. 따라서 페라이트의 자속밀도가 포화하지 않는 범위 내에서는 사각판재형 강재의 자기저항이 페라이트의 자기저항보다 매우 커서 사각판재형 강재의 자기적인 특성을 구하기 위해 페라이트 자심을 이용하는 것이 매우 효과적임을 알 수 있다. 이 경우에서도 페라이트 자심의 경우와 같이 페라이트 자심과 사각판재형 강재 사이의 미세공극이 존재한다.
후속연구
- 15 T의 범위에서 사각판재형 강재의 비투자율이 약 140~230 이하의 마이너루프를 구할 수가 있었다. 더 큰 범위의 자계에 대한 루프에 대해서는 보다 단면적이 넓은 페라이트자심을 이용함에 의해 구할 수 있으리라 생각된다.
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