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문제 정의
- 본 논문에서는 PWM 인버터 시스템에 적용되는 인덕터에서 가청 주파수 영역인 20kHz 이하의 코어의 변형과 소음에 대해 논의되었다. 소음의 주요한 요인으로 코어에서 발생하는 변형과 소음을 줄이며, 또한, 시스템 효율을 높이기 위한 인덕터 설계로Oval 형상의 Sendust 코어를 제안하였다.
- 본 논문에서는 이러한 전자기력으로 인한 소음을 줄이기 위한 인덕터의 코어 소재 중 분말 자성 코어에 초점을 두고 연구하였다. 분말 자성코어는 금속 합금 분말을 절연 세라믹 코팅하여 미세한 공극을 형성하며, 이러한 미세한 코팅이 자기포화 방지를 위해 삽입되는 벌크 공극을 대신하게 되어, 분말 자성 코어에서는 전자기력에 의한 변형을 줄일 수 있다.
가설 설정
- 코어간 공극을 가정하면 맥스웰 응력은 자속의 수직방향으로 코어의 공극에 응력을 작용하며, 이로 인한 자성체의 변형을 막기 위해 세라믹 또는 비자성체의 경도가 높은 공극 재료를 삽입하며, 적층된 수 μm-mm 두께의 강판 소재는 서로 에폭시 수지로 접착하여 변형을 방지한다.
제안 방법
- Sendust 코어 형상별 제작된 인덕터는 FFT Analyzer를 이용한 주파수 분석으로 인덕터에서 발생하는 소음의 주파수와 소음 레벨을 통해 비교하였다. 19kHz의 스위칭 주파수로 동작하는 4kW급 PWM 인버터에 장착하여 각 형상별 소음 레벨 뿐만 아니라 효율도 비교하였다. 본 연구는 계통 연계형 인버터에 널리 사용되고 있는 Sendust 분말 자성 코어의 효율적인 측면에서 형상 선택뿐만 아니라, 소음적인 형상선택에도 도움이 될 것으로 판단된다.
- 그림 2와 3은 일반적으로 제조된 투자율 60μr을 갖는 Sendust 코어의 B-H 특성과 코어손실을 나타낸다. 4kW급 단상 태양광 인버터용 출력 인덕터의 코어 형상별 최적화 설계를 위한 그림 4의 순서로 Sendust 합금분말 코어를 적용한 인덕터를 설계하였다.
- Sendust 소재를 적용한 4kW급 PWM 인버터용 출력 인덕터를 Rectangular, Toroidal, Oval형상으로 설계하고, FEM을 통해 각 코어 형상별 전자기력과 자기 왜곡력을 비교하였다. Sendust 분말 자성 코어의 자왜상수를 B-H Analyzer와 스트레인 변형게이지를 이용하여 측정하고, 그 영향을 소음 레벨로 확인하였다. Sendust 코어 형상별 제작된 인덕터는 FFT Analyzer를 이용한 주파수 분석으로 인덕터에서 발생하는 소음의 주파수와 소음 레벨을 통해 비교하였다.
- Sendust 분말 자성 코어는 코어내부에 미세 공극이 형성되어 있어 코어 사이의 벌크한 공극이 없으며, 낮은 자왜상수, 그리고 낮은 코어 손실을 가진 소재로 고주파용 인덕터에 적합하다. Sendust 소재를 적용한 4kW급 PWM 인버터용 출력 인덕터를 Rectangular, Toroidal, Oval형상으로 설계하고, FEM을 통해 각 코어 형상별 전자기력과 자기 왜곡력을 비교하였다. Sendust 분말 자성 코어의 자왜상수를 B-H Analyzer와 스트레인 변형게이지를 이용하여 측정하고, 그 영향을 소음 레벨로 확인하였다.
- Sendust 분말 자성 코어의 자왜상수를 B-H Analyzer와 스트레인 변형게이지를 이용하여 측정하고, 그 영향을 소음 레벨로 확인하였다. Sendust 코어 형상별 제작된 인덕터는 FFT Analyzer를 이용한 주파수 분석으로 인덕터에서 발생하는 소음의 주파수와 소음 레벨을 통해 비교하였다. 19kHz의 스위칭 주파수로 동작하는 4kW급 PWM 인버터에 장착하여 각 형상별 소음 레벨 뿐만 아니라 효율도 비교하였다.
- Sendust 코어로 표 2와 같이 설계된 3가지 형상의 인덕터는 단상 PWM 인버터용 출력단 인덕터로 장착되어 소음을 비교하였다. 시스템 사양은 Po=4kW, Vo=202VAC, 60Hz, Irms=19.
- 또한, 코어의 치수의 변화는 진동과 함께 공기의 매질을 통해 음압으로 나타나게 되며, 음압은 인덕터코어에 가해지는 교류자계는 B-H Analyzer를 사용하여 자계의 증가에 따른 자속밀도의 증가와 함께 코어의 변형율 측정하였다. 또한, 코어의 치수의 변화는 진동과 함께 공기의 매질을 통해 음압으로 나타나게 되며, 음압은 인덕터를 무향 박스 내에 장착하여 마이크로폰을 통해 Fast Fourier transform (FFT) Analyzer로 주파수별 소음 레벨을 측정하였다. 마이크로폰은 코어로부터 10cm 상단에 위치하였다.
- 코어에 가해지는 교류 자계는 B-H Analyzer를 사용하여 자계의 증가에 따른 자속밀도의 증가와 함께 코어의 변형율을 측정하였다. 또한, 코어의 치수의 변화는 진동과 함께 공기의 매질을 통해 음압으로 나타나게 되며, 음압은 인덕터코어에 가해지는 교류자계는 B-H Analyzer를 사용하여 자계의 증가에 따른 자속밀도의 증가와 함께 코어의 변형율 측정하였다. 또한, 코어의 치수의 변화는 진동과 함께 공기의 매질을 통해 음압으로 나타나게 되며, 음압은 인덕터를 무향 박스 내에 장착하여 마이크로폰을 통해 Fast Fourier transform (FFT) Analyzer로 주파수별 소음 레벨을 측정하였다.
- 효율적인 측면에서는 Oval 형상의 코어가 우수하였으며, 소음적인 측면에서는 Toroidal 형상의 코어가 우수하였다. 모든 형상의 인덕터는 19kHz의 스위칭 주파수로 동작하는 4kW급 태양광 인버터의 출력 필터에 적용하여 성능을 검증하였으며, FFT Analyzer를 통해 각 주파수별 음압 레벨을 측정하였다.
- 분말 자성 코어의 자기 왜곡은 등방성의 형태로 나타나게 되며, 이러한 코어의 자기변형에 대한 변형율을 스트레인 게이지의 길이 변화를 통한 실험으로 확인하였다. 본 논문에서 제안한 Sendust 분말 자성 코어를 그림 10과 같이 블록 형태의 코어 상단 표면에 반도체형 스트레인 게이지를 부착하여 자왜상수를 측정하였다. 반도체 스트레인 게이지는 휘트스톤 브릿지에 연결되어 게이지 길이의 변화는 저항의 변화로 나타나며 앰프로 증폭되어 전압으로 변환되어 기록된다.
- 본 논문에서는 자성체의 진동, 소음 특성을 전자기력과 자기변형의 특성을 중심으로 PWM 고주파 인덕터에 널리 쓰이고 있는 코어 소재에 따른 특성을 비교하여, 자성 분말 코어 중 Sendust 재료를 중심으로 코어의 형상별 자속분포와 전자기력 및 자기 왜곡력을 유한 요소 해석을 통해 확인하고, 자속밀도의 증가에 따른 코어 재료의 고유 특성인 자기왜곡을 스트레인 변형게이지로 측정하였다. 코어의 형상은 기존에 널리 사용되고 있는 Rectangular 및 Toroidal을 채택하였다.
- 코어의 변형에 영향을 미치는 요소 중 전자기력 외에 자성체가 자화될 때 자기 도메인의 회전에 의해 코어의 길이 변화를 수반하게 되는데 이러한 길이의 변화는 자성 재료별 고유값을 가진다. 분말 자성 코어의 자기 왜곡은 등방성의 형태로 나타나게 되며, 이러한 코어의 자기변형에 대한 변형율을 스트레인 게이지의 길이 변화를 통한 실험으로 확인하였다. 본 논문에서 제안한 Sendust 분말 자성 코어를 그림 10과 같이 블록 형태의 코어 상단 표면에 반도체형 스트레인 게이지를 부착하여 자왜상수를 측정하였다.
- 하지만, Toroidal 형상의 코어는 권선되는 공간에 제약이 있어 Fill factor 50% 이상의 권선은 불가능하며, 이와는 반대로 각형의 코어에서는 코어 안쪽의 권선되는 창 면적을 최대한 활용할 수 있다는 장점이 있다. 상기 두 가지 관점에서 코어 내 자속밀도의 균일한 분포와 최대 권선 면적을 활용하기 위한 Oval형의 코어 형상을 제안하여 비교하도록한다. 각 코어재는 Sendust 분말코어로 코어 간 별도의 공극이 없으며, 투자율은 60μr을 기준으로 설계되었다.
- 본 논문에서는 PWM 인버터 시스템에 적용되는 인덕터에서 가청 주파수 영역인 20kHz 이하의 코어의 변형과 소음에 대해 논의되었다. 소음의 주요한 요인으로 코어에서 발생하는 변형과 소음을 줄이며, 또한, 시스템 효율을 높이기 위한 인덕터 설계로Oval 형상의 Sendust 코어를 제안하였다. Sendust 분말 자성 코어는 코어내부에 미세 공극이 형성되어 있어 코어 사이의 벌크한 공극이 없으며, 낮은 자왜상수, 그리고 낮은 코어 손실을 가진 소재로 고주파용 인덕터에 적합하다.
- 인덕터용 코어 형상은 Toroidal, Rectangular, Oval의 3가지 타입으로, 요구되는 시스템 사양은 Po=4kW, Vo=202VAC, 50/60Hz, Irms=19.8A, Ipeak=32A, fs=19kHz이며, 인덕터의 인덕턴스는최대 전류에서 600μH 사양으로 설계되었다.
- 코어의 형상은 기존에 널리 사용되고 있는 Rectangular 및 Toroidal을 채택하였다. 추가로, 기존의 형상에서 성능을 향상시킬 수 있는 Oval 형상의 코어를 제안하여 해석 및 성능 검증을 진행하였다. 효율적인 측면에서는 Oval 형상의 코어가 우수하였으며, 소음적인 측면에서는 Toroidal 형상의 코어가 우수하였다.
- 코어에 가해지는 교류 자계는 B-H Analyzer를 사용하여 자계의 증가에 따른 자속밀도의 증가와 함께 코어의 변형율을 측정하였다. 또한, 코어의 치수의 변화는 진동과 함께 공기의 매질을 통해 음압으로 나타나게 되며, 음압은 인덕터코어에 가해지는 교류자계는 B-H Analyzer를 사용하여 자계의 증가에 따른 자속밀도의 증가와 함께 코어의 변형율 측정하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 자성체의 진동, 소음 특성을 전자기력과 자기변형의 특성을 중심으로 PWM 고주파 인덕터에 널리 쓰이고 있는 코어 소재에 따른 특성을 비교하여, 자성 분말 코어 중 Sendust 재료를 중심으로 코어의 형상별 자속분포와 전자기력 및 자기 왜곡력을 유한 요소 해석을 통해 확인하고, 자속밀도의 증가에 따른 코어 재료의 고유 특성인 자기왜곡을 스트레인 변형게이지로 측정하였다. 코어의 형상은 기존에 널리 사용되고 있는 Rectangular 및 Toroidal을 채택하였다. 추가로, 기존의 형상에서 성능을 향상시킬 수 있는 Oval 형상의 코어를 제안하여 해석 및 성능 검증을 진행하였다.
데이터처리
- 본 논문에서 제안한 Sendust 코어의 형상별 소음을 마이크로폰을 통하여 FFT Analyzer로 주파수별 분석하여 비교하였다. 표 2에서 설계된 4kW 인버터용 인덕터로 제작된 3가지 형상의 제품들은 설계사양과 같은 50Hz, 0.
성능/효과
- Sendust 분말 자성 코어를 적용한 3가지 형상의 인덕터를 적용한 실험 결과를 통하여, 소음 측면에서는 Toroidal 형상이 가장 낮은 특성을 보이나, 낮은 Fill factor로 인하여 효율 측면에서는 좋은 특성을 보이지 못하였다. Oval 형상은 소음 특성은 중간 특성을 보이나, 효율 측면에서 우수한 특성을 나타내고 있으며, 다만 인버터내 한정된 공간내에 장착하기 위한 구조적인 기구설계가 별도로 필요하다는 단점이 있다.
- Sendust 코어로 제작된 각 형상별 인덕터의 소음 측정 결과는 그림 15와 같다. 가장 큰 소음이 발생하는 주파수는 스위칭 주파수인 19kHz이며, Rectangular, Oval, Toroidal 형상의 순서대로 소음의 크기가 측정되었다. 최대 50dBA 수준의 고주파 소음은 발생 주파수가 19kHz 영역이므로, 대부분의 사람에게는 거의 들리지 않으나, 민감한 청각을 가진 사람에게는 큰 불쾌감을 준다.
- 부하의 증가에 따라 발열과 함께 동손은 더욱 증가하여 전체 효율 저하에 영향을 미치게 된다. 또한, Oval 형상의 코어는 높은 Fill factor로 동손의 감소와 함께 코어 형상의 유선형으로, 자속밀도의 집중을 낮추어 전 영역에서 높은 효율을 나타내고 있다.
- 특성이 작으며, 코어 사이의 공극에 작용하는 전자기력을 줄일수 있는 코어재료의 선정은 중요하다. 또한, 시스템 효율을 높이기 위한 고주파 코어 손실이 작으며, 직류 중첩 특성과 포화자속 밀도가 높은 코어재료를 선정하는 것이 바람직하며, 표 1의 Sendust 코어가 전반적으로 우수한 성능을 가진다.
- 이는 전자기력의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 토로이덜에서 가장 작고, 각형에서 가장 높은 수치를 보이며, 타원형의 코어는 토로이덜형과 각형의 중간 수준을 나타내고 있다. 자기 왜곡에 의해 코어에 작용하는 힘은 Sendust 코어의 낮은 자왜 상수로 인하여 전자기력의 영향에 비해 작게 나타났다.
- Sendust 코어로 설계된 3종류 형상의 인덕터는, 효율을 비교하기 위하여 전력 분석기(Power Analyzer)로 부하의 증가에 따라 측정되었으며, 그 결과는 그림 16과 같다. 측정된 결과는 Oval, Rectangular, Toroidal의 순으로 효율이 높게 측정되었으며, 이는 Toroidal 코어의 경우 다른 두 가지 코어의 형태보다 Fill factor가 낮으므로, 동손의 영향이 크게 작용하였다. 부하의 증가에 따라 발열과 함께 동손은 더욱 증가하여 전체 효율 저하에 영향을 미치게 된다.
후속연구
- 19kHz의 스위칭 주파수로 동작하는 4kW급 PWM 인버터에 장착하여 각 형상별 소음 레벨 뿐만 아니라 효율도 비교하였다. 본 연구는 계통 연계형 인버터에 널리 사용되고 있는 Sendust 분말 자성 코어의 효율적인 측면에서 형상 선택뿐만 아니라, 소음적인 형상선택에도 도움이 될 것으로 판단된다.
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