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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 비정질 합금 재료와 페라이트를 이용하여 비접촉식 커플러를 제조하여 제조 변수에 대한 신호전송 특성을 평가함으로서 각 재료의 적용 범위를 제시하고, 비접촉식 커플러용 자심 재료로 응용 가능한 조건에 대해 고찰하고자 하였다.
제안 방법
- 자심 재료의 투자율과 전력 손실 등의 전자기적 특성은 Impedance Analyzer (4294A, Agilent)오} B-H Analyzer (SY-8232, IWATSU)를 이용하여 측정하였다. 그리고 커플러의 신호감쇄특성 (S21)은 Network Analyzer(8751A, Agilent를) 이용하여 측정하였다.
- 에어-갭 크기를 선정하고자 하였다. 그리고 페라이트와 비정질 재료 각각에 대해 사용 가능한 최대 전류 및 통신 주파수 범위에 대해 삽입 손실(S21)을 기준으로 평가하였다. 자심 재료의 투자율과 전력 손실 등의 전자기적 특성은 Impedance Analyzer (4294A, Agilent)오} B-H Analyzer (SY-8232, IWATSU)를 이용하여 측정하였다.
- 자심 재료의 크기는 도체 단면적이 325 mn? 인 지중 전력선에 적용 가능하도록 내경X외경이 70x94 mm로 설정하였다. 또한 예비실험을 통해 자심 재료의 높이를 80 mm로 설정하였다.
- 열처리된 자심 재료는 투자율과 전력 손실 등의 전자기적 특성을 평가하였으며, 이들 자심 재료를 이용하여 커플러를 구성한 후 커플러의 절단면에 에어-갭을 삽입함으로써 대전류에서의 포화를 방지하였으며, 이때의 최적의 에어-갭 크기를 선정하고자 하였다. 그리고 페라이트와 비정질 재료 각각에 대해 사용 가능한 최대 전류 및 통신 주파수 범위에 대해 삽입 손실(S21)을 기준으로 평가하였다.
대상 데이터
- 페라이트와 비정질 재료 등의 자심 재료에 따른 커플러 제조와 특성 실험에서 사용된 재료는 Mn-Zn 페라이트 (PC40, TDK)와 나노 결정질 합금 재료(Finemet, Hitachi Metal)를 이었다. 자심 재료의 크기는 도체 단면적이 325 mn? 인 지중 전력선에 적용 가능하도록 내경X외경이 70x94 mm로 설정하였다.
데이터처리
- 그리고 페라이트와 비정질 재료 각각에 대해 사용 가능한 최대 전류 및 통신 주파수 범위에 대해 삽입 손실(S21)을 기준으로 평가하였다. 자심 재료의 투자율과 전력 손실 등의 전자기적 특성은 Impedance Analyzer (4294A, Agilent)오} B-H Analyzer (SY-8232, IWATSU)를 이용하여 측정하였다. 그리고 커플러의 신호감쇄특성 (S21)은 Network Analyzer(8751A, Agilent를) 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 2.커플러의 권선수는 비정질 합금을 사용한 커플러는 1 회 권선이 가장 우수하며, 페라이트 자심 재료를 이용할 커플러는 2회. 권선에서 가장 우수한 신호 전송 특성을 나타내었다.
- 3.커플러의 절단면 사이에 삽입되는 에어-갭은 페라이트나 비정질 합금 재료 모두 약 600 ml일 때, 가장 안정적이면서 우수한 특성을 나타내었다.
- 4.페라이트는 안정적인 특성을 발휘하는 주파수 대역이 좁아 20 MHz 이하의 주파수 대역에 적용 가능할 것으로 보이며, 낮은 포화자속 밀도로 인해 내전류 특성이 비정질 합금 재료에 비해 떨어졌다.
- 커플러의 권선수는 비정질 합금을 사용한 커플러는 1 회 권선이 가장 우수하며, 페라이트 자심 재료를 이용할 커플러는 2회. 권선에서 가장 우수한 신호 전송 특성을 나타내었다.
- 한 편 고속통신용비접촉식 커플러는 일반적으로 -5 dB 내외의 삽입 손실을 나타내어야 하고, 에어-갭이 클수록 내전류 특성은 향상되므로 약 600 um이 가장 적당할 것으로 생각된다. 그리고 페라이트를 자심 재료로 사용한 그림 6은 비정질 재료와 마찬가지로 에어-갭 증가에 따라 고주파 특성은 변화가 없으나 저주파 특성이 연속적으로 저하되었는데, 에어-갭이 600 um까지는 비교적 안정적인 특성을 나타내지만 그 이상에서는 저주파 특성의 감소율이 증가하였다.
- 변화를 나타낸 것이다. 그림7은 비정질 합금재료를 사용한 커플러의 전류 특성을 나타낸 것으로서, 약 250 A 까지는 비교적 안정적인 전류 특성을 나타내었으나, 이 이상의 전류에 대해서는 급격한 삽입 손실의 증가 현상이 나타났다. 따라서 그 이상의 전류가 유입되는 고압 지중선 또는 가공선로에 적용하기 위해서는 자심 재료의 부피와 에어-갭을 증가시키거나 자심 재료의 전자기 특성의 증가가 요구된다.
- 여기서 출력 선의 권선 수가 많을수록 입력선으로부터 여기되는 자속량이증가하여 신호전송 특성이 향상될 수 있지만 권선수가증가함에 따라 선로(線路) 손실도 증가하게 된다. 본 연구 결과에서는 자속여기량의 증가보다 선로 손실에 의한 특성 저하가 보다 크게 작용하는 것으로 보인다. 한편, 4 MHz 이상의 고주파 영역에서는 출력선의 권선수가 1회인 경우가 가장 높고 안정적인 신호전송 특성을 나타내었는데, 이 경우에는 선로손실이 보다 낮기 때문인 것으로 보인다.
- 하지만 페라이트를 자심 재료로 이용한 커플러는 약 20 MHz 이후에는 급격하게 특성이 저하되었다. 전력선 통신 주파수가 2 ~ 30 MHz인 것을 감안하면, 전대 역 통신용으로 사용하기에는 어려우며, 20 MHz 이하의 통신 주파수 대역에서만 적용 가능할 것으로 보인다.
후속연구
- 1.페라이트는 주파수에 따라 전력 손실의 증가율이 낮은 반면, 비정질 합금 재료는 주파수에 따라 코어 손실이 급격하게 증가하여 코어 손실의 저하 방법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되었다.
- 이것은 페라이트가 비정질 재료에 비해 포화자속 밀도가 매우 낮기 때문에 같은 크기에 대해 전류 특성이 그만큼 떨어지기 때문이다. 따라서 페라이트는 그림 4의 고찰에서처럼 20 MHz 이 하의 통신 주파수를 가지고 유입전류가 비 교적낮은 선로에 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 현재 페라이트 등의 대체재료를 이용한 비접촉식 커플러의 제조에 대해 연구가 이루어지고 있으나 아직까지구체적인 결과나 나타나지 않고 있다. 또한, 국내에는 아직까지 비접촉식 커플러 제조에 대한 깊이 있는 연구가 이루어진 경우가 없었기 때문에 고주파 대역에서 발생하는 신호감쇄를 최소화하기 위한 제조기술이 제시되 지 않은 상태이므로 이에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
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