어떤 모터든 분해해 보면, 얇은 철판들이 쌓여 있는 것을 볼 수 있습니다. 많은 사람들의 첫 반응은:

“왜 한 덩어리의 철을 쓰지 않는 거야? 그게 더 튼튼하고 간단하지 않겠어?”

이 질문은 매우 적절합니다. 직관적으로 보면, 통째로 한 덩어리의 철은 확실히 많은 장점을 가지고 있습니다:

· 기계적 강도가 높음: 풀리지 않고 층이 나뉘지 않습니다.

· 가공이 간단함: 절단, 적층, 절연이 필요 없습니다.

· 비용이 더 낮습니다: 복잡한 공정을 생략하다

하지만 엔지니어들은 여전히 철심을 0.10~0.50mm 두께로 얇게 자른 다음 한 장씩 쌓아 올리는 방식을 고수하고 있으며, 이는 공정이 복잡하고 비용도 더 높습니다.

왜죠?

왜냐하면 철 한 덩어리를 사용한다면 모터에 치명적인 결함이 생기기 때문입니다— 와류 손실로 인해 모터 효율이 20%~40% 급감할 수 있습니다.

더 심각한 것은 모터가 시동 후 몇 분 만에 타버릴 수 있다는 점이다.

오늘 우리는부터 물리 원리 말하자면, 이 문제를 명확히 설명해 보자.

01 문제: 한 덩어리 철의 치명적 결함

왜 통째로 철을 사용할 수 없는지 이해하려면 먼저 하나의 물리적 현상을 이해해야 합니다: 소용돌이.

1. 와류란 무엇인가요?

강물의 소용돌이를 상상해 보세요. 물이 장애물을 만나면 그 뒤쪽에 회전하는 소용돌이가 형성됩니다.

전자기학에서의 '소용돌이 전류' 역시 비슷한 원리입니다.

당 교번 자기장 전도성 물질(예를 들어 철)을 통과할 때, 물질 내부에 고리 모양의 유도 전류가 생깁니다. 이 전류는 소용돌이처럼 물질 안에서 둥글게 흐르기 때문에 '유도 전류'라고 불립니다. 소용돌이 。

이는 패러데이의 전자기 유도 법칙의 필연적 결과입니다: 자기장의 변화 → 전기장 생성 → 전자의 운동 유도 → 와류 형성.

2 와류의 문제는 어디에 있나요?

완류 자체는 문제가 아니다. 문제는 바로: 소용돌이는 열을 발생시킵니다.

전열선에 전기가 흐르면 열이 발생하는 것처럼, 와류가 철 속을 흐를 때도 전기저항으로 인해 열이 발생합니다. 이 열은 완전히 낭비되는 것입니다—전기에너지에서 비롯된 것이지만, 유용한 일을 전혀 하지 않고 그저 헛되이 열을 내뿜을 뿐입니다.

이것이 바로입니다. 와류 손실.

3 한 덩어리의 철: 와류의 천국

이제 우리는 '한 덩어리의 철' 문제로 돌아가겠습니다.

일체형 철덩어리에서는 와류가 자유롭게 형성될 수 있습니다. 큰 순환로. 소용돌이가 마치 커다란 '활주로'처럼 전자가 거침없이 들어갈 수 있다고 상상해 보세요.

환로가 길수록 전류가 커지고 발열이 많아집니다.

더 나쁜 것은, 와류 손실은 재료 두께의 제곱에 비례합니다. 공식은:

P ∝ d² (P=손실 전력, d=두께)

이는 철심의 두께가 두 배로 증가하면 와전류 손실이 네 배로 증가한다는 것을 의미합니다!

4 와류 손실의 완전한 계산 공식

소용돌이 손실을 보다 정확히 이해하고 싶다면, 전체 계산 공식을 살펴보세요:

Pe = K × f² × Bm² × d² × V / ρ

공식의 각 항목은 하나의 이야기를 담고 있습니다:

· 페: 와류 손실 출력(W) —— 우리가 낮추고자 하는 목표입니다.

· f: 자기장 변화 주파수(Hz) —— 주파수의 제곱! 주파수가 높을수록 손실이 더욱 빠르게 증가합니다.

· Bm: 최대 자기감응강도(T) —— 자기장이 강할수록 와전류는 더욱 격렬해진다.

· d: 재료 두께(m) —— 두께의 제곱! 이것이 얇게 자르는 이유입니다.

· V: 재료 부피(m³) —— 부피가 클수록 와류 경로가 많아집니다.

· ρ: 재료의 전기저항률(Ω·m) — 전기저항률이 클수록 와류가 더 억제됩니다.

· K: 계수(재료의 형상 및 단위계와 관련됨)

이 공식은 우리에게 무엇을 알려줍니까?

공식에서 바로 알 수 있는 실리콘강판의 설계 논리는:

·두께 d는 분자에 있으며, 제곱 관계에 있습니다. 이는 두께가 반으로 줄어들면 손실이 원래의 1/4로 감소한다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 50mm짜리 철 블록을 0.5mm 두께의 판으로 자르면 이론적으로 손실은 원래의 1/10,000로 줄어듭니다.

·저항률 ρ가 분모에 있는 것은 다음과 같은 의미입니다: 저항률이 클수록 손실이 작아집니다. 이것이 바로 실리콘 원소를 첨가하는 이유입니다—저항률 ρ를 높여 와전류를 근본적으로 억제하기 위해서입니다.

·주파수 f 역시 제곱 관계를 갖습니다. 즉, 주파수가 두 배로 증가하면 손실이 네 배로 증가합니다. 이것이 바로 고주파 모터에 더 얇은 실리콘강판을 사용해야 하는 이유입니다.

공식에서 엔지니어링 의사결정까지

이 공식을 이용하면 엔지니어가 정확한 균형을 맞출 수 있습니다:

·50Hz 주파수 모터의 경우: f가 작으므로 0.50mm 두께를 사용할 수 있으며, 비용이 저렴합니다.

·400Hz 인버터 모터의 경우: f가 8배 커지면 f²는 64배가 되므로, 반드시 더 얇은 0.35mm 또는 0.2mm를 사용해야 합니다.

·고속 모터(>1000Hz)의 경우: f²가 400배를 초과하면 0.10mm의 초박형 시트를 사용해야만 손실을 제어할 수 있습니다.

공식 뒤에 숨은 물리학

이 공식은 뜬금없이 생긴 것이 아니라, 다음에서 유래했습니다:

·패러데이 전자기 유도 법칙: 자기장의 변화가 유도 기전력을 발생시킨다.

·옴의 법칙: 기전력은 전류를 유도하며, 저항이 클수록 전류는 작아진다.

·줄의 법칙: 전류가 저항을 통해 흐르면 열이 발생한다

기초 물리학에서 출발해 도출 과정을 거치면 이 정확한 손실 공식을 얻을 수 있습니다.

실제 데이터에 따르면:

·변압기에서 와전류 손실은 전체 손실의 10%~30%를 차지할 수 있습니다.

·고주파 모터에서는 이 비율이 더욱 높습니다.

철 덩어리를 그대로 사용하면 모터의 효율이 20%~40% 급격히 떨어져, 대부분의 전기 에너지가 열로 낭비됩니다.

02

솔루션: 실리콘강판의 이중 돌파

철 한 덩어리로는 안 되니까, 엔지니어들은 기발한 방법을 생각해냈습니다: 실리콘강판이죠.

이 방안은 두 가지 방향에서 동시에 와류 문제를 해결합니다.

1번 요령: 얇게 썰어, 물리적으로 와류를 차단하라

한 덩어리의 철을 아주 얇은 조각으로 쪼개면, 와류가 이전처럼 막힘없이 흐를 수 있을까요?

더 이상 안 돼요.

각 얇은 실리콘강판의 두께는 단 0.10~0.50mm에 불과하며(종이 한 장보다 약간 두껍습니다), 와류는 오직...에서만 발생합니다. 단일 얇은 조각 내부에 작은 고리가 형성되어 있어, 조각과 조각 사이의 간격을 넘을 수 없습니다.

더욱 놀라운 것은, 각 판 사이에 절연 도료를 한 층 바름으로써 와류의 '판 간 통로'를 완전히 차단하는 것입니다.

이렇게 되면, 원래 철 덩어리 전체를 통해 '거침없이 진입'할 수 있었던 큰 소용돌이는 무수히 많은 작은 소용돌이로 쪼개져 각각이 얇은 한 층에 갇히게 된다.

그 공식 기억나요? P ∝ d²

두께가 (예를 들어) 50mm에서 0.5mm로 줄어들면 손실이 (50/0.5)² = 10,000배 감소합니다!

물론 실제로는 50mm 덩어리를 얇게 썰기만 하는 것처럼 간단하지 않지만, 원리는 같습니다. 판이 얇을수록 와류 경로가 짧아지고 손실이 줄어듭니다.

2번째 요령: 실리콘을 첨가하여 전기저항률을 높이세요.

하지만 얇게 자르는 것만으로는 충분하지 않습니다. 또 하나의 핵심 요소가 있습니다: 재료 자체의 전기저항률입니다.

순철의 전기저항률은 매우 낮아서 와류가 쉽게 형성됩니다. 그렇다면 철의 전기저항률을 좀 더 높여 와류를 억제할 수는 없을까요?

네. 답은 실리콘을 추가하는 것입니다.

실리콘 원자가 철에 첨가되면 재료의 전기저항률이 크게 높아집니다. 실리콘 원자는 철의 결정격자에 들어가 전자의 이동에 대한 저항을 증가시키며, 마치 '소용돌이 트랙'에 무수히 많은 속도 제한 장벽을 설치한 것과 같습니다.

전기저항률이 높을수록 와류가 형성되기 어렵고 손실도 작아진다.

실리콘 함량이 성능에 미치는 영향:

·저규소강(0.8%~2% Si): 전기저항이 적당하고 비용이 낮아 일반 모터에 적합합니다.

·중규소강(2%~3.5% Si): 전기저항률이 높고 손실이 더 적어 가장 널리 사용됨

·고규소강(>3.5% Si): 전기저항이 매우 높고 손실이 극히 낮지만 가공이 어렵고 비용이 높음

산업에서 가장 널리 사용되는 것은 실리콘 함량이 약 3%인 실리콘강판으로, 성능과 비용 사이에 최적의 균형을 이루고 있습니다.

3 두께 선택: 공학의 예술

당신은 이렇게 물을지도 모릅니다: 얇은 판이 손실이 더 적다니, 왜 더 극단적으로 얇게 만들지 않는 거죠?

공사는 결코 완벽을 추구하는 것이 아니라 균형을 추구하는 것이기 때문이다.

판이 얇을수록 와류 손실은 줄어들지만:

·제조 비용이 높아질수록(절단, 코팅, 적층 모두 더 복잡해짐)

·기계적 강도가 약할수록(너무 얇으면 변형되기 쉬움)

· 적층 수가 많을수록(더 많은 공간을 차지함)

·절연층의 비중이 클수록(유효 투자율 감소)

산업에서 일반적으로 사용되는 두께:

·0.50mm: 일반 산업용 모터, 비용 저렴

·0.35mm: 고효율 모터, 손실 20% 감소

·0.20mm: 고주파 모터(예: 인버터 모터)로 손실이 더 적습니다.

·0.10mm: 초고주파 응용, 비용 높음

이것이 바로 공학의 지혜입니다: 가장 얇게 만드는 것이 아니라 성능, 비용, 공정 간에 최적의 해를 찾는 것입니다.

03 효과 비교: 데이터가 말해줍니다

그렇다면 실리콘강판은 과연 얼마나 효과가 있을까요? 데이터로 말하겠습니다.

1 실리콘강판 두께가 무부하 손실에 미치는 영향 비교

참고: 무부하 손실 상대값은 공업용 주파수 50Hz, 정격 자기밀도 1.5T를 기준으로 하며, 이 데이터는 참고용입니다.

이 표는 모든 것을 말해줍니다: 실리콘강판은 손실을 60%~90% 줄여, 낭비되는 전기를 유용한 일로 전환합니다.

2 실제 사례: 자기부상 고속 모터

고주파에서 1000Hz, 1.5T 정격 작업 자기밀도의 조건에서, 지름 450mm, 높이 300mm의 철심을 연중 365일 내내(8760시간) 연속 운전할 경우, 무부하 손실은 오직 철심의 철손에 불과하며, 기계적 손실 및 구리 손실은 전혀 없습니다.

주: 시장에서 각 업체별로 제공하는 자료가 상이하므로, 이 데이터는 참고용으로만 사용하시기 바랍니다.

0.2mm의 무방향 실리콘강은 통째로 만든 순철 코어와 비교할 때, 매년 약 60만 위안을 절약할 수 있습니다. 이것은 아직도 단지 한 대의 자기부상 모터에 불과합니다. 전 세계적으로 수천 대의 자기부상 모터가 절약하는 전기와 비용은 정말 놀라울 정도입니다!

3 왜 모터마다 두께가 다른가요?

아마 눈치채셨겠지만, 서로 다른 애플리케이션에서는 사용하는 실리콘강판의 두께가 다릅니다. 그 이유는:

와류 손실은 주파수의 제곱에 비례한다: P ∝ f²

·공주기 모터(50Hz): 주파수가 낮아 와전류가 작으며, 0.50mm만 사용해도 됩니다.

·변주기 모터(200-400Hz): 주파수가 높아 와전류가 크며, 0.35mm 또는 심지어 0.20mm까지 필요합니다.

·고속 모터(>1000Hz): 주파수가 매우 높아 0.10mm 초박형 시트를 사용해야 합니다.

주파수가 높을수록 얇은 판재에 대한 수요가 더욱 절실해진다.

04 요약

기사의 처음에 나온 질문으로 돌아가자: 왜 한 덩어리의 철을 쓰지 않는 거야?

이제 답이 분명해졌습니다:

철 덩어리 하나가 거대한 와류 손실을 일으키기 때문에 모터의 효율이 20%~40% 급감하며, 대부분의 전기에너지가 쓸모없는 열로 변해버립니다.

그리고 실리콘강판의 설계는 엔지니어들이 물리 법칙을 정교하게 적용한 것입니다:

·얇게 썰기 → 와류 경로를 물리적으로 차단 → P ∝ d²의 관계를 활용해 손실을 수천 배 줄임

·실리콘 추가 → 전기저항 증가 → 와류 형성 억제

·적절한 두께 선택 → 성능, 비용, 공정 간의 균형을 찾기 → 가장 얇은 것이 아니라 최적의 두께를 선택하기

이렇게 간단해 보이는 '얇은 철판 더미'에는 실제로 깊이 있는 물리적 원리와 공예적 지혜가 담겨 있습니다.

19세기의 통합된 철심에서 20세기 초 실리콘강판의 발명을 거쳐 오늘날의 초박형 고실리콘강에 이르기까지, 매번의 진보는 인간이 자연법칙에 대해 보다 깊이 이해하고 이를 적용해온 과정입니다.

모터 안에 있는 여러 층의 얇은 실리콘강판 철심, 엔지니어가 '괜한 일'을 하는 것이 아니라, 물리적 세계에서 피할 수 없는 소용돌이 손실에 가장 현명한 방법으로 맞서고 있는 것입니다.

위의 기사는 전기모터 철심 연구자인 장리순이 작성했습니다.