 전기기기 설계-직류와 변압기 설계를 중심으로
지난달부터 일본의 다카하시(高橋辛人) 박사의 저서를 편역한 배진용 공학박사겸 변리사의 연재를 시작했다. 이 글은 크게 네 개의 장으로 구성돼 있으며 1장에서는 ▲기초적 지식을, 2장에서는 ▲직류기의 설계, 3장에서는 ▲변압기의 설계에 관한 이론 등을 논할 예정이다. 앞서 밝혔듯이 이 연재는 전기공학을 공부하는 학생이나 실질적으로 전기기기를 설계하고 응용하는 실무 기술자가 참고할 수 있는 내용으로 진행되고 있다. 지난 호에서는 1장의 ‘기초적 지식’으로 전기기기의 개념과 그 원리에 대해 주로 다루었다. 이번 호에서는 자기 또는 전기회로의 재료와 절연재료, 전선피복 등, 전자기회로를 이루는 재료의 조건과 특성, 다양한 재료가 지닌 물성 혹은 장단점 등에 대해 살펴보았다. <편집부>
1.8 자기회로의 재료 자기회로는 자속이 통과하는 통로(길)이며, 전기기기에서 자속은 한 방향으로 흐르는 단방향 자속과 양방향으로 흐르는 교번자속의 두 가지 종류로 구분된다. 전기기기에 흐르는 자속의 방향에 따라서 자기회로의 구성 재료가 변경된다. 즉, 단방향으로 흐르는 자속의 통로는 직류기와 동기기의 계철(繼鐵, yoke), 자극 등이 있다. 하지만, 직류기의 전기자 철심, 동기기의 고정자 철심, 유도기의 고정자 및 회전자 철심, 변압기의 철심 등은 양방향으로 자속이 흐르는 부분으로 시간에 따라 방향이 변화하는 교번자속이 통과한다. 단방향으로 자속이 흐르는 자기회로의 재료로 주철, 주강 및 압연한 두꺼운 철판(강판)이 사용되며, 양방향으로 흐르는 교번자속의 경우는 규소강판을 적층해서 사용하는 것이 일반적이고, 대표적인 자기회로 재료 및 그 특성은 다음과 같다.
주철 과거에 직류기의 계철 또는 자극 등으로 사용되었다. 그 이유는 다른 재료와 비교하여 가격이 매우 저렴하고, 주강 등에 비해 재질이 연해 가공성이 용이하다. 하지만, 현재 주철은 [그림 1]과 같이 BH 곡선에서 자속밀도가 낮아 포화 특성이 나쁘기 때문에, 거의 사용되지 않는다. 주철은 주강과 비교하여 자속밀도(B)가 약 1/2 이하로 낮기 때문에 주철을 사용하는 경우, 주강과 비교하여 자기회로 면적의 약 2배 이상이 되도록 설계하여야 한다. 따라서 현재 주철은 자기회로의 재료로 거의 사용되지 않으며, 강성이 크게 요구되지 않는 전기기기의 프레임으로 일부 사용되고 있다. 주강 주철과 비교하여 자속밀도(B) 및 투자율( )이 우수하여 직류기와 동기기의 계철 등에 사용된다. 특히 주강은 동기기의 회전자 스파이더(spider), 소형 전동기의 계철부분에 자기회로로 사용하는 경우도 있다. 하지만, 최근에는 주강 보다는 더욱 자속밀도(B) 및 투자율(μ)이 우수한 규소강판이 더욱 많이 이용되는 추세이다.
단조강 및 압연강판 기계적 특성이 매우 우수하기에 자기회로 재료로 주강과 함께 사용된다. 특히 단조강은 기계적 강도를 요구하는 축, 회전자 스파이더 등에 사용되며, 기계적으로 현저한 강도가 요구되지 않으며, 자기적 특성만 이용하는 경우, 단조강 및 압연강판보다 주강을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 일반적으로 단조강은 터빈 발전기의 회전자 제작에 사용되며, 최근 전기 용접기술의 발달로 더욱 널리 이용되는 현실이다. 압연강판은 직류기의 계철 및 동기기와 유도기의 고정자 및 회전자의 제작에 사용되며, 기계적인 특성도 단조강과 거의 유사한강도를 지니기 때문에 단조강 대용으로 사용되고 있으며, 1.6mm 정도의 압연강판이 현재 가장 널리 이용되고 있다.
규소강판 현재 자기회로의 재료로 가장 널리 사용하는 재료가 규소강판이다. 특히, 규소강판은 교번자속이 통과하는 부분에 주로 사용되며, 직류기의 전기자 철심, 동기기의 고정자 철심, 유도기의 고정자 및 회전자 철심, 변압기의 철심 등에 사용된다. 규소강판의 두께는 0.35mm가 일반적으로 사용되지만, 주파수 및 자속밀도를 고려하여 0.5mm 또는 0.7mm를 전기기기의 자기회로에 사용하기도 한다. 규소강판은 그 이름에서도 알 수 있는 것과 같이 규소를 함유하고 있기 때문에 보통의 철판보다 철손이 대단히 작은 장점이 있다. 규소강판은 크게 나누어 (1)열간 압연 규소강판, (2)냉간 압연 규소 강대, (3)방향성 규소강대로 나눌 수 있으며, 열간 압연 규소강판은 76×183cm, 76×305cm 또는 91.5×183cm 크기로 일반적으로 규격화하여 제작되고 있다. 열간 압연 규소강판의 특성을 [표 1]에 나타내었으며 BH 곡선은 [그림 1]에 나타내었다. 냉간 압연 규소강대 및 방향성 규소강대는 띠모양, 코일 모양으로 감아서 공급한다. [표 1]는 회전기기 및 변압기에 주로 사용되는 열간 압연 규소강판을 나타내며, [표 1]에 나타낸 S23F, S18 등은 대부분 변압기 보다 회전기기에 주로 사용된다.
그러나 S23F, S18 등 특정 열간 압연 규소강판을 반드시 특정 용도로만 한정할 수 없으며, 철손의 허용한도를 고려하여 다양한 전력기기에 사용할 수 있다. 일반적으로 규소강판에서 규소의 함량이 증가할수록 철손이 감소하며, 규소의 함량에 따라 규소강판의 강도가 결정된다. 따라서 철손이 적은 강판은 금속의 강도가 높기 때문에 회전기기에 사용하는 경우 코어 타발 작업이 어려워지기에, 철손을 줄이는 작업을 하고 난후에 사용해야 한다. 규소강판은 보통 바니시(Varnish) 코팅노에 넣어서 건조시켜서, 자기적으로 절연을 한다. 따라서 바니시 코팅한 규소강판은 철심을 적층했을 때, 와전류손을 줄일 수가 있다. 변압기의 철심으로는 방향성 철심이 많이 사용되며, 이에 대해서는 제3장에서 보다 자세하게 설명하기로 한다. 1.9 전기회로의 재료 일반적으로 전기회로에 가장 많이 사용되는 재료는 동(Cu)이고, 동 다음으로 많이 사용되는 재료는 알루미늄(Al)이라 할 수 있으나 알루미늄(Al)은 제1차 세계대 전 중 독일, 제2차 세계대전 중 독일, 일본 등에서 동(Cu) 대용품으로 전기기기에 사용하려고 연구했지만 현재 알루미늄(Al)은 전기기기에서 전기회로의 재료로거의 사용하지 않으며, 농형유도 전동기에서 2차 권선으로는 동(Cu) 대신 알루미늄(Al) 주조품이 일부 사용되고 있다.
동(Cu)의 저항은 국제적으로 결정되었으며, 소둔(燒鈍, annealing)한 동의 저항을 표준으로 하고 있다. 표준에 의하면 길이 1m, 1mm2의 단면적을 지닌 동선은20°C에서 그 저항은 0.017241으로 0.017241Ω≒1/58Ω이다. 분수의 값 1/58이 외우기 쉬우므로 종종 사용된다. 또한 20°C에서 표준연동의 비중은 8.89이며, 동의 저항 온도계수 α=1/234.5+t로 표시되고, t는 측정 시의 온도이다. t°C에서 측정한 저항을 Rt라 하면 T°C에서 저항 Rt은 식 (1.10)과 같다.
알루미늄의 저항은 동의 약 1.6배이다. 알루미늄은 순도에 따라 저항값이 상당히 변동되기 때문에 순도를 다소 떨어뜨려 저항값을 약 2배로 하여 전기기계에 사용한다. 알루미늄의 비중은 20°C에서 2.70이고 동에 비해서 상당히 가벼우므로 전기기기의 중량을 감소하기 위해서 알루미늄을 도체에 사용하는 것이 바람직하지만 알루미늄을 사용하는 경우 동과 같이 용접이 간단하게 되지 않는 문제점이 있으며, 부식의 우려성이 있으므로 도체로서는 특별한 경우를 제외하고 거의 사용하지 않는다.
알루미늄의 경우도 동과 같이 t°C의 저항을 Rt라 하고, T°C의 저항을 RT라고 하면, 저항 RT는 식 (1.11)과 같이 나타낼 수 있다.
1.10 절연재료 전기기기에 있어서 권선의 층간 또는 도체를 대지로부터 절연하기 위하여 절연재료를 사용하며, 양호한 절연재료는 아래와 같은 조건을 만족하여야 한다.
(1) 운전 중 높은 열이 발생시 절연내력을 충분히 유지할 것 (2) 운전 중에 절연저항이 높게 유지될 것 (3) 운전 중 진동, 압력, 장력에 대하여 충분히 견딜 수 있으며, 제작 중 굽힘이나 마찰에 대해서도 충분히 견딜 것 (4) 열의 전도가 양호할 것 (5) 운전 중 높은 온도가 되어도 물리적, 화학적 특성이 변하지 않으며 온도 변화에 의한 팽창계수가 철심, 동선과 비교해서 큰 차이가 없는 것 이상이 절연 재료에 대하여 요구되는 항목이지만 전기기기에 사용되는 절연은 그 재료에 따라 Y, A, E, B, F, H, C 등 일곱 종류로 등급을 나눈다. [표 2]는 각종 절연의 최고 허용온도를 나타낸다.
Y종 절연 최고 허용온도 90℃에 충분히 견디는 재료로 구성된 절연을 말한다. 예를 들면 면, 견, 종이 등의 재료를 사용하고, 바니스를 함침하지 않거나 기름 중에 넣지 않는 것을 말한다.
A종 절연 최고 허용온도 105℃에 충분히 견디는 재료로 구성된 절연물을 말한다. 예를 들면 면, 견, 종이 등의 재료를 사용하고, 바니스를 함침하여 기름에 담근 것을 말한다.
E종 절연 최고 허용온도 120℃에 충분히 견디는 재료로 구성된 절연물을 말한다.
B종 절연 최고 허용온도 120℃에 충분히 견디는 재료로 구성된 절연물을 말한다. 예를 들면 마이카, 석면, 그라스 섬유 등의 재료가 접착제와 같이 사용된 절연물을 말한다.
F종 절연 최고 허용온도 155℃에 충분히 견디는 재료로 구성된 절연물을 말한다. 예를 들면 마이카, 석면, 그라스 섬유 등의 재료가 실리콘 알키드 수지 등의 접착제와 같이 사용된 절연물을 말한다. H종 절연 최고 허용온도 180℃에 충분히 견디는 재료로 구성된 절연물을 말한다. 예를 들면 마이카, 석면, 그라스 섬유 등의 재료가 실리콘 수지 또는 동등의 성질을 가진 재료로 된 접착제와 함께 사용된 절연물을 말한다. 고무상태 혹은 고체상태의 실리콘 수지 또는 동 등의 성질을 가진 재료가 단독으로 사용된 경우도 포함한다.
C종 절연 최고 허용온도 180℃에 충분히 견디는 재료로 구성된 절연물을 말한다. 예를 들면 생 마이카, 석면, 자기 등이 단독으로 사용하거나 접착제와 함께 사용된 절연물을 말한다. 이상이 각종 절연물의 절연등급에 대한 정의이지만, 2종 이상의 절연재료를 혼용한 경우에는 전체적으로 전기적 및 기계적 성질을 해하지 않는 것이 그 종의 절연으로 본다.
절연재료의 성능이 저하되는 원인은 기기 주변의 가스 및 습도가 있으며, 그 외에 온도가 높은 것도 절연 재료의 성능을 저하하는 큰 원인이 되고 있다. 이러한 결과는 전기기기의 절연파괴에 대한 장기간 통계적 자료로부터 산출된 것이다. JEC-147에서는 최고 허용 온도를 [표 2]과 같이 정하고 있으며, 이 수치는 각종 자료, 실험보고 등을 참조해서 제정되었다. 절연재료에 대한 최고 허용온도는 이 온도에 정확하게 도달하면 소손된다는 개념은 아니다. 이 온도가 장기간 지속되면 통상 기대하는 기기의 수명보다는 월등히 짧다는 것이다.
1.11 전선의 피복 전기기기에 사용되는 전선에는 환선과 평각선 두 종류가 있다. 환선은 동선의 단면이 둥근 형태의 전선으로 JIS C-3103에 나타낸 것과 같이 표준품을 사용하지만 환선을 전기기기에 감을 때는 피복을 해서 사용한다.
피복으로 사용되고 있는 재료는 면, 견, 종이, 유리 섬유, 석면 등이 있다. 이것들로 피복된 선을 각각 면권선, 견권선, 종이권선, 유리섬유권선, 석면선 등으로 부르고 있다. 이중 보통으로 사용되는 것은 A종 절연으로는 면권선이나 종이권선이다. 유리섬유권선은 B, F, H종 등에 사용된다. 면권선은 2중 면권선이 많이 사용된다.
견권선은 극히 가는 선밖에 사용되지 않으므로 전기기기에는 거의 사용되지 않는다. 종이권선은 도체 위에 0.03~0.04mm의 종이를 3중 이상 붙여서 감은 것으로 변압기 권선으로 많이 사용된다.
절연재료는 최근 상당히 발전되어 종래부터 사용한 유성 에나멜선 외에 폴리비닐포멀선, 폴리우레탄선, 폴리에스텔선 등과 같은 전선이 사용되고 있다. 이러한 합성수지를 입혀서 건조한 전선은 피복의 두께가 얇아도 절연내력은 우수하고 기계적으로도 튼튼하기 때문에 널리 사용된다. 그 가운데 유성 에나멜, 폴리비닐포멀선은 A종 절연에 사용된다. 유성 에나멜선은 간단히 에나멜선이라고 부르고 가장 오래 전부터 사용되어 왔지만 기계적으로 약하고 굽힘 등에 피복이 잘 벗겨지기 때문에 주로 변압기, 변성기, 계자권선에 사용된다. 폴리비닐포멀선은 간단히 포멀선이라고 부르고 기계적으로 보통의 에나멜선 보다 강하므로 슬롯에 삽입할 때도 사용된다. 폴리우레탄선은 E종 절연에 사용된다. 폴리에스텔선은 B종 절연으로 사용된다. 유리섬유권선의 소선 두께는 4~7미크론(1미크론=1/1000mm) 정도로 튼튼하지만 부스러지기 쉬운 결점이 있다. 절연용으로 사용하는 것은 무(無) 알카리성을 사용한다.
평각선은 JIS C-3104에 나타낸 것과 같이 사각형의 단면이고 환선과 같은 피복을 할 수도 있지만, 대부분은 테이프를 감아서 피복한다. 테이프 재료는 면, 종이, 마이카, 그라스 섬유, 석면 등으로 만들어진 것이 사용된다.
1.12 권선의 절연 회전기의 권선은 1.11절에 설명한 것과 같이 피복전선을 사용한다. 이것을 사용해서 코일을 만들어 절연을 해서 슬롯에 넣어서 권선을 한다. 완성된 코일은 절연 바니스를 충분히 함침시킨 후, 건조시키고 다시 바니스를 함침시켜 건조실에 넣어 건조시킨다. 이렇게 3회 이상 반복하면 습기를 흡습하지 않고, 표면도 딱딱해서 기계적으로 튼튼한 권선이 완성된다. 고전압 혹은 대용량 기계의 경우 열 프레스기(Hot Press Machine)를 이용하여 도체에 절연물을 확실하게 융착시킨 후 이를 성층시켜 코일을 제작한다. 여기서 변압기의 권선은 주로 종이권선이 사용된다.
변압기는 고압기기가 많으므로 권선제작에 대단히 신중한 방법을 택한다. 즉, 완성된 코일을 진공 중에서 건조한 후 바니스를 함침시켜 습기를 거의 품지 않는 권선을 만든 후 습기를 충분히 제거한 기름을 채운 변압기 외함에 넣어 권선을 완성시킨다. 절연의 방법에 대해서는 각각의 기기별로 다음에 기술한다.
1.13 주문서와 규격 전기기계를 주문하는 경우 출력, 전압, 회전수, 주파수 등 정격사항 이외에 특성, 프레임의 형태, 용도, 기동조건, 여자방식, 사용장소, 주문대수, 예비품, 부속품의 종류와 수량, 운송 방법, 납기, 규격 등 주문자가 제작자에게 요구하는 사항을 주문서에 기입해서 보낸다. 또한, 전기기계 공통으로 적용되는 온도상승, 절연내력 시험전압, 특성시험 방법 등에 관한 규격이 있다. 이 규격은 권위 있는 단체에서 표준으로 제정한다.
<Energy News>
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