전기강판: 등급, 자기적 특성 및 철심 손실 제어

전기강이란 무엇인가—그리고 강종명만으로는 알 수 없는 것

자기회로용 재료로서의 전기강

전기강은 교류 자속을 손실을 제어하면서 전달하도록 설계된 강판 및 강대 제품의 한 계열이다. 이는 하나의 조성, 하나의 조직, 또는 하나의 가공 상태를 의미하지 않는다. 전기강은 전동기, 발전기, 변압기, 리액터 및 기타 자기회로에서 적층 철심이나 권철심을 구성하며, 강재는 전기 에너지를 과도하게 열로 변환하지 않으면서 반복적으로 자화와 탈자되어야 한다.

이러한 기능에는 구조용 강재에 적용되는 요구사항과는 다른 요구사항이 따른다. 자기 코어는 사용되는 자속밀도에서 높은 투자율, 사용 주파수에서 제한된 철손, 충분한 취급 강도, 그리고 인접한 적층판 사이의 전기적 절연 표면을 필요로 한다. 따라서 전기강은 자기적 응답을 제어하기 위해 용해, 압연, 소둔, 표면 처리, 그리고 경우에 따라 변형 또는 레이저 처리를 거친다.

방향성 특성 프로파일

세 가지 제품 등급은 서로 구분해야 한다. 완전가공 무방향성 전기강은 면내의 여러 방향에서 비교적 유사한 자기적 거동을 갖도록 설계되므로 회전기기에 흔히 사용된다. 반가공 무방향성 전기강은 사용자가 최종 소둔을 실시하는 동안 자기적 특성이 추가로 향상될 것을 전제로 공급된다. 완전가공 방향성 전기강은 강한 결정학적 집합조직, 일반적으로 Goss 집합조직을 갖도록 제조되므로 압연 방향을 따른 자화가 특히 유리하다. 이들은 단순히 규소 함량이 서로 다른 제품이 아니라 서로 다른 공학적 제품이다.

손실 메커니즘은 왜 강판을 적층하는지를 설명해 준다. 2017년 Karlsruhe Institute of Technology 연구는 변압기 철심의 손실을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실, 초과 손실로 구분한다. 히스테리시스 손실은 자기장이 주기적으로 변할 때 자구벽 운동의 비가역적 측면에서 발생한다. 교번 자속은 강재 내부에도 순환 전류를 유도하며, 이러한 고전적 와전류는 전기 저항을 통해 에너지를 소산한다. 초과 손실은 이동하는 자구 구조와 그 국부적 상호작용에 수반되는 추가적인 동적 손실을 의미한다.

얇은 강판은 와전류가 흐를 수 있는 경로를 줄인다. 절연 코팅은 인접한 적층판을 서로 전기적으로 분리한다. 일반적으로 규소와 알루미늄 함량이 증가하면 전기 비저항이 높아지는 반면, 가공과 집합조직 제어는 자구벽 운동과 투자율에 영향을 준다. 결정립의 배향은 특정 방향에서 손실을 낮출 수 있다. 그러나 이러한 조치 중 어느 것도 보편적인 우열 판단 기준은 아니다. 두께, 화학 조성, 집합조직, 코팅, 소둔, 응력 및 사용 자속밀도는 서로 함께 작용한다.

강종 지정과 측정된 자기 특성의 차이

강종 지정은 이를 규정하는 표준과 인도 상태를 함께 고려할 때만 의미가 있다. 밀 시험성적서에 기재된 명칭만으로는 모든 철심 설계에 변경 없이 적용할 수 있는 단일 자기 특성을 나타내지 않는다. 강종 지정은 제품의 등급과 규격 체계를 식별하며, 측정 결과는 특정 시험 조건에 귀속된다.

ASTM International은 A06.02 소위원회를 통해 유용한 표준 체계를 제공한다. ASTM A677은 완전가공 무방향성 전기강을, ASTM A683은 반가공 무방향성 전기강을, ASTM A876은 완전가공 방향성 전기강을 다루며, ASTM A976은 전기강 절연 코팅을 분류한다. A677과 A683의 차이는 단순한 명칭상의 차이가 아니다. 하나는 완성된 자기적 상태로 공급되는 재료를 설명하는 반면, 다른 하나는 최종 가공에 따라 자기 특성이 변할 수 있는 재료를 다룬다.

미국재료시험협회 ASTM A677은 엡스타인 방법을 사용하여 60 Hz 및 1.5 T에서의 최대 철손에 따라 완전 가공 무방향성 전기강 등급을 분류한다. Strong evidence

[1][1] ASTM A677-07: Standard Specification for Nonoriented Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2007.

여기서 인용한 2007년판에 명시된 바와 같이, ASTM A677에서는 주로 50 및 60 Hz 자기 장치용 강종을 Epstein 시험법으로 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손에 따라 분류한다. 따라서 명시된 A677 철손 값은 “60 Hz, 1.5 T, Epstein 조건에서의 손실”로 읽어야 하며, 주파수와 무관한 상수로 보아서는 안 된다. 1.0 T 또는 400 Hz에서 측정된 값은 다른 질문에 대한 답이다.

방향성 전기강의 강종 지정에는 더욱 세심한 주의가 필요하다. 2017년판에서 인용된 ASTM A876은 약 3.2%의 규소를 함유하는 저탄소 규소-철 방향성 전기강을 다루며, 일반 방향성, 고투자율 및 레이저 스크라이빙 강종을 포함한다. ASTM 관행에서는 일반 방향성 강종을 1.5 T에서 시험하도록 지정하고, 그 밖의 방향성 강종은 1.7 T에서 시험하도록 지정한다. 한 자속밀도에서 더 낮은 손실이 보고된 강종을, 다른 자속밀도에서 시험된 강종보다 우수하다고 선언할 수는 없다.

IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 인도되는 냉간압연 무방향성 전기강 강대 및 강판을 다룬다. 공칭 두께에는 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm가 포함되며, 자기 특성, 치수, 허용차 및 검사에 관한 요구사항도 규정한다. IEC 60404-8-7:2017은 완전가공 상태로 인도되는 냉간압연 방향성 전기강 강대 및 강판을 다루며, 공칭 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm의 Goss 집합조직 재료를 포함한다. 이러한 두께 지정은 표준에 포함된 제품을 설명하는 것이지, 조립된 모든 철심의 전체 손실 거동을 예측하는 것은 아니다.

규소 함량에도 동일한 한계가 있다. ASTM A876에서 약 3.2%의 규소라고 설명하는 것은 해당 표준이 다루는 방향성 전기강의 중요한 화학 조성 범위를 나타내지만, 규소 비율만으로는 집합조직의 선명도, 자구 미세화, 코팅 거동, 응력 민감도 또는 측정된 손실을 알 수 없다. 규소 함량이 유사한 두 강재라도 압연, 소둔, 결정립 크기 및 집합조직이 다르기 때문에 서로 다르게 거동할 수 있다.

주파수, 자속밀도, 방향 및 시험편 방법이 중요한 이유

철손은 조건에 따라 달라진다. 주파수는 초당 자화 주기의 수를 변화시키며 히스테리시스 손실, 와전류 손실 및 초과 손실의 상대적 기여도 바꾼다. 자속밀도는 자기적 변화 폭을 변화시키며, 자구벽 거동과 국부적 포화로 인해 손실이 크게 증가하는 영역으로 재료를 이동시킬 수 있다. 두께는 특히 와전류 손실에 중요하지만, 비저항 및 절연 품질과 분리하여 생각할 수 없다.

방향성 전기강에서는 방향이 결정적이다. 방향성 전기강의 유리한 자기 경로는 압연 방향을 대체로 따르는 반면, 횡방향 또는 경사 방향의 경로에서는 투자율과 손실이 다르게 나타날 수 있다. 무방향성 전기강은 방향성이 덜할 뿐, 방향과 완전히 무관한 것은 아니다. 절단면, 펀칭 응력, 굽힘, 접합부 및 클램핑도 변형되지 않은 강판에서 측정된 값과 실제 결과를 달라지게 할 수 있다.

미국재료시험협회 ASTM A804/A804M은 열 평탄화된 방향성 전기강에 대해 단방향 측정을 제공하며, 25 cm 엡스타인 방법과 비교 가능한 결과를 제시한다. Strong evidence

2021년판에서 인용된 ASTM A804/A804M은 주로 변압기 철심 적층재로 사용되는 열평탄화 방향성 전기강에 대해 단방향 교류 자기 측정을 실시하는 것을 목적으로 한다. 이 표준의 결과는 25 cm Epstein 방법의 결과와 비교할 수 있지만, 그렇다고 해서 모든 자기 시험을 서로 바꾸어 사용할 수 있는 것은 아니다. 단일 스트립 또는 단방향 시험 결과와 Epstein 시험 결과는 시험 방법, 방향 및 시험편 준비 조건을 명시하여 식별해야 한다.

따라서 안전한 비교 형식에는 재료 등급, 표준 및 강종 지정, 인도 상태, 공칭 두께, 주파수, 최대 자속밀도, 해당되는 경우 압연 방향, 시험편 방법 및 코팅 상태가 포함되어야 한다. “0.30 mm 방향성 전기강”이라는 표현은 불완전하다. “완전가공 방향성 전기강, IEC 60404-8-7:2017, 0.30 mm, 명시된 주파수와 자속밀도에서 압연 방향을 따라 특정 시험 방법으로 측정한 재료”라고 해야 책임 있게 비교할 수 있다.

이러한 조건이 없는 철손 수치는 다른 상황에 그대로 적용할 수 있는 성능 등급이 아니다. 그것은 단지 출처와 조건이 분리된 측정값일 뿐이다.

세 가지 재료 분류: 무방향성, 방향성 및 반가공

전기강판은 “저실리콘”에서 “고실리콘”으로 이어지는 단일 순위의 재료 범주가 아니다. 첫 번째 구분은 공급 상태와 결정학적 구조에 따른다. 즉, 완전 가공 무방향성 전기강판, 완전 가공 방향성 전기강판 또는 반가공 무방향성 전기강판으로 구분된다. 각 분류는 서로 다른 야금학적 상태로 사용자에게 공급되며, 서로 다른 자화 방향과 시험 조건에서 측정되고, 프레스 성형, 응력 제거, 코팅 및 조립에 대해서도 서로 다르게 반응할 수 있다.

ASTM 분과위원회 A06.02는 유용한 표준 체계를 제공한다. ASTM A677은 완전 가공 무방향성 전기강판을 다루고, ASTM A683은 반가공 무방향성 전기강판을 다루며, ASTM A876은 완전 가공 방향성 전기강판을 다룬다. 또한 ASTM A976은 전기강판 절연 코팅을 분류한다. 이에 대응하는 IEC 문서에는 중요한 차이가 추가로 제시된다. IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 공급되는 냉간 압연 무방향성 전기강판의 스트립 및 시트를 다루는 반면, IEC 60404-8-7:2017은 완전 가공 상태로 공급되는 냉간 압연 방향성 전기강판의 스트립 및 시트를 다룬다.

자기적 결과는 강종명만으로 판단할 수 없다. 인용되는 철손 또는 투자율 값에는 주파수, 최대 자속밀도, 시험편 방법, 압연 방향, 두께, 코팅 및 공급 상태가 반드시 함께 제시되어야 한다.

완전 가공 무방향성 전기강판

완전 가공 무방향성 전기강판은 재료가 부품 제조업체에 도달하기 전에 자기적 특성이 상당 부분 확립되도록 설계된다. 이 강판의 결정립은 변압기급 방향성 전기강판에서 나타나는 강한 우선 배향을 공유하지 않는다. 대신 면내 자기 응답은 대략적으로 등방성이다. 즉, 고스 집합조직과 관련된 압연 방향의 매우 큰 이점 없이도 자속이 시트의 여러 방향으로 이동할 수 있다. 여기서 “대략적”이라는 표현은 중요하다. 가공 과정에서 집합조직, 잔류응력, 가장자리 효과 및 방향별 차이가 여전히 발생하므로, 무방향성이 완전히 방향에 무관하다는 뜻은 아니다.

2007년에 ASTM International이 인용한 ASTM A677은 주로 50 Hz 및 60 Hz 자기 장치에 사용되는 완전 가공 무방향성 전기강판을 다룬다. 이 강종들은 Epstein 시험법을 사용하여 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손에 따라 분류된다. 이러한 지정은 시험에 기반한 분류이지, 모든 모터, 발전기 또는 인덕터에 적용되는 보편적인 손실값이 아니다. 다른 자속밀도, 주파수 또는 파형에서 시험한 시험편은 다른 결과를 낼 수 있다. 또한 Epstein 시험 결과가 프레스 가공 및 조립된 철심의 자기적 거동을 자동으로 예측하는 것도 아니다. 절단 응력, 버, 접합부, 클램핑 및 국부적인 자속 왜곡이 철손에 영향을 미치기 때문이다.

따라서 무방향성 강판은 자속이 기계 또는 부품 내부에서 방향을 바꾸는 자기 회로와 연관된다. 모터와 발전기의 고정자가 대표적인 예이지만, 재료 분류 자체가 특정 기계 설계를 규정하는 것은 아니다. 강한 일방향 배향이 없기 때문에 자속 경로가 회전하거나 여러 시트 방향을 차지하는 경우 평균적인 면내 응답이 더욱 유용하다.

철손에는 서로 다른 물리적 원인이 있다. 2017년 카를스루에 공과대학교 연구는 변압기 철심의 손실을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실로 구분한다. 히스테리시스 손실은 자화가 반전될 때 자구벽이 이동하면서 발생한다. 고전적 와전류 손실은 변화하는 자속이 도전성 강판 내부에 순환 전류를 유도할 때 발생한다. 초과 손실은 이동하는 자구 구조 및 그 국부적 상호작용과 관련된 추가적인 동적 효과를 반영한다. 강종에 표시된 철손은 지정된 조건에서의 종합 측정값이지, 특정 메커니즘 하나를 직접 측정한 값이 아니다.

두께는 고전적 와전류 성분과 특히 밀접한 관련이 있다. 더 얇은 적층판은 전류 루프의 크기를 제한하기 때문이다. 적층판 사이의 전기 절연은 적층체 수준에서 동일한 기본적인 전기적 역할을 수행한다. 실리콘과 알루미늄 함량이 증가하면 전기저항률이 높아져 와전류 손실이 감소할 수 있지만, 조성은 포화 자속밀도, 연성, 가공 응답 및 집합조직에도 영향을 미친다. 따라서 실리콘 함량은 설계 변수이지, 재료 분류나 측정된 손실값을 대신하는 기준이 아니다.

완전 가공 재료도 제조 과정에서 특성이 변할 수 있다. 프레스 가공은 절단 가장자리 부근에 소성 변형과 잔류응력을 유발한다. 용접, 클램핑 및 급격한 굽힘은 국부 투자율을 변화시키고 손실을 증가시킬 수 있다. “가공”이라는 표현은 강판의 공급 상태를 설명하는 것이며, 완성된 철심이 공급업체의 강판 시험 결과를 그대로 유지한다는 것을 보장하지는 않는다.

완전 가공 방향성 전기강판

고스 집합조직고스 집합조직 방향성 전기강에서 압연 방향을 따라 유리한 자화 용이 방향이 대략 배치되도록 하는 결정학적 집합조직.

완전 가공 방향성 전기강판은 강한 결정학적 우선 방향을 갖도록 의도적으로 설계된다. 일반적인 변압기용 집합조직에서는 자화가 용이한 방향이 압연 방향과 밀접하게 정렬된다. 따라서 자기적 거동은 매우 방향성이 높다. 자속이 압연 방향을 따라 흐를 때 투자율이 높고 손실 특성이 비교적 우수하지만, 횡방향 또는 교차 압연 방향에서의 거동은 상당히 다를 수 있다. 방향성 강종은 방향을 지정하지 않은 단일 자기 수치로 설명해서는 안 된다.[2][2] ASTM A876-17: Standard Specification for Flat-Rolled, Grain-Oriented, Silicon-Iron, Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2017.[3][3] IEC 60404-8-7:2017. International Electrotechnical Commission. IEC standard, 2017.

2017년에 ASTM International이 규정한 ASTM A876은 약 3.2% 실리콘을 함유하는 저탄소 실리콘-철 방향성 강판을 다루며, 일반 방향성, 고투자율 및 레이저 스크라이빙 강종을 포함한다. IEC 60404-8-7:2017은 완전 가공 상태로 공급되는 냉간 압연 방향성 강판의 스트립 및 시트를 다룬다. 이 표준에 열거된 공칭 두께에는 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm가 포함되며, 이는 IEC 60404-8-3:2023에 규정된 반가공 무방향성 강판의 공칭 두께보다 상당히 얇다.

이러한 두께가 보편적인 성능 순위를 의미하는 것은 아니다. 결정립 방향성, 자구 미세화, 코팅, 응력 상태 및 자기 시험 조건이 모두 영향을 미친다. 예를 들어 레이저 스크라이빙은 자기적 거동을 변화시키기 위한 자구 제어 처리이며, 방향성 강판을 무방향성 강판으로 바꾸는 처리는 아니다.

ASTM 관행은 1.5 T에서 시험하도록 지정된 일반 방향성 강종과 1.7 T에서 시험하도록 지정된 기타 방향성 강종도 구분한다. 자속밀도는 해당 특성값과 함께 제시되어야 한다. “방향성 강종의 철손”이라는 표현은 주파수, 자속밀도, 시험편 방법 및 방향을 제시하지 않으면 불완전하다. ASTM A804/A804M:2021은 변압기 철심 적층재로 사용되는 열평탄화 방향성 전기강판에 대해 일방향 교류 자기 측정을 수행하는 것을 주된 목적으로 한다. 그 결과는 25 cm Epstein 시험법의 결과와 비교할 수 있지만, 이러한 비교 역시 규정된 시험편과 절차에 따라 달라진다.

결정립 방향성은 주된 자속 경로를 압연 방향을 따라 배치할 수 있는 변압기 철심 설계를 뒷받침한다. 접합부에서는 그 경로가 중단되며, 모서리 또는 스텝랩 영역 부근에서는 국부 자속이 시트를 가로질러 방향을 바꿀 수 있다. 따라서 측정된 압연 방향 특성은 중요한 재료 방향을 설명하는 것이지, 조립된 철심의 모든 지점의 특성을 설명하는 것은 아니다.

반가공 무방향성 전기강판

반가공 무방향성 전기강판은 최종 자기 상태가 확립되기 전에 제조업체에 공급된다. 이후의 작업, 일반적으로 프레스 가공 후 지정된 열처리는 결정립 구조, 잔류응력, 탄소 제어, 절연 상태 및 자기 손실에 계속 영향을 미친다. 공급 상태는 강종 설명의 일부이지, 부차적인 사항이 아니다.[4][4] IEC 60404-8-3:2023. International Electrotechnical Commission. IEC standard, 2023.

IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 공급되는 냉간 압연 무방향성 전기강판의 스트립 및 시트를 다루며, 공칭 두께는 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm이다. 이 표준은 자기적 특성, 치수 공차 및 검사 절차를 다룬다. ASTM A683은 ASTM A06.02 표준 체계에서 이에 대응하는 반가공 무방향성 재료의 위치를 차지한다.

반가공반가공 의도된 자기 상태가 확립되기 전에 사용자가 추가 가공, 일반적으로 최종 소둔 작업을 수행할 것으로 예상되는 공급 상태.

제조업체의 열처리 전에 시험한 반가공 강판의 특성이 열처리 후의 특성과 반드시 같은 것은 아니다. 프레스 가공은 변형과 가장자리 손상을 유발할 수 있으며, 이후의 열 사이클은 일부 응력을 줄이고 최종 자기 응답을 변화시킬 수 있다. 온도, 시간, 분위기, 노 운전 조건, 부품 형상 및 코팅의 내열성 등이 모두 영향을 미칠 수 있다. 따라서 동일한 공급 강종으로 만든 두 철심이라도 제조 이력이 다르면 서로 다른 특성을 보일 수 있다.

이 분류는 둘 다 무방향성이고 회전기 자기 회로에 사용될 수 있다는 이유로 완전 가공 무방향성 강판과 혼동되는 경우가 많다. 차이는 미완성 상태로 남아 있는 자기적 가공 공정에 있다. 두께, 실리콘 함량 및 “무방향성”이라는 표현만으로는 후속 처리가 필요한지 알 수 없다. 먼저 적용 표준과 공급 상태를 확인해야 하며, 그 이후에야 명시된 주파수, 자속밀도, 방향, 시험편 방법 및 손실 성분을 바탕으로 의미 있는 비교를 할 수 있다.

ASTM 및 IEC 표준에서 전기강판 등급을 체계화하는 방식

전기강판 표준은 하나의 보편적인 등급표로 구성되어 있지 않다. 표준은 자성 등급, 가공 상태, 제품 형태, 시험 조건 및 표면 절연에 따라 재료를 구분한다. 따라서 한 문서의 지정은 다른 문서의 지정을 직접 대체하는 것으로 해석할 수 없다.

ASTM의 주요 체계는 A06.02 분과위원회에서 마련된다. ASTM A677은 완전 가공 비지향성 전기강을, ASTM A683은 반가공 비지향성 전기강을, ASTM A876은 완전 가공 방향성 전기강을 다루며, ASTM A976은 전기강판 절연 코팅을 분류한다. 이 문서들은 서로 다른 역할을 한다. A677과 A876은 재료 규격이고, A976은 코팅 분류에 관한 규격이며, ASTM A804/A804M과 같은 시험 표준은 특정 자성 특성을 측정하는 방법을 규정한다.

IEC 문서도 유사하지만 완전히 동일하지 않은 방식으로 재료를 체계화한다. IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 공급되는 냉간 압연 비지향성 전기강 스트립 및 시트를 다룬다. IEC 60404-8-7:2017은 완전 가공 상태로 공급되는 냉간 압연 방향성 전기강 스트립 및 시트를 다룬다. 표준은 허용되는 제품 범주와 요구 특성을 규정하지만, 두께, 실리콘 함량 또는 코팅 등급을 보편적인 성능 순위로 바꾸지는 않는다.

ASTM A677 및 완전 가공 비지향성 등급

ASTM A677은 주로 50 Hz 및 60 Hz 자기 장치에 사용되는 완전 가공 비지향성 전기강의 규격이다. “비지향성”이라는 말은 방향성 변압기용 전기강판처럼 특정하게 발달시킨 하나의 압연 방향에 자성이 집중되지 않는다는 뜻이다. 이 재료는 최종 자성 상태로 공급되므로, 구매자가 반가공 제품의 일반적인 최종 응력 제거 어닐링을 실시할 필요가 없다는 전제에 기반한다.

2007년에 기록된 ASTM International의 설명에 따르면, ASTM A677에서 등급은 Epstein 시험 방법에 따라 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손으로 분류된다. 이 설명에는 네 가지 필수 한정 조건이 포함된다. 즉 최대 손실, 60 Hz, 1.5 T 및 Epstein 시험편이다. 이 중 어느 하나라도 빠지면 등급 비교는 불완전해진다. 50 Hz에서, 다른 자속 밀도에서 또는 다른 시험편 형상으로 측정한 손실은 동일하게 보고된 특성이 아니다.

완전 가공이라는 지정만으로 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실 사이의 정확한 분담을 알 수 있는 것도 아니다. Karlsruhe Institute of Technology의 2017년 연구는 이를 변압기 철심 손실에 대한 별개의 기여 요소로 다룬다. 자구벽의 이동은 히스테리시스 손실에 기여한다. 교번 자속은 시트 내부에 순환 전류를 발생시켜 고전적 와전류 손실을 일으키며, 초과 손실은 추가적인 동적 자구 과정에서 발생한다. 결정립 크기, 집합조직, 잔류응력, 적층 두께 및 전기적 절연은 이러한 손실 구성의 균형에 영향을 미친다.

따라서 A677은 정의된 규격 및 시험 체계로 이해해야 하며, 모든 비지향성 등급이 모터, 리액터 또는 고주파 부품에서 동일하게 거동한다는 주장으로 이해해서는 안 된다. 1.5 T의 시험 자속 밀도는 등급 분류의 일부이다. 이는 일반적인 운전 한계가 아니다.

ASTM A683은 인접한 범주인 반가공 비지향성 전기강을 다룬다. A06.02 표준 체계에서 A683이 포함되는 것은 중요하다. 반가공 시트는 의도된 자성 상태가 확립되기 전에 후속 가공 처리, 일반적으로 최종 어닐링 공정이 필요한 상태로 공급되기 때문이다. 따라서 A677과 A683은 자성 등급뿐 아니라 공급 상태도 구분한다. 두 제품을 단순히 “비지향성 전기강”이라고만 부르면 사용자의 가공 단계 이후 측정 결과를 바꿀 수 있는 제조상의 차이가 가려진다.

ASTM A876 및 방향성 등급 지정

ASTM International의 2017년 설명에 따르면, ASTM A876은 약 3.2%의 실리콘을 함유하는 완전 가공 저탄소 규소철 방향성 전기강을 다룬다. 이들의 결정학적 집합조직은 압연 방향을 따라 자기적 거동이 매우 유리하도록 형성된다. 이는 완전 가공 비지향성 전기강과는 다른 재료 범주이며, 단순히 실리콘 함량이 더 높은 비지향성 전기강이 아니다.

이 규격에는 일반 방향성, 고투자율 방향성 및 레이저 스크라이빙 방향성 등급이 포함된다. 레이저 스크라이빙 범주는 자구 구조와 자기 손실을 조정하기 위한 가공 경로를 의미한다. 따라서 동일한 시험 조건을 사용하지 않고서는 스크라이빙되지 않은 등급과 비교할 수 있다는 뜻이 아니다. ASTM의 등급 식별 관행은 또한 1.5 T에서 시험하도록 지정된 일반 방향성 등급과 1.7 T에서 시험하도록 지정된 기타 방향성 등급을 구분한다. 자속 밀도는 보고된 특성과 함께 제시되어야 한다. 지정된 자속 밀도가 없는 수치상의 손실 값은 불완전하다.

압연 방향은 방향성 전기강에서 특히 중요하다. 압연 방향과 평행하게 측정한 결과를 제작된 철심의 횡방향 영역이나 절단 가장자리 영역에 직접 적용할 수는 없다. 절단, 펀칭, 굽힘, 접합부 설계 및 가해진 응력은 모두 규격이 관리된 시험편에서 측정한 자기적 거동을 변화시킬 수 있다.

ASTM A804/A804M은 주로 열평탄화된 방향성 전기강의 일방향 교류 자성 특성을 측정하기 위한 표준이다. ASTM의 2021년 판 기록에 따르면, 이 표준의 결과는 25 cm Epstein 방법으로 얻은 결과와 비교할 수 있다. 이는 A876의 재료 규격을 대체하는 표준이 아니며, 별도의 등급 계열로 취급해서도 안 된다. 이 표준은 관련 방향성 철심 재료에 적용할 수 있는 시험 경로를 제공한다.

IEC 60404-8-3:2023 및 IEC 60404-8-7:2017

IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 공급되는 냉간 압연 비지향성 전기강 스트립 및 시트를 규정한다. 이 표준에 제시된 공칭 두께 계열은 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm이다. 이 문서는 제품 규격의 일부로서 자성 특성, 치수 공차 및 검사 절차를 다룬다.

이러한 두께는 서로 대체 가능한 등급명이 아니다. 두께는 순환 전류가 형성될 수 있는 거리를 제한하는 얇은 전기적 경로를 통해 고전적 와전류 손실에 영향을 미치지만, 측정된 철손은 비저항, 절연, 주파수, 자속 밀도, 집합조직, 응력 및 최종 가공 상태에도 영향을 받는다. 0.50 mm 제품이 모든 시험 또는 적용 조건에서 자동으로 0.65 mm 제품보다 우수한 것은 아니다.

IEC 60404-8-7:2017은 완전 가공 상태로 공급되는 냉간 압연 방향성 전기강 스트립 및 시트를 다룬다. 이 표준에는 공칭 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm의 고스 집합조직 재료와 함께 일반 방향성 및 고투자율 등급이 포함된다. 고스 집합조직은 유리한 결정학적 방향을 압연 방향과 일치시키며, 이것이 해당 재료의 강한 방향성을 설명한다.

IEC 문서와 ASTM 문서는 모든 지정 용어를 하나씩 직역하려 하지 말고 적용 범위와 시험 조건을 기준으로 비교해야 한다. IEC 60404-8-3은 반가공 비지향성 시트를 다루는 반면, ASTM A677은 완전 가공 비지향성 전기강을 다룬다. IEC 60404-8-7은 완전 가공 방향성 시트를 다루며, ASTM A876은 완전 가공 방향성 규소철 전기강을 다룬다. 유사한 용어를 사용한다고 해서 공급 상태의 차이가 사라지는 것은 아니다.

ASTM A976은 절연 코팅을 분류함으로써 또 다른 층위를 추가한다. 코팅은 적층판 사이의 전기적 접촉을 제한하므로 층간 와전류에 영향을 미치지만, 코팅 등급은 자성 전기강의 등급이 아니다. 마찬가지로 실리콘 또는 알루미늄 함량의 증가, 더 얇은 시트, 결정립 정렬 및 표면 절연은 손실을 제어하는 수단이지, 특정 재료의 거동을 보편적으로 나타내는 지표가 아니다. 표준 지정은 그 등급, 공급 상태, 주파수, 자속 밀도, 시험편 방법 및 해당되는 경우 압연 방향과 함께 제시될 때에만 의미를 유지한다.

비방향성 전기강판: 등급, 가공 및 자기적 용도

완전가공 비방향성 강판의 의미

완전가공 비방향성 전기강판은 최종 자기 상태가 생산자에 의해 확립된 상태로 공급되는 냉간압연 규소 함유 자성 강판이다. 이 강판의 결정립은 하나의 강한 결정학적 방향으로 배열되어 있지 않다. 대신 자속이 강판 면내의 서로 다른 방향으로 흐를 때에도 자기 특성이 합리적으로 유사하게 유지되도록 가공된다. 따라서 “비방향성”은 자기 조직을 설명하고, “완전가공”은 공급 상태를 설명한다. 어느 용어도 그 자체로 규소 함량, 두께 또는 특정 철손값을 규정하지 않는다.

이러한 구분이 중요한 이유는 전기강판의 명칭이 표준과 시험 조건에 연계되어 있기 때문이다. ASTM A677은 주로 50 및 60 Hz 자기 장치에 사용되는 완전가공 비방향성 전기강판을 다룬다. 이 규격에서 등급은 Epstein 시험 방법을 사용하여 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손에 따라 분류된다(ASTM International, 2007). 따라서 등급 명칭은 명시된 측정 절차에 따른 한계값이지, 모든 주파수, 자속밀도, 파형, 온도 또는 자화 방향에서의 철손을 보편적으로 예측하는 값이 아니다.

Epstein 시험 결과도 맥락과 함께 제시되어야 한다. 이 시험은 정해진 시험편 배열과 규정된 교류 자기 조건을 사용하며, 모터 고정자에서 발생하는 모든 응력, 접합부, 펀칭 가장자리, 코팅 또는 국부적인 자속 왜곡을 재현하지는 않는다. 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 철손은 이러한 조건을 함께 명시하여 보고해야 한다. 주파수, 자속밀도 및 시험편 방법이 제시되지 않은 값은 오해를 불러일으키는 비교를 초래할 수 있다.

완전가공 비방향성 강판은 반가공 비방향성 강판과 다르다. ASTM A06.02 분과위원회는 완전가공 비방향성 강판에 ASTM A677을, 반가공 비방향성 강판에 ASTM A683을 적용한다. IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 공급되는 냉간압연 비방향성 전기강판 스트립 및 강판을 다루며, 공칭 두께 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm를 포함한다. 반가공 소재는 프레스 가공 후 최종 어닐링을 거칠 수 있으며, 이는 제조업체의 가공 공정에 포함되는 경우가 많다. 따라서 공급된 상태의 자기 특성은 완전가공 강판의 자기 특성과 동등하지 않다.

이 구분은 흔히 발생하는 오류를 방지한다. 즉, 두께나 공칭 규소 수준을 마치 등급인 것처럼 취급하는 오류이다. 동일한 두께의 두 강판이라도 자기 조직, 결정립 크기, 잔류응력, 코팅 및 측정 철손이 서로 다를 수 있다. 반대로 가공 또는 자기 시험 조건이 다르면 더 얇은 강판이라고 해서 총 철손이 자동으로 낮아지는 것은 아니다.

압연 및 어닐링 이력의 역할

압연은 강판의 형상을 만들 뿐 아니라 금속의 내부 상태도 변화시킨다. 소성 변형은 전위를 발생시키고, 결정학적 집합조직을 변화시키며, 변형 에너지를 축적한다. 어닐링 전에는 이러한 영향으로 일반적으로 자구벽의 이동이 어려워지고 자기 손실이 증가한다. 프레스 가공, 전단, 굽힘 및 조립은 특히 절단 가장자리 부근에 추가적인 국부 응력을 유발할 수 있다. 따라서 최종 특성은 단순한 화학 조성이 아니라 가공 공정의 결과이다.

어닐링은 회복과 재결정을 가능하게 한다. 회복 과정에서는 축적된 변형 에너지의 일부가 완화된다. 재결정 과정에서는 비교적 변형이 없는 새로운 결정립이 형성되고 성장한다. 이후 결정립 크기와 결정학적 집합조직은 온도, 시간, 가열 및 냉각 조건, 압하 일정, 그리고 그 이전의 제강 공정에 의해 결정된다. 결정립 성장은 이동하는 자구벽이 통과해야 하는 결정립계의 수를 줄일 수 있지만, 과도하거나 제어가 불충분한 결정립 성장은 기계적 거동에 영향을 주고 부적절한 집합조직을 형성할 수 있다. 유용한 자기 상태는 전체 공정 경로를 통해 확립되는 균형의 결과이다.

규소와 알루미늄 함량은 전기 비저항과 자기 거동에 영향을 주지만, 화학 조성만으로 성능이 결정되지는 않는다. 비저항이 증가하면 순환 와전류를 줄일 수 있지만, 압연과 어닐링은 집합조직, 결정립 크기 및 응력 상태를 통해 그러한 화학 조성이 실제 성능으로 나타나는 방식을 결정한다. 따라서 공칭상 유사한 두 등급이라도 한쪽이 제조 과정에서 변형되었거나 서로 다른 어닐링 후에 시험되었다면 철손이 다르게 나타날 수 있다.

철손 자체도 여러 부분으로 나뉜다. 2017년 Karlsruhe Institute of Technology 연구는 변압기 철심의 철손을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실의 기여로 설명한다. 히스테리시스 손실은 비가역적인 자구벽 이동 및 자화 변화와 관련된다. 고전적 와전류 손실은 교번 자속이 강판 내부에 전류를 유도할 때 발생한다. 초과 손실은 자구의 이동과 상호작용에 관련된 추가적인 동적 효과를 나타낸다. 이러한 성분들은 주파수, 자속밀도, 비저항, 결정립 구조 및 응력에 서로 다르게 반응한다.

강판 두께는 주로 와전류가 흐를 수 있는 경로와 관련되므로, 더 얇은 적층판은 해당 손실 성분을 줄일 수 있다. 그러나 히스테리시스 손실이나 초과 손실까지 제거하지는 못한다. 또한 프레스 가공으로 심한 잔류응력이 발생하거나 코팅 손상으로 적층판 사이가 전기적으로 연결되면, 공칭상 저손실 등급이라도 시험 당시의 특성을 유지하지 못한다.

표면 절연은 자기 시스템의 일부이다. 절연 코팅은 인접한 적층판 사이의 전기 저항을 높여 층간 전류를 제한한다. ASTM A976은 전기강판 절연 코팅의 분류를 다룬다. 코팅의 종류, 피복 상태, 접착력, 경화 상태 및 절단이나 적층 과정에서의 손상은 조립된 철심의 철손에 영향을 줄 수 있다. 따라서 강판 기재와 그 코팅은 함께 고려해야 한다.

회전 자기 회로에서 비방향성 거동이 중요한 이유

변압기는 일반적으로 자속을 선호되는 한 방향으로 유도하므로, 결정학적 배향이 강한 방향성 전기강판의 장점을 활용할 수 있다. 모터나 발전기는 다르다. 회전자가 움직이면 고정자의 치와 요크에서 자기 자속의 방향이 기계 둘레를 따라 변한다. 또한 치근, 슬롯, 모서리 및 접합부 부근에서는 자속의 방향이 국부적으로 바뀐다. 하나의 선호 방향에서만 철손이 낮은 강판은 회전 자기 회로 전체에서 그러한 특성을 제공할 수 없다.

비방향성 강판은 강판 면내에서 서로 다른 방향의 자기 응답 차이를 제한함으로써 이러한 방향성 문제에 대응한다. 목표는 모든 방향에서 완전히 동일한 거동이 아니다. 실제 집합조직과 가공으로 인해 방향에 따른 차이는 여전히 발생한다. 목표는 회전 기계에서 변화하는 자속 경로 전반에 걸쳐 적절한 자기 응답을 확보하는 것이다.[5][5] ASTM A804/A804M-04(2021): Standard Test Method for Alternating-Current Magnetic Properties of Thermally Treated Grain-Oriented Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2021.

방향성 강판과의 차이는 표준 체계에 명확히 나타나 있다. ASTM A876은 약 3.2%의 규소를 함유한 저탄소 규소-철 방향성 강판을 다루며, 일반 등급, 고투자율 등급 및 레이저 스크라이빙 등급을 포함한다. IEC 60404-8-7:2017은 공칭 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm의 완전가공 방향성 강판을 다룬다. 일반 방향성 등급은 1.5 T에서 시험하도록 지정되며, 그 밖의 방향성 등급은 1.7 T에서 시험하도록 지정된다. ASTM A804/A804M은 주로 열평탄화된 방향성 강판에 대한 일방향 측정을 목적으로 하며, 그 결과는 25 cm Epstein 시험 방법과 비교할 수 있다. 이러한 결과를 회전 기계용 비방향성 등급에 직접 적용해서는 안 된다.

비방향성 소재의 경우, 엔지니어는 용도에 부합하는 주파수, 자속밀도, 파형, 압연 방향, 시험편 방법 및 공급 상태에서 관련 철손과 투자율을 비교한다. 올바른 질문은 강판의 규소 함량이 더 높은지 또는 두께가 더 얇은지가 아니다. 완성된 철심에서 자속의 방향이 반복적으로 바뀔 때에도 가공된 자기 구조, 절연 및 시험 철손이 적합한 상태를 유지하는지가 핵심이다.

결정립 지향 전기강판과 Goss 집합조직

Goss 집합조직과 압연 방향 자화

결정립 지향 전기강판은 실리콘 함량이나 강판 두께만으로 정의되지 않는다. 이 강판의 본질적인 특징은 압연, 어닐링 및 2차 재결정에 의해 형성되는 제어된 결정학적 집합조직이다. 원하는 Goss 방위에서는 체심입방 철 결정의 \(\{110\}\) 면이 강판 표면과 대략 평행하고, \(\langle001\rangle\) 방향이 압연 방향과 평행하다. 이 표기는 흔히 \(\{110\}\langle001\rangle\)로 나타낸다.

이 방위가 중요한 이유는 입방정계의 \(\langle001\rangle\) 방향을 따라 자화하는 것이 더 어려운 결정학적 방향을 따라 자화하는 것보다 쉽기 때문이다. 많은 결정립이 용이 자화 방향을 압연 방향에 가깝게 배치하면, 자기구역이 성장하고 자기구역벽이 더 작은 인가 자계에서도 이동할 수 있다. 그 결과 교류 자속이 압연 방향을 따를 때 높은 투자율과 낮은 히스테리시스 손실을 얻을 수 있다. 강판을 가로지르는 방향에서는 동일한 재료라도 자기적 거동이 크게 달라질 수 있다. 따라서 압연 방향에 수직으로 측정한 값은 압연 방향에서의 값과 서로 바꾸어 사용할 수 없다.

집합조직은 결코 완전히 균일하지 않다. 결정립은 이상적인 Goss 방위에서 벗어나며, 이러한 편차의 분포는 투자율, 보자력 및 손실에 영향을 미친다. 국부 집합조직, 결정립 크기, 잔류응력, 표면 상태, 인접 결정립 사이의 자기적 상호작용도 모두 영향을 준다. 등급명만으로는 이러한 변수를 나타낼 수 없다.

결정립 지향 강판은 일반적으로 변압기 철심의 철심 각부와 요크처럼 자기 경로가 압연 방향과 일치하도록 사용된다. 절단, 접합부 설계, 펀칭 변형, 굽힘 및 클램핑은 의도된 거동을 교란할 수 있다. 따라서 손상되지 않은 완전 가공 시험편으로 측정한 스트립은 절단 가장자리, 접합부 및 인가 응력을 포함하는 완성 철심보다 낮은 손실을 보일 수 있다.

철손은 물리적 기여 요인별로도 구분해야 한다. 2017년에 발표된 Karlsruhe Institute of Technology 연구에서는 변압기 철심의 손실을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실의 합으로 다룬다. 히스테리시스 손실은 각 자화 주기 동안 발생하는 비가역적인 자기구역벽 이동 및 회전과 관련된다. 고전적 와전류 손실은 변화하는 자기 플럭스에 의해 유도된 전류에서 발생하며, 초과 손실은 불균일한 자기구역벽 이동 및 국부적인 자기 과정과 연관된 추가 동적 손실을 나타낸다.

얇은 강판은 와전류가 흐를 수 있는 경로를 줄인다. 전기 절연 코팅은 적층판 사이의 전기 저항을 더욱 높여 철심 적층체 내부의 전류 순환을 제한한다. 실리콘과 알루미늄은 전기 비저항을 높일 수 있지만, 그 효과는 집합조직, 가공성, 연성, 결정립 구조 및 어닐링과도 상호작용한다. 이러한 조치 중 어느 하나만으로는 등급의 총손실을 독립적으로 식별할 수 없다.

모든 물성 진술에는 시험 조건이 함께 제시되어야 한다. 주파수, 최대 자속밀도, 시험편 방법 및 방향이 없는 “철손”이라는 표현은 불완전하다. 일방향 측정의 경우 ASTM A804/A804M-04(2021)는 주로 열평탄화된 결정립 지향 전기강판을 대상으로 하며, 25 cm Epstein 시험법과 비교 가능한 결과를 제공한다. 이 측정은 자속이 많은 전동기 철심에서처럼 회전하는 것이 아니라 한 방향으로 흐르도록 설계된 변압기 철심용 적층 강판의 특성과 특히 관련이 있다.

일반 투자율 등급과 고투자율 등급

IEC 60404-8-7:2017은 완전 가공 상태로 공급되는 냉간압연 결정립 지향 전기강판 스트립 및 강판을 다룬다. 이 표준의 적용 범위에는 공칭 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm의 Goss 집합조직 재료가 포함되며, 일반 투자율 등급과 고투자율 등급을 구분한다. “완전 가공”이란 제품에 대해 규정된 최종 어닐링 및 절연 처리를 포함한 자기적 가공이 공급 전에 완료되었음을 의미한다. 따라서 사용자가 추가적인 최종 어닐링을 통해 자기 특성을 발현시킬 것을 전제로 하지 않는다.

일반 투자율과 고투자율이라는 명칭은 결정립 지향 강판 내에서 자기적 성능에 따라 구분되는 등급을 나타낸다. 모든 고투자율 강판이 가능한 모든 자속밀도, 주파수, 방향 또는 철심 구조에서 더 낮은 손실을 보인다는 뜻은 아니다. 투자율은 자계와 자속밀도에 따라 달라지며, 철손은 주파수, 최대 자속밀도, 파형, 응력, 시험편 형상 및 층간 절연에 따라 변한다.

ASTM A876은 약 3.2%의 실리콘을 함유하는 저탄소 규소-철 결정립 지향 강을 다룬다. 이 표준에는 일반 투자율, 고투자율 및 레이저 스크라이빙 등급이 포함된다. ASTM의 등급 식별 관행은 또한 1.5 T에서 시험하도록 지정된 일반 결정립 지향 등급과 1.7 T에서 시험하도록 지정된 기타 결정립 지향 등급을 구분한다. 이러한 자속밀도 지정은 필수적이다. 1.5 T에서의 손실값은 1.7 T에서의 값과 직접 비교하여 강재 자체의 순위를 정할 수 없다.

이것이 등급 번호와 두께가 측정된 자기 데이터의 불충분한 대체 수단인 이유 중 하나다. 다른 조건이 비슷하게 유지된다면 더 얇은 적층판은 일반적으로 고전적 와전류 손실을 줄인다. 그러나 측정 결과에는 집합조직의 품질, 비저항, 코팅 저항, 자기구역 구조 및 인가된 자속밀도 파형도 반영된다. 고투자율 지정은 해당 표준의 요구사항에 의해 정의된 등급을 나타낼 뿐이며, 두께를 보편적인 성능 지표로 바꾸어 주지는 않는다.

표준 체계는 강재 등급 간의 차이를 더욱 분명히 한다. ASTM 소위원회 A06.02는 완전 가공 비결정립 지향 전기강판에 ASTM A677, 반가공 비결정립 지향 전기강판에 ASTM A683, 완전 가공 결정립 지향 전기강판에 ASTM A876, 전기강판 절연 코팅의 분류에 ASTM A976을 지정한다. 이 문서들은 서로 대체 가능한 하나의 재료군을 설명하지 않는다. 결정립 지향 강판은 특정한 자속 방향을 우선하도록 가공되는 반면, 비결정립 지향 강판은 강판 면 내에서 보다 균일한 자기적 거동을 나타내도록 설계된다.

비교를 위해 ASTM A677은 주로 50 및 60 Hz 자기 장치에 사용되는 완전 가공 비결정립 지향 전기강을 다룬다. 이 표준의 등급은 Epstein 시험법을 사용하여 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손에 따라 분류된다. 강재 등급, 시험편 방법, 방향, 자속밀도 및 공급 상태를 유지하지 않는 한 이러한 분류를 ASTM A876 결정립 지향 등급에 그대로 적용할 수 없다.

레이저 스크라이빙 결정립 지향 등급

레이저 스크라이빙은 자기구역 미세화 처리이며, 고투자율의 동의어가 아니다. 레이저는 표면에 국부적인 열적 변화 또는 응력 변화를 만들어 촘촘한 트랙을 형성한다. 이 트랙은 일반적으로 주된 압연 방향 자속에 대해 횡방향으로 배치된다. 이러한 트랙은 자기구역을 세분화하거나 자기구역의 폭을 제한한다. 더 작은 자기구역은 동적 자기구역벽 이동을 줄일 수 있으며, 지정된 시험 조건에서는 총철손을 낮출 수 있다.

이 처리가 Goss 집합조직을 대체하는 것은 아니다. 레이저 스크라이빙 제품은 여전히 결정립 지향 강판이며, 압연 방향에서의 거동은 결정학적 정렬, 가공 이력 및 자기적 응력 상태에 좌우된다. 또한 레이저 스크라이빙이 재료를 자동으로 고투자율 등급으로 분류하는 것도 아니다. ASTM A876은 일반 투자율 및 고투자율 등급과 나란히 레이저 스크라이빙 등급을 별도의 범주로 제시한다. 이는 해당 분류가 하나의 보편적인 투자율 수준이 아니라 가공 경로 또는 그 결과로 형성된 범주를 설명하기 때문이다.

그 효과는 조건에 따라 달라진다. 스크라이빙은 특정 주파수와 자속밀도에서 손실을 줄일 수 있지만, 다른 자속밀도에서는 투자율, 자기변형 또는 손실에 다른 변화를 일으킬 수 있다. 트랙 간격, 깊이, 투입 에너지, 코팅 상태 및 후속 응력이 영향을 줄 수 있다. 철심 조립도 결과를 바꿀 수 있다. 절단과 적층은 의도된 자기구역 패턴을 단절할 수 있으며, 클램핑 응력은 손실을 증가시킬 수 있다.

따라서 적절한 사양에는 등급, 공칭 두께, 공급 상태, 압연 방향, 시험 자속밀도, 주파수 및 시험법이 명시되어야 한다. 예를 들어 해당 Epstein 또는 일방향 절차에 따라 1.5 T에서 압연 방향으로 시험한 완전 가공 Goss 집합조직 강판은 명확히 정의된 측정값이다. 반면 “3.2% 실리콘, 얇은 고투자율 강판”이라는 표현은 그렇지 않다. 첫 번째 설명은 자기적 거동을 좌우하는 변수를 보존하지만, 두 번째 설명은 집합조직, 가공, 자기구역 미세화 및 시험 조건을 오해를 일으키는 하나의 명칭으로 축약한다.

규소, 알루미늄, 탄소 및 자기 손실의 야금학

규소와 전기저항률

규소는 주로 전기저항률을 높이고 합금의 자기적 거동을 변화시키기 위해 철에 첨가된다. 전기저항률이 높아지면 자속이 변할 때 강판 내부에서 순환할 수 있는 전류가 감소한다. 이러한 순환 전류는 철손 중 고전적 와전류 성분에 해당한다. 동일한 자속밀도 파형과 주파수 조건에서 더 얇은 적층판과 더 높은 전기저항률은 모두 이러한 전류 경로의 크기를 제한하지만, 어느 쪽도 와전류 손실을 완전히 제거하지는 못한다.

규소는 철의 결정학적 특성과 자기적 특성도 변화시킨다. 일반적으로 포화 자속밀도를 낮추며, 함량이 높아지면 가공을 더 어렵게 만들 수 있다. 따라서 조성은 한 방향으로만 평가되는 품질 척도가 아니라 절충의 결과이다. 전기저항률에 미치는 영향은 여전히 중요하다. 규소를 첨가하면 전기강판의 거동은 저탄소 구조용 철과 달라지는데, 후자는 전기저항률이 낮아 유도 전류가 더 크게 흐를 수 있다.

강종 표기는 반드시 시험 조건과 함께 해석해야 한다. ASTM International이 2007년에 인용한 ASTM A677은 주로 50 및 60 Hz 자기 장치에 사용되는 완전가공 무방향성 전기강판을 다룬다. 이 강종들은 Epstein 시험법을 사용하여 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손에 따라 분류된다. 해당 조건에서 보고된 손실은 보편적인 재료 상수가 아니다. 이는 특정 강종, 납품 상태, 시험편 배치, 주파수 및 자속밀도 조건을 설명하는 값이다.

방향성 전기강판과 관련된 규소 함량 역시 흔히 부정확하게 단순화된다. ASTM A876은 약 3.2%의 규소를 함유한 저탄소 규소-철 방향성 전기강판을 설명한다. 이 수치는 해당 강종군의 대략적인 화학 조성을 나타낼 뿐이며, 그 자체로 투자율이나 철손을 규정하지 않는다. 방향성 전기강판이 자기적으로 우수한 성능을 얻는 주요 원인은 결정학적 집합조직에 있으며, 특히 유리한 결정 방향이 압연 방향과 정렬되는 것이 중요하다. 규소는 전기적·자기적 설계를 뒷받침하지만, 화학 조성만으로 고스 집합조직을 형성시키지는 않는다.

주파수가 높아지면 전기저항률의 이점은 더욱 중요해진다. 고전적인 와전류 손실은 주파수에 따라 크게 증가하며, 적층판 두께, 전기저항률 및 국부적인 자속 파형에 좌우된다. 전기저항률이 더 높은 강으로 만든 두꺼운 강판은 전기저항률이 더 낮은 강으로 만든 얇은 강판과 여전히 다른 손실을 나타낼 수 있으며, 히스테리시스 손실과 초과손실은 독립적으로 변할 수 있다. 따라서 “규소가 많다”는 것은 두께, 주파수, 자속밀도, 그리고 측정된 손실 성분 또는 총손실을 명시하는 것을 대신할 수 없다.

알루미늄, 탄소 제어 및 2차적 영향

알루미늄은 전기저항률을 높일 수 있으며 전기강판의 가공 야금에도 기여한다. 방향성 강종에서는 특히 질화알루미늄과 같은 알루미늄 함유 석출물이 이상 결정립 성장을 제어하는 일련의 소둔 처리 과정에서 억제제 역할을 할 수 있다. 최종 집합조직은 조성, 열간압연, 냉간압하, 소둔 및 석출물 안정성의 상호작용에 따라 결정된다. 따라서 방향성 강판 제조에서 알루미늄은 단순한 전기저항률 증가 첨가제 이상의 역할을 한다.

그 효과는 조건에 따라 달라진다. 알루미늄 함유 입자의 양과 형태, 열 이력뿐 아니라 질소, 망가니즈, 황 및 소둔 일정도 중요하다. 석출물의 상태를 밝히지 않은 채 알루미늄 함량만 보고하는 화학 분석으로는 최종 결정립 구조가 의도한 자기적 응답을 만들어 낼지 판단하기 어렵다. 억제제가 지나치게 약하거나 조대하거나 잘못된 단계에서 고용되면 2차 재결정과 집합조직의 발달이 달라질 수 있다.

탄소 제어도 equally 중요하다. 저탄소 상태는 최종 가공 중 탈탄을 가능하게 하고 자기 시효의 위험을 줄인다. 잔류 탄소는 철 및 합금 원소와 결합하여 탄화물을 형성할 수 있으며, 침입형 원자는 자구벽의 이동을 방해하거나 시간과 온도에 따라 변화시킬 수 있다. 이러한 영향은 히스테리시스 손실을 증가시키거나 자기적 특성의 안정성을 낮출 수 있다. 완전가공 방향성 전기강판에서는 최종 절연 상태와 자기적 상태가 확립되기 전에 탄소가 낮은 수준으로 제거된다. 중요한 것은 모든 표준에 적용되는 보편적인 탄소 수치가 아니라 가공의 결과이다.

탄소는 결정립 성장과 집합조직에도 간접적으로 영향을 미친다. 탄소는 재결정, 탄화물 석출, 그리고 결정립이 인접 결정립을 흡수하는 조건에 영향을 준다. 저탄소 조성이라고 해서 크고 유리한 방향으로 배향된 결정립이 보장되는 것은 아니다. 저탄소 조성은 필요한 가공 경로를 뒷받침할 수 있는 화학적 기반을 제공할 뿐이다. 최종 결과는 압연 변형, 소둔, 억제제 및 탈탄이 의도한 결정립 구조를 형성하는지에 달려 있다.

손실 메커니즘을 이해하면 이러한 세부 사항이 중요한 이유를 알 수 있다. 2017년 Karlsruhe Institute of Technology 연구는 변압기 철심의 손실을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과손실로 구분한다. 히스테리시스 손실은 자화가 반전될 때 비가역적으로 발생하는 자구벽 이동을 반영한다. 고전적 와전류 손실은 변화하는 자속에 의해 유도된 전류에서 발생한다. 초과손실은 고전적 항으로 설명되지 않는 추가적인 동적 자구 과정을 나타낸다. 규소와 알루미늄은 주로 전기저항률을 높이고 미세조직에 영향을 미침으로써 기여하는 반면, 탄소 제어는 자구벽 거동, 결정립 구조 및 자기 시효에 영향을 미친다. 이들의 영향은 서로 중첩되지만 서로 대체할 수 있는 것은 아니다.

절연은 또 다른 화학적·가공 변수를 제공한다. 적층판 사이의 코팅은 강판과 강판이 접촉하는 부분의 전기저항을 높여 층간 전류를 제한한다. ASTM A976은 전기강판 절연 코팅을 분류하지만, 코팅 표기를 총 철손의 직접적인 순위로 바꾸어 해석할 수 있게 하는 표준은 아니다. 코팅 두께, 피복 상태, 접착력, 펀칭 중 손상 및 그에 따른 체결 응력은 모두 완성 철심에 영향을 줄 수 있다.

여러 변수 중 하나로서의 조성

전기강판은 하나의 단일한 재료 범주가 아니다. 완전가공 무방향성 강판, 반가공 무방향성 강판 및 완전가공 방향성 강판은 서로 다른 제조 경로를 따르므로 규소 함량만으로 비교해서는 안 된다. ASTM Subcommittee A06.02는 완전가공 무방향성 강판에 ASTM A677, 반가공 무방향성 강판에 ASTM A683, 완전가공 방향성 강판에 ASTM A876, 절연 코팅 분류에 ASTM A976을 지정한다. IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 납품되는 냉간압연 무방향성 스트립 및 강판을 다루며, 공칭 두께 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm를 포함한다. IEC 60404-8-7:2017은 공칭 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm의 완전가공 방향성 강판을 다룬다.

이러한 두께가 중요한 이유는 와전류 손실이 적층판 두께에 크게 반응하기 때문이다. 그러나 시험 설명의 나머지 조건이 없으면 두께만으로 총손실을 예측할 수 없다. 결정립 크기, 집합조직의 선명도, 잔류 응력, 표면 상태, 펀칭 손상, 코팅 및 인가 장력은 자구벽 이동을 변화시켜 히스테리시스 손실이나 초과손실에 영향을 줄 수 있다. 레이저 스크라이빙된 방향성 강판은 공칭 화학 조성이 유사한 일반 강종 또는 고투자율 강종과 다른 방식으로 자구를 제어할 수 있다.

시험 방향과 자속밀도는 필수적인 조건이다. ASTM A804/A804M은 변압기 철심 적층 소재로 사용되는 열평탄화 방향성 전기강판에 대해 주로 단방향 교류 측정을 수행하기 위한 표준이며, 그 결과는 25 cm Epstein법과 비교할 수 있다. ASTM A876에는 1.5 또는 1.7 T에서 시험되는 일반 방향성, 고투자율 및 레이저 스크라이빙 강종이 포함된다. ASTM 강종 식별 관행에서는 일반 방향성 강종을 1.5 T에서 시험하도록 지정된 강종과 1.7 T에서 시험하도록 지정된 강종으로 구분한다. 1.5 T에서 인용된 손실을 1.7 T에서 측정된 손실과 동등한 것으로 취급할 수 없다.

동일한 원칙은 무방향성 강판에도 적용된다. ASTM A677에 따라 분류된 값은 Epstein법으로 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손을 의미하며, 모든 모터 주파수, 자속밀도 또는 파형에서의 성능을 의미하지 않는다. IEC 60404-8-3:2023에 따른 반가공 소재는 자기적 특성이 의도한 사용 상태를 나타내기 전에 최종 소둔 또는 제조자가 정한 기타 가공을 필요로 할 수 있다.

조성은 자기 성능을 뒷받침하지만 이를 단독으로 결정하지는 않는다. 규소와 알루미늄은 전기저항률을 높여 와전류 손실을 줄일 수 있으며, 알루미늄 함유 석출물은 결정립 발달을 제어하는 데 도움을 줄 수 있다. 저탄소 상태는 탈탄, 가공 안정성 및 자기 시효 저항성을 뒷받침한다. 그러나 완성된 특성은 화학 조성과 집합조직, 결정립 크기, 응력, 두께, 코팅, 납품 상태 및 측정 조건이 결합된 결과로 나타난다. 이러한 변수를 제외한 비교는 자기적 거동이 아니라 표기만을 비교하는 것이다.

철손의 해부: 히스테리시스, 와전류 및 초과손실

철손은 강자성 철심이 교류 자속을 전달할 때 전력의 일부가 열로 변환되는 현상이다. 측정값은 하나의 재료 상수가 아니다. 철손은 주파수, 최대 자속밀도, 파형, 시험편 형상, 압연 방향, 적층판 두께, 절연, 응력 및 강재의 납품 상태에 따라 달라진다. 60 Hz 및 1.5 T에서 보고된 손실은 두 시험편이 동일한 강종 표기를 갖더라도 50 Hz 및 1.7 T에서 보고된 손실과 직접 비교할 수 없다.[6][6] Transformer-core loss separation study. Karlsruhe Institute of Technology. Karlsruhe Institute of Technology publication, 2017.

2017년 Karlsruhe Institute of Technology (KIT) 연구는 변압기 철심의 손실을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과손실 또는 이상손실의 세 가지 기여분으로 구분한다. 이 구분은 표준 성적서에 서로 독립적인 세 가지 물성으로 기재되는 것이 아니라 물리적 분석 체계이다. 측정된 총손실은 이 세 항이 결합된 결과이다:

$$P_{\mathrm{total}}=P_{\mathrm{h}}+P_{\mathrm{cl}}+P_{\mathrm{ex}}$$

이 항들은 가공 및 미세구조를 통해 서로 상호작용할 수 있다. 결정립 크기, 결정학적 집합조직, 잔류응력, 코팅 저항, 자구 미세화는 둘 이상의 기여분을 동시에 변화시킬 수 있다.

히스테리시스 손실과 자구벽 운동

히스테리시스 손실은 비가역적인 자화 사이클 동안 소산되는 에너지이다. 교번 자기장이 방향을 바꾸면 자구는 동일한 자화 경로를 따라 되돌아가지 않는다. 자기 히스테리시스 루프가 둘러싸는 면적은 단위 부피 및 사이클당 손실 에너지를 나타낸다. 이 에너지에 주파수를 곱하면 전력 손실의 한 기여분이 된다.

자구벽자구벽 자화 방향이 서로 다른 자구를 분리하는 전이 영역.

낮은 자속밀도에서는 자화가 자구벽의 이동을 통해 시작되는 경우가 많다. 자구벽은 자기 모멘트가 서로 다른 결정학적 방향을 향하는 영역들을 구분한다. 완전한 결정에서는 작은 인가 자기장만으로도 자구벽이 거의 저항 없이 이동할 수 있다. 실제 전기강판에는 전위, 결정립계, 개재물, 잔류응력, 표면 불규칙성 및 국부적인 집합조직 변화가 존재한다. 이러한 요인들은 자구벽을 고정하거나 왜곡한다. 따라서 자구벽이 고정 상태에서 벗어나기 위해서는 자기장이 더 높아져야 하며, 그 결과 비가역적인 도약과 에너지 소산이 발생한다.

더 높은 자속밀도에서는 자구벽의 이동과 함께 자화가 인가 자기장 방향으로 회전한다. 자구벽 이동과 회전 사이의 균형은 결정학적 방위에 따라 달라진다. 이것이 집합조직이 중요한 이유이다. 완전가공 방향성 전기강판은 강한 Goss 집합조직을 형성하여, 압연 방향을 따라 저손실 자화를 가능하게 하는 방위에 많은 결정립이 배치된다. 이 낮은 손실은 지정된 방향과 시험 조건에서 적용되는 것이며, 강판이 모든 방향에서 동일한 자기 응답을 보인다는 의미는 아니다.

무방향성 전기강판은 하나의 지배적인 용이 자화 방향을 만들기보다는 방향에 따른 차이를 줄이도록 가공된다. 완전가공 무방향성 재료는 주로 50 Hz 및 60 Hz 자기 장치를 사용하는 용도에 대해 ASTM A677의 적용을 받는다. 이 규격에서는 Epstein 시험법으로 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손에 따라 등급을 분류한다. 따라서 등급 표기는 모든 자속밀도와 주파수에서의 보편적인 히스테리시스 손실값이 아니라, 정해진 시험 조건에서의 결과를 나타낸다.

납품 상태 역시 자구벽 운동을 변화시킨다. 완전가공 강판은 자기적 상태를 확립하기 위한 최종 소둔과 표면 처리를 거친다. ASTM A683 및 IEC 60404-8-3:2023의 적용을 받는 반가공 무방향성 강판은 사용자가 후속 처리를 실시하는 것을 전제로 공급된다. 절단, 펀칭, 응력 제거 및 최종 소둔은 자구벽의 고정 상태를 변화시킬 수 있다. 반가공이라는 지정은 완전가공 등급의 저해상도 버전으로 취급할 수 없다.

실리콘과 알루미늄은 전기저항률을 높이고 자기 거동을 변화시킬 수 있지만, 화학 조성만으로 히스테리시스 손실이 결정되는 것은 아니다. 소둔, 결정립 성장, 집합조직 및 응력 제어는 공칭 실리콘 함량을 단순 비교할 때 예상되는 것보다 루프 형상에 더 큰 영향을 미칠 수 있다. 두께에도 같은 주의가 필요하다. 더 얇은 강판은 와전류 손실을 줄일 수 있지만, 히스테리시스 손실은 여전히 주로 집합조직, 결함 및 자구벽 고정 상태에 의해 결정될 수 있다.

적층판의 고전적 와전류 손실

변화하는 자기 플럭스는 도전성 강판 내부에 전기장을 유도한다. 이 전기장은 변화하는 플럭스와 연결되는 평면 내에서 와전류라고 하는 순환 전류를 흐르게 한다. 전류는 강판의 전기저항을 만나 열로 전력을 소산한다. 이것이 고전적 와전류 기여분이다.

정현파 여기 조건의 단순 적층판 모델에서는 고전적 와전류 손실이 대략 주파수의 제곱, 피크 자속밀도의 제곱 및 적층판 두께의 제곱에 비례하여 증가하고, 전기저항률이 증가할수록 감소한다. 그러나 이 관계를 두께만을 따로 비교하는 근거로 사용해서는 안 된다. 계수는 형상, 자속 분포, 파형 및 절연이 전류 경로를 차단하는 정도에 따라 달라진다.

적층판은 순환 전류가 흐를 수 있는 면적을 줄인다. 각 강판에 적용된 전기 절연 코팅은 인접 층 사이에 저항을 추가하여 큰 전류 루프가 적층체를 가로질러 형성되는 것을 방지한다. ASTM A976은 전기강판 절연 코팅을 분류하므로, 코팅 등급은 단순한 표면 마감 설명이 아니라 자기 회로 구성의 일부이다. 모재 강판이 지정된 자기 등급을 충족하더라도, 손상되었거나 얇거나 불연속적이거나 전기적으로 도전성인 코팅은 적층 철손을 증가시킬 수 있다.

실리콘은 저항률을 증가시키며, 알루미늄도 해당 조성 및 가공 체계 내에 존재할 경우 동일한 손실 제어 전략에 기여할 수 있다. 높은 저항률은 고전적 와전류를 억제하지만, 연성, 집합조직 형성, 결정립 성장 및 포화 거동에도 영향을 줄 수 있다. 따라서 실리콘 함량은 설계 변수이지 등급 동등성의 규칙이 아니다. “실리콘이 더 많다”는 사실만으로 특정 규격 등급을 식별할 수 없으며, 측정된 총손실이 더 낮다고 보장할 수도 없다.

두께 역시 시험 조건과 함께 해석해야 한다. IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 공급되는 냉간압연 무방향성 전기강판 스트립 및 강판을 다루며, 공칭 두께 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm를 포함한다. IEC 60404-8-7:2017은 공칭 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm의 완전가공 방향성 재료를 다룬다. 이러한 범위는 구성상의 차이를 보여 주지만, 모든 0.23 mm 강판의 총손실이 모든 0.35 mm 강판보다 낮다는 것을 의미하지는 않는다. 히스테리시스 손실과 초과 손실의 기여분이 여전히 존재하며, 시험 자속밀도가 다를 수도 있다.

절단과 적층도 실제 결과에 영향을 미친다. 버는 적층판 사이에 전기적 브리지를 형성할 수 있다. 펀칭은 가장자리 부근에 소성 변형과 잔류응력을 유발하여 국부적인 히스테리시스 손실을 증가시키고 자구 패턴을 변화시킨다. 응력 제거 소둔은 자기 성능의 일부를 회복시킬 수 있지만, 그 효과는 강종, 코팅, 분위기 및 열 사이클에 따라 달라진다.

초과 손실 또는 이상 손실과 실제 미세구조

초과 손실은 자구 구조와 불균일한 자화에 관련된 추가적인 동적 기여분이다. 이는 두께와 저항률을 바탕으로 계산한 단순한 고전적 와전류 항이 아니다. 교번 여기 동안 자구벽은 하나의 매끄럽고 균일하게 진행하는 전선처럼 움직이는 것이 아니라 불연속적인 단계로 이동한다. 이동하는 각 자구벽은 자기 플럭스에 국부적인 변화를 일으키며, 이에 따라 국부적인 와전류가 발생한다. 이러한 전류는 자구벽 운동과 상호작용하여 이상화된 고전적 계산을 넘어서는 동적 손실을 발생시킨다.

실제 자구 패턴이 이 기여분을 결정한다. 결정립계, 개재물, 응력장, 표면 손상, 그리고 자구의 간격과 형상은 서로 다른 자기장과 시간에 전환되는 영역을 만든다. 주파수가 증가하면 인가 자기장이 다시 변하기 전에 자구벽이 반응할 시간이 줄어든다. 그 결과 발생하는 불균일한 자화는 초과 손실 성분을 증가시킨다. 자구 미세화는 국부적인 플럭스 변화의 크기를 줄이고 이동하는 자구벽 주변의 전류 경로를 짧게 할 수 있으므로, 일부 방향성 제품에서는 자구 제어 처리가 사용된다.

방향성 전기강판은 이러한 메커니즘을 분리하여 이해하는 것이 중요함을 보여 준다. ASTM A876은 약 3.2%의 실리콘을 함유한 저탄소 규소-철 방향성 강을 다루며, 일반 방향성 등급, 고투자율 등급 및 레이저 스크라이빙 등급을 포함한다. ASTM 등급 식별 관행에서는 1.5 T에서 시험하도록 지정된 일반 방향성 등급과 1.7 T에서 시험하도록 지정된 등급을 구분한다. 따라서 보고된 손실값에는 해당 자속밀도 조건이 함께 제시되어야 한다. ASTM A804/A804M은 열평탄화된 방향성 강에 대한 일방향 교류 측정을 주된 목적으로 하며, 그 결과는 25 cm Epstein 시험법과 비교할 수 있다. 그러나 일방향 구성은 등방성 시험과 서로 바꾸어 사용할 수 없다.

레이저 스크라이빙은 국부적으로 자구 구조를 변화시켜 지정된 조건에서 손실을 줄일 수 있지만, 응력, 절단, 적층 또는 횡방향 플럭스의 영향을 없애지는 못한다. 마찬가지로 결정립 정렬은 압연 방향을 따라 측정한 손실을 낮출 수 있지만, 그 방향에서 벗어나면 다른 응답을 나타낼 수 있다. 따라서 IEC 60404-8-7:2017에 따른 완전가공 방향성 강판과 ASTM A677에 따른 완전가공 무방향성 강판은 단일 시험 결과에서 총손실이 비슷하게 보이더라도 서로 다른 자기적 등급에 속한다.

실무적인 결론은 명확하다. 철손 제어를 위해서는 강종, 납품 상태, 두께, 코팅, 방위, 주파수, 자속밀도, 파형 및 시험편 방법을 용도에 맞게 일치시켜야 한다. 히스테리시스 손실은 비가역적인 자화 사이클을 설명하고, 고전적 와전류 손실은 변화하는 플럭스에 의해 유도되는 전류를 설명하며, 초과 손실은 자구 구조와 불균일한 자화에서 발생하는 동적 효과를 나타낸다. 측정된 총손실에는 이 세 가지가 모두 포함된다. 이를 어느 하나의 손실만으로 취급하면 설명이 잘못되며, 잘못된 재료 또는 가공 결정을 내릴 수 있다.

손실 저감을 위한 두께, 적층 및 절연 피막

전기강판의 두께, 피막 두께, 조립된 철심의 치수는 서로 다른 물리적 특성을 나타낸다. 이들을 서로 바꿔 적용하면 철심 손실을 잘못 예측하게 된다. 강판 두께는 전기강판 한 장의 판 두께이다. 피막 두께는 강판 표면에 형성된 전기 저항성 막의 두께이다. 적층 형상에는 적층판의 수, 겹침과 이음부, 적층 계수, 자속의 방향, 그리고 조립된 자기 회로가 포함된다. 더 얇은 강판으로 만든 철심이라고 해서 총손실이 자동으로 낮아지는 것은 아니다. 절단 손상, 불량한 절연, 과도한 체결 압력 또는 부적합한 자성 등급이 와전류 손실 감소 효과를 상쇄할 수 있기 때문이다.

2017년에 발표된 KIT 연구는 변압기 철심 손실을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실로 구분한다. 자구벽 운동은 히스테리시스 손실과 관련되며, 교번 자기 플럭스는 순환 전류를 유도하고, 나머지 동적 기여분은 초과 손실로 취급된다. 적층 및 피막 설계는 전류와 관련된 항에 가장 직접적으로 영향을 미치며, 적절한 결정학적 집합조직, 화학 조성, 응력 제어 또는 시험 조건을 대신하는 수단은 아니다.

왜 더 얇은 강판은 일반적으로 층간 와전류 경로를 줄이는가

변화하는 자기 플럭스는 전기장을 발생시킨다. 하나의 덩어리로 된 강철 철심에서는 이 전기장이 재료 전체에 걸쳐 형성되는 고리 모양의 경로를 따라 순환 전류를 흐르게 할 수 있다. 이러한 전류는 강철의 전기 저항을 통해 전력을 소모하며, 고전적 와전류 손실을 발생시키고 국부 자기장을 변화시킨다. 변화하는 자속의 영향을 받는 방향에서 이용 가능한 고리의 치수가 클수록, 해당 고리 둘레에 유도되는 전압도 커진다.

적층 철심은 하나의 큰 도전성 체적을 여러 장의 얇은 강판으로 나눈다. 각 강판은 주로 자체 평면 내에서 자속을 전달하며, 강판 사이의 계면은 한 적층판에서 다음 적층판으로 전류가 흐르는 것을 차단한다. 고전적 와전류 성분에 대해서는 잘 알려진 단순화 관계식에 적층판 두께의 제곱이 포함된다. 주파수, 자속 밀도, 비저항 및 파형이 일정하다면 두께를 줄일 때 이 성분이 일반적으로 불균형적으로 크게 감소한다. 이는 경향을 나타내는 설명이지, 등급과 무관하게 항상 성립하는 보장은 아니다. 실제 손실에는 히스테리시스 성분과 초과 손실 성분도 포함되며, 제조 과정에서 발생한 응력은 이들을 증가시킬 수 있다.

물리적 이점은 서로 관련된 두 가지 효과에서 비롯된다. 첫째, 얇은 강판은 유도 전류 고리가 형성되는 치수를 줄인다. 둘째, 각각 절연된 강판을 적층하면 인접한 적층판의 넓은 면을 통해 이러한 고리가 서로 연결되는 것을 방지한다. 계면이 전기적으로 연결되면 유효 고리 치수가 철심의 상당한 부분에 해당하는 높이 또는 폭에 가까워질 수 있으며, 그 결과 적층 설계의 효과가 크게 약화된다.

따라서 제품 표준에 규정된 두께 값은 해당 재료 등급과 납품 상태가 함께 제시될 때에만 의미가 있다. IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 납품되는 냉간 압연 무방향성 전기강 스트립 및 강판을 다루며, 공칭 두께는 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm이다. 이는 표준이 정의한 제품 두께이지, 모든 경우에 적용되는 성능 순위를 의미하지 않는다. 해당 두께 중 하나에 해당하는 반가공 무방향성 강판도 규정된 자기 시험 및 가공 조건에서 평가해야 한다.

IEC 60404-8-7:2017은 완전 가공 상태로 납품되는 냉간 압연 방향성 전기강을 다루며, 공칭 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm를 포함한다. 방향성 재료는 일반적으로 자속이 압연 방향을 주로 따라 흐르도록 사용되므로 두께와 집합조직이 함께 작용한다. 0.27 mm 방향성 강판과 0.50 mm 반가공 무방향성 강판은 집합조직, 열처리, 자화 방향 및 납품 상태가 서로 다르므로 두께만으로 비교할 수 없다.

더 얇은 적층판을 사용하면 동일한 적층 높이에서 계면의 수 역시 증가한다. 이로 인해 피막과 작은 틈이 적층 공간의 일부를 차지하므로, 외부 치수 단위당 강철의 체적이 감소할 수 있다. 이에 따라 적층 계수가 중요해진다. 공칭 높이가 100 mm인 적층체에 자기 재료인 강철이 반드시 100 mm 포함되는 것은 아니다. 절단과 펀칭에도 추가적인 주의가 필요하다. 버는 인접한 적층판을 전기적으로 연결할 수 있으며, 절단 가장자리 부근의 잔류 응력은 히스테리시스 손실과 초과 손실을 증가시킬 수 있다. 따라서 더 얇은 재료는 고전적 와전류 손실을 낮출 수 있지만, 불량한 가공은 다른 손실 성분을 증가시킬 수 있다.

표면 절연의 전기적 역할

피막은 단순한 부식 방지층이나 취급용 마감재가 아니다. 피막의 전기적 기능은 서로 인접한 적층판의 넓은 면을 가로지르는 높은 저항을 유지하여, 유도 전류가 대부분 자체 강판 안에 머물도록 하는 것이다. 피막이 적층판을 따라 흐르는 전류까지 차단할 필요는 없다. 강철 자체를 변화시키지 않고서는 그것이 불가능하기 때문이다. 피막은 적층판과 적층판 사이의 계면을 가로지르는 전류를 제한해야 한다.

이러한 구분은 피막의 연속성이 중요한 이유를 설명한다. 작은 손상 부위, 노출된 가장자리, 도전성 오염물 또는 펀칭 버는 여러 장의 강판을 가로지르는 연결부를 만들 수 있다. 하나의 연결부가 철심 전체를 반드시 단락시키는 것은 아니지만, 여러 연결부가 생기면 확장된 층간 전류 경로가 형성될 수 있다. 체결 압력은 피막을 압축하거나 손상시킬 수 있으며, 용접 또는 접착 공정은 국부적인 도전성 연결을 만들 수 있다. 따라서 강판과 공칭 피막이 변하지 않더라도 철심 조립 상태는 손실에 영향을 미친다.

피막 두께와 강판 두께는 서로 다른 결과를 가져온다. 강판 두께를 늘리면 자속과 와전류가 형성되는 강철 영역 자체가 변한다. 피막 두께를 늘리면 주로 전기적 분리 거리가 증가하고, 일정한 적층 높이에서 강철이 차지하는 비율이 감소한다. 그렇다고 두꺼운 적층판이 얇은 적층판으로 바뀌는 것은 아니다. 반대로 얇은 강판에 매우 얇은 피막을 적용하는 것은 전체 적층 높이가 동일한 더 두꺼운 강판과 동등하지 않다.

절연은 규정된 제조 공정과 열처리 공정을 견뎌야 한다. 완전 가공 방향성 전기강은 해당 규격과 관련된 응력 제거 또는 기타 제어된 처리를 받을 수 있으며, 반가공 무방향성 전기강은 이후 자기 특성을 변화시킬 수 있는 후속 가공을 전제로 공급된다. 전기 저항, 접착력, 내열성, 절단 또는 어닐링에 대한 반응은 함께 고려해야 하지만, 피막 지정 등급을 수치상의 철심 손실 값으로 취급해서는 안 된다.

ASTM A976은 전기강 절연 피막의 분류에 적용되는 관련 ASTM 규격이다. ASTM은 A976을 자기강 제품 규격의 대체 규격으로 사용하지 않는다. ASTM 소위원회 A06.02는 완전 가공 무방향성 전기강에 ASTM A677, 반가공 무방향성 전기강에 ASTM A683, 완전 가공 방향성 전기강에 ASTM A876, 절연 피막의 분류에 ASTM A976을 지정하고 있다. 피막 분류는 해당 표준 체계에 따른 피막의 종류 또는 등급을 식별하는 것이며, 그 자체로 특정 주파수와 자속 밀도가 명시되지 않은 특정 강재의 철심 손실을 확정하지 않는다. 따라서 피막 등급과 측정 성능은 강판의 외관을 근거로 추론하거나 부여할 것이 아니라, 해당 ASTM A976 판본에서 확인해야 한다.

철심 손실의 비교는 여전히 측정 조건과 연계되어 있다. 예를 들어 ASTM A677은 주로 50 Hz 및 60 Hz 자기 장치에 사용되는 완전 가공 무방향성 전기강을 다루며, 등급은 Epstein 시험 방법을 사용하여 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철심 손실에 따라 분류된다. ASTM A804/A804M은 주로 열평탄화된 방향성 전기강에 대한 단방향 교류 측정에 적용되며, 그 결과는 25 cm Epstein 방법의 결과와 비교할 수 있다. 방향성 등급 지정은 1.5 T에서 시험하는 일반 등급과 1.7 T에서 시험하도록 지정된 다른 등급도 구분한다. 주파수, 자속 밀도, 시험편 방법, 해당되는 경우 압연 방향 및 납품 상태가 제시되지 않은 손실 값은 불완전하다. 두께와 피막은 전기적 경로를 제어하지만, 이러한 측정 조건을 없애지는 않는다.

자기 시험: Epstein법, 단판법 및 일방향법

자기 특성은 독립적으로 존재하는 숫자가 아니다. 자기 특성은 재료 분류, 공급 상태, 시험편 형상, 자로, 주파수, 최대 자속밀도, 압연 방향에 대한 방향, 그리고 적층판 사이의 전기적 절연 상태와 같은 시험 조건에 속한다. 이러한 세부 사항 없이 “철손”을 보고하면, 유효한 두 측정값이 서로 모순되는 것처럼 보일 수 있다.

이 구분이 중요한 이유는 전기강판이 하나의 재료 범주가 아니기 때문이다. 완전 가공 무방향성 전기강판, 반가공 무방향성 전기강판, 완전 가공 방향성 전기강판은 서로 다른 집합조직, 열처리, 용도 및 시험 관행을 갖는다. ASTM 분과위원회 A06.02는 이러한 차이를 별도의 표준으로 구분한다. ASTM A677은 완전 가공 무방향성 강판을, ASTM A683은 반가공 무방향성 강판을, ASTM A876은 완전 가공 방향성 강판을 다루며, ASTM A976은 절연 코팅을 분류한다.

측정되는 손실에는 여러 물리적 원인이 있다. 2017년 Karlsruhe Institute of Technology 연구는 변압기 철심 손실을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실로 구분한다. 히스테리시스 손실은 자화 반전 중 자구벽이 결함과 고착 부위를 통과하며 이동할 때 발생한다. 고전적 와전류 손실은 교류 자속이 변할 때 강판 내부에 유도되는 전류로 인해 발생한다. 초과 손실은 불균일한 자구벽 운동 및 국부적인 자기 과정과 관련된 추가적인 동적 손실을 의미한다. 시험 방법은 특정 파형과 주파수 조건에서 이들의 복합적인 효과를 기록할 뿐이며, 화학 조성만으로 강종을 식별하지는 않는다.

25-cm Epstein법과 스트립 시험편

25-cm Epstein법은 좁고 직사각형인 스트립을 조립하여 정사각형 자기 회로를 구성한다. 시험편의 길이는 관례적으로 25 cm이며, 스트립은 자로에 주요 시험 방향으로 절단된 재료가 포함되도록 배열한다. 따라서 이 시험은 고립된 단일 강판 조각에 대한 측정이 아니다. 인가 자화력, 유도 전압, 자속 및 시험편의 질량 또는 부피가 보고되는 자기량과 서로 연관되는 제어된 조립체를 이용한 시험이다.

무방향성 강판의 경우, 이러한 배열은 서로 다른 방향에서 채취된 재료의 표준화된 평균 응답을 제공한다. 무방향성 전기강판은 자기 성능을 하나의 결정학적 방향에 집중하기보다 방향에 따른 차이를 제한하도록 설계되므로, 이러한 평균값이 유용하다. 그러나 결과는 절단 상태, 버, 시험편 상태, 적층, 절연 및 여자 제어 방식에도 영향을 받는다.

ASTM A677이 대표적인 예이다. 이 표준은 주로 50 Hz 및 60 Hz 자기 장치에 사용되는 완전 가공 무방향성 전기강판을 다루며, Epstein 시험 방법을 사용하여 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손에 따라 강종을 분류한다. 주파수와 자속밀도는 강종 판정 기준의 일부이다. 스트립과 기기가 동일하더라도 50 Hz 또는 1.0 T에서 측정한 값은 동일한 ASTM A677 분류 결과가 아니다.

스트립은 또한 규정된 공급 상태를 나타내야 한다. 완전 가공 강판은 공급 시의 자기 상태를 확립하는 데 필요한 최종 소둔 및 절연 처리를 거친다. 반가공 무방향성 강판은 이와 다르다. 최종적인 자기 특성의 발현이 사용자의 가공에 좌우될 수 있으며, 일반적으로 응력 제거 소둔이 포함된다. IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 공급되는 냉간 압연 무방향성 전기강판 스트립 및 강판을 다루며, 공칭 두께 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm를 포함한다. 이러한 두께 표시는 ASTM A677의 완전 가공 강종으로 자동 변환되지 않는다.

두께는 손실에 영향을 주지만, 강종 표시를 대신할 수는 없다. 일반적으로 적층판의 두께를 줄이면 순환 와전류가 흐를 수 있는 경로가 짧아진다. 표면의 전기 절연은 이러한 전류를 더욱 차단하며, 규소와 알루미늄의 첨가는 전기 저항률을 높인다. 그러나 최종 손실은 집합조직, 결정립 크기, 응력, 코팅, 파형 및 주파수에도 좌우된다. 한 조건의 얇은 강판을 다른 표준에 따라 시험한 두꺼운 강판과 비교할 때, 두께만으로 우열을 정할 수 없다.

방향성 강판에 대한 ASTM A804/A804M

방향성 전기강판은 자기 거동이 의도적으로 방향성을 갖기 때문에 다른 관점이 필요하다. 열평탄화 방향성 재료에서는 압연 방향이 강한 Goss 집합조직과 연관되므로, 해당 방향의 자화는 압연 방향에 수직인 방향의 자화와 크게 다를 수 있다. 여러 방향의 평균을 내는 시험은 변압기 철심에서 중요한 특성을 가릴 수 있다.

ASTM A804/A804M은 주로 변압기 철심 적층판 재료로 사용되는 열평탄화 방향성 전기강판의 일방향 교류 자기 측정을 목적으로 한다. 일반적인 Epstein 조립체와 달리, 이 방법은 규정된 자기 방향에서 재료를 측정하도록 설계되었다. ASTM International은 ASTM A804/A804M의 결과가 25-cm Epstein법의 결과와 비교 가능하다고 명시하지만, “비교 가능”하다는 것은 시험편 배열과 방향 정보가 서로 대체 가능하다는 뜻이 아니다. 결과에는 여전히 시험 방법을 함께 명시해야 한다.

단판 시험 또는 일방향 시험은 다방향 스트립 조립체보다 방향성 재료의 압연 방향 거동을 직접적으로 드러낼 수 있다. 시험편은 선택된 방향으로 자화되며, 교류 자속밀도는 유도 전압으로부터 설정된다. 따라서 보고되는 손실에는 방향성이 내포된다. 압연 방향에서의 값은 등방성 강판의 평균값으로 해석해서는 안 되며, 압연 방향에 수직인 방향에서의 결과로 대체해서도 안 된다.

ASTM A876은 약 3.2%의 규소를 함유하는 저탄소 규소-철 방향성 강판을 다룬다. 여기에는 일반 방향성 강종, 고투자율 강종 및 레이저 스크라이빙 강종이 포함된다. IEC 60404-8-7:2017은 완전 가공 상태로 공급되는 냉간 압연 방향성 전기강판 스트립 및 강판을 다루며, 공칭 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm의 Goss 집합조직 재료를 포함한다. 이러한 문서는 강종과 공급 조건을 설명하며, 시험 방법은 명시된 자기 특성을 의미 있게 만드는 측정 맥락을 제공한다.

자속밀도 및 주파수 조건의 해석

일반적으로 테슬라로 표시되는 자속밀도는 자계 세기와 서로 대체할 수 없다. 교류 시험에서는 자속밀도 파형과 그 최대값이 재료를 자화 곡선을 따라 얼마나 멀리 구동할지를 결정한다. 자속밀도가 높아지면 자구 과정과 포화 효과로 인해 손실이 크게 증가할 수 있다. 주파수는 초당 자화 반전 횟수를 변화시키며, 특히 와전류 손실과 초과 손실 같은 동적 성분을 증가시킨다.

이 때문에 ASTM 관행에서는 1.5 T에서 시험하는 방향성 강종 표시와 1.7 T에서 시험하는 방향성 강종 표시를 구분한다. 일반 방향성 강종은 1.5 T에서 시험하도록 지정되며, 다른 방향성 강종은 1.7 T에서 시험하도록 지정된다. 강종 표시는 분류 또는 보고되는 특성에 대해 규정된 자속밀도를 나타내며, 단순히 선호되는 작동점이 아니다. 1.5 T 결과와 1.7 T 결과를 동일한 강종 시험 결과인 것처럼 비교하면 겉보기 우열이 뒤바뀔 수 있다.

주파수에도 동일한 주의가 적용된다. ASTM A677의 분류 조건은 60 Hz 및 1.5 T이며, 이는 50 Hz 및 60 Hz 장치에서의 주요 용도를 반영한다. 400 Hz에서의 시험은 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실 사이의 다른 균형을 측정한다. 재료, 두께 및 시험편 방법이 동일하더라도, 정당화된 주파수 모델과 일치하는 파형 가정 없이는 그 값을 다른 조건에 적용할 수 없다.

따라서 신뢰성 있는 보고서에는 재료 표준 및 강종 표시, 공급 상태, 공칭 두께, 시험편 방법, 주파수, 최대 자속밀도, 해당되는 경우 파형, 절연 상태 및 시험 방향을 명시해야 한다. 방향성 강판의 경우 압연 방향을 반드시 명확히 밝혀야 한다. “철손: 1.5 W/kg”라는 표현은 불완전하다. “완전 가공 무방향성 강판에 대해 60 Hz 및 1.5 T에서 25-cm Epstein법으로 측정한 철손”이라고 해야 활용 가능한 결과가 된다. 일방향 방향성 강판 측정에서는 방향과 ASTM A804/A804M 방법도 마찬가지로 필수적이다.

시험 방법은 자기 특성의 일부이며, 자기 특성 뒤에 덧붙이는 각주가 아니다.

등급 또는 데이터시트를 잘못 해석하지 않고 읽는 방법

등급 표기는 완전한 자성 사양이 아니다. 등급 표기는 표준 내에서 재료를 식별하지만, 실제 보고된 거동은 납품 상태, 두께, 시험 주파수, 자속 밀도, 시험편 방향 및 측정 방법에도 좌우된다. 체계적인 판독 순서를 따르면 규소 함량이나 얇은 명목 두께를 자기 성능의 직접적인 대체 지표로 취급하는 흔한 오류를 피할 수 있다.

표준, 납품 상태 및 등급 계열 해독하기

등급 번호가 아니라 적용 표준부터 확인한다. 예를 들어 ASTM A677은 주로 50 및 60 Hz 자기 장치에 사용되는 완전 가공 무방향성 전기강을 다룬다. 이 표준의 등급은 ASTM A677-07 (ASTM International, 2007)에 규정된 Epstein 시험 방법으로 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손에 따라 분류된다. 이러한 분류가 가능한 모든 운전 조건을 설명하는 것은 아니다.

그다음 납품 상태를 확인한다. 완전 가공 재료는 해당 사양에서 요구하는 자성 열처리를 거친 상태로, 자기 특성이 확립된 상태로 공급된다. 반가공 재료는 일반적으로 최종 어닐링을 포함하여 사용자가 추가 가공할 것을 전제로 공급된다. 납품 상태에서의 자기 거동을 완전 가공 강판의 자기 거동과 동등한 것으로 해석해서는 안 된다.

ASTM 표준 체계도는 이러한 차이를 명확히 보여 준다. ASTM 분과위원회 A06.02는 완전 가공 무방향성 강에 ASTM A677, 반가공 무방향성 강에 ASTM A683, 완전 가공 방향성 강에 ASTM A876을 열거한다. ASTM A976은 절연 코팅의 분류를 다룬다. 데이터시트에 단지 “전기강”이라고만 적혀 있다면, 이 체계에서 해당 재료를 분류하는 데 필요한 정보가 누락된 것이다.

다음으로 강종 계열을 확인한다. 무방향성 전기강은 면내의 서로 다른 방향에서 비교적 유사한 자기 거동을 나타내도록 설계되지만, 방향에 완전히 무관한 것은 아니다. 방향성 전기강은 강한 결정학적 집합조직을 가지며, 일반적으로 Goss 방위와 연관된다. 또한 보통 압연 방향 또는 별도로 지정된 방향을 따라 평가된다. 두 계열은 서로 다른 자기 회로 설계에 사용되므로, 하나의 등급 번호 체계만으로 비교해서는 안 된다.

ASTM A876은 약 3.2%의 규소를 함유하는 저탄소 규소-철 방향성 강을 다룬다. 이 표준에는 일반 등급, 고투자율 등급 및 레이저 스크라이빙 등급이 포함된다. IEC 60404-8-7:2017은 완전 가공 상태로 공급되는 냉간 압연 방향성 전기강 스트립 및 강판을 다루며, 명목 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm를 포함한다. 이러한 두께는 해당 제품 표준에 제시된 대표적인 항목일 뿐이며, 그 자체로 성능 순위를 의미하지 않는다.

반가공 무방향성 재료의 경우, IEC 60404-8-3:2023은 자기 특성, 치수 공차 및 검사 절차와 함께 명목 두께 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm를 규정한다. 이 목록에 특정 두께가 포함되어 있다고 해서 해당 강판이 같은 두께의 완전 가공 무방향성 등급과 동등해지는 것은 아니다.

명목 두께는 등급과 별도로 기록한다. 코팅 또는 절연 정보도 기록한다. 전기 절연 코팅은 층간 저항을 높이고 인접한 적층판 사이에서 순환하는 전류를 줄인다. ASTM A976은 관련 코팅 분류 체계를 제공한다. 규소와 알루미늄은 전기 비저항을 높일 수 있으며, 집합조직 제어와 가공 공정은 히스테리시스 및 투자율에 영향을 준다. 그러나 이러한 특성 중 어느 하나만으로 최종 철손값이 결정되는 것은 아니다.

최대 철손 분류를 올바르게 읽기

최대 철손 등급은 명시된 조건에서의 합격 한도이지, 보편적인 손실 상수가 아니다. ASTM A677이 60 Hz, 1.5 T 및 Epstein 시험에서의 최대 손실을 기준으로 등급을 부여한다면, 그 값은 해당 측정 조건에만 적용된다. 이는 400 Hz 또는 1.0 T에서, 회전 자속 조건에서, 혹은 다른 펀칭 및 응력 제거 공정 후의 손실을 자동으로 예측하지 않는다.

유용한 기록 방식은 수치 옆에 조건을 함께 적는 것이다. 즉, “최대 비총손실, [주파수], [자속 밀도], Epstein 시험”과 같이 기록한다. 대괄호 안의 조건을 삭제하면 한정된 시험 결과가 오해를 불러일으키는 정보로 바뀐다. 같은 원칙은 방향성 등급에도 적용된다. ASTM 관행에서는 1.5 T에서 시험하도록 지정된 일반 등급과 1.7 T에서 시험하도록 지정된 다른 방향성 등급을 구별한다 (ASTM International, 2024). 시험 자속 밀도를 기록하지 않은 채 수치 한도만 비교하는 것은 타당하지 않다.

시험편 방법도 결과를 바꿀 수 있다. ASTM A804/A804M은 주로 변압기 코어 적층재로 사용되는 열평탄화 방향성 전기강에 대해 단방향 교류 측정을 수행하기 위한 표준이다. 이 방법의 결과는 25 cm Epstein 방법과 비교할 수 있지만, “비교 가능하다”는 말이 모든 시험 형상에서 동일한 판독값이 나온다는 뜻은 아니다. 따라서 데이터시트에 ASTM A804/A804M-04, 2021년 재확인판에 따른 측정값이 나타나는 경우에는 해당 표준을 명시해야 한다.

철손 자체에는 여러 물리적 기여 성분이 포함된다. 2017년에 발표된 Karlsruhe Institute of Technology의 연구는 변압기 코어 손실을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실로 구분한다. 자구 구조 내에서 자구벽이 이동하면서 히스테리시스 손실이 발생한다. 변화하는 자속은 강 내부에 와전류를 유도하여 고전적 와전류 손실을 일으키며, 자구 구조와 국부적인 전류 경로는 초과 손실에 기여한다.

조직, 가공, 코팅, 응력 또는 시험 조건이 다르면 더 얇은 전기강 판재라고 해서 자동으로 손실이 더 낮은 것은 아니다. Limited evidence

두께는 주로 와전류 성분에 영향을 준다. 전기적 경로가 짧아지면 순환 전류에 의한 손실이 감소하기 때문이다. 더 낮은 손실은 더 높은 비저항, 적절한 절연, 감소된 응력 또는 개선된 결정립 정렬에 의해서도 나타날 수 있다. 더 얇은 강판이라도 집합조직, 가공 상태, 코팅 또는 시험 조건이 다르면 측정된 총손실이 더 높게 나타날 수 있다. “0.27 mm”는 두께일 뿐, 완전한 자기 등급이 아니다.

투자율, 자속 밀도 및 손실 구분하기

투자율은 주어진 자화장에 의해 어느 정도의 자속 밀도가 생성되는지를 나타낸다. 단순화하면 상대 투자율은 재료의 응답을 진공의 응답과 비교한 값이다. 데이터시트에는 초기 투자율, 최대 투자율 또는 특정 자속 밀도에서의 투자율이 제시될 수 있다. 이들은 서로 다른 물리량이므로 하나의 수치로 통합해서는 안 된다.

자속 밀도는 일반적으로 테슬라 단위로 보고되는 자기 플럭스 밀도이다. 이는 특성이 측정되는 운전점 또는 시험점이다. 고투자율 방향성 강은 다른 강보다 더 낮은 자화장으로 지정된 자속 밀도에 도달할 수 있지만, 총손실은 여전히 주파수, 파형, 두께, 집합조직, 응력 및 절연에 좌우된다. 자화가 쉽다는 것과 주기당 에너지 소산이 낮다는 것은 같은 의미가 아니다.

철손은 정의된 교류 자기 여기 조건에서 단위 질량 또는 단위 체적당 소산되는 전력이다. 철손값은 주파수와 자속 밀도 모두에 크게 좌우된다. 두 강판은 특정 자속 밀도에서 유사한 투자율을 보이면서도 서로 다른 손실을 나타낼 수 있다. 반대로 한 시험점에서는 유사한 손실을 보이면서도 자화 곡선의 다른 구간에서는 서로 다른 투자율을 나타낼 수 있다.

모든 특성은 완전한 튜플로 읽어야 한다. 즉, 납품 상태, 등급 계열, 명목 두께, 주파수, 자속 밀도, 방향, 시험편 방법 및 보고된 특성을 함께 확인해야 한다. 방향성 강의 경우 압연 방향과 시험이 압연 방향, 횡방향 또는 그 밖의 지정된 방향 중 어느 방향에서 수행되었는지도 추가해야 한다. 비교할 때는 한 번에 하나의 변수만 변경한다. 이러한 조건이 없는 데이터시트는 여전히 제품 계열을 식별할 수는 있지만, 신뢰할 수 있는 자기 특성 비교를 뒷받침하지는 못한다.

자기 성능을 변화시키는 제조 변수

전기강판의 자기적 거동은 실리콘 함량이나 공칭 두께만으로 결정되지 않는다. 압연 이력, 소둔, 결정립 배향, 잔류 응력, 표면 절연, 그리고 강판이 코어 제작 현장에 도착한 상태가 모두 측정 결과에 영향을 미친다. 따라서 완전가공 무방향성 강판, 반가공 무방향성 강판, 완전가공 방향성 강판의 구분은 규격상의 구분일 뿐 아니라 제조상의 구분이기도 하다.

ASTM Subcommittee A06.02는 완전가공 무방향성 강판에 ASTM A677, 반가공 무방향성 강판에 ASTM A683, 완전가공 방향성 강판에 ASTM A876, 전기강판 절연 코팅에 ASTM A976을 적용한다. IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 공급되는 냉간압연 무방향성 전기강판을 다루며, IEC 60404-8-7:2017은 완전가공 상태로 공급되는 냉간압연 방향성 전기강판을 다룬다. 강종 표기는 해당 공급 상태 및 그 자기 특성에 적용된 시험 조건과 함께 제시될 때에만 의미를 갖는다.

냉간압하, 재결정 및 결정립 크기

냉간압하는 강판 두께 이상의 변화를 일으킨다. 냉간압하는 결정립을 늘이고 전위 밀도를 높이며 변형 에너지를 축적하고, 결정학적 및 기계적 이방성을 만든다. 이러한 변화는 자구벽의 이동과 자화가 인가된 자계를 따르는 용이성에 영향을 미친다. 따라서 심하게 변형된 스트립은 동일한 조성과 공칭 두께를 가진 소둔 스트립과 상당히 다른 자기적 거동을 보일 수 있다.

재결정은 열처리 중 새롭고 상대적으로 변형이 적은 결정립을 형성함으로써 냉간가공 조직의 상당 부분을 제거한다. 그 결과 형성되는 집합조직은 초기 조직, 압하 이력, 소둔 조건, 억제제 및 합금 화학 조성에 좌우된다. 이후 결정립 성장은 결정립계의 수와 특성을 변화시킨다. 결정립계는 자구벽을 방해할 수 있으며, 지나치게 크거나 불규칙한 결정립은 국부적인 자기 불균일성을 증가시키고 접합부와 절단 가장자리 주변의 응답을 복잡하게 만들 수 있다. 무방향성 제품과 방향성 제품에 동일하게 적용되는 보편적인 결정립 크기 규칙은 없다.

무방향성 전기강판의 가공에서는 면내의 둘 이상의 방향에서 유용한 자기 응답을 얻을 수 있도록 결정학적 배향을 분포시키는 것을 목표로 한다. 완전가공 무방향성 소재는 제조업체에서 최종 자기 소둔을 거친다. 반가공 무방향성 소재는 완전한 최종 처리를 받지 않은 상태이며, 이후 사용자가 수행하는 소둔 및 가공 순서에 따라 재결정 조직, 결정립 크기 및 자기 특성이 달라질 수 있다. IEC 60404-8-3:2023은 공칭 두께 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm의 반가공 소재를 포함하지만, 이러한 두께만으로는 이후의 구체적인 열처리가 정해지지 않은 상태에서 최종 손실을 규정할 수 없다.

방향성 강판은 다른 목표에 따라 제조된다. 제조 과정에서 일반적으로 {110}<001> 배향으로 설명되는 강한 Goss 집합조직을 형성하여, 다수의 결정립에서 자화 용이 방향이 압연 방향과 평행하도록 한다. ASTM A876은 약 3.2%의 실리콘을 함유한 저탄소 규소-철 방향성 강판을 다루며, 일반급, 고투자율급 및 레이저 스크라이빙급을 포함한다. IEC 60404-8-7:2017은 공칭 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm의 완전가공 방향성 스트립을 다룬다.

방향성 강판의 성능을 보고할 때는 압연 방향이 필수적이다. 의도된 자속 방향을 따라 측정한 값을 횡방향 또는 접합부의 영향이 지배적인 영역에 그대로 적용할 수는 없다. ASTM A804/A804M은 주로 열평탄화된 방향성 강판의 단방향 교류 측정에 사용되며, 그 결과는 25-cm Epstein 방법과 비교할 수 있다. 시험편의 형상과 방향은 측정 결과의 일부이다.

결정립 크기는 코어 손실의 서로 다른 구성 요소와도 상호작용한다. Karlsruhe Institute of Technology의 2017년 연구는 변압기 코어 손실을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실로 구분한다. 히스테리시스 손실은 비가역적인 자구벽 이동과 자화 과정에서 발생한다. 고전적 와전류 손실은 교번 자속이 강판 내부에 순환 전류를 유도할 때 발생한다. 초과 손실은 단순한 고전적 항으로 설명되지 않는 추가적인 동적 자구 과정에 해당한다. 소둔은 변형을 제거하여 히스테리시스와 관련된 영향을 줄일 수 있으며, 두께, 비저항, 자구 구조 및 주파수는 다른 손실 성분에 영향을 미친다.

응력 제거 및 평탄도

절단, 펀칭, 전단, 굽힘 및 적층은 평탄한 시험 스트립에는 존재하지 않았던 응력을 가한다. 펀칭된 가장자리에는 소성 변형과 잔류 응력이 존재하며, 폭이 좁은 치형부나 모서리에는 폭에 비해 큰 응력 구배가 발생할 수 있다. 이러한 영역은 자구벽의 이동을 방해하여 국부적인 히스테리시스 손실을 증가시킬 수 있다. 대형 Epstein 시험편에서는 그 영향이 작을 수 있지만, 소형 모터 고정자, 변압기 모서리 또는 날카롭게 성형된 부품에서는 상당할 수 있다.

완전가공 소재도 가공의 영향을 받지 않는 것은 아니므로 공급 상태가 중요하다. 완전가공 강판은 제조업체 측에서 규정된 자기 처리를 완료한 상태이지만, 절단과 성형으로 인해 완성 적층판의 자기 응답이 여전히 저하될 수 있다. 반가공 무방향성 강판은 구매자가 이후 수행하는 소둔 및 성형 순서에 더욱 크게 좌우된다. 따라서 가공 전에 시험한 강판으로 조립한 코어는 성적서에 제시된 값보다 높은 손실을 나타낼 수 있다.

열평탄화는 형상과 응력을 모두 다룬다. 열처리는 압연, 절단 또는 취급으로 발생한 잔류 응력을 줄이고 평탄도를 개선할 수 있지만, 온도에 노출되면 결정립 조직, 코팅 거동 및 자기 특성도 영향을 받는다. ASTM A804/A804M은 변압기 코어 적층판용으로 사용되는 열평탄화 방향성 소재를 구체적으로 다룬다. 이 조건은 중요하다. 열평탄화되고 단방향으로 시험된 스트립의 값이 전단, 적층 및 클램핑이 이루어진 코어의 특성을 자동으로 나타내는 것은 아니다.

기계적 클램핑은 또 다른 응력원을 만든다. 과도한 압력, 불균일한 적층, 과도하게 조인 권선 또는 국부적인 버 접촉은 자기변형과 자구 운동을 구속할 수 있다. 평탄도 문제는 적층판 사이에 간극이나 점 접촉을 만들어 자속 분포를 변화시키고 국부 손실을 증가시킬 수 있다. 열평탄화는 모든 가공 영향을 없애는 일반적인 보정 단계가 아니다. 그 결과는 이전의 변형, 열처리, 강판 종류 및 코팅 시스템에 따라 달라진다.

자구 미세화 및 표면 상태

자구 미세화는 자기 자구가 반전되는 거리를 줄여 자구벽 이동에 수반되는 에너지를 제한하며, 적절한 조건에서는 손실을 감소시킨다. 레이저 스크라이빙은 방향성 강판에 사용되는 방법 중 하나이다. 이 방법은 강판 표면에 좁고 제어된 교란을 만들어 강판을 가로지르는 자구를 세분화한다. 이 처리는 벌크 실리콘 함량을 변화시키는 것과 동일하지 않으며, 강종에 규정된 시험 자속밀도와 함께 그 효과를 고려해야 한다.

ASTM A876은 방향성 강판의 강종과 시험 조건을 구분하며, 여기에는 1.5 T에서 지정되는 일반급과 1.7 T에서 지정되는 기타 강종이 포함된다. 서로 다른 자속밀도에서 측정한 손실값을 비교하면 잘못된 순위가 도출될 수 있다. 인용되는 모든 자기값에는 주파수, 자속밀도, 압연 방향, 시험편 방법 및 공급 상태가 함께 제시되어야 한다.

표면 코팅에는 두 가지 역할이 있다. 인접한 적층판을 전기적으로 절연하여 층간 저항을 높이고 순환 와전류를 줄이는 동시에, 장력, 펀칭성, 열처리 적합성 및 적층 거동에도 영향을 미친다. ASTM A976은 전기강판 절연 코팅의 분류 체계를 제공한다. 코팅 손상, 전도성 버, 과도한 코팅 두께 또는 불량한 접촉 양상은 강판 기재가 강판 규격을 충족하더라도 조립된 코어의 손실을 변화시킬 수 있다.

표면 상태는 응력에도 영향을 미친다. 거칠기, 긁힘, 산화물 잔류물 및 코팅 불균일성은 국부적인 접촉점을 만들거나 적층 중 강판을 구속할 수 있다. 레이저 스크라이빙, 코팅 장력 및 절단 후 가장자리 손상은 서로 독립적으로 작용하기보다 함께 작용할 수 있다. 얇은 적층판은 고전적 와전류 손실을 줄이는 데 도움이 되지만, 얇은 강판이라고 해서 불량한 집합조직, 잔류 응력 또는 불리한 여자 조건으로 인한 히스테리시스 손실이나 초과 손실까지 제거되는 것은 아니다.

따라서 중요한 질문은 단순히 어떤 강종이 공급되었는지가 아니다. 지정된 강종, 가공 상태, 집합조직, 표면 절연, 절단 방식, 응력 제거 처리 및 코어 조립이 실제 주파수와 자속밀도에서 요구되는 손실을 충족하는지를 확인해야 한다. 사용되는 자기 부품은 완성된 코어이며, 최초의 평탄 스트립 시험은 제조 이력 전반에 걸친 하나의 통제된 측정에 불과하다.

재료 거동을 고려한 변압기 및 회전기 코어 설계

코어는 강종을 분류할 때 사용한 것과 동일한 자계 조건에 노출되지 않는다. 재료는 특정 형상으로 절단되고, 절연되고, 적층되고, 클램프로 고정되며, 특정 파형에 의해 구동된다. 각 단계는 완성 부품에서 나타나는 자기 응답을 변화시킬 수 있다. 따라서 강종명은 재료 등급과 지정된 시험 조건을 식별할 뿐이며, 조립된 모든 코어에 대해 보장된 철손 값을 의미하지는 않는다.

납품 상태의 차이는 설계 단계에서 중요하다. ASTM A677은 주로 50 Hz 및 60 Hz 자기 장치에 사용되는 완전가공 비방향성 전기강을 다루며, 해당 강종은 Epstein 시험 방법으로 60 Hz, 1.5 T에서 측정한 최대 철손에 따라 분류된다. ASTM A683은 반가공 비방향성 강을 다루고, ASTM A876은 완전가공 방향성 강을 다룬다. IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 납품되는 냉간압연 비방향성 전기강 스트립 및 강판을 규정하는 반면, IEC 60404-8-7:2017은 완전가공 방향성 재료를 다룬다.

이러한 표준은 서로 대체 가능한 제품을 설명하지 않는다. 각 표준은 조성, 집합조직, 가공, 자기 시험 및 납품 상태가 서로 다르게 조합된 제품을 설명한다.

변압기 코어와 우선 자속 방향

변압기 코어는 교류 자속의 대부분이 방향성 전기강의 압연 방향을 따라 제어된 경로로 흐르도록 설계된다. 완전가공 방향성 강에서는 강한 Goss 집합조직으로 인해 많은 결정 방향이 압연 방향에 대해 유리하게 배치된다. 따라서 설계에 사용되는 자속 밀도와 주파수 범위에서는 무작위 배향 집합조직에 비해 해당 방향으로 자화하는 데 필요한 자계가 더 작다.

이 때문에 변압기 적층판은 동일한 직사각형을 단순히 쌓아 올린 형태가 아니다. 스트립은 자속이 급격한 방향 전환을 최대한 적게 하면서 레그와 요크를 따라 흐르도록 절단되고 배향된다. 스텝 랩 및 이와 관련된 접합 배치는 전체 자속이 하나의 날카로운 맞대기 접합부를 통과하도록 강제하는 대신, 여러 적층판에 걸쳐 전이를 분산시킨다. 목적은 단순히 자기 경로를 짧게 만드는 데 있지 않다. 국부적인 자화 자계의 집중을 줄이고 우선 배향된 집합조직의 교란을 감소시키는 것도 목적이다.

ASTM A876은 약 3.2%의 규소를 함유하는 저탄소 규소-철 방향성 강을 다루며, 일반 방향성 강, 고투자율 강 및 레이저 스크라이빙 강을 포함한다. 보고되는 특성에는 시험 자속 밀도의 지정이 반드시 함께 표시되어야 한다. ASTM International이 2024년에 제시한 ASTM 분류 관행에 따르면, 일반 방향성 강종은 1.5 T에서 시험하도록 지정되고, 다른 방향성 강종은 1.7 T에서 시험하도록 지정된다. 따라서 1.5 T에서의 철손 수치를 1.7 T에서의 수치와 아무런 주의 없이 비교할 수 없다.

ASTM A804/A804M은 주로 열평탄화된 방향성 강에 대한 일방향 교류 자기 측정에 적용된다. 그 결과는 25 cm Epstein 방법과 비교할 수 있지만, 시험 배치는 접합부, 모서리, 클램핑 하드웨어 및 권선에 의해 유도되는 자계를 포함하는 완성 변압기와는 여전히 다르다. 압연 방향과 시험편의 배향은 측정 정의의 일부이다.

결정 배향은 자기적 부담의 한 요소를 줄이지만, 코어 손실의 세 가지 물리적 원인을 없애지는 않는다. 2017년 Karlsruhe Institute of Technology 연구는 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실을 구분한다. 자구벽 운동은 히스테리시스 손실에 기여한다. 교번 자속은 와전류를 유도하며, 그 크기는 적층판 두께, 전기 비저항 및 강판 사이의 절연에 영향을 받는다. 초과 손실은 자구 과정 및 국부적인 자기적 불균일성과 관련된 추가적인 동적 효과를 나타낸다. 규소, 알루미늄, 박판, 표면 절연 및 집합조직은 이러한 손실 항목에 서로 다른 방식으로 영향을 줄 수 있다.

따라서 변압기 설계자는 강의 우선 방향을 자속 경로에 맞춘 다음, 제조 과정에서 그 이점을 유지해야 한다. 표준화된 철손이 낮은 강판이라도 절단면, 접합부 또는 응력이 발생한 영역이 조립된 코어의 특성을 지배하면 성능이 저하될 수 있다.

회전기와 변화하는 면내 자속

회전기의 자기 경로는 변압기보다 통제가 어렵다. 고정자 치, 백아이언 및 회전자 부품에서는 회전자가 움직이고 권선 자계가 회전함에 따라 국부적인 자속 방향이 변한다. 이 자속의 상당 부분은 적층판의 면내에 머물지만, 압연 방향과 이루는 각도는 지속적으로 변한다. 방향성 강판은 선택된 방향에서만 가장 강한 응답을 나타내므로, 반복적으로 면내 방향이 변하는 코어에는 적합하지 않다.

따라서 이러한 경로에는 일반적으로 완전가공 비방향성 전기강이 사용된다. 비방향성 전기강의 결정학적 집합조직은 하나의 지배적인 용이 자화 방향을 만들기보다 방향에 따른 차이를 제한하도록 제어된다. 그렇다고 해서 관련 선택 기준이 단순히 “고규소 대 저규소”인 것은 아니다. 지정 강종, 공칭 두께, 납품 상태, 비저항, 표면 절연, 자속 밀도, 주파수 및 가공 이력이 모두 고려 대상이다.

반가공 비방향성 강은 또 다른 설계 조건을 제시한다. IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 납품되는 스트립 및 강판에 대해 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm의 공칭 두께와 함께 자기 특성, 치수 공차 및 검사 절차를 규정한다. 최종 소둔이 사용자의 제조 공정에 포함될 수 있으므로, 펀칭 및 열처리 후의 자기 상태를 완전가공 재료의 지정만으로 추정할 수 없다. ASTM 소위원회 A06.02는 반가공 비방향성 강에 A683을, 완전가공 비방향성 강에 A677을 적용한다. 이 두 지정은 서로 대신 사용해서는 안 된다.

회전기 코어는 슬롯 효과, 치 끝단 포화, 고조파 및 기계적 비대칭으로 발생하는 국부적인 자속 성분에도 노출된다. 이러한 자계는 카탈로그 또는 표준 시험에서 사용하는 정현파 균일 여자와 다를 수 있다. 그 결과 공칭 운전 주파수가 변하지 않더라도 손실이 증가할 수 있다. 얇은 적층판은 각 절연 강판이 순환 전류의 경로를 제한하므로 고전적 와전류 손실을 줄이는 데 도움이 된다. 그러나 재료가 얇아진다고 해서 손상된 모서리, 응력 또는 왜곡된 자속으로 인해 발생하는 히스테리시스 손실이나 초과 손실까지 자동으로 해결되는 것은 아니다.

적층, 접합부 및 국부 응력

완성된 코어에는 자기 회로가 실제로 유효하게 사용하는 것보다 더 많은 강이 포함된다. 적층 계수는 고체 강의 체적을 전체 적층 체적으로 나눈 비율이며, 나머지 부분은 코팅, 표면 거칠기, 물결 모양 변형 및 작은 틈으로 구성된다. 적층 계수가 낮으면 코어 단면을 통과하는 동일한 평균 자속을 만들기 위해 강판 내부에서 더 높은 자속 밀도가 필요하다. 그 결과 개별 강판이 최초 Epstein 시험 결과를 여전히 만족하더라도 손실과 여자 전류가 증가할 수 있다.

적층판 사이의 전기적 절연은 층간 와전류를 제한하는 데 필수적이다. ASTM A976은 전기강 절연 코팅에 대한 ASTM 분류 체계를 제공한다. 코팅이 손상되거나 오염되거나 제대로 경화되지 않았거나, 의도된 조건을 초과하여 압축되면 여러 장의 강판 사이에 도전성 브리지가 형성될 수 있다. 이러한 브리지는 와전류 루프를 확대한다. 공칭 강종은 변하지 않았지만, 적층체 내부의 전기 회로는 변한 것이다.

절단과 펀칭은 강판 시험 결과와 코어 거동 사이에 또 다른 불일치를 일으킨다. 전단 절단은 모서리 부근의 재료를 소성 변형시키고 국부적인 자구를 변화시키며 히스테리시스 손실과 초과 손실을 증가시킬 수 있다. 펀칭은 구멍과 좁은 치 단면 주변에 더 심한 변형을 가할 수 있다. 손상 영역이 치의 상당한 부분을 차지하거나 모서리 부근에 자속이 집중될 때는 좁은 손상 영역도 불균형적으로 큰 영향을 미칠 수 있다. 디버링, 적절한 공구 사용, 납품 상태와 코팅이 허용하는 경우의 응력 제거 소둔, 그리고 절단 간극의 정밀한 관리는 이러한 불이익을 제한하는 방법이다. 그러나 이 중 어느 것도 표준화된 강종 시험 결과를 사후에 변경하지는 않는다.

버는 기계적 결함인 동시에 전기적 결함이다. 버는 인접한 적층판 사이의 유효 간극을 줄이고, 절연을 관통하거나 변위시키며, 적층체를 가로지르는 도전성 접촉을 형성할 수 있다. 또한 클램핑 중 응력을 집중시키는 국부적인 기하학적 돌출부를 만들 수 있다. 그 결과 자속 밀도가 변하고 추가적인 순환 전류 경로가 형성된 영역이 생긴다.

접합부는 별도로 주의해야 한다. 변압기 모서리에서는 자속이 한 레그 또는 요크 구간에서 다른 구간으로 전달되어야 한다. 잘 설계된 스텝 랩 접합부라도 자기저항을 추가하고 국부적인 누설 자계를 발생시킨다. 맞춤 불량, 과도한 간극, 적층판의 정렬 불량 또는 버가 있으면 소수의 강판에만 자계가 집중될 수 있다. 이 경우 완성 코어에서 측정한 손실은 강판 손실 수치에 질량을 곱하여 추정한 값보다 클 수 있다.

클램핑 압력은 형상을 유지하는 데 필요하지만, 과도하거나 불균일한 압력은 탄성 및 소성 응력을 유발한다. 응력은 자구벽 운동을 변화시키고, 특히 구멍, 모서리, 접합부 및 좁은 치 주변에서 투자율을 낮출 수 있다. 적층 중 강판이 변형되거나 프레임이 열팽창을 구속할 때도 동일한 효과가 나타난다. 코어 설계에서는 강종 지정과 함께 압력 분포, 평탄도, 접합부 맞춤, 코팅 상태 및 모서리 품질을 규정해야 한다.

실무적인 원칙은 간단하다. 자기 방향과 시험 조건을 기준으로 재료를 선택한 다음, 조립 후에도 그러한 특성이 유지되도록 제조 공정을 설계해야 한다. 표준화된 결과는 정의된 시험편에 귀속된다. 기계 코어는 응력을 받고, 절연되고, 접합된 자기 구조물이다.

전기강판 등급을 실용적으로 비교하기 위한 체계

동일한 범주의 재료끼리 비교하기

“전기강판”은 서로 대체 가능한 하나의 제품이 아니라 여러 재료 등급을 가리킨다. 완전 가공 무방향성 전기강판, 반가공 무방향성 전기강판, 완전 가공 방향성 전기강판은 모두 전기강판이라고 부를 수 있지만, 서로 다른 자기 회로에 사용되며 비교 기준도 달라야 한다.

완전 가공 무방향성 전기강판은 제조업체가 자기적 가공 공정을 완료한 후의 상태를 기준으로 특성이 규정된다. 면내의 방향이 달라도 특성이 비교적 유사하도록 설계되지만, 완전히 등방성인 것은 아니다. ASTM A677은 주로 50 Hz 및 60 Hz 자기 장치에 사용되는 이 등급을 다룬다. 이 표준의 등급은 Epstein 시험법을 사용하여 60 Hz 및 1.5 T에서 측정한 최대 철손에 따라 분류된다. 이러한 분류는 설계가 거의 동일한 주파수, 자속밀도, 시험편 방법 및 납품 상태에서 작동할 때에만 유용하다.

반가공 무방향성 전기강판은 별도의 비교 범주에 속한다. 구매자 또는 가공업체는 펀칭, 프레스 성형 또는 성형 후 최종 소둔을 실시할 수 있으며, 이를 통해 재료가 규정된 자기 상태를 발현하도록 한다. ASTM A683은 반가공 무방향성 전기강판을 다루며, IEC 60404-8-3:2023은 반가공 상태로 납품되는 냉간압연 무방향성 강대 및 강판을 다룬다. 이 IEC 표준에는 0.47, 0.50, 0.64, 0.65 및 0.79 mm의 공칭 두께가 포함된다. 동일한 공칭 두께를 가진 반가공 강판과 완전 가공 강판은 모두 철손 표기가 있다는 이유만으로 동등한 재료가 되지 않는다.

방향성 전기강판은 다시 별도의 범주에 속한다. 이 재료의 Goss 집합조직은 압연 방향을 따라 유리한 결정학적 방위를 집중시키므로, 자속이 해당 방향을 따라 흐르는 자기 회로에 특히 적합하다. ASTM A876은 약 3.2%의 규소를 함유한 저탄소 규소-철 방향성 강을 다루며, 일반 방향성, 고투자율 및 레이저 스크라이빙 등급을 포함한다. IEC 60404-8-7:2017은 공칭 두께 0.23, 0.27, 0.30 및 0.35 mm의 완전 가공 방향성 강판을 다룬다. 이러한 얇은 제품은 더 두꺼운 무방향성 강판보다 와전류 손실이 낮을 수 있지만, 그렇다고 해서 상당한 횡자속 또는 회전자속이 존재하는 회전기에서 직접 대체재가 되는 것은 아니다.

따라서 첫 번째 비교 질문은 “어느 등급의 수치가 더 낮은가?”가 아니다. “이 재료들은 동일한 등급 범주, 납품 상태 및 자기 응용 분야에 속하는가?”가 되어야 한다.

표준에 기반한 특성 점검표

유용한 비교에서는 특성을 측정 조건과 함께 기록해야 한다. 먼저 표준과 등급 표기를 기재한 다음, 재료가 완전 가공 상태인지 반가공 상태인지 명시한다. 가공 상태는 투자율, 히스테리시스, 펀칭 응답, 잔류응력 및 필요한 최종 소둔 후에 얻어지는 결과에 영향을 준다.

공칭 두께와 측정 두께는 별도로 기록한다. 두께는 고전적 와전류 손실에 영향을 준다. 교류 자속은 강판 내부에 순환 전류를 유도하며, 적층 두께를 줄이면 전류의 경로가 짧아지고 관련 전류 루프를 가로지르는 전기저항이 증가하기 때문이다. 그러나 두께만으로 총 철손이 규정되는 것은 아니다. 2017년에 발표된 KIT 연구는 변압기 철심 손실을 히스테리시스 손실, 고전적 와전류 손실 및 초과 손실 성분으로 구분한다. 자구벽의 이동은 히스테리시스 손실을 발생시키고, 변화하는 자속은 와전류를 유도하며, 초과 손실은 추가적인 동적 자구 과정에서 비롯된다. 다른 두 성분을 무시한 두께 비교는 지배적인 손실 메커니즘을 잘못 판단하게 할 수 있다.

모든 손실값 옆에는 시험 주파수와 자속밀도를 함께 표시해야 한다. ASTM A677은 분류 기준으로 60 Hz 및 1.5 T를 사용한다. 방향성 등급은 특히 주의해야 한다. ASTM 관행에서는 일반 방향성 등급을 1.5 T에서 시험하도록 지정하는 반면, 다른 등급은 1.7 T에서 시험하도록 지정한다. 1.5 T에서 측정한 값은 자화 곡선상의 다른 지점에서 1.7 T로 측정한 값과 차이를 고려하지 않고 직접 순위를 비교할 수 없다. 주파수 역시 히스테리시스, 와전류 및 초과 손실 사이의 비중을 변화시킨다.

시험편 방법도 명시해야 한다. Epstein 시험은 규정된 강대 조립체를 통해 자기적 거동을 평균하는 방법인 반면, ASTM A804/A804M은 주로 변압기 철심 적층재로 사용되는 열평탄화 방향성 전기강에 대한 단방향 교류 측정을 목적으로 한다. ASTM A804/A804M의 결과는 25 cm Epstein 방법의 결과와 비교할 수 있지만, 두 방법을 서로 대체 가능한 표기로 취급해서는 안 된다. 측정 방향도 동일하게 중요하다. 무방향성 강판의 경우 방향 또는 평균화 절차를 보고해야 한다. 방향성 강판의 경우 압연 방향, 횡방향 또는 자속과 압연 방향 사이의 각도를 명시해야 한다. 압연 방향과 평행하게 측정한 방향성 강판의 결과는 횡자속이 지배적인 회로에 대해서는 의미가 제한적이다.

점검표에는 손실뿐만 아니라 투자율도 포함해야 한다. 제시된 철손값이 유사하더라도 높은 투자율은 여자전류와 국부적인 자속 응력을 줄일 수 있다. 결정립 배향은 한 방향의 투자율을 높일 수 있지만, 동시에 이방성을 증가시켜 모서리 접합부, 비스듬한 자속 및 횡방향 성분을 관리하기 어렵게 만들 수 있다. 레이저 스크라이빙은 특정 시험 조건에서 자구 구조를 변경하고 손실을 줄일 수 있지만, 방향에 따른 거동을 없애지는 않는다.

마지막으로 절연 코팅의 분류와 가공 후 표면 상태를 기록해야 한다. ASTM A976은 전기강판 절연 코팅의 분류 체계를 제공한다. 코팅 두께, 층간 저항, 펀칭성, 용접성 및 절단 후 응력 제거 특성은 모두 조립된 철심에 영향을 준다. 층간 저항을 높이는 코팅은 적층판 사이의 순환 전류를 줄일 수 있지만, 코팅이 지나치게 두껍거나 계면이 손상되면 점적률과 접합부 거동이 달라질 수 있다.

공칭 손실이 낮다고 해서 설계 해답이 되는 것은 아닌 경우

더 낮은 카탈로그 손실값이라도 다른 자속밀도, 주파수, 방향 또는 시험편 방법에서 얻은 값이라면 잘못된 선택이 될 수 있다. 이러한 오류는 방향성 재료와 무방향성 재료를 비교할 때 특히 심각하다. 방향성 강판은 압연 방향을 따라 매우 낮은 손실과 높은 투자율을 제공할 수 있지만, 전동기 고정자는 회전자속을 경험하고 변압기 접합부에는 국부적인 자속 편차가 발생한다. 무방향성 강판은 방향별 최고 성능을 일부 희생하는 대신 면내 거동을 보다 균일하게 하므로, 자기 회로와 제조 공정을 단순화하는 경우가 많다.

제조 가능성도 결과를 변화시킨다. 펀칭은 가장자리 손상과 잔류응력을 유발할 수 있으며, 이로 인해 히스테리시스 손실이 증가하고 투자율이 낮아질 수 있다. 반가공 재료는 제어된 최종 소둔 과정에서 자기 특성을 회복할 수 있지만, 이 공정에는 분위기, 온도, 청정도, 지그 및 치수상의 제약이 따른다. 완전 가공 재료는 이러한 특정 공정을 필요로 하지 않지만, 절단 응력, 클램핑, 굽힘 및 접합 압력에는 여전히 민감하다.

규소와 알루미늄의 함량은 전기저항률을 높이고 와전류 손실을 줄이는 데 기여할 수 있지만, 조성만으로 등급의 우열을 보편적으로 판단할 수는 없다. 집합조직, 결정립 크기, 석출물 제어, 소둔 이력, 코팅 및 응력 상태가 단순한 규소 함량 비교보다 더 큰 영향을 미칠 수 있다. 얇은 적층판, 절연 코팅, 증가된 규소 및 알루미늄 함량, 결정립 배향은 손실을 제어하는 수단이지, 전체적인 자기적 적합성을 나타내는 상호 대체 가능한 지표가 아니다.

재사용 가능한 비교 체계는 다음과 같다.

재료 등급 범주; 납품 및 가공 상태; 공칭 두께; 집합조직과 이방성; 제시된 투자율과 손실; 시험 자속밀도; 주파수; 시험편 방법; 자기 방향; 코팅 분류와 층간 저항; 제조 및 응력 상태; 의도된 자기 회로.

이러한 항목이 일치하거나 그 차이가 모델링된 후에야 한 등급을 다른 등급과 비교하여 평가해야 한다. 올바른 비교는 명칭이 아니라 조건을 일치시키는 비교이다.

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