2.1 분로리액터의 자속 분포의 개선

Maxwell 3D FEM 해석을 통하여 자속 제어판의 유무에 따른 요크에서 발생한 자속 분포 및 면 방향 자속을 비교 분석하였다. 분로리액터의 3차원 전자계 특성 해석을 위한 지배방정식은 maxwell의 전자 방정식을 기초로 하여 식(1)과 같이 나타낼 수 있다^(5-6).

식(1)에서 A는 마그네틱 포텐셜 벡터이고, $\mu_{r}$는 상대 투자율이다. 분로리액터의 등가 자기회로는 기자력 F, 자기저항 R, 자속량 Φ를 이용하여 그림 1처럼 나타낼 수 있다. 마그네틱 엘리먼트에 감긴 권선 N턴에 흐르는 전류 I에 의해 생성된 전자기력이 F로 표시된다. $R_{g}$는 공극에서의 자기저항이고, $R_{_{C}}$는 마크네틱 엘리먼트의 자기저항이다⁽⁷⁾.

표 1은 본 연구에서 실증시험용으로 설계, 제작된 분로리액터의 파라미터이다. ⁽⁸⁾

자속 제어판이 없을 때 요크로 입사되는 자속의 분포는 그림 2와 같이 자속이 국부적으로 집중되어 있고, 면 방향 자속은 최대 786 Gauss로 해석되었다. 반면, 자속 제어판을 적용한 그림 3의 경우 마그네틱 엘리먼터와 권선에서 발생하는 자속을 균일화시켜 자속의 분포가 개선되고, 면 방향 자속도 354 Gauss로 저감 됨을 확인하였다. 해석 결과 그림 2, 3에서는 요크의 자속 분포를 보여주기 위해서 자속 제어판은 표현하지 않았다. 또한 자속 개선 전 모델의 경우 요크에 마그네틱 엘리먼트를 압축하기 위한 센터 타이로드용 사각 홀이 각 상에 있어 사각 홀이 있는 부위에서는 면 방향 자속이 많이 발생했다. 개선 후의 모델은 아웃터 타이로드를 적용하여 요크에 사각 홀을 제거하고 바깥쪽에서 압축 가능한 구조로 변경함으로써 추가적인 면 방향 자속의 저감이 가능했다.

그림 4와 같이 실제 자속을 측정하기 위하여 요크 및 사이드 레그에 센서를 부착하였다.

요크 및 사이드 레그의 자속 측정은 동판을 이용해서 한 턴에 쇄교하는 자속을 계산하였고, 면방향 자속은 요크의 적층 면에 자속 측정용 센서를 철심 적층 전 삽입하여 자속을 측정하였다. 그 결과, 표 2와 같이 요크, 사이드 레그 및 요크의 면 방향 자속은 자속 제어판 적용 후 감소하였음을 확인하였다.

2.2 분로리액터의 압축구조

그림 5에서 분로리액터의 철심 구조와 압축을 위한 타이로드의 위치를 나타내었다. 분로리액터는 철심 주각이 철심 각을 구성하는 마그네틱 엘리먼트 간에 갭이 존재하는 것이 특징이다. 마그네틱 엘리먼트는 규소강판 적층을 방사형으로 적층하고 갭은 세라믹으로 접착된다. 방사 방향으로 적층된 마그네틱 엘리먼트는 표면에 수직으로 자기장 성분이 전기 강철 시트의 전면 가장자리에만 들어가고 평행한 스택 패키지와 비교하여 낮은 손실을 생성한다. 마그네틱 엘리먼트는 압축력에 견딜 수 있도록 에폭시로 진공함침 한다. 철심의 단철은 마그네틱 엘리먼트 및 권선을 견고하게 압축할 수 있도록 설계되고 마그네틱 엘리먼트를 압축하는 트래버스는 압축력에도 변형이 되지 않도록 설계되어야 한다. 압축을 위한 타이로드는 마그네틱 엘리먼트의 중심에 위치하여 압축되는 센터 타이로드 형태와 마그네틱 엘리먼트의 외측에 위치하는 아웃터 타이로드 형태로 구분된다^(1-4).

센터 타이로드의 경우 마그네틱 엘리먼트 중심부에만 힘이 집중되어 마그네틱 엘리먼트의 바깥쪽으로는 힘의 분포가 줄어드는 현상을 실제 상용 제품을 대상으로 그림 6과 같이 압축 필름을 이용하여 확인할 수 있었다.

2.3 마그네틱 엘리먼트 압축구조의 개선

본 연구에서는 마그네틱 엘리먼트에서 발생하는 소음을 줄이기 위해서 트래버스의 구조적 형상을 개선했다. 우선 마그네틱 엘리먼트의 자기력에 의해서 발생하는 소음을 센터부에서 압축하는 대신 바깥쪽에서 압축하는 구조로 단철의 형상을 변경시켰고, 상하부 트래버스의 변형을 방지하기 위하여 그림 7과 같이 보강 형상을 적용하였다.

분로리액터에 사용되는 센터 타이로드는 마그네틱 엘리먼트 중심에만 하중이 집중되어 마그네틱 엘리먼트와 요크 사이 갭을 발생시켜 소음을 유발한다. 아웃터 타이로드로 구조를 변경하고 보강 형상을 평판에서 찬넬 타입으로 변경하여 상부 요크 변형에 의한 불균일 압착 원인을 해소하였다. 압축 시 발생하는 변형의 간섭을 최소화하기 위하여 상하부 단철을 분리하고 상부 단철의 간섭 부를 제거하여 마그네틱 엘리먼트 압축력에 영향이 없도록 개선하였다. 개선된 마그네틱 엘리먼트 압축구조가 효과적으로 개선되는지 확인하기 위해 상용 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 검증하였다. 해석 모델링은 그림 8과 같이 상부 철심, 상부 트래버스, 타이로드 및 마그네틱 엘리먼트 세트로 구성하였다. 경계조건은 부품간 접촉 부위는 단순지지 형태로 하였고, 마그네틱 엘리먼트 하부는 고정 조건으로 하였다. 이를 통해 트래버스의 하중에 의한 마그네틱 엘리먼트 세라믹에 부여되는 압축 하중 분포에 대해 더욱 보수적으로 검토할 수 있었다.

마지막으로 하중 조건은 상부 트래버스에서 타이로드를 마그네틱 엘리먼트가 수축하는 방향으로 압축력을 부여하였고, 이를 결정하는 설계 인자는 마그네틱 엘리먼트의 자기력, 마그네틱 엘리먼트 단면적 및 권선의 압축 하중을 고려하였다. 타이로드에 발생하는 압축 하중($F_{tierod}$)의 크기는 식(2)와 같이 계산된 마그네틱 엘리먼트의 자기력($F_{bundle}$)과 마그네틱 엘리먼트의 단면적($A_{bundle}$)을 곱하여 마그네틱 엘리먼트의 압축력을 계산한 후, 권선의 압축 하중($F_{winding}$)을 더하여 구하였다.

개선된 마그네틱 엘리먼트 압축구조의 개선 효과를 검토하기 위해 기존의 마그네틱 엘리먼트 중앙을 관통하는 압축구조에서의 마그네틱 엘리먼트 세라믹에 발생하는 압력분포와 비교하였다. 그 결과 그림 9와 같이 기존 모델에서는 불균일 압착으로 인해 마그네틱 엘리먼트에게 갭이 발생하였으며, 마그네틱 엘리먼트 내측 세라믹에 높은 수준의 압축 하중이 분포된 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 개선된 압축구조가 기존의 구조 대비 압축 분포의 불균일이 해소됨을 확인하였다.

그림 10과 같이 실증시험용 제품에 마그네틱 엘리먼트의 압축 분포를 측정하기 위하여 그림 11처럼 센서를 부착했다.

그림 12와 같이 압전 소자로 저항이 측정되는 센서를 사용하여 측정된 저항이 힘으로 환산되도록 압축력을 계산하였다.

그 결과 그림 13과 같이 기존 센터 타입의 타이로드의 경우 압력분포의 편차가 90% 이상 발생하는 현상이 발견되었다. 개선된 아웃터 타입의 타이로드의 경우는 최대 70% 수준이고 평균 50% 이하의 편차를 보임으로써 압축력의 분포가 개선됨을 확인하였다.

2.4 개선된 모델의 고유진동수 평가 및 시험 검증

압축구조를 개선한 분로리액터 본체 모델에 대해 가압 운전 시 시스템의 고유진동수 및 고유모드에 의한 공진 가능성을 검토하기 위해 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 고유진동수 해석을 수행하였다. 해석 모델은 그림 14와 같이 해석 시간을 단축하기 위해 모델을 단순화하였으며, 실제 형상으로 표현한 부분과 조인트와 같이 수치화한 모델링으로 구분하였다. 형상으로 표현된 부품은 철심, 권선 셋트, 마그네틱 엘리먼트 셋트, 단철, 트래버스, 자속 제어판 및 타이로드로 구성하였으며, 수치화한 부품은 철심을 압착하기 위해 단철 사이에 압축 하중을 부여해주는 스터드, 권선과 단철 사이의 압축 블럭 및 리액터 본체가 안착되는 지지면 등이다. 부품별 물성치 정보는 철심을 제외한 부품은 기본 재질의 탄성계수, 밀도 및 프아송비를 사용하였다. 리액터 철심의 경우 단일소재의 구조가 아닌 와류 손실을 최소화하기 위해 적층 구조로 구성되어 있어서 면내 방향은 전기강판이 가지고 있는 기존의 물성치 정보를 사용하였다. 하지만 면외 방향(적층 방향)으로는 적층으로 인한 낮은 강성효과로 인해 기존 탄성계수의 1/10 수준으로 물성치를 반영하였다. 이는 당사에서 다수의 철심 구조에 대해 해석 및 실험 결과와 비교하여 얻은 일반화된 물성치 정보이다. 추가로 수치화된 모델에서의 연결 강성도 앞에서 언급한 것과 같이 당사에서 실험적으로 취득한 강성 정보를 입력하여 모델링을 구성하였다.

고유진동수 해석을 통하여 표 3과 같이 강체모드 및 유연체모드의 결과를 얻을 수 있었고, 주요 강체 및 유연체 모드의 주요 1차 모드는 그림 15와 같다. 리액터의 주요 가진 주파수인 기본파 성분의 120Hz를 포함하여 240부터 480Hz까지의 가진 주파수에 대해 $\pm$10% 범위를 공진 영역으로 정의하였으며, 이 안의 범위에 고유진동수가 있는지에 대해 검토하였다. 그 결과, 공진 영역에 고유진동수가 존재하지 않음을 확인하였다.

앞에서 검토한 고유진동수 해석 결과의 정확도를 평가하기 위해 리액터 본체를 제작한 후 실제 고유진동수 측정을 진행하였다. 본 연구에서 고유진동수 측정은 충격 가진 법으로 측정을 진행하였다. 측정 장비는 B&K사의 LANXI 장비로 PCB 충격 해머와 352C65 진동 가속도계를 이용하였다. 측정 포인트는 리액터 본체 구조물의 정면, 측면 및 상부 방향으로 측정하였다. 정면은 철심과 타이로드에서 총 60개소, 측면은 철심과 타이로드에서 44개소의 데이터를 취득하였으며, 상부면은 40개소의 측정을 통해 각각의 방향별 고유진동수 및 고유모드를 추출하였다. 고유진동수 측정 결과를 해석과 비교한 결과, 표 4 및 그림 16과 같이 오차 수준이 0~5% 사이의 수준을 보였다. 또한, 측정 결과에서도 리액터 본체의 주요 가진 주파수 성분에 고유진동수가 존재하지 않음을 확인하였다. 이를 통해 압축 구조가 개선된 모델에 대해서는 공진 가능성이 없음을 최종적으로 확인하였다.

2.5 소음 평가

압축구조의 개선에 대해 소음측정을 통한 개선 효과 비교를 위하여 리액터 본체를 기중 상태에서 정격전압을 인가하여 실험하였다. 측정 장비는 주변 소음에 대한 영향을 최소화하고, 리액터 고유의 소음을 평가하기 위해 B&K사의 LANXI Front-End 장비와 GRAS사의 Intensity Probe 을 통해 Intensity 법으로 평가를 시행하였다. 측정 포인트는 리액터 본체를 기준으로 1m 떨어진 거리에서 양 측면에 2포인트, 정면에 상별로 1포인트로 해서 총 5개 포인트의 소음을 측정하였다. 또한, 개선구조에 대해 개선 전후의 정량적인 소음 개선 효과를 평가하기 위해 IEC 60073-10 규격에 따라 절연유가 포함된 분로리액터 탱크의 외곽 모서리를 기준으로 이어진 직선거리의 2m 떨어진 거리에서 총 16개 포인트의 소음측정을 진행하였다. 압축 구조 개선을 통하여 마그네틱 엘리먼트 세라믹의 압축 분포 개선으로 소음 저감 효과에 대해 비교 검토한 결과, 그림 17과 같이 실제 마그네틱 엘리먼트의 자기력에 의해 결정되는 120Hz의 소음주파수 성분은 개선 전후로 소음 저감 효과가 크지 않았으나, 소음 고조파 성분인 360Hz에서 압축구조 개선 후 소음 저감 효과가 가장 높게 나타나는 경향을 보였다.

이는, 마그네틱 엘리먼트의 압축구조의 개선으로 인해 고조파 성분의 소음레벨이 감소하는 효과가 크게 발생한 것으로 추정된다. 압축구조 개선으로 인한 주파수별 소음 저감 효과에 대해서 직접적인 연관성을 규명하기 위해서는 철심의 자왜 가진력에 대해 기본파 및 고조파에 대한 자왜 곡선을 실험적인 방법으로 데이터를 확보하고 있어야 하는데, 현재까지 전기강판을 생산하는 업체에서도 이러한 데이터를 확보하지 못하였고, 낱장의 전기강판이 여러 장으로 겹쳐졌을 때 비선형적인 자왜 가진력의 발생으로 인해 직접적인 분석이 어려운 상황이다. 추후 이러한 부분에 대해서는 좀 더 연구를 통해 직접적인 연관성을 규명하는 활동이 필요한 것으로 판단된다. 자속 개선에 대해 소음 평가한 결과, 그림 18과 같이 자속 분포 개선 후 125Hz 및 250Hz의 소음 주파수 영역에서 감소 효과가 가장 높게 나타났다. 이는 마그네틱 엘리먼트에서 발생하는 자속에 의한 120Hz의 소음 성분이 개선되어 소음이 감소한 것으로 판단된다. 요크에 전달되는 자속의 크기가 개선되어 철심의 자왜 가진력에 의한 소음 성분인 240Hz에서 개선 효과가 크게 나타난 것으로 추정된다. 철심 자왜 가진력은 240Hz뿐만 아니라 360Hz, 480Hz 및 600Hz와 같은 소음주파수 성분도 있다. 이번 모델은 소음 크기가 가장 높은 240Hz의 소음이 철심 자왜 가진력의 주요 주파수로 결정이 되었고, 자속 개선으로 소음 개선이 크게 된 것으로 판단된다.

그림 19와 같이 소음 저감 효과가 있는 각각의 주파수별(120Hz, 240Hz) 소음 분포 개선 부분에 대해서도 검토를 했을 때, 120Hz는 자속 개선 전후 소음 분포에서 9~13포인트에서 소음이 상대적으로 작게 나타나는 경향을 보이고 있고, 240Hz에서는 대부분의 측정 포인트에서 소음이 작게 나타나는 경향을 보였다. 이는, 상·하부 요크 철심의 자왜 가진력의 저감으로 분로리액터의 전체 진동이 줄어드는 효과를 보였으며, 이로 인해 구조 음의 저감으로 소음 저감에 기여한 것으로 판단된다.