전기기기 철심은 왜 얇은 강판을 적층해서 만들까? 와전류와 철손의 원리

변압기나 전동기의 철심을 자세히 살펴보면 하나의 두꺼운 철 덩어리로 만들어져 있지 않다. 얇은 강판을 여러 장 겹쳐 하나의 철심처럼 만든 구조를 사용한다.

겉으로 보기에는 두꺼운 철심 하나를 사용하는 편이 제작하기도 쉽고 구조적으로도 단순해 보인다. 그런데 굳이 얇은 강판을 수십 장, 수백 장씩 겹쳐 사용하는 이유는 무엇일까?

그 이유를 단순하게 말하면 철심 내부에서 발생하는 와전류를 줄이기 위해서다.

하지만 여기서 한 단계 더 들어가 볼 필요가 있다.

철심은 자속을 잘 통과시키기 위해 사용하는데, 왜 자속 때문에 철심 내부에 전류가 발생하는 것일까? 그리고 철심을 얇게 나누면 같은 자속이 통과하는데도 왜 전류와 손실이 감소하는 것일까?

이 원리를 이해하면 전기기기에서 철심을 적층하는 이유뿐만 아니라 철손, 발열, 전기강판, 주파수와 손실의 관계까지 함께 이해할 수 있다.

철심은 자속의 통로이면서 동시에 도체다

전기기기에서 철심을 사용하는 가장 중요한 이유는 자속이 형성되기 쉬운 자기회로를 만들기 위해서다.

철심에 사용되는 자성재료는 공기보다 높은 투자율을 가지고 있기 때문에 같은 기자력에서도 자속을 효과적으로 형성할 수 있다.

그런데 철심에는 한 가지 중요한 특징이 더 있다.

철은 자성체이면서 동시에 전기가 흐를 수 있는 도체라는 점이다.

이것이 와전류가 발생하는 출발점이다.

변압기나 교류전동기처럼 철심 내부의 자속이 시간에 따라 계속 변하는 전기기기를 생각해보자.

패러데이의 전자기 유도 법칙에 따르면 어떤 폐회로와 쇄교하는 자속이 시간에 따라 변화하면 그 회로에는 유도기전력이 발생한다.

이를 기본적인 형태로 표현하면

e = -N(dΦ/dt)

이다.

우리는 보통 이 식을 변압기의 권선이나 발전기의 코일에 적용해서 생각한다.

하지만 전자기 유도는 우리가 의도적으로 설치한 권선에서만 일어나는 현상이 아니다.

변화하는 자속이 도전성 철심을 통과하면 철심 내부에서도 유도기전력이 발생할 수 있다.

그리고 철심은 전기가 통하기 때문에 유도기전력에 의해 철심 내부에서 전류가 흐를 수 있다.

이것이 바로 와전류(Eddy Current)다.

와전류란 무엇인가?

와전류는 변화하는 자기장에 의해 도체 내부에서 소용돌이 형태의 폐경로를 따라 흐르는 유도전류를 말한다.

영어의 Eddy 역시 유체에서 발생하는 소용돌이라는 의미를 가지고 있다.

예를 들어 두꺼운 금속판을 관통하는 방향으로 교번자속이 존재한다고 생각해보자.

자속이 시간에 따라 증가하고 감소하면 금속판 내부에 유도기전력이 발생한다.

금속판은 하나의 연결된 도체이므로 내부에는 여러 폐회로 형태의 전류 경로가 만들어질 수 있다.

이때 흐르는 전류가 와전류다.

여기서 중요한 점은 와전류가 외부 전원에 직접 연결되어 흐르는 전류가 아니라는 것이다.

변화하는 자속 자체가 철심 내부에 유도기전력을 만들고, 그 결과 철심 내부에서 전류가 흐르는 것이다.

와전류는 왜 문제가 될까?

철심 내부에 전류가 흐른다는 사실만으로 반드시 문제가 되는 것은 아니다.

문제는 철심에도 전기저항이 존재한다는 점이다.

저항을 가진 도체에 전류가 흐르면 줄열이 발생한다.

전력손실은 기본적으로

P = I²R

의 관계를 가진다.

따라서 철심 내부에 와전류가 흐르면 철심 자체에서 열이 발생한다.

이 열은 전동기의 회전이나 변압기의 전압변환에 사용되는 유효한 출력이 아니다.

입력된 전기에너지의 일부가 원하지 않는 열에너지로 변환된 것이다.

따라서 와전류에 의한 손실을 와전류손(Eddy Current Loss)이라고 한다.

와전류손이 증가하면 기기의 효율이 떨어질 뿐만 아니라 철심의 온도도 상승한다.

전기기기의 발열은 절연재료의 수명과도 밀접한 관계가 있기 때문에 와전류를 줄이는 것은 단순히 효율 몇 퍼센트를 개선하는 문제가 아니다.

기기의 장기적인 신뢰성과 수명에도 영향을 미친다.

그렇다면 철심을 얇게 만들면 왜 와전류가 줄어들까?

여기가 철심 적층구조를 이해하는 핵심이다.

하나의 두꺼운 철심을 사용하면 철심 내부에 비교적 넓은 와전류 경로가 형성될 수 있다.

이 철심을 자속의 방향에 맞게 얇은 강판 여러 장으로 나누고, 강판 사이를 전기적으로 절연한다고 생각해보자.

자속은 여전히 각각의 강판을 통과할 수 있다.

하지만 와전류 입장에서는 상황이 달라진다.

강판 사이가 전기적으로 절연되어 있기 때문에 한 강판에서 발생한 와전류가 옆 강판까지 자유롭게 넘어가면서 큰 폐회로를 형성하기 어렵다.

결과적으로 와전류가 흐를 수 있는 경로가 작은 영역으로 제한된다.

즉 적층은 자속의 경로를 없애는 것이 아니라 와전류의 전기적인 경로를 잘게 끊는 것이라고 이해하는 것이 중요하다.

적층하면 전기저항도 증가한다

와전류 경로를 좁게 만드는 것은 전기저항의 관점에서도 설명할 수 있다.

도체의 저항은

R = ρl / A

로 나타낼 수 있다.

여기서

R은 저항,

ρ는 재료의 고유저항,

l은 전류가 흐르는 경로의 길이,

A는 전류가 흐르는 단면적이다.

철심을 얇은 강판으로 나누면 와전류가 흐를 수 있는 유효한 단면과 경로가 제한된다.

또한 강판 사이에 존재하는 절연층은 판과 판을 가로질러 흐르려는 전류를 크게 방해한다.

결국 큰 와전류 루프가 형성되기 어려워지고 와전류의 크기가 감소한다.

그래서 겉으로는 하나의 철심처럼 보이지만 전기적으로는 여러 개의 얇은 판이 분리된 구조가 된다.

적층 방향도 중요하다

철심은 무조건 얇게 자른다고 와전류가 줄어드는 것이 아니다.

강판을 어떤 방향으로 배치하는지도 중요하다.

기본적인 원칙은 주된 자속은 강판의 면을 따라 흐르게 하고, 와전류가 크게 순환할 수 있는 경로는 강판 사이의 절연으로 차단하는 것이다.

예를 들어 변압기 철심에서는 주자속이 철심을 따라 폐자기회로를 형성하도록 적층 방향을 결정한다.

적층 방향을 잘못 구성하면 자속이 강판 사이의 절연층을 반복적으로 통과해야 하는 상황이 생길 수 있다.

그렇게 되면 자기회로의 특성이 나빠질 수 있다.

따라서 철심 적층은 단순히 철판을 여러 장 쌓는 작업이 아니라 자속의 흐름과 와전류의 흐름을 동시에 고려한 구조다.

와전류손은 강판 두께와 어떤 관계가 있을까?

전기기기에서 사용하는 철심의 두께가 중요하다는 것은 와전류손의 근사적인 관계에서도 확인할 수 있다.

조건을 단순화하면 단위 체적당 와전류손은 대략 다음과 같은 경향을 가진다.

Pe ∝ Bm² f² t² / ρ

여기서

Pe는 와전류손,

Bm은 최대 자속밀도,

f는 주파수,

t는 강판의 두께,

ρ는 철심 재료의 고유저항이다.

실제 손실은 재료와 구조 등에 따라 더 복잡하지만 이 관계만으로도 몇 가지 중요한 사실을 알 수 있다.

첫 번째는 강판의 두께가 얇아질수록 와전류손이 감소한다는 것이다.

특히 두께의 제곱과 관련된 경향을 가지기 때문에 강판을 얇게 만드는 것이 와전류 억제에 효과적이다.

두 번째는 주파수가 높아질수록 와전류손이 크게 증가한다는 것이다.

세 번째는 자속밀도가 높아질수록 와전류손 역시 증가한다는 것이다.

따라서 철심의 재료와 두께는 모든 전기기기에서 똑같이 결정되는 것이 아니라 사용하는 주파수와 자속밀도 등을 고려해 선택해야 한다.

주파수가 높으면 왜 더 얇은 철심이 필요할까?

와전류손의 관계에서 특히 눈여겨볼 부분은 주파수다.

Pe ∝ f²

이라는 경향을 보면 주파수가 증가할수록 와전류손이 빠르게 증가할 수 있다는 것을 알 수 있다.

50Hz나 60Hz의 상용주파수에서 사용하는 변압기와 훨씬 높은 주파수에서 동작하는 전력전자 장치의 변압기를 같은 철심으로 만들기 어려운 이유도 여기에 있다.

주파수가 높아지면 일반적인 전기강판을 단순히 더 얇게 만드는 것만으로 손실을 충분히 억제하기 어려운 영역이 나타난다.

그래서 고주파 영역에서는 페라이트와 같이 전기저항이 높은 자성재료가 사용되기도 한다.

페라이트는 금속계 철심에 비해 전기저항이 매우 높기 때문에 와전류가 크게 흐르기 어렵다.

따라서 SMPS와 같은 고주파 전력변환 장치의 변압기나 인덕터에서는 상용주파수 대형 변압기와 다른 종류의 철심을 볼 수 있다.

이것은 단순한 재료 차이가 아니라 동작 주파수에 따라 손실을 줄이기 위한 설계 방식이 달라지는 것이다.

전기강판을 사용하는 이유

변압기나 전동기의 철심에는 일반적인 구조용 철판이 아니라 자기적인 특성을 고려해 만들어진 전기강판(Electrical Steel)이 주로 사용된다.

전기강판은 자속을 효과적으로 통과시키면서 철손을 줄이는 것이 중요하다.

대표적으로 규소가 첨가된 전기강판이 널리 사용된다.

규소 첨가는 재료의 전기저항을 높여 와전류를 줄이는 데 도움이 되고 자기적 손실 특성을 개선하는 데도 영향을 준다.

하지만 규소를 무조건 많이 첨가한다고 좋은 것은 아니다.

재료의 가공성과 기계적 특성까지 함께 고려해야 하기 때문에 실제 전기강판은 전자기적 성능과 제조성을 함께 고려해 설계된다.

방향성 전기강판과 무방향성 전기강판

전기강판은 자기적 특성에 따라 크게 방향성 전기강판과 무방향성 전기강판으로 구분해서 볼 수 있다.

방향성 전기강판은 특정 방향에서 우수한 자기특성을 얻도록 결정립의 방향을 제어한 재료다.

변압기처럼 자속이 주로 정해진 철심 경로를 따라 흐르는 기기에서는 이러한 특성을 활용하기 좋다.

반면 전동기와 발전기에서는 철심 내부의 자기장 방향이 위치와 시간에 따라 달라질 수 있다.

따라서 여러 방향에서 비교적 균일한 자기특성을 가지는 무방향성 전기강판이 회전기 철심에 널리 사용된다.

즉 변압기와 전동기의 철심이 모두 얇은 강판으로 만들어졌다고 해서 완전히 같은 재료와 구조를 사용하는 것은 아니다.

기기 내부에서 자속이 어떻게 움직이는지를 고려하여 적절한 재료가 선택된다.

와전류와 렌츠의 법칙

와전류를 조금 더 깊게 이해하려면 렌츠의 법칙도 함께 생각할 필요가 있다.

패러데이 법칙의

e = -N(dΦ/dt)

에서 음의 부호는 단순한 수학적 표시가 아니다.

유도전류는 자신을 발생시킨 자속의 변화를 방해하는 방향으로 자기장을 형성한다.

예를 들어 철심을 통과하는 자속이 증가하고 있다면, 그 변화에 의해 발생한 와전류는 자속의 증가를 방해하는 방향의 자기장을 만들려고 한다.

자속이 감소할 때는 그 감소를 방해하는 방향으로 작용한다.

따라서 와전류는 에너지 보존의 관점에서도 이해할 수 있다.

아무런 에너지 소비 없이 자속 변화에 따라 전류가 만들어지는 것이 아니라, 원래의 자속 변화를 만들어내는 시스템에서 에너지를 가져가고 그 에너지의 일부가 철심에서 열로 소모된다.

와전류는 항상 나쁜 현상일까?

전기기기의 철심에서는 와전류가 손실과 발열을 발생시키기 때문에 가능한 줄여야 한다.

하지만 와전류 자체가 항상 불필요한 현상인 것은 아니다.

오히려 의도적으로 와전류를 발생시켜 사용하는 장치도 있다.

대표적인 예가 유도가열이다.

교번자기장을 이용해 금속 내부에 와전류를 발생시키고, 그 전류에 의한 열을 이용해 금속을 가열한다.

또한 일부 전자기 제동장치에서는 움직이는 도체에 와전류를 발생시키고 렌츠의 법칙에 의해 운동을 방해하는 힘을 만들어 제동에 활용한다.

즉 같은 물리현상이라도 어디에서 발생하느냐에 따라 의미가 달라진다.

변압기 철심에서는 줄여야 하는 손실이지만 유도가열 장치에서는 우리가 원하는 열을 만들어내는 핵심 원리가 된다.

와전류손과 히스테리시스손은 다르다

전기기기를 공부할 때 자주 혼동하는 것이 와전류손과 히스테리시스손이다.

두 손실 모두 철심에서 발생하기 때문에 합쳐서 철손(Core Loss 또는 Iron Loss)이라고 부르지만 발생 원리는 다르다.

와전류손은 변화하는 자속에 의해 철심 내부에 유도전류가 발생하고, 이 전류가 철심의 저항을 통과하면서 생기는 손실이다.

반면 히스테리시스손은 자성체가 반복적으로 자화되고 반대 방향으로 자화되는 과정에서 발생하는 에너지 손실이다.

따라서 철심을 적층하는 것은 주로 와전류손을 줄이기 위한 방법이다.

강판을 얇게 만든다고 히스테리시스 현상 자체가 없어지는 것은 아니다.

히스테리시스손을 줄이기 위해서는 적절한 자기특성을 가진 철심 재료를 선택하는 것이 중요하다.

이 차이를 명확하게 구분해 두면 이후 철손을 이해하기 훨씬 쉬워진다.

변압기 철심의 적층구조

변압기에서는 1차 권선에 교류전압을 인가하면 철심 내부에 교번자속이 형성된다.

따라서 철심을 하나의 두꺼운 금속 덩어리로 만들면 큰 와전류가 발생할 수 있다.

이를 줄이기 위해 얇은 전기강판을 절연한 뒤 여러 장 겹쳐 철심을 만든다.

또한 철심의 접합부 역시 단순하게 아무렇게나 연결하는 것이 아니다.

자속이 접합부를 지나갈 때 불필요한 자기저항과 손실이 증가하지 않도록 철심의 절단과 적층방법을 고려한다.

대형 전력용 변압기에서는 이러한 작은 차이도 전체 손실과 소음, 여자특성 등에 영향을 줄 수 있기 때문에 철심 구조가 상당히 중요하다.

전동기의 고정자와 회전자도 적층하는 이유

적층 철심은 변압기에만 사용되는 것이 아니다.

교류전동기의 고정자와 회전자 철심도 얇은 전기강판을 적층해서 만드는 경우가 일반적이다.

유도전동기의 고정자에는 3상 교류전류에 의해 회전자계가 형성된다.

따라서 고정자 철심 각 부분이 경험하는 자속은 시간에 따라 변화한다.

회전자 철심 역시 회전자계와 회전자의 상대속도 때문에 시간적으로 변화하는 자기현상의 영향을 받는다.

결국 회전기에서도 철심 내부의 와전류를 줄이는 것이 중요하다.

그래서 전동기를 분해했을 때 고정자 철심을 자세히 보면 하나의 통철 구조가 아니라 얇은 판들이 축 방향으로 겹쳐 있는 것을 확인할 수 있다.

적층 철심이라고 해서 손실이 완전히 없어지는 것은 아니다

철심을 적층한다고 와전류가 완전히 사라지는 것은 아니다.

각각의 강판 내부에서도 작은 와전류는 여전히 발생할 수 있다.

적층의 목적은 와전류를 0으로 만드는 것이 아니라 와전류가 크게 순환할 수 있는 경로를 제한해 손실을 실용적인 수준으로 낮추는 것이다.

또한 철심에서는 와전류손 외에도 히스테리시스손이 발생한다.

그래서 실제 전기기기에서는

• 강판의 두께
• 전기강판의 재질
• 재료의 고유저항
• 최대 자속밀도
• 동작 주파수
• 적층 상태
• 철심의 가공 상태

등을 종합적으로 고려해야 한다.

전기기기의 효율은 권선만 잘 설계한다고 높아지는 것이 아니다. 철심에서 발생하는 손실까지 함께 관리해야 한다.

철심의 적층구조를 에너지 관점에서 이해하기

철심 적층을 단순히 ‘와전류를 줄이기 위해서’라고 외우는 것보다 에너지의 흐름을 따라가 보면 원리를 더 쉽게 이해할 수 있다.

교류전류가 흐른다.

→ 시간에 따라 변화하는 자속이 만들어진다.

→ 변화하는 자속이 도전성 철심을 통과한다.

→ 철심 내부에 유도기전력이 발생한다.

→ 철심 내부에 와전류가 흐른다.

→ 철심의 전기저항에서 I²R 손실이 발생한다.

→ 전기에너지의 일부가 열로 변한다.

→ 철심의 온도가 상승하고 기기의 효율이 떨어진다.

그래서 철심을 얇은 강판으로 나누고 강판 사이를 전기적으로 절연한다.

→ 큰 와전류 경로가 차단된다.

→ 와전류가 작아진다.

→ 와전류손과 발열이 감소한다.

이 흐름을 이해하고 있으면 ‘철심은 왜 적층하는가?’라는 질문에 단순 암기가 아니라 전자기 유도와 전력손실의 관점에서 설명할 수 있다.

마무리

변압기와 전동기의 철심을 얇은 강판으로 적층하는 가장 중요한 이유는 변화하는 자속에 의해 철심 내부에서 발생하는 와전류를 줄이기 위해서다.

철심은 자속을 효과적으로 형성하기 위해 필요한 자성체이지만 동시에 전기가 흐르는 도체이기도 하다. 따라서 교번자속이 철심을 통과하면 전자기 유도에 의해 철심 내부에 와전류가 발생한다.

이 전류는 철심의 저항에서 열을 발생시키고 전기기기의 손실을 증가시킨다.

이를 줄이기 위해 철심을 얇은 전기강판으로 나누고 각 강판 사이를 전기적으로 절연하여 큰 와전류 경로를 차단한다.

여기서 기억해야 할 것은 철심을 적층하는 것만으로 전기기기의 모든 철손이 사라지는 것은 아니라는 점이다.

철심에는 와전류손뿐만 아니라 자성체가 반복적으로 자화되면서 발생하는 히스테리시스손도 존재한다.

다음 글에서는 이 두 가지를 포함해 전기기기에서 발생하는 철손과 동손은 정확히 무엇이 다른지, 그리고 부하가 변할 때 각각의 손실이 어떻게 달라지는지를 자세히 살펴본다.