B-H 곡선 및 히스테리시스 손실(Hysteresis Loss)의 물리적 의미

전기공학으로 밥을 먹고 살아도 한번도 왜 히스테리시스 손실때문에 열이 발생하는지(손실)에 대해서 궁금해 해본적이 없는데, 같이 자가격리중인 직장 동료가 어제 갑자기 잠자기 전에 물어봐서 정리를 해본 결과를 포스팅합니다. 전기기기를 보면 다 아시는 것 처럼 철심이 자속의 통로가 되어 에너지를 전달하는 역할을 하고 있습니다. 그런데 전기기기 책에 보면 히스테리시스 손실이 나오면서,  Hysteresis Loop 면적이 손실이라고 나옵니다.

먼저 잘 아시는 것 처럼 히스테리손실은 철심의 자화 특성에 의한 자계를 방향이 서로 다른 자계로 변환시킬 때 손실로 Steinmetz의 실험식에서 사용되는 철심의 재질에 따라 변화하며, 사용주파수에 비례하고 철심에 통과하는 자력선 밀도의 1.6승에 비례한다. 이 히스테리시스손을 줄이기 위해서는 철심의 잔류자기가 적은 소재를 사용하여 변압기를 제작해야 하는데, 이러한 소재로서 규소강판이 사용되고 있으며, 최근에는 규소강판보다 철손을 획기적으로(약 1/3 ~ 1/4 수준) 줄일 수 있는 신소재로서 비정질합금인 아몰퍼스(Amorphous alloy)가 일부 소형 변압기에 사용되고 있다.

■ 히스테리시스 손실의 물리적 의미

아래 그림을 보시면, 두개의 그림이 하나에 표시되어 있는데요, 왼쪽에는 자화곡선이 그려져 있고, 오른쪽에는 인가전원과 그에 따른 전류와 자속이 같이 표시되어 있는데요, 두개의 그림이 서로 상관관계에 있으니 잘 보셔야 합니다. 오른쪽 그림에서 인가되는 정현파 전압에 의한 전류에 의해 자계의 세기를 증가함에 따라(즉 정현파의 자화전류가 증가함에 따라) G지점 근처까지 자속밀도가 지속적으로 상승하다가, G지점에 도달하면 자화전류가 커져도 더 이상 자속밀도의 증가가 크지 않는 포화영역에 도달하게 됩니다.

이제 인가 전원의 자화전류가 오른쪽 그림처럼 감소함에 따라 G점에서 A점을 따라 감소하지 않고, D지점을 따라 감소하는데, 자화전류가 0(영)이어도 남아 있는 OD만큼의 자속을 잔류자속이라고 합니다. 다시 자화전류가 -(마이너스) 영역으로 넘어가면서 하면 B-H곡선의 잔류자속이 없어지게 됩니다. 이 잔류자속을 없애주기 위해 반대방향으로 가해주는 자계의 세기를 보자력이라 합니다. 

 

여기서 관심을 가져야 하는 것이 위 그림에서 갈색으로 표시된 부분인데, 이 영역이 바로 보자력에 해당하는 부분이고요, 만약에 잔류자속이 남지 않았다면, 이 영역에 해당하는 만큼 자화전류가 낭비되지 않고 자속을 만드는 곳에 사용되었겠죠. 그래서 손실이 발생하기 때문에 히스테리시스 손실이라고 합니다. 변압기에 교류가 인가되기때문에 매 Cycle마다 이런 현상이 반복되기 때문에 손실이 꽤 크게 되는 겁니다.

이것을 조금 다른 관점에서 보면 철심이 자화되면(위 그림처럼 자화전류가 공급되기 시작하면) 철심 내부의 분자가 아래 그림 왼쪽처럼 무작위 배열 상태에서(정렬되지 않은 작은 분자 자석) 오른쪽 일렬로 정렬되는 구조로 바뀌게 되고요, 위 그림에서 자화전류가 영인(0) Z지점일 때, 일렬로 정렬되어 있던 구조에서 대부분은 왼쪽 그림처럼 무질서 상태로 바뀌는데 일부가 정렬되어 있는 상태에 있게 됩니다. 따라서 이러한 정렬되어 있는 구조를 180도 회전시키려면 그 만큼 에너지가 필요한데 이것이 보자력이고, 자석이 회전함에 따라 열로 나타나는 겁니다. 이는 Weber의 이론에 근거한 설명입니다.

 

히스테리시스 손실을 줄이기 위해서는 Hysteresis Loop(면적)을 최소화 시켜야 하는데, 이 방법으로 잘 아시는 것 처럼 규소를 첨가하는데, 너무 많이 포함시키면 강도가 약해지기 때문에 보통 4%정도를 넣습니다.