인덕션 경화: 알아야 할 4가지 주요 효과

1. 피부 효과

피부 효과는 표면 효과라고도 합니다.

도체를 통해 직류가 흐르면 도체 단면의 모든 지점에서의 전류 밀도는 동일합니다.

그러나 교류 전류가 도체에 흐를 때 도체 단면의 전류 밀도는 가운데가 작고 표면이 커집니다.

전류 주파수가 충분히 높으면 도체의 중심에는 전류가 없을 수 있으며 모든 전류가 도체의 표면층에 집중됩니다.

이 현상을 고주파 전류의 표면 효과라고 하며, 원통형 도체에 대한 고주파 전류의 피부 효과는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 고주파 전류의 피부 효과

피부 효과의 원인은 교류 전류가 도체를 통과할 때 도체를 둘러싼 자기장이 동시에 발생하기 때문입니다.

이 자기장은 원래의 기전력과 반대 방향인 도체에 자체 유도 기전력을 생성합니다.

자기 유도 기전력은 원통형 도체의 중앙에서 가장 강하고 표면에서 가장 약합니다.

자체 유도 기전력에 의해 원래의 기전력이 상쇄되면 고주파 전류에 대한 최대 표면 전류 밀도와 최소 중심 전류 밀도가 발생하여 스킨 효과가 생성됩니다.

스킨 효과로 인해 도체 단면의 전류 밀도는 표면에서 중앙으로 갈수록 기하급수적으로 감소합니다.

전류 밀도 I_x 는 방정식 1에 의해 주어집니다.

Where,

• I₀ - 표면 전류 밀도(최대)
• C - 빛의 속도
• μ - 도체 재료의 투과성
• ρ - 도체 재료의 저항률
• f - 현재 주파수

엔지니어링에서는 도체 표면에서 I_x 가 I0의 1/e(여기서 e=2.718이므로 1/e ≈ 36.79%)로 떨어지는 것을 δ로 표시되는 전류 투과 깊이라고 하며, 방정식 2를 사용하여 계산할 수 있습니다.

위의 방정식에서 볼 수 있듯이 전류 침투 깊이 δ는 ρ, μ, f와 관련이 있으며, ρ가 증가하고 μ, f가 감소하면 δ가 증가합니다. 이론적 계산에 따르면 전류 침투 깊이 δ 층 내에서 전류에 의해 생성되는 열은 전체 열 발생량의 86.5%를 차지합니다.

방정식 2는 또한 전류 주파수 f가 일정하게 유지되는 경우 ρ와 μ가 변하는 한 다양한 전류 침투 깊이를 얻을 수 있음을 보여줍니다. 재료는 온도에 따라 ρ와 μ가 다르기 때문에 온도에 따라 전류 침투 깊이가 달라집니다.

그림 2 강철의 자기 투과성, 전기 저항률, 가열 온도 사이의 관계.

그림 2는 강철의 자기 투과도 μ와 전기 저항률 ρ 및 가열 온도 사이의 관계를 보여줍니다.

가열 온도가 증가함에 따라 강철의 전기 저항이 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 800-900°C에서 다양한 강철의 저항은 강철의 종류 는 약 10-4 Ω-cm에서 기본적으로 동일합니다. 자기 투과성 μ는 기본적으로 자기 변환점 A2 또는 페라이트 아래에서 변하지 않습니다.오스테나이트 변환점을 초과하면 급격히 떨어지지만, A2를 초과하거나 오스테나이트로 변환하면 급격히 떨어집니다.

상온 또는 800~900°C에서의 ρ 및 μ 값을 방정식 2에 대입하면 다음과 같은 단순화된 식을 구할 수 있습니다:

20°C에서,

800 ℃에서,

일반적으로 20°C에서의 전류 침투 깊이를 '저온 상태 전류 침투 깊이'라고 하며, δ800으로 표시되는 800°C에서의 전류 침투 깊이를 '고온 상태 전류 침투 깊이'라고 합니다.

2. 근접 효과

도체 내부의 교류 분포는 근접 효과로 알려진 현상인 주변 도체의 교류에 의해 영향을 받습니다.

실제 애플리케이션에서 근접 효과는 주로 두 가지 상황에서 나타납니다.

(1) 평행한 두 도체가 서로 반대 방향으로 동일한 교류 전류를 흘리면 전류는 두 도체의 내부 표면층에 집중되고 두 도체 사이의 자기장은 강화되는 반면 도체 외부의 자기장은 약해집니다. 그림 3a는 반대 전류의 경우를 보여줍니다.

그림 3 직사각형 버스바에서 근접 효과가 나타나는 모습.

A - 반대 전류

b - 동일 방향 전류

(2) 평행한 두 도체가 같은 방향으로 동일한 교류 전류를 흘리면 전류는 두 도체의 외부 표면층에 집중되고 두 도체 사이의 자기장은 가장 약한 반면 도체 바깥쪽의 자기장은 상호 중첩으로 인해 강화됩니다. 그림 3b는 같은 방향 전류의 경우를 보여줍니다.

그림 4 유도 가열에서 근접 효과의 성능

• 평판 가열용 A형 모노폴 원형 튜브 도체
• 평판 가열용 B-단극 사각형 튜브 도체
• c - 실린더 인덕터의 간격이 같을 때 고체 원통형 부품을 가열합니다.
• D - 실린더 인덕터의 간격이 같지 않을 때 고체 원통형 부품을 가열합니다.

근접 효과는 유도 가열 중 근접 효과에 대한 그림 4와 같이 유도 코일과 가열되는 공작물 사이에서도 나타납니다.

그림 4a는 단극 원형 튜브 와이어로 가열된 평판의 아크형 와전류를 보여주며, 원형 튜브 와이어의 전류 분포에 해당합니다;

그림 4b는 단극 사각형 튜브 와이어로 가열된 평판의 직선 와전류 층을 보여줍니다;

그림 4c는 모든 위치에서 코일과 공작물 사이에 동일한 간격을 두고 원형 코일로 가열된 고체 원통형 공작물의 균일한 전류 및 와전류 층을 보여줍니다;

그림 4d는 원통형 공작물과 원형 코일 사이의 간격이 고르지 않아 전류 및 와전류 층이 고르지 않은 것을 보여주며, 간격이 작은 위치에서는 전류 및 와전류 층이 두꺼워지고 간격이 큰 위치에서는 층이 얇아집니다.

3. 링 효과

고주파 전류가 원형 고리 모양의 도체에 흐르면 최대 전류 밀도가 고리 모양의 도체 안쪽에 분포하는데, 이를 스킨 효과라고 합니다. 스킨 효과는 본질적으로 원형 링 인덕터의 근접 효과입니다.

그림 5는 원형 링에서 피부 효과의 개략도를 보여줍니다.

그림 5 링 효과의 개략도

피부 효과의 원리를 활용하면 그림 6과 같이 동일한 원형 인덕터를 사용하여 원통형 공작물의 외부 표면과 관통 구멍이 있는 원통형 공작물의 내부 표면을 가열할 때 가열 효율에 큰 차이가 나는 것을 설명할 수 있습니다.

그림 6은 원형 인덕터를 사용하여 원통형 공작물과 관통 구멍이 있는 원통형 공작물을 개별적으로 가열하는 경우를 보여줍니다. 두 공작물의 가열 효율은 스킨 효과로 인해 크게 다릅니다.

그림 6 링 인덕터를 사용한 가열 원통형 부품 및 원형 구멍 부품

B1 - 원통형 표면의 가열 폭

B2 - 내부 구멍 표면의 가열 폭

a - 간극; φ - 자속

원통형 공작물의 외부 표면을 가열할 때는 가열이 강하고 온도가 빠르게 상승하여 b1의 가열 영역이 더 넓어집니다. 반면 관통 구멍이 있는 원통형 공작물의 내부 표면을 가열할 때는 가열이 완만하고 온도가 천천히 상승하여 b2의 가열 영역이 더 좁아집니다. 그림에서 두 경우의 간격이 모두 a와 같지만 b1 ≥ b2임을 알 수 있습니다.

스킨 효과로 인해 고주파 전류가 인덕터 내부에 집중됩니다. 원통형 공작물의 내부 표면을 가열할 때 공작물과 인덕터 사이의 실제 간격은 a보다 훨씬 커서 원통형 공작물의 외부 표면에 비해 스루홀의 내부 표면에서 와전류 강도가 현저히 낮아집니다. 따라서 스루홀의 내부 표면이 더 부드럽게 가열됩니다.

4. 마그네틱 코어의 슬롯 효과

직사각형 구리 도체를 자기 코어의 슬롯에 넣으면 고주파 전류는 자기 코어의 개구부에서 도체의 표면층을 통해서만 흐릅니다. 이 현상을 그림 7에서 볼 수 있듯이 자기 코어의 슬롯 효과라고 합니다.

그림 7 자기 도체의 노치 효과

H - 자기장 강도; I - 고주파 전류

마그네틱 코어는 자기 투과성이 높고 자기 저항이 낮습니다. 전류를 전달하는 도체에 의해 생성된 자속은 슬롯 하단의 마그네틱 코어를 통해 집중됩니다.

슬롯 하단의 도체는 자속이 가장 많이 연결되지만, 자체 유도 기전력도 많이 발생합니다.

마찬가지로 슬롯 입구의 도체는 가장 작은 자기 유도 기전력을 생성합니다. 결과적으로 고주파 전류가 이 영역을 통해 강제로 흐르게 됩니다.

그림 8 인덕터의 유효 코일, 전도성 자석 및 전류 분포

1 전도성 자석

2유효 코일 인덕터

3-전류

자기 코어의 슬롯 효과를 활용하여 고주파 전류를 원형 인덕터의 외부 표면으로 구동하여 스루홀 내부 표면의 가열 효율을 향상시킬 수 있습니다. 인덕터, 자기 코어의 유효 회전수 및 전류 분포는 그림 8에 나와 있습니다.