Flux적응기 17편 – Material 1-2 부 ; 정의와 생성 노하우(자계)

안녕하세요
이번 편은 자계 재료에 대해 소개합니다.
(Flux 적응기 1편에 과 같이 보시면 좋습니다.)

자계 해석에서 가장 중요한 항목은 투자율 입니다.
생소한 단어인데 의미적으로 “자기 전도도” 를 뜻합니다.
일반적으로 ‘투자율 얼마에요?’ 라고 물으면 ‘4000 정도 돼요’ 라고 답하는데 이 값은 공기대비 투자율로 정확한 명칭은 ‘비투자율’ 인데  ‘비’를 빼고 말합니다.
자계 해석에서는 (비)투자율을 필수적으로 입력하여야 해석이 가능합니다.
Flux에서는 재료 생성메뉴에서 B(H)탭이며 상황에 따라 다양하게 할 설정할 수 있도록 정말 많~~아~~은 메뉴를 제공합니다.
B(H)탭

가장 많이 사용되는 재료는 코어, 자석, 도체  3가지이며 전기기기의 핵심 부품입니다.
코어는 자속을 흘리기 위함이고,
자석은 추가 자속를 공급하고,
도체는 전류를 흘리는 역할을 합니다.
역할이 다르므로 설정메뉴도 다른데 하나씩 소개합니다.
자계 재료

1. 코어

코어는 자속을 흘리는 목적으로 투자율이 높으며 포화특성을 가지고 있습니다. BH curve 라고 부르며 제조사에서 해당 자료를 제공합니다.
Flux에서는 아래 세 개 메뉴로 BH curve를 표현합니다.
BH곡선_1
제조사에서 제공하는 데이터가 있다면 ‘Isopropic spline saturation’ 메뉴에서 BH값 표를 입력 또는 복사하여 붙여넣기 하여 생성합니다.
BH곡선_2
BH표 관련하여, 보통 제조사에서 제공하는 것은 표가 아닌 그래프로 사용자가 해당 그래프에서 값을 추출하여 BH표를 만들고 해석 프로그램에 입력하는 방식으로 작업을 많이 합니다. BH표를 어떻게 하느냐에 따라 해석 시 수렴이 안될 수도 있고, 해석시간이 많이 늘어 날 수 있습니다. 아래의 유의사항에 맞춰 작성해주시는게 좋습니다.

<BH curve 표 작성 유의사항>
1) 첫 열은 0, 0 이여야 합니다.
2) 선형구간에서는 (약 1.5T 까지)는 0.1T 간격으로
3) 포화구간에서는 (약 1.5~1.65T 구간)은 0.05T 간격으로
4) 완전포화 구간에서는 (약 1.65T 초과) 0.025T 간격으로
5) (선택) 마지막 부분은 비투자율이 1이 되도록 입력
6) 곡선의 기울기가 음이 되는 구간이 없을 것

1)을 만족하지 않는 경우, 물성 생성이 안되고
2)~4) 는 기울기(=투자율)가 작아질수록 간격을 줄여주는 것인데 재료 특성 측정도 비슷한 간격으로 합니다. 그리고 간격이 너무 좁아지면 해석 시간이 증가하여 적정 간격이 필요합니다.
5) 측정에서는 투자율이 1 될 때까지 하진 않습니다(여러가지 데이터를 볼 때 끝부분 투자율이 대략 4~7 정도 됩니다.) 큰 파워가 필요하며 제어가 쉽지 않고, 유효구간이 아니기 때문입니다. 따라서 1 이 되도록 값을 넣어줄 필요는 없으나 하지 않는 경우, 입력 전류가 클 때, B 최대값이 비현실적인 값이 나오므로 하는 것이 좋습니다.
6) 물리적으로 곡선의 기울기가 음이 될 수가 없고, 서서히 변합니다. 헌데 눈금 간격을 좁게 읽다보면 간혹 이런 경우가 발생합니다. 이렇게 입력이 들어가면 해석 시 수렴이 잘 되지 않으므로 1)과 더불어 꼭 지키는 것이 좋습니다.

Isotropic analytic satration (arctg. 2 coef)와 Isotropic analytic satration + knee adjustment (arctg. 3 coef) BH curve 데이터가 없는데 포화를 고려해야하거나 재료를 customizing 하기에 유용합니다. 일반적으로 포화 특성을 고려 여부에 따라 결과가 크게 차이나므로 고려하는 것이 경향성 및 크기를 가늠할 수 있습니다.
아래는 해당 메뉴와 설명으로 2개 또는3개 값만 넣으면 포화를 고려한 특성을 볼 수 있으며 수식으로 되어 있기 때문에 해석 속도 또한 조금 더 빠릅니다.
BH곡선_3

다음으로는 ‘Linear isotropic’ 으로 선형만 고려하며 투자율값을 입력합니다. 입력파워가 낮아 선형 구간만 이용하거나 투자율이 1에 가까운 재료 설정 시 사용합니다. 대표적으로 구리, 알루미늄은 아래 그림과 같이 설정합니다.

BH선형

2. 자석

자석은 자기장용 건전지 같은 느낌으로 자속을 계속 공급합니다. 건전지와 다른 점은 영구적으로 자속을 공급하는 것입니다. 때문에 효율을 높이거나 성능을 증가시키거나 소형화를 할 때 많이 쓰입니다. 이유는 메인 자속은 입력전류에 의해 만들어지는데  여기에 자석이 있으면 자석의 자속이 더해지기 때문입니다. 따라서 자석이 세면 셀 수록 전문적으로는 Br이 큰 자석일수록 좋습니다. (좀 더 깊게 들어가면 자기커플링 기기보단 전자력을 이용하는 모터나 엑츄레이터에 쓰이는데 자기 커플링의 경우 AC 진폭과 주파수가 중요한데 자석은 DC 성분의 전원이기 때문입니다.)
대부분 선형 자석으로 설정하며 메뉴는 ‘Linear magnet described by Br module’ 로 잔류자속밀도(Br)과 투자율을 입력하시면 됩니다.

자석 재료

자석은 크게 페라이트 자석과 희토류 자석 또는 ND자석으로 나뉘는데 페라이트 자석은 검정색이며 Br 값이 낮습니다. 주변에서 흔히 보는 자석이 대부분 페라이트라고 보시면 됩니다. ND 자석은 Br 값이 크며 이 뜻은 센자석이란 뜻이며 은색으로 예전에는 별로 보지 못했으나 요즘에는 쉽게 볼 수 있습니다. 당연히 더 비싸고 가격변동이 좀 있는 자석으로 지양하는 쪽으로 연구를 많이 하고 있습니다. 다시 본론으로 되돌아 와서 만약 재료 값을 잘 모르신다면 페라이트의 경우, Br 0.7 / 투자율 1.05 , ND자석의 경우 Br 1.2 / 투자율 1.05 로 생성하시면 됩니다.

3. 도체

전류를 흘리는 것이 목적으로 저항률이 낮은 재료를 사용합니다.
대부분 구리를 많이 사용하며 그 다음은 알루미늄 입니다.

투자율은 ‘Linear isotropic’ 메뉴로 값을 1 로 주며, 저항률은 J(E) 탭에서 ‘Isotropic resistivity’ 에서 값을 입력합니다.

도체 재료

구리나 알루미늄은 Flux 재료 DB에서 제공하므로 Import 해서 사용하시는 것을 추천 드립니다. 자세한 내용은 다음 편에서 다루겠습니다.

정리하면 자주 쓰이는 투자율 메뉴는 아래와 같습니다.
코어 물성_2

다른 메뉴는 이방성, 비선형 자석, Hysteresis 모델, 온도에 따른 특성 변화를 나타내는 메뉴들입니다. 필요하시고 궁금하시다면 문의주세요 답변 드리겠습니다.

다음편은 Material 마지막 편으로 재료 DB 생성, 관리, 적용에 대해 소개드리겠습니다.

 

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