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앤시스 맥스웰을 활용한 변압기 설계 및 해석 방법
2021-04-30 730 0

앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공사례
 

이번 호에서는 앤시스 맥스웰(Ansys Maxwell) 제품 내에 포함되어 있는 앤시스 피익스퍼트(Ansys PExprt)를 소개하고, 피익스퍼트를 이용하여 전력전자 시스템에 사용되는 변압기를 설계 및 해석하는 방법을 소개한다.


■ 김상현 | 태성에스엔이 EBU-LF팀 매니저로 근무하고 있으며, 전자계 해석 기술 지원 및 교육, 프로젝트 진행업무를 담당하고 있다.
이메일 | shkim20@tsne.co.kr

 

변압기는 전자기 유도 현상을 이용하여 전압을 높이거나 낮추는 장치로 용도와 주파수, 전류, 부피 등에 따라 설계 방법과 종류가 다양하다. 하나의 전력전자 시스템에는 다수의 변압기가 사용되며, 이러한 변압기를 설계하려면 다양한 변수를 고려해야 해서 많은 시간과 노력이 필요하다. 수식적인 방법으로 설계되는 변압기는 자성 재료의 특성, 전압 파형, 주파수 등을 고려해야 하며, 여러 번의 시행착오를 거쳐 원하는 특성이 나올 때까지 제작하게 된다. 또한, 수식적인 방법으로는 표피효과(skin effect)와 코일 간의 커패시터(parasitic capacitor)를 고려하여 설계되지는 않는다.
그 외에도 변압기에 사용되는 코어(core)와 와이어(wire)의 종류는 다양하다. 철심의 경우 제조사마다 규격화된 형상과 크기를 사용하며, 사용되는 재질 또한 다양하다. 와이어의 경우 전류의 크기에 따라 도체의 면적이 다르며 코어 형상과 용도에 따라 종류도 다양하다. <그림 1>은 TDK에서 제공하는 페라이트(ferrite) 코어 변압기를 나타내었다. 이렇게 다양한 변수를 고려하여 설계하기 위해서는 최적화 프로그램이 필요하다.

 


그림 1. TDK의 페라이트 코어 변압기

 

이번 호에서는 이처럼 설계 및 제작에 어려움이 따르는 변압기를 설계하기 위해 앤시스 맥스웰 제품 내에 포함되어 있는 피익스퍼트를 이용하여 변압기를 설계하였다.

 

1. 피익스퍼트 소개
피익스퍼트는 맥스웰에 포함되어 있는 변압기&인덕터 설계 프로그램이다. 피익스퍼트는 변압기와 인덕터를 쉽고 빠르게 설계를 도와주며, 해석도 가능한 프로그램이다. 피익스퍼트는 각 제조사에 따른 라이브러리(library)를 제공한다. <그림 2>는 피익스퍼트에서 코어 정보를 제공하는 제조사들을 나타내었다.
제조사들은 Ferroxcube(필립스), TDK, Steward Matglas, Epcos(지멘스), Electric steel, AVX, Micrometals가 있다. 피익스퍼트 라이브러리에는 각 제조사의 제품군들이 등록되어 있어 변압기와 인덕터 설계에 사용할 수 있게 되어 있다.
코어 외에도 보빈(bobbin), 재질(material), 와이어의 정보도 라이브러리에 등록되어 있어 사양에 따라 모델을 정의할 수 있다.

김상현 shkim20@tsne.co.kr


출처 : 캐드앤그래픽스 2021년 5월호

포인트 : 1,000P (정기구독자 무료 다운로드)

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