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1. 유도가열의 원리
“시간적으로 변하는 자장은 폐회로에 전류를 흐르게 할 수 있는 전압을 유도라한다” 교류 전류가 흐르는 코일쪽에 위치한 금속 등의 도전체에는 와전류 손실과 히스테리시스 손실에 의하여 열이 빌생되며 이 열을 이용하여 피가열 물질을 가열하는 것을 유도가열이라 하고 손실이되는 종류는 다음과 같다.
① 히스테리시스 손실
② 와전류 손실
③ 지연손실(자기유도가 자계에 대하여 시간적으로 지연되는 현상으로 인한손실)
④ 절연물 중의 유전체 (1) 손실 등이 있으나 도체의 경우 ③,④는 ①,②에 비하여 매우 적어 무시된다. 자력선은 물체의 내부에 고루 흐르는 것이 아니라 주로 표면으로 집중되어 흐르는 바 이런 현상을 표피효과라 부르며 고주파 응용 부분에서는 매우 중요하게 다루는 내용이다.
2. 히스테리시스 손실
변압기(2) 1차측에서 전압을 인가하고 2차측은 개방 시킨후 변아압기의 철심을 만져보면 온도가 상승되는 것을 알 수 있게 된다.
{(1)유전체 : 전하사이에 절연물을 놓으면 정전기의 작용을 전달하는 매질이 되므로 이와같은 때의 절연물을 특히 유전체라한다. 절연물은 전계속에서 전하를 이용시키지는 않지만 전기력선에 의해서 전기력을 전덜한다.물질에 따라 전기적으로 각각다른 작용을 나타낸다.
(2)변압기 : 하나의 연철에 1차 코일과 2차 코일을 감고 1차 코일에 교류를 흘리면 상호유도에 의해 2차 코일에 전압이 발생된다. 이 장치를변압기 또는 트랜스라고 한다. 철심은 와전류를 방지하기위해 절연한 앏은 강철판을 겹쳐서 만든다. 종류는 단권변압기,3상변압기,단상변압기가 있다.}
이현상은 변압기 철심에 교류전압에 따른 자속이 교번하게 되어 그결과 철심중에 유도전류(3)가 흘러 철심이 가열되는 것으로 이것이 바로 히스테리시스 손실인 것이다.
강자성체의 철심에 코일을 감고 교류전류를 (O→A→C→E→F→G)흘리면 철심은 자화하게된다. 이때 자계(4) 강도를 점점 증가시켜 갈 때 자속밀도(5)의 변화를 나타내는 곡선과 자계의 세기를 나타내는 곡선은 일치하지 않고 [제2도]와 같이 별도의 경로를 통과하면서 환상곡선으로 된다. 이와 같은 현상을 히스테리시스 현상이라하며 그 곡선을 히스테리시스 루우프라 한다. (H)의 방향을 주기적으로 변환시키면 루우프의 면적에 상당하는 에너지가 자성체 내에서 열로 소비된다. 이 히스테리시스 손실이 크므로 변압기내에는 나쁜 결과가 되지만 고주파 유도가열에는 가열효과를 높이게 되며 이를 스타인메츠씨는 다음식으로 발표했다.
(표1) 대표적 히스테리시스 계수]
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재 료
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히스테리시스 계 수
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니 켈
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33 ~ 95 x 10²
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주 강
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28 ~ 40 x 10²
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박 강 판
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5 ~ 7.5 x 10²
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2.5% 규소 강판
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5.5 x 10²
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4.5% 규소 강판
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1.9 x 10²
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그러나 사용(6)주파수가 50KHz 이상으로 비교적 높아지면 주파수의 제곱에 비례하는 와전류 손실을 상대적으로 적어지게 되며 주파수가 상당히 높아지며 거의 무시하게된다.
{(3) 유도전류 : 전자 유도 작용에 의해 회로 속에 생기는 전류 또는 정전유도 작용에 의한 과도적인 전류를 말한다.
(4) 자계 : 자극이나 전류등에 의한 자력이 작용을 미치는 공간을 말한다. 자계속의 한점에 있어서의 자계의 세기는 그 점에 단위 정자극(+1WB)을 놓았을 때 이것에 작용하는 자력으로 나타내며, 그 힘의 발향으로 자계의 방향을 정한다. 따라서 자계의 세기는 기호에는 H, 단위에는 암페어 희수 매미터(AT/m)를 쓴다. 즉 1Wb의 정자극에 작용하는 힘이 1N(뉴우턴)일때 자계의 세기는 1AT/m가 된다.
(5)자속밀도 : 자기에 관한 현상을 양적으로 다루기 위해 쓰이는 것으로써 ,단위 면적당의 자속을 말한다. 자계의 세기와의 사이에는 다음의 관계가 있다. B = uH B:자속밀도(Wb/m²) , u:투자유(H.m) , H:자계의세기(AT/m)}
물론 구리(Cu)나 알루미늄(AL)과 같은 비자성체나 자성체의 경우도 온도를 높여 자기변태점 이상으로 가열하면 히스테리시스 손실은 없어지며 그때 부터는 완전류만에의해 가열되는 것이다.
표2[ 재료별 자기 변태점 ]
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재 료 명
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온 도
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재 료 명
|
온 도
|
|
철
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771℃
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니 켈 철
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70℃
|
|
코 발 트
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1152℃
|
파마로이
|
549℃
|
|
니 켈
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360℃
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카본-스틸
|
721℃
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3. 와전류 손실
교번하는 교류자계내에 도체를 넣으면 전자 유도작용으로 도체에는 전류가 발생하게 되는데 이는 소용돌이 형태의 전류가 되어 우리는 이를 와전류라 부른다. 이 전류로 인해 변압기의 2차 권선에는 기전력이 유기되며 이는 권선뿐만 아니라 철심에도 나타나 손실이 되므로 이를 줄이기 위해 얇은 규소 철판을 절연시켜 성층 하여 사용하는 것이다.
도체의 고주파 가열은 이미 앞에서 설명한바와 같이 주로 와전류가 담당하며 이는 저항이 있는 도체에 전류가 흐르며 열이 발생하며 그 열량은 흐르는 전류 제곱과 도체의 저항 및 전류가 흐르는 시간에 비례한다. 이는 주울법칙에 의한 가열로 고주파 코일 내에서 발생되는 와전류(we)는 다음 식과 같다.
이식에서 보듯이 와전류 손실은 주파수의 제곱에 비례하므로 히스테리시스 손실보다 더 크게 주파수에 영향을 받게 된다.
{(6)주파수 : 교류에서 1초간에 생기는 사이클수를 말하며 단위에는 헤르츠(Hz)가 쓰인다. 단, 최근까지는 사이클 매초(C/S)가 쓰였다. 주기를 T(s), 주파수를 f(Hz)라고 하면 다음의 관계가 있다. f = 1 / T}
[표3 주파수별 전력 손실 비교]
표3)은 주파수에 따른 이 두가지의 손실의 크기를 나타낸 것으로 주파수가 낮으며 히스테리시스손이 크고 주파수가 높아지면 이와는 반대로 와전류손이 증가하는 것을 보여주고 있다. 그러므로 금속 용융과 같이 낮은 주파수를 이용할 경우는 히스테리시스손이 주효하고 주파수가100KHz 이상으로 높아지면 주로 와전류손실로 가열이 되는 것이다.
4. 표피 효과
도체에 교전류가 흐르면 도체의 중심부에는 전류밀도가 낮아지게 되며 따라서 대부분의 전류는 도체의 표면에 집중해서 흐르게 되는데 이런 현상을 표피현상 또는 표피효과라고 한다. 이 현상은 도체의 중심부 일수록 쇄교자속수가 많아져 인덕턴스가 커지면서 그로 인해 교류전류가 흐르기 어렵기 때문이다. 이 표피현상은 주파수와 재료에 의해 결정되며 이들 관계식은 다음과 같다.
여기서 전류침투 깊이  는 표면으로 부터  까지는 90%의 전력이 집중되는 깊이를 말한다. 그러므로 도체표면으로부터 이 깊이까지에 모든 전류가 흐른다고 보아도 크게틀리지 않는다. 또한 재료온도가 변하면 저항율(11)이 변화하므로 당연히 동일 재료
{(7)비투자율 : 물질의 투자율 와 진공의 투자율 의 비  =  /  를 말한다.(8)강자성체 : 비투자율이 매우 큰 철,코발트,니켈 및 그들의 합금으로서 , 자화력과 자속밀도는 비례하지 않으며 또 히스테리시스 나타내는 성질이 있다. 그 결정은 원자의 자기 모우멘트의 방향이 일정한 자구의 모임으로 되어있다. 자석 또는 자심 재료로서 사용되는데 이와 비슷한 것에 페리 자성체가 있다.
(9)성자성체 : 자화방향은 강자성체와 같지만 자화의 세기가 매우 약한 것을 말한다. 비투자율은 1보다 야간 크다. 아루미늄,백금,주석,이리듐, 산소,공기 등이 이것에 속한다.
(10)반자성체 : 가한 자계와 반대 방향, 즉 자력선이 들어가는 쪽이 N극 ,나오는 쪽이 S극이 되도록 자화되는 물질을 말한다. 비투자율이 1보다 작으며 동,안티몬,비스무트,물 등이 이것에 속한다.
(11)저항율 : 길이 1m, 단면적 1㎡당의 저항치를 말하며 ,재질의 따른 저항의 차이를 비교하는데 사용된다. 균일한 단면적을 가진 도체의 저항은 다음식으로 나타낼수 있다. 단, R:저항[ ],  :저항율[ m], 1:길이[m], S:단면적[㎡] R =  l / S 연동(연동)의  는20℃에서1.72x10-8  이다.}
라도 온도에 따라 침투깊이는 차이가 나게되며 (표3)은 이러한 관계를 종합한 것이다. 고주파 가열을 기타 연료 가열과 비교하면 가장 큰 특징이 바로 이 표피 효과를 이용한 것으로 금속의 열처리나 접합등이 모두 여기에 해당된다. [제4도]는 균일한 크기의 금속봉에 유기되는 와전류 발생분포를 알기쉽게 그래프화 한 것으로 이를 예로 들어보면 표면에 흐르는 전류 (혹은 자속밀도)를 100라 할때 표면으로부터 재료의 1/8되는곳에 반이 되고 1/4되는 곳은 1/2정도로 중심에는 거의 전류가 흐르지 않고 있음을 보여주구 있다. 그러므로 고주파 전력을 담금질이나 기타의 열로 이용코져 할때 재료에 따른 주파수의 선정은 매우 중요한 것이 된다. 이 식은 재질이 같다면 주파수가 높을수록 침투깊이는 작아지고, 가열은 표면 가까이 에 집중되는 것을 알수 있다. 그렇지만 이 식은 이론적으로 전류의 분포 상태에서 산출된 것이고 피가열물의 재질의 열전도는 무시한 것이기 때문에 실제의 가열층은 이 식에서 계산된 값보다 다소 크게되는 경향이 있다.
[ 제4도 금속봉의 유도가열과 표피효과 ]
[표4 재료와 그온도에 따른 침투깊이] [ 단위 cm ]
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재 료
|
온 도
|
주 파 수(Hz)
|
|
50
|
500
|
1K
|
3K
|
10K
|
400K
|
|
철
|
상 온
|
0.32
|
0.11
|
0.08
|
0.04
|
0.02
|
-
|
|
1200℃
|
6.60
|
2.30
|
1.62
|
0.95
|
0.52
|
0.08
|
|
용융시
|
9.10
|
3.18
|
2.25
|
0.30
|
0.71
|
0.10
|
|
스텐레스
|
상 온
|
5.70
|
1.97
|
1.39
|
0.80
|
0.44
|
0.07
|
|
1200℃
|
7.50
|
2.60
|
1.84
|
1.06
|
0.58
|
0.09
|
|
동
|
상 온
|
0.95
|
0.33
|
0.23
|
0.12
|
0.07
|
0.01
|
|
850℃
|
1.93
|
0.66
|
0.47
|
0.27
|
0.15
|
0.02
|
|
알루미늄
|
상 온
|
1.07
|
0.37
|
0.26
|
0.14
|
0.08
|
0.01
|
|
500℃
|
1.93
|
0.60
|
0.47
|
0.27
|
0.15
|
0.02
|
|
흑연
|
상 온
|
20.0
|
7.20
|
5.06
|
2.93
|
1.60
|
0.25
|
[표4-1 여러 가지 금속의 온도대 저항관계]
|
금 속
|
비저항
(μΩ·cm)
|
저 항 비 [ R(t) / R(0) ]
|
|
-200℃
|
-100℃
|
0℃
|
100℃
|
200℃
|
300℃
|
400℃
|
500℃
|
600℃
|
700℃
|
800℃
|
900℃
|
|
알루미늄
|
28.1
|
-
|
-
|
1.000
|
1.239
|
1.428
|
1.537
|
1.637
|
1.637
|
1.814
|
1.899
|
1.982
|
2.066
|
|
구 리
|
1.56
|
0.117
|
0.557
|
1.000
|
1.431
|
1.862
|
2.299
|
2.747
|
3.210
|
3.695
|
4.208
|
4.752
|
5.334
|
|
철
|
8.57
|
-
|
-
|
1.000
|
1.650
|
2.464
|
3.485
|
4.716
|
6.162
|
7.839
|
9.790
|
12.009
|
12.7 |
|
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: MS Powerpoint 2007 
: MS Word 2007 
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