히스테리시스손 (Hysteresis Loss)
쉽게 풀면
자성체에 자기장을 걸었다 없애면 자화가 원래 경로를 그대로 되짚어 돌아오지 않고 조금 뒤처진 경로를 그립니다. 이 왕복 경로가 그리는 고리의 넓이가 한 주기에 버려지는 에너지에 해당하며, 자기장을 초당 여러 번 뒤집을수록 그만큼 손실이 쌓입니다. 내부의 자구들이 벽을 넘어 방향을 바꿀 때 마찰처럼 에너지를 잃기 때문에 생기는 현상입니다.
왜 중요한가
변압기와 전동기 철심에서 무부하 상태에서도 계속 발생하는 손실이라 장시간 운전하는 설비의 연간 에너지 비용에 직접 영향을 줍니다. 재료를 고를 때 보자력이 작은 연자성 재료를 찾는 이유가 바로 이 손실을 줄이기 위해서이며, 고주파 전력변환에서는 스위칭 주파수를 얼마나 높일 수 있는지의 한계를 정하는 요인이기도 합니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
이력곡선이 좁은 재료로 바꾸어 주기당 손실 에너지를 줄인 사례입니다.
조금 더 깊게 보면
단위 부피당 손실은 이력곡선이 둘러싼 면적과 주파수의 곱으로 주어지며, 경험식으로는 최대 자속밀도의 대략 1.6에서 2 사이 지수승에 주파수의 1승을 곱한 형태로 근사됩니다. 주파수에 1차로 비례한다는 점이 주파수의 제곱에 비례하는 와전류손과 구별되는 특징이어서, 주파수를 바꿔 가며 손실을 측정하면 두 성분을 분리할 수 있습니다. 실제 전력변환기에서는 정현파가 아닌 구형파 자화가 걸리고 직류 바이어스가 얹히므로, 이를 반영한 개선된 스타인메츠 계열 모형이 사용됩니다.
주의할 점
경험식의 지수와 계수는 재료와 자속밀도 범위, 온도에 따라 달라지므로 다른 조건의 값을 그대로 가져다 쓰면 큰 오차가 납니다. 철심손실 스타인메츠 방정식이 전체 철손을 하나의 경험식으로 묶는다면, 이 항목은 그 가운데 자화 이력에서 오는 성분을 가리킵니다.