버스바의 정의, 특징, 용도부터 종류, 가공 플로우까지 해설

버스바의 설계에서 재질 선택 및 가공 방법에 대해 고민하고 있지 않습니까? 「버스바의 설계의 주의점을 알고 싶다」 「EV나 재에너지 분야에서의 구체적인 사용법을 알고 싶다」라고 하는 의문은, 설계 현장에서 자주 나옵니다.

이번 내용에서는 버스바의 기초, 특징 및 용도, 재질, 제작 흐름, 설계상의 주의사항까지 일괄적으로 해설합니다.

버스바의 정의 

버스바란, 배전반이나 제어반, 전기 자동차(EV)등에서 대전류를 효율적으로 분배하기 위한, 막대형 또는 판형의 도체(전기를 통과시키는 부품)입니다. 하나의 큰 전원에서, 복수의 다른 기기로 전기를 나눌 때의 「전력의 분기점」과 같은 역할을 담당합니다.

예를 들어 공장 배전반에서는 전력회사에서 공급된 큰 전력을 각 공작 기계에 안전하고 확실하게 분배하기 위해 버스바가 사용됩니다. 대용량의 전력을 안정적이고 콤팩트하게 공급할 필요가 있는 현대의 전기 설비에 있어서, 버스바는 불가결합니다.

버스 바의 특징 

효율적인 전력 공급 

버스바의 가장 큰 특징은 구리와 알루미늄과 같은 높은 전도율의 재료를 사용함으로써 효율적인 전력 공급이 가능하다는 점입니다. 전기 저항이 작기 때문에 송전 시 에너지 손실을 최소화할 수 있습니다.

예를 들어 대규모 데이터센터에서는 수천 대의 서버에 안정적인 전력을 공급해야 하는데, 버스바 시스템을 이용하면 전력 손실을 줄이고 운영 비용 절감에 기여합니다.

또, 단면적의 큰 설계가 가능하기 때문에, 수백 암페어에서 수천 암페어라고 하는, 케이블로는 대응이 어려운 대전류를 안전하게 흘릴 수 있는 점도 이점입니다.

낮은 발열과 소음 

버스바는 전력 공급 시의 발열과 소음을 낮게 억제할 수 있다는 장점이 있습니다. 막대형이나 판상형의 형상을 가진 버스바는 표면적이 넓고 방열성이 뛰어나 대전류를 흘렸을 때 발생하는 열을 효율적으로 외부로 방출할 수 있습니다. 전기 저항에 의한 발열이 억제되므로 부품의 온도 상승을 막아 시스템의 안정 가동과 수명 연장을 가져옵니다.

또, 전선과 비교해 인덕턴스(전류의 변화를 방해하는 성질)가 낮기 때문에, 전환시에 발생하는 전자 노이즈도 저감된다고 하는 이점도 있습니다.

높은 조립 및 유지 보수성 

버스바는 소정 형상으로 가공한 부품을 소정 위치에 볼트 고정하는 것만으로 배전 경로를 구축할 수 있어 복잡한 케이블 배선에 비해 작업 시간을 대폭 단축할 수 있습니다.

또, 절연 커버나 단자 가공을 병용하면, 대상 장소만의 분리·점검·교환이 용이해져, 트러블시의 복구 시간(다운 타임)을 단축합니다.

버스 바의 주요 용도 

자동차·EV(전기 자동차) 

자동차, 특히 EV에 있어서 버스 바는, 고전압·대전류를 취급하는 기간 부품을 접속해, 차량 성능을 지지하는 중요한 역할을 담당합니다. 기존의 와이어 하네스를 대신해 공간 절약화와 전력 손실의 저감을 실현합니다. 사용되는 주요 부품은 다음과 같습니다.

재생에너지・태양광 

재생 가능 에너지 분야, 특히 태양광 발전 시스템에서는 발전한 전력을 집약해 전력망으로 보내기까지의 다양한 과정에서 버스바가 사용됩니다. 주로 아래 부품에서 사용됩니다.

산업 기계 

공장의 생산라인을 구성하는 산업기계에서는 제어반이나 배전반 내부에서 동력원이 되는 전력을 각 기능에 분배하는 요체로서 버스바가 불가결합니다. 주로 사용되는 부품은 다음과 같습니다.

재질별 버스바의 종류 

구리 버스바 

뛰어난 물성치를 가진 구리는 버스 바에 가장 널리 이용되는 재질입니다. 비중이 약 8.9로 무거운 반면 도전율은 43.5~71.4(106S/m)로 높아 전기 저항이 매우 작기 때문에 전력 손실을 최소화할 수 있습니다.

이 특성으로 인해 동일한 전류량을 흘릴 경우, 알루미늄에 비해 단면적을 작게 설계할 수 있으므로 공간 절약화가 가능합니다. 신뢰성이나 성능이 최우선되는 산업용 배전반이나 발열을 싫어하는 정밀 기기의 내부 배선에 불가결합니다.

알루미늄 버스바 

알루미늄은 경량성과 가성비를 양립하는 재질입니다. 비중이 약 2.7로 구리의 약 3분의 1로 매우 가볍기 때문에 바스바 자체를 경량화할 수 있습니다. 도전율은 32.3~33.3(106S/m)으로 구리에는 미치지 않지만 중량당 도전율에서는 구리를 상회합니다.

단, 같은 전류 용량을 확보하려면 구리보다 단면적을 크게 할 필요가 있기 때문에 설치 공간에 주의가 필요합니다. 이 경량성을 살려, EV나 항공 우주 분야 등, 제품 전체의 경량화가 성능 향상에 직결하는 용도로 채용이 확대되고 있습니다.

알루미늄 버스바의 표면에는 내식성이나 전도성을 향상 시키기 위해 알로진 처리(Alodine처리)가 실시되는 경우가 있습니다. 이는 알루미늄 표면에 크롬 피막을 형성하는 화성 처리로 부식 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있는 것이 특징입니다. 특히 실외 및 고습도 환경에서 사용되는 버스 바에서는 알로진 처리로 장기적인 신뢰성이 확보됩니다. 또, 도전성을 유지하면서 도장이나 접착의 기초 처리로서도 유효하고, EV나 항공기 부품 등 고성능이 요구되는 분야에서 널리 활용되고 있습니다.

금속 버스바 + 수지 

최신, 새로운 선택 사항으로서 금속제 도체를 수지로 일체 성형한 「수지 몰드 버스바」가 등장하고 있습니다. 이것은, 구리나 알루미늄의 도체를, 절연성이나 난연성이 뛰어난 고성능 수지로 완전히 덮어, 일체화한 버스바입니다.

금속이 가지는 높은 도전성은 그대로, 수지가 가지는 높은 절연성이나 경량성, 복잡한 형상에 대한 대응력을 양립할 수 있는 것이 특징입니다. 절연 튜브나 커버가 불필요해지기 때문에 부품 점수나 조립 공수를 삭감할 수 있는 것 외에 3차원적인 복잡한 배선 경로도 실현하기 쉬워 설계의 자유도를 대폭 향상시킵니다.

제작·가공 공 

버스바의 주요 제작·가공 플로우는 다음과 같습니다. 

1. 재료 선정: 용도에 맞추어 도전성이나 중량, 비용을 기본으로 구리나 알루미늄 등의 재질과 판 두께·폭을 선정합니다.
2. 절단 가공: 선정한 판재 및 봉재에서 설계도에 따라 필요한 형상 및 치수로 잘라내는 공정입니다. 셔링에 의한 전단이나 금형을 이용한 프레스 가공 등이 사용됩니다.
3. 홀 가공: 버스바끼리나 다른 기기와의 접속 및 고정을 위해 볼트용 홀을 고정밀도로 뚫는 공정입니다. 프레스에 의한 펀칭이나 드릴로 절삭 가공이 이루어집니다.
4. 절곡 가공: 기기 내부의 복잡한 배선 경로에 맞추어 판 모양의 부스바를 L자나 크랭크 형상으로 구부리는 공정입니다. 전용 프레스 브레이크 등으로 정밀한 각도로 성형합니다.
5. 표면 처리: 도전성의 향상과 부식 방지를 위해 버스바 표면을 주석이나 니켈 등의 금속막으로 덮는 공정입니다.
6. 절연 처리: 단락이나 감전을 방지하기 위해 열수축 튜브나 분체 도장, 수지 몰드로 도체부를 절연합니다.
7. 단자 접합 및 장착: 다른 전선 및 부품과 접속하기 위한 단자를 용접 및 압착등의 방법으로 버스 바 본체에 확실하게 장착하여 전기적인 접속점을 형성합니다.

버스바 설계의 주의점 

허용 전류 확보 

버스바 설계의 기본은 흘리고 싶은 전류량에 대해 충분한 허용 전류를 확보한다는 점에 있습니다. 허용 전류는 버스 바의 재질(구리, 알루미늄 등)과 그 단면적(폭×두께)에 따라 결정됩니다. 단면 부족은 저항 증가가 되어 발열, 전압 강하를 초래하여 성능 저하나 소손의 위험이 높아집니다.

설계 시에는 주위 온도와 방열 조건을 고려하여 안전율 예상한 후 단면적을 결정하십시오. 특히 대전류를 취급하는 경우는, 신뢰성을 확보하기 위해 주의합시다.

온도 상승과 방열 설계 

버스바에 전류가 흐르면 열이 발생하여 온도가 상승합니다. 이 온도가 재질이나 절연재의 허용 온도를 초과하면 성능 열화나 수명 저하, 주위 부품에 악영향을 미치기 때문에 방열 설계는 중요합니다. 특히 절연 튜브와 수지 코팅을 한 버스 바는 내부에 열이 머무르기 쉬워집니다.

표면적을 크게 하고, 버스바의 방향을 궁리하여 에어 플로우를 확보하고, 주변에 히트 싱크를 배치하는 등, 시스템의 사양에 따라 열을 효율적으로 내보내는 설계가 요구됩니다.

절연 거리 확보 

EV나 산업기기의 고전압 회로에서는 버스바의 단락(쇼트)이나 아크 방전을 확실히 막아야 합니다. 그러기 위해서는 복수의 버스바를 배치할 때, 도체끼리의 공간적인 거리(클리어런스)와 절연물의 표면을 전하는 거리(연면 거리)의 충분한 확보가 불가결합니다.

이 거리들은 인가 전압이나 사용 환경(습도 등)에 따라 안전 규격으로 정해져 있어 규격치를 충족시킬 필요가 있습니다. 절연 장벽 설치 및 절연성이 뛰어난 수지 몰드도 효과적인 대책이 됩니다.

진동 내구성 확보 

자동차나 산업 기계에 탑재되는 버스바는 주행시의 도로면으로부터의 충격이나 모터의 가동에 의한 계속적인 진동에 노출됩니다. 이 진동은 볼트 접속 부분의 이완을 일으켜 접촉 불량에 의한 발열이나 최악의 경우 단선으로 이어질 수 있습니다. 또한 반복되는 응력은 금속 피로에 의한 균열의 원인이 되기도 합니다.

따라서 이완 방지 와셔의 사용이나 적절한 고정 방법을 선정하는 동시에 설계단계에서의 진동 해석이나 실제 기기에서의 가진 시험을 통해 장기적인 신뢰성 평가가 필수적입니다.

정리 

버스 바는 대전류를 효율적으로 분배하기 위한 도체로, EV나 태양광 발전, 산업 기계등의 전력 시스템에 빠뜨릴 수 없는 부품입니다. 구리, 알루미늄, 수지 밀봉과 같은 재질마다 특성이 달라 용도에 따른 선정이 중요합니다.

구리 버스바는 높은 전도성과 공간 절약성을 겸비해 정밀 기기나 산업용 설비에서의 신뢰성 확보에 적합합니다.

알루미늄 버스바는 경량이면서 코스트 효율이 뛰어나 EV나 항공기 등 경량화가 요구되는 분야에서 활용됩니다. 알로진 처리로 내식성도 향상됩니다.

수지 밀봉 버스바는 절연성과 설계 자유도가 뛰어나 복잡한 배선이나 부품 점수 삭감에 공헌합니다.

설계에 있어서는 허용 전류의 확보, 방열 설계, 절연 거리의 확보, 진동 내구성 등 신뢰성을 좌우하는 요소를 정확하게 억제하는 것이 중요합니다.
버스 바는 전력 공급의 효율화 뿐만이 아니라 제품의 안전성·보수성·설계 자유도에도 크게 관련되는 중요 부품입니다. 용도에 따른 최적의 선정과 설계를 수행하여 제품 전체의 성능과 신뢰성을 높입시다.