KR100209438B1 - Magnetic cores utilizing metallic glass ribbons and mica paper interlaminar insulation - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강자성 금속 유리 리본 및 운모지 절연재로부터 제조된 자심들(magnetic cores)을 제공한다. 리본과 절연재는, 그 층들의 교대하는 동심원적 링들을 구성하도록, 공동-권치된다. 그 다음, 권취된 철심은 진공 내에서 또는 건조 질소나 아르곤 기체같은 불활성 분위기내에서 소둔된다. 이러한 유형의 공동-권취된 철심들은 높은 자화율에서의 우수한 자성들 및 인접층간 사이의 높은 전압 홀드 오프를 나타내며, 펄스 전력 적용들에 특히 적합하다.The present invention provides magnetic cores made from ferromagnetic metal glass ribbons and mica paper insulation. The ribbon and the insulation are co-wound to constitute alternating concentric rings of the layers. The wound iron core is then annealed in vacuo or in an inert atmosphere such as dry nitrogen or argon gas. Co-wound iron cores of this type exhibit good magnetics at high susceptibility and high voltage hold off between adjacent layers and are particularly suitable for pulsed power applications.
Description
제1도는 철심의 1/4을 절개하여 금속 리본과 절연 테이프의 절단면을 도시한, 절연된 환상 코어의 사시도.1 is a perspective view of an insulated annular core showing a cut surface of a metal ribbon and insulating tape by cutting a quarter of the iron core.
제2도는 소둔동안 철심 물질에 자장을 제공하는데 사용된 권선을 개략적으로 도시한, 환상 코어의 사시도.FIG. 2 is a perspective view of an annular core, schematically showing the winding used to provide a magnetic field to the iron core material during annealing.
제3도는 잔류자화, 최대 유도 및 가능한 플럭스 변화같은, 펄스 전류 적용들에 대한 관련성질들을 나타낸, 연질 강자성물질의 B-H 루우프의 도식도.3 is a schematic of the B-H loop of a soft ferromagnetic material showing properties for pulsed current applications, such as residual magnetization, maximum induction, and possible flux changes.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 운모지 절연재(mica paper insulation)1: mica paper insulation
2 : 금속 유리리본(metallic glass ribbon)2: metallic glass ribbon
2 : 철심(자심) 22 : 절연선(insulated wire)2: iron core 22: insulated wire
본 발명은 강자성 금속 유리 리본(metallic glass ribbon)으로부터 제조되는 자심(magnetic core)에 관한 것이다. 좀 더 상세히, 본 발명은 운모지(mica paper)로 구성된 층간 절연재(interlaminar insulation)가 제공된 철심(core)에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic core made from a ferromagnetic metallic glass ribbon. More specifically, the present invention relates to a core provided with interlaminar insulation made of mica paper.
강자성 금속 유리 리본들을 이용하는 자심들이 자성 물질들의 인접 층들 사이에 100 볼트 정도로 큰 유도 전압을 가져오는 매우 높은 자화물(magnetization rates)에서 펄스 전압 적용들(pulse power applications)에 사용된다. 이러한 층들 사이에 적당한 절연재가 없는 경우, 증가된 철손을 초래하고 금속 유리 리본들의 우수한 자성을 손상시키는 층간 와류(interlaminar eddy currents)가 생성된다.Magnetic cores using ferromagnetic metal glass ribbons are used for pulse power applications at very high magnetization rates resulting in induction voltages as large as 100 volts between adjacent layers of magnetic materials. In the absence of suitable insulation between these layers, interlaminar eddy currents are created that result in increased iron loss and impair the good magnetism of the metal glass ribbons.
금속 유리 리본들로부터 제조된 자심들에서 최적의 자성들을 얻기 위하여, 환상 철심들은 먼저 그들의 최종 형상으로 감겨진 다음 토로이드에 적용(인가)된 주변 자장과 함께 소둔된다. 이러한 소둔은 리본의 주조동안 급속냉각으로부터 초래되는 금속 유리 리본내 응력뿐만 아니라 철심내 리본의 굴곡에 기인한 리본내 굴곡응력을 완화시키는 작용을 한다. 소둔동안 인가 자장은 장방향(field directions)을 따른 자화의 용이한 배향을 유도하는 작용을 한다. 금속 유리 리본들로부터 제조된 철심을 장소둔함에 의하여, 거의 사각형의 B-H 루우프를 갖는 자심들이 산출될 수 있다.In order to obtain optimal magnetics in magnetic cores made from metallic glass ribbons, annular iron cores are first wound into their final shape and then annealed with the surrounding magnetic field applied to the toroid. This annealing acts to relieve the in-ribbon bending stress due to the bending of the ribbon in the iron core as well as the stress in the metal glass ribbon resulting from the rapid cooling during the casting of the ribbon. During annealing, the applied magnetic field acts to induce an easy orientation of magnetization along the field directions. By dulling the iron core made from the metallic glass ribbons, magnetic cores with nearly square B-H loops can be produced.
최대 유도(maximum induction)에 대한 잔류자화(remanent magnetization)의 높은 비를 갖는 B-H 루우프로서 정의되는 사각형 B-H 루우프(square B-H loop)는 철심이 음 포화잔류자속밀도(negative remanence)로부터 양(positive) 최대유도로 자화될 때 철심내 자력선속(magnetic flux)에 최대의 변화를 제공한다. 펄스전력 적용들에 대한 연질 자성 물질들의 관련 성질들이 제3도에 도시되어 있다. 수직축 31은 자기유도(magnetic induction) 또는 B장(B field)이고 수평축 35는 인가 자장 또는 H장 (H field)이다. 유도에서의 최대 변화(최대 유도변화로 칭함) △B 34는 음 자장 감지시에 코어에 자장을 적용함에 의하여 코어를 우선 리세팅함에 의하여 이루어진다. 이 자장 Hm 39는 보자력장 Hc 38의 여러배이어야 한다. 코어내 유도는 인가 자장이 -Hm 39인 때 음 최대 유도 -Bm 37에 도달한다. 그 후 코어는 음 포화잔류자속밀도 -Br 36으로 돌아오게 된다. 양자장이 적용되는 경우, 철심내 자기유도는 음 포화잔류 자속밀도 36으로부터 양 최대유도 +Bm 32로 변화한다. 가능한 최대 유도 변화 △B 34는 Bm 32의 거의 두배 만큼 클 수 있으며 루우프가 거의 사각형이고 Br 33이 거의 Bm 32만큼 클 경우에 이루어진다. 큰 자기유도변화는 고전력 펄스적용들에서 사용되는 철심들에서 중요하다. 예를들면, 철심이 유도자로서 사용되는 경우, 환상 권선들이 철심 주위에 놓여진다. 철심 포화 및 유도자의 인덕턴스 감소 없이 주어진 시간동안 권선들에 적용될 수 있는 전압은 철심의 단면적의 곱 및 철심에 사용된 자성 물질의 유도 변화에 좌우된다. 큰 유도변화는 더 작은 단면적을 갖는 철심의 사용을 가능케 하며, 따라서 더 작은 부피 및 중량을 갖는 철심의 사용을 가능케 한다.The square BH loop, defined as a BH loop with a high ratio of remanent magnetization to maximum induction, has a positive maximum from the negative remanence of the iron core. When magnetized by induction, it provides the maximum change in the magnetic flux in the iron core. The relevant properties of the soft magnetic materials for pulsed power applications are shown in FIG. 3. The vertical axis 31 is magnetic induction or B field and the horizontal axis 35 is applied magnetic field or H field. The maximum change in induction (called the maximum induction change) ΔB 34 is achieved by first resetting the core by applying a magnetic field to the core when detecting a negative magnetic field. This magnetic field Hm 39 should be several times the coercive field Hc 38. Induction in the core reaches a negative maximum induction -Bm 37 when the applied magnetic field is -Hm 39. The core then returns to the negative saturated residual magnetic flux density -Br 36. When a quantum field is applied, the magnetic induction in the iron core changes from the negative saturated residual magnetic flux density 36 to the positive maximum induction + Bm 32. The maximum possible variation in induction ΔB 34 can be about twice as large as Bm 32 and is made when the loop is nearly square and Br 33 is as large as Bm 32. Large magnetic induction changes are important for iron cores used in high power pulse applications. For example, when iron cores are used as inductors, annular windings are placed around the iron cores. The voltage that can be applied to the windings for a given time without reducing the iron core saturation and inductance of the inductor depends on the product of the cross-sectional area of the iron core and the change in induction of the magnetic material used for the iron core. Large induction variations allow the use of iron cores with smaller cross-sectional areas, and thus the use of iron cores with smaller volumes and weights.
펄스 전력 적용들에 있어서 최대 유도변화를 이루기 위하여 소둔이 중요한 한편, 소둔은 철심내 어떠한 절연재도 손상시켜서는 안된다. 그러므로, 소둔전 철심내에 존재하는 절연재는 고유도(high-induction) 금속 유리 합금들에 대해 일반적으로 1-2 시간 동안 300-400가 되는 소둔 온도를 견딜 수 있어야 한다.While annealing is important to achieve maximum induction change in pulsed power applications, the annealing should not damage any insulation in the iron core. Therefore, the insulation present in the iron core before annealing is typically 300-400 for 1-2 hours for high-induction metal glass alloys. It must be able to withstand the annealing temperature.
금속 유리 철심들을 제조하는 현행 방법들은 미국 특허 2,796,364에 개시된 바와 같이 다결정성 자성 물질들에 대하여 이미 개발된 금속 알콕시드들의 침지 코팅(dip coating)을 포함한다. 메틸 알코올내에서의 마그네슘 메틸레이트의 금속 유리들의 사용이 미국 뉴욕 10017, 뉴욕, 이스트 47번가 345 소재 Institute of Electrical and Electronic Engineers에 의하여 출판된 IEEE Conference Record of the 15th Power Modulator Symposium. pp. 22-27, 판권 1982에 발표된 칼 에이치, 스미스의 자기 스위치들을 위한 금속 유리들에 개시되어 있다. 이 코팅들은 용매 증발 후 리본 표면 상에 남아있는 금속 알콕시드를 산화금속 코팅으로 전환시키기 위하여 소둔된다. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-20, No. 5, 1984년 9월 5일, pp. 1320-1322에 발표된 시. 에이치. 스미스, 디. 나타신 및 에이치. 에이치. 리버만의 논문 스텝 dB/dt 자화하에서 비정질 FeBSiC 리본들내 자손의 두께 종속성에 기술된 바와 같이, 알코올내 실리카의 콜로이드 현탁액내에서 리본들을 침지 코팅시김에 의한 금속 유리의 겔-졸 코팅 또한 사용된다. 비록 이 절연 코팅들이 자심 소둔에 필요한 온도들을 견디지만, 이 절연 방법들은 둘 다 기껏해야 수십볼트로 제한된 층간 전압 홀드 오프(Voltage hold off)를 제공한다. 이러한 제한된 전압 홀드 오프는 금속 유리 리본들의 표면 조도와 연관되어 전형적으로 100-200 nm 정도인 코팅들의 두께에 기인한다. 그러므로, 이러한 절연방법들을 사용하여 산출된 자심들은 철심의 인접 층들 사이에 단지 낮은 유도 전압을 가져오는 비교적 낮은 자화율을 갖는 적용들에 그 사용이 제한된다.Current methods for producing metallic glass cores include dip coating of metal alkoxides already developed for polycrystalline magnetic materials as disclosed in US Pat. No. 2,796,364. The use of metal glasses of magnesium methylate in methyl alcohol is described in IEEE Conference Record of the 15th Power Modulator Symposium, published by Institute of Electrical and Electronic Engineers, 345, East 47th Street, New York, 10017, New York. pp. 22-27, all rights reserved for metal glasses for magnetic switches of Carl H. Smith, published in 1982. These coatings are annealed to convert the metal alkoxide remaining on the ribbon surface after solvent evaporation into a metal oxide coating. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-20, no. 5, September 5, 1984, pp. Poems published in 1320-1322. H. Smith, D. Appeared and H. H. Gel-sol coating of metal glass by dip coating the ribbons in a colloidal suspension of silica in alcohol is also used, as described in Liberman's paper Step dB / dt magnetization under the thickness dependency of progeny in amorphous FeBSiC ribbons. Although these insulating coatings withstand the temperatures required for self-annealing, both of these insulation methods provide a voltage hold off, limited at most to tens of volts. This limited voltage hold off is due to the thickness of the coatings, typically on the order of 100-200 nm in association with the surface roughness of the metal glass ribbons. Therefore, the magnetic cores produced using these isolation methods are limited in their use in applications with relatively low susceptibility, resulting in only low induced voltages between adjacent layers of the iron core.
금속 유리 철심들에 대해 시험되어온 다른 절연재들은 SiO와 SiO2같은 증착 내화성 산화물들 및 유니온 카바이드 코포레이션의 PARYLENE 중합체 필름이다. 예로서, 미국 뉴욕 10017, 뉴욕, 이스트 47번가 345 소재 Institute of Electrical and Electronic Engineers에 의하여 출판된 IEEE Conference Record of the 16th Power Modulator Symposium. pp. 240-244, 판권 1984에 발표된 칼 에이치, 스미스와 데이비드 엠, 나타신의 논문 빠른 펄스 들뜸하에서의 금속 유리들의 자성을 참조할 수 있다. 이러한 증착 방법들은 진공실 내에서 수행되므로 큰 자심들에 요구되는 연속적인 길이의 금속 유리들을 취급하기 매우 힘들며 경비가 많이 든다.Other insulation materials that have been tested for metallic glass cores are PARYLENE polymer films of deposited carbide oxides such as SiO and SiO 2 and Union Carbide Corporation. For example, IEEE Conference Record of the 16th Power Modulator Symposium, published by Institute of Electrical and Electronic Engineers, 345, East 47th Street, New York, 10017, New York, USA. pp. 240-244, All Rights Reserved. 1984 by Carl H., Smith and David M., Nassin. See the magnetic properties of metal glasses under rapid pulses. These deposition methods are performed in a vacuum chamber and are therefore very difficult and expensive to handle the continuous length metal glasses required for large magnetic cores.
층간 절연재를 갖는 금속 유리 철심들을 제조하는 다른 방법은 금속 유리 리본을 얇은 중합체 필름과 함께 공동-권취(co-wind)하는 것이다. 이 방법은 Journal of Applied Physics, Vol. 57, No. 1, 1985년 4월, pp. 3508-3510에 발표된 에이. 휠튼지, 에스, 에스, 로젠블럼 및 시. 에이치, 스미스의 Investigation of Metglas Toroid Fabrication Techniques for a Heavy Ion Fusion Drivier에 검토되어 있다. 이러한 철심 제조방법은 절연재 두께에 따라 절연재당 수백 볼트의 전압 홀드 오프를 제공한다.Another method of making metallic glass cores with interlayer insulation is to co-wind the metallic glass ribbon with a thin polymer film. This method is described in Journal of Applied Physics, Vol. 57, No. 1, April 1985, pp. Published in 3508-3510. Wheelton, S, S, Rosenblum and the City. H. Smith, reviewed in Investigation of Metglas Toroid Fabrication Techniques for a Heavy Ion Fusion Drivier. This iron core manufacturing method provides a voltage hold-off of several hundred volts per insulation, depending on the insulation thickness.
Fe66Co18B15Si1의 명목조성을 갖는 METGLAS합금 2605C0(METGLAS 는 알라이드-시그날, 인코포레이트드의 등록상표임)같은 일련의 합금들이 공급 스푸울(supply spool)상에서 소둔된 다음 중합체 절연재와 함께 환상 철심으로 조심스럽게 재권취될 수 있다. 이러한 합금의 상대적으로 높은 유도 자기 이방성 에너지(induced magnetic anistropy energy)는 자기 변형과 스트레인 에너지 사이의 상호 반응의 경향을 방해하여 리본내의 자화방향을 불규칙하게 하며, 따라서, B-H루우프의 사각형화(Squareness)를 감소시킨다. 스트레인 에너지는 소둔후 리본의 재권취의 결과인 리본내 휨 응력들로부터 유도된다. 그러므로, 그들의 최종 형상들에서 소둔되어진 철심들과 거의 유사한 자성들을 갖는 철심들이 높은 자기 이방성 에너지 리본들로부터 산출될 수 있다. 그러나, 소둔은 철기 합금들(iron-based alloys)을 무르게 하므로, 재권취는 비소둔 리본들의 권취시보다 더욱 조심스럽게 더 낮은 속도에서 행하여져야 한다.METGLAS with nominal composition of Fe 66 Co 18 B 15 Si 1 A series of alloys, such as alloy 2605C0 (METGLAS is an allied-signal, a registered trademark of Incorporated), can be annealed on a supply spool and then carefully rewound with an annular iron core with a polymer insulation. The relatively high induced magnetic anistropy energy of these alloys interferes with the tendency of the mutual reaction between magnetic strain and strain energy, resulting in irregular magnetization directions in the ribbon, thus squaring the BH loops. Decreases. Strain energy is derived from flexural stresses in the ribbon resulting from the rewinding of the ribbon after annealing. Therefore, iron cores with magnets almost similar to the iron cores annealed in their final shapes can be produced from high magnetic anisotropic energy ribbons. However, since annealing softens iron-based alloys, rewinding should be done at lower speeds more carefully than when winding up non-annealed ribbons.
각각 Fe81B13.5Si3.5C2및 Fe78B13Si19의 명목 조성을 갖는 METGLAS 합금들 2605SC 및 2605S-2 와 같은, 매우 낮은 유기 자기이방성 에너지들을 갖는 금속 유리 합금들은 동일한 합금들의 철심들이 그들의 최종형상에서 소둔된 경우 산출되는 B-H 루우프들과 비교시 그들의 B-H 루우프들의 사각형화의 상당한 감소없이 철심들로서 소둔 및 재권취될 수 없다. 세가지 상이한 금속 유리 합금들의 3세트의 철심들의 자성들이 하기 도표 I에 표기되어 있다. 각 세트에서 2개의 철심들은 그 합금에 대해 적합한 조건들하에서 소둔되었다. 각 세트에서 하나의 철심은 각각의 25μ 금속 유리 리본 층 사이에 놓여진 12폴리에스테르(MYLAR) 테이프와 함께 소둔 후 재권취되었다. 각각의 세트에 있어서, 1 에르스텟(1 0e=80A/M)에서의 포화 잔류 자속밀도 Br과 최대유도 B1의 감소가 주목할 만 하다. -Br로부터 +B1으로의 가능한 유도변화가 각각의 철심에 대하여 △B로서 주어진다.METGLAS alloys with nominal compositions of Fe 81 B 13.5 Si 3.5 C 2 and Fe 78 B 13 Si 19 respectively, such as metal glass alloys with very low organic magnetotropic anisotropy energies, such as 2605SC and 2605S-2, It cannot be annealed and rewound as iron cores without a significant reduction in the squareization of their BH loops compared to the BH loops produced when annealed in shape. The magnetisms of three sets of iron cores of three different metallic glass alloys are shown in Table I below. Two iron cores in each set were annealed under suitable conditions for the alloy. One iron core in each set was placed between each 25μ metal glass ribbon layer. It was rewound after annealing with polyester (MYLAR) tape. For each set, the reduction of the saturated residual magnetic flux density Br and the maximum induction B 1 at 1 Hersted (10 e = 80 A / M) is noteworthy. The possible induction change from -Br to + B 1 is given as ΔB for each iron core.
대부분의 중합체들은 금속 유리들에 대하여 요구되는 소둔온도들을 견디지 못한다. 폴리이미드류와 같이 소둔 온도들을 견딜 수 있는 것들은 값이 비싸다. 또한, 금속 유리 리본들과 함께 공동-권취되는 경우, 폴리이미드류는 소둔후 냉각시 상이한 열수축에 기인하여 자성 물질들에 응력을 인가하는 경향이 있다. 이러한 응력은 자기 변형과 응력의 상호 반응을 통하여 철심들의 자성들을 손상시키는 경향을 갖는다. 이에 대하여 전술한 스미스와 나타신의 논문등을 참조할 수 있다.Most polymers do not withstand the annealing temperatures required for metallic glasses. Those that can withstand annealing temperatures, such as polyimides, are expensive. In addition, when co-wound together with metallic glass ribbons, polyimides tend to stress magnetic materials due to different heat shrinkage upon cooling after annealing. This stress tends to damage the magnets of the iron cores through the mutual reaction of magnetostriction and stress. See, for example, Smith and Natsin.
dc B-H 루우프들로부터 측정된 자성들이 METGLAS 합금들 2605 SC 및 2605 C0 에 대하여 도표 II에 표기되어 있다. 각각의 합금 리본으로부터 두가지 토로이들이 권취되었는데, 하나는 12폴리이미드(KAPTON) 테이프와 함께 금속 유리리본이 권취된 것이고, 다른 하나는 폴리이미드 테이프 없이 권취된 것이다. 그 다음, 철심들은 각 합금에 대하여 적절한 조건들하에서 자장과 함께 소둔되었다. 폴리이미드 절연재를 가진 철심들은 폴리이미드 절연재가 없는 철심들에 비하여 감소된 △B값을 나타낸다. 그 감소는 더 작은 유도 자기이방성 에너지를 갖는 METGLAS 합금 2065SC에서 가장 크다.Magnetics measured from dc BH loops are shown in Table II for METGLAS alloys 2605 SC and 2605 C0. Two toroids were wound from each alloy ribbon, one 12 Metal glass ribbons were wound together with KAPTON tape, and the other one was wound without polyimide tape. The iron cores were then annealed with the magnetic field under the appropriate conditions for each alloy. Iron cores with polyimide insulation exhibit reduced ΔB values compared to iron cores without polyimide insulation. The reduction is greatest in METGLAS alloy 2065SC with smaller induced magnetic anisotropy energy.
그러므로, 소둔시 금속 유리 리본들을 위한 통상의 코팅들은 우수한 자성들을 제공하나 상대적으로 낮은 전압 홀드 오프를 갖는다. 금속 유리 리본들을 중합체들과 함께 공동-권취하는 통상적인 방법들은 적절한 전압 홀드 오프를 가지나, 특히 낮은 유도 자기 이방성 에너지를 갖는 유리 합금들로부터 형성되는 경우, 자성이 손상된 자싱들을 산출한다. 따라서, 다양한 금속 유리합금들과 함께 사용하기 적합하며, 적당한 층간 절연재 및 최적의 자성들을 갖는 자심들을 제공하는 철심 절연 방법이 기대된다.Therefore, conventional coatings for metallic glass ribbons upon annealing provide good magnetics but have a relatively low voltage hold off. Conventional methods of co-winding metallic glass ribbons with polymers have adequate voltage hold off, but yield magnetically damaged sashes, especially when formed from glass alloys with low induced magnetic anisotropy energy. Accordingly, a method of iron core insulation is desired that is suitable for use with various metal glass alloys and provides magnetic cores with suitable interlayer insulation and optimum magnetisms.
본 발명은 높은 층간 전압 홀드 오프 및 고자화율에서의 우수한 자성들을 가지며, 그의 권취된 형상에서 추후 소둔되는 철심을 형성하도록 비소둔 연성상태의 금속 유리 리본을 신속히 권취함에 의하여 효과적으로 제조된는 철심을 제공한다. 일반적으로 언급하면, 본 철심은 최소한 80% 유리질 구조를 갖는 강자성 금속 유리 합금 및 운모지 절연재를 포함한다. 금속 리본과 절연재는, 금속 및 절연재가 그의 교대하는 층들인, 철심을 형성하도록 공동-권취된다. 그 다음, 철심은 사각형 B-H 루우프 및 높은 가용 플럭스 스윙을 갖는 자심이 제공되도록 그위 권취된 형상에서 소둔된다. 운모지 절연재는 300 볼트 이상의 전압 홀드 오프를 제공하고 소둔 온도들에 의하여 영향 받지 않으며, 자성 리본에 어떠한 응력을 인가하지 않는다. 전술하였듯이, 운모지와 함께 공동-권취된 철심들은 높은 자기 변형 및 낮은 이방성 에너지를 갖는 금속 유리 리본들의 사용에 특히 적합하다. 그러한 철심들은 펄스 전력 적용들에서 높은 자화율에서 사용된다. 철심들의 리본 성분으로서 사용하기에 또한 적합한 것들은 나노결정성 합금들 및 다결정성 자성 합금들이다.The present invention provides an iron core having excellent magnetics at high interlayer voltage hold off and high susceptibility, and which is effectively produced by quickly winding an annealed ductile metal glass ribbon to form an iron core which is subsequently annealed in its wound shape. . Generally speaking, the iron core includes ferromagnetic metal glass alloys and mica paper insulation having at least 80% glassy structure. The metal ribbon and the insulation are co-wound to form an iron core, the metal and the insulation being alternating layers thereof. The iron core is then annealed in the shape wound up thereon to provide a magnetic core with a rectangular B-H loop and a high available flux swing. Mica paper insulation provides a voltage hold-off above 300 volts and is not affected by annealing temperatures and does not apply any stress to the magnetic ribbon. As mentioned above, co-wound iron cores together with mica are particularly suitable for the use of metal glass ribbons with high magnetic strain and low anisotropic energy. Such iron cores are used at high susceptibility in pulsed power applications. Also suitable for use as the ribbon component of the iron cores are nanocrystalline alloys and polycrystalline magnetic alloys.
본 발명에 의하여, 제1도에 10으로서 표시된 자심이 제공된다. 자심(철심) 10은 약 15-50두께의 금속 리본2를 약 5-25두께의 운모지 절연재 1과 함게 토로이드로서 공동-권취함에 의하여 제조된다. 권취는 리본 2의 층과 절연재1의 층이 교대하는 동심원적 층들을 이루도록 행하여진다. 철심 10의 조립에 적합한 금속 유리 리본의 한예는 EMTGLAS 합금 2605 C0이다. 철심 10의 조립에 적합한 운모지 절연재 물질의 한 예는 뉴헴프셔, 뉴마케트 소재 에섹스 그룸, 인코포레이티드의 제품인 SAMICA 4100 이다. 운모지는 순수한 운모 박편들의 균일한 가용성 시이트이다. 천연 운모가 우선 작은 박편들로 부수어진 다음 유체내에 현탁된다. 운모지는 웹상에 유체로부터 추출되고 통상적인 종이 제조 방법과 유사한 방법으로 건조된다. 권취 과정후, 철심은 진공내에서 또는 건조 질소나 아르곤 기체같은 불활성 분위기하에서 소둔된다. 이 합금에 대한 적당한 소둔은 약 1-10/min의 가열속도로 철심을 약 325의 온도까지 가열하고, 약 325의 온도에서 120분 동안 철심을 유지시킨 다음, 약 1-10/min의 속도록 철심을 냉각시키는 단계들을 포함한다. 제2도에 도시되어 있듯이, 전체 소둔주기 동안, 또는 최소한 소둔주기의 냉각부분동안, 철심 10을 둘러싼 절연선 22를 통하여 전류 21을 통과시킴에 의하여 800-1600 A/m의 자장이 철심내에 유지된다. 자장은 선 22를 통과하는 전류 21의 세기(A)를 철심 10의 중심을 통과하며 철심 10 주위를 완전히 둘러싸는 선22의 회전수와 곱하고 철심 10의 평균 원주(m)로 나눔에 의해 계산된다. 전류는 전압원 26에 의하여 공급되고 가변 저항 25에 의하여 조절된다. 본 발명에 따라서 조립되는 공동-권취 철심들에 의하여 제공되는 장점들은 이 철심들의 자기적 특성들을 통상적인 방법에 의하여 제조되는 철심들의 자기적 특성들과 비교할 때 명백해진다. 높은 에너지 펄스들은 전형적으로 큰 전압들을 이용한다. 이러한 높은 전압들을 다루기 위하여는, 철심 주위에 권선으로서 적용된 선 회전(turn)당 전압에 펄스 나비(pulse duration)를 곱한 값 이상의 자속 처리능(magnetic flux handling capacity)을 갖는 자심들을 사용한 유도자들 또는 변환기들이 필요하다. 철심의 자속처리능은 자성 물질의 단면적에 자성물질의 최대 자기 유도변화를 곱한 값과 동일하다.According to the present invention, a magnetic core, indicated as 10 in FIG. Self core (iron core) 10 is approximately 15-50 About 5-25 thick metal ribbons2 It is made by co-winding as a toroid with mica paper insulation 1 of thickness. The winding is done so that the layer of ribbon 2 and the layer of insulating material 1 form alternating concentric layers. One example of a metal glass ribbon suitable for the assembly of iron core 10 is EMTGLAS alloy 2605 C0. An example of a mica insulator material suitable for the assembly of iron core 10 is SAMICA 4100 from Essex Grum, Incorporated, New Hampshire. Mica paper is a uniform soluble sheet of pure mica flakes. Natural mica is first broken into small flakes and then suspended in the fluid. Mica paper is extracted from the fluid on the web and dried in a manner similar to conventional paper making methods. After the winding process, the iron core is annealed in vacuo or in an inert atmosphere such as dry nitrogen or argon gas. Suitable annealing for this alloy is about 1-10 325 iron core at a heating rate of Heated to a temperature of about 325 Hold the iron core for 120 minutes at a temperature of about 1-10 cooling the core at a rate of / min. As shown in FIG. 2, the magnetic field of 800-1600 A / m is maintained in the iron core by passing a current 21 through the insulated wire 22 surrounding the iron core 10 during the entire annealing cycle, or at least during the cooling part of the annealing cycle. . The magnetic field is calculated by multiplying the strength (A) of current 21 through line 22 by the number of revolutions of line 22 through the center of iron core 10 and completely surrounding the core 10 and dividing by the average circumference (m) of iron core 10 . The current is supplied by voltage source 26 and regulated by variable resistor 25. The advantages provided by the co-wound iron cores assembled according to the invention become apparent when comparing the magnetic properties of these iron cores with the magnetic properties of the iron cores produced by conventional methods. High energy pulses typically use large voltages. To deal with these high voltages, inductors or transducers using magnetic cores with magnetic flux handling capacity greater than or equal to the pulse duration multiplied by the voltage per line turn applied as a winding around the iron core I need it. The magnetic flux treatment capacity of the iron core is equal to the cross-sectional area of the magnetic material multiplied by the maximum magnetic induction change of the magnetic material.
본 발명은 이러한 금속 유리 합금들의 리본들로부터 자심들을 권취하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따라서, 권취된 형상에서 리본들은 우수한 자성들을 갖는 철심들을 구성한다. 유리하게, 어떤 자성 합금으로 구성되는 리본들은 비소둔 상태에서, 따라서 덜 무른 상태에서, 권취될 수 있기 때문에 더욱 신속한 권취속도가 허용하며 리본의 파열로 인한 권취 작업의 중단이 더 적다.The present invention provides a method of winding magnetic cores from ribbons of such metallic glass alloys. According to the invention, the ribbons in the wound shape constitute iron cores with good magnetic properties. Advantageously, ribbons made of certain magnetic alloys can be wound in the non-annealed state, and therefore in the less crunch state, allowing for a faster winding speed and less interruption of the winding operation due to the rupture of the ribbon.
운모지 절연재 존재 및 부재하에 권취되고 적당한 온도들에서 소둔된 한쌍의 철심들의 dc B-H 루우프들에 대해 측정된 관련 자성들이 도포 III에 표기되어 있다. 합금들 중 어느것에 대해서도 자성의 열화가 거의 없다.Related magnets measured for dc B-H loops of a pair of iron cores wound in the presence and absence of mica insulation and annealed at appropriate temperatures are indicated in Application III. There is little magnetic degradation for any of the alloys.
도표 III의 결과들을 선행기술의 것들과 비교하면 알 수 있듯이, 본 발명의 방법은 전에 가능했던 것보다 훨씬 더 큰 플럭스 스윙 값(△B)을 가지며 B1/Br 저하가 더 적은 자심들을 제공한다.As can be seen by comparing the results of Table III with those of the prior art, the method of the present invention has a much larger flux swing value (ΔB) than previously possible and provides magnetic cores with less B 1 / Br degradation. .
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1991
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