KR100733115B1 - 벌크 비정질 금속 자기 부품 - Google Patents

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Abstract

벌크 비정질금속 자기 부품은 다면체 형상을 갖는 거의 3-차원 부분을 형성하기 위해 함께 적층된 다수의 비정질금속 스트립층들을 가진다. 상기 상기 벌크 비정질금속 자기 부품은 호상 표면을 포함하며, 바람직하게는 서로 맞서 배치된 두개의 호상 표면을 포함한다. 상기 자기 부품은 대략 50Hz에서 대략 20,000Hz의 주파수범위에서 작동가능하다. 상기 부품이 여자 주파수(excitation frequency) "f"에서 피크 유도 레벨"Bmax"로 여자될 때, 상기 부품은 하기 식에 의하여 주어지는 "L"미만의 코아 손실을 나타낸다.
[관계식]
L = 0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4
[상기 식에서, 코아 손실(L), 여자 주파수(f) 및 피크 유도레벨(Bmax)은 각각 W/kg, Hz, 및 T(tesla)로 측정됨]
본 발명의 벌크 비정질 금속 자기 부품의 성능 특성은 동일한 주파수 영역에 걸쳐 작동되는 규소-강 부재의 것보다 매우 우수하다.
비정질 금속, 자기 부품, 나노결정 미세조직, 스트립

Description

벌크 비정질 금속 자기 부품{Bulk Amorphous Metal Magnetic Component}
본 출원은 명칭 "벌크 비정질 금속 자기 부품"으로 1998.11.6일자로 출원된 미국 특허출원 번호 09/186,914호의 일부 계속 출원이다.
본 발명은 벌크 비정질 금속 자기 부품(bulk amorphous metal magnetic component)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기공명 영상장치(magnetic resonance imaging systems), 텔레비젼 및 비디오 시스템, 그리고 전자 및 이온빔 시스템과 같은 대형의 전자장비에 이용될 수 있는 거의 3-차원의 벌크 비정질 금속 자기 부품에 관한 것이다.
비록 비정질 금속이 무방향성 전기강과 비교할 때 우수한 자기성능을 제공하지만, 비정질 금속의 일정한 물리적인 특성과 그에 상응하는 제조한계때문에 자기공명영상장치(MRI)를 위한 폴페이스 자석(poleface magnets) 타일과 같은 벌크 자기 부품에 사용하는데는 부적절한 것으로 여겨져 왔다. 예를 들면, 비정질 금속은 무 방향성 실리콘-강보다 더 얇고 경하여 제조공구 및 다이등을 보다 빠르게 마모시키게 된다. 이러한 공구 및 제조비용에 있어서의 증가는 이러한 기술을 사용하여 벌크 비정질 금속 자기 부품을 제조하는 것을 상업적으로 실행될 수 없게 만든다. 또한, 비정질 금속의 얇은 두께는 조립된 부품내에서의 라미네이션의 수를 증가시 키고, 더욱이 비정질 금속 자기 부품의 총 비용을 증가시키게 된다.
비정질 금속은 전형적으로 균일한 폭을 갖는 얇고 연속적인 리본으로 제공된다. 그러나 비정질 재료는 매우 경한 재질이므로, 쉽게 절단하거나 성형하는 것이 매우 어렵고 그리고 최고의 자기적 특성을 얻기 위하여 어닐링될 때 매우 취약하게 된다. 이것은 벌크 비정질 금속 자기 부품을 제조하는데 통상적인 접근방법을 사용하는 것을 매우 어렵게 만들고 그리고 비용이 많이 소요되게 만든다. 또한, 비정질 금속의 취성은 MRI장치와 같은 적용분야에서 벌크 자기 부품의 내구성(durability)에 대한 염려(concern)를 가져오게 한다.
벌크 비정질 금속 자기 부품에 대한 다른 문제점은 비정질 금속재료의 자기 투자율(magnetic permeability)이 물리적인 응력을 받게 되면 감소된다는 것이다. 이렇게 감소되는 투자율은 비정질 금속에 대한 응력의 세기에 따라 현저하게 될 수 있다. 벌크 비정질 금속 자기 부품이 응력을 받을 때, 코아가 자속(magnetic flux)을 향하거나 또는 자속을 집속하는 효율이 감소되고 이로 인하여 보다 큰 자기 손실, 증가된 열 생성(heat production) 및 감소된 전력(power)을 가져오게 된다. 이러한 응력 감수성(stress sensitivity)은 비정질 금속의 자기변형특성에 기인하여 상기 장비의 동작중의 자기적 힘으로부터 오는 응력, 기계적인 크램핑 또는 벌크 비정질 금속 자기 부품을 적절한 위치에 고정하는 것으로부터 오는 응력, 또는 열팽창 및/또는 비정질 재료의 자기 포화에 기인하는 팽창에 의하여 발생되는 내부응력에 의하여 야기될 수 있다.
본 발명은 다면체 형상을 갖고 그리고 다수의 비정질 스트립 층으로 구성되어 저-손실 비정질 금속 자기 부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 벌크 비정질 금속 자기 부품을 제조하는 방법을 제공한다.상기 자기 부품은 약 50Hz-20,000Hz의 주파수 범위에서 작동될 수 있고, 그리고 동일한 주파수 범위에서 작동되는 규소-강 자기 부품에 비하면 향상된 성능특성을 나타낸다. 보다 상세하게는, 본 발명에 따라 제조되고 그리고 여자 주파수(excitation frequency) "f"에서 피크 유도 레벨"Bmax"로 여자되는 자기 부품은 실온에서 하기 식에서 주어지는 "L"미만의 코아 손실을 가질것이다.
[관계식]
L = 0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4
상기 식에서, 코아 손실(L), 여자 주파수(f) 및 피크 유도레벨(Bmax)은 각각 W/kg, Hz, 및 T(tesla)로 측정된 것이다.
바람직하게는, 자기 부품이,
(ⅰ)대략 60Hz의 주파수와 1.4 T의 자속밀도에서 작동될 때, 비정질 금속재료의 1W/kg과 대략 동일하거나 그 미만의 코아 손실(core loss);
(ii)대략 1000Hz의 주파수와 1.0 T의 자속밀도에서 작동될 때, 비정질 금속재료의 12W/kg와 대략 동일하거나 그 미만의 코아 손실; 또는
(iii)대략 20,000Hz의 주파수와 0.30 T의 자속밀도에서 작동될 때, 비정질 금속재료의 70W/kg와 대략 동일하거나 그 미만의 코아 손실을 가지는 것이다.
본 발명의 제1실시예에 있어서, 벌크 비정질 금속 자기 부품은 다면체 형상 부를 형성하기 위하여 함께 층상화된 다수의 실질적으로 유사한 형상의 비정질 금속 스트립 층을 포함한다.
또한, 본 발명은 벌크 비정질 금속 자기 부품을 제조하는 방법을 제공한다.
본 방법의 제1실시예에서, 비정질 금속 스트립 재료는 사전 설정된 길이를 갖는 다수의 절단 스트립을 형성하기 위하여 절단된다. 상기 절단된 스트립은 적층된 비정질 금속 스트립 재료의 바(bar)를 형성하기 위하여 적층되고, 재료의 자기적 특성을 향상시키기 위해, 선택적으로, 초기 유리질 구조(initially glassy structure)를 나노 결정구조(nanocrystalline structure)로 변화시키기 위하여 어닐링된다. 상기 어닐링되고 적층된 바는 에폭시수지로 함침되고 경화된다. 바람직한 비정질 금속 재료는 식 Fe80B11Si9에 의해 실질적으로 정의되는 조성을 갖는다.
본 방법의 제2실시예에서, 비정질 금속 스트립 재료는 거의 방사상(radiused)의 코너를 갖는 거의 직사각형인 코아를 형성하기 위하여 맨드렐에 와인딩된다. 그리고 상기 거의 직사각형인 코아는 자기적 특성을 향상시키기 위하여, 선택적으로, 초기 유리질 구조를 나노 결정구조로 변화시키기 위하여 어닐링된다. 다음으로, 상기 코아는 에폭시 수지로 함침되고 경화된다. 그리고 상기 직사각형 코아의 짧은 쪽은 거의 직사각형인 코아의 상기 짧은 쪽과 비슷한 크기 및 형상인 사전 설정된 3-차원 형태를 갖는 두개의 자기 부품을 형성하기 위하여 절단된다.
상기 방사상의 코너는 상기 거의 직사각형인 코아의 긴 쪽으로부터 제거되고, 상기 거의 직사각형인 코아의 긴 쪽은 사전 설정된 3-차원 형태를 갖는 다수의 다면체 형상의 자기 부품을 형성하기 위하여 절단된다. 바람직한 비정질 금속 재료는 식 Fe80B11Si9에 의해 근본적으로 한정되는 조성을 갖는다.
또한, 본 발명은 상기한 방법에 따라 제조된 벌크 비정질 금속 부품에 관한 것이다.
본 발명에 따라 벌크 비정질 금속 자기 부품은, 고성능 MRI시스템, 텔레비젼 및 비디오 시스템, 그리고 전자 및 이온빔 시스템에 있어서 폴페이스 자석을 위한 비정질 금속 타일에 특히 적합하다.
본 발명에 의하여 제공될 수 있는 이점은 제조공정의 단순화 및 제조시간의 단축, 비정질 금속 부품의 제조동안에 직면하는 응력(즉, 자기변형)의 감소, 및 최종 비정질 금속 부품 성능의 최적화를 포함한다.
이하, 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명 및 첨부도면을 참조하면 본 발명은 보다 완전히 이해될 수 있으며 그 이익도 명확하게 드러날 것이다. 여기에서, 도면에서 사용한 동일한 부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1a은 본 발명에 따라 제조된 거의 직사각형 다면체 형상을 갖는 벌크 비정질 금속 자기 부품에 대한 사시도
도 1b는 본 발명에 따라 제조된 거의 사다리꼴 다면체 형상을 갖는 벌크 비정질 금속 자기 부품에 대한 사시도
도 1c는 본 발명에 따라 제조된 맞서 배치된 호상(arcuate)의 표면을 가진 다면체 형상을 갖는 벌크 비정질 금속 자기 부품의 사시도
도 2는 본 발명에 따라 절단되고 적층되기 위하여 위치된 비정질 금속 스트립 코일의 측면도
도 3은 본 발명에 따라 거의 사다리꼴-형상의 자기 부품을 다수개 제조하기위한 절단선을 나타내는 비정질 금속 스트립의 바를 나타내는 사시도
도 4는 본 발명에 따라 거의 직사각형인 코아를 형성하기 위하여 맨드렐에 와인딩되어 있는 비정질 금속 스트립 코일의 측면도
도 5는 본 발명에 따라 형성된 거의 직사각형인 비정질 금속 코아의 사시도
본 발명은 거의 다면체 형상의 저-손실 벌크 비정질 금속 부품을 제공한다. 벌크 비정질 금속 부품은, 이에 제한됨이 없이, 직사각형, 정방형, 사다리꼴형 프리즘을 포함하는 다양한 형태를 가지며 본 발명에 따라 제조된다. 또한, 앞서 언급한 기하 형상의 어느 것이든 적어도 하나의 호상의 표면을 포함하며, 바람직하게는 거의 곡선형 내지 호상의 벌크 비정질 금속 부품을 형성하기 위하여 맞서 배치되는 두개의 호상 표면을 포함하는 것이다. 더욱이, 폴페이스 자석처럼 완전한 자기 장비들이 본 발명에 따라 벌크 비정질 금속 부품으로서 제조될 수 있다. 이들 장비들은 일체구조이거나, 또는 모여서 완전한 장비를 형성하는 다수의 부분으로부터 형성될 수 있다. 또다르게는, 장비는 비정질 금속 부분을 전적으로 포함하여 구성되 는 통합 구조(composite structure) 또는 비정질 금속 부분과 다른 자성재료와의 결합(combination)일 수 있다.
도면에 의하면, 도 1a는 3-차원의 거의 직사각형 형상인 벌크 비정질 금속 자기 부품(10)을 도시하고 있다. 상기 자기 부품(10)은 함께 층상화되고 어닐링된실질적으로 유사한 형상의 다수 비정질금속 재료(20)층들로 구성된다. 도 1b에 도시되고 있는 자기 부품은 3-차원의 거의 사다리꼴 형태를 가지며, 각각 실질적으로 같은 크기와 모양을 가지며 함께 층상화되고 어닐링된 다수의 비정질금속 재료(20)층들로 구성된다. 도 1c에 도시되고 있는 자기 부품은 맞서 배치된 2개의 호상(arcuate)의 표면(12)를 포함한다. 상기 부품(10)은 함께 층상화되고 어닐링된 다수개의 실질적으로 유사한 형태의 층들의 비정질 금속 재료(20)층으로 구성된다.
본 발명의 상기 벌크 비정질 금속 자기 재료(10)는 거의 3-차원 다면체 형태이고, 거의 직사각형, 정방형 또는 사다리꼴형의 프리즘일 수도 있다. 또다르게는, 도 1c에 도시된 것처럼, 상기 부품(10)은 적어도 하나의 호상 표면(12)을 가질 수있다. 바람직한 실시예에 있어서, 2개의 호상 표면(12)이 상호 맞서 배치되도록 제공되는 것이다.
본 발명에 따라 제조된, 여자 주파수(excitation frequency) "f"에서 피크 유도 레벨"Bmax"로 여자되는 3-차원 자기 부품은 실온에서 하기 식에서 주어지는 "L"미만의 코아 손실를 가질것이다.
[관계식]
L = 0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4
상기 식에서, 코아 손실(L), 여자 주파수(f) 및 피크 유도레벨(Bmax)은 각각 W/kg, Hz, 및 T(tesla)로 측정된 것이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 자기 부품은,
(ⅰ)대략 60Hz의 주파수와 1.4 T의 자속밀도에서 작동될 때, 비정질 금속재료의 1W/kg과 대략 동일하거나 그 미만의 코아 손실(core loss);
(ii)대략 1000Hz의 주파수와 1.0 T의 자속밀도에서 작동될 때, 비정질 금속재료의 12W/kg와 대략 동일하거나 그 미만의 코아 손실; 또는
(iii)대략 20,000Hz의 주파수와 0.30 T의 자속밀도에서 작동될 때, 비정질 금속재료의 70W/kg와 대략 동일하거나 그 미만의 코아 손실을 가질 것이다. 본 발명의 부품의 감소된 코아 손실은 그것을 포함하는 전기 장비의 효율을 향상시키는 이점을 가져오게 된다.
낮은 코아 손실 값은 본 발명의 벌크 자기 부품이, 그 부품이 고주파수 자기 여자하에 있는, 예를 들면, 적어도 주파수 약100Hz에서 발생하는 여자하에 있는 장비에서의 사용에 특히 적합하게 한다. 고주파수에서 통상적인 강의 높은 고유 코아 손실은 고주파 여자를 요구하는 장비에 사용하는데 부적합하게 만든다. 이들 코아 손실 성능값들은 벌크 비정질 금속 부품의 특정 형태에 무관하게, 본 발명의 다양한 실시예에 적용된다.
또한, 본 발명은 벌크 비정질 금속 부품을 제조하는 방법을 제공한다. 도 2 에 나타난 바와 같이, 비정질 금속 재료의 롤(roll)(30)은 절단 브레이드(cutting blade)(40)를 사용하여 동일한 크기 및 형상을 갖는 다수의 스트립(20)으로 절단된다. 상기 스트립(20)은 적층된 비정질 금속 스트립의 바(50)을 형성하기 위하여 적층된다. 상기 바(50)는 어닐링되며, 에폭시 수지로 함침된후 경화된다. 상기 바(50)는 거의 직사각형, 정방형 또는 사다리꼴형 프리즘 형태를 갖는 다수의 거의 3-차원의 부분(parts)을 제조하기 위하여 도 3에 도시된 라인(52)을 따라 절단될 수 있다. 또다르게는, 상기 부품(10)은 도 1C에 나타난 것처럼, 적어도 하나의 호상 표면(12)을 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5에 나타난 본 발명 방법의 제2실시예에 있어서, 벌크 비정질 금속 자기 부품(100은, 거의 직사각형인 와인딩 코아(70)을 형성하기 위해 단일의 비정질 스트립(22) 또는 비정질 금속 스트립(22) 그룹을 맨드렐(60)에 권선하므로써 형성된다. 상기 코아(70)의 짧은 쪽(side)(74)의 높이는 바람직하게는 최종 벌크 비정질 금속 부품(10)의 소망 길이와 대략 동일하다. 상기 코아(70)는 어닐링되며, 에폭시 수지로 함침된후 경화된다. 두개의 부품(10)이, 상기 짧은 쪽(74)을 절단하고 상기 긴 쪽(78a)와 (78b)에 연결된 방사상 코너(76)를 남겨둠으로써 형성될 수 있다. 추가적인 자기 부품(10)이 상기 긴 쪽(78a)와 (78b)으로부터 방사상 코너(76)를 제거하고, 점선 (72)에 의하여 표시되는 다수의 위치에서 상기 긴 쪽(78a)과 (78b)을 절단하므로써 형성될 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에 있어서, 벌크 비정질 금속 부품(10)은 거의 3차원의 직사각형 형상을 갖는데, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 3-차원의 형상, 예를들 면, 적어도 하나의 사다리꼴형 또는 정방형면을 갖는 형상이 본 발명에 의하여 예기될 수 있다.
본 발명의 벌크 비정질 금속 자기 부품(10)은 적층된 비정질금속 스트립 바(50)로부터 또는 권취된 비정질금속 스트립 코아(70)로부터 다양한 절단 기술을 사용하여 절단될 수 있다. 상기 부품(10)은 상기 바(50) 또는 코아(70)으로부터 컷팅 브레이드 또는 휠을 사용하여 절단될 수 있다. 또다르게는, 상기 부품(10)은 전기-방전(electro-discharge)기 내지 수제트(water jet)로 절단될 수 있다.
본 발명에 따른 벌크 비정질 금속 자기 부품의 제조는, 고성능의 MRI시스템, 텔레비젼 및 비디오시스템, 그리고 전자 및 이온빔 시스템에서 이용되는 폴페이스 자석을 위한 타일용으로 특히 적합하다. 자기 부품 생산은 단순화 되고 생산시간은 단축된다. 다른 방법으로 벌크 비정질 금속 부품의 제조동안 만날 수 있는 응력이 최소화된다. 최종부품의 자기성능은 최적화된다.
본 발명의 벌크 비정질 금속 자기 부품(10)은 많은 비정질 합금들을 사용하여 제조될 수 있다. 일반적으로 말하면, 부품(10)에 사용하기 적합한 합금은 식 M70-85Y5-20Z0-20에 의해서 정의되며,
상기 식에서 아래첨자는 원자%를 나타내며, "M"은 Fe, Ni 및 Co중 적어도 1종이고, "Y"는 B, C 및 P중 1종이고, "Z"는 Si, Al 및 Ge중 적어도 1종이며;
그리고 (ⅰ)성분 M의 10원자%까지 Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta 및 W으로 이루어진 금속그룹중 선택된 적어도 1종에 의하여 대체될 수 있으며,
(ⅱ) 성분(Y+Z)의 10원자%까지 In, Sn, Sb 및 Pb로 이루어진 비금속 그룹으로부터 선택된 적어도 1종에 의해서 대체될 수 있으며, 그리고
(iii)상기 성분(M+Y+Z)의 약 1원자%까지는 통상의 불순물이다.
상기 식에서 아래첨자는 원자%를 나타내고, 상기 식에서 "M"은 Fe, Ni 및 Co중의 적어도 일종이고, "Y"는 B, C 및 P중의 일종이고, 그리고 "Z"는 Si, Al 및 Ge중의 적어도 1종이다.
여기서 사용된 용어 "비정질 금속 합금"(amorphous metallic alloy)은 실질적으로 어떠한 장범위규칙도가 부족하고, 액체 내지 무기질 산화유리(inorganic oxide glasses)와 정성적으로 유사한 X-ray 회절강도 최대치에 의하여 특징화되는 금속합금을 의미한다.
본 발명의 실행에 적합한 비정질 금속 합금들은 일반적으로 20cm 또는 그 이상까지의 폭 및 대략 20-25㎛의 두께를 갖는 연속 박 스트립 또는 리본형태로 상업적으로 이용될 수 있다. 이들 합금들은 실질적으로 완전한 유리질 미세조직(예를 들면, 재료의 적어도 약 80부피%가 비-결정질 구조(non-crystalline structure)를 갖는)으로 형성된다. 바람직하게는, 합금들은 비-결정질 구조를 갖는 재료의 실질적으로 100%로 형성된다. 비-결정질 구조의 부피 분율은 X-ray, 중성자, 또는 전자 회절법, 투과 전자 현미경법, 또는 시차주사열량법과 같은 공지된 방법들에 의하여 측정될 수 있다. 가장 높은 유도값이 "M"이 Fe, "Y"가 B 그리고 "Z"가 Si인 합금에서 저비용으로 달성된다. 이때문에, Fe-B-Si 합금으로 구성되는 비정질 금속 스트립이 바람직하다. 보다 상세하게는, B와 Si의 총함량이 적어도 15원자%일때, 상기 합금은 적어도 70원자 %의 Fe, 적어도 5원자 %의 B 및 적어도 5원자 %의 Si를 포함하는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 것은 비정질금속 스트립이 약 11원자 %의 B, 9원자%의 Si, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지는 것이다. 이 스트립은 상표(trade designation METALAS? alloy 2605SA-1)로 허니웰 인터내셔넬사에 사에 의해 판매되고 있다.
본 발명의 부품(10)에 사용하기 위하여 지정된 비정질 금속 스트립의 자기적 특성은 스트립의 실질적으로 완전한 유리질 미세조직의 변화없이 요구되는 향상을 제공하는데 충분한 온도에서 그리고 충분한 시간동안 열처리하므로써 향상될 수 있다. 자기장이 선택적으로 적어도 열처리의 일부단계중에, 바람직하게는 적어도 냉각단계중에 스트립에 부과될 수 있다.
상기 부품(10)에 사용하기에 적합한 소정의 비정질 합금의 자기적 특성은 합금을 열처리하여 나노결정 미세조직을 형성하므로써 현저히 향상될 수 있다. 이 미세조직은 약 100nm미만, 바람직하게는 50nm미만, 보다 바람직하게는 10-20nm의 평균크기를 갖는 고밀도의 결정립 존재에 의하여 특징화된다. 상기 결정립은 바람직하게는 철-기초합금의 50부피%미만을 차지하는 것이다. 이러한 바람직한 재료는 낮은 코아 손실 및 낮은 자기변형을 갖는다. 또한 상기 후자의 특성은 상기 재료로 하여금 부품(10)의 제조 및/또는 작동에서 오는 응력에 의한 자기적 특성의 퇴화에 대하여 보다 작은 손상을 입도록 해준다. 주어진 합금내에 나노결정 미세조직을 형성하기 위하여 필요한 열처리는 실질적으로 완전한 유리질 미세조직을 유지하기 위 하여 설계된 열처리에 대하여 필요한 것 보다 더 높은 온도에서 더 긴 시간동안 수행되어야 한다. 또한 여기서 사용된 용어 비정질 금속 및 비정질 합금은, 실질적으로 완전한 유리질 미세조직으로 초기에 형성된 재료와 열처리 내지 다른 공정에 의하여 나노결정 미세조직을 갖는 재료로 후곡하여 변화된 재료를 포함한다. 또한, 나노결정 미세조직을 형성하기 위하여 열처리되는 비정질 합금은 종종 단순히 나노결정 합금이라고도 한다. 본 발명 방법은 나노결정 합금이 최종 벌크 자기 부품의 요구 기하학적 형상으로 성형되도록 해준다. 이러한 성형은 이롭게도 합금이 주조상태의 연하고 실질적으로 비-결정 형태로 유지되는 동안 달성된다. 즉, 상기 나노결정 미세조직은 일반적으로 보다 취성이 있으며 다루기 어려우므로 그를 형성하기 위한 열처리전에 행해진다.
나노결정 미세조직을 내부에 형성하므로써 현저히 향상된 자기적 특성을 갖는 합금의 바람직한 두 종류가 하기 식에 의하여 주어지며, 하기 식에서 아래첨자는 원자%를 나타낸다.
나노 결정합금의 제1의 바람직한 종류는 식 Fe100-u-x-y-z-wRuTxQy BzSiw로 표시된다. 상기 식에서, R은 Ni와 Co중 적어도 1종이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W중 적어도 1종이며, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt중 적어도 1종이고, u는 약 0-10이고, x는 약 3-12이고, y는 약 0-4이고, z는약 5-12이며, 그리고 w는 약 0-8이다. 상기 합금이 나노결정 미세조직을 내부에 형성하기 위하여 열처리된 후에, 그것은 높은 포화유도(예를 들면, 약 1,5T), 낮은 코아 손실 및 낮은 포화 자기변형( 예를 들면, 4×10-6미만의 절대값을 갖는 자기변형)을 갖는다. 이러한 합금은 특히 부품크기가 최소화되어야 하거나 높은 갭(gap) 플럭스를 요구하는 폴페이스 자석이 응용되는 기구에 바람직하다.
나노 결정합금의 제2의 바람직한 종류는 식 Fe100-u-x-y-z-wRuTxQy BzSiw로 표시된다. 상기 식에서, R은 Ni과 Co중 적어도 1종이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W중 적어도 1종이며, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt중 적어도 1종이고, u는 0-10이고, x는 약 1-5이고, y는 약 0-3이고, z는 약 5-12이며, 그리고 w는 약 8-18이다. 상기 합금이 나노결정 미세조직을 내부에 형성하기 위하여 열처리된 후에, 그것은 적어도 약 1.0T의 높은 포화유도, 특히 낮은 코아 손실 및 낮은 포화 자기변형(예를 들면, 4×10-6미만의 절대값을 갖는 자기변형)을 갖는다. 이러한 합금은 특히 매우 높은 주파수에서(예를 들면, 1000Hz 또는 그 이상의 여자 주파수) 여자된 부품에 사용하는 것이 바람직하다.
하나 이상의 폴페이스 자석을 갖는 전자석을 포함하는 전자석 시스템은 상기 전자석의 갭에서 시간에 따라 변화하는 자기장을 만들기 위하여 흔히 이용된다. 상기 시간에 따라 변화하는 자기장은 순수하게 AC 필드(field), 즉 그 시간 평균값이 0인 필드일 수 있다. 선택적으로 상기 시간에 따라 변화하는 자기장은 통상 DC 성분(component) 필드라 통상적으로 불리는 0이 아닌 시간 평균값을 가질 수도 있다. 전자석 시스템에서, 상기 적어도 하나의 폴페이스 자석은 상기 시간에 따라 변화하는 자기장하에 있다. 그 결과, 상기 폴페이스 자석은 각각의 여자 사이클을 가지고 자화되고 탈자화된다. 상기 폴페이스 자석내에 상기 시간에 따라 변화하는 자속 밀도 내지 유도(induction)는 그 내부에 코아 손실로 부터 열 생산을 야기한다.
벌크 비정질 자기 부품은 다른 철-기초 자성재료로 제조된 부품보다 더 효율적으로 자화 또는 탈자화(demagnetize)될 수 있다. 폴 자석으로서 사용되는 경우, 상기 두개의 부품이 동일한 유도 및 여자 주파수에서 자화될때 상기 벌크 비정질 금속 부품은 다른 철-기초 자성재료로 제조된 비교부품에 비하여 보다 적은 열을 발생할 것이다. 더욱이, 본 발명에서 사용하기에 바람직한 철-기초 비정질 금속들은, 정형적으로 그 포화유도값이 통상 0.6-0.9T인 퍼멀로이(permalloy)와 같은 다른 저손실 연자성재료보다 현저하게 큰 포화유도값을 갖는다. 따라서, 상기 벌크 비정질 금속 부품은, 1)더 낮은 동작 온도; 2) 감소된 크기와 질량을 확보하기 위한 보다 높은 유도값; 또는 3)감소된 크기와 질량을 확보하거나, 또는 다른 철-기초 자기 금속으로 부터 생산된 자기 부품과 비교했을때 보다 우수한 신호 분해능 (signal resolution)을 확보하기 위한 보다 높은 여자 주파수에서 작동하도록 설계될 수 있다.
알려져 있는 바와 같이, 코아 손실이란 그 자화로서 강자성재료내에 일어나는 에너지의 분산이 시간과 함께 변화되는 것을 말한다. 일반적으로 주어진 자기 부품의 코아 손실은 상기 부품을 주기적으로(cyclically) 여자시킴으로써 측정된다. 시간에 따라 변화하는 자기장이 그 내부에 시간에 따라 변화하는 자기 유도 또는 자속밀도를 낳기 위해 상기 부품에 부과된다. 측정의 표준화를 위하여, 일반적으로 여자는 상기 자기유도가 주파수 "f"에서의 시간과 피크 폭(peak amplitude) "Bmax"에 의해 사인곡선형태로 변화되도록 선택된다. 그리고 상기 코아 손실은 알려진 전기적 측정기구 및 기술에 의하여 결정된다.
손실이란 통상적으로 여자되고 있는 자성재료의 단위 질량 내지 부피당 와트(watt)로서 보고된다. 손실이 f 및 Bmax와 함께 단조롭게(monotonicaally) 증가된다는 것은 널리 알려져 있다. 폴페이스 자석에 사용되는 연자성재료의 코아 손실을 시험하기 위한 가장 표준적인 규약{예를 들면, ASTM 기준 A912-93 및 A927(A927M-94)}은 실질적으로 폐쇄된(closed) 자속회로, 즉, 폐쇄 자속 선이 완전히 샘플의 부피내에 포함되는 구조내에 위치되는 재료의 샘플을 요구한다. 한편, 폴페이스 자석과 같은 부품에 사용되는 자성재료는 자기적으로 개방(open)회로, 즉, 자속선이 공기 갭을 가로질러야만 하는 구조내에 위치된다. 프린징 자장효과(fringing field effect) 및 자장의 불-균일성 때문에, 개방회로에서 시험된 소정의 재료는 일반적으로 폐쇄-회로 측정에서의 것 보다 더 큰 코아 손실 즉, 보다 더 큰 단위질량 또는 부피당 와트를 나타낸다. 본 발명의 벌크 자기 부품은 이롭게도 개방-회로 구조에서조차도 넓은 자속밀도 및 주파수영역에 걸쳐 낮은 코아 손실을 나타낸다.
어떠한 이론에 한정됨이 없이, 본 발명의 저-손실 벌크 비정질 금속 부품의 총 코아 손실은 히스테리스 손실(hysteresis loss) 및 와류 손실(eddy current loss)로 구성된다고 믿어진다. 이들 두 값의 각각은 피크 자기 유도값 Bmax 및 주파수 f의 함수이다. 비정질 금속에 있어서 코아 손실의 종래분석기술은 일반적으로 폐쇄자기회로에서 재료에 대하여 얻어진 데이터에 한정되어 있다.(예를 들면, G.E, Fish, J. Appl. Phys. 57, 3569(1985) and G.E, Fish, et al., J. Appl. Phys. 64, 5370(1988) 참조)
본 발명의 벌크 자기 부품의 단위 질량당 총 코아 손실 L(Bmax, f)는 L(Bmax, f) = c1f(Bmax)n + c2fq(Bmax )m의 형태를 갖는 함수로서 실질적으로 정의될 수 있다. 상기에서 계수 c1 및 c2 및 지수 n, m, 및 q는 모두 경험적으로 결정되어어야 하며, 이들값을 정확하게 결정하는 이론은 알려져 있지 않다. 이러한 식의 사용은 본 발명의 벌크 자기 부품의 총 코아 손실이 어떠한 요구되는 작동 유도값 및 여자주파수에서 측정되도록 해준다. 일반적으로, 모터 회전자 또는 고정자의 특정 형태에서 그 자장은 공간적으로 균일하지 않다는 것이 알려져 있다. 한정된 원소 모델링(finite element modeling)과 같은 기술들이 실제 벌크 자기 부품에서 측정된 자속밀도 분포와 매우 근접한 피크 자속 밀도의 공간 및 시간적인 변화의 평가를 제공하기 위하여 알려져 있다. 이러한 기술들은 공간적으로 균일한 자속밀도하에서 소정재료의 자기코아 손실을 나타내주는 적절한 경험식을 입력값으로 사용하여 그것의 작동구조에서 소정의 부품의 상응실제코아손실이 합리적일 만큼 정확하게 예측되도록 해준다.
본 발명의 자기 부품의 코아 손실의 측정은 알려져 있는 다양한 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 본 발명 부품을 측정하기에 특히 적절한 방법을 이하에서 설명한다. 상기 방법은 본 발명의 자기 부품 및 자속폐쇄구조수단을 갖는 자기회로를 형성하는 것을 포함한다. 선택적으로, 상기 자기회로는 본 발명의 다수의 자기부품 및 하나의 자속폐쇄구조수단을 포함할 수 있다. 상기 자속폐쇄구조수단은 높은 투자율과 부품이 시험되는 자속밀도와 적어도 동일한 포화자속밀도를 갖는 연자성재료를 포함함이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 연자성재료는 상기 부품의 포화 자속밀도와 적어도 동일한 포화자속밀도를 가지는 것이다. 상기 부품이 시험되는 자속방향은 일반적으로 상기 부품의 제1 및 제2 맞서는 면으로 정의된다. 자속 선들은 제1 맞서는 면의 평면에 거의 수직한 방향으로 부품에 들어가게 된다. 일반적으로 상기 자속 선들은 비정질 금속 스트립을 따라 이동하고, 제2 맞서는 면으로부터 방출된다. 상기 자속폐쇄구조수단은 바람직하게는 본 발명에 따라 제조된 것이나, 또한 다른 알려진 방법 및 재료에 의해서도 제조될 수 있는 자속폐쇄자기(flux closure magnetic component)부품을 포함함이 일반적이다. 또한 상기 자속 폐쇄자기부품은 그것을 통하여 각각의 면에 대체적으로 수직하게 자속 선이 들어오고 나가는 제 1및 제2의 맞서는 면들을 포함한다. 자속폐쇄부품의 맞서는 면들은 자속 폐쇄 부품이 실제시험중에 접합하는 자기부품의 각각의 면과 실질적으로 동일한 크기 및 형상을 갖는다. 상기 자속 폐쇄 자기 부품은 각각 본 발명의 자기 부품의 제1 및 제2 면에 아주 가까운 그리고 실질적으로 가장 가까운 제1면 및 제2면과 접합관계로 위치된다. 기자력(magnetomotive force)이 본 발명의 자기 부품 또는 자속 폐쇄자기부품을 에워싸는 제1와인딩을 통해 전류를 통과시킴으로써 부과된다. 그 결과로서의 자속밀도는 시험되는 자기 부품을 에워싸는 제2 와인딩에 유도되는 전압으로부터 페러데이 법칙(Faraday' law)에 의하여 결정된다. 부과된 자기장은 기자력으로부터 임페어 법칙(Ampere's law)에 의하여 측정된다. 그리고 상기 코아 손실은 통상적인 방법에 의하여 상기 부과된 자기장 및 결과 자속밀도로부터 계산되어 진다.
도 5를 참조하여, 이하 설명되는 테스팅방법에 의해 쉽게 결정될 수 있는 코아 손실을 갖는 자기 부품(10)을 설명한다. 코아(70)의 긴 쪽(78b)은 코아 손실 시험을 위한 자기 부품(10)으로 지정한다. 코아(70)의 나머지 부분은 자속 폐쇄 구조수단으로서 기능을 하며, 거의 C-형상이고 그리고 4개의 거의 방사상인 코너(76), 짧은 쪽(74), 및 긴 쪽(78a)을 포함한다. 방사상 코너(76), 짧은 쪽(74), 및 긴 쪽(78a)을 분리하는 절단선(72)은 임의적이다. 바람직하게는, 단지 코아(70)의 나머지 부분으로부터 긴 쪽(78b)을 분리하는 절단선이 만들어지는 것이다. 긴 쪽(78b)를 제거하기 위하여 코아(70)을 절단하므로써 형성된 절단면은 자기 부품의 맞서는 면들과 자속폐쇄자기부품의 맞서는 면들을 정의한다. 시험을 위하여, 긴 쪽(78b)는 그것의 면들이 절단선에 의하여 한정되는 상응 면에 매우 근접하고 평행하게 되도록 위치된다. 긴 쪽(78b)의 면들은 상기 자속 폐쇄 자기 부품의 면들과 실질적으로 동일한 크기 및 형상을 갖는다. 두 개의 구리 와인딩들(도시되어 있지 않음)은 긴 쪽(78b)를 에워싼다. 적절한 크기의 교류전류가 요구 주파수 및 피크 자속 밀도에서 긴 쪽(78b)을 여자시키는 기자력을 제공하기 위하여 제1 와인딩을 관통하게 된다. 긴 쪽(78b)과 자속폐쇄 자기부품내에서의 자속 선들은 일반적으로 스트립(22)의 평면내에 있으며, 원주방향을 향하고 있다. 긴 쪽(78b)내에서의 시간에 따라 변화하는 자속밀도(time varying flux density)를 나타내는 전압이 제2와 인딩에서 유도된다. 코아 손실은 통상적인 전기적인 수단에 의하여 측정된 전압 및 전류값으로부터 측정된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명를 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명의 원리 및 실행을 설명하기 위하여 제시된 특정 기술, 조건, 재료, 비율 및 데이터들은 하나의 예시에 불과하고 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
(비정질 금속 직사각형 프리즘의 제조 및 전자기 시험)
대략 60mm의 폭, 0.022mm의 두께를 갖는 Fe80B11Si9 비정질 금속 리본이 대략 25mm×90mm의 크기를 갖는 직사각형 맨드렐 또는 보빈의 둘레에 래핑(wrapping)되었다. 비정질 금속 리본의 대략 800 랩(wrap)이 맨드렐 또는 보빈둘레에 와인딩되어 대략 25mm×90mm의 내부 크기 및 대략 20mm의 조립 두께(build thickness)를 갖는 직사각형 코아를 제조하였다. 코아/보빈 조립체는 질소분위기에서 어닐링되었다. 상기 어닐링은, 1)조립체를 365℃까지 가열하고; 2)대략 365℃의 온도에서 대략 2시간동안 유지하고; 그리고 3)조립체를 상온까지 냉각시키는 것으로 이루어진다.
직사각형이고, 와인딩된 비정질 금속 코아는 코아/보빈 조립체로부터 제거된다. 상기 코아는 에폭시수지 용액으로 진공 함침되었다. 상기 보빈은 원위치되고, 그리고 재조립되고 함침된 코아/보빈 조립체는 120℃에서 대략 4.5시간동안 경화되었다. 충분히 경화된 경우, 코아는 다시 코아/보빈 조립체로부터 제거되었다. 상기 직사각형이고, 와인딩되고, 에폭시 결합된 비정질 금속 코아의 중량은 대략 2100g정도였다.
60mm(길이)×40mm(폭)×20mm(두께)의 직사각형 프리즘(대략 800층)이 1.5mm두께의 절단 브레이드에 의하여 에폭시 결합 비정질 금속 코아로부터 절단되었다. 직사각형 프리즘의 절단 표면과 코아의 나머지 부분은 질산(nitric acid)/수용액에서 에칭되고 암모니움 하이드록사이드(ammonium hydroxide)/수용액으로 세정되었다. 그리고 직사각형 프리즘 및 코아의 나머지 부분은 완전한 절단 코아 형태로 제조립되었다. 제 1 및 제 2의 전기적 와인딩이 코아의 나머지 부분에 고정되었다. 절단코아는 실온에서 60Hz, 1,000Hz, 5,000Hz, 및 20,000Hz에서 전기적 실험을 행하고, 그리고 유사한 시험 구조에서 다른 강자성 재료에 대한 값[National Arnold Magnetics, 17030 Muskrat Avenue, Adelanto, CA 92301(1995)]들과 비교하였다. 그 결과는 하기 표 1, 2, 3, 및 4에 나타내었다.
코아 손실 ＠60Hz(W/kg)
재료
자속밀도 비정질 Fe80B11Si9 (22㎛) 결정질 Fe-3%Si (25㎛) 결정질 Fe-3%Si (50㎛) 결정질 Fe-3%Si (175㎛) 결정질 Fe-3%Si (275㎛)
National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron
0.3T 0.10 0.2 0.1 0.1 0.06
0.7T 0.33 0.9 0.5 0.4 0.3
0.8T 1.2 0.7 0.6 0.4
1.0T 1.9 1.0 0.8 0.6
1.1T 0.59
1.2T 2.6 1.5 1.1 0.8
1.3T 0.75
1.4T 0.85 3.3 1.9 1.5 1.1

코아 손실 ＠1,000Hz(W/kg)
재료
자속밀도 비정질 Fe80B11Si9 (22㎛) 결정질 Fe-3%Si (25㎛) 결정질 Fe-3%Si (50㎛) 결정질 Fe-3%Si (175㎛) 결정질 Fe-3%Si (275㎛)
National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron
0.3T 1.92 2.4 2.0 3.4 5.0
0.5T 4.27 6.6 5.5 8.8 12
0.7T 6.94 13 9.0 18 24
0.9T 9.92 20 17 28 41
1.0T 11.51 24 20 31 46
1.1T 13.46
1.2T 15.77 33 28
1.3T 17.53
1.4T 19.67 44 35
코아 손실 ＠5,000Hz(W/kg)
재료
자속밀도 비정질 Fe80B11Si9 (22㎛) 결정질 Fe-3%Si (25㎛) 결정질 Fe-3%Si (50㎛) 결정질 Fe-3%Si (175㎛)
National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron
0.04T 0.25 0.33 0.33 1.3
0.06T 0.52 0.83 0.80 2.5
0.08T 0.88 1.4 1.7 4.4
0.10T 1.35 2.2 2.1 6.6
0.20T 5 8.8 8.6 24
0.30T 10 18.7 18.7 48

코아 손실 ＠20,000Hz(W/kg)
재료
자속밀도 비정질 Fe80B11Si9 (22㎛) 결정질 Fe-3%Si (25㎛) 결정질 Fe-3%Si (50㎛) 결정질 Fe-3%Si (175㎛)
National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron
0.04T 1.8 2.4 2.8 16
0.06T 3.7 5.5 7.0 33
0.08T 6.1 9.9 12 53
0.10T 9.2 15 20 88
0.20T 35 57 82
0.30T 70 130

상기 표 3 및 표 4의 데이터에서 알 수 있는 바와 같이, 코아 손실은 5000Hz 또는 그 이상의 여자 주파수에서 특히 낮다. 따라서, 본 발명의 자기 부품은 폴페이스 자석에 사용하기에 특히 적합하다.
실시예 2
(비정질 금속 사다리꼴형 프리즘의 제조)
대략 48mm의 폭, 0.022mm의 두께를 갖는 Fe80B11Si9 비정질 금속 리본이 대략 300mm의 길이로 절단되었다. 절단된 비정질 금속 리본의 대략 3,800층이 대략 48mm의 폭, 300mm의 길이, 및 대략 96mm의 조립 두께를 갖는 바를 형성하기 위하여 적층되었다. 상기 바는 질소분위기에서 어닐링되었다. 상기 어닐링은, 1)바를 365℃까지 가열하고; 2)대략 365℃의 온도에서 대략 2시간동안 유지하고; 그리고 3)바를 상온까지 냉각시키는 것으로 이루어진다.
상기 바는 에폭시수지 용액으로 진공 함침되고, 120℃에서 대략 4.5시간동안 경화되었다. 상기 적층되고, 에폭시 결합된 비정질 금속 바의 중량은 대략 9000g정도였다.
사다리꼴형 프리즘은 1.5mm두께의 절단 브레이드에 의하여 적층되고에폭시 결합된 비정질 금속 바로부터 절단되었다. 프리즘의 사다리꼴 형상 면은 52mm 및 62mm의 밑변(base) 및 48mm의 높이를 갖는다. 상기 사다리꼴 프리즘은 96mm의 두께(3,800층)를 갖는다. 사다리꼴 프리즘의 절단 표면과 코아의 나머지 부분은 질산(nitric acid)/수용액에서 에칭되고 그리고 암모니움 하이드록사이드(ammonium hydroxide)/수용액으로 세정되었다. 상기 사다리꼴 프리즘은 1000Hz에서 1.0T의 피크 유도수준으로 여자시킬 때 11.5W/kg의 코아 손실을 갖는다.
실시예 3
(호(arc) 형상의 절단면을 갖는 다각형 벌크 비정질 금속 부품의 제조)
대략 50mm의 폭, 0.022mm의 두께를 갖는 Fe80B11Si9 비정질 금속 리본이 대략 300mm의 길이로 절단되었다. 절단된 비정질 금속 리본의 대략 3,800층이 대략 50mm의 폭, 300mm의 길이, 및 대략 96mm의 조립 두께를 갖는 바를 형성하기 위하여 적층되었다. 상기 바는 질소분위기에서 어닐링되었다. 상기 어닐링은, 1)바를 365℃까지 가열하고; 2)대략 365℃의 온도에서 대략 2시간동안 유지하고; 그리고 3)바를 상온까지 냉각시키는 것으로 이루어진다.
상기 바는 에폭시수지 용액으로 진공 함침되고 120℃에서 대략 4.5시간동안 경화되었다. 상기 적층되고, 에폭시 결합된 비정질 금속 바의 중량은 대략 9200g정도였다.
상기 적층되고, 에폭시 결합된 비정질 금속 바는 전기-방전기를 사용하여 3-차원 호-형상 블록을 형성하기 위하여 절단되었다. 상기 블록의 외경은 대략 96mm이었다. 상기 블록의 내경은 대략 13mm이었다. 호 길이는 대략 90°이었다. 상기 블록의 두께는 대략 96mm이었다.
대략 20mm의 폭, 0.022mm의 두께를 갖는 Fe80B11Si9 비정질 금속 리본이 대략 19mm의 외경을 갖는 원형 맨드렐 또는 보빈의 둘레에 래핑(wrapping)되었다. 비정질 금속 리본의 대략 1,200 랩(wrap)이 맨드렐 또는 보빈둘레에 와인딩되어 대략 19mm의 내경 및 대략 48mm의 외경을 갖는 원형 코아를 제조하였다. 상기 코아는 대 략 29mm의 조립두께를 갖는다. 상기 코아는 질소분위기에서 어닐링되었다. 상기 어닐링은, 1)코아를 365℃까지 가열하고; 2)365℃의 온도에서 대략 2시간동안 유지하고; 그리고 3)코아를 상온까지 냉각시키는 것으로 이루어진다.
상기 코아는 에폭시수지 용액으로 진공 함침되고 120℃에서 대략 4.5시간동안 경화되었다. 상기 와인딩되고, 에폭시 결합된 비정질 금속 코아의 중량은 대략 71g정도였다.
상기 와인딩되고, 에폭시 결합된 비정질 금속 코아는 수 제트를 사용하여 반(semi)-원형, 3-차원 형상체를 형성하기 위하여 절단되었다. 상기 반원형체는 대략 19mm의 내경, 대략 48mm의 외경, 및 대략 20mm의 두께를 갖는다.
상기 다각형 벌크 비정질 금속 부품의 절단 표면은 질산(nitric acid)/수용액에서 에칭되고 암모니움 하이드록사이드(ammonium hydroxide)/수용액으로 세정되었다.
상기 다각형 벌크 비정질 금속 부품의 각각은 1000Hz에서 1.0T의 피크 유도 수준으로 여자시킬 때 11.5W/kg 미만의 코아 손실을 갖는다.
실시예 4
상기 실시예 1에 제시된 코아 손실이 통상적인 비선형 회귀법을 사용하여 분석되었다. Fe80B11Si9 비정질 금속 리본으로 이루어진 저-손실 벌크 비정질 금속 부품의 코아 손실이 L(Bmax, f) = c1f(Bmax)n + c2f q(Bmax)m형태를 갖는 함수에 의하여 실질 적으로 정의될 수 있다는 것이 평가되었다.
상기에서 계수 c1 및 c2 및 지수 n, m, 및 q는 벌크 비정질 금속 부품의 자기 손실에 대한 상한(upper bound)을 한정하기 위하여 선택되었다.
하기 표 5에는 실시예 1에서의 측정된 부품의 손실 및 상기 식에 의해서 예측된 손실이 나타나 있으며, 이들 손실 각각은 W/kg으로 측정되었다.
f(Hz) 및 Bmax(Tesla)의 함수로서 예측된 손실은 계수 c1 = 0.0074 및 c2= 0.000282, 지수 n=1.3, m=2.4 및 q=1.5를 사용하여 구해진 것이다. 실시예 1의 벌크 비정질 금속 부품의 측정된 손실은 상기 식에 의하여 예측된 대응 손실보다 낮았다.
포인트(point) Bmax (Tesla) 주파수 (Hz) 측정된 코아손실(W/kg) 예측된 코아손실(W/kg)
1 0.3 60 0.1 0.10
2 0.7 60 0.33 0.33
3 1.1 60 0.59 0.67
4 1.3 60 0.75 0.87
5 1.4 60 0.85 0.98
6 0.3 1000 1.92 2.04
7 0.5 1000 4.27 4.69
8 0.7 1000 6.94 8.44
9 0.9 1000 9.92 13.38
10 1 1000 11.51 16.32
11 1.1 1000 13.46 19.59
12 1.2 1000 15.77 23.19
13 1.3 1000 17.53 27.15
14 1.4 1000 19.67 31.46
15 0.04 5000 0.25 0.61
16 0.06 5000 0.52 1.07
17 0.08 5000 0.88 1.62
18 0.1 5000 1.35 2.25
19 0.2 5000 5 6.66
20 0.3 5000 10 13.28
21 0.04 20000 1.8 2.61
22 0.06 20000 3.7 4.75
23 0.08 20000 6.1 7.41
24 0.1 20000 9.2 10.59
25 0.2 20000 35 35.02
26 0.3 20000 70 75.29

실시예 5
(나노결정질 합금 직사각 프리즘의 제조)
대략 25mm의 폭 및 0.018mm의 두께를 갖는 Fe73.5Cu1Nb3B9Si 13.5 비정질 금속 리본이 대략 300mm의 길이로 절단되었다. 절단된 비정질 금속 리본의 대략 1,200층이 대략 25mm의 폭, 300mm의 길이, 및 대략 25mm의 조립 두께를 갖는 바를 형성하기 위하여 적층되었다. 상기 바는 질소분위기에서 어닐링되었다. 상기 어닐링은, 1) 바를 580℃까지 가열하고; 2) 대략 580℃의 온도에서 대략 1시간동안 유지하고; 그 리고 3) 바를 상온까지 냉각시키는 것으로 이루어진다.
상기 바는 에폭시수지 용액으로 진공 함침되고, 120℃에서 대략 4.5시간동안 경화되었다. 상기 적층되고, 에폭시 결합된 비정질 금속 바의 중량은 대략 1200g정도였다.
상기 직사각 프리즘은 적층되고, 에폭시 결합된 비정질 금속 바로부터 1.5mm두께의 절단 브레이드에 의하여 절단되었다. 프리즘의 면은 50mm의 길이를 갖는 대략 25mm 정방형이다. 상기 직사각 프리즘은 25mm(1200cmd)두께를 갖는다. 상기 직사각 프리즘의 절단표면은 질산(nitric acid)/수용액에서 에칭되고 암모니움 하이드록사이드(ammonium hydroxide)/수용액으로 세정되었다.
상기 직사각 프리즘은 1000Hz에서 1.0T의 피크 유도 수준으로 여자시킬 때 11.5W/kg 미만의 코아 손실을 갖는다.
상술한 바와 같이, 본 발명을 상세히 설명하였지만, 당업자라면 이에 한정되지 않고 다양한 변화 및 변경이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이며, 그러나, 이러한 변화 및 변경은 특허청구범위에 의하여 한정되는 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.

Claims (36)

  1. 다면체 형상 부분을 형성하기 위하여 함께 층상화된 실질적으로 유사한 형상의 비정질 금속 스트립 층들을 포함하여 구성되고,
    여자 주파수(excitation frequency) "f"에서 피크 유도 레벨"Bmax"로 여자될 때, 하기 식에 의하여 주어지는 "L" 미만의 코아 손실을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
    [관계식]
    L = 0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4
    [상기 식에서, 코아 손실(L), 여자 주파수(f) 및 피크 유도레벨(Bmax)은 각각 W/kg, Hz, 및 T(tesla)로 측정됨]
  2. 제1항에 있어서, 상기 각각의 비정질 금속 스트립들은 식 M70-85Y5-20Z0-20에 의해서 실질적으로 정의되는 조성을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
    [상기 식에서 아래첨자는 원자%를 나타내며, "M"은 Fe, Ni 및 Co중 적어도 1종이고, "Y"는 B, C 및 P중 1종이고, "Z"는 Si, Al 및 Ge중 적어도 1종이며; 그리고 (ⅰ)성분 M의 10원자%까지 Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta 및 W으로 이루어진 금속그룹중 선택된 적어도 1종에 의하여 대체될 수 있으며, (ⅱ) 성분(Y+Z)의 10원자%까지 In, Sn, Sb 및 Pb로 이루어진 비금속 그룹으로부터 선택된 적어도 1종에 의해서 대체될 수 있으며, 그리고 (iii)상기 성분(M+Y+Z)의 1원자%까지는 통상의 불순물이다]
  3. 제2항에 있어서, 상기 각각의 비정질 금속 스트립들은, B와 Si의 전체함량이 적어도 15원자%일때, 적어도 70원자%의 Fe, 적어도 5원자%의 B 및 적어도 5원자%의 Si를 함유하는 조성을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
  4. 제3항에 있어서, 상기 각각의 비정질금속스트립들은 식 Fe80B11Si9 에 의해 실질적으로 정의되는 조성을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
  5. 제2항에 있어서, 상기 비정질 금속 스트립은 열처리되어 그 내부에 나노결정질 미세조직을 형성하고 있는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
  6. 제5항에 있어서, 상기 각각의 비정질금속 스트립들은 식 Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw에 의하여 실질적으로 정의되는 조성을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
    [상기 식에서 R은 Ni와 Co중 적어도 1종이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W중 적어도 1종이며, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt중 적어도 1종이고, u는 0-10이고, x는 3-12이고, y는 0-4이고, z는 5-12이며, 그리고 w는 0-8임]
  7. 제5항에 있어서, 상기 각각의 비정질금속 스트립들은 식 Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw에 의하여 실질적으로 정의되는 조성을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
    [상기 식에서 R은 Ni과 Co중 적어도 1종이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W중 적어도 1종이며, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt중 적어도 1종이고, u는 0-10이고, x는 1-5이고, y는 0-3이고, z는 5-12이며, 그리고 w는 8-18임]
  8. 제1항에 있어서, 상기 부품은 적어도 하나의 직사각형 단면을 갖는 3-차원 다면체 형상을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
  9. 제1항에 있어서, 상기 부품은 적어도 하나의 사다리꼴형 단면을 갖는 3-차원 다면체 형상을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
  10. 제1항에 있어서, 상기 부품은 적어도 하나의 정방형 단면을 갖는 3-차원 다 면체 형상을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
  11. 제1항에 있어서, 상기 부품은 적어도 하나의 호상표면을 포함함을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
  12. 제1항에 있어서, 상기 자기 부품은, 60Hz의 주파수와 1.4 T의 자속밀도에서 작동될 때, 비정질 금속재료의 1W/kg과 동일하거나 그 미만의 코아 손실(core loss)을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
  13. 제1항에 있어서, 상기 자기 부품은, 1000Hz의 주파수와 1.0 T의 자속밀도에서 작동될 때, 비정질 금속재료의 12W/kg와 동일하거나 그 미만의 코아 손실을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
  14. 제1항에 있어서, 상기 자기 부품은, 20,000Hz의 주파수와 0.30 T의 자속밀도에서 작동될 때, 비정질 금속재료의 70W/kg와 동일하거나 그 미만의 코아 손실을 가짐을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 부품
  15. (a)비정질 금속 스트립 재료로 된 스트립들을 적층체로 제공하는 단계;
    (b)상기 적층체를 어닐링하는 단계;
    (c)상기 적층체를 에폭시 수지로 함침하고 그 수지 함침된 적층체를 경화시키는 단계; 및
    (d)사전 설정된 3-차원 형태를 갖는 다면체 형상의 자기 부품들을 제공하기 위하여 사전 설정된 길이로 상기 적층체를 절단하는 단계;를 포함하고,
    상기 비정질 금속 자기 부품은,
    여자 주파수(excitation frequency) "f"에서 피크 유도 레벨"Bmax"로 여자될 때, 하기 식에 의하여 주어지는 "L" 미만의 코아 손실을 가짐을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 부품의 제조방법
    [관계식]
    L = 0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4
    [상기 식에서, 코아 손실(L), 여자 주파수(f) 및 피크 유도레벨(Bmax)은 각각 W/kg, Hz, 및 T(tesla)로 측정됨]
  16. 제15항에 있어서, 상기 단계(a)가 커팅 브래이드, 커팅 휠, 수 제트 또는 전기-방전기계를 사용하여 비정질 금속 스트립 재료를 절단하는 것을 포함함을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 부품의 제조방법
  17. 그 벌크 비정질금속 자기부품이, 주파수 "f"에서 피크 유도 레벨"Bmax"로 여자될 때, 하기 식에 의하여 주어지는 "L"미만의 코아 손실을 가짐을 특징으로 하는 제15항의 제조방법에 의해 제조된 벌크 비정질 금속 자기 부품
    [관계식]
    L = 0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4
    [상기 식에서, 코아 손실(L), 여자 주파수(f) 및 피크 유도레벨(Bmax)은 각각 W/kg, Hz, 및 T(tesla)로 측정됨]
  18. 절단된 적층체의 각각의 스트립이 식 M70-85Y5-20Z0-20에 의해서 실질적으로 정의되는 조성을 가짐을 특징으로 하는 제15항의 제조방법으로 제조된 벌크 비정질 금속 자기 부품
    [상기 식에서 아래첨자는 원자%를 나타내며, "M"은 Fe, Ni 및 Co중 적어도 1종이고, "Y"는 B, C 및 P중 1종이고, "Z"는 Si, Al 및 Ge중 적어도 1종이며; 그리고 (ⅰ)성분 M의 10원자%까지 Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta 및 W으로 이루어진 금속그룹중 선택된 적어도 1종에 의하여 대체될 수 있으며, (ⅱ) 성분(Y+Z)의 10원자%까지 In, Sn, Sb 및 Pb로 이루어진 비금속 그룹으로부터 선택된 적어도 1종에 의해서 대체될 수 있으며, 그리고 (iii)상기 성분(M+Y+Z)의 1원자%까지는 통상의 불순물이다]
  19. 제18항에 있어서, 상기 각각의 절단된 스트립들은, B와 Si의 전체함량이 적어도 15원자%일때, 적어도 70원자%의 Fe, 적어도 5원자%의 B 및 적어도 5원자%의 Si를 함유하는 조성을 가짐을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 부품
  20. 제19항에 있어서, 상기 각각의 절단된 스트립들은 식 Fe80B11Si9 에 의해 실질적으로 정의되는 조성을 가짐을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 부품
  21. 제18항에 있어서, 상기 각각의 절단된 스트립들은 열처리되어 그 내부에 나 노결정질 미세조직을 형성하고 있음을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 부품
  22. 적어도 하나의 직사각형 단면을 갖는 3-차원 다면체 형상을 가짐을 특징으로 하는 제15항의 제조방법으로 제조된 벌크 비정질 금속 자기 부품
  23. 적어도 하나의 사다리꼴형 단면을 갖는 3-차원 다면체 형상을 가짐을 특징으로 하는 제15항의 제조방법으로 제조된 벌크 비정질 금속 자기 부품
  24. 적어도 하나의 정방형 단면을 갖는 3-차원 다면체 형상을 가짐을 특징으로 하는 제15항의 제조방법으로 제조된 벌크 비정질 금속 자기 부품
  25. 적어도 하나의 호상표면을 포함함을 특징으로 하는 제15항의 제조방법으로 제조된 벌크 비정질 금속 자기 부품
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  35. 제 15항에 있어서, 상기 적층체는 사전 설정된 길이로 절단된 스트립을 포함하는 적층된 바(bar) 형태인 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 부품의 제조방법
  36. 제 15항에 있어서, 상기 적층체는, 방사상인 코너를 갖는 직사각형인 권선된 코아 형태인 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 부품의 제조방법
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