KR101102473B1 - 금속 자기 요소 제조 방법, 저철손의 일체형 무정형 금속 요소, 및 축방향 자속 전기 모터 - Google Patents

금속 자기 요소 제조 방법, 저철손의 일체형 무정형 금속 요소, 및 축방향 자속 전기 모터 Download PDF

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Abstract

모터 또는 발전기와 같은 축방향 자속 전기 기계를 위한 일체형 무정형 금속 자기 요소가 강자성 무정형 금속 스트립의 나선형으로 권선된 환상 원통으로부터 형성된다. 원통은 접착제로 접착되고, 원통의 내경으로부터 외경으로 원통의 고리형면들 중의 하나에 연장 형성된 복수의 슬롯이 제공된다. 요소는 고효율의 축방향 자속 전기 모터의 제조에 바람직하게 채용된다. 여자 주파수 “f”로 동작되면, 일체형 무정형 금속 자기 요소는 “L” 미만의 철손을 갖는데, L은 L=0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4의 식으로 주어지고, 철손, 여자 주파수와 피크 유도 레벨은 각기 킬로그램 당 와트, 헤르쯔 및 테슬러로 측정된다.

Description

금속 자기 요소 제조 방법, 저철손의 일체형 무정형 금속 요소, 및 축방향 자속 전기 모터{METHOD OF CONSTRUCTING A UNITARY AMORPHOUS METAL COMPONENT FOR AN ELECTRICAL MACHINE}
본 발명은 모터와 같은 전기 기계용 자기 요소에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 고효율의 축방향 자속 전기 모터용 회전자 또는 고정자와 같은 철손이 작은 일체형의 무정형 금속 요소를 제조하는 방법에 관한 것이다.
회전형 전기 기계는 거의 항상 적어도 2 개의 자기 요소를 구비한다. 이들은 고정자로 불리는 고정 요소와 정해진 회전축을 중심으로 고정자에 대해 회전하는 회전자이다. 그와 같은 회전 기계에서 에너지는 전기와 자기 형태 사이에서 교환될 수 있다. 가장 친숙한 것으로, 전기 모터에는 사용 가능한 기계적 일로 전환될 수 있는 전기 에너지원이 예컨대 배터리 또는 전력망(electric power grid)으로부터 제공된다. 한편, 발전기는 부과된 기계적 일을 받아 이를 다른 장치의 동작에 사용될 수 있는 전기 에너지로 전환한다. 많은 경우, 기계가 전기 및 기계적으로 연결되는 방식에 따라, 양쪽 기능을 위해 동일한 구조를 사용할 수 있다.
대부분의 회전형 전기 계는 전자기적으로 동작한다. 그와 같은 기계에서, 회전자와 고정자는 보통 강자성 소재를 포함한다. 그와 같은 요소는 시간 및/또는 공간적으로 변화하는 자속의 패턴을 형성하거나 방향 유도하도록 사용된다. 전기와 자기 형태 사이의 에너지 전환은 공지된 전자기 이론 특히 패러데이(Faraday)와 암페어(Ampere) 법칙에 따라 이루어진다. 전자기 메커니즘에서, 회전자와 고정자 중의 적어도 하나는 연질 강자성 소재로 구성되고 전류가 흘러 자기장을 형성하도록 권선이 제공된다. 모터 유형에 따라, 다른 요소는 전류가 흐르는 권선 또는 유도에 의해 여자(勵磁)되는 영구적인 (경질) 자성 소재 또는 연질 자성 소재를 포함한다. 가장 일반적으로 사용되는 연질 자성 소재는 탄소강 및 규소 함유 전기강이며, 이들은 공히 결정 금속 소재이다.
기계의 고정자 및 회전자는 (i) 회전자의 회전축에 대체로 직각인 반경 방향의 작은 간격 또는 (ii) 회전축에 대체로 평행하고 그로부터 일정 거리만큼 떨어진 작은 간격으로 분리된다. 전자기 기계에서, 자속선들이 간격을 가로질러 회전자와 고정자를 연결한다. 따라서, 전자기 기계는 각기 반경 방향 또는 축방향 자속 설계에 따라 넓게 분류될 수 있다. 해당 용어 즉 반경 방향 간격과 축방향 간격은 모터 분야에서 사용되는 것들이다.
반경 방향 자속 기계는 매우 일반적인 것이다. 이와 같은 모터에서 사용되는 회전자와 고정자는 보통 복수의 판상 전기강(electrical steel)으로 구성되는데, 이들은 동일 형태로 펀칭 또는 절삭되고, 정렬되게 쌓이며, 판상 적층되어 모터의 제조 및 동작 중에 형상을 유지하도록 필요한 형태와 치수 및 충분한 기계적 일체성을 갖는 요소를 제공한다.
고정자를 위한 하나의 일반적인 설계는 대체로 원통형으로, 무방향성(non-oriented) 전기강의 복수의 판상 적층물을 포함한다. 각각의 박판은 고정자의 자극을 형성하는 복수의 “톱니”를 따라 고리 형태의 원형 와셔를 갖는다. 복수의 톱니는 판상 적층물의 내경으로부터 돌출하여 원통형 고정자의 개방 중심 쪽을 향한다. 보통 각각의 박판은 기계적으로 연질의 무방향성 전기강을 원하는 형태로 스탬핑하여 형성한다. 이어, 형성된 박판들을 정렬 적층하고 접착하여 고정자를 형성한다. 동작 중에, 고정자는 고정자의 톱니를 에워싸는 권선의 전류 흐름에 의해 형성된 자기장에 의해 주기적으로 자화된다. 그와 같은 자화는 모터 구동을 필요로 하지만 자기 이력에 의한 불가피한 손실을 야기한다. 이들 손실은 모터 효율의 전반적인 감소의 한 요인이 된다.
축방향 자속 설계는 훨씬 덜 일반적으로 사용되는데, 부분적으로는 필요한 전자기 특성과 적절한 기계적 일체성을 갖는 요소를 제조하는 적절한 수단의 결핍 때문이다. 축방향 자속 모터 설계는 몇몇 개시물에서 제안되며, 이들은 Mas의 미국특허 제4,394,597호와 Caamano의 미국특허 제5,731,649호에 개시되는 것들을 포함한다. 이들 기술은 무정형 금속을 채용하는 자기 요소도 역시 제안한다.
비록 무정형 금속이 무방향성 전기강에 비해 낮은 이력 손실을 비롯한 우수한 자기 성능을 제공하지만, 특정한 물리적 특성과 종래 제조의 결과적인 장애 때문에 전기 모터 용도로는 적절하지 않다고 널리 알려졌다. 예컨대, 무정형 금속은 무방향성 강보다 더 얇고 경도가 높다. 따라서, 종래의 절삭 및 스탬핑 공정은 제조 공구 및 다이(die)가 더 빨리 마모되게 한다. 그 결과 공구비 및 제조비가 증 가하여 종래 기술로 회전자 및 고정자와 같은 무정형 금속 요소를 제작하는 것은 상업적으로 실용성이 없다. 얇은 무정형 금속은 주어진 적층 높이의 요소에 필요한 박판의 수를 증가시키고 그에 따라 전체 제조비를 증가시킨다.
무정형 금속은 전형적으로는 균일한 리본 폭을 갖는 얇은 연속적인 리본으로 공급된다. 하지만, 무정형 금속은 매우 경질의 소재이어서, 이를 원활하게 절삭 또는 성형하는 것은 매우 어렵다. 피크 자기 특성을 얻도록 일단 어닐링되면, 취성이 높아져, 종래의 기법으로 무정형 금속 자기 요소를 제조하는 것은 어렵고 비용이 많이 든다. 취성이 큰 무정형 금속은 무정형 금속 자기 요소를 이용하는 모터 또는 발전기의 내구성에도 관계하게 된다. 자기 고정자는 매우 높은 주파수로 변하는 극히 높은 자기력을 받는다. 이들 자기력은 고정자 소재에 상당한 스트레스를 줄 수 있고, 무정형 금속 자기 고정자에 손상을 줄 수 있다. 회전자들은 기계가 여자/비여자되거나 부하가 예컨대 갑자기 변하는 경우 정상 회전과 회전 가속 양자에 의해서도 기계적 힘을 받게 된다.
무정형 금속 자기 요소의 다른 문제점은 무정형 금속 소재가 물리적 스트레스를 받을 때 자기 투자율이 감소한다는 점이다. 투자율 감소는 미국특허 제5,731,649호에 지적한 바와 같이 무정형 금속 소재에 대한 스트레스 강도에 따라 상당한 값이 될 수 있다. 무정형 금속 자기 고정자가 스트레스를 받음에 따라, 자속을 유도하거나 집중시키는 효율이 감소되어, 더 큰 자기 손실, 효율 감소, 열 형성 증가 및 동력 감소를 야기한다. 이 현상을 자기 변형이라고 하며, 모터 또는 발전기의 동작 중에 자기력으로부터 야기되는 스트레스, 기계적 클램핑(clamping) 또는 접착이나 자기 고정자의 적소에의 고정에 의해 야기되는 기계적 스트레스, 또는 무정형 금속 소재의 자기 포화에 의한 열 팽창 및/또는 팽창에 의한 내부 스트레스에 의해 일어난다.
무정형 금속 요소를 제조하기 위한 제한된 수의 새로운 기법이 제안되었다. 예컨대, Frischmann의 미국특허 제4,197,146호는 몰딩 및 콤팩트화한 무정형 금속 박편(flake)으로 제작한 고정자를 개시한다. 비록 이 방법이 복잡한 고정자 형태의 형성을 가능하게 하지만, 이 구조는 무정형 금속의 분리된 박편 입자 사이의 다수의 에어 갭을 갖는다. 이와 같은 구조는 자기 회로의 자기 저항을 증가시킴으로써 모터 동작에 필요한 전류를 증가시킨다.
스트레스에 의한 자기 특성의 하락을 피하기 위해, 미국특허 제5,731,649호는 복수의 적층 또는 코일 권선한 무정형 금속 섹션을 준비하고 이들 금속 섹션을 유전체 하우징(enclosure)에 장착하여 무정형 금속 모터를 제조하는 것을 개시한다. ′649 특허는 무정형 금속의 롤링(rolling)을 통해 판상 코일을 형성하고 에폭시를 사용하여 무정형 금속 코어를 형성하면 코일 소재의 열 및 자기 포화 팽창이 불리하게 제한되고 그 결과 이 코어가 통합된 모터 또는 발전기의 효율을 감소시키는 높은 내부 스트레스 및 자기 변형을 야기한다는 것을 개시한다.
독일 특허 DE 28 05 435호 및 DE 28 05 438호에 의해 교시된 기법은 고정자를 권선 부분과 자극 부분으로 분리한다. 비자가 소재는 권선 부분과 자극 부분 사이의 연결부에 삽입되어 유효 간격을 증가시키고 그에 따라 모터 동작에 필요한 자기 회로와 전류 사이의 자기 저항을 증가시킨다. 자극 부분을 포함하는 소재의 층은 그 평면이 권선된 강 부분 내의 층들의 평면과 직각으로 배치된다. 이 구성은 고정자의 자기 저항을 더욱 증가시키는데, 이는 권선 부분과 자극 부분의 접촉 층들이 각각의 면들 사이의 연결부에서 전체 선형 세그멘트를 따라 만나는 것이 아니고 점들에서만 만나기 때문이다. 또한, 이 기법은 권선 부분의 박판들이 용접에 의해 서로 부착된다는 것을 교시한다. 무정형 금속 박판들을 부착하기 위해 용접과 같은 열 집중 공정을 적용하면, 연결부 또는 그 부근에서 무정형 금속이 재결정될 것이다. 재결정된 무정형 금속의 작은 섹션이라도 고정자의 자기 손실을 수용 불가능한 수준으로 증가시킬 것이다.
더욱이, 무정형 금속은 통상의 전기강을 비롯한 다른 종래의 연질 자기 소재보다 훨씬 낮은 이방성 에너지를 갖는다. 그 결과, 이들 종래의 금속의 자기 특성에 해로운 영향을 주지 않는 수준의 스트레스라도 예컨대 투자율과 철손과 같은 모터 요소에 중요한 자기 특성에 심각한 영향을 준다. 이러한 이유로, 미국특허 제5,731,649호는 접착제 결합의 사용 없이 유전체 하우징에 조심스럽게 내장된 복수의 무정형 금속 세그먼트를 포함하는 자기 요소를 개시한다.
전술한 개시에서 기술한 향상에도 불구하고, 특히 축방향 자속 설계를 갖는 고속의 고효율 전기 기계에 필요한 우수한 자기적 특성과 물리적 특성의 결합을 보이는 개선된 무정형 금속 모터 요소를 제조하는 방법에 대한 필요성이 당업계에 여전히 존재한다. 무정형 금속을 효율적으로 사용하고 축방형 자속 모터 및 이에 사용되는 요소의 높은 체적 생산을 위해 수행될 수 있는 제조 방법도 역시 추구된다.
본 발명은 고효율의 축방향 자속 전기 모터를 위한 단일 부분 또는 일체형 무정형 금속 자기 요소를 제조하는 방법을 제공한다. 이 요소는 회전자 또는 고정자일 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 요소는 원통형 내면과 외면, 2 개의 대향된 고리형면, 이들 면을 분리하는 축방향 두께 및 전기 권선을 수용하도록 이들 면들 중의 적어도 하나에 형성된 복수의 반경 방향 슬롯을 갖는 환상 횡단면의 원통을 포함한다. 원통은 나선형으로 감긴 무정형 금속 스트립으로 형성된다. 층들은 와류 손실을 줄이도록 서로 전기 절연되면 바람직하다. 일체형 구성은 요소 내부의 모든 자극 간격을 제거하여, 자속이 흐를 수 있는 폐쇄 경로를 제공한다. 본 명세서에 사용된 “전기 모터”라는 용어는 보통의 전기 모터에 추가하여 전기 발생기 및 선택적으로는 전기 발생기로서 동작 가능한 재생 모터(regenerative motor)를 포함할 수 있는 다양한 회전형 발전-전기(dynamo-electric) 기계를 총칭한다.
본 발명의 하나의 특징에 따라 제조된 입상(bulk) 무정형 금속 자기 모터 요소는 주기적인 여자 과정에서 매우 낮은 철손을 나타낸다. 그 결과, 자기 요소는 DC로부터 20,000Hz까지의 주파수 범위에서 동작 가능하다. 동일한 주파수 범위에 걸쳐 동작하는 종래의 규소강 자기 요소와 비교할 때 개선된 성능 특징을 나타낸다. 요소가 높은 주파수에서 동작 가능하므로, 종래의 요소를 사용할 때 가능한 것보다 높은 속도와 높은 효율로 동작하는 모터의 제작에 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 제조되고 자기 주파수 “f”에서 피크 유도 레벨 “Bmax”로 여자된 자기 요소는 실온에서 “L” 미만의 철손을 갖는다. L은 L=0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4의 식으로 주어지고, 철손, 여자 주파수와 피크 유도 레벨은 각기 킬로그램 당 와트, 헤르쯔(Hz) 및 테슬러(T)로 측정된다. 자기 요소는 (i) 대략 60Hz의 주파수에서 대략 1.4T의 자속 밀도로 동작할 때 무정형 금속 소재의 대략 1w/kg 이하의 철손, (ii) 대략 1000Hz의 주파수에서 대략 1.0T의 자속 밀도로 동작할 때 무정형 금속 소재의 대략 12w/kg 이하의 철손, 또는 (iii) 대략 20,000Hz의 주파수에서 대략 0.30T의 자속 밀도로 동작할 때 무정형 금속 소재의 대략 70w/kg 이하의 철손을 가질 수 있다.
본 발명의 일체형 무정형 금속 자기 요소는 다수의 강자기 무정형 금속 합금으로 제조될 수 있다. 일반적으로, 무정형 금속은 M70-85Y5-20Z0-20의 식을 갖는 합금으로 구성되며, 아래 첨자는 원자 퍼센트(%)를 나타낸다. 이 경우 “M”은 Fe, Ni 및 Co 중의 적어도 하나이고, “Y”는 B, C 및 P 중의 적어도 하나이며, “Z”는 Si, Al 및 Ge 중의 적어도 하나이다. 다만, (i) “M”성분은 10 원자%까지 Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, Hf, Ag, Au, Pd, Pt 및 W의 금속종 중의 적어도 하나로 대체할 수 있고, (ii) “Y+Z” 성분은 10 원자%까지 In, Sn, Sb 및 Pb의 금속종 중의 적어도 하나로 대체할 수 있으며, (iii) “M+Y+Z” 성분은 대략 1 원자%까지 잔류 불순물일 수 있다는 것을 조건으로 한다.
또한, 본 발명은 저철손의 일체형 무정형 금속 모터 요소의 제조 방법을 제공한다. 상기 제조 방법은 (i) 강자성 무정형 금속 스트립 또는 리본 소재를 나선형으로 감아 원통형 내면과 외면 및 2 개의 고리형면을 갖고 상기 면들이 축방향 두께만큼 분리된 환상 단면의 권선 원통을 형성하는 단계; (ii) 상기 원통을 열처리하는 단계; (iii) 상기 권선된 원통의 각각의 층을 접착제로 인접한 층에 접착하는 단계; 및 (iv) 상기 고리형면들 중의 적어도 하나에 상기 내면과 상기 외면 사이로 상기 축방향 두께보다 작은 깊이로 연장된 복수의 슬롯을 절삭을 통해 형성하여 상기 금속 자기 요소를 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 접착제 접착 단계는 함침에 의해 수행된다. 선택적으로, (v) 상기 금속 자기 요소를 적절한 표면 마감제로 코팅하는 마감 단계를 더 포함한다. 상기 열처리 단계는 무전형 금속 공급 원료의 기계적 또는 자기적 특성을 변경하도록 하나 이상의 열처리를 포함한다. 그와 같은 선택적인 열처리는 기계 동작을 원활하게 하고 요소의 자기적 특성을 개선한다. (i) 내지 (v) 단계는 후술하는 것들을 비롯한 다양한 기법으로 다양한 순서로 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 방법에 따라 제조한 일체형 무정형 금속 요소에 관한 것이다. 특히, 본 발명에 따라 제조된 일체형 무정형 금속 자기 모터 요소는 낮은 철손을 나타내며 높은 효율의 축방향 자속 전기 기계의 고정자로 사용하기에 적합하다.
본 발명은 전술한 일체형 무정형 금속 자기 요소가 통합된 모터, 발전기 또는 재생 모터를 비롯한 축방향 자속 발전-전기(dynamo-electric) 기계도 역시 제공한다. 본 발명의 일면에 따르면, 모터는 유도 모터이며, 적어도 하나의 일체형 무정형 금속 고정자 요소를 포함한다. 유도 모터는 선택적으로 일체형 무정형 금속 회전자도 역시 포함한다. 다른 측면에 따르면, 모터는 대체로 원통형의 일체형 무정형 금속 고정자를 갖는 축방향 자속의 영구 자석 브러시리스 DC 모터이며, 고정자는 대체로 환상의 받침쇠(back iron) 영역으로부터 축방향으로 돌출하고 그와 일체인 복수의 톱니 형태의 자극 섹션을 포함한다. 또한, 모터는 적어도 한 쌍의 대향된 자극이 있는 하나 이상의 영구 자화된 섹션을 갖는 디스크 형태의 회전자 및 회전자와 고정자를 서로에 대해 미리 정해진 위치에서 회전 가능하게 지지하는 베어링 수단을 포함한다. 회전자의 자극은 디스크 표면에 배치되어 이와 대체로 직각 방향으로 자속을 발생시킨다.
본 발명에 의해 제공되는 장점은 제조 간이화, 제조 시간 감소, 입상 무정형 금속 요소의 제조 중에 발생하는 (예컨대 자기 변형과 같은) 스트레스의 감소 및 마무리된 무정형 금속 자기 요소의 성능 최적화를 포함한다. 특히 유리한 점으로서, 다수의 개별 펀칭된 박판을 형성 및 적층하도록 이전에 요구되던 공정 단계가 생략된다. 종래의 펀칭 다이는 제조가 고가이고 무정형 금속을 스탬핑하면 제한된 가용 수명을 갖는다. 더욱이, 본 발명의 공정은 대규모 생산 작업에서 다이 제조 비용을 상각해야 하는 손해 없이 설계 변경을 수용하는 더 큰 융통성을 갖는다. 사용 불가능한 폐기물을 과도하게 생산하지 않는 자기 소재의 효율적인 이용을 통해 큰 직경의 모터를 용이하게 제조할 수 있다. 이들 장점은 종래의 모터 및 그와 연계된 종래의 제조 방법으로는 달성하기가 어렵거나 불가능하다.
본 발명의 전기 기계는 고효율, 높은 회전 속도 및 높은 동력 밀도를 필요로 하는 용례에 특히 유리하다. 본 발명의 자기 요소에 의해 제공되는 철손 감소는 기계의 효율을 증가시키고 개선 정도는 회전 속도의 증가에 따라 증가한다. 더욱이, 모터 분야의 종래의 강제로 구성된 요소에서 철손 감소에 따라, 본 발명의 요소 및 기계는 손실에 따라 수용 불가능한 가열 없이 더 높은 주파수로 여자될 수 있다. 따라서, 모터는 더 높은 회전 속도로 동작할 수 있다. 속도 증가는 동일한 토크 레벨에서 동력 출력을 증가시키고, 더 높은 동력 밀도 즉 모터 중량 당 더 높은 비율의 동력 출력을 일으킨다.
본 발명의 상세한 설명과 첨부 도면을 참조하면 본 발명 및 다른 장점이 더욱 잘 이해될 것이며, 이들 도면에서 유사한 참조 부호는 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 축방향 자속 전기 모터에 사용되는 일체형 무정형 금속 자기 요소의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유도 전기 기계에 포함되는 일체형 무정형 금속 고정자와 일체형 무정형 금속 회전자를 나타내는 분해도이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 일체형 무정형 금속 자기 고정자를 포함하는 축방향 자속형 유도 전기 기계의 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 축방향 자속형 영구 자석 DC 전기 모터에 사용되는 영구 자석 회전자의 평면도이다.
본 발명은 고효율의 축방향 자속 전기 기계를 위한 일체형의 무정형 금속 자기 요소를 제조하는 방법을 제공한다. 이 요소는 강자성의 무정형 금속 스트립이 나선형으로 감긴 대체로 원통형의 회전자 또는 고정자일 수 있다. 복수의 톱니가 환상의 받침쇠(back iron) 섹션으로부터 축방향으로 돌출한다. 층들이 와류 손실을 줄이도록 서로 전기적으로 절연되면 좋다. 본 발명의 무정형 금속 요소는 비교 가능한 종래 기술 요소보다 실질적으로 낮은 철손을 가지므로, 신규 요소를 채용하는 전기 기계의 효율을 증가시킨다.
축방향 간격 전기 기계의 제조에 무정형 금속을 채용하는 종래의 시도는 광범위한 상업적 적용에 이르지는 못하였는데, 이는 기하학적 한계 및 종래의 펀칭, 기계 가공 및 다른 절단 수단에 의해 필요한 요소를 형성하는 적절할 수단의 결여 때문이다.
실질적으로 개선된 AC 자기 특성을 보이는 모터 요소를 더 개선할 필요성이 여전히 존재하며, 가장 중요한 특성은 철손 감소이다. 전기 기계의 제조에서, 높은 자속 밀도, 높은 투자율 및 낮은 철손의 필수적인 결합은 본 발명의 자기 요소를 사용하여 제공된다.
도면을 상세히 참조하면, 도 1에는 축방향 자속 전기 모터에 사용되는 본 발명의 일체형 무정형 금속 자기 요소(21)가 도시된다. 요소(21)는 대향된 고리형면(22, 24)과 원통형 내면 및 외면(33, 27)을 갖는 원통 형상을 형성하도록 나선형으로 감긴 무정형 금속 테이프 또는 리본(34)을 포함한다. 원통 형상은 내 경(d)과 외경(D)을 갖는다. 고리형면(22, 24)은 소정 두께(L)로 서로 분리되어 있다. (도시 생략한) 전도성 요소를 수용하기 위한 복수의 슬롯(26)이 내면(33)으로부터 외면(27)으로 연장된다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 전도성 요소는 회전자가 사용되는 기계 유형에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 요소는 쇼트된 2차 회로(shorted secondary)로서 동작하는 스파이더(spider) 또는 유사한 요소일 수 있다. 이와 달리, 요소는 공급되는 전류의 통과에 의해 여자되는 전기 권선을 구비할 수 있다. 각각의 슬롯(26)은 외면(27)의 폭(W)과 고리형면(22)으로부터 측정한 깊이(T)를 갖는다. 슬롯(26)은 무정형 금속의 감긴 원통을 절삭하여 형성됨으로써, 대체로 고리형인 받침쇠 섹션(35)으로부터 축방향으로 연장된 복수의 톱니(34)를 형성한다. 이 요소는 모터의 기계 및 동작 요구사항과 합치하는 모든 수효의 슬롯을 채용할 수 있다. 일체형 요소(21)는 이 요소가 합체되는 모터의 조립 및 동작에 충분한 구조적 및 기계적 일체성을 부여하도록 에폭시 수지로 합침된다.
도 2는 모터 분야의 당업자에게 공지된 구성에서 톱니(34)를 에워싼 전도성 전기 권선(28)과 함께 도 1에 도시한 것과 같은 제1 코어 요소(21)를 포함하는 고정자 어셈블리(20)를 보여준다. 도 2에는 2 개의 대향된 고리형면(42, 44)이 있는 유사한 제2 코어 요소(41)를 포함하는 회전자(40)도 역시 도시된다. 고리형면(42)은 도체 요소를 수용하기 위한 복수의 반경 방향 슬롯(46)을 구비한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 예시한 실시예에서 회전자(40)용 도체 요소는 스파이더(48) 형태이다. 스파이더는 권선(28)에서 제공되는 자기장에 의해 유도되는 자기장을 형성 하는 쇼트된 2차 회로 역할을 한다. 2 개의 자기장은 서로 반대로 작용하여 회전자(40)를 회전시키는 힘을 발생시킨다. 비록 스파이더(48)가 단편의 주물 요소 형태로 도시되었지만, 여러 차례의 적층 스탬핑(stacked stamping)을 통해 스파이더를 형성할 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 스파이더(48) 대신에, 권선, 슬립 링(slip ring) 및 권선 쇼트용 저항기를 채용한 권선 회전자를 이용할 수도 있다. 고정자(20)와 회전자(40)용 코어 요소는 도 1을 참조하여 기재한 바와 같이 무정형 금속 소재의 스트립을 나선형으로 감아 형성할 수 있다. 권선(28)은 종래의 설계일 수 있는 모터 구동 회로(도시 생략)에 의해 여자되어, 본 발명의 회전자와 고정자로 구성되는 모터가 동작하게 하는 자속을 형성하는 전류원을 제공한다.
도 3은 프레임(30)에 고정 연결된 일체형의 무정형 금속 고정자 어셈블리(20) 및 상기 프레임(30)에 저널 연결된 베어링(32)에 회전 가능하게 장착된 샤프트(29)에 장착된 디스크형 영구 자석 회전자(40)를 사용하여 구성된 본 발명의 예시적인 축방향 자속형 유도 전기 기계(10)를 나타낸다. 회전자(40)와 고정자(20)는 그 사이에 에어 갭(31)이 형성되도록 프레임(30)에 장착된다. 회전자와 고정자는 실질적으로 동일한 각각의 내경 및 외경을 가지면서 동일한 치수로 제공되면 좋다.
도 4는 본 발명의 브러시리스형 축방향 자속 DC 모터에서 도 1에 도시한 일체형 고정자 코어와 함께 사용하기 위한 원판형의 고리형 영구 자석 회전자 어셈블리를 나타낸다. 회전자(60)는 6 개의 원주를 따라 배치된 자석 세그먼트(62)를 구비한다. 세그먼트는 교차하는 방향으로 영구적으로 자화되어 반대 극성의 자극(magnetic pole)을 제공한다. 세그먼트는 각각의 세그먼트(62)의 표면에 존재하는 각각의 자기 북극 및 남극을 표시하도록 N과 S로 식별되어 있다. 각각의 자화 세그먼트(62)는 고리형 전선도판(backing plate, 64)에 접착제로 부착된 (페라이트 또는 희토류 자석과 같은) 영구 자석으로 구성될 수 있다. 도시한 실시예에서, 전선도판(64)의 표면에는 세그먼트(62)를 수용하도록 벽(68)에 의해 형성된 우물(66)이 제공된다. 세그먼트(62)는 회전자(60)에 조립되기 전에 미리 자화될 수 있지만, 바람직하게는 자기 분야에 공지된 기술을 사용하여 조립 이후에 자화된다. 자화 패턴은 회전자 어셈블리의 표면에 실질적으로 수직으로 향한 자속을 제공하며, 자속은 교차하는 세그먼트의 평면의 안쪽 및 바깥쪽으로 교대로 향한다. 회전자 어셈블리(60)의 고리 형태의 내면(72)은 내부에 중앙 개구(70)가 형성된다. 샤프트(29)는 개구(70)를 통과하며, 억지 끼워맞춤, 용접, 납땜, 치합(threaded engagement), 리벳 결합, 핀 고정(pinning) 등의 공지된 방식으로 회전자 어셈블리(40)에 부착되지만 이들로 한정되는 것은 아니다. 이와 달리, 전선도판(64)은 중앙 개구가 없는 중실 구조일 수 있으며, 이 경우 샤프트(29)의 단부는 전선도판(64)에 직접 또는 그에 연관된 플랜지 구조(도시 생략)에 공지된 부착 수단에 의해 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 축방향 자속 모터 구성에서 인식되는 장점으로는 하나 이상의 일체형 무정형 금속 요소를 통합한 결과에 따른 제조 간략화, 제조시간 감소, 무정형 금속 요소의 구성 중에 마주치는 스트레스 (즉 자기변형) 감소, 철손 감소 및 최종 모터의 성능 최적화가 있다.
본 명세서에서 사용된 “전기 모터”라는 용어는 다양한 회전 전기 기계를 나타내고 이들 전기 기계는 전기 발생기 및 선택적으로 전기 발생기로서 동작할 수 있는 재생 모터를 포함할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 기재한 무정형 금속 요소는 이들 장치를 제조하는데 채용될 수 있다. 본 명세서에 제시된 요소는 광범위한 유형, 치수 및 전원 정격(power rating)을 갖는 모터 구성에 사용하기에 적합하다. 이러한 모터는 미세 전기 장치 및 액추에이터용 소형 모터로부터 견인 및 대형 산업 장비를 위한 일체형 출력 모터를 포함한다. 요소는 서로 다른 유형의 축방향 자속 모터에 적합하며, 특히 이들 모터는 브러시리스 및 브러시형 DC 모터, SR(Switched Reluctance) 모터, 다른 동기 모터 및 유도 모터를 포함한다. 따라서, 본 발명의 브러시리스 영구 자기 DC 모터의 일 형태는 디스크형 회전자와 2 개의 실질적으로 거울상인 고정자를 구비하며, 고정자 중의 하나는 회전자의 각각의 대향된 평탄 측면에 동축으로 배치된다. 또한, 브러시리스 영구 자석 DC 모터는 2 개의 회전자로 구성되며, 각각의 회전자는 2 개의 실질적으로 거울상인 고정자를 구비하며, 고정자 중의 하나는 회전자의 각각의 측면에 배치되고 회전자와 고정자는 서로 동축이다.
일반적으로 생각하는 종래의 설계 고려사항에 따르면, 방사상 자속 전기 기계는 높은 샤프트 토크와 높은 출력을 제공하도록 상당히 길게 제조되어야 한다. 넓은 범위의 전원 정격을 갖는 모터 설계는 종종 소수의 표준의 적층 형상으로부터의 선택에 기초할 수 있으며, 전체 스택 길이를 변경하여 명판 정격을 조절한다. 다수의 형상을 제한하면, 서로 다른 다이 세트의 제작비용이 최소화되고 표준 직경 을 선택하여 불가피한 폐기물의 양을 줄일 수 있다. 대조적으로, 본 발명의 축방향 자속 전기 기계는 짧은 샤프트 길이와 큰 직경으로 높은 토크와 동력을 얻을 수 있다. 전원 정격은 모터의 직경을 변경하여 용이하게 조절한다. 또한, 축방향 간격 형상은 큰 가로 방향 공간이 존재하더라도 확대된 축방향 길이가 기계 장착에 유용하지 않은 수작업 용례에 매우 유리하다. 그와 같은 요구사항은 종종 자동차 환경에서 발생하는 것으로, 전기 또는 하이브리드 차량용 견인 모터 및 차량의 내연기관의 플라이휠 부근에 장착되는 직접 구동 시동기 교류발전기 시스템(direct-drive starter alternator system)용 견인 모터를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 본 명세서에서 제시한 무정형 금속 요소와 기계의 저손실에 의해 가능해진 높은 극수(pole-count) 설계의 장점을 갖는다. 당업자라면 본 발명 모터의 평탄하고 컴팩트한 형상이 유리한 다른 용례가 암시될 것이다.
설명한 바에 따라 구성된 3차원 자기 요소(21, 41)는 낮은 철손을 나타낸다. 여자 주파수 “f”에서 피크 유도 레벨 “Bmax”로 여자되면, 요소는 실온에서 L 미만의 철손을 가질 것이다. L은 L=0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4의 식으로 얻으며, 철손, 여자 주파수와 피크 유도 레벨은 각기 킬로그램 당 와트, 헤르쯔(Hz) 및 테슬러(T)로 측정된다. 다른 실시예에서, 자기 요소는 (i) 대략 60Hz의 주파수에서 대략 1.4 테슬러(T)의 자속 밀도로 동작할 때 무정형 금속 소재의 대략 1w/kg 이하의 철손, (ii) 대략 1000Hz의 주파수에서 대략 1.0 테슬러(T)의 자속 밀도로 동작할 때 무정형 금속 소재의 대략 12w/kg 이하의 철손, 또는 (iii) 대략 20,000Hz의 주파수에서 대략 0.30T의 자속 밀도로 동작할 때 무정형 금속 소재의 대략 70w/kg 이하의 철손을 가질 수 있다. 요소의 철손 감소는 요소가 통합되는 전기 장치의 효율을 개선하는 장점이 있다.
낮은 값의 철손은 요소가 고주파수 자기 여자 예컨대 적어도 100Hz의 주파수에서 여자되는 용례에 특히 적절하다. 종래의 철강이 고주파수에서 고유의 높은 철손을 가지므로 고주파수 여자가 필요한 장치에서 사용이 적절하지 않다. 이들 철손 성능치는 요소의 다양한 실시예에 적용되며, 입상(bulk) 무정형 금속 요소의 특정 형상에 무관하다.
예컨대, 동기 모터는 여자 주파수의 비율과 모터의 극수에 비례하는 회전 속도로 동작한다. 종래의 철강 요소 대신 기재한 무정형 금속 요소를 사용하면, 훨씬 높은 극수로 모터를 설계할 수 있다. 또한, 요구되는 여자 주파수 증가가 과도한 철손을 초래하지 않기 때문에 모터는 여전히 동일한 속도로 동작 가능하다. 변형 가능한 속도 용례에서 이와 같은 융통성은 특히 바람직하다. 많은 경우, 넓은 속도 범위로 동작하는 능력에 따라, 설계자는 종래의 모터에 요구되는 기어열 또는 전동 시스템을 생략할 수 있다. 이들 부분을 기계 시스템에서 생략하면 효율과 신뢰성이 개선된다. 이들 특성은 예컨대 차량 견인 용례에서 현재 모터의 용도에 특히 가치 있다.
더욱이, 개시한 요소는 철손 감소에 의해 전기 및 모터 철강으로 구성된 종래 기술의 모터 요소보다 높은 주파수에서 여자될 수 있다. 그와 같은 종래 기술 요소의 여자는 모터 제조에 원래 사용된 전선 절연(wire insulation) 및 다른 소재 를 위태롭게 하는 온도로 모터를 가열하기에 충분한 열을 형성할 가능성이 매우 높다. 따라서, 본 발명의 요소를 사용하여 제조된 모터는 더 높은 회전 속도로 동작함으로써 주어진 토크 레벨에서 더 높은 기계적 동력을 전달하고 더 높은 동력 밀도를 제공할 수 있다.
본 발명의 벌크 무정형 금속 자기 요소는 다수의 강자성 무정형 금속 합금을 사용하여 스트립, 테이프 또는 리본과 같은 널리 공지된 형태로 제조될 수 있다. 일반적으로, 요소에 사용하기에 적절한 무정형 금속은 M70-85Y5-20Z0-20의 식을 갖는 합금으로 구성되며, 아래 첨자는 원자%(퍼센트)를 나타낸다. 이 경우 “M”은 Fe, Ni 및 Co 중의 적어도 하나이고, “Y”는 B, C 및 P 중의 적어도 하나이며, “Z”는 Si, Al 및 Ge 중의 적어도 하나이다. 다만, (i) “M”성분은 10 원자%까지 Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, Hf, Ag, Au, Pd, Pt 및 W의 금속종 중의 적어도 하나로 대체할 수 있고, (ii) “Y+Z” 성분은 10 원자%까지 In, Sn, Sb 및 Pb의 금속종 중의 적어도 하나로 대체할 수 있으며, (iii) “M+Y+Z” 성분은 대략 1 원자%까지 잔류 불순물일 수 있다는 것을 조건으로 한다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, “무정형 금속 합금”이라는 용어는 장거리 질서(long range order)가 실질적으로 결여되고 액체 또는 무기 산화물 유리에 대해 관찰된 것들과 유사한 성질의 최대 X선 회절 강도를 특징으로 하는 금속 합금을 의미한다.
요소 제조의 사용에 적절한 합금은 요소가 사용되는 온도에서 강자성이다. 강자성 소재는 금속의 (일반적으로 큐리 온도라 부르는) 특성 온도 아래의 온도에 서 구성 원자의 자기 모멘트의 강한 장거리 결합과 공간 정렬을 나타낸다. 실온에서 동작하는 장치에 사용될 소재의 큐리 온도는 대략 200℃ 이상 바람직하게는 375℃ 이상이다. 사용될 소재가 적절한 큐리 온도를 갖는 경우, 장치는 극저온 또는 상승된 온도를 포함하는 다른 온도에서 동작할 수 있다.
공지된 바와 같이, 또한 강자성 소재는 포화 유도 또는 등가적으로 포화 자속 밀도 또는 자화를 특징으로 할 수 있다. 적절한 합금은 대략 1.2T 이상의 포화 유도 더 바람직하게는 1.5T 이상의 포화 유도를 갖는다. 또한, 합금은 100μΩ-cm 바람직하게는 대략 130μΩ-cm의 높은 전기 저항을 갖는다.
공급 원료의 용도로 적절한 무정형 금속 합금은 상업적으로 구득 가능하며, 일반적으로는 20cm 이상의 폭과 대략 20-25㎛의 두께를 갖는 연속적인 얇은 스트립 또는 리본 형태이다. 이들 합금은 (예컨대 비결정 구조를 갖는 소재의 대략 80 체적% 이상에서) 거의 완전한 유리질의 미세구조로 형성된다. 합금은 비결정 구조를 갖는 소재로 실질적으로 100%가 형성되면 적절하다. 비결정 구조의 체적비는 X선, 중성자 또는 전자 회절; 투과전자현미경(TEM) 또는 시차주사열량법(Differential Scanning Calorimetry, DSC)과 같은 공지된 방법으로 측정할 수 있다. 저가의 가장 높은 유도값은 “M”, “Y” 및 “Z”가 각기 압도적으로 철, 붕소 및 규소인 합금에서 달성된다. 특히, 적절한 합금은 70 원자% 이상의 Fe, 5 원자% 이상의 B 및 5 원자% 이상의 Si를 포함하며, 이때 B와 Si의 전체 함량은 15 원자% 이상인 것을 조건으로 한다. 따라서, 철-붕소-규소 합금으로 된 무정형 금속 스트립이 바람직하다. 적절한 무정형 금속 스트립의 일례는 대략 11 원자% 붕소와 대략 9 원자% 및 나머지 성분이 철과 잔류 불순물로 된 조성을 갖는다. 이 스트립은 대략 1.56T의 포화 유도 및 대략 137μΩ-cm의 고유저항을 갖는 것으로, 허니웰 인터내셔날 인크(Honeywell International Inc.)에서 METGLAS(등록상표) alloy 2605SA-1이라는 상업적 명칭으로 판매된다. 다른 적절한 무정형 금속 스트립은 대략 13.5 원자% 붕소, 대략 4.5 원자% Si, 대략 2 원자% 탄소 및 철과 잔류 불순물의 나머지 성분으로 이루어진 조성을 갖는다. 이 스트립은 대략 1.59T의 포화 유도 및 대략 137μΩ-cm의 고유저항을 갖는 것으로, 허니웰 인터내셔날 인크에서 METGLAS(등록상표) alloy 2605SC라는 상업적 명칭으로 판매된다. 더 높은 포화 유도가 요망되는 용례를 위해서는, 대략 18 원자% Co, 대략 16 원자% B, 대략 1 원자% Si 및 나머지 성분이 철과 잔류 불순물로 구성된 조성을 갖는 스트립이 적절하다. 이 스트립은 허니웰 인터내셔날 인크에서 METGLAS(등록상표) alloy 2605CO라는 상업적 명칭으로 판매된다. 하지만, 이 소재로 제조된 요소의 손실은 METGLAS(등록상표) alloy 2605SA-1을 사용한 것에 비해 다소 높은 편이다.
충분한 온도와 시간으로 열처리하여 요소에 사용하기 위한 무정형 금속 스트립의 기계적, 자기적 특성을 향상시켜 스트립의 거의 완전한 유리질의 미세 구조를 변경하지 않고 요구되는 향상을 제공할 수 있다. 열처리는 가열, 선택적인 침액 및 냉각을 포함한다. 열처리의 적어도 일부 단계 예컨대 냉각 중에 스트립에 자기장을 선택적으로 인가할 수 있다. 고정자의 동작 중에 자속이 놓이는 방향을 따라 자기장을 인가하면 몇몇 경우에 요소의 자기적 특성을 더 향상시키고 철손을 감소시킬 수 있다. 선택적으로, 열처리는 그와 같은 가열 사이클을 1 이상 포함한다.
일체형 무정형 금속 요소용으로 적절한 특정한 무정형 합금에 열처리를 하여 내부에 나노 결정 미세 구조를 형성하면 합금의 자기 특성을 현저히 개선할 수 있다. 이 미세 구조는 대략 100nm 미만 바람직하게는 50nm 미만 더 바람직하게는 10-20nm의 평균 크기를 갖는 높은 밀도의 입자가 존재하는 것을 특징으로 한다. 입자는 바람직하게는 철계 합금의 체적의 50% 이상을 바람직하게 차지한다. 이들 소재는 낮은 철손과 낮은 자기 변형을 갖는다. 낮은 자기 변형 특성에 따라, 소재는 요소의 제작 및/또는 동작에 따른 스트레스에 의해 자기 특성 하락에 덜 취약하게 된다. 주어진 합금에서의 나노 결정 구조를 형성하는데 필요한 열처리는 거의 완전한 유리질의 미세 구조를 유지하기 위한 열처리에 필요한 것보다 더 높은 온도 또는 더 긴 시간으로 수행되어야 한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 무정형 금속 및 무정형 합금이라는 용어는 거의 완전한 유리질 미세 구조로 형성되고 열처리 또는 다른 공정에 의해 나노 결정 미세 구조를 갖는 소재로 실질적으로 변형된 소재를 포함한다. 나노 결정 미세 구조를 형성하도록 처리될 수 있는 무정형 합금은 간단히 나노 결정 합금이라고도 불린다. 본 발명의 방법에 따라, 나노 결정 합금은 최종 고정자의 필요한 기하학적 형태로 형성될 수 있다. 그와 같은 형성 작업은 일반적으로 취성이 더 크고 취급이 더 어려운 나노 결정 구조를 형성하도록 열처리하기 전에 합금이 여전히 주조 상태의(as-cast) 연성의 실질적으로 비결정 형태인 동안 수행되면 유리하다.
나노 결정 미세 구조의 형성에 의해 현저히 향상된 자기 특성을 갖는 2 종류의 합금은 후속하는 식으로 이루어지며, 아래 첨자는 원자%를 나타낸다.
2 종류의 나노 결정 소재 중의 제1종은 Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw의 식을 갖는 합금으로 구성된다. 여기서, R은 Ni 및/또는 Co이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W 중의 적어도 하나이고, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt 중의 적어도 하나이다. 또한, u는 0 내지 대략 10의 범위이고, x는 대략 3 내지 12의 범위이고, y는 0 내지 대략 4의 범위이고, z는 대략 5 내지 12의 범위이며, w는 0 내지 대략 8의 범위이다. 열처리하여 나노 결정 미세 구조를 형성하면, 이 합금은 (예컨대 대략 1.5T 이상의) 높은 포화 유도, 낮은 철손 및 (예컨대 4x10-6 미만의 절대값을 갖는 자기 변형과 같은) 낮은 포화 자기 변형을 갖는다.
2 종류의 나노 결정 소재 중의 제2종은 Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw의 식을 갖는 합금으로 구성된다. 여기서, R은 Ni 및/또는 Co이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W 중의 적어도 하나이고, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt 중의 적어도 하나이다. 또한, u는 0 내지 대략 10의 범위이고, x는 대략 1 내지 5의 범위이고, y는 0 내지 대략 3의 범위이고, z는 대략 5 내지 12의 범위이며, w는 8 내지 대략 18의 범위이다. 열처리하여 나노 결정 미세 구조를 형성하면, 이 합금은 대략 1.0T 이상의 포화 유도, 특히 낮은 철손 및 (예컨대 4x10-6 미만의 절대값을 갖는 자기 변형의) 낮은 포화 자기 변형을 갖는다. 이와 같은 합금은 (예컨대 1000Hz 이상의 여자 주 파수가 필요한) 매우 높은 속도록 동작해야 하는 모터에 유용하다.
또한, 입상 무정형 금속 요소를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 (i) 강자성의 무정형 금속 스트립 소재를 나선형으로 감아 원통형 내면, 원통형 외면 및 2 개의 고리형면을 갖되 이들 고리형면 사이의 간격이 축방향 두께가 되는 환상 횡단면의 권선 원통을 형성하는 단계; (ii) 상기 원통을 열처리하는 단계; (iii) 상기 권선 원통의 각각의 층들을 인접한 층에 접착제로 결합하는 접착제 결합 단계; 및 (iv) 상기 고리형면 중의 적어도 하나를 절삭하여 상기 내면과 외면 사이에 대체로 반경 방향으로 연장되고 상기 축방향 두께보다 작은 깊이를 갖는 복수의 슬롯을 형성하는 요소 형성 단계를 포함한다. 바람직하게는 접착제 결합은 함침에 의해 수행된다. 선택적으로, (v) 상기 요소를 적절한 표면 마감제로 코팅하는 마감 단계를 수행한다. 열처리 단계는 무정형 금속 공급 원료의 기계적 또는 자기적 특성을 변경하도록 일회 이상의 열처리를 포함한다. 그와 같은 선택적인 열처리는 기계 동작을 원활하게 해주고 요소의 자기 특성을 개선한다. (i) 내지 (v) 단계는 다양한 순서로, 후술하는 것들을 포함한 다양한 기술로 수행할 수 있다. 예컨대, (ii) 열처리 단계는 (iii) 결합 단계 또는 (iv) 요소 형성 단계 이후에 선택적으로 수행한다.
무정형 금속의 열처리는 금속에 필요한 온도 프로파일을 야기하는 가열 수단은 어떠한 것이라도 채용할 수 있다. 적절한 가열 수단은 적외선 열원, 오븐, 유동상(fluidized bed), 상승된 온도로 유지되는 히트싱크와 접촉하는 열접촉, 전류의 스트립 통과에 의해 달성되는 저항성 가열 및 유도 (RF) 가열을 포함한다. 가 열 수단의 선택은 전술한 필요한 처리 단계의 순서에 달려 있다. 열처리에서 냉각과 같은 적어도 일부 단계 중에 무정형 금속에 자기장을 선택적으로 인가할 수 있다.
무정형 금속 소재의 열처리는 기계적 특성을 변경할 수 있다. 특히, 열처리는 무정형 금속의 연성을 감소시켜 무정형 금속의 파괴전의 기계적 변형량을 제한하며, 일부 경우에는 경질의 무정형 금속을 절삭하여 본 발명의 요소의 톱니를 형성하는 작업을 원활하게 해 준다.
접착제 수단을 사용하여 무정형 금속 소재의 층들을 서로 접착시켜 충분한 구조적 완전성을 갖는 입상의 3차원 물체를 제공하여 본 발명의 요소에 필요한 슬롯이 절삭 또는 가공될 수 있게 한다. 또한, 이는 요소의 취급과 사용 및 더 큰 구조로의 통합을 용이하게 해준다. 다양한 접착제가 적절하게 적용될 수 있다. 접착제는 낮은 점성, 낮은 수축률, 낮은 탄성 계수, 높은 박리 강도 및 높은 유전 강도를 가지면 바람직하다. 바람직하게는, 접착제는 1000cps 미만의 점성과 금속의 것과 대체로 동일한 즉 대략 10ppm의 열팽창 계수를 갖는다. 바람직한 접착제는 니스, 혐기성 접착제 및 실온 경화(Room Temperature Vulcanized, RTV) 실리콘 소재 중의 하나 이상으로 구성된다. 더 바람직한 접착제는 National Starch and Chemical Company에서 상품명 Permabond 910FS로 판매하는 메틸 사이노아크릴레이트와 같은 사이노아크릴레이트가 있다. 본 발명의 장치는 이 접착제를 모세관 작용에 의해 리본의 층들 사이로 침투하도록 바름으로써 바람직하게 접착된다. Permabond 910FS는 대략 5초 내에 실온에서 경화하는 단일 부분의 저점성 액체이다. 더욱 바람직한 접착제로는 에폭시류가 있으며, 이들은 화학적 활성화에 의해 경화되는 다중 부분 또는 열이나 자외선 방사에의 노출에 의해 경화되는 단일 부분일 수 있다. 가장 바람직한 접착제는 P. D. George Co.에서 상품명 Epoxylite 8899로 판매하는 저점성의 열활성화 에폭시이다. 본 발명의 장치는 바람직하게는 에폭시로 함침하여 접착하며, 이때 에폭시는 아세톤과 1:5 체적으로 희석하여 점성을 줄이고 리본의 층들 사이로의 침투를 강화한다.
본 발명의 요소를 준비하도록 사용되는 원통을 형성하도록 리본을 감기 전에 이 리본에 접착제를 바를 수 있다. 접착제를 바르는 적절한 방법은 액침(dipping), 분무, 솔질 및 정전기 증착을 포함한다. 또한, 무정형 금속 스트립은 무정형 금속에 접착제를 전사하는 막대 또는 롤러를 지나면서 코팅될 수 있다. 롤러 또는 막대는 그라이버 또는 와이어 붙이 롤러(wire-wrapped roller)와 같은 직조형 표면을 갖는 것으로, 무정형 금속에 균일한 접착제 코팅을 전사하는데 특히 효과적이다. 이와 달리, 더 바람직하게는, 금속층들을 적층한 후에, 모든 층에 접착 수단을 인가할 수 있다. 가장 바람직하게는, 층들 사이의 접착제의 모세관 흐름에 의해 권선 원통을 함침시킨다. 원통을 진공 또는 유체정압(hydrostatic pressure)하에 놓음으로서 더 완전한 충진을 달성할 수 있다. 그와 같이 처리하면 인가한 접착제의 전체 체적을 최소함으로써 높은 적층율을 얻을 수 있다. 175℃ 이상의 온도에서 수행하면, 접착제의 활성화 또는 경화는 전술한 것과 같은 자기 특성에 기여할 수 있다.
본 발명의 자기 요소의 슬롯 형성은 공지된 기술을 사용하여 수행할 수 있다. 이들은 기계적 연마, 다이아몬드 와이어 커팅, 수평 또는 수직 방향으로 수행되는 고속 밀링, 연마수 분사 밀링, 와이어 또는 플런지(plunge)에 의한 전기 방전 기계가공, 전기화학적 연마, 전기화학적 기계가공 및 레이저 커팅을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 절삭 방법은 절삭면 또는 인접한 영역에 어떠한 분명한 손상도 형성하지 않는 것이 바람직하다. 그와 같은 손상은 예컨대 무정형 금속을 결정화 온도를 초과해 국부적으로 가열하거나 소재의 가장자리 및 부근 영역을 용융시키기까지 하는 과도한 절삭 속도에 의해 야기될 수 있다. 불리한 결과로는 가장자리 부근의 스트레스 및 철손 증가, 층간 쇼트(interlaminar shortening) 또는 기계적 특성 저하 등이 있다.
본 발명의 요소를 위한 슬롯을 절삭하는 바람직한 방법은 전기화학적 연마를 포함한다. 이 기법은 전기화학적 및 기계적 동작을 결합하여 요소로부터 소재를 제거한다. 전도성 회전 절삭 바퀴로부터 전해액을 통해 역시 전도성을 갖는 요소에 전류를 통과시킨다. 전류는 절삭 바퀴와 요소 사이로 흐르고, 전해액은 요소를 분해시켜 연질의 금속 산화물을 형성한다. 절삭 바퀴는 극소의 가열 및 요소 뒤틀림만으로 산화된 소재를 제거함으로써, 본 발명 요소의 효율적이고 신속하면서도 정밀한 제조를 제공한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 자기 요소는 종래의 강제로 제조된 유사한 치수의 요소보다 낮은 철손을 나타낸다. 당업계에 공지된 바와 같이, 철손은 강자성 소재의 자화가 시간에 따라 변화함에 따라 강자성 소재 내부에 발생하는 에너지 소실이다. 일반적으로, 주어진 자기 요소의 철손은 요소의 주기적인 여자에 의해 결 정된다. 시간 가변 자기장을 요소에 인가하여 요소 내 자기 유도 또는 자속 밀도의 해당 시간 변화를 일으킨다. 측정의 표준화를 위해, 여자는 자기 유도가 주파수 “f”의 피크 진폭 “Bmax”에서 시간에 따라 사인 곡선으로 변하도록 선택된다. 철손은 공지된 전기 측정 기구 및 기술에 의해 정해진다. 일반적으로, 손실은 여자되는 자기 소재의 단위 질량 또는 체적 당 와트로 보고된다. 손실은 f와 Bmax에 따라 단순 증가한다고 당업계에 공지되어 있다.
{예컨대 ASTM Standards A912-93 및 A927(A927M-94)의} 연질 자기 소재의 철손 시험을 위한 표준 프로토콜이 공지되어 있다. 일반적으로, 이들 프로토콜은 그와 같은 소재의 시편을 필요로 하며, 이 시편은 실질적으로 폐쇄된 자기 회로에 배치된다. 즉 폐쇄된 자속선이 시편의 체적 내에 완전히 수용된다. 이와 같은 시편 형태는 테이프 권선된 또는 펀칭된 환상체, 요크와 교차하는 단일 스트립 또는 엡스테인 프레임(Epstein frame)과 같은 적층 형태를 포함한다. 또한, 이들 형태는 실질적으로 균일한 횡단면을 가져, 양호하게 형성된 자속 밀도에서 시험이 수행될 수 있게 한다. 한편, 모터 요소에 채용된 바와 같은 자속 재료는 자기적으로 개방된 회로에 배치된다. 즉 자속선들이 에어 갭과 교차해야만 하는 구성이다. 가장자리 영역 효과(fringing field effect)와 (자기)장의 불균일 때문에, 개방 회로에서 시험된 소재는 폐쇄 회로 측정에서보다 더 높은 철손 즉 더 높은 단위 질량/체적 당 와트 값을 보인다. 본 명세서에 기재한 입상 자기 요소는 개방 회로 구성에서도 넓은 범위의 자속 밀도 및 주파수에 걸쳐 유리하게도 낮은 철손을 보인다.
어떠한 이론에도 속박되지 않는 것으로, 저손실 입상 무정형 금속 요소의 전체 철손은 이력 손실과 와류 손실이 원인이다. 이들 원인은 각각 피크 자기 유도 Bmax와 여자 주파수 f의 함수이다. 각각의 원인의 크기는 요소 제조의 방법과 요소에 사용된 소재의 열기계적 이력(thermo-mechanical history)을 포함하는 외래 인자에도 역시 의존한다. 무정형 금속의 철손의 종래 기술에 따른 분석{G. E. Fish의 J. Appl. Phys. 57, 3569(1985) 및 G. E. Fish 등의 J. Appl. Phys. 64, 5370(1988) 참조}은 폐쇄 자기 회로 내의 소재에 대해 얻은 데이터로 통상 한정된다. 이들 분석에서 해득된 낮은 이력 및 와류 손실은 부분적으로는 무정형 금속의 높은 고유 저항에 의해 이루어진다.
본 발명에 따른 입상 자기 요소의 단위 질량 당 전체 철손 L(Bmax, f)은 아래 형태의 함수로 정의될 수 있다.
L(Bmax, f)=c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m
여기서, 계수 c1과 c2 및 지수 n, m 및 q는 모두 경험적으로 정해지며, 이들 값을 정밀하게 결정하는 알려진 이론은 없다. 이 식을 사용하면, 요구되는 동작 유도 및 여자 주파수에서 입상 자기 요소의 전체 철손을 정할 수 있다. 회전자 또는 고정자와 같은 모터 요소의 특정 기하학적 형상에서 자기장은 공간적으로 균일하지 않다는 것이 알려져 있다. 실제 입상 자기 요소에서 측정되는 자속 밀도 분포에 매우 근접하게 피크 자속 밀도의 공간 및 시간적 변화를 추정하는 유한 요소 모델링과 같은 기법이 당업계에 공지되어 있다. 공간적으로 균일한 자속 밀도에서 주어진 소재의 자기적 철손을 부여하는 적절한 경험적인 식을 입력으로 사용할 때, 이들 기법은 동작 구성에서 주어진 요소의 해당 실제 철손을 적절한 정밀도로 예측할 수 있다.
철손의 실제 측정은 종래의 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 자기 요소를 에워싸는 제1 권선에 전류를 통과시켜 기자력을 인가할 수 있다. 검사할 자기 요소를 에워싸는 제2 권선에 유도되는 전압으로부터 패러데이 법칙에 의해 결과적인 자속 밀도를 결정한다. 인가된 자기장은 기자력으로부터 암페어 법칙에 의해 결정된다. 그런 다음, 인가된 자기장과 결과적인 자속 밀도로부터 전기 전력계와 같은 종래의 방법에 의해 철손을 계산한다.
본 명세서에 기재한 요소의 특성을 더 충분히 설명하기 위해 아래의 예를 제공한다. 본 발명의 원리 및 실행을 설명하도록 기재한 특정한 기술, 조건, 소재, 특정 및 보고 데이터는 예시적인 것일 뿐이며 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석해서는 안된다.
예 1
일체형 무정형 금속 모터 고정자의 준비 및 전자기 시험
대략 26.7mm의 폭과 0.022mm의 두께를 갖는 Fe80B11Si9 강자성 무정형 금속 리 본을 나선형으로 감아, 도 1에 도시한 바와 같이, 각기 3300 개의 층과, 422mm의 외경 및 272mm의 내경을 갖는 2 개의 실질적으로 동일한 직원 원통 어셈블리를 형성한다. 원통형 어셈블리는 질소 분위기에서 어닐링된다. 어닐링은 1) 각각의 어셈블리를 360℃까지 가열하는 단계; 2) 온도를 대략 2 시간 동안 대략 360℃로 유지하는 단계; 및 3) 각각의 어셈블리를 주위 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다. 각각의 원통형 조립체는 고정구에 배치되어, 에폭시 수지 용액으로 함침되고, 대략 2.5 시간 동안 177℃로 경화된다. 사용된 에폭시는 적절한 점성을 갖도록 아세톤과 1:5 체적비로 희석한 EpoxyliteTM 8899이다. 충분히 경화되면, 각각의 원통형 조립체를 고정구로부터 분리한다. 각각의 결과적인 에폭시 접착된 무정형 금속 원통형 세그먼트 조립체는 그 무게가 대략 14kg이다. 이어, 72 개의 동일한 간격의 슬롯을 각각의 원통형 어셈블리의 고리형 말단 표면들 중의 하나에 절삭 형성한다. 각각의 슬롯은 19mm의 깊이와 5,8mm의 폭을 갖고 원통의 내면으로 외면으로 반경 방향으로 연장한다. 절삭 작업은 전기화학적 연마 공정에 의해 수행된다. 절삭 작업 다음에, 각각의 어셈블리의 표면을 마감 처리하여 과도한 표면 에폭시를 제거함으로써 축방향 간격 전기 모터용의 2 개의 실질적으로 동일한 고정자를 형성한다. 대응하는 이들이 서로 합치되도록 시편들을 동축 정렬한다. 적절한 제1 및 제2 전기 권선을 전기 시험을 위해 원통형 시험 시편 어셈블리에 고정한다.
시험 어셈블리는 대략 60Hz의 주파수와 대략 1.4T의 자속 밀도로 동작할 때 무정형 금속 소재가 1w/kg 미만의 철손값을 보이고, 대략 1000Hz의 주파수와 대략 1.0T의 자속 밀도로 동작할 때 무정형 금속 소재가 12w/kg 미만의 철손값을 보이며, 대략 20,000Hz의 주파수와 대략 0.30T의 자속 밀도로 동작할 때 무정형 금속 소재가 70w/kg 미만의 철손값을 보인다. 본 발명의 요소는 낮은 철손에 의해 모터 고정자의 제조를 위한 용도로 적절하다.
예 2
무정형 금속 모터 고정자의 고주파수 전자기 시험
권선된 무정형 금속층을 갖는 2 개의 원통형 고정자를 예 1에서와 같이 준비한다. 제1 및 제2 전기 권선을 고정자에 고정한다. 60, 1000, 5000 및 20,000Hz와 다양한 자속 밀도에서 전기 시험을 수행한다. 철손 값은 아래의 표 1, 2, 3 및 4와 같다. 표 3과 4에 나타낸 바와 같이, 철손은 5000Hz 이상의 여자 주파수에서 특히 낮다. 따라서, 본 발명의 고정자는 높은 여자 주파수에서 동작하는 모터용으로 특히 적합하다.
60Hz(W/kg)에서의 철손
소재
자속 밀도 무정형
Fe80B11Si9
(22㎛)		 결정 Fe-3%Si
(25㎛)		 결정 Fe-3%Si
(50㎛)		 결정 Fe-3%Si
(175㎛)		 결정 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
1,000Hz(W/kg)에서의 철손
소재
자속 밀도 무정형
Fe80B11Si9
(22㎛)		 결정 Fe-3%Si
(25㎛)		 결정 Fe-3%Si
(50㎛)		 결정 Fe-3%Si
(175㎛)		 결정 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
5,000Hz(W/kg)에서의 철손
소재
자속 밀도 무정형
Fe80B11Si9
(22㎛)		 결정 Fe-3%Si
(25㎛)		 결정 Fe-3%Si
(50㎛)		 결정 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
20,000Hz(W/kg)에서의 철손
소재
자속 밀도 무정형 Fe80B11Si9
(22㎛)		 결정 Fe-3%Si
(25㎛)		 결정 Fe-3%Si
(50㎛)		 결정 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
예 3
저손실 입상 무정형 금속 요소의 고주파수 거동
위의 예 2의 철손 데이터는 종래의 비선형 회귀법을 사용하여 분석된다. Fe80B11Si9 무정형 금속 리본으로 구성된 저손실 일체형의 무정형 금속 요소의 철손은 아래 형태의 함수에 의해 정해질 수 있다.
L(Bmax, f)=c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m
계수 c1 및 c2와 지수 n, m 및 q의 적절한 값은 일체형 무정형 금속 요소의 자기 손실의 상한을 정하도록 선택된다. 표 5는 예 2에서의 요소의 손실 및 전술한 식에서 예측되는 손실을 열거하며, 각각의 값은 w/kg으로 측정된다. f(Hz)와 Bmax(T)의 함수인 예측된 손실은 계수 c1=0.0074 및 c2=0.000282 지수 n=1.3, m=2.4 및 q=1.5를 사용하여 계산된다. 예 2의 입상 무정형 금속 요소의 손실은 식에서 예측되는 해당 손실보다 작다.
Point Bmax (T) 주파수 (Hz) 예 1의 철손 (W/kg) 예측된 철손 (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
1 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
본 발명을 충분히 상세하게 기재하였으며, 그 내용은 엄밀히 고수되는 것은 아니며 당업자는 다양한 수정 및 변형을 안출할 수 있을 것이다. 이들은 모두 첨부된 청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 범위 내에 속한다.

Claims (22)

  1. 전기 기계용 저철손 일체형 무정형 금속 자기 요소를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 강자성 무정형 금속 스트립 소재를 나선형으로 감아 원통형 내면과 외면 및 2 개의 고리형면을 갖고 상기 면들이 축방향 두께만큼 분리된 환상 단면의 권선 원통을 형성하는 단계;
    (b) 상기 원통을 열처리하는 단계;
    (c) 상기 권선된 원통의 각각의 층을 접착제로 인접한 층에 접착하는 단계; 및
    (d) 상기 고리형면들 중의 적어도 하나에 상기 내면과 상기 외면 사이로 상기 축방향 두께보다 작은 깊이로 연장된 복수의 슬롯을 절삭을 통해 형성하여 상기 금속 자기 요소를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접착제는 니스, 혐기성 접착제 및 실온 경화(RTV) 실리콘 소재로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 접착 단계는 상기 원통을 상기 접착제로 함침하고 상기 접착제를 활성화시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 접착제는 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate)인 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 접착제는 에폭시인 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 에폭시는 저점성의 열활성화된 에폭시인 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, (e) 상기 금속 자기 요소를 표면 마감제로 코팅하는 마감 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계를 상기 (c) 단계 이후에 수행하는 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계를 상기 (d) 단계 이후에 수행하는 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열처리는 가열, 침윤(soaking) 및 냉각을 포함하며, 자기장이 적어도 상기 냉각 중에 상기 금속 자기 요소에 인가되는 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 절삭은 전기화학적 연마를 포함하는 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 강자성 무정형 금속 스트립은 M70-85Y5-20Z0-20의 식으로 필수적으로 정해지는 조성을 갖고, M 성분에서의 “M”은 Fe, Ni 및 Co 중의 적어도 하나이고, Y 성분에서의 “Y”는 B, C 및 P 중의 적어도 하나이고, Z 성분에서의 “Z”는 Si, Al 및 Ge 중의 적어도 하나이며, (i) 상기 M 성분은 10 원자%까지 Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, Hf, Ag, Au, Pd, Pt 및 W의 금속종 중의 적어도 하나로 대체 가능하고, (ii) "Y+Z" 성분은 10 원자%까지 In, Sn, Sb 및 Pb의 비금속종 중의 적어도 하나로 대체 가능하며, (iii) "M+Y+Z" 성분은 1 원자%까지 부수 불순물인 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 강자성 무정형 금속 스트립은 70 원자% 이상의 Fe, 5 원자% 이상의 B 및 5 원자% 이상의 Si를 함유하고 B 및 Si의 전체 함량이 15 원자% 이상인 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 M 성분은 Fe이고, 상기 Y 성분은 B이며, 상기 Z 성분은 Si인 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 강자성 무정형 금속 스트립은 Fe80B11Si9의 식으로 필수적으로 정해지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 열처리 단계는 상기 무정형 금속 스트립에 나노 결정 미세 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 강자성 무정형 금속 스트립은 Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw의 식으로 필수적으로 정해지는 조성을 가지며, R은 Ni 및 Co 중의 적어도 하나이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W 중의 적어도 하나이고, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt 중의 적어도 하나이며, 여기서 0<u≤10, 3≤x≤12, 0<y≤4, 5≤z≤12 및 0<w≤18인 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 강자성 무정형 금속 스트립은 Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw의 식으로 필수적으로 정해지는 조성을 가지며, R은 Ni 및 Co 중의 적어도 하나이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W 중의 적어도 하나이고, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt 중의 적어도 하나이며, 여기서 0<u≤10, 1≤x≤5, 0<y≤3, 5≤z≤12 및 8≤w≤18인 것을 특징으로 하는 금속 자기 요소 제조 방법.
  19. 제1항의 방법으로 제조한 저철손의 일체형 무정형 금속 요소에 있어서,
    환상 단면의 원통을 형성하도록 나선형으로 감긴 강자성 무정형 금속 스트립 소재를 포함하며,
    상기 원통은 대향하는 고리형면 및 원통형 내면과 외면을 갖고,
    상기 고리형면은 축방향 두께만큼 분리되고,
    상기 고리형면 중의 적어도 하나는 복수의 슬롯을 가지며,
    상기 슬롯은 상기 원통형 내면과 외면 사이로 연장되는 것을 특징으로 하는 저철손의 일체형 무정형 금속 요소.
  20. 제19항에 있어서, 여자 주파수 “f”에서 피크 유도 레벨 “Bmax”로 여자되면, 상기 금속 요소는 L 미만의 철손을 가지며, L은 L=0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4의 식으로 얻으며, 상기 철손, 여자 주파수와 피크 유도 레벨은 각기 킬로그램 당 와트, 헤르쯔(Hz) 및 테슬러(T)로 측정되는 것을 특징으로 하는 저철손의 일체형 무정형 금속 요소.
  21. 제1항의 방법으로 제조한 적어도 하나의 저철손의 일체형 무정형 금속 요소를 포함하는 축방향 자속 전기 모터에 있어서,
    상기 저철손의 일체형 무정형 금속 요소는, 환상 단면의 원통을 형성하도록 나선형으로 감긴 강자성 무정형 금속 스트립 소재를 구비하며,
    상기 원통은 대향하는 고리형면 및 원통형 내면과 외면을 갖고,
    상기 고리형면은 축방향 두께만큼 분리되고,
    상기 고리형면 중의 적어도 하나는 복수의 슬롯을 가지며,
    상기 슬롯은 상기 원통형 내면과 외면 사이로 연장되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 전기 모터.
  22. 제21항에 있어서, 여자 주파수 “f”에서 피크 유도 레벨 “Bmax”로 여자되면, 상기 금속 요소는 L 미만의 철손을 가지며, L은 L=0.0074f(Bmax)1.3 + 0.000282f1.5(Bmax)2.4의 식으로 얻으며, 상기 철손, 여자 주파수와 피크 유도 레벨은 각기 킬로그램 당 와트, 헤르쯔(Hz) 및 테슬러(T)로 측정되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 전기 모터.
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