KR101140912B1 - 마그네트 코어 및 그의 제조 방법 및 특히 변류기 및전류-보상 인덕터에서의 마그네트 코어의 애플리케이션,마그네트 코어의 제조 밴드 및 합금 - Google Patents

마그네트 코어 및 그의 제조 방법 및 특히 변류기 및전류-보상 인덕터에서의 마그네트 코어의 애플리케이션,마그네트 코어의 제조 밴드 및 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라, 선형 B-H 루프 및 교류 및 직류에서 높은 제어력을 가지며, 500 이상에서 15,000 미만인 상대(μ)을 가지며, 15ppm 미만의 양을 갖는 마그네틱변형 포화(λs)를 가지며 적어도 50%의 합금이 100nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세한 결정성 입자(나노결정성 합금)로 구성되는 강자성 합금으로 이루어지며, 식 FeaCobNicCudMeSifBgXh로 특성화되며, 상기 M은 V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr, Cr, Mn 및 Hf의 원소중 적어도 하나이며, 상기 a,b,c,d,e,f,g는 원자%를 나타내며, 상기 X는 원소 P, Ge, C 및 상업용 도펀트를 나타내며, 상기 a,b,c,d,e,f,g,h는, 0 ≤ b ≤ 40 ; 2 < c < 20 ; 0.5 ≤ d ≤ 2 ; 1 ≤ e ≤ 6 ; 6.5 ≤ f ≤ 18 ; 5 ≤ g ≤ 14 ; h < 5 원자%, 5 ≤ b + c ≤ 45, a+b+c+d+e+f = 100의 조건을 만족시키는, 마그네트 코어가 개시된다.

Description

마그네트 코어 및 그의 제조 방법 및 특히 변류기 및 전류-보상 인덕터에서의 마그네트 코어의 애플리케이션, 마그네트 코어의 제조 밴드 및 합금{MAGNET CORE, METHOD FOR PRODUCTION OF SUCH A MAGNET CORE, APPLICATIONS OF SUCH A MAGNET CORE, ESPECIALLY IN CURRENT TRANSFORMERS AND CURRENT-COMPENSATED INDUCTORS, AS WELL AS ALLOYS AND BANDS FOR PRODUCTION OF SUCH A MAGNET CORE}
본 출원은 미합중국이 지정되어 2004년 4월 1일자로 공동계류중인 국제 출원 No. PCT/EP2004/003485호의 계속출원이며, 2003년 4월 2일자로 출원된 독일 출원 번호 103 15 061.7-11호의 우선권을 청구하며, 이들은 본 명세서에서 참조된다.
본 발명은 교류 및 직류 성분에 대해 높은 제어력(modulability)를 가지는 마그네트 코어, 이러한 마그네트 코어의 제조 방법 및 특히 변류기들 및 전류-보상 인덕터들에서의 마그네트 코어 애플리케이션 및 이러한 마그네트 코어의 제조 밴드 및 합금들에 관한 것이다.
경우에 따라 ac 및 dc에 대해 특정한 제어력을 필요로 하는 다양한 마그네트 코어들의 애플리케이션들에서 ac 및 dc 성분들에 대한 높은 제어력이 요구된다. ac 및 dc 성분에 대해 높은 제어력을 갖는 마그네트 코어들의 애플리케이션들은 예를 들어 변류기들 및 전류-보상 인덕터들에 제공된다.
전류-보상 노이즈 억제 인덕터는 DE-A 35 26 047 및 DE 195 48 530 A1에 개시되어 있다. 이들은 단일상(one-phase) 제품에 대해 2개의 와인딩을 갖고 다상(multiphase) 제품에 대해서는 3개 이상의 와인딩을 갖는다. 노이즈 억제 인덕터 의 와인딩은 작동 전류에 의해 유도되는 마그네틱 플럭스가 상호적으로 상승하도록 접속되는 반면, 2개의 와인딩을 통해 동일상(same phase)으로 흐르는 간섭 전류가 연성의 마그네틱 코어의 자화를 야기시키도록 접속된다. 이렇게 형성된 전류-보상 노이즈 억제 인덕터는 작동 전류를 참조로 매우 작은 유도 저항으로 작용하기 때문에, 간섭 전류는 예를 들어 접속된 장비로부터 발생되며 접지를 통해 폐쇄되어 매우 높은 인덕턴스에 직면하게 된다.
공지된 전류-보상 노이즈 억제 인덕터의 코어는 비정질 또는 소정의 결정성 합금, 바람직하게는 밴드 재료(band material)로 제조된다. 다음 인덕터의 인덕턴스는 본질적으로 마그네트 코어의 연성의 마그네틱 재료의 상대 투자율, 부가적으로 와인딩의 수 및 코어 단면적에 따라 좌우된다.
상기 앞서 도입부에서 언급된 마그네트 코어를 가지는 변류기는 예를 들어 WO 00/30131호에 개시된 바와 같이, 전력계(watt meter)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전력계는 산업 및 가정에서 전기 장비 및 설치물의 전력 소비를 기록하는데 사용된다. 오랫동안 유용한 원리로는 페리리스 측정기(ferraris meter)가 있다. 페라리스 측정기는 해당 필드 코일의 전류- 또는 전압- 비례 필드에 의해 구동되는 기계적 측정기(mechanical meter)에 접속된 디스크의 회전을 통해 측정되는 전력에 기초한다. 멀티플 레이트 동작(multiple rate operation) 또는 원격 판독과 같은 전력계의 기능성을 확장시키기 위해, 전자 전력계는 전류 및 전압 변환기를 통해 전류 및 전압 기록이 이루어지도록 이용된다. 이들 변환기의 출력 신호는 디지털화되고, 곱셈되고, 적분되고(interated) 저장되며, 상기 결과는 원격 판독에 이용 될 수 있는 전기량이 된다.
이러한 전류 변환기의 이용가능한 기술적 변형물의 예로는 앞서 도입부에 따른 변류기가 있다. 도 1은 상기 형태의 변류기 및 기술적 데이터의 범위가 상이한 애플리케이션에서 이루어질 수 있는 치환 회로를 나타낸다. 변류기가 도 1에 도시된다. 측정되는 전류(Iprim)를 보유하는 1 차 와인딩(2) 및 2 차 전류(Isec)를 보유하는 2차 와인딩(3)은 연성의 마그네틱 재료로 구성된 마그네트 코어상에 장착된다. 이러한 전류(Isec)는 이상적인 경우에 1차 및 2차 암페어 권선(turns)이 동일한 크기 및 대향되게 향하도록 자동적으로 조절된다. 도 2에 도시된 이러한 변류기에서의 마그네틱 필드의 성향은 마그네트 코어에서의 손실이 일반적으로 낮은 값이기 때문에 고려되지 않는다. 2 차 와인딩(3)에서의 전류는 유도 법칙에 따라 설정되어, 유도 법칙의 형성 원인, 즉, 마그네트 코어(4)에서의 마그네틱 플럭스의 시간 변화를 방지할 수 있다.
따라서 이상적인 변류기에서, 와인딩 수의 비율로 곱해지는 2 차 전류는 네거티브의 1 차 전류와 동일하며, 이는 식(1)로 표시된다 :
Figure 112005055783816-pct00001
(1)
로드 저항(5), 2차 와인딩의 구리 저항(6) 및 마그네트 코어(4)에서의 손실 때문에 이러한 이상적인 경우는 도달될 수 없다.
따라서 실제 변류기에서 2 차 전류는 상기 이상화(idealization)에 대해 진 폭 에러 및 위상 에러를 가지며, 이는 식(2)로 표시된다.
Figure 112005055783816-pct00002
(2)
이러한 변류기의 출력 신호는 디지털화되고 전력계의 전자장치에서 추가로 처리된다.
산업 애플리케이션에서 전력을 측정하기 위해 사용되는 전자 전력계는 흔히 매우 높기(>> 100 A) 때문에 비간접적으로 동작한다, 즉, 특정 1 차 변류기는, 단지 순수한 바이폴라, 제로-대칭 교류(통상적으로, 1....6Aeff)가 카운터 자체에서 측정될 필요가 있도록 전류 입력의 전방에 접속된다. 이를 위해 변류기는 예를 들면 약 80wt%의 니켈을 함유하는 니켈-철 합금 및 "퍼멀로이(Permalloy)" 란 명칭으로 공지된 고도의-투과성 재료의 마그네트 코어로부터 제조되어 사용된다. 이들은 낮은 측정 에러를 달성하기 위해 원칙적으로 매우 낮은 위상 에러(φ)를 가지며 이러한 이유로 매우 많은(전형적으로 1000 이상) 2 차 와인딩을 갖추고 있다.
작은 산업 설비물에서 사용될 수 있는 가정용 측정기에서의 변류기의 사용은 적합하지 않은데 이는 변류기가 전방에 접속된 1 차 변류기 없이 가정용 측정기와 직접 접속되어, 전류 밀도가 일반적으로 100A 이상일 수 있기 때문이며, 상기 이러한 이유 때문에 변류기가 포화되기 때문이다. 또한, 이러한 전류는 현대의 전기 장비(예를 들어, 정류기 또는 위상 제어 회로)에서 사용되는 반도체 회로에 의해 발생되며 자기적으로 고도의 투과성 마그네트 코어를 가진 변류기를 포화시켜 전력 측정을 왜곡시키는 비-제로-대칭 dc 프랙션(fraction)을 포함할 수 있다.
IEC 62053에 적용되는 국제적 기준은 전자 전력계가 바이폴라 제로-대칭 사인곡선 전류의 규정된 최대 측정가능 유효값(Imax)에 대해 1 및 2% 정확도(accuracy class)를 따르도록 3 또는 6%의 최대 부가적인 에러를 갖는 단극 반파 정류 사인곡선 전류의 최대 진폭을 측정할 수 있어야 한다고 규정되어 있고, 공칭값은 최대 유효값과 동일하다. 이러한 기준 이외에, 단극 전류의 낮은 진폭 제한값을 갖더라도 앞서 규정된 전력을 기록하는 특성을 충분히 한정하는 것을 허용하는 지역적 및 국가적 규정이 있다.
이러한 전류를 형성하기 위해, 변류기는 개방 마그네틱 회로 또는 기계적으로 주입된 에어 갭을 공유하는 저투과성 마그네틱 회로를 기초로 동작한다는 것으로 공지되어 있다. 이러한 전류 변환기의 예로는 (공유된) 에어 갭이 제공된 페라이트-쉘(ferrite-shell) 코어가 마그네트 코어로서 사용되는 변류기가 있다. 이는 1 차 전류의 함수로 바람직한 선형을 갖지만, 페라이트의 비교적 낮은 포화 유도 때문에, 변류기의 전체 전류범위에 대해 높은 선형성을 갖는 높은 최대 측정가능 1 차 전류를 달성하기 위해 상당히 큰 체적의 마그네틱 코어가 요구된다. 또한 이러한 변류기는 외부 외계 필드에 대해 민감성이 높기 때문에, 재료 및 설치에 집중적이어서 비용면에서는 바람직하지 못한 차단 조치가 취해져야 한다. 또한, 마그네틱 값(magnetic values)은 일반적으로 페라이트의 온도에 크게 영향을 받는다.
또한 전류 변환기는 철이 없는(iron-free) 에어 코일상에서 동작하는 것으로 공지되어 있다. 이러한 원리는 로고우스키(Rogowski) 원리로 공지되어 있다. 측정 정확성에 따른 연성의 마그네틱 재료의 특성 효과는 낮아진다. 이러한 전류 변환기의 자기적 개방 설계로 인해, 이들은 외부 필드에 대해 특히 요구되는 차폐물이 장착되어야 하며, 이는 재료 및 설치 소비로 인해 상당한 비용을 소비시킨다.
기술적으로 높은 값의 실행 방안은 빠르게 고형화된 비정질 연성의 마그네틱 재료로부터 상대적으로 낮은 투자율(μ=1400-3000)의 마그네트 코어를 가지는 변류기의 사용에 있다. 레벨 제어시 변화 동안 바람직한 투자율 유지는 전송되는 전체 전류 범위에 걸쳐 위상 에러의 매우 높은 선형성을 보증한다. dc 프랙션을 가지는 낮은 투자율 값의 포화가 계산가능한 제한범위 내에서 방지되기 때문에, 한편으로, 1 차 전류와 2 차 전류 사이에는 해당 전자 회로 또는 소프트웨어에 의해 전력계에서 보상되어야 하는 상당히 높은 위상 에러의 발생이 야기된다. 전자 전력계에 대해 이전에 공지된 변형물에서는, 전형적으로 0.5-5°의 보상 범위가 제공되나, 메모리 및 반도체 회로를 처리하는 신호를 참조로 요구조건이 증가되어 이러한 범위보다 높은 보상 값이 요구되며, 이는 장비 비용을 증가시킨다. 전력계 시장에서 경쟁되는 제조자의 관점에서 볼때 사용되는 마그네틱 재료에 대한 비용은 심각한 문제이며, 이는 이전에 사용되던 합금이 약 80 원자%의 Co를 포함하고 있어, 상대적으로 고가의 재료비를 수반하기 때문이다.
애플리케이션과 관련된 특성으로 ac 및 dc 성분에 대한 제어력을 갖는 마그네트 코어를 개선시키는 것이 본 발명의 목적이다. 본 발명의 또 다른 목적은 이러한 마그네트 코어에 대한 애플리케이션 뿐만 아니라 상이한 애플리케이션에 적합하도록 마그네트 코어의 특성을 고려하여 마그네트 코어를 설계하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 특히 비용면에서 효과적인 마그네트 코어를 제공하는 것이다. 본 발명의 최종 목적은 이러한 마그네트 코어를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 교류 및 직류에서 높은 제어력 및 선형 B-H 루프를 가지는 마그네트 코어에 의해 달성되며, 상기 마그네트 코어는 500 이상에서 15,000 미만의 상대 투자율(μ), 15ppm 미만의 양을 갖는 자기변형 포화(λs)를 가지며 합금의 적어도 50%가 100nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세한 결정성 입자(나노결정성 합금)로 구성되고 식 FeaCobNicCudMeSifBgXh로 특성화되는 페로마그네틱 합금으로 이루어지며, 상기 M은 V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr, Cr, Mn 및 Hf의 원소중 적어도 하나이며, 상기 a,b,c,d,e,f,g는 원자%를 나타내며, 상기 X는 원소 P, Ge, C 및 상업용 도펀트를 나타내며, 상기 a,b,c,d,e,f,g,h는
0 ≤ b ≤ 40 ;
2 < c < 20 ;
0.5 ≤ d ≤ 2 ;
1 ≤ e ≤ 6 ;
6.5 ≤ f ≤ 18 ;
5 ≤ g ≤ 14 ;
h < 5 원자%,
5 ≤ b + c ≤ 45, a+b+c+d+e+f = 100의 조건을 만족시킨다.
또한, 상기 a,b,c,d,e,f,g,h는
0 ≤ b ≤ 20 ;
2 < c ≤ 15 ;
0.5 ≤ d ≤ 2 ;
1 ≤ e ≤ 6 ;
6.5 ≤ f ≤ 18 ;
5 ≤ g ≤ 14 ;
h < 5 원자%,
5 ≤ b + c ≤ 30, a+b+c+d+e+f = 100의 조건을 만족시킨다.
또한, 상기 a,b,c,d,e,f,g,h는
0 ≤ b ≤ 10 ;
2 < c ≤ 15 ;
0.5 ≤ d ≤ 2 ;
1 ≤ e ≤ 6 ;
6.5 ≤ f ≤ 18 ;
5 ≤ g ≤ 14 ;
h < 5 원자%,
5 ≤ b + c ≤ 20, a+b+c+d+e+f = 100의 조건을 만족시킨다
또한, a,b,c,d,e,f,g,h는,
0.7 ≤ d ≤ 1.5 ;
2 ≤ e ≤ 4 ;
8 ≤ f ≤ 16 ;
6 ≤ g ≤ 12 ;
h < 2 원자%의 조건을 만족시킨다.
Co 함량은 Ni 함량 이하일 수 있다. 마그네트 코어는 50㎛ 미만의 두께를 가지는 밴드(band)로부터 와인딩된 환형의 밴드 코어(토로이달 코어) 형태일 수 있다. 항전계 세기(coercitivity field intensity)(Hc)의 양은 1A/cm 미만일 수 있다. 잔류자기 비율은 0.1 미만일 수 있다. 마그네트 코어는 1000 이상 10,000 미만의 상대 투자율(μ), 특히 1500 이상 6000 미만의 상대 투자율(μ)을 가질 수 있다. 자기변형 포화(λs)는 10ppm 미만일 수 있다. 합금의 적어도 50%는 50nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세한 결정성 입자에 의해 달성될 수 있다. 마그네트 코어는 에어 갭이 없는 폐쇄된 토로이달 코어, 타원형 코어 또는 직사형 코어로 구성될 수 있다. 마그네트 코어는 쓰로우(through)에 고정될 수 있다. 코어의 고정을 위해 연성의 엘라스틱 반응 접착제 및/또는 연성의 플라스틱 비반응 페이스트가 제공될 수 있다.
또한 상기 목적은 상기 마그네트 코어의 제조 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은 마그네트 코어의 횡방향 마그네틱 필드에서 열처리를 수행하는 단계를 포함한다.
또한 열 처리는 종방향 마그네틱 필드에서 수행될 수도 있다. 또한 열처리는 종방향 필드에서 열처리를 수행하기 이전에 횡방향 필드에서 수행될 수 있다. 선택적으로, 열처리는 종방향 필드에서 열처리 이후 횡방향 필드에서 수행될 수 있다.
상기 목적은 본 발명의 마그네트 코어로 교류 전력에 대한 변류기에 의해 달성되며, 변류기 코어로서 마그네틱 코어 이외에, 변류기는 1차 와인딩 및 적어도 하나의 2차 와인딩을 포함하며, 상기 2차 와인딩은 로드 저항 및/또는 측정 전자장치에 의해 종결되는 저-저항이다.
변류기는 개별 사양(specification) 및 디멘션에 따라 로드 저항 및/또는 측정 전자장치로 회로에서 최대 7.5°의 위상 에러를 가질 수 있다. 또한 변류기는 개별 사양 및 디멘션에 따라 로드 저항 및/또는 측정 전자장치로 회로에서 최대 5°의 위상 에러를 가질 수 있다.
상기 목적은 상기 개시된 마그네트 코어를 가지는 전류-보상 인덕터에 의해 달성될 수 있으며, 상기 인덕터는 마그네트 코어 이외에 적어도 2개의 와인딩을 갖는다.
인덕터는 공칭 전류의 적어도 10%의 방전 전류가 흐르는 동안 150kHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 적어도 20dB의 삽입 감쇠를 갖는다. 또한 인덕터는 공칭 전류의 적어도 20%의 방전 전류가 흐르는 동안 150kHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 적어도 20dB의 삽입 감쇠를 갖는다.
종래 기술과 비교해서, 변류기는 (예를 들어 페라이트 코어를 가지는) 공지된 변류기에 비해 본 발명에 따른 마그네트 코어로 특성(예를 들면 온도 성향(trend), 위상 에러, 최대 1차 전류, 최대 단극 1차 전류 및 비용)이 상당히 개선된다. 또한 마그네트 코어는 밀폐된 에어 갭 없이 설계될 수 있다. ac 및 dc 성분에 대한 높은 제어력(modulability) 이외에, 초기 차폐 조치 없이 외부의 외계 마그네틱 필드에 대해 높은 면역력으로 광범위한 전류 범위에 걸쳐 특히 전류 측정기 애플리케이션에 대해 매우 바람직한 높은 선형성의 전류 형성이 이루어진다. 따라서, 본 발명에 따른 마그네틱 코어는 변류기 및 전류-보상 인덕터에 특히 적합하다. 그러나, 본 발명은 임의의 다른 애플리케이션에도 바람직하게 사용될 수 있다.
고가의 원소인 Co가 포함되지 않거나 또는 단지 제한된 양만을 포함하는 합금으로부터 낮은 코어 질량, 및 상대적으로 적은 권선수를 가진 와인딩을 가지는 본 발명에 따른 마그네트 코어의 특정한 성질에 의해 변류기 및 전류-보상 인덕터의 간단한 설계가 가능하기 때문에, 저가의 제조가 가능하여 이전에 언급된 애플리케이션에 대해 특히 적합하다. 언급된 성질에 따른 온도는 가능한 낮아질 수 있다.
규정된 최대 1차 전류에 대해 본 발명에 따른 변류기에서, 전류는 재료-특정 포화 유도, 코어 단면적에 비례하고 로드 저항 및 2차 와인딩의 저항에 대한 값의 합에 반비례하는 것으로 가정된다. 코어 크기(체적)는 코어 단면적과 평균 마그네틱 경로 길이의 곱이된다. 코어 질량은 재료 밀도가 곱해짐으로써 얻어진다. 동시에, 최대 단극 전류 진폭은 재료-특정 포화 유도 및 평균 마그네틱 경로 길이와 비례하며 재료의 투자율에 반비례한다.
다음 앞서 언급된 저항 합에 비례하고 투자율에 반비례하는 약 ≤8°의 위상 에러의 값에 대략 이르는 최소 위상 에러가 달성된다. 또한, 가능한 큰 포화 유도(saturation induction)가 달성된다. 약 80 원자%의 Co를 가지는 비정질 재료는 0.8-1T의 포화 유도에 대한 값을 갖는다. 상승치(increase)는 동일한 최대 전류를 가지는 마그네트 코어의 감소 또는 동일한 코어 크기에서 최대 전류에서의 증가를 허용한다.
초기에 코어 크기(코어 체적)는 일정하게 유지되는 것으로 가정된다. 또한, 측정기 디자이너에 의해 결정되는 2 차 와인딩의 수 및 로드 저항은 변하지 않아야 한다. 예를 들어, 10 원자%의 Ni를 가지는 나노결정성 재료에 따라 0.9 T 내지 1.2 T의 포화 유도 증가 동안 변류기는 33% 높은 1차 전류를 형성할 수 있다. 또한, 증가된 포화 유도를 가지는 등가의 최대 단극 전류 진폭 및 등가의 코어 크기를 가지는 이러한 설계는, 예를 들면, 10원자%의 Ni를 가지는 나노결정성 재료에 대해 약 80 원자%의 Co를 갖는 비정질 재료에서 1500-3000에서 2000-4000로 증가되는 높은 투자율을 허용한다. 이는 다시 대략 25%의 낮은 위상 에러를 유도하며 이는 전력계에서 보상 비율을 상당히 감소시킨다. 코어 단면적의 25%를 감소시키는 방안이 등가의 최대 1차 전류에 사용되고 2 차 와인딩의 저항을 감소시키기 위해 크기 비율이 대응되게 조절되면, 동일한 로드 저항으로 위상 에러가 5°에서 2.5로 절반이 될 수 있다.
10 원자%의 Ni를 가지는 나노결정성 재료를 사용하는 동안 이 경우 코어 재료에 대한 비용은, 약 80 원자%의 Co를 가지는 비정질 재료로 이루어진 코어의 재료 비용을 약 30% 감소시킨다.
본 발명에 따른 마그네트 코어의 바람직한 변형물은 마그네틱 필드에서의 템퍼링에 의해 자화(magnetization) 방향에 수직으로 설정되며, 하우징 보다 큰, 바람직하게 1500 내지 10,000 미만, 바람직하게는 6000의 투자율을 가지며, 100nm 이하, 바람직하게는 50nm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 미세한 결정성 입자에 의해 적어도 50%의 합금이 점유되는 페로마그네틱 합금(나노결정성 합금)의 라운드 밴드(round band)로 마그네트 코어가 이루어진, 변류기에서의 사용에 특히 바람직하다. 포화 유도는 1 Tesla 이상이다.
보다 바람직한 변형으로는 자기변형 포화(λs < 15ppm)(바람직하게 <10ppm)를 포함한다. 이러한 성질은 원래는 고가의 Co-기재 합금 상에서만 달성될 수 있지만, 나노결정성 Fe-기재 합금에서 통상의 합금의 투자율 범위는 10,000 이상이다. 본 발명에 따른 마그네트 코어에 대한 합금은 식 FeaCobNicCudMeSifBgXh로 으로 표시되는 조성물을 포함하며, 상기 M은 V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr, Cr, Mn 및 Hf의 원소중 적어도 하나이며, 상기 a,b,c,d,e,f,g는 원자%를 나타내며, 상기 X는 원소 P, Ge, C 및 상업용 도펀트를 나타내며, 상기 a,b,c,d,e,f,g,h는,
0 ≤ b ≤ 40 ;
2 < c < 20 ;
0.5 ≤ d ≤ 2 ;
1 ≤ e ≤ 6 ;
6.5 ≤ f ≤ 18 ;
5 ≤ g ≤ 14 ;
h < 5 원자%,
5 ≤ b + c ≤ 45, a+b+c+d+e+f = 100의 조건을 만족시킨다.
a,b,c,d,e,f,g,h의 합금 조성을 가지는 마그네트 코어는 바람직하게
0 ≤ b ≤ 20 ;
2 < c ≤ 15 ;
0.5 ≤ d ≤ 2 ;
1 ≤ e ≤ 6 ;
6.5 ≤ f ≤ 18 ;
5 ≤ g ≤ 14 ;
h < 5 원자%,
5 ≤ b + c ≤ 30, a+b+c+d+e+f = 100의 조건을 만족시킨다.
a,b,c,d,e,f,g,h의 합금 조성을 가지는 마그네트 코어는 바람직하게
0 ≤ b ≤ 10 ;
2 < c ≤ 15 ;
0.5 ≤ d ≤ 2 ;
1 ≤ e ≤ 6 ;
6.5 ≤ f ≤ 18 ;
5 ≤ g ≤ 14 ;
h < 5 원자%,
5 ≤ b + c ≤ 20, a+b+c+d+e+f = 100의 조건을 만족시킨다.
가장 바람직한 결과는,
0.7 ≤ d ≤ 1.5 ;
2 ≤ e ≤ 4 ;
8 ≤ f ≤ 16 ;
6 ≤ g ≤ 12 ;
h < 2 원자%,
5 ≤ b + c ≤ 20, a+b+c+d+e+f = 100의 조건을 만족시키는 합금 조성을 가지는 마그네트 코어에 의해 제공된다. 바람직하게 Ni 함량 보다 작은 Co 함량을 갖는 변형이 가능하다.
이러한 마그네트 코어는 자화에 대한 투자율 의존도가 매우 작다. 따라서 마그네트 코어의 히스테리시스 루프는 폭이 매우 좁고 선형적이다. 이는 30% 미만, 가능하다면 바람직하게는 20%의 잔류자기(remanence) 유도 대 포화 유도의 가능한 가장 작은 비율 및 1 A/cm 미만 가능하다면 0.2A/cm의 낮은 항전계 세기를 요구한다. 이는 투자율 값에 대해 고도의 불변성을 제공한다. 투자율의 비선형성은 △μ/
Figure 112005055783816-pct00003
<15%(바람직하게는 10% 미만)이며, △μ는 1.2 Tesla의 포화 유도 이하로 약 5%에 이르는 전체 측정가능한 자화 범위에 걸친 투자율의 최소값과 최대값 사이의 차에 대해 가장 큰 값을 나타내며
Figure 112005055783816-pct00004
는 이러한 자화 범위에서의 평균 투자율을 나타낸다.
본 발명에 따른 마그네트 코어를 갖는 변류기는 마그네트 코어 이외에, 적어도 1차 와인딩 및 하나의 2차 와인딩을 포함하며, 로드 저항은 병렬로 접속되고 낮은 저항을 갖는 2차 회로로부터 폐쇄된다. 언급된 범위에서 마그네트 코어의 투자율은 자화와 본질적으로 무관하기 때문에, 이러한 마그네틱 코어를 갖는 상기 전류 변환기의 절대 위상 에러 및 절대 진폭 에러는 광범위한 1차 전류 범위에 걸쳐 거의 일정하다. 절대 진폭 에러는 1% 보다 작을 수 있다. 절대 위상 에러는 5°미만일 수 있다. 바람직한 선형성 때문에, 위상 및 진폭 에러의 절대 값들은 장착된 전력계의 전자장치 또는 소프트웨어에 의해 쉽게 보상될 수 있어, 전기 전력에 대한 높은 측정 정확성이 유도된다.
좁은 결정성 구조 때문에, 마그네트 코어는 놀랍게도 높은 내노화성(aging resistance)을 가져, 120℃ 이상의 마그네트 코어에 대한 상위 애플리케이션 온도, 특정한 경우 심지어 약 150℃의 온도를 허용한다. 정확하게는 마그네트 코어를 갖는 전류 변환기 때문에 실온 이상에서도 사용이 적절하다.
마그네트 코어의 성질은 대체로 온도와 관련성이 적으며, 상기 관련성은 대체로 선형적이다. 투자율의 온도 계수는 0.5%/K 미만의 절대값, 바람직하게는 0.2%/K 미만의 절대값을 가져야 한다.
또한 본 발명은 상기 개시된 조성의 합금의 적절한 열처리에 의해 상기 개시된 성질이 달성될 수 있다는 발견을 기초로 한다. 마그네트 코어가 개시된 성질을 갖도록, 매우 많은 파라미터들이 상호 조절될 수 있다.
열처리 동안 발생되며 동시적으로 높은 포화 유도 및 높은 열 안정성을 갖는 나노결정성 2-상(two-phase) 구조물 때문에, 양호한 연성의 마그네틱 성질이 달성된다. 바람직하게 코어는 밴드로 제조되며 본 발명에 따른 합금으로부터 권선이 형성된다.
본 발명은 도면에 개시된 실시예에 의해 하기에 상세히 설명된다.
도 1은 동작이 이루어질 수 있는 상이한 기술적 데이터의 범위 및 공지된 전류 변환기에 대한 대체 회로를 나타내는 도면,
도 2는 도 1에 따른 전류 변환기에서의 마그네틱 필드의 성향을 나타내는 도 면,
도 3은 640Å의 공칭 1차 전류(Iprim)에 대한 1차 전류의 함수로서(Å) 진폭 에러(%) 및 위상 에러(°)의 성향을 나타내는 도면,
도 4는 400Å의 공칭 1차 전류(Iprim)에 대한 1차 전류의 함수로서(Å) 진폭 에러(%) 및 위상 에러(°)의 성향을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 바람직한 합금의 히스테리시스 루프를 나타내는 도면.
전기 전력계에 대한 dc 톨러런스를 갖는 "변류기" 애플리케이션 분야가 하기의 예로 개시된다. 높은-투자율 코어를 가지는 오랫동안 공지된 종래의 변류기에서, dc 톨러런스에 대한 표준 시리즈 IEC 62053의 요구조건 충족은 불가능한 것으로 밝혀졌다. 직접 접속된 가정용 전기 측정기의 요구조건에 적용되는 이러한 기준은 반파 정류(즉, 순수하게 단극인) 사인곡선형 전류 전력 기록을 제공이 가능해야 한다는 것을 요구한다.
높은 투자율의 코어는 축적되는 단극 플럭스에 의해 매우 빠르게 포화되기 때문에 종래의 변류기는 바람직하지 못하다. 코어 재료의 투자율 감소로 플럭스 감소의 시간 상수 또한 인덕턴스와 함께 하강되어 상기 문제는 저-투과성 비정질 함금의 사용으로 해소될 수 있다. 그러나, 대체로 약 80%의 Co의 비정질 밴드에 의해 야기되는 고가의 비용으로 인한 단점이 있다.
따라서 선택적으로 비용면에서 상당한 장점을 가지는 비정질 저-투자율 Co-기재 밴드로 대체하기에 적합한 매우 낮은-투과성(바람직하게 약 1500-6000의 μ) 합금 변형물을 발견하는 것이 고려된다.
전력 측정 정확성에 대한 요구조건이 부합될 수 있을 정도로 뛰어난 Co-기재 밴드의 선형성이 달성되는지 여부를 해명하는 것이 중요하다. 소정의 경우 높은 포화 유도가 최적의 방식으로 해당 애플리케이션에 전달될 수 있다. 요구조건은 값싼 페라이트 코어의 사용과 관련하여 상당한 기술적 장점을 가지는 IEC 62053에 따른 기능을 충족시키는 것이다.
초기의 밴드는 Si 함량 및 Nb 함량에서 변형되는 것으로 관찰되었다. 각각 횡방향 필드 열처리에서 2개의 상이한 온도를 갖는 변형물을 가지는 두개의 코드가 포함된 실험 프로그램 및 합금 변형 밴드에서 랜덤한 실험과 관련한 3개의 합금 조성물은 환형 밴드 코어로 처리되며 6.2mm의 폭을 갖는 실험적인 합금으로 주조된다. 이들은 상이한 온도에서 횡방향 필드로 가능한 평탄한 히스테리시스 루프를 달성하도록 처리된다. 초기에 달성된 평균 투자율(μav) 및 다른 기본(base) 파라미터가 결정된다(표 1 참조).
표 1 : V 및 Ni 첨가제를 갖는 합금
Figure 112005055783816-pct00005
Rem = reminder
연구 최초에 모든 코어는 선형성 측정에 대해 적절히 와인딩되는 필러(filler) 없이 쓰로우(trough)에 응력이 없게(stress-free) 삽입되며, 25℃에서의 값이 먼저 고려된다. 결과는 표 2에 요약된다.
표 2 : V 및 Ni 첨가제 및 비고정 선형성을 가지는 합금(쓰로우에서 전압 응력 없음)
Figure 112005055783816-pct00006
개략적으로, 전류의 선형성 성향은 디멘션(△μ/μav)으로 표현되며, 포화에 도달하는 마지막 두개의 데이터 포인트는 평균 값에 포함되지 않는다. 대체로 마그네트 코어는 전기 전력계의 변류기에 대해 코어를 사용하는 동안 넓은 전류 범위에 걸쳐 요구되는 전력 측정의 정확성을 확보하는데 있어 적합한 선형성을 나타낸다. 12.5%로 상대적으로 높은 값이 달성되는 변형물 3B는 예외되며, 이는 횡방향 필드에서의 오버템퍼링(overtempering)에 의해 야기되는 것으로 추정된다.
관련된 고정 효과의 애플리케이션을 결정하기 위해, 각각의 변형물의 코어는 절연 플라스틱층으로 코팅되거나 연성의 엘라스틱 접착제를 가진 조절된 플라스틱 쓰로우 속에 삽입되고 다시 와인딩/측정된다. 코어의 선형 특성에 대해 상당히 상이한 그림이 얻어지며, 이는 하기의 표 3 및 4로 구별된다.
표 3 : 제조에 가깝게 고정된 선형성(플라스틱층)
Figure 112005055783816-pct00007
표 4 : 제조에 가깝게 고정된 선형성(셀프-엘라스틱 접착제를 가지는 플라스틱 쓰로우)
Figure 112005055783816-pct00008
표 3은 Ni 첨가에 의해 야기되는 자기변형을 통한 플라스틱층 선형성의 특성을 뚜렷하게 나타내며, 상기 재료는 약 120℃에서 고형화되고 냉각 동안 수축되는 층의 수축 응력에 강하게 반응하여, 결과적으로 선형성은 정밀한 변류기에서 더이상 사용이 유용하지 않다. 선형성 편차(deviation)는 비교를 위해 사용되는 자기변형이 없는 비정질 Co-기재 합금 값 이상으로 9 내지 50 이상의 팩터에 있는 값에 도달한다.
매우 바람직한 특성은 쓰로우 고정(trough fixation)에 의해 야기된다. 여기서, 연성의 엘라스틱 접착제를 사용하는 동안, 비선형성은 2 팩터의 최대값에 의해서만 상승된다. 각각의 경우, 변형물 1B, 2A, 2B 및 3A는 높은 선형성의 변류기를 사용하기 위해 실온에서 유용한 것으로 나타났다. 순차적으로 넓은 온도 범위(예를 들어, -40 내지 + 70℃)에 걸친 사용을 고려하기 위해 복잡한 투자율의 온도 성질 또한 고려된다. 예를 들어, 코어(2A-2)에 대한 성향은 코어(2B-2)에 대해 약 -0.1%K의 값을 가지며 -40 내지 +85 ℃ 사이에서 대체로 선형적인 투자율의 네거티브 온도 계수를 나타낸다. 이 값은 4mA/cm 및 15mA/cm로 제공되는 필드의 진폭에 대해 모두 적용된다. 변류기에 대한 포지티브 온도 계수는 증가하는 온도에서 구리 와이어의 증가하는 저항에 상반되는 특성을 나타내어 위상 에러를 감소시키는 범위에서 바람직한 것으로 밝혀졌다. 따라서 변류기를 설계하는 동안, 온도에 따른 큰 에러 편차를 인식해야 한다. 연성의 엘라스틱 접착제를 사용하는 동안, 높은 온도와 낮은 온도에서의 온도 변화는 변환기 에러의 선형성 편차를 부가적으로 유도한다는 것이 밝혀졌다. 인장 응력 및 압축 응력은 코어상에서 발생되며, 이는 쓰로우 재료로부터 경화된 접착제의 엘라스틱 특성으로 인해 변형된 것이다. 이러한 효과의 감소는 연성의 엘라스틱 반응 접착제 대신 연성의 플라스틱 비반응성 페이스트 필러를 사용함으로써 달성될 수 있다. 선형성 값은 -40 내지 +85℃의 온도 범위내에서 거의 일정하다.
나노결정성 재료의 독특한 장점은 쓰로우 고정을 사용하는 동안 애플리케이션으로 만족스로운 선형성을 전송해야 하는 투자율의 가변성에 있다. 확장된 유용한 모듈레이션 범위 때문에 dc-톨러런트(dc-tolerant) 변류기는 최적의 프리로드어빌리티(preloadability)로 쉽게 조절될 수 있다. 선형성을 개선시키기 위해, 자기변형은 4000 내지 6400의 투자율을 달성하기 위해 첨가된 니켈 퍼센테이지가 10% 감소되는 경우 감소될 수 있다.
도 3 및 도 4는 640A(도 3) 및 400A(도 4)의 상이한 공칭 1차 전류(IprimN)에 대해 1차 전류(A)의 함수로서 진폭 에러(%) 및 위상 에러(°)의 성향을 나타낸다.
마지막으로 도 5는 65.2 원자%의 Fe, 12 원자%의 Ni, 0.8 원자%의 Cu, 2.5 원자%의 Nb, 11.5 원자%의 Si 및 8 원자%의 B로 이루어진 합금에 대한 히스테리시스 루프(필드 세기(H, A/cm)에 대한 B 마그네틱 플럭스(T))를 나타낸다. 이러한 합금은 표 5의 본 발명에 따른 다른 합금과 비교되며, QF는 횡방향 필드 처리를 나타내며 LF는 종방향 필드 처리를 나타낸다. *로 표시된 합금은 본 발명에 속하지 않는 비교 합금이다.
종방향 필드에서의 열처리(횡방향 필드 처리 QF)는 항상 필요하며, 투자율은 횡방형 처리 이전 또는 이후에 이루어질 수 있는 종방향 필드에서의 부가적인 열처리(종방향 필드 처리 LF)로 임의적으로 조절될 수 있다. 이는 상이한 성질을 갖는 코어가 동일한 합금 및 변류기의 상이한 클래스(전류 클래스)로 제조될 수 있다는 장점을 갖는다. 온도 및 횡방향 필드 처리의 기간의 조합은 종방향 필드 처리의 온도 및 기간의 조합보다 항상 강한 효과를 갖는다.
표 5
Figure 112005055783816-pct00009
상기 표 5에 나열된 값의 의미는 다음과 같다.
1. QF = 횡방향 마그네틱 필드에서의 열 처리, LF = 종방향 마그네틱 필드에서의 열 처리,
2. Bm은 1-21 예에 대해 Hm=8A/cm 및 22-24의 예에 대해 Hm=32A/cm 대한 최대 필드 세기에서 측정된다,
3. μ는 히스테리시스 곡선의 평균 슬로프를 한정하는 평균 투자율을 나타낸다,
4. No.1 및 No.6은 본 발명에 따르지 않는 비교예이다.
표 5로부터의 합금의 번호는 표 1-4의 것과는 상이하다. 따라서, 표 5와 다른 표 사이에서의 투자율 값은 상이하며, 이는 상이한 실험을 수행했기 때문이다.
본 발명에 따른 마그네트 코어로 인해 변류기는 반파정류 사인곡선 1차 전류의 왜곡되지 않은 최대 진폭이 왜곡되지 않은 최대 바이폴라 사인곡선 1차 전류의 유효값의 적어도 10%, 바람직하게는 20%의 공칭 값을 갖도록 제조될 수 있다.

Claims (25)

  1. 교류 및 직류에서 높은 제어력(modulability) 및 선형 B-H 루프를 가지는 마그네트 코어로서,
    500 이상에서 15,000 미만인 상대 투자율(μ)을 가지며, 15ppm 미만의 양을 갖는 자기변형 포화(λs)를 가지며 합금 부피의 적어도 50%가 100nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세한 결정성 입자들(나노결정성 합금)로 구성되고 식 FeaCobNicCudMeSifBgXh로 특성화되는 페로마그네틱 합금으로 이루어지며, 상기 M은 V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr, Cr, Mn 및 Hf의 원소들중 적어도 하나이며,
    상기 a,b,c,d,e,f,g는 원자%로 표시되며, 상기 X는 P, Ge, C의 원소들을 나타내며, 상기 a,b,c,d,e,f,g,h는,
    0 ≤ b ≤ 40 ;
    2 < c < 20 ;
    0.5 ≤ d ≤ 2 ;
    1 ≤ e ≤ 6 ;
    6.5 ≤ f ≤ 18 ;
    5 ≤ g ≤ 14 ;
    0 < h < 5 원자% 이며,
    여기서, 5 ≤ b + c ≤ 45 이고 a+b+c+d+e+f+g+h = 100인 조건을 만족시키는,
    마그네트 코어.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 a,b,c,d,e,f,g,h는,
    0 ≤ b ≤ 20 ;
    2 < c ≤ 15 ;
    0.5 ≤ d ≤ 2 ;
    1 ≤ e ≤ 6 ;
    6.5 ≤ f ≤ 18 ;
    5 ≤ g ≤ 14 ;
    0 < h < 5 원자% 이며,
    여기서 5 ≤ b + c ≤ 30 이고, a+b+c+d+e+f+g+h = 100인 조건을 만족시키는, 마그네트 코어.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 a,b,c,d,e,f,g,h는,
    0 ≤ b ≤ 10 ;
    2 < c ≤ 15 ;
    0.5 ≤ d ≤ 2 ;
    1 ≤ e ≤ 6 ;
    6.5 ≤ f ≤ 18 ;
    5 ≤ g ≤ 14 ;
    0 < h < 5 원자% 이며,
    여기서, 5 ≤ b + c ≤ 20이고, a+b+c+d+e+f+g+h = 100인 조건을 만족시키는, 마그네트 코어.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 a,b,c,d,e,f,g,h는,
    0.7 < d < 1.5 ;
    2 ≤ e ≤ 4 ;
    8 ≤ f ≤ 16 ;
    6 ≤ g ≤ 12 ;
    0 < h < 2원자% 인 조건을 만족시키는, 마그네트 코어.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 Co의 함량은 Ni의 함량 이하인, 마그네트 코어.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    50㎛ 미만의 두께를 가지는 밴드가 와인딩되어 있는 환형 밴드 코어를 갖는 , 마그네트 코어.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    항전계(coercitivity field) 세기(Hc)의 양은 1A/cm 미만인, 마그네트 코어.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    잔류자기 비율은 0.1 미만인, 마그네트 코어.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    1000 이상에서 10,000 미만인 상대 투자율(μ)을 가지는, 마그네트 코어.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    1500 이상에서 6000 미만인 상대 투자율(μ)을 가지는, 마그네트 코어.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    자기변형 포화(λs)는 10ppm 미만인, 마그네트 코어.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 합금 부피의 적어도 50%는 50nm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 미세한 결정성 입자들로 구성되는, 마그네트 코어.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마그네트 코어는 에어 갭이 없는 폐쇄된 환형 코어, 타원형 코어 또는 직사각형 코어로 구성되는, 마그네트 코어.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마그네트 코어는 쓰로우(trough)에 고정되는, 마그네트 코어.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 코어의 부착을 위해, 연성의 엘라스틱 반응 접착제 및/또는 연성의 프라스틱 비반응성 페이스트가 제공되는, 마그네트 코어.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 마그네트 코어의 제조 방법으로서,
    횡방향 마그네틱 필드에서 열처리가 이루어지는, 마그네트 코어의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 열처리는 종방향 마그네틱 필드에서 이루어지는, 마그네트 코어의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 열처리는 종방향 필드에서 열처리 이전에 횡방향 필드에서 이루어지는 , 마그네트 코어의 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 열처리는 종방향 필드에서 열처리 이후에 횡방향 필드에서 이루어지는 , 마그네트 코어의 제조 방법.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 마그네트 코어를 가지는 교류에 대한 변류기로서,
    마그네틱 코어 이외에, 상기 변류기는 1 차 와인딩 및 적어도 하나의 2 차 와인딩을 가지며, 상기 2 차 와인딩은 로드 저항 및/또는 측정 전자장치에 의해 저-저항으로 종결되는, 변류기.
  21. 제 20 항에 있어서,
    로드 저항 및/또는 측정 전자장치를 가지며 규정(definition) 및 디멘션을 따르는 회로에서 최대 7.5°의 위상 에러를 가지는, 변류기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    로드 저항 및/또는 측정 전자장치를 가지며 규정 및 디멘션을 따르는 회로에서 최대 5°의 위상 에러를 가지는, 변류기.
  23. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 마그네트 코어를 가지는 전류-보상 인덕터로서,
    상기 인덕터는 마그네트 코어(M) 이외에 적어도 2개의 와인딩을 가지는, 전류-보상 인덕터.
  24. 제 23 항에 있어서,,
    상기 인덕터는 공칭 전류의 적어도 10%의 방전 전류가 흐르는 동안 150kHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 적어도 20dB의 삽입 감쇠를 가지는, 전류-보상 인덕터.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 인덕터는 공칭 전류의 적어도 20%의 방전 전류가 흐르는 동안 150kHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 적어도 20dB의 삽입 감쇠를 가지는, 전류-보상 인덕터.
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