KR101573729B1

KR101573729B1 - 가변 인덕터 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101573729B1
Application number: KR1020140081734A
Authority: KR
Inventors: 김동훈; 차헌녕
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2015-12-02
Also published as: CN106663521A; CN106663521B; JP2017525147A; US10037845B2; US20170140868A1; WO2016003190A1

Abstract

본 발명은 인덕턴스 가변 특성을 조절할 수 있는 가변 인덕터에 대한 것이다. 본 인덕터는, 기설정된 형태를 갖는 자기 철심, 자기 철심의 일 영역을 감싸며, 전류의 흐름에 따라 자속을 발생시키는 코일부를 포함하고, 자기 철심은, 제1 자성물질로 구성되는 제1 자성 영역과 제1 자성물질과 다른 제2 자성물질로 구성되는 제2 자성 영역으로 구성된다.

Description

가변 인덕터 및 그 제조 방법{VARIALBLE INDUCTOR AND MEHTOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 가변 인덕터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인덕터의 자기 포화 특성을 광범위하게 조절할 수 있는 가변 인덕터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

인덕터는 전류의 흐름에 의해 발생하는 자기장의 필드에 에너지가 저장되는 특징을 이용하여, 다양한 전자회로의 목적에 맞게 전선을 감은 코일이나 코어 주위에 전선을 감는 형태로 제작한 수동 소자를 말한다. 또한, 전류가 시간에 대해 변하는 경우 인덕터 양단에 걸리는 전압과의 관계에서 그 인덕터 고유한 상수를 인덕턴스라고 하며, 인덕터의 재질 및 모양에 따라 인덕턴스 값을 달리한다.

통상의 인덕터는 그 인덕턴스가 상수이므로, 인덕터가 포화할 때까지 전류에 대해 일정한 인덕턴스 값을 갖는다. 이러한 특성은 대전력을 요하는 전자 장치의 전력 변환기에 상수 인덕터가 사용되는 경우, 가변하는 부하의 특성 때문에 전력 전달 효율이 좋지 않은 점이 있다.

또한, 인덕터의 인덕턴스를 가변하기 위한 종래 제시된 가변 인덕터의 경우, 주 권선에 기계식 탭을 이용하거나, 주 권선 이외의 보조 권선을 감아 추가적인 자속 공급을 위한 별도의 전원 구동장치를 사용하고, 부하에 대한 전류량을 감지하기 위한 추가회로를 요하기 때문에, 효율, 경제성, 부피 및 회로 복잡성의 증가 등의 단점을 갖고 있었다.

따라서, 상술한 바와 같은 가변 인덕터의 필요성 및 종래 제시된 가변 인덕터의 한계를 해결하며, 원하는 설계 조건에 따라 용이하게 가변 인덕터의 특성을 구현할 수 있는 인덕터의 구조 및 제조방법이 요구되었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 요구를 달성하기 위해 창작된 것으로, 본 발명의 목적은 이종의 자성 물질로 이루어진 자기 철심을 이용하여 인덕턴스가 가변하는 인덕터 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터는, 기설정된 형태를 갖는 자기 철심 및 상기 자기 철심의 일 영역을 감싸며, 전류의 흐름에 따라 자속을 발생시키는 코일부를 포함하고, 상기 자기 철심은, 제1 자성물질로 구성되는 제1 자성 영역과 상기 제1 자성물질과 다른 제2 자성물질로 구성되는 제2 자성 영역으로 구성된다.

이 경우, 상기 제2 자성 영역은, 복수의 자성 구성 및 상기 복수의 자성 구성을 감싸는 비자성물질로 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 복수의 자성 구성은 기설정된 간격 단위로 배치될 수 있다.

한편, 상기 복수의 자성 구성은 상기 비자성 물질 내에 복수의 층으로 배치될 수 있다.

한편, 상기 복수의 자성 구성 및 상기 비자성 물질은 기설정된 부피 비율을 가질 수 있다.

한편, 상기 복수의 자성 구성은 상기 비자성 물질의 기설정된 영역 상에만 배치될 수 있다.

한편, 상기 복수의 자성 구성은 자성 조각 및 자성 파우더 중 적어도 하나일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터 제조 방법은, 기설정된 형태를 갖는 자기 철심을 구비하는 단계, 상기 구비된 자기 철심의 일 영역에 공극을 형성하는 단계, 상기 형성된 공극에 상기 자기 철심의 자성 물질과 다른 자성 물질로 채우는 단계 및 상기 다른 자성 물질이 채워진 자기 철심의 일 영역에 코일은 감는 단계를 포함한다.

이 경우, 상기 다른 자성 물질은, 복수의 자성 구성 및 상기 복수의 자성 구성을 감싸는 비자성 물질로 구성될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터의 구성을 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터의 구성을 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인덕터의 등가 자기 회로,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역의 구성을 나타내기 위한 평면 및 측면의 단면도,
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역의 구성에 대한 파라미터를 나타내기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역의 구성에 대한 파라미터를 나타내기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역의 구성을 나타내는 단면도,
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역의 다른 구성을 나타내기 위한 도면,
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 구성을 갖는 제2 자성영역의 B-H 커브를 도시한 도면,
도 10는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역의 파라미터를 달리한 경우, 포화 특성의 변화를 나타내는 도면,
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역의 조성 비율을 달리한 경우, 포화 특성의 변화를 나타내는 도면,
도 12은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역의 부피비를 달리한 경우, 포화 특성의 변화를 나타내는 도면,
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역의 자성재질을 달리한 경우, 포화 특성의 변화를 나타내는 도면,
도 14은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터의 구조를 나타내는 도면,
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터의 구조를 나타내는 도면, 그리고,
도 16는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터 제조 방법의 순서도이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터의 구성을 나타내는 사시도 및 각 구성을 결합한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터(100)는 자기 철심(110, 130), 코일부(120)로 구성된다.

자기 철심(110, 130)은 기설정된 형태를 가진다. 구체적으로, 자기 철심(110, 130)은, 후술할 코일부(120)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속의 폐루프 모양의 경로가 자기 철심(110, 130)을 따라 통과할 수 있도록 형성될 수 있다.

여기서, 자기 철심(110, 130)은, 후술할 코일부(120)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 폐곡선 경로를 따라 방향과 크기를 갖는 자속(flux)이 지나는 경로상에 존재하는 매질을 말한다. 즉, 자기 철심(110, 130)은 전선에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장의 에너지를 저장하며, 이로 인해 자기 철심(110, 130)을 이루는 물질 고유의 자기에 대한 성질인 유전율(permeability)에 따라, 인덕터(100)가 전류의 흐름을 방해하는 정도(인덕턴스)가 결정된다.

그리고, 자기 철심(110, 130)은 제1 자성 물질로 구성되는 제1 자성 영역(110)과, 제1 자성물질과 다른 제2 자성 물질로 구성되는 제2 자성 영역(130)으로 구성된다. 구체적으로, 제1 자성 영역(110)은 코일부(120)가 자기 철심의 일 영역을 감쌀 수 있도록 하는 중심 기둥 부분과 코일부(120)의 전류에 의해 발생한 자속이 외부에서 통과하는 경로상에 위치한 좌, 우 기둥 부분으로 이루어진 한 쌍의 EE형 코어일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서 제1 자성 영역(110)은 인덕터 전체적인 크기나 모양을 결정할 수 있으며, 도 1에서는 EE형 코어로 도시하였으나, 이에 한정되지 아니하며, EI/EF/EER/EFD/ER/EPC/UI/CI/EP/RM 코어, 토로이드(toroid) 코어, 포트(pot) 코어 등, 공극부를 구비한 다양한 범용 코어가 가능하며, 도 14 또는 도 15과 같이 다른 형태의 상용 코어를 기초로 본 발명의 다른 실시예를 구현할 수 있음은 당업자에 비추어 자명하다.

그리고, 제1 자성 영역(110)을 이루는 제1 자성물질은 통상의 인덕터에 사용되는 페라이트 코어의 알파 철 또는 Mn, Zn을 혼합한 물질일 수 있다.

코일부(120)는 자기 철심(110, 130)의 일 영역을 감싸며, 전류의 흐름에 따라 자속을 발생시킨다. 구체적으로, 코일부(120)는 에나멜 구리로 만들어진 도선과 같이 전도성 있는 도체일 수 있으며, 양 끝단을 통해 전류를 통과시킬 수 있다. 그리고, 코일부(120)는 도선을 원통이나 사각 기둥의 틀 주위를 1회 이상 감싸고, 그 안에 자기 철심(110, 130)을 삽입할 수 있도록 구성할 수 있다.

여기서, 코일부(120)에 전류가 흐르면, 전류 및 도선이 감는 방향에 따라 양극성을 가지는 자기장이 발생하고, 전류의 에너지가 자기장 형태로 일시 저장된다. 발생한 자속은 코일부가 일 영역을 감싸고 있는 자기 철심의 몸체를 따라 통과하며, 자속이 통과하는 매질의 성질(자기 철심)에 따라 인덕터의 인덕턴스 특성이 결정되게 된다.

자기 철심의 제2 자성 영역(130)은 제1 자성 물질로 구성되는 제1 자성 영역(110)과 다른 제2 자성 물질로 구성된다. 구체적으로, 제2 자성 영역(130)은 복수의 자성 구성 및 복수의 자성 구성을 감싸는 비자성 물질로 구성될 수 있다.

여기서, 제2 자성 영역(130)을 구성하는 복수의 자성 구성은 그 물질의 특성이 자기장에 의해 자화(magnetization)되는 정도가 매우 큰, 즉, 자화율(χ_m, magnetic susceptibility)이 1보다 큰 양수를 갖는 고투자율(high permeability)의 강자성체 재료일 수 있다. 예를 들어, 니켈, 코발트, 철 그리고 뮤 메탈(mu-metal)과 같은 합금을 포함할 수 있다.

이러한 제1 자성 영역의 자기 포화 특성과 다른 제2 자성 영역의 자기 포화 특성의 차이를 이용해, 인덕터(100) 전체의 인덕턴스 및 포화 특성을 조절할 수 있다.

여기서 제2 자성 영역(130)을 구성하는 비자성 물질은, 자기장의 영향을 거의 받지 않는 물질로서, 제2 자성 영역(130)의 복수의 자성 구성을 감싸도록 안에 내포하는 형태로 성형할 수 있으며, 자기 철심의 제1 자성 영역(110)과 접촉하여 제2 자성 영역의 복수의 자성 구성을 고정된 위치에 놓이도록 하고, 인덕터의 발열, 충격 및 무게에도 견딜 수 있는 내구성, 내열성 있는 재질로 선택할 수 있다. 쉽게는 폴리프로필렌과 같은 플라스틱을 비자성 물질로 하고, 플라스틱 성형 기술을 통해 제2 자성 영역(130)을 제조할 수 있다.

그리고, 제2 자성 영역(130)의 복수의 자성 구성은 기설정된 간격 단위로 배치될 수 있다. 또한, 제2 자성 영역(130)의 복수의 자성 구성은 비자성 물질 내에 복수의 층으로 배치될 수 있다. 이러한 제2 자성 영역의 자성 구성 배열에 대한 구체적인 설명은 도 4 및 도 5를 참조하여 후술한다.

그리고, 제2 자성 영역(130)의 복수의 자성 구성 및 비자성 물질은 기설정된 부피 비율을 가질 수 있다. 또한, 제2 자성 영역(130)의 복수의 자성 구성은 비자성 물질의 기설정된 영역 상에만 배치될 수 있다. 이러한 제2 자성 영역(130)의 자성 구성의 혼합비 및 부피비에 대한 구체적인 설명은 도 6 및 도 7을 참조하여 후술한다.

그리고, 제2 자성 영역(130)의 복수의 자성 구성은 자성 조각 및 자성 파우더 중 적어도 하나일 수 있다. 이에 대한 제2 자성 영역(130)의 복수의 자성 구성을 구현하는 두 가지 실시예는 도 4 이하의 도면을 참조한 설명에서 구체화된다.

여기서, 복수의 자성 구성을 자성 조각으로 구현한 제1 실시예를 스트립(Strip) 형이라고 할 수 있으며, 이러한 스트립이 비자성 물질에 삽입된 제1 실시예에 따른 자기 철심의 제2 자성 영역(130)을 스트립 코어라고 부를 수 있다. 또한, 스트립 코어의 스트립이 일정한 간격으로 배치된 형태를 스트립 어레이(array, 배열)이라고 할 수 있다. 한편, 복수의 자성 구성을 파우더로 구현한 제2 실시예를 파우더(powder) 또는 분말 형이라고 할 수 있으며, 이러한 자성 파우더를 비자성 물질과 혼합한 제2 실시예에 따른 자기 철심의 제2 자성 영역(130)을 파우더 코어라고 부를 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터(100)는 자기 철심의 제1 자성물질로 구성되는 제1 자성 영역과 자기 포화 특성을 달리하는 제2 자성물질로 구성된 제2 자성 영역에 의해, 설계된 인덕터 전류의 구동 범위 내에서 연속적으로 인덕턴스가 가변하는 특성을 가질 수 있고, 구조가 간단하여, 포화 특성을 조절할 수 있는 파라미터값의 변경을 쉽게 구현할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터의 구성을 나타내는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 도 1의 자기 철심의 제1 자성 영역(110) 한 쌍이 세 기둥의 긴 축 방향으로 마주보고 맞닿아 있으며, 가운데 기둥의 사이에는 자기 철심의 제2 자성 영역(130)이 구비되어 있다. 그리고, 자기 철심의 제1 자성 영역(110)과 제2 자성 영역을 포함하는 가운데 기둥 영역을 도선이 복수회 휘감은 코일부(120)가 위치하고 있다. 도 2에서는 코일부(120)의 도선을 도식적으로 크게 표시하였을 뿐, 실제 구현시에는 더 가늘고 긴 도선이 물리적으로 허용하는 선까지 권선을 감을 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인덕터의 등가 자기 회로이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터(100)는 코일부(120)의 권선수(N) 및 전류량(i)에 비례하는 자속 원(320)과 자속φ이 지나가는 자기 철심의 제1 자성 영역의 자기저항(reluctance) R core1(310) 과 제2 자성 영역의 자기저항(reluctnace) Rcore2(320)을 포함하는 등가 자기 회로(equivalent magnetic circuit)로 나타낼 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역의 구성을 나타내기 위한 평면 및 측면의 단면도이다.

도 4를 참조하면, 제2 자성영역(400)은 비자성 물질(410) 안에 복수의 자성 구성(420)이 기설정된 간격 단위로 배치되어 있다. 구체적으로, 제2 자성 영역(400)의 평면 단면도 (a) 에 도시된 바와 같이, 제2 자성 영역의 제2 자성 물질은 스트립 형의 자성 구성(420)이 비자성 물질(410) 내에서 가로 및 세로 방향으로 일정한 간격으로 배열된 것일 수 있다. 또한 제2 자성 영역(400)의 측면 단면도 (b) 에 도시된 바와 같이, 제2 자성 영역의 제2 자성 물질은 비자성 물질(410) 내에 스트립 형 자성 구성(420)이 평면에 나란히 복수의 층을 이루어 구성될 수 있다. 제2 자성 영역(400)의 자성 조각(420)의 개수는 도 4에 도시된 개수에 제한되지 아니하며, 자성 조각(420)은 단층 또는 둘 이상의 더 많은 층으로 배치될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역의 구성에 대한 파라미터를 나타내기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 제2 자성 영역(500)의 측면 단면도는 제2 자성 영역(500)의 자성 조각(520)이 비자성 물질(510) 내에서 복수의 층을 이루고, 상하 층간에 나란한 평면 배열을 하고 있다. 구체적으로, 제2 자성 영역(500)의 자기 포화 특성을 조절할 수 있는 자성 조각(520)에 대한 파라미터는 자성 조각의 높이 h, 너비 w, 평면상에서 스트립 어레이가 이루는 자성 조각(520)간 거리 g1 를 포함한다.

상술한 바와 같이 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역(500)의 포화 특성의 조절은 자성 조각(520)의 개수, 크기 및 배치 간격을 조절함으로써 쉽게 원하는 설계 조건의 포화 특성을 갖는 인덕터를 제작할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역의 구성에 대한 파라미터를 나타내기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 제2 자성 영역(600)의 측단면도는 제2 자성 영역(600)의 자성 조각(620)이 비자성 물질(610) 내에서 복수의 층을 이루고, 상하 층간에 스트립 어레이가 평면의 가로축 또는 세로축 방향으로 g2 만큼 이격되어 평면 배열을 하고 있다. 구체적으로, 제2 자성 영역(600)의 자기 포화 특성을 조절할 수 있는 자성 조각(620)에 대한 파라미터는 복수의 층을 이루는 자성 조각이 상하 층 간에 평면의 한 축 또는 양 축 방향으로 이격된 거리 g2 를 포함한다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역의 구성을 나타내는 단면도이다.

도 7을 참조하면, 제2 자성 영역(700)의 복수의 자성 구성은 자성 파우더(710)로 구성되어 있으며, 비자성 물질(720) 안에 무작위로 분포되어 있다. 구체적으로, 제2 자성 영역의 제2 자성 물질은 파우더 형의 자성 구성(720)이 비자성 물질(710)과 일정한 비율로 혼합되어, 비자성 물질(710) 내에서 무작위로 분포된 것일 수 있다. 한편, 제2 자성 영역(700)의 자기 포화 특성을 조절할 수 있는 자성 파우더(720)에 대한 파라미터는, 비자성 물질(710) 대 자성 구성(720)이 제2 자성 영역(700)에서 차지하는 질량비율, 부피비율 또는 혼합비율일 수 있다. 또한, 자성 파우더(720)에 대한 파라미터는, 제2 자성 영역(700)에 존재하는 자성 파우더(720)의 함량이 높아질수록 비례하여 상승하는 상대 투자율(relative permeability)일 수 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역의 다른 구성을 나타내기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 제2 자성 영역에서 일부 영역이 비자성 물질(830)만으로 이루어져 있고, 나머지 영역에는 비자성 물질(810)에 파우더 형 자성 구성(820)이 무작위로 분포되어 있다. 구체적으로, 자속이 지나는 경로상에 영향을 미칠 수 있는 제2 자성 물질의 자성 파우더가 일부 영역에만 존재함으로써, 인덕터의 자기 포화 특성을 달리할 수 있다. 다시 말해, 제2 자성 영역(800)의 자기 포화 특성을 조절할 수 있는 자성 파우더(820)에 대한 파라미터는, 제2 자성 영역(800)에서 비자성 물질(830)만으로 이루어진 영역과 파우더 형 자성 구성(820)이 혼합된 제2 자성 물질이 차지하는 영역의 비율 v을 포함한다.

상술한 바와 같이 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역(800)의 포화 특성의 조절은 자성 파우더의 양, 비자성 물질과 혼합하는 영역의 크기를 조절함으로써 쉽게 원하는 설계 조건의 포화 특성을 갖는 인덕터를 제작할 수 있다.

도 9은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 구성을 갖는 제2 자성영역의 B-H 커브를 도시한 도면이다.

도 9을 참조하면, 제2 자성 영역이 자성 물질로만 구성된 경우의 B-H 커브와 본 발명의 실시예에 따라 제2 자성 영역이 비자성 물질을 포함한 복수의 구성비를 갖는 경우 제2 자성 영역이 가질 수 있는 광범위한 B-H 커브 변화가 함께 도시되고 있다. 구체적으로, B-H 커브에서 기울기는 투자율(permeability)를 의미하고, 공극부를 갖는 통상의 인덕터는 진공 투자율(μ₀)를 갖기 때문에 기울기가 항상 일정한 값을 갖는다. 반면에, 본 발명에 따른 제2 자성 영역을 갖는 인덕터는 제2 자성 영역의 구성비에 따라, 자기장 세기 H 의 변화에 따른 비선형적인 기울기를 갖고, 그 기울기의 크기도 공극(air-gap)을 갖는 인덕터의 기울기보다 크다.

이로부터, 암페어 법칙(Ampere's circuital law)에 따른 전류량 및 권선수가 H와 비례하는 관계와, 투자율이 인덕턴스와 비례하는 관계임을 기초할 때, 본 발명의 실시예에 따른 인덕터는, 제2 자성영역의 포화 특성에 의해 인덕터 전류의 변화에 따른 인덕턴스의 비선형적인 가변 특성을 제어할 수 있음을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예에 따른 인덕터 및 제2 자성 영역의 구조에 대하여 도면을 참조하여 설명하였다. 이하에서는, 도 10 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역 파라미터를 조절하였을 때, 인덕터의 인덕터 전류에 대한 인덕턴스 변화 특성을 설명한다. 도 10 내지 도 13의 실험에서 사용된 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터의 제1 자성 영역은, EE형 페라이트 코어로서, 산업 규격 표시방법에 따른 EE형 페라이트 코어의 구조는 A: 70.50, B: 33.20, C: 32.00, D: 48.00, E:22.00, F:21.90이다.

도 10는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역의 파라미터를 달리한 경우, 포화 특성의 변화를 나타내는 도면이다.

도 10를 참조하면, 인덕터 전류(iL)에 따른 인덕터의 인덕턴스(L)의 변화를 나타내는 그래프 및 네 가지 인덕터의 인덕턴스 변화 곡선(1010, 1020, 1030, 1040)을 도시하고 있다. 구체적으로 가로축은 암페어 단위로 표시된 인덕터(100)의 코일부(120)에 흐르는 전류량을 나타내며, 세로축은 마이크로 헨리 단위로 표시된 인덕터(100)의 유도계수인 인덕턴스 값을 나타낸다.

제1 인덕턴스 변화 곡선(1010)은, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터(100)의 구조에 제2 자성 영역을 빈 공간의 공극부로 구비한 상수 인덕터에 대한 것이다. 그리고, 제2, 제3 및 제4 인덕턴스 변화 곡선(1020, 1030, 1040)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복수의 자성 조각(520)과 복수의 자성 조각(520)을 감싸는 비자성 물질(510)로 구성된 제2 자성 영역을 포함하는 인덕터(100)로서, 제2 자성 영역의 자성 조각(520)의 높이 h, 너비 w, 평면상에 배치된 자성 조각간의 간격 g1, 두 층의 자성 조각이 평면의 한 축 방향으로 이격된 간격 g2 를 파라미터로 하여 이들 파라미터 중 적어도 하나를 달리한 세 가지 인덕터에 대한 것이다. 이 세 가지 인덕터(100)의 파라미터를 표로 정리하면 다음과 같다.

	Strip array (mm)
	type 1	type 2	type 3
h	0.6	0.6	1.4
w	4	4	1
g1	1.2	0.6	1
g2	0	2.3	0

다시, 도 10를 참조하면, 대조군인 공극(air-gap) 인덕터는 20A의 인덕터 전류 범위까지 거의 일정한 인덕턴스 값을 가지고, 이후 포화 특성을 나타내며 완만한 기울기의 인덕턴스 감소를 보이지만, 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 인덕터(100)는 낮은 인덕터 전류에서 공극 인덕터보다 큰 인덕턴스를 가지고, 낮은 전류에도 빠르게 포화가 발생하여 공극 인덕터보다 큰 기울기로 인덕턴스가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그리고, h, w, g1, g2의 파라미터를 달리하면 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역을 갖는 인덕터(100)의 인덕턴스 변화 특성이 서로 상이하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역의 조성 비율을 달리한 경우, 포화 특성의 변화를 나타내는 도면이다.

도 11를 참조하면, 인덕터 전류(iL)에 따른 인덕터의 인덕턴스(L)의 변화를 나타내는 그래프 및 인덕턴스 변화 곡선(1110, 1120, 1130)를 도시하고 있다. 구체적으로 가로축은 암페어 단위로 표시된 인덕터(100)의 코일부(120)에 흐르는 전류량을 나타내며, 세로축은 마이크로 헨리 단위로 표시된 인덕터(100)의 유도계수인 인덕턴스 값을 나타낸다.

도 11의 그래프에 도시된 제1 인덕턴스 변화 곡선(1110)은, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터(100)의 구조에 제2 자성 영역을 빈 공간의 공극부로 구비한 공극(air-gap) 인덕터에 대한 것이다. 그리고, 나머지 제2 및 제3 인덕턴스 변화 곡선(1120, 1130)은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자성 파우더(720)와 자성 파우더(720)을 감싸는 비자성 물질(710)로 구성된 제2 자성 영역을 포함하는 인덕터(100)로서, 제2 자성 영역의 자성 파우더(720)의 혼합비를 달리한 두 가지 인덕터에 대한 것이다. 자성 파우더의 혼합비를 제2 자성 영역의 상대 투자율(μ_r)을 지표로 하여 두 인덕터(100)를 구분하면 다음 표와 같다.

	Powder core
	type 1	type 2
초기값 μ_r	3	5

다시, 도 11의 그래프를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역을 갖는 인덕터(100)의 인덕턴스 변화 곡선(1120, 1130)은 공극(air-gap) 인덕터의 인덕턴스 변화 곡선에 비하여 낮은 인덕터 전류에서 높은 인덕턴스와 빠른 포화 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역을 갖는 인덕터(100)에서 제2 자성 영역의 자성 파우더의 비율이 높을 수록 인덕터(100)가 낮은 전류에서 더 큰 인덕턴스와 더 빠른 포화 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

도 12은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역의 부피비를 달리한 경우, 포화 특성의 변화를 나타내는 도면이다.

도 12를 참조하면, 인덕터 전류(iL)에 따른 인덕터의 인덕턴스(L)의 변화를 나타내는 그래프 및 인덕턴스 변화 곡선(1210, 1220, 1230, 1240)을 도시하고 있다. 구체적으로 가로축은 암페어 단위로 표시된 인덕터(100)의 코일부(120)에 흐르는 전류량을 나타내며, 세로축은 마이크로 헨리 단위로 표시된 인덕터(100)의 유도계수인 인덕턴스 값을 나타낸다.

도 12의 그래프에 도시된 제1 인덕턴스 변화 곡선(1210)은, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터(100)의 구조에 제2 자성 영역이 빈 공간인 공극(air-gap)을 구비한 인덕터에 대한 것이다. 그리고, 제2, 제3 및 제4 인덕턴스 변화 곡선(1220, 1230, 1240)은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자성 파우더(820)와 자성 파우더(820)을 감싸는 비자성 물질(810)로 구성된 제2 자성 영역을 포함하는 인덕터(100)로서, 제2 자성 영역(800)의 전체 부피 중 자성 파우더(820)가 비자성 물질(810)과 혼합된 제2 자성 물질이 전부 차지하는 경우, 비자성 물질만으로 이루어진 영역이 일부 영역을 차지하고 제2 자성 물질이 2/3 부피를 차지하는 경우, 그리고 비자성 물질만으로 이루어진 영역이 일부 영역을 차지하고 제2 자성 물질이 1/3 부피를 차지하는 경우의 제2 자성 영역(130)으로 구성된 인덕터(100)에 대한 것이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역을 갖는 인덕터(100)에서 제2 자성 영역의 제2 자성 물질이 차지하는 부피 비율이 높을 수록 낮은 전류에서 높은 인덕턴스를 갖고, 더 빠른 포화 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

도 13을 참조하면, 인덕터 전류(iL)에 따른 인덕터(100)의 인덕턴스(L)의 변화를 나타내는 그래프 및 인덕턴스 변화 곡선(1310, 1320, 1330, 1340)을 도시하고 있다.구체적으로, 가로축은 암페어 단위로 표시된 인덕터(100)의 코일부(120)에 흐르는 전류량을 나타내며, 세로축은 마이크로 헨리 단위로 표시된 인덕터(100)의 유도계수인 인덕턴스 값을 나타낸다.

도 13의 그래프에 도시된 제1 인덕턴스의 변화 곡선(1310)과 제2 인덕턴스 변화 곡선(1320)은, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터(100)의 구조에 제2 자성 영역의 높이가 각각 2 mm와 4 mm인 빈 공간에 공극(air-gap)을 구비한 인덕터에 대한 것이다. 그리고, 제3 및 제4 인덕턴스 변화 곡선(1330, 1340)은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자성 파우더(820)의 자성 물질을 희토류 금속재질로 하고 자성 파우더(820)를 감싸는 비자성 물질(810)로 구성된 제2 자성 영역을 포함하는 인덕터(100)로서, 제2 자성 영역(130)의 높이가 2 mm인 경우와 4 mm인 경우로 구성된 인덕터(100)에 대한 것이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 희토류 금속 파우더로 구성된 제2 자성 영역을 갖는 인덕터(100)에서는 기존 강자성 금속 파우더로 구성된 제2 자성 영역의 인덕턴스 변화 특성과는 달리 전류가 높은 영역에서 높은 인덕턴스를 갖고, 제2 자성 영역(130)의 높이가 클수록 늦은 포화 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

이상 설시한 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 자성 영역 또는 제2 실시예에 따른 제2 자성 영역을 갖는 인덕터(100)의 인덕터의 포화 특성을 몇 가지 파라미터나, 조성비 및 제2 자성 물질의 부피비나 자성 재질의 변경 및 제2 자성 영역의 높이를 조절하여, 설계상 목적하는 인덕턴스 변화 및 인덕터 전류의 구동 범위를 쉽게 조절할 수 있다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터의 구조를 나타내는 도면이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터(100')는 O형 또는 토로이드(toriod) 형 자기 철심(1410, 1430), 코일부(1420)를 포함한다. 구체적으로, 제1 자성 물질로 구성된 O형의 상용 코어를 제1 자성 영역으로 하고, 제1 자성 영역의 일부에 제2 자성 물질로 구성된 제2 자성 영역을 삽입함으로써, 자기 철심을 구성할 수 있다. 그리고, 코일부는 자기 철심의 일 영역을 감싸는 도선으로 구성될 수 있으며, 도 14에 도시된 코일부에 제한되지 아니하고, 자기 철심의 더 넓은 영역에 걸쳐 더 많은 권선을 감을 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터(100')는 자기 철심의 제2 자성 영역이 외부로 드러남으로써, 원하는 인덕턴스 포화 특성을 만족하는 제2 자성 영역의 삽입 및 교체를 쉽게 할 수 있다. 또한, 도시하진 않았으나, 인덕터(100') 주위에 별도의 회로를 구비하여, 제1 자성 영역의 공극부에서 제2 자성 영역을 이동하도록 제어함으로써, 자기 철심을 통과하는 자속이 지나는 경로 상에 제2 자성 영역이 존재하는 부피비를 변화시켜 인덕터의 자기 포화 특성을 변화시킬 수 있다.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터의 구조를 나타내는 도면이다.

도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터(100'')는 원통형 자기 철심(1510, 1530), 코일부(1520)를 포함한다. 구체적으로, 긴 원통에 도선이 감긴 코일부(1520) 내부에 원통형 상용 코어를 제1 자성 영역(1510)으로 구비하고, 그 중간에 제2 자성 물질로 구성된 제2 자성 영역(1530)을 구비할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터(100'')는 상용 코어의 일부 영역만을 이종 자성 물질로 구성된 제2 자성 영역을 구비하는 것만으로도 쉽게 그 인덕턴스 포화 특성을 변화시켜 인덕턴스가 인덕터 전류에 대해 가변하는 특성을 얻을 수 있다.

도 16는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터 제조 방법의 순서도이다.

도 16를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터의 제조 방법은, 자기 철심 제작 단계(S1610), 공극 형성 단계(S1620), 자성 물질을 채우는 단계(S1630), 코일을 감는 단계(S1640)를 포함한다.

자기 철심 제작 단계(S1610)는 기설정된 형태를 갖는 자기 철심을 구비한다. 구체적으로, 자기 철심은 EE 페라이트 코어와 같은 상용 인덕터 부품일 수 있으며, 기설정된 형태는 후술할 코일에 전류가 도통하여 발생하는 자속의 폐곡선을 따라 형성된 형태일 수 있다. 그리고, 자기 철심이 갖는 자기에 대한 성질인 투자율에 따라 인덕턴스가 결정될 수 있다.

공극 형성 단계(S1620)는 자기 철심의 일 영역에 공극을 형성한다. 구체적으로, 닫힌 경로 형태의 자기 철심에서 자속이 지나는 경로상에 빈 공간이 존재하는 공극(air-gap)을 형성할 수 있다.

자성 물질을 채우는 단계(S1630)는, 공극에 자기 철심을 구성하는 자성 물질과 다른 자성 물질로 채운다. 구체적으로, 자기 철심을 구성하는 제1 자성 물질은 통상의 인덕터에 사용되는 페라이트 코어의 알파 철 또는 Mn, Zn을 혼합한 물질일 수 있다. 그리고, 제1 자성 물질과 다른 제2 자성 물질은 제1 자성 물질과 상이한 투자율을 갖는 물질일 수 있다. 나아가, 공극을 채우는 자성 물질은 복수의 자성 구성 및 복수의 자성 구성을 감싸는 비자성 물질로 구성될 수 있다. 구체적으로, 복수의 자성 구성은 그 물질의 특성이 자기장에 의해 자화(magnetization)되는 정도가 큰, 즉, 자화율(χ_m, magnetic susceptibility)이 1보다 큰 양수를 갖는 고투자율(high permeability)의 자성체 재료일 수 있다. 예를 들어, 니켈, 코발트, 철 그리고 뮤 메탈(mu-metal)과 같은 합금을 포함할 수 있다. 그리고, 비자성 물질은, 자기장의 영향을 거의 받지않는 물질로서, 복수의 자성 구성을 감싸도록 안에 내포하는 형태로 성형할 수 있으며, 내구성, 내열성 있는 재질로 선택할 수 있다. 쉽게는 폴리프로필렌과 같은 플라스틱을 비자성 물질로 하고, 플라스틱 성형 기술을 통해 다른 자성 물질을 제조할 수 있다.

한편, 다른 자성 물질의 복수의 자성 구성은 기설정된 간격 단위로 배치될 수 있다. 또한, 다른 자성 물질의 복수의 자성 구성은 비자성 물질 내에 복수의 층으로 배치될 수 있다.

한편, 다른 자성 물질의 복수의 자성 구성 및 비자성 물질은 기설정된 부피 비율을 가질 수 있다. 또한, 다른 자성 물질의 복수의 자성 구성은 비자성 물질의 기설정된 영역 상에만 배치될 수 있다.

한편, 다른 자성 물질의 복수의 자성 구성은 자성 조각 및 자성 파우더 중 적어도 하나일 수 있다.

코일을 감는 단계(S1640)는 자기 철심의 공극에 자기 철심의 자성 물질과 다른 자성 물질을 채운 자기 철심의 일 영역에 코일을 감는다. 구체적으로, 코일은 에나멜 구리로 만들어진 도선과 같이 전도성 있는 도체일 수 있으며, 양 끝단을 통해 전류를 통과시킬 수 있다. 그리고, 코일을 따라 흐르는 전류에 따라 자속을 발생할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고, 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100: 인덕터 110: 제1 자성 영역
120: 코일부 130: 제2 자성 영역

Claims

인덕터에 있어서,
기설정된 형태를 갖는 자기 철심; 및
상기 자기 철심의 일 영역을 감싸며, 전류의 흐름에 따라 자속을 발생시키는 코일부;를 포함하고,
상기 자기 철심은,
제1 자성물질로 구성되는 제1 자성 영역과 상기 제1 자성물질과 다른 제2 자성물질로 구성되는 제2 자성 영역으로 구성되고,
상기 제2 자성 영역은,
상기 기설정된 형태를 따라 형성된 상기 제2 자성 영역의 전체 부피 중 일부만 상기 제2 자성물질로 구성되거나, 상기 제1 자성물질보다 늦은 포화특성을 갖는 희토류 금속을 포함하는 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 제2 자성 영역은,
복수의 자성 구성 및 상기 복수의 자성 구성을 감싸는 비자성물질로 구성되고,
상기 비자성물질은 상기 복수의 자성 구성이 배열된 위치를 고정시키는 물질인 것을 특징으로 하는 인덕터.
제2항에 있어서,
상기 복수의 자성 구성은 기설정된 간격 단위로 배치되는 것을 특징으로 하는 인덕터.
제2항에 있어서,
상기 복수의 자성 구성은 상기 비자성 물질 내에 복수의 층으로 배치되는 것을 특징으로 하는 인덕터.
제2항에 있어서,
상기 복수의 자성 구성 및 상기 비자성 물질은 기설정된 부피 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 인덕터.
제2항에 있어서,
상기 복수의 자성 구성은 상기 비자성 물질의 기설정된 영역 상에만 배치되는 것을 특징으로 하는 인덕터.
제2항에 있어서,
상기 복수의 자성 구성은 자성 조각 및 자성 파우더 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 인덕터.
인덕터 제조 방법에 있어서,
기설정된 형태를 갖는 자기 철심을 구비하는 단계;
상기 구비된 자기 철심의 일 영역에 공극을 형성하는 단계;
상기 형성된 공극에 상기 자기 철심의 자성 물질과 다른 자성 물질로 채우는 단계; 및
상기 다른 자성 물질이 채워진 자기 철심의 일 영역에 코일은 감는 단계;를 포함하고,
상기 다른 자성 물질로 채우는 단계는,
상기 기설정된 형태를 따라 형성된 상기 공극의 전체 부피 중 일부만 상기 다른 자성 물질로 채우거나, 상기 자기 철심의 자성물질보다 늦은 포화특성을 갖는 희토류 금속으로 채우는 인덕터 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 다른 자성 물질은,
복수의 자성 구성 및 상기 복수의 자성 구성을 감싸는 비자성물질로 구성되고,
상기 비자성물질은 상기 복수의 자성 구성이 배열된 위치를 고정시키는 물질인 것을 특징으로 하는 인덕터 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 복수의 자성 구성은 기설정된 간격 단위로 배치되는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 복수의 자성 구성은 상기 비자성 물질 내에 복수의 층으로 배치되는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조 방법
제9항에 있어서,
상기 복수의 자성 구성 및 상기 비자성 물질은 기설정된 부피 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 복수의 자성 구성은 상기 비자성 물질의 기설정된 영역 상에만 배치되는 것을 특징으로 하는 인덕터 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 복수의 자성 구성은 자성 조각 및 자성 파우더 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 인덕터 제조 방법.