KR102564722B1 - 변류기용 코어 및 이의 제조 방법 - Google Patents

변류기용 코어 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

저전류에서 자기유도에 의한 전력 취득 효율을 최적화하기 위해 고투자율을 형성하도록 한 변류기용 코어 및 이의 제조 방법을 제시한다. 제시된 변류기용 코어 제조 방법은 금속 리본을 권취하여 코어 베이스를 설정 온도로 열처리한 후 함침, 절단 및 폴리싱 공정을 통해 변류기용 코어를 제조하되, 열처리 단계시 금형에 삽입된 코어 베이스를 제1 설정 온도로 열처리하여 형상을 구현한 후 금형에서 분리된 코어 베이스를 제2 설정 온도로 열처리하여 고투자율을 갖는 변류기용 코어를 제조한다.

Description

변류기용 코어 및 이의 제조 방법{CORE FOR CURRENT TRANSFORMER AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 변류기용 코어 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기 유도 현상을 이용한 전원 취득 및 전류 센싱을 위해 전력선에서 설치되는 변류기에 실장되는 변류기용 코어 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 자기 유도 현상을 이용한 전원 공급 방식에 대한 관심이 증가함에 따라 다양한 형태의 자기 유도 전원 공급 장치가 개발되고 있다.
자기 유도 방식의 전원 공급 장치는 송전선로, 배전 선로 등과 같이 대용량 전류가 흐르는 전력선에 설치되는 변류기를 포함한다. 자기 유도 방식 전원 공급 장치는 변류기에서 자기 유도 현상을 통해 취득한 전력을 직류로 변환하여 부하로 공급한다.
이때, 변류기는 자기 유도 현상을 통한 전력 취득을 위해서 전력선을 감싸는 코어와 코어에 감긴 코일을 포함하여 구성된다.
일반적으로, 변류기용 코어는 권취 공정, 열처리 공정 및 절단 공정을 통해 변류기용 코어를 제작한다.
하지만, 종래의 변류기용 코어는 열처리 공정 및 절단 공정을 수행함에 따라 변류기용 코어의 투자율이 대략 3000 정도로 저하되는 문제점이 있다.
변류기용 코어는 투자율이 대략 3000 정도로 형성되는 경우 일반적인 전력이 전력선에 흐르는 경우 부하에서 요구되는 전력을 취득할 수 있지만, 전력선에 저전류가 흐르는 경우 전력 취득 효율이 저하되어 부하에서 요구되는 전력을 취득할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 변류기용 코어는 투자율이 저하됨에 따라 인덕턴스가 감소하여 변류기에 실장시 전력 취득 효율이 저하되는 문제점이 있다.
그에 따라, 변류기용 코어는 전력선에 저전류가 흐르는 경우 전력을 취득할 수 없어, 부하에서 요구되는 전력을 취득할 수 없는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1505873호(명칭: 분리형 전력용 전자기 유도 장치의 제조 방법)
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 저전류에서 자기유도에 의한 전력 취득 효율을 최적화하기 위해 고투자율을 형성하도록 한 변류기용 코어 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 설정 온도 범위 내에서 1차 열처리를 통해 형상을 구현하고, 설정 온도 범위 내에서 1차 열처리보다 높은 온도로 2차 열처리를 수행한 후 함침, 절단 및 폴리싱 공정을 통해 고투자율 특성을 형성하여 저전류에서 전력 취득 효율이 향상되도록 한 변류기용 코어 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 변류기용 코어 제조 방법은 복수의 코어 시트를 적층하여 코어 베이스를 제작하는 단계, 코어 베이스를 설정 온도로 열처리하는 단계, 열처리된 코어 베이스에 함침액을 함침하는 단계 및 코어 베이스의 양단면을 가공하는 단계를 포함한다.
코어 베이스를 제작하는 단계는 금속 시트를 준비하는 단계, 금속 시트를 타발하여 코어 시트를 형성하는 단계 및 코어 시트를 형성하는 단계에서 형성된 복수의 코어 시트를 적층 및 정렬하여 코어 베이스를 형성하는 단계를 포함한다.
금속 시트는 Fe계 자성 합금으로 이루어진 나노 결정립 시트일 수 있다.
코어 베이스를 열처리하는 단계는 금형에 삽입된 코어 베이스를 제1 설정 온도로 열처리하는 단계를 포함하고, 제1 설정 온도로 열처리하는 단계에서는 530℃ 이상 540℃ 이하의 온도를 제1 설정 온도로 설정할 수 있다.
코어 베이스를 열처리하는 단계는 금형에서 분리된 코어 베이스를 제2 설정 온도로 열처리하는 단계를 더 포함하고, 제2 설정 온도로 열처리하는 단계에서는 530℃ 이상 560℃ 이하의 온도를 제2 설정 온도로 설정할 수 있다.
함침하는 단계에서 함침된 후의 코어 베이스는 40000 이상의 투자율이 형성될 수 있다.
양단면을 가공하는 단계에서 가공된 후의 코어 베이스는 10000 이상의 투자율이 형성되고, 코어 베이스의 양단면을 가공하는 단계는 폴리싱 공정으로 코어 베이스의 양단면을 가공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 변류기용 코어는 베이스의 양단이 하부 방향으로 연장되어 형성되고, 수용 홈이 형성되는 상부 코어 및 베이스의 양단이 상부 코어 방향으로 연장되어 형성되는 하부 코어를 포함하고, 상부 코어 및 하부 코어는 투자율이 10000 이상일 수 있다. 이때, 상부 코어 및 하부 코어는 Fe계 자성 합금으로 이루어진 나노 결정립 재질일 수 있다.
본 발명에 의하면, 변류기용 코어 및 변류기용 코어 제조 방법은 설정 온도로 코어 베이스를 열처리한 후 함침, 절단 및 표면 가공(즉, 폴리싱)을 통해 변류기용 코어를 제작함으로써, 20000 이상의 고투자율을 갖는 변류기용 코어를 제작하여 저전류에서 자기유도에 의한 전력 취득 효율을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 변류기용 코어 및 변류기용 코어 제조 방법은 코어 베이스가 금형에 삽입된 상태에서 1차 열처리를 통해 형상을 구현한 후 코어 베이스를 금형에서 분리하여 2차 열처리를 수행함으로써, 금형에 삽입된 상태로 코어 베이스를 열처리하는 종래에 비해 열처리된 코어 베이스의 투자율이 설정값(예를 들면, 40000) 이상의 투자율을 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 변류기용 코어 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2 내지 도 6은 도 1의 금속 리본 권취 단계를 설명하기 위한 도면.
도 7 내지 도 10은 도 1의 열처리 단계를 설명하기 위한 도면.
도 11 내지 도 13은 도 1의 열처리 단계 및 함침 단계를 거친 코어 베이스를 설명하기 위한 도면.
도 14 내지 도 17은 도 1의 절단 단계 및 절단면 가공 단계를 설명하기 위한 도면.
도 18 및 도 19은 본 발명의 실시예에 따른 변류기용 코어 제조 방법의 최적 열처리 조건을 설명하기 위한 도면.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 변류기용 코어 제조 방법에 의해 제조된 변류기용 코어의 투자율 조건을 설명하기 위한 도면.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 변류기용 코어를 설명하기 위한 도면.
도 22 및 도 23은 도 21의 상부 코어를 설명하기 위한 도면.
도 24 및 도 25는 도 21의 하부 코어를 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1을 참조하면, 변류기용 코어 제조 방법은 코어 베이스 형성(S100), 금형(20) 삽입(S200), 열처리(S300), 함침(S400), 절단(S500) 및 절단면 가공(S600)의 단계를 통해 고투자율의 변류기용 코어를 제작한다.
코어 베이스 형성 단계(S100)에서는 소정 두께 및 폭을 갖는 금속 리본을 권취한다. 일례로, 코어 베이스 형성 단계(S100)에서는 두 개의 롤러를 이격시켜 배치하고, 두 개의 롤러를 통해 금속 리본을 권취하여 코어 베이스(10)를 제작한다. 즉, 코어 베이스 형성 단계(S100)에서는 롤링 기법을 통해 코어 베이스(10)를 제작한다.
이때, 금속 리본은 나노 결정립 리본인 것을 일례로 한다. 나노 결정립 리본은 Fe계 자성 합금으로 이루어진 박판을 사용할 수 있으며, Fe계 자성 합금은 하기의 수학식1을 만족하는 합금을 사용할 수 있다.
Figure 112016115339496-pat00001
수학식 1에서, A는 Cu 및 Au로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, D는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ni, Co 및 희토류 원소로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, E는 Mn, Al, Ga, Ge, In, Sn 및 백금족 원소로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, Z는 C, N 및 P로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, c, d, e, f, g 및 h는 관계식 0.01≤c≤8at%, 0.01≤d≤10at%, 0≤e≤10at%, 10≤f≤25at%, 3≤g≤12at%, 15≤f+g+h≤35at%를 각각 만족하는 수이며, 합금 구조의 면적비로 20% 이상이 입경 50㎚ 이하의 미세구조로 이루어져 있다.
나노 결정립 리본의 제조에 사용되는 Fe계 자성 합금은 Fe-Si-B-Cu-Nb 합금을 사용할 수 있으며, 이 경우, Fe가 73-80 at%, Si 및 B의 합이 15-26 at%, Cu와 Nb의 합이 1-5 at%인 것이 사용될 수 있다. 이러한 조성 범위를 갖는 비정질 합금이 후술하는 열처리에 의해 나노상의 결정립으로 쉽게 석출될 수 있다.
코어 베이스 형성 단계(S100)에서는 양단이 반원통 형상으로 형성된 직육면체 형상의 코어 베이스(10)를 제작한다. 이때, 도 2를 참조하면, 코어 베이스(10)는 내부에 양단이 반원통 형상으로 형성된 직육면체 형상의 홈이 형성되어, 단면이 타원형 형상으로 형성된다.
코어 베이스 형성 단계(S100)에서는 양단이 반원통 형상으로 형성된 직육면체 형상의 금형(20) 상에 금속 리본을 권취하여 단면이 타원형 형상인 코어 베이스(10)를 제작할 수도 있다.
코어 베이스 형성 단계(S100)에서 금속 리본의 권취시 금속 리본들 사이에 에어갭이 형성되는 경우 코어의 투자율(permeability)이 감소된다.
이에, 코어 베이스 형성 단계(S100)에서 롤링을 통해 금속 리본을 권취하여 금속 리본들 사이에서의 에어갭 형성을 최소화하여 투자율의 감소를 방지함으로써 코어의 특성 저하를 방지한다.
한편, 코어 베이스 형성 단계(S100)는 복수의 코어 시트(14)를 적층하여 코어 베이스(10)를 형성할 수도 있다. 이를 위해, 도 3 및 도 4를 참조하면, 코어 베이스 형성 단계(S100)는 금속 시트(12) 준비 단계(S120), 금속 시트(12) 타발 단계(S140) 및 적층 및 정렬 단계(S160)를 포함한다.
금속 시트(12) 준비 단계(S120)는 나노 결정립 재질로 형성된 박판 형태의 금속 시트(12)를 준비한다. 이때, 금속 시트(12)는 상술한 금속 리본과 동일한 재질로 형성될 수 있다.
금속 시트(12) 타발 단계(S140)는 금속 시트(12)를 코어 베이스(10) 형상으로 타발한다. 즉, 금속 시트(12) 타발 단계(S140)는 금속 시트(12)를 타발하여 코어의 단면 형상에 대응되는 코어 시트(14)를 형성한다. 이때, 도 5 및 도 6을 참조하면, 금속 시트(12) 타발 단계(S140)는 금속 시트(12)를 '∪' 형상, '
Figure 112016115339496-pat00002
'형상 등과 같이 다양한 형태로 타발할 수 있다.
적층 및 정렬 단계(S160)는 타발 단계(S140)를 통해 형성된 코어 시트(14)를 적층한다. 적층 및 정렬 단계(S160)는 적층된 코어 시트(14)를 정렬하여 코어 베이스(10)를 형성한다. 여기서, 코어 시트(14) 적층을 통해 형성한 코어 베이스(10)는 상부 코어 또는 하부 코어를 구성한다.
금형(20) 삽입 단계(S200)에서는 코어 베이스 형성 단계(S100)에서 제작된 코어 베이스(10)를 금형(20)에 삽입한다. 이를 통해, 코어 베이스(10)에 대한 열처리 및 함침시 코어 베이스(10)의 형상 변형을 방지한다.
열처리 단계(S300)에서는 코어 베이스 형성 단계(S100)에서 제작된 코어 베이스(10)를 열처리한다. 즉, 열처리 단계(S300)에서는 코어 베이스(10)에 열을 가하여 코어 베이스(10)의 밀도 및 초자화 특성을 균일하게 하고, 높은 초투자율 특성을 구현한다.
열처리 단계(S300)에서는 금형(20)(지그)에 삽입된 코어 베이스(10)에 설정 온도 범위 내의 온도를 가하여 열처리를 수행한다. 이때, 열처리 단계(S300)에서는 대략 530℃ 내지 550℃ 정도의 설정 온도 범위 내의 온도를 코어 베이스(10)에 가한다.
열처리 단계(S300)에서는 코어 베이스(10)가 금형(20)에 삽입된 상태로 열처리를 수행하는 경우, 코어 베이스(10)에 가해져야할 열이 금형(20)이 흡수하여 열처리가 제대로 진행되지 않는다.
금형(20)이 삽입된 상태로 열처리를 수행한 후 열처리 온도에 따른 코어 베이스(10)의 투자율을 측정하였으며, 그 결과는 도 7에 도시된 바와 같다.
도 7을 참조하면, 코어 베이스(10)는 금형(20)의 영향으로 인해 투자율이 대략 48100 내지 51800 정도로 형성된다.
일반적으로 후술할 함침 단계(S400) 및 절단 단계(S500)를 수행하면 투자율 저하로 인해 인덕턴스 드롭 현상이 발생하며, 열처리 단계(S300)를 거친 코어 베이스(10)의 투자율은 투자율 저하를 고려했을 때 대략 40000 이상으로 형성되어야 한다.
즉, 저전류에서도 전력을 취득하기 위해서는 최종 코어는 대략 10000 이상의 투자율을 형성해야 하므로, 절단 단계(S500)에서의 투자율 저하를 감안했을 때 함침 단계(S400)를 거친 코어 베이스(10)는 대략 40000 이상의 투자율을 형성해야 한다.
하지만, 금형(20)이 삽입된 상태로 열처리된 코어 베이스(10)의 투자율은 대략 530℃ 정도로 열처리를 수행했을 때 대략 51800 정도이고, 대략 540℃ 정도로 열처리를 수행했을 때 대략 51700 정도이고, 대략 550℃ 정도로 열처리를 수행했을 때 대략 48100 정도로 형성된다.
이때, 금형(20)이 삽입된 상태로 코어 베이스(10)를 열처리 및 함침하는 경우 열처리 온도에 따라 대략 46.6% 정도에서 52.3% 정도의 투자율 저하가 발생하여, 코어 베이스(10)는 열처리 온도에 따라 각각 대략 24700, 24900, 25700 정도로 투자율이 형성된다.
도 8을 참조하면, 함침 단계(S400)를 거친 코어 베이스(10)가 대략 40000 이상의 투자율을 형성하도록 하기 위해서, 열처리 단계(S300)는 1차 열처리(S320) 및 2차 열처리(S340) 단계를 통해 코어 베이스(10)를 열처리한다.
도 9를 참조하면, 1차 열처리 단계(S320)에서는 코어 베이스(10)의 형상을 구현하기 위해서 제1 설정 시간 동안 금형(20)이 삽입된 코어 베이스(10)에 제1 설정 온도를 가하여 코어 베이스(10)의 형상을 구현한다. 여기서, 제1 설정 시간은 대략 30분 이하로 설정되고, 제1 설정 온도는 대략 530℃ 내지 540℃ 정도로 설정된다.
도 10을 참조하면, 2차 열처리 단계(S340)에서는 코어 베이스(10)의 자기 특성(즉, 투자율)을 구현하기 위해서 제2 설정 시간 동안 금형(20)이 제거된 코어 베이스(10)에 제2 설정 온도를 가하여 코어 베이스(10)의 자기 특성을 구현한다. 이때, 제2 설정 온도는 제1 설정 온도 이상의 온도로 설정되고, 제2 설정 시간은 제2 설정 시간보다 긴 시간으로 설정될 수 있다. 여기서, 제2 설정 시간은 대략 30분 이상 90분 이하로 설정되고, 제2 설정 온도는 대략 530℃ 내지 560℃ 정도로 설정된다.
일례로, 1차 열처리 단계(S320)에서는 금형(20)이 삽입된 코어 베이스(10)에 대략 540℃ 정도의 온도를 대략 30분 동안 가하여 코어 베이스(10)의 형상을 구현한다. 2차 열처리 단계(S340)에서는 금형(20)이 제거된 코어 베이스(10)에 대략 550℃ 정도의 온도를 대략 90분 동안 가하여 코어 베이스(10)의 형상을 구현한다.
함침 단계(S400)에서는 열처리된 코어 베이스(10)에 함침액을 함침한다. 즉, 함침 단계(S400)에서는 함침액(예를 들면, 바니쉬 함침액)을 코어 베이스(10)에 함침하여 코어 베이스(10)의 에어 갭을 최소화한다. 이를 통해, 함침 단계(S400)에서는 대략 40000 내지 60000 정도의 투자율을 갖는 코어 베이스(10)를 형성한다.
1차 열처리 단계(S320) 및 2차 열처리 단계(S340)를 통해 열처리된 코어 베이스(10) 및 함침 단계(S400)를 거친 코어 베이스(10)의 투자율을 측정하였으며, 그 결과는 도 11 및 도 12에 도시한다.
도 11을 참조하면, 2차 열처리 단계(S340)에서 대략 530℃ 정도로 열처리된 코어 베이스(10)는 대략 92600 정도의 투자율을 형성하고, 대략 540℃ 정도로 열처리된 코어 베이스(10)는 대략 77000 정도의 투자율을 형성하고, 대략 550℃ 정도로 열처리된 코어 베이스(10)는 대략 67700 정도의 투자율을 형성하고, 대략 560℃ 정도로 열처리된 코어 베이스(10)는 대략 51600 정도의 투자율을 형성한다.
이후, 함침 단계(S400)를 거친 코어 베이스(10)는 열처리 온도에 따라 각각 43300, 55400, 58300, 45300 정도의 투자율이 형성되므로, 대략 40000 이상의 투자율이 형성되어 함침 단계(S400)을 거친 코어 베이스(10)의 투자율 조건(즉, 대략 40000 이상의 투자율을 만족하는 것으로 확인된다.
한편, 도 12를 참조하면, 코어 베이스(10)는 열처리 단계(S300)에서 대략 530℃ 정도로 가열할 경우 가장 높은 투자율(및 인덕턴스)이 형성되고, 열처리 온도가 증가할수록 투자율(및 인덕턴스)이 낮아진다. 즉, 코어 베이스(10)는 열처리 단계(S300)의 열처리 온도가 530℃에서 가장 높은 투자율(및 인덕턴스)을 가지며, 열처리 온도가 560℃까지 순차적으로 증가할수록 투자율(및 인덕턴스)이 저하된다.
여기서, 코어 베이스(10)의 투자율을 직접 측정하는 것이 어렵기 때문에, 도 8에서는 코어 베이스(10)의 인덕턴스를 측정하고, 측정한 인덕턴스를 이용하여 산출한 투자율을 기재한다.
한편, 함침 단계(S400)를 거친 코어 베이스(10)의 투자율은 인덕턴스 드롭(Drop) 현상에 의해 열처리 단계(S300)를 수행한 후의 투자율에 비해 저하된다.
이때, 코어 베이스(10)는 열처리 단계(S300)의 열처리 온도에 따라 다른 인덕턴스 드롭률을 가진다. 즉, 함침 단계(S400)를 거친 코어 베이스(10)는 열처리 단계(S300)의 열처리 온도가 530℃에서 550℃까지 증가할수록 투자율이 증가하고, 550℃ 이상에서는 투자율이 저하된다.
이는, 열처리 온도가 증가할수록 인덕턴스 드롭률이 저하되는 것을 의미하는 것이므로, 열처리 온도에 따른 코어 베이스(10)의 투자율과 인덕턴스 드롭률을 고려하면 대략 550℃ 정도에서 열처리를 수행하는 경우 가장 높은 투자율을 갖는 코어 베이스(10)를 제조할 수 있다.
이러한 특성을 고려하면, 가장 높은 투자율을 갖는 코어 베이스(10)를 형성하기 위해서 열처리 단계(S300)의 열처리 온도(즉, 제2 설정 온도)는 대략 550℃ 정도 설정하는 것이 바람직하다.
이를 확인하기 위해, 열처리 온도(즉, 제2 설정 온도)가 대략 550℃ 정도로 설정된 열처리 단계(S300)를 거친 코어 베이스(10)의 인덕턴스와 열처리 단계(S300) 이후 함침 단계(S400)를 거친 코어 베이스(10)의 인덕턴스를 10회 반복하여 측정하고, 측정한 결과를 이용하여 투자율을 산출하였으며, 그 결과는 도 13에 도시한다.
도 13을 참조하면, 열처리 단계(S300) 및 함침 단계(S400)를 거친 코어 베이스(10)는 평균적으로 대략 56180 정도의 투자율이 형성되어, 대략 550℃ 정도가 가장 이상적인 열처리 온도로 판단되었다.
절단 단계(S500)에서는 열처리 및 함침 처리된 코어 베이스(10)를 절단하여 상부 코어(120) 및 하부 코어(140)를 제작한다. 즉, 도 14를 참조하면, 절단 단계(S500)에서는 권취 방향에 대해 직각 방향으로 코어 베이스(10)를 절단한다. 이때, 절단 단계(S500)에서는 코어 베이스(10)의 중심을 절단하여 동일한 크기를 갖는 상부 코어(120) 및 하부 코어(140)를 제작하거나, 코어 베이스(10)의 일단에 치우친 위치를 절단하여 서로 다른 크기를 갖는 상부 코어(120) 및 하부 코어(140)를 제작할 수 있다.
한편, 도 15를 참조하면, 코어 베이스 형성 단계(S100)에서 코어 시트(14)를 적층하여 코어 베이스를 형성하는 경우, 절단 단계(S500)가 생략될 수 있다.
표면 가공 단계(S600)에서는 절단 단계(S500)에서 제작된 상부 코어(120) 및 하부 코어(140)의 양단(즉, 절단면)을 가공한다.
도 16을 참조하면, 상부 코어(120) 및 하부 코어(140)는 다른 코어와 접촉되는 단면이 거칠게 형성될 수 있다.
즉, 코어 베이스 형성 단계(S100)에서 권취 공정으로 코어 베이스를 제작하는 경우 코어 베이스를 절단하여 상부 코어(120) 및 하부 코어(140)를 형성하기 때문에, 절단 단계(500)에서 절단된 상부 코어(120) 및 하부 코어(140)의 절단면은 표면이 거칠게 형성된다.
한편, 코어 베이스 형성 단계(S100)에서 적층 공정으로 코어 베이스를 제작시 코어 시트(14)들이 정확히 정렬된 경우 표면 가공 단계(S600)를 수행하지 않아도 된다.
하지만, 코어 베이스 형성 단계(S100)에서 비용 절감을 위한 적층 기법을 이용하는 경우 코어 시트(14)들의 정렬 정확도가 저하되기 때문에 상부 코어(120) 및 하부 코어(140)를 결합하는 경우 갭이 발생할 수 있다.
이때, 갭이 발생한 상태에서 변류기에 실장되는 경우, 상부 코어(120)와 하부 코어(140)의 결합시 절단면 사이에서 발생하는 갭에 의해 전압 취득 효율이 저하된다.
따라서, 표면 가공 단계(S600)에서는 상부 코어(120)와 하부 코어(140)의 양단면(즉, 절단면)이 동일하게 되도록 표면 가공을 수행할 수 있다. 이때, 표면 가공 단계(S600)에서는 폴리싱(polishing)을 통해 상부 코어(120)와 하부 코어(140)의 양단면을 가공할 수 있다.
열처리 온도(즉, 제2 설정 온도)가 대략 550℃ 정도로 설정된 열처리 단계(S300)를 거친 코어 베이스(10), 열처리 단계(S300) 이후 함침 단계(S400)를 거친 코어 베이스(10), 절단 단계(S500)을 거친 코어 베이스(10) 및 표면 가공 단계(S600)를 거친 코어 베이스(10)의 인덕턴스를 각각 측정하고, 이를 이용하여 투자율을 산출하였으며, 그 결과는 도 17에 도시한다.
도 17을 참조하면, 함침 단계(S400)를 거친 코어 베이스(10)의 투자율은 대략 50000 이상으로 형성되지만, 절단 단계(S500)를 통해 절단된 코어는 표면(즉, 커팅면)에서 발생하는 갭에 의한 영향으로 인해 투자율이 대략 10000 미만으로 떨어진다.
이에, 표면 가공 단계(S600)에서 폴리싱을 통해 코어 표면(즉, 서로 맞닿는 커팅면)의 갭을 줄여 투자율을 향상시키는 것이 바람직하다.
표면 가공 단계(S600)를 통해 코어 표면을 가공한 후에는 코어의 투자율이 대략 10000 이상으로 형성되며, 변류기에 실장시 기구를 통해 일정한 힘을 가하는 경우 대략 30000 이상의 투자율을 구현할 수 있다.
상술한 530℃, 540℃, 550℃로 각각 열처리하여 유사한 투자율을 갖도록 제조한 변류기용 코어(100)들의 B-H 커브를 측정하고, 각 변류기용 코어(100)를 실제 변류기에 실장한 후 저전류(예를 들면 0.4A 이하)가 전력선에 흐르는 상태에서 변류기용 코어(100)에서 유도된 전력을 측정하였으며, 그 결과는 도 18 및 도 19에 도시한다.
도 18을 참조하면, 530℃로 열처리한 변류기용 코어(100)는 대략 18700 정도의 투자율을 형성하고, 540℃로 열처리한 변류기용 코어(100)는 대략 18200 정도의 투자율을 형성하고, 550℃로 열처리한 변류기용 코어(100)는 대략 18700 정도의 투자율을 형성하여 유사한 투자율을 갖도록 형성한 후 각 변류기용 코어(100)의 B-H 커브를 측정기로 측정한 결과, 각 변류기용 코어(100)는 자속밀도에서 유사한 값을 형성하였으나, 보자력(Hc)에 차이가 발생한다.
한편, 도 19를 참조하면, 변류기용 코어(100)들 중 대략 550℃ 정도로 열처리된 변류기용 코어(100)가 저전류 상태에서 가장 높은 전력 유도율을 형성한다.
이는 투자율을 동일하게 설정한 경우 보자력(Hc)를 낮게 형성할수록 전력 유도율이 높아지는 것을 의미하므로, 대략 550℃ 정도가 가장 높은 전력 유도율을 갖는 변류기용 코어(100)를 제조하기 위한 최적의 온도이다.
동일한 전류가 흐르는 전력선에 설치된 변류기에 서로 다른 투자율(즉, 9000, 10000, 20000)을 갖는 변류기용 코어(100)를 설치한 후 유도된 전류 및 전압을 측정하였으며, 그 결과는 도 20에 도시한다.
도 20을 참조하면, 전력선에 동일한 전류가 흐를 때, 대략 9000 정도의 투자율을 갖는 변류기용 코어(100)는 다른 투자율(즉, 10000, 20000)을 갖는 변류기용 코어(100)보다 낮은 전류 및 전압이 유도된다.
이는 변류기용 코어(100)의 투자율이 증가할수록 높은 전력 유도 효율을 구현할 수 있음을 의미하므로, 변류기용 코어(100)는 가능한 높은 투자율을 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 변류기용 코어(100)는 투자율이 대략 10000 미만으로 형성된 경우 저전류에서 전력 취득 효율이 저하되거나 전력을 취득할 수 없으므로, 변류기용 코어(100)는 대략 10000 이상의 투자율을 갖는 것이 바람직하다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 변류기용 코어(100)는 전력선(200)이 수용되는 상부 코어(120) 및 코일(320)이 권선된 보빈(300)이 실장되는 하부 코어(140)를 포함하여 구성된다.
이때, 변류기용 코어는 대략 530℃ 내지 560℃ 정도의 설정 온도로 열처리하여 제작되며, 대략 10000 이상의 투자율을 형성한다.
상부 코어(120)는 하부 코어(140)의 상부에 배치되고, 내부에 전력선(200)이 수용되는 수용 홈(124)이 형성된다. 상부 코어(120)는 전선의 둘레 일부를 감싸는 형상(예를 들면, ∩ 형상)으로 형성되어 전력선(200)과 코어가 이격된 공간을 최소화한다. 이때, 상부 코어(120)의 수용 홈(124)에 전력선(200)이 수용되는 경우, 상부 코어(120)의 양단은 전력선(200)의 중심보다 낮은 위치(즉, 하부 코어(140)에 더 근접한 위치)에 위치한다. 그에 따라, 상부 코어(120)에 형성된 수용 홈(124)에 전력선(200)이 완전히 수용된다.
일례로, 도 22를 참조하면, 상부 코어(120)는 상부 베이스(121), 제1 상부 연장부(122) 및 제2 상부 연장부(123)를 포함하여 구성된다. 이하에서는 상부 코어(120)의 형상을 용이하게 설명하기 위해 상부 베이스(121) 내지 제2 상부 연장부(123)로 분리하여 설명하였으나, 상부 코어(120)는 일체형으로 형성된다.
상부 베이스(121)는 반원통형의 형상으로 형성된다. 이때, 상부 베이스(121)의 단면은 사각형 형상으로 형성될 수 있다. 상부 베이스(121)는 내부에 전력선(200)이 수용되는 반원통형 형상의 상부 수용 홈(125)이 형성된다. 이때, 상부 수용 홈(125)은 전력선(200)의 일부(즉, 전력선(200) 단면의 일부)를 수용한다.
제1 상부 연장부(122)는 상부 베이스(121)의 일단에서 하부 방향(즉, 하부 코어(140) 방향)으로 연장되어 형성된다. 이때, 제1 상부 연장부(122)는 단면이 상부 베이스(121)의 단면과 동일한 형상으로 형성된 육면체 형상으로 될 수 있다.
제2 상부 연장부(123)는 상부 베이스(121)의 타단에서 하부 방향(즉, 하부 코어(140) 방향)으로 연장되어 형성된다. 이때, 제2 상부 연장부(123)는 단면이 상부 베이스(121)의 단면과 동일한 형상으로 형성된 육면체 형상으로 될 수 있다.
한편, 제1 상부 연장부(122) 및 제2 상부 연장부(123)가 상부 베이스(121)의 양단에서 연장되어 상호 간 이격됨에 따라, 제1 상부 연장부(122) 및 제2 상부 연장부(123)의 사이에는 소정 형상(예를 들면, 직육면체 형상)의 하부 수용 홈(126)이 형성된다. 이때, 하부 수용 홈(126)은 전력선(200)에서 상부 수용 홈(125)에 수용된 일부를 제외한 나머지 부분을 수용한다.
이를 통해, 상부 코어(120)는 상부가 반원통형의 홈 하부에 직육면체 형상의 홈이 결합된 구조의 수용 홈(124)이 형성된다. 이때, 수용 홈(124)의 상부(즉, 반원통형 홈)에는 전력선(200)의 단면을 기준으로 절반이 수용되고, 하부(즉, 직육면체 형상의 홈)에는 나머지 절반의 전력선(200)이 수용될 수 있다.
다른 일례로, 도 23을 참조하면, 상부 코어(120)는 상부 베이스(121), 제1 상부 연장부(122) 및 제2 상부 연장부(123)를 포함하여, 'ㄷ' 형상으로 형성될 수 있다.
상부 베이스(121)는 직육면체 형상으로 형성된다. 이때, 상부 베이스(121)의 양단에서 제1 상부 연장부(122) 및 제2 상부 연장부(123)가 형성되거나, 일면의 양단부에서 제1 상부 연장부(122) 및 제2 상부 연장부(123)가 형성될 수 있다.
제1 상부 연장부(122)는 상부 베이스(121)의 일면 일단부에서 하부 방향(즉, 하부 코어(140) 방향)으로 연장되어 형성된다. 제1 상부 연장부(122)는 상부 베이스(121)의 일단부에서 하부 방향으로 연장되어 형성될 수도 있다. 이때, 제1 상부 연장부(122)는 단면이 상부 코어(120) 일단의 단면과 동일한 형상으로 형성된 육면체 형상으로 형성된다.
제1 상부 연장부(122)는 육면체 형상으로 형성된다. 제1 상부 연장부(122)는 일단이 상부 베이스(121)의 일단 또는 일면의 일단부에 결합되거나, 일면의 일단부가 상부 베이스(121)의 일단 또는 일면의 일단부에 결합된다. 제1 상부 연장부(122)는 타단(즉, 하부 방향에 배치되는 일단)이 하부 코어(140)의 일단과 접촉된다.
제2 상부 연장부(123)는 상부 베이스(121)의 일면 타단부에서 하부 방향(즉, 하부 코어(140) 방향)으로 연장되어 형성된다. 제2 상부 연장부(123)는 상부 베이스(121)의 타단부에서 하부 방향으로 연장되어 형성될 수도 있다. 이때, 제2 상부 연장부(123)는 단면이 상부 코어(120) 타단의 단면과 동일한 형상으로 형성된 육면체 형상으로 형성된다.
제2 상부 연장부(123)는 육면체 형상으로 형성된다. 제2 상부 연장부(123)는 일단이 상부 베이스(121)의 타단 또는 일면의 타단부에 결합되거나, 일면의 일단부가 상부 베이스(121)의 타단 또는 일면의 타단부에 결합된다. 제2 상부 연장부(123)는 타단(즉, 하부 방향에 배치되는 일단)이 하부 코어(140)의 타단과 접촉된다.
하부 코어(140)는 상부 코어(120)의 하부에 배치되고, 양단이 상부 코어(120)의 양단과 접촉된다. 하부 코어(140)는 상부 코어(120)를 180도 회전시킨 형상(예를 들면, ∪ 형상)으로 형성된다. 이때, 하부 코어(140)의 양단 중 적어도 일단에는 코일(320)이 권선된 보빈(300; bobbin)이 실장된다. 여기서, 하부 코어(140)의 일단이 보빈(300)에 형성된 홈을 관통함에 따라, 하부 코어(140)에 보빈(300)이 실장된다.
일례로, 도 24를 참조하면, 하부 코어(140)는 하부 베이스(142), 제1 하부 연장부(144) 및 제2 하부 연장부(146)를 포함하여 구성된다. 이하에서는 하부 코어(140)의 형상을 용이하게 설명하기 위해 하부 베이스(142) 내지 제2 하부 연장부(146)로 구분하여 설명하였으나, 하부 코어(140)는 일체형으로 형성된다.
하부 베이스(142)는 반원통형의 형상으로 형성된다. 이때, 하부 베이스(142)의 단면은 사각형 형상으로 형성될 수 있다.
제1 하부 연장부(144)는 하부 베이스(142)의 일단에서 상부 방향(즉, 상부 코어(120) 방향)으로 연장되어 형성된다. 이때, 제1 하부 연장부(144)는 단면이 하부 베이스(142)의 단면과 동일한 형상으로 형성된 육면체 형상으로 될 수 있다. 제1 하부 연장부(144)는 단면이 상부 코어(120)의 단면과 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
제2 하부 연장부(146)는 하부 베이스(142)의 타단에서 상부 방향(즉, 상부 코어(120) 방향)으로 연장되어 형성된다. 이때, 제2 하부 연장부(146)는 단면이 하부 베이스(142)의 단면과 동일한 형상으로 형성된 육면체 형상으로 될 수 있다. 제2 하부 연장부(146)는 단면이 상부 코어(120)의 단면과 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
변류기용 코어(100)는 ∪ 형상으로 형성된 하부 코어(140)에 보빈(300)을 실장하면 하부 코어(140)와 보빈(300) 사이에 이격 공간이 발생하여 하부 코어(140)와 보빈(300) 간의 밀착률이 저하된다.
또한, 변류기용 코어(100)는 ∪ 형상으로 형성된 하부 코어(140)에 보빈(300)을 실장하는 경우, 라운드 부분(즉, 하부 베이스(142))에 보빈(300)을 실장할 수 없기 때문에 하부 코어(140)에 실장 가능한 보빈(300)의 사이즈가 감소하고, 보빈(300) 사이즈 감소로 인해 코일(320) 턴수가 감소한다.
그에 따라, 변류기용 코어(100)는 인덕턴스(Inductance)가 감소하여 출력 전압(즉, 전력선(200)으로부터 취득한 전압)이 감소하게 된다.
이에, 하부 코어(140)는 하부에 위치하는 코어(즉, 하부 베이스(142))를 육면체 형상으로 형성하여 하부 방향이 직선 형태로 형성될 수 있다. 즉, 변류기용 코어(100)는 하부 코어(140)의 하부를 직선 형태로 형성함으로써, 하부 코어(140)에 실장 가능한 보빈(300)의 사이즈가 증가하고, 보빈(300)의 사이즈 증가로 인해 코일(320) 턴수가 증가한다.
그에 따라, 변류기용 코어(100)는 인덕턴스가 증가하여 출력 전압(즉, 전력선(200)으로부터 취득한 전압)이 증가하게 된다.
다른 일례로, 도 25를 참조하면, 하부 코어(140)는 하부 베이스(142) 내지 제2 하부 연장부(146)를 포함하여, 'ㄷ' 형상으로 형성될 수 있다.
하부 베이스(142)는 직육면체 형상으로 형성된다. 이때, 하부 베이스(142)의 양단에서 제1 하부 연장부(144) 및 제2 하부 연장부(146)가 형성되거나, 일면의 양단부에서 제1 하부 연장부(144) 및 제2 하부 연장부(146)가 형성될 수 있다.
제1 하부 연장부(144)는 하부 베이스(142)의 일면 일단부에서 상부 방향(즉, 상부 코어(120) 방향)으로 연장되어 형성된다. 제1 하부 연장부(144)는 하부 베이스(142)의 일단부에서 상부 방향으로 연장되어 형성될 수도 있다. 이때, 제1 하부 연장부(144)는 단면이 상부 코어(120) 일단의 단면과 동일한 형상으로 형성된 육면체 형상으로 형성된다.
제1 하부 연장부(144)는 육면체 형상으로 형성된다. 제1 하부 연장부(144)는 일단이 하부 베이스(142)의 일단 또는 일면의 일단부에 결합되거나, 일면의 일단부가 하부 베이스(142)의 일단 또는 일면의 일단부에 결합된다. 제1 하부 연장부(144)는 타단(즉, 상부 방향에 배치되는 일단)이 상부 코어(120)의 일단과 접촉된다.
제2 하부 연장부(146)는 하부 베이스(142)의 일면 타단부에서 상부 방향(즉, 상부 코어(120) 방향)으로 연장되어 형성된다. 제2 하부 연장부(146)는 하부 베이스(142)의 타단부에서 상부 방향으로 연장되어 형성될 수도 있다. 이때, 제2 하부 연장부(146)는 단면이 상부 코어(120) 타단의 단면과 동일한 형상으로 형성된 육면체 형상으로 형성된다.
제2 하부 연장부(146)는 육면체 형상으로 형성된다. 제2 하부 연장부(146)는 일단이 하부 베이스(142)의 타단 또는 일면의 타단부에 결합되거나, 일면의 일단부가 하부 베이스(142)의 타단 또는 일면의 타단부에 결합된다. 제2 하부 연장부(146)는 타단(즉, 상부 방향에 배치되는 일단)이 상부 코어(120)의 타단과 접촉된다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
10: 코어 베이스 20: 금형
100: 변류기용 코어 120: 상부 코어
140: 하부 코어

Claims (12)

  1. 복수의 코어 시트를 적층하여 코어 베이스를 제작하는 단계;
    상기 코어 베이스를 설정 온도로 열처리하는 단계;
    상기 열처리된 코어 베이스에 함침액을 함침하는 단계; 및
    상기 코어 베이스의 양단면을 가공하는 단계를 포함하고,
    상기 코어 베이스를 열처리하는 단계는,
    530℃이상 540℃이하의 온도를 제1 설정 온도로 설정하는 단계;
    금형에 삽입된 코어 베이스를 상기 제1 설정 온도로 열처리하는 단계;
    530℃이상 560℃이하의 온도를 제2 설정 온도로 설정하는 단계; 및
    상기 금형에서 분리된 코어 베이스를 제2 설정 온도로 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 양단면을 가공하는 단계에서 가공된 후의 코어 베이스는 적어도 10000의 투자율이 형성되는 변류기용 코어 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어 베이스를 제작하는 단계는,
    금속 시트를 준비하는 단계;
    상기 금속 시트를 타발하여 코어 시트를 형성하는 단계; 및
    상기 코어 시트를 형성하는 단계에서 형성된 복수의 코어 시트를 적층 및 정렬하여 코어 베이스를 형성하는 단계를 포함하는 하는 변류기용 코어 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 시트는 Fe계 자성 합금으로 이루어진 나노 결정립 시트인 변류기용 코어 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 함침하는 단계에서 함침된 후의 코어 베이스는 적어도 40000의 투자율이 형성되는 변류기용 코어 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 코어 베이스의 양단면을 가공하는 단계는 폴리싱 공정으로 상기 코어 베이스의 양단면을 가공하는 단계를 포함하는 변류기용 코어 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
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