KR20000076396A - 전기 초크 - Google Patents

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KR20000076396A
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크리스 로저 에이취.
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Abstract

전기초크는 이산 갭과 분산 갭을 함께 가지는 자성의 비정질 금속코어를 포함한다. 비정질 금속은 철을 기본으로 한, 빠르게 고체화된 합금이다. 분산 갭의 배치는 비정질 합금의 부분 결정화를 위해서, 자기 코어를 열처리함으로써 이루어진다. 상기 부분 체적 결정화는 수천에서 200 내지 800의 값으로 자기코어의 투자율을 감소시킨다. 이산 갭은 코어를 절단하고, 스페이서를 삽입함으로써 도입된다. 갭의 폭과 어닐링된 투자율 값에 의존하여, 유효 투자율을 200 내지 400의 범위로 되게 할 수 있다. 이점적으로, 감소된 투자율의 자기 코어는 DC 바이어스 전계 여기의 조건에서 초기 투자율을 유지시키고, 낮은 철손을 갖게하고, 특히 역률 보정 응용에 적합하게 사용할 수 있다.

Description

전기 초크{ELECTRICAL CHOKE}
전기 초크는 DC 에너지저장 인덕터이다. 환형의 인덕터에 대해, 저장된 에너지는 W=1/2[(B2Aclm)/(2μ0μr)] 이며, 여기서 B는 자속 밀도, Ac는 코어의 유효 자기면적, lm은 평균 자기 경로 길이, μ0은 자유공간의 투자율, 및 μr은 물질에서의 상대 투자율이다.
토로이드에서 작은 공간폭을 도입함으로써, 공간폭에서의 자속은 강자성코어 물질에서와 동일하게 남게된다. 그러나 공기중의 투자율(μ~1)은 전형적인 강자성 물질에서의 투자율(μ~수천)보다 현저하게 낮으므로 갭에서의 자기장 세기(H)는 코어 나머지 분분(H=B/μ)보다 더 높다. 자기장에서 단위 체적당 저장되는 에너지는 W=1/2(BH)이고, 따라서, 에너지가 공간폭에 주로 집중되어 있음을 알 수 있다. 즉, 코어의 에너지 저장 능력은 갭을 도입함으로써 강화된다. 갭은 이산갭 또는 분산 갭이 될 수 있다.
분산 갭은 비자성 결합제에 의해서 결합된 강자성 파우더를 사용함으로써, 또는 비정질 합금을 부분적으로 결정화함으로써 도입될 수 있다. 두번째 경우에서, 강자성 결정상은 분리되고, 비자성메트릭스에 의해 둘러싸인다. 이러한 부분결정화 방법은 비정질 금속 합금에 열처리를 하여 이루어진다. 특별하게, 이러한 방법에 따라서, 결정화 정도와 투자율값 사이의 고유상관관계가 제공된다. 100 내지 400의 범위에 있는 투자율을 얻기 위해서, 체적당 10% 내지 25%정도의 결정화가 요구된다. 어닐링 시간과 온도조건의 적절한 조합은 결정화온도, 및/또는 비정질 금속합금의 화학 조성에 기초하여 선택된다. 결정화 정도를 증가시키면 코어의 투자율은 감소된다. 투자율의 감소는 DC 바이어스 전계를 견디는 코어의 능력을 증가시키고, 철손을 증가시킨다.
이산 갭은 자기코어를 절단하고 비자성 스페이서를 삽입함으로써 도입된다. 갭의 크기는 스페이서의 두께로 결정된다. 전형적으로, 이산갭의 크기가 증가하면, 유효 투자율은 감소하고, DC 바이어스 전계를 견디는 코어의 능력은 증가한다. 그러나, 100 Oe 및 그보다 큰 DC 바이어스 여기전계에 대해, 5 내지 10mm 정도의 갭이 요구된다. 이러한 큰 갭은 매우 낮은 수준(10-50)으로 투자율을 감소시키고, 철손을 증가시켜 이로인해, 갭에서의 누설자속이 증가된다.
전력 장치 및 디바이스에서의 역률 보정 응용에 대해, 낮은 투자율(50-300), 낮은 철손, 포화자화, 및 높은 DC 바이어스 자기장을 견딜수 있는 능력을 가진 작은 크기의 전기초크가 필요하다.
발명의 개요
본 발명은 초크의 코어를 어닐링함으로써 얻어지는 분산 갭, 및 코어를 절단함으로써 얻어지는 이산 갭을 함께 갖는 전기초크를 제공한다. 이산 갭 및 분산갭을 결합하여 사용함으로써, 이산 갭 또는 분산갭을 단독으로 사용하였을때는 이루어지지 않는 고유 특성 결합을 생기게 한다. 의외로, 50 Oe 또는 100 Oe DC 바이어스 전계에서 잔류하는 투자율의 95% 또는 85%에 대해 80 내지 120사이의 범위에 있는 투자율을 갖는 자기 코어가 각각 이루어진다. 철손은 100kHz 및 1000 Oe 여기상태에서 100 내지 150W/kg의 범위에 있다.
본 발명은 비정질 금속합금으로 구성되고, 높은 DC 바이어스 전류가 인가되는 곳에서, 역률보정(PFC)과 같은 전기초크 응용에 적합한 자기코어에 관한 것이다.
다음의 첨부된 도면, 및 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로 만들어진 참조로 본 발명의 이점과 이해가 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 DC 바이어스 여기전계의 함수로써, 어닐링된 Fe계 자기 코어의 초기 투자율의 백분율을 도시하는 그래프,
도 2는 DC 바이어스 여기전계의 함수로써, 절단되고, 코어 안에 4.5mm의 두께를 가지는 이산 스페이서가 삽입된 코어에서, Fe계 비정질 금속합금 코어의 초기 투자율의 백분율을 도시하는 그래프,
도 3은 DC 바이어스 여기전계의 함수로써, 분산 갭, 및 1.25mm의 이산 갭을 갖는, Fe계 코어의 초기 투자율의 백분율을 도시하는 그래프,
도 4는 이산 갭 크기의 함수로써, 실험으로 유도된, 이산 및 분산 갭이 결합된 경우의 유효 투자율의 등고선 그림이며, 다른 등고선은 분산 갭에 대한 투자율 값을 대표하는 그래프.
전기 초크의 수행에 있어서 중요한 파라미터는, 코어가 DC 전계에의해 여기될 때, 철손 및 외부 바이어스 전계가 없는 상황에서의 초기투자율의 값으로 여전히 남아있는지의 초기투자율 백분율이다. 전형적으로, 초기투자율을 감소시킴으로써, DC 바이어스 전계의 증가를 지탱할 수 있는 코어의 능력 및 철손이 증가된다.
비정질 금속 코어의 투자율 감소는 어닐링에 의해서, 또는 코어를 절단하고 비자성 스페이서를 도입함으로써 이룰 수 있다. 두 경우 모두에서, 높은 DC 바이어스 전계를 지탱할 수 있는 증가된 능력이 높은 철손으로 변환된다.
본 발명은 결합제에 의해서 결합된 강자성 파우더를 사용함으로써 또는 어닐링함으로써 만들어지는 분산 갭과, 코어를 절단함으로써 만들어지는 이산 갭을 결합한 전기초크를 제공한다. 이산갭과 분산갭을 결합한 사용은 철손의 현저한 증가없이 및 초기 투자율의 큰 감소없이, DC 바이어스 전계를 지탱하는 코어의 능력을 증가시키게 한다. 이러한 초크의 고유한 특성은 이산 갭 또는 분산 갭을 단독으로 사용할 경우에는 얻어질 수 없다.
도 1은 DC 바이어스 여기전계의 함수로써, 어닐링된 Fe계 자기 코어의 초기 투자율의 백분율을 도시하는 그래프이다. Fe-B-Si 비정질 금속 합금으로 구성된 코어는 적절한 어닐링 온도와 시간의 조합을 사용하여 어닐링된다. 결정화가 만들어지는 온도 및/또는 화학조성이 이미 알려져 있다면, Fe-B-Si를 기초로 한 비정질 합금에 대해 상기 어닐링 온도와 시간이 선택될 수 있다. 도 1에 도시된 코어에 대해, 비정질 금속 합금의 조성은 Fe80B11Si9이며, 결정화 온도는 Tx=507℃이였다. 이 결정화 온도는 시차주사열량법(DSC)에 의해서 측정되었다. 어닐링온도 및 시간은 각각 480℃, 1시간이며, 어닐링은 불활성 가스분위기에서 수행되었다. 비정질 합금은 X레이 회절로 측정시에, 50%수준으로 결정화된다. 코어의 부분 결정화로 인하여, 코어의 투자율은 47로 감소했다. 적절한 온도 및 시간 조합을 선택함으로써, 40내지 300의 범위 또는 그 보다 높은 투자율값을 얻을 수 있다. 표 1은 어닐링온도 및 시간 조합, 및 투자율값 결과를 개괄한다. 투자율은 10kHz의 진동수, 8 권선 지그, 및 100mV ac 여기상태에서 유도 브리지로 측정된다.
어닐링 조건 투자율@10kHz DC바이어스10kHz 50 Oe 80 Oe 철손(W/Kg)@100kHz, 0.035T
450℃/4 시간 191 14 8
450℃/4 시간 213 11 7
450℃/7 시간 121 20 12
450℃/8 시간 212 13 7
450℃/8 시간 218 11 7
450℃/10 시간 207 12 7 19
450℃/10 시간 212 15 8 12
450℃/6 시간 203 18 10 14
460℃/4 시간 124 24 15
460℃/4 시간 48 74 41
470℃/15 분 500 6 1 2.5
470℃/30 분 145 17 8 13
470℃/1 시간 189 15 6 10
470℃/1 시간 132 23 11 14
470℃/2 시간 45 78 41
470℃/2 시간 47 76 40 53
470℃/3.5 시간 45 75 37
480℃/15 분 43 75 35 65
480℃/15 분 44 40 32 56
480℃/1 시간 46 77 37
480℃/1 시간 47 81 38 47
490℃/15 분 46 76 37
490℃/15 분 46 80 38
490℃/30 분 46 82 39
490℃/30 분 46 78 36
합금Fe80B11Si9 Tx=508℃
도 1에 도시된 바와 같이, 50 Oe에서, 초기 투자율의 80%가 유지되는 반면, 100 Oe에서는 초기 투자율의 30%가 유지된다. 철손은 100kHz 및 1000 Oe여기상태에서 650W/kg으로 측정되었다.
도 2는 연마용 톱으로 절단되고, 그안에 삽입된 4.5mm 두께의 이산 플라스틱 스페이서를 갖는 코어에서, DC 바이어스 여기전계의 함수로써, Fe계 비정질 코어의 초기 투자율의 백분율을 도시한다. Fe계 코어의 초기투자율은 3000이며, 갭이 만들어진 코어의 유효 투자율은 87이다. 코어는 100 Oe에서 초기투자율의 90%를 유지한다. 그러나 철손은 100kHz 및 1000 Oe여기상태에서 250W/kg였다.
도 3은 DC 바이어스 여기전계의 함수로써, 분산 갭과, 1.25mm의 이산 갭을 함께 갖는 Fe계 코어의 초기 투자율의 백분율을 도시한다. 만약 결정화 온도 및 화학 조성이 알려져 있다면, 비정질 Fe계 합금은 적절한 어닐링 온도 및 시간의 조합을 사용하여 부분 결정화를 할 수 있다. 도 3에 도시된 예는 Fe80B11Si9을 필수구성으로 하는 조성 및 결정화 온도 Tx=507℃를 가진다. 어닐링 온도 및 시간은 각각 430℃ 및 6.5 시간이고, 어닐링은 불활성 가스 분위기에서 수행된다. 이 어닐링 처리는 투자율을 300으로 감소시킨다. 다음, 코어에 에폭시 및 아세톤 용매가 스며들게 하고, 이산 갭을 만들기 위해 연마용 톱으로 절단된후, 갭으로 삽입되는 1.25mm의 플라스틱 스페이서가 코어에 제공된다. 코어의 주입은 절단후에 및 절단하는 동안 코어의 기계적 안정성 및 보전성이 유지되는 것이 요구된다. 코어의 최종 유효 투자율은 100으로 감소되었다. 100 Oe DC바이어스 전계 여기 상태에서, 초기 투자율의 적어도 70%가 유지되었다. 철손은 100kHz 및 1000 Oe여기상태에서 100W/kg였다.
도 1 내지 3은 Fe계 비정질 코어의 DC바이어스 반응을 향상시키는 한편, 동시에 초기 투자율을 높게 유지하고, 철손은 낮추기 위해서는 이산 및 분산 갭이 함께 있는 것이 바람직함을 보여준다.
갭이 만들어진 초크의 유효 투자율을 계산하는 종래의 공식은 이산 및 분산 갭을 함께 가지는 코어에는 적합하지 않다. 도 4는 이산 갭 크기의 함수로써, 분산 및 이산 갭이 결합된 경우의 유효 투자율이 실험으로 유도된 등고선 그림을 도시한다. 다른 등고선 그림은 분산 갭이 있는 투자율의 다양한 값을 대표한다.
표 2는 이산 갭의 크기와 어닐링된 투자율의 다양한 조합을 보여준다. 대응하는 유효 투자율, 100 Oe에서의 투자율의 백분율, 및 철손과 함께, 절단 방법 및 스페이스 물질의 종류가 목록되어있다.
어닐링된 투자율 스페이서 (mm) 유효 투자율 % 투자율 @ 50 Oe % 투자율 @ 100 Oe 철손(W/kg)
300 1.25 107.2 93.4 74.4 87
300 1.25 103.4 91.6 74.6 91
300 1.25 101.5 93.1 74.6 86
300 1.25 97.3 93.6 77.6 100
300 1.25 97 94 78 34*
300 1.5 96 94 79 34*
300 2 87 94 82 40*
300 2.5 81 94 84 45*
300 3 75 95 86 51*
300 4.5 65 97 91 63*
300 8.25 53 98 93 68*
300 12.75 43 99 96 79*
300 1.25 105.2 92 72.4 86
1000 3.75 88.3 97.1 88.3 115
1000 3.75 85.3 97.2 89.4 109
250 0.5 129.3 82.3 50.4 105
250 0.75 111.8 84.4 58.7 170
250 1.5 91.8 92.5 73.4 212
450 0.5 177.5 89.9 18.3 108
450 0.75 158.9 91.9 33.3 101
450 1.5 118.8 95.9 77 110
450 2.25 100 95.7 86.4 96
350 1.5 104 95 78 110
350 1.5 105 94 77 117
350 1.5 103 95 79 114
350 1.5 104 95 79 115
350 1.5 99 95 79 112
450 2.25 94 97 87 98
450 2.25 95 95 81 111
450 2.25 94 96 83 105
450 2.25 96 95 82 120
580 3 89 97 85 106
580 3 89 97 90 103
580 3 92 98 90 110
580 3 89 97 88 104
250 0.75 110 85 58 89
250 0.75 91 93 74 101**
250 0.75 118 82 57 89***
250 0.75 124 82 54 99***
250 0.75 117 84 57 89***
250 0.75 115 85 58 90***
절단 방법 스페이서 종류
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
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연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 플라스틱
와이어 edm 플라스틱
물분사 플라스틱
연마용 톱 세라믹
연마용 톱 플라스틱
연마용 톱 세라믹
연마용 톱 플라스틱
* 500 Oe 여기전계 ** 850 Oe 여기전계 *** 900 Oe 여기전계 를 제외하고, 철손은 1000 Oe 여기전계 및 100kHz에서 측정된다.
스페이서 물질의 다른 두 종류, 플라스틱과 세라믹이 평가되었다. 특성 결과에서 차이점은 관찰되지 않는다. 전형적으로 자기 코어는 플라스틱 상자안에 위치된다. 플라스틱 스페이서는 갭으로 사용될 수 있으므로, 스페이서는 플라스틱 상자로 직접 몰딩될 수 있다. 연마용 톱, 와이어 방전가공머신(와이어 edm), 및 물분사를 포함하는, 코어를 절단하는 몇가지 방법이 평가되었다. 모든 방법이 성공적이다. 그러나, 절단 표면 마무리의 질에서 차이가 생기는데, 와이어 방전가공머신이 가장 좋고, 물분사가 가장 나쁘다. 표 2의 결과로부터, 와이어 방전가공머신 방법으로 제조시에 가장 낮은 철손이 생기고, 물분사 방법은 가장 높은 철손을 생기게 한다는 결론을 얻는다. 연마 방법은 만족스러운 표면 마무리 및 철손을 갖는 코어를 만든다. 위의 결과로부터, 코어의 절단 표면 마무리는 낮은 철손을 얻는데 중요한 역활을 한다는 결론을 얻는다.
따라서, 매우 상세하게 설명되어진 본 발명에서, 상기 상세한 설명은 단지 여기에 직접 설명된 것에만 제한되지 않고, 추가의 수정 및 변경에도 제안될 수 있음을 당업자에게 제안할 수 있으며, 추가의 청구항에의해 정의됨으로써 모든것이 본 발명의 범주안에 들것이다.

Claims (14)

  1. 강자성 비정질 금속합금을 포함하는 코어를 갖는 전기초크에 있어서, 상기 코어는 부분 결정화가 되어 있고, 이산 갭 및 분산 갭을 가지는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분산 갭은 상기 합금을 부분 결정화함으로써 만들어지는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  3. 제 2 항에 있어서, 100 내지 800의 범위에 있는 어닐링된 투자율을 가지는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이산 갭은, 내부에 개구를 만들기 위해, 상기 부분적으로 결정화된 코어를 절단 및 주입하고, 비자성 스페이서를 상기 구멍으로 삽입함으로써 만들어지며, 상기 갭은 상기 스페이서의 두께에 의해 결정되는 갭크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 부분 결정화 후의 투자율(어닐링된 투자율)은 약 200 내지 1000의 범위에 있고, 갭 크기는 약 0.75mm 내지 12.75mm 폭의 범위에 있으며, 유효 투자율은 약 40 내지 200의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  6. 제 5 항에 있어서, 유효투자율은 약 40 내지 200의 범위에 있고, 철손은 1000 Oe 여기전계 및 100kHz에서 약 80 내지 200W/kg의 범위에 있으며, DC 바이어스는 100 Oe DC 바이어스 전계에서 약 50% 내지 95%의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 코어는, 폭이 약 0.75mm 내지 12.75mm 범위인 이산 갭, 및 40 내지 200 범위의 유효 투자율을 가지는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  8. 제 6 항에 있어서, 코어의 유효 투자율은 100이고, Fe계 비정질 금속합금을 300의 투자율로 어닐링한 후, 코어를 절단하고, 1.25mm 두께의 스페이서를 삽입하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 코어는 100 Oe의 DC 바이어스 여기상태에서 상기 유효 투자율의 적어도 75%를 보유하는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 코어는 1000 Oe 여기 및 100kHz에서 80 내지 100W/kg의 범위의 철손을 가지는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 비자성 스페이서는 세라믹 또는 플라스틱으로 구성되어 있고, 상기 코어를 포함한 플라스틱 상자로 직접 몰딩되는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  12. 제 1 항에 있어서, 이산 갭은 연마용 톱, 와이어 방전가공머신, 또는 물분사로 상기 코어를 절단함으로써 만들어지는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 코어는 코어의 보전성 유지 및 전기 절연을 위해 얇은 고온수지로 코팅되는 것을 특징으로 하는 전기초크.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 초크는 역률보정 응용에 사용되는 것을 특징으로 하는 전기초크.
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