KR20010080442A - 변류기에 사용하기에 적합한 자심, 자심의 제조 방법 및자심을 갖춘 변류기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 변류기에 사용하기에 적합한 자심으로서,
- 상기 자심은 비정질 강자성 합금으로 이루어진 와인딩 스트립(B)으로 구성되며,
- 포화 투과성이 20.000 보다 크고 300.000 보다 작으며,
- 포화 자기 변형 정도가 0.5 ppm 이하이며,
- 자심이 실제로 기계적인 응력으로부터 자유로우며,
- 자심이 이방성 축(A)을 가지며, 상기 축을 따라 자심(M)의 자화 방향이 매우 용이하게 설정되고, 상기 축은 스트립(B)의 중심선이 통과하는 평면에 대해 수직이며,
- 상기 합금은 실제로 하기식으로 구성된 조성을 가지며,
Coa(Fe1-xMnx)bNicXdSieBfCg
상기 식에서 X는 V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge, P 중에서 적어도 하나의 원소이고, a 내지 g는 원자-%로 지시되며, 이 경우 a, b, c, d, e, f, g 및 x는 하기 조건:
15 ≤ d + e + f + g ≤ 33 및 0 ≤ x ≤ 1인 조건하에서, 40 ≤ a ≤ 82; 3 ≤ b ≤ 10; 0 ≤ c ≤ 30; 0 ≤ d ≤ 5; 0 ≤ e ≤ 20; 7 ≤ f ≤ 26; 0 ≤ g ≤ 3을 충족시킨다.
Description
전기 장치 그리고 산업용 및 가정용 설비의 전력 소비를 검출하기 위해서 전력량계가 사용된다. 이 경우 가장 오래된 통상의 원리는 페라리-측정기 원리이다. 페라리-측정기는, 상응하는 필드 펄스의 전류- 또는 전압 비례 필드에 의해서 구동되는, 기계적인 측정 장치와 연결된 플레이트의 회전을 통해 전력을 측정하는 것을 기초로 한다. 예를 들어 전력 측정기의 다중 비율 작동 또는 원격 판독과 같은, 전력 측정기의 기능 가능성을 확대하기 위해서 전자 전력 측정기가 사용되며, 상기 측정기에서는 전류- 및 전압의 검출이 유도성 전류- 및 전압 변환기를 통해 이루어진다.
매우 높은 정확성이 요구되는 특수한 적용예는, 전기 공급 회사의 영역에서 전류를 검출하는 것이다. 상기 적용예에서는 한편으로 개별 발전소에서 형성되어고전압 네트워크 내부로 공급되는 전력량이 정확하게 측정되어야 하고, 다른 한편으로 계산을 위해서는 전력 공급 회사간의 교환시에 소비 또는 송출의 변동 부분이 매우 중요하다. 이 목적을 위해 사용되는 전력 측정기는 다기능-내장 장치이며, 개별 고전압 장치 및 중간압 장치로부터 출력되는 상기 장치의 전류 및 전압용 입력 신호는 캐스케이드를 통해 전류- 및 전압 변환기에 의해서 인출되고, 디지털 및 그래픽 등록 또는 디스플레이를 위한 및 제어를 목적으로 한 출력 신호는 배전반 내에서 이용된다. 상기 전력 측정기에서 네트워크측 제 1 변환기는 예를 들어 1 내지 100 kA 및 10 내지 500 kV와 같은 고전류값 및 고전압값을 제어용 박스내에서 조종 가능한 값으로 전위 분리 방식으로 변환하기 위해서 이용되고, 제 2 변환기는 상기 값을 원래의 전력 측정기내에서 측정용 전자 장치에 의해 요구되는, 10 내지 100 mV 미만의 범위에 있는 신호 레벨로 변환시킨다.
도 1은 상기와 같은 변류기의 등가 회로도 및 상이한 적용예에서 나타날 수 있는 것과 같은 기술적인 데이터의 범위를 보여준다. 도면에는 변류기(1)가 도시되어 있다. 비정질 연자성 스트립으로 구성된 자심(4)상에는, 측정될 전류(Iprim)를 가이드하는 1차 권선(2) 및 측정 전류(Isec)를 가이드하는 2차 권선(3)이 있다. 상기 2차 전류(Isec)는, 암페어 코일이 이상적인 경우에는 1차측 및 2차측으로 동일한 크기 및 반대 방향으로 설정되도록 조절된다. 상기 방식의 변류기에서 자계의 변화는 도 2에 도시되어 있으며, 도면에서 자심의 손실은 고려되지 않는다. 2차 코일(3)내의 전류는 유도 법칙에 따라, 상기 전류가 형성의 근거, 즉 자심(4)내에서자성 퓨즈의 시간적인 변동을 저지할 수 있도록 조절된다.
따라서 이상적인 변류기에서는 코일수에 비례하여 곱해진 2차 전류가 1차 전류와 음으로 같으며, 이것은 방정식 (1)로 설명된다:
(1)
상기와 같은 이상적인 경우는 부담 저항(5)(burden resistance), 2차 권선의 구리 저항(6) 및 자심(4)내에서의 손실 때문에 절대로 실현되지 않는다.
따라서 실제 변류기에서는 2차 전류가 전술한 실현에 비해서 진폭 에러 및 위상 에러를 가지며, 이것은 방정식 (2)로 설명된다:
(2)
상기 변류기의 출력 신호는 디지털화, 증배, 적분 및 저장된다. 그 결과는 전술한 목적을 위해 사용되는 전기값이다.
상기 적용예에서 전력 측정을 위해 사용되는 전자 전력 측정기가 "간접적으로" 동작함으로써, 다만 순전히 2극성인 0대칭의 교류가 측정기 자체내에서 측정될 수밖에 없다. 이 목적을 위해서 변류기가 이용되는데, 상기 변류기는 고투과성 재료로 이루어진 자심으로 구성되고, 적은 측정 에러에 도달하기 위해서 작은 위상 에러(φ)를 통해 매우 많은, 즉 통상적으로 2500개 이상의 2차 권선이 상기 변환기에 설치되어야 한다.
순전히 2극성의 전류를 형성하기 위해서는, 그것의 자심이 고투과성 결정 합금, 특히 니켈-철-합금으로 이루어진 변류기가 공지되어 있으며, 상기 합금은 대략80 중량%의 니켈을 함유하고 "퍼멀로이"라는 명칭으로 공지되어 있다. 상기 합금은 기본적으로 매우 낮은 위상 에러(φ)를 갖는다. 그러나 이 경우 상기 합금은, 상기 위상 에러(φ)가 측정될 전류(Iprim)에 의해 심하게 변동된다는 단점이 있으며, 상기 측정될 전류는 변환기 코어의 제어와 동일한 의미를 갖는다. 그렇기 때문에, 상기 변환기의 부하 교체시에 전류를 정확하게 측정하기 위해서는 전력 측정기에서 복잡한 선형성화 과정이 필요하다.
또한, 철이 없는 공기 코일을 기초로 동작하는 변류기가 공지되어 있다. 상기 원리는 소위 로고브스키-원리로 공지되어 있다. 상기 원리에서는 위상 에러에 미치는 제어의 영향이 생략된다. 그러나 보정 가능한 전력 측정을 가능하게 하기 위해서는 상기와 같은 변류기의 장애 안전성에 대한 요구가 매우 높을 수밖에 없기 때문에, 외부 필드에 대항하기 위한 비싼 차폐물이 상기 구성물에 설치되며, 이와 같은 구성은 높은 재료 비용 및 조립 비용을 의미하기 때문에 비용 집약적이다.
또한, 공기 코일이 제공된 (전단된) 페라이트-셸 코어를 자심으로서 사용하는 해결책도 공지되어 있다. 상기 변류기는 매우 우수한 선형성을 갖지만, 변류기에서 적은 위상각에 도달하기 위해서는 페라이트의 상당히 낮은 투과성 때문에 부피가 매우 큰 자심과 함께 매우 많은 수의 코일이 필요하다. 페라이트-셸 코어를 기초로 하는 상기 변류기는 또한 마찬가지로 외부 필드에 대해 높은 감도를 갖기 때문에, 그 경우에도 차폐 조치가 적용되어야 한다.
본 발명은, 변류기에 사용하기에 적합한 자심, 상기와 같은 자심의 제조 방법 및 상기와 같은 자심을 갖춘 변류기에 관한 것이다.
하기에서는 본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 자세히 설명된다.
도 3은 자심의 열처리 과정을 개략적으로 보여주는 개략도이며,
도 4는 본 발명에 따른 자심의 투과성 및 여기 자계에 의해 형성되는 유도 진폭의 준금속-코어의 관계를 비교 도시한 그래프이고,
도 5는 측정될 전류의 진폭 에러 및 위상 에러의 관계를 도시한 그래프이며,
도 6은 절연층을 갖는 스트립으로 이루어진 자심 및 상기 자심의 이방성 축을 도시한 개략도이다.
본 발명의 목적은, 변류기에 사용하는 경우 선행 기술에 비해서 측정될 전류의 측정 정확성을 더 높여줄 수 있는 자심을 제공하는 것이다. 또한, 상기 방식의 자심을 제조하기 위한 방법 및 상기 방식의 자심을 갖는 변류기가 제공되어야 한다.
상기 목적은,
자심이 비정질 강자성 합금으로 이루어진 와인딩 스트립으로 구성되고,
포화 투과성이 20.000 보다 크고 300.000 보다 작으며,
포화 자기 변형 정도가 0.5 ppm 이하이며,
자심이 실제로 기계적인 응력으로부터 자유로운 것을 특징으로 하는, 변류기에 사용하기에 적합한 자심에 의해서 달성된다. 자심은 자성의 이방성 축을 가지며, 상기 축을 따라 자심의 자화 방향이 매우 용이하게 설정되고, 상기 축은 스트립의 중심선이 통과하는 평면에 대해 수직이다. 즉, 와인딩 스트립의 방향에 대해 수직으로 뻗는다. 상기 합금은 실제로 하기식으로 구성된 조성을 가지며,
Coa(Fe1-xMnx)bNicXdSieBfCg
상기 식에서 X는 V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge, P 중에서 적어도 하나의 원소이고, a 내지 g는 원자-%로 지시되며, 이 경우 a, b, c, d, e, f, g 및 x는 하기 조건을 충족시킨다:
15 ≤ d + e + f + g ≤ 33 및 0 ≤ x ≤ 1인 조건하에서는, 40 ≤ a ≤ 82; 3 ≤ b ≤ 10; 0 ≤ c ≤ 30; 0 ≤ d ≤ 5; 0 ≤ e ≤ 20; 7 ≤ f ≤ 26; 0 ≤ g≤ 3.
투과성은 스트립의 중심선 평면에서 형성되는 전계 강도 및 그에 의해 야기되는 유도 작용과 관련이 있다.
상기와 같은 자심에서는 자화에 의존하는 투과성의 의존도가 매우 낮다는 사실이 나타났다. 자심의 히스테리시스 루우프도 또한 매우 가는 선형이다.
투과성이 20.000 이상으로 매우 크고 또한 실제로는 자화에 의존하지 않기 때문에, 상기와 같은 자심을 갖는 변류기의 절대 위상 에러 및 절대 진폭 에러는 매우 작다. 절대 진폭 에러는 1 0/00 이하일 수 있다. 절대 위상 에러는 0.1° 이하일 수 있다.
상기 변류기는 자심 외에 부담 저항이 병렬 접속된 적어도 하나의 1차 코일 및 2차 코일을 포함하고, 2차 회로를 낮은 임피던스로 차단한다.
또한, 자심의 히스테리시스 루우프가 높은 선형성을 갖는다는 사실도 나타났다. 따라서 투과성 비율 μ15/μ4은 < 1.1이고 투과성 비율 μ10/μ0.5은 < 1.25이며, 이 경우 μ0.5, μ4, μ10및 μ15는 필드 진폭(H)이 0.5, 4, 10 및 15 mA/cm인 경우의 투과성이다.
작은 포화 자기 변형 및 이방성 축의 정렬은 히스테리시스의 높은 선형성에 매우 바람직하게 작용한다.
우수한 선형성 때문에, 위상 에러 및 진폭 에러는 실제로 측정될 전류에 전혀 의존하지 않는다.
절대 위상 에러, 절대 진폭 에러 및 상기 에러들의 측정 전류에 대한 의존도가 매우 작기 때문에, 변류기에 의해서 매우 정확한 전류 측정이 이루어질 수 있다.
본 발명은, 기술된 조성의 합금을 적절히 열처리함으로써 전술한 특성을 갖는 자심이 형성될 수 있다는 인식을 기초로 한다. 이 경우에는 자심이 기술된 특성을 갖도록 하기 위해서 매우 많은 파라미터들이 서로 매칭된다.
하기에서는 자심의 제조 방법인 동시에 상기 목적을 달성하게 하는 열처리 공정이 설명된다:
스트립을 제조하여 자심으로 감은 후에는, 자심을 380 ℃ 내지 500℃의 목표 온도(이완 온도)로 가열한다. 자심을 목표 온도로부터 실온으로 냉각시키고, 늦어도 합금의 퀴리 온도부터 자계 H > 100 A/cm, 보다 바람직하게는 > 1000 A/cm를 접속한다. 상기 자계는 자심의 형성될 이방성 축에 대해 평행하다. 퀴리 온도(Tc)는 합금의 자연적인 자화가 시작되는 온도이다. 퀴리 온도의 위치를 결정하는 합금 조성 및 얻어질 투과성 레벨에 따라 0.1 내지 10 K/min의 속도로 냉각이 이루어진다. 온도-시간 곡선은 고정적이거나, 비선형이거나, 일정하거나 또는 일정치 않을 수 있다. 냉각 시간은 0.25 내지 60시간일 수 있다.
목표 온도는 합금의 결정화 온도 아래로 선택된다. 바람직하게는 목표 온도가 합금의 결정화 온도 보다 적어도 100℃ 더 낮다.
또한, 목표 온도는 전술한 합금에서 매우 작은 포화 자기 변형이 나타나도록선택된다. 이것을 위해 필요한 목표 온도는 Fe, Mn 대 Co의 비율에 따른다. 상기 비율이 크면 클수록, 목표 온도가 낮게 선택되어야만, 가급적 작은 포화 자기 변형이 얻어진다.
가열에 의해 동시에 기계적 응력의 보상 및 작은 포화 자기 변형이 얻어진다.
자심의 기계적 탄성 응력 텐서(stress tensor)의 특성과 단일축의 이방성에 대한 포화 자기 변형의 곱이 0.5 이하이면, 히스테리시스 루우프의 매우 높은 선형성이 얻어진다.
전술한 냉각 지속 시간은 높은 포화 투과성과 동시에 히스테리시스 루우프의 우수한 선형성을 위해 충분히 높은 이방성 구조가 얻어지게 하는 것으로 나타났다. 자기 변형 및 응력을 전술한 바와 같이 제거함으로써, 단일축 이방성이 매우 작은 값임에도 불구하고 매우 높은 투과성을 가진 고선형의 히스테리시스 루우프가 형성될 수 있다. 자계에서의 냉각이 오래 지속되면 될수록, 포화 침투성은 그만큼 더 작아지고 이방성은 더 높아진다. 그 이유는 자기 쌍극자 모멘트를 갖는 합금의 원자 범위가 자계에서 퀴리 온도 미만으로 서서히 공간적으로 점점 더 멀리 배치되므로, 자화에 대한 우세 방향이 형성되기 때문이다. 즉, 이방성 축이 형성된다. 자계에서 상기 정렬이 부각되면 될수록 그만큼 단일축의 이방성이 커지지만, 투과성은 더 작아진다.
자계내에서 진행되는 정렬 과정은 온도에 2중으로 의존한다. 온도가 높으면 높을수록, 원자의 이동성이 커지고 원자들이 보다 용이하게 배치된다. 온도가 낮을수록, 원자 범위의 자기 쌍극자 모멘트에 대한 자계의 구동력이 커진다. 즉, 원자 범위에 작용하는 배치력이 더 강해진다. 전술한 냉각 지속시간에 의해, 상기 팩터들이 서로 최상으로 매칭됨으로써, 높은 투과성과 동시에 우수한 선형성에 대한 충분히 높은 이방성이 얻어진다.
자계는 자심의 포화 자화가 그 축방향으로 확실하게 이루어지도록 선택된다.
높은 투과성을 얻기 위해, 합금의 조성은 퀴리 온도가 최적화될 다른 파라미터, 예컨대 높은 포화 유도를 고려할 때 가급적 작도록 선택된다. 퀴리 온도는 예컨대 190℃ 내지 270℃이다. 이것은 기술적 및 경제적 이유에서 바람직한데, 그 이유는 선형성으로 인해 퀴리 온도 미만에서는 자계 없이 냉각될 수 없기 때문이다. 퀴리 온도의 강하는 먼저 준금속 함량, 즉 Si 및 B의 량이 상승됨으로써 이루어진다. 이 경우에는 포화 유도도 동시에 강하된다. 이에 반해 Mn-첨가물이 언급된 범위내에서 첨가되면, 포화 유도를 유지하면서 퀴리 온도가 강하될 수 있다.
그와 동시에 최적화될 다른 파라미터, 예컨대 포화 자기 변형을 고려해서 준금속 함량을 증가시킴으로써 결정화 온도의 상승이 이루어진다. 이것이 바람직한 이유는 높은 결정화 온도가 자심의 우수한 노화 특성 및 높은 목표 온도 그리고 그와 더불어 기계적 응력의 보상을 개선시킬 수 있기 때문이다.
또한, 합금의 조성을 선택할 때에는 자심의 포화 유도가 가급적 커야 한다는 사실이 고려된다. 이것이 바람직한 이유는 포화 유도가 클 때 선형성의 범위가 확대되고, 그에 따라 포화가 이루어짐으로써 전류 곡선의 선형성이 파괴되기 전에, 더 높은 전류가 확실하게 측정될 수 있기 때문이다. Co, Fe, Mn 대 나머지 합금의비율이 커질수록 포화 유도는 커진다. 이로 인해서, 동시에 결정화 온도는 감소된다.
높은 투과성으로 인해, 전류 변환기는 정확한 전류 검출을 가능하게 하는 동시에 매우 작은 부피를 갖는다.
요구되는 특성과 관련해서 매우 양호한 전류 변환기는 자기 변형값 ｜λs｜ < 0.1 ppm 을 가진 비정질 강자성 합금의 사용에 의해 구현된다. 상기 합금은 하기의 일반식으로 이루어진 조성을 가지며,
Coa(Fe1-xMnx)bNicXdSieBfCg
상기 식에서 X는 원소 V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge 및 P 중 적어도 하나의 원소이고, a 내지 g는 원자-%로 지시되며, a, b, c, d, e, f, g 및 x는 하기 조건을 충족시킨다:
20 ≤ d + e + f + g ≤ 30의 조건하에서는, 63 ≤ a ≤73; 3 ≤ b ≤10; 0 ≤ c ≤5; 0 ≤ d ≤ 3; 12 ≤ e ≤ 19; 7 ≤ f ≤ 20; 0 ≤ g ≤ 3이고 x ≤ 0.5.
추가의 개선예는, 변환기 코어 재료로서 전술한 종류의 비정질 강자성 합금을 함유하는 변류기에 의해서 달성되며, a, b, c는 하기의 조건을 충족시킨다:
68 ≤ a + b + c ≤ 75.
전술한 합금계는 매우 선형의, 가늘고 긴 히스테리시스 루우프를 특징으로 하며, 필드 진폭 ^H = 4 mA/cm인 경우 μ4 < 120000의 투과성은 기술된 방법에 의해서 제대로 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 합금계는 거의 자기 변형이 없다. 자기 변형이 바람직하게 열처리에 의해서 조절됨으로써, BS= 0.5 내지 0.7 T인 높은 포화 유도 때문에 넓은 공간에 걸쳐 활용 가능한 유도 영역 그리고 투과성 및 비교적 낮은 전화 손실과 관련하여 매우 우수한 주파수 경로를 갖는 선형의 히스테리시스 루우프가 제조될 수 있게 된다.
상기와 같은 고선형의 변류기는 합금 조성이 매우 특이한 경우에 달성되는데, 그 이유는 열처리가 매칭됨으로써 포화 자기 변형의 0점 통과가 세팅될 수 있기 때문이다. 추가적으로, 통상의 열처리에서는 특성을 조절하기 위해서 투과성의 온도 의존성은 0점 통과부 내부에 또는 매우 가깝게 있다.
높은 포화 유도로 인해서, 포화가 이루어짐으로써 전류 곡선의 선형성이 파괴되기 전에 매우 높은 전류가 측정될 수 있게 된다. Si 대 Bor의 비율 및 Co, Fe, Mn 대 합금 잔류물의 비율이 정밀하게 매칭됨으로써, 매우 높은 포화 유도가 달성될 수 있다. 이 경우 포화 유도는 강자성 원소 Co 및 Fe의 함량 증가에 의해서 뿐만 아니라 Mn에 의해서도 전체 준금속 함량에 비해 상승될 수 있다. 또한 Si는 그것의 4 원자가 전자 때문에 다만 3 원자가 전자를 갖는 B 보다 더 강하게 자성 모멘트를 강하시킨다. 이와 같은 방식으로 B 대 Si의 유리한 정밀 조절이 이루어짐으로써 포화 유도는 전체 준금속 함량이 일정할 때 더욱 상승될 수 있다. 그렇게 되면 준금속 함량이 음으로 감소되는 자기 변형은, 0점 통과가 마지막으로 목표 온도에 의해 달성될 수 있을 정도로 물론 다시 Fe-함량을 통해서 보상되어야 한다.
망간 함량에 대한 철 함량의 정밀 조절에 의해서, 적합한 목표 온도의 선택시 포화 자기 변형이 이루어질 수 있게 되며, 상기 자기 변형의 크기는 0.1 보다 작거나 또는 심지어 0.05 ppm이다. 작은 포화 자기 변형으로 인해 단일축 이방성 구조와 경쟁하고 있는 장애 이방성 구조는 특히 작다. 따라서 고투과성에 대한 전제 조건이 되는 단일축 이방성 구조가 작은 경우에도 히스테리시스의 우수한 선형성에 도달할 수 있게 된다.
바람직하게는 자심이 작은 공기 갭을 갖는다. 공기 갭이 없는 자심을 갖는 변류기는 추가의 차폐 조치가 없는 외부 자심에 비해서 매우 높은 안정도를 갖는다. 자심은 예를 들어 폐쇄되고 공기 갭이 없는 링형 코어, 타원형 코어 또는 직사각형 코어가 있다. 링형 코어의 경우와 같이 스트립이 회전 대칭축을 가지면, 이방성 축은 회전 대칭축에 평행하다.
와류 손실 및 그와 더불어 투과성의 파형 면에서는 d ≤ 26 ㎛인 두께가 스트립 밴드 두께의 더 유리한 범위로서 증명되었다. 다른 한편으로 가급적 선형의 가늘고 긴 히스테리시스 루우프에 도달하기 위해서는, 밴드폭이 d ≥ 15 ㎛인 것이 바람직한 것으로 나타났다. 그럼으로써 본 발명에 따른 합금에서는 장애 이방성 구조의 표면 부분이 놀라울 정도로 심하게 감소된다.
히스테리시스의 매우 작은 보자력 장 강도 및 그와 더불어 매우 우수한 선형성은, 스트립의 적어도 표면에 전기 절연층이 제공되는 경우에 달성된다. 이것은 한편으로는 자심의 개선된 탈응력이 달성되도록 작용하고, 다른 한편으로는 매우낮은 와류 손실이 달성되도록 작용한다.
예를 들어 스트립의 2개 표면 중에서 적어도 하나의 표면에는 와인딩 전에 전기 절연층이 제공된다. 이를 위해서는 절연층의 품질에 대한 요구 조건에 따라 스트립의 침지 방법, 순환 방법, 분사 방법 또는 전기 분해 방법이 사용된다.
대안적으로는 와인딩된 자심이 목표 온도까지의 가열 전에 침지 절연됨으로써, 스트립에 전기 절연층이 제공된다. 매우 바람직한 방법은 저압에서의 침지 방법으로 나타났다.
절연 매체를 선택할 때에는, 상기 매체가 한편으로는 스트립 표면상에 잘 접착되도록 그리고 다른 한편으로는 자성을 손상시킬 수 있는 표면 반응을 야기하지 않도록 주의해야 한다. 본 명세서에서 언급되는 합금의 경우 칼슘, 마그네슘, 알루미늄, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 실리콘 원소의 산화물, 아크릴산염, 인산염, 규산염 및 크롬산염은 효과적이고 적합한 절연체로서 제조된다. 이 경우에는 특히 마그네슘이 효과적인데, 마그네슘은 액체의 마그네슘 함유 예비 성형물로서 스트립 표면상에 제공되어 합금에 영향을 미치지 않는 특수한 열처리 동안 두꺼운 마그네슘 함유 층으로 변형되며, 상기 층의 두께(D)는 대략 25 nm 내지 3 ㎛ 범위에 놓일 수 있다. 전술한 자계 열처리 온도에서는 산화 마그네슘으로 이루어진 고유의 절연층이 형성된다.
변류기의 2차 권선은 2200개 보다 작거나 같은 코일수를 갖는다. 변류기의 1차 권선은 3개의 코일수를 가질 수 있다. 변류기는 20A 보다 작거나 같은 1차 전류용으로 설계될 수 있다.
목표 온도까지의 가열은 가급적 신속하게 이루어진다. 예를 들어 목표 온도까지의 가열은 1 내지 15 K/min의 속도로 이루어진다.
기계적인 응력을 가급적 우수하게 보상하기 위해서 자심은 예를 들어 0.25 내지 4시간 동안 목표 온도로 유지된다. 목표 온도가 높아지면 높아질수록 상기 시간은 더 짧아질 수 있다.
탈응력 온도와 퀼-온도 사이의 냉각도 마찬가지로 가급적 신속하게, 예컨대 0.5 - 10 K/min의 속도로 이루어진다. 이 경우 냉각 속도는 자유로운 부피 부분 및 그와 더불어 원자 정렬 능력의 부분을 조절하며, 상기 부분은 더 낮은 온도에서 이방성 구조물을 세팅하기 위해서 이용된다. 퀴리-온도에 도달한 후에는, 스트립의 방향에 대해 수직인 인가된 필드내에서 0.1 - 5 K/min의 속도로 냉각된다. 상기 냉각 속도는, 자성 필드의 구동력하에서 원자의 재방향 설정에 의해 원하는 크기의 단일축 이방성 구조가 형성되도록 선택된다. 상기 단일축 이방성 구조는 투과성에 상반되기 때문에, 높은 냉각 속도에 의해서 높은 투과성이 설정될 수 있다.
그러나 히스테리시스 루우프의 선형화 또는 이방성 필드 강도의 상승을 위해서 약간 더 높고 자계 유도된 단일축 이방성 구조가 세팅되어야 한다면, 퀴리-온도 아래에서는 정적인 온도 레벨이 사용될 수 있다. 이 경우 상기 온도는 자성 모멘트가 가급적 높도록 낮게 선택되어야 하지만, 다른 한편으로는 정렬 과정의 동작이 계속해서 충분히 신속하게 진행될 수 있을 정도로 높아야 한다. 자계가 인가된 경우 효과에 따라서 온도 정체는 0.1 내지 24시간 지속될 수 있다.
자심을 제조하기 위해서는 예를 들어 먼저 용융물로 이루어진 비정질 스트립이 예를 들어 독일 특허 출원서 37 31 781호에 공지된 신속 응고 기술에 의해서 제조된다. 그 다음에 상기 비정질 스트립이 응력 없이 자심으로 와인딩된다. 이 때 장애 이방성을 줄이기 위해서는 바람직하게, 스트립이 적은 표면 거칠기를 갖도록 처리될 수 있다.
열처리 공정은, 상기 열처리 동안 포화 자기 변형값(λs)이 ｜λs｜ < 0.5 ppm, 바람직하게는 ｜λs｜ < 0.05 ppm 범위에 놓일 때까지, 합금 조성에 의존하는 크기만큼 양의 방향으로 변동되도록 이루어진다. 상기 값은 또한 λs의 값이 스트립의 "as quenched"-상태에서, 즉 캐스팅 과정 직후에 명백하게 상기 값 위에 있는 경우에 도달될 수 있다.
사용된 합금에 따라 자심의 세척이 환원 보호 가스 또는 적어도 패시브한 보호 가스에 의해서 이루어질 수 있음으로써, 결과적으로 소정의 경우에 허용되는, 자체 패시베이션 가능한 동시에 전기적으로 절연되고 매우 얇은 준금속-산화물층을 제외하고는, 스트립 표면에서 산화 및 다른 반응이 전혀 나타날 수 없다.
이와 같이 처리된 자심은 예를 들어 침지, 코팅, 적합한 플라스틱 재료에 의한 피복 및/또는 캡슐화에 의해서 마지막으로 경화되며, 자심에는 변류기의 적어도 2차 권선이 각각 제공된다.
도 6은 척도와 일치하지 않으며, 개관을 명확히 할 목적으로 다만 소수의 코일만을 보여준다.
하기의 조성을 갖는 비정질 강자성 합금으로 이루어진, 단지 3.3 g 중량의 자심(M)에 의해서는, 1차 권선 개수 N1= 3이고 2차 권선 개구 N2= 2000인 변류기가 제조될 수 있으며, 상기 변류기는 100 오옴의 부담 저항을 통해 2차 회로내에서 낮은 임피던스로 차단된다:
Co67.7Fe3.8Mo1.5Si16.5B10.5
상기 목적을 위해서, 산화 마그네슘으로 이루어지고 두께가 대략 250 nm인 절연층(S)으로 코팅된 스트립(B)으로 이루어진 자심(M)을 도 3에 도시된 바와 같이 열처리하였다. 먼저 자심(M)을 약 420 K/h의 속도로 1시간 동안 대략 458℃의 목표 온도까지 가열하여 그곳에서 대략 1.5시간 동안 유지시켰다. 그 다음에 대략 120 K/h의 속도로 약 2시간 동안 대략 220℃까지 냉각하고, 대략 60 K/h의 속도로 약 3시간 동안 실온으로 냉각하였다. 60 K/h 속도의 냉각은 횡단 자계내에서 이루어졌고, 상기 자계는 자심(M)의 회전 대칭축에 평행하다. 이 때 자계에 평행한 이방성 축(A)이 형성되고, 상기 축을 따라 자심(M)의 자화가 매우 용이하게 정렬된다(도 6 참조).
상기 실시예에서 자기 변형은 λs= - 13.5 * 10-8인 열처리에 의해서 - 1.2 * 10-8의 매우 작은 값으로 감소된다. 그와 동시에, 와인딩된 자심(M)내에 미리 존재하는 기계적 응력은 거의 완전하게 제거되고, 그럼으로써 조건 ｜_σ｜ = 0이 충족되며, 이 경우 _σ은 기계적인 탄성 응력 텐서이다. 따라서 고투과성을 위한 전제 조건이 만들어지고 실제로 μ(50 Hz) = 177.000이 달성되었다. 다시 말해서 고투과성 및 매우 우수한 선형성(즉, ｜λs｜= 0 및 ｜_σ｜= 0)의 유리한 조합이 이루어졌다.
상기의 경우 히스테리시스 루우프는, 도 4에 도시된 투과성의 제어 의존도가 거의 일정하게 진행되도록 선형을 갖는다. 비교 가능한 특성들은 Tσ= 449℃의 온도에서도 측정되었다. 비교를 위해서 도 4에는 종래의 퍼멀로이-합금의 투과성의 제어 의존도가 도시되어 있다.
와인딩 후에 기술된 변류기에서 측정되는 위상 에러(φ) 및 진폭 에러(F)의 파형은 도 5에 도시되어 있다. 상기 도면에서 종래의 퍼멀로이-합금에 대한 비교는 예를 들어 자기 변형 없는 고투과성 비정질 코어로 이루어진 변류기의 선호도를 보여준다.
변류기는 0.19°의 평균 위상 에러(φ) 및 0.1 내지 2 A의 전류 범위에 걸쳐 0.02°미만의 위상각(Δφ)의 선형성을 갖는다. 상기 열처리된 비정질 강자성 합금의 투과성은 4 mA/cm의 필드 진폭(^H)에서 192000에 놓인다. 사용된 자심(M)의 경우에는, 19 x 15 x 5,2 mm의 치수 및 AFe= 0,081 ㎠의 철 횡단면을 갖는 링형 코어가 다루어진다.
유사하게 우수한 변류기는 하기의 합금으로 이루어진 자심으로 제조될 수 있다:
Co67.62Fe3.7Mo1.5Si16.5B10.68
Co68.2Fe3.9Mo1.5Si16.3B10.1
Co67.65Fe3.4Mn1.0Si16.75Mo0.2B11.0
Co68.3Fe3.4Mn1.0Si16.5Mo0.5B10.3
Co68.2Fe4.1Ni1.4Si14.7C0.2B11.4
상기 실시예와 달리 전술한 합금(Co67.7Fe3.8Mo1.5Si16.5B10.5)을 사용하면, 열처리가 다른 방식으로 이루어지는 경우에는 훨씬 더 악화된 자성에 도달한다. 제 1 변형예에서는 더 우수한 탈응력을 의도하고 510℃까지 목표 온도를 상승시켰다. 그러나 결과적으로 나타나는 강한 비선형의 히스테리시스 루우프는 강한 장애 이방성 구조로 인해, 사용되는 결정화에 의해서 다만 9.400의 스타트 투과성만을 갖게 된다.
그와 달리 탈응력이 Tσ= 400℃에서 실행되면, 히스테리시스 루우프의 선형성도 마찬가지로 악화되며, 이 경우에는 스타트 투과성이 97.000에 놓인다.
1 K/min 대신에 2.5 K/min의 속도로 교차 계자내에서 신속하게 냉각한 후에는(도 3 비교), 상기 루우프가 극도로 작은 단일축 이방성 구조(Ku) 때문에 마찬가지로 라운딩 처리되었다. 그 결과 스타트 투과성은 다만 127.000에 놓이게 되었다.
0.5 K/min의 속도로 교차 계자내에서 서서히 냉각한 후에는, 상기 루우프가 두드러진 선형성을 나타냈다. 그러나 더 큰 단일축 이방성 에너지는 마찬가지로 다만 139.000의 감소된 투과성만을 야기했다.
Claims (20)
- 변류기에 사용하기에 적합한 자심으로서,- 상기 자심은 비정질강자성 합금으로 이루어진 와인딩 스트립(B)으로 구성되며,- 포화 투과성이 20.000 보다 크고 300.000 보다 작으며,- 포화 자기 변형 정도가 0.5 ppm 이하이며,- 자심이 실제로 기계적인 응력으로부터 자유로우며,- 자심이 이방성 축(A)을 가지며, 상기 축을 따라 자심(M)의 자화 방향이 매우 용이하게 설정되고, 상기 축은 스트립(B)의 중심선이 통과하는 평면에 대해 수직이며,- 상기 합금은 실제로 하기식으로 구성된 조성을 가지며,Coa(Fe1-xMnx)bNicXdSieBfCg상기 식에서 X는 V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge, P 중에서 적어도 하나의 원소이고, a 내지 g는 원자-%로 지시되며, 이 경우 a, b, c, d, e, f, g 및 x는 하기 조건:15 ≤ d + e + f + g ≤ 33 및 0 ≤ x ≤ 1인 조건하에서, 40 ≤ a ≤ 82; 3 ≤ b ≤ 10; 0 ≤ c ≤ 30; 0 ≤ d ≤ 5; 0 ≤ e ≤ 20; 7 ≤ f ≤ 26; 0 ≤ g ≤ 3을 충족시키는 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 1 항에 있어서,상기 a, b, c, d, e, f, g 및 x가 하기의 조건:20 ≤ d + e + f + g ≤ 30의 조건하에서, 63 ≤ a ≤73; 3 ≤ b ≤10; 0 ≤ c ≤5; 0 ≤ d ≤ 3; 12 ≤ e ≤ 19; 7 ≤ f ≤ 20; 0 ≤ g ≤ 3이고 x ≤ 0.5를 충족시키는 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 2 항에 있어서,상기 a, b 및 c가 하기의 조건:68 ≤ a + b + c ≤ 75를 충족시키는 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 3 항에 있어서,포화 자기 변형의 크기는 0.1 ppm 보다 작은 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 자심(M)이 0.5 내지 0.7 T의 포화 자화를 갖는 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 스트립(B)의 두께가 15 ㎛ ≤ d ≤ 26 ㎛인 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 스트립(B)의 적어도 한 표면에 전기 절연층(S)이 제공되는 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 7 항에 있어서,상기 전기 절연층(S)으로서 산화 마그네슘으로 이루어진 층이 제공되는 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 8 항에 있어서,상기 전기 절연층의 두께는 25 nm ≤ D ≤ 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 자심은 폐쇄되고 공기 갭이 없는 링형 코어, 타원형 코어 또는 직사각형 코어로 형성되는 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,자심의 기계적 탄성 응력 텐서의 특성과 단일축의 이방성에 대한 포화 자기 변형의 곱이 0.5 보다 작은 것을 특징으로 하는 자심.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 자심을 갖는 교류용 변류기로서,상기 변류기가 변환기 코어로서의 자심(M) 이외에 적어도 하나의 1차 권선 및 2차 권선으로 이루어지며, 상기 권선에는 부담 저항이 병렬 접속되고 상기 권선이 2차 회로를 낮은 임피던스로 차단시키도록 구성된 변류기.
- 제 12 항에 있어서,2차 권선은 Nsec≤ 2200의 와인딩수를 가지고, 1차 권선은 Nprim= 3의 와인딩수를 가지며, 상기 변류기는 1차 전류 Iprim≤ 20 A용으로 설계되는 것을 특징으로 하는 변류기.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 자심의 제조 방법으로서,- 스트립(B)을 제조하여 자심(M)으로 와인딩한 후에, 자심(M)을 380℃ 내지 500℃의 목표 온도로 가열하며,- 자심(M)을 목표 온도로부터 실온으로 냉각시키는 동시에, 늦어도 합금의 퀴리-온도부터 H > 100 A/cm의 자계를 스위치-온시키고, 상기 자계는 자심(M)의 이방성 축(A)에 평행하며,- 상기 퀴리-온도로부터 실온으로 냉각하기 위한 속도는 0.1 내지 5 K/min인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서,- 1 내지 15 K/min의 속도로 목표 온도까지 가열하며,- 자심(M)을 0.25 내지 4시간 동안 상기 목표 온도에서 유지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,퀴리-온도 아래에 있는 중간 온도에서 냉각을 중단시키고, 자심(M)을 0.1 내지 24시간 동안 유지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,0.1 내지 15 K/min의 속도로 냉각을 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17 항에 있어서,0.5 내지 10 K/min의 속도로 퀴리-온도까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,와인딩 전에 상기 스트립(B)의 2개 표면 중에서 적어도 하나의 표면에 전기 절연층(S)을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,가열 전에 상기 자심(M)을 목표 온도까지 침지 절연시킴으로써, 상기 스트립(B)에 전기 절연층(S)을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
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