KR20010085295A - 자심 절연 - Google Patents

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Abstract

연자심의 인접 금속층 사이의 절연 물질, 및 이 절연 물질을 형성하는 공정에 관한 것이다. 이 절연 물질은 금속 자심의 천연 금속 산화물로 구성된다.

Description

자심 절연 {MAGNETIC CORE INSULATION}
자기(磁氣) 재료는 경(硬) 또는 연(軟)의 적어도 2 종의 형태를 가진다. 경자기(硬磁氣) 재료는 영구 자석이며, 이것은 전계(電界)가 제거된 후 자기적 성질을 보유한다. 경자기 재료의 예로는 일반적인 냉장고 자석을 들 수 있다. 이와 반대로, 연자기 재료는 전계가 제거되면 붕괴되는 자계를 가진다. 연자기 재료의 예에는 전자석이 포함된다. 연자기 재료는 변압기, 인덕터, 인버터, 스위치 전원 등의 부품으로서 전기 회로에 널리 사용되고 있다. 연자기 재료는 또한 큰 에너지 저장, 신속한 에너지 저장 및 효율적인 에너지 회복을 제공하는 자심을 만들기 위해 사용되기도 한다. 이들 용도 등에서, 자심은 다양한 작용 주파수, 일반적으로 50 내지 20 ㎐ 범위의 주파수에서 사용될 수 있다.
대부분의 자심은 매우 얇은 자기 금속 스트립 또는 리본을 기저봉 둘레에 타이트하게 감아 다층 라미네이트(laminate)를 형성하여 만든다. 권선된 금속심은 "어닐링(annealing)" 이라는 가열 단계를 거치는데, 이 단계에서 금속에서 자구(magnetic domain; 磁區)의 열-유도 배열(heat-induced ordering)을 통해 그것의 성능을 최적화하기 위한 것이다. 어닐링 단계 후 기저봉은 제거될 수 있으며, 자심이 풀어지지 않도록 인접한 금속층과 함께 고정하기 위해 결합제로 처리될 수 있다. 종전 기술에 의하면, 이러한 결합제에는 에폭시가 포함되는데, 이 에폭시는 Hysol #4242 수지 및 #3401 경화제(Olean, NY), 또는 Three Bond Co.제의 #2076 함침(含浸) 에폭시와 같은 결합제를 1 품목 또는 2 품목을 가진다. 종전 기술에 의해, 결합제로 처리하게 되면 자심을 C 또는 E 자심을 형성하기 위해 절단 처리될 수 있는데, 이것은 얻어진 절단 자심이 C 또는 E 자 형상을 닮았기 때문에 붙여진 이름이다.
자심을 만드는 금속 스트립(metal strip) 또는 리본층은 매우 얇으며 일반적으로 두께가 0.01 내지 0.3 mm 이다. 400㎐ 이상의 고주파 용도에는, 권선 자심의 개별 금속층이 적절한 기능을 발휘하도록 자심 서로간에 전기적으로 절연될 수 있다. 이러한 절연이 없으면, 고주파수에서 자심은 대형 금속 블록과 유사한 전기적 성질을 가지며, 와전류(eddy current)로 인해 큰 전력 손실을 입게 될 것이다.
층들 사이의 절연을 제공하기 위하여, 종전 기술은 일반적으로 자심 형성을 위한 리본의 권선에 앞서 절연 재료로 금속 리본을 코팅하도록 가르치고 있다. 이 절연 재료는 일반적으로 리본의 양쪽에 코팅되며, 권선 라미네이트의 금속층을 인접한 금속층과 절연하는 기능을 한다. Suchoff에 의한 널리 사용되는 코팅 방법의 하나가 미합중국 특허 2796364호에 제시되어 있는데, 이것은 절연층으로서 금속 리본표면에 산화 마그네슘의 층을 형성하는 방법을 공개하고 있다. Suchoff의 설명에 따르면, 메틸 마그네슘을 유기 용제로 용해하고 이 용액을 금속 리본 표면에 적용한다. 그다음 금속 리본은 고온으로 가열되어 금속 리본의 표면에 강한 점착력을 가진 산화 마그네슘을 형성한다. 그다음 자심을 형성하기 위해 금속 리본을 권선할 수 있다.
그러나 메틸 마그네슘 공정에는 몇가지 단점들이 알려져 있다. 첫째, 메틸 마그네슘은 자심에 감기 전에 금속 리본에 적용되야 한다는 점이다. 금속 리본을 풀고(uncoiling), 코팅을 위해 배스(bath)에 담궈(dipping), 코팅물을 가열 및 경화(curing)하여, 자심을 만들기 위해 권선(winding)하는 것은 공정을 지연시키며 비용이 증가된다. 그러므로 메틸 마그네슘 공정은 저비용, 대량으로 자심에 절연을 제공하는 용도에는 적합하지 못하다. 둘째, 얻어진 산화 마그네슘 절연층의 두께 조절이 매우 어렵다는 점이다. 이것은 자심이 사용되는 어떤 용도, 예를 들면 코팅된 메틸 마그네슘 층이 매우 얇지 않으면 고성능 사양이 충족되기 어려운 펄스 자심(pulse core)와 같은 용도에서는 문제점이 된다. 얇은 메틸 마그네슘 코팅을 형성하는데는 특수한 공정이 요구되며, 이 공정은 매우 느리고 조절이 어렵다. 이들 용도에 메틸 마그네슘을 사용하는 것은 비용이 매우 커지며, 얻어진 자심도 깨지기 쉽다. 또한 두꺼운 절연층이 수용가능한 용도에서도 과도한 비전도 절연층이 자심이 차지할 귀중한 공간을 차지하게 된다. 이것은 적층(laminated stack)의 공간 요소를 감소시키며, 따라서 자심에서 자기 재료가 차지하는 퍼센트가 줄어 들어 자심의 효율을 떨어뜨린다. 마지막으로 메틸 마그네슘은 어닐링 단계 전에 코팅되어야 하기 때문에, 코팅과 연자기 재료 사이에 응력이 축적되어 어닐링시에 자구의 배열을 간섭할 수도 있다.
메틸 마그네슘 공정은 또한 어떤 종류의 자심에 대해서는 절연층을 형성하기 위해 사용될 수 없다. 금속 리본에 메틸 마그네슘을 적절히 경화시키기 위해서는 고온이 필요하다. 일반적으로 금속 리본에 단단히 달라 붙는 산화 마그네슘 필름을 형성하기 위해서는 메틸 마그네슘 코팅이 적어도 843℃(1550℉) 이상의 온도로 가열되어져야만 한다. 그러나 비정질(非晶質) 금속 합금과 같은 일부의 연자기 재료는 바람직한 자성(磁性)이 파괴되기 때문에 약 449℃(840℉) 이상의 온도로 가열될 수가 없다. 이런 종류의 금속 합금에 대해 절연 재료로 메틸 마그네슘이 사용되면, 훨씬 낮은 온도로 가열되며, 얻어진 산화 마그네슘 층은 금속 리본에 느슨하게 결합될 수밖에 없다. 그 결과, 이런 종류의 자심은 C 또는 E 자심을 형성하기 위해 절단될 수가 없다. 왜냐하면, 응력을 많이 주는 절단 작업이 느슨하게 결합된 절연 코팅을 갈라지게 하기 때문이다. 메틸 마그네슘 공정으로 코팅된 비정질 금속 합금으로부터는 환상(環狀)의 비절단 자심만이 형성될 수 있다. 또한 본 발명자는 비정질 금속 합금의 C 또는 E 자심을 형성하기 위해 사용될 수 있는 단 하나의 다른 공정을 알고 있다. 그 공정은 권선에 앞서 리본 위에 얇은 비연속의 산화 마그네슘 코팅을 형성하는데, 이 코팅은 연속되지 않기 때문에 얻어진 자심은 고주파수에서 큰 전력 손실을 가진다.
따라서, 자심을 만들기 위해 사용되는 연자기 금속 리본 위에 얇은 유전체(誘電體) 절연을 형성하는 방법을 개선할 필요가 있다. 또한 고주파수에 사용될 수 있는 C 및 E 자심을 형성하기 위해 비정질 금속 자심의 처리를 허용하는 절연이 요구되고 있다.
바람직하게 본 발명은 자심을 권선한 후에 자심의 인접한 금속층 사이에 절연층을 형성하기 위한 공정을 제공함으로써 종전 기술의 단점들을 극복하였다. 이 공정은 자심을 만들기 위해 사용되는 다양한 금속, 및 비정질 금속 합금을 포함한 금속 합금에 절연을 제공하기 사용될 수 있다. 본 발명의 공정에 의해 형성된 절연 재료는 자심을 형성하는 금속 리본의 표면에 단단히 결합되며, 절연 재료를 포함하는 자심은 C 또는 E 자심, 또는 종전 기술의 것으로 알려진 그밖의 자심들을 형성하기 위해 절단이 가능하다. 결론적으로, 연속적인 절연 필름에 의해 보호되며 고주파수 용도에도 적합한, 비정질 금속 합금으로 형성되는 C 또는 E 자심이 처음으로 만들어지게 되었다.
본 발명의 다른 장점은, 적층된 자기 조립체의 인접한 금속층들 사이에 유전체 절연을 제공하는 방법이다. 이 방법은 적층된 자기 조립체를 산화하는 제1 단계를 포함하며, 여기서 조립체는 철(iron)의 일부에 형성되어 있는 복수의 층들이다. 산화는 산화철 혼합물을 포함하는 코팅을 생성한다. 얻어진 자기 조립체는 약 500 ohm-cm 이상의 비저항을 가진다. 산화 단계는 적어도 260℃(500℉)의 온도에서 산소의 존재하에 상기의 복수의 층들을 증기에 노출하는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이 층들은 260℃ 내지 약 427℃(500℉ 내지 800℉)의 온도로 가열될 수있다. 층들이 비정질 금속 합금이면, 이 층들은 약 354℃ 내지 427℃(670℉ 내지 800℉)의 온도로 가열되는 것이 좋고, 여기서 사각 루프(square loop) 자심이 요구된다면 약 354℃ 내지 379℃(670℉ 내지 715℉)의 온도가 바람직하다. 이 방법의 바람직한 실시예에서, 산화된 적층 자기 조립체는 증기 및 공기에 노출하기 전에 자기 조립체와 비교하여 10 내지 20kHz의 작동 주파수에서 적어도 15%의 전력 손실 감소를 보여준다.
본 발명의 또다른 장점은, 유전체적으로 절연된 연자기 조립체를 만드는 방법이다. 이 방법은 다층화된 자심 속으로 철을 포함하는 비정질 금속 합금 리본을 권선하는 제1 단계를 포함한다. 그다음, 자심은 산화철을 포함하는 코팅을 형성을 위해, 비정질 금속 합금 리본의 철을 산화하기 위하여 물과 산소의 존재하에서 가열된다. 코팅은 두께가 적어도 약 0.03㎛ 이다.
본 발명의 또다른 장점은, 긴 비정질 금속 스트립을 포함하는 연자기 조립체를 제공하는 것이다. 스트립은 적어도 약 40%의 철을 포함한다. 또한 스트립은 제1 측면과 제2 측면을 가진다. 제1 측면은 작은 돌기들을 가지며, 제2 측면은 대체로 매끈하다. 스트립은 라미네이트를 형성하기 위해 제1 측면의 돌기가 매끈한 제2 측면과 접촉하도록 권선된다. 산화철을 포함하는 코팅은 대체로 매끈한 제2 측면을 덮으며, 적어도 돌기의 일부분이 매끈한 제2 측면과 접촉한다. 코팅의 두께는 0,03㎛ 이상인 것이 바람직하다. 어떤 실시예에서, 코팅의 75% 이상이 산화철(Ⅲ) 및 산화철(Ⅳ)을 포함한다(즉, Fe2O3ㆍFeO, 또한 자철광(magnetite) 및 산화철(Ⅱ-Ⅲ)로 알려져 있다). 또한 코팅된 연자기 조립체는 500 ohmㆍcm 이상의 비저항을 가지는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 1000 ohmㆍcm 이상, 가장 바람직하게는 10000 ohm.cm 이상이다.
본 발명의 또다른 장점은, 연자기 조립체의 인접한 금속층의 접촉 지점들 사이에 유전체 절연 코팅을 제공하는 것이다. 이 코팅은 기본적으로 조립체의 전력 손실을 줄이기 위하여 충분한 양, 적어도 15%의 산화철(Ⅲ)을 포함한다. 바람직하게는 유전체 절연 코팅이 조립체에의 전력 손실을 줄이기 위해 충분한 양, 적어도 30% 이상 존재하는 것이며, 더 바람직하게는 45% 이상이다.
본 발명의 또다른 장점은, 상기 조립체의 인접한 금속층 사이에 절연성 코팅재를 가진 연자기 조립체를 제공하는 것이며, 이 코팅는 기본적으로 산화철을 포함하고, 조립체는 적어도 1000 ohmㆍcm의 비저항을 가진다.
본 발명의 또다른 장점은, 비정질 금속 합금 스트립의 표면에 절연성 코팅을 형성하는 방법이다. 이 방법은 그 속의 철의 퍼센트가 합금에 존재하는 다른 요소의 퍼센트를 초과하는 비정질 금속 합금 스트립의 제공을 포함한다. 스트립은 합금이 어일링되는 온도로 가열된다. 그다음 스트립은 스트립의 대부분에 산화철 코팅을 형성하기 위하여 산소의 존재하에 증기에 노출된다. 선택적으로, 스트립은 그것이 어닐링 온도로 가열되기 전에 자심 내에 권선될 수 있다.
본 발명의 또다른 장점은 자기 C 자심을 제공하는 것이다. 자심은 반원형, 반타원형 또는 반직사각형 형상의 라미네이트를 형성하는 복수의 비정질 금속 합금 스트립을 가진다. 금속 산화물 절연 코팅은 라미네이트 내의 인접한 스트립들 사이에 있다. 산화물은 철의 산화물로부터 형성된다. 자심이 10kHz 이상의 주파수에서 사용되면 절연성 코팅은 자심의 전력 손실을 적어도 15% 감소시킨다.
본 발명은 자심(magnetic core; 磁心)의 인접한 금속층들 사이의 절연을 제공하는 방법 및 이 방법에 의해 생성된 연자심(軟磁心)에 관한 것이다. 특히 본 발명은 전기적 흐름을 제한하기 위한 층들 사이의 절연물로서, 인접한 금속 자심층들 사이에 천연 금속 산화물의 형성 및 사용에 관한 것이다. 바람직하게는, 본 발명의 방법은 본 발명을 사용하여 형성된 자심의 자기적(磁氣的) 성질의 주문 제작에 사용될 수도 있다.
도 1은 환상 자심의 개념적 사시도이다.
도 2는 도 1의 자심에 대한 개념적 횡단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 절연 재료의 형성에 앞서, 라미네이트를 형성하기 위해 권선된 비정질 금속 스트립의 개념적 횡단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속 산화물 절연 재료를 도시하는 도 3의 비정질 금속 라미네이트의 개념적 횡단면도이다.
도 5는 기본적 pH의 공급수로부터 생성된 증기를 사용하여 적용된 코팅의 개선된 성능에 대한 비교 그래프이다.
도 6은 환상 펄스 시험을 수행하기 위하여 사용되는 펄스 시험기 장비의 개념도이다.
도 7은 산화 제2철 전사(轉寫) 매트릭스를 제공하기에 적합한 알루미늄 실리케이트 매트릭스에 대한 포어 스팩트럼 그래프이다.
도 8은 산하 제2철 전사(轉寫) 매트릭스를 제공하기에 적합한 알루미늄 실리케이트 매트릭스에 대한 흡착/탈착 등온선이다.
도 9는 비코팅 포화 자심에 대한 자심 자속(flux; 磁束) vs 드라이브 레벨 그래프이다.
도 10은 비코팅 포화 자심에 대한 투자율 vs 전력 소실(Watt/lb.) 그래프이다.
도 11은 코팅 포화 자심에 대한 자심 자속 vs 드라이브 레벨 그래프이다.
도 12는 코팅 포화 자심에 대한 투자율 vs 전력 소실(Watt/lb.) 그래프이다.
도 13은 비코팅 자심에 대한 투자율 vs 어닐링 온도 그래프이다.
도 14는 코팅 자심에 대한 투자율 vs 어닐링 온도 그래프이다.
도 15는 원형 루프 조건하에서 690℉ 및 725℉에서 처리된 0.1 lb 자심에 대한 자심 자속 vs 드라이브 레벨 그래프이다.
도 16은 비코팅 불포화 자심에 대한 자심 자속 vs 드라이브 레벨 그래프이다.
도 17은 비코팅 불포화 자심에 대한 투자율 vs 전력 소실(Watt/lb.) 그래프이다.
도 18은 코팅 불포화 자심에 대한 자심 자속 vs 드라이브 레벨 그래프이다.
도 19는 코팅 불포화 자심에 대한 투자율 vs 전력 소실(Watt/lb.) 그래프이다.
도 20은 표 12 데이터의 회귀 분석에 대한 겉보기 투자율 vs 인덕터 갭(cm)의 그래프이다.
도 21 및 도 22는 약 680℉ 내지 800℉의 온도 범위에서 본 발명의 코팅에 의해 제공된 전력 손실 개선의 데이터 그래프이다.
(실시예)
후속되는 실시예는 본 발명의 공정의 용이성을 보여주고 있으며, 본 발명의 창의적인 공정에 의해 생산된 자심은 우수한 성능 특성을 보여준다.
다음의 실시예에서, C 자심의 전력 소산(消散)은 볼트-암페어-와트(V-A-W) 미터 및 2MHz 함수 발생기를 kW 증폭기에 연결하여 출력, 형상 및 진폭 주파수를 제어하고 이것들을 측정하였다. 그다음 다양한 진폭의 정형파 및 주파수 두 개의 다권선 코일의 하나를 통하여 C자심에 적용되었다. 자심에 적용된 대표적인 측정 조건은 원하는 자심에 따라 달라지며, 그 대표적인 예가 아래에 나타난다.
이들 레벨은 정밀 함수 발생기 및 V-A-W의 전압 리딩 디스플레이 세팅을 사용하여 설정되었다. V-A-W는 전류 측정 및 전류 측정 설정값을 사용하여 자심 전력손실 및 여자 전류를 직접 측정한다.
펄스가 발생한 토로이드의 전력 소산을 측정하기 위하여, 펄스 발생기, 고전력 펄스 발생기 및 저졸식 전원 장치가 진공관 펄서에 연결되어 츨력 상승 타임, 듀티 사이클 밀 반복성 펄싱 조건의 크기를 조절했다. 진공관 펄서는 고전류 케이블의 3 내지 6회 권선 코일로 연결되었으며 토로이드 둘레를 에워쌌다. 세트업은 고전압이 밸생되기 때문에 격리되었다. 오실로스크프를 사용하여 펄스 형상, 자심 여자 프로파일 및 통합된 전력 리스펀스를 메모리에 기록하였다.
대표적인 측정 범위는 펄스 폭에 대해서는 1.5 내지 3.0 ms, DC 리세트에 대해서는 15 내지 20 암페어 턴이었고, 펄서는 자심에서 자속의 1 내지 4 테슬라(tesla)를 얻기 위해 조정되었다. 펄스 시험 장치는 도 6에 개념적으로 도시된다.
◎ 실시예 1
대략 70% 이상의 철을 가지는 METGLAS' 2605SA1과 같은 비정질 금속 합금의 권선 자심들이 동시적으로 어닐링 처리되었으며, 그다음 자심의 인접한 금속 리본층들 사이에 리본 산화철 절연 재료를 형성하기 위하여 6시간 동안 365℃(690℉)에서 증기(pH 8) 및 공기로 처리되었다. 두 그룹의 자심이 형성되었다. 천번째 그룹은 각각 약 5 lb. 중량의 자심들로 구성되고 두 번째 그룹은 각각 약 1 lb. 중량의 자심들로 구성되었다. 전력 손실 데이터는 전력 손실값을 자심의 중량으로 나눔으로써 두 그룹간에 표준화가 이루어졌다.
두 그룹으로 구성된 자심들의 두 번째 세트는 위에서와 같이 만들어졌지만, 전술한 바와 같이 증기 및 공기 처리는 하지않았다. 결과적으로 자심의 이 세트는 산화철 졀연층이 결여되었으며, 증기 및 공기 처리된 자심들의 성능을 비교하는 베이스 라인으로서 사용되었다.
표준화된 데이터가 표 14에 예시되어 있다.
표 14의 데이터는 비정질 철 합금을 포함하는 권선 자심을 본 발명의 방법으로 처리하는 것이 고주파수에서 미처리된 자심보다 14% 내지 45% 더 좋은 성능을 보여 준다는 것이 밝혀졌다. 즉, 처리된 자심의 전력 손실이 14% 내지 45% 감소된 것이다. 또한 주파수가 증가함에 따라 성능의 개선이 위의 표에서와 같이 증가되었다.
70% Fe, 9% B, 3% Nb, 2% Cu 및 소량의 Mo, Co 및 S와 같은 나노결정화 재료로 형성된 자심에 대해서도 유사한 실험이 실시되었다. 이들 자심들은 약 538℃(1000℉)에서 어닐링 처리되고, 실온에서 냉각된 후, 위에서와 같이 산화층절연층을 형성하기 위한 처리를 하였다. 미처리된 나노결정화 자심에 비해 이들 자심에 대한 관찰된 전력 손실의 감소는 표 14의 비정질 금속 합금 자심에 대해 관찰된 것과 비슷하였다.
◎ 실시예 2
자심들은 METGLAS' 2605SA1과 같은 약 1 mil 두께의 비정질 철 리본으로 형성되었고, 외경 19.7cm(7.75"), 내경 10.8cm (4.25"), 및 폭 5.1cm(2") 이다. 그다음 이 자심들은 산화철 절연층을 형성하기 위하여 권선에 앞서 마그네숨 메틸레이트로 코팅 처리되거나, 권선 후에 증기/공기 처리되거나, 아니면 아래의 표 15 기술된 바와 같이 두 가지 처리를 모두 실시했다.
자심들은 매우 낮은 주파수 듀티 사이클, 5 턴 프림(prim), 10 pps를 사용하여 약 8.6 KV의 전압을 적용하여 시험되었고, 펄스 에너지는 2.85T 자속, 스윙을 가진 3 μsec 펄스 폭으로부터 계산되었다. 펄스 데이터 측정값으 자심 전력(자심에 의해 소산된 전력의 양), 시동 전류, 및 포화 전류를 포함하였다. 그다음 펄스 에너지는 전력의 주울값을 제공하기 위해 펄스 곡선 아래의 면적을 전압과 곱하여 계산되었다. 모든 측정값에서, 수치가 낮을수록 자심의 성능은 더 좋다. 또한 시동 전류가 포화 전류에 가능한 한 더 가까울수록 바람직하다. 표 15에 시험 결과가 예시되어 있다.
표 15에 제시된 모든 자심들은 기초 금속으로서 철을 포함하는 비정질 금속 합금이었다. 시험 1의 자심에 있어서, 비정질 금속 리본은 마그네슘 메틸레이트의 얇은 필름으로 코팅되었으며, 리본은 라미네이트 자심을 형성하고, 증기 및 공기는 약 366℃(690℉)에서 2시간 동안 실시되는 자심의 최초 어닐링에서 적용되었으며, 그다음은 역시 산화철 절연층을 형성하기 위해 304℃ 내지 316℃(580℉ 내지 600℉)에서 약 6시간 동안 증기(pH 8)에 의해 처리되었다. 그 후 자심은 오일로 함침되었다. 자심은 펄스 시험 동안 진동하게 되며, 시험 동안 자심을 보호하기 위해 오일이 첨가된다. 시험 2의 자심에서, 리본은 매우 얇은 마그네슘 메틸레이트 필름으로 코팅되었으며, 리본은 감겨져 라미네이트 자심을 형성하고, 자심들은 실시예 1에서 기술된 바와 같이 증기/공기로 처리되었다. 시험 3의 자심에서.
비정질 금속 리본을 감아 라미네이트 자심을 형성하고 실시예 1에서와 같이 증기 및 공기로 이 자심을 처리했다. 처리가 끝난 자심는 가벼운 수지로 함침되었다. 시험 4의 자심은 시험 3의 자심과 마찬가지의 방식으로 형성된 후, 무거운 수지로 함침되었다. 시험 5의 자심은 비정질 금속 리본을 감아 라미네이트 자심을 형성하고, 그다음 실시예 1에서와 같이 증기 및 공기로 자심을 처리했다. 그 후 자심은 시험 1에서의 자심과 비슷하게 오일로 함침되었다. 시험 6에서의 자심은, 마그네슘 메틸레이트의 매우 얇은 충으로 비정질 금속 리본을 코팅하고 이 리본을 감아 라미네이트 자심을 형성했다.
전술한 바와 같이, 산화츨 절연층을 형성하기 위하여 증기 및 공기로 처리된 자심은 일반적으로 마그네슘 메틸레이드로 코팅된 리본으로부터 형성된 자심과 마찬가지로 또는 더 좋게 성능이 나오는 것으로 펄스 시험에서 나타났다. 그러나, 증기/공기 처리로 생성된 절연층이 마그네슘 메틸레이트의 얇은 층에 의한 코팅보다 공정 속도가 더 빠르고 비용이 더 적게 들었다.
또한 마그네슘 메틸레이트만으로 코팅된 다음 수지로 함침된 펄스 자심은 시험 동안 떨어져 나갔다. 그 이유에 대해서는 표 3에 나와 있지 않다. 결론적으로 데이터에 나타났듯이 마그네슘 메틸레이트 코팅으로 형성된 펄스 자심보다 산화철 같은 천연 금속 산화물로 형성된 절연층을 가진 펄스 자심이 처리의 융통성이 더 우수했다. 시험 3 및 4에서와 같이, 수지에 의한 자심의 코팅은 예를 들어 "C" 자심을 형성하기 위하여 자심을 절단하기 전에 행해지는 결합제 처리를 시뮬레이트한다. 미리 증기/공기로 처리된 수지 함침 자심의 자심 전력 손실은, 수지로 함침 처리 하지 않은 대등한 자심보다 40 내지 50% 더 높았으며, 증가된 강성(剛性)이 더 중요한 어떤 용도에서는 함침의 혜택이 전력 소산의 증가를 앞선다.
◎ 실시예 3
다음의 표 16은 상이한 온도 조건하에서 기초 금속으로서 철을 가지는 비정질 금속 자심 처리의 성능 효과를 보여 준다..
사용되는 자심들은 모두 약 5 lb.의 중량을 가지며, 스트립 폭이 약 5.1cm(2")인 것이다. 모든 자심들은 공기의 존재하에서 4시간 동안 정기로 처리되었으며, 2시간 동안 어닐링 처리했다. 그러나 자심의 코팅과 어닐링을 동시에 처리하지는 않았다. 동시 처리는 4시간이 소요된다. 동일한 세트의 자심들이 만들어 지고 어닐링되었지만 산화철 절연 코팅을 형성하기 위해 증기/공기에 노출되지는 않았다. 자심의 각 세트의 전력 손실이 측정되었고 아래에서 비교가 된다.
표 16
표 16은 역 삼투압 시험에서 공급수를 사용하는 증기 발생기로부터 대략 pH가 8 내지 10인 pH가 강화된 증기를 사용하여 처리된 자심으로부터 취해졌다. 비교를 위해, 도 5(표14)는 약 8의 pH를 가지는 공급수로서 정수가 안된 수도물에 의해처리된 동일한 자심 구조를 보여 준다.
◎ 실시예 2
아래의 표 17에 예시된 것은 여러가지 중량의 미절단 토로이드(環狀) 자심의 비교치이다. 자심들은 METGLAS' 2605SA1과 같은 비정질 금속 합금으로부터 형성되었다. 철은 기초 금속이다. 자심은 약 366℃(690℉)에서 2시간 동안 어닐링 처리된 후, 약 304℃ 내지 316℃(580℉ 내지 600℉)에서 2 내지 6시간 동안 증기/공기로 처리되었다. 표 5에서 알 수 있듯이, 본 발명의 절연 코팅을 가지는 자심은 보다 높은 20kHz 주파수에 대해 전력 손실이 상당히 감소된 것을 보여 주었다.
표 17
◎ 실시예 5
Metglas 2605SA1 자심이 690℉에서 2시간 동안 어닐링되었다. 그후 약 304℃ 내지 316℃(580℉ 내지 600℉)에서 2, 4 또는 6시간 증기/공기 처리되었다. 아래의 표 18에 제시된 바와 같이, 증기/공기 처리가 2시간으로부터 6시간으로 증가함에따라 일반적으로 전력 손실이 감소하는 것으로 관찰되었다.
표 18
본 발명 및 그 장점들은 특정 실시예를 참조하여 상세하게 기술되어 있지마는, 후속되는 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고도 당업자에 의해 실행될 수 있는 여러가지 변경, 치환 및 대안이 그러한 실시예에 추가될 수 있음이 이해되어야 한다.
본 발명은 자심이 권선된 후에 자심에 형성될 수 있는 천연 금속 산화물 절연 성분에 관한 것이다. 아래에서 설명이 되겠지만 권선 환상 자심에서, 다양한 형상과 치수를 가지는 자심에 본 발명의 원리가 적용될 수 있다는 것은 종래 기술에 의해 쉽게 이해될 것이다. 예를 들면, 본 발명은 C 자심, E 자심 및 종래 기술에 의한 기타의 라미네이트 자기 조립체를 형성하기 위한 공정의 일부로서 쉽게 적용될 수 있다. 또한 본 발명은 권선이 안된 라미네이트, 예를 들면, 연속적인 층을 쌓아 자기 라미네이트 조립체를 형성하는 라미네이트들을 포함하는 자기 조립체에 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 권선 환상 자심(10)이 개념도가 도시되어 있다. 자심(10)은 라미네이트를 형성하기 위하여 맨드럴(mandrel; 30) 둘레에 얇은 금속 스트립 또는 리본(20)을 권섬함으로써 형성된다. 맨드럴(30)은 긴 금속 막대 또는 봉과 같은 것으로 그것의 둘레에 리본이 감겨진 단단한 고체이다. 맨드럴(30)은 후속 자심 공정에서 제거되며, 최종 자심(10)의 일부가 아니다. 맨드럴(30)은 원형, 직사각형, 정사각형 등의 여러 가지 크기와 형상을 가질 수 있으며, 상이한 형상과 치수를 가지는 자심을 형성하기 위하여 선택될 수 있다. 금속 리본(20)은 원하는 총두께의 다층 라미네이트를 형성하기 위하여 충분한 권선수로 맨드럴(30) 둘레에 감겨진다. 본 발명의 목적을 위하여, 리본(20)은 현재 시판중인 것과 크기,치수 및 중량이 비슷한 자심을 형성하도록 권선될 수 있다. 권선이 완료된 후, 권선된 자심(10)은 종래 기술과 마찬가지로 그것의 성능을 최적화하기 위해 어닐링될 수 있다.
금속 리본(20)은 연자기 금속 또는 기초 금속으로서 철을 가지는 합금이다. 금속 리본(20)은 얇은 것이 좋으며, 두께가 약 0.01 내지 0.3mm 일 수 있다. 또한 금속 리본(20)은 폭이 약 0.1 내지 25cm 범위에서 달라질 수 있다. 고주파수에서 전력 손실을 최소화하기 위해 절연 재료(40)는 금속 리본(20)의 인접한 층들 사이에 주어질 수 있다. 도 2에 개념적으로 도시된 바와 같이, 자심(10)은 금속 리본(20)의 층들 사이에 절연 재료(40)의 코팅을 가진다. 절연 재료(40)는 인접한 금속층과 접촉하는 이들 금속 리본(20)층의 적어도 일부에 형성되며, 따라서 인접한 금속층들 사이의 전류의 흐름을 제한한다. 어떤 실시예에서 금속 리본(20)은 비정질 금속, 바람직하게는 분자식이 TM-M인 철기(iron based; 鐵基) 전이 금속 베이스의 반금속(半金屬)일 수 있다, 여기서 TM은 적어도 80%가 Fe, Co 또는 Ni 또는 그 혼합물이고 나머지가 20%가 M을 포함하는데, 여기서 M은 B, C, Si, P 또는 그 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 금속 리본(20)은 나노결정상(nanocrystalling) 재료일 수 있다.
바람직하게, 본 발명은 리본(20)이 자심(10) 속에 감겨진 후, 리본(20)의 인접한 금속층들 사이에 절연 재료(40)를 형성하기 위해 사용될 수 있는 독특한 공정을 제공한다. 이렇게 함으로써 종래 기술의 과도한 시간 소모 및 고가의 코팅 공정에서 벗어날 수 있다. 또한 본 발명의 독특한 절연 재료(40)는 얇고 리본(20)에 단단히 부착된다. 절연 재료(40)가 비정질 합금으로 만들어진 자심 위에 형성되면, 종래에는 이용할 수 없었던 비정질 합금의 C 및 E 자심과 같은 연자기 조립체를 형성하기 위해 자심은 절단될 수 있다.
일반적으로 절연 재료(40)는, 금속 리본(20)의 표면을 덮어 씌우는 매우 얇은 코팅으로서 금속 또는 합금 금속의 천연 금속 산화물을 형성하기 위하여, 금속 리본(20)을 산화함으로써 형성된다. 자심을 형성하기 위해 사용되는 대부분의 천연 금속 산화물은 비교적 높은 비저항을 가짐으로써, 인접한 금속층 사이에 절연 기능을 하기에 특히 적합하다. 왜냐하면 리본(20)을 형성할 수 있는 대부분의 금속 및 금속 합금은, 적당한 절연 재료(40)를 형성하기 위한 충분한 전기적 저항을 가지는 금속 산화물을 형성하기 위하여 산화될 수 있기 때문이며, 따라서 본 발명은 현재 사용되는 연자심 재료로 널리 이용될 수 있다. 표 1은 본 발명에 사용될 수 있는 금속 및 금속 합금의 대표적인 예를 보여주며, 일부 절연 재료의 대응하는 화학적 성분은 금속 또는 금속 산화물의 산화에 의해 만들어질 수 있다.
여기서, 합금(예를 들면, METGLAS Alloy 2615 SA1)에서 기초 금속이며, 절연재료는 기본적으로 철(Ⅲ) 산화물(Fe2O3)이며, 나머지는 대부분 철(Ⅱ-Ⅲ) 산화물이다. 예를 들면, 690℉에서 6시간 동안 증기 및 공기로 처리된 하나의 자심에 대해 라만(Raman) 스펙트로스코피는 절연층이 대략적으로 약 80 내지 90%의 Fe2O3 및 10 내지 15%의 Fe3O4(즉, 철(Ⅱ-Ⅲ) 산화물), 그리고 소량의 FeO로 구성되었음을 보여 주었다. 이 산화철 혼합물의 층 두께는 0.15㎛ 이었다.
도해식 예를 통해 위에서 보여준 대표적인 합금 및 금속이 의미하는 것은 종래 기술에 의해 이해가 될 것이며, 본 발명의 기술은 위에서 설명된 것들 이외의 철-기초 합금 조성물에 적용될 수 있다. 예를 들어 본 발명은 조성 퍼센트만을 바꾸는 합금, 또는 절연 산화철을 형성하기 위하여 산화되는 철-기초 합금의 능력에 영향을 미치지 않고 새로운 금속 또는 요소를 도입하는 합금에 쉽게 적용될 수 있다.
절연 재료(40)는 층들 사이의 전기적 흐름으로부터 금속 리본(20)의 연속적인 층들을 효율적으로 절연하기 위하여 충분한 두께와 충분한 저항을 가져야 한다. 그러나 절연 금속이 너무 두껍게 형성되면, 얻어진 자심(10)은 과도한 비전도성 절연 재료를 포함할 것이며, 따라서 자심(10)은 작은 공간 팩터를 가질 것이고, 즉 자기 재료가 차지하는 자심(10)의 퍼센트가 작아 자심의 효율을 저하한다. 바람직하게는, 절연 재료(40)가 0.01 내지 5㎛ 사이의 두께를 가지도록 형성되며, 더 바람직하게는 0.03 내지 2㎛이고, 최적인 것은 0.03 내지 0.5㎛이다. 물론, 종래 기술에 의해 이해가 되겠지만, 아래에 설명되는 공정 조건을 변화함으로써, 절연 재료(40)의 다른 두께가 제공될 수 있다. 예를 들면, 절연 재료(40)는 기본적으로 비교적 큰 비저항을 가지는 금속 산화물로 형성되고, 보다 얇은 층이 공간 팩터 및 자심 효율을 증가하기 위해 사용될 수 있다. 또한 어떤 용도에서는, 매우 높은 주파수 및 펄스 전력을 위해, 보다 많은 양의 절연 재료(40)가 인접한 금속층들 사이에 요구될 수 있다. 바람직하게는, 얻어진 자심가 적어도 70%의 공간 팩터를 가지도록 절연층(40)이 충분히 얇으며, 더 바람직하게는 80%, 최적인 것은 85% 이상이다.
본 발명에 따른 라미네이터의 전기적 저항은 절연 재료(40)의 형태 팩터에 의해 증가된 금속 산화물의 비저항의 기능이며, 자심(10)의 금속 재료에 의해 만들어진 한계 저항과 결합되어 있다. 대부분의 용도에서 자심(10)은 500Ω·㎝의 유효 비저항을 가지는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 적어도 1000Ω·㎝, 최적인 것은 적어도 1000Ω·㎝이다. 물론 본 발명이, 아래에 기술되는 공정 조건을 변화함으로써 전술한 값보다 더 큰 또는 더 작은 라미네이트 비저항을 가지는 절연 재료(40)를 만들도록 채용될 수 있음은 종래의 기술에 의해 이해가 될 것이다. 본 발명을 이용하여 형성되는 자기 라미네이트는 라미네이션 한 층당 적어도 약 2 내지 10 볼트를 지지할 수 있다.
일반적으로 절연 재료(40)는 금속 리본(20) 속의 철의 제어된 산화에 의해 형성된다. 현재 바람직한 산화 방법은 고온에서 공기(20% O2)의 존재하에서 자심(10)을 증기에 노출하는 것이다. 증기 및 공기는 권선된 자심(10) 속으로 확산되어 들어가서 리본(20)의 가열된 층의 표면과 접촉하며, 그 결과 금속 리본(20) 표면 위에 얇은 금속 산화물 코팅 또는 층을 형성하기 위해 금속 리본(20) 표면의가속된 산화가 얻어진다. 증기 및 열은, 산화철을 형성하기 위하여 리본 합금 금속으로부터 산소로, 반응의 일부 전부 동안 전자 전달률을 상승시킨다. 또한 아래에 상세히 설명되는 여러 가지 촉매를 도입한다든지, 또는 증기 입자 크기를 감소하기 위하여 온도를 높이는 식으로 공정 조건을 변화시켜, 반응의 일부 또는 전부 동안 전자 전달률을 더 상승시킬 수 있다.
또한 종래의 기술에 의해 이해될 수 있는 것으로서, 천연 금속 산화물을 형성하기 위하여 금속과 산소 사이의 전자 전달을 가속시키는 다른 공정 조건이 증기/공기 조합을 대체하거나 보충될 수 있다. 이들 대안적 공정 조건은 오존, 아산화 질소, 및 다른 고반응성 질소 산화물 등의 고농도의 고반응성 산화 분자들에 적층된 조립체를 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 이들 고반응성 분자들이 여기에 기술된 공정들과 협력하여 제어되는 방식으로 도입된다면 절연 금속 산화물을 형성하기 위한 반응 속도가 가속될 것으로 기대된다.
또한 어떤 용도에 있어서는, 절연 재료로서 금속 황화물을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이를 위해서는 본 발명의 절연층으로서 천연 금속 황화물을 형성하는데 황화 수소(H2S)가 증기 상태의 물 대신에 사용될 수 있다. 또한 셀레늄과 같은 산소 및 황(sulfur)의 다른 유사물이 인접한 금속층들 사이에 절연 화합물을 형성하기 위한 전자 수용체로서 사용될 수 있다.
자심(10)과 같은 가열 적층된 조립체의 모든 층들 사이에 증기 및 공기의 완전하고 신속한 관통을 촉진하는 공정 조건 또는 재료에 있어서의 변화는 보다 빠른 공정 시간 및 리본(20) 위의 절연 재료(40)의 보다 균일한 코팅 또는 층을 가져다준다는 것을 쉽게 알 수 있다. 본 발명자는 층들 사이의 증기 및 공기의 확산 또는 관통을 최적화하기 위해 리본(20)의 표면 형태가 선택될 수 있다는 사실을 발견하였다. 도 3은 연자기 재료로 형성된 권선 자심(100)의 횡단면 부분의 확대도를 도시한 것이다. 자심(100)은 위의 표 1에 공개된 금속 또는 합금의 어떤 것 또는 그것의 변형물로 형성될 수 있다. 자심(100)은 다층의 금속 리본(120)을 가지며, 그것의 네 가지(120a 내지 120d)가 도 3에 도시되어 있다. 인접한 금속층(120a 내지 120d)은 그것들 사이에 절연 재료가 제공되지 않으며, 따라서 그것들의 접촉 지점에서 전류를 쉽게 흐르게 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 리본(120)은 비교적 매끈한 표면(121) 및 보다 거친 표면(122)를 가진다. 거친면(122)은 돌기(150)들이 돋아 있으며, 이것은 금속 리본의 표면(122) 위의 흩어진 지점에서 층들(120a 내지 120d) 두께에 비해 짧은 길이로 표면에서 솟아나 있다. 리본(120)이 도 3에 도시된 바와 같이 라미네이트를 형성하기 위해 감겨지며, 돌기(150)들은 매끈한 면과 접촉하며 그것에 의해 인접한 급속층(120a 내지 120d)들 사이에 전류 흐름의 통로가 확보된다. 인접한 금속층들 사이에 매우 좁은 갭(130)이 만들어지며, 그 폭은 대략 돌기(150)가 표면으로부터 솟아 있는 높이만큼 된다. 바람직하게는 이 갭(130)이 본 발명의 공정 동안 권선 자심(100)의 내부 속으로 스팀 및 증기의 관통을 촉진하는 통로를 제공한다.
전술한 갭과 돌기를 가지는 금속 리본은 시판품을 이용할 수 있으며, 예를 들면, METGLAS라는 상표명으로 Honeywell에 의해 판매되는(Allied Signal Corporation에 의해 공식적으로 판매됨) 비정질 금속 리본이 있다. METGLAS 리본에서는, 금속 리본(120)의 상이한 표면 형태가 금속 리본(120)을 만들기 위해 사용되는 공정 조건의 핵심 기술이다. METGLAS 리본은 액체 냉각에 의해 냉각된 회전 드럼의 표면 위에 용융 금속 합금을 스프레이함으로써 형성된다. 용융 금속은 초당 약 100000℃ 이상의 속도로 냉각된다. 원자가 석출 또는 결정화할 기회를 가지지 전에 합금은 고형화된다. 얻어진 고체 금속 합금은 비정질 유리 모양의 원자 구조를 가진다. 드럼과 접촉된 고체 리본의 표면은 더 거친데, 그 이유는 거친 드럼 표면이 최소한의 불완전함을 유도하고 그것이 돌기(150)를 만든다.
도 4는 본 발명의 절연 재료(140)가 제공된 도 3의 라미네이트에 대한 개념적 횡단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 절연 재료(140)를 포함하는 금속 산화물 재료는 인접한 층(120a 내지 120d)들 사이에 형성되었다. 절연 재료(140)는 비교적 매끈한 표면(121)과 약간 거친 표면(122) 양쪽 모두에 형성되고 특히 돌기(150)를 덮고 있다. 절연 재료(140)는 인접한 금속층(120a 내지 120d)들의 금속 접촉 지점 사이에 위치하며, 앞서 볼 수 있었던 전류의 통로는 실질적으로 붕괴되었다. 결과적으로 라미네이트는 전류 흐름에 대해 휠씬 더 저항적이다.
금속 산화물 절연 재료를 형성하는데 있어서 금속을 산화하기 위해 현재 선호되고 있는 공정 조건은 자심 금속 또는 원하는 자기적 성질에 달려 있다. 예를 들면, Fe/Si/C/B의 비정질 금속 합금이 처리된다고 하면, 약 260℃ 내지 427℃(500℉ 내지 800℉)의 온도로 자심을 가열하는 것이 바람직하다. 정사각 루프 특성을 가지는 비정질 금속 자심이 요구된다면, 길이 방향의 자계의 적용과 더불어 약 354℃ 내지 379℃(670℉ 내지 715℉) 사이의 온도로 가열하는 것이 바람직하며, 354℃내지 365℃(670℉ 내지 690℉)가 더 바람직하다. 편평한 루프 특성이 요구된다면, 약 399℃ 내지 416℃(750℉ 내지 780℉) 범위의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 원형 루프 특성이 선호된다면, 377℃ 내지 388℃(710℉ 내지 730℉) 온도 범위로 가열하는 것이 바람직하다.
비정질 합금에 있어서, 자심을 그것의 어닐링 온도로 가열하고 대체로 어닐링 동안 금속 산화물 코팅을 형성함으로써, 좋은 결과가 얻어졌다. 소수의 합금이 이 범위를 벗어나기는 하지만, 대부분의 비정질 금속 합금에서는 어닐링 온도가 354℃ 내지 365℃(670℉ 내지 690℉)이다. 자심을 만들기 위해 사용되는 금속 리본 합금에 대한 어닐링 조건은 종래의 기술에 널리 알려져 있다. 예를 들면, METGLAS라는 상표명으로 판매되는 비정질 금속 합금에 대한 어닐링 조건은 Allied Signal's 및 Honeywell's Advanced Materials Technical Bulletins에 보고되어 있다.
권선 자심이 순환 오븐(circulating oven)에서 처리되면 절연 재료의 형성 공정이 더 효과적이라는 사실이 관찰되었다. 이 처리를 위한 하나의 오븐이 Illinois주 Blue Island의 Blue M에 의해 제작되어 모델명 AGC7-1406G로 판매되고 있다. 오븐에서의 공기/스팀 혼합물의 순환은 온븐 전체에 대해 동일한 온도를 유지시켜 주는 것으로 믿어지고 있으며, 오븐 속으로 공기를 투입하는 것은 산화 반응에 기여한다. 공정이 완료되면 오븐은 냉각된다.
원하는 용도를 위한 절연 재료(40)의 적당한 층을 형성하기 위하여 자심은 충분한 기간 동안 증기에 노출되어야 한다. 0.5 내지 12시간 또는 그 이상의 시간이 사용될 수 있음이 관찰되었다. 노출 시간이 1 내지 6시간일 때가 좋은 결과가 얻어지는 것으로 관찰되었으며, 더 바람직하게는 2 내지 6시간, 최적으로는 4 내지 6시간이다. 증기 압력은 라미네이트 속으로 증기가 잘 관통되도록 충분해야 한다. 약 0.1 내지 2.5psi의 증기 압력이 바람직한 것으로 관찰되었으며, 더 바람직하게는 1 내지 2psi이다. 그러나 종래 기술에 의해 쉽게 이해될 수 있는 사항으로서, 다른 크기의 증기 압력이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 0.1 내지 100psi 이상의 증기 압력이 사용될 수 있음이 관찰되고 있다. 또한 오븐에서 유도되는 증기의 흐름은 코팅이 형성되기에 충분해야 한다. 이 흐름은 오븐의 공간의 입방 ft당 적어도 0.22gal/hour이 바람직하며, 적어도 0.25gal/hour이면 더 바람직하고, 최적인 것은 적어도 0.26gal/hour이다. 오븐 속으로의 증기의 흐름을 조절하기 위해 사용될 수 있는 흐름 제한기는 1/16 인치 내지 5/8 인치 범위의 직경을 가지는 원형 구멍 플러그를 포함한다.
금속 리본 위의 코팅의 향상된 성장 및 두께는 증기가 [FexOy]+2 양이온과 함께 주입될 때이며, 이 화학식에서 x, y, z 팩터는: 1≤x≤2, 1≤y≤3, 1≤z≤3이다. [FexOy]+2 양이온의 제2철 부분은 METGLAS 2605SA1 및 이온이 풍부한 다른 비정질 합금 및 본 발명에 사용될 수 있는 기타 금속의 대부분의 철 표면 위에서 산화를 촉진하는데 매우 활성적이라고 믿어진다. 제2철 양이온은 산화 상태로 인해 필요한 전기화학적 반응을 개시하며 이온 결합에 의해 증기에 쉽게 연결된다. 또한 증기에 용해된 Fe2O3의 일부가코팅된 금속 표면 위의 성장하는 철 산화물 내에 연행되며, 그것에 의해 그것의 두께 및 절연성 특성이 증가한다.
제2철 양이온의 적합한 소스는 증기 생산에 사용되는 철 보일러 속의 산화 제2철 잔류물처럼 단순해질 수 있다. 더 바람직한 소스는 이미 알고 있는 농도의 제2철 양이온을 가지는 전이 매트릭스 속에 [FexOy]+2 양이온을 패키지하는 것이며, 이것은 증기 통로 속에 놓여진다. 그러한 전이 매트릭스의 사용은 코팅 공정의 일관성을 개선하며, 비정질 금속 합금과 나노결정화 재료 양쪽 모드에 대해 자기적 성능이 보다 균일한 자심을 얻어진다. Fe2O3([FexOy]+2 양이온의 소스)이 그 위에 패키지되는(즉 흡착되는) 매트릭스가, 증기 속으로 [FexOy]+2 양이온 및 가능하다면 Fe2O3 분자의 방출을 촉진하는 표면 성질은 물론, 매우 큰 표면적을 가지는 것이 바람직하다. 이 매트릭스는 큰 표면적을 가지며, 강한 탈착(desorption)성을 가지며 멀티형 포어(pore)가 분포되어 있다. 본 발명자는 적합한 매트릭스는 알루미늄 실리케이트를 묽은 염화 제2철 용액(HCL에 의해 묽게한 것)에 담궈서 형성될 수 있다는 사실을 발견하였으며, 생성된 산화 제2철을 흡착하기 위하여 NH4OH 및 열에 의해 이 혼합물을 환원한다. 10% w/w의 철을 가지는 매트릭스는 충분한 산화 제2철 양이온을 공급한다. 이러한 매트릭스가 Amorphico, Hesperia California에 의해 상업적으로 제조되고 있다. 알루미늄 실리케이트 제2철 매트릭스를 사용하여 본 발명에 의해 만들어진 자심의 전력 손실의 감소는 METGLAS 2606SA1의 경우, 알루미늄 실리케이트 매트릭스로부터 산화 제2철 양이온에 노출안된 자심과 비교하여 일반적으로 30% 내지 50% 였다. 그리고 보일러 칩 또는 경수로부터의 성능과 비교하여 일관성이 개선되었다.
도 7 및 8을 참조하면, Fe2O3 매트릭스로서 사용이 가능한 적합한 알루미늄실리케이트의 포어 스팩트럼 및 흡착(adsorption)/탈착 등온선이 도시되어 있다. 도 7은 큰 내부 포어(pore) 표면적(그램당 200 평방미터 이상)과 20 내지 1000Å의 넓은 포어 크기 분포 양쪽 모두를 가진 재료를 도시하고 있다. 도 8은 많은 연속적인 뱃치 코팅 작업에 대해 실제 시간 주기로 충돌성 증기 속으로 [FexOy]+2 양이온을 저속 방출하기 위한 거의 이상적인 등온선을 도시한다. 즉, 알루미늄 실리케이트는 [FexOy]+2 양이온을 위한 수용 가능한 타임 릴리이스 매트릭스를 만든다.
도 7 및 도 8에 도시된 알루미늄 실리케이트는 큰 표면적과 거의 이상적인 탈착성을 조합하여, 저압 증기원 속으로 유효한 농도의 [FexOy]+2 양이온 및 Fe2O3 분자를 방출하는 매트릭스를 만든다. 다시 도핑("doped")된 층돌성 스트립 자심의 라미네이션 사이로 [FexOy]+2 양이온 및 Fe2O3 분자를 운반한다. 증착된 Fe2O3 및 제2철 양이온은 금속 합금에서 철 산화물을 만나며, 그것에 의해 유효한 절연 코팅이 얻어진다. 대략 20 입방 인치의 알루미늄 실리케이트 제2철은 제조 작업시 적어도 20 내지 40시간즉, 알루미늄 실리케이트 제2철 마트릭스 입방 인치당 4 내지 8시간의 사용 가능 수명을 가진다. 이 매트릭스는 체임버로 들어가는 증기에 150 내지 200ppm의 산화 제2철/산화 제2철 양이온을 공급할 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 종류의 알루미늄 실리케이트 제2철을 사용하여 형성된 자심의 성능 데이터가 아래의 표 2에 도시되어 있다. 표 2 및 도 9에 도시된 데이터는 직경 0.125"의 오리피스를 가진 5 내지 10psi의 증기원, 및 증기원과 코팅 체임버 오븐 사이에 알루미늄 실리케이트 제2철 매트릭스를 포함하는 20 입방 인치의 체적을 가지는 금속통을 사용하여 만들어졌다. 코팅 체임버 오븐의 증기 압력은일반적으로 0.5 내지 2psi이며, 코팅은 690℉ 내지 700℉에서 4시간 동안 증기에 노출하여 생성되었다.
표 2
자심은 금속 리본의 표면에 절연 재료를 형성하는 산화 처리의 이전 또는 동안 어닐링되는 것이 바람직하다. 종래 기술에 의해 알 수 있는 바와 같이, 어닐링은 자심에 자기 불연속의 수를 감소하여 자심에 바람직한 자성을 줄 수 있다. 자심층들 사이의 전체 층 절연 금속 산화물의 존재는 응력이 축적되는 경우 어닐링 처리가 간섭을 받을 수 있다. 이것은 절연 재료를 형성하기 위여, 자심이 권선된 후 및 어닐링 동안 또는 어닐링 후에 자심을 처리함으로써 피해갈 수 있다. 본 발명의공정은 어닐링 온도에서 또는 어닐링 온도 이하에서 금속 산화물 절연 재료를 제조하기 때문에 자심의 대부분의 종류에 대해 이런 바람직한 순서가 적용될 수 있다.
좋은 결과를 얻은 하나의 실시예는, 자심의 자구를 일치시키기 위하여 자계의 존재하에서 약 365℃(690℉)의 온도에서 대기 속에서 비정질 금속 합금의 자심(기초 금속으로서 철을 포함)을 어닐링하는 것이다. 그다음 산화철 절연층을 형성하기 위하여 증기에 자심을 노출하기 전에 오븐 온도는 305℃ 내지 329℃(580℉ 내지 635℉)로 감소된다. 본 발명의 공정에 의해 절연층이 형성되는 온도보다 더 높은 온도에서, 대기 속에서 어닐링이 행해지지마는 층들 사이에 유전체 절연을 제공하기 위하여 리본의 표면에 충분한 금속 산화물이 존재한다.
좋은 결과가 얻어지는 또다른 실시예는 자심이 어닐링되는 동안 증기 및 공기에 의해, 기초 금속으로 철을 가지는 비정질 금속 합금 자심을 처리하는 것이다. 바꾸어 말하면, 절연 산화철 코팅 형성과 어닐링이 동시에 이루어진다. 비정질 금속 합금의 어닐링 온도는 전술한 바와 같이 처리를 위한 정밀한 온도를 지시한다.
본 발명의 코팅은 또한 기계적 응력을 도입 또는 해소함으로써 우수한 성능을 달성할 수 있다. 종래의 기술에서 알려진 바와 같이, 연자기 자심에서의 전력 손실은 두 성분을 가지고 있다. 첫 번째 성분은 자속 변화에 의해 기조층(substrate layer) 내에 유도되는 전압으로부터 생겨나는 와전류(eddy current)이다. 와전류 손실은 유도 코일의 작동 주파수와 직접 연결되며, 400Hz 이하의 낮은 작동 주파수에서 특히, 비정질 및 나노결정화 재료에서 작은 역할을 한다.
전력 손실의 두 번째 성분은 히스테리시스 효과이며, 이것은 자기 재료가 자화 사이클을 반복할 때의 에너지 손실의 양이다. 자기 재료에 형성된 응력은 자기 재료에 형성되는 자구의 동작에 영향을 미침으로써 히스테리시스 손실을 증가시킬 수 있다. 특히, 비정질 금속 합금과 같은 큰 자기(磁氣) 변형(magnetostriction)을 가지는 재료에 대해서는 응력은 히스테리시스에 가장 바람직하지 못하다. 본 발명의 코팅이 금속 리본의 어닐링와 동시에 적용되면, 기초가 되는 금속 리본의 응력을 감소시킨다. 코팅의 산화철의 연성(softness)이 이 효과에 기여한다고 믿고 있다. 코팅은 대표적인 자심 어닐링 온도에서 쉽게 이동되기 때문에, 금속 리본의 응력은 감소되며, 그 이유는 코팅이 어닐링 동안 금속 리본의 응력을 해소하는 윤활제로서의 작용을 하고, 이것은 자심의 성능을 개선한다. 예를 들면, 낮은 주파수 작동 조건에서 와전류 손실은 무시될 정도이며, 본 발명의 동시에 어닐링되고 코팅된 자심이 비코팅의 자심에 비해 성능이 개선되었음을 보여 준다(아래의 표 3을 참조). 이 개선된 성능이 단순히 인접한 금속층의 유전체 절연으로부터 비롯되었다고 생각할 수는 없고, 히스테리시스 손실을 감소한 금속 리본의 감소된 응력에서 부분적으로 비롯되었다고 생각한다. 또한 기초가 되는 금속 리본의 응력을 감소하는 이 효과는 마이크로스코피에 의해 관찰이 가능한 코팅의 파단 라인(fracture line)에 의해 가시적으로 입증된다.
또한, 본 발명의 코팅은 자심에 열팽창으로 인한 바람직하지 못한 압축 응력을 유발하지 않는다. METGLAS' 2605SA1 및 2605SC의 팽창 계수는 각각 7.6 및 5.9 ppm/℃인 것으로 알려져 있다. 산화 마그네슘 및 상표명 MYLAR(상표명)와 같이 절연 재료로서 사용되는 일반적인 종래의 재료는 각각 팽창 계수가 8, 및 40 내지 90ppm/℃이다. 절연물의 팽창 계수가 금속의 그것을 초과하면, 절연물로써 MgO 또는 MYLAR의 사용은 작동 온도 범위에서 압축 응력을 유발한다. 이 응력은 대략 두 가지 요소에 의해 자심의 전력 손실을 증가시킨다. 그러나 본 발명의 코팅은 달리 발생하는 압축 응력이 없으며 그것에 의해 실질적으로 성능이 개선된다.
응력을 제거하기 위하여 설계된 조건하에서 METGLAS' 2605SA1 및 2605SC 처리를 하여 형성된 자심을 비교하는 데이터가 아래의 표 3에 도시되어 있다. 특히 코팅은 670℉ 내지 690℉로 4시간 동안 권선 자심을 가열함으로써 형성되었고, 한편 이와 동시에 자심을 0.1 내지 0.5psi의 압력에서 증기에 노출했다. 이 자심에 대한 데이터는 마그네슘 메틸레이트 공정(MgO)에 의해 형성된 자심과 비교되고 있다. 그 결과는 표 3에 도시되어 있으며, 자심 1 및 3의 표준 마그네슘 메틸레이트 코팅에 비해 코팅된 자심 2 및 4의 비정질 재료 두 개는 모두 50%의 손실 감소가 나타났다.
표 3
코팅이 이루어지는 처리 온도는 얻어지는 자심의 기본적인 자성을 주문받아제작하도록 조절될 수 있다. Metglas' 2605SA1과 같은 비정질 금속 합금은 약 388℃ 내지 427℃(730℉ 내지 800℉) 온도로 증기레 노출되며, 원형 및 편평형 루프 특성이 생산되는 추세이다. 길이 방향의 자계가 코팅의 형성 동안 적용되면, 379℃(715℉)의 낮은 온도로 정사각의 루프 특성이 생산되는 추세이다. 379℃ 내지 388℃(715℉ 내지 730℉)의 온도로는 원형 루프 특성의 자심을 생산하는 추세이다.
편평한 루프 특성이 요구되는 상황의 예로는 환상(toroid)의 경우이다. 여기서는 유효 투자율을 제한하는 갭이 요청될 수 있다. 그러나 이 갭은 추가적 처리 단계가 요구되며 일반적으로 갭이 없는 환상에 비해 꾀 큰 전력 손실이 수반된다. 많은 경우 이와 동등한 편평 루프 특성이 갭을 대신할 수 있으며, 편평 루프는 낮은 합성 전력 손실(갭이 없기 때문임) 및 용이한 제작 가능성(갭을 절단할 필요가 없기 때문임)이 장점이다.
종래의 공정, 및 횡방향 자계의 존재하에서 낮은 온도의 어닐링을 사용하여 히스테리시스 루프를 만드는 것이 가능하지만, 그것은 상당히 어렵다. 그 이유는 횐방향 자계는 원주 방향(스트립 폭의 방향)과는 직각이며 특수한 자계 발생기를 필요로 한다. 자계 발생기는 일반적으로 오븐 내에 튜브 또는 포트에 감싸진 매우 굵은 와이어로 만들어진 전류가 흐르는 다권선 솔레노이드이거나, 아니면 적절하게 방향이 정해진 자심을 가진 가열된 터널이 지나는 갭을 구비한, 외부에 놓여진 전류가 통하는 큰 C 자심형 전자석이다. 전자석의 경우 오븐은 횡방향 자계 어닐링을 위해 특수하게 설계되어야만 하며, 일반적으로 마우 특수한 자심의 크기로 제한된다. 솔레노이드 포트는 대개 횡방향일 수 있는 부품의 수에 매우 제한적이며 초과되는 공정 변형에 민감하다.
그러나 본 발명이 적절한 어닐링 온도와 협력하여 사용되면 편평한 히스테리시스 루프의 형성이 훨씬 쉽다.
특히 METGLAS' 2605SA1이 자구를 일정한 방향으로 향하게 하기 위해 길이 방향 자계를 사용하여 4시간 이내의 시간 동안 715℉의 온도에서 증기의 존재하에서 가열되면, 정상적인 정사각 루프 특성이 항상 얻어진다. 이것은 1 파운드 이내로부터 40 파운드 이상까지의 범위에서 자심의 생산에서 입증되었다. 715℉ 내지 730℉에 이상에 이르는 온도에 대해 정사각형, 원형 및 편평한 루프 상태 사이의 전이에서 예리한 컷오프가 없으며, 왜냐하면, 코팅 시간과 온도가 한계 활성화 온도 이상에서 상승적인 방법으로 상호 작용하기 때문이다. 증기의 존재하에서 730℉ 이상에서 4시간 이상의 코팅 시간은 자심이 작을 때 즉, 1 파운드 미만일 때 편평한 루프 자심이 얻어질 수 있다. METGLAS' 2605SC와 같은 다른 비정질 금속은 상술한 온도가 약간 다르더라도 유사하게 거동한다.
자기 비정질 합금에는 기술적으로 중요한 두가지의 분류가 있다: 전이 금속(TM)-반금속(M) 합금 및 희귀 토류-전이 금속 합금. Metglas' 2605SA1 및 그것과 동등한 시판 대응품은 전이 금속-반금속 합금이며, 이것은 넓은 의미에서 대략 80% 원자 중량의 하나 이상의 Fe, Co 또는 Ni을 포함하며 나머지 20%는 B, C, Si, P 또는 Al이다. #2605 합금은 80% Fe 및 20% B인데, 이것은 분명히 현대 Metglas 2605XXX 합금의 조부(祖父)격이다. 반금속 성분은 합금이 그들의 유리 전이 온도를 지나 신속히 담금질될 수 있도록 용융점을 하강하는데 필요하다. 또한 거의 동일한반금속들은 얻어진 담금질된 비정질상(非晶質相)을 안정화하며, 대등한 결정화 합금에 비해 포화 자화 및 유리 전이 온도를 감소시킨다.
이들 합금들은 큰 관심을 끌고 있는데 그 이유는 그것들의 추정된 등방성 특성 때문이며, 이것은 매우 낮은 보자성(保磁性) 및 히스테리시스 손실 및 높은 투자율(透磁率)을 보여주며, 고주파용의 상업적으로 매우 중요한 조합이다. 그러나 그것들의 약점은 준안정 상태로 연결되는 것이며, 이것은 반금속 스태빌라이저의 존재에도 불구하고 종국에는 결정화로 이어지는 것이다. 이로 인해 TM-M 비정질 합금 안정성 및 결정화 시간 상수에 상당한 양의 리서치가 집중되었다. 이것은 자기(磁氣) 수명의 끝이 결정화의 시작에 대응하기 때문이다. 결정화 온도의 범위에서 보자력 및 전력 손실이 증가하고 잔류 자기 및 투자율은 감소하며 온도가 조금만 증가해도 모든 것이 빠른 속도로 진행된다. 이것이 Metglas' 2605SA1에 대한 연속적인 사용 온도가 꾀 높은 150℃로 정격이 설정되어 있는 이유이다. 마찬가지로 이 효과 때문에 제어되는 시간의 양에 대해 결정화 온도 범위에서 자심을 어닐링함으로써 투자율을 주문 제작할 수 있다.
TM-M 합금의 안정성은 결정화 시작 온도와 유리 전이 온도 사이의 차이와 상관 관계가 있다는 것이 발견되었다. 용융 온도 및 유리 전이 온도 사이에, Tg' 결정화는 Tg가 접근함에 따라 급속히 증가한다. 한편 결정화 시작 온도가 Tg 이하로 떨어짐에 따라 결정화가 급속히 감소한다. 그러므로 유리 전이 온도는 결정화 시작 시간 상수의 검토를 위한 중요한 파라미터이다. #2605 합금에 대한 Tg는 441℃ 또는 825℉라고 발표되어 있다. Honeywell은 METGLAS' 2605SA1 또는 METGLAS' 합금의어떤 것에 대한 Tg도 발표하지 않았다. 그러나 2605SA1 및 다른 METGLAS' 합금에 대한 결정화 온도는 발표했는데, 그것은 2605SA1에 대한 결정화 온도가 945℉이며, #2605 합금에 대한 Tg보다 대략 120F 높다. Honeywell의 결정화 온도가 사실상 Tg'라고 가정하면, 주어진 어닐링 시간에 대해 발표된 #2605 합금의 결정화 시작 온도는 아마 2605SA1 비정질 성분에 대해서보다 120F 낮은 수준일 것이다. 이 실절적인 차이에 대한 이유는 2605SA1이 다른 요소들의 추가에 의해 #2605 합금과 화학적으로 상당히 다르기 때문일 수 있다.
이 기초와 Chapter 6 of Wohfarth, "Ferro-Magnetic Materials," Volume 1, (North Holland Publication)에 도시된 그래프에 근거할 때, 결정화 시작은 #2605 합금에 대해 600℉ 내지 610℉에서 2 내지 5시간 후에 일어나는 것으로 여겨진다. 이 관찰은 #2605 합금의 Tg와 2606SA1 합금의 발표된 결정화 온도 사이의 차이와 정확히 일치한다.
다음 표의 데이터와 대응하는 도면은 표준 및 비표준 코팅 온도 양쪽을 모두 시험하기 위하여 두 개의 표준 Honeywell 부품 번호를 선택함으로써 축적된 것이며, 온도 정착 시간 1시간을 추가하여 코팅 처리 시간을 일정하게 4 시간으로 유지하였다. 이 시험을 위하여 두 개의 선택된 부품은 Metglas 2605SA1에서 제조한 표준 1 mil 게이지의 "C" 자심들이며, 하나는 중량이 대략 0.75 lb 이고 다른 하나는 중량이 2.5 lb이다. 큰 쪽의 자심은 윈도 면적 및 질량의 비례적 증가에 의해 윈도 치수, 단면적, 자로(path; 磁路) 길이에서 작은 쪽 자심보다 대략 1.8 내지 2배 더 크다. 양쪽 자심의 스트립 폭은 각각 약 1.25 인치이다. 큰 쪽 자심에 대한 관형데이터 및 그래프는 작은 쪽 자심에 대한 결과를 추적한다. 그러므로 간결하게 하기 위하여 작은 쪽 자심에 대한 데이터만이 표시되어 있다. 여기에 도시된 바와 같이 도면에서 "코팅(coated)"이라는 용어는 라미네이트의 층들 사이에 철 산화물 졀연 재료를 형성하기 위하여 열과 증기의 조합에 의해 처리된 자심에 대한 것이다. '비코팅(uncoated)"이라는 용어는 라미네이트 층들 사이에 충분한 산화철을 가지지 않은, 증기로 처리되지 아니한 자심에 대한 것이다.
이 시험에서 데이터는 전술한 4시간 처리, 그리고 어닐링을 위한 열 모델로서 한 시간의 정착 시간을 사용하여 축적된 것이며, 달라진 것은 690℉ 대신에 다른 온도, 즉 715℉, 730℉, 750℉, 760℉, 770℉, 780℉ 또는 800℉ 중의 하나를 사용하였다. 표준 690℉ 처리는 또한 표준 처리와 비표준 어닐링 온도 결과를 비교하기 위하여 동일한 시험 그룹에서 행해졌다. 관찰이 용이하도록 리스트된 온도에서의 코팅 효과는 690℉에서 시작하여 800℉까지 총 8단계의 범위에 걸쳐 행하고, 시험은 코팅 처리를 한 상태와 하지 아니한 상태에서 행해졌다. 코팅이 제공되는 경우, 전술한 알루미늄 실리케이트 제2철 전이 매트릭스을 사용하여 행하였다. 비코팅이 적용되는 시험에서는 열처리 시간은 한 시간의 안정화 및 4시간의 열 및 증기에의 노출 또는 5시간의 총 어닐링 시간이라는 어닐링 시간 조건을 충분히 복사하기 위해 5시간을 유지하였다. 시험은 세 개의 중요 처리 단계로 행해졌다: (1)어닐링 후, (2)에폭시 수지로 포화 후, 및 (3)최종 처리 후이다. 최대 포화 자계를 얻기 위하여 필요한 곳에 길이 방향 자계가 적용되었다. 길이 방향 자계가 사용되면 사각(Sq)이라는 용어가 표에 나타난다. 자계가 사용되지 않는 경우, 원형(Rd)이라는 용어가 나타난다. 그러므로 대부분의 경우 이들 어닐링 조건에 대해 약 765℉의 큐리(Curie) 온도 이상에서는 자계가 사용되지 않았다. 여덟 가지 다른 온도에서 강력한 시험이 행해졌으며, 매우 작은 "C" 자심이 제1 그룹에 의해 만들어진 일부의 관찰을 확인하기 위하여 690℉ 내지 710℉ 및 730℉ 내지 745℉에서 대부분 처리되었다. 이 자심은 약 0.1 lb의 대략적인 중량을 가진다. 매우 작은 자심의 후속 시험은 보다 큰 온도 범위에서 시험된 작은 그룹에 의해 얻어진 보다 중요한 결론을 확인하였다.
투자율 파라미터는 젤 드라이브, 자화 곡선의 제로 자속 지점으로부터 자속 레벨까지 직선의 기울기이다.
표 4
표 4에 도시된 모든 측정값들은 Magnetic Metals Constant Current Flux Reset Test Set(CCFR)을 사용하여 만들어졌으며, 그것은 킬로가우스(kilogauss) 단위의 교정된 자속 레벨 및 어스테드(oersteds) 단위의 드라이브를 제공하기 위하여적당한 자심 횡단면적 및 자로(磁路)에 대해 조정되었다. 또함 자속 밀도는 15.9 킬로가우스 포화 레벨과 일치하도록 조정되었으며, Metglas' 2605SA1의 비코팅 및 비함침 처리 결과가 기대되었다.
표 4 및 대응하는 도면 9는 어닐링 온도가 690℉에서 800℉ 로 증가함에 따라 일반적으로 감소하는 자화 곡선을 보여준다. 길이 방향으로 "사각 루프" 자화된 자심을 사용하여 690℉, 715℉ 및 730℉ 및 750℉의 일부 데이터가 취해졌다는 사실에도 불구하고 사각 루프 효과가 이 데이터에는 분명하지 않다. 이 결과는 함침(含浸) 응력의 결과인데, 왜냐하면 미리 함침된 데이터에서 사각성이 매우 분명하여, 즉 언급한 온도에 대해 자심 자속가 15KG 내지 15.9KG 범위이고 드라이브가 3Oe 내지 최대 5Oe의 범위이기 때문이다. 도 16은 680℉ 내지 800℉에서 비함침의 비코팅 0.75 자심에 대한 자화 곡선을 도시한다.
이 효과에 대한 이유는 응력이 투자율을 감소하기 때문이다. Bozworth, "Ferromagnetism," IEEE Press(1983)(Chapter 13, Stress and Magnetostriction)을 참조한다. 이용 가능한 식은: 1 = 81s2/9s, 여기서 o는 초기 투자율이고, Is는 포화 상태에서 단위 체적당 자기 모멘트이며, 이것은 포화 자속 밀도에 비례하고, s는 포화 자기(磁氣) 변형이며, I는는 단일 자구의 내부 응력이다. 2605SA1에 대한 포화 자기 변형은 아주 크기 때문에(즉 27ppm) 작은 함침 응력이라도 그 효과가 매우 커질 수 있다.
표 5
표 5의 투자율은 표 4의 데이터로부터 2 킬로가우스 자속 레벨에서 계산되었다. 자심 손실은 예의 항 및 도 6에서 이후 충분히 설명될 시험을 사용하여 20KHz 및 2 킬로가우스에서 측정되었다. 이 자심에 대해 2 킬로가우스에서 전력 측정에 대한 시험 조건은: 10회 권선 솔레노이드 코일을 사용하여 43.9 볼트이다. 이 시험에 대한 데이터 또한 도 10에 도시되어 있다.
전력 손실은 일반적으로 비함침 자심에 대해서보다 크다. 도 17은 690℉ 내지 800℉에서 비함침의 0.75#에 대해 도 10과 동등한 것이다. 함침은되었으나 절단이 안된 자심에 대한 전력 소산의 증가에 유의한다.
표 6
표 4에 대한 언급이 표 6에도 동일하게 적용된다. 본 발명의 코팅은 비코팅 자심보다 온도에 따라서 원형 또는 편평형에 약간 더 큰 효과를 가지는 것처럼 보인다. 그러나 함침 자심에 의해 경험한 응력 면에서는 그 차이가 너무 작아 눈에 띄지 않는다. 그 차이가 드러나는 것은 투자율 및 전력 손실이 결정화 효과로서 고려될 때 뿐이다. 도 18에 비함침의 코팅 자심은 750℉ 이하의 온도에 대해서는 "사각"이며 760℉ 이상에서는 "편평"이다. 코팅된 자심에 대한 함침 효과는 800℉를 제외한 각 어닐링 온도에 대해서는 투자율을 감소시킨다. 비함침 코팅 자심을 비코팅 자심과 비교할 때, 715℉ 어닐링 온도에서 높은 포화 자속(690℉ 어닐링 온도에 대해서보다 높다)이 얻어진다는 것을 제외하고는, 앞의 효과는 질적으로 비코팅 자심에 대해 관찰되는 것과 동일하다. 비함침 자심에 대해 690℉와 715℉ 사이의 차이는 매우 크지는 않다.
표 7
표 5에 대한 코멘트는 표 7에 대해서도 동이하게 적용된다. 표 7본 발명의 코팅)의 표 3(비코팅)과의 비교는 뚜렷한 차이를 보여주며, 그것들과 동등한 도면, 즉 도 12 및 10로부터 더욱 분명해진다. 이 도면들은 코팅 자심에서 전력 손실이 감소됨을 보여주며, 비코팅 자심과 비교하여 코팅 자심에 대해 2 킬로가우스에서 투자율 vs 전력 손실의 도면에서는 스캐터(scatter)가 상당히 작다. 코팅 자심에서 관찰되는 것으로서, 투자율 vs 전력 손실이 역으로 결정화 영역과 연관되야 하기 때문에, 비코팅 자심에 대한 추가적 전력 손실 및 스캐터는 어떤 다른 요인에 기인한다.
도 17(비코팅)과 도 19(코팅)를 비교해 보면 알수 있는 것으로서, 함침 전에는 이들 차이가 코팅 자심과 비코팅 자심에 대해 뚜럿하지가 않다. 도 17 및 도 19는 대략 동일한 자심 손실 및 스캐터를 보여준다. 차이가 부각되는 것은 결정화 성분에 추가로 함침 응력이 존재할 때 뿐이다. 대부분의 전력 손실이 온도의 증가에 따른 결정화의 증가 때문이라면, 비코팅 투자율 vs 전력 손실은 완만한 하향 추세를 보여준다. 그러나 비코팅 데이터에 단순한 결정화 효과만으로부터 설명될 수 있는 것보다 훨씬 큰 스캐터가 존재하기 때문에, 추가적 전력 손실은 코팅 자심에 비해 더 큰 함침 응력에 기인한 것이라고 보아야 한다.
이 결론은 둘다 비함침 자심들 사이에는 차이가 없다는 점과 일치하며, 어닐링 온도가 증가함에 따라 포화 자심에 대해 이 차이가 더 작아진다는 사실이 관찰되었다. 응력의 결정화 성분은 어닐링 온도의 증가와 더불어 더 작아지게 되며 한편 어닐링 온도와 상관없이 함침 응력은 일정하게 유지된다. 그러므로 균형이 서서히 높은 결정화 쪽으로 이동하며, 이것이 함침 자심에 대한 높은 어닐링 온도에서 전력 손실에 기여한다. 코팅 및 함침 자심에 대해 800℉에서는 실질적인 개선이 없다는 점에 유의한다.
표 8
표 8의 투자율은 주어진 드라이브 레벨레서 측정된 자속 밀도의 비(比)로서 온도 및 드라이브 레벨의 각각의 조합에 대해 표 4이 데이터로부터 계산되었다. 730℉에서 도 13의 노치에 유의한다. METGLAS 2605SA1에 대해서는, 730℉는 5시간이 어닐링에 대한 결정화 개시의 이론적 온도의 추정값이다. 도 13은 대략 750℉ 또는 그보다 약간 위에서 시작하는, 0.1 내지 5.0 Oe 범위의 비교적 안정한 투자율로부터의 전이를 보여주며 뚜렷한 급경사를 이룬다. 평균은 log-perm vs 온도 구성에서 750℉를 상회하는 거의 직선이다투자율은 또한 매우 낮은 0.1 Oe 레벨에서의 약간의 편차를 제외하고는 750℉ 이상의 0.1 내지 5.0 Oe 범위에서 비교즉 서서히 변한다. 730℉ 내지 750℉에서 자화 곡선은 "원형"으로부터 "편편형"으로 변화한다. 표 4 및 도 9를 주의깊게 검토하면 동일한 효과를 알 수 있다.
표 9
표 9의 투자율은 주어진 들이브 레벨에서 측정한 자속 밀도의 비(比)로서 온도와 드라이브 레벨의 각각의 조합에 대해 표 6의 데이트로부터 계산되었다. 표 8의 730℉에서의 노치는 뚜렷한 하향 추세로 대체되었다. 도 14를 참조하기 바란다. 본 발명의 코팅은 약간 낮은 온도에서 결정화로의 전이를 도와주고 있다. 도 14의 log-Perm vs 온도 구성의 아레니우스(Arrhenius) 특성은 도 13에 대해서보다더 뚜렷하며 더 빨리 즉, 740℉에서 시작된다. 표 8에 대해 이루어진 그밖의 모든 관찰은 표 9에 그대로 적용된다.
보다 큰 2.5# 자심은 다소 상이한 포화 인덕턴스 및 투자율 스케일링(scaling) 효과를 가지는 보다 작은 0.75# 자심과 동일한 추세를 보여 주었다. 690℉에서 시작하여 800℉에서 종료하는, 데이터 수집 지점에 대해 사용된 8 종의 온도에서 20KHz 및 2 킬로가우스에서 취한 전력 손실 데이터를 수집한 것이다. 이 데이터를 위해 0.75 lb.(#) 자심이 사용되었다. 0.25 lb 자심도 비슷한 결과를 보여 주었다.
표 10
사각형으로 확인된 어닐링 조건은 75 amp DC 전루가 자심의 원도를 통과하였음을 의미한다, 그것에 의해 "사각형" 자화 곡선 어닐링에 대한 대체로 길이 방향의 자계를 만든다. 원형으로 확인된 어닐링 조건은 어닐링을 위해 아무런 자계도 존재하지 않고, 자심의 윈도를 아무런 전류도 통과하지 않았음을 의미한다. 각 어닐링 온도 범위에 대한 표시된 퍼센트 개선은 둘다 존재한다면, 원형 및 사각형 루프 조건 모두의 평균값이다. 전체적으로 690℉ 내지 800℉ 범위를 고려할 때 총 30%의 개선이 있었다.
자심의 겉보기 투자율은 다음과 같이 갭(갭이 있다면)이 치수에 의해 심하게 영향을 받는다.
1/eff= 1/i + g/p
여기서 eff = 유효하다 또는 자심의 측정된 투자율, i = 시험 조건, 즉 자속 밀도 및 주파수하에서 자심 재료의 고유 투자율, g = 전체 갭, p = 자심 내에서 자속의 방향으로 가는 평균 자로(磁路) 길이이다. eff = 는 갭이 제로일 경우임을 유의한다. 투자율은 여기서 검토되는 CGS 시스템에서의 치수이다. 이 식은 다음과 같이 축소된다:
eff = i/(1 + g/p × i),
여기서 g 및 p는 동일한 치수를 가진다. 약식은:
g/p ×i >> 1이면 eff = p/g.
이 갭 불확실성이 존재하면, 위에서 보고한 비절단 자심의 투자율을 측정하기 위해 사용되는 CCFR 계기 세트는 절단 자신에 대해서는 부적당하다. 또한 CCFR도 2 킬로가우스 및 20KHz의 전력 손실 테스트 포인트에 대응하는 20KHz 주파수에 대해서는 조정되지 않는다. 이 문제점들을 극복하기 위하여, General Radio 1630AV 인덕턴스 측정 어셈블리가 조심스럽게 조절되는 갭 치수와 함께 코팅된 소형 "C" 자심에 대한 인덕턴스를 측정하기 이해 사용되었다. 그러나 CCFR과 인덕턴스 브리지 사이에 여자(勵磁) 차이가 있다. CCFR은 전류에 대한 정현파를 사용하며 인덕턴스 브리지는 전압, 즉 자속에 대한 정현파를 사용한다. 이 두 시험 세트 사이의 여자 차이는 투자율 비교에 영향을 미친다. 그러나 이들 차이는 이들 시험으로부터 얻어지는 결론의 일반적 성질에 영향을 미칠 정도로 크지는 않는 것으로 믿어지고 있다.
다음의 식은 i를 계산하는데 사용된다. 여기서 인덕턴스는 주어져 있고 갭을 알고 있다면;
i = p/(4109N2Aeff/g),
여기서 N = 전기적 권선의 수, Aeff = cm2단위의 자심의 유효 면적, = 헨리 단위의 자심의 인덕턴스 및 p'g(앞서 정의됨)는 cm 단위이다. 전술한 바와 같이 데이터의 보고에 사용된 CGS 시스템에서의 유닛 치수는 없다.
이 식은 짝이 되는 표면 갭을 포함한 여러가지의 갭에 대해 i 를 계산하기 위하여 사용되었다. 모든 투자율 계산은 프린징(fringing) 효과를 최소화하기 위해 양 갭 위에 대칭으로 놓여진 50회의 전기 코일을 사용하여 2 킬로가우스 및 20KHz에서 행해졌다. 그러므로 그 결과는 동일한 조건하에서 행해진 자심 손실 측정치와비교될 수 있다. 투자율의 얻어진 계산값은, 제로 갭에 대응하는 "Y" 인터셉트로서 금속 투자율을 예측하기 위한 회귀(regression) 기술을 사용하여 직선에 조립되었다. 동반되는 전력 손실 데이터는 전술한 바와 같이 측정되었다. 다음의 데이터는 0.1 lb "C" 자심에 대한 결과를 보여준다.
표 11은 투자율과 완성된 0.1 lb. "C" 자심의 전력 손실을 비교하며, 이 자심은 "사각 루프" 요건에 대한 표준 공정 조건하에서 4시간 동안 690℉에서 어닐링 및 코팅되었다. 이 표는 표준 "사각 루프"를 "원형 루프"와 비교한다. 표 11의 투자율 추정치는 절단 후 회귀 기술을 사용하여 얻어졌으며, 전술한 바와 같이 계산딘 투자율 vs 측정된 갭에 적용되었다. 투자율 계산은 여러가지 갭에 대해 행해졌으며, 표준식을 사용하여 직선형 회귀선에 조립된다. 얻어진 회귀선은 표 11에 도시된 원형 및 사각 루프(절단 후)에 대한 투자율 추정치를 제공하기 위하여 제로 갭에 외삽(extrapolated)되었다. 절단 단계에서의 투자율이 예측된 정밀도를 향상하기 위해 각 그룹에 대해 다섯 개 자심의 평균에 적용한다는 점을 유의한다.
표 12의 갭 측정값은 3 자리로 반올림된다. 이 정밀도 레벨이 필요하며, 회귀 분석에 의해 계산되는 조립의 정밀도가 재생이 가능하도록 한다. 실제로 갭은 광학 컴퍼레이터를 사용하여 0.0001"로 억제되었다. 얻어진 갭 데이터는 이 정밀도 한계보다 커지 않음으로써 회귀 기술에 의해 조정되었다. 이 조정은 가장 가능한 조립을 달성하기 위해 행해졌다. 도 20은 얻어진 회귀선 및 표 12에 대응하는 데이터를 보여준다.
표 11
* 절단 이전의 투자율 및 자심 손실는 함침 후에 취해지며, 각 조건에 대한 10종의 자심의 평균값이다. 절단 후의 투자율 데이터 및, 완성된 자심 단계에서의 것이며, 각 조건별 5종의 자심의 평균값이다. 절단 후의 투자율 데이터는 CCFR 시험기 세트를 사용하여 400Hz에서 취해진다. 절단 후의 투자율 데이터는 인덕턴스 브리지를 사용하여 20KHz에서 취해진다. ± XXX 는 3×(표준 편차)이다. 모든 자심은 표준 690℉ 어닐링 조건하에서 처리된 Namlite 이다.
표 12
* 원형 루프, 사각 루프에 대한 회귀 계수는 각각 0.92 및 0.99이다. 표 1의 "절단 후" 단계에서 투자율 추정을 위하여 계획된 갭 데이터가 사용되지 않는다. 조정된 갭에 대한 히귀 디더(dither)가 0.1 mils 를 초과하지 않는 것을 유의한다. 이것은 측정 에러이다.
도 20은 히귀 오버레이에 의한 그래프 형태의 표 12를 복사한 것이다. 계산된 재료 투자율은 두 가지 이유로 갭이 변함에 따라 일정하게 유지되지 않는다. 첫째, 재료 투자율에 대한 계산이 전술한 바와 같이 갭 치수에 대해 지극히 민감하다. 요구 정밀도로 갭을 측정하는 것이 불가능했기 때문이며, 회귀 디더 기술은 가능한 한 많은 갭 불확실성을 조정하기 위해 사용되었다. 둘째, 프린지 자속은 그것의 증가에 비례하여 갭이 커짐에 따라 인덕턴스를 상승시키는 경향이 있다. 이것은 잘 증명된 효과이며 인덕터 설계자들은 때로 이 프린지 자속 효과를 고려할 필요가 있다.
그러나 표 12에 투자율을 계산하기 이해서 사용된 간단한 식은 이 복잡함 프린지 자속 효과를 고려하지 않는다. 또한 프린지 자속 효과가 인덕턴스를 증가시키기 때문에 갭이 커짐에 따라 계산된 재료 투자율을 증가시키는 효과를 가진다. 이것이 회귀 분석이 필요한 기본적 이유이며, 마찬가지로 프린징 에러 효과의 슬로프를 아는 것이 불가능하기 때문이다. 이 회귀 기술은 제로 갭에 대한 효과의 감소되는 크기의 프로잭션을 통해 재료 투자율의 추정을 가능하게 하며 여기서 그것은 사라진다.
본 발명의 코팅에 의해 제공되는 개선은 기본적으로 전력 손실 감소에 기인하며, 그것은 점진적으로 진행된다. 아무런 코팅을 않으면 아무런 개선도 될 수 없다. 얇은 코팅은 약간의 와전류 감소로 인해 "무코팅" 상태에 비해 조금 더 큰 전력 손실 감소를 가져다 준다. 이 단계에서 코팅 저항이 두께와 더불어 증가하기 때문에 와전류가 급속히 감소한다. 그러나, 어떤 지점에서 코팅 두께 증가가 서서히 느려진다. 이것이 발생하면 성능 개선도 역시 느려지는데, 왜냐하면, 두께는 증가하지 않고 와전류는 평형 레벨에 도달하기 때문이다.이것이 기저봉에 의존하는 성장 과정에 대한 "S" 곡선이다. 이 경우에 금속 기저봉은 절연성 산화철로서 코팅에 철을 제공한다.
또한 결정화 효과는 "개시 효과(onset effect)" 때문에 시간 의존적이다. 따라서 어닐링이 코팅 처리 단계에서 충분히 장시간 행해지면, 결정화가 시작된다. 일단 결정화가 시작되면, 얻어지는 성능이 역으로 영향을 받는 것은 시간 문제일 따름이다. 즉 투자율이 감소하고, 보자력 및 전력 감소가 증가한다.
코팅 성장 및 결정화가 모두 온도에 의해 진행되기 때문에 온도가 어떤 레벨로 감소하면 (500℉ 내지 600℉ 이하로) 두 공정이 모두 진행이 느려지거나 정지한다. 이것은 주어진 개선의 레벨을 코팅되는 제품 속에 "동결"시킴으로서 동결된 공정 상태에 대해 성능 측정이 가능하도록 한다. 이것은 결정화가 시작되지 않았다는 것을 의미한다.
그러므로 처음에는 혜택이 증가하며, 그다음은 이들 경쟁적 효과 사이의 복잡한 관계에 따라 시간과 온도의 증가와 더불어 혜택이 감소한다. 예를 들면, 코팅은 최초의 기간 동안 증기 및 열에 노출되고, 그 다음 냉각 및 하나 이상의 후속증기/열 처리가 동반됨으로써 점진적으로 적용될 수 있다. 투자율 및 전력 손실의 측정은 연속되는 코팅 단계 사이에 이루어질 수 있다. 처음에는 개선이 이루어지고 그다음 와전류 감소 및 결정화의 경쟁적 힘이 서로에 맞서 작용함에 따라 열화가 일어난다. 주어진 투자율, 전력 손실 요건에 대해 시간 및 온도의 결정이 가능한 안전 범위가 분명히 있다. 기본적인 제한 요소가 결정화 개시이기 때문에, 어떤 주어진 온도에서 처리 시간의 양은 위에서 인용한 Wohlfarth의 그래프로부터 추정될 수 있다. 예를 들어, 690℉ 내지 715℉에서 Wohlfarth의 chapter 6의 그래프를 사용하여, Metglas' 2605SA1에 대해 결정화 개시가 시작되기 전에 대략 10 내지 15시간의 어닐링이 가능하다는 것이 추정될 수 있다. 이것은 사각 루프 처리에 대해 전력 손실 감소를 "크리프 업(creep up)" 하기 위해 5시간의 정상 처리 조건을 1 내지 2회 반복할 수 있게 한다.
결론적으로, 사용이 가능한 다른 재료들 때문이라면, 최초의 코팅 처리는 원하는 성질을 가지는 자심을 제작하지 못하며, 때로 하나 이상의 별도의 처리 시간이, 원하는 레벨로 코팅된 자심의 성능을 개선하기 위하여 사용될 수 있다.
물론, 전술한 바와 같이, 각 추가 공정은 이것의 혜택을 더 가치있게 하기 위하여 재료의 한계 내에서 이루어져야 한다.. 측정 및 반복 처리는 함침 저에 일어나야 한다.
다음의 표는 이것이 실제 작업을 감소하는 방법을 보여준다. 이 데이터는 40 lb. 토로이드(toroid; 환상(環狀)의 자심)에 대해 취해졌으며 Metglas' 2605SA1를 대상으로 하였고 매우 높은 전력 변압기 어셈블리에서 사용되도록 셜계되었다. 이데이터는 690℉에서 6시간 동안의 최초 코팅의 결과로서 스택 저항 개선을 보여주며, 뒤이어 냉각과 저항 측정이 이루어지고, 그다음 690℉에서 두 번째 코팅 공정이 실시되는데, 최초의 공정 시간을 포함하여 총 12시간의 공정 시간이 투입되었다. 스택 저항을 증가하는 것은 일반적으로 스트립 자심을 위한 성능을 개선하기 위한 것이다.
표 13
대체로 124% 네트 평균 개선이 이루어졌다. 18개의 자심 중 하나만이 약간의 열화(즉 -11%)를 보여주었다.

Claims (25)

  1. 적층된 자기(磁氣) 조립체의 인접한 금속층 사이에 유전체 절연(dielectric isolation)을 제공하는 방법으로서,
    복수의 층을 가지는 상기 적층된 자기 조립체를 제공하며, 상기 층들이 철의 일부에 형성되며,
    상기 층들 사이에 산화철을 포함하는 절연성 코팅을 생성하기 위하여 상기층들을 산화하며, 얻어진 산화된 상기 자기 조립체는 10 kHz 내지 20 kHz의 작동 주파수에서 절연성 코팅이 없는 대체로 동일한 치수의 조립체와 비교하여 적어도 15%의 전력 감소를 보여주는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    산화 단계가 적어도 500℉의 온도에서 산소의 존재하에 상기 복수의 층들을 노출하는 것을 포함하는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 층들이 500℉ 내지 800℉의 온드에 노출되는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 층들이 비정질(amorphous) 금속 합금을 포함하는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 층들이 나노결정화(nanocrystalling) 재료를 포함하는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층된 자기 조립체가 권선된(wound) 자심(magnetic core; 磁心)인
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층된 자기 조립체가 적층된 금속층을 포함하는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화된 자기 조립체가 적어도 30%의 전력 감소를 보여주는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화된 자기 조립체가 적어도 45%의 전력 감소를 보여주는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층된 자기 조립체의 산화 동안 상기 적층된 자기 조립체로 외부 소스로부터 산화 제2철 양이온을 제공하는 것을 추가로 포함하는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층들이 산화되는 동안 상기 적층된 자기 조립체로 증기를 통하여 산화 제2철(Fe2O3)을 제공하는 것을 추가로 포함하는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  12. 제2항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층된 자기 조립체를 적어도 2시간의 기간 동안 그것의 어닐링 온도에 노출하는 것을 추가로 포함하는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  13. 제2항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층된 자기 조립체를 적어도 2시간의 기간 동안 그것의 결정화 개시 온도에 노출하는 것을 추가로 포함하는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화된 자기 조립체의 자기적 또는 전기적 성질을 측정하는 것과, 또한 상기 절연성 코팅의 양을 증가하기 위하여 상기 산화된 자기 조립체의 층들을 산화하는 것을 포함하는
    유전체 절연를 제공하는 방법.
  15. 상기 조립체의 인접한 금속층 사이에 절연성 코팅을 가지며, 상기 코팅이 기본적으로 산화철을 포함하는 연(軟)자기 조립체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 조립체를 포함하는 긴 무정질 금속 스트립, 적어도 약 40%의 철을 포함한 상기 스트립, 제1 측면과 제2 측면을 가지는 상기 스트립, 상기 제1 측면은 작은 돌기를 가지고, 상기 제2 측면은 대치로 매끈하며;
    상기 스트립은 상기 인접한 금속층을 포함하는 적층을 형성하기 위하여 권선되며, 따라서 상기 제1 측면의 돌기가 매끈한 상기 제2 측면과 접촉하며;
    절연성 코팅이 대체로 상기 매끈한 제2 측면과, 상기 제1 측면의 돌기의 적어도 일부를 덮으며, 상기 돌기는 매끈한 제2 측면과 접촉하고, 상기 코팅이 0,03㎛ 이상의 두께를 가지는 연자기 조립체.
  17. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 코팅의 75%가 산화철(Ⅲ) 및 산화철(Ⅱ-Ⅲ)을 포함하는
    연자기 조립체.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    500 ohm-cm 이상의 저항을 가지는
    연자기 조립체.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    1000 ohm-cm 이상의 저항을 가지는
    연자기 조립체.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    10000 ohm-cm 이상의 저항을 가지는
    연자기 조립체.
  21. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층이 비정질 금속 합금을 포함하는
    연자기 조립체.
  22. 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층이 나노결정화(nanocrystalline) 재료를 포함하는
    연자기 조립체.
  23. 연자기 조립체의 인접한 금속층의 접촉 지점 사이의 유전체 절연 코팅,
    여기서 상기 코팅은 10kHz 이상의 작동 주파수에서 적어도 15%의 전력을 감소할 수 있는 충분한 양이 산화철을 기본적으로 포함한다.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 조립체의 적어도 30%의 전력 감소시킬 수 있는 충분한 양의 유전체 절연 코팅.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 조립체의 적어도 45%의 전력을 감소시킬 수 있는 충분한 양의 유전체 절연 코팅.
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