KR20030007507A - 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트 - Google Patents

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Abstract

벌크 비정질 금속 자기 컨포넌트는 다면체 형상을 갖는 일반적으로 3차원 부분을 형성하도록 함께 라미네이팅된 강자성체 비정질 금속 스트립의 복수의 층을 구비하고 잇다. 벌크 비정질 금속 자기 컨포넌트는 아치형의 면을 포함할 수 있고, 서로 반대측에 배치된 2개의 아치형 면을 포함하는 것이 바람직하다. 자기 컨포넌트는 약 50 ㎐ 및 20,000 ㎐ 사이의 범위의 주파수에서 동작가능하다. 컨포넌트가 여기 주파수 "f"에서 피크 유도 레벨 Bmax로 여기될 때, L 보다 적은 철손을 나타내는데, 여기에서, L은 공식 L = 0.0074f(Bmax)1.3+ 0.000282 f1.5(Bmax)2.4의 공식으로 주어지고, 상기 철손, 상기 여기 주파수 및 상기 피크 유도 레벨은 각각, 와트 퍼 킬로그램, 헤르츠, 및 테슬라로 측정된다. 본 발명의 벌크 비정질 금속 자기 컨포넌트의 성능 특성은 동일한 주파수 범위에서 동작되는 실리콘강 컨포넌트과 비교할 때 상당히 좋다.

Description

벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트{BULK AMORPHOUS METAL MAGNETIC COMPONENT}
자기 공명 단층 촬영(MRI)은 현대 의학에서 중요하고 독보적인 진단 툴이 되어 가고 있다. MRI시스템은 전형적으로 자기장 발생 디바이스를 포함한다. 대부분의 그런 자기장 발생 디바이스는 기자력의 소스로서 영구자석이나 전자석을 채용하고 있다. 종종 자기장 발생 디바이스는 미국 특허 제4672346호는 고체 구조를 가지는 자극면(pole face)를 개시하고 있고 탄소강 같은 자기 재료로 형성된 판상 덩어리를 포함한다. 미국 특허 제4818966호는 적층된 자기판으로부터 극편(pole piece)(極片)의 외주부를 형성함으로써 자기장 발생 디바이스의 자극으로부터 발생된 자속이 그들사이의 간격에 집중될 수 있는 것을 개시한다. 미국 특허 4827235호는 큰 포화 자화, 소프트 자성, 및 20μΩ-cm 이상의 고유저항을 가지는 극편을 개시한다. 퍼멀로이, 실리콘강, 비정질 자기합금, 페라이트, 및 자기 합성물을 포함하는 소프트 자성 물질이 사용된다고 개시되어 있다.
미국 특허 제5124651호는 일차의 장 자석 어셈블리를 가진 핵자기 공명 스캐너를 개시한다. 어셈블리는 강자성의 상하부 극편을 포함한다. 각각의 극편은 각각의 극편의 극 방향에 평행한 긴 축을 가지도록 배열된 복수의 좁고, 연장된 강자성 막대를 포함한다. 이 막대는 바람직하게 1008강, 연철, 및 이와 같은 자기 투광성의 합금으로 형성된다. 막대는 전기적인 비도전성 재료에 의해 자기장 어셈블리의 자극면에서 맴돌이 전류 발생을 제한함으로써 서로서로 가로로 전기적으로 분리되어 있다. 사쿠라이 등의 1994년 2월 1일자로 발행된 미국 특허 5283544호는 MRI에 사용되는 자기장 발생 장치를 개시한다. 이 디바이스는 복수의 비편향된 실리콘강 시트를 적층함으로써 형성된 복수의 블록형 자기 극편을 포함하는 한 쌍의 자기 극편을 포함한다.
상기 문헌에 개시된 이점에도 불구하고, 향상된 극편에 대한 요구가 있다. 이것은 MRI시스템의 품질과 이미징 능력의 향상을 위해 이들 조각이 필수적이기 때문이다.
비정질 금속이 비편향된 전기강에 비해 뛰어난 자기 성능을 나타낸다고는 하지만, MRI 시스템용 자극면 자석의 타일과 같은 벌크 자기 컴포넌트에서 사용하기에는 비정질 금속의 물리적인 성질 및 이에 따른 제조한계 때문에 적당하지 않다고 여겨져 왔다. 예를 들어, 비정질 금속은 비편향 실리콘강보다 얇고 단단하기 때문에 제조툴 및 다이를 빨리 손상되게 한다. 툴링이나 제조단가에서의 증가는 그런 기술을 이용하여 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트를 제조하는 것을 상업적으로 비실용적인 것으로 만든다. 비정질 금속의 얇음은 조립된 컴포넌트에서 적층수의 증가를 의미하고, 또한 비정질 금속 자기 컴포넌트의 전체 단가를 증가시킨다.
비정질 금속은 일정한 리본폭을 가지는 얇고 연속적인 리본으로 공급된다. 그러나, 비정질 금속은 매우 단단한 물질이기 때문에 자르거나 쉽게 형성되기가 어렵다. 그리고 피크 자기 성질을 획득하기 위해 한번 어닐링되면 매우 부서지기 쉽게 된다. 이것은 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트를 구성하는 종래의 접근법을 사용하는 것을 어렵고 비싸게 만든다. 비정질 금속의 부서지기 쉬움은 MRI 시스템과 같은 응용에서 벌크 자기 컴포넌트의 수명에 대한 관심을 제기할 수도 있다.
벌크 비정질 자기 컴포넌트의 다른 문제점은 비정질 금속 물질의 자기 투과성이 물리적인 스트레스를 받았을 때 감소한다는 점이다. 이 감소된 투과성은 비정질 금속 물질에 가해지는 스트레스의 강도에 따라 상당할 수도 있다. 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트가 스트레스를 받음에 따라, 코어가 자기장 자속을 향하게 하고 집중시키는 효율이 감소된다. 이것은 더 높은 자기 손실, 증가된 발열, 및 감소된 파워의 결과로 나타난다. 비정질 금속의 자기압축성 때문에 이런 스트레스 민감성은 디바이스의 동작중에 자기력으로부터 기인되는 스트레스, 기계적인 클램핑으로 또는 벌크 비정질 자기 컴포넌트를 고정하는 것에 기인되는 기계적인 스트레스 또는 열적 팽창 및/또는 비정질 금속 물질의 자기 포하에 기인하는 팽창에 의해 야기되는 내부 스트레스에 의해 야기될 수 있다.
본 발명의 요약
본 발명은 복수층의 강자성, 비정질 금속 스트립으로 구성된 다면체 형상을 가지는 저손실, 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트를 제공한다. 또한 본 발명은 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트를 만드는 방법을 제공한다. 자기 컴포넌트는 약 50Hz 에서 20000Hz 범위의 주파수에서 작동하고, 동일한 주파수 범위에서 작동하는 실리콘강 자기 컴포넌트와 비교하여 향상된 성능을 보인다. 더 상세하게는, 본 발명에 따라 제조되고 여자 주파수"f" 에서 최대 유도 레벨"Bmax"로 여자되는 자기컴포넌트는 실온에서 "L"이하의 철손(core loss)을 가질 것이다. 여기서 L은 L = 0.0074f(Bmax)1.3+ 0.000282f1.5(Bmax)2.4의 식으로 정의되고, 철손, 여자 주파수 및 최대 유도 레벨은 각각 와트 퍼 킬로그램, 헤르쯔, 및 테슬라로 측정될 것이다. 바람직하게 자기 컴포넌트는 (i) 약 60Hz의 주파수와 약 1.4 테슬라(T)의 자속 밀도에서 작동될 때 비정질 금속 물질의 1와트-퍼-킬로그램 이하의 철손; (ii) 약 1,000Hz의 주파수와 약 1.0 테슬라(T)의 자속 밀도에서 작동될 때 비정질 금속 물질의 12와트-퍼-킬로그램 이하의 철손; (iii) 약 20000Hz의 주파수와 약 0.30 테슬라(T)의 자속 밀도에서 작동될 때 비정질 금속 물질의 70와트-퍼-킬로그램 이하의 철손을 가질 것이다.
본 발명의 제1실시예에서, 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트는 다면체 형태의 부분을 형성하기 위해 적층된, 복수의 실질적으로 유사한 형태의 비정질 금속 스트립의 층을 포함한다.
본 발명은 또한 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트를 구성하는 방법을 제공한다. 제1 방법 실시예에서, 비정질 금속 스트립 물질은 소정의 길이를 가지는, 복수의 잘려진 강자성 비정질 금속 스트립을 형성하기 위해 잘려진다. 잘려진 스트립은 쌓여진 강자성 비정질 금속 스트립 물질의 바를 형성하기 위해 쌓여지고 물질의 자기 특질을 향상시키기 위해 어닐링된다. 어닐링되고, 쌓여진 바에는 에폭시 수지가 스며들고 경화된다. 바람직한 강자성 비정질 금속 물질은 Fe80B11Si9로 정의된 화합물을 가진다.
제2 방법 실시예에서, 강자성 비정질 금속 스트립 물질은 일반적으로 반원형상으로 제거된 모서리를 가지는 장방형의 코어를 형성하기 위해 굴대로 감겨진다. 일반적인 장방형 코어는 그후 물질의 자기 특질을 향상시키기 위해 어닐링된다. 코어에는 에폭시 수지가 스며들고 경화된다. 장방형 코어의 단측은 상기 단측의 거의 같은 크기와 형태를 가지는 소정의 3차원 구조를 가지는 2개의 자기 컴포넌트를 형성하도록 잘려진다. 모서리는 일반적인 장방형 코어의 장측으로부터 반원형상으로 제거되고 상기 장측은 소정의 3차원 구조를 가지는 복수의 다면체 형상의 자기 컴포넌트를 형성하기 위해 잘려진다. 바람직한 비정질 금속 물질은 Fe80B11Si9로 정의된 화합물을 가진다.
본 발명은 상기 기술한 방법에 따라 제조된 벌크 비정질 금속 컴포넌트에 또한 관계한다.
본 발명에 따른 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트는 고성능 MRI 시스템, 텔레비젼 및 비디오 시스템, 및 전자 및 이온 빔 시스템에서 자극면 자석을 위한 비정질 금속 타일에 적합하다. 본 발명의 이점은 단순화된 제조공정, 감소된 제조시간, 벌크 비정질 금속 컴포넌트의 제조중에 직면하는 스트레스(예를 들면, 자기응력)의 감소, 및 제조된 비정질 금속 자기 컴포넌트의 최적의 성능을 포함한다.
본 출원은 " 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트"로 명명된, 1998년 11월 6일 출원된 미국 출원 시리얼 넘버 09/186914호의 일부 계속 출원인, 2000년 1월 5일 출원된 일부 계속 출원 시리얼 넘버 09/477905호이다.
본 발명은 비정질 금속 자기 컴포넌트에 관계한다. 더 상세하게는, 자기 공명 단층 촬영 시스템, 티브이 및 비디오 시스템, 및 전자 및 이온 빔 시스템과 같은 대형 전자 디바이스용 일반적인 3차원 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트에 관계한다.
본 발명은 후술하는 실시예의 상세한 설명과 첨부되는 도면을 통해 더 명확히 이해될 것이며, 발명의 이점도 명확해 질것이다. 도면에서 동일한 부재에는 동일한 참조번호가 부기될 것이다.
도 1A는 본 발명에 따른 일반적인 사각 다면체의 형상을 가진 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트의 사시도이다.
도 1B는 본 발명에 따른 일반적인 사다리꼴 다면체의 형상을 가진 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트의 사시도이다.
도 1C는 본 발명에 따른 대향하도록 배치된 활모양의 면을 가지는 다면체 형상을 가진 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 잘려지고 적층되도록 위치되어진 강자성 비정질 금속 스트립 코일의 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 복수의 일반적인 사다리꼴 형상의 자기 컴포넌트를 형성하기 위해 자르는 선을 보여주는 강자성 비정질 금속 스트립 바의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 일반적인 사각 코어를 형성하기 위해 굴대로 감겨진 비정질 금속 스트립 코일의 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 일반적인 사각 비정질 금속 코어의 사시도이다.
본 발명은 다면체로 성형된 저손실 벌크 비정질 금속 컴포넌트를 제공한다. 벌크 비정질 금속 컴포넌트는 본 발명에 따라 장방형, 정사각형 및 사다리꼴의 각기둥을 포함하여 다양한 기하학적 형태로 구성되지만, 그러한 형태로 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 언급된 기하학적 형태는 적어도 하나의 아치형 면을 포함할 수 있고, 바람직하게는 곡선형 또는 아치형 벌크 비정질 금속 컴포넌트를 형성하도록, 마주보게 배치된 2개의 아치형 면을 포함할 수 있다. 게다가, 자극면(poleface)(磁極面) 자석과 같은 완전 자기 장치는 본 발명에 따라 벌크 비정질 금속 컴포넌트으로 구성될 수 있다. 그러한 장치는 단일 구조를 가질 수 있을 뿐만 아니라 복수의 조각(piece)으로부터 결합하여 완전 자기 장치를 형성할 수 있다. 대안적으로, 장치는 전적으로 비정질 금속 부분 또는 비정질 금속부분과 다른 자기재료의 결합으로 이루어진 복합 구조일 수 있다.
자기 공명 단층 촬영(MRI) 장치는 자기장 발생 수단의 일부로서 자기 극편(또는 자극면)를 채택한다. 종래기술(예컨대, 미국특허 제5,293,544호 참조)에 공지되어 있는 바와 같이, 그러한 자기장 발생 수단은 안정된 자기장 및 거기에 중첩된 시간-변동 자기장 경사를 제공하기 위하여 사용된다. 고품질, 고해상도 MRI 이미지를 생성하기 위하여는, 안정된 자기장이 연구 대상인 전체 샘플 체적에 걸쳐 균질하고, 자기장 경사가 적절하게 정의되는 것이 필수적이다. 본 발명의 상기 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트는 상기 자극면을 구성하는데 사용하는 것이 적절하다.
MRI 또는 다른 자기 시스템에 대한 극편은 적어도 하나의 기자력(mmf) 소스로부터 발생하는 자속을 소정의 방식으로 형성 및 방향설정(direct)하도록 구성된다. 소스는 영구자석과 전도성 또는 초전도성 권선을 가지는 전자석을 포함하는 공지의 mmf 발생 수단을 포함할 수 있다. 각각의 극편은 다음에 기술된 바와 같이 하나 이상의 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트를 포함할 수 있다.
극편은 높은 투자율과 높은 포화 자속 밀도를 포함하여 우수한 DC 자기 특성을 나타내는 것이 바람직하다. MRI 시스템에 있어서 증가된 해상도 및 보다 더 높은 작동 자속 밀도에 대한 요구로 하여금, 극편이 우수한 AC 자기 특성을 추가적으로 가지는 것이 요구된다. 보다 상세하게는, 시간-변동 경사 자기장에 의해 극피스에서 생성되는 철손을 최소화하는 것이 필요하다. 철손을 감소시키는 것은 자기장 경사의 정의를 유리하게 개선하고, 그 자기장 경사가 보다 급격하게 변동되는 것을 허용하기 때문에, 이미지 품질과의 어떠한 타협 없이도 감소된 이미징 시간으로 가능하게 된다.
초기의 극편은 탄소강 또는 암코(Armco)철(예컨대, 미국특허 제4,672,346호 참조)로 알려진 고순도 철과 같은 고체 자기 재료로부터 제조된다. 그것들은 우수한 DC 특성을 가진 반면, AC 자기장의 존재하에서 거시적인 와전류 때문에 매우 높은 철손을 가진다. 미국 특허 제5,283,544호에 개시되어 있는 바와 같이, 적층된 종래의 강으로 극편을 형성함으로써, 다소 개선되어 질 수 있다.
그러나, 요구되는 DC 특성 뿐만 아니라 실제적으로 개선된 AC 특성(가장 중요한 특성은 보다 적은 철손이다)을 나타내는 극편에 대한 추가적인 개선의 필요는 여전히 남아 있다. 본 발명의 자기 컴포넌트를 극편의 구성으로 사용함으로써, 높은 자속 밀도, 높은 자기 투자율, 및 적은 철손 등을 가지도록 할 수 있다.
도면을 참조하면, 도 1A에는 3차원 장방형상을 가지는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트(10)가 도시된다. 자기 컴포넌트(10)는 적층 및 어닐링된 강자성의 비정질 금속 스트립 재료(20)로 이루어진 단순한 모양의 복수의 층으로 구성된다. 도 1B에 도시된 자기 컴포넌트는 3차원적 사다리꼴 형상으로 되어 있고, 적층 및 어닐링되고 그 각각이 동일한 크기 및 형상으로 이루어진 강자성의 비정질 금속 스트립 재료(20)로 이루어진 복수의 층으로 구성된다. 도 1C에 도시된 자기 컴포넌트는 마주 보도록 배치된 2개의 아치형 면(12)을 포함한다. 컴포넌트(10)는 적층 및 어닐링된 강자성의 비정질 금속 스트립 재료(20)로 이루어진 단순한 모양의 복수의 층으로 구성된다.
본 발명의 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트(10)는 일반적으로 3차원의 다면체인데, 통상 장방형, 정사각형 또는 사다리꼴의 각 기둥이다. 대안적으로, 도 1C에 도시되어 있는 바와 같이, 컴포넌트(10)는 적어도 하나의 아치형 면(12)을 가질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 두개의 아치형 면(12)이 제공되어 서로 마주 보도록 배치된다.
본 발명에 따라 구성되고 여자 주파수"f"에서 피크 유도 레벨"Bmax"로 여자된 3차원 자기 컴포넌트(10)는 상온에서 "L"보다 적은 철손을 가질 것이다. 여기에서, L은 식 L = 0.0074f(Bmax)1.3+ 0.000282f1.5(Bmax)2.4에 의해 주어지고, 철손, 여자 주파수 및 피크 유도 레벨은 각각 와트/킬로그램(W/Kg), 헤르쯔(Hz), 테슬라(T)로 측정된다. 바람직한 실시예에서, 자기 컴포넌트는 (ⅰ)약 60Hz의 주파수 및 1.4 T의 자속 밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료의 1 W/Kg과 대략 같거나 그 이하의 철손을 가지고, (ⅱ)약 1,000Hz의 주파수 및 1.0 T의 자속 밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료의 12 W/Kg과 대략 같거나 그 이하의 철손을 가지고, (ⅲ)약 20,000Hz의 주파수 및 0.30T의 자속 밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료의 70 W/Kg과 대략 같거나 그 이하의 철손을 가진다. 본 발명의 자기 컴포넌트에서의 감소된 철손은 그것을 포함하는 전기 장치의 효율을 유리하게 개선시킨다.
철손이 작기 때문에, 본 발명의 벌크 자기 컴포넌트는 고 주파수 자기 여자, 예컨대 적어도 약 100Hz의 주파수에서 발생하는 여자에 놓여지는 장치에 특히 적합하다. 고 주파수에서의 종래의 강 고유의 높은 철손로 인해, 고 주파수 여자를 요하는 장치에 그것을 사용하는 것이 부적합하였다. 이러한 철손 성능 값은 벌크 비정질 금속 컴포넌트의 기하학적 형태와는 무관하게 본 발명의 다양한 실시예에 적용된다.
본 발명은 또한 벌크 비정질 금속 컴포넌트를 구성하는 방법을 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 강자성의 비정질 금속 스트립 재료로 이루어진 롤(30)은커팅 블레이드(40)를 사용하여 동일한 형상 및 크기를 가지는 복수의 스트립(20)으로 절단된다. 스트립(20)은 적층 비정질 금속 스트립 재료로 이루어진 바(bar)(50)를 형성하도록 적층된다. 바(50)는 어닐링되고, 에폭시 수지가 주입되어 있고, 그리고 경화된다. 바(50)는 장방형, 정사각형 또는 사다리꼴 각기둥 형상을 가진 복수의 3차원 부분을 제조하기 위하여, 도 3에 도시된 라인(52)를 따라 절단될 수 있다. 대안적으로, 컴포넌트(10)는 도 1C에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 아치형 면(12)을 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법의 제2 실시예에 있어서, 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트(10)는 장방형 권선 코어(70)를 형성하기 위하여, 강자성의 비정질 금속 스트립(22) 하나 또는 강자성의 비정질 금속 스트립(22) 그룹을 장방형 만드렐(mandrel)(60) 주위로 권선함으로써 형성된다. 권선 코어(70)의 단측(74)의 높이는 다듬질된 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트(10)에서 요구되는 길이와 대략 동일한 것이 바람직하다. 권선 코어(70)는 어닐링되고, 에폭시 수지가 주입되어 있고, 그리고 경화된다. 장측(78a 및 78b)에 연결된 반원형상으로 제거된 모서리(76)를 남겨둔 채로 단측(74)을 절단함으로써, 두개의 컴포넌트(10)가 형성될 수 있다. 장측(78a 및 78b)으로부터 상기 반원형상으로 제거된 모서리(76)를 제거하고, 점선(72)으로 지시된 복수의 위치에서 그 장측(78a 및 78b)을 절단함으로써, 추가적인 자기 컴포넌트(10)가 형성될 수 있다. 도5에 도시된 실시예에 있어서, 비록 다른 3차원적 형상, 예컨대 적어도 하나의 사다리꼴 또는 정사각의 면을 가진 형상이 본 발명에서 고려될 지라도, 벌크 비정질 금속 컴포넌트(10)는일반적으로 3차원의 장방형 형상을 가진다.
본 발명의 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트(10)는 적층된 비정질 금속 스트립의 바(50) 또는 권선된 비정질 금속 스트립으로 이루어진 코어(70)로부터 다양한 커팅 기술을 사용하여 절단될 수 있다. 컴포넌트(10)는 커팅 블레이드 또는 휠을 사용하여 바(50) 또는 코어(70)으로부터 절단될 수 있다. 대안적으로, 컴포넌트(10)는 전자-방전 장치 또는 워터 제트(water jet)에 의해 절단될 수 있다.
본 발명에 따른 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트의 구성은 고 성능 MRI 시스템, 텔레비젼과 비디오 시스템, 및 전자와 이온 빔 시스템에서 사용되는 자극면 자석용 타일로 특히 적합하다. 자기 컴포넌트의 제조방법은 단순하고, 제조 시간도 줄어든다. 벌크 비정질 금속 컴포넌트를 구성하는 동안에 우연히 발생할 수 있는 다른 응력도 최소화된다. 다듬질된 컴포넌트의 자기 성능은 최적화된다.
본 발명의 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트(10)는 다수의 강자성의 비정질 금속 합금을 이용하여 제조될 수 있다. 일반적으로, 컴포넌트(10)용으로 적합한 합금은 식: M70-85Y5-20Z0-20으로 정의된다. 상기 식에서 아래첨자는 원자 퍼센트로 나타내어지고, (ⅰ) 성분 "M"의 10 원자 퍼센트까지는 금속 종류 Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, Hf, Ag, Au, Pd, Pt 및 W중 적어도 하나로 대체될 수 있으며, (ⅱ) 성분 (Y+Z)의 10 원자 퍼센트까지는 비금속 종류 In, Sn, Sb 및 Pb중 적어도 하나로 대체될 수 있으며, (ⅲ) 성분 (M+Y+Z)의 1 원자 퍼센트까지는 부수적인 불순물일 수 있다는 조건하에서, "M"은 Fe, Ni 및 Co중 적어도 하나이고, "Y"는 B, C 및 P중 적어도 하나이고, "Z"는 Si, Al 및 Ge중 적어도 하나이다. 여기서 사용된 바와 같이, 용어 "비정질 금속 합금"은 실질적으로 임의의 장범위 규칙성도 가지지 않는 금속 합금을 의미하고, X선 회절에 의해 액체 또는 무기 산화 유리에서 관찰되는 것과 질적으로 유사한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시에서 사용하기에 적합한 합금은 그 성분이 사용되는 온도에서 강자성체인 합금이다. 강자성체는 그 재료의 특성 온도(일반적으로 큐리 온도라 함)이하의 온도에서, 그 구성 원자의 자기 모멘트의 강력한 장거리 결합 및 공간 배열을 나타내는 재료이다. 상온에서 작동하는 장치에서 사용되는 재료의 큐리 온도는 적어도 약 200℃이고, 적어도 약 375℃인 것이 바람직하다. 거기에 구현된 재료가 적절한 큐리 온도를 가지면, 장치는 냉각 온도 이하 또는 상승된 온도를 포함하여 다른 온도에서도 작동될 수 있다.
공지된 바와 같이, 강자성체는 그의 포화 유도에 의해, 또는 등가적으로 그의 포화 자속 밀도 또는 자화에 의해 더 특징지워진다. 본 발명의 사용에 적당한 합금은, 바람직하게는 적어도 대략 1.2 테슬라(T)의 포화 유도, 더욱 바람직하게는 적어도 대략 1.5 T의 포화 유도를 가진다. 또한 합금은 높은 전기 저항성, 바람직하게는 적어도 대략 100 μΩ-㎝을 가지며, 가장 바람직하게는 적어도 대략 130 μΩ-㎝을 가진다.
본 발명의 실시에 적당한 비정질 금속합금은 상업적으로 이용가능하며 또한 일반적으로 연속적인 얇은 스트립 또는 리본 형태로서 그 폭은 20㎝까지 또는 그 이상이고 두께는 대략 20 내지 25㎛ 이다. 이들 합금은 실질적으로 완전한 유리모양의 미세구조로 형성된다(예를들어, 비정질 구조를 갖는 물질의 체적의 적어도 대략 80%). 바람직하게는 합금은 본질적으로 100%의 비정질 구조를 갖는 물질로 형성된다. 비정질 구조의 체적 부분은 X-레이, 중성자, 또는 전자 회절, 전달전자 마이크로스코피, 또는 미분 스캐닝 열량측정법 등과 같은 공지된 방법에 의해 결정될 수 있다. 저비용에서 가장 높은 유도는 "M"은 철, "Y"는 붕소, "Z"는 실리콘인 합금에서 얻어진다. 이런 이유 때문에, 철-붕소-실리콘 합금으로 구성된 비정질 금속 스트립이 바람직하다. 더 구체적으로, 합금은, B 및 Si의 전체량이 적어도 15 원자 퍼센트라는 조건하에 적어도 70 원자 퍼센트의 Fe, 적어도 5 원자 퍼센트의 B, 적어도 5 원자 퍼센트의 Si를 포함한다. 대략 11 원자 퍼센트의 붕소 및 대략 9 원자 퍼센트의 실리콘, 나머지는 철 및 불순물로 구성된 조성물을 갖는 비정질 금속 스트립이 가장 바람직하다. 대략 1.56 T의 포화 유도 및 대략 137μΩ-㎝의 저항을 갖는 이러한 스트립이 허니웰 인터내셔널사의 METLAS®합금 2605SA-1라는 상표로 판매되고 있다.
본 발명의 소자(10)에 사용되는 비정질 금속 스트립의 자기적 성질은, 스트립의 실질적으로 완전한 유리모양의 미세구조를 변경하지 않으면서도 필수적인 향상을 제공하는데 충분한 시간 및 온도에서 열처리에 의해 향상될 수 있다. 적어도 일부 동안, 바람직하게는 적어도 열처리의 냉각 부분 동안, 자기장이 스트립에 선택적으로 인가될 수 있다.
하나 이상의 자극면을 갖는 전자석으로 구성된 전자석 시스템이 전자석의 갭에서의 시변 자기장을 발생하는데 통상적으로 사용된다. 시변 자기장은 그 시간평균값이 제로인 순수한 AC 장(field)일 수 있다. 선택적으로 시변장은 장의 DC 성분으로 통상 표시되는 넌-제로 시평균값을 가질 수 있다. 전자석 시스템에서, 적어도 하나의 자극면 자석은 시변 자기장에 놓인다. 그 결과로, 자극면 자석은 각 여자(勵磁) 사이클로서 자화 및 탈자화(demagnetize)된다. 시변 자속 밀도 또는 자극면 자석 내의 유도는 그의 철손로부터의 열의 발생을 야기한다. 다수의 벌크 자기 컴포넌트로 구성된 자극면의 경우, 전체 손실은, 격리되어 동일한 자속 파형에 놓일 때 각 컴포넌트내에서 발생될 수 있는 철손 및 소자간의 전기적 연속을 제공하는 경로를 순환하는 와전류(eddy current)에 부수하는 손실 모두의 결과이다.
벌크 비정질 자기 컴포넌트는 다른 철계(iron-base) 자기 금속으로 이루어진 컴포넌트보다 더 효과적으로 자화 및 탈자화한다. 극 자석으로 사용될 때, 벌크 비정질 금속 컴포넌트는 다른 철계 자기 금속으로부터 만들어진 비교되는 컴포넌트보다, 두 컴포넌트가 동일한 유도 및 여자 주파수에서 자화될 때, 열을 덜 발생시킨다. 더욱이, 본 발명에 바람직한 철계 비정질 금속은 포화 유도가 전형적으로 0.6 내지 0.9 T인 퍼멀로이(permalloy) 합금과 같은 낮은 손실의 소프트 자기물질보다 더 큰 포화 유도를 전형적으로 가진다. 따라서 벌크 비정질 금속 컴포넌트는 다른 철계 자기 금속으로 이루어진 자기 컴포넌트와 비교하여, 1) 더 낮은 동작 온도에서; 2) 크기 및 무게를 감소시키기 위해 더 높은 유도에서; 또는 3) 크기 및 무게를 감소시키거나 또는 우수한 신호 분해능을 달성하기 위해 더 높은 여자 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다.
미국특허 제5,124,651호의 가르침은, 길게 연장된 강자성 막대기를 구성하는 극편에서의 와전류가, 전기적 비전도성 물질의 삽입에 의해 이들 막대기를 전기적으로 서로 격리함으로써 감소될 수 있다는 사실을 인식하고 있다. 본 발명에서 가르치는 물질 및 구성방법의 사용은 다른 물질 및 구성방법에 의한 종래기술의 컴포넌트에서 나타날 수 있는 것에 의해 각각의 개별 컴포넌트내에서 발생하는 손실을 감소시키기 때문에, 본 발명은 전체 손실을 실질적으로 더욱 감소시킬 수 있다.
공지된 바와 같이, 철손은 자화가 시간에 따라 변할 때 강자성체 내에서 발생하는 에너지의 소산이다. 주어진 어떤 자기 컴포넌트의 철손은 컴포넌트를 주기적으로 여자시킴으로써 일반적으로 결정된다. 자기 유도 또는 자속 밀도의 대응 시간변화를 제공하기 위해 시변 자기장이 컴포넌트에 인가된다. 측정의 표준화를 위해, 자기 유도가 주파수 "f"의 시간과 피크 진폭 "Bmax"을 가지며 삼각함수적으로 변하도록, 일반적으로 여자(勵磁)가 선택된다. 철손은 공지된 전기적 특정도구 및 기술에 의해 결정된다. 손실은 종래부터 여자되는 자기물질의 단위질량 또는 체적당 와트로 표시된다. 손실이 f 및 Bmax에 따라 단조증가한다는 사실이 공지되어 있다. 자극면 자석의 컴포넌트에 사용되는 소프트 자기물질의 철손을 테스트하는 대부분의 표준 프로토콜(예컨대, ASTM 스탠더드 A912-93 및 A927(A927M-94))은 실질적으로 닫힌 폐쇄 회로에 놓여있는 이러한 물질의 샘플에 대해, 즉 닫힌 자속 라인이 샘플의 체적 내에 완전히 포함되는 구성이다. 반면, 자극면 자석과 같은 컴포넌트에 사용되는 자기물질은 자기적 개방회로에 놓여있고, 즉 자속 자속 에어갭을가로질러야 하는 구성이다. 가장자리 효과 및 장의 비균일성 때문에, 개방 회로에서 테스트되는 주어진 물질은 폐쇄회로 측정에서보다 일반적으로 더 높은 철손, 즉 단위질량 또는 체적당 더 높은 와트값을 나타낸다. 본 발명의 벌크 자기 컴포넌트는 개방회로 구성일지라도 넓은 자속 밀도 범위 및 주파수에 걸쳐서 더 낮은 철손을 유리하게 나타낸다.
어떤 이론에 매이지 않고서도, 본 발명의 저손실 벌크 비정질 금속컴포넌트의 전체 철손은 히스테리시스 손실 및 와전류 손실의 기여로 이루어진다. 이들 두 개의 기여의 각각은 피크 자기 유도 Bmax및 여자 주파수 f의 함수이다. 각 기여의 크기는 컴포넌트에 사용되는 물질의 열기계적 이력(thermomechanical history) 및 컴포넌트 구성방법을 포함하는 외부적 요소에 더 의존적이다. 선행기술에서의 비정질 금속의 철손 분석(예를들어, G.E.피시, J.Appl.Phys.57,3569 (1985) 및 G.E.피시 등, J.Appl.Phys.64,5370 (1988) 참조)은 일반적으로 폐쇄 자기회로에서의 물질에 대해 얻어진 데이터에 한정되어 있었다. 이들 분석에서 보여지는 낮은 히스테리시스 및 와전류 손실은 부분적으로는 비정질 금속의 높은 저항에 의해 기인한 것이다.
본 발명의 벌크 자기 컴포넌트의 단위질량당 전체 철손 L(Bmax,f)은 본질적으로 다음 형태를 갖는 함수로 정의될 수 있다.
L(Bmax,f) = c1f(Bmax)n+ c2fq(Bmax)m
여기서, 계수 C1및 C2, 및 지수 n,m,및 q는 실험적으로 결정되어야 하고, 이들 값을 정확하게 결정하는 알려진 이론은 없다. 이 공식을 사용함으로써 본 발명의 벌크 자기 컴포넌트의 전체 철손이 어떤 요구되는 동작 유도 및 여자 주파수에서 결정될 수 있다. 벌크 자기 컴포넌트의 특정 형상에서 자기장이 공간적으로 균일하지 않다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 실제의 벌크 자기 컴포넌트에서 측정된 자속 밀도 분포에 가깝게 근사되는 피크 유도 레벨의 공간 및 시간 변화의 추정을 제공하기 위해, 유한 컴포넌트 모델링과 같은 기술이 공지되어 있다. 공간적으로 균일한 자속 밀도에서 주어진 물질의 자기 철손을 산출하는 적절한 실험적 공식을 입력으로 사용하면, 이들 기술은 작동 구조에서 주어진 컴포넌트의 대응하는 실제 철손을 납득할만한 정확도로 예측할 수 있다.
본 발명의 자기 컴포넌트의 철손의 측정은 선행기술에서 공지된 다양한 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 존재하는 컴포넌트를 측정하기에 특히 적당한 방법은 자속 폐쇄 구조 수단 및 본 발명의 자기 컴포넌트로 자기회로를 형성하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 자기회로가 자속 폐쇄 구조 수단 및 본 발명의 다수의 자기 컴포넌트를 포함할 수 있다. 자속 폐쇄 구조 수단은 테스트될 컴포넌트에서의 자속 밀도와 적어도 같은 포화 자속 밀도 및 높은 투자율을 갖는 소프트 자기물질을 바람직하게 포함한다. 바람직하게, 소프트 자기물질은 컴포넌트의 포화 자속 밀도와 적어도 같은 포화 자속 밀도를 가진다. 컴포넌트가 테스트되어야 하는 자속 방향은 일반적으로 컴포넌트의 제1 및 제2 대향면을 정의한다. 자속 라인은제1 대향면의 평면에 일반적으로 수직인 방향으로 컴포넌트에 들어간다. 자속 라인은 일반적으로 비정질 금속 스트립의 평면을 따라가다가 제2 대향면으로부터 나온다. 자속 폐쇄 구조 수단은, 바람직하게 본 발명에 따라 구성되지만 또한 공지의 방법 및 물질로서도 만들어질 수 있는 자속 밀폐 자기 컴포넌트를 일반적으로 포함한다. 자속 밀폐 자기 컴포넌트는, 자속 라인이 일반적으로 각각의 평면에 대해 수직으로 들어가고 나오는 제1 및 제2 대향면을 또한 가진다. 자속 밀폐 컴포넌트 대향면은, 실제 테스트동안 자속 밀폐 컴포넌트와 짝이 되는 자기 컴포넌트의 각각의 면과 동일한 크기와 형상을 실질적으로 가진다. 자속 밀폐 자기 컴포넌트는, 본 발명의 자기 컴포넌트의 제1 및 제2 면에 각각 가깝게 근접하고 실질적으로 근접한 제1 및 제2 대향면과 짝이 되는 관계로 위치하고 있다. 본 발명의 자기 컴포넌트 또는 자속 밀폐 자기 컴포넌트 중 어느하나를 감고 있는 제1 권선을 통해 전류를 통과시킴으로써 기자력이 인가된다. 결과적인 자속 밀도는 테스트될 자기 컴포넌트를 감고 있는 제2 권선에 유도되는 전압으로부터 패러데이의 법칙에 의해 결정된다. 인가된 자기장은 기자력으로부터 암페어의 법칙에 의해 결정된다. 그후 철손이 통상적인 방법에 따라 결과로서의 자속 밀도 및 인가된 자기장으로부터 계산된다.
도 5에, 이후에 설명될 시험 방법에 의해 용이하게 결정될 수 있는 철손을 갖는 컴포넌트(10)가 도시되어 있다. 코어(70)의 장측(78b)은 철손 시험에 대하여 자기 컴포넌트(10)로서 지정된다. 코어(70)의 나머지는 일반적으로 C 형상이고, 4개의 일반적으로 반원형상으로 제거된 모서리(76), 단측(74) 및 장측(78a)를 포함하는 자속 폐쇄 구조 수단의 역할을 한다. 반원형상으로 제거된 모서리(76), 단측(74) 및 장측(78a)을 격리시키는 각가의 컷(72)는 선택사항이다. 코어(70)의 나머지로부터 장측(78b)을 격리시키는 컷만이 만들어지는 것이 바람직하다. 장측(78b)를 제겅하기 위해 코어(70)를 절단함으로써 형성된 컷 면은 자기 컴포넌트의 대향면 및 자속 폐쇄 자기 컴포넌트의 대향면을 형성한다. 테스트를 위해, 장측(78b)은 그 면이 컷에 의해 형성된 상응하는 면에 가깝게 인접하고 평행인 상태로 배치된다. 장측(78b)의 면은 실질상 자속 폐쇄 자기 성분의 면과 크기 및 형상이 동일하다. 2개의 동 권선(도시되지 않음)으로 장측(78b)을 감는다. 적합한 크기의 교류 전류가 필요한 주파수 및 피크 유도 레벨에서 장측(78b)을 여기시키는 기자력을 제공하기 위해 제1 권선을 통해 흐른다. 장측(78b) 및 자속 폐쇄 자기 컴포넌트에서의 자속 라인은 일반적으로 슬립(22)의 평면내에 있고 원주방향을 갖는다. 장측(78b)내의 시변 자속 밀도를 나타내는 전압은 제2 권선에서 유도된다. 철손은 전압 및 전류의 측정치로부터 종래 전자 수단에 의해 결정된다.
아래의 예는 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되었다. 본 발명의 원리 및 실시를 설명하기 위해 제시된 특정 기술, 조건, 재료, 비율 및 보고된 데이터는 예이고 본 발명의 범위를 제한것으로 해석되어서는 안된다.
예 1
비정질 금속 직사각 프리즘의 프레퍼레이션 및 전자기 시험
대략 60mm 폭과 0.022mm 두께를 갖는 Fe80B11Si9강자성 비정질 금속 리본은대략 25mm×90mm 크기를 갖는 직사각 만드렐 또는 보빈 둘레에 감겨있다. 대략 800 권선의 강자성 비정질 금속 리본이 만드렐 또는 보빈 둘레에 감겨있어 대략 25mm×90mm의 내부 크기 및 대략 20mm의 빌드 두께를 갖는 직사각 코어 형태를 만든다. 코어/보빈 어셈블리는 질소 대기에서 어닐링되었다. 어닐은 1)어셈블리를 365℃까지 가열시키고; 2)대략 365℃에서 대략 2시간동안 온도를 유지시키고; 3)어셈블리를 주위(ambient) 온도로 냉각시키는 것으로 구성되어 있다. 직사각 권선 비정질 금속 코어는 코어/보빈 어셈블리로부터 제거되었다. 코어는 에폭시 수지 용액으로 진공 주입되었다. 보빈은 다시 놓여졌고, 다시 만들어져 주입된 코어/보빈 어셈블리는 120℃에서 대략 4.5 시간동안 경화되었다. 완전히 경화되었을 때, 코어는 코어/보빈 어셈블리로부터 다시 제거되었다. 결국 직사각 권선 에폭시 본딩 비정질 금속 코어의 무게는 대략 2100g이다.
60mm의 길이 40mm의 폭 20mm의 두께(대략 800층)의 직사각 프리즘은 1.5mm 두께 절단 날로 에폭시 본딩 비정질 금속 코어로부터 절단되었다. 코어의 나머지 부분 및 직사각 프리즘의 절단 면은 초산/수용액에서 에칭되었고, 수산화암모늄/수용액에서 세정되었다. 코어의 나머지 부분은 초산/수용액에서 에칭되었고, 수산화암모늄/수용액에서 세정되었다. 그 후 코어의 나머지 부분 및 직사각 프리즘은 완전한 절단 코어 형태로 재조립되었다. 1차 및 2차 전기 권선은 코어의 나머지 부분에 고정되었다. 절단 코어 형태는 60Hz, 1,000Hz, 5000Hz, 및 20000Hz에서 전기적으로 시험되었고 유사한 시험 컨피규레이션(National-Arnold Magnetics, 17030 Muskrat Avenue, Adelanto, CA 92301(1995))의 다른 강자성체에 대한 카탈로그 값과 비교되었다. 그 결과는 이하 표 1, 표 2, 표 3, 및 표 4에 수집되어 있다.
표 3 및 표 4의 데이타에 의해 보여지는 바와 같이, 철손은 특히 5000Hz 또는 그 이상의 여기 주파수에서 작다. 따라서, 본 발명의 자기 컴포넌트는 특히 자극면 자석에서의 사용에 적합하다.
예 2
비정질 금속 사다리꼴 프리즘의 프레퍼레이션
대략 48mm 폭과 0.022mm 두께를 갖는 Fe80B11Si9강자성 비정질 금속 리본은 대략 300mm의 길이로 절단되었다. 대략 3800층의 절단 강자성 비정질 금속 리본은대략 96mm 빌드 두께로 대략 48mm 폭과 300mm 길이의 바를 형성하도록 적층되었다. 바는 질소 대기에서 어닐링되었다. 어닐은 1)바를 365℃까지 가열시키고; 2)대략 365℃에서 대략 2시간동안 온도를 유지시키고; 3)바를 주위 온도로 냉각시키는 것으로 구성되어 있다. 바는 에폭시 수지 용액으로 진공 주입되었고 120℃에서 대략 4.5 시간동안 경화되었다. 결국 적층 에폭시 본딩 비정질 금속 바의 무게는 대략 9000g이다.
사다리꼴 프리즘은 1.5mm 두께 절단 날로 적층 에폭시 본딩 비정질 금속 바로부터 절단되었다. 프리즘의 사다리꼴형 페이스는 52 및 62mm의 베이스와 48mm의 높이를 갖는다. 사다리꼴 프리즘의 두께는 96mm(3800층)이다. 코어의 나머지 부분 및 사다리꼴 프리즘의 절단 면은 초산/수용액에서 에칭되었고, 수산화암모늄/수용액에서 세정되었다.
사다리꼴 프리즘은 1,000Hz에서 1.0T의 피크 유도 레벨로 여기될 때 11.5W/kg 보다 적은 철손을 갖는다.
예 3
아치형 횡단면을 갖는 다각형 벌크 비정질 금속 컴포넌트의 프레퍼레이션
대략 50mm 폭과 0.022mm 두께를 갖는 Fe80B11Si9강자성 비정질 금속 리본은 대략 300mm의 길이로 절단되었다. 대략 3800층의 절단 강자성 비정질 금속 리본은 대략 96mm 빌드 두께로 대략 50mm 폭과 300mm 길이의 바를 형성하도록 적층되었다. 바는 질소 대기에서 어닐링되었다. 어닐은 1)바를 365℃까지 가열시키고; 2)대략365℃에서 대략 2시간동안 온도를 유지시키고; 3)바를 주위 온도로 냉각시키는 것으로 구성되어 있다. 바는 에폭시 수지 용액으로 진공 주입되었고 120℃에서 대략 4.5 시간동안 경화되었다. 결국 적층 에폭시 본딩 비정질 금속 바의 무게는 대략 9200g이다.
적층 에폭시 본딩 비정질 금속 바는 3차원의 아치형 블록을 형성하도록 전해 방전 머시닝을 사용하여 절단되었다. 블록의 외부 직경은 대략 96mm이다. 블록의 내부 직경은 대략 13mm이다. 아크 길이는 대략 90°이다. 블록 두께는 대략 96mm이다.
대략 20mm 폭과 0.022mm 두께를 갖는 Fe80B11Si9강자성 비정질 금속 리본은 대략 19mm의 외부 직경을 갖는 원형 만드렐 또는 보빈 둘레에 감겨있다. 대략 1200권선의 강자성 비정질 금속 리본이 만드렐 또는 보빈 둘레에 감겨있어 대략 19mm의 내부 직경 및 대략 48mm의 외부 직경을 갖는 원형 코어 형태를 만든다. 코어는 대략 29mm의 빌드 두께를 갖는다. 코어는 질소 대기에서 어닐링되었다. 어닐은 1)바를 365℃까지 가열시키고; 2)대략 365℃에서 대략 2시간동안 온도를 유지시키고; 3)바를 주위 온도로 냉각시키는 것으로 구성되어 있다. 코어는 에폭시 수지 용액으로 진공 주입되었고 120℃에서 대략 4.5 시간동안 경화되었다. 결국 권선 에폭시 본딩 비정질 금속 코어의 무게는 대략 71g이다.
권선 에폭시 본딩 비정질 금속 코어는 3차원 반구형 물체를 형성하도록 물분사를 사용하여 절단되었다. 반구 물체는 대략 19mm의 내부 직경, 대략 48mm의 외부 직경, 대략 20mm의 두께를 갖는다.
아치형 횡단면을 갖는 다각형 벌크 비정질 금속 컴포넌트의 절단 면은 초산/수용액에서 에칭되었고, 수산화암모늄/수용액에서 세정되었다.
다각형 벌크 비정질 금속 컴포넌트의 각각은 1,000Hz에서 1.0T의 피크 유도 레벨로 여기될 때 11.5W/kg 보다 적은 철손을 갖는다.
예 4
저손실 벌크 비정질 금속 컴포넌트의 고주파수 거동
상기 예 1의 철손 데이터는 종래의 비선형 리그레션 방법을 사용하여 분석되었다. Fe80B11Si9비정질 금속 리본으로 구성된 저손실 벌크 비정질 금속 컴포넌트의 철손은 L(Bmax,f) = c1f(Bmax)n+ c2fq(Bmax)m의 형태를 갖는 함수에 의해 본질적으로 정의될 수 있음이 판정되었다. 계수(c1및 c2) 및 지수(n, m, 및 q)의 적합한 값은 벌크 비정질 금속 컴포넌트의 자기 손실에 상한을 정하도록 선택되었다. 표 5에는 예 1의 컴포넌트의 측정손실 및 상기 식에 의해 예측손실이 열거되었으며, 각각은 W/kg으로 측정되었다. f(Hz) 및 Bmax(Tesla)의 함수로서 예측손실은 계수 c1= 0.0074 및 c2= 0.000282 및 지수 n=1.3, m=2.4, 및 q=1.5를 사용하여 계산되었다. 예 1의 벌크 비정질 금속 컴포넌트의 측정손실은 상기 식에 의해 대응되는 예측손실보다 더 작다.
본 발명에 대해 아주 상세히 설명된 바와 같이, 당업자는 본 발명이 상기 설명에 한정되지 않고 이하 청구항에 의해 정해지는 본 발명의 범위내에서 다양한 변화 및 변형이 가능함을 이해할 것이다.

Claims (29)

  1. 다면체 형상부를 형성하도록 함께 라미네이팅된 강자성 비정질 금속 스트립들로 된 실질적으로 마찬가지의 형태로 된 복수 개의 층으로 이루어지고, 여기 주파수 "f"에서 피크 유도 레벨 Bmax로 동작되었을 때 "L" 보다 작은 철손을 갖고 상기 "L"은 수식 L = 0.0074 f (Bmax)1.3+ 0.000282 f1.5(Bmax)2.4에 의해 주어지고, 상기 철손, 상기 여기 주파수 및 상기 피크 유도 레벨은 각각 킬로그램 당 와트, 헤르쯔 및 테슬라로 측정되는 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 강자성 비정질 금속 스트립의 각각은 첨자가 원자 퍼센트를 나타내는, 식: M70-85Y5-20Z0-20,로 정의되는 조성물을 갖고, (i) 컴포넌트 "M"의 10 원자 퍼센트까지 금속류 원소 Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, Hf, Ag, Au, Pd, Pt 및 W중 적어도 하나로 대체될 수 있고, (ii) 컴포넌트 (Y + Z)의 10 원자 퍼센트까지 비금속류 원소 In, Sn, Sb 및 Pb중 적어도 하나로 대체될 수 있고, 및 (iii) (M + Y + Z)의 약 일(1) 원자 퍼센트까지 부수적인 불순물일 수 있다는 조건하에서, 상기 "M"은 Fe, Ni 및 Co 중 적어도 하나이고, "Y"는 B, C 및 P중 적어도 하나이고, "Z"는 Si, Al 및 Ge 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 강자성 비정질 금속 스트립의 각각은, B 및 Si의 전체 함유량이 적어도 15 원자 퍼센트인 조건하에서, 적어도 70 원자 퍼센트 Fe, 적어도 5 원자 퍼센트 B, 및 적어도 5 원자 퍼센트 Si를 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 강자성 비정질 금속 스트립의 각각은 본질적으로 식 Fe80B11Si9로 정의된 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 컴포넌트는 적어도 하나의 장방형 단면을 지닌 3차원 다면체 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 컴포넌트는 적어도 하나의 사다리꼴 단면을 지닌 3차원 다면체 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 컴포넌트는 적어도 하나의 정방형 단면을 지닌 3차원 다면체 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 컴포넌트는 적어도 하나의 아치 형 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 자기 컴포넌트는 약 60Hz의 주파수 및 약 1.4T의 자속밀도에서 동작되었을 때 비정질 금속물질의 킬로그램 당 1 와트 미만이거나 킬로그램 당 1 와트와 거의 동일한 철손을 갖는 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 자기 컴포넌트는 약 1,000Hz의 주파수 및 약 1.0T의 자속밀도에서 동작되었을 때 비정질 금속물질의 킬로그램 당 12 와트 미만이거나 킬로그램 당 12 와트와 거의 동일한 철손을 갖는 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 자기 컴포넌트는 약 20,000Hz의 주파수 및 약 0.30T의 자속밀도에서 동작되었을 때 비정질 금속물질의 킬로그램 당 70 와트 미만이거나 킬로그램 당 70 와트와 거의 동일한 철손을 갖는 것을 특징으로 하는 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  12. 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트의 구성 방법에 있어서,
    (a) 소정 길이를 갖는 복수 개의 절단 스트립을 형성하도록 강자성 비정질 금속 스트립을 절단하는 단계;
    (b) 적층된 강자성 비정질 금속 스트립 물질로 된 바를 형성하도록 상기 절단 스트립을 적층시키는 단계;
    (c) 상기 적층된 바를 어닐링하는 단계;
    (d) 상기 적층된 바에 에폭시 수지를 주입시키고 상기 수지 주입된 적층된 바를 경화시키는 단계; 및
    (e) 소정의 3차원 지오메트리를 갖는 복수 개의 다면체 형상 자기 컴포넌트를 제공하기 위해 소정 길이로 적층된 바를 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 단계(a)는 절단 블레이드, 절단 휠, 워터 젯트 또는 전자-방전 머신을 사용하여 강자성 비정질 금속 스트립 물질를 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제12 항의 방법에 따라 구성된 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트에 있어서, 상기 저-손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트는 주파수 "f"에서 피크 유도 레벨 Bmax로 여기되었을 때 "L" 보다 작은 철손을 갖고 상기 "L"은 수식 L = 0.0074 f (Bmax)1.3+ 0.000282 f1.5(Bmax)2.4에 의해 주어지고, 상기 철손, 상기 여기 주파수 및상기 피크 유도 레벨은 각각 킬로그램 당 와트, 헤르쯔 및 테슬라로 측정되는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 절단 스트립의 각각은 첨자가 원자 퍼센트를 나타내는, 식: M70-85Y5-20Z0-20,로 정의되는 조성물을 갖고, (i) 컴포넌트 "M"의 10 원자 퍼센트까지 금속류 원소 Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, Hf, Ag, Au, Pd, Pt 및 W중 적어도 하나로 대체될 수 있고, (ii) 컴포넌트 (Y + Z)의 10 원자 퍼센트까지 비금속류 원소 In, Sn, Sb 및 Pb중 적어도 하나로 대체될 수 있고, 및 (iii) 컴포넌트 (M + Y + Z)의 약 일(1) 원자 퍼센트까지 부수적인 불순물일 수 있다는 조건하에서, 상기 "M"은 Fe, Ni 및 Co 중 적어도 하나이고, "Y"는 B, C 및 P중 적어도 하나이고, "Z"는 Si, Al 및 Ge 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 절단 스트립의 각각은, B 및 Si의 전체 함유량이 적어도 15 원자 퍼센트인 조건하에서, 적어도 70 원자 퍼센트 Fe, 적어도 5 원자 퍼센트 B, 및 적어도 5 원자 퍼센트 Si를 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 절단 스트립의 각각은 본질적으로 식 Fe80B11Si9로 정의된 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  18. 제15 항에 있어서, 상기 컴포넌트는 적어도 하나의 장방형 단면을 지닌 3차원 다면체 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  19. 제17 항에 있어서, 상기 컴포넌트는 적어도 하나의 사다리꼴 단면을 지닌 3차원 다면체 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  20. 제14 항에 있어서, 상기 컴포넌트는 적어도 하나의 정방형 단면을 지닌 3차원 다면체 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  21. 제14 항에 있어서, 상기 컴포넌트는 적어도 하나의 아치 형 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  22. 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트의 구성 방법에 있어서,
    (a) 거의 반구 형태로 된 모서리를 갖는 거의 장방형인 코어를 형성하기 위해 강자성 비정질 금속 스트립 물질을 만드렐 주위로 감는 단계;
    (b) 상기 감겨진, 장방형 코어를 어닐링하는 단계;
    (c) 상기 감겨진, 장방형 코어에 에폭시 수지를 주입시키고 상기 에폭시 수지 주입된 장방형 코어를 경화시키는 단계;
    (d) 상기 거의 장방형 코어의 단측의 사이즈와 형태와 근사한 소정의 3차원 지오메트리를 갖는 두 개의 다면체 형상 자기 컴포넌트를 제공하기 위해 상기 거의 장방형 코어의 단측을 절단하는 단계;
    (e) 상기 거의 장방형 코어의 장측으로부터 통상 모서리를 반원형상으로 제거하는 단계; 및
    (f) 상기 소정의 3차원 지오메트리를 갖는 복수의 자기 컴포넌트를 형성하기 위해 상기 장방형 코어의 장측을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제22 항에 있어서, 상기 단계(d)와 (f)중 적어도 하나는 절단 블레이드, 절단 휠, 워터 젯트 또는 전자-방전 머신을 사용하여 강자성 비정질 금속 스트립 물질를 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제22 항의 방법에 따라 구성된 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트에 있어서, 상기 저손실 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트는 주파수 "f"에서 피크 유도 레벨 Bmax로 여기되었을 때 "L" 보다 작은 철손을 갖고 상기 "L"은 수식 L = 0.0074 f (Bmax)1.3+ 0.000282 f1.5(Bmax)2.4에 의해 주어지고, 상기 철손, 상기 여기 주파수 및 상기 피크 유도 레벨은 각각 킬로그램 당 와트, 헤르쯔 및 테슬라로 측정되는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  25. 제24 항에 있어서, 상기 강자성 비정질 금속 스트립 물질은 첨자가 원자 퍼센트를 나타내는, 식: M70-85Y5-20Z0-20,로 정의되는 조성물을 갖고, (i) 컴포넌트 "M"의 10 원자 퍼센트까지 금속류 원소 Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, Hf, Ag, Au, Pd, Pt 및 W중 적어도 하나로 대체될 수 있고, (ii) 컴포넌트 (Y + Z)의 10 원자 퍼센트까지 비금속류 원소 In, Sn, Sb 및 Pb중 적어도 하나로 대체될 수 있고, 및 (iii) 컴포넌트 (M + Y + Z)의 약 일(1) 원자 퍼센트까지 부수적인 불순물일 수 있다는 조건하에서, 상기 "M"은 Fe, Ni 및 Co 중 적어도 하나이고, "Y"는 B, C 및 P중 적어도 하나이고, "Z"는 Si, Al 및 Ge 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  26. 제25 항에 있어서, 상기 강자성 비정질 금속 스트립 물질은, B 및 Si의 전체 함유량이 적어도 15 원자 퍼센트인 조건하에서, 적어도 70 원자 퍼센트 Fe, 적어도 5 원자 퍼센트 B, 및 적어도 5 원자 퍼센트 Si를 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  27. 제26 항에 있어서, 상기 강자성 비정질 금속 스트립 물질은 본질적으로 식 Fe80B11Si9로 정의된 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  28. 제24 항에 있어서, 상기 소정의 3차원 지오메트리는 거의 장방형인 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
  29. 제24 항에 있어서, 상기 소정의 3차원 지오메트리는 거의 정방형인 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 금속 자기 컴포넌트.
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