KR20040082420A

KR20040082420A - 비정질 Ｆｅ계 코어를 갖는 전류 트랜스포머

Info

Publication number: KR20040082420A
Application number: KR10-2004-7012299A
Authority: KR
Inventors: 마티스로날드제이; 타티콜라세슈브이; 하세가와류수케
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-09-24
Also published as: EP1472706B1; US6930581B2; HK1077672A1; CN100517527C; AU2003217299A1; TW200305894A; KR101058536B1; US20030151483A1; JP2005537631A; CN1630920A; EP1472706A1; TWI305925B; WO2003067615A1

Abstract

자기코어는 철계 비정질 금속리본을 권선하여 형성된 토로이드형 구조를 갖는다. 이어, 상기 코어는 B-H특성을 갖도록 열처리된다. 유익하게는, 상기 선형인 B-H특성은 인가된 자기장 레벨과 사용주파수에 따라 변화하지 않는다. 이러한 특성으로 인해, 상기 코어는 특히 전류 트랜스포머에 사용하기 적합하다.

Description

비정질 Ｆｅ계 코어를 갖는 전류 트랜스포머{CURRENT TRANSFORMER HAVING AN AMORPHOUS FE-BASED CORE}

구리와이어와 같은 전도성 매체에 흐르는 전류의 직접 측정방법은 정확하지 않으며, 특히 매체의 전류레벨과 전압이 높을 때에 그러하다. 간접 측정방법은 전류흐름에 의해 발생된 와전류의 모니터링에 기반한 종래의 전기측정계와, 저전류부가 정밀저항으로 구성된 전류분배기 이용 및, 전류흐름에 의해 생성된 자기장의 변화를 감지하는 자속측정계를 포함한다. 상기 모든 기술은 단점을 갖고 있다. 예를 들어, 특히 측정대상인 전류가 높은 고주파의 기본전류주파수를 가질 경우에, 종래의 와전류 기반 전기측정계는 정확하지 않다. 전류선간 전압이 높을 경우에 전류분배기는 위험하다. 전류로 생성된 자속을 홀효과센서 또는 센싱 코일로 측정하는 자속측정계가 널리 사용된다. 두 경우에서 모두 감도의 향상을 위해, 일반적으로 높은 투자율을 갖는 집속기(flux concentrator)가 사용된다. 높은 정밀도를 얻기 위해서, 투자율은 상기 집속기에서 생성된 자속이 측정될 전류에 의해 발생된 자속에직접적으로 비례하는 조건으로 되어야 한다. 이러한 자기 집속기는 대개 높은 선형인 B-H특성(여기서, B는 자속밀도이며, H는 자속의 방향에 대해 직교하여 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장임)을 갖는 연자성 물질이다.

일반적으로, 선형인 B-H특성은 물질의 자기 용이축이 자기여기방향에 수직인 연자성 물질로 얻어진다. 이러한 물질에서, 외부 자기장 H는 측정량 B가 H에 비례하여 자속B의 평균방향을 기울게 하는 경향이 있다. 상기 자기장 H는 측정할 전류에 비례하므로, 상기 자속 B는 잔류에 비례하게 된다. 그러나, 상기 자성물질의 대부분은 비선형적인 B-H 특성을 가지며, 이상적인 선형적 B-H 특성을 얻기 어렵다. 이상적인 B-H 선형성에 대한 오차로 인해, 자속측정계를 이용한 전류측정에서 부정확성이 야기된다.

선형인 B-H 특성을 나타내는 물질의 고전적인 예로는 이소펌(Isoperm)이라고 불리는, 냉각압연된 50% Fe-Ni 합금이 있다. 비정질 자기합금 중에서, 열처리된 Co가 풍부한 합금은 선형인 B-H 특성을 제공하는 것으로 알려져 있으며, 현재 전류트랜스포머의 자기 코어 물질로서 사용되고 있다. 일반적으로, Co가 풍부한 비정질 합금은 10kG, 즉 1테스라보다 낮은 포화유도를 가지며, 측정가능한 최대 전류레벨을 한정한다. 게다가, 이러한 합금은 사용되는 Co가 많으므로, 고가이다. 선형적인 B-H 특성을 나타내면서, 10kG(1테스라)보다 높은 포화유도를 갖는 저가인 합금이 요구된다.

비정질 금속합금이 미국등록특허 제3,856,513호(등록공고일:1974. 12.24, 발명자: Chen 및 Polk)에 개시되어 있다. 상기 합금은 식 M_aY_bZ_c를 갖는 조성물을 포함하며, 여기서 M은 철, 니켈, 코발트, 바나듐 및 크롬으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속이며, Y는 염소, 붕소 및 탄소로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소이고, Z는 알루미늄, 실리콘, 주석, 게르마늄, 인듐, 안티몬 및 벨릴륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소이며, "a"는 60 내지 90 원자%범위이며, "b"는 10 내지 30 원자%범위이며, "c"는 1 내지 1.5 원자%범위이다. 또한, 조성식 T_iX_j를 갖는 비정질 금속 와이어가 개시되어 있다. 여기서, T는 적어도 하나의 전이금속이며, X는 염소, 붕소, 탄소, 알루미늄, 실리콘, 주석, 게르마늄, 인듐, 벨릴륨 및 안티몬으로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소이고, "i"는 70 내지 87 원자%범위이며, "j"는 13 내지 30 원자%범위이다. 이러한 물질은 당 기술분야에 잘 알려진 가공기술을 이용하여 그 용융물을 급속퀀칭(rapidly quenching)함으로써 용이하게 마련된다.

상기 문헌은 본 명세서에서 일반적으로 논의되고 정의된, 다수의 비정질 금속합금에 대한 특별한 또는 고유한 특징을 언급하고 있다. 그러나, 전류/전압 트랜스포머와 같은 특정 응용형태에서는, 선형적인 B-H특성과 약 10kG(1테스라)를 초과하는 포화유도특성을 함께 갖는 비정질금속합금이 요구된다.

본 발명은 전력분배시스템, 전력공급장치, 전자기 기계 등을 위한 트랜스포머에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정밀한 전류측정을 위해, 코어물질이 자기여기레벨에 선형적으로 응답하는 전류트랜스포머에 관한 것이다.

도1은 종래의 비정질 Co계 합금으로 구성된 종래의 코어와 본 발명의 비정질 Fe계 코어의 B-H 특성을 도시한 그래프이다.

도2는 주파수함수에 따른 본 발명의 비정질 Fe계 코어의 투자율을 도시한 그래프이다.

도3은 인가된 자기정 없이, 420℃에서 6.5시간동안 열처리된, 본 발명의 비정질 Fe계 코어에 대한 B-H 특성을 도시한 그래프이다.

도4는 본 발명의 전류 트랜스포머를 도시한 사시도이다.

도5는 도4의 전류 트랜스포머의 출력전압을 도시한 그래프이다.

본 발명은 특히 전류트랜스포머에 사용하기 적합한 자기코어를 제공한다. 유익하게, 상기 코어는 인가된 자기장 레벨과 사용 주파수에 따라 변하지 않는 선형적인 B-H특성을 갖는다. 일반적으로, 상기 코어는 철계 비정질 합금 리본을 권선하여 형성된 토로이드형 구조를 갖는다. 이어, 상기 코어는 선형적인 B-H 특성을 얻기 위해서 열처리된다. 상기 철계 비정질 합금 리본은 그 용융물로부터 급속퀀칭하여 제조되며, 필수적으로 약 70∼87 원자%의 철과, 붕소, 실리콘 및 탄소로 구성된 그룹으로부터 선택된 약 13∼30 원자%의 원소로 구성되며, 약 20원자%이하의 철은 코발트로 치환되며 약 3 원자%이하의 철은 니켈, 망간, 바나듐, 티타늄 또는 몰리브덴으로 치환된 조성물을 갖는다.

일 실시형태에서, 본 발명은 코어-코일 어셈블리를 포함한다. 2개의 리드를 갖는 구리권선은 토로이드형 코어에 감긴다. 상기 2개의 리드는 전압계에 연결된다. 구리권선은 상기 코어의 중앙 ID(내경)부에 삽입되거나, 상기 코어에 감겨 전류원에 연결된다. 상기 전류원의 출력전류를 변경하며 상기 전압계 판독이 상기 전류원에서 공급된 전류에 직접 비례하는 것이 보장되도록 상기 판독을 모니터링하기 위한 수단이 제공된다.

이하, 첨부된 도면과 아래의 상세한 설명을 참조할 때에, 본 발명이 보다 완전하게 이해되며 추가적인 장점이 자명해질 것이다. 첨부된 도면에서 유사한 참조번호는 전체 도면에서 유사한 구성요소를 나타낸다.

철계 비정질 합금 리본을 토로이드형으로 감아 자기코어를 형성하였다. 이어, 자기장이 있는 조건으로, 또는 자기장이 없는 조건으로 오븐에서 상기 코어를 열처리하였다. 다음으로, 선형적인 B-H관계를 확인하기 위해서 BH 히스테리시 그래프를 이용하여 상기 코어에 대해 실험하였다. 여기서, B와 H는 각각 자기유도 및 자기장을 나타낸다. 상기 철계 비정질 합금 리본은 그 용융액으로부터 급속퀀칭함으로써 제조되며, 필수적으로 약 70∼87 원자%의 철과, 붕소, 실리콘 및 탄소로 구성된 그룹으로부터 선택된 약 13∼30 원자%의 원소로 구성되며, 약 20원자%이하의 철은 코발트로 치환되며 약 3 원자%이하의 철은 니켈, 망간, 바나듐, 티타늄 또는 몰리브덴으로 치환된 조성물을 갖는다.

도1은 종래의 Co계 코어와, 토로이드형 코어(toroidal core)의 원주방향에 수직으로 자기장 200을 인가한 상태에서 10시간동안 400℃에서 열처리된, 본 발명의 Fe계 코어의 B-H특성을 비교하는 그래프이다. 본 발명의 코어의 B-H 동작은 -15 Oe(-1,200A/m) 내지 +15 Oe(+1,200A/m)의 인가자계에서는 동반 자기유도 또는 자속이 -12kG(1.2T) 내지 +12kG(+1.2T)로 변하면서 선형적이다. 한편, 종래예인 Co계 코어의 선형적인 B-H 영역은 -7kG 내지 +7kG의 자속변화범위로만 한정되며, 이로 인해 전류측정능력이 제한된다. 선형적인 B-H 특성은 B/H에 의해 정의된 선형적인 투자율을 의미한다. 도2는 본 발명의 비정질 Fe계 코어의 투자율이 약 1000㎑, 즉 1㎒ 주파수까지 일정하다는 것을 보여준다. 이는 본 발명에 따른 전류트랜스포머의 정밀도가 약 1000㎑까지의 전체 주파수 범위에 걸친 특정레벨에서 유지될 수 있다는 것을 의미한다.

도3에 도시된 바와 같이, 부분적으로 결정화된 Fe계 비정질 합금 코어에서 3 Oe(240 A/m)미만의 외부 자계에 대한 선형적인 B-H 동작을 확인하였다. 이런 경우에, 열처리동안의 자기장이 선택가능하다. 상기 코어는 저전류레벨을 감지하기 위한 전류 트랜스포머를 제공한다.

도4는 본 발명에 따른 전류 트랜스포머의 일예를 도시한다. 상기 전류트랜스포머는 비정질 철계 코어(1), 전압측정을 위한 구리 권선(2) 및 전류수송와이어(3)으로 구성된다. 상기 구리권선(2)의 2개 리드는 전압계(4)에 연결되어 있다. 상기 전류수송와이어(3)의 전류는 전류원(5)에 의해 제공되었다. 1.6T(곡선A)의 포화유도에 따른 비정질 Fe-B-Si-C계 코어와 1.56T(곡선B)의 포화유도에 따른 비정질 Fe-B-Si계 코어에 대해서, 상기 전압계(4)에서 측정된 출력전압은 도5에 플로팅되어 있다. 전류와 구리권선에서 측정된 출력전압 사이에 유지되는 선형성은 전류의 정밀한 모니터링에 필수적이다.

본 발명의 보다 완전한 이해를 제공하기 위해서, 아래의 실시예를 제공한다.본 발명의 원리와 실시를 설명하기 위해 기술된 특정 기술, 조건, 물질, 함량 및 보고데이터는 예에 불과하며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로서 해석되어서는 안된다.

실시예

실시예1 - 시편마련

미국특허 제3,856,513호에서 천 외 다수가 제시한 기술에 따라서, 비정질 합금을 그 용융물로부터 약 10⁶K/s의 냉각속도로 급속퀀칭하였다. 그 결과 통상적으로 두께가 10 내지 30㎛이고 폭이 10 내지 20㎝인 리본은 X레이 회절법과 시차 주사 계량법(DSC)에 의해 특정 결정성이 없는 것으로 판단되었다. 리본형태에서, 상기 비정질 합금은 강하고, 윤이 나며, 거칠면서, 연성이었다.

이와 같이 제조된 리본을 좁은 리본으로 쪼개어(slit), 차례로 다른 크기로 토로이드형으로 권선하였다. 300 내지 450℃사이의 온도로 오븐에서 자기장이 있는 조건 또는 없는 조건으로 상기 토로이드형 코어를 열처리하였다. 열처리하는 동안에 자기장을 인가한 경우에는, 그 방향을 토로이드의 원주방향의 역방향으로 하였다. 전형적인 자계강도는 50∼2,000 Oe(4,000∼160,000 A/m)이었다.

실시예2 - 자기 측정

실시예1에 따라 마련된 토로이드형 코어를 통상적인 BH 히스테리시그래프에서 도4와 유사한 BH특성을 얻기 위해서 실험하였다. 토로이드형 코어 중 하나는OD(외경)=13.9㎜, ID(내경)=9.5㎜ 및 높이=4.8㎜인 크기를 가지며, 다른 코어는 OD=25.5㎜, ID=16.5㎜ 및 높이=9.5㎜인 크기를 갖는다. DC바이어스필드와 주파수의 함수로서 토로이드형 코어에서 B/H로서 정의된 투자율을 측정하였으며, 그 결과를 도2의 곡선으로 도시하였다. 50 내지 150횟수로 감긴 구리와이어를 토로이드형 코어에 적용하여 인덕터를 제조하였다.

실시예3 - 전류 측정

실시예2에 따라 마련된 인덕터에 도4에 도시된 바와 같이 전압계를 연결하였다. 구리와이어를 상기 인덕터의 ID(내경)부에 삽입하고, 전류원을 이용하여 60㎐의 전류를 인가하였다. 상기 인덕터의 출력전압을 상기 전류원의 전류함수로서 측정하였다. 도5는 이러한 일예를 나타낸다.

상술한 바와 같이, 본 발명을 보다 상세하게 설명하였으나, 상술된 상세한 사항까지 엄격하게 부가되는 것이 요구되지 않으며, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변경 및 개조가 당업자에 의해 제안될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims

인가된 자기장 레벨과 사용 주파수에 따라 변화하지 않는 선형적인 B-H 특성을 갖는 자기 코어.
제1항에 있어서,

필수적으로 적어도 약 10 kG(1테스라)의 포화유도를 갖는 비정질 철계 합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 자기 코어.
제2항에 있어서,

상기 합금은 리본으로 쪼개어 상기 코어가 형성되도록 감겨진 것을 특징으로 하는 자기 코어.
제3항에 있어서,

토로이드형, 사각형, 직사각형 및 삼각형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 구조인 것을 특징으로 하는 자기 코어.
제4항에 있어서, 구리권선을 구비한 것을 특징으로 하는 자기 코어.
제5항에 기재된 자기 코어를 포함하며, 상기 코어 상에 추가적인 구리 와이어 권선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕터.
제5항에 기재된 자기 코어를 포함하며, 상기 코어의 공동(hollow)인 기하학적 중심부에 추가적인 구리 와이어 권선이 삽입된 것을 특징으로 하는 인덕터.
제6항의 인덕터를 포함하며, 상기 추가적인 와이어는 정밀하게 모니터링되거나 측정될 전류를 수송하는 것을 특징으로 하는 전류 트랜스포머.
제7항의 인덕터를 포함하며, 상기 추가적인 와이어는 정밀하게 모니터링되거나 측정될 전류를 수송하는 것을 특징으로 하는 전류 트랜스포머.
제8항에 있어서,

상기 추가적인 와이어에서 전류의 정밀측정을 위한 전압계에 의해 측정에 채택되는 출력전압을 갖는 것을 특징을 하는 전류 트랜스포머.
제9항에 있어서,

상기 추가적인 와이어에서 전류의 정밀측정을 위한 전압계에 의해 채택되는 출력전압을 갖는 것을 특징으로 하는 전류 트랜스포머.