KR20060017592A - 비정질 금속 형상 절단을 위한 선택적인 에칭방법 및 그에의해 제조된 부재 - Google Patents

Abstract

선택적인 에칭공정이 비정질금속 스트립 원료로 부터 형상을 절단한다. 상기 에칭공정은, 그 스트립의 일측면에 필요한 형상을 정의하는 패턴으로 화학적으로 저항성의 재료를 증착하고, 상기 금속 스트립을 캐리어 스트립으로 짝을 지우고, 상기 금속 스트립의 적어도 일측면을 에칭제에 노출시킴으로써 그 소망하는 형상으로 선택적으로 에칭하고, 그리고 상기 스트립 원료로부터 상기 형상을 분리하는 것을 포함하여 구성된다.

복수의 상기 형상의 층들이 접착제 라미네이션에 의해 조립됨으로써, 고효율 전기모터와 유도 디바이스에 유용한 거의 다면체 형상의 벌크 비정질금속 자기 부재를 형성한다. 상기 벌크 비정질금속 자기부재는 아치형 표면을 포함하며, 바람직학는 상호 배향 배치된 2개의 아치형 표면을 포함한다. 상기 자기 부재는 약 50Hz~20,000Hz 범위의 주파수에서 동작할 수 있다. 상기 자기 부재가 부재는 아치형 표면을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상호 배향되게 배치된 2개의 아치형 표면을 포함할 수 있다. 상기 자기 부재는 약 50~20,000Hz 범위의 주파수에서 작동할 수 있다. 상기 자기 부재가 여기 주파수 "f"에서 피크 인덕션 레벨 B_max로 작동될 때, 상기 부재는 약 "L"보다 작은 코어-손실을 나타내며, 여기에서 L은 다음의 식 L = 0.005f(B_max)^1.5 + 0.000012f^{1 .5}(B_max)^1.6에 의하여 주어지며, 상기 코어 손실, 상기 여기 주파수 및 상기 피크 인덕션 레벨은 각각 킬로그램당 와트, 헤르쯔, 테슬라로 측정된다. 본 발명의 상기 벌크 비정질 금속 자기 부재의 성능 특성은 동일한 주파수 범위에서 작동되는 실리콘-강 부재의 성능 특성에 비하여 매우 우수하다.

저손실, 비정질, 자기 부재, 전기모터, 고효율

Description

비정질 금속 형상 절단을 위한 선택적인 에칭방법 및 그에 의해 제조된 부재{SELECTIVE ETCHING PROCESS FOR CUTTING AMORPHOUS METAL SHAPES AND COMPONENTS MADE THEREOF}

본 발명은 비정질 금속의 절단 형상을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전기 모터와 유도자기 디바이스에서 유용한 거의 다면체 형상의, 저코어 손실, 벌크 비정질금속 자기부재를 형성하기 위하여 함께 접합된 절단된 라미네이션을 제조하는 선택적인 에칭방법에 관한 것이다.

복수의 시트-형상 자기 재료의 적층된 라이네이션들로부터 제조된 자기 부재들이 전기 모터와, 변압기, 벨러스터, 인덕터, 가포화 리액터등과 같은 유도 디바이스에서 널리 사용되고 있다. 상기 자기 재료는 전형적으로 요구되는 디바이스 특성과 경제성 양자의 고려에 근거하여 선택된다.

무방향성 전기강판은 전기 모터 부재를 위해 가장 빈번히 선택된다. 다양한 릴럭턴스 모터와 와전류 모터에 있어서, 그 고정자들이 적층된 라미네이션으로부터 제조된다. 농형 모터(squirrel cage motor), 릴럭턴스 동기 모터 및 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor)에 있어서 그 고정자와 회전자 양자가 적층된 라미네이션으로 부터 제조된다. 각 라미네이션은 전형적으로 기계적으로 연한 무방향 전기강판을 소망하는 형상으로 스탬핑, 펀칭 또는 절단함으로써 형성된다. 상기 형성된 라미네이션은 이어 적층되어, 그 모터의 생산 및 작동 중에 충분한 기계적인 완전성을 유지함과 함께, 그 소망하는 형태를 갖는 회전자 또는 고정자를 형성하게 된다.

회전하는 전기 기구에 있어서, 상기 고정자와 회전자는, (i)방사상의, 즉, 거의 상기 회전자의 회전축에 수직하거나, 또는 (ii)축상의, 즉 거의 상기 회전축에 평행하고 약간의 거리에 의해 분리된, 중 어느 하나의 작은 갭에 의해 분리되어 있다. 전자기 기구에 있어서, 자속 라인이 상기 갭을 가로지름에 의해 상기 회전자와 고정자를 연결한다. 따라서 전자기 기구는 각각 방사상 또는 축상의 플럭스 디자인으로 넓게 분류될 수 있다. 그 대응하는 용어 방사상 및 축상의 갭 디자인이 또한 모터 기술분야에서 사용되고 있다. 방사상 플럭스 기구는 가장 흔한 것이다. 상술한 펀칭 및 적층하는 방법도 방사상 플럭스 모터용 회전자와 고정자를 구성함에 널리 사용되고 있다.

비록 무방향성 전기강판과 비교할 때, 비정질 금속은 우수한 자기 성능을 제공하지만, 특정한 물리적 특성과 가공에 대한 발생하는 장애 때문에 전기 모터용 고정자와 회전자로서 벌크 자기 부재로서의 사용이 적합하지 않다고 오랫동안 고려되고 있다. 예를 들면, 비정질 금속은 무방향성 전기강판 보다 얇고 경하며, 따라서 가공 툴(fabrication tool)과 다이가 보다 급속하게 마모된다. 상기 툴링과 제조비용에 있어서 결과적인 증가는 펀칭이나 스탬핑과 같은 통상의 기술을 사용하여 벌크 비정질 금속 자기 부재를 가공하는 것을 상업적으로 비실제적으로 한다. 비정 질 금속의 두께는 또한 조립된 부재의 라미네이션 수의 증가를 가져오며, 또한 비정질금속 회전자 또는 고정자 자석 조립체의 전체 비용을 상승시킨다.

비정질 금속은 균일한 리본폭을 갖는 얇고 연속적인 리본내에 정형적으로 공급된다. 그러나 비정질 금속은 매우 경한 재료로서, 그것을 쉽게 절단하거나 성형하기가 아주 어렵다. 피크 자기 특성을 확보하기 위해 어닐링처리 되면, 비정질금속 리본은 큰 취성을 띄게 된다. 이는 벌크 비정질 자기 부재를 구성하기 위해 통상적인 방법(approach)을 사용하는 것을 어렵게 하고 값비싸게 한다. 또한 상기 비정질금속 리본의 취성은 전기 모터와 같은 적용에 있어서 벌크 자기 부재의 내구성에 대한 우려를 가져올 수도 있다.

자기 고정자는, 높은 회전속도를 위해 필요한 주파수에서 급속하게 변하는 극도로 높은 자기력하에 있다. 이러한 자기력은 상기 고정자 재료에 상당한 응력을 줄 수 있으며, 비정질금속 자기 고정자를 손상할 수도 있다. 회전자도 또한, 통상적인 회전과, 상기 기구가 활성화되거나 비활성화될 때 그리고 그 부하가 아마도 급작스럽게 변할때의 회전 가속 양자 때문에 기계적인 힘을 받고 있다.

제한된 수의 비통상적인 방법들이 비정질 금속 부재 제조를 위해 제시되고 있다. 예를 들면, Frischmann의 U.S 특허 4,197,146은 몰딩되고 컴펙트된 비정질금속 플래이크(flake)로 부터 제조된 고정자를 제시하고 있다. 비록 이 방법은 복잡한 고정자 형상의 형성을 가능하게 하지만, 그 구조는 비정질금속의 개개의 플래이크 입자들 사이에 수많은 에어 갭을 포함한다. 이러한 구조는 그 자기회로의 릴럭턴스 및 이에 따른 상기 모터를 작동하기 위해 요구되는 전류를 아주 증가시킨다.

독일 특허 DE 28 05 435 및 DE 28 05 438에 의해 제시된 방법은 상기 고정자를 권선 피스(wound piece)와 폴 피스(pole piece)로 나누는 것이다. 비자기 재료가 상기 권선 피스와 폴 피스 사이의 연결부(joint)내로 삽입되어 유효 갭을 증가시키고, 이에 따라 상기 자기 회로의 릴럭턴스와 그 모터를 작동하기 위해 요구되는 전류를 증가시킨다. 상기 폴 피스를 포함하는 재료의 층들이 상기 권선된 백아이언(backiron) 피스내의 층들의 면과 수직한 면을 가지며 배향되어 있다. 이러한 형태는 또한 그 고정자의 릴럭턴스를 증가시키는데, 이는 상기 권선 피스와 폴 피스의 인접하는 층들이 완전한 라인 세그먼트를 따라서가 아니라, 단지 점들, 그들 각각의 페이스(face) 사이의 연결부에서 만남에 따른 것이다. 또한 이 방법은 상기 권선 피스내의 라미네이션들이 상호 용접에 의해 부착되어 있음을 제시하고 있다. 비정질금속 라미네이션을 부착하기 위해 용접과 같은 열집중적인 공정(heat intensive processs)의 이용은 그 연결부나 주변에서 상기 비정질금속을 재결정시킬 것이다. 심지어 재결정된 비정질금속의 작은 부분이라도 일반적으로 상기 고정자내 자기 손실을 수용할 수 없는 수준으로 증가시킬 것이다.

강자성 비정질금속의 사용과 관련된 또다른 어려움은 자기변형 현상 때문에 일어난다. 어떤 자기변형 재료의 특정한 자기 특성은 부과된 기계적 응력에 대응하여 변한다. 예를 들면, 비정질재료를 함유하는 부재의 투자율은 정형적으로 감소되며 상기 부재가 응력하에 있을 때 그 코어 손실이 증가된다. 상기 자기변형 현상 때문에 비정질금속 디바이스의 연자성 특성의 열화가, (i)그 전기 모터의 동작중 자기적인 및 기계적인 응력; (ii)기계적인 클램핑(clamping)으로부터의 응력 또는 그렇지 않으면 상기 벌크 비정질금속 부재를 제위치에 고정하는 것; 또는 (iii)상기 비정질금속 재료의 자기포화에 기인한 열팽창 또는 팽창에 의해 초래되는 내부응력;을 포함하는 어떠한 쏘스의 조합으로부터 초래되는 응력에 의해 야기될 수 있다. 비정질금속 자기 고정자가 응력을 받음에 따라, 자속을 안내하거나 집중하는 효율이 감소되어 보다 큰 자기 손실, 감소된 효율, 증가된 열생산, 및 감소된 출력을 가져온다. 이러한 열화의 정도는 U.S 특허 5,731,649('649특허)에 의해 제시된 바와 같이, 특정한 비정질금속 재료 및 그 응력의 실제적인 강도에 따라 상당해질 수 있다. 코어 손실의 열화는 종종 파괴인자(destruction factor), 즉, 최종 디바이스에 의해 실제적으로 나타내어지는 코어 손실과 응력이 없는 실험실 조건하에서 시험된 구성재료의 내재하는 코어 손실과의 비로서 표시된다.

더욱이, 비정질금속은 통상의 전기강판을 포함하여 다른 일반적인 연자성재료 보다 아주 낮은 이방성 에너지를 갖는다. 그 결과, 이러한 일반적인 금속들의 자기 특성들에는 해로운 효과를 갖지 않을 수도 있는 응력 레벨이 모터 부재를 위위한 중요한 특성, 예를 들면, 투자율 및 코어 손실에 심각한 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 상기 '649 특허는 또한 에폭시를 사용하는 라미네이션과 함께, 비정질금속을 코일로 롤링함으로써 비정질금속 코어를 형성하는 것은 그 재료로된 코일의 열 및 자기포화팽창을 해롭게 제한하며, 이러한 코어를 포함하는 모터 또는 발전기의 효율을 감소시키는 높은 내부 응력과 자기변형을 가져온다. 자기 특성들에 대한 응력-유기 열화(stress-induced degradation)를 피하기 위해, 상기 '649 특허는 접착제 접합을 사용함이 없이 절연구역(dielectric enclosure) 내에 주의 깊게 탑재 되거나 포함된 복수의 적층되거나 코일링된 비정질금속 부분을 포함하는 자기 부재를 제시하고 있다.

고속도 기계공구, 항구우주 모터와 엑츄에이터, 그리고 컴퓨터 및 다른 미시전자 디바이스에서 데이타 저장을 사용되는 자기 및 광학 디스크 드라이브용 스핀들 드라이브 모터와 같은 광범위하게 분기된 영역을 포함하는 현재의 기술에서의 수많은 적용은 15,000-20,000을 몇배 초과하는, 그리고 어떤 경우에는 최고 100,000rpm의 높은 속도에서 작동할 수 있는 전기 모터를 요구한다. 기존의 재료를 이용하여 제조된 자기 부재들의 한계는 실질적이고 소망스럽지 않은 디자인 타협을 초래한다. 많은 적용에 있어서, 모터 부재에 정형적으로 사용되는 전기강판의 코어 손실은 금지된다. 이러한 경우 디자이너는 대체물로서 퍼멀로이 합금을 사용하게 할 수도 있다. 그러나 포화 인덕션(예를 들면, 통상의 전기강판 1.8-2.0T에 대하여 여러 퍼멀로이 합금 0.6-0.9T 미만)의 부수하는 감소는 퍼멀로이 또는 그 변형물로 조성된 자기 부재 크기의 증가를 필요로 한다. 또한 상기 퍼멀로이 합금의 소망스러운 연자성특성은 소성 변형에 의해 반대로 그리고 변경할 수 없게 영향을 받으며, 이는 상대적으로 낮은 응력 레벨을 낳을 수 있다. 이러한 응력은 상기 퍼멀로이합금 부재의 제조나 작동 어느 일방 동안 발생할 수 있다.

유도 디바이스들은 가장 흔히, 변압기와 인덕터를 포함하는 전기 및 전자장비의 넓고 다양한 부분에서 필수적인 부재들이다. 이들 비회전하는 디바이스들의 대부분은 연자성 재료를 포함하는 코어와 상기 코어를 둘러싸는 하나 이상의 전기 전기 와인딩(electrical winding)을 채용한다. 인덕터들은 일반적으로 2개의 단자 (terminal)를 갖는 단일 와인딩을 채용하며, 필터와 에너지 저장 디바이스로 작용한다. 변압기들은 일반적으로 2 이상의 와인딩(winding)을 가진다. 이들은 한 레벨에서 적어도 다른 소망하는 레벨로 전압을 변화시키며, 전체 전기회로의 다른 부분을 전기적으로 고립시킨다. 유도 디바이스들은 그 다양한 파워 커패시터에 대응할 수 있게 매우 다양한 크기로 구입할 수 있다. 다른 유형의 유도 디바이스들은 DC부터 GHz까지의 아주 넓은 범위의 주파수에서의 작동을 위해 최적화된다. 실제적으로 모든 알려진 유형의 연자성 재료는 유도 디바이스들의 제조에 적용가능함이 확인된다. 특별한 연자성 재료의 선택은, 요구되는 특성, 그 자체로 효율적인 제조를 가져올 수 있는 형태로서의 재료의 구입가능성, 그리고 주어진 시장에 제공함에 요구되는 부피 및 비용에 따라 달라진다. 일반적으로, 소망스러운 연자성 코어 재료는, 효율을 최대화하기 위해 낮은 보자력 Hc, 높은 투자율 μ, 및 낮은 코어 손실을 가짐과 아울러, 코어 사이즈를 최소화하기 위해 높은 포화유도 Bsat를 가진다.

전기 및 전자 부재용 작고 적절한 크기의 인덕터와 변압기들의 부재는 또한 100㎛이나 작은 두께를 갖는 시트들로 공급되는 다양한 급수의 자성강으로 부터 펀치된 라미네이션을 이용하여 흔히 제조된다. 상기 라미네이션들은 적층되고 고정되어 전형적으로 높은 전도율의 구리 또는 알루미늄 와이어를 포함하는 필수적인 하나 이상의 전기적인 와인딩(electrical windings)으로 후속하여 권선된다. 이들 라미네이션들은 통상 다양한 알려진 형상을 갖는 코어내에 채용된다.

인덕터와 변압기용으로 사용되는 많은 형상들은, "C", "U", E", 및 "I"와 같 은 특정한 블록 문자의 일반적인 형태를 갖는 구성 부재들로부터 조립되며, 이에 의해 종종 동일시된다. 상기 조립된 형상은 또한 상기 구성 부재들을 반영하는 문자들에 의해 나타내어 진다; 예컨대, "E-I"형상은 "E"부재를 "I" 부재와 함께 조립하여 제조될 수 있음. 다른 널리 사용되는 조립된 형상은 "E-E", "C-I", 및 "C-C"를 포함한다. 이들 형상들의 종래기술 코아용 구성 부재들은 통상적인 결정질 강자성 금속과 가공된 벌크 연질 페라이트 블록 양자의 라미네이트된 시트들로 제조되어 오고 있다.

최근 전자기술에 있어서의 중요한 경향은 파워 서플라이, 컨버터, 및 스위치-모드 회로 위상을 사용하는 관련 회로의 디자인에 있다. 구입가능한 파워 반도체 스위칭 디바이스의 증가된 용량은 스위치-모드 디바이스로 하여금 증가된 고주파수에서 작동하도록 하여 준다. 라인 주파수(대개 파워 그리드상에서 50-60Hz, 또는 군사적인 용도는 400Hz)에서 선형적인 제어 및 작동하도록 이전에 디자인된 많은 디바이스들dl, 이제 종종 5~200kHz, 그리고 때때로 1MHz 정도의 주파수에서 스위치-모드 제어에 기초하고 있다. 주파수 증가의 주요한 구동력은 변압기와 인덕터와 같은 요구되는 자기 부재들의 크기에서의 동반하는 감소에 있다. 그러나 주파수의 증가는 또한 이들 부재들의 자기 손실을 현전히 증가시킨다. 따라서 이러한 손실들을 낮추는 것이 중요하게 요구되고 있다.

기존 재료를 이용하여 제조된 자기 부재들의 한계는 실질적이고 바람직하지 않은 디자인 타협을 수반한다. 많은 적용들에 있어서, 통상의 전기강판의 코어 손실은 금지된다. 이런 경우에 있어서, 디자이너는 대체로서 퍼멀로이 합금 또는 페 라이트를 사용하도록 할 수도 있다. 그러나 포화유도의 부수하는 감소(예를 들면, 통상의 전기강판에 대한 1.8-2.0T에 대비하여, 다양한 퍼멀로이 합금에 대해선 0.6-0.9T 이하 및 페라이트에 대해선 0.3-0.4T)는 결과적으로 자기부재의 크기의 증가를 필요로 하게 된다. 또한 상기 퍼멀로이 합금의 소망하는 연자성 특성은 상대적으로 낮은 응력 레벨에서 발생할 수 있는 소성 변형에 의해 나쁘게 및 회복할 수 없게 영향을 받는다. 이러한 응력은 상기 퍼멀로이 부재의 제조 또는 동작동안 어느 일방에서 발생할 수 있다. 연성 펠라이트가 종종 매력적으로 낮은 손실을 가지지만, 그들의 낮은 인덕션 값이 공간이 고려사항인 많은 적용들에 있어서 비실제적으로 큰 디바이스를 가져온다. 더욱이, 상기 코어의 증가된 크기는 비소망스럽게도 보다 긴 전기적인 와인딩을 필요로 하며, 따라서 옴 손실(ohmic loss)이 증가한다.

가포화 리엑터와 약간의 쵸크(choke)와 같은 전자적인 적용을 위해서, 비정질금속은 나선형으로 권선된, 원형의 토로이달 코어의 형태로 채용되고 있다. 이ㄹ러한 형태의 디바이스는 전형적으로 수 밀리메터에서부터 수 센티메타까지의 직경을 갖는 것이 상업적으로 구입가능하며, 수백 볼트-암페아(V/A)까지 제공하는 스위치-모드 파워 서펄라이로 통상 사용된다. 이러한 코어 형태는 완전하게 닫힌 자기회로를 제공하며, 무시할 수 있는 반자화율을 가진다. 그러나 소망하는 에너지 저장능력을 확보하기 위해서는 많은 인덕터는 각각의 에어갭을 갖는 자기 회로를 포함한다. 상기 갭의 존재는 무시할 수 없는 반자화율과 변형된 자화(B-H) 루퍼에서 확인되는 관련된 형상 이방성을 가져온다. 상기 형상 이방성은 상기 가능한 유도 자기이방성 보다 높을 수 있으며, 이에 따라 그 에너지 저장능력을 비례적으로 증가시킨다.

각각의 에어갭과 통상의 재료로 제조된 토로이달 코어는 이러한 에너지 저장 적용을 위해 제안되고 있다. 그러나 상기 갭을 갖는 토로이달 형태는 단지 작은 디자인 유동성을 제공한다. 디바이스 사용자가 소망하는 정도의 변형 및 에너지 저장을 선택하기 위하여 상기 갭을 조절하는 것이 일반적으로 어렵거나, 또는 불가능하다. 또한 토로이달 코어에 와인딩을 부가하기 위해 필요한 장비는, 라미네이트된 코어를 위한 비교할말한 권선 장비 보다도 복잡하고, 값비싸며, 그리고 조업하기가 어렵다. 때때로 토로이달 형태의 코어가 고전류 적용에서는 사용되지 않을 수 있는, 이는 그 정격전류에 의해 지적된 무거운 게이지 와이어는 토로이드의 권선에 필요한 정도로 휘어질 수 없기 때문이다. 또한 토로이달 디자인은 단지 하나의 자기 회로를 가진다. 그 결과, 특히 통상의 3상 디바이스를 포함하는, 다상 변압기 및 인덕터를 위해 잘 맞지 않으며 적응하기가 어렵다. 따라서 보다 쉬운 제조와 응용이 가능한 다른 형태들이 찾아지고 있다.

더욱이, 스트립-권선된 코어 토로이달내에 내재하는 응력은 특정한 문제를 일으킨다. 상기 와인딩은 내재적으로 그 스트립의 외표면을 인장응력에 그리고 내부를 압축응력하에 두게 된다. 부드러운 와인딩을 보장하기 위해 필요한 선형적인 응력에 의해 추가적인 응력이 기여된다. 자기변형의 결과로, 권선된 토로이드는 편평한 스트립 형태에서 측정된 같은 스트립의 것들보다 못한 자기 특성을 전형적으로 나타낸다. 어닐링은 일반적으로 응력을 일부를 해소할 수 있으며, 따라서 퇴화 (degradation)의 단지 일부만 제거된다. 또한 권선된 토로이드를 갭핑하는 것은 종종 추가적인 문제를 야기한다. 그 권선된 구조에서 어떤 잔류하는 후퍼 응력이 적어도 부분적으로 갭핑시 제거된다. 실제상 상기 네트 후퍼 응력은 예측할 수 없으며 압축 또는 인장응력중 어느 하나 일 수 있다. 따라서 실제적인 갭은 새로운 응력균형을 세우기 위해 요구되는 바와 같은 예측가능한 양으로 각각의 경우에 있어서 닫히거나 또는 열리는 경향이 있다. 따라서 최종적인 갭은 그 의도된 갭과는 일반적으로 다르며, 정확한 측정이 없다. 상기 코어의 자기 릴럭턴스는 상기 갭에 의해 크게 결정되기 때문에, 최종 코어의 자기 특성은 고-용적 생산 코스에서 일관된 기조로 재생산하기가 종종 어렵다.

비정질금속은 또한 10kVA에서 1MVA이상의 네임플레이트 레이팅을 갖는 전력 그리드용 분배 변압기와 같은, 보다 높은 전력 디바이스용 변압기로서 사용되고 있다. 이들 변압기의 코어는 종종 스탭-랩 권선된, 거의 직사각형 형태로 형성된다. 하나의 통상적인 제조방법에 있어서, 상기 직사각형 코어는 일차적으로 형성되어 어닐링된다. 이어 상기 코어는 그 코어의 긴 다리에 걸쳐 슬립되는 예비-형성된 와인딩을 허용하도록 언레이스된다. 상기 예비-형성된 와인딩의 도입에 후속하여, 상기 층들은 리레이스되고 고정된다. 이러한 방법으로 분배 변압기를 제조하는 전형적인 방법이 Ballard등의 미국특허 US4,734,975호에 나타나 있다. 이러한 공정은 현저한 인적인 노동과, 취성의 어닐링된 비정질금속 리본을 포함하는 처리단계를 이해가능하게 수반한다. 이러한 단계들은 특히 10kVA 보다 작은 코어를 확보함에 어렵고 번거럽다. 또한 이러한 형태에 있어서, 상기 코어는 에어 갭의 제어가능한 도입을 쉽사리 받아들이지 않기 때문에, 많은 인덕터 적용들이 요구된다.

상술한 바와 같은 발전에도 불구하고, 다른 비-회전하는 유도 디바이스 뿐만 아니라, 고속, 고효율 회전 전기기구를 위해 우수한 자기 및 물리적 특성의 조합을 나타내는 개선된 비정질금속 자기 부재에 대한 요구가 본 기술분야에 남아 있다. 비정질금속을 효율적으로 사용하고 다양한 형태의 모터 및 자기 부재들에 대한 고용적 생산을 가능하게 하는 제조방법들도 또한 추구되고 있다.

본 발명은 다면체 형상을 가지며, 접착제로 함께 라미네이트된 실질적으로 유사한 형상의 복수의 비정질금속 스트립의 층들을 포함하는 저-손실 벌크 비정질금속 자기 부재를 제공한다. 본 발명의 일견지에 있어서, 이러한 하나 이상의 부재들은 고효율의 전기모터와 유도자기 디바이스를 제조함에 유용하다.

또한 본 발명은, 저코어 손실의 벌크 비정질금속 자기부재들을 제조함에 유용한 형성을 형성하기 위한 비정질금속 스트립 공급원료를 선택적으로 에칭하는 방법에 관한 것이다. 상기 용어, "비정질금속 스트립"은 여기에서 신장된 비정질금속 리본재료, 즉, 그 두께 보다 실질적으로 큰 길이와 폭을 갖는 리본 형태를 표시하기 위해 사용된다. 상기 길이와 폭 방향은 상기 스트립의 상면과 바닥면을 정의한다.

보다 상세하게는, 본 발명의 일실시예에 따라 제조되고 여기 주파수(excitation frequency) "f"에서 피크(peak) 인덕션 레벨 "B_max"로 여기된 자기 부재가 상온에서 "L" 미만의 코어 손실을 가질 것이며, 여기에서 L은 하기식 L=0.005 f(B_max)^1.5 + 0.000012f^{1 .5}(B_max)^1.6으로 정의되며, 그리고 상기 코어 손실, 여기 주파수 및 피크 인덕션 레벨은 각각 kg당 와트, 헤르쯔, 및 테슬라(tesla)로 측정된 것이다. 바람직하게는, 상기 자기 부재는, (i)대략 400Hz의 주파수와 대략 1.3T의 자속밀도에서 작동될 때 그 코어 손실이 대략 2.8W/kg과 동일하거나 그 미만인 비정질금속 재료, (ii)대략 800Hz의 주파수와 대략 1.3T의 자속밀도에서 작동될 때 그 코어 손실이 대략 5.7W/kg과 동일하거나 그 미만인 비정질금속 재료, 또는 (iii)대략 2,000Hz의 주파수와 대략 1.0T의 자속밀도에서 작동될 때 그 코어 손실이 대략 9.5W/kg과 동일하거나 그 미만인 비정질금속 재료를 갖는다.

주기적인 자기적 여기하에 그 아주 낮은 코어 손실의 결과로, 본 발명의 자기 부재는 DC에서부터 20,000Hz 이상 까지의 범위의 주파수에서 작동할 수 있다. 같은 주파수 범위에서 작동하는 종래의 규소강판 자기 부재와 비교할 때 개선된 성능 특성을 나타낸다. 예를 들면, 고주파에서 상기 부재의 작동성은 일반 재료로 제조된 부재를 사용하여 가능한 정도 보다 높은 효율성을 가지며 유익하게도 고속으로 작동할 수 있는 모터를 제조함에 이용되는 것을 가능하게 하고 있다.

특히, 본 발명의 방법에 따라 제조된 벌크 비정질금속 자기 부재는, 고효율의 다양한 릴럭턴스 모터와 와전류모터에서 비정질금속 고정자 또는 회전자로서의 사용에 특별히 적합하다. 유사하게, 비정질금속 부재들은 농형모터, 릴럭턴스 동기모터 및 스위치드 릴럭턴스 모터에서의 회전자와 고정자중 적어도 하나로 사용될 수도 있다. 본원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 모터들은 하나 이상의 회전자와 하나 이상의 고정자들을 포함함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 모터와 관련하여 여기에서 사용된 바와 같은 용어 '회전자(rotor)"와 "고정자(stator)"는 1에서부터 3개 이상과 같은 갯수의 회전자와 고정자의 수를 의미한다. 또한 방사상 플럭스 모터들은, (i)상기 고정자내에 위치되고 그 직경이 일반적으로 고정자 보다 작은 회전자와 함께, 또는 (ii)상기 고정자와 회전자의 상대적인 위치 및 크기가 교환되는 그 인사이드-아웃(inside-out) 또는 컵(cup) 형태내, 중 어느 하나로 제조될 수 있음은 회전하는 전기 기구에 친숙한 이들에게 인식될 것이다. 본 발명의 회전자 또는 고정자는 단일구조, 또는 알려진 수단에 의해 함께 결합된 복수의 서브-구조(sub-structure)의 조립체중 어느 하나로 제조될 수 있으며, 상기 서브-구조는 여기에서 제시된 바처럼 제조된다.

또한 여기에서 사용되는 용어 "전기 모터"는 전기 발전기뿐만 아니라 선택적으로 전기 발전기로 작동할 수 있는 재생식 모터를 추가로 포함하는 다양한 회전하는 전기 기구를 일반적으로 말함은 본 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 식을 가진 자에게 인식될 수 있다. 본 발명의 자기 부재는 이러한 디바이스들중 어떠한 것을 제조함에 채용될 수 있다. 본 발명의 이용중에 현저한 이익이 현실화된다. 이러한 이익들은, 단순화된 제조 및 감소된 제조시간, 벌크 비정질금속 부재의 제조중 조우되는 감소된 응력(즉, 자기변형), 최종 비정질금속 자기 부재의 최적화된 성능, 그리고 여기에서 기술된 회전자 또는 고정자를 포함하는 전기 모터의 개선된 효율을 포함한다.

하나 이상의 본 발명의 벌크 비정질 자기 부재들은 또한 유도 디바이스내에서 유익하게 도입되며, 이는 (i)적어도 하나의 에어갭을 갖는 자기회로를 가지며, 적어도 하나의 저손실 벌크 강자성 비정질금속 자기 부재를 포함하는 자기 코어; (ii)적어도 상기 자기 코어의 일부를 둘러싸는 적어도 하나의 전기적인 와인딩(electrical windings); 그리고 (iii) 상기 부재는 다면체 형상 부분을 형성하기 위해 적층, 레지스터 및 접착제와 함께 접합된 실질적으로 유사한 형상의 복수의 평면상 비정질금속 스트립들의 층들을 포함한다. 상기 유도 디바이스는 5kHz의 되고 여기 주파수(excitation frequency) "f"에서 0.3T의 피크(peak) 인덕션 레벨 "B_max"로 동작될 때, 약 12W/kg미만의 코어손실을 가진다. 이는 예컨대, 변압기, 자동변압기, 가포화 리엑터 또는 인덕터로 작용하는 다양한 회로 응용들을 위해 사용될 수 있다. 상기 부재는 다양한 스위치 모드 토플로지를 채용하는 전력 컨디션닝 전자 디바이스의 제조에 특히 유용하다. 본 발명의 디바이스는 단상 및 다상 양자에 유용하며, 특히, 3상 적용에 유용하다.

유익하게도, 상기 벌크 비정질금속 자기 부재들은 그 최종 유도 디바이스의 하나 이상의 자기 회로를 형성하기 위해 쉽게 조립된다. 어떤 견지에 있어서, 상기 부재들의 짝을 이루는 면(mating face)은 낮은 릴럭턴스와 상대적으로 정방형의 B-H 루퍼를 갖는 디바이스를 제조하기 위해 가까이 접촉시켜 진다. 그러나 상기 짝을 이루는 면들사이에 놓여진 에어갭을 갖는 디바이스를 조립함으로써, 그 릴럭턴스는 증가되고, 많은 인덕터 적용에서 유용한 개선된 에너지 저장용량을 갖는 디바이스를 제공할 수 있다. 상기 에어갭은 선택적으로 비-자성의 스페이서들로 채워져 있다.

본 발명의 상기 부재들의 크기와 형상의 유연성은 디자이너로 하여금, 그 전체 코어와 그 내부의 하나 이상의 와인딩 창 양자의 크기 및 형태의 선택을 포함하는, 유도 부재를 적절하게 최적화함에 있어서 넓은 허용을 가능하게 한다. 선택적인 에칭은 어떤 소망하는 크기와 형상의 부재를 마련함에 특히 유익하다. 그 결과, 상기 디바이스의 전체 크기는, 요구되는 코어와 와인딩 재료 양자의 체적과 함께, 쉽게 최소화된다. 유연성 있는 디바이스 디자인과 상기 코어재료의 높은 포화유도의 조합은 컴팩 사이즈와 높은 효율을 갖는 전자회로 디바이스를 디자인함에 있어 유익하다. 보다 낮은 포화유도 코어 재료를 사용하는 종래의 유도 디바이스와 비교할때, 변압기와 주어진 파워와 에너지 저장 레이팅의 인덕터는 보다 작아지고 보다 효율적이다. 주기적인 여기하에서 그 아주 낮은 코어 손실의 결과로, 본 발명의 유도 디바이스는 DC에서 부터 200kHz이상 정도까지의 주파수범위에서 동작할 수 있다. 같은 주파수 범위에 걸쳐 동작하는 종래의 규소강 자기 디바이스와 비교할 때, 개선된 성능 특징을 나타낸다. 이들 및 다른 바람직한 이익들은 본 발명의 디바이스를, 특별한 자기 응용을 위해, 예컨대, 스위치 모드 회로 토플로지와 1kHz에서부터 200kHz이상까지의 범위의 스위칭 주파수를 채용하는 파워 컨디셔닝 전자회로에서의 변압기 또는 인덕터로의 사용을 위해, 쉽게 주문 제작될 수 있다.

본 발명은 또한 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은, (i)그 각각이 실질적으로 동일한 사전-결정된 형상을 갖는 복수의 라미네이션을 형성하기 위해 비정질 금속재료를 선택적으로 에칭하는 단계, (ii) 라미네이션 적층체를 형성하기 위하여 상기 라미네이션을 레지스터리(registry)내에서 적층하는 단계; 및 (iii)접착제로 상기 라미네이션 적층체를 부착성 있게 접합시키는 단계,를 포함하여 구현된다. 상기 제조방법은 또한 상기 부재의 자기 특성을 개선하기 위해 선택적인 열처리 또는 어닐링을 포함하거나, 또는 상기 부재의 표면의 적어도 일부에 절연코팅이 부가되는 선택적인 코팅단계를 포함할 수도 있다. 이러한 단계들은 이하 제시된 것들을 포함하여 다양한 순서와 다양한 기술들을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 접착제 접합단계는 상기 어닐링 전후에 수행될 수 있다. 상기 방법의 실시에서 바람직하게 사용되는 바람직한 비정질금속 재료는 본질적으로 Fe₈₀B₁₁Si₃로 정의되는 조성을 가진다.

선택적으로, 상기 공정은 또한 아래중 적어도 하나가 확보되도록 상기 부재를 가공처리하는 단계를 포함한다: (i)상기 부재로부터 여분의 접착제를 제거하는 것; (ii)상기 부재에 적절한 표면가공을 주는 것; 그리고 (iii)상기 부재에 그 최종적인 크기를 주기 위해 재료를 제거하는 것. 이러한 공정들은 또한 상기 부재의 자기특성을 개선하기 위해 상기 라미네이션을 어닐링하는 것을 포함할 수 있다.

유익하게도, 와인딩 동안 휘어지는 스트립으로부터 내재적으로 야기되는 압축 및 인장응력이 개별적으로 형성된 라미네이션을 채용하는 제조방법에는 나타나지 않는다. 상기 라미네미션의 형성으로부터 초래되는 어떠한 응력도 그 외주부 또는 그 근처의 작은 영역에 단지 국한될 것이다. 선택적으로 상기 라미네이션 적층체는 이어, 여분의 접착제를 제거하고, 적절한 표면 처리와 최종적인 부재 크기를 주기 위하여 최종 처리된다.

본 발명의 자기부재를 위해 요구되는 형상으로의 라미네이션의 형성은, 기계적인 연마, 다이아몬드 와이어, 수평 또는 수직방향중 어느 하나로 수행되는 고속 밀링, 연마 워트-제트 밀링, 와이어 또는 플런지(plunge)에 의한 전하방전 가공, 전기화학적인 연마, 전기화학적인 가공, 스템핑, 레이저 컷팅 또는 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 다른 수단들에 의한 비배타적인 절단을 포함하는 여러 방법으로 수행될 수 있다.

본 발명의 벌크 자기 부재는 바람직하게 선택적인 에칭공정에 의해 절단된 라미네이션을 도입한다. 일반적으로 말해서, 상기 공정은, (i)제1 표면과 제2 표면을 갖는 비정질금속 시트를 제공하는 단계; (ii)상기 제1 표면상에 상기 사전선택된 형상을 정의하는 패턴으로 화학적으로 저항성의 재료를 인쇄하는 단계; (iii)보호층으로 상기 제2 표면을 덮는 단계; (iv)상기 비정질금속 시트를 부식제에 노출시킴으로써 상기 사전선택된 형상 외부의 상기 제1 표면의 영역으로부터 선택적으로 비정질금속을 에칭하는 단계; 및 (v)상기 비정질금속 시트로부터 상기 형상을 분리하는 단계,를 포함한다. 비록 상기 본 발명의 선택적인 에칭공정이 조립을 위한 개개의 비정질금속 피스의 층들을 벌크 비정질금속 자기 부재로 절단함에 바람직하게 사용되지만, 상기 공정은 또한 필러금속 프리폼을 브레이징하는 것과 같은 다른 적용을 위한 형상을 마련함에도 사용될 수 있다.

본 발명의 선택적인 에칭공정은, 정밀한 다이 세트의 값비싼 재디자인 또는 재작업을 요구하는 스탬핑 공정보다 보다 용이하게 라미네이션의 크기와 형상을 선택하고 변화가능하게 하여준다. 또한 복잡한 형상들이 쉽게 수용된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명과 첨부 도면을 참조하면, 본 발명이 보다 완전하게 이해되고 그 이익이 보다 명확해질 것이다. 한편, 이하 같은 도면 부호는 여러 도면들을 통하여 유사한 구성요소를 나타낸다.

도 1a은 본 발명에 따른 벌크 비정질금속 자기부재를 제조함에 사용된 환형의 비정질금속 피스를 정의하도록 선택적으로 에칭된 비정질금속 원료 층에 대한 평면도이다.

도 1b는 본 발명에 따른 벌크 비정질금속 자기부재를 제조함에 사용된 환형의 비정질금속 피스를 정의하도록 선택적으로 에칭된 도 1a에 제시된 비정질금속 원료 층의 IB-IB레벨에서의 단면도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 벌크 비정질금속 자기부재를 제조함에 사용된 환형의 비정질금속 피스를 정의하도록 선택적으로 에칭된 비정질금속 원료 층에 대한 평면도이다.

도 2b는 본 발명에 따른 벌크 비정질금속 자기부재를 제조함에 사용된 환형의 비정질금속 피스를 정의하도록 선택적으로 에칭된 도 2a에 제시된 비정질금속 원료 층의 IIB-IIB레벨에서의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따라 제조된 3차원 직사각형 형상의 벌크 비정질금속 자기 부재의 투시도이다.

도 4a는 본 발명에 따라 제조된 프리즘 형상을 갖는 벌크 비정질금속 자기 부재의 투시도이다.

도 4b는 본 발명에 따라 제조된 마주하며 배치된 아치형 표면(arcuate surface)을 갖는 벌크 비정질금속 자기 부재의 투시도이다.

도 4c는 도 4a에 묘사된 6개의 프리즘 형상의 부재와 도 4b에 묘사된 6개의 아치형 부재들로부터 제조된 전기 모터용 고정자의 평면도이다.

도 5a는 본 발명에 따라 제조된 전기 모터용 벌크 비정질금속 자기 고정자의 투시도이다.

도 5b는 본 발명에 따라 제조된 전기 모터용 벌크 비정질금속 자기 회전자의 투시도이다.

도 5c는 도 5a의 고정자와 도 5b의 회전자로부터 제조된 전기 모터용 고정자와 회전자에 대한 평면도이다.

도 5d는 본 발명에 따라 제조된 인사이드-아웃, 방사상 갭 전기 모터용 벌크 비정질금속 자기 고정자의 평면도이다.

도 6은 그 각각이 배향하며 배치된 아치형 표면을 갖는 다면체 형상을 가지며, 그리고 조립되어 거의 원형, 환상의 실린더를 형성하는 4개의 부재들을 포함하는, 벌크 비정질금속 자기 부재들을 시험하기 위한 조립체의 투시도이다.

도 7a는 본 발명의 유도 디바이스를 제조함에 사용되는 갭드, 토로이달 코어의 형태의 벌크 자기 부재를 나타내는 투시도이다.

도 7b는 도 7a에 의해 제시된 자기 부재에 도입을 위해 비정질금속 스트립으 로부터 선택적으로 에칭된 라미네이션을 나타내는 평면도이다.

도 8은 "C"와 "I" 형상을 갖는 벌크 비정질금속 자기부재를 사용하여 조립된 "C-I" 형상을 갖는 본 발명의 유도 디바이스를 나타내는 투시도이다.

도 9는 "E"와 "I"형상과 상기 "E"형상의 각 다리상에 배치된 와인딩(winding)을 갖는 벌크 비정질금속 자기부재를 사용하여 조립된 "E-I" 형상을 갖는 본 발명의 유도 디바이스를 나타내는 투시도이다.

도 10은 도 9에 의해 제시된 디바이스의 일부를 설명하는 단면도이다.

도 11은 그 각각의 부재의 짝을 이루는 면들 사이에 에어갭과 스페이서로 조립된 "E"와 "I" 형상의 벌크 비정질금속 자기부재를 포함하는 본 발명의 "E-I"형상의 유도 디바이스를 나타내는 평면도이다.

본 발명은 그 일견지에 있어서, 비정질금속 리본 또는 시트로부터 작업피스(workpiece)를 절단하는 공정과, 이러한 작업피스를 포함하는 저손실 벌크 비정질금속 부재들에 관한 것이다. 상기 부재들은 또한 고효율의 유도 디바이스와 다이네모일렉트릭 모터를 포함하는 다양한 종류의 디바이스를 제조함에 유용하다.

이에 제한되지 않는, 직사각형, 정사각형, 프리즘을 포함하는 여러 형태를 갖는 일반적으로 다면체 형상의 벌크 비정질금속 부재들이 본 발명에 따라 제조된다. 또한 상술한 기하학적 형상들중 어떤 것이라도 적어도 하나의 아치형 표면, 그리고 바람직하게는 거의 휘어지거나 또는 아치형 벌크 비정질금속 부재를 형성하기 위해 2개의 배향하게 배치된 표면들을 포함할 수 있다. 본 발명은 또한, 그 다면체 형상이 거의 실린더형이며 거의 환형 부분(annuar portion)으로부터 방사상으로 내측으로 또는 외측으로 신장하는 복수의 티쓰(teeth)를 추가로 포함할 수 있는 부재들을 제공한다. 특정한 유형의 모터용 완전한 고정자와 회전자가 본 발명에 따른 이러한 티스를 갖는 벌크 비정질금속 부재들을 유익하게 채용할 수 있다. 이러한 고정자와 회전자들은 단일 구조이거나 또는 복수의 피스(piece)들로부터 형성되어 전체적으로 완전한 부재를 형성할 수도 있다. 또다르게는, 고정자 및/또는 회전자가 전체적으로 비정질금속 부분으로 구성되거나, 또는 비정질금속 부분과 다른 자기 재료와의 조합으로 구성된 복합구조일 수 있다. 본 발명의 벌크 자기 부재는 바람직하게는 방사상의 플럭스 변화를 갖는 전기 모터내로 통합될 수 있다.

본 발명은 또한 본 발명의 방법에 따라 절단된 비정질금속 층들로 조립된 하나 이상의 벌크 자기부재를 포함하는 유도 디바이스를 제공한다. 상기 유도 디바이스는 적어도 하나의 에어갭을 가지며, 또한 복수의 에어갭과 복수의 자기회로를 갖는 보다 복잡한 형상을 포함할 수도 있으며, 여기에서 상기 회로의 릴럭턴스는 선택된 코어 형태에서 에어갭을 변화시킴으로써 조절된다.

이하, 도 1a-1b를 참조하면, 비정질금속 재료의 절단된 형상을 제조하기 위한 본 발명의 선택적인 에칭공정의 일실시예가 제시되어 있다. 신장된 리본(350) 형태의 비정질금속 원료는 자유면(351)을 가진다. 화학적으로 저항성의 재료(358)가 환형(352)을 정의하는 패턴으로 상기 리본의 반대면(353)에 부과된다. 저항성 재료(358)는 좁은 원심성의 외부 원형 경계 영역(354)과 내부 원형 경계영역(356) 을 제외하곤, 일반적으로 표면(353)에 부과된다. 상기 자유면(353)은 보호층으로 덮혀지며, 상기 리본은 이어, 요구되는 시간 동안 부식제에 노출된다. 그 일실시예에 있어서, 상기 보호층은 면(353)상에 형상을 정의함에 사용되는 것과 같은 화학적으로 저항성의 재료로 조성된다. 또다르게는, 상기 자유면(351)은 상기 부식제에 의해 현저하게 침식되지 않는 재료로 조성된 (도시되지 않은) 캐리어층과 짝을 이룬다. 상기 캐리어 스트립은 스테인레스 스틸, 인코넬과 같은 니켈기 합금, 티타늄, 탄탈륨, 또는 알루미늄, 또는 고분자재료와 같은 내식성 금속으로 조성된다. 바람직하게는, 상기 비정질금속 스트립에 캐리어 스트립을 약하게 부착시키기 위하여 접착제를 이용하는 것이다. 상기 캐리어 스트립은 또한 자기 또는 정전기력에 의해 부착될 수도 있다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 캐리어 스트립은, 적어도 약간의 요구되는 가공단계를 달성할 수 있는 장치를 통하여 상기 리본을 반연속적이거나, 또는 연속적인 릴-투-릴 공정(reel-to-reel)으로 이송하기 위하여 사용된다. 유익하게도 상기 캐리어 스트립은 어떤 실시에서는 재사용된다. 상기 보호층은 실질적으로 공격으로부터 자유면(351)을 보호하나, 재료(358)에 의해 보호되지 않는 측면(353)상의 비정질금속은 화학적으로 침식되며, 영역(354,356)에서 선택적으로 리본(350)의 두께를 완전히 관통하지 않는 그루버(groove)를 형성한다. 상기 그루버는 상기 리본을 약하게 함으로써 환형(352)이 상기 웹 리본(350)의 잔여로부터 쉽게 분리되도록 하여 준다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 부식제에 대한 보다 긴 노출이 상기 그루버들을 완전히 침식시켜, 환형(352)을 완전히 분리시킨다. 너무 짧은 노출은 상당한 힘으로 상기 분리를 허용하기 위해 상기 리본을 약하게 함에 충분하지 못하다.

본 발명의 선택적인 에칭공정의 관련 실시예가 도 2a-2c에 나타나 있다. 이 실시예에서는 외부 경계영역(354')이 완전한 360°약간 미만으로 정해지는 원형의 아크이다. 상기 화학적으로 저항성의 재료(358)가 상기 원형의 잔여를 덮는다. 그 결과, 상기 에칭공정은 작은 텝(361)을 남기며, 이에 의해 그 에칭제에 대한 리본(350)의 노출시간이 그 리본 두께를 통하여 영역(354'과 356')에서 그루버를 완전히 침식하고 관통함에 충분한가 여부에 관련 없이, 에칭후 환형(352')은 상기 리본 웹에 부착되어 남아 있다. 다른 실시예에 있어서, 복수의 이들 텝들이 작업피스의 외주부를 따라 제공될 수 있다.

바람직하게, 도 1-2에 제시된 방법들이, 비정질금속 스트립 원료의 길이를 따라 일정한 간격으로 배치된 환형(352)과 같은, 시리즈의 부품을 형성하기 위해 반복적으로 수행되는 것이다. 선택적인 에칭후, 상기 부품은 상기 원료에 부착된 채로 남아 있으며 나아가 가공처리될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 원료는 그에 부착된 다수의 에칭된 부품을 갖는 리본의 신장된 길이를 포함하는 스풀(spool)상에서 에칭후 권선된다. 선택적으로 상기 캐리어층은 상기 리본에 부착된 채로 두어지나, 상기 캐리어는 또한 상기 에칭 조업전에 그러나 상기 재료가 재스풀되기 전에 제거될 수도 있다. 또한 도 1-2와 같은 공정들이 반연속적이거나, 또는 연속적인 릴-투-릴 공정에 쉽게 구현될 수 있다. 도 1-2의 실시예에 제시된 부분은 상대적으로 단순한 환상 형상을 가지기 위한 설명을 목적으로 선택되었지만, 본 공정은 보다 복잡한 형상을 가공함에도 쉽게 적용된다. 유익하게도, 상기 공정은 종래 의 스탬핑을 위해 필요한 복잡한 다이-펀치 세트를 준비하고 유지하는 비용을 수반함이 없이, 다중-티스 모터 라미네이션(multi-toothed motor lamination)과 같은 다중 구성을 갖는 형상들을 형성함에 사용될 수 있다. 그 결과, 상기 공정은 이러한 부품들의 빠른 프로토타이핑 또는 효율적이고 높은 생산성을 위해 특히 적합하다.

상기 에칭조업을 위해 준비에서 본 작업피스의 사전선택된 형상을 정의하는 상기 리본 표면들중 하나의 일부에 화학적으로 저항성의 재료를 부과하는 것에는 많은 공정들이 적용될 수 있다. 바람직하게는, 그 요구하는 영역의 바깥 영역은 코팅하지 않으면서, 그 요구되는 형상에 대응하는 원료 표면의 약간의 영역에 상기 보호성의 재료로 코팅하는 것이다. 상기 화학적으로 저항성의 재료는 상기 에칭제에 의한 공격으로 부터 코팅된 영역을 보호하며, 비보호된 영역은 침식된다.

상기 화학적으로 저항성있는 재료를 적용하기 위한 인쇄공정이 바람직하다. 인쇄에 의해 상기 원료 재료의 표면에 상기 저항성 재료의 사전선택된 패턴의 다중 재생산을 빠르게 적용할 수 있는 어떠한 공정을 의미한다. 식각, 릴리이프, 그라비어, 및 스크린 인쇄법을 포함하는 많은 알려진 인쇄공정들이 본 발명의 실시를 위해 적합할 수 있다. 또한 제로그라픽 및 잉크-젯트 증착법도 적합할 수 있다. 이들 공정들중 많은 경우에서, 상기 증착은 원료를 연속적으로 공급하면서, 원료의 조각들이 순차적으로 위치로 되어 영역에 걸쳐 상기 저항성 재료를 증착하기 위해 정지되는 색인된 운동을 위한 필요성을 제거함으로써 이루어진다. 상기 필요한 인덱싱 조업은 상기 재료의 시작과 정지를 수반하고, 그 공정의 자동화의 복잡성을 수반하 며, 빈번한 잘못된 공급, 파단, 및 수동적인 조업 간섭을 요구하는 다른 불이익을 야기한다. 종래의 금속 스트립에 대한 2-측면 포토에칭공정은 또한 일반적으로 이러한 인덱싱 절차를 요구한다.

후술하는 단일-측면의, 선택적인 에칭공정은 금속스트립 재료를 위해 적합한 이전의 사진식각 에칭공정를 넘는 현저한 이익을 제공한다. 후자의 방법은 상기 공급원료의 양 표면상에서 레지스터리에 형성되어지는 패턴을 일반적으로 요구하며, 특히, 그 크기요구가, 그 스트립의 2 면상에서 사진식각 마스크들에 대한 충분하게 정확한 레지스트레이션에 부수하는 예컨대 약 1㎛ 이내 제어로 엄격하지 않는 부품들의 생산에 요구된다. 그러나 자기 부재들에 사용되는 많은 부품들은 이러한 강력한 크기제어를 요구하지 않으며, 10㎛정도의 높은 공차도 허용가능하다. 그 결과, 단일-측면의 형상화된 보호층과 상기 형성공정의 잔여에 대한 증착은 리본 공급원료의 반대면에서 에칭 패턴을 정확하게 레지스터링할 필요없이 보다 효율적이고 빠르게 수행될 수 있으며, 이에 의해 상기 개개의 부품들을 생산하는 비용 및 복잡성을 감소시킨다.

본 발명의 개개의 부품은 부식제에 패턴화된 레지스티브 에이젼트(resitive agent)를 함유한 공급원료의 일측면상에 노출됨으로써 선택적으로 에칭되며, 상기 부식제는 가스상일 수 있으나, 소망하는 에칭깊이를 확보할 수 있도록 하는 충분한 시간을 위해서 액상인 것이 바람직하다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 노출은, 상기 작업피스와 상기 잔류하는 웹 사이의 경계영역에서 그 공급원료의 완전한 깊이로 상기 에칭이 재료를 제거함에 충분한 시간 동안 계속되며, 따라서 소망하는 부품은 상기 공급원료 웹의 잔여분으로부터 절단된다. 다른 실시예에 있어서, 상기 노출은 보다 연속성이 없으며, 따라서 상기 에칭제는 완전한 깊이로 관통하지 못하고 그 소망하는 부품과 그 잔류하는 웹사이의 경계를 정의하는 약한 부분을 남겨 둔다. 선택적으로, 상기 화학적으로 저항성의 재료는 상기 에칭단계가 완료된후 상기 리본 표면으로부터 제거된다. 상기 재료를 적절한 용매에 녹이고, 분해, 또는 기계적인 스크랩핑, 연마등을 포함하는 다양한 기술들이 사용될 수 있다.

바람직하게도, 도 1-2에 의해 제시된 공정의 실시예는 벌크 자기 부재에서 선택적으로 에칭된 부품의 후속하는 취급 및 도입을 촉진시킨다. 바람직하게는, 그 작업피스와 비정질 금속리본 공급원료의 잔류하는 웹 사이의 경계가 에칭조업에 의해 충분히 약화되어 상기 작업피스가 그 제조공정의 소망하는 단계에서 쉽게 분리되도록 하여주는 것이다. 상술한 바와 같이, 상기 에칭은 그 경계 영역의 두께의 실질적인 부분에 대한 제거를 수반할 수 있으며, 바람직하게는 적어도 약 50%, 보다 바람직하게는 적어도 약 80%이다. 또다르게는, 다른 부분은 그렇지 않은데, 상기 외주부의 경계층의 어떤 부분이 실질적으로 완전히 관통될 수 있으며, 이에 의해 그 작업피스는 예컨데 도 2a-2b에 나타난 하나의 텝와 같은 적은 수의 텝에 의해 상기 리본 웹에 부착되어 남아 있다. 이러한 접근들중 어느 것이라도, 예컨대 수동적인 분리 또는 단순한 수동의 또는 자동화된 스템핑 조업과 같은 기계적인 조업들이 후속하여 조립체를 위한 필요한 갯수의 작업피스들을 제거하고 이들을 벌크 부재로 결합함에 사용될 수 있다. 이러한 스템핑 조업은 어떠한 사전정의된 약화된영역없이 상기 작업피스들을 정확하게 절단해야만 하는 종래의 스탬핑 기술 보다 보다 쉬우며 보다 적게 요청된다. 서플라이 릴로부터 리본 공급원료의 공급, 상기 작업피스와 웹에 대한 상술한 선택적인 에칭, 상기 작업피스들을 분리하고 개개의 작업피스들을 모으는 스탬핑단계, 및 테이크-업 릴상에서 그 잔류하는 웹에 대한 결합을 순차적으로 포함하는 자동화된 인라인공정이 바람직한데, 이는 이들이 효율저이고 비용절감적인 제조를 가능하게 하기 때문이다.

상기 공정들은 거의 다면체형상의 벌크 비정질금속 모터 부재에서의 도입을 위해 비정질금속 라미네이션층들을 가공하기 위해 바람직하게 사용된다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "다면체"는 다중-페이스(multi-faced) 또는 측면(sided)의 고체를 말한다. 이는 3차원적인 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 및 프리즘을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 또한 상술한 기하학적 형상들중 어느 것이라도, 거의 아치형 부재를 형성하기 위해 상호 배향하여 배치된 적어도 하나, 바람직하게는 2개의 아치형 표면, 또는 측면을 포함할 수 있다. 본 발명의 부재는 또한 거의 실린더 형상을 가질 수 있다. 도 3에 의해 묘사된 자기 부재(10)는 함께 적층되어 어닐링처리된 비정질금속 스트립 재료(20)로 된 실질적으로 유사한 형상의 복수의 층들을 포함하여 구성되어 있다. 본 발명에 따라 제조되고 여기 주파수(excitation frequency) "f"에서 피크 인덕션 레벨 "B_max"로 여기된 3차원 자기 부재(10)는 상온에서 약 "L" 미만의 코어 손실을 가지는데, 여기에서 L은 하기식 L=0.005 f(B_max)^1.5 + 0.000012f^{1 .5}(B_max)^1.6으로 정의되며, 상기 코어 손실, 여기 주파수 및 피크 인덕션 레벨은 각각 kg당 와트, 헤르쯔, 및 테슬라로 측정된다. 어떤 바람직한 실시예에 있어서는, 상기 자기 부재는, (i)대략 400Hz의 주파수와 대략 1.3T의 자속밀도에서 작동될 때 그 코어 손실이 대략 2.8W/kg과 동일하거나 그 미만인 비정질금속 재료, (ii)대략 800Hz의 주파수와 대략 1.3T의 자속밀도에서 작동될 때 그 코어 손실이 대략 5.7W/kg과 동일하거나 그 미만인 비정질금속 재료, 또는 (iii)대략 2,000Hz의 주파수와 대략 1.0T의 자속밀도에서 작동될 때 그 코어 손실이 대략 9.5W/kg과 동일하거나 그 미만인 비정질금속 재료를 갖는다.

본 발명의 부재들은, 실질적으로 그 내부에 포함된 비정질금속 피스들의 면내에서 상기 부재 또는 이들의 어떤 부분이 어떠한 방향을 따라 자기적으로 여기될때 낮은 코어 손실을 나타낸다. 바꾸어, 본 발명의 부재의 감소된 코어 손실을 이를 포함하는 전기 모터의 효율을 향상시킨다. 낮은 값의 코어 손실은 본 발명의 벌크 자기 부재로 하여금, 높은 폴카운터(pole count) 또는 회전속도가 고주파 자기적 여기(magnetic excitation), 예를 들면 100Hz이상에서의 여기를 필요로 하는 모터에서의 사용에 특히 적합하다. 고주파수에서 일반강들의 내재하는 높은 코어 손실은 일반적으로 이들로 하여금 고주파 여기를 요구하는 모터에서의 사용에는 부적합한 것으로 한다. 이러한 코어 손실 성능값은 상기 벌크 비정질금속 부재의 특정한 형태 여하에 불구하고, 본 발명의 여러 실시예에 적용된다.

도 4a에 의해 묘사된 자기 부재(100)는 거의 프리즘-형상이며, 바람직하게는 5개의 측면 또는 표면들을 포함한다. 상기 오각형 형상의 다면체 부재(100)는 각각이 실질적으로 같은 크기와 형상인, 비정질금속 스트립 재료(20)로 된 복수의 층들을 포함하여 구성되어 있다. 상기 스트립 재료 20는 적층되고, 함께 라미네이트되 며, 이어 어닐링된다.

도 4b에 의해 묘사된 자기 부재(200)는 적어도 하나, 바람직하게는 2개의 배향하게 배치된 아치형 표면(210)을 포함한다. 상기 아치형 형상을 갖는 부재(200)는, 그 각각이 실질적으로 같은 크기와 형상이며 그리고 적층되어 함께 라미네이트되어, 어닐링된 비정질금속 스트립 재료(20)로 된 복수의 층들을 포함하여 구성된다.

도 4c에 의해 묘사된 벌크 비정질금속 자기 부재(300)는 방사상 갭 전기 모터용 고정자로 사용될 수 있으며, 6 피스의 자기 부재(100)와 6 피스의 자기 부재 (200)을 포함하여 구성되어 있다.

도 5a에 의해 묘사되는 벌크 비정질금속 자기 부재 400는 거의 원형이며, 상기 원형 부재(400)의 중심을 따라 방사상으로 내측으로 신장하는 거의 직사각형의 복수의 티쓰(410)를 포함한다. 상기 부재(400)는, 그 각각이 실질적으로 같은 크기와 형상이며 그리고 적층되어 함께 라미네이트되어, 어닐링된 비정질금속 스트립 재료(20)으로 된 복수의 층들을 포함하여 구성된다. 도 5a의 실시예에 따라 제조된 벌크 비정질금속 부재는 방사상 에어갭 전기 모터에서 고정자로 사용될 수 있다.

도 5b에 의해 묘사되는 벌크 비정질금속 부재(500)는 거의 디스크 형상이며, 방사상 외측으로 신장하는 거의 직사각형의 복수의 티쓰(510)를 포함한다. 상기 부재(500)는 그 각각이 실질적으로 같은 크기와 형상이며 그리고 적층되어 함께 라미네이트되어, 어닐링된 비정질금속 스트립 재료(20)으로 된 복수의 층들을 포함하여 구성된다. 도 5b의 실시예에 따라 제조된 벌크 비정질금속 부재는 방사상 에어갭 전기 모터에서 회전자로 사용될 수 있다.

도 5c에는, 고정자(400)와 회전자(500)가 본 발명에 따라 벌크 비정질금속 부재로 제조되어 고효율 방사상 에어갭 전기 모터의 일부로서 사용되고 있다. 또한 모터 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있는 바와 같이, 상기 모터는 고정자(400)와 정렬을 이루면서 회전자(500)를 회전할 수 있게 지지하는 와인딩과 베어링을 포함한다.

도 5d에 의해 묘사되는 벌크 비정질 부재(800)는 고효율, 인사이드-아웃, 방사상 에어갭 전기 모터에서 고정자로 사용될 수 있다. 부재(800)는 실질적으로 그 형상이 동일한 복수의 라미네이션(20)을 포함한다. 각 라미네이션(20)은 거의 환상의 크기와 형상을 갖는 중심부(810)와, 상기 중심부(810)로부터 방사상으로 외부로 신장하는 복수의 티쓰부(820)를 포함한다. 상기 티쓰부(820)는 흔히 단순히 티쓰(teeth)라 불리운다. 라미네이션(20)은 어떠한 적절한 공정으로 요구되는 형상으로 절단되며, 선택적인 에칭방법이 바람직하다. 그리고 절단된 라미네이션은 레지스터리에서 적층되고 접착제 함침에 의해 함께 접합되어 부재(800)를 형성한다. 상기 함침은 접착제를 상기 라미네이션 사이로 분산 침투시키는 역할을 하며, 이에 의해 적어도 각 라미네이션의 표면 일부가 상기 접착제에 의해 피복된다. 전기 모터에서 고정자로서 부재(800)의 작동에 있어서, 중심부(810)은 벡아이런(back iron), 즉 티쓰(820)을 통과하여 들어오고 나가는 자속 라인을 위한 플럭스 리턴 경로로서의 기능한다. 각 티쓰(820)는 그 부재의 외측, 외주 둘레에서 가장 넓어진 부분(830)을 가진다. 중심부(810)에 근접한 각 티쓰(820)의 일부(840)는 종종 투쓰 루 트(tooth root)이라 불리 운다. 와인딩 슬롯(850)은 각 인접하는 한쌍의 티쓰(820)사이의 갭에 의해 형성된다. 부재(800)이 모터내에서 이용되는 고정자와 같이 형태화될 때, (도시되지 않은) 전기적 와인딩은 그 티쓰 옆의 와인딩슬롯(850)을 통과하면서 각 티쓰(820)를 둘러싼다. 모터 작동 동안, 상기 와인딩(winding)은 기자력을 제공하기 위해 전류의 흐름에 의해 활성화된다(energized). 상기 개개의 티쓰의 와인딩은 모터 기술분야에서 알려진 다양한 방법으로 상호 연결되고 전기적으로 활성화될 수 있다.

본 발명은 또한 저손실 벌크 부재의 제조방법을 제공한다. 그 하나의 측면에서, 상기 요구하는 형상의 개개의 라미네이션이 비정질금속 스트립으로부터 마련되고 후속하여 적층되어 3차원 라미네이션 적층체를 형성하고 접합된다. 라미네이션은 어떠한 적합한 방법에 의하여 절단될 수 있으나, 선택적인 에칭이 바람직하다. 바람직하게 상기 접합은 상기 라미네이션을 상호 접착하기 위해 접착 수단을 부과하고 활성화하는 것을 포함하며, 이에 의해 최종 디바이스에서 취급되고 작동되어질 부재를 위하여, 상기 라미네이션 적층체에게 충분한 기계적 및 구조적인 완전성을 부여한다. 선택적으로 상기 부재는, (i)여분의 접착제를 제거하는 것; (ii)상기 부재에 적절한 표면 마무리를 부여하는 것; 그리고 (iii)상기 적층체가 그 최종적인 부재 크기로 주어지도록 재료를 제거한 것, 중 적어도 하나를 확보하기 위해 최종처리된다. 또한 상기 방법은 상기 부재의 자기적 특성을 개선하기 위해 선택적인 어닐링단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 단계들은 다양한 순서와, 여기에서 제시된 것들을 포함하는 다양한 기술들과 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자 에게 자명한 다른 것들을 사용하여 수행될 수 있다.

버(burr) 또는 다른 에지 결함을 낳지 않는 라미네이션을 형성하는 방법들이 특히 바람직하다. 보다 상세하게는, 상기 라미네이션의 평면으로부터 돌출된 이들 그리고 다른 결함들은 약간의 공정들에서 그리고 특정한 조건들하에서 형성된다. 상기 결함들은 상기 부재의 철손을 해롭게 증가시키는 인터라미나(interlaminar) 전기 단락을 빈번하게 낳는다.

유익하게도, 이러한 에지 결함들의 출현을 현저하게 최소하거나 제거하기 위해 일부에 대한 선택적인 에칭이 일반적으로 제시되고 있다. 정형적으로 선택적으로 에칭된 부분은 둥근 에지와, 상기 에지들의 중간 근처에서 상기 부분의 두께가 테이퍼링(tapering)됨을 나타내며, 이에 의해 이러한 부분들의 라미네이션 적층체내에서 상술한 인터라미너 단락이 일어나는 경향이 감소 된다. 또한 이러한 적층체에 접착제의 함침이 상기 테이퍼진 에지의 근처에서 흡수 및 모세관 반응(wicking and capillary action)의 향상에 의해 촉진된다. 각 라미네이션을 통하여 하나 이상의 작은 구멍을 제공하는 것, 또한 함침의 효율을 향상시킨다. 상기 개개의 라미네이션들이 레지스터리(registry)에서 적층될 때, 상기 구멍들은 그를 통하여 함침이 쉽게 흐를 수 있는 채널(channel)을 형성하도록 배열될 수 있으며, 이에 의해 각각의 라미네이션들이 근접하는 라미네이션들과 짝을 이루는 적어도 상기 표면의 실질적인 영역에 걸쳐 상기 함침의 보다 우수한 분산을 담보할 수 있다. 표면 채널과 슬롯과 같은 다른 구조들은 또한 각각의 라미네이션내에 통합되어 또한 함침흐름 개선 수단(impregnant flow enhancement means)으로 작용할 수 있다. 상술한 구 멍과 함침흐름 개선수단은 포토에칭된 라미네이션내에서 쉽게 효과적으로 생산된다. 또한 다양한 스페이서(spacer)가 흐름 개선을 촉진하기 위하여 상기 라미네이션 적층체내에 놓여질 수 있다.

스탬핑 오퍼레이션(stamping operation) 또는 많은 경우에 있어 리본 웹으로부터 각각의 워크피스(workpieces)를 제거하기 위한 유사한 오퍼레이션을 채용한 실시예들은 스탬핑 이전에 상기 스트립 재료의 선택적인 온화한(mild) 열처리가 상기 비정질 금속의 기계적 특성을 유리하게 변경하므로 유익하다. 특히, 열처리는 상기 비정질 금속의 연성을 다소 감소시킬 것이며, 그것에 의하여 상기 스탬핑 공정동안 파단이전의 상기 비정질 금속내 기계적 변형의 양이 제한되고, 따라서 상기 요구되는 기계적 다이 포스(die force)가 제한된다. 또한, 상기 비정질 금속의 감소된 연성은 상기 변형하는 비정질 금속에 의한 상기 펀치 및 다이 재료의 직접적인 마모(abrasion) 및 마멸(wear)을 감소시킬 것이다.

적절한 레지스터리내에서 비정질 금속 스트립 재료된 복수의 피스(piece) 또는 라미네이션을 상호 접착하기 위하여, 접착 수단이 본 발명의 실시시 이용되며, 이에 의하여 벌크, 3-차원 물체가 제공된다. 이러한 접합은 본 발명의 부재가 취급되고 사용되며, 또는 보다 큰 구조로 통합되는 것을 허용하는 충분한 구조적인 완전성을 제공한다. 에폭시, 니스, 무기 접착제(anaerobic adhesives), 시아노아크릴레이트 및 상온 가황처리한(room-temperature-vulcanized, RTV) 실리콘 재료로 조성된 것을 포함하는 다양한 접착제들이 적절할 수 있다. 접착제는 바람직하게는 낮은 점도, 낮은 수축, 낮은 탄성율, 높은 필 강도(peel strength), 높은 작동 온도 성능 및 높은 유전 강도를 가지는 것이다. 상기 접착제는 상호 인접하는 라미네이션들간의 적절한 상호 접합을 하기에 충분할 정도로 각 라미네이션의 표면 영역의 일정 부분을 피복할 수 있으며, 이에 의하여 충분한 강도를 부여하여 상기 최종 부재에 기계적 완전성을 부여한다. 상기 접착제는 실질적으로 상기 표면의 모든 영역까지 피복할 수 있다. 에폭시는 그 경화(curing)가 화학적으로 활성화되는 다중형(multi-part), 또는 그 경화가 열적으로 또는 자외선에 노출됨으로써 활성화되는 단일형(single-part)일 수 있다. 바람직하게는, 상기 접착제가 1000cps 미만의 점도와, 상기 금속과 대략 같은 또는 약 10ppm의 열팽창 계수를 갖는 것이다. 하나의 바람직한 접착제는 P.D. George Co.에 의한 상표 Epoxylite 8899로 판매되는 열적으로 활성화된 에폭시이다. 본 발명의 디바이스는 그것의 점도를 감소시키고 상기 리본 층 사이에 그것의 침투를 향상시키기 위하여, 아세톤으로 1:5의 부피로 희석된 이러한 에폭시를 함침시킴으로써 바람직하게 접합된다. 바람직한 것으로 발견된 다른 접착제는 National Starch and Chemical Company에 의한 상표 Permabond 910FS로 판매되는 메틸 시아노아크릴레이트이다. 본 발명의 디바이스는 모세관 운동에 의하여 상기 리본의 층사이로 침투할 이러한 접착제를 적용함으로써 바람직하게 접합된다. Permabond 910FS는 5초내 수분이 존재하는 상온에서 경화할 단일형 저점도 액체이다.

상기 접착제를 적용하는 적합한 방법은 디핑(dipping), 스프레잉(spraying), 브러싱(brushing) 및 정전기적 증착(electrostatic deposition)을 포함한다. 스트립 또는 리본 형태에서, 비정질 금속은 상기 비정질 금속에 접착제를 전달하는 로 드 또는 롤러 상에 그을 통과시킴으로써 또한 코팅될 수 있다. 그라비어(gravure) 또는 와이어-피복 롤러와 같은, 텍스쳐화된(textured) 표면을 갖는 롤러 또는 로드는 상기 비정질 금속위로 접착제의 균일한 코팅을 전달함에 특히 효과적이다. 상기 접착제는 절단전 또는 후에 스트립 재료에 또는 절단후 각각의 라미네이션에, 한번에 비정질 금속으로 된 개별의 층에 부과될 수 있다. 또다르게는 상기 접착 수단은 그들이 적층된 후, 집합적으로 상기 라미네니션들에 부과될 수 있다. 바람직하게는, 상기 적층체들은 상기 라미네이션들 사이에 상기 접착제의 모세관 흐름(capillary flow)에 의하여 함침된다. 상기 함침 단계는 분위기 온도 및 압력하에서 행해질 수 있다. 또다르게는, 그러나 바람직하게는, 상기 적층체는, 첨가되는 접착제의 전체 체적을 최소화하면서 보다 완전한 필링(filling)을 구현하기 위해 진공에서 또는 수압(hydrostatic pressure)하에서 놓여질 수 있으며, 이에 의해 고적층팩터(high stacking factor)를 보증할 있다. 에폭시 또는 시아노아크릴레이트와 같은 저점도의 접착제가 바람직하게 이용된다. 또한 약한 열이 상기 접착제의 점도를 감소시키기 위하여 이용될 수 있으며, 이에 의해 상기 라미네이션 층사이에 이들의 침투를 향상시킨다. 상기 접착제는 그 접착을 증진시킴에 필요한 정도로 활성화된다. 상기 접착제가 어떠한 요구되는 활성(activation)과 경화(curing)을 받은 후에, 상기 부재는 어떠한 여분의 접착제를 제거하기 위하여 그리고 적합한 표면 마무리(finish) 와 최종적으로 요구되는 부재 크기를 부여하기 위하여 최종처리될 수 있다. 만약 상기 접착제의 활성 또는 경화가 적어도 약 175℃의 온도에서 수행된다면, 상기 접착제의 활성 또는 경화는 이하 보다 상술하는 바와 같이 자기 특 성에 또한 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 부재에 대한 최종처리는 그 외부 표면의 적어도 일부에 외부 코팅(external coating)을 추가로 부과하는 것을 포함할 수 있다. 적합한 코팅은 페인트, 라커, 니스 또는 수지를 포함한다. 상기 코팅은 스프레잉과 베스 또는 유동화된 베드(bed)내 침적을 포함하는 다양한 방법에 의하여 부과될 수 있다. 용매 캐리어를 가지거나 또는 가지지 않는 단순한 스프레잉 기술이 이용될 수 있다. 또다르게는 정전기적 또는 전기이동적 증착 기술이 적합할 수 있다. 요구된다면, 상기 최종처리조업은 어떤 여분의 코팅의 제거를 포함할 수 있다. 이러한 공정은 과도한 재료가 상호 회전 부분 사이의 가까운 틈 영역에 존재할 수 있는 모터 부재에 특히 유익하다. 외부 코팅은, 날카로운 금속 에지에서의 마모로부터 부재상의 전기적 와인딩(winding)에 대한 절연을 유익하게 보호하며, 그리고 상기 부재로부터 떨어지고 영구자석에 끌려가거나 또는 다르게는 상기 모터에서 또는 다른 근처 구조에 부적절하게 머무르기 쉬운 어떠한 플레이크(flake) 또는 다른 재료를 붙잡는 역할을 한다.

여기에 게시된 방식의 구조는 전기모터의 고정자와 회전자 및 비-회전 유도 디바이스와 같은 자기 부재에 매우 적합하다. 자기 부재 제조는 단순화되며, 그 제조 시간은 단축된다. 벌크 비정질 금속 부재들의 제조중, 그렇지 않다면, 조우되는 응력이 최소화된다. 상기 최종처리된 부재의 자기 성능은 최적화된다. 여기에서 묘사된 다양한 공정 단계는 열거된 순서로, 또는 관련 분야의 통상적인 지식을 가진 자에게 분명할 수 있는 다른 순서들로 수행될 수 있다.

본 발명의 벌크 비정질 금속 자기 부재는 다양한 비정질 금속 합금을 이용하여 제조될 수 있다. 일반적으로 말하면, 본 발명의 부재를 제조할때 이용하기에 적합한 상기 합금은 다음 식에 의하여 정의된다: M_70-85 Y_5-20 Z_0-20, 아래 첨자는 원자%이고, 여기에서 "M"는 Fe, Ni 및 Co중 적어도 1종이며, "Y"는 B, C 및 P중 적어도 1종이고, 그리고 "Z"는 Si, Al 및 Ge중 적어도 1종이다; (ⅰ) 성분 "M"의 10원자%까지가 금속 종(metallic species) Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta 및 W중 적어도 1종으로 대체될 수 있고, (ⅱ) 성분 (Y+Z)의 10원자%까지가 비-금속 종(non-metallic specise) In, Sn, Sb 및 Pb중 적어도 1종으로 대체될 수 있음. 여기에서 이용되는 용어 "비정질 금속 합금"은 실질적으로 어떠한 장범위 규칙도가 부족하며, 액체 또는 무기 산화물 글래스에서 관찰되는 것과 질적으로 유사한 X-선 회절 강도 맥시마에 의하여 특징지워지는 금속 합금을 의미한다.

본 발명의 실시에 있어 공급원료(feedstock)로 적합한 비정질 금속 합금은 20cm 또는 그 이상의 폭과 대략 20~25㎛의 두께의 형태로 일반적으로 상업적으로 구입이 가능하다. 이러한 합금들은 실질적으로 완전한 유리 미세조직을 갖도록 제조된다(예를 들면, 비-결정질 구조를 갖는 적어도 약 80부피%의 재료). 바람직하게는, 상기 합금은 비-결정질 구조를 갖는 필수적으로 100%의 재료로 제조된다. 비-결정질 구조의 부피 분율은 X-선, 중성자 또는 전자 회절, 투과전자현미경, 또는 시차열분석과 같은 당업계에서 잘 알려진 방법에 의하여 결정될 수 있다. 낮은 비용에서 가장 높은 인덕션 값이 "M", "Y" 및 "Z"가 적어도 지배적으로 각각 철, 보 론 및 실리콘인 합금에서 얻어진다. 따라서 상기 합금은 적어도 70원자% Fe, 적어도 5원자% B 및 적어도 5원자% Si을 함유하며, B와 Si의 전체 함량이 적어도 15원자%인 조건을 갖는 것이 바람직하다. 철-보론-실리콘 합금으로 구성된 비정질 금속 스트립이 또한 바람직하다. 가장 바람직한 것은 약 11원자% 보론 및 약 9원자% 실리콘, 나머지가 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 조성을 갖는 비정질 금속 스트립이다. 약 1.56T의 포화유도와 약137μΩ-cm의 비저항을 갖는 이러한 스트립은 상표 명칭 METGLAS® 합금 2605SA-1 하에서 Honeywell International Inc.에 의하여 판매된다. 또 다른 적합한 금속 스트립은 약 13.5원자% 보론, 약 4.5원자% 실리콘 및 약 2원자% 탄소, 나머지 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 조성을 갖는다. 약 1.59T의 포화유도 및 약 137μΩ-cm의 비저항을 갖는 이러한 스트립은 상표 명칭 METGLAS® 합금 2605CO 하에서 Honeywell International Inc.에 의하여 판매된다. 그러나 이러한 재료로 제조되는 부재의 손실은 METGLAS 2605SA-1을 이용하는 경우보다 약간 높은 경향이 있다.

당업계에서 알려진 바와 같이, 강자성 재료는 그것의 포화 인덕션 또는 균등하게 그 포화 플럭스 밀도 또는 자화에 의하여 특징되어 질 수 있다. 본 발명에 있어사용에 적합한 합금은 바람직하게는 적어도 약 1.2테슬라(T)의 포화인덕션을 가지며, 보다 바람직하게는 적어도 약 1.5T의 포화 인덕션을 가지는 것이다. 또한, 상기 합금은 바람직하게는 적어도 약 100μΩ-cm, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 130μΩ-cm의 높은 전기 비저항을 갖는 것이다.

상기 부재에 이용되기 위하여 정해진 비정질 금속 스트립의 기계적 및 자기 적 특성은 상기 스트립의 실질적으로 완전 유리 미세구조를 변경하지 않고 필요한 향상을 제공하기에 충분한 온도 및 시간에서 열처리함에 의하여 향상될 수 있다. 상기 열처리는 가열 부분, 부가적인 균열(soak) 부분 및 냉각 부분을 포함한다. 자기장은 상기 열처리의 적어도 냉각 부분 동안과 같이 적어도 일부분 동안 상기 스트립에 선택적으로 적용될 수 있다. 자기장의 적용, 바람직하게는 실질적으로 상기 주어진 자기부재의 작동동안 플럭스가 놓여지는 방향을 따라, 은 어떤 경우에 있어서 상기 부재의 자기 특성을 추가적으로 향상시킬 수 있으며, 그 코어 손실을 감소할 수 있다. 선택적으로, 상기 열처리는 하나 이상의 이러한 열 사이클을 포함한다. 게다가, 상기 하나 이상의 열처리 사이클은 상기 부재 제조의 다른 단계에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 개개의 라미네이션이 처리될 수 있으며, 또는 상기 라미네이션 적층체가 접착 결합 전 또는 후에 열처리될 수 있다. 많은 다른 매력적인 접착제가 필요한 열처리 온도를 견디지 못하기 때문에, 바람직하게는 상기 열처리가 접합 전에 수행되는 것이다.

상기 비정질 금속의 열처리는 그 금속이 경험하는 요구되는 열 프로파일(profile)을 가져올 수 있도록 어떠한 가열 수단을 채용할 수 있다. 적합한 가열 수단은 적외선 가열 소스, 오븐, 유동화된 베드, 상승된 온도에서 유지된 열 싱크(sink)를 갖는 열적 접촉, 상기 스트립을 통한 전류의 통과에 의한 저항 가열, 그리고 유도(RF) 가열을 포함한다. 가열 수단의 선택은 상기 열거된 요구되는 공정단계의 순서에 의존할 수 있다.

부재에 이용되기에 적합한 어떠한 비정질 합금의 자기 특성은 나노결정질 미 세조직을 형성하기 위하여 상기 합금을 열처리함에 의하여 상당히 향상될 수 있다. 이러한 미세조직은 약 100nm 미만의 평균 크기, 바람직하게는 50nm 미만, 그리고 보다 바람직하게는 약 10~20nm를 갖는 결정립이 높은 밀도로 존재함에 의하여 특징되어 진다. 상기 결정립은 바람직하게는 상기 철계 합금의 적어도 50%의 부피를 차지하는 것이다. 이러한 바람직한 재료는 낮은 코어 손실과 낮은 자기변형을 갖는다. 상기 후자의 특성은 또한 상기 재료가 상기 모터 또는 유도 디바이스의 제조 및/또는 작동시 초래되는 응력에 의하여 자기특성의 하락에 덜 취약하게 한다. 주어진 합금에 나노결정질 구조를 형성하기 위하여 요구되는 열처리는 실질적으로 완전한 유리 미세조직을 그 내부에 유지하도록 디자인된 열처리에서 요구되는 것보다 더 높은 온도에서 더 긴 시간동안 수행되어야 한다. 여기에서 이용된 것처럼, 비정질 금속과 비정질 합금이라는 용어는 초기에 실질적으로 완전한 유리 미세조직을 갖고 이후에 열처리 또는 다른 공정에 의하여 나노결정질 미세조직을 갖는 재료로 변형되는 재료를 추가로 포함한다. 나노결정질 미세조직을 형성하기 위하여 열처리될 수 있는 비정질 합금은 종종 단순히 나노결정질 합금으로 불려진다. 본 방법은 나노결정질 합금이 요구되는 기하학적 형상의 최종 벌크 자기 부재로 형성되는 것을 가능하게 한다. 이러한 형성은 일반적으로 보다 깨지기 쉽고 다루기 어려운 상기 나노결정질 구조를 형성하기 위하여 열처리하기 전에, 상기 합금이 여전히 주조된, 연한, 실질적으로 비-결정질 형태일 동안 유리하게 수행된다.

그 내부에 나노결정질 미세조직의 형성에 의하여 현저히 향상된 자기특성을 갖는 2개의 바람직한 종류의 합금은 하부 첨자가 원자%인 다음의 식에 의하여 주어 진다.

첫번째 바람직한 종류의 나노결정질 합금은 Fe_{100-u-x-y-z-w}R_uT_xQ_yB_zSi_w이며, 여기에서 R은 Ni 및 Co중 적어도 1종이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W중 적어도 1종이며, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt중 적어도 1종이고, u는 약 0~10의 범위이며, x는 약 3~12의 범위이고, y는 약 0~4의 범위이며, z는 약 5~12의 범위이고, 그리고 w는 약 0~8의 범위이다. 이러한 합금이 그 내부에 나노결정질 미세조직을 형성하기 위하여 열처리된 후, 높은 포화 인덕션(예를 들면, 적어도 약 1.5T), 낮은 코어 손실 및 낮은 포화 자기변형(예를 들면, 4×10^-6 미만의 절대값을 갖는 자기변형)을 갖는다. 이러한 합금은 요구되는 파워 레이팅(rating)에서 최소 크기의 디바이스가 요구되는 적용에서 특히 바람직하다.

두번째 바람직한 종류의 나노결정질 합금은 Fe_{100-u-x-y-z-w}R_uT_xQ_yB_zSi_w이며, 여기에서 R은 Ni 및 Co중 적어도 1종이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W중 적어도 1종이며, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt중 적어도 1종이고, u는 약 0~10의 범위이며, x는 약 1~5의 범위이고, y는 약 0~3의 범위이며, z는 약 5~12의 범위이고, 그리고 w는 약 8~18의 범위이다. 이러한 합금이 그 내부에 나노결정질 미세조직을 형성하기 위하여 열처리된 후, 적어도 약 1.0T의 포화 인덕션, 특히 낮은 코어 손실 및 낮은 포화 자기변형(예를 들면, 4×10^-6 미만의 절대값을 갖는 자기변형)을 갖는다. 이러한 합금은 매우 높은 속도의 모터 또는 높은 주파수의 인덕터 또는 변압기 에서와 같이 높은 여기 주파수에서(예를 들면, 1000Hz 또는 그 이상에서) 작동이 요구되는 부재에 이용할때 특히 바람직하다.

벌크 비정질 자기 부재는 다른 철계 자기 금속으로부터 제조된 부재들보다 효율적으로 자화되고 소자(demagnetize)될 것이다. 동작시, 2개의 부재가 동일한 인덕션과 주파수에서 자화될 때 상기 벌크 비정질 금속 부재는 다른 철계 자기 금속으로부터 제조된 비교 부재보다 적은 열을 방출할 것이다. 그러므로 상기 벌크 비정질 금속 부재를 이용한 전기 모터는 다른 철계 자기 금속으로부터 제조된 부재들을 이용하는 전기 모터와 비교할 때, (ⅰ) 보다 낮은 작동 온도에서; (ⅱ) 감소된 크기와 무게를 얻기 위한 보다 높은 인덕션에서; 또는 (ⅲ) 감소된 크기와 무게를 얻거나, 또는 보다 우수한 동작제어(motion control)을 얻기 위한 보다 높은 주파수;에서 작동하도록 디자인될 수 있다.

본 발명의 상기 벌크 비정질 금속 부재와 결합된 모터는 높은 폴 카운트를 갖도록 제조되는 것이 보다 유리하다. 모터의 회전속도는 전기적 여기 주파수와 폴 카운트의 비에 비례한다. 여기에 게시된 낮은 코어 손실 부재를 이용하는 것은 보다 높은 코어 손실이 주어지는 다른 알려진 연자성 재료를 이용한 통상적인 모터에서 가능한 것보다 높은 주파수에서 전기적 여기를 허용한다. 그 결과로, 제조자는 주어진 속도에서 폴 카운트와 여기 주파수의 선택이 보다 더 자유로울 수 있다. 피크 속도에서 허용될 수 있는 코어 손실을 가지며 작동하나, 또한 넓은 범위의 여기 주파수에서 허용될 수 있는 파워 및 토크 성능을 보유하는(그리고 따라서 회전 속도) 높은 폴 카운트 모터가 선택된다. 어떤 적용에 있어서, 이러한 유연성은 로드 (load)가 그 부수적인 복잡성을 갖는 기어박스의 필요성, 서비스 및 효율 하락의 필요없이 바로 유도될 수 있음을 의미한다.

당업계에서 잘 알려진 바와 같이, 코어 손실은 그 자화가 시간에 따라 변화함에 따라, 강자성 재료내 발생하는 에너지의 소실이다. 주어진 자기 부재의 코어 손실은 일반적으로 상기 부재를 반복적으로 여기함에 의하여 결정된다. 시간에 따라 변하는 자기장이 상기 부재에 적용되어 그 내부에 대응하는 시간에 따른 자기 인덕션 또는 플럭스 밀도를 만든다. 측정의 표준화를 위하여, 상기 자기 인덕션은 상기 샘플내에서 균일하며, 주파수 "f"에서 피크 진폭 B_max를 가지고 시간에 따라 사인 곡선적으로 변하는 여기가 일반적으로 선택된다. 이후, 상기 코어 손실은 알려진 전기 측정 기구 및 기술에 의하여 결정된다. 손실은 통상적으로 여기된 자기 재료의 단위 질량 또는 부피당 와트로 보고된다. 손실이 f 및 B_max에 따라 단조롭게 증가하는 것이 당업계에서 알려져 있다. 모터의 부재에 이용되는 연자성 재료의 코어 손실을 시험하기 위한 가장 표준화된 프로토콜(protocols)(예를 들면, ASTM Standards A912-93 및 A927 (A927M-94))은 실질적으로 닫힌 자기 회로, 예를 들면 닫힌 자속 라인이 상기 샘플의 부피내에 완전하게 함유되는 형상과 같이, 에 위치되는 이러한 재료들의 샘플을 요구한다. 한편, 회전자 또는 고정자와 같은 모터 부재에 채용된 자기 재료는 자기적으로 열린 회로, 예를 들면 자속 라인이 에어 갭을 바꾸는 형상과 같이, 에 위치된다. 프린징 자기장 효과(fringing field effects) 와 상기 자기장의 비균일성 때문에, 열린 회로에서 시험된 주어진 재료는 일반적으 로 닫힌-회로 측정에서보다 높은 코어 손실(예를 들면, 보다 큰 단위 질량 또는 부피당 와트의 값)을 보여준다. 본 발명의 상기 벌크 자기 부재는 열린-회로 형상에서 조차 넓은 범위의 플럭스 밀도와 주파수에 걸쳐 낮은 코어 손실을 보여준다.

어떠한 이론에 의하여 제한됨이 없이, 본 발명의 저손실 벌크 비정질 금속 부재의 전체 코어 손실은 히스테리시스손과 와전류손으로부터의 기여를 포함하는 것으로 믿어진다. 이러한 2가지 기여의 각각은 피크 자기 인덕션 B_max과 여기 주파수 f의 함수이다. 비정질 금속에서 코어 손실의 종래 기술 분석(예를 들면, G. E. Fish, J. Appl. Phys. 57, 3569(1985) 및 G. E. Fish et al., J. Appl. Phys. 64, 5370(1988)을 보라)은 일반적으로 닫힌 자기 회로에서 재료에 대하여 얻어진 데이타로 제한되어 왔다.

본 발명의 벌크 자기 부재의 단위 질량당 전체 코어 손실 L(B_max, f)는 다음의 형태를 갖는 함수로 정의될 수 있다.

L(B_max, f) = c₁f(B_max)ⁿ + c₂f^q(B_max)^m

여기에서 상기 계수 c₁ 및 c₂와, 지수 n, m 및 q는 모두 경험적으로 결정되며, 그들의 값을 간단하게 결정하는 알려진 이론은 없다. 이러한 식의 이용은 본 발명의 벌크 자기 부재의 전체 코어 손실이 어떤 요구되는 작동 인덕션과 여기 주파수에서 결정되도록 허용한다. 많은 자기 디바이스, 특히 모터 회전자 또는 고정자의 특정한 형상에 있어서, 그 내부의 자기장이 공간적으로 균일하지 않음은 일반 적으로 알려져 있다. 유한 원소 모델링과 같은 기술은 실제 모터 또는 발전기에서 측정된 플럭스 밀도 분포를 가까이 근사시키는 상기 피크 플럭스 밀도의 공간적 및 시간적 변화의 측정을 제공하기 위하여 당업계에서 알려져 있다. 공간적으로 균일한 플럭스 밀도하에서 주어진 재료의 자기 코어 손실을 부여하는 적합한 경험식을 입력으로 이용하여, 이러한 기술은 상기 부재 부피에 걸쳐서 수치적으로 적분함으로써 합당한 정확도를 가지며 예측되는 그 작동 형상에서 주어진 부재의 대응하는 실제 코어 손실을 허용한다.

본 발명의 자기 부재의 코어 손실의 측정은 당업계에서 알려진 다양한 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 본 부재를 측정하기에 특히 적합한 방법은 다음과 같이 설명될 수 있다. 상기 방법은 본 발명의 자기 부재를 갖는 자기 회로 및 플럭스 닫힘 구조 수단을 형성하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 상기 자기 회로는 다수의 본 발명의 자기 부재와 플럭스 닫힘 구조 수단(flux closure structure means)을 포함할 수 있다. 상기 플럭스 닫힘 구조 수단은 바람직하게는 높은 투자율 및 상기 부재가 시험된 플럭스 밀도와 적어도 같은 포화 플럭스 밀도를 갖는 연자성 재료를 포함한다. 바람직하게는, 상기 연자성 재료는 상기 부재의 포화 플럭스 밀도와 적어도 같은 포화 플럭스 밀도를 갖는다. 상기 부재가 시험되는 방향을 따르는 상기 플럭스 방향은 일반적으로 상기 부재의 제 1 및 제 2 배향된 페이스(face)로 정의한다. 일반적으로, 플럭스 라인은 제 1 배향된 페이스의 면에 수직한 방향으로 상기 부재에 들어간다. 상기 플럭스 라인은 상기 비정질 금속 스트립의 면을 따르며, 상기 제 2 배향된 페이스로부터 등장한다. 상기 플럭스 닫힘 구조 수단은 일반적으로 본 발명에 따라 바람직하게 제조되었으나, 또한 당업계에 알려진 다른 방법 및 재료로 만들어진 플럭스 닫힘 자기 부재를 포함한다. 상기 플럭스 닫힘 자기 구조는 또한 그 각각의 면에 일반적으로 수직인, 플럭스 라인이 들어가고 나오는 제 1 및 제 2 배향된 페이스를 갖는다. 페이스들과 배향된 상기 플럭스 닫힘 부재는 실제 시험동안 상기 플럭스 닫힘 부재가 짝을 이루는 자기 부재의 각각의 페이스들과 실질적으로 같은 크기 및 모양이다. 상기 플럭스 닫힘 자기 부재는 각각 본 발명의 자기 부재의 제 1 및 제 2 페이스에 실질적으로 근접하고, 가까이 인접한 제 1 및 제 2 페이스와 짝을 이루도록 놓여진다. 본 발명의 자기 부재 또는 상기 플럭스 닫힘 자기 부재중 어느 하나를 감싸는 제 1 와인딩을 통하여 전류가 통과함으로써, 기자력이 적용된다. 상기 플럭스 밀도 결과는 시험된 자기 부재를 감싸는 제 2 와인딩에서 유도된 전압으로부터 패러데이 법칙에 의하여 결정된다. 상기 적용된 자기장은 기자력으로부터 앙페르의 법칙에 의하여 결정된다. 이후, 상기 코어 손실이 적용된 자기장 및 통상적인 방법에 의한 플럭스 밀도 결과로부터 계산된다.

도 6을 살펴보면, 플럭스 닫힘 구조 수단을 요구하지 않는 상술한 시험 방법의 하나의 형태를 수행하기 위한 조립체(60)를 예시한다. 조립체(assembly, 60)는 본 발명의 4개의 아치형 벌크 비정질 금속 자기 부재(200)를 포함한다. 상기 부재(200) 각각은 도 4b에 묘사된 형태의 아치형 표면(210)을 갖는 90˚호에 대하여 실제적으로 동일한 원형(circular), 환형(annular), 실린더형 조각이다. 각각의 부재는 제 1 배향된 페이스(66a)와 제 2 배향된 페이스(66b)를 갖는다. 상기 부재(200) 는 원형 실린더 형태를 일반적으로 갖는 조립체(60)를 형성하기 위하여 관계를 짝지우도록 위치된다. 각각의 부재(200)의 제 1 배향된 페이스(66a)는 그에 인접한 상기 부재(200)의 대응하는 제 1 배향된 페이스(66a)에 근접하여 위치되고, 일반적으로 평행하게 놓여진다. 따라서, 4개 세트의 부재(200)의 인접한 페이스는 조립체(60)의 주변에 동등하게 놓여진 4개의 갭(64)으로 정의된다. 부재(200)의 인접 관계는 밴드(62)에 의하여 보호될 수 있다. 조립체(60)는 4개의 투과성 세그먼트(하나의 부재(200)를 포함하는 각각)과 4개의 갭(64)을 갖는 자기 회로를 형성한다. 2개의 구리 와이어 와인딩(도시되지 않음)은 상기 조립체(60)를 통하여 트로이달 형상으로 권선된다. 적당한 크기의 교류 전류가 상기 필요한 주파수와 피크 플럭스 밀도에서 조립체(60)를 여기하는 기자력을 제공하기 위하여 상기 제 1 와인딩을 통과한다. 상기 플럭스 라인 결과는 스트립(20)의 면내부에 일반적으로 위치되며, 원주방향으로 향한다. 각각의 부재(200)내부에 시간에 따라 변하는 플럭스 밀도의 전압 지시가 상기 제 2 와인딩에 유도된다. 전체 코어 손실이 전압과 전류의 측정된 값으로부터 통상적인 전자 수단에 의하여 결정되며, 상기 4개의 부재(200)사이에 균등하게 분배된다.

본 발명의 또 다른 관점에 있어서, 상기 낮은 손실의 벌크 비정질 금속 자기 부재는 유도 디바이스에 유익하게 결합된다. 도 7a를 상세하게 살펴보면, 포함된 공기갭(660)을 갖는 토로이드 형태의 싱글 벌크 비정질 금속 부재로 이루어지는 자기코어(650)를 포함하는 본 발명의 유도 디바이스를 나타낸다. 도 7b에서 가장 잘 시각화되었듯이, 실질적으로 유사한 형태를 갖는 다수의 평면층(planar layers, 652)은 비정질 금속 스트립으로부터 절단된다. 상기 층들은 이후 적층되고, 바르게 맞춰지며, 접착제로 접착된다. 즉, 층들(652)은 그들 각각의 내부 및 외부 에지(656, 654) 및 슬롯(657)이 평탄한 거의 실린더 형태의 내부 및 외부 표면을 형성하기 위하여 일반적으로 배열된다. 이러한 레지스트레이션(registration)은 각각의 층(652)이 상기 적층에 순차적으로 더해질때 수행될 수 있다. 또한, 상기 층들은 적층이 완료된 후 그룹으로 배열될 수 있다. 상기 배열된 슬롯은 합쳐져 스페이서(도시되지 않음)가 페이스(658 및 658') 사이에 부가적으로 삽입되는 공기갭(660)을 형성한다.

각각의 상기 층들은 외부 에지(654) 및 내부 에지(656)를 갖는 거의 환상(annular shape)을 갖는다. 외부 에지(654)로부터 내부 에지(656)로 신장하는 슬롯(657)은 각각의 층(652)에 형성된다. 슬롯(657)의 폭은 적합한 소자 요소(demagnetizing factor)가 최종 코어(650)에서 얻어지도록 선택된다. 상기 층들(652)은 접착제에 의하여, 바람직하게는 낮은 점도의 에폭시(662)를 주입함에 의하여 접합된다. 묘사된 상기 관점에 있어서, 상기 층들은 원형의 고리이나, 다른 비-원형 형상이 또한 가능하며, 예를 들면 타원형, 레이스트랙, 일정 면비의 정사각형 및 직사각형 사진 프레임 형상이 가능하다. 어떠한 실시예들에서 상기 층들의 내부 또는 외부 최고점은 선택적으로 방사상(radiused)이다. 슬롯(657)은 반지름방향을 향하는 것으로 나타내나, 내부 에지(656)로부터 외부 에지(654)로 신장하는 어떠한 오리엔테이션에 또한 형성될 수 있다. 또한, 슬롯(657)은 묘사된 것처럼 거의 직사각형 형태로 형성될 수 있으며, 또는 상기 코어의 B-H루프상에 다른 바람직한 효과 를 얻기 위하여 뾰족해지거나(tapered) 등고선형태일(contoured) 수 있다. 본 발명의 상기 유도 디바이스의 구조는 상기 코어상에 적어도 하나의 토로이드 형태의 와인딩(도시되지 않음) 설비를 추가적으로 포함한다.

상대적으로 쉽게 자동화되고, 빈틈없는 재생산이 가능한 디멘션으로 조절된 상기 최종 층들을 공급하기 때문에, 본 발명의 선택적인 에칭공정은 작은 부분을 제조하기에 특히 바람직하다. 차례로, 이러한 조절은 균일하게 크기가 조절된 라미네이션을 포함하며, 그것에 의하여 잘 정의되고 균일한 자기 특성을 갖는 코어들의 큰-스케일의 제조를 허락한다. 원래부터 굽은 스트립으로부터 나선의 구조를 초래하는 압축력 및 인장력이 평평한 라미네이션에 존재하지 않는다는 점에서 본 제조방법은 테이프-권선된 코어 구조보다 추가적인 장점을 제공한다. 절단, 펀칭, 에칭 및 이와 유사한 것이 초래하는 어떠한 응력은 각각의 라미네이션의 주변 또는 그 근처의 작은 영역에 갇힐 것이다.

본 발명의 또 다른 관점에 있어서, 유사한 제조공정이 그들이 식별될 수 있는 "C", "U", "E" 및 "I"와 같은 어떠한 블록 문자의 형태와 거의 유사한 전체 형태를 가질 수 있는 벌크 비정질 금속 자기부재에 결합되는 층들을 형성하기 위하여 이용된다. 각각의 부재들은 다수의 비정질 금속 평면층을 포함한다. 상기 층들은 실질적으로 동일한 높이와 팩킹 밀도로 적층되고, 잘 맞도록 맞춰지며, 본 발명의 유도 디바이스를 위한 상기 부재들을 형성하기 위하여 같이 접합된다. 본 디바이스의 다중-부재 실시예들은 안전 수단과 인접한 상기 부재들을 보호하기 위하여 조립되며, 그것에 의하여 적어도 하나의 자기 서킷이 형성된다. 상기 조립된 형상에 있 어서, 모든 상기 부재들내 비정질 금속 스트립의 층들은 실질적으로 평행한 평면에 놓인다. 각각의 상기 부재들은 다른 부재들상에 다수의 보완적인 짝을 이루는 페이스와 인접하고 평행한 적어도 2개의 짝을 이루는 페이스(faces)를 갖는다. 몇개의 형태, 예를 들면, C, U 및 E 형태는 거의 실질적으로 동일한-평면인 짝을 이루는 페이스에서 끝이 난다. 상기 I(또는 직사각형 프리즘형태) 형태는 그것의 배향하는 단부에 2개의 평행한 짝을 이루는 페이스, 또는 그것의 긴 상에 하나 이상의 짝을 이루는 페이스, 또는 그 두가지 모두를 가질 수 있다. 바람직하게 상기 짝을 이루는 페이스는 코어 손실을 최소화하기 위하여 상기 부재를 구성하는 리본의 평면과 실질적으로 수직하다. 본 발명의 몇몇 실시예들은 상기 부재의 연신된 방향의 형상에 대하여 연귀 이음된(mitered) 짝을 이루는 페이스를 갖는 벌크 자기부재를 추가로 포함한다.

본 발명의 몇몇 실시예들에 있어서, 싱글 자기 서킷을 갖는 상기 유도 디바이스를 제조할 때, 2개의 짝을 이루는 페이스를 각각 갖는 2개의 자기부재가 이용된다. 다른 관점들에 있어서, 상기 부재들은 2개 이상의 짝을 이루는 페이스를 가지며, 또는 상기 디바이스들은 2개 이상의 부재들을 갖는다; 따라서, 이러한 몇몇의 실시예들은 하나 이상의 자기 서킷을 또한 제공한다. 여기에 이용된 것처럼, 자기 서킷이란 용어는 상기 자기 서킷의 적어도 일부분을 둘러싸는 전류-전달 와인딩에 의하여 발생되는 기자력의 부과(imposition)에 의한 흐름에 자기 플럭스의 연속적인 선이 영향을 미치는 경로를 말한다. 닫힌 자기 서킷은 플럭스가 자기 재료의 코어 내에 독점적으로 놓이는 것이며, 반면에 열린 서킷에서 상기 플럭스 경로의 일부는 상기 코어 재료의 외부에 놓이며, 예를 들면 상기 코어의 부분들 사이의 공기갭 또는 비자기 스페이서를 가로질러 놓인다. 본 발명의 디바이스의 자기 서킷은 바람직하게는 상대적으로 닫히며, 상기 플럭스 경로는 상기 디바이스의 상기 부재들의 자기 층들내에 주도적으로 놓이나, 또한 각각의 부재들의 인접한 짝을 이루는 페이스사이의 적어도 2개의 공기갭을 가로질러 놓인다. 상기 서킷의 개구부(openness)는 상기 공기갭 및 상기 자기적으로 투과할 수 있는 코어 재료에 의하여 부여된 전체 자기 저항의 분율에 의하여 특정될 수 있다. 바람직하게, 본 디바이스의 자기 서킷은 상기 갭 기여도가 상기 투과할 수 있는 부재의 기여도의 최대 10배인 자기저항을 갖는다.

부가적으로, 상기 부재의 제조는 상기 부재상에 짝을 이루는 페이스를 마련하는 단계를 포함하며, 상기 페이스는 실질적으로 평면이고 상기 구성되는 층들과 수직이다. 필요하다면, 상기 페이스를 마련하는 단계는 상기 짝을 이루는 페이스를 정련하고 어떠한 울퉁불퉁함(asperities) 또는 비평면을 제거하는 평탄화(planing) 오퍼레이션을 포함할 수 있다. 상기 평탄화는 바람직하게는 밀링, 표면 그라인딩, 절단, 폴리싱, 화학적 에칭 및 전기화학적 에칭, 또는 평탄한 짝을 이루는 표면을 제공하기 위한 유사한 오퍼레이션중 적어도 하나를 포함한다. 상기 평탄화 단계는 상기 비정질 금속층의 불완전한 레지스트레이션(registration)에 어떠한 영향을 주기위하여, 부재의 상에 위치된 짝을 이루는 페이스에 특히 적합하다.

도 8을 상세하게 살펴보면, "C"-형태의 자기부재(32)와 "I"-형태의 자기부재(33)를 포함하는 본 발명의 "C-I" 형태의 유도 디바이스(30)의 하나의 형태가 일반 적으로 묘사된다. "C" 부재(32)는 제 1 다리(29) 및 제 2 다리(44)를 추가로 포함하며, 각각은 백포션(back portion, 34)의 동일한 면으로부터 수직하게 신장하고, 각각 제 1 직사각형 형태의 짝을 이루는 페이스(43) 및 제 2 직사각형 형태의 짝을 이루는 페이스(45)에서 끝난다. 상기 짝을 이루는 페이스는 거의 실질적으로 같은 평면이다. 다리(29, 44)는 백포션(34)의 의 배향하는 말단부에 매달려있다. "I" 부재(33)는 제 1 직사각형 형태의 짝을 이루는 페이스(42) 및 제 2 직사각형 형태의 짝을 이루는 페이스(46)를 갖는 직사각형 프리즘이며, 상기 2개의 페이스는 부재(33)의 동일한 면에 위치된다. 상기 짝을 이루는 페이스(42, 46)는 부재(32)의 다리(29, 44)의 말단부에서 상기 각각의 짝을 이루는 페이스(43, 45)를 보완하는 크기 및 그들 사이의 간격을 갖는다. 각각의 다리(29, 44), 상기 다리사이의 백포션(34) 및 I 부재(33)는 거의 직사각형 형상의 단면을 가지며, 상기 3가지 모두 바람직하게는 실질적으로 같은 높이, 폭 및 효과적인 자기 면적을 갖는다. 효과적인 자기 면적은 자기 재료에 의하여 차지되는 기하학적 단면내 영역을 의미하며, 이는 전체 기하학적 면적과 라미네이션 분율의 곱과 같다. 당업계에서 알려진 바와 같이, 하나 이상의 와인딩이 C-부재(32)의 각각의 다리(29, 44) 상의 와인딩(47, 48)과 같이, 디바이스(30)의 부재에 적용될 수 있다. 또한, 와인딩은 도시되지 않은 실시예에서 I-부재(33)상에 위치될 수 있다.

도 9~11은 "E" 및 "I" 형태를 갖는 구성 부재들을 포함하는 "E-I" 디바이스(80)를 제공하는 본 발명의 관점들을 묘사한다. E 부재(82)는 강자성 금속 스트립으로부터 마련된 다수의 층들을 포함한다. 각각의 층은 실질적으로 동일한 E-형태 를 갖는다. 상기 층들은 실질적으로 두께가 균일하고, 백포션(84)과, 중앙 다리(86), 제 1 다리(90) 및 제 2 다리(94)를 갖는 E 부재(82)를 형성하기 위하여 같이 접합된다. 각각의 중앙 다리(86) 및 다리(90, 94)는 백포션(84)의 동일면으로부터 수직하게 신장하며, 각각 직사각형 페이스(87, 91, 95)에서 끝난다. 중앙 다리(86)는 백포션(84)의 중앙에 매달려 있고, 반면에 다리(90, 94)는 백포션(84)의 동일한 면의 배향하는(opposite) 말단에 각각 매달려 있다. 중앙 다리(86) 및 다리(90, 94)의 길이는 상기 각각의 페이스(87, 91, 95)가 실질적으로 동일한 면에 있기 위해서, 거의 실질적으로 동일하다. 도 10에 의하여 묘사된 것처럼, 중앙 다리(86) 및 각각의 다리(90, 94)의 사이에 백포션(84)의 단면 A-A는 적층된 층들의 높이에 의하여 정의되는 두께와 각각의 층들의 폭에 의하여 정의되는 폭을 갖는 실질적으로 직사각형이다. 바람직하게, 단면 A-A에서 백포션(84)의 폭은 상기 페이스(87, 91, 95)중 어떠한 것과 적어도 폭이 같게 선택된다.

I 부재(81)는 직사각형의 프리즘 형태를 가지며, E 부재(82)에서의 층들과 동일한 강자성 금속 스트립을 이용하여 마련된 다수의 층들을 포함한다. 상기 층들은 실질적으로 균일한 두께를 갖는 I 부재(81)를 형성하기 위하여 같이 접합된다. I 부재(81)는 단면 A-A에서 백포션(84)의 두께 및 폭과 실질적으로 동일한 두께 및 폭을 가지며, 상기 다리(90, 94)의 외부 표면 사이에서 측정된 E 부재(82)의 길이와 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. I 부재(81)의 하나의 상 그것의 중앙에 중앙의 짝을 이루는 페이스(88)가 제공되며, 반면에 제 1 엔드 짝을 이루는 페이스(92) 및 제 2 엔드 짝을 이루는 페이스(96)가 부재(81)의 동일한 면의 배향하는 끝에 위 치된다. 각각의 짝을 이루는 페이스(87, 91, 95)는 각각의 보완적인 페이스(88, 92, 96)와 크기가 실질적으로 동일하다.

도 9 및 11에 의하여 추가적으로 묘사된 바와 같이, 디바이스 조립체(80)는 (ⅰ) 부재(82 또는 81)의 하나 이상의 부분을 감싸는 와인딩(77, 78, 79)과 같이 하나 이상의 전기적 와인딩을 제공하는 단계; (ⅱ) E 부재(82) 및 I 부재(81)를 가깝게 인접하도록 그리고 그 안의 모든 층들이 실질적으로 평행한 면에 놓이도록 배열하는 단계; 그리고 (ⅲ) 병치된 관계로 부재(81 및 82)를 기계적으로 보호하는 단계를 포함한다. 부재(82 및 81)는 페이스(87 및 88, 91 및 92, 그리고 95 및 96)가 각각 근접하도록 배열된다. 상기 각각의 페이스사이의 스페이스는 실질적으로 동일한 두께를 갖는 3개의 공기갭으로 정의된다. 스페이서(89, 93 및 97)는 디바이스(80)에서 각각의 상기 자기 서킷의 자기저항 및 에너지 저장 능력을 증가시키기 위하여 이러한 갭에 선택적으로 위치된다. 또한, 상기 각각의 페이스는 상기 공기갭을 최소화하고 상기 초기 인덕턴스를 증가시키기 위하여, 친밀한 짝을 이루는 접촉을 낳을 수 있다.

상기 "E-I" 디바이스(80)는 제 1 와인딩과 제 2 와인딩을 갖는 단상 변압기에 결합될 수 있다. 하나의 이러한 실시에 있어서, 와인딩(79)은 제 1 와인딩으로, 그리고 연속적으로-도와주도록 연결된 와인딩(77 및 78)은 제 2 와인딩으로 간주되다. 이러한 실시에 있어서, 각각의 다리(90 및 94)의 폭이 중앙 다리(86)의 폭의 적어도 절반임이 바람직하다.

도 9~11의 실시는 "E-I" 디바이스(80)에서 점선(51, 52 및 53)으로 나타낸 경로를 개략적으로 갖는 3개의 자기 서킷을 제공한다. 결과로써, 디바이스(80)는 3개의 상중 하나의 경우 각각의 3개의 다리가 와인딩을 갖는 3-상 인덕터로 이용될 수 있다. 또 다른 실시에 있어서, "E-I" 디바이스(80)는 상기 상들중 하나의 경우 각각의 다리가 제 1 와인딩과 제 2 와인딩을 갖는 3상-변압기로 이용될 수 있다. 3-상 서킷에 이용하려는 E-I 디비아스의 대부분의 실시에 있어서, 상기 다리(86, 90 및 94)는 상기 3상과 더 잘 맞춰지기 위하여 같은 폭인 것이 바람직하다. 어떤 특별화된 디자인에 있어서, 상기 다른 다리들은 다른 단면, 다른 갭 또는 다른 수의 회전수를 가질 수 있다. 다양한 다상 적용에 적합한 다른 형태가 당업계에서 통상적인 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

다음의 실시예는 본 발명의 보다 완전한 이해를 제공하기 위하여 표현된다. 본 발명의 원리 및 실시를 예시하기 위하여 제시된 특정한 기술, 조건, 재료, 비율 및 보고된 데이타는 대표적인 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해되지는 않는다.

실시예1

비정질 금속 고정자의 준비 및 시험

인사이드-아웃 스핀들 드라이브 전기 모터를 위한 비정질 금속 고정자의 라미네이션이 약 22㎛ 두께의 Fe₈₀B₁₁Si₉ 비정질 금속 리본으로부터 선택적인 에칭 공정(phothlithographic etching process)에 의하여 절단된다. 각각의 라미네이션은 도 5d에 일반적으로 묘사된 것처럼 일반적으로 트로이달 형상을 갖는 중앙의 환형모양 영역과 상기 중앙의 환형모양 영역의 외부에 빙둘러 있는 다수의 티쓰(teeth)를 포함한다. 상기 환형모양 영역은 각각 약 9 및 11의 대략적인 내부 및 외부 직경을 가진다. 상기 티쓰의 주변에서 측정된 상기 부재의 외부 직경은 약 25mm이다. 상기 라미네이션은 그 연자기 특성을 향상시키기 위하여, 350~400℃의 온도에서 0.5~3시간동안 열처리된다. 이후, 약 120 라미네이션이 적층되어 약 4.2mm의 높이를 갖는 일반적으로 실린더 구조를 형성한다. 상기 적층체는 인접한 라미네이션사이의 공간에 함침되고 침투되도록 하는 낮은 점도의 열적으로 활성화된 에폭시에 침적된다. 이용된 에폭시는 적절한 점도를 얻기 위하여 아세톤과 부피비로 1:5로 희석된 Epoxylite™ 8899이다. 상기 적층체는 고정물(fixture)에 고정되며, 상기 적층체의 팩킹 밀도를 향상시키기 위하여 약 4mm의 높이로 가볍게 압축되었다. 이후 함침된 적층체는 상기 에폭시 수지 용액을 활성화하고 경화하기 위하여 약 177℃의 온도로 대략 2.5시간동안 노출된다. 냉각된 후, 상기 적층체는 상기 고정물로 부터 제거되며, 인사이드-아웃 모터내 이용하기에 적합한 고정자를 형성하기 위하여 3M ScotchCast™ 전기적 수지 5133으로 전기이동적으로 코팅된다.

상기 고정자의 자기 특성은 상기 중앙의 고리모양 영역을 둘러싸는 주 및 부(primary and secondary) 전기적 와인딩을 첨부하여 시험된다. 상기 주 와인딩은 필요한 주파수와 진폭의 AC 전류의 소스에 의하여 여기된다; 상기 플럭스가 상기 중앙의 환형모양 영역에서 완전하게 전달되며, 그들의 뿌리 근처 티쓰에 전달되는 어떠한 플럭스는 효과적으로 무시한다고 가정할 때, 달성된 피크 플럭스 밀도는 상 기 부 와인딩을 가로질러 나타나는 유도된 전압으로부터 계산된다. 상기 여기는 정의된 주파수와 플럭스 밀도의 일련의 시험 포인트를 제공하기 위하여 조절된다. 코어 손실은 Yokogawa 2532 와트미터로 측정된다.

이러한 실시예에서 상기 고정자 코어는 DC로부터 적어도 2kHz까지의 주파수 범위에서 유익하게 낮은 코어 손실을 보여준다. 특히, 50Hz(0.05kHz)에서의 손실은 1.0T에서 약 0.21 W/kg이다; 400Hz(0.4kHz)에서의 손실은 1.0T에서 약 1.6 W/kg이고 1.3T에서 2.8 W/kg이다; 800Hz(0.8kHz)에서의 손실은 1.0T에서 약 3.3 W/kg이고 1.3T에서 5.7 W/kg이다; 그리고 2000Hz(2kHz)에서의 손실은 1.0T에서 약 9.5 W/kg이고, 1.3T에서 14.8 W/kg이다.

상기 고정자 코어의 손실 거동은 L(B_max, f)=c₁f(B_max)ⁿ+c₂f^q(B_max)^m 형태의 함수를 이용하여 묘사될 수 있음을 또한 주목한다. 특히, 상기 고정자의 손실은 함수 L=0.005f(B_max)^1.5+0.000012f^1.5(B_max)^1.6을 이용하여 예측된 값보다 작다.

얻어진 낮은 값의 코어 손실은 상기 고정자 코어가 상기 전기적 주파수가 1~2 kHz이거나 또는 그 이상인 고 회전속도 모터에 이용되는 경우 특히 적합하게 한다.

실시예2

나노결정질 합금 직사각형 프리즘의 준비

인사이드-아웃 스핀들 드라이브 모터의 고정자를 위한 라미네이션이 대략 30mm의 폭과 0.018mm의 두께의 Fe_73.5Cu₁Nb₃B₉Si_13.5 비정질 금속 리본을 사진식각함으로써 마련된다. 각각의 라미네이션은 도 5d에 일반적으로 묘사된 것처럼, 일반적으로 환형을 갖는 중앙의 환형모양 영역과 상기 중앙의 환형모양 영역의 외부에 방사상으로 걸쳐있는 다수의 티쓰(teeth)를 포함한다. 상기 중앙의 영역은 각각 약 9 및 11mm의 대략적인 내부 및 외부 직경을 갖는다. 상기 티쓰의 외주에서 측정된 상기 부재의 외부 직경은 약 25mm이다. 상기 라미네이션은 상기 비정질 금속에서 나노결정질 미세조직을 형성하기 위하여 열처리된다. 상기 어닐링은 다음의 단계들을 실행함에 의하여 수행된다: 1) 580℃까지 상기 파트를 가열하는 단계; 2) 대략 580℃의 온도에서 대략 1시간동안 유지하는 단계; 및 3) 대기온도에서 상기 파트를 냉각하는 단계. 이후 약 160개의 열처리된 라미네이션이 적층되어 약 4.2mm의 높이를 갖는 일반적으로 실린더 구조를 형성하며, 그리고 인접한 라미네이션사이의 공간에 함침되고 침투되도록 하는 낮은 점도의 열-활성화된 에폭시에 침적된다. 이용되는 상기 에폭시는 적절한 점도를 얻기 위하여 아세톤과 부피비로 1:5로 희석된 Epoxylite™ 8899이다. 상기 적층체는 고정물(fixture)에 고정되며, 상기 적층체의 팩킹 밀도를 향상시키기 위하여 약 4mm의 높이로 가볍게 압축되었다. 이후 함침된 적층체는 상기 에폭시 수지 용액을 활성화하고 경화하기 위하여 약 177℃의 온도로 대략 2.5시간동안 노출된다. 냉각된 후, 상기 적층체는 상기 고정물로부터 제거되며, 인사이드-아웃 모터내 이용하기에 적합한 고정자를 형성하기 위하여 3M ScotchCast™ 전기적 수지 5133으로 전기이동적으로 코팅된다.

상기 고정자의 자기 특성은 상기 중앙의 고리모양 영역을 둘러싸는 주 및 부(primary and secondary) 전기적 와인딩을 첨부하여 시험된다. 상기 주 와인딩은 필요한 주파수 및 진폭의 AC 전류의 소스에 의하여 여기된다; 상기 플럭스가 상기 중앙의 고리모양 영역에서 완전하게 전달되며, 그들의 뿌리 근처 티쓰에 전달되는 어떠한 플럭스는 효과적으로 무시한다고 가정할 때, 달성된 피크 플럭스 밀도는 상기 부 와인딩을 가로질러 나타나는 유도된 전압으로부터 계산된다. 상기 여기는 앞서 언급한 가정에 따라 결정된 정의된 주파수 및 플럭스 밀도의 필요한 시험 포인트를 제공하기 위하여 조절된다. 코어 손실은 Yokogawa 2532 와트미터로 측정된다.

상기 나노결정질 합금 고정자는 낮은 코어 손실을 보여준다. 특히, 50Hz(0.05kHz)에서의 손실은 1.0T에서 약 0.21 W/kg이다; 400Hz(0.4kHz)에서의 손실은 1.0T에서 약 1.6 W/kg이고 1.3T에서 2.8 W/kg이다; 800Hz(0.8kHz)에서의 손실은 1.0T에서 약 3.3 W/kg이고 1.3T에서 5.7 W/kg이다; 그리고 2000Hz(2kHz)에서의 손실은 1.0T에서 약 9.5 W/kg이고, 1.3T에서 14.8 W/kg이다. 결과로써, 상기 고정자는 고속도 고효율 전기모터에 이용하기에 적합하게 된다.

따라서, 본 발명은 보다 상세하게 설명되기는 하였으나, 이러한 상세함에 엄격하게 제한될 필요는 없으며, 다양한 변화 및 변경이 당업계에서 통상적인 지식을 가진 자가 제안할 수 있고, 이러한 제안은 후속하는 청구항에 의하여 정의되는 본 발명의 범위내에 포함되는 것으로 이해될 수 있을 것이다.

Claims (50)

1. 다면체 형상 부분을 형성하기 위하여 접착제에 의해 함께 라미네이트된 실질적으로 유사한 형상의 복수의 비정질금속 스트립 층들을 포함하여 구성되며,

   여기 주파수(excitation frequency) "f"에서 피크(peak) 인덕션 레벨 "B_max"로 작동될 때, 약 "L" 미만의 코어 손실을 갖는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.

   여기에서, L은 식 L=0.005 f(B_max)^1.5 + 0.000012f^{1 .5}(B_max)^1.6으로 정의되며, 상기 코어 손실, 여기 주파수 및 피크 인덕션 레벨은 각각 kg당 와트, 헤르쯔, 및 테슬라(tesla)로 측정됨.
2. 제 1항에 있어서, 상기 비정질금속 스트립 각각이,

   식: M_{70 -85} Y_{5 -20} Z_{0 -20}, 아래 첨자는 원자%, 여기에서, "M"은 Fe, Ni 및 Co중 적어도 1종이고, "Y"는 B, C 및 P중 적어도 1종이며, 그리고 "Z"는 Si, Al 및 Ge중 적어도 1종임; 그리고 (ⅰ)성분 "M"의 10원자%까지가 금속 종(metallic species) Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta 및 W중 적어도 1종으로 대체될 수 있고, (ⅱ)성분 (Y+Z)의 10원자%까지가 비-금속 종(non-metallic specise) In, Sn, Sb 및 Pb중 적어도 1종으로 대체될 수 있음, 로 정의되는 조성을 가지는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
3. 제 2항에 있어서, 상기 M 성분은 실질적으로 Fe이고, 상기 Y성분은 실질적으로 B이며, 그리고 상기 Z성분은 실질적으로 Si인 것을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
4. 제 2항에 있어서, 상기 강자성 비금질금속 스트립 각각은 적어도 70원자% Fe, 적어도 5원자% B, 그리고 적어도 5원자% Si을 포함하며, B와 Si의 전체 함량이 적어도 15원자%인 조성을 가짐을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
5. 제 4항에 있어서, 상기 스트립 각각은 Fe₈₀B₁₁Si₉로 정의되는 조성을 가짐을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
6. 제 2항에 있어서, 상기 비정질금속 스트립은 그 내부에 나노결정질 미세조직을 형성하기 위해 열처리되어짐을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
7. 제 6항에 있어서, 상기 비정질금속 스트립 각각이,

   식 Fe_{100 -u-x-y-z- w}R_uT_xQ_yB_zSi_w, 여기에서, R은 Ni와 Co중 적어도 1종이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W중 적어도 1종이며, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt중 적어도 1종이고, u는 약 0~10의 범위이며, x는 약 3~12의 범위이고, y는 약 0~4의 범위이며, z는 약 5~12의 범위이고, 그리고 w는 약 0~8의 범위임, 로 정의되는 조성을 가짐을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
8. 제 6항에 있어서, 상기 비정질금속 스트립 각각이,

   식 Fe_{100 -u-x-y-z- w}R_uT_xQ_yB_zSi_w, 여기에서, R은 Ni과 Co중 적어도 1종이고, T는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W중 적어도 1종이며, Q는 Cu, Ag, Au, Pd 및 Pt중 적어도 1종이고, u는 약 0~10의 범위이며, x는 약 1~5의 범위이고, y는 약 0~3의 범위이며, z는 약 5~12의 범위이고, 그리고 w는 약 8~18의 범위임, 로 정의되는 조성을 가짐을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
9. 제 1항에 있어서, 상기 벌크 비정질금속 자기 부재는 적어도 상기 전기 모터의 고정자 부분을 포함함을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
10. 제 1항에 있어서, 상기 벌크 비정질금속 자기 부재는 적어도 상기 전기 모터의 회전자 부분을 포함함을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
11. 제 1항에 있어서, 상기 비정질금속 자기 부재는, 대략 400Hz의 주파수와 대략 1.3T의 자속밀도에서 작동될 때, 대략 2.8W/kg과 동일하거나 그 미만의 비정질금속 재료의 코어 손실을 가짐을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
12. 제 1항에 있어서, 상기 비정질금속 자기 부재는, 대략 800Hz의 주파수와 대략 1.3T의 자속밀도에서 작동될 때, 대략 5.7W/kg과 동일하거나 그 미만의 비정질금속 재료의 코어 손실을 가짐을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
13. 제 1항에 있어서, 상기 비정질금속 자기 부재는, 대략 2,000Hz의 주파수와 대략 1.0T의 자속밀도에서 작동될 때, 대략 9.5W/kg과 동일하거나 그 미만의 비정질금속 재료의 코어 손실을 가짐을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
14. 제 1항에 있어서, 상기 접착제는 일액형 및 이액형 에폭시(one and two part epoxies), 니스, 무기 접착제(anaerobic adhesives), 시아노아크릴레이트 및 상온 가황처리한(room-temperature-vulcanized, RTV) 실리콘 재료로 이루어진 그룹중 선택된 적어도 하나의 맴버로 조성된 것임을 특징으로 하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
15. 제 14항에 있어서, 상기 부재가 상기 접착제에 의해 함침되어지는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
16. 제 15항에 있어서, 상기 라미네이션의 접합을 향상시키기 위해 함침흐름 개선수단(impregnant flow enhancement means)을 추가로 포함하는 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
17. 제 14항에 있어서, 상기 접착제가 저점도 에폭시인 전기 모터용 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재.
18. a)적어도 하나의 에어갭을 갖는 자기 회로를 가지며, 적어도 하나의 저손실 벌크 비정질금속 자기부재를 포함하는 자기 코어;

    b)적어도 상기 자기 코어의 일부를 둘러싸는 적어도 하나의 전기적인 와인딩(electrical windings);

    c)상기 부재는 다면체 형상 부분을 형성하기 위해, 적층, 레지스터되고, 그리고 접착제와 함께 접합된 실질적으로 유사한 형상의 복수의 평면상 비정질금속 스트립들의 층들을 포함하며; 및

    d)그 디바이스가 5kHz의 여기 주파수(excitation frequency) "f"에서 0.3T의 피크(peak) 인덕션 레벨 "B_max"로 동작될 때, 약 12W/kg미만의 코어손실을 가짐;을 포함하는 유도 디바이스.
19. 제 18항에 있어서, 상기 디바이스는 변압기, 자동변압기, 가포화 리액터 및 인덕터로 이루어진 그룹중 선택된 맴버임을 특징으로 하는 유도 디바이스.
20. 제 18항에 있어서,

    상기 자기 코어는 그 각각이 적어도 2개의 짝을 이루는 면을 갖는 복수의 상기 저손실 벌크 비정질금속 자기 부재들을 포함하며, 그리고

    상기 짝을 이루면 면 각각은 상기 부재들의 다른 짝을 이루는 면에 근접하고 실질적으로 평행하게 되도록, 상기 부재들이 병치관계로 조립되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
21. 제 18항에 있어서, 상기 부재 각각은 C, E, I, U, 사다리꼴, 및 아치 형상으로 이루어진 그룹중 선택된 형상을 가짐을 특징으로 하는 유도 디바이스.
22. 제 18항에 있어서, E-I, E-E, C-I, C-C, 및 C-I-C 형상으로 이루어진 그룹중 선택된 형상을 가지는 유도 디바이스..
23. a)그 각각이 실질적으로 동일한 사전-결정된 형상을 갖는 복수의 라미네이션을 형성하기 위하여 비정질 금속재료를 선택적으로 에칭하는 단계;

    b)라미네이션 적층체를 형성하기 위하여 상기 라미네이션을 레지스터리(registry)내에서 적층하는 단계; 및

    c)접착제로 상기 라미네이션 적층체를 부착성 있게 접합시키는 단계;를 포함하는 낮은 코어손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
24. 제 23항에 있어서, a)아래중 적어도 하나를 확보하기 위해 상기 부재를 최종처리하는 단계를 추가로 포함하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.

    (i)상기 부재로부터 여분의 접착제를 제거하는 것; (ii)상기 부재에 적절한 표면가공을 주는 것; 및 (iii)상기 부재에 그 최종적인 크기를 주기 위해 재료를 제거하는 것.
25. 제 23항에 있어서, a)상기 부재의 자기적 특성을 개선하기 위해 상기 라미네이션을 어닐링하는 단계를 추가로 포함하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
26. 제 25항에 있어서, 상기 어닐링단계는 상기 접착제 접합단계 이후 수행되는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
27. 제 25항에 있어서, 상기 어닐링단계가 상기 접착제 접합단계 이전에 수행되는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
28. 제 23항에 있어서,

    a)상기 부재 표면의 적어도 일부에 절연코팅제로 코팅하는 단계;를 추가로 포함하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
29. 제 23항에 있어서,

    a)상기 부재상에 적어도 2개의 짝을 이루는 면을 마련하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 면들은 실질적으로 평면상이며 상기 층들에 수직하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
30. 제 29항에 있어서, 상기 마련하는 단계는,

    상기 짝을 이루는 면에 대한 밀링, 표면연마, 절단, 폴리싱, 화학적인 에칭, 및 전기화학적인 에칭중 적어도 하나를 포함하는 평탄 조업(planing operation)을 포함함을 특징으로 하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
31. 제 23항에 있어서, 상기 접착제 접합단계는 상기 라미네이션 적층체의 함침 을 포함함을 특징으로 하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
32. 제 23항에 있어서, 상기 접착제는 일액형 및 이액형 에폭시(one and two part epoxies), 니스, 무기 접착제(anaerobic adhesives), 시아노아크릴레이트 및 상온 가황처리한(room-temperature-vulcanized, RTV) 실리콘 재료로 이루어진 그룹중 선택된 적어도 하나의 맴버로 조성된 것임을 특징으로 하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
33. 제 32항에 있어서, 상기 접착제는 저점도 에폭시를 포함함을 특징으로 하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
34. 제 33항에 있어서, 상기 접착제는 약 1000cps 미만의 점도를 가짐을 특징으로 하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
35. 제 33항에 있어서, 상기 접착제는 약 10ppm 미만의 열팽창게수를 가짐을 특징으로 하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
36. 제 34항에 있어서, 상기 접착제는 약 10ppm 미만의 열팽창게수를 가짐을 특징으로 하는 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재의 제조방법.
37. 청구항 23항의 방법에 따라 제조된 낮은 코어 손실, 벌크 비정질금속 자기 부재.
38. 제 37항에 있어서,

    여기 주파수(excitation frequency) "f"에서 피크(peak) 인덕션 레벨 "B_max"로 작동될 때, 약 "L" 미만의 코어 손실을 가짐을 특징으로 하는 낮은 코어 손실 벌크 비정질금속 자기 부재.

    여기에서, L은 식 L=0.005 f(B_max)^1.5 + 0.000012f^{1 .5}(B_max)^1.6으로 정의되며, 상기 코어 손실, 여기 주파수 및 피크 인덕션 레벨은 각각 kg당 와트, 헤르쯔, 및 테슬라(tesla)로 측정됨.
39. a)제1 표면과 제2 표면을 갖는 비정질금속 시트를 제공하는 단계;

    b)상기 제1 표면상에 그 사전선택된 형상을 정의하는 패턴으로 화학적으로 저항성의 재료를 인쇄하는 단계;

    c)보호층으로 상기 제2 표면을 덮는 단계;

    d)상기 비정질금속 시트를 부식제에 노출시킴으로써 상기 사전선택된 형상 외부의 상기 제1 표면의 영역으로부터 선택적으로 비정질금속을 에칭하는 단계; 및

    e)상기 비정질금속 시트로부터 상기 형상을 분리하는 단계;를 포함하는 사전 선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
40. 제 39항에 있어서, 상기 인쇄하는 단계는, 식각, 릴리이프, 그라비어, 스크린, 제로그라픽 및 잉크-젯트 증착 인쇄법으로 이루어진 그룹중 선택된 적어도 하나의 인쇄법을 포함함을 특징으로 하는 사전선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
41. 제 39항에 있어서, 상기 인쇄하는 단계는, 상기 비정질금속의 연속하는 이동중에 상기 화학적으로 저항성의 재료를 증착하는 것을 특징으로 하는 사전선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
42. 제 39항에 있어서, 상기 사전선택된 형상을 정의하는 패턴과 상기 보호층은 실질적으로 같은 화학적으로 저항성의 재료를 포함함을 특징으로 하는 사전선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
43. 제 39항에 있어서, 상기 보호층은 캐리어 스트립을 포함함을 특징으로 하는 사전선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
44. 제 43항에 있어서, 상기 캐리어 스트립은, 스테인레스 스틸, 니켈기 합금, 티타늄, 탄탈륨 및 알루미늄으로 이루어진 그룹중 선택된 적어도 하나의 금속으로 조성됨을 특징으로 하는 사전선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
45. 제 43항에 있어서, 상기 캐리어 스트립은 고분자 재료로 조성됨을 특징으로 하는 사전선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
46. 제 39항에 있어서, 상기 노출시키는 단계는, 상기 시트에 대한 상기 형상의 연결을 실질적으로 약화시킴에 충분한 시간 동안 계속됨을 특징으로 하는 사전선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
47. 제 39항에 있어서, 상기 노출시키는 단계는 상기 시트를 관통함에 충분한 시간 동안 계속되며, 이에 의해 상기 형상이 상기 시트로부터 분리됨을 특징으로 하는 사전선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
48. 제 39항에 있어서, 상기 형상은 그 형상을 상기 시트의 잔여 부분에 연결하는 적어도 하나의 텝을 포함함을 특징으로 하는 사전선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
49. 제 39항에 있어서, 상기 분리하는 단계는, 상기 비정질금속 시트로부터 상기 형상을 절단하는 스탬핑 조업을 포함함을 특징으로 하는 사전선택된 형상을 갖는 비정질금속 부품의 제조방법.
50. 제 18항에 있어서,

    여기 주파수(excitation frequency) "f"에서 피크(peak) 인덕션 레벨 "B_max"로 작동될 때, 약 "L" 미만의 코어 손실을 가짐을 특징으로 하는 유도 디바이스.

    여기에서, L은 식 L=0.005 f(B_max)^1.5 + 0.000012f^{1 .5}(B_max)^1.6으로 정의되며, 상기 코어 손실, 여기 주파수 및 피크 인덕션 레벨은 각각 kg당 와트, 헤르쯔, 및 테슬라(tesla)로 측정됨.

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