KR20070011604A - 변류기 코어 및 변류기 코어 제작 방법 - Google Patents

변류기 코어 및 변류기 코어 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 <1.5의 코어 외부 직경 Da 대 코어 내부 직경 Di의 비율, λs≤|4| ppm의 포화 자기변형, 0.50=Br/Bs=0.85인 원형의 히스테리시스 곡선 및 Hcmax=20 mA/cm를 갖는 변류기 코어에 관한 것이다. 상기 변류기 코어는 연성의 자기 철-기반 합금으로 구성되고, 상기 합금 구조의 적어도 50%는 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세 결정 입자로 구성되며, 상기 철-기반 합금은 본질적으로 하나의 조합물을 포함한다. 본 발명은 또한 이러한 변류기 코어를 제작하는 방법에 관한 것이다

Description

변류기 코어 및 변류기 코어 제작 방법{CURRENT TRANSFORMER CORE AND METHOD FOR PRODUCING A CURRENT TRANSFORMER CORE}
본 발명은 변류기 코어 및 변류기 코어 제작 방법에 관한 것이다.
전력계는 산업계 및 가정에서 전자 소자들 및 시스템들의 전력 소비를 판단하기 위하여 사용된다. 예컨대, 전류-비례 및/또는 전압-비례 필드(field)에 의해 구동되는 디스크 회전의 측정에 기초하여 전기 기계적인 페라리스 미터(Ferraris meter)의 원리와 같은 다양한 원리들이 공지된다.
현대의 전력계는 완전히 전자적으로 동작한다. 많은 경우, 전류는 유도(inductive) 원칙으로 감지되고, 이에 따라 유도 전류 및 변류기의 출력 신호는 디지털적으로 처리되어 그 후 소비가 판단될 수 있고, 그 후 원격 기록이 가능하다.
유도 변류기들을 사용하는 전자 전력계들은 가정에서 그 사용이 증가되고 있다. 이러한 계측기를 제작하는 낮은 비용은 어느 정도까지는 다른 기술적 우월성보다 더욱 중요한 역할을 한다. 이는 이러한 변류기들의 특히 경제적인 제작 방법의 개발을 필요로 한다. 측정되는 부하 전류는 수 mA 내지 100 A 또는 그 이상의 범위이다; 이것은 측정될 1차 전류와 비교해볼 때 측정 신호의 낮은 위상 에러 및 진폭 에러에 비하여 정확하고 측정가능한 에너지 측정을 요구한다. 또한 요구되는 정확성에 더하여, 이러한 변류기를 위한 재료의 가격 및 특히 이에 따른 상기 변류기 코어 재료의 가격 또한 대규모 제작에 있어 중요하다.
일반적으로, 다음의 방정식이 변류기의 위상 에러에 적용된다.
Figure 112006092626555-PCT00001
(1)
RB = 부하 저항;
RCu = 2차 와인딩(winding)의 저항
δ = 변류기 재료의 손실 각
L = 상기 변류기의 2차측의 인덕턴스
진폭 에러는 다음의 방정식에 의해 주어진다.
Figure 112006092626555-PCT00002
(2)
인덕턴스(L)는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112006092626555-PCT00003
(3)
N2 = 2차 와인딩 갯수
μ' = 상기 변류기 재료의 투자율(실제 컴포넌트)
μ0 = 일반 투자율 상수
AFe = 코어의 철제 단면(iron cross section of the core)
LFe = 코어의 철의 평균 경로 길이
따라서 더 작은 체적 및 이에 따라 덜 비싸지만 여전히 높은 정확도를 갖는 변류기의 실행을 위하여 가장 높은 가능한 투자율을 갖는 코어에 대한 요구가 발생한다.
높은 전류를 감지하기 위하여, 변류기 코어는 큰 내부 직경을 요하고, 큰 내부 직경은 작은 철제 단면(AFe)과 함께 대개 1.5 미만 또는 심지어 1.25 미만인 내부 직경(Di)에 대한 외부 직경(Da)의 적은 비율을 초래한다. 그러나, 이러한 작은 직경 비율은 코어의 높은 기계적 불안정을 초래하고, 기계적 조종의 임의의 타입에 민감하게 한다.
이러한 이유로, 아철산염 또는 퍼멀로이(permalloy) 재료들과 같은 높은 투과성 재료들이 이러한 변류기 코어들을 위한 재료로 과거에 사용되어 왔다. 그러나, 아철산염은 투자율이 상대적으로 낮고 비교적 크게 온도에 좌우된다는 단점을 갖는다. 퍼멀로이 재료의 한가지 특성은 저-위상 에러가 발생하더라도 측정될 전류 및/또는 자기 코어의 제어를 이용하여 크게 변한다는 점이다. 이러한 변동의 균등화는 변류기의 적절한 전자 배선 또는 측정된 값들의 디지털 재생에 의하여 가능하지만, 이것은 부가적인 비용-집중 지출을 만들어낸다. 아철산염의 파쇄 민감성(fracture sensitivity)과 높은 자기변형이 두 클래스의 재료들의 낮은 포화 유 도 때문에, 재료상에 저장되는 작은 철제 단면을 갖는 변류기 코어, 즉, 낮은 Da/Di 직경 비율이 구현될 수 없다.
높은 포화 유도(saturation induction)를 갖는 나노 결정 재료로 만들어진 높은 투과성 자기 코어의 사용은 또한 예를 들어 EP 05 04674 B1의 기술로부터 알려졌다. 그러나, 이러한 재료들은 본 발명과는 대조를 이루어 평평한(flat) 히스테리시스 곡선(hysteresis loop)을 갖는다. 따라서, 이러한 방법으로 달성될 수 있는 투자율 값(약 60,000 내지 120,000μ)과 함께 큰 AFe를 갖는 변류기 코어를 만들려는 요구가 발생한다. 따라서 특히 위상 트렌드와 관련하여 우수한 특성에도 불구하고, 대량 생산에 있어 경제적인 사용은 불가능하다.
본 발명의 목적은 광범위한 유도 범위를 갖는 높은 투과성의 저렴한 변류기 코어뿐 아니라 그러한 높은 투과성의 변류기 코어를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립적인 특허 청구항들의 주요한 내용으로 달성된다. 바람직한 실시예들은 상기 독립 특허 청구항들로부터 파생된다.
본 발명에 따라, 이러한 목적은, 코어 외부 직경 Da 대 코어 내부 직경 Di의 비율<1.5, λs≤|6| ppm의 포화 자기변형, 0.50≤Br/Bs≤0.85를 갖는 원형의 히스테리시스 곡선 및 Hcmax≤20 mA/cm를 갖는 변류기 코어를 제공함으로써 달성되며, 여기서 변류기 코어는 연성의 자기 철-기반 합금으로 구성되고, 상기 합금 구조의 적어도 50%는 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세 결정 입자로 구성되며, 상기 철-기반 합금은 본질적으로 아래와 같은 구성을 갖는다:
(Fex-aCoaNib)xCuyMzSivBw
여기서 M은 V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo 또는 그 조합물의 그룹으로부터의 원소이며, 이것은 부가적으로 다음을 갖는다:
x+y+z+v+w=100%, 여기서
Fe+Co+Ni=x=100%-y-z-v-w
Co a≤1.5 at%
Ni b≤1.5 at%
Cu 0.5≤y≤2 at%
M 1≤z≤5 at%
Si 6.5≤v≤18 at%
B 5≤w≤14 at%
여기서 v+w>18 at%이다. Br/Bs 비율은 본 명세서에서 잔류 자기(Br) 대포화 유도(Bs)의 비율로 참조되는 것으로 이해된다.
λs≤|2| ppm의 포화 자기변형, 0.50≤Br/Bs≤0.85를 갖는 원형의 히스테리시스 곡선 및 Hcmax≤12 mA/cm를 갖는 변류기 코어가 바람직하고, 여기서 변류기 코어는 연성의 자기 철-기반 합금으로 구성되고, 상기 합금 구조의 적어도 50%는 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세 결정 입자로 구성되며, 상기 철-기반 합금은 본질적으로 아래와 같은 구성을 갖는다:
(Fex-aCoaNib)xCuyMzSivBw
여기서 M은 V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo 또는 그 조합물의 그룹으로부터의 원소이며, 이것은 부가적으로 다음을 갖는다:
x+y+z+v+w=100%, 여기서
Fe+Co+Ni=x=100%-y-z-v-w
Co a≤0.5 at%
Ni b≤0.5 at%
Cu 0.75≤y≤1.25 at%
M 2≤z≤3.5 at%
Si 13≤v≤16.5 at%
B 5≤w≤9 at%
여기서 20≤v+w≤25 at%이다.
λs≤|0.8| ppm의 포화 자기변형, 0.65≤Br/Bs≤0.80를 갖는 원형의 히스테리시스 곡선 및 Hcmax≤10 mA/cm를 갖는 변류기 코어가 바람직하고, 여기서 변류기 코어는 연성의 자기 철-기반 합금으로 구성되고, 상기 합금 구조의 적어도 50%는 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세 결정 입자로 구성되며, 상기 철-기반 합금은 본질적으로 아래와 같은 구성을 갖는다:
(Fex-aCoaNib)xCuyMzSivBw
여기서 M은 V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo 또는 그 조합물의 그룹으로부터의 원소이며, 이것은 부가적으로 다음을 갖는다:
x+y+z+v+w=100%, 여기서
Fe+Co+Ni=x=100%-y-z-v-w
Co a≤0.5 at%
Ni b≤0.5 at%
Cu 0.75≤y≤1.25 at%
M 2≤z≤3.5 at%
Si 13≤v≤16.5 at%
B 5≤w≤9 at%
여기서 20≤v+w≤25 at%이다.
변류기 코어는 일반적으로 H=4 mA/cm 및 50 Hz 또는 60 Hz의 주파수에서의 μ4>90,000의 투자율을 갖고, 50 Hz 또는 60 Hz의 주파수에서 μmax>350,000의 최대 투자율을 갖는다. 또한, 변류기 코어는 Bs≤1.4 테슬라(Tesla)의 포화 유도를 갖는다. 바람직한 실시예들에서, 변류기 코어는 1 mA/cm에서 μ1>90,000의 투자율을 , 보다 바람직하게는 μ1>140,000의 투자율을, 최상으로는 μ1>180,000의 투자율을 갖는다.
이러한 변류기 코어는 1°미만의 위상 에러를 갖는 변류기에서 사용시 매우 적합하다. 이러한 변류기 코어들은 일반적으로 적어도 하나의 일차 와인딩 및 적어도 하나의 이차 와인딩을 갖는 링 스트립-권선(ring strip-wound) 코어들로써 설계된다.
본 발명은 또한 원형 히스테리시스 곡선을 갖는 나노결정형 재료로 만들어진 링 형태의 변류기 코어들을 제작하는 방법을 제공한다. 기계적 민감성을 갖는 이러한 코어들은 여태까지 알려진 방법들, 특히 레토르트 퍼니스(retort furnace)를 이용하여 기술적으로 그리고 경제적으로 만족하며 널리 제작될 수 없다. 이러한 목적은 연성의 자기 철-기반 합금으로 구성되고, 코어 외부 직경 Da 대 코어 내부 직경 Di의 비율<1.5을 갖는 링 형태의 변류기 코어를 제작하는 방법에 의하여 본 발명에 따라 달성되며, 상기 합금 구조의 적어도 50%는 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세 결정 입자로 구성되며, 아래와 같은 단계를 포함한다:
a) 합금 용해물을 제공하는 단계;
b) 신속한 응결 기술에 의하여 상기 합금 용해물로부터 비결정형 합금 스트립을 제작하는 단계;
c) 비결정형 변류기 코어를 형성하기 위하여 응력-프리(stress-free) 상기 비결정형 스트립을 감는 단계;
d) 자기 필드의 영향을 대부분 차단하면서 나노결정형 변류기 코어들을 형성하기 위한 예를 들어, 전체를 관통하는 적층되지 않은 비결정형 변류기 코어들의 열 처리;
e) 예컨대, 주입, 코팅,적합한 플라스틱 재료를 이용한 쉬딩(sheathing) 및/또는 캡슐화에 의한 코어의 응결.
따라서 원형이며, Bs=1.1 내지 1.4 T의 높은 포화 유도 및 투자율에 대한 우수한 주파수 응답과 상대적으로 낮은 재자기화(remagnetization) 손실들로 인하여 광범위하게 사용될 수 있는 유도 범위를 이용하여 매우 높은 투과성 히스테리시스 곡선을 갖는 변류기 코어들을 제작하는 것이 가능하다.
변류기에 있어서, 포화 자기 변형의 제로 패시지(zero passage)가 조정된 열 처리를 이용하여 달성될 수 있는 것으로 알려져 있기 때문에 "바람직한" 것으로 알려져 있는 합금 조성물들을 이용하여 특히 우수한 특성들이 달성된다.
이러한 자기 재료를 사용하여, Br/Bs 비율, 즉, 포화 유속 밀도에 의해 나뉘어지는 잔류 자기 유속 밀도가 0.5보다 크고 0.85까지 달하는 원형 히스테리시스 곡선을 갖는 나노 결정형 코어들이 효과적으로 제작될 수 있다. 또한, μi>100,000, μmax>350,000의 투자율일 수 있고, 1.1 T 내지 1.4 T 사이의 포화 유도가 달성된다. 높은 초기 투자율과 최대 투자율 및 높은 포화 유도 때문에, 철 단면 및 이에 따른 변류기 코어의 무게 및 가격은 대량 생산에 있어 현저하게 감소될 수 있다.
나노 결정형 연성 자기 철-기반 합금들은 오랫동안 공지되어 왔고, 예를 들어, EP 0 271 657 B1 및 WO 03/007316 A2에 개시되었다.
WO 03/007316 A2에 개시된 두 개의 합금 시스템들에서, 상기 합금 구조의 적어도 50%는 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세 결정 입자에 의해 형성된다. 이러한 연성 자기 나노결정 합금들은 광범위한 전자 공학적 애플리케이션들을 위하여 인덕터에서 자기 코어로서 증가된 범위에 사용되고 있다. 이것은 예를 들어 EP 0 299 498 B1에 개시된다.
본 명세서의 나노결정형 합금들은 이른바 급속 응결 기술에 의해 제작될 수 있다(즉, 용해물 스피닝(spinning) 또는 평면 흐름 캐스팅(planar flow casting)에 의하여). 이러한 프로세스에서, 먼저 합금 용해물은 초기 비결정형 합금 스트립이 용해 상태로부터 급속 퀀칭(quenching)에 의하여 이어서 제작되는 것에 의하여 준비된다. 본 합금 시스템에 요구되는 냉각율은 약 106 K/sec 이상이다. 이것은 용해물이 얕은 노즐을 통하여 급속하게 회전 냉각 롤러로 스프레잉되고 프로세스에서 얇은 스트립으로 응결시키는 용해물 스핀 방법의 도움으로 달성된다. 이러한 방법은 14 내지 50 ㎛의 가능한 스트립 두께 및 가능한 수 cm까지의 스트립 폭을 갖는, 10 내지 50 m/sec의 비에서 상기 용해물로부터 직접 단일 동작에서 얇은 스트립 및 필름들의 연속적인 제작을 허용한다.
이러한 급속 응결 기술에 의해 제작된 처음의 비결정형 스트립은 그 후 타원형, 직사각형 또는 원형일 수 있는 기하학적으로 대단히 다양한 자기 코어들을 형성하기 위하여 감아진다.
우수한 연성 자기 특성을 달성하기 위한 주요한 단계는 이 시점까지 여전히 비결정형인 합금 스트립들의 "나노결정화"이다. 이러한 합금 스트립들은 약 25×10-6의 상대적으로 높은 자기 변형 |λs|을 갖기 때문에 여전히 연성 자기 관점에서 열등한 특성을 갖는다. 상기 합금을 위해 맞춰진 결정화 열 처리를 수행할 때, 초미세 구조, 즉, 체적의 적어도 50%가 3차 공간-중심 FeSi 정자(crystallite)로 구성된 합금 구조가 획득된다. 이러한 정자들은 금속 또는 메탈로이드로 구성된 잔여 비결정형 면에 내장된다. 고체 상태 물리학의 현 시점으로부터 미세 결정 구조 발달의 배경 및 연성 자기 특성들에 과감한 종합적인 개선의 초래는 예를 들어, G. Herzer에 의한, IEEE Transactions on Magnetics, 25(1989), PP. 3327 FF에 설명된다. 이에 따라, 높은 투자율 또는 낮은 히스테리시스 손실들과 같은 우수한 연성 자기 특성들이 임의로 배향된 나노결정형 "구조"의 결정 이방성 K1이 평균에 달함으로써 획득된다.
EP 0 271 657 B1 및/또는 EP 0 299 498 B1에 기재된 바와 같이 현재 기술 수준에 따라, 비결정형 밴드들은 가장 낮은 가능한 응력을 이용하여 특별한 와인딩 링 스트립-권선 코어들로 감아진다. 그러기 위하여, 비결정형 스트립은 먼저 원형 링 스트립-권선 코어를 형성하기 위하여 권선(wound)되고, 필요하다면 적합한 툴들의 형삭에 의하여 원형 형태와 다른 형태를 초래한다. 적합한 코일 본체의 사용으로 인하여, 그러나, 원형 형태와 다른 형태들은 또한 링 스트립-권선 코어들을 형성하기 위하여 비결정형 스트립들의 와인딩에서 직접 제작될 수 있다.
그 후 종래 기술에 따라, 응력-프리 방식으로 감아올려진 링 스트립-권선 코어들은 나노 결정 구조를 달성하기 위하여 이른바 레토르트 퍼니스에서 결정화 열 처리를 겪는다. 그리하여, 링 스트립-권선 코어들은 하나가 다른 하나상에 적층되고 그 후 이러한 퍼니스에 들어가게 된다. 이러한 방법의 중요한 단점 중 하나는 자기 코어 적층에서 자기 값이 지구의 자장과 같은 약한 자기 분산 필드로 인하여 위치에 의존한다는 것이다. 60% 이상의 본질적으로 높은 잔류 자기 비율과 함께 높은 투자율 값이 상기 적층의 에지에서 발생하는 반면, 예를 들어, 상기 적층의 중심부 영역에 자기 값들은 투자율 및 잔류 자기와 관련하여 낮은 값들을 이용하여 더욱 또는 덜 현저한 평평한 히스테리시스 곡선을 특징으로 한다. 또한, 특히 낮은 Da/Di 비율을 갖는 변류기-특정 코어들,상에 수행되는 적층의 어닐링은 실질적인 기계적 변형을 초래하고, 자기 특성의 악화를 초래할 수 있다.
본 나노결정 합금 시스템에 있어서, 나노결정 구조는 일반적으로 Ta=440℃ 내지 620℃의 온도에서 달성되며, 요구되는 일시적 중단 시간은 수 초 내지 약 12 시간 사이일 수 있다. 특히, US 5,911,840은 원형 B-H 곡선을 갖는 나노결정 자기 코어들의 경우에, 자기 코어를 완화시키기 위하여 결정화에 요구되는 250℃ 내지 480℃ 이하의 온도에서 안전-상태 온도 평탄역(plateau)이 0.1 내지 10 시간의 주기로 사용된다면, μmax=760,000의 최대 투자율이 달성될 수 있다. 그러나, 이것은 열 처리의 길이를 증가시키고, 따라서 프로세스를 덜 경제적으로 만든다.
열 처리 동안의 변류기 코어의 독창적인 분리에 의하여, 각 개별적인 링 스트립-권선 코어를 위한 동일한 정자기 조건이 달성된다. 코어 적층과 대조를 이루어 개별적인 코어의 큰 소자화(demagnetization) 팩터는 동축 방향에서 자화를 방지한다. 각 개별적인 변류기 코어를 위한 이러한 동일한 정자기 결정화 조건의 결과는 분산된 자기 값이 합금-특성, 기하학적 원인 및/또는 열적 원인으로 한정되는 것이다. 이것은 적층-유도된 필드 번들링(bundling)을 제외시키는 것을 가능하게 한다.
투자율의 감소를 초래하는 자기 탄성(magnetoelastic) 이방성을 최소화하기 위하여, 열 처리는 합금 조성물과 통합되어 미세 결정 그레인(grain) 및 비결정형 잔여 위상의 자기 변형 공헌이 다른 하나를 보상하고, 따라서 λs<2 ppm의, 바람직하게는 심지어 <0.8 ppm의 최소화된 자기 변형을 산출한다. 다른 한 편, 레토르트 퍼니스에서의 적층 어닐링과 대조되는 본 명세서에 기재된 연속적인 방법은 코어의 응력-프리 어닐링을 허용한다. 후자는 본 명세서에서 작은 직경 비율 Da/Di를 가지며 대개 기계적으로 불안정한 변류기 코어에 특히 이롭다. 먼저, 이것은 자기기계(magnetomechanical) 이방성을 더 감소시킨다; 두번째로, 코어는 낮은 기계적 안정성에도 불구하고 대개는 둥근 그것의 원래 형태를 계속 유지한다. 또한, 각각의 변류기 코어들이 전체를 관통하는 연속적인 프로세스에서, 코어들 간에 또는 변형 또는 응력을 초래할 수 있는 다른 부분들과의 접촉점이 없고, 게다가, 보호 기체 분위기가 유지되며, 표면 산화를 초래하고, 결정화가 방지된다는 점은 중요하다. 이 때문에, 특히 건성 가스를 이용하여 환원 기체 분위기가 제공될 수 있다.
복잡한 투자율의 작은 실수부(imaginary part)의 필요와 관련된 애플리케이션을 실행하기 위하여, 이것은 소자화 손실을 감소시키는 것과 관련하여 필수적이며, 와인딩 전에 전기 절연체로 코팅되는 비결정형 스트립에 이롭다는 것이 증명되었다. 이것은 낮은 손실각 δ을 초래하며, 따라서 방정식(2)에서 진폭 에러의 최소화를 초래한다.
필요에 따라서, 코팅은 담금(immersion) 방법, 연속적인 흐름(flow-through) 방법, 스프레잉 방법 또는 전기 분해 방법에 의하여 선택적으로 적용될 수 있다. 또한 변류계 코어가 와인딩 후에 절연 매체에 담궈지는 것도 가능하다.
절연 매체는 그것이 스트립의 표면에 잘 부착되지만 자기 특성을 손상시킬 수 있는 어떤 표면 반응도 일으키지 않도록 선택된다. 현재 합금 시스템과 관련하여, 원소 Ca, Mg, Al, Ti, Zr, Hf 및 Si의 산화물, 아크릴 산염, 인산염, 규산염 및 크롬산염이 성공적으로 분석된다.
스트립의 표면에 마그네슘 함유 액체 프리프로덕트(preproduct)를 인가하는 것이 특히 이롭다는 것이 알려졌으며, 그 후 합금에 영향을 미치지 않는 특별한 열 처리 중에 마그네슘 산화물의 고밀도층으로 변환된다; 이러한 층의 두께는 약 30 nm 내지 1 mm 사이일 수 있으며 스트립의 표면에 안전하게 부착된다.
열 처리 후에, 자기 코어는 예컨대, 주입, 코팅, 적합한 플라스틱 재료와의 쉬팅(sheeting) 및/또는 캡슐화에 의하여 마침내 응결된다. 예컨대 보호 홈통에서의 글루잉(gluing)에 의한 캡슐화에 있어서, 관리는 온도와 함께 진폭 및 위상 에러에서 응력-유도 변수를 (방지하기 위하여) 받아들여져야 한다. 연성의 탄성 접착제를 이용할 때, 낮은 온도뿐만 아니라 실온과 대조적으로 높은 온도를 향한 온도의 변화가 변류기 에러에서 부가적인 선형 편향을 초래한다. 신장성 응력 및 압축성 응력이 본 코어에서 발생하고, 경화된 접착제의 탄성 습성으로 인하여 홈통 재료로부터 전달된다. 연성의 반응성 접착제 대신 충전 화합물로서 연성 플라스틱 비반응성 풀을 사용함으로써 이러한 효과의 명백한 감소가 달성된다. 이러한 방법으로, 선형 값들은 -40℃ 내지 +85℃ 범위의 온도 내에서 거의 일정하게 유지된다.
본 발명은 또한 1℃ 미만의 위상 에러를 갖는 변류기를 위한 본 방법에 의헤 제작되는 변류기 코어뿐 아니라, 특허 청구항 제1항에 따라 변류기 코어들을 제작하는 방법과 관련된 것이다.
또한 본 명세서에 기재된 환경 조건들 및 기재된 합금 시스템을 사용하는 본 명세서에 기재된 온도 처리 때문에 이러한 방법으로 제작되는 변류기 코어들을 갖는 변류기를 이용하여 작은 위상 에러가 실행될 수 있는 것으로 알려졌다.
변류기 제작에 있어서, 1차 와인딩 및 2차 와인딩은 각각 제공되어야 한다.
요약해서 말하면, 높은 초기 투자율 및 최대 투자율 및/또는 낮은 항전기장(coeicitive field)(Hc<15mA/cm)을 갖는 원형의 히스테리시스 곡선을 달성하기 위하여, 다음의 조건들은 특히 열 처리 이후에 Ktot>2 J/m3의 이방성 에너지로 이방성을 생성하지 않기 위하여 중요하고/중요하거나 유익하다.
Ⅰ. 외부 자기장들은 열 처리중에, 심지어 지구의 자기장의 유속 번들링으로 인하여 발생할 때 조차도 예방되어야 한다.
Ⅱ. 스트립 재료 내부의, 예컨대 표면 산화 또는 결정화로 인한 응력을 예방한다.
Ⅲ. 응력-프리 와인딩으로 인하여 열 처리 중에 코어 내부의 또는 외부로부터 코어로의 응력, 어닐링을 위한 적층 및 상기 열 처리 방법에서 자기 변형의 평등화를 예방한다.
Ⅳ. 응결에서의 응력을 예방한다.
Ⅴ. 즉, 변류기에 설치 및 와인딩과 같은 변류기 코어의 사용에 있어 응력을 예방한다.
본 발명의 방법을 통하여, 코어 외부 직경 대 코어 내부 직경의 비가 <1.5인, 특히 심지어 <1.25인 큰 기계적 불안정을 갖는 변류기 코어를 제작하는 것이 가능하다. 이러한 변류기 코어는, 특히 열 처리 중에 적층된다면 조작에 있어서 쉽게 손상되거나 또는 퍼니스로 전달되거나 또는 내부 응력을 증강하기 때문에 전통적인 방법으로 제작될 수 없다.
결정화 프로세스에서, 즉, 본 명세서에 기재된 열 처리 중에 이것이 발열 반응이고 결정화가 방출하는 열이 코어로부터 제거되어야 한다는 것을 상기할 필요가 있다. 적층되지 않은 비결정형 링 스트립-권선 코어들의 열 처리는 높은 열 용량 및 높은 열 전도성을 갖는 열 싱크(sink)들 상에 수행되는 것이 바람직하다. 열 싱크의 원리는 JP 03 146 615 A2에 이미 공지되어 있다. 그러나, 열 싱크는 오직 안정-상태의 어닐링 단계를 위해서만 사용될 수 있다. 금속 또는 금속 합금은 열 싱크를 위한 재료로 사용될 수 있다. 구리, 실버 등의 금속 및 열 전도성 강철은 특히 적합한 것으로 밝혀졌다.
그러나, 세라믹으로 만들어진 열 싱크상에 열 처리를 실행하는 것도 가능하다. 또한, 비결정형 링 스트립-권선 코어가 세라믹 파우더(powder) 또는 금속 파우더, 바람직하게는 구리 파우더의 몰딩 베드(molding bed)에 내장되는 본 발명의 실시예를 또한 생각해볼 수 있다.
마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물 및 알루미늄 질화물은 고체 세라믹 판 또는 세라믹 파우더 베드과 마찬가지로 매우 적합한 세라믹 재료들로 밝혀졌다.
결정화를 위한 열 처리는 약 450℃ 내지 약 620℃ 사이의 온도 간격에서 수행된다. 일련의 순서는 결정화 프로세스의 유도 및 구조를 원숙하게 하기 위하여, 즉 자기 변형의 보상을 위하여 일반적으로 다양한 온도 위상으로 세분된다.
본 발명의 열 처리는 퍼니스를 사용하여 실행되는 것이 바람직하고, 상기 퍼니스는 퍼니스 하우징, 적어도 하나의 어닐링 영역 및 열 소스, 적층되지 않은 비결정형 자기 코어들로 어닐링 영역을 충전하는 수단, 상기 어닐링 영역을 통해 상기 적층되지 않은 비결정형 자기 코어들을 운반하는 수단 및 상기 어닐링 영역으로부터 상기 적층되지 않은 열-처리된 나노결정형 자기 코어들을 제거하는 수단을 갖는다.
이러한 퍼니스의 어닐링 영역은 보호 기체를 수용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 실시예에서, 퍼니스 하우징은 어닐링 영역이 수직적으로 이동하는 타워(tower) 퍼니스 형태이다. 상기 적층되지 않은 비결정형 자기 코어들을 수직적으로 이동하는 어닐링 영역을 통하여 운반하는 수단은 수직적으로 이동하는 컨베이어 벨트(conveyor belt)로 구성되는 것이 바람직하다.
수직적으로 이동하는 컨베이어 벨트는 컨베이어 벨트 표면과 직각을 이룬 높은 열 용량을 갖는 재료, 즉, 높은 열 용량 및 높은 열 전도성을 갖는 상기 기재된 금속들 또는 상기 기재된 세라믹들 중 어느 하나로 만들어진 지지대를 갖는다. 링 스트립-권선 코어들은 상기 지지대상에 놓인다.
수직적으로 이동하는 상기 어닐링 영역은 개별적인 열 조절 장치들을 갖춘 다수의 개별 가열 영역들로 세분되는 것이 바람직하다.
본 발명의 퍼니스의 대안적인 실시예에서, 퍼니스는 상기 어닐링 영역이 수평적으로 이동하는 타워 퍼니스 형태이다. 수평적으로 이동하는 어닐링 영역은 이번에는 개별적인 열 조절 장치들을 갖춘 다수의 개별적인 가열 영역들로 세분된다. 그 후 회전식 원형 컨베이어 형태의 타워 퍼니스의 축 주변을 회전하는 적어도 하나의, 그러나 바람직하게는 다수의 지지판들은 적층되지 않은 비결정형 링 스트립-권선 코어들을 수평적으로 이동하는 어닐링 영역을 통해 운반하는 수단으로서 제공된다.
변류기 코어들이 차례로 놓이는 지지판들은 완전히 또는 부분적으로, 높은 열 용량 및 높은 열 전도성을 갖는 재료로 만들어진다. 특히 구리, 은 또는 열-전도성 강철 또는 세라믹과 같은 상기 언급된 금속으로 만들어진 판들이 본 명세서에 사용될 수 있다.
퍼니스의 대안적인 제3 실시예에서, 퍼니스는 또한 어닐링 영역이 수평적으로 이동하는 수평적인 연속 퍼니스의 형태를 갖는 퍼니스 하우징을 갖는다. 이러한 퍼니스는 상대적으로 제작이 간단하기 때문에 본 실시예는 특히 바람직하다.
컨베이어 벨트는 적층되지 않은 비결정형 변류기 코어들을 수평적으로 이동하는 어닐링 영역을 통해 운반하는 수단으로서 제공되고, 상기 컨베이어 벨트는 거기 놓인 링 스트립-권선 코어들과 함께 높은 열 용량 및 높은 열 전도성을 갖는 재료로 만들어지는 지지대를 이용하여 제공되는 것이 바람직하다. 상기 논의된 금속 및/또는 세라믹 재료들은 여기서 다시 사용될 수 있다.
여기서 다시, 상기 수평적으로 이동하는 어닐링 영역은 일반적으로 개별적인 열 조절 장치들을 각각 갖춘 다수의 개별 가열 영역으로 세분된다.
본 발명은 다음의 도면에 기초하여 예로서 아래에서 설명된다:
도 1은 수직적으로 이동하는 컨베이어 벨트를 갖는 타워 퍼니스의 횡단면도를 개략적으로 도시하고,
도 2는 단계적인 회전형 원형 컨베이어 퍼니스를 도시하고,
도 3은 수평적으로 이동하는 컨베이어 벨트를 갖는 퍼니스를 관통하여 도시하고,
도 4는 변류기의 개략적인 도면을 도시하고,
도 5는 변류기의 등가도를 도시하고,
도 6은 본 발명의 변류기 코어의 위상 특성을 도시하고,
도 7은 상이한 열 처리 후에 다양한 자기 재료들로 만들어진 변류기 코어들의 투자율 특성의 개략도를 도시하고,
도 8a, 8b, 8c는 연속적인 어닐링 후의(8a), 그리고 [자장]없는 적층 어닐링 후의(8b) 그리고 자장을 이용한 어닐링 후의(8c), 작은 Da/Di 비를 갖는 변류기의 전형적인 링 스트립-권선 코어들의 상태 도시하며,
도 9a 및 9b는 다양한 재료들로 만들어진 변류기 코어로 이루어진 변류기의 진폭 에러 및 위상 에러를 도시한다.
이른바 히스테리시스 곡선을 생산하기 위하여, 필드의 부재에서 가능한 가장 열적으로 정확한 상태하에서 초미세 나노결정형 구조의 개발 및 성숙을 허용하는 어닐링 방법들이 필요하다. 상기 언급된 바와 같이, 종래 기술 분야의 어닐링은 일반적으로 상기 변류기 코어들이 주입되고 하나가 다른 하나에 적층되는 이른바 레토르트 퍼니스에서 실행된다.
본 방법의 결정적이 단점은 지구의 자장과 같은 약한 공전 필드(stray field) 또는 유사한 공전 필드 때문에, 자기 코어 적층의 자기 특성값들의 배치된 종속 상태(dependence)가 필드 편향 효과 및 번들링 효과로 인해 야기된다는 것이다.
자기 변형 효과에 더하여, 상기 레토르트 퍼니스의 적층 어닐링은 자기 코어의 무게 증가와 함께 결정화 프로세스의 발열성 열이 단지 불완전하게 환경에 방출될 수 있다는 부가적인 단점을 갖는다. 상기 결과는 상기 적층된 자기 코어의 과열이며, 이는 낮은 투자율 및 높은 강제 필드 세기를 초래할 수 있다. 이러한 문제점을 피하기 위하여, 결정화의 발생 범위에서, 즉 약 450℃ 주변에서, 매우 천천히 가열을 실행하는 것이 필수적이나, 이는 비경제적이다. 일반적인 가열 속도는 0.1 내지 0.2 K/min일 수 있으며, 이는 490℃까지의 범위로 나아가는데 7시간이 걸릴 수 있다는 것을 의미한다.
유일한 경제적으로 실행할 수 있는 레토르트 퍼니스에서의 적층 어닐링에 대한 대규모의 상업적인 대안은 하나의 통로에서 개별적인 분리된 변류기 코어들을 어닐링하는 것이다. 각 개별적인 변류기 코어에 대한 동일한 자기 변형 및 열적인 상태는 연속적인 방법에서 변류기 코어들의 분리에 의해 생성된다.
연속적인 어닐링의 급속 가열 속도는 자기 코어들이 분리될 때조차도 열의 발열성 방출을 야기할 수 있으며, 이는 이번에는 코어의 무게가 증가하는 자기 특성에 대한 점진적인 손상을 야기한다. 이러한 효과는 느린 가열에 의해 방해될 수 있다.
그러나, 지연된 가열이 연속적인 영역의 길이에서 비경제적인 증가를 초래하기 때문에, 이러한 문제는 높은 열 전도성을 갖는 금속들로 만들어진 열-흡수 기판들(열 싱크들)을 도입시킴으로써, 또는 금속 또는 세라믹 파우더 베드를 사용함으로써 해결될 수 있다. 구리 판들은 그들이 높은 특정한 열 용량 및 매우 우수한 열 전도성을 갖기 때문에 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 따라서, 결정화의 발열성 열은 자기 코어들의 단부로부터 빼앗겨질 수 있다. 또한, 이러한 열 싱크들은 코어의 실제 가열속도를 감소시켜, 등온성 초과 온도가 더욱 제한될 수 있다.
열 싱크의 열 용량은 코어의 무게 및 길이에, 예를 들어, 판 두께를 변경함으로써 맞춰지는 것이다. 최적의 개조를 이용하여, 우수한 자기 특성 값들(μmax(50 Hz)>350,000; μ4>90,000)은 광범위한 무게 범위를 달성할 수 있다. 본 발명의 제작 방법을 이용한, 이러한 코어들은 NiFe 또는 도 7에 따른 평평한 곡선을 갖는 나노결정화 재료로 만들어진 종래의 변류기 코어들보다 매우 월등하다.
도 1은 본 발명의 열 처리를 실행하는 타워 퍼니스를 개략적으로 도시한다. 타워 퍼니스는 어닐링 영역이 수직적으로 이동하는 퍼니스 하우징을 갖는다. 적층되지 않은 비결정형 변류기 코어들은 수직적으로 이동하는 컨베이어 벨트에 의하여 수직적으로 이동하는 어닐링 영역을 통해 운반된다.
상기 수직적으로 이동하는 컨베이어 벨트는 높은 열 전도성을 갖는 재료, 바람직하게는 구리로 만들어지며, 상기 컨베이어 벨트의 표면상에 수직하게 세워진 열 싱크를 갖는다. 변류기 코어들은 지지대상에 그들의 단부 표면과 한자리에 놓인다. 수직적으로 이동하는 어닐링 영역은 다수의 개별적인 가열 장치들로 세분되고, 각각 개별적인 열 조정 장치가 제공된다.
도 1은 보다 명확히 다음을 도시한다: 어닐링 제품 배출부(104), 보호 가스 에어 로크(air lock)(105, 110), 어닐링 제품 충전부(109), 환원 또는 부동(passive) 가스를 갖는 가열 영역(107), 결정화 영역(133), 가열 영역(134), 숙성 영역(106), 컨베이어 벨트(108), 퍼니스 하우징(132), 변류기 코어용 열 싱크(102)로서의 지지대 표면(103), 보호 가스 에어 로크(101).
도 2는 이러한 퍼니스의 또 다른 실시예를 도시한다. 여기서 다시, 상기 퍼니스의 구조는 그러나 어닐링 영역이 수평적으로 이동하는 타워 퍼니스의 구조이다. 수평적으로 이동하는 어닐링 영역은 이번에는 다수의 개별 가열 영역들로 세분되고, 각각 개별적인 열 조절 장치를 구비한다. 상기 타워 퍼니스의 축 주변을 회전하는 하나의, 그러나 바람직하게는 다수의 지지판들은 이번에는 적층되지 않은 비결정형 링 스트립-권선 코어들을 수평적으로 이동하는 어닐링 영역을 통해 운반하는 수단으로서 제공된다.
상기 지지판들은 이번에는 전체적으로 또는 부분적으로 높은 열 용량 및 높은 열 전도성을 갖는 재료와 이러한 재료상에 놓이는 자기 코어들의 단부 표면로 만들어진다.
도 2는 다음의 세부구조를 도시한다: 열싱크로서의 회전식 지지 표면(111), 변류기 코어(112), 어닐링 제품 배출부(113), 환원 또는 부동 기체를 갖는 가열 영역(114), 가열 영역(115), 결정화 영역(116), 가열 영역(117), 숙성 영역(118), 어닐링 제품 배출부(121), 환원 또는 부동 보호 가스를 갖는 가열 공간(120), 보호 기체 에어 로크(119).
마지막으로, 도 3은 퍼니스 하우징이 수평적 연속적 퍼니스 형태인 퍼니스의 제3 실시예를 도시한다. 어닐링 영역은 다시 수평적으로 이동한다. 상기 언급된 두 퍼니스들과 대조되는 퍼니스가 낮은 비용과 복잡성을 가지고 제작될 수 있기 때문에 본 실시예는 특히 바람직하다.
링 스트립-권선 코어들로 설계된 변류기 코어들은 컨베이어 벨트에 의하여 수평적으로 이동하는 어닐링 영역을 통해 운반되고, 컨베이어 벨트는 이번에는 열 싱크로서 동작하는 지지대와 함께 제공되는 것이 바람직하다. 다시, 본 명세서에서는 구리판들이 특히 바람직하다. 이러한 운반의 대안적인 실시예에서, 퍼니스 하우징을 통하여 롤러상을 구르는 판들은 열 싱크로서 사용된다.
도 3이 나타내는 바와 같이, 수평적으로 이동하는 어닐링 영역이 이번에는 다수의 개별적인 가열 영역으로 세분되고, 각각 개별적인 열 조절 장치를 구비한다. 도 3은 명확히 다음을 도시한다: 부동 보호 가스를 갖는 플러싱(flushing) 영 역(122), 가열 영역(123), 결정화 영역(124), 가열 영역(125), 숙성 영역(126), 냉각 영역(127), 부동 보호 가스를 갖는 플러싱 영역(128), 변류기 코어들(129), 보호 가스를 갖는 어닐링 영역(130), 컨베이어 벨트(131).
도 4는 변류기 코어(1), 변류기 코어상으로의 코일 형태의 1차 전류 컨덕터(2) 및 2차 컨덕터(3) 권선을 갖는 변류기를 개략적으로 도시한다. 변류기 코어(1)는 상기 도면에 도시된 직경 Da(외부 직경) 대 Di(내부 직경)의 비율을 갖는 원형 링으로 설계되고, Da 및 Di는 코어의 자성 재료에 기초한다. 위에서 이미 설명한 바와 같이, 변류기 코어들은 낮은 Da/Di 비가 특징이고, 그것은 Da/Di<1.5 또는 심지어 <1.25를 유지한다. 이러한 경우에 따라 이런 낮은 직경 비를 갖는 나노결정화 재료로 만들어지는 변류기 코어들은 응력 및 변형 없이 오직 본 발명의 열 처리 방법에 의하여 생산될 수 있다.
1차 컨덕터(2)는 변류기 코어를 통과하는 단일 컨덕터로서 또는 대안적으로 2차 컨덕터(3)의 와인딩과 유사한 와인딩으로서 설계될 수 있다.
도 5는 도 4에 3-차원적으로 도시된 변류기의 등가도를 도시하고, 여기서 동일한 참조 번호들은 상기 동일한 구성으로 간주하여 사용될 수 있다.
도 6은 제1 곡선(4)으로 제1 필드 Hprim의 필드 세기를 도시한다. 제2 곡선(5)은 대립 필드(opposing field) 또는 변류기 필드(Hsec)를 도시하며, 제3 곡선(6)은 변류기 코어의 유속 밀도(B)를 도시한다.
이러한 도면은 또한 위상 에러 φ 및 Hprim 와 -Hsec간의 차이 각을 도시한다.
종래 기술과 대조하여 본 발명을 예증해야 하는 몇몇 선택된 전형적인 실시예들이 아래에 설명된다.
실시예 1: 종래 기술에 따르면, 87%의 충전 팩터 및 7.45 g의 무게를 갖는 22×16×5.5 mm 치수의 변류기 코어가 퍼멀로이로부터 제작된다. 도 7에 도시된 투자율(곡선 1)은 μ4=170,000이다. 도 9a(곡선 11)에 따라, 본 발명의 실시예 3을 이용한 것과 같은 동일한 정밀함이 단지 1차 와인딩 갯수 1, 2차 와인딩 갯수 2500 및 공칭 전류(nominal current) 60A에서 부하 저항 12.5 Ω을 갖는 매우 제한된 전류 범위에서 달성된다. 본 명세서에 매핑(map)될 수 있는 최대 전류 범위는 0.74 T의 낮은 포화 유도에 기초하여 단지 75A이다; 1A 미만의 전류에 대하여 위상 에러 φ는 실시예 3과 대조하여 받아들이기 어려운 방식으로 증가된다.
실시예 2: 47×38×5 mm의 치수를 갖는 코어(충전 팩터 80%)는 합금 Fe75.5Cu1Nb3Si12.5B8을 사용하여 권선된다. 열 처리는 구조물의 숙성 및 자기 변형의 균등화가 1시간 동안 567℃에서 실행되는 레토르트 퍼니스에서의 적층 어닐링에 의하여 실행된다. 이것은 횡단 필드(transverse field) 하에서 422℃에서 3시간의 열 처리에 수반된다. 그러나, 430℃ 내지 500℃ 사이의 발열성 과열을 방지하기 위하여, 가열은 0.1℃/min의 극단적으로 낮은 속도로 수행된다. 따라서, H2 하에서 수행되는 전체 열 처리는 약 19시간 동안 지속되며 매우 비경제적이다. 어닐링 중에 발생하는 힘으로 인하여, 상기 코어는 도 8c에 도시된 형태를 나타낸다. 상기 필드 힘으로 인한 기계적 손상뿐 아니라 종래 기술에 대응하는 횡단 필드 때문에, 투자율은 도 7에서(곡선 12) μ4=140,000이었던 것에 따라 상대적으로 낮다. 도 9a에 의하면(곡선 22), 이러한 코어는 종래 기술의 결정도에 비하여 매우 열등하며, 변류기의 위상 각이 광범위한 전류 범위에 걸쳐 너무 크기 때문에 처분된다.
실시예 3: Fe73 .5Cu1Nb3Si15 .5B7의 조성을 갖는 급속하게 응결된 스트립은 6mm의 폭으로 절단되고, 낮은 Da/Di 비와 23.3×20.8×6.2 [mm]의 치수를 갖는 링 스트립-권선 코어를 형성하기 위하여 방어적으로 MgO를 이용하여 절연되고 응력 없이 감아진다(coiled). 3.16 g의 무게가 나가는 이러한 코어는 그 후 도 3에 따른 수평적으로 연속적인 퍼니스에서 단련되고, 전체 단련 시간은 43분에 달한다. 4mm 두께의 구리 판이 기판으로 사용된다. 온도는 결정화 영역에서의 440 ℃부터 숙성 영역에서의 568 ℃까지 점진적으로 증가되고, 그것은 20분간 지속된다. 도 7에 표시된 재료의 투자율(곡선 13)은 μ4=276,000이다.
코어는 합성 수지 코팅으로 응력-프리 방식으로 보호되고, 도 4에 따라 Nsec=2500의 2차 와인딩을 이용하여 권선되며, 도 5에 따라 12.5 Ω의 부하 저항으로 와이어링된다(wired). 최종 변류기는 Bs=1.22 T의 높은 포화 유도로 인하여 129 A인 최대 매핑 가능한 전류 범위를 가지며, 60 A의 정격 전류에 매우 적합하다. 도 9a에 도시된 바와 같이(곡선 23), 최대 위상 에러 φ는 0.17°이다.
실시예 4: 47×38×5 mm의 직경을 갖는 코어는 동일한 합금을 사용하여 권선 된다. 그러나, 열 처리는 레토르트 퍼니스에서의 적층 어닐링에 의하여 실행되고, 상기 열 처리는 567 ℃에서 1시간 동안 구조적 숙성 및 균등화 자기 변형을 위해 실행된다. 그러나, 발열성 과열을 막기 위하여, 가열 속도는 440℃ 내지 500℃사이의 0.1 ℃/min으로 매우 낮다. 따라서, 전체 열 처리는 약 16시간동안 지속되고 매우 비경제적이다. 레토르트 퍼니스내에서 코어 적층의 기계적인 압력으로 인하여, 코어는 도 8b에 도시된 변형을 전개시키는 그 구조 때문에 기계적으로 매우 불안정하다. 이러한 손상 및 자기 변형 적층 효과로 인하여, 투자율은 매우 낮으며, 도 7(곡선 14)에 따라 μ4=77,000로 산정된다. 이러한 코어는 따라서 종래 기술의 결정화-상태보다 열등하며, 도 9b에 따른 위상 에러 φ가 너무 크기 때문에 폐기된다.
실시예 5: Fe73 .5Cu1Nb3Si14B8 .5의 조성을 갖는 급속하게 응결된 스트립은 6mm의 폭으로 절단되고, 낮은 Da/Di 비와 23.3×20.8×6.2 [mm]의 치수를 갖는 링 코어를 형성하기 위하여 MgO를 이용한 방어적인 절연을 제공하고 응력-프리 방식으로 권선된다. 3.16 g의 무게가 나가는 이러한 코어는 그 후 도 3에 따른 수평적으로 연속적인 퍼니스에서 단련되고, 전체 단련 시간은 55분에 달한다. 8mm 두께의 구리 판이 기판으로 사용된다. 결정화 영역에서의 온도는 462 ℃이고 숙성 영역에서의 온도는 556 ℃이다. 곡선 15를 이용하여 도 7에 표시된 재료의 투자율은 μ4=303,000이다.
코어는 플라스틱 홈통에 캡슐화되고, 도 4에 따라 Nsec=2500의 2차 와인딩을 이용하여 권선되며, 도 5에 따라 12.5 Ω의 부하 저항으로 와이어링된다. 최종 변류기는 Bs=1.22 T의 높은 포화 유도에 기초하여 132 A인 최대 매핑 가능한 전류 범위를 가지며, 60 A의 정격 전류에 매우 적합하다. 도 9a에 도시된 바와 같이(곡선 25), 위상 에러 φ는 최대 0.12°이다.
실시예 6: Fe73 .5Cu1Nb3Si14B8 .5의 조성을 갖는 급속하게 응결된 스트립은 6mm의 폭으로 절단되고, 낮은 Da/Di 비와 실시예 2 및 4에서와 동일한 47×38×5 [mm]의 치수를 갖는(충전 팩터 80%) 링 코어를 형성하기 위하여 MgO를 이용한 방어적인 절연을 제공하고 응력-프리 방식으로 권선된다. 이것은 그 후 도 3에 따른 수평적으로 연속적인 퍼니스에서 단련되고, 전체 단련 시간은 180분에 달한다. 2-mm-두께의 구리 판이 기판으로 사용된다. 결정화 영역에서의 온도는 455 ℃이고 숙성 영역에서의 온도는 545 ℃이며 이는 150분간 지속된다(pass through). 도 7의 곡선(16)으로 나타난 재료의 투자율은 μ4=160,000이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 이러한 코어는 연속적인 어닐링 후에도 그것의 원형 형태를 유지한다.
코어는 CVD 방법에 의하여 얇은 플라스틱층으로 달성되고, 도 4에 따라 Nsec=2500의 2차 와인딩으로 권선되며, 도 5에 따라 12.5 Ω의 부하 저항으로 와이어링된다. 최종 변류기는 60 A의 전류 등급에 매우 적합하며, Bs=1.3 T의 높은 포화 유도로 인하여 최대 매핑 가능한 전류 범위는 172 A이다. 도 9a에 나타나는 바와 같이(곡선 26), 위상 에러 φ는 최대 0.27°이다.
실시예 7: Fe73 .5Cu1Nb3Si14B8 .5의 조성을 갖는 급속하게 응결된 스트립은 6mm의 폭으로 절단되고, 낮은 Da/Di 비와 동일한 47×38×5 [mm]의 치수를 갖는(충전 팩터 80%) 링 스트립-권선 코어를 형성하기 위하여 MgO를 이용한 방어적인 절연을 제공하고 응력-프리 방식으로 권선된다. 이것은 그 후 6-mm-두께의 구리 판을 기판으로써 사용하여 도 3에 따른 수평적으로 연속적인 퍼니스에서 단련된다. 전체 가열 영역은 5분 안에 통과된다. 온도는 590 ℃로 설정된다. 코어는 도 8a에 따라 그것의 원형 구조를 유지한다. 투자율 반응은 실시예 6으로부터의 그것과 유사하다.
코어는 에폭시 수지의 주입에 의하여 내장되고 또한 실시예 6에 도시된 바와 같이 변류기를 형성하기 위하여 처리된다. 따라서, 변류기 데이터는 실시예 6으로부터의 그것과 유사하다.

Claims (28)

  1. 변류기 코어로서,
    상기 변류기 코어는 <1.5의 코어 외부 직경 Da 대 코어 내부 직경 Di의 비율, λs≤|4| ppm의 포화 자기변형, 0.50≤Br/Bs≤0.85인 원형의 히스테리시스 곡선 및 Hcmax≤20 mA/cm를 가지며, 연성의 자기 철-기반 합금으로 구성되고, 상기 합금 구조의 적어도 50%는 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세 결정 입자로 구성되며, 상기 철-기반 합금은 본질적으로 다음과 같은 조성을 갖고:
    (Fex-aCoaNib)xCuyMzSivBw
    여기서 M은 V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo 또는 그 조합물의 그룹으로부터의 원소를 나타내며, 또한:
    x+y+z+v+w=100%, 여기서
    Fe+Co+Ni=x=100%-y-z-v-w
    Co a≤1.5 at%
    Ni b≤1.5 at%
    Cu 0.5≤y≤2 at%
    M z≤5 at%
    Si 6.5≤v≤18 at%
    B 5≤w≤14 at%
    여기서 v+w>18 at%
    인 변류기 코어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변류기 코어는 λs≤|2| ppm의 포화 자기변형, 0.50≤Br/Bs≤0.85의 원형 히스테리시스 곡선 및 Hcmax≤10 mA/cm를 가지며, 연성의 자기 철-기반 합금으로 구성되고, 상기 합금 구조의 적어도 50%는 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세 결정 입자로 구성되며, 상기 철-기반 합금은 본질적으로 다음의 조성을 갖고:
    (Fex-aCoaNib)xCuyMzSivBw
    여기서 M은 V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo 또는 그 조합물의 그룹으로부터의 원소를 나타내며, 또한:
    x+y+z+v+w=100%, 여기서
    Fe+Co+Ni=x=100%-y-z-v-w
    Co a≤0.5 at%
    Ni b≤0.5 at%
    Cu 0.75≤y≤1.25 at%
    M 2.0≤z≤3.5 at%
    Si 13≤v≤16.5 at%
    B 5≤w≤9 at%
    여기서 20≤v+w≤25 at%
    인 것을 특징으로 하는 변류기 코어.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변류기 코어는 λs≤|0.8| ppm의 포화 자기변형, 0.65≤Br/Bs≤0.50를 갖는 원형의 히스테리시스 곡선 및 Hcmax≤10 mA/cm를 가지며, 연성의 자기 철-기반 합금으로 구성되고, 상기 합금 구조의 적어도 50%는 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세 결정 입자로 구성되며, 상기 철-기반 합금은 본질적으로 다음의 조성을 갖고:
    (Fex-aCoaNib)xCuyMzSivBw
    여기서 M은 V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo 또는 그 조합물의 그룹으로부터의 원소를 나타내며, 또한:
    x+y+z+v+w=100%, 여기서
    Fe+Co+Ni=x=100%-y-z-v-w
    Co a≤0.5 at%
    Ni b≤0.5 at%
    Cu 0.75≤y≤1.25 at%
    M 2.0≤z≤3.5 at%
    Si 13≤v≤16.5 at%
    B 5≤w≤9 at%
    여기서 20≤v+w≤25 at%
    인 것을 특징으로 하는 변류기 코어.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    μ4>90,000인 것을 특징으로 하는 변류기 코어.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    μmax>350,000인 것을 특징으로 하는 변류기 코어.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    Bs≤1.4 테슬라(Tesla)의 포화 유도를 갖는 것을 특징으로 하는 변류기 코어.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변류기는 1°미만의 위상 에러를 갖는 것을 특징으로 하는 변류기 코어.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변류기 코어는 적어도 하나의 일차 와인딩 및 적어도 하나의 이차 와인딩을 갖는 링 스트립-권선 코어로서 설계되는 것을 특징으로 하는 변류기 코어.
  9. 변류기 코어 제작 방법으로서,
    상기 변류기 코어는 연성의 자기 철-기반 합금으로 구성된, 코어 외부 직경 Da 대 코어 내부 직경 Di의 비율<1.5인 링 형태이고, 상기 합금 구조의 적어도 50%는 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 미세 결정 입자로 구성되며,
    상기 방법은,
    a) 합금 용해물을 준비하는 단계;
    b) 급속 응결 기술에 의하여 상기 합금 용해물로부터 비결정형 합금 스트립을 제작하는 단계;
    c) 비결정형 변류기 코어를 형성하기 위하여 응력-프리 상기 비결정형 스트립을 와인딩하는 단계; 및
    d) 자기 필드의 영향을 광범위하게 차단하면서 나노결정형 변류기 코어들을 형성하기 위하여 하나의 통로에서 적층되지 않은 비결정형 변류기 코어들을 열 처리하는 단계
    를 포함하는 변류기 코어 제작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열 처리는 비활성 가스 분위기(20)에서 수행되는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 열 처리는 환원 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비결정형 스트립은 와인딩 전에 전기 절연체로 코팅되는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변류기 코어는 와인딩 후에 절연 매체에 담궈지는(immerse) 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층되지 않은 비결정형 변류기 코어들의 열 처리는 높은 열 용량 및 높은 열 전도성을 갖는 열 싱크상에서 수행되는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    금속 또는 금속 합금, 금속 파우더 또는 세라믹은 열 싱크용 재료로서 제공되는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 금속 또는 금속 파우더는 구리, 은 또는 열적으로 전도적인 강철인 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    세라믹 파우더는 상기 열 싱크를 위한 재료로서 제공되는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 또는 세라믹 파우더는 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질화물인 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  19. 제9항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 처리는 약 440℃ 내지 약 620℃ 사이의 온도 간격(interval)에서 수행되는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    고정 온도가 500℃ 내지 600℃ 사이의 열 처리에서 150분에 달하는 주기동안 유지되는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 고정 온도는 0.1 K/min에서 100 K/min에 달하는 가열 속도에서 달성되는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    가열 속도가 제1 가열 단계 및 제2 가열 단계보다 낮은 가열 단계가 440℃ 내지 620℃ 범위의 열 처리에 존재하는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  23. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    어닐링 영역들 전체에서의 거주 시간은 5 내지 180분 사이인 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  24. 제9항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변류기는 1°미만의 위상 에러를 갖는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    μ4>90,000인 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  26. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    μmax>350,000인 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    1.1 내지 1.4 테슬라의 포화 유도 Bs를 갖는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
  28. 제24항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    Ktot>2 J/m3에 따라 자기 전체 등방성을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 변류기 코어 제작 방법.
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