KR20100057836A - 전기 기계용 자기 코어 및 자기 코어의 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기지의 투자율의 우선 방향을 가진 전기 강판의 적층체를 포함하는 자기 코어에 관한 것이다. 적층체 내에는, 연속된 개별 강판들과, 추가로 또는 대안적으로 연속된 강판 그룹들의 투자율 우선 방향들이 미리 설정된 변위 각도만큼 다르다. 또한, 본 발명은 자기 코어의 용도에 관한 것이다.

Description

전기 기계용 자기 코어 및 자기 코어의 용도{MAGNETIC CORE AND USE OF MAGNETIC CORE FOR ELECTRICAL MACHINES}

본 발명은 기지(旣知)의 투자율 우선 방향(preferential direction)을 가진 전기 강판의 적층체(stack)를 포함하는 자기 코어에 관한 것이다. 또한, 다양한 자계에 제공되는 자기 코어를 가진 교류 전기 기계의 에너지 효율을 증가시키기 위하여, 방향성 판재를 포함하는 자기 코어용 제조 기술이 개시된다.

다양한 전기 기계들은 실질적으로 전기 강판으로 이루어진 자기 코어(이하, "MC"라고 표기)를 흔히 포함한다. 실질적으로 자기 코어를 구성하는 전기 강판의 물성은 당연히 전기 기계의 여러 물성에 영향을 미친다. 특히, 자기 코어에 대해서는 방향성 전기 강판이 사용될 수도 있다.

도 1의 (a)에 도시된 방향성 전기 강판(이하, "GO"라고 표기)의 미세 조직은, 압연 방향(이하, "RD"라고 표기)과 평행하게 <001> 결정학적 방향으로 결정립이 정렬되어 있고, 횡단 방향이 결정립의 <110> 결정학적 방향과 평행하다는 것을 나타낸다.

각도 α₁은 판재의 각 결정립의 <001> 방위와 RD 사이의 차이로 정의될 수 있다. 이 각도는 도 1의 (b)에 개략적으로 도시되어 있다. 자속이 RD를 따라 흐르면, 각도가 0에 근접할수록 자기 성능은 우수해진다.

도 2는 3% 실리콘을 함유하는 강의 단결정 자기 거동(magnetic behavior)을 나타낸다. 밀러 지수로 표현된 3개의 결정 방위에 대하여, kA/m 단위의 자계 강도(H)와 테슬라(Tesla, T) 단위의 자속 밀도(J)의 관계가 도시되어 있으며, 이 결정 방위들은 피. 브리소노(P. Brissonneau)의 "자기 및 자성 재료(Magnetisme et materiaux magnetiques)"에 마찬가지로 기재되어 있는 바와 같이 <001> 용이 축(easy axis), <111> 최대 곤란 축(hardest axis) 및 <110> 중간 축(in-between axis)이다.

산업적으로 제조된 GO 시트와 스트립이 단결정과 같이 거동한다면, 용이 축이 RD에 근접하게 나타날 수 있다. 따라서, 입방정계 결정의 <001> 축과 54.74°의 각도를 이루는 <111> 결정학적 축(도 3 참조)에 해당하는 곤란 축은 RD로부터 54.74°의 각도 근방에 나타나야 한다.

여러 분야에서 절단 판재(cut sheet)를 이용하여, GO 등급을 고전력 회전 전기 기계(고정자의 직경이 1m 초과)용으로 이미 사용하고 있다. 도 4는 이러한 설계를 이용하는 기계의 MC의 일부를 나타낸다. GO를 사용하여 도시된 분할편(segment)들을 제조함으로써, RD가 실질적으로 치형부 축(tooth axis)에 정렬되게 할 수 있다. 치형부의 결정립의 밀러 지수 <001>로 표현된 방향에 해당하는 RD와 자속 밀도 방향 사이의 각도를 α₂로 정의하면, 최고 자속 밀도에 노출된 치형부 내의 자속은 O에 근접한 α₂의 각도로 작용하는 것이 관찰될 수 있다. 이와는 달리, 분할편 코어 내에서는 α₂가 주로 90°이고, 자속 방위의 변화에 대응하여 α₂가 가변적인 영역도 존재한다.

이러한 조립체의 문제점을 설명하기 위하여, GO로 제조된 원환체(torus) 형태의 MC를 고려하기로 한다. 도 5에 도시된 이러한 원환체는 도면에 도시된 바와 같이 코일 세트에 의해 기동된다. 이 MC는 α가 연속적으로 변화하는 특성을 가진 일방향 자계(unidirectional magnetic field)에 노출된다. 본 설명에서 일방향 자계는 시계 방향 또는 반시계 방향을 의미하는 방위가 MC 내에서 변화하지 않는 자계를 나타낸다.

제1 근사(approximation)에 있어서는, RD를 고려하여, 도 6에 도시된 바와 같이 6개의 구역을 특정하여 2개를 한 쌍으로 조합할 수 있다. z₂ 구역에서, 결정립의 밀러 지수 <001>로 표현된 방향에 해당하는 RD와 자속 밀도의 방향 사이의 각도로 정의된 α₂는 0으로 고려될 수 있다. 구역 z₁과 z₃에 있어서는, 각도가 60°인 것으로 고려될 수 있다(공간 주기성에 의하면, α₂ = 120°는 α₂ = 60°와 유사). 서로 다른 구역들이 동일 각도를 가지므로, 모든 자속 경로를 따라 가능한 모든 값을 가져야 하는 α₂ 로 인하여, 에너지 성능 저하는 상당하다.

철손으로 인한 에너지 손실(energy dissipation)이 증가하면, 기계의 전체적 에너지 효율은 감소한다.

따라서, 일방향 자계와 원환체 형상의 MC가 사용되는 경우에는, 많은 문제들이 발생한다는 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같은 교류 회전 전기 기계의 회전 자계에 대해서도 동일한 경향이 나타난다.

해결하여야 하는 과제는 에너지 성능이 더욱 우수한 자기 코어를 설계하는 것이다. 또한, 그러한 자기 코어의 바람직한 사용에 대하여 개시하기로 한다.

전술한 과제는 본 발명에 따라 청구항 1에 기재된 특징을 가진 자기 코어와 청구항 8에 기재된 특징을 포함하는 자기 코어의 용도에 의해 해결된다.

본 발명에 따르면, 투자율의 우선 방향이 알려져 있는 전기 강판의 적층체를 포함한다. 적층체 내에서 연속된 개별 강판(single sheet)들의 투자율의 우선 방향들은 미리 설정된 변위 각도(predetermined shift angle)만큼 다르다. 추가로 또는 대안적으로, 적층체 내에서 연속된 강판의 그룹들의 투자율의 우선 방향들은 미리 설정된 변위 각도만큼 다르다.

또한, 본 발명에 따르면, 투자율의 우선 방향이 알려져 있는 전기 강판의 적층체를 전기 회전 기계의 고정자로서 포함하고 추가로 또는 대안적으로 회전자로서 포함하는 자기 코어가 개시되며, 적층체 내에서 연속된 개별 강판들의 투자율의 우선 방향들은 미리 설정된 변위 각도만큼 다르고, 추가로 또는 대안적으로, 연속된 강판 그룹들의 투자율의 우선 방향은 미리 설정된 변위 각도만큼 다르다.

또한, 투자율의 우선 방향이 알려져 있는 전기 강판들을 적층하는 단계를 포함하는 전기 회전 기계용 자기 코의 조립 방법이 개시된다. 적층체 내에서 연속된 개별 강판들의 투자율의 우선 방향은 미리 설정된 변위 각도만큼 다르다. 추가로 또는 대안적으로, 적층체 내에서 연속된 강판 그룹들의 투자율의 우선 방향은 미리 설정된 변위 각도만큼 다르다.

강판들은 어떤 방향으로도 적층될 수 있다. 적층된 강판들은 중첩되거나 중첩되지 않을 수도 있다. 투자율의 우선 방향은 투자율이 상대적으로 최대인 방향일 수 있다. 투자율의 우선 방향은 강판의 압연 방향에 대하여 공간적인 각도(spatial angle)로 존재할 수도 있다. 각 강판 그룹은 동일 개수의 개별 강판을 포함할 수 있다. 각 강판 그룹은 가변 개수의 개별 변위를 포함할 수도 있다.

연속된 개별 강판들 사이에, 추가로 또는 대안적으로, 연속된 강판 그룹들 사이에 미리 설정된 변위만큼의 투자율의 우선 방향의 차이는, 최소 자기 저항(magnetic reluctance)의 원리에 따라 자속이 강판으로부터 강판으로 "도약(jump)"하는 것을 가능하게 함으로써, 자속 경로를 따라서 더욱 높은 자화가 달성되게 한다.

본 발명의 코어의 바람직한 실시 형태에 대하여 이하에서 설명하기로 한다.

본 발명의 예시적인 실시 형태에 따르면, 자기 코어의 전기 강판의 적층체는 방향성 전기 강판(grain oriented electrical steel sheet)으로 이루어진다. 이는 투자율의 우선 방향을 가진 전기 강판을 용이하게 제조할 수 있게 하는 기술적 효과를 가진다.

본 발명의 예시적 실시 형태에서는, 변위 각도는 연속된 개별 강판들 또는 연속된 강판 그룹들의 각 쌍에 대하여 동일하다. 연속된 개별 강판들 또는 연속된 강판 그룹들의 각 쌍에 대한 변위 각도는 0도와 180도 사이의 변위 각도일 수 있다. 연속된 개별 강판들 또는 연속된 강판 그룹들의 각 쌍에 대하여 변위 각도를 동일하게 하는 것은, 자화의 대칭 분포와 자속 경로를 따라서의 국소 효율의 대칭적 분포를 제공하는 기술적 효과를 가진다.

본 발명의 예시적인 실시 형태에 따르면, 전기 강판 내의 투자율의 우선 방향은 각 강판의 압연 방향과 본질적으로 평행하다. 이는 제조 공정의 파라미터에 기초하여 투자율의 우선 방향을 용이하게 결정할 수 있게 하는 기술적 효과를 가진다.

본 발명의 예시적 실시 형태에서, 변위 각도는 50° 내지 70°이고, 바람직하게는 55° 내지 65°이고, 더욱 바람직하게는 대략 60°이다. 이는 개별 강판 또는 강판 그룹의 상대 투자율의 상대적 최소치를 개별 강판 또는 강판 그룹의 상대 투자율의 상대적 최대치에 인접하게 하는 기술적 효과를 가지며, 따라서 높은 상대 투자율을 가진 영역을 통해 자속이 연속적으로 흐를 수 있게 한다. 60°의 변위 각도는 특히 3상 전기 기계에 적합하다.

본 발명의 예시적 실시 형태에 따르면, 강판들 각각은 두께가 500 마이크로미터 내지 230 마이크로미터의 범위이다. 이는 와류 전류로 인한 에너지 손실을 감소시키고 하나의 전기 강판으로부터 연속된 전기 강판으로 자속이 더욱 용이하게 "도약"할 수 있게 하는 기술적 효과를 가진다.

본 발명의 예시적 실시 형태에서, 개별 강판들은 800 암페어/미터의 자계 강도에 노출되었을 때에 1.85 테슬라보다 큰 자속 밀도(B_800A/m)를 가진다. 이는 높은 포화 자속 밀도를 보장하고 따라서 자기 코어 내의 철손을 감소시키는 기술적 효과를 가진다.

본 발명의 예시적 실시 형태에 따르면, 자기 코어의 용도가 개시되며, 고정자의 연속된 2개의 치형부들 사이의 각도는 변위 각도의 정수 제수(integer divisor)이다. 이는 각 치형부에 대한 최적 자속을 보장하고 따라서 전체적으로 고정자의 에너지 효율의 향상을 보장하는 기술적 효과를 가진다.

본 발명의 예시적 실시 형태에서, 변압기 제조용으로 자기 코어의 용도가 개시된다. 이는 변압기의 효율을 향상시키는 기술적 효과를 가진다.

본 발명의 예시적 실시 형태에 따르면, 전기 강판의 압연 방향을 표시하는 단계와 전기 강판을 스탬핑(stamping)하거나 레이저 절단하는 단계를 포함하는 전기 회전 기계용 자기 코어의 조립 방법이 개시된다. 연속된 개별 강판들 또는 강판 그룹들의 투자율의 우선 방향들 사이에 미리 결정된 변위 각도는, 결정학적 축의 <111> 밀러 지수에 해당하는 방향과 압연 방향 사이의 각도에 근접하며, 이 각도는 입방정계 결정의 <001> 축으로부터 54.74도에 위치한다. 이는 자기 코어의 조립 중에 전기 강판의 배향을 더욱 용이하게 하는 기술적 효과를 가진다.

본 발명에 따르면, 최소 자기 저항의 원리에 따라 자속이 강판으로부터 강판으로 도약할 수 있게 함으로써, 자속 경로를 따라서 더욱 높은 자화를 달성할 수 있다.

도 1은 전형적인 GO 전기 강판의 미세조직의 설명도이다.
도 2는 3% 실리콘을 함유하는 강의 단결정의 자계 강도에 대한 자속 밀도의 변화를 예시하는 도면이다.
도 3은 전형적인 입방정계 결정의 결정학적 축과 각도 사이의 관계를 설명하는 도면이다.
도 4는 종래 기술에 따라 여러 분할편에 절단 시트를 사용하는 전형적인 전기 기계의 설명도이다.
도 5는 종래 기술에 따라 GO로 제조되고 코일에 의해 기동되는 원환체 형상의 MC의 설명도이다.
도 6은 종래 기술에 따라 GO로 제조된 MC의 단면과 자속을 설명하는 도면이다.
도 7은 GO로부터 RD에 대해 여러 각도로 절단된 엡슈타인 스트립의 설명도이다.
도 8은 엡슈타인 스트립에 인가된 자계 강도에 대한 자속 밀도의 설명도이다.
도 9는 자계의 방향과 압연 방향 사이의 각도에 대한 포화 자속 밀도의 변화를 설명하는 도면이다.
도 10은 자계의 방향과 압연 방향 사이의 각도에 대한 최대 상대 투자율의 변화를 설명하는 도면이다.
도 11은 자계의 방향과 압연 방향 사이의 여러 각도에 대하여 자속 밀도에 따른 전력 손실 철손의 변화를 설명하는 도면이다.
도 12는 종래 기술에 따른 조립체 GO 00°에 대응하는 GO 시트의 전형적인 비-변위형 적층체의 설명도이다.
도 13은 본 발명의 예시적 실시 형태에 따라서 연속된 2매의 GO 시트들 사이에 60°의 각도로 변위된 GO 시트들의 적층체를 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 예시적 실시 형태에 따른 GO 시트의 변위형 적층체와 GO 시트의 예시적 비-변위형 적층체에 인가한 전압에 대한 자화 전류 성분의 변화를 설명하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 예시적 실시 형태에 따른 GO 시트의 변위형 적층체와 GO 시트의 예시적 비-변위형 적층체에 인가한 전압에 대한 자속 밀도의 변화를 설명하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 예시적 실시 형태에 따른 GO 시트의 변위형 적층체와 GO 시트의 예시적 비-변위형 적층체에 인가한 전압에 대한 전력 손실 철손의 변화를 설명하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 예시적 실시 형태에 따른 GO 시트의 변위형 적층체와 GO 시트의 예시적 비-변위형 적층체 및 NO 시트의 예시적 적층체에 인가한 전압에 대한 자화 전류의 변화를 설명하는 도면이다.
도 18은 본 발명의 예시적 실시 형태에 따른 GO 시트의 변위형 적층체와 GO 시트의 예시적 비-변위형 적층체 및 NO 시트의 예시적 적층체에 인가한 전압에 대한 전력 손실 철손의 변화를 설명하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 예시적 실시 형태에 따른 GO 시트의 변위형 적층체와 GO 시트의 예시적 비-변위형 적층체 및 NO 시트의 예시적 적층체에 대한 자화 전류를 설명하는 도면이다.
도 20은 본 발명의 예시적 실시 형태에 따른 GO 시트의 변위형 적층체와 GO 시트의 예시적 비-변위형 적층체 및 NO 시트의 예시적 적층체에 대한 전력 손실 철손을 설명하는 도면이다.
도 21은 본 발명의 예시적 실시 형태에 따른 GO 시트의 변위형 적층체와 GO 시트의 예시적 비-변위형에 대한 자화 전류 시간 위상 벡터를 설명하는 도면이다.

실제의 GO 시트와 스트립이 단결정 자기 거동을 나타내는지를 조사하기 위하여, 도 7에 도시된 바와 같이 RD로부터 여러 각도(α₃)로 절단한 엡슈타인(Epstein) 스트립에 대하여 실험을 실시하였다. 사용한 GO 재료 등급은 파워코어(Powercore) C 140-35이고, 엡슈타인 프레임 내에서 50Hz로 테스트하였다. 작업 공정에 있어서, 이 스트립으로 제조된 MC를 소자(demagnetization)한 후에 최대 자계 800A/m까지 자계 강도 범위를 변화시킴으로써 연속적인 루프들을 생성하였다. 엡슈타인 스트립에서는 자속이 주로 α₃를 따라 흐른다는 점에 주목하여야 있다.

도 8에는 인가된 최대 자계 강도(H)에 대하여 테슬라 단위의 최대 자속 밀도 값(B)이 도시되어 있다. B와 H 값은 각 B(H) 루프로부터 추론되었다.

자계 방향과 압연 방향 사이의 각도(α₃)가 0°, 55° 및 90°일 때의 결과는 도 2에 도시된 결과와 유사한 형태를 나타낸다.

- α₃ = 0°는 <001> 결정학적 방향과 유사하고,

- α₃ = 90°는 <110> 결정학적 방향과 유사하고,

- α₃ = 55°는 <111> 결정학적 방향과 유사하다.

따라서, GO 재료의 마그네토 결정 이방성(magneto crystalline anisotropy)은 3% 실리콘 함유 강의 단결정과 유사하다.

자계 방향과 RD 방향이 평행한 경우에 해당하는 α₃ = 0°의 대해서는, 이러한 성능은

- 높은 포화 자속 밀도 레벨 B_sat과,

- 상당히 높은 최대 상대 투자율 μ_rmax에 기인한다.

상대 투자율(μ_r)은 최대 자속 밀도 B_max(H_max)의 도면으로부터 추론되며, μ_rmax는 최대 자계 강도(H_max)에 대한 상대 투자율(μ_r)의 도면에서의 최고치이다.

α₃가 0으로부터 벗어남에 따라서, 이러한 모든 성능은 도 9와 도 12에 도시된 바와 같이 저하하였는데, 이 도면들은

- α₃에 대한 포화 자속 밀도 B_sat(T)의 변화(도 9)와,

- α₃에 대한 최대 상대 투자율(μ_rmax)의 변화(도 10)와,

- 여러 α₃에 대하여 자속 밀도 B(T)에 따른 전력 손실 철손(iron power dissipation loss)(W/kg)의 변화(도 11)를 나타낸다.

α₃ = 0인 경우에 얻어진 전력 손실 철손의 감소는 상당히 얇은 이력 루프(hysteresis loop)에 기인한다.

α₃ = 55°인 경우가 가장 중요하다. 이 각도는 최소 상대 투자율의 방향에 대응하는 곤란 축 <111>과 RD에 대응하는 단결정의 <001> 축 사이의 각도인 54.74°에 거의 일치한다. 따라서, 마그네토 결정 이방성을 고려하여 GO 시트의 적층체로 이루어진 MC를 제조하기 위하여 전술한 결과를 이용할 수 있다.

원환체는 적층된 원형 시트들로 구성되어, n = 5 턴(turn)(와이어 단면은 1.5mm²)으로 이루어진 코일을 수용하기 위해 사용되는 MC를 형성할 수 있다. 전기 절연된 이러한 시트는 직경(D)이 10cm이고, 그 축과 평행하게 1.6cm의 직경(d)으로 천공된다.

MC는 양단의 2개의 조(jaw) 사이에 고정된다. 테스트된 각 세트에 대하여 길이(L)는 6.7cm이다. 따라서, 조립체를 가압하는 응력은 각 시작품(prototype)에 대하여 동일한 것으로 가정할 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이 GO 시트의 비-변위형 적층체(not shifted stack)(조립체 GO 00°) 및 연속된 2매의 시트들 사이에 60°의 각도로 변위되는 GO 시트의 적층체(도 13 참조)(조립체 GO 60°)의 2가지 다른 조립체의 경우에 대하여 시험하고 비교하였다.

도 10에 도시된 시작품을 사용하여 실험을 실시하였다. 스탬핑 가공된 0.35mm 두께의 파워코어 C 140-35 전기 강판 등급의 GO 시트를 200매 사용하여 각 MC를 제조하였다. 그 목적은 GO 60°와 GO 00° 조립체의 성능을 비교하는 것이다.

- 도 14의 곡선은, 전술한 2 종류 구성에 있어서, 전압(V)이 인가되었을 때에 자화 전류(I_μ)의 유효 자화 전류(active magnetizing current) 성분(I_μa)및 무효(reactive) 자화 전류 성분(I_μr)의 변화를 나타낸다. 조립체 GO 60°는, 예시된 V에 대하여 그리고 결과적으로 소정 자속 밀도(B)에 대하여, 특히 I_μr과 관련하여 낮은 전류 성분을 필요로 한다.

- 2 종류 구성에 있어서, V가 0V 내지 5V로 변화할 때에 V에 따른 자속 밀도(B)의 변화를 추론한 결과에 의하면, 특성들이 실질적으로 병합되고, 조립체 GO 00°에 대해서는 V = 0V일 때의 0T부터 V = 5V일 때의 1.556T까지(조립체 GO 60°에 대해서는 1.572T까지) 선형적으로 나타난다. V = 2V 근방에서의 자속 밀도 B(V)를 확대하여 나타낸 도 15로부터 명확한 바와 같이, 조립체 GO 60°은 예시된 V에 대하여 무효 자화 전류 성분이 낮지만 더욱 높은 자속 밀도(B)를 나타낸다(이러한 특성은 조립체 GO 60°에 대한 더욱 낮은 코일 저항 전압 강하에 주로 기인한다). V = 4.5V일 때의 유효 상대 투자율(μ_r)은 조립체 GO 00°에 대하여 μ_r = 2680이고, 조립체 GO 60°에 대하여 μ_r = 18810인데, 이는 흥미로운 차이이다. 다시 도 10을 참조하면, 18810은 α₃ = 0°와 α₃ = 55° 각각으로부터 얻은 평균 상대 투자율 값인 2000과 유사하다.

- 도 16은 V²에 대한 전력 손실 철손(P_μ)의 변화를 나타낸다. 조립체 GO 60°은 철손이 작아지게 된다는 점을 알 수 있다. 또한, 철손은 V² = 20VV(V = 4.5V)까지 V²의 함수로서 상당히 선형적으로 나타난다는 점도 알 수 있다. V = 4.5V의 값은 도 14에 도시된 I_μa의 변화와도 밀접한 관련이 있다(V = 4.5V를 초과하면 이 전류 성분이 더욱 급속히 증가). 따라서, 포화는 V > 4.5V(B > 1.42T)일 때에 MC 거동에 현저한 영향을 미치기 시작하는 것으로 결론을 내릴 수 있다. 이러한 자속 밀도 포화 레벨은 α₃ = 0°와 55° 각각에 대해 도 8에 도시된 B(H) 곡선으로부터 추론될 수 있는 양의 평균치에 대략 대응한다는 것을 알 수 있다.

이러한 기초적인 검토는, 말하자면, 자속이 하나의 시트로부터 다음 시트로 최소 자기 저항(magnetic reluctance)의 경로를 따라서 횡단하거나 도약(jump)한다는 것을 명확히 나타낸다. 이러한 특성에 의하여, GO 60°의 구성에 있어서는 정렬형 구성(GO 00°)에 비하여, 공급 전압이 동일한 조건에서 전력 손실 철손이 감소하고 자화 전류가 감소하는데, 이는 간접적으로는 코일 저항의 동손을 감소시키게 된다.

이러한 상황에서, 주어진 V에 대하여 피크 자속 밀도는 GO 60°의 경우에 GO 00°보다도 증가하는 것으로 보인다. 경제적인 관점에서, GO 60°의 변위형 시트를 조립하는 데에는 주위가 필요로 하므로 인건비가 높다. 그러나, 전기 장치의 에너지 효율의 증가를 고려한다면, 주어진 B에 대하여 전력 손실(철손 + 동손)에 관한 이익에 의하여 이 기술이 유리하게 된다. GO 00°의 정렬형 구성에 비하여 GO 60°의 구성의 양호한 성능이 나타나며, 무방향성 시트(이하, "NO"로 표기)를 사용하여 비교하기로 한다.

GO는 앞의 문단에서 인용된 것과 동종이다. NO에 관해서는,

- TO 400-50AP(50Hz 및 1.5T에서 전력 손실 철손이 4W/kg, 두께가 0.5mm)와,

- TO H-M 600-50(50Hz 및 1.5T에서 전력 손실 철손이 6W/kg, 두께가 0.5mm)의 2가지 등급이 존재한다.

NO는 특별한 주위 사항(precaution) 없이 적층될 수 있다[용이한 조립(loose assembling)]. 이와 같이 조립된 장치를 기준품으로서 NO 400-50 및 NO 600-50으로 표기하기로 한다.

철의 용적이 동일하려면, NO을 사용하는 MC는 140매의 시트로 이루어져야 한다는 점에 유의하여야 한다.

도 16의 곡선은 V에 대한 전류(I_μ)의 변화를 나타낸다. 도 17의 곡선은 V에 대한 전력 손실 철손(P_μ)의 변화를 나타낸다. 이러한 전력 손실 철손은 와류 손실(eddy current loss)과 이력 손실(hysteresis loss)을 포함한다. 곡선들에서는 0.5mm 두께의 NO가 0.35mm 두께의 GO에 비하여 큰 철손을 나타내는데, 와류 손실은 시트 두께의 제곱의 함수인 것으로 알려져 있으므로, 이 곡선들로부터는 결론을 도출하기가 상당히 곤란하다. 따라서, 0.35mm 두께의 GO에 있어서는 와류 손실이 0.5mm 두께의 NO에 비하여 2배 작다. 0.35mm 두께에 대한 곡선이 0.5mm에 대한 곡선의 아래에 위치하는 것은 원래 당연한 것으로 보인다.

적절한 비교를 하기 위하여, 0.5mm NO의 곡선으로부터, 동일한 금속학적 구성의 시트로서 동일한 철 용적을 유지하는 0.35mm 두께의 시트의 전력 철손으로 이론적으로 환산하는 것이 바람직하다. 이러한 환산을 위해서는, NO의 경우에 50Hz에서 와류 손실은 전체 철손의 1/8에 불과하다고 기재된 문헌을 참조할 수 있다. 따라서, 0.5mm 두께의 NO로부터 얻은 곡선을 교정하는 것은 간단하다. 덜 바람직한 경우(와류 손실이 전체 손실의 1/5인 경우)를 고려하면, V에 대한 전력 손실 철손(P'_μ)의 변화를 나타내는 교정 곡선으로서 도 18에 NO 400-35와 NO 600-35로 표기된 곡선을 얻을 수 있다. 여기서, 아래의 관계를 이용하여 P_μ로부터 P'_μ를 도출하였다.

와류 손실의 기여에 관하여 전술한 설명을 고려하여 얻은 곡선은 원래의 곡선에 매우 근접한다.

시트의 두께가 동일한 경우에, GO는 조립 기술과는 무관하게 NO에 비하여 전력 손실 철손이 훨씬 작다(NO 400-35의 경우에는 비가 거의 2)는 것을 알 수 있다.

GO 60°의 전력 손실 철손은, NO의 전력 손실 철손의 크기(scale)의 관점에서 보면, GO 00°에 비하여 훨씬 작은 것은 아니다.

실제로는, 변위에 의해 얻어지는 장점은 자화 전류(도 17의 곡선)에 더욱 명확히 나타난다. V = 3V(B는 대략 1T이며, 이는 특히 GO의 경우에 MC의 일부가 훨씬 높은 자속 밀도에 제공된다는 것을 의미함)일 경우에 대한 도 19와 도 20의 도표는 이러한 물성을 나타낸다(NO 400-35와 NO 600-35의 구성에 있어서는, 전력 손실 철손에 관한 교정을 고려하여 전류 I'_μ를 I_μ 값으로부터 추론하며, 교정된 값은 초기 값에 매우 근접한다). MC가 주요 포화 레벨에 도달하면, 전류의 이러한 물성은 소멸(도 17 참조)되지만, 전력 손실 철손에 관해서는 매우 만족스러운 성능을 유지한다.

도 21의 도면은, V = 3V인 경우에, GO 00°와 GO 60°의 구성에 있어서 자화 전류 시간 위상 벡터(phasor)(I _u)를 나타낸다. GO 60°에 있어서는, 이 전류가 감소할 뿐만 아니라, I _μ와 그 유효 성분(I_μa) 사이의 각도(φ_μ)의 감소에 의하여 역률(power factor)[cos(φ_μ)]이 향상함을 알 수 있다. 그에 따라, 자화 전류에 기인하는 그리드(grid) 내의 전압 강하가 또한 감소한다.

결론적으로, MC를 제조하기 위하여 GO를 사용하는 것은 흥미로우며, 그 이유는 철손과 자화 전류가 상당히 감소하기 때문이다.

GO 60° 조립체는 상당한 자화 전류 감소에 의하여 정렬형 조립체 GO 00°에 비하여 전력 손실이 철손이 감소한다. 이러한 감소는 주로 성분 I_μr에 작용하며, 달리 표현하자면 μ_r GO 60° >> μ_r GO 00°이다. 이와 같은 I_μr의 현저한 감소에 의하여, MC 내의 자속 밀도이 높은 경우에도 역률이 현저히 향상된다. 전류 감소와 역률 증가의 이중 효과는, 경제적으로 상당한 이해 관계가 있는 그리드 공급 전압 강하에 매우 유리한 영향을 미친다. 특별한 절단을 필요로 하지 않는 본 발명의 조립체는 인건비에 기인하는 과다한 추가 비용을 필요로 하지 않는다는 점에 주목할 만하다. 따라서, 본 발명의 조립체는 매우 다양한 분야에 적용되는 저전력 교류 회전 전기 기계를 제조함에 있어서 극히 바람직하다.

조립체 GO 60°는 원환체 형태의 장치의 흥미로운 성능을 나타내며, 특히 소정 효과에 대응하기 위한 목적으로 다른 정렬(0도와는 다른 모든 유형의 변위 각도)도 특정 전기 장치에 고려할 만한 가치가 있다는 점에 주목할 필요가 있다.

약어:
GO: 방향성 (방향성 전기 강판 또는 시트)
RD: 압연 방향
MC: 자기 코어
NO: 무방향성 (무방향성 전기 강판 또는 시트)

Claims (10)

1. 기지의 투자율 우선 방향(preferential direction)을 가진 전기 강판의 적층체를 포함하는 자기 코어에 있어서,
   적층체 내에서 연속된 개별 강판들 및/또는 강판 그룹들의 투자율의 우선 방향들이 미리 설정된 변위 각도(shift angle)만큼 다른 것을 특징으로 하는 자기 코어.
2. 제1항에 있어서,
   자기 코어의 전기 강판의 적층체는 방향성 전기 강판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 코어.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   변위 각도는 연속된 개별 강판들 또는 연속된 강판 그룹들의 각 쌍에 대하여 동일한 것을 특징으로 하는 자기 코어.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   전기 강판의 투자율의 우선 방향은 각 강판의 압연 방향과 본질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 자기 코어.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   변위 각도는 50° 내지 70°인 것을 특징으로 하는 자기 코어.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   각 강판은 두께가 230μm 내지 500μm의 범위인 것을 특징으로 하는 자기 코어.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   각 강판은 800A/m의 자계 강도에 노출되었을 때에 1.85 테슬라를 초과하는 자속 밀도(B_800A/m)를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 코어.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 자기 코어의 용도로서,
   전기 회전 기계의 고정자 및/또는 회전자로서의 자기 코어의 용도.
9. 제8항에 있어서,
   고정자의 2개의 연속된 치형부들 사이의 각도는 정수 제수(integer divisor)인 것을 특징으로 자기 코어의 용도.
10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 자기 코어의 용도로서,
    변압기 제조용으로서의 자기 코어의 용도.

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