KR20140065524A - 표면 확장 나선 와이어 트랜스포머의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면 확장 나선 와이어 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 표면 확장 나선 와이어에 관한 것으로써, 본 발명에 의하면 극세선의 에나멜 코팅된 와이어를 몇 가닥 일정한 피치로 꼬은 동선으로 주로 고주파 기기에 사용되는 리츠 와이어를 제공함으로써 고주파 특유의 표피효과 및 근접효과에 의한 교류저항의 증대을 억제하고, 표면적의 증대로 인해 코일의 온도 상승을 방지하고, 기기의 고효율화, 소형화, 고에너지화, 고속화를 가능하게 한다.

Description

표면 확장 나선 와이어 트랜스포머의 제조 방법{Process for preparing surface-expanded spiral wire}

본 발명은 표면 확장 나선 와이어 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 표면 확장 나선 와이어에 관한 것이다.

전기/전자 제품의 품질이 높아지고 고도화될수록 크기가 작아지고 얇아지는데, 특히 트랜스포머의 경우 높은 주파수에서 동작시킴으로써 부품의 크기가 감소될 수 있고, 높은 효율을 예상할 수 있다. 하지만 일반적인 트랜스포머의 경우 높은 주파수에서 동작함으로써 표피효과로 인해 교류 전류의 값이 커져 효율이 급격히 저하되는 문제점이 발생한다.리츠 와이어는 일반적으로 트랜스포머를 구성하는 도체 와이어에 있어서, 개별적으로 절연된 미세 와이어 다발을 꼬거나 균일한 패턴의 직조 형태로 제작된 것을 말한다. 리츠 와이어는 단위 단면 당 더 높은 임피던스를 가지고 있지만 높은 주파수에서 케이블 임피던스를 줄이거나 케이블의 두께를 크게 줄일 수 있어 널리 사용되고 있다.

리츠 와이어는 전력 손실을 최소화하고, 높은 주파수 동작에서 표피효과(skin-effect)를 감소시키기 위하여 사용된다. 여러 개의 와이어 다발은 단면적이 동일한 하나의 굵은 와이어보다 교류 저항의 증대를 억제하고, 코일의 온도 상승을 방지할 수 있어 전력 기기의 고효율화, 소형화, 고속화가 가능하다.

일반적으로 리츠 와이어로 제조된 트랜스포머의 경우 500 kHz 이하의 동작 주파수에서는 매우 효과적이지만, 1MHz 이상의 주파수에서는 효율이 낮아져 잘 사용하지 않는다. 수 MHz 이상의 동작 주파수에서는 표피 효과의 영향으로 와이어가 더욱 미세해져야 하지만 일반 구리선을 사용하여 미세한 와이어를 제작하는 데에는 한계가 있다.

트랜스포머란 전자기유도현상을 이용하여 교류의 전압이나 전류의 값을 변화시키는 장치로, 전원을 연결한 코일에 전류가 흐르면 코일과 코아에 자기장이 형성된다. 전원에서 공급되는 전류가 시간에 따라 변한다면 자기장의 크기 또한 같이 변화하여 코아를 통해 자기장이 전달되어 2차측 코일을 통과하는 자기장의 세기도 시간에 따라 변화하여 2차측 코일에서 전자기유도에 의해 유도기전력이 생성된다.

변압기의 성능을 저하시키는 대표적인 손실에는 부하손실과 무부하손실 등이 있으며, 무부하손실 중에 철손은 주파수 및 자속밀도의 변화로 인해 발생하며, 와류손은 코아의 와류에 의해 발생한다. 부하손실은 부하 전류의 변화로 인해 발생하거나, 온도 변화로 인한 저항 증가로 인한 손실이 발생한다. 일반적인 트랜스포머의 경우 낮은 주파수에서의 손실이 그리 크지 않고 높은 효율의 성능을 얻을 수 있지만 크기가 커지고, 열 발생을 방지하거나 용이하게 냉각시키는 방법을 사용한다.

특허문헌 1: 한국 공개특허공보 제10-2008-0075546(2008.08.18) 특허문헌 2: 한국 공개특허공보 제10-2011-0005742(2011.01.18)

본 발명자들은 이러한 일반 트랜스포머의 단점을 극복하고 높은 주파수에서 높은 효율로 동작하는 소형의 트랜스포머를 개발하기 위하여 예의 연구한 결과, 후술하는 바와 같이 표면을 확장시킨 미세 와이어 다발을 꼬거나 균일한 패턴의 직조형태로 구현하여 제조된 리츠 와이어가 이와 같은 요건을 만족시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명은, 일면에 있어서, 수 ~ 수백 MHz 이상의 동작주파수에서 표피효과와 근접효과를 감소시킬 수 있는 일반적인 도체를 이용하여 리츠 와이어를 구현하는 것은 아주 어려우며, 미세 고분자 와이어에 표면을 확장시킨 미세 와이어 다발을 꼬거나 균일한 패턴의 직조형태로 구현하는 은 코팅 표면확장 나선 와이어를 사용한 트랜스포머를 제조하여 일반 리츠 와이어 대비 높은 주파수에서 동작이 가능한 트랜스포머를 제조하는데 목적이 있다.

본 발명은, 추가의 일면에 있어서,

구리 동선에 극세선의 에나멜을 코팅하는 단계; 및

상기 코팅 와이어를 30~70가닥을 한 다발로 구성하고, ㎝당 1 회전이 되도록 일방향으로 꼬아주거나 회전 직조하는 단계;를 포함하되,

단일 와이어를 사용하여 트랜스포머를 구성할 때를 기준으로 할 때 기준 와이어의 단면적의 1~5%의 단면적을 가지는 미세 와이어를 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 확장 나선 와이어 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의하면 극세선의 에나멜 코팅된 와이어를 몇 가닥 일정한 피치로 꼬은 동선으로 주로 고주파 기기에 사용되는 리츠 와이어를 제공함으로써 고주파 특유의 표피효과 및 근접효과에 의한 교류저항의 증대을 억제하고, 표면적의 증대로 인해 코일의 온도 상승을 방지하고, 기기의 고효율화, 소형화, 고에너지화, 고속화를 가능하게 한다.

도 1은 도체의 표피효과를 설명하는 도면.
도 2는 제작된 표면 확장 나선 와이어 트랜스포머의 사진.

본 발명은, 일면에 있어서,

구리 동선에 극세선의 에나멜을 코팅하는 단계; 및

상기 코팅 와이어를 30~70가닥을 한 다발로 구성하고, ㎝당 1 회전이 되도록 일방향으로 꼬아주거나 회전 직조하는 단계;를 포함하되,

단일 와이어를 사용하여 트랜스포머를 구성할 때를 기준으로 할 때 기준 와이어의 단면적의 1~5%의 단면적을 가지는 미세 와이어를 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 확장 나선 와이어 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

리츠 와이어는 통상 다음의 표 1에 나타낸 바와 같이 AWG 단위로 표기하여 사용한다.

명목 직경 [mm]	AWG	명목 저항[Ω/m]
0.0245	50	36.26
0.0275	49	28.78
0.0310	48	22.65
0.0350	47	17.77
0.0390	46	14.31
0.0440	45	11.24
0.0500	44	8.706
0.0550	43	7.195
0.0630	42	5.484
0.0700	41	4.442
0.0780	40	3.577
0.0880	39	2.811
0.101	38	2.134
0.113	37	1.705
0.126	36	1.371
0.141	35	1.095
0.159	34	0.8609
0.179	33	0.6793
0.202	32	0.5334
0.225	31	0.4299
0.253	30	0.3400

도체에 흐르는 교류전류의 주파수가 큰 경우 자속의 변화가 커지게 되어 유도 기전력이 커지게 되고, 도체 단면에 있어서는 도체의 표면보다 도체 중심부에 가까워질수록 전류와 쇄교하는 자속이 커지게 되어 전류는 감소한다.

이와 같이 주파수가 높을수록 도체 표면의 전류밀도가 커지게 되고, 중심으로 갈수록 전류밀도가 작아지는 현상을 표피효과(skin effect)라고 한다. 이와 같은 표피효과는 도체에서 전류가 흐르는 단면적을 작게 하므로 저항을 증가시키고, 전력손실이 증가되며, 사용 가능한 주파수 대역을 제한하게 된다.

따라서, 고주파수에서는 굵은 하나의 와이어보다는 가느다란 여러 개의 와이어가 표피효과의 개선에 적합하다. 표피효과에 의한 도체 내의 전류는 지수적으로 감소되며, 표면 전류값의 36.8%로 감소되는 표면에서 부터의 깊이는 다음과 같다.

(1)

(여기서, m 는 투자율, s 는 도체의 도전율, f 는 주파수이다)

식 (1)으로부터 표피두께(Skin Depth) 또는 침투깊이(Depth Penetration) d는 전류가 도체의 표면에서 어느 정도 깊이까지 흐를 수 있는지를 나타내는 척도이며, 도체의 단면적과 투자율, 도전율 그리고 주파수의 제곱근에 반비례한다.

본 발명에 따른 표면확장 나선 와이어는 단일 와이어를 사용하여 트랜스포머를 구성할 때를 기준으로 할 때 기준 와이어의 단면적의 1~5%의 단면적을 가지는 미세 와이어를 사용하여 동일한 단면적을 구현하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 동일한 단면적을 가지는 하나의 굵은 와이어를 사용하는 대신 1%의 단면적을 가지는 와이어를 100개 사용하거나 5%의 단면적을 가지는 와이어를 20개 사용한다.

높은 주파수에서 동작해야 할 필요가 있는 트랜스포머의 경우 좀 더 작은 단면적을 가지는 와이어를 사용하는 것이 바람직히다. 여러 가닥의 미세 와이어를 단순히 배열해 놓은 와이어의 경우 주파수가 높아질수록 인접하는 도체에 흐르는 교류 전류들의 서로 방해하는 근접효과가 발생한다. 근접효과로 인해 동일한 방향으로 흐르는 전류의 경우 서로 밀어내어 서로 근접해 있는 와이어의 바깥쪽으로 전류가 흐르게 되어 표피효과와 마찬가지로 교류 전류가 증가하는 문제점이 발생한다. 이러한 근접 효과를 감소시키는 가장 간단한 방법은 일정 거리만큼 와이어들을 이격시키는 것이지만, 작은 크기로 제작되어야 하는 트랜스포머의 경우 이격이 용이하지 않다. 와이어들을 이격시키지 않고 근접효과를 감소시키기 위하여 미세한 와이어 다발을 일정한 방향으로 꼬아주어 전류가 흐르는 방향을 일정치 않게 해주어야 한다. 최적의 효율을 보이도록 꼬아주는 회수는 와이어 굵기가 44 AWG 기준일때 50가닥의 와이어로 구성된 하나의 다발에 대하여 단위 Cm 당 1회전이 되도록 꼬아준다.

다음의 표 2는 와이어의 규격당 사용되는 최적의 다발수와 턴수에 대한 실험 데이터이다.

규격(AWG)	다발 수	턴수(㎝당)
39	10	0.83
40	12	0.85
41	14	0.88
42	27	0.91
43	35	0.95
44	50	1
45	80	1.1
46	106	1.26

그리고 다음의 표 3은 44AWG 와이어 50 다발에 대한 턴수 변화에 따른 인덕턴스 변화율 데이터이다.

턴수(㎝당)	0.80	0.85	0.90	0.95	1.00	1.05	1.10	1.15	1.20
인덕턴스 변화율(%, 1KHz 대비, 100 KHz 동작)	3.53	2.86	2.24	1.69	1.24	1.27	1.35	1.42	1.43

코일 제조에 사용되는 와이어는 여러 가지 유형과 모양을 갖는다. 주로, 본 발명은, 여러 개의 스트랜드로 엮인 와이어인 리츠 와이어에 관한 것이다. 개별 스트랜드는 꼬임(twist)과 마디 길이(length of lay)의 균일 패턴으로, 다발로 만들어지거나 짜여질 수 있다.

"리첸드래프트(litzendraft)" 와이어라고도 불리는 리츠 와이어는, 그래서 개별적으로 절연된 스트랜드의 다발이고, 예를 들어 직경이 0.1mm의 16개 스트랜드 (16*0.1)일 수 있다.

또한, 리츠 와이어의 최상의 결과를 얻기 위해서는, 각각의 개별 스트랜드를, 주어진 길이에서 중심으로부터 바깥쪽과 뒤쪽으로 움직이는 균일한 패턴으로 리츠 구조에 놓는 것이 필수적이다.

본 발명의 리츠 와이어의 제작 단계는 다음의 단계를 포함한다.

a) 목적하는 트랜스포머의 응용회로에서 고정 변수를 정의하고, 듀티를 설정한 다음 최대 부하에서의 2차측 전압 Vo1' 및 적절한 회전비를 세팅하는 단계;

b) 코어의 재질과 형상, 그리고 대략적인 사이즈를 세팅하는 단계;

c) 선택된 코어의 외형에 관한 파라미터들을 추출하는 단계;

d) 코어의 열저항 계수 RT를 구하고, 이를 이용하여 손실 한계치를 세팅하는 단계;

e) 손실 제한치를 근거로한 자속(밀도) 변동폭을 계산하고, 패러데이 법칙을 이용 2차측 권선의 턴 수를 계산하여 2차측 턴 수가 2턴일 경우의 자속 변동과 코어 손실을 다시 계산하여 1차측 턴수를 계산하여 권선 구조를 선택하는 단계;

f) 해당 스위칭 주파수에서의 Dpen을 계산하여 최소 입력전압(그리고 Dmax)에서의 1, 2차 권선에 흐르는 전류의 DC, AC, rms 치를 계산한 후 1차측 및 2차측 권선을 세팅하는 단계.

이와 같이 제조된 리츠 와이어는 일반 트랜스포머보다 높은 주파수에서 동작이 가능한 효면 확장 나선 와이어로서 일반 트랜스포머에 비하여 그 크기가 감소하며, 고효율 고성능의 특성을 보인다. 트랜스포머 및 인덕터 자체의 사업화 뿐 아니라 고성능의 고효율이 필요로 한 다양한 전기 전자 제품에 필수적으로 사용되는 SMPS의 사업화에 필수적이다. 수 MHz 대역의 고주파 환경에서 높은 효율을 보일 수 있는 트랜스포머를 자체 생산하여 사업화하며, LED 전용 및 의료용 등 고품질의 SMPS 사업에 사용가능한 전력 부품으로 활용하는 것이 가능하다.

Claims (1)

1. 구리 동선에 극세선의 에나멜을 코팅하는 단계; 및
   상기 코팅 와이어를 30~70가닥을 한 다발로 구성하고, ㎝당 1 회전이 되도록 일방향으로 꼬아주거나 회전 직조하는 단계;를 포함하되,
   단일 와이어를 사용하여 트랜스포머를 구성할 때를 기준으로 할 때 기준 와이어의 단면적의 1~5%의 단면적을 가지는 미세 와이어를 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 확장 나선 와이어 제조 방법.

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