KR20150032431A - 전류센서용 클래드메탈 부스바 - Google Patents

전류센서용 클래드메탈 부스바 Download PDF

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Abstract

전류센서용 클래드메탈 부스바에 관한 발명이 개시된다. 개시된 전류센서용 클래드메탈 부스바는, 전원과 연결되는 입력단자부와, 입력단자부에 입력된 전원이 변환되어 출력되는 출력단자부와, 입력단자부와 출력단자부를 연결하는 연결부를 포함하고, 입력단자부 그리고 출력단자부 그리고 연결부 중 적어도 어느 하나는, 알루미늄층과 알루미늄층 일 면에 적층된 제1구리층과, 알루미늄층의 다른 일 면에 적층된 제2구리층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전류센서용 클래드메탈 부스바{CLAD METAL BUS BAR FOR CURRENT SENSOR}
본 발명은 전류센서용 클래드메탈 부스바(Clad Metal Bus bar)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구리로 된 부스바의 전기 저항, 체결 토크 성질, 온도 상승 물성 등을 가지는 동시에 중량 및 원가를 절감할 수 있는 전류센서용 클래드메탈 부스바에 관한 것이다.
부스바는 전기 에너지를 전달하는 매개체로서 자동차, 발전소, 대형 건물, 대형 공장, 대형 백화점, 지하철, 신공항 등 전류 용량이 큰 대형 송배전선, 전기기기용 도체, 통신 케이블 등의 송전 회로를 구성한다. 부스바는 케이블보다 표면적이 크므로, 방열 효과가 우수하고, 표면에 흐르는 고주파 전류의 임피던스를 낮추어 줌으로써 전류가 큰 고속 시스템에서 더 유리하여 용도가 넓어지고 있다.
자동차 부품과 같이 공간적 제약을 받는 경우, 부스바를 사용하여 부품 소자 간의 전기적 연결 및 지지 구조를 설계하는 것이 일반적이다. 특히, 하이브리드 자동차 인버터 부품의 경우 증착 센서부, 정류기, 변압기 등의 부픔을 기계적 지지 및 전기적 연결하기 위하여 부스바를 사용하고 있다.
종래 부스바는 구리 소재로 제조되었다. 구리는 융점이 1083도로 높으면서 전기 전도도가 100%로 우수하고 프레스 가공성이 우수하기 때문이다. 그러나 구리로 된 부스바는 구리 자체의 원자재 값이 고가이고, 비중이 8.92 g/cm3으로 커서 순수한 구리 만으로 부스바를 만들 경우 중량이 무거워 취급이 어려울 수 있다.
최근 자동차 등에서 부품의 경량화 요구가 늘어나면서 자동차에 포함되는 전류센서용 부스바에서도 기존의 구리로 된 부스바의 물리적 성질을 충족하면서도 경량화 효과를 달성할 수 있는 부스바를 개발할 필요가 있다.
본 발명의 배경기술은 한국공개특허 제2006-0035057호(2006.04.26. 공개, 발명의 명칭: 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드메탈 부스바 및 그 제조 방법)에 개시되어 있다.
종래의 부스바는 구리 재질로 제조되었으므로, 원자재 값이 고가이고, 비중이 커서 무게가 많이 나가는 문제점이 있다.
따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 구리 부스바가 갖는 전기 저항, 체결 토크 성질, 온도 상승 물성 등을 모두 가지면서, 중량 및 원가를 절감할 수 있는 인터버용 클래드메탈 부스바를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 인터버용 클래드메탈 부스바는: 전원과 연결되는 입력단자부; 상기 입력단자부에 입력된 전원이 변환되어 출력되는 출력단자부; 및 상기 입력단자부와 상기 출력단자부를 연결하는 연결부;를 포함하고, 상기 입력단자부 그리고 상기 출력단자부 그리고 상기 연결부 중 적어도 어느 하나는, 알루미늄층과 상기 알루미늄층 일 면에 적층된 제1구리층과, 상기 알루미늄층의 다른 일 면에 적층된 제2구리층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 입력단자부와 상기 출력단자부와 상기 연결부는 일체로서 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1구리층과 상기 제2구리층은 두께가 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 알루미늄층과 상기 제1구리층과 상기 제2구리층 전체의 두께를 기준으로 상기 알루미늄층은 60-80%, 상기 제1구리층은 10-20%, 상기 제2구리층은 10-20%의 두께 비율을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 알루미늄층의 두께와 상기 제1구리층과 상기 제2구리층 전체의 두께는 0.5mm-2.5mm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전류센서용 클래드메탈 부스바는 구리 부스바가 갖는 전기 저항, 체결 토크, 온도 상승 물성 등을 모두 가지면서, 중량 및 원가를 절감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터버용 클래드메탈 부스바에 센서부가 장착된 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류센서용 클래드메탈 부스바를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 "A-A'"단면을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전류센서용 클래드메탈 부스바의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터버용 클래드메탈 부스바에 센서부가 장착된 상태를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류센서용 클래드메탈 부스바를 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류센서용 클래드메탈 부스바(1)는 입력단자부(100), 출력단자부(200) 및 연결부(300)를 포함한다.
입력단자부(100)에는 차량용 배터리 등의 전원과 연결되어 전원이 인가된다. 입력단자부(100)에는 인가되는 전원의 전류 값 등을 측정하는 센서부(50)가 장착될 수 있다.
출력단자부(200)는 모터 등의 전기제품에 연결되어 정류기, 변압기 등을 통하여 변환 된 전압을 공급한다. 본 실시예에서 출력단자부(200)는 3개씩 2쌍이 마련되어 3상 모터에 전원을 공급한다.
연결부(300)는 입력단자부(100)와 출력단자부(200)를 연결한다. 본 실시예에서 연결부(300)는 입력단자부(100)와 출력단자부(200)를 전기적으로 연결하는 이외에, 센서부(50), 정류기 등의 부품을 기계적으로 지지한다. 본 실시예에서 연결부(300)의 외부면에는 센서부(50) 등과의 절연을 위하여 절연물, 특히 합성수지 등의 사출물이 인서트사출 등의 방식으로 씌워진다.
본 실시예에서 입력단자부(100)와 출력단자부(200)와 연결부(300)는 일체로서 형성되어 조립 공정 수를 줄이고 원가를 절감하는 동시에 기계적 강성을 확보한다.
도 3은 도 2의 "A-A'"단면을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 입력단자부(100) 또는 출력단자부(200) 또는 연결부(300) 중 적어도 어느 하나는 알루미늄층(400)과, 알루미늄층(400) 일 면에 적층된 제1구리층(500)과, 알루미늄층(400)의 다른 일 면에 적층된 제2구리층(600)을 포함한다. 구리 소재만을 적용한 경우에 비하여 알루미늄층(400)이 추가되므로 체결 토크, 전기 저항을 유지하면서도 중량 및 원가를 절감할 수 있다.
본 실시예에서 제1구리층(500)과 제2구리층(600)의 두께를 동일하게 하여 구리로 된 부스바의 전기 저항, 체결 토크 등의 물성과 동일하게 할 수 있다.
구리 소재가 적용된 부스바의 전기 저항, 체결 토크 등의 물성을 구현하기 위하여 제1구리층(500) 및 제2구리층(600) 각각의 두께에 대한 알루미늄층(400)의 두께의 비는 1을 초과할 수 있으며, 바람직하게는 3-8이 될 수 있다.
알루미늄층(400)과 제1구리층(500)과 제2구리층(600) 전체의 두께를 기준으로 알루미늄층(400)은 60-80%, 제1구리층(500)은 10-20%, 제2구리층(600)은 10-20%의 두께 비율을 가진다. 해당 범위에서 구리로 된 부스바의 전기 저항, 체결 토크 등의 물성을 구현할 수 있다.
바람직하게는 알루미늄층(400)은 70-80%, 제1구리층(500)은 10-15%, 제2구리층(600)은 10-15%로 포함될 수 있다. 다른 실시예로는 알루미늄층(400)은 60-70%, 제1구리층(500)은 15-50%, 제2구리층(600)은 15-20%의 두께 비율을 가진다.
본 실시예에서 전류센서용 클래드메탈 부스바(1)의 두께는 설계사양에 따라 달라진다. 다만, 알루미늄층(400)과 제1구리층(500)과 제2구리층(600) 전체의 두께가 0.5mm-2.5mm인 경우 가공이 용이하고 센서부(50) 등을 지지하는 기계적 강성이 확보되며, 차량의 배터리 등에 연결되어 전환될 때, 전기적 손실 등을 줄일 수 있다.
이 때 알루미늄층(400)의 두께는 0.3mm-2.0mm이고, 제1구리층(500)과 제2구리층(600)의 각각의 두께는 0.05mm-0.5mm로 적용 된다.
알루미늄층(400)을 구성하는 알루미늄은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 순수 알루미늄 계열인 A1050, A1100 계열 등을 사용하거나, 알루미늄과 마그네슘, 망간, 실리콘 등의 합금인 A3003, A3004, A5005 계열 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 프레스 작업성을 고려하여 순수 알루미늄 계열인 A1050 계열 등을 사용할 수 있다.
제1구리층(500)과 제2구리층(600)을 구성하는 구리는 특별히 제한되지 않지만, 순수 구리 계열인 C1100 계열, 또는 구리와 이종의 금속을 포함하는 합금 등을 사용할 수 있다. 제1구리층(500)과 제2구리층(600)은 동일한 계열의 구리 또는 상이한 계열의 구리를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 실시예에서 전류센서용 클래드메탈 부스바(1)는 압출법, 인발법 또는 압연법 단독 또는 이들을 조합하여 제조할 수 있다. 바람직하게는, 알루미늄, 구리 등의 소재 및 접착성을 고려하여 압연법으로 제조될 수 있다.
압연법은 통상의 열 처리 방법으로 수행될 수 있는데, 이 때 열 처리 온도는 상온에서부터 알루미늄 및 구리의 융점보다 낮은 온도가 될 수 있다. 바람직하게는 200-400℃가 될 수 있다.
구체적으로는, 알루미늄층(400)의 양면에 제1구리층(500) 및 제2구리층(600)을 적층하여 결합체를 만든다. 이후, 결합체를 환원성, 불활성, 또는 진공 분위기로 유지되는 전기로 안에 넣고 적정 온도로 열간 압연함으로써 알루미늄층(400)과 제1구리층(500) 및 제2구리층(600)이 완전히 밀착되어 일체화된 제1구리층(500)-알루미늄층(400)-제2구리층(600)으로 제조할 수 있다.
이 때 압연된 전류센서용 클래드메탈 부스바(1)를 환원성, 불활성 또는 진공 분위기로 유지된 전기로 안에 넣고 적정 온도에서 일정 시간 동안 가열함으로써 알루미늄층(400)과 제1구리층(500), 제2구리층(600) 간의 계면 결합력을 증대시켜 기계적 특성을 향상시키는 추가적인 열 처리를 할 수도 있다.
압연법을 이용하여 제1구리층(500)-알루미늄층(400)-제2구리층(600)으로 된 전류센서용 클래드메탈 부스바(1)를 제조 시 상온에서도 압연이 가능하나 접합을 보다 용이하게 하기 위하여 200-400℃ 범위에서 압연을 행하는 것이 바람직하다.
압연법에서 압하율은 특별히 제한되지 않지만, 알루미늄층(400), 제1구리층(500) 및 제2구리층(600)의 두께의 비율을 고려하여 압하율은 10-20%가 바람직할 수 있다.
본 실시예에서 전류센서용 클래드메탈 부스바(1)는 구리 소재로 된 부스바 대비 40% 이상의 경량화 효과가 있으며, 15% 이상의 원가 절감 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 전류센서용 클래드메탈 부스바(1)의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명한다.
실시예 1
0.7mm 두께의 A1050 계열의 순수 알루미늄 판재 상하에 각각 0.15mm 두께인 C1100 계열의 순수 구리 판재를 적층한다. 대기 분위기 하에서 200-400℃의 온도로 유지되는 전기로 안에 넣고 1시간 동안 가열한 후 약 20%의 압하율로 열간 압연하여 알루미늄층(400)의 양면에 제1구리층(500)과 제2구리층(600)이 각각 적층되고 전체 두께가 1mm인 부스바를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에서, 0.6mm 두께의 A1050 계열의 순수 알루미늄 판재 상하에 각각 0.2mm 두께의 C1100 계열의 순수 구리 판재를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법을 실시하여 전체 두께가 1mm인 부스바를 제조하였다.
비교예 1
통상의 구리로 된 부스바(C1100 계열의 구리로 된 소재, 두께는 1mm)를 사용하였다.
비교예 2-4
실시예 1,2에서, 알루미늄 판재와 구리 판재의 두께 비율을 하기 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 부스바를 제조하였다.
상기 실시예와 비교예의 부스바에 대해 하기의 물성을 평가하고, 그 결과를 표 1에 기재하였다.
1. 부스바 중량: 부스바의 중량을 통상의 방법으로 측정한다.
2. 전기 저항: 자동 전류 조정기(LCR)을 사용하여 교류 전류 10 KHz에서 부스바 양단 간의 전기 저항을 측정한다.
3. 체결 토크: 토크 미터를 사용하여 실리콘 체결 시 10N.m의 힘을 주었을 때 크랙이나 손상 여부를 관찰하여, 크랙이나 손상 없이 체결 가능한 경우 ○, 그렇지 못한 경우 ×로 평가한다.
4. 온도 상승 시험: 전류센서용 부스바가 포함된 모듈을 제조하고 작동조건에서 부스바의 온도 상승 정도를 평가한다.
부스바 전체의 두께
(mm)		 부스바 중 두께 비율(%) 부스바 중량
(1세트,g)		 전기 저항
(μΩ)		 체결 토크 온도 상승 정도
(℃)
제1 구리층 알루미늄 층 제2 구리층
실시예 1 1.0 15 70 15 212 190 ○ 7
실시예 2 1.0 20 60 20 230 190 ○ 7
비교예 1 1.0 - - - 379 190 ○ 7
비교예 2 1.0 5 90 5 160 210 × 8
비교예 3 1.0 25 50 25 330 190 ○ 7
비교예 4 1.0 5 70 25 210 190 × 7
표 1에서 나타난 바와 같이, 본 실시예에서 전류센서용 클래드메탈 부스바(1)는 구리 소재로 된 부스바와 동일한 전기 저항, 체결 토크, 온도 상승 정도를 보이면서도 경량화 효과를 달성하였다.
반면에, 구리 소재로 된 비교예 1의 부스바는 본 실시예에서 전류센서용 클래드메탈 부스바(1)와 유사한 정도의 전기 저항, 체결 토크, 온도 상승 정도 등을 가질 수 있지만, 본 실시예에서 전류센서용 클래드메탈 부스바(1) 보다는 현저하게 무거웠다.
또한, 본 실시예에 따른 알루미늄층(400), 제1구리층(500) 및 제2구리층(600)의 두께 비율을 벗어나는 비교예 2-4는 경량화 효과가 작거나, 또는 구리 소재로 된 부스바와 동일한 전기 저항, 체결 토크, 온도 상승 정도를 보이지 않아서, 본 실시예의 전류센서용 클래드메탈 부스바(1)에 따른 효과를 구현할 수 없었다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1: 전류센서용 클래드메탈 부스바 50: 센서부
100: 입력단자부 200: 출력단자부
300: 연결부 400: 알루미늄층
500: 제1구리층 600: 제2구리층

Claims (5)

  1. 전원과 연결되는 입력단자부;
    상기 입력단자부에 입력된 전원이 변환되어 출력되는 출력단자부; 및
    상기 입력단자부와 상기 출력단자부를 연결하는 연결부;를 포함하고,
    상기 입력단자부 그리고 상기 출력단자부 그리고 상기 연결부 중 적어도 어느 하나는, 알루미늄층과 상기 알루미늄층 일 면에 적층된 제1구리층과, 상기 알루미늄층의 다른 일 면에 적층된 제2구리층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류센서용 클래드메탈 부스바.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 입력단자부와 상기 출력단자부와 상기 연결부는 일체로서 형성되는 것을 특징으로 하는 전류센서용 클래드메탈 부스바.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1구리층과 상기 제2구리층은 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 전류센서용 클래드메탈 부스바.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄층과 상기 제1구리층과 상기 제2구리층 전체의 두께를 기준으로 상기 알루미늄층은 60-80%, 상기 제1구리층은 10-20%, 상기 제2구리층은 10-20%의 두께 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 전류센서용 클래드메탈 부스바.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 알루미늄층의 두께와 상기 제1구리층과 상기 제2구리층 전체의 두께는 0.5mm-2.5mm인 것을 특징으로 하는 전류센서용 클래드메탈 부스바.
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