WO2012138199A2 - 비정질 금속 코어와, 이를 이용한 유도장치 및 그 제조방법 - Google Patents

비정질 금속 코어와, 이를 이용한 유도장치 및 그 제조방법 Download PDF

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    • Y10T29/49075—Electromagnet, transformer or inductor including permanent magnet or core
    • Y10T29/49078—Laminated

Definitions

  • the present invention is because the mutual bonding of the amorphous thin plate laminate is made between the engaging projection and the coupling groove of the assembly plate, the amorphous thin plate laminate does not cause a decrease in magnetic properties such as magnetic permeability and core loss (core loss)
  • the present invention relates to an amorphous metal core capable of minimizing core loss by setting stress to be added, and an induction apparatus using the same.
  • the soft magnetic material is selected depending on the combination of the required properties, the usefulness of the material in any form that enables effective manufacture, and the size / cost required for use in a given market.
  • the amorphous metal has a disordered structure similar to the liquid state, and exhibits various characteristics different from existing crystalline materials by quenching the molten liquid metal, in particular, exhibits excellent soft magnetic properties.
  • amorphous metals are largely classified into iron (Fe) and cobalt (Co) based on their main components.
  • Fe iron
  • Co cobalt
  • the saturation magnetic flux density is high and the core loss is smaller than that of the silicon steel sheet. It is used for large magnetic core for high frequency, and cobalt type is used as small magnetic core for high frequency because of high permeability and low core loss and coercive force.
  • amorphous metals have a smaller core loss and eddy current loss than other soft magnetic materials, and thus are becoming popular as soft magnetic materials for magnetic cores instead of silicon steel sheets or ferrites.
  • Such amorphous metals have excellent response to high frequency characteristics due to eddy current loss such as high efficiency, large electrical resistivity, noise suppression characteristics due to high permeability and high saturation magnetic flux density, DC bias characteristics and miniaturization requirements.
  • Products using low core loss characteristics include choke cores, high frequency transformers for inverters, transformers for transformers, and various reactors.
  • Products using high permeability characteristics include pulse transformers, boost transformers, audio transformers, current transformers, and noise filters. have.
  • the magnetic core is classified into a relatively small gap type toroidal core and a large rectangular cut core.
  • Amorphous metals that form amorphous magnetic cores exhibit superior magnetic properties compared to other ferromagnetic materials, but are difficult to process materials due to such physical properties. That is, in the related art, excessive wear may be generated in a manufacturing tool or the like in performing a cutting process for forming a gap for imparting unique magnetic properties to an amorphous toroidal core or an amorphous cut core.
  • the amorphous ribbon is wound, impregnated and fixed in an adhesive, followed by a cutting process for forming a gap, and a process of grinding the cut surface.
  • the cut surface has a problem that the insulation is broken and the eddy current loss increases.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-67222 discloses cutting an amorphous metal strip material to form each of a plurality of planar thin plates, and then forming the thin plates into a bulk amorphous metal magnetic component having a three-dimensional shape (ie, a thin laminate).
  • a method of laminating and aligning, annealing thin plates to improve the magnetic properties of the part, and then adhering the thin laminates as an adhesive has been proposed.
  • each of the thin laminates is combined (combined) to form 'EI', 'CI' or 'I'.
  • the holding means is used to mechanically assemble by adjusting the spacing and parallelism for each of the single thin laminates.
  • a spacer is inserted into the air gap to form a magnetic core (magnetic circuit) of 'squares combined in four I-shapes' (assembled), and then, a holding means such as a band.
  • a holding means such as a band.
  • Another object of the present invention is to be assembled very easily by using the engaging projection and the coupling groove formed on the assembly plate of the yoke (leg) and leg (leg), respectively, to give an air gap (gap) and the spacer An amorphous metal core capable of maintaining an assembled state even when inserted, and an induction apparatus using the same.
  • Still another object of the present invention is to provide an amorphous metal core capable of precise air gap control by using the length of the coupling protrusion formed on the assembly plate of the yoke and the leg and the depth of the coupling recess, and an induction apparatus using the same.
  • Another object of the present invention is the assembly is made by using the engaging projection and the coupling groove formed in the assembly plate of each yoke and leg, and the amorphous thin laminate does not cause a decrease in magnetic properties such as permeability and core loss (core loss).
  • the present invention provides an amorphous metal core capable of minimizing core loss by setting a minimum mechanical stress to be added, and an induction apparatus using the same.
  • an amorphous thin laminate laminate laminate laminated a plurality of amorphous ribbon; And a pair of assembly plates for covering the front and rear surfaces of the amorphous laminate.
  • the plurality of amorphous thin laminates may be bonded to each other by impregnation with an adhesive.
  • the amorphous thin laminate is preferably a Fe-based or Co-based amorphous magnetic alloy, in this case, the Fe-based amorphous magnetic alloy is Fe-Si-B, Fe-Si-Al, Fe-Hf-C, Fe-Cu -Nb-Si-B, Fe-Si-N, and Fe-Si-BC, or the Co-based amorphous magnetic alloy is Co-Fe-Si-B or Co-Fe-Ni-Si-B It is preferable.
  • the Fe-based amorphous magnetic alloy is Fe-Si-B, Fe-Si-Al, Fe-Hf-C, Fe-Cu -Nb-Si-B, Fe-Si-N, and Fe-Si-BC
  • the Co-based amorphous magnetic alloy is Co-Fe-Si-B or Co-Fe-Ni-Si-B It is preferable.
  • the amorphous thin laminate may of course be an alloy having a composition defined by Fe 80 B 11 Si 3 .
  • first and second yokes and the first and second legs combine with each other to form a square shape.
  • the assembly plate may adjust a gap of an air gap formed between the first and second yokes and the first and second legs by adjusting the length of the coupling protrusion and the depth of the coupling groove.
  • the present invention the amorphous metal core; First and second laminate coils wound around first and second legs of the amorphous metal core, respectively; A pair of terminals respectively connected to ends of the first and second laminate coils; And an upper cover and a lower cover which cover the amorphous metal core up and down, thereby achieving the above object.
  • Both the upper cover and the lower cover may be connected to each other by a pair of fastening bolts.
  • the present invention comprises the steps of forming a plurality of rectangular-shaped ribbon by cutting the thin sheet of amorphous metal at equal intervals; Stacking the plurality of ribbons on a heat treatment jig to perform heat treatment; Bonding the plurality of ribbons heat-treated to a jig, and then bonding the plurality of ribbons in a laminated state by impregnating an adhesive prepared in advance; And by providing a method for producing an amorphous thin plate laminate for amorphous metal core, comprising the step of curing the plurality of mutually bonded ribbons can achieve the above object.
  • the heat treatment is carried out in the air, the heat treatment time is a temperature increase of 1 hour and a holding time of 7 hours, the heat treatment temperature is preferably between 380 to 450 °C.
  • the adhesive is preferably any one of an epoxy resin, an acrylic resin, silicone, and a varnish.
  • the temporary assembly can be made very easily by simply coupling the engaging projection and the engaging groove formed in each yoke and leg assembly plate, giving an air gap and inserting a spacer. Even though the assembly can be maintained, assembly productivity is high and assembly automation can be easily performed.
  • assembling is performed by using coupling protrusions and coupling grooves formed in the assembly plates of each yoke and leg, and the amorphous thin laminate has a minimum that does not cause deterioration of magnetic properties such as permeability and core loss.
  • the coupling so that mechanical stress is added, the core loss can be minimized.
  • a pair of assembling plates stacked on the upper and lower portions of the amorphous thin laminate is formed of a material such as a nonmagnetic metal such as SUS, a crystalline magnetic material such as silicon steel, or a synthetic resin, and formed on the assembling plate.
  • a nonmagnetic metal such as SUS
  • a crystalline magnetic material such as silicon steel
  • synthetic resin a material such as acrylic resin
  • mechanical stress on the amorphous thin laminate may be minimized to maximize magnetic properties of the core.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an amorphous metal core according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is an assembled perspective view of an amorphous metal core according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a process of fabricating an amorphous laminate of an amorphous metal core according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of an amorphous metal core showing a state in which the positions of the coupling protrusions and the coupling grooves of the assembling plates coupled to the respective amorphous metal cores shown in FIG. 1 are changed according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 7 and 8 are an exploded perspective view and an assembled perspective view showing an induction device according to a first embodiment of the present invention, respectively;
  • FIG. 9 is a schematic plan view showing a square amorphous metal core formed by assembling four identical “I” shaped amorphous metal unit cores according to a third embodiment of the present invention.
  • the amorphous metal unit core is an amorphous thin film laminate comprising a plurality of amorphous metal thin films made of a rectangular shape obtained by slitting and cutting a wide ribbon made of an amorphous magnetic alloy having excellent soft magnetic properties to a desired width and length, and a non-magnetic material. It consists of a pair of assembly plates made of a metal, crystalline magnetic material or synthetic resin, laminated on the front and rear surfaces of the amorphous thin laminate, and formed in a rectangular shape corresponding to the amorphous thin laminate.
  • All of these amorphous metal unit cores have an "I" shape, and are used as legs to which coils are wound outside, or as yokes for interconnecting legs and legs to form magnetic circuits.
  • the amorphous metal core is composed of at least one amorphous metal unit core and the legs and the yoke as necessary to constitute a magnetic circuit, and at least one amorphous to include at least one air gap and a spacer
  • the metal unit cores are connected in series or in parallel with each other.
  • the amorphous metal unit core has the same structure, the length of which only varies depending on the purpose of the magnetic circuit and the position of the magnetic circuit.
  • the amorphous metal core of the present invention consists of a plurality of "I" shaped amorphous metal unit cores that are the same or different in length from each other.
  • amorphous metal core described below with reference to the drawings may be applied to various magnetic circuits including at least one air gap and a spacer, as an example.
  • the amorphous metal core 1 according to the first embodiment of the present invention includes first and second yokes 10 and 20 arranged in parallel to upper and lower sides, and the first and second yokes.
  • Two yokes 10 and 20 are coupled to both ends at right angles, respectively, and include first and second legs 30 and 40 disposed in parallel.
  • the first and second yokes 10 and 20 have the same structure. That is, the pair of yokes 10 and 20 each have an amorphous thin laminate body 11 and 21 formed in an “I” shape and forming a rectangular parallelepiped.
  • the amorphous thin laminates 11 and 21 of the first and second yokes 10 and 20 and the amorphous thin laminates 31 and 41 of the first and second legs 30 and 40 may be formed of an amorphous metal.
  • the configuration of the core 1 will be described later.
  • first and second yokes 10 and 20 are respectively provided with assembly plates 13, 15; 23, 25 made of rectangles corresponding to the amorphous thin laminates 11 and 21 on the front and rear surfaces thereof, respectively. Is fixed by adhesive or the like.
  • the assembling plates 13, 15; 23, 25 preferably have a width corresponding to at least the widths of the first and second yokes 10, 20.
  • the assembling plates 13, 15, 23, and 25 may be made of, for example, a nonmagnetic metal such as SUS, a crystalline magnetic body such as silicon steel, or a synthetic resin.
  • the assembly plates 13 and 15 attached to the front and rear surfaces of the first yoke 10 respectively have a pair of coupling protrusions 13a and 15a symmetrically extending at intervals along the lower end thereof.
  • assembling plates 23 and 25 attached to the front and rear surfaces of the second yoke 20 respectively have a pair of coupling protrusions 23b and 25b symmetrically extending at intervals along the upper end thereof. That is, the coupling protrusions 13a, 15a; 23b and 25b protrude toward the first and second legs 30 and 40 disposed between the first and second yokes 10 and 20.
  • the first and second legs 30 and 40 each have an “I” shape and include amorphous thin laminates 31 and 41, each of which is amorphous.
  • the thin plate laminates 31 and 41 are attached and fixed to the front and rear surfaces by assembling plates 33, 35; 43 and 45 made of rectangles corresponding to the amorphous thin plate laminates 31 and 41, respectively.
  • the assembling plates 33, 35; 43, 45 have widths corresponding to the widths of the amorphous thin laminates 31, 41 of the legs 30, 40, respectively.
  • the first and second yokes 10 and 20 and the first and second legs 30 and 40 may include the coupling protrusions 13a, 15a; 23b and 25b, and the coupling recesses 33a, 33b, 35a, 35b, and 43a. , 43b, 45a, and 45b facilitate coupling between the members.
  • the coupling protrusions 13a, 15a; 23b and 25b and the coupling grooves 33a, 33b, 35a, 35b; 43a, 43b, 45a and 45b are the first and second yokes 10 and 20 and the first and the second, respectively. It constitutes a coupling means for coupling the two legs (30, 40) to each other.
  • the assembly plates 13, 15; 23, 25; 33, 35; 43, 45 protect the amorphous sheet laminates 11, 21, 31, and 41, and at the same time, the first and the first 2 yoke (10,20) and the first and second legs (30,40) to be separated from each other so that the minimum mechanical stress is added to the amorphous sheet laminate (11, 21, 31, 41) at the time of joining The bond is made.
  • the coupling protrusions 13a, 15a; 23b, 25b and the coupling grooves 33a, 33b, 35a, 35b; 43a, 43b, 45a, 45b which form the coupling means are mutually mutually formed.
  • the coupling grooves 33a, 33b, 35a, 35b; 43a, 43b, 45a, 45b further include at least one pair of small grooves for snap coupling on the opposite inner circumference so as to be crimped to each other or to be snap-bonded to each other.
  • the coupling protrusions 13a, 15a, 23b, and 25b may further include at least one pair of small protrusions for snap coupling on both outer peripheral surfaces thereof.
  • first and second yokes 10 and 20 and the first and second legs 30 and 40 have a coupling force capable of continuously maintaining a mutually coupled state.
  • first and second yokes 10 and 20 and the first and second legs 30 and 40 assembled between the upper and lower covers 70 and 80 are described above.
  • the mutual bonding is performed using the assembly plates 13, 15, 23, 25, 33, 35, 43 and 45, so that the amorphous thin laminates By adding a minimum mechanical stress to (11, 21, 31, 41), core loss can be minimized.
  • the amorphous metal core 1 may include at least one air gap when forming a magnetic circuit including an air gap and a spacer.
  • the distance between the first and second yokes 10 and 20 and the first and second legs 30 and 40 may be reduced to reduce the eddy current loss in consideration of the characteristic that the inductance becomes smaller as the air gap becomes farther apart.
  • the gap can be optimized by setting the length of the engaging projections 13a, 15a; 23b, 25b and the depth of the engaging grooves 33a, 33b, 35a, 35b; 43a, 43b, 45a, 45b in advance.
  • the gap between the first and second yokes 10 and 20 and the first and second legs 30 and 40 may be adjusted. If the length and depth of the coupling groove are optimized by setting in advance, as shown below, even if air gaps are provided and spacers are inserted, the temporary assembly state can be maintained, and the band or the assembly shown in FIG. Final fixing using the upper and lower covers 70 and 80 can be made.
  • the coupling protrusions 13a, 15a; 23b, 25b and the coupling grooves 33a, 33b, 35a, and the first and second yokes 10 and 20 and the first and second legs 30 and 40 are described.
  • 35b; 43a, 43b, 45a, 45b) is composed of a pair, respectively, but can be combined with at least one coupling protrusion and coupling groove, and if necessary, three coupling protrusions and three coupling grooves are provided for coupling force. It is also possible to increase.
  • each of the first and second yoke (10, 20) is provided with one coupling protrusion and coupling groove, respectively, and the first and second legs (30, 40) are coupled to each of the coupling groove and coupling protrusion is provided.
  • first and second yoke (10, 20) is provided with one coupling protrusion and coupling groove, respectively, and the first and second legs (30, 40) are coupled to each of the coupling groove and coupling protrusion is provided.
  • the amorphous thin laminate (11, 21, 31, 41) is made of an amorphous magnetic alloy that can be used, but is not particularly limited, considering the cost and characteristics as a magnetic core, Fe-based or Co-based alloy is preferred. More specifically, the amorphous alloys that can be used are Fe-Si-B, Fe-Si-Al, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Fe-Si-N, and Fe- as Fe-based. Si-BC is mentioned, As Co system, Co-Fe-Si-B, Co-Fe-Ni-Si-B is mentioned. More preferred amorphous alloy material is an alloy having a composition defined as Fe 80 B 11 Si 3 .
  • the plurality of shaped amorphous metal thin plates 11a and 31a are laminated on the heat treatment jig (S2), and the plurality of stacked amorphous metal thin plates 11a and 31a are heat-treated to improve the magnetic properties (S3).
  • the heat treatment is performed such that the plurality of amorphous metal thin plates 11a and 31a have characteristics as magnetic cores.
  • the heat treatment conditions are 1 hour of elevated temperature and 7 hours of retention time in the air, and the heat treatment temperature is between 380 and 450 ° C.
  • the heat treatment is to obtain a desired permeability, and when the permeability is increased, core loss is reduced, the saturation magnetic flux density (Bs) is increased, the coercive force (Hc) is decreased, and the square ratio is also increased.
  • the plurality of heat treated amorphous metal thin plates 11a and 31a are assembled to a jig to form a laminate (S4), and then impregnated with an adhesive prepared in advance (S5), and thus the plurality of amorphous metal thin plates 11a and 31a. Is bonded in a laminated state to produce amorphous thin laminates (11, 21, 31, 41).
  • the adhesive may be an epoxy resin, an acrylic resin, silicone or varnish.
  • the epoxy resin may be cured after penetrating between the plurality of amorphous metal thin plates 11a and 31a by vacuum impregnation.
  • the heat treatment is preferably performed before the adhesive impregnation process, but the adhesive impregnation process may be performed before the heat treatment depending on the type of adhesive.
  • the amorphous metal core 1 is opposite to the position of the engaging projections (13a, 15a; 23b, 25b) and engaging grooves (33a, 33b, 35a, 35b; 43a, 43b, 45a, 45b) of each assembly plate.
  • engaging projections 13a, 15a; 23b, 25b
  • engaging grooves 33a, 33b, 35a, 35b; 43a, 43b, 45a, 45b
  • each assembly plate is different from that shown in Figures 1 and 6, together with the coupling projection and the coupling groove on the assembly plate fixed to the front and rear surfaces of the pair of legs. It is also possible, of course, to form a coupling groove and the engaging projection in the assembly plate is fixed to the front and rear surfaces of the pair of yoke correspondingly.
  • the amorphous metal unit cores having an "I" shape formed by combining the assembling plates 113, 115, 123, and 125 to the front and back surfaces of the amorphous thin laminates 11, 21, 31, and 41 only differ in length from each other. It can be used as a yoke or leg of a magnetic circuit.
  • the amorphous metal cores 1 according to the first embodiment and the second embodiment described below are magnetic circuits each forming an infinite loop of an overall shape, and are composed of two pairs of "I" shapes having the same length. It consists of a metal unit core.
  • the present invention like the amorphous metal core 1c according to the third embodiment shown in FIG. 9, has an "I" shape having four equal lengths to form a magnetic circuit forming a square infinite loop. It may be composed of an amorphous metal unit core 10c-10f.
  • the present invention includes a pair of yokes 10b and 20b having a long length to constitute a magnetic circuit for a three-phase transformer, such as the amorphous metal core 1b according to the fourth embodiment shown in FIG. It may include three legs 30b-30d having a short length and interconnecting both ends and middle portions of the yokes 10b and 20b.
  • the amorphous metal core according to the present invention may be composed of at least four amorphous metal unit cores to form a magnetic circuit.
  • an induction apparatus is manufactured as shown in FIG. 8.
  • the induction apparatus has various magnetic circuits such as a multi-gap type structure, a normal gap type structure, a one-way gap type structure, and an L type structure. Can be formed.
  • Induction device of multi-gap type structure is a combination of two pairs of first and second yoke (10,20; 10a, 20a) and first and second legs (30, 40; 30a, 40a) Two pairs of spacers are respectively inserted into the portions, and the induction device of the one-way gap type structure includes the first and second yokes 10, 20; 10a, and 20a and the first and second legs. A pair of spacers is inserted into a pair of coupling portions of (30, 40; 30a, 40a).
  • Induction device of normal gap type structure combines one pair of legs with one yoke each to form one pair of C-type cores, and one pair of joints in one pair of C-type cores It is constructed by inserting a spacer.
  • amorphous metal unit cores when at least four amorphous metal unit cores are combined, they may be fixed to the outer circumference of the combined amorphous metal unit core by a fixing band made of sus (SUS).
  • SUS sus
  • the induction apparatus 100 includes an amorphous metal core 1, first and second laminate coils 51 and 61, an upper cover 70, a lower cover 80, and a pair of fastening bolts 91 and 95. Include.
  • the amorphous metal core 1 is assembled into a substantially rectangular infinite loop shape to form a magnetic circuit, and first and second yokes 10 and 20 are disposed on the upper and lower sides, respectively, and the first and second interposed therebetween.
  • the first embodiment in which the legs 30 and 40 are arranged is applied.
  • the first and second legs 30 and 40 are wound around the outer circumference of the first and second laminate coils 51 and 61, respectively.
  • the first and second laminate coils 51 and 61 are preferably wound on a bobbin (not shown) made of an insulating material and then assembled to the first and second legs 30 and 40.
  • the first and second laminate coils 51 and 61 are provided at terminals with terminals 53 and 63 connected to power lines, respectively.
  • the laminated coils 51 and 61 are used as coils, but it is of course possible to use an insulating coil having a circular unlined cross section.
  • the laminate or common coils 51, 61 wound on the bobbin form a winding.
  • the upper and lower covers 70 and 80 are disposed to surround the upper and lower surfaces of the amorphous metal core 1, respectively, so that the first and the second covers 70 and 80 are provided through a pair of fastening bolts 91 and 95 and nuts 93 and 97, respectively.
  • the amorphous metal core 1 formed by pre-assembling the yokes 10 and 20 and the first and second legs 30 and 40 is fixed.
  • upper flange portions 71 and 73 in which through-holes 71a and 73a into which fastening bolts 91 and 95 are inserted are formed on both opposite sides of the upper cover 70, and the lower cover 80 is extended.
  • the lower flange portions 81 and 83 which are formed with the through holes 81a and 83a through which the fastening bolts 91 and 95 are inserted, are formed on both sides of the upper cover 70.
  • two pairs of pedestals 82a and 82b which are used to fix the induction device 100 to the main body, respectively, extend in the front-rear direction.
  • the pair of fastening bolts 91 and 95 have head portions 91a and 95a fixed to the flange portions 71 and 73 of the upper cover 70 at one end thereof, and nuts 93 and 97 at the outer circumference of the other end thereof. Screw portions 91b and 95b to which the respective fastenings are formed.
  • the upper cover 70 and the lower cover 80 are coupled to the upper and lower portions of the amorphous metal core 1, respectively, and the pair of fastening bolts 91 and 95 are coupled to the upper cover 70 and the lower cover 80.
  • the assembly of the induction apparatus 100 shown in FIG. 8 is completed.
  • the amorphous metal cores 1 and 1a of the present invention can be easily automated by forming a plurality of rectangular amorphous thin plates, thereby ensuring durability of the molding apparatus.
  • the present invention does not directly form a coupling protrusion and a coupling groove in the amorphous thin laminates 11, 21, 31, and 41 of the pair of yokes 10 and 20 and the pair of legs 30 and 40.
  • assembly plates 13, 15, 23, 25, 33, 35, 43, 45, which are separately disposed on the front and back surfaces of the amorphous thin laminates 11, 21, 31, 41 the amorphous The thin laminates 11, 21, 31, and 41 have an effect of minimizing core loss by allowing a minimum mechanical stress to be added.

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Abstract

본 발명은 비정질 박판 적층체의 상호 결합을 조립 플레이트의 결합돌기와 결합요홈을 이용하여 구현함에 따라 코어 손실을 최소한으로 억제할 수 있는 비정질 금속 코어, 이를 이용한 유도장치 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 비정질 금속 코어는 각각 비정질 박판 적층체와 상기 비정질 박판 적층체의 전면 및 후면에 적층되는 한 쌍의 조립 플레이트를 구비하고, "I" 형상으로 이루어지는 다수의 비정질 금속 단위 코어를 포함하며, 본 발명의 유도장치는 "I" 형상으로 이루어지는 다수의 비정질 금속 단위 코어를 구비하는 비정질 금속 코어; 및 상기 비정질 금속 코어의 적어도 하나의 비정질 금속 단위 코어에 권선되는 적어도 하나의 코일;을 포함한다. 상기 비정질 박판 적층체는 광폭 비정질 리본을 슬리팅 및 컷팅에 의해 형성된 비정질 박판을 적층함에 따라 성형 자동화와 이에 사용되는 성형장치의 내구성을 보장할 수 있다.

Description

비정질 금속 코어와, 이를 이용한 유도장치 및 그 제조방법
본 발명은 비정질 금속 코어와, 이를 이용한 유도장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 성형이 쉽고 자동화가 용이한 다수의 비정질 금속 박판(박대)을 적층한 비정질 박판 적층체를 사용하고, 비정질 박판 적층체의 외측에 구비된 조립 플레이트에 각각 형성된 결합돌기와 결합요홈을 이용하여 비정질 박판 적층체를 상호 결합함에 따라 조립이 쉽고, 에어갭(air gap) 조절이 용이한 비정질 금속 코어와, 이를 이용한 유도장치 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 비정질 박판 적층체의 상호 결합이 조립 플레이트의 결합돌기와 결합요홈 사이에 이루어지므로 비정질 박판 적층체에는 투자율 및 코어 손실(core loss)과 같은 자기 성질의 저하를 초래하지 않는 최소한의 기계적 응력이 부가되도록 설정함에 따라 코어 손실을 최소로 할 수 있는 비정질 금속 코어와, 이를 이용한 유도장치에 관한 것이다.
유도장치는 트랜스포머(transformer), 초크 코일(choke coil), 인덕터, 노이즈 대책 부품 등과 같은 다양한 전자부품에 사용된다. 대부분의 유도장치는 연질 강자성 재료를 포함하는 코어와 코어를 감싸는 하나 또는 그 이상의 코일로 이루어진다. 이러한 유도장치는 DC로부터 ㎓에 걸쳐 원하는 주파수에서 동작할 수 있도록 해당 타입에 따라 최적화된다.
특히, 코어는 요구되는 특성들, 효과적인 제조가 가능한 어느 형태에서의 재료의 유용성 및 주어진 시장에서 사용하기에 필요한 크기/비용 등의 조합에 의존하여 연자성 재료가 선택된다.
일반적으로, 바람직한 연자성 재료는 코어 크기와 저포화 보자력(coercivity)을 최소화하기 위해, 고 포화유도(saturation induction), 고 투자율(permeability) 및 저 코어손실(core loss)의 특성을 나타내며, 종류로는 규소강판(silicon steel sheets), 페라이트(ferrite), 비정질 금속(amorphous metal) 등이 알려져 있다.
구체적으로, 규소강판은 재료가 염가이며 밀도는 높지만, 고주파 용도에 있어 코어 손실이 크다는 한계가 있다. 또한, 페라이트는 포화 자속밀도가 낮고 온도 특성이 좋지 않기 때문에, 대용량 인버터 · 전원의 코일 부품, 배전용 트랜스포머 등 하이 파워로 사용되는 용도에는 적합하지 않다.
한편, 비정질 금속은 구성원자가 액체상태와 유사하게 무질서한 구조를 갖는 것으로 용융된 액상금속을 급랭시켜 제조함으로써 기존의 결정질 재료와는 상이한 여러 가지 특성을 나타내는데, 특히, 우수한 연자성 특성을 나타낸다.
이러한 비정질 금속은 주성분에 따라 크게 철(Fe)계, 코발트(Co)계 등으로 분류되며, 철계의 경우에 포화 자속밀도가 높고 코어 손실(core loss)이 규소강판에 비해 작기 때문에 대용량 주상변압기나 고주파용 대형 자기코어에 사용되고, 코발트계의 경우에 투자율이 높고 코어 손실 및 보자력이 작아 고주파용 소형 자기코어로 사용된다.
더욱이, 비정질 금속은 다른 연자성 재료에 비해 코어 손실과 와전류 손실이 작기 때문에, 규소강판 또는 페라이트를 대신하여 자기코어용 연자성 재료로서 각광받고 있다. 이러한 비정질 금속은 고 효율성, 큰 전기 비저항과 같은 와전류 손실에 따른 우수한 고주파 특성, 고 투자율과 고 포화 자속밀도에 의한 노이즈 억제 특성, DC 바이어스 특성 및 소형화 요구에 대한 대응성이 뛰어나다.
저 코어 손실 특성을 이용한 제품은 초크 코어, 인버터용 고주파 트랜스, 배전용 트랜스, 각종 리액터 등이 있고, 고 투자율 특성을 이용한 제품은 펄스 트랜스, 승압 트랜스, 오디오용 트랜스, 커런트 트랜스, 노이즈 필터 등이 있다. 이 경우, 자기 코어는 상대적으로 소용량의 갭타입 토로이달 형상 코어와 대용량의 사각형상 컷 코어(cut core)로 구분된다.
비정질 금속은 일반적으로 균일한 리본 폭을 갖는 얇고 연속적인 리본으로 공급된다. 그러나 비정질 금속은 매우 경한 재료로서, 절단하거나 성형하기가 쉽지 않다. 피크 자기특성을 확보하기 위해 어닐링처리 되면, 비정질 금속 리본은 큰 취성을 띄게 된다. 이는 벌크 비정질 자기 부재를 구성하기 위해 통상적인 방법을 사용하는 것을 어렵게 하고 코스트가 상승한다.
비정질 자기 코어를 형성하는 비정질 금속은 다른 강자성 재료들에 비해 월등한 자성 특성을 나타내지만, 상기와 같은 물리적 특성으로 인해 재료 가공에 어려움이 있다. 즉, 종래에는 비정질 토로이달 코어 또는 비정질 컷 코어에 고유한 자기 특성을 부여하기 위한 갭을 형성하는 절단 공정을 수행함에 있어 제조 공구 등에 과도한 마모를 발생시킬 수 있다.
또한, 비정질 컷 코어인 경우 비정질 리본을 권선하고 접착제에 함침, 고정시킨 후, 갭을 형성하기 위한 절단 공정을 수행하고, 절단면을 연마하는 공정을 진행한다. 이로 인하여 절단면은 절연이 파괴되어 와전류 손실이 증가하는 문제가 있다.
한편, 대한민국 공개특허 제2005-67222호에는 다수의 평면 박판 각각을 형성하기 위하여 비정질 금속 스트립 재료를 절단한 후, 박판들을 3차원 형상을 갖는 벌크 비정질 금속 자성부품(즉, 박판 적층체)으로 형성하기 위해 적층하고 정렬하고, 부품의 자기 특성들을 개선시키기 위해 박판들을 어닐링한 후, 박판 적층체를 접착제로서 접착시키는 방법이 제안되었다.
상기 공개특허 제2005-67222호에는 박판 적층체가 다수의 비정질 금속 박판으로만 적층되어 있기 때문에 예를 들어, 박판 적층체 각각을 결합(조합)하여 'E-I형', 'C-I' 또는 '4개의 I 형상으로 조합된 사각형'의 자기 코어(자기회로)를 형성할 때, 유지수단을 사용하여 단일 박판 적층체 각각에 대한 간격과 평행 상태를 조절하여 기계적으로 조립하고 있다.
투자율 및 코어 손실과 같은 자기 성질의 저하를 초래하게 되는 높은 응력을 구성 부품에 부가하지 않도록 하기 위해 상기 유지수단으로는 접착제를 사용하거나 또는 밴드나 하우징을 제시하고 있다.
상기 공개특허 제2005-67222호에는 비정질 금속 스트립 재료를 절단할 때 작고 복잡한 형상의 박판은 석판 에칭을 이용하고, 크고 단순한 형상의 박판은 스탬핑(stamping) 방법을 제안하고 있다.
그러한, 석판 에칭은 가공비용의 상승을 초래하고 대형 박판에는 적용하기 어려우며, E, U, C와 같은 복잡하면서도 대형의 박판은 스탬핑 가공방법을 사용하는 경우 비정질 금속보다 높은 경도를 갖는 재료로 펀치와 다이를 구성할지라도 많은 수의 박판을 가공하는 양산공정에서는 펀치와 다이의 마모를 초래하여 내구성을 보장할 수 없게 되며, 이는 가공비용의 상승을 초래한다. 따라서 가공장비의 내구성을 충분히 보장할 수 있는 가공방법이 요구된다.
또한, 박판 적층체를 결합(조합)하여 에어갭에 스페이서를 삽입하면서 '4개의 I 형상으로 조합된 사각형'의 자기 코어(자기회로)를 형성(가 조립)한 후 이를 밴드와 같은 유지수단으로 고정할 때, 서로 대향한 2개의 I 형상 박판 적층체를 미리 설정된 간격과 평행상태를 유지하면서 가 조립이 이루어지는 것이 요구되나 이를 높은 생산성을 유지하면서 구현할 수 있는 구조나 방법이 제시되지 못하고 있다.
더욱이, 'E-I형', 'C-I'와 같은 자기 코어(자기회로)에서 에어갭에 스페이서를 삽입하여 형성(가 조립)하는 경우에도 상기와 유사하게 정밀한 에어갭을 보장하면서 가 조립된 상태를 유지하는 구조는 전혀 제시되어 있지 않다.
또한, 자기회로를 형성하도록 다수의 박판 적층체를 조합하게 되면 비정질 박판 적층체에는 기계적 응력이 부가되므로 코어 손실(core loss)이 증가하는 문제도 있다.
본 발명의 목적은 성형장치의 충분한 내구성 보장 및 용이한 성형 자동화가 이루어질 수 있도록 비정질 금속 박판 가공이 슬리팅과 직선 컷팅 또는 펀칭만으로 이루어지는 다수의 직사각형 비정질 박판을 적층한 I형 비정질 박판 적층체를 구비하는 비정질 금속 코어와, 이를 이용한 유도장치 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 요크(yoke)와 레그(leg)의 조립 플레이트에 각각 형성된 결합돌기와 결합요홈을 이용하여 결합함에 따라 조립이 매우 쉽게 이루어질 수 있고, 에어갭(air gap)을 부여하고 스페이서를 삽입할지라도 조립상태를 유지할 수 있는 비정질 금속 코어와, 이를 이용한 유도장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 요크와 레그의 조립 플레이트에 형성된 결합돌기의 길이와 결합요홈의 깊이를 이용하여 정밀한 에어갭 조절이 가능한 비정질 금속 코어와, 이를 이용한 유도장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 각 요크와 레그의 조립 플레이트에 형성된 결합돌기와 결합요홈을 이용하여 조립이 이루어지고, 비정질 박판 적층체에는 투자율 및 코어 손실(core loss)과 같은 자기 특성의 저하를 초래하지 않는 최소한의 기계적 응력이 부가되도록 설정함에 따라 코어 손실을 최소한으로 할 수 있는 비정질 금속 코어와, 이를 이용한 유도장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 다수의 비정질 리본을 적층한 비정질 박판 적층체; 및 상기 비정질 적층체의 전면 및 후면을 커버하기 위한 한 쌍의 조립 플레이트;를 포함하는 비정질 금속 코어를 제공한다. 이 경우, 상기 다수의 비정질 박판 적층체는 접착제에 함침하여 상호 결합될 수 있다.
상기 비정질 박판 적층체는 Fe계 또는 Co계 비정질 자성 합금인 것이 바람직하며, 이 경우, 상기 Fe계 비정질 자성 합금은 Fe-Si-B, Fe-Si-Al, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Fe-Si-N, 및 Fe-Si-B-C 중 어느 하나이거나, 또는 상기 Co계 비정질 자성 합금은 Co-Fe-Si-B 또는 Co-Fe-Ni-Si-B인 것이 바람직하다.
또한, 상기 비정질 박판 적층체는 Fe80B11Si3로 정의되는 조성을 갖는 합금인 것도 물론 가능하다.
또한, 본 발명은, 상기 비정질 박판 적층체 및 그 전후면에 각각 조립 플레이트를 각각 구비하고, 서로 간격을 두고 평행하게 배치되는 제1 및 제2 요크; 및 상기 비정질 박판 적층체 및 그 전후면에 각각 조립 플레이트를 각각 구비하고, 상기 제1 및 제2 요크 사이에 서로 평행하게 배치되는 제1 및 제2 레그;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 요크의 조립 플레이트는 상기 제1 및 제2 레그의 조립플레이트에 상호 형성된 결합돌기 및 결합요홈을 통해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 코어를 제공함으로써 상기 목적을 달성할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 및 제2 요크와 제1 및 제2 레그는 서로 결합하여 사각 형상을 이루는 것이 바람직하다.
상기 조립 플레이트는 결합돌기의 길이 및 결합요홈의 깊이를 조절하여 상기 제1 및 제2 요크와 상기 제1 및 제2 레그 사이에는 형성되는 에어갭의 간격을 조절할 수 있다.
아울러, 상기 제1 및 제2 요크의 조립 플레이트는 각각 결합돌기를 형성하고, 상기 제1 및 제2 레그의 조립 플레이트는 상기 결합돌기에 각각 대응하는 결합요홈을 형성하는 것도 물론 가능하다.
상기 제1 및 제2 요크의 조립 플레이트는 각각 결합요홈을 형성하고, 상기 제1 및 제2 레그의 조립 플레이트는 상기 결합요홈에 각각 대응하는 결합돌기를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상기 비정질 금속 코어; 상기 비정질 금속 코어의 제1 및 제2 레그에 각각 권선된 제1 및 제2 라미네이트 코일; 상기 제1 및 제2 라미네이트 코일 끝단에 각각 접속된 한 쌍의 단자; 및 상기 비정질 금속 코어를 상하로 감싸는 상부커버 및 하부커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도장치를 제공함으로써 상기 목적을 달성할 수 있다.
상기 상부커버 및 하부커버는 양측이 각각 한 쌍의 체결볼트에 의해 상호 연결될 수 있다.
또한, 본 발명은, 비정질 금속 박판을 동일 간격으로 커팅하여 직사각 형상의 리본을 다수 개 형성하는 단계; 상기 다수의 리본을 열처리 지그에 적층하여 열처리 하는 단계; 상기 열처리된 다수의 리본은 지그에 조립한 후 미리 준비된 접착제에 함침하여 다수의 리본을 적층 상태로 본딩하는 단계; 및 상기 상호 본딩된 다수의 리본을 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 코어용 비정질 박판 적층체의 제조방법을 제공함으로써 상기 목적을 달성할 수 있다.
상기 열처리는 대기 중에서 이루어지며, 열처리 시간은 승온 1 시간과 유지시간 7 시간이며, 열처리 온도는 380 내지 450℃ 사이인 것이 바람직하다.
상기 접착제는 에폭시 계열 수지, 아크릴 계열 수지, 실리콘 및 니스 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 본 발명에 있어서는, 비정질 금속 코어를 구성할 때 비정질 금속 박판(라미네이션)의 박판 가공이 슬리팅과 직선 컷팅 또는 펀칭만으로 형성되는 직사각형 비정질 박판을 적층하여 얻어지는 I형 비정질 박판 적층체를 사용하므로, 비정질 금속 박판을 가공하는 성형장치의 충분한 내구성 보장과 성형 자동화가 쉽게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 각 요크(yoke)와 레그(leg)의 조립 플레이트에 형성된 결합돌기와 결합요홈을 단순 결합함에 따라 가 조립이 매우 쉽게 이루어질 수 있고, 에어갭(air gap)을 부여하고 스페이서를 삽입할지라도 가 조립상태를 유지할 수 있어 조립 생산성이 높고 조립 자동화가 쉽게 이루어질 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 요크와 레그의 조립 플레이트에 형성된 결합돌기의 길이와 결합요홈의 깊이를 이용하여 정밀한 에어갭 조절이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 각 요크와 레그의 조립 플레이트에 형성된 결합돌기와 결합요홈을 이용하여 조립이 이루어지고 비정질 박판 적층체에는 투자율 및 코어 손실(core loss)과 같은 자기 성질의 저하를 초래하지 않는 최소한의 기계적 응력이 부가되도록 결합 설정함에 따라 코어 로스를 최소한으로 억제할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 비정질 박판 적층체의 상/하부에 적층되는 한 쌍의 조립 플레이트를 서스(SUS)와 같은 비자성 금속, 실리콘 스틸과 같은 결정질 자성체 또는 합성수지 등의 재료로 형성하고 조립 플레이트에 형성된 결합돌기와 결합요홈을 이용하여 비정질 금속 코어의 조립이 이루어짐에 따라 비정질 박판 적층체에 대한 기계적 응력이 부가되는 것을 최소화하여 코어의 자기적 특성을 극대화할 수 있게 된다.
더욱이, 비정질 컷 코어인 경우 갭 형성용 절단 및 절단면 연마에 따라 절연이 파괴되어 에디 커런트 로스가 증가하는 문제가 있으나, 본 발명에서는 직사각형상으로 이루어진 다수의 비정질 금속 박판을 적층한 후 접착제 함침공정을 거치고, 에어갭은 비정질 금속 단위 코어를 조립할 때 조립 플레이트에 의해 간격이 자동으로 설정되므로 에디 커런트 로스가 증가하는 문제가 발생하지 않게 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 비정질 금속 코어의 분해사시도,
도 2 및 도 3은 각각 도 1에 도시된 레그 및 요크를 이루는 비정질 금속 코어를 나타내는 분해사시도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 비정질 금속 코어의 조립사시도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 비정질 금속 코어의 비정질 적층체의 제작과정을 나타내는 흐름도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따라 도 1에 도시된 각 비정질 금속 코어에 결합된 조립 플레이트의 결합돌기 및 결합요홈의 위치를 변경한 상태를 나타내는 비정질 금속 코어의 분해사시도,
도 7 및 도 8은 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 유도장치를 나타내는 분해사시도 및 조립사시도,
도 9는 본 발명의 제3실시에 따른 동일한 4개의 "I" 형상의 비정질 금속 단위 코어를 조립하여 형성된 정사각형 비정질 금속 코어를 도시한 개략 평면도,
도 10은 본 발명의 제4실시에 따른 2개의 요크와 3개의 레그를 포함하는 3상 트랜스포머용 비정질 금속 코어를 나타낸 개략 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 비정질 금속 코어의 구성과 비정질 금속 코어의 제조방법 및 이러한 비정질 금속 코어를 이용하는 유도장치의 구성을 순차적으로 설명한다.
본 발명에 따른 비정질 금속 코어는 적어도 하나의 에어갭(air gap)과 스페이서를 포함하는 자기회로를 형성하도록 "I" 형상으로 이루어진 바 타입(bar type)의 다수의 비정질 금속 단위 코어를 구비한다.
상기 비정질 금속 단위 코어는 연자성 특성이 우수한 비정질 자성 합금으로 이루어진 광폭 리본을 소망하는 폭과 길이로 슬리팅 및 컷팅하여 얻어지는 직사각형상으로 이루어진 다수의 비정질 금속 박판을 적층한 비정질 박판 적층체와, 비자성 금속, 결정질 자성체 또는 합성수지로 이루어지고 상기 비정질 박판 적층체의 전면 및 후면에 적층되며 비정질 박판 적층체에 대응하는 직사각형상으로 이루어진 한쌍의 조립 플레이트로 구성된다.
이러한 비정질 금속 단위 코어는 모두 "I" 형상으로 이루어지며, 외부에 코일이 권선되는 레그, 또는 레그와 레그를 상호 연결하여 자기회로를 형성하는 요크로 사용된다. 이 경우, 비정질 금속 코어는 자기회로를 구성하기 위해 필요에 따라 상기 레그와 요크는 적어도 하나 이상의 비정질 금속 단위 코어로 구성되며, 적어도 하나의 에어갭(air gap)과 스페이서를 포함하도록 적어도 하나 이상의 비정질 금속 단위 코어가 서로 직렬로 연결되거나 병렬로 연결된다.
즉, 상기 비정질 금속 단위 코어는 단지 자기회로의 용도와 사용되는 위치에 따라 길이만 변화될 뿐 동일한 구조를 가진다. 따라서, 본 발명의 비정질 금속 코어는 길이만 서로 동일하거나 다른 다수의 "I" 형상 비정질 금속 단위 코어로 구성된다.
이하에 도면을 참고로 설명되는 비정질 금속 코어는 하나의 예시일 뿐 적어도 하나의 에어갭(air gap)과 스페이서를 포함하는 다양한 자기회로에 적용될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 비정질 금속 코어(1)는 상하측에 평행하게 배치된 제1 및 제2 요크(10,20)와, 상기 제1 및 제2 요크(10,20)의 양단부에 각각 직각으로 결합되며 평행하게 배치된 제1 및 제2 레그(leg)(30,40)로 이루어진다.
이 경우, 비정질 금속 코어(1)는 상기 제1 및 제2 요크(10,20) 및 제1 및 제2 레그(30,40)가 함께 결합하여 직사각 형상을 이루도록 상기 제1 및 제2 레그(30,40)가 제1 및 제2 요크(10,20)에 대하여 직각으로 조립된다.
상기 제1 및 제2 요크(10,20)는 서로 동일한 구조로 이루어진다. 즉, 상기 한 쌍의 요크(10,20)는 각각, "I" 형상으로 이루어지며 직육면체를 이루는 비정질 박판 적층체(11,21)를 구비한다. 상기 제1 및 제2 요크(10,20)의 비정질 박판 적층체(11,21)와 제1 및 제2 레그(30,40)의 비정질 박판 적층체(31,41)의 제조과정은 비정질 금속 코어(1)의 구성을 설명한 뒤 이어서 설명한다.
또한, 상기 제1 및 제2 요크(10,20)는 각각, 전면 및 후면에 각각 비정질 박판 적층체(11,21)에 대응하는 직사각형으로 이루어진 조립 플레이트(13,15;23,25)가 소정의 접착제 등에 의해 부착 고정된다. 이 경우 조립 플레이트(13,15;23,25)는 적어도 제1 및 제2 요크(10,20)의 폭에 대응하는 폭을 갖는 것이 바람직하다.
상기 조립 플레이트(13,15;23,25)는 예를 들어, 서스(SUS)와 같은 비자성 금속, 실리콘 스틸과 같은 결정질 자성체 또는 합성수지 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제1 요크(10)의 전후면에 각각 부착되는 조립 플레이트(13,15)는 하단을 따라 간격을 두고 대칭으로 한 쌍의 결합돌기(13a,15a)가 각각 연장 형성된다. 아울러, 상기 제2 요크(20)의 전후면에 각각 부착되는 조립 플레이트(23,25)는 상단을 따라 간격을 두고 대칭으로 한 쌍의 결합돌기(23b,25b)가 각각 연장 형성된다. 즉, 상기 결합돌기(13a,15a;23b,25b)는 제1 및 제2 요크(10,20) 사이에 배치되는 제1 및 제2 레그(30,40)를 향해 돌출 형성된다.
상기 제1 및 제2 레그(30,40)는 제1 및 제2 요크(10,20)와 마찬가지로 각각, "I" 형상으로 이루어지며 비정질 박판 적층체(31,41)를 포함하며, 각 비정질 박판 적층체(31,41)는 전후면에 각각 비정질 박판 적층체(31,41)에 대응하는 직사각형으로 이루어진 조립 플레이트(33,35;43,45)가 부착 고정된다. 이 경우 조립 플레이트(33,35;43,45)는 상기 레그(30,40)의 비정질 박판 적층체(31,41)의 폭에 각각 대응하는 폭을 갖는다.
또한, 상기 조립 플레이트(33,35;43,45)는 상단을 따라 상기 제1 요크(10)의 조립 플레이트(13,15)의 결합돌기(13a,15a)가 각각 삽입되는 결합요홈(33a,35a;43a,45a)이 형성되고, 하단을 따라 상기 제2 요크(20)의 조립 플레이트(23,25)의 결합돌기(23b,25b)가 각각 삽입되는 결합요홈(33b,35b;43b,45b)이 형성된다.
상기 제1 및 제2 요크(10,20)와 제1 및 제2 레그(30,40)는 상기 결합돌기(13a,15a;23b,25b) 및 결합요홈(33a,33b,35a,35b;43a,43b,45a,45b)을 통해 각 부재 간의 결합이 용이하게 이루어진다.
상기 결합돌기(13a,15a;23b,25b) 및 결합요홈(33a,33b,35a,35b;43a,43b,45a,45b)은 상기 제1 및 제2 요크(10,20)와 제1 및 제2 레그(30,40)를 상호 분리 가능하게 결합시키는 결합수단을 구성한다.
상기 조립 플레이트(13,15;23,25;33,35;43,45)는 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)를 보호함과 동시에 상기한 결합수단에 의해 상기 제1 및 제2 요크(10,20)와 제1 및 제2 레그(30,40)를 상호 분리 가능하게 결합시키면서 결합시에 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)에 최소한의 기계적 응력이 부가되도록 결합이 이루어진다.
또한, 필요에 따라, 상기 결합수단을 형성하는 상기 결합돌기(13a,15a;23b,25b)와 결합요홈(33a,33b,35a,35b;43a,43b,45a,45b)은 결합이 이루어질 때 상호간에 압착결합이 되거나, 또는 상호간에 스냅결합이 이루어지도록 결합요홈(33a,33b,35a,35b;43a,43b,45a,45b)에는 대향한 내주면에 스냅결합용 적어도 한쌍의 소형 요홈을 더 포함하고, 상기 결합돌기(13a,15a;23b,25b)에는 양측 외주면에 스냅결합용 적어도 한쌍의 소형 돌기를 더 포함할 수 있다.
상기한 결합수단 및 스냅결합이 이루어지는 구조는 다른 형상으로 변형될 수 있으며, 주지된 어떤 구조도 채용 가능하다.
그 결과, 상기 제1 및 제2 요크(10,20)와 제1 및 제2 레그(30,40) 사이에는 상호 결합된 상태를 지속적으로 유지할 수 있는 결합력을 갖게 된다.
이와 함께, 하기에 설명하는 상/하부커버(70,80, 도 7 참고) 사이에 조립되는 상기 제1 및 제2 요크(10,20)와 제1 및 제2 레그(30,40)는 상기 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)의 직접 조립 대신에 조립 플레이트(13,15,23,25,33,35,43,45)를 사용하여 상호 결합이 이루어지므로 상기 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)에는 최소한의 기계적 응력이 부가됨으로써, 코어 손실(core loss)을 최소한으로 억제할 수 있다.
한편, 비정질 금속 코어(1)는 에어갭(air gap)과 스페이서를 포함하는 자기회로를 구성할 때, 적어도 하나의 에어갭을 구비할 수 있으며, 이 경우 상기 결합돌기(13a,15a;23b,25b)의 길이 및 결합요홈(33a,33b,35a,35b;43a,43b,45a,45b)의 깊이를 조절하여 제1 및 제2 요크(10,20)와 제1 및 제2 레그(30,40) 사이의 간격(즉, 자기갭)에 에어갭(air gap)을 정밀하게 형성할 수 있다. 이때, 에어갭의 간격이 멀어질수록 인덕턴스가 작아지는 특성을 고려하여, 와전류 손실을 줄일 수 있도록 제1 및 제2 요크(10,20)와 제1 및 제2 레그(30,40) 사이의 간격을 결합돌기(13a,15a;23b,25b)의 길이와 결합요홈(33a,33b,35a,35b;43a,43b,45a,45b)의 깊이를 미리 설정하여 최적화할 수 있다.
또한, 에어갭(air gap)과 스페이서를 포함하는 자기회로를 형성할 때, 제1 및 제2 요크(10,20)와 제1 및 제2 레그(30,40) 사이의 간격을 결합돌기의 길이와 결합요홈의 깊이를 미리 설정하여 최적화하면, 후술하는 바와 같이 에어갭(air gap)을 부여하고 스페이서를 삽입할지라도 가 조립상태를 유지할 수 있어 정밀 조립상태를 유지하면서 밴드 또는 도 7에 도시된 상/하부커버(70,80)를 이용한 최종 고정이 이루어질 수 있다.
상기 실시예 설명에서는 제1 및 제2 요크(10,20)와 제1 및 제2 레그(30,40)에 결합돌기(13a,15a;23b,25b)와 결합요홈(33a,33b,35a,35b;43a,43b,45a,45b)이 각각 한쌍으로 이루어져 있으나, 적어도 하나의 결합돌기와 결합요홈을 구비하여도 결합이 가능하며, 필요에 따라 각각 3개의 결합돌기와 3개의 결합요홈을 구비하여 결합력을 높이는 것도 가능하다.
또한, 제1 및 제2 요크(10,20)에 각각 하나의 결합돌기와 결합요홈을 구비하고, 이에 결합되는 제1 및 제2 레그(30,40)에 각각 하나의 결합요홈과 결합돌기를 구비하는 것도 물론 가능하다.
한편, 상기 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)는 사용 가능한 비정질 자성 합금으로 제작되며, 특별히 제한되지는 않으나 비용 및 자기 코어로서의 특성을 고려할 때 Fe계 또는 Co계 합금이 바람직하다. 보다 상세하게는, 사용 가능한 비정질 합금은 Fe계로는 Fe-Si-B, Fe-Si-Al, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Fe-Si-N, 및 Fe-Si-B-C를 들 수 있으며, Co계로는 Co-Fe-Si-B, Co-Fe-Ni-Si-B를 들 수 있다. 더욱 바람직한 비정질 합금 재료는 Fe80B11Si3로 정의되는 조성을 갖는 합금이다.
이와 같은 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)의 제조과정을 도 5를 참고하여 설명한다.
먼저, 비정질 금속으로 이루어진 광폭 리본을 슬리팅 및 컷팅 공정을 수행하여 직사각형상으로 이루어진 다수의 비정질 금속 박판을 형성한다(S1). 즉, 직사각형상으로 이루어진 I형 비정질 금속 박판은 균일한 두께를 갖는 얇고 연속적인 광폭 리본으로 제공되는 비정질 금속 리본을 원하는 폭으로 슬리팅한 후, 요크 또는 레그에 대응하는 동일한 길이로 연속적으로 직선 컷팅함에 의해 다수의 비정질 금속 박판(11a,31a, 도 2 및 도 3 참고)을 형성한다.
이어서, 성형된 다수의 비정질 금속 박판(11a,31a)을 열처리 지그에 적층하고(S2), 자기적 특성 향상을 위해 적층된 다수의 비정질 금속 박판(11a,31a)을 자기장 열처리한다(S3).
상기 열처리는 다수의 비정질 금속 박판(11a,31a)이 자기 코어로서의 특성을 갖도록 예를 들어, 열처리 조건은 대기 중에서 승온 1시간과 유지시간 7시간이며, 열처리 온도는 380 내지 450℃ 사이에서 이루어진다. 열처리는 원하는 투자율을 얻기 위한 것으로서, 투자율이 높아지는 경우, 코어 손실(Core loss)이 줄어들고, 포화자속밀도(Bs)가 커지며, 보자력(Hc)이 작아지고, 또한 각형비가 증가하게 된다.
이와 같이, 열처리된 다수의 비정질 금속 박판(11a,31a)은 지그에 조립되어 적층체를 형성한 후(S4), 미리 준비된 접착제를 함침시켜(S5), 다수의 비정질 금속 박판(11a,31a)을 적층 상태로 본딩하여 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)로 제작한다.
이 경우, 접착제는 에폭시 계열 수지, 아크릴 계열 수지, 실리콘 또는 니스를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 에폭시 수지를 진공 함침에 의해 다수의 비정질 금속 박판(11a,31a) 사이에 침투시킨 후 경화시킨다. 한편, 에폭시계 접착제는 예를 들어, 400℃에서 타버리게 되므로 접착제 함침공정 이전에 열처리가 이루어지는 것이 바람직하나, 접착제의 종류에 따라 열처리 이전에 접착제 함침공정이 실시될 수도 있다.
이 경우, 다수의 비정질 금속 박판(11a,31a)을 적층하여 접착제를 함침할 때, 도 2 및 도 3과 같이 비정질 박판 적층체(11,31)의 양측면에 각각 조립 플레이트(13,15,33,35)를 결합한 상태에서 접착제 함침을 실시하여, 도 1과 같이 비정질 박판 적층체(11,31)의 양측면에 각각 조립 플레이트(13,15,33,35)를 일체화 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)는 접착제 함침 후 경화시키고, 규격에 따라 제작되었는지 측정 및 검사를 실시한다(S6).
한편, 상기 비정질 금속 코어(1)는 각 조립 플레이트의 결합돌기(13a,15a;23b,25b) 및 결합요홈(33a,33b,35a,35b;43a,43b,45a,45b)의 위치를 반대 위치로 형성하는 것도 물론 가능하다.
즉, 도 6에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 비정질 금속 코어(1a)는, 제1 및 제2 요크(10a,20a)의 각 전후면에 부착 고정되는 조립 플레이트(113,115;123,125)에 각각 결합요홈(113a,115a;123b,125b)을 형성하고, 제1 및 제2 레그(30a,40a)의 각 전후면에 부착 고정되는 조립 플레이트(133,135;143,145)에 상기 결합요홈(113a,115a;123b,125b)에 대응하는 결합돌기(133a,133b,135a; 143a,143b,145a)를 각각 형성할 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 각 조립 플레이트에 형성된 결합돌기 및 결합요홈은 상기 도 1 및 도 6에 도시된 바와 달리, 한 쌍의 레그의 전후면에 고정되는 조립 플레이트에 결합돌기와 결합요홈을 함께 구비하고, 이에 대응하여 한 쌍의 요크의 전후면에 고정되는 조립 플레이트에 결합요홈과 결합돌기를 형성하는 것도 물론 가능하다.
상기와 같이, 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)에 조립 플레이트(113,115;123,125)가 전후면에 결합되어 형성되는 "I" 형상으로 이루어진 비정질 금속 단위 코어는 길이만 서로 상이할 뿐 자기회로의 요크 또는 레그로 사용될 수 있다.
상기 제1실시예 및 후술하는 제2실시예에 따른 비정질 금속 코어(1)는 각각 전체적인 형상이 직사각형의 무한 루프를 형성하는 자기회로로서, 길이가 서로 동일한 2쌍의 "I" 형상으로 이루어진 비정질 금속 단위 코어로 구성되어 있다.
그러나, 본 발명은 도 9에 도시된 제3실시예에 따른 비정질 금속 코어(1c)와 같이, 정사각형의 무한 루프를 형성하는 자기회로를 구성하도록 4개의 서로 동일한 길이로 이루어진 "I" 형상으로 이루어진 비정질 금속 단위 코어(10c-10f)로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은 도 10에 도시된 제4실시예에 따른 비정질 금속 코어(1b)와 같이, 3상 트랜스포머용 자기회로를 구성하도록 긴 길이로 이루어진 한쌍의 요크(10b,20b)와, 2개 요크(10b,20b)의 양단부와 중간부분을 상호 연결하며 짧은 길이로 이루어지는 3개의 레그(30b-30d)를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 비정질 금속 코어는 자기회로를 형성하도록 적어도 4개의 비정질 금속 단위 코어로 구성될 수 있다. 상기한 제1 및 제2 실시예와 같이 서로 대향한 제1 및 제2 요크(10,20;10a,20a)를 상호 연결하는 2개의 제1 및 제2 레그(30,40;30a,40a)에 보빈이 결합되고 코일(51,61)이 권선되면 도 8과 같이 유도장치가 제조된다. 이 경우, 바람직하게는 코일(51,61)이 권선된 보빈을 2개의 제1 및 제2 레그(30,40;30a,40a)에 결합시키는 것도 가능하다.
이때, 유도장치는 멀티 갭 타입(multi-gap type) 구조, 노멀 갭 타입(normal gap type) 구조, 원-웨이 갭 타입(oneway gap type) 구조, 엘 타입(L type) 구조 등의 다양한 자기회로가 형성될 수 있다.
멀티 갭 타입(multi-gap type) 구조의 유도장치는 제1 및 제2 요크(10,20;10a,20a)와 제1 및 제2 레그(30,40;30a,40a)의 2쌍의 결합부분에 2쌍의 스페이서를 각각 삽입하여 구성되고, 원-웨이 갭 타입(oneway gap type) 구조의 유도장치는 제1 및 제2 요크(10,20;10a,20a)와 제1 및 제2 레그(30,40;30a,40a)의 1쌍의 결합부분에 1쌍의 스페이서를 삽입하여 구성된다.
노멀 갭 타입(normal gap type) 구조의 유도장치는 각각 1개의 요크에 한쌍의 레그를 조합하여 1쌍의 C형 코어를 형성하고, 1쌍의 C형 코어가 서로 결합되는 결합부분에 1쌍의 스페이서를 삽입하여 구성된다.
여기서, 적어도 4개의 비정질 금속 단위 코어가 조합될 때에는 조합된 비정질 금속 단위 코어의 외주에 서스(SUS)로 이루어진 고정 밴드에 의해 고정될 수 있다.
이하, 도 7 및 도 8을 참고하여 상기 비정질 금속 코어(1)를 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 유도장치(100)를 설명한다.
상기 유도장치(100)는 비정질 금속 코어(1), 제1 및 제2 라미네이트 코일(51,61), 상부커버(70), 하부커버(80) 및 한 쌍의 체결볼트(91,95)를 포함한다.
상기 비정질 금속 코어(1)는 자기회로를 형성하도록 대략 직사각형의 무한 루프 형상으로 조립되며, 상/하측에 각각 제1 및 제2 요크(10,20)가 배치되며 그 사이에 제1 및 제2 레그(30,40)가 배치된 제1실시예를 적용한 것이다. 이 때, 제1 및 제2 레그(30,40)는 외주를 따라 나선 방향으로 각각 제1 및 제2 라미네이트 코일(51,61)이 권선된다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 라미네이트 코일(51,61)은 절연재질로 이루어진 보빈(도시되지 않음)에 미리 권선된 후 제1 및 제2 레그(30,40)에 조립되는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 라미네이트 코일(51,61)은 끝단부에 각각 전원선과 접속되는 단자(53,63)를 구비하고 있다. 또한, 상기 실시예에서는 코일로서 라미네이트 코일(51,61)을 사용한 것을 예시하고 있으나, 라이네이트되지 않은 단면이 원형의 절연 코일을 사용하는 것도 물론 가능하다. 상기 보빈에 권선되는 라미네이트 또는 일반 코일(51,61)은 권선(winding)을 형성한다.
상/하부커버(70,80)는 비정질 금속 코어(1)의 상면 및 하면을 감싸도록 각각 배치되어 한 쌍의 체결볼트(91,95)와 너트(93,97)를 통해 제1 및 제2 요크(10,20)와 제1 및 제2 레그(30,40)가 가조립되어 이루어진 비정질 금속 코어(1)를 고정시킨다. 이 경우, 상부커버(70)의 대향한 양측면에 체결볼트(91,95)가 삽입되는 관통구멍(71a,73a)이 형성되는 상부 플랜지부(71,73)가 연장 형성되고, 하부커버(80)의 양측면에도 상부 커버(70)와 마찬가지로 양측에 체결볼트(91,95)가 삽입되는 관통구멍(81a,83a)이 형성되는 하부 플랜지부(81,83)가 연장 형성되어 있다.
또한, 하부커버(80)의 양측에는 각각 유도장치(100)를 본체에 고정 설치하는 데 사용되는 2쌍의 받침대(82a,82b)가 각각 전후방향으로 연장 형성되어 있다.
한 쌍의 체결볼트(91,95)는 각각 일단에 상부커버(70)의 플랜지부(71,73)에 고정되는 헤드부(91a,95a)가 형성되고, 타단 외주에는 너트(93,97)가 각각 체결되는 나사부(91b,95b)가 형성된다.
따라서, 비정질 금속 코어(1)의 상부 및 하부에 각각 상부 커버(70)와 하부커버(80)가 결합되고, 한 쌍의 체결볼트(91,95)가 상부 커버(70)와 하부커버(80) 양측의 관통구멍(71a,73a,81a,83a)에 체결되면 도 8에 도시된 유도장치(100)의 조립이 완성된다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 비정질 금속 코어(1,1a)는 다수의 직사각형 비정질 박판으로 제작됨에 따라 성형작업을 용이하게 자동화할 수 있으며, 성형장치의 내구성을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명은 한 쌍의 요크(10,20)와 한 쌍의 레그(30,40)의 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)에 직접 결합돌기 및 결합요홈을 형성하지 않고, 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)의 전후면에 별도로 배치되는 조립 플레이트(13,15,23,25,33,35,43,45,)를 이용하여 상호 고정시킴에 따라, 비정질 박판 적층체(11,21,31,41)에는 최소한의 기계적 응력이 부가될 수 있도록 하여 코어 로스(core loss)를 최소한으로 억제시킬 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
본 발명은 성형이 쉽고 자동화가 용이하며 조립이 쉬운 비정질 금속 코어에 관한 것으로, 트랜스포머, 리액터, 인덕터 등을 포함하는 유도장치에 적용된다.

Claims (14)

  1. 다수의 비정질 박판이 적층되어 형성되는 비정질 박판 적층체와 상기 비정질 박판 적층체의 전면 및 후면에 적층되는 한 쌍의 조립 플레이트를 구비하여 "I" 형상으로 이루어지며, 적어도 하나의 에어갭을 갖는 자기회로를 형성하는 다수의 비정질 금속 단위 코어; 및
    상기 다수의 비정질 금속 단위 코어를 분리 가능하게 상호 결합시키기 위한 결합수단;을 포함하며,
    상기 결합수단은
    상기 조립 플레이트의 단부에 형성되는 적어도 하나의 결합돌기; 및
    인접된 조립 플레이트의 단부에 형성되어 상기 결합돌기에 결합되는 적어도 하나의 결합요홈으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 코어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 조립 플레이트는 비자성 금속 또는 결정질 자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 코어.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 비정질 박판은 비정질 금속 리본의 슬리팅 및 절단 컷팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 코어.
  4. 제1항에 있어서, 상기 결합돌기는 상기 비정질 박판 적층체로부터 돌출되고, 상기 결합요홈은 상기 비정질 박판 적층체를 부분적으로 노출시키도록 성형되는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 코어.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다수의 비정질 금속 단위 코어는
    평행하게 배열된 2개의 요크와, 상기 2개의 요크를 상호 연결하며 서로 평행하게 배열되는 적어도 2개의 레그를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 코어.
  6. 제1항에 있어서, 상기 조립 플레이트의 결합돌기의 길이와 결합요홈의 깊이에 의해 에어갭의 간격이 조절되는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 코어.
  7. 제1항에 있어서, 상기 결합돌기와 결합요홈 사이의 결합은 스냅결합 또는 압착결합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 코어.
  8. 적어도 하나의 에어갭을 갖는 자기회로를 형성하도록 양측 단부가 상호 결합되며 "I" 형상으로 이루어지는 다수의 비정질 금속 단위 코어를 구비하는 비정질 금속 코어; 및
    상기 비정질 금속 코어를 형성하는 비정질 금속 단위 코어의 적어도 하나에 권선되는 적어도 하나의 코일;을 포함하며,
    상기 다수의 비정질 금속 단위 코어 각각은,
    직사각형상으로 이루어진 다수의 비정질 박판을 적층한 비정질 박판 적층체; 및
    각각 상기 비정질 박판 적층체의 전면 및 후면에 적층되며, 상기 비정질 금속 단위 코어를 상호 결합시킬 때 결합이 이루어지는 양측 단부에 적어도 하나의 결합돌기 또는 결합요홈을 구비하는 한 쌍의 조립 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 비정질 금속 단위 코어는
    평행하게 배열된 2개의 요크; 및
    상기 2개의 요크를 상호 연결하며 평행하게 배열되는 적어도 2개의 레그를 형성하는 것을 특징으로 하는 유도장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 자기회로는 멀티 갭 타입(multi-gap type), 원-웨이 갭 타입(oneway gap type) 및 노멀 갭 타입(normal gap type) 중 어느 하나의 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 한 쌍의 조립 플레이트에 형성된 결합돌기의 길이와 결합요홈의 깊이에 의해 에어갭의 간격이 조절되는 것을 특징으로 하는 유도장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 2개의 요크를 상하로 감싸는 상부커버 및 하부커버를 더 포함하며, 상기 상부커버와 하부커버는 양측이 각각 한 쌍의 체결볼트에 의해 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 유도장치.
  13. 비정질 금속의 리본을 슬리팅 및 커팅하여 동일한 길이의 직사각 형상으로 이루어진 다수의 비정질 금속 박판을 적층하여 비정질 박판 적층체를 형성하는 단계;
    상기 비정질 박판 적층체를 열처리하는 단계;
    상기 비정질 박판 적층체의 전면 및 후면에, 양측 단부에 적어도 하나의 결합돌기 또는 결합요홈을 구비하는 한 쌍의 조립 플레이트를 적층한 후 접착제에 함침하여 비정질 금속 단위 코어를 얻는 단계; 및
    상기 비정질 금속 단위 코어를 다수 개 조립하여 적어도 하나의 에어갭을 갖는 자기회로를 형성하는 비정질 금속 코어를 얻는 단계를 포함하는 비정질 금속 코어의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 비정질 박판 적층체를 열처리하는 단계는 대기 중에서 이루어지며, 열처리 시간은 승온 1시간과 유지시간 7시간이며, 열처리 온도는 380 내지 450℃의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 코어의 제조방법.
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