KR100360762B1 - 권선트랜스용철기비정질합금박대 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 분야

본 발명은 권선트랜스용 소재로서 적합한 철기비정질합금 박대에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

단판에서의 자기특성이 우수할 뿐만 아니라 권선코아로 가공후의 철손값의 비(Building Factor)의 향상을 도모하고자 한다.

3. 발명의 해결방법의 요지

Fe-B-Si계 철기비정질합금박대에 권선코아 가공후의 철손열화를 개선하기 위해 제 4원소로서 Mn을 첨가하였다.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 권선트랜스용 소재로서 대단히 우수하며, 이로 인한 에너지 절감 효과가 크다.

Description

권선트랜스용 철기비정질합금박대(券線Trans用 鐵基非晶質合金薄帶)

본 발명은 권선트랜스용 소재로서 적합한 철기비정질합금박대에 관한 것이며, 특히 권선코아로 가공후의 권선코아의 철손값과 단판에 있어서의 철손값의 비(Building Factior, 이하 BF로 표기)의 향상을 도모하는 것이다.

일본국 특개소 54-148122호 공보, 동 55-94460호 공보 및 동 57-137451호 공보에 개시되어 있는 바와같이 Fe-B-Sl 계 등의 용융합금을 단롤(Roll)법 등에 따라, 고속으로 회전하는 냉각 롤의 표면에 사출하여 10⁵∼10⁶℃/S 정도의 냉각속도로 급냉 응고시키며 판두께가 수십㎛ 정도로서 원자의 배열이 무질서한 이른바 비정질합금박대가 얻어진다.

이와같은 비정질합금박대는 자화(磁化)되기 쉽고 철손등 이른바 자기 특성이 뛰어나므로 트랜스용 철심재료로서 일부 실용화 되고 있다.

그러나, 이와같은 Fe-B-Si 3원계 비정질 합금박대는 어느 정도의 낮은 철손값이 얻어질 뿐, 그 개선효과에 한계가 있고, 3원계에서는 그 이상 낮은 철손은 기대할 수 없다는 문제가 있었다.

그래서 상기의 3원계 비정질합금에 제 4성분으로서 여러 가지의 원소첨가가 시도되고 있다.

예를들면 일본국 특공평1-54422호 공보에는 철손이 낮고 또한 절연피복처리성이 우수한 철기비정질합금으로서 Fe-B-Si계에 Mn, Ni등을 0.5∼3at% 첨가한 것이 제안되어 있다.

또 일본국 특개소 62-192560호 공보에는 Fe-B-Si계에 Cr, Mo, Ta, Mn Ni,Co, V, Nb 및 W중에서 선택한 1가지 또는 2가지 이상을 0.05∼5at% 함유시켜 다시 압연처리에 의해서 거친표면을 조정한 비정질합금이 제안되어 있다.

그러나 일본국 특공평 1-54422호 공보에서는 적층(積層) 하였을 때의 층간절연의 개선과 일본국 특개소 62-l92560호 공보에서는 역시 적층하였을때의 점적율(占積率)의 개선에 대해서만 언급되어 있을 뿐 권선가공후의 자기특성에 관해서는 전혀 고려된 바가 없다.

한편, 일본국 특개평 5-132744호 공보에는 Fe-B-Si계에 Sn을 첨가하므로서 철손, 투자율(透磁率)을 열화시킴이 없이 고포화 자속밀도를 달성한 합금과 그것을 이용한 철심의 제조방법이 제안되어 있다.

그 가운데서 철손의 평가는 토로이드 상(toroid 狀)의 권선코아 형상으로는 예시(例示)되고 있으나, 어느것이나 W_13/50에서 0.2W/kg 이상으로서 비교적 크고, 최근의 엄격한 요구특성을 고려한다면 충분하다 할 수 없는 문제점을 남기고 있다.

본 발명은 상기한 문제를 유리하게 해결하는 것인바, 단판에서의 자기특성이 우수할 뿐 아니라, 권선코아(원형코아 및 비원형코아 양자를 포함)로 가공후의 자기특성에도 뛰어난, 즉 BF가 적은 철기비정질 합금박대를 제안함을 목적으로 한다.

본 발명은

화학식 : Fe_aB_bSi_cMn_d

여기서 78 ≤ a ≤ 82at%

8 ≤ b ≤ l5at%

4 ≤ c ≤ l4at%

0.2 ≤ d ≤ 1.0at%로 나타내는 조성(組成)이 되며, 권선코아로 가공후의 권선코아의 철손값과 단판에서의 철손의 비(BF)가 1.5인 것을 특징으로 하는 권선트랜스용 철기비정질합급박대이다.

본 발명에서는 반경이 50mm이하의 곡률가공을 포함한 권선코아 가공을 한 경우에도 양호한 철손특성을 얻을 수가 있다.

본 발명자는 Fe-B-Si계 철기비정질 합금박대를 권선코아로 가공한 후의 철손개선의 지침으로서 가공시의 응력(strain)에 주목하고 제4원소의 첨가에 의한 응력의존성에 대하여 예의 연구를 거듭하였다.

1) 재료에 압축응력을 가하면 일반적으로 자기특성이 열화한다.

2) Mn첨가로 압축응력하에서의 자기특성의 열화가 감소한다.

3) Mn을 첨가한 재료는 권선코아로 가공후의 철손열화가 개선된다.

4) 특히 Mn을 첨가한 재료는 반경 50mm 이하의 곡률가공을 포함한 권선코아가공을 한 경우에도 철손열화의 개선효과가 있다.

이 발명은 상기한 결론에 입각한 것이다.

다음에 이 발명에 이르는 실험결과를 설명한다.

제1 도는 Fe_79-dB₁₃Si₈Mn_d조성의 철기비정질 합금박대의 Mn량과 자기특성과의 관계에 대하여 조사한 결과를 나타낸다.

제2 도는, 상기 박대의 Mn 량과 0.3kg/㎟의 압축응력을 길이방향으로 가했을때의 철손값을 압축응력이 0kg/㎟ 때의 철손값으로 나눈 값(모두 1.3T, 50Hz에서 여자(勵磁)된 상태)과의 관계에 대하여 조사한 결과를 나타낸다.

또한 상기 제1, 제2 도의 실험에서 사용한 비정질합금 박대의 치수는 어느 것이나 두께: 25㎛, 넓이: 20mm 였다.

또 실험에 사용한 비정질합금박대 표면의 거칠기는 주조의 상태에서 중심선 평균거칠기 Ra가 약 0.6㎛ 였다.

이와 같은 시료에 대하여 390℃, 1h의 자장중 소둔(Annealling) 처리를 한 후의 철손값을 측정하였다.

도면1, 2에서 밝혀진 바와 같이, Mn 첨가량이 0.2at% 이상이면 단판에서 뛰어난 자기특성이 얻어질 뿐 아니라 압축응력을 가할때의 철손값 증대를 효과적으로 방지할 수 있음이 판명되었다.

특히, 이 효과는 Mn 량이 0.3at%이상의 범위에서 뚜렷하다는 것이 주목된다.

다음으로, 이 발명에 있어서, 합금박대의 성분조성을 상기의 범위로 한정한 이유에 대하여 설명한다.

Fe:78 ∼ 82at%

Fe는 자성재료로서의 성질을 결정함에 있어서 중요한 요소이다.

이 Fe함유량이 78at%미만에서는 자속밀도가 낮아서 실용성이 없고 한편 82at% 를 초과하면 철손이 증가하여 또 열적안정성도 열화하므로 Fe 함유량은 78∼82at%의 범위로 한정하였다.

B: 8 ∼ 15at%

B는 비정질화에 중요한 원소이며 함유량이 8at% 에 미치지 못하면 비정질화하기 어려울 뿐 아니라 철손의 증대를 초래한다.

한편 15at%를 초과하면 자속밀도가 저하하고, 또한 큐리(curie) 온도가 내려가므로, B함유량은 8∼l5at%의 범위로 한정하였다.

Si: 4 ∼ 14at%

Si는 재료의 비정질화에 중요한 원소일 뿐아니라 큐리점을 높게 유지하는데도 중요하지만 함유량이 4%에 미달하면 큐리점이 저하하여 실용성이 없게 된다.

한편 14%를 넘으면 철손의 증대를 초래하므로 Si함유량은 4 ∼ 14at%의 범위로 한정하였다.

특히 Fe 량이 80at% 를 넘는 경우에는 Si량을 낮게 하는 편이 철손의 감소에는 유효하다.

Mn: 0.2 ∼ 1.0at%

Mn 은 이 발명에 있어 특히 중요한 성분으로서 Mn량이 0.2at%에 미치지 못하면 앞에서 제시한 제2 도에서와 같이 단판에서 뛰어난 자기특성이 얻어지지 못하고 압축응력을 가할 때의 철손값 증대를 막지 못하므로 Mn은 0.2at% 이상 함유하도록 한다.

다음으로, Mn 의 상한값을 1.0at% 로 한정한 것은 다음의 이유에서다.

대개 트랜스의 설계 자속밀도는 높게 할 수 있으며, 트랜스를 소형화할 수 있으므로 설계자속밀도를 가능한 한 높게 하는 것이 바람직하다.

비정질을 사용한 권선트랜스의 설계자속밀도는 통상 사용온도 100℃에서 1.3∼1.4T이다. 그러기 위해서는 실온(室溫)에 있어서 자속밀도 B10 이 1.48T 이상이어야 할 필요가 있다.

그런데, 제1 도에 나타난 바와 같이, 자속밀도 B10 이 1.48T 이상에 대응하는 Mn 함유량은 1.0at% 이하이다.

이와 같은 이유로 Mn함유량의 상한을 정한 것이다.

특히 적합한 Mn의 범위는 비교적 높은 자속밀도가 얻어지는 0.3∼0.5at%이다.

(실시예)

실시예 1

Fe_79-dB_l3Si₈Mn_d에서 d가 각각 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0, 1.2at% 로 조성되는 합금용탕을, 각각 고속으로 회전하는 Cu롤(Roll)의 표면에 H₂를 4vol% 이하 함유한 CO₂분위기에서 사출하여 두께 25㎛m, 폭 200mm 표면의 중심평균 거칠기 Ra 가 약 0.6㎛ 되는 비정질 합금박대를 제작하였다.

여기에서 얻어진 각 박대로 내경:100mm, 외경:110mm 의 원형 권선코아 시료를 만들어 둘레방향으로 10 Oe 의 자장을 인가하면서 Ar 분위기 가운데 390℃, 30분~2시간의 소둔처리한 후의 철손 W_13/50을 측정하였다.

그 결과를 제3 도로 도시한다.

또한, 권선코아의 철손측정은 코아 자체에 절연피복된 동선을 1차코일로 200회, 2차 코일로 100회 감고, 1차 코일로 여자(excitation)하고 2차 코일에 발생한전력을 측정함으로써 철손을 구하였다.

다시 그 값을 같은 성분박대의 단판에서의 철손값으로 나눈 값, 즉 BF 에 대하여 살핀 결과를 제4 도에 도시한다.

또, 단판의 철손은 폭 20mm, 길이 l50mm 단위로 절단하여 얻은 시료를 길이방향으로 자장을 인가하면서 상기와 같은 소둔처리를 한 후에 단판자기 측정장치로 측정한 것이다.

제3 도에서 명백한 바와 같이, Mn 이 0.2at% 이상이 되는 경우에는 원형 권선코아로 가공한 철손 W_l3/50이 0.l5w/kg 이하라는 훌륭한 결손을 실현하고 있다.

또한, 제4 도에 도시한 바와 같이 Mn 이 0.2at%이상의 경우에는 BF 값도 1.5 이하로서 대단히 뛰어나다는 것을 알 수 있다.

더욱이 종래의 비정질 합금박대의 BF 값은 약 2.0이였다.

실시예 2

Fe_78.6B_l3Si₈Mn_0.4및 Fe₇₉B₁₃Si₈의 조성으로 된 합금용탕에서 실시예 1과 동일하게 두께 25㎛m, 폭 200mm 표면의 중심선 평균거칠기 Ra 가 약 0.6㎛인 비정질 합금박대를 제작하였다.

여기에서 얻어진 박대를 사용하여 내경 40mm, 60mm, 80mm, 100mm 및 120mm로서 2두께가 각각 5mm의 원형 권선코아 시료를 만들어 실시예1과 같이 소둔처리한 후에 철손 W_13/50및 BF를 측정하였다.

그 결과를 제 5도에 도시한다.

제 5도에서 명백한 바와같이 Mn을 적당량 첨가한 경우에 원형의 권선 코아로 가공한 철손 W_13/50이 곡률반경 50mm 이하에서도 열화하지 않고, 0.15W/kg 이하의 양호한 철손값을 실현하고 있다.

또한 BF도 1.5 이하이다.

이에 반해서 Mn 을 첨가하지 않은 종래의 재료에서는 전체적으로 철손값이 높고 특히, 곡률반경이 50mm 이하로 된 경우는 철손값이 급격히 증가하고, 또 BF도 2.0을 초과하는 수치가 되었다.

실시예 3

표 1의 여러 조성으로 되는 합금용탕에서 실시예 1과 같이 두께 25㎛m, 폭 200mm 표면의 중심선 평균 거칠기 Ra 가 약 0.6㎛ 인 비정질 합금박대를 제작하였다.

이 각각의 박대를 이용하여 제 6도에 도시하는 각종의 치수형상이 되는 원형 권선 코아시료를 만들어 둘레방향으로 10 Oe의 자장을 인수하면서 불활성분위기에서 320~420℃, 1시간의 소둔처리를 한 후에 철손 W_13/50및 BF를 측정하였다.

위의 결과를 <표 1>에 병기한다.

또, <표 1>에는 Mn 을 넣지 않은 종래의 재료에 대한 조사결과도 함께 표시하였다.

상기의 표에서 명백한 바와 같이 이 발명에 따른 비정질 합금박대는 비원형의 권선코아로 만든 경우에도 극히 낮은 철손값이 얻어지며, 또 BF도 낮다.

이상과 같이, Mn 을 적당량 첨가한 Fe-B-Si계 비정질합금박대는 단판에 있어서는 물론, 권선코아 가공 특히 곡률반경을 50mm 이하로 가공한 다음의 철손값이 우수하다.

그 이유는 제 2 도에 나타난 바와 같이, Mn의 첨가로 응력하에서의 철손의 열화가 개선되는 위에 Mn의 일부에 박대표면에 농화(濃化)하여 표면 가까운 곳의전기저항을 향상시킨 결과 적층하여 사용했을 때 가해지는 박대끼리의 상호 작용에 의한 와전류손의 증가가 저감되는 결과라고 판단된다.

이와 같은 재료로 권선 트랜스를 제작할 경우 트랜스특성이 대단히 뛰어난 것이 효과를 얻을 수 있는 바, 이러한 효과는 단판에서만 평가할 경우에는 도저히 알아낼 수 없는 성과이며, 실용상 대단히 중요한 결과이다.

본 발명에 의하면, 권선트랜스용 소재로서 실용상 대단히 우수한 재료를 제공할 수 있으며, 따라서 에너지 절감에 지대한 공헌을 할 수 있을 것이다.

제 1도는 Fe_79-dB₁₃Si₈Mn_d조성의 철기비정질합금박대의 단판에서의 자기 특성과 Mn첨가량의 관계를 나타내는 그래프이다.

제 2도는 위 조성의 철기비정질합금박대의 압축응력하에서의 철손과, 압축응력을 부가하지 않는 상태에서의 철손비(鐵損比)와 Mn 첨가량과의 관계를 나타내는 그래프이다.

제 3도는 위 조성의 철기비정질합금박대를 원형의 권선코아로 가공한 후의 철손값과 Mn첨가량과의 관계를 나타내는 그래프이다.

제 4도는 위 조성의 철기비정질합금박대의 원형권선코아에 있어서의, BF(철손값의 비, Building Factor)와 Mn첨가량의 관계를 나타내는 그래프이다.

제 5도는 Fe_78.6B₁₃Si₈Mn_0.4및 Fe₇₉B₁₃Si₈조성의 철기비정질합금박대를 원형권선코아로 가공후의 철손값과 BF의 가공곡률반경과의 관계를 나타내는 그래프이다.

제 6도는 비원형 권선코아 시료의 치수형상을 나타내는 그림이다.

Claims (2)

1. 화학식 : Fe_aB_bSi_cMn_d

   식 중 78 ≤ a ≤ 82at%

   8 ≤ b ≤ 15at%

   4 ≤ c ≤ l4at%

   0.2 ≤ d ≤ 1.0at% 로 나타내는 조성으로 된 권선코아에서 가공후의 권선코아의 철손값과 단판의 철손값의 비(BF:Building Factor)가 1.5이하 인것을 특징으로 하는 권선트랜스용 철기비정질합금박대.
2. 제1항에 있어서,

   권선코아 가공이 반경 50mm이하의 곡률가공을 포함하는 것을 특징으로 하는 권선트랜스용 철기비정질합금박대.