KR100682615B1 - 전동기용 벌크 비정질 금속 자기 구성물 - Google Patents

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Abstract

다면체의 형태를 갖는 일반적으로 3-차원 부분을 형성하도록, 복수층의 비정질 금속 스트립들이 서로 라미네이트된 고효율 전동기는, 일반적으로 다면체로 모양지워진 벌크 비정질 금속 자기 구성물을 갖는다. 상기 벌크 비정질 금속 자기 구성물은 아치형의 표면을 포함하고, 바람직하게는 서로 마주보며 배치된 두개의 아치형 면을 포함할 수 있다. 상기 자기 구성물은 약 60Hz~20,000Hz의 주파수 범위에서 작동가능하고, (i) 약 60Hz의 주파수와 약 1.4Tesla(T)의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료의 1W/kg과 거의 같거나 보다 낮은 철심-손실;(ii) 약 1000Hz의 주파수와 약 1.4T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료의 20W/kg과 거의 같거나 보다 낮은 철심-손실, 및 (iii) 약 20,000Hz의 주파수와 약 0.30T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료의 70W/kg과 거의 같거나 보다 낮은 철심-손실을 나타낸다. 본 발명의 벌크 비정질 금속 자기 구성물에 대한 성능 특성은, 같은 주파수 범위에 걸쳐 작동된 실리콘 강 성분들과 비교시 상당히 우수하다.
벌크 비정질 금속, 자기 구성물, 전동기, 회전자, 고정자

Description

전동기용 벌크 비정질 금속 자기 구성물{BULK AMORPHOUS METAL MAGNETIC COMPONENTS FOR ELECTRIC MOTORS}
본 발명은 비정질 금속 자기 구성물에 관한 것이며, 보다 상세하게는 일반적으로(generally) 다면체로 모양지워진 벌크 비정질 금속 자기 구성물을 갖는 효율이 매우 높은 전동기에 관한 것이다.
전동기는 전형적으로 무방향성 전기강의 복수의 적층된 라미네이션들로 제조된 자기 구성물들을 포함한다. 가변자기저항형 전동기와 맴돌이전류 전동기에 있어서, 고정자들(stators)은 적층된 라미네이션들로 만들어진다. 농형전동기, 자기저항 동기전동기, 및 전환 자기저항 전동기에 있어서 고정자와 회전자는 적층된 라미네이션들로부터 제조된다. 각각의 라미네이션은 전형적으로, 기계적으로 소프트한 무방향성 전기강을 원하는 모양으로 스템핑, 펀칭 또는 컷팅함으로써 형성된다. 상기 형태로 된 라미네이션들은 그 다음, 회전자 또는 고정자를 형성하도록 적층 및 결합된다.
무방향성 전기강들과 비교시 비정질 금속들이 우수한 자기적 성능을 제공한다 하더라도, 특정 물리적 성질들과 그에 따른 제조한계들로 인해, 그들은 전동기의 회전자와 고정자들과 같은 벌크 자기 구성물에 사용하기에는 부적절한 것으로 생각되어 왔다. 예를 들어, 비정질 금속들은 무방향성 강보다 얇고 단단하여 결과적으로 제조 공구들과 다이들을 빨리 마모시킨다. 상기 공구 및 제조비용에 있어서 그러한 증가는, 상업적으로 비실용적인 그러한 기술들을 이용해 벌크 비정질 금속 자기 구성물들을 제조하게 한다. 또한, 비정질 금속들은 얇아서(thinness) 어셈블된 구성물들(components)에서 라미네이션의 수를 증가시키고, 또한 비정질 금속 회전자 또는 고정자 자석 어셈블리의 총 비용을 증가시킨다.
비정질 금속은 전형적으로 균일한 리본 폭을 갖는 얇은 연속적인 리본으로 공급된다. 그러나, 비정질 금속은 매우 단단한 물질로 쉽게 자르거나 형태를 만들기 어렵고, 그리고 최대 자기성질을 갖도록 풀림 열처리(anneal)하면 매우 깨지기 쉽게 된다. 이것은, 벌크 비정질 금속 자기 구성물을 구성하는데 있어서 종래의 접근을 사용하는 것을 어렵게 하고 또한 많은 비용이 들게 한다. 또한, 상기 비정질의 취성은, 전동기와 같은 응용에 있어서 벌크 자기 구성물의 내구성에 대한 우려를 낳는다.
벌크 비정질 금속 자기 구성물들과 관련된 또 다른 문제는, 그것이 물리적 스트레스를 받으면, 비정질 금속재료의 자기 투자율이 저감된다는 데 있다. 상기 저감된 투자율은, 비정질 금속 재료에 대한 스트레스의 강도에 상당히 의존한다. 벌크 비정질 금속 자기 구성물에 스트레스를 가하면, 코아가 자기선속(magnetic flux)을 방향짓거나 집중시키는 곳에서 효율이 저감되어 자기손실을 높이고, 열발생을 증가시키며 파워를 저감시키는 결과를 낳는다. 이러한 비정질 금속의 자기왜곡 성질에 기인한 스트레스 민감성은, 전동기의 작동중 자기적 및 기계적 힘의 결과로서 생긴 스트레스, 벌크 비정질 금속 자기 구성물을 적절한 곳에 기계적인 클램핑하거나 그렇지 않으면 고정한 결과로서 생긴 기계적 스트레스, 또는 열적 팽창 및/또는 비정질 금속 재료의 자기포화에 기인한 팽창에 의해 생긴 내부 스트레스에 의해 유발될 수 있다.
본 발명은, 다면체 형태이고 복수 층의 비정질 금속 스트립으로 구성된, 고효율 전동기용 벌크 비정질 금속 자기 구성물을 제공한다. 또한, 본 발명에 의하면, 벌크 비정질 금속 자기 구성물을 제조하는 방법도 제공된다. 상기 자기 구성물(magnetic component)은 약 60Hz에서 20,000Hz사이 범위의 주파수에서 실시가능하고, 같은 주파수 범위에 걸쳐 실시된 실리콘-강 자기 구성물들과 비교시 향상된 수행 능력을 나타낸다. 보다 구체적으로, 본 발명에 의해 구성된 자기 구성물은, (i) 약 60Hz의 주파수와 약 1.4Tesla(T)의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg당 1W와 거의 같거나 보다 낮은 철심-손실;(ii) 약 1000Hz의 주파수와 약 1.4T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg당 20W와 거의 같거나 보다 낮은 철심-손실, 및 (iii) 약 20,000Hz의 주파수와 약 0.30T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg당 70W와 거의 같거나 보다 낮은 철심-손실을 나타낼 것이다.
본 발명의 첫번째 실시형태에서, 벌크 비정질 금속 자기 구성물은, 다면체로 모양지워진 부분을 형성하기 위해 함께 라미네이트된 실질적으로 유사하게 모양지 워진 복수의 비정질 금속 스트립들(strips)을 포함한다.
또한, 본 발명은, 벌크 비정질 금속 자기 구성물을 구성하는 방법을 제공한다. 본 발명의 첫번째 실시형태에 따르면, 비정질 금속 스트립 재료는 미리 정해진 길이를 갖는 복수의 컷 스트립들(cut strips)을 형성하도록 잘린다. 상기 컷 스트립들은 적층된 비정질 금속 스트립 재료의 바(bar)를 형성하도록 적층되고 풀림 열처리된다. 상기 풀림 열처리되고, 적층된 바에는 에폭시수지가 주입되고 경화된다. 그 다음, 상기 적층된 바는 미리 정해진 3-차원 형상을 갖는 다면체 형상의 복수의 자기 구성물들을 제공하도록, 미리 정해진 길이로 잘린다. 상기 바람직한 비정질 금속 재료는, 본질적으로 다음 식 Fe80B11Si9로 정의된 조성을 갖는다.
본 발명 방법의 두번째 실시형태에 따르면, 비정질 금속 리본은, 일반적으로 둥근 코너들을 갖는 통상의 장방형 코아를 형성하도록 굴대(mandrel)에 권선된다. 그 다음 상기 통상의 장방형 코아는 풀림 열처리되고, 에폭시 수지가 주입되어 경화된다. 그 다음, 상기 장방형 코아의 단변들은, 통상의 장방형 코아의 그 단변들과 거의 같은 크기 및 모양인 미리 정해진 3-차원 형상을 갖는 두개의 자기 구성물들을 형성하도록 잘린다. 상기 둥근 코너들은, 상기 통상의 장방형 코아의 장변들로부터 분리되고, 상기 통상의 장방형 코아의 장변들은 미리 정해진 3-차원 형상을 갖는 복수의 다면체로 모양지워진 자기 구성물들을 형성하도록 잘린다. 상기 바람직한 비정질 금속 재료는, 본질적으로 식 Fe80B11Si9로 정의된 조성을 갖는다.
본 발명은 또한, 상기한 방법에 따라 구성된 벌크 비정질 금속 구성물에 관련된다.
본 발명에 따른 벌크 비정질 금속 자기 구성물들의 구성은, 본질적으로 비정질 금속 고정자 또는 고효율 고정자 구성물들, 가변자기저항형 전동기 및 맴돌이전류 전동기에 적용된다. 유사하게, 벌크 비정질 금속 구성물들은 농형전동기, 자기저항 동기전동기, 및 전환 자기저항 전동기에도 사용될 수 있다. 본 발명에 의해 확인된 장점들은, 단순화된 제조 및 저감된 제조시간, 벌크 비정질 금속 구성물들의 구성중 생기는 저감된 스트레스(예를 들어, 자기왜곡), 및 마무리된 비정질 금속 자기 구성물에 대한 최적화된 성능을 포함한다.
본 발명은, 본 발명의 바람직한 실시형태들에 대한 다음의 상세한 설명과 수반되는 도면을 참조할 때, 보다 잘 이해되고 또한 장점들도 명백해질 것이며, 여기서 몇몇 도면들에 걸쳐 같은 참조 부호는 유사한 요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 3-차원 장방형 형태에 있어서 벌크 비정질 금속 자기 구성물의 사시도이다.
도 2A는 본 발명에 따라 구성되고 프리즘 형태를 갖는 벌크 비정질 금속 자기 구성물의 사시도이다.
도 2B는 본 발명에 따라 구성되고 서로 마주보면서 배치된 아치형의 면들을 갖는 벌크 비정질 금속 자기 구성물의 사시도이다.
도 2C는 도 2A에 묘사된 바와 같은 6개의 프리즘-형태의 구성물들과 도 2B에 묘사된 바와 같은 6개의 아치형 성분들로 구성된 전동기용 고정자의 평면도이다.
도 3A는 본 발명에 따라 구성된 전동기용 벌크 비정질 금속 자기 고정자의 사시도이다.
도 3B는 본 발명에 따라 구성된 전동기용 벌크 비정질 금속 자기 모터의 사시도이다.
도 3C는 도 3A의 고정자 및 도 3B의 회전자로 구성된 전동기용 고정자 및 회전자의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따라 적층되고 잘려져 위치된 비정질 금속 스트립의 코일에 대한 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따라, 통상의 프리즘-형태로 된 복수의 자기 구성물들을 제조하기 위한 컷 라인들을 나타내는 비정질 금속 스트립 바의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따라 통상의 장방형 코아를 형성하도록 굴대에 감기고 있는 비정질 금속 스트립 코일의 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따라 형성된 일반적으로 프리즘-형태로 된 복수의 자기 구성물들을 제조하기 위한 컷 라인들을 나타내는 통상의 장방형 비정질 금속 코어에 대한 사시도이다.
본 발명은, 예를 들어 고정자, 회전자 및 고정자와 회전자용 구성 부품과 같은 벌크 비정질 금속 구성물들을 이용하여 구성된 고효율 전동기에 관한 것이다. 일반적으로 다면체 형상의 벌크 비정질 금속 구성물들은 본 발명에 따라, 장방형, 정사각형, 프리즘을 포함한(다만, 이들로 제한되는 것은 아님) 다양한 형상을 갖는 것으로 구성된다. 또한, 이미 언급된 어떠한 기하학적인 형태들은, 적어도 하나의 아치형 표면, 바람직하게는 전체적으로 커브된 혹은 아치형인 벌크 비정질 금속 구성물을 형성하도록 두개의 마주보며 배치된 아치형 표면들을 포함할 수도 있다. 나아가, 완전한 고정자들과 회전자들이 본 발명에 따른 벌크 비정질 금속 구성물로서 구성될 수 있다. 그러한 고정자들 및 회전자들은, 단일 구성을 갖거나 혹은 그들은 집합적으로 완성된 구성물을 형성하는 복수의 조각들로 형성될 수 있다. 또한, 고정자 및/또는 회전자는 모두 비정질 금속 부분들이거나 다른 자기재료들과 비정질 금속 부분들의 조합으로 구성된 복합구조일 수 있다.
이제 도면을 상세히 살펴보면, 도 1은 대체적으로 다면체 형상인 벌크 비정질 금속 구성물(10)을 묘사한다. 여기서 사용된 바와 같이, 상기 용어 다면체는 여러 면을 가지거나(multi-faced) 혹은 측면을 가지는(sided) 고체를 말한다. 이것은, 이러한 형태로 제한되는 것은 아니지만, 3-차원 장방형, 정사각형, 사다리꼴, 및 프리즘을 포함한다. 더욱이, 앞서 언급된 어떠한 기하학적인 형태들은, 전체적으로 아치형상인 구성물을 형성하도록 서로 마주보며 배치된 적어도 하나, 바람직하게는 두개의 아치형 면들 또는 측면들을 포함한다. 도 1에 묘사된 상기 자기 구성물(10)은, 실질적으로 유사한 형상이고 함께 적층 및 풀림 열처리되는 복수층의 비정질 금속 스트립 재료(20)로 구성된다. 바람직한 실시형태에 있어서, 본 발명에 따라 구성되고 대략 1.4Tesla(T)의 자속밀도를 갖는 3-차원 자기 구성물(10)은, (i) 약 60Hz의 주파수와 약 1.4Tesla(T)의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg당 1W와 거의 같거나 보다 낮은 철심-손실;(ii) 약 1000Hz의 주파수와 약 1.4T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg 당 20W와 거의 같거나 보다 낮은 철심-손실, 및 (iii) 약 20,000Hz의 주파수와 약 0.30T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg 당 70W와 거의 같거나 보다 낮은 철심-손실을 가질 것이다. 이러한 성능치들은, 벌크 비정질 금속 구성물의 특정 형상에 관계없이, 본 발명의 다양한 실시형태에 적용한다.
도 2A에 묘사된 자기 구성물(100)은, 대체로 프리즘-형태이고 바람직하게는 5개의 측면(110) 또는 면들을 포함한다. 5각으로 모양지워진 다면체 구성물(100)은, 각각 실질적으로 같은 크기 및 모양인 복수층의 비정질 금속 스트립 재료(20)로 구성된다. 상기 스트립 재료(20)는 적층되어 함께 라미네이트된 다음 풀림 열처리된다.
도 2B에 묘사된 자기 구성물(200)은 적어도 하나, 그리고 바람직하게는 두개의 마주하도록 배치된 아치형 면들(210)을 포함한다. 상기 아치형의 구성물(200)은, 각각 실질적으로 같은 크기 및 형태이고 적층되어 함께 라미네이트 및 풀림 열처리되는 복수층의 비정질 금속 스트립 재료(20)로 구성된다.
도 2C에 묘사된 벌크 비정질 금속 자기 구성물(300)은, 래디얼 갭(radial gap) 전동기용 고정자로서 사용될 수 있고, 6조각의 자기 구성물(100)과 6조각의 자기 구성물(200)으로 구성된다.
도 3A에 묘사된 벌크 비정질 금속 자기 구성물(400)은 대체로 원형이고, 원형 구성물(400)의 중심을 향해 반경방향 내측으로 확장한 대체로 장방형인 복수의 이빨(410)을 포함한다. 상기 구성물(400)은, 각각 실질적으로 같은 크기 및 형태이고 적층되어 함께 라미네이트된 다음 풀림 열처리되는 복수층의 비정질 금속 스트립 재료(20)로 구성된다. 도 3A의 실시형태에 따라 구성된 벌크 비정질 금속 구성물은 래디얼 에어 갭(radial air gap) 전동기에서 고정자로서 이용될 수 있다.
도 3B에 묘사된 벌크 비정질 금속 구성물(500)은 일반적으로 디스크 형태이며, 반경방향 외측으로 뻗어나는 대체로 장방형인 복수의 이빨(510)을 포함한다. 상기 구성물(500)은 각각 실질적으로 같은 크기 및 형태이고 적층되어 함께 라미네이트된 다음 풀림 열처리되는 복수 층의 비정질 금속 스트립 재료(20)로 구성된다. 도 3B의 실시형태에 따라 구성된 벌크 비정질 금속 구성물은 래디얼 에어 갭 전동기에서 고정자로서 이용될 수 있다.
다음 도 3C에 따르면, 고정자(400) 및 회전자(500)은 본 발명에 따라 벌크 비정질 금속 구성물들로 구성되고, 고효율 래디얼 에어갭 전동기(600)의 부품으로서 이용된다.
또한, 본 발명은 벌크 비정질 금속 구성물을 구성하는 방법을 제공한다. 도 4에 나타난 바와 같이, 비정질 금속 스트립 재료의 롤(30)은 컷팅 블레이드(40)에 의해 같은 형태 및 크기를 갖는 복수의 스트립(20)으로 잘린다. 상기 스트립들(20)은 적층된 비정질 금속 스트립 재료의 바(50)을 형성하도록 적층된다. 상기 바(50)은 풀림 열처리되고, 에폭시수지가 주입된 다음 경화된다. 상기 바(50)은, 대체로 사다리꼴 형상의 복수의 자기 구성물(10)을 제조하도록, 도 5에 묘사된 라인들(52)을 따라 잘릴 수 있다. 상기 마무리된 자기 구성물(10)은 일반적으로 장방형, 사다리꼴, 정사각형, 또는 다른 다면체 형태일 수 있다. 또한, 상기 바(50)은, 각각 도 2A, 2B, 2C, 3A, 및 3B에 나타난 바와 같이, 5각 프리즘(100), 아크형 블럭(200), 원형 블럭(400) 또는 디스크형 블럭(500)의 형태로 3 차원적인 형태로 잘릴 수 있다.
본 발명 방법의 두번째 실시형태에 있어서, 도 6 및 7에 나타난 바와 같이, 벌크 비정질 금속 자기 구성물(10)은, 대체로 장방형으로 감긴 코아(70)을 형성하도록 대체로 장방형인 굴대(60) 주위에 단일 비정질 금속 스트립(22) 또는 비정질 금속 스트립들(22)의 그룹을 감아서 형성된다. 상기 코아(70)의 단변들(74)의 높이는 바람직하게는 마무리된 벌크 비정질 금속 자기 구성물(10)의 요구된 길이와 거의 같다. 상기 코아(70)은 풀림 열처리되고, 에폭시수지가 주입된 다음 경화된다. 두개의 구성물들(10)은, 장변들(78)상에서 둥근 코너들(76)을 남겨두고 단변들(74)을 잘라서 형성될 수 있다. 추가의 자기 구성물들(10)은, 장변들(78)에서 둥근 코너들(76)을 제거하고 데시라인(72)으로 표시된 복수의 위치에서 장변들(78)을 자르는 것에 의해 형성될 수 있다. 도 7에 묘사된 실시예에서, 벌크 비정질 금속 구성물(10)은, 다른 형태들이 본 발명에 의해 고려된다 하더라도, 일반적으로 장방형의 모양을 갖는다. 또한, 상기 감겨진 코아(70)은, 각각 도 2A, 2B, 2C, 3A, 및 3B에 나타난 바와 같이, 5각 프리즘(100), 아크형 블럭(200), 원형 블럭(400) 또는 디스크형 블럭(500)의 형태로 3 차원적인 형태로 잘릴 수 있다.
이런 식의 구성은 특히 전동기에 있어서, 비정질 금속 고정자 및 회전자 어셈블리와 같은 자기 구성물들에 적합하다. 자기 구성물 제조는 단순화되고 제조시간은 저감된다. 또한, 벌크 비정질 금속 구성물들을 구성하는 동안에 직면하는 스트레스들은 최소화된다. 상기 마무리된 구성물들의 자기 성능은 최적화된다.
본 발명의 상기 벌크 비정질 금속 자기 구성물(10)은 다수의 비정질 금속 합금들을 이용하여 제조될 수 있다. 일반적으로 말해지는 바와 같이, 본 발명의 구성물(10) 제조용으로 적절한 합금들은 다음 식, M70-85Y5-20Z0-20(여기서 아래첨자는 원자 퍼센트이고, "M"은 Fe, Ni, 및 Co 중 적어도 하나이고, "Y"는 B, C, 및 P 중 적어도 하나이고, 그리고 "Z"는 Si, Al 및 Ge 중 적어도 하나임)으로 정의되며, 이 때, (i) 성분 "M"의 10 원자 퍼센트까지 금속 종(metallic species) Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta 및 W 중 적어도 하나로 치환될 수 있다는 것, 그리고 (ii) 성분들 (Y+Z)의 10원자 퍼센트까지 비금속 종(non-metallic species) In, Sn, Sb 및 Pb 중 적어도 하나로 치환될 수 있다는 것을 가정한다. 저비용에서 가장 높은 인덕션 값들은, 상기 "M"이 철, "Y"가 보론, 그리고 "Z"가 실리콘인 합금에 있어서 얻어진다. 이러한 이유로, 철-보론-실리콘 합금들로 구성된 비정질 금속 스트립이 바람직하다. 가장 바람직한 것은, 본질적으로 약 11원자 퍼센트 보론과 약 9원자 퍼센트 실리콘, 나머지는 철과 부수적인 불순물로 이루어진 조성을 갖는 비정질 금속 스트립이다. 이러한 스트립은, 그 상표명이 METLAS®alloy 2605SA-1으로서 AlliedSignal Inc.를 판매원으로 하여 판매된다.
본 발명의 상기 벌크 비정질 금속 자기 구성물(10)은, 적층된 비정질 금속 스트립의 바들(50)이나 권선된 비정질 금속 스트립의 코아들(70)으로부터 다수의 컷팅 기술을 이용해 잘려질 수 있다. 상기 구성물(10)은 블레이드나 휠을 이용하여 바(50) 혹은 코아(70)으로부터 잘릴 수 있다. 혹은, 상기 구성물(10)은 일렉트로-방출기에 의해 잘리거나 혹은 워터 제트를 이용해 잘릴 수 있다.
벌크 비정질 자기 구성물들은, 다른 철계 자기 금속들로 제조된 구성물들에 비해 보다 효율적으로 자기화 및 탈자기화할 수 있다. 전동기에서 회전자 혹은 고정자로 이용시 상기 벌크 비정질 금속 구성물은, 두개의 구성물들이 같은 인덕션 및 주파수에서 자기화될 때, 다른 철계 자기 금속으로부터 제조된 비교할만한 구성물에 비해 열을 덜 유발할 것이다. 따라서, 벌크 비정질 금속을 이용한 전동기는, 다른 철계 자기 금속들로부터 제조된 구성물들을 이용한 전동기와 비교시, 1) 보다 낮은 작동온도; 2) 저감된 크기 및 중량을 달성하기 위해 보다 높은 인덕션; 혹은 3) 저감된 크기 및 중량을 얻거나 우수한 움직임 제어를 이루기 위해 보다 높은 주파수에서 작동하도록 고안될 수 있다.
다음 실시예는, 본 발명에 대한 보다 완전한 이해를 제공하도록 나타나진다. 구체적인 기술, 조건, 재료, 비율 및 본 발명의 원리와 실험을 기술하도록 설명된 보고 데이타는 예시이고, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 되는 것은 아니다.
실시예 1
비정질 금속 장방형 프리즘의 제조 및 일렉트로-자기 시험
약 60mm폭 0.022mm두께의 Fe80B11Si9 비정질 금속 리본을 약 25mm×90mm의 치수를 갖는 장방형 굴대나 보빈주위에 감았다. 내부치수가 약 25mm×90mm이고 빌드 두께가 약 20mm인 장방형 코아 형태를 만들기 위해, 굴대나 보빈주위에 비정질 금속 리본을 약 800회 감았다. 상기 코아/보빈 어셈블리를 질소분위기에서 풀림 열처리하였다. 상기 풀림 열처리는, 1) 상기 어셈블리를 365℃까지 가열하고; 2) 약 365℃온도에서 약 2시간 동안 그 온도를 유지하고; 그리고, 3) 주변 온도로 상기 어셈블리를 냉각하는 것으로 이루어진다. 상기 장방형이고, 권선된 비정질 금속 코아를 상기 코아/보빈 어셈블리로부터 분리해 내었다. 상기 코아에 에폭시수지 용액을 진공 주입하였다. 보빈을 다시 배치하여 만들어져 주입된 코아/보빈 어셈블리를 120℃에서 약 4.5시간 동안 경화하였다. 완전히 경화되면, 상기 코아를 다시 상기 코아보빈 어셈블리에서 떼어낸다. 그 결과 장방형이고 권선되고, 에폭시가 본드된 비정질 금속 코아의 무게는 약 2100g이었다.
1.5mm두께의 컷팅 블레이드로 상기 에폭시가 본드된 비정질 금속 코아로부터 장방형 프리즘 60mm길이×40mm폭×20mm두께(약 800층)를 절단하였다. 상기 장방형 프리즘의 잘린 면들과 상기 코아의 나머지 부분을 질산/수용액에서 에칭하고, 암모늄 하이드록사이드/수용액에서 세정하였다.
상기 코아의 나머지 부분은 질산/수용액에서 에칭하고 암모늄 하이드록사이드/수용액에서 세정하였다. 그 다음, 상기 장방형 프리즘 및 상기 코아의 나머지 부분을 완전한 컷 코아 폼(cut core form)으로 재조립하였다. 1차 및 2차 전기적인 권선을 상기 코아의 나머지 부분에 고정하였다. 상기 컷 코아 폼을 60Hz, 1,000Hz, 5,000Hz 및 20,000Hz에서 전기적으로 테스트하고 유사한 테스트 형태[National Arnold Mgnetics, 17030Muskrat Avenue, Adelanto, CA92301(1995)]에서 다른 강자성체에 대한 목록 값들과 비교하였다. 상기 결과들을 하기 표 1,2,3 및 4에 종합하였다.
철심손실 @ 60Hz(W/kg)
재료
자속밀도 비정질 Fe80B11Si9 (22㎛) 결정질 Fe-3%Si (25㎛) 결정질 Fe-3%Si (50㎛) 결정질 Fe-3%Si (175㎛) 결정질 Fe-3%Si (275㎛)
National-Arnold Mgnetics Silectron National-Arnold Mgnetics Silectron National-Arnold Mgnetics Silectron National-Arnold Mgnetics Silectron
0.3T 0.10 0.2 0.1 0.1 0.06
0.7T 0.33 0.9 0.5 0.4 0.3
0.8T 1.2 0.7 0.6 0.4
1.0T 1.9 1.0 0.8 0.6
1.1T 0.59
1.2T 2.6 1.5 1.1 0.8
1.3T 0.75
1.4T 0.85 3.3 1.9 1.5 1.1

철심손실 @ 1,000Hz(W/kg)
재료
자속밀도 비정질 Fe80B11Si9 (22㎛) 결정질 Fe-3%Si (25㎛) 결정질 Fe-3%Si (50㎛) 결정질 Fe-3%Si (175㎛) 결정질 Fe-3%Si (275㎛)
National-Arnold Mgnetics Silectron National-Arnold Mgnetics Silectron National-Arnold Mgnetics Silectron National-Arnold Mgnetics Silectron
0.3T 1.92 2.4 2.0 3.4 5.0
0.5T 4.27 6.6 5.5 8.8 12
0.7T 6.94 13 9.0 18 24
0.9T 9.92 20 17 28 41
1.0T 11.51 24 20 31 46
1.1T 13.46
1.2T 15.77 33 28
1.3T 17.53
1.4T 19.67 44 35

철심손실 @ 5,000Hz(W/kg)
재료
자속밀도 비정질 Fe80B11Si9 (22㎛) 결정질 Fe-3%Si (25㎛) 결정질 Fe-3%Si (50㎛) 결정질 Fe-3%Si (175㎛)
National-Arnold Mgnetics Silectron National-Arnold Mgnetics Silectron National-Arnold Mgnetics Silectron
0.04T 0.25 0.33 0.33 1.3
0.06T 0.52 0.83 0.80 2.5
0.08T 0.88 1.4 1.7 4.4
0.10T 1.35 2.2 2.1 6.6
0.20T 5 8.8 8.6 24
0.30T 10 18.7 18.7 48

철심손실 @ 20,000Hz(W/kg)
재료
자속밀도 비정질 Fe80B11Si9 (22㎛) 결정질 Fe-3%Si (25㎛) 결정질 Fe-3%Si (50㎛) 결정질 Fe-3%Si (175㎛)
National-Arnold Mgnetics Silectron National-Arnold Mgnetics Silectron National-Arnold Mgnetics Silectron
0.04T 1.8 2.4 2.8 16
0.06T 3.7 5.5 7.0 33
0.08T 6.1 9.9 12 53
0.10T 9.2 15 20 88
0.20T 35 57 82
0.30T 70 130

실시예 2
비정질 금속 사다리꼴 프리즘의 제조
약 48mm폭 0.022mm두께의 Fe80B11Si9 비정질 금속 리본을 약 300mm의 길이로 잘랐다. 약 48mm폭이고 300mm길이인 바를 빌드 두께를 약 96mm로 하여 형성하도록 잘린 비정질 금속 리본의 약 3,800층을 적층하였다. 상기 바를 질소분위기에서 풀림 열처리하였다. 상기 풀림 열처리는, 1) 상기 바를 365℃까지 가열하고; 2) 약 365℃온도에서 약 2시간 동안 그 온도를 유지하고; 그리고, 3) 주변 온도로 상기 바를 냉각하는 것으로 이루어진다. 상기 바에는 에폭시수지 용액을 진공 주입하고, 120℃에서 약 4.5시간 동안 경화하였다. 그 결과 적층되고, 에폭시가 본드된 비정질 금속 바의 무게는 약 9000g이었다.
상기 적층되고 상기 에폭시가 본드된 비정질 금속 바로부터 1.5mm두께의 컷팅 블레이드로 사다리꼴 프리즘을 절단하였다. 상기 프리즘의 사다리꼴 형태의 면은 상하 면이 52mm와 62mm이고 높이가 48mm였다. 상기 사다리꼴 프리즘은 96mm(38,000층) 두께였다. 상기 사다리꼴 프리즘의 잘린 면과 상기 코아의 나머지 부분을 질산/수용액에서 에칭하고, 암모늄 하이드록사이드/수용액에서 세정하였다.
실시예 3
아치형 단면을 갖는 다면체, 벌크 비정질 금속 구성물들의 제조
약 50mm폭 0.022mm두께의 Fe80B11Si9 비정질 금속 리본을 약 300mm의 길이로 잘랐다. 약 50mm폭이고 300mm길이인 바를 빌드 두께를 약 96mm로 하여 형성하도록 잘린 비정질 금속 리본의 약 3,800층을 적층하였다. 상기 바를 질소분위기에서 풀림 열처리하였다. 상기 풀림 열처리는, 1) 상기 바를 365℃까지 가열하고; 2) 약 365℃온도에서 약 2시간 동안 그 온도를 유지하고; 그리고, 3) 주변 온도로 상기 바를 냉각하는 것으로 이루어진다. 상기 바에는 에폭시수지 용액에 진공하에서 주입하고, 120℃에서 약 4.5시간 동안 경화하였다. 그 결과 적층되고, 에폭시가 접착된 비정질 금속 바의 무게는 약 9200g이었다.
3-차원 아치형태의 블럭을 형성하도록 일렉트로-송출기를 이용해 상기 적층되고 에폭시 본드된 비정질 금속 바를 절단하였다. 상기 블럭의 외직경은 약 96mm였다. 상기 블럭의 내직경은 약 13mm였다. 상기 아크 길이는 약 90°였다. 상기 블럭 두께는 약 96mm였다.
약 20mm폭 0.022mm두께의 Fe80B11Si9 비정질 금속 리본을 외직경이 약 19mm인 원형 굴대나 보빈 주위에 감았다. 내직경이 약 19mm이고 외직경이 약 48mm인 원형 코어 폼을 형성하도록 굴대나 보빈 주위에 비정질 금속 리본을 약 1,200회 감았다. 상기 코아는 약 29mm의 빌드 두께를 갖았다. 상기 코아를 질소분위기에서 풀림 열처리하였다. 상기 풀림 열처리는, 1) 상기 바를 365℃까지 가열하고; 2) 약 365℃온도에서 약 2시간 동안 그 온도를 유지하고; 그리고, 3) 주변 온도로 상기 바를 냉각하는 것으로 이루어진다. 상기 코아에는 에폭시수지 용액을 진공 주입하고, 120℃에서 약 4.5시간 동안 경화하였다. 그 결과 적층되고, 에폭시가 본드된 비정질 금속 코아의 무게는 약 71g이었다.
상기 권선되고 에폭시 본드된 비정질 금속 코아는, 반-원형, 3차원 형상의 물체를 형성하도록 워터 제트를 이용해 절단하였다. 상기 반-원형 물체는 내부 직경이 약 19mm, 외부직경이 약 48mm, 그리고 두께가 약 20mm이었다.
상기 다면체 벌크 비정질 금속 구성물들에 있어 잘린 면들을 질산/수용액에서 에칭하고 암모늄 하이드록사이드/수용액에서 세정하였다.
본 발명을 보다 상세히 기재하였지만, 그러한 상세한 설명은 엄격히 제한되는 것은 아니고 상기 기술분야에서 숙련된 자들에 의해 수정 및 변경될 수 있으며, 이하 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범주내에 모두 들어오는 것이 이해될 것이다.

Claims (18)

  1. 다면체 형상의 부품을 형성하기 위해 구성물에 에폭시수지를 주입하고 경화함으로써, 함께 라미네이트된 실질적으로 유사한 형상의 복수층의 비정질 금속 스트립들을 포함하고,
    상기 벌크 비정질 금속 자기 구성물은 약 1000Hz의 주파수및 약 1.4T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg당 20W와 같거나 보다 낮은 철심-손실을 가지고, 약 20,000Hz의 주파수 및 약 0.30T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg당 70W와 같거나 보다 낮은 철심-손실을 갖는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 벌크 비정질 금속 자기 구성물을 갖는 전동기
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 각각의 스트립들은 본질적으로 식 Fe80B11Si9로 정의된 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 전동기
  4. 제 1항에 있어서, 상기 벌크 금속 자기 구성물은, 상기 전동기의 고정자의 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기
  5. 제 1항에 있어서, 상기 벌크 금속 자기 구성물은, 상기 전동기의 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기
  6. 제 1항에 있어서, 상기 벌크 금속 자기 구성물은, 상기 전동기의 회전자의 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기
  7. 제 1항에 있어서, 상기 벌크 금속 자기 구성물은, 상기 전동기의 회전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기
  8. 제 1항에 있어서, 상기 비정질 금속 자기 구성물은, 상기 전동기의 회전자와 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기
  9. 제 1항에 있어서, 상기 벌크 비정질 금속 자기 구성물은, 약 60Hz의 주파수및 약 1.4T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg당 1W와 같거나 보다 낮은 철심-손실을 갖는 것을 특징으로 하는 전동기
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 적어도 하나의 벌크 비정질 금속 자기 구성물을 갖는 전동기에 있어서,
    상기 구성물은 다면체 형상 부품을 형성하기 위해 에폭시수지를 주입하고 경화함으로써, 함께 라미네이트된 실질적으로 유사한 형상의 복수층의 비정질 금속 스트립들을 포함하고,
    상기 벌크 비정질 금속 자기 구성물은 약 1000Hz의 주파수및 약 1.4T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg당 20W와 같거나 보다 낮은 철심-손실을 가지고, 약 20,000Hz의 주파수 및 약 0.30T의 자속밀도에서 작동될 때 비정질 금속 재료 1kg당 70W와 같거나 보다 낮은 철심-손실을 갖는 것을 특징으로 하는 전동기
  13. 제 12항에 있어서, 상기 자기 구성물은 고정자인 것을 특징으로 하는 전동기
  14. (없음)
  15. 제 12항에 있어서, 상기 자기 구성물은 회전자인 것을 특징으로 하는 전동기
  16. 제 12항에 있어서, 상기 전동기는 농형 전동기, 자기저항 동기전동기, 및 전환 자기저항 전동기로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 부재(member)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기
  17. 제 13항에 있어서, 상기 전동기는 가변자기저항형 전동기와 맴돌이전류 전동기, 농형 전동기, 자기저항 동기전동기, 및 전환 자기저항 전동기로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기
  18. 제 15항에 있어서, 상기 모터는 농형 전동기, 자기저항 동기전동기, 및 전환 자기저항 전동기로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기
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