KR101029085B1 - 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터 및 그 권선 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말자성코어의 누설자속을 제거하여 권선 끝단의 국부발열을 방지할 수 있는 대전류 인덕터 및 그 권선 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터는, 적어도 하나 이상의 단위 블록 코어가 상호 연결되어 구비되는 자성체부; 상기 자성체부에 적어도 1회 이상 권취되는 주권선부; 및 상기 자성체부에 적어도 1회 이상 권취되어 상기 자성체부의 누설자속을 방지하기 위한 보조권선부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터의 권선 방법은, 적어도 하나 이상의 단위 블록 코어가 상호 연결된 자성체부에 적어도 1회 이상 권취되는 주권선부 사이의 누설전류를 방지하기 위해 상기 자성체부에 적어도 1회 이상 보조권선부를 권취할 수 있다.

대전류 인덕터, 분말자성코어, 누설자속, 보조권선.

Description

권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터 및 그 권선 방법{A LARGE CURRENT INDUCTOR FOR PREVENTING INDUCTION HEATING OF WIRE AND A WINDING METHOD THERE OF}

본 발명은 대전류 인덕터(혹은 리액터)에서의 누설 자속으로 인한 권선 국부 발열을 방지하기 위한 것으로, 특히 대전류 인덕터의 분말자성코어에 권취된 권선에서 발생되는 누설 자속으로 인한 국부 발열을 방지하는 구조 및 권선 방법에 관한 것이다.

대전류 인덕터 혹은 리액터는 전기자동차, 태양광 발전장치, 연료전지, 배터리 충방전장치 등 산업전반의 각종 전원공급장치에 적용되고 있으며, 특히 직류 인덕터 권선을 사용하는 승압/감압형 DC/DC 컨버터와 AC 리액터를 사용하는 AC/DC 컨버터 등 전력변환장치 전반에 적용되고 있다.

대전류 인덕터에 사용되는 분말자성코어는 대전류에서의 직류중첩특성을 높이고 고주파에서의 코어손실을 줄이며 안정된 투자율을 얻기 위하여, 연자성 특성을 가진 금속합금을 분말형태로 가공한 후 세라믹 또는 고분자 바인더로 분말을 코팅하여 절연시키고 고압에서 성형한 제품이다.

일반적으로 투자율이 낮은(10u ~ 200u) 분말자성코어는 공극이 자로 전반에 분포된 특성을 갖으며 이로 인해 누설자속을 줄이고 코일에 감겨있는 동선의 국부 유도가열을 최소화할 수 있는 특징이 있다. 반면에 직류중첩특성을 높이기 위해 에어갭을 0.1mm~10mm정도로 삽입하는 페라이트 코어, 규소강 적층 코어, 아몰퍼스 적층코어는 자로에 놓여진 에어갭으로 인한 누설자속, 동선의 국부 유도가열, 소음 등의 문제를 갖고 있다.

10kW이하의 소용량 인덕터의 경우 토로이달 형태 또는 EE 형태의 코어에 둥근 단면적을 갖는 도체를 감은 제품이 대부분이다. 그러나 대용량 인덕터의 경우 권선의 전류밀도를 최대화하기 위해 헬리컬 타입의 각동선을 사용하여야 하는데 이 경우 폐자로를 갖는 토로이달 코어에 권선을 하기 위해 전체 권선 수를 수작업으로 감거나 2개 이상의 도체를 조립하여 권선의 턴을 구성하는 등 추가 조치가 필요하여 양산성이 떨어진다. 그리고 토로이달 분말자성코어는 고압에서 성형하기 때문에 크게 성형하는데에 어려움이 많아서 우수한 특성에도 불구하고 대용량의 인덕터의 경우 제한적으로 사용될 수 밖에 없었다.

고주파에서 저손실의 대용량 인덕터 권선을 제작하기 위해서는 단위 블록 코어를 제작하고 원하는 형상으로 조립하여 만든다. 이 경우 코일형상의 권선체에 블록코어를 삽입한 후 다른 블록코어를 직렬로 연결, 폐 자로를 구성하는 방법이 주로 사용된다. 그러나 분말자성코어의 특성상 비 투자율이 200 이하이므로 코어 표면에 누설자속이 발생하고 이로 인해 인덕터 권선 양단 부근에 와류손이 커져 국부발열이 발생, 이를 적용한 전력변환장치의 효율저하, 동작영역의 축소, 절연파괴 등의 현상을 야기한다. 이러한 문제로 인해 기존의 적용 예에서는 리츠와이어를 사용하는 방법이 있으나 사용온도가 낮고 와이어의 가격이 높으며 양산성이 없다는 단점이 있다.

본 발명은 분말자성코어의 누설자속을 제거하는 대전류 인덕터 권선을 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 분말자성코어의 누설자속을 제거하는 대전류 인덕터의 권선 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.

본원에 따른 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터는, 복수의 단위 블록 코어가 상호 연결되어 구비되는 자성체부; 상기 자성체부는 제1 및 제2 자성체부를 포함하고, 상기 제1 자성체부에 인덕터 권선이 적어도 1회 이상 권취되는 주권선부; 및 상기 제2 자성체부에 상기 인덕터 권선이 적어도 1회 이상 권취되어 상기 자성체부의 누설자속을 방지하기 위한 보조권선부를 포함한다.
상기 제1 자성체부는 복수의 단위 블록 코어가 서로 대향되어 구비되고, 상기 제2 자성체부는 상기 제1 자성체부의 단위 블록 코어와 상호 연결되고, 복수의 단위 블록 코어가 서로 대향되어 구비된다.

삭제

상기 자성체부는, 블록형상의 코어 또는 곡률을 갖는 코어 중 선택적으로 구성됨을 특징으로 한다.

삭제

삭제

상기 자성체부는, 센더스트 합금분말, High Flux 분말 및 MPP 분말 또는 규소강 분말 중에서 1종 이상을 선택하여 성형한 다음, 열처리되어 가로 3~10㎝, 세로 1~5㎝ 및 높이 1~5㎝의 크기인 코어 제조용 단위블록을 내열성 및 내화성의 에폭시 또는 폴리우레탄 접착제를 이용하여 단상 또는 3상 형태로 접착되는 분말자성코어임을 특징으로 한다.

또한, 본원의 제2 발명에 따른 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터의 권선 방법은, 복수의 단위 블록 코어가 상호 연결된 자성체부 중 제1 자성체부에 인덕터 권선을 적어도 1회 이상 권취하여 주권선부를 형성하는 단계; 및 상기 자성체부 중 제2 자성체부에 상기 주권선부의 누설전류를 방지하기 위해 상기 인덕터 권선을 적어도 1회 이상 권취하여 보조권선부를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 주권선부와 보조권선부는, 서로 직렬로 연결되며 설계된 인덕턴스를 얻기 위한 총 권 회수를 나누어 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 자성체부는, 센더스트 합금분말, High Flux 분말 및 MPP 분말 또는 규소강 분말 중에서 1종 이상을 선택하여 세라믹재료를 코팅하는 단계; 상기 코팅된 분말을 최종 제조되는 단위블록의 크기가 가로 3~10㎝, 세로 1~5㎝ 및 높이 1~5㎝가 되도록 단위면적당 10~18톤의 압력으로 성형하는 단계; 상기 성형된 성형체를 불활성 분위기에서 600~800℃의 온도범위에서 1~2시간동안 열처리하여 가로 3~10㎝, 세로 1~5㎝ 및 높이 1~5㎝인 단위블록으로 제조하는 단계; 및 상기 제조된 단위블록을 내열성 및 내화성의 에폭시 또는 폴리우레탄 접착제를 이용하여 코어 형태로 접착하여 코어를 제조하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 분말자성코어의 누설자속을 제거할 수 있으므로 권선 끝단의 국부발열을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 투자율이 낮은 자성코어를 사용하는 고주파 스위칭, 고리플 대전류형 인덕터 등의 제작에 유용하다.

또한, 본 발명에 따르면, 주권선과 보조권선의 총 권선수가 기존 권선수와 동일하므로, 추가제작비용이 매우 작은 반면, 효율은 대폭 증대된다.

또한, 본 발명에 따르면, 권선의 국부발열이 문제가 되는 분말자성코어의 활용성이 산업전반에 걸쳐 매우 확대된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 분말자성코어를 사용하는 대전류 인덕터의 일반적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 대전류 인덕터의 구성도이다.

도 1에 따른 대전류 인덕터의 주요 구성요소는 다음과 같다. 분말자성코어를 재질로 하며 인덕터의 주 자로를 형성하는 자성체부(1a, 1b, 1c, 1d), 구리 및 알루미늄 등 도전체를 재질로 하는 인덕터의 권선부(2a, 2b), 권선부와 외부회로를 연결하기 위한 입력단자부(4)와 출력단자부(5)를 구비한다. 이러한 구성요소로 인해 발생하는 총자속과 누설자속을 나타내는 바, 권선부에 흐르는 전류(I)와 권선의 감긴 회수(N)의 곱(N×I)으로 발생하는 총자속(6), 총자속(6) 중 자성체부의 외부로 흐르는 누설자속(7)을 도시하였다.

도 2의 본 발명의 일실시예에 따른 대전류 인덕터의 주요 구성요소는 다음과 같다. 분말자성코어를 재질로 하며 인덕터의 주 자로를 형성하는 자성체부(11, 12, 13, 14), 구리 등 도전체의 권선이 제1자성체부(12, 14)에 1회 이상 감긴 주권선부(21, 22), 구리 등 도전체의 권선이 제2자성체부(11, 13)에 1회 이상 감긴 보조권선부(31, 32), 주권선부와 보조권선부를 외부회로와 연결하기 위한 입력단자부(40) 및 출력단자부(50)를 구비한다. 이러한 구성요소로 인해 발생하는 총자속과 누설자속을 나타내는 바, 전체권선부(21, 22, 31, 32)에 흐르는 전류(I)와 상기 주권선부와 보조권선부의 권선을 감은 총 회수(N)의 곱(N×I)으로 발생하는 총자속(60)과 총자속(60)중 자성체부의 외부로 흐르는 누설자속(70)을 도시하였다. 주권선부(21, 22)와 보조권선부(31, 32)는 직렬로 연결되며 설계된 인덕턴스를 얻기 위한 총 권 회수를 주권선부와 보조권선부가 나누어 갖는다.

도 1 및 도 2에 따른 인덕터는 분말자성코어로 자로를 형성한다. 분말자성코어로 자로를 형성하는 인덕터의 동작원리는 다음과 같다. 분말자성코어는 투자율(

), 자로 길이(

)와 자로 단면적(

)과 자기저항(Reluctance,

)을 갖는다. 자성체부의 일부에 구리 및 알루미늄 등 도전체를 재질로 하는 권선을 N회 감고 여기에 전류 I를 인가하면 기자력(F=NI)이 발생된다. 기자력과 자성코어의 재질 및 형상에 의해 총자속(

)이 발생되고, 총자속 φ과 인가전류 I의 비로서 인덕턴스(

)가 발생된다.

한편, 도 1에 따른 대전류 인덕터는 다음과 같은 문제점이 발생된다. 자성체의 투자율(

)이 공기의 투자율(

)에 비해 충분히 크지 않을 경우 총자속(φ) 중 일부가 코어외부로 흐르게 된다. 이러한 자속을 누설자속(

)이라 하는데 이 누설자속이 권선(2a, 2b)의 일부, 특히 양 끝 단부와 쇄교하면서 이 영역의 권선에 기전력(

)이 야기된다. 이로 인해 누설자속과 쇄교하는 영역의 권선에 와류()가 발생되고 권선의 와류루프 및 권선 재질의 고유저항계수에 의한 저항값에 의해 와류손(

)이 발생된다. 이는 권선에 추가적인 발열 및 손실의 원 인이 되며 이러한 발열 현상은, 도 1에서와 같은 경우, 권선(2a, 2b)의 양 끝단에서 두드러지게 발생된다. 인덕터 권선의 각 턴의 기자력이 갖는 자기적 부하는 권선 각 턴이 갖는 점유 자로 길이에 비례하는데, 일반적인 경우 도 1 및 도 3과 같이 인덕터 권선을 자로의 일부 또는 양측에 나누어 집중하여 권선한다. 이 경우 권선 양 끝단 턴이 점유하는 자로의 길이가 국부적으로 커지고 이로 인해 권선 양 끝단에 발열이 발생된다. 이러한 현상은 자성체의 투자율이 낮고 권선이 집중되어 있을 경우 더 심해진다.

반면, 도 2의 본 발명의 일실시예에 따른 대전류 인덕터는 도 1의 대전류 인덕터로 인한 문제점을 해결한다. 즉, 보조권선(31, 32)에 흐르는 전류가 전자석으로 동작하여 누설자속을 자성코어 내부로만 흐르도록 하여 누설자속에 의해 권선에 발생되는 와류손을 방지한다.

도 2 및 도 4와 같이 자성체 중 주권선이 감기지 않은 코어부분에 보조권선을 두고 주권선과 동일한 방향으로 전류를 인가하면 보조권선이 없는 도 1 및 도 3의 경우보다 주권선의 양 끝단 턴의 기자력이 점유하는 자로 길이가 에서

로 줄고 이로 인해 자기저항이

에서

로 줄어 코어 외부로 흐르는 자속의 량 즉 누설자속이 감소한다. 즉, 보조권선을 갖는 본 발명의 경우 상대적으로 권선 양단 턴이 점유하는 자로 길이가 줄어들어 권선 양단 턴이 갖는 자기적 부하가 줄어드는 효과를 갖는다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대전류 인덕터의 구성도이다. 도 5에 따른 대전류 인덕터는 블록 형태의 분말 코어 자성체와 반원형태의 분말 코어 자성체를 조합하여 자로를 형성한 것이다. 도 5에 따른 대전류 인덕터의 주요 구성요소로는, 직사각형의 자성체부(15, 16)에 구리 등 도전체 권선을 1회 이상 감은 주권선부(23, 24)와 C자 형태의 자성체부(17, 18)에 구리 등의 도전체 권선을 1회 이상 감은 보조권선부(33, 34)로 이루어져 있으며, 외부 회로와 연결하기 위하여 입력단자부(41)와 출력단자부(51)로 구성되어 있다.

도 6은 본 발명에 따른 대전류 인덕터에 적용되는 분말자성코어의 다른 실시예(3상)를 나타낸 것이다. 본 발명의 대전류 인덕터에 적용되는 분말자성코어는 도 2, 도 5 및 도 6 등과 같이 다양한 형태로 변형가능하다.

한편, 본 발명의 대전류 인덕터에 적용되는 분말자성코어는, 센더스트 합금분말, High Flux 분말 및 MPP(Molybdenum permalloy powder) 분말 또는 규소강 분말 중에서 1종 이상을 선택하여 성형한 다음, 열처리되어 가로 3~10㎝, 세로 1~5㎝ 및 높이 1~5㎝의 크기인 코어 제조용 단위블록을 내열성 및 내화성의 에폭시 또는 폴리우레탄 접착제를 이용하여 단상 또는 3상 형태로 접착하여 구성될 수 있다.

아울러, 본 발명의 대전류 인덕터에 적용되는 분말자성코어는, 평균입도 175㎛ 이하의 샌더스트 합금분말, 고자속 분말 및 MPP 분말 또는 규소강 분말 중에서 1종 이상을 선택하여 세라믹으로 코팅하는 단계와; 상기 혼합된 분말을 최종 제조되는 단위블록의 크기가 가로 3~10㎝, 세로 1~5㎝ 및 높이 1~5㎝가 되도록 단위면적당 10~18톤의 압력으로 성형하는 단계와; 상기 성형된 성형체를 불활성 분위기에서 600~800℃의 온도범위에서 1~2시간동안 열처리하여 가로 3~10㎝, 세로 1~5㎝ 및 높이 1~5㎝인 단위블록으로 제조하는 단계와; 상기 제조된 단위블록을 내열성 및 내화성의 에폭시 또는 폴리우레탄 접착제를 이용하여 코어 형태로 접착하여 코어를 제조하는 단계를 적용하여 제조될 수 있다.

도 7은 보조권선이 미권취된 인덕터의 사진 및 실험결과이고, 도 8은 보조권선이 권취된 인덕터의 사진 및 실험결과를 나타낸 것이다. 도 7의 보조권선이 미권취된 인덕터의 실험결과는 누설자속으로 인해 권선 끝단의 국부 발열이 발생됨을 확인할 수 있다. 반면, 도 8의 보조권선이 권취된 인덕터의 실험결과는 권선 끝단의 국부 발열이 제거되었음을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

도 1은 분말자성코어를 사용하는 일반적인 대전류 인덕터의 구성도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 대전류 인덕터의 구성도,

도 3은 일반적인 대전류 인덕터 권선 양단이 갖는 자기저항의 개념도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대전류 인덕터 권선 양단이 갖는 자기저항의 개념도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대전류 인덕터의 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 대전류 인덕터에 적용되는 분말자성코어의 다른 실시예(3상)를 나타낸 구성도,

삭제

도 7은 보조권선이 미권취된 인덕터의 사진 및 실험결과, 및

도 8은 보조권선이 권취된 인덕터의 사진 및 실험결과.

*도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명*

11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18: 자성체부

21, 22, 23, 24: 주권선부

31, 32, 33, 34: 보조권선부

40, 41: 입력단자부 50, 51: 출력단자부

60: 총자속 70: 누설자속

Claims (9)

1. 복수의 단위 블록 코어가 상호 연결되어 구비되는 자성체부;

   상기 자성체부는 제1 및 제2 자성체부를 포함하고,

   상기 제1 자성체부에 인덕터 권선이 적어도 1회 이상 권취되는 주권선부; 및

   상기 제2 자성체부에 상기 인덕터 권선이 적어도 1회 이상 권취되어 상기 자성체부의 누설자속을 방지하기 위한 보조권선부

   를 포함하는 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 자성체부는 복수의 단위 블록 코어가 서로 대향되어 구비되고,

   상기 제2 자성체부는 상기 제1 자성체부의 단위 블록 코어와 상호 연결되고, 복수의 단위 블록 코어가 서로 대향되어 구비되는 것을 특징으로 하는 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제2항에 있어서, 상기 제2 자성체부는,

   블록형상의 코어 또는 곡률을 갖는 코어 중 선택적으로 구성됨을 특징으로 하는 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터.
6. 제5항에 있어서, 상기 자성체부는,

   센더스트 합금분말, High Flux 분말 및 MPP 분말 또는 규소강 분말 중에서 1종 이상을 선택하여 성형한 다음, 열처리되어 가로 3~10센티미터, 세로 1~5센티미터 및 높이 1~5센티미터의 크기인 코어 제조용 단위블록을 내열성 및 내화성의 에폭시 또는 폴리우레탄 접착제를 이용하여 단상 또는 3상 형태로 접착되는 분말자성코어임을 특징으로 하는 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터.
7. 복수의 단위 블록 코어가 상호 연결된 자성체부 중 제1 자성체부에 인덕터 권선을 적어도 1회 이상 권취하여 주권선부를 형성하는 단계; 및

   상기 자성체부 중 제2 자성체부에 상기 주권선부의 누설전류를 방지하기 위해 상기 인덕터 권선을 적어도 1회 이상 권취하여 보조권선부를 형성하는 단계

   를 포함하는 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터의 권선 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 주권선부와 보조권선부는,

   서로 직렬로 연결되며 설계된 인덕턴스를 얻기 위한 총 권 회수를 나누어 갖는 것을 특징으로 하는 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터의 권선 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 자성체부는,

   센더스트 합금분말, High Flux 분말 및 MPP 분말 또는 규소강 분말 중에서 1종 이상을 선택하여 세라믹재료를 코팅하는 단계;

   상기 코팅된 분말을 최종 제조되는 단위블록의 크기가 가로 3~10센티미터, 세로 1~5센티미터 및 높이 1~5센티미터가 되도록 단위면적당 10~18톤의 압력으로 성형하는 단계;

   상기 성형된 성형체를 불활성 분위기에서 섭씨600~800도의 온도범위에서 1~2시간동안 열처리하여 가로 3~10센티미터, 세로 1~5센티미터 및 높이 1~5센티미터인 단위블록으로 제조하는 단계; 및

   상기 제조된 단위블록을 내열성 및 내화성의 에폭시 또는 폴리우레탄 접착제를 이용하여 코어 형태로 접착하여 코어를 제조하는 단계

   를 포함하는 권선 국부 발열을 방지하는 대전류 인덕터의 권선 방법.

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