KR20000068543A - 코일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트랜스포머와 초크 코일로 사용할 수 있는 코일의 구조에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 철손이 거의 없고, 전류의 증가로 인한 인덕턴스의 감소가 작은 코일을 얻는 데 있다. 구조는 비정질 금속 또는 미결정 금속으로 된 환상 철심(2)의 표면상에 상기 환상 철심의 내경보다 길이가 긴 막대형 철심(5)을 도1에 나타낸 바와 같이 재치하여 고정하고, 상술한 막대형 철심에는 도전재(6)를 감은 구조의 코일로서, 특히 적어도 2개의 환상 철심(2,2)의 표면 간에 길이가 상술한 환상 철심의 내경보다 긴 상술한 적어도 하나의 막대형 철심을 삽입, 고정하고, 상기 막대형 철심에는 도전재(5)를 감아서 된 코일이다. 또한 본 발명의 코일은 토로이덜 코일과 같은 동선으로 감은 환상 철심을 갖는 종래의 코일에 비하여 아주 쉽게 제조할 수 있다. 또한 본 발명의 코일은 절단 철심과 토로이덜 철심을 사용하는 종래의 코일보다 철손이 작으므로, 에너지를 절약할 수 있고 또한 전류의 증가로 인한 인덕턴스의 감소가 작은 우수한 장점을 나타낸다. 이 때문에 본 발명의 코일은 트랜스포머와 초크 코일과 같은 넓은 응용 분야에서 사용할 수 있다.

Description

코일{coil}

종래에는 전기 전자 회로에 사용되는 코일을 막대형, 파이프형 또는 환상 자성재 상에 동선과 같은 도전재를 감아서 제조하였다. 이 코일 중에서, 환상 자성재 상에 동선을 감은 토로이덜 코일이 근년에는 고주파 회로와 같은 응용에 널리 사용되고 있다. 또한 사각형 환상의 자성재로 된 얇은 띠를 감아서 서로 적층하여 얻은 권철심을 사용하는 코일도 널리 사용되고 있다. 일반적으로 토로이덜 코일과 같은 단부가 없는 형상의 철심에 동선을 감는 작업은 복잡하여 쉽게 자동화 할 수 없다. 또한 철심과 권선 코일의 형상이 아주 다양하기 때문에 토로이덜 코일을 효율적으로 제조하기가 어려워서 대량 생산성의 향상에 한계가 있다.

또한 환상 또는 권철심상에 직접 동선을 감지 않는 방법으로서, 보빈 상에 동선을 감은 것을 E형과 뒤집은 E형 철심의 조합의 각 단부에 삽입하거나 또는 2부분으로 나눈 절단된 철심의 절단부에 삽입하는 다른 방법을 사용한다. 이 방법도 역시 복잡하여 작업성이 불량하다. 또한 이러한 종류의 코일은 보빈과 코일의 치수 오차에 의해 영향을 받으므로 코일을 보다 소형화하고 또한 고밀도화 하기가 어려웠다.

본 발명의 발명자는 상술한 문제점을 해결하고, 가능한 한 간단한 공정에 의해 코일을 제조하고, 대량 생산성이 우수하고, 경제성이 좋고, 철손이 거의 없는 코일의 구조에 대하여 연구하였다. 그 결과, 환상 철심과 이 환상 철심의 면에 재치한 막대형 철심으로 구성되는 구조를 채용하여, 막대형 철심에 도전재를 감아줌으로써 종래의 동선으로 감은 권철심 코일에 비하여 고생산성으로 제조할 수 있고 또한 철손이 거의 없는 코일을 제조할 수 있음을 밝혀냈다. 이렇게하여 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 코일에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명은 철손이 작고 제조가 용이하도록, 환상 철심과 이 환상 철심의 면 상에 재치한 막대형 철심으로 구성되며, 막대형 철심을 도전재로 감은 구조를 갖는 트랜스포머, 초크 코일 등에 사용하는 코일에 관한 것이다.

본 발명은 비정질 금속 또는 미결정 금속으로 된 환상 철심의 면 상에 길이가 상기 환상 철심의 내경보다 긴 적어도 하나의 막대형 철심을 재치하여 고정하고, 상기 막대형 철심에는 도전재를 감아서 된 코일에 관한 것이다. 가장 바람직한 구조는 적어도 2개의 상술한 환상 철심의 표면들 간에 상기 환상 철심의 내경보다 길이가 긴 적어도 하나의 막대형 철심을 재치하여 고정하고, 상기 막대형 철심에는 도전재를 감아서 된 그러한 코일이다.

[도면의 간단한 설명]

도1은 본 발명의 코일의 1예의 사시도.

도2는 본 발명의 코일의 다른 예의 사시도.

도3은 본 발명의 코일과 종래의 절단 철심의 자속 밀도-철손 곡선도.

도4는 본 발명의 코일의 중첩 전류-인덕턴스 곡선도.

부호의 설명

1 코일

2 환상 철심

3 사각형 환상 철심의 긴변

4 사각형 환상 철심의 짧은 변

5 막대형 철심

6 동선

7 환상 철심의 비정질 금속 또는 미결정 금속 테이프

8 막대형 철심의 자성재 테이프

9 환상 철심과 막대형 철심 간의 접촉 영역

10 갭

A 본 발명의 코일의 자속 밀도-철손 곡선

B 종래의 절단 철심 코일의 자속 밀도-철손 곡선

a 본 발명의 절단 철심의 중첩 전류-인덕턴스 곡선

b 종래의 토로이덜 코일의 중첩 전류-인덕턴스 곡선

[실시예]

이하 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 도1은 본 발명의 코일의 1예의 사시도이다. 도1에서 코일(1)은 2개의 환상 철심(2,2)과 상술한 1조의 환상 철심 간에 삽입, 고정되며, 동선(6)으로 감긴 막대형 철심(5)으로 구성된다.

코일의 환상 철심은 비정질 금속 또는 미결정 금속으로 제조된다. 금속 테이프(7)를 환상으로 감아서 적층함으로써 철심을 형성한다. 본 발명에서는 환상 철심의 재료로서 비정질 금속 또는 실리콘 미결정 금속을 사용한다. 이렇게 함으로써 철손이 거의 없는 코일을 얻을 수 있다.

비정질 금속은 용융 금속을 켄칭(quenching)(담금질)하여 얻어지는 결정 구조를 갖지 않는 금속이다. 본 발명의 코일의 권철심의 재료로는, 불가결 금속 성분으로서 Fe, Co 또는 Ni로부터 선택된, 특히 Fe의 천이 금속, 그리고 비금속 성분으로서 B, C, P 또는 Si를 함유하는 그러한 조성을 갖는 합금이 철손이 낮고 포화 자속 밀도가 높기 때문에 바람직하다.

미결정 금속은 연질의 미결정 자성 합금 재료이다. 이 금속은 기본 성분으로서 Fe, Si 또는 B와 Cu, Nb, Ta, Mo 및 Zr 등의 원소를 소량 함유하는 합금을 용융 켄칭하여 비결정 금속 테이프를 제조한 다음, 테이프를 열처리하여 결정화함으로써 10nm 정도의 초미의 결정을 형성한다.

환상 철심의 형상은 일반적으로 도1에 나타낸 바와 같이 긴변(3)과 짧은 변(4)으로 된 사각형 링 형상이지만, 토로이덜 또는 타원형이어도 좋다. 철심은 비정질 금속 또는 미결정 금속의 긴 테이프를 철심에 감아서 적층하는 방법에 의해 제조한다.

본 발명에서는 적어도 하나의 환상 철심 위에 막대형 철심을 재치하여, 막대형 철심에 도전재를 감아줌으로써 코일을 형성한다. 그러나 막대형 철심은 적어도 2개의 환상 철심의 면 간에 삽입할 수도 있다. 하나의 막대형 철심(5)을 도1에 나타낸 바와 같이 동일한 형상의 2개의 환상 철심(2) 간에 삽입시킨 구조를 채용함으로써 소정 레벨의 전류에 대하여 고인덕턴스를 얻을 수 있다. 이 때문에 그러한 구조는 전자기 특성 및 제조의 용이성에 있어 유리하다. 한편 코일에서는, 전류가 클수록 인덕턴스가 감소한다. 그러나 도2에 나타낸 바와 같이 1개의 환상 철심에 막대형 철심을 감아서 적층하여 얻어지는 이들 코일들은 강한 전류에서도 인덕턴스가 거의 감소하지 않는 성향과, 고인덕턴스를 유지하는 효과를 갖는다. 이러한 이유 때문에, 그러한 구조는 용도에 적합하도록 선택할 수 있다.

환상 철심에 재치하는 막대형 철심의 수는 통상 하나이지만 적어도 2개로 하는 것이 좋다.

막대형 철심용으로 사용되는 자성재에 대한 특별한 제한은 없고, 환상 철심용으로 사용되는 페라이트, 퍼멀로이 등, 뿐만아니라 비정질 금속, 미결정 금속 및 실리콘 스틸을 상술한 자성재로서 사용할 수 있다.

막대형 철심을 환상 철심의 면 상에 재치할 수 있는 한, 환상 철심과 막대형 철심의 위치 관계에 대한 제한은 없다. 그러나 환상 철심이 사각형 환상형일 경우에는, 막대형 철심을 환상 철심의 한 변, 특히 긴 변과 평행하게 환상의 중앙부에 위치시키는 것이 바람직하다. 또한 막대형 철심의 길이는 환상 철심의 내부 테보다 길게 함으로써 막대형 철심을 환상 철심에 재치할 수 있다. 통상적으로 막대형 철심의 길이는 환상 철심의 외부 테와 동일 또는 그보다 약간 짧다.

막대형 철심의 형상은 어떠한 형상이어도 좋지만 환상 철심과 동일한 유효 단면적을 갖는 사각형상이 가장 좋다.

막대형 철심의 형태로서는 재료의 종류에 따라 박판과 블록의 적층체가 사용된다. 비정질 금속 또는 미결정 금속 및 실리콘 스틸과 같은 얇은 테이프 형의 재료의 경우에는 동일 형상의 대량의 박판이 적층된다. 박판을 감아서 원통 형상을 형성할 수도 있다. 박판을 적층하여 막대형 철심을 제조할 경우에는, 필요에 따라 에폭시 수지와 같은 수지를 그들 속에 함침하여 고정할 수도 있다. 페라이트의 경우에는 블록형 철심을 사용한다.

막대형 철심용으로 비정질 금속 또는 미결정 금속으로 제조된 자성 테이프(8)의 적층체를 사용할 경우에는, 테이프의 폭 방향이 도1에 나타낸 바와 같이 환상 철심의 면 방향과 직각이 되도록 자성 테이프를 적층하여 막대형 철심을 형성하는 것이 바람직하다(도1에서, 테이프(8)의 폭 방향은 상하로 향하고 수평 위치에 놓인 환상 철심의 면을 가로지른다). 이러한 막대형 철심을 사용하면 와전류의 발생이 없기 때문에 유리하며, 그 때문에 테이프(8)의 적층면이 막대형 철심과 평행한 위치에 있는 환상 철심의 변(도1에서 긴 변(3))에서 테이프(7)의 적층면과 평행하고 또한 환상 철심을 형성하는 자성 테이프의 면과 막대형 철심을 형성하는 자성 테이프의 면이 접촉하지 않기 때문에 철손이 거의 없다.

막대형 철심은 환상 철심의 면 상에 재치하여 고정하거나 또는 2개의 환상 철심의 면 사이에 삽입, 고정된다. 그러나 막대형 철심과 환상 철심 간의 접촉 영역(9)은 코일의 사용에 따라 서로 접촉 상태에서 고정되거나 또는 그들 사이에 갭을 갖는다. 트랜스포머의 경우에는 막대형 철심과 환상 철심의 각 면은, 예를 들어 상술한 각 면을 연마함으로써 가능한 한, 그들 간의 갭을 작게 하는 방식으로 접촉 상태가 되게 한다. 그러나 초크 코일의 경우에는, 적당한 갭(10)을 도2에 나타낸 바와 같이 제공한다. 2개의 환상 철심의 면들 간에 삽입된 막대형 철심을 갖는 코일에 갭을 제공한 경우에는, 막대형 철심과 환상 철심이 서로 접촉하는 양단의 막대형 철심과 2개의 환상 철심 간에 갭을 제공할 수도 있다.

막대형 철심에는 전기적인 도전재를 감아서 코일을 형성한다. 가장 일반적으로 사용하는 전기적인 도전재는 동선이다. 권수는 용도에 따라 적의 선택할 수 있다. 도전재는 막대형 철심의 형태로 직접 감을 수도 있다. 그러나 막대형 철심은 보빈 등에 감긴 도전재로 피복해도 좋다. 본 발명에서는 상기 어떤 경우에나, 막대형 철심에 동선을 감기 때문에 아주 쉽게 작업할 수 있다. 또한 본 발명에서는 막대형 철심에 동선을 감아서 코일을 형성하기 때문에 코일을 그대로 사용할 수도 있으나, 필요에 따라 환상 철심을 동선으로 감을 수 있다.

본 발명의 코일은 환상으로 감긴 권철심과 도전재를 감은 막대형 철심을 조합하여 간단히 제조할 수 있다. 이 때문에 본 발명에 의하면 임의 크기의 코일을 제조할 수 있으며, 사용되는 재료, 용도 및 성능 요건에 따라 크기를 적당히 선택할 수 있다.

본 발명의 코일은 용이하게 경제적으로 제조할 수 있을 뿐만아니라, 철손이 거의 없고 에너지 소비가 작은 장점을 갖는다.

또한 본 발명의 코일에 의하면, 막대형 철심을 동선으로 감은 다음 환상 철심을 둘러싸는 틀에 내장한다. 그 때문에 코일을 소형화 구조로 할 수 있으므로 코일을 내장하는 장치의 크기를 줄일 수 있다.

이러한 특징들 때문에, 본 발명의 코일은 트랜스포머와 초크 코일과 같은 용도에 사용될 수 있으며, 초크 코일에 사용할 경우에는, 막대형 철심과 환상 철심 간의 접촉 영역에 있는 갭을 적절하게 조정하여 사용한다.

실시예 1 :

4각형 내부 틀의 크기가 60×55mm이고, 외부 틀의 크기가 75×70mm이고, 높이가 10mm인 2개의 사각형 환상 철심을 사각형 철심 위에 비정질 금속 리본(니뽄 아모포스 메탈 사제; 조성: Fe, 주성분 Ni, Si 및 B)으로 감아서 적층하여 제조하였다. 또한 길이 80mm, 너비 30mm(테이프 누적 방향), 높이 10mm(테이프 폭 방향)의 막대형 철심을 상술한 비정질 금속 리본(10mm 너비)을 적층하여 제조하였으며, 이 것을 동선으로 50회 감고, 이 막대형 권철심을 상술한 2개의 사각형 환상 철심들 간에 삽입하여 도1에 나타낸 바와 같은 코일을 형성하였다.

상술한 코일을 사용하여 1kHz의 주파수에서의 자속 밀도에 대한 철손을 요꼬가와 전기사제 디지탈 파워 메터 2532에 의해 측정하였다. 측정 결과를 도3의 A에 나타낸다.

비교예 1 :

사각형 내틀의 크기가 70×20mm, 외틀의 크기가 105×52mm, 높이가 25mm인 사각형 환상 철심의 중심부를 절단하여 절단 철심을 제조한 후, 그 위에 실시예 1에서 사용한 동일한 비정질 금속 리본을 감아서 적층하였다. 이 절단된 철심을 동선으로 50회 감아서 절단 철심용 코일을 제조하였다.

절단 철심 코일을 사용하여 자속 밀도에 대한 철손을 실시예 1에서 설명한 것과 동일한 방식으로 측정하였다.

측정 결과를 도3의 B에 나타낸다.

도3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 코일은 절단 철심에 동선을 감아서 만든 종래의 절단 철심용 코일보다 철손이 작고 에너지 손실이 작았다.

실시예 2:

도2에 나타낸 바와 같이 사각형 환상 철심과 막대형 철심 간의 접촉 영역(2개)에 제공된 3mm 갭을 갖는 실시예 1의 코일용으로 사용된 1개의 사각형 환상 철심에 막대형 철심을 재치하여 초크 코일을 제조하였다. 이 코일의 주파수 1kHz에서 중첩 전류와 인덕턴스 간의 관계를 측정하였다. 결과는 도4의 a에 나타낸다.

비교예 2 :

3mm 갭을 가지며, 외경 60mm, 내경 35mm, 폭 25mm이며 실시예 1의 코일과 거의 동일한 철심 중량을 갖는 원형 환상 철심을 제조하였다. 상술한 원형 환상 철심에 동선을 47회 감아서 토로이덜 코일을 제조하고, 이 코일의 주파수 1kHz에서의 중첩 전류와 인덕턴스 간의 상관 관계를 측정하여, 직류 중첩 특성을 평가하였다. 결과는 도4의 b에 나타낸다.

도4로부터 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 코일은 종래의 토로이덜 코일보다 전류의 증가로 인한 인덕턴스의 감소가 작게 나타났다.

본 발명에서는 환상의 권철심내에 도전재를 감은 막대형 철심을 삽입하여줌으로써 코일을 간단하게 제조할 수 있으므로, 본 발명은 환상 철심에 동선을 감아서 만든 종래의 코일에 비해 아주 쉬운 코일 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명의 코일은 종래의 절단 철심을 사용하는 코일보다 철손이 작으며, 에너지를 절약하고, 전류 증가로 인한 인덕턴스의 감소가 작은 장점을 제공한다. 이 때문에 본 발명의 코일은 트랜스포머나 초크 코일과 같은 용도에 널리 사용될 수 있다.

Claims (7)

1. 비정질 금속 또는 미결정 금속으로 된 환상 철심의 면 상에 길이가 상기 환상 철심의 내경보다 긴 적어도 하나의 막대형 철심을 재치하여 고정하고, 상기 막대형 철심에는 도전재를 감아서 된 코일.
2. 비정질 금속 또는 미결정 금속으로 된 적어도 2개의 환상 철심 간에 길이가 상기 환상 철심의 내경보다 긴 적어도 하나의 막대형 철심을 삽입 고정하고, 상기 막대형 철심에는 도전재를 감아서 된 코일.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 막대형 철심은 테이프의 폭 방향이 환상 철심의 면 방향과 직각을 이루도록 감아서 적층한 자성 테이프로 구성되는 코일.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 환상 철심은 사각형 환상 철심이고, 길이가 상기 사각형 환상 철심의 긴 변의 내부 테보다 긴 막대형 철심이 이들 긴 변과 평행하게 상기 사각형 환상 철심의 2개의 긴 변의 거의 중간에 재치된 코일.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 환상 철심의 면과 상기 막대형 철심 간에는 갭이 형성되어 있는 코일.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 코일을 사용하는 트랜스포머.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 코일을 사용하는 초크 코일.