KR100579914B1 - 적층극이방복합자석의 제조방법 - Google Patents

적층극이방복합자석의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고출력 모타 및 액츄레어터에 활용되는 링형상의 이방화 본드자석을 제조함에 있어 종래기술인 사출 혹은 압출자장 성형기술의 문제점들을 해결하여 이방성 사출자석보다 높은 자기특성을 가지는 동시에 고가의 원료를 절감시켜 제조할 수 있는 적층극이방복합자석의 제조방법을 제공하는데 그 특징이 있다.
또한, 본 발명은 모터가 활용되는 성능 및 특성에 적합하게 자석표면에서의 자속밀도 파형을 조절시키는 동시에 온도특성이 향상된 자석을 제공할 수 있도록 적층극이방복합자석의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 전체적인 자석의 제조방법에 대한 효율성을 향상시켜 이를 적용하여 실시하는 제조상의 생산성 및 만족도를 극대화시키는 적층극이방복합자석의 제조방법을 제공하는데 있다.
적층, 극이방, 복합자석, 표면자속밀도, 자기특성, 영구자석, 본드자석, 사출자장, 압출자장

Description

적층극이방복합자석의 제조방법{MANUFACTURE METHOD OF LAMINATING POLAR HYBRID MAGNET}
도 1a는 종래의 제조방법에 제조된 래다얼자석의 자화방향을 보여주는 예시도,
도 1b는 종래의 제조방법에 제조된 극이방자석의 자화방향을 보여주는 예시도,
도 2a는 종래의 제조방법에 제조된 극이방복합자석의 자화방향을 보여주는 예시도,
도 2b의 도 2a의 극이방복합자석에 대한 표면자속밀도를 나타낸 곡선 그래프,
도 3a는 종래에 실시하고 있는 극이방자석을 제조하기 위한 자장사출금형을 보여주는 예시도,
도 3b는 도 3a의 자장사출금형을 통해 제조되는 극이방자석의 단면 예시도,
도 4a는 본 발명에 의해 적층극이방복합자석을 제조하기 위한 자장사출금형 을 보여주는 예시도,
도 4b는 도 4a의 자장사출금형을 통해 제조되는 적층극이방복합자석의 단면 예시도,
도 5a는 종래에 실시하고 있는 극이방자석을 제조하기 위한 자장사출금형을 보여주는 다른 예시도,
도 5b는 도 5a의 자장사출금형을 통해 제조되는 극이방자석의 단면 예시도,
도 6a는 본 발명에 의해 적층극이방복합자석을 제조하기 위한 자장사출금형 을 보여주는 다른 예시도,
도 6b는 도 6a의 자장사출금형을 통해 제조되는 적층극이방복합자석의 단면 예시도,
도 7a는 본 발명에 의하여 제조된 적층극이방복합자석의 자화방향을 보여주는 예시도,
도 7b의 도 7a의 적층극이방복합자석에 대한 표면자속밀도를 나타낸 곡선 그래프,
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 의하여 실시가 가능한 적층극이방복합자석의 예시도,
도 9 내지 도 13은 본 발명에 따른 각각의 실시예를 통해 표면자속밀도를 측정하여 그 결과를 나타내어 주는 곡선 그래프,
도 14는 본 발명에 따른 실시예를 통해 보자력의 변화를 측정하여 그 결과를 나타내어 주는 곡선 그래프,
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
3-1 : 영구자석 3-2 : 비자성의 스페이서
3-3 : 연자성강판 3-4 : 사프트
3-5 : 금형코아 7-1 : Nd-Fe-B계 극이방자석
7-2 : 페라이트 극이방자석
본 발명은 이방성 사출자석보다 높은 자기특성을 가지는 동시에 고가의 원료를 절감하도록 제조할 수 있는 적층극이방복합자석의 제조방법에 관한 것으로,
좀 더 상세하게는 상대적으로 저가이면서 저자기특성을 갖는 영구자석분말 및 상대적으로 고가이면서 고자기특성을 갖는 영구자석분말을 이용하여 각각의 분말과 열가소성 수지를 주재료로 하는 혼련물(혹은 컴파운드)을 가지고, 1차로는 저자기특성 혼련물을 이용하여 자장사출성형 한 후에 1차 금형외경보다 큰 극이방성 자장금형에 삽입하여 고자기특성 혼련물을 2차로 자장사출 성형하되 사출 혹은 압축자장성형기술을 이용한 링형상의 이방화본드자석을 제조하는 경우에 있어 자기회로 설계기술을 이용하여 자석을 영구자석 재료의 적층 및 복합구조를 갖도록 제조함으로써, 고특성의 이방성 사출자석을 경제적으로 자기특성을 향상시키도록 하고, 모터가 활용되는 성능 및 특성에 적합하도록 자석표면에서의 자속밀도 파형을 조절시키는 동시에 온도특성이 향상된 자석을 제공하도록 하며, 이로 인해 전체적인 방법에 대한 효율성을 향상시켜 이를 적용하여 실시하는 제조상의 생산성 및 만족도를 극대화하도록 하는 적층극이방복합자석의 제조방법에 관한 것이다.
최근 영구자석이 가장 많이 활용되고 있는 모타, 액츄레이터, 의료기기 등 제품에 대한 설계기술 발달과 여기에 사용되는 부품 및 소재의 소형화 및 고기능화 추이에 따라 고자기특성을 갖는 영구자석의 제조에 대한 필요성이 증가하고 있는 실정이다.
이러한, 고특성 영구자석의 주된 응용분야로는 VCR, Laser printer, Hard Disk Drive(HDD), Robot, Electric power steering, Automobile fuel pump, 세탁기, 냉장고, 에어콘 등과 같이 고출력 모타가 활용되는 제품으로서, 영구자석의 고특성화를 구현하여 모타 설계기술의 다변화 및 적용분야의 확대와, 성능향상에 따른 소형화와, 이에 따른 제조비용의 절감과, 모터의 고효율화에 따른 에너지 소비 감소 등의 효과를 기대할 수 있어, 이에 영구자석의 주된 연구방향도 고에너지적을 갖는 영구자석재료를 개발하거나, 동일한 영구자석재료를 사용하더라도 자기회로 설계를 최적화하여 표면자속밀도를 최대화시키는 방향으로 진행되고 있다.
그러나, 전자의 경우에는 영구자석재료의 성능향상에 따른 재료비의 증가를 감수해야 하는 반면, 후자의 경우에는 자기회로 설계기술만으로 자기특성의 향상이 가능하여 보다 경제적인 방법이 될 수가 있다.
일반적으로, 링형상의 이방화 본드자석을 제조하는 종래의 기술에는 사출자장 성형기술과 압축자장 성형기술에 의해 실행되고 있다.
즉, 상기 사출자장 성형기술은 페라이트분말, 알리코분말, Sm-Co계 분말, HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 분말, Sm-Fe-N계 분말 등의 본드자석용 영구자석분말을 이용하여 열가소성수지(예를 들어, 나일론)와 대기 혹은 불활성가스분위기 및 150 ∼ 300℃의 조건에서 혼련하여 컴파운드를 제조하고, 상기에서 제조된 컴파운드에 유 동성을 부여하기 위하여 다시 150 ∼ 300℃의 조건으로 가열한 후에 일정 형상의 금형에 자장을 인가하면서 사출성형을 수행하여 제조하게 된다.
그리고, 상기 압축자장 성형기술은 페라이트분말, 알리코분말, Sm-Co계 분말, HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 분말, Sm-Fe-N계 분말 등의 본드자석용 영구자석분말을 이용하여 에폭시 등과 같은 열경화성 수지와 대기 혹은 불활성가스 분위기 및 상온∼100℃의 조건에서 혼련하여 컴파운드를 제조하고, 상기에서 제조된 컴파운드를 일정 형상의 금형에 충진한 다음 자장을 인가하여 컴파운드를 자장방향으로 배향한 후에 자장압축성형을 수행하여 제조하게 된다.
상기와 같은, 링형상의 이방화본드자석 제조방법에 있어 자장성형시 금형의 내부에 영구자석 혹은 전자석을 이용하여 금형 내부에 자장을 형성한 후에, 컴파운드를 충진하면 자장방향에 의하여 분말이 배향하게 되는데, 이때 첨부도면 도 1a에 도시된 바와 같이 자석의 자장배향방향이 원의 중심으로부터 외측을 향하여 방사방향(화살표 방향)으로 형성되도록 제조한 것을 래디얼자석(10)이고, 상기 래디얼자석(10)의 원주를 따라 표면자속밀도를 측정하면 톱니파 형상의 표면자속밀도를 형성하게 된다.
그러나, 상기의 래디얼자석(10)은 자기특성이 우수하고, 일체형 링자석을 형성하게 되어 'C' 형상의 부분자석을 조립하여 하나의 링자석을 만드는 것과 비교할 때 경제적인 잇점이 있는 반면, 톱니파 형상으로 형성된 표면자속밀도로 인하여 모타의 자석과 전기자의 규소강판간의 자기적인 인력이 증가하여 코깅현상을 일으키는 주된 원인의 문제를 갖고 있다.
또한, 첨부도면 도 1b에 도시된 바와 같이, 자장의 배향 방향이 원의 외측에만 분포하도록 형성된 것이 극이방자석(20)이며, 일반적으로 동일한 영구자석재료를 이용하여 동일한 극수와 동일한 크기를 갖는 래디얼자석으로 제조된 것과 비교하면 표면자속밀도가 30~40% 높고 모터에 적용하기 용이한 정현파의 파형을 갖는 잇점이 있는 반면, 자석 내부까지 자로를 형성하기 위한 여분의 재료를 필요로 하여 재료비의 손실을 감수하여야 하는 경제적인 문제점이 있다.
상기의 링형상의 이방화 본드자석 제조방법에 있어 자석의 자기특성(표면자속밀도)를 향상시키기 위해서는 컴파운드 중의 자성분말의 부피 분율을 증가시키거나, 그 이상의 특성향상이 요구되는 경우에는 Sm-Co계 분말, HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 분말, Sm-Fe-N계 분말 등과 같은 희토류분말을 사용하여 링자석을 제조하고 있으나, 희토류분말의 가격은 저자기특성을 갖는 페라이트분말과 비교해 볼 때 약 10배정도 이상의 재료비가 요구되는 경제적인 문제점이 있어 고특성이 요구되는 모타에만 제한적으로 사용되고 있다.
또한, 재료비를 감소시키면서 적절한 자기특성을 갖는 링자석을 제조하기 위해서는 컴파운드 공정에서 페라이트와 희토류분말을 첨부도면 도 2a에 도시된 바와 같이 일정비율을 혼합해 극이방복합자석(30)으로 제조하게 되는데, 이와 같은 공정에 의하여 얻어진 50:50vol%의 페라이트와 희토류분말의 혼합비로 구성된 극이방복합자석(30)의 표면자속밀도는 희토류분말의 부피분율에 비례하는 값만을 갖게되어 비경제적인 자석으로 제조될 수밖에 없다(첨부도면 도 2b의 그래프 참조).
상기의 링형상의 이방화 본드자석 제조방법에 있어 고특성의 링자석을 제조 하기 위하여 HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 분말, Sm-Fe-N계 분말 등과 같이 고자기특성을 갖는 희토류분말을 사용하여야 되는데, 이들 희토류분말을 이용하여 제조된 이방화본드자석의 경우 온도가 증가함에 따라 보자력 변화는 -0.4∼-0.45%/℃ 및 -0.4∼-0.42%/℃의 비율로 급격히 감소하여 비교적 저가인 페라이트분말(보자력 변화율 :0.35∼0.55%/℃) 보다도 자석의 성능에 대한 열적 신뢰성이 감소하여 비교적 높은 온도에 활용되는 모타에는 적용되기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 종래에 실시하고 있는 링형상의 이방화 본드자석 제조방법들은 어느 정도 효율성에 한계가 있어 이를 적용하여 실시하는 방법 및 제조상의 만족도가 극소화되는 문제들이 항상 내포되어 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 갖는 제반 문제점들을 해결하고자 창출된 것으로 다음과 같은 목적을 갖는다.
본 발명은 고출력 모타 및 액츄레어터에 활용되는 링형상의 이방화 본드자석을 제조함에 있어 종래기술인 사출 혹은 압출자장 성형기술의 문제점들을 해결하여 이방성 사출자석보다 높은 자기특성을 가지는 동시에 고가의 원료를 절감시켜 제조할 수 있는 적층극이방복합자석의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 모터가 활용되는 성능 및 특성에 적합하게 자석표면에서의 자속밀도 파형을 조절시키는 동시에 온도특성이 향상된 자석을 제공할 수 있도록 적층극이방복합자석의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전체적인 자석의 제조방법에 대한 효율성을 향상 시켜 이를 적용하여 실시하는 제조상의 생산성 및 만족도를 극대화시키는 적층극이방복합자석의 제조방법을 제공하는데 있다.
이를 위한, 본 발명은 상대적으로 저가이면서 저자기특성을 갖는 영구자석분말 및 상대적으로 고가이면서 고자기특성을 갖는 영구자석분말을 이용하여 각각의 분말과 열가소성 수지를 주재료로 하는 혼련물(혹은 컴파운드)을 가지고, 1차로는 저자기특성 혼련물을 이용하여 자장사출성형 한 후에 1차 금형외경보다 큰 극이방성 자장금형에 삽입하여 고자기특성 혼련물을 2차로 자장사출 성형하되 사출 혹은 압축자장 성형기술을 이용한 링형상의 이방화본드자석을 제조하는 경우에 있어 자기회로 설계기술을 이용하여 자석을 영구자석 재료의 적층 및 복합구조를 갖도록 제조하는 것이다.
이하, 상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 실시예를 구체적으로 살펴보기로 한다.
먼저, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성(방법)에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
이는, 각 첨부도면에서 이 분야의 종사자들이 통상적으로 알 수 있는 부분들의 도시는 생략하고, 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였으며, 특히 요소들 사이의 크기 비가 다소 상이하게 표현된 부분도 있으나, 이와 같은 도면의 표현 차이는 이 분야의 종사자들이 용이하게 이해할 수 있는 부분들이므로 별도의 설 명을 생략한다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자 및 제조자의 의도 또는 관례에 따라 달라 질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
즉, 본 발명은 상대적으로 저자기특성을 갖는 영구자석분말 및 상대적으로 고자기특성을 갖는 영구자석분말을 이용하여 각각의 분말을 열가소성수지와 혼합 및 혼련하여 각각의 펠릿(pellet)을 제조하고, 1차로 저자기특성 펠릿(pellet)을 이용하여 다수 극수 및 형상의 극이방성 및 이방성 금형 속에서 사출성형하며, 1차로 사출된 극이방성 및 이방성 수지자석을 1차 사출금형 외경보다 큰 극이방 금형에 삽입하여 고자기특성을 갖는 펠릿(pellet)으로 자장사출 성형하여 다수의 극수 및 적층수를 갖는 극이방복합자석을 이루어진다.
또한, 상기에서와 같이 상대적으로 저자기특성을 갖는 극이방 및 이방성 수지자석이 내측에 구성되고, 상기 저자기특성의 수지자석보다 상대적으로 고자기특성을 갖는 극이방수지자석이 저자기특성 수지자석의 외측에 구성되되, 적층극이방복합자석에서는 내측 및 외측에 서로 다른 온도특성을 갖는 영구자석분말을 사용하여 이루어지는 것이다.
상기의 저자기특성 극이방 및 이방성 수지자석을 제조하는데 사용되는 영구자석 분말은 페라이트(Ferrite)계(Ba계, Sr계, Pb계) 분말 및 이의 혼합계 분말, 알리코분말, Fe-Cr-Co분말, SmCo계 분말, Sm-Fe-N계 분말, Nd-Fe-B계 분말 중에서 상대적으로 저가기특성을 갖는 어느 하나의 분말을 선택하여 사용하여 이루어지는 것이다.
이때, 상기 저자기특성을 갖는 분말중에서 Nd-Fe-B계 분말을 선택할 경우 하기의 고자기특성을 갖는 분말중에서 가장 고자기를 갖는 Nd-Fe-B계 분말과 동일하게 되어 저자기특성 분말에 상대적으로 대응되는 고자기특성의 분말을 선택할 수 없게 된다.
상기와 같이 저자기특성을 갖는 분말이 고자기특성을 갖는 분말에 대한 상대적 선택이 아닐경우 즉, 상기에서 설명한 바와같은 저자기특성을 갖는 분말로 고자기특성을 갖는 분말중에서 가장 고자기를 갖는 하기의 Nd-Fe-B계 분말을 선택할 경우 이에 대응되는 고자기분말을 찾을 수 없게 되는 문제가 있어 저자기특성을 갖는 분말을 먼저 선택할 경우 고자기특성을 갖는 분말에 대하여 상대적으로 선택을 하는 것이 바람직 하다.
즉, 상기 저자기특성을 갖는 영구자석 분말은, 상대적으로 선택된 고자기특성을 갖는 영구자석분말을 제외한 나머지 중에서 상기 고자기특성 분말보다 상대적으로 저자기특성을 갖는 페라이트(Ferrite)계(Ba계, Sr계, Pb계) 분말 및 이의 혼합계 분말, 알리코분말, Fe-Cr-Co분말, SmCo계 분말, Sm-Fe-N계 분말, Nd-Fe-B계 분말 중에서 어느 하나가 선택되어 사용된다.
그리고, 바람직한 저자기특성을 갖는 영구자석분말로는, 페라이트(Ferrite)계(Ba계, Sr계, Pb계) 분말 및 이의 혼합계 분말, 알리코분말, Fe-Cr-Co분말, SmCo계 분말, Sm-Fe-N계 분말중에서 어느 하나가 선택되어 사용된다.
또한, 상기와 같은 저자기특성을 갖는 영구자석 분말은 상기에서 제시된 분말들을 사용하여 적층극이방복합자석을 제조할 경우 상대적으로 고자기특성을 갖는 영구자석분말을 제외한 나머지 중에서 상기 고자기특성보다 상대적으로 저자기특성을 갖도록 2∼4개의 성분을 혼합한 분말을 사용하여 이루어지는 것이다.
예를들면, 100의 Nd 영구자석분말과 20의 페라이트분말을 동일비율로 혼합할 경우 약 50정도의 자기특성을 갖는 자석분말을 얻을수 있는 것이다.
그리고, 상기에서 제시된 분말은 알리코분말 < Fe-Cr-Co분말 < 페라이트(Ferrite)계(Ba계, Sr계, Pb계) 분말 < SmCo계 분말 < Sm-Fe-N계 분말 < Nd-Fe-B계 분말의 순서로 자기특성을 갖게 되는데 여기서 저자기특성의 영구자석으로 SmCo계 분말을 사용할 경우 상기 SmCo계 분말보다 상대적으로 고자기 특성을 갖는 Sm-Fe-N계 분말이나 Nd-Fe-B계 분말을 고자기 분말로 사용하며, 상기에서 SmCo계 분말은 저자기및 고자기 분말에 모두 사용할 수 있게 된다.
더하여, 상기의 고자기특성을 갖는 영구자석 분말은 상기에서 저자기특성의 분말로 사용한 영구자석을 제외한 나머지 중 저자기특성의 분말보다 상대적으로 고자기 특성을 갖는 SmCo계 분말, Sm-Fe-N계 분말, Nd-Fe-B계 분말, 알리코분말, Fe-Cr-Co분말 중에서 어느 하나의 분말을 선택하여 사용하여 이루어지는 것이다.
즉, 고자기특성을 갖는 영구자석분말은 저자기특성을 갖는 영구자석 분말중 가장 저자기인 페라이트계분말이 제외된 것으로서 고자기특성 분말에 대응되는 상대적 선택시 저자기특성 분말의 선택이 용이하게 된다.
또한, 상기의 고자기특성을 갖는 영구자석 분말은 저자기특성으로 사용되는 영구자석분말을 제외한 나머지 분말중에서 저자기특성의 분말보다 상대적으로 고자기 특성을 갖는 분말들 중에서 2∼4개의 성분을 혼합한 분말을 사용하여 이루어지는 것이다.
또한, 상기의 고자기특성을 갖는 영구자석 분말은 상기 분말들 중에서 어느 하나를 선택한 분말 또는 2~4개의 성분을 혼합한 분말과 페라이트(Ferrite)계의 분말을 각각 혼합시킨 분말을 사용하여 이루어지는 것이다.
이때, 상기 2~4개의 성분을 혼합한 분말과 페라이트(Ferrite)계의 분말을 각각 혼합시킨 분말의 조성비는 구체적으로 한정할 필요가 없으며, 상기의 조성비는 저자기특성에 사용되는 분말에 대응되어 상대적으로 고자기 특성을 갖는 조성비 이면 가능하고, 상기의 조성비는 일반적으로 알려져 있다.
상기의 적층극이방복합자석은 극수를 2∼100극으로 이루고, 외경크기를 5∼500mmΦ로 이루며, 높이를 5∼500mm로 이루어지도록 하는 것이다.
또한, 상기의 적층극이방복합자석은 적층수를 2∼4층으로 이루고, 적층간의 두께차이를 1:0.1∼10의 범위로 구성하도록 이루어지는 것이다.
한편, 본 발명을 실시하고 있는 제조방법에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.
하지만, 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이에 대한, 본 발명에서는 페라이트(예를 들어: Ba, Sr 및 Pb계 페라이트)분 말 및 이의 혼합계 분말, 알리코분말 등과 같은 저자기특성의 영구자석분말과, Sm-Co계 분말, HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 분말 혹은 Sm-Fe-N계 분말과 같은 고자기특성의 영구자석분말에 아민계 카플링제(예를 들어: 일본 Unikar제 A-1120)를 핵산에 희석시켜 슈퍼믹서로 균일하게 혼합 및 건조시켜 분말표면처리를 수행하고, 카플링 처리된 분말에 열가소성수지(예를 들어, Nylon12; Degussa제 ZZ3000P)와 유동성을 향상시키기 위해 지방산 아미드(일본 화성제)를 혼합기에 넣고 균일하게 혼합시킨 다음 대기 혹은 불활성가스 분위기의 150∼300℃의 온도조건에서 2축 혼련 압출기로 혼련하여 펠릿(Pellet)을 제조하며, 상기에서 제조된 페라이트 또는 알리코 등의 펠릿(Pellet)를 사출기에 투입하여 금형온도 70∼110℃, 사출온도 210∼300℃ 및 사출압력 800∼1500kg/cm2의 조건 하에서 외경46mmΦ×내경30mmΦ크기의 8극 극이방금형(첨부도면 도 3a 참조)에서 자장을 인가하면서 1차 사출성형을 수행하여 페라이트 극이방자석을 제조하였다(첨부도면 도 3b 참조).
이때, 상기에서 제조된 페라이트 극이방자석을 다시 외경50mmΦ×내경30mmΦ 크기의 극이방금형(첨부도면 도 4a 참조)에 장입한 후에 Sm-Co계, HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 또는 Sm-Fe-N계 컴파운드를 이용하여 상기에서 설명한 조건 하에서의 동일한 방법으로 자장을 인가하면서 2차 사출성형을 수행하여 적층극이방복합자석 (Laminating polar hybrid magnet)을 제조하였다(첨부도면 도 4b 참조).
상기와 같이, 제조되는 적층극이방복합자석의 제조공정 중에서 각각의 컴파운드를 극이방 자장사출하는 공정은 분말을 자장방향으로 배향하여 이방화시킴으로 써 표면자속밀도를 증가시키는데 가장 중요한 공정으로, 본 발명에서는 도 3a에 도시된 바와 같이 분말의 배향율을 극대화하기 위하여 배향에 필요한 자장을 형성하는 영구자석(3-1)은 일본의 스미토모특수금속에서 제작한 39SH grade(잔류자속밀도 =12.8kG, 보자력=21kOe, 최대자기에너지적=39MGOe)의 Nd계 희토류소결자석을 사용하고, 비자성의 스페이서(3-2)는 스테라이트강을 사용하며, 영구자석과 사출물간의 에어 갭(Air gap)을 1mmt까지 감소시키고, 영구자석 외측에 연자성강판(3-3)을 자력선의 흐름에 적합하도록 설계함으로써 내부 정렬자장을 6000G까지 증가시켰으며, 사출물의 유동성을 향상시키기 위하여 사출온도 및 gate, runner 등의 칫수와 형상을 설계하였다.
또한, 사출물 안쪽은 사프트(3-4)를 인서트하여 일체형 로터(Rotor)가 제조되어 별도의 코아조립 내지는 본딩작업이 없도록 하였고, 자석 내측에 'H'홈의 깊이 내지는 내경을 조절하여 최소한의 재료비로 적층극이방복합자석이 제조되도록 자석을 설계하였다.
한편, 상기 로터(Rotor)의 보다 높은 관성력을 위해서는 적정한 로터(Rotor)의 무게가 요구되는데, 첨부도면 도 5a 및 도 6a에 도시된 바와 같이 금형코아(3-5)가 있는 구조로 금형을 설계하여 자장사출하면, 첨부도면 도 5b 및 도 6b에 도시된 바와 같이 로터(Rotor)에 코아를 삽입시킬 수 있도록 중공의 링(Ring)형 적층극이방복합자석의 제조가 가능하게 된다.
상기와 같은 방법으로 1차 사출을 수행하여 제조된 외경46mmΦ×내경30mmΦ 크기의 페라이트 극이방자석(7-2)의 표면자속밀도의 최대치는 1700G가 측정되었고, 2차로 외경50mmΦ×내경46mmΦ 크기 HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 극이방자석(7-1)을 적층사출하여, 첨부도면 도 7a에 도시된 바와 같이 외경50mmΦ×내경30mmΦ 크기의 적층극이방복합자석을 제조한 후에 표면자속밀도의 변화를 측정하여 최대치가 3100G까지 향상된 자기특성이 얻어진 것으로, 이는 첨부도면 도 7b에 나타낸 그래프에서 표면자속밀도의 변화를 측정하여 나타낸 결과를 통해 확인할 수가 있다.
본 발명에 의하여 외경50mmΦ×내경30mmΦ 크기로 제조된 적층극이방복합자석과 HDDR 처리된 Nd-Fe-B을 이용하여 외경50mmΦ×내경46mmΦ 크기로 제조된 극이방자석의 표면자속밀도를 비교해 보면, 각각 3100G(첨부도면 도 7b 참조) 및 2180G(하기의 실시예 4 참조)으로 적층극이방복합자석의 자기특성이 40% 이상의 자기특성이 향상되었다.
상기에서 각각의 극이방자석에는 동일한 무게의 HDDR 처리된 Nd-Fe-B 분말이 소요되었고, 적층극이방복합자석의 경우 내부에 사용되는 페라이트 분말에 대한 별도의 재료비가 추가되지만 그 가격이 Nd-Fe-B 분말대비 약 1/10 정도이어서 자석제조에 사용되는 전체 재료비는 거의 비슷하게 발생하였다.
또한, HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 분말을 이용하여 외경50mmΦ×내경30mmΦ 크기로 제조된 극이방자석의 표면자속밀도는 4300G(하기의 실시예 3 참조)로서 상기의 적층극이방복합자석보다 자기특성이 35% 향상되지만 4배 정도의 재료비가 소요되어 경제적인 측면에서 바람직하지 못한 것이어서, 결국 한가지 영구자석 분말을 이용하여 제조된 극이방자석 보다는 두가지 이상의 영구자석 분말을 적층형으로 구성하여 제조된 적층극이방복합자석이 가장 경제적인 동시에 자기특성을 향상시킬 수가 있는 것이다.
이와 같이, 상기의 적층형복합자석 제조에 사용된 페라이트와 HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 수지자석의 잔류자속밀도는 각각 2.71과 7.89kG로 자기특성이 나타나고, 최대자기에너지적은 각각 1.85과 12.97MGOe로 자기특성이 나타나고 있으며, 종래의 기술에 의하여 각각의 분말을 50vol%씩 혼합한 후 컴파운드로 만들고 자장사출하여 제조한 복합자석과 본 발명에 의하여 각각의 분말을 별도로 컴파운드로 만들고 각각 자석의 부피분율이 50vol%가 되도록 1차 및 2차 자장사출을 수행하여 제조한 적층형 복합자석의 경우에 있어 잔류자속밀도와 최대자기에너지적은 4.75kG 및 5.02MGOe로 거의 유사한 값을 나타내었다.
그러나, 자석이 모터에 적용되어 모터를 구동시키는 힘은 플레밍의 왼손법칙의 원리에 의하여 전기자의 길이, 전기자에 흐르는 전류 및 자석의 표면자속밀도에 곱에 비례하여 증가하는 것으로서, 특성이 다른 두 분말을 혼합 및 혼련하여 제조한 종래의 복합자석 보다는 각각의 자석으로 제조하여, 표면에는 고특성자석이 위치하고, 내부에는 저특성자석이 위치하도록 제조한 적층형복합자석의 경우에 표면자속밀도가 약 20% 향상된 특성이 얻어졌다.
이와 같이, 에너지가 요구되는 표면에 고특성자석이 위치하게 하고 내부에 저특성의 자석이 위치하게 하는 적층복합자석은 전체 자석의 에너지를 극대화시킬 수 있는 방법으로, 두 가지 분말을 동일한 조성으로 하여 자석을 제조할 경우 가장 이상적인 복합자석 제조방법이 되는 것이다.
상기와 같은 방법으로 외측에는 고특성의 영구자석재료 및 내측에는 저특성 의 영구자석재료로 제조된 적층형복합극이방 자석을 종래에 사용되던 래디얼자석과 비교해 보면, 동일한 재료를 이용하여 동일한 크기 및 극수로 자석을 제조할 경우 보다 높은 표면자속밀도를 나타내고 있으며, 래디얼자석은 톱니파의 표면자속밀도 파형을 형성하므로 모타에 조립되어 동작할 때 전기자의 규소강판과 자기적인 인력이 증가하여 코깅현상을 유발하는 문제점이 있는 반면, 본 발명에 의해 제조되는 적층형 복합극이방 자석은 외측과 내측에 형성되는 영구자석 분말의 종류를 변경시키거나 외측에 형성되는 고특성영구자석 재료의 두께를 조절함으로써 다양한 형태의 표면자속밀도 파형의 형성이 가능하게 되고, 이에 모터설계의 용이함과 모터효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 더높은 자기특성 내지는 보다 경제적인 제조를 위해서는 내외측의 자석의 형상을 변화시킴으로써 자기회로를 첨부도면 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 다양한 방법으로 목표에 부합하도록 최적화시킬 수가 있는 것이다.
일반적으로 고자기특성을 나타내는 HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 분말, Sm-Fe-N계 분말 등과 같은 희토류자석분말은 상온에서 자기특성이 우수하나 고온에서는 자기특성이 급격히 감소하는 단점이 있다.
예를 들면, HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 분말을 이용하여 제조된 자석의 경우 자석의 성능에 대한 신뢰성을 결정하는 보자력이 온도가 1℃ 증가함에 따라 약-0.45%로 감소하게 되는 것으로, 이는 온도가 증가함에 따라 자력이 점차 감소하게 된다.
반면에, 페라이트분말을 이용한 자석은 온도가 증가함에 따라 오히려 보자력이 0.35∼0.55%/℃ 증가하여 열적인 안정성을 갖게 된다.
따라서, 적층형복합자석은 희토류자석의 온도증가에 따른 보자력 감소를 페라이트자석이 보상하게 되어 보다 열특성이 향상된 자석이 얻어지는 것이다.
하기에서는, 본 발명에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보기 위해서 실시예들을 통해 설명하기로 한다.
[실시예 1]
Sr-Ferrite분말(Nippon Bengara제 OP-71), HDDR 처리된 Nd-Fe-B계 분말(Aichi MFC-15) 및 Sm-Fe-N계 분말(SMM제)을 아민계 카플링제 A-1120(일본 Unikar제)을 핵산등에 희석시켜 슈퍼믹서로 균일하게 혼합 및 건조시켜 분말표면처리를 수행하고, 상기에서 표면처리된 분말에 열가소성수지인 Nylon12(Degussa제 ZZ3000P)와 유동성을 향상시키기 위해 지방산아미드(일본 화성제)를 하기 표 1의 혼합비로 균일하게 대기 혹은 불활성가스 분위기의 210∼260℃ 조건에서 2축 혼련 압출기로 혼련하여 펠릿(Pellet)을 제조하며, 이때 상기에서 제조된 펠릿(Pellet)을 자장사출기에 투입하여 금형온도 80℃, 사출온도 220∼270℃ 및 사출압력 900∼ 1500kg/cm2의 사출조건으로 외경30mmΦ×높이5mmt 크기의 자장금형에 높이방향으로 자장사출을 수행하여 이방성수지자석을 제조하였다.
이에 대해, 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이 제조된 이방성수지자석은 30 kOe의 자장에 착자한 후에 BH tracer를 이용하여 20kOe의 자장을 인가하면서 M-H 곡선을 측정한 결과이다.
＜표 1＞
각 분말 및 이들의 혼합분말로 구성된 자장사출자석의 자기특성
No. 사용된 영구자석분말 보자력변화율 (%/℃) 잔류자속밀도 (kG) 보자력 (kOe) 최대자기에너지적 (MGOe)
1 OP-71(89wt%) + Nylon12(11wt%)* 0.45 2.71 3.34 1.85
2 MFC-15(93wt%)+ Nylon12(7wt%)* -0.45 7.89 11.94 12.97
3 Sm-Fe-N(92wt%)+ Nylon12(8wt%)* -0.4 7.20 7.17 11.68
4 컴파운드1(50vol%) +컴파운드2(50vol%) -0.06 4.75 8.40 5.02
5 컴파운드1(50vol%) +컴파운드3(50vol%) -0.04 4.68 5.24 5.12
6 컴파운드2(50vol%) +컴파운드3(50vol%) -0.42 7.45 8.90 12.06
* : Nylon+Additives
[실시예 2]
종래의 기술에 의하여 Sr-Ferrite분말(Nippon Bengara제 OP-71)와 분말대비 0.5wt%의 아민계 커플링제 A-1120(일본 Unikar제)을 핵산에 희석시켜 슈퍼믹서로 균일하게 혼련시켜 분말표면처리를 수행하고, 커플링처리된 분말과 열가소성수지 Nylon12(Degussa제 ZZ3000P) 및 지방산아미드(일본 화성제)의 무게비가 각각 89.5, 10.3 및 0.2wt%로 칭량(稱量)하여 이들을 혼합기에 균일하게 혼합하였다.
이후, 2축 혼련압출기를 이용하여 240℃의 온도조건에서 혼련 및 펠릿 (Pellet)을 제조하고, 상기에서 제조된 펠릿(Pellet)을 사출기에 투입하여 금형온도 80℃, 사출온도 260℃ 및 사출압력 1000kg/cm2의 자장사출 조건으로 외경50mmΦ×내경30mm×Φ높이33mmt 크기의 8극 극이방금형에서 자장사출을 수행하여 극이방자석을 제조하였다.
상기의 제조공정 중에 각각의 컴파운드를 극이방 자장사출하는 공정은 분말을 자장방향으로 배향하여 이방화시켜 표면자속밀도를 증가시키는데 가장 중요한 공정으로, 본 발명에서는 첨부도면 도 3a에 도시된 바와 같이 분말의 배향율을 극대화하기 위하여 배향에 필요한 자장을 형성하는 영구자석(3-1)은 일본의 스미토모특수금속에서 제작한 39SH grade(잔류자속밀도=12.8 kG, 보자력=21kOe, 최대자기에너지적=39 MGOe)의 Nd계 희토류소결자석을 사용하고, 비자성의 스페이서(3-2)는 스테라이트강을 사용하며, 영구자석과 사출물간의 에어 갭(Air gap)을 1mmt까지 감소시키고, 영구자석 외측에 연자성강판(3-3)을 자력선의 흐름에 적합하도록 설계하여 내부 정렬자장을 6000G까지 증가시켰으며, 사출물의 유동성을 향상시키기 위하여 사출온도 및 gate, runner 등의 칫수와 형상을 설계하였다.
이에 대해, 하기의 표 2에 나타낸 바와 같이 제조된 극이방자석은 20kOe의 자장에 착자한 후에 가우스메타를 이용하여 자석의 외경방향으로 회전하면서 표면자속밀도를 측정한 결과이다.
＜표 2＞
자석 크기 극수 분말 소요량 표면자속밀도 최대치
외경50mmΦ×내경30mmΦ ×높이33mmt 8 페라이트(183g) 1800G
상기의 실시예 2에 대한 표면자속밀도의 곡선은 첨부도면 도 9에 도시된 바와 같이 나타남을 확인할 수가 있다.
[실시예 3]
종래의 기술에 의하여 HDDR처리된 Nd-Fe-B계 분말(Aichi, MFC-15)를 상기의 실시예 2와 동일한 방법으로 카플링 처리된 분말 93.3wt%에 대하여 Nylon12 (Degussa제 ZZ3000P) 6.4wt% 및 지방산 아미드(일본 화성제) 0.3wt%를 균일하게 혼 합하고, 230℃의 온도 조건 하에서 2축 혼련 압출기로 혼련시켜 펠릿(Pellet)을 제조하며, 상기에서 제조된 펠릿(Pellet)을 사출기에 투입하여 금형온도 80℃, 사출온도 250℃ 및 사출압력 900kg/cm2의 자장사출 조건으로 외경50mmΦ×내경30mmΦ×높이33mmt 크기의 8극 극이방금형에서 자장사출을 수행하여 극이방자석을 제조하였다.
이때, 자장사출에 사용된 금형구조는 실시예 2와 같다(첨부도면 도 4a 참조).
이에 대해, 하기의 표 3에 나타낸 바와 같이 제조된 극이방자석은 20kOe의 자장에 착자한 후에 가우스메타를 이용하여 자석의 외경방향으로 회전하면서 표면자속밀도를 측정한 결과이다.
＜표 3＞
자석 크기 극수 분말 소요량 표면자속밀도 최대치
외경50mmΦ×내경30mmΦ ×높이33mmt 8 Nd-Fe-B분말(250g) 4300G
상기의 실시예 3에 대한 표면자속밀도의 곡선은 첨부도면 도 10에 도시된 바와 같이 나타남을 확인할 수가 있다.
[실시예 4]
상기의 실시예 3과 동일한 펠릿(Pellet) 제조 및 자장사출 조건으로 외경50mmΦ×내경46mmΦ×높이33mmt 크기의 8극 극이방금형에서 자장사출을 수행하여 극이방자석을 제조하였다.
이때, 자장사출에 사용된 금형구조는 실시예 2와 같다(첨부도면 도 4a 참조).
이에 대해, 하기의 표 4에 나타낸 바와 같이 제조된 극이방자석은 20kOe의 자장에 착자한 후에 가우스메타를 이용하여 자석의 외경방향으로 회전하면서 표면자속밀도를 측정한 결과이다.
＜표 4＞
자석 크기 극수 분말 소요량 표면자속밀도 최대치
외경50mmΦ×내경46mmΦ ×높이30mmt 8 Nd-Fe-B분말(47g) 2180G
상기의 실시예 4에 대한 표면자속밀도의 곡선은 첨부도면 도 11에 도시된 바와 같이 나타남을 확인할 수가 있다.
[실시예 5]
상기의 실시예 2와 실시예 3에 사용된 각각의 펠릿(Pellet)을 부피비 50:50vol%으로 칭량(稱量)한 후에 균일하게 혼합한 다음 이를 사출성형기에 투입하여 금형온도 80℃, 사출온도 245℃ 및 사출압력 960kg/cm2의 자장사출 조건으로 외경50mmΦ×내경30mmΦ×높이33mmt 크기의 8극 극이방금형에서 자장사출을 수행하여 극이방복합자석을 제조하였다.
이때, 자장사출에 사용된 금형구조는 실시예 2와 같다(첨부도면 도 4a 참조).
이에 대해, 하기의 표 5에 나타낸 바와 같이 제조된 극이방복합자석은 20kOe의 자장에 착자한 후에 가우스메타를 이용하여 자석의 외경방향으로 회전하면서 표면자속밀도를 측정한 결과이다.
＜표 5＞
자석 크기 극수 분말 소요량 표면자속밀도 최대치
외경50mmΦ×내경30mmΦ ×높이33mmt 8 Nd-Fe-B분말(125g) +페라이트(92g) 3050G
상기의 실시예 5에 대한 표면자속밀도의 곡선은 첨부도면 도 12에 도시된 바와 같이 나타남을 확인할 수가 있다.
[실시예 6]
상기의 실시예 2와 동일한 펠릿(Pellet) 및 자장사출 조건으로 외경 46Φ×내경 30Φ×높이 33mmt 크기의 8극 극이방금형에서 자장을 인가하면서 1차 자장사출을 수행하여 페라이트 극이방자석을 제조한 후에 이 페라이트 극이방자석을 다시 외경 50mmΦ×내경 30mmΦ×높이 33mmt 크기의 극이방금형에 장입하여 상기의 실시예 3과 동일한 펠릿(Pellet) 및 사출 조건으로 2차 자장사출을 수행하여 적층극이방복합자석을 제조하였다.
이에 대해, 하기의 표 6에 나타낸 바와 같이 제조된 적층극이방복합자석은 20kOe의 자장에 착자한 후에 가우스메타를 이용하여 자석의 외경방향으로 회전하면서 표면자속밀도를 측정한 결과이다.
＜표 6＞
자석 크기 극수 분말 소요량 표면자속밀도 최대치
외경50mmΦ×내경30mmΦ ×높이33mmt 8 Nd-Fe-B분말(47g) +페라이트(149g) 3100G
상기의 실시예 6에 대한 표면자속밀도의 곡선은 첨부도면 도 13에 도시된 바와 같이 나타남을 확인할 수가 있다.
[실시예 7]
상기의 실시예 2 및 실시예 3과 동일한 펠릿(Pellet) 및 자장사출 조건으로 외경30mmΦ×높이5mmt 크기의 자장금형에서 높이방향으로 자장사출을 수행하여 이방성수지자석을 제조하였다.
이에 대해, 첨부도면 도 14에 도시된 그래프에 나타난 바와 같이, 상기에서 제조된 이방성수지자석은 30kOe의 자장에 착자한 후에 BH tracer를 이용하여 20kOe의 자장을 인가하면서 상온에서 120℃의 범위에서 보자력의 변화를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
상기의 그래프 축상에 표기된 β는 온도변화에 따른 보자력의 감소율(%/℃)을 나타낸 것이다.
본 발명에 의해 제조되는 적층극이방복합자석을 VCR, Laser printer, Hard Disk Drive(HDD), Robot, Electric power steering, Automobile fuel pump, 세탁기, 냉장고, 에어콘 등과 같이 고출력 모타가 활용되는 제품에 적용시키게 되면, 영구자석의 고특성화를 구현하여 모타 설계기술의 다변화 및 적용분야의 확대를 도모할 수가 있을 뿐만 아니라 성능향상에 따른 소형화와 이에 따른 제조비용을 절감시킬 수가 있다.
또한, 본 발명에 의하여 모타의 고효율화에 따른 에너지 소비의 감소가 기대되고, 영구자석의 주된 연구방향도 고에너지적을 갖는 영구자석의 재료를 개발시키는데 좀 더 촉진시킬 수가 있으며, 동일한 영구자석재료를 사용하더라도 자기회로 설계를 최적화하여 표면자속밀도를 최대화시킬 수가 있는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 고출력 모타 및 액츄레어터에 활용되는 링형상의 이방화 본드자석을 제조함에 있어 종래의 이방성 사출자석보다 높은 자기특성을 갖는 효과와, 고가의 원료를 절감시켜 실질적인 경제성이 우수해지는 효과가 있고, 모터가 활용되는 성능 및 특성에 적합하게 자석표면에서의 자속밀도 파형이 용이하게 조절시킬 수 있는 효과와, 온도특성이 향상된 자석이 제공되는 효과로 인해 전체적인 자석의 제조방법에 대한 효율성이 향상되어 이를 적용하여 실시하는 제조상의 생산성 및 만족도가 극대화되는 등의 여러 효과를 동시에 거둘 수 있는 매우 유용한 발명임이 명백하다.

Claims (9)

  1. 상대적으로 선택되는 저자기특성과 고자기특성을 갖는 영구자석분말을 이용하여 각각의 분말을 열가소성수지와 혼합 및 혼련하여 각각의 펠릿(pellet)을 제조하고, 1차로 저자기특성 펠릿(pellet)을 이용하여 다수 극수 및 형상의 극이방성 및 이방성 금형 속에서 사출성형하며, 1차로 사출된 극이방성 및 이방성 수지자석을 1차 사출금형 외경보다 큰 극이방 금형에 삽입하여 고자기특성을 갖는 펠릿(pellet)으로 자장사출 성형하여 다수의 극수 및 적층수를 갖는 극이방복합자석을 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층극이방복합자석의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기의 저자기특성을 갖는 극이방 및 이방성 수지자석이 내측에 구성되고, 고자기특성을 갖는 극이방수지자석이 외측에 구성되되, 적층극이방복합자석에서는 내측 및 외측에 서로 다른 온도특성을 갖는 영구자석분말을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층극이방복합자석의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기의 적층극이방복합자석은 극수를 2∼100극으로 이루고, 외경크기를 5∼500mmΦ로 이루며, 높이를 5∼500mm로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 적층극이방복합자석의 제조방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기의 적층극이방복합자석은 적층수를 2∼4층으로 이루고, 적층간의 두께차이를 1:0.1∼10의 범위로 구성하도록 하는 것을 특징으로 하는 적층극이방복합자석의 제조방법.
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