KR100869999B1 - 레이디얼 이방성 링 자석 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

자석 전반에 걸쳐, 링 자석의 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각도가 80° 이상 100°이하인 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석.
Figure 112005010096476-pct00001
링 자석, 자장, 코일, 자화, 강자성, 자석분말

Description

레이디얼 이방성 링 자석 및 그 제조방법{RADIAL ANISOTROPIC RING MAGNET AND METHOD OF MANUFACTURING THE RING MAGNET}
본 발명은 레이디얼 이방성 링 자석 및 그 제조방법에 관한 것이다.
페라이트나 희토류 합금과 같은 결정 자기이방성 재료를 분쇄하고, 특정한 자장중에서 프레스 성형을 행하여 제작되는 이방성 자석은, 스피커, 모터, 계측기, 그 밖의 전기기기 등에 널리 사용되고 있다. 이중 특히 레이디얼 방향에 이방성을 갖는 자석은, 자기특성이 우수하고, 자유로운 착자(着磁)가 가능하고, 또 세그먼트 자석과 같은 자석고정용의 보강의 필요도 없기 때문에, AC 써보모터, DC 브러시레스 모터 등에 사용되고 있다. 특히 최근은 모터의 고성능화에 따라서, 장척(長尺) 레이디얼 이방성 자석이 요구되고 있다.
레이디얼 배향을 갖는 자석은 수직자장 수직성형법 또는 후방 압출법에 의해 제조된다. 수직자장 수직성형법은, 프레스 방향으로부터, 코어를 통하여 자장을 대향방향으로 인가하고, 레이디얼 배향을 얻는 것을 특징으로 하는 것이다. 즉 수직자장 수직성형법은, 도 1에 도시되는 바와 같이, 배향자장 코일(2)에서 발생시킨 자장을 코어(4 및 5)를 통하여 대향시키고, 코어로부터 다이(3)를 통과하고, 성형기 프레임(1)을 거쳐서 순환하는 자기회로에서, 충전자석 분말(8)을 레이디얼 배향 시키는 것이다. 또한, 도면중 6은 상부 펀치, 7은 하부 펀치이다.
이와 같이, 이 수직자장 수직성형장치에서, 코일에 의해 발생한 자계는 코어, 다이 성형기 프레임, 코어로 이루어지는 자로를 형성시키고 있다. 이 경우, 자장누설손실 저하를 위해, 자로를 형성하는 부분의 재료에는 강자성체를 사용하며, 주로 철계 금속이 사용된다. 그러나, 자석분말을 배향시키기 위한 자장강도는, 아래와 같이 하여 결정되어버린다. 코어 직경을 B(자석분말 충전 내경), 다이 직경을 A(자석분말 충전 외경), 자석분말 충전 높이를 L로 한다. 상하 코어를 통과한 자속이 코어 중앙에서 부딪쳐 대향하고, 다이에 도달한다. 코어를 통과한 자속량은 코어의 포화 자속밀도로 결정되고, 철제 코어에서 자속밀도가 20kG 정도이다. 따라서 자석분말 충전 내외경에서의 배향자장은, 상하 코어를 통과한 자속량을 자석분말 충전부의 내면적 및 외면적으로 나눈 것이 되어,
2·π·(B/2)2·20/(π·B·L)=10·B/L…내주,
2·π·(B/2)2·20/(π·A·L)=10·B2/(A·L)…외주
가 된다. 외주에서의 자장은 내주보다 작으므로, 자석분말의 충전부 전체에서 양호한 배향을 얻기 위해서는, 외주에서 10kOe 이상 필요하고, 이것을 위해, 10·B2/(A·L)=10이 되고, 따라서, L=B2/A가 된다. 성형체 높이는 충전분말 높이의 약 반 정도이고, 소결시, 또한 8할 정도로 되므로, 자석의 높이는 매우 작아진다. 이와 같이 코어의 포화가 배향자계의 강도를 결정하기 때문에 코어 형상에 의해 배향가능한 자석의 크기 즉 높이가 정해져 버려, 원통축방향으로 장척 물품을 제조하 는 것이 곤란했다. 특히, 직경이 작은 원통자석에서는 매우 짧은 물품밖에 제조할 수 없었다.
또, 후방 압출법은 설비가 대규모이고, 수율이 나빠, 저렴한 자석을 제조하는 것이 곤란했다.
이와 같이 레이디얼 이방성 자석은, 어떠한 방법에 있어서도 제조가 곤란하여, 싸고 대량으로 제조하는 것은 어려워, 레이디얼 이방성 자석을 사용한 모터도 코스트가 매우 높아져 버린다는 불이익이 있었다.
최근, 유저로부터의 재료 및 조립시의 코스트 다운의 요청이 강하여, 레이디얼 이방성 링 자석에 있어서도, 생산성 및 조립성 향상이 급무이다. 게다가, 소형화, 노동절감화로 인해 고성능화가 요망되고 있다. 이러한 유저의 요구를 만족시키기 위해는, 장척 레이디얼 이방성 링 자석이 바람직한 것으로 되어 있다(장척 제품은 내경<L 치수의 것을 말함).
장척 제품은 조립 코스트를 삭감할 수 있지만, 길이가 짧은 제품에서는 여러개의 단 쌓기를 행할 때, 이하의 문제가 발생한다. 즉, 자석과 모터 코어는 접착제 및 자석과 강자성 모터 코어의 자기적인 흡인력에 의해 접합되어 있다. 그러나, 접착제가 벗겨졌을 때에, 자석끼리의 흡인력이 자석과 코어의 흡인력보다도 강하여, N극과 S극이 달라 붙어버린다. 이것에 의해 모터의 역할을 하지 못하게 된다. 또, 벗겨지지 않은 상태에서도, 자극 N과 S가 달라 붙으려고 하는 힘에 의해, 접착제에는 전단 응력이 작용하여, 벗겨지기 쉬워진다. 이에 반해, 일체물에서는 상기와 같은 일이 일어나지 않고, 가령, 접착제가 벗겨져도, 강자성체인 모터 코어 와 자기적인 힘에 의해 서로 끌어 당기기 때문에 분리되는 일이 없다.
그러나, 레이디얼 이방성 링 자석의 성형에 있어서는, 도 1에 도시되는 수직자장 수직성형법에 의해 성형이 이루어지는데, 이러한 일반적인 방법에서는, 단척의 것밖에 제조할 수 없었다. 이 경우, 장척 일체물의 레이디얼 자석의 제조법으로서, 일본 특개평 2-281721호 공보에 제안이 있다. 즉 일본 특개평 2-281721호 공보에서는, 캐비티에 충전된 원료분말을 배향 및 가압성형한 성형체를, 다이 비자성부로 이동하고, 그 후 생성된 다이내 자성부분의 캐비티에 원료분말을 충전하여 가압 성형하고, 또한 얻어진 성형체를 하방으로 이동하고, 분말 공급, 가압성형을 임의회수 반복하고, 링 축방향의 치수(L)(이하, L길이라고 부름)가 큰 성형체를 얻는 성형방법(이하, 다단 성형법이라고 함)을 제안하고 있다.
이 다단성형법에 의하면, L이 큰 레이디얼 이방성 링 자석을 제조할 수 있다. 그러나, 이 방법은 분말 공급, 성형을 반복하여 행하여, 접합부가 발생하고, 1개의 다층 성형체를 제조하므로 성형시간이 길어, 양산에 적합하지 않을 뿐만아니라, 성형체를 성형할 때의 하중이 일정하기 때문에, 성형체 밀도가 동일한 소결체에 있어서, 성형체의 접합면에 균열이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다. 이 점의 개선에 관해서는, 일본 특개평 10-55929호 공보에 제안이 있다. 즉, 일본 특개평 10-55929호 공보에서는, 다단성형시의 성형체 밀도를 Nd-Fe-B계 자석에서 3.1g/cm3 이상으로 하고, 최종 성형에 의해(최종 성형에 의해 생성된 성형체를 최종 성형체라고 부름), 그때까지의 성형체(예비 성형체라고 함)보다 0.2g/cm3 이상 높은 밀도 의 성형체 밀도가 되도록 성형함으로써 성형체의 접합면에 발생하는 균열을 경감하는 제안이 되어 있다.
그러나, 이 방법에서는 압력제어를 엄밀하게 행하지 않으면 안되고, 또, 자석분말의 입도 및 입도 분포, 바인더의 종류나 양에 의해 자석분말의 상태는 크게 달라, 최적 압력이 그때마다 다르기 때문에 조건 설정이 어렵다. 게다가 예비 성형체 밀도가 낮으면 2회째 이후의 자장의 영향을 받아서 자기특성이 나빠, 최종 성형체 밀도가 낮으면 접합면에 균열이 발생하고, 최종 성형체 밀도가 지나치게 높으면 최종 성형시에 배향의 혼란을 발생시켜버리기 때문에, 특성과 수율을 겸비한 장척 레이디얼 이방성 링 자석의 제조는 극히 곤란했다.
본 발명은 자기특성이 양호한 레이디얼 이방성 링 자석, 및 수평자장 수직성형법에 의한 이 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여, 하기의 레이디얼 이방성 링 자석 및 그 제조방법을 제공한다.
(1) 자석전반에 걸쳐, 링 자석의 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각도가 80° 이상 100° 이하인 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석.
(2) 레이디얼 이방성 링 자석에서의 링 자석 중심축과의 수직면상에서, 레이디얼 방향에 대한 자석분말의 평균 배향도가 80% 이상인 것을 특징으로 하는 (1)의 레이디얼 이방성 링 자석.
(3) 링 자석의 중심축방향의 길이를 내경으로 나눈 값이 0.5 이상인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)의 레이디얼 이방성 링 자석.
(4) 원통자석용 성형금형의 코어의 적어도 일부의 재질에 포화 자속밀도 5kG 이상을 갖는 강자성체를 사용하고, 금형 캐비티내에 충전한 자석분말을 수평자장 수직성형법에 의해 자석분말에 배향자계를 인가하여 성형함으로써, 레이디얼 이방성 링 자석을 제조하는 방법으로서, 하기 (i)∼(v)
(i) 자장 인가중, 자석분말을 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키는 것,
(ii) 자장 인가후, 자석분말을 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하는 것,
(iii) 자장 인가중, 자장발생 코일을 자석분말에 대하여 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키는 것,
(iv) 자장 인가후, 자장발생 코일을 자석분말에 대하여 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고, 그후 다시 자장을 인가하는 것,
(v) 복수의 코일쌍을 사용하여, 1개의 코일쌍에 자장을 인가한 후, 다른 코일쌍에 자장을 인가하는 조작중 적어도 하나의 조작을 행하고, 자석분말에 대하여 일방향보다도 많은 방향으로부터 자장을 인가하여, 가압성형으로 제조되고, 자석전반에 걸쳐 링 자석의 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각도가 80° 이상 100° 이하인 레이디얼 이방성 링 자석을 얻는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
(5) 충전자석 분말을 회전시킬 때, 코어, 다이 및 펀치중 적어도 하나를 둘레방향으로 회전시킴으로써 충전자석 분말을 회전시키는 것을 특징으로 하는 (4)의 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
(6) 자장인가후 충전자석 분말을 회전시킬 때, 강자성 코어 및 자석분말의 잔류 자화의 값이 50G 이상이고, 코어를 둘레방향으로 회전시킴으로써 자석분말을 회전시키는 것을 특징으로 하는 (4)의 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
(7) 수평자장 수직성형 공정에서 발생하는 자장이 0.5∼10kOe인 것을 특징으로 하는 (4)∼(6)의 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
(8) 성형직전 또는 성형중의 수평자장 수직성형 장치에서 발생하는 자장이 0.5∼3kOe인 것을 특징으로 하는 (4)∼(7)의 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
(9) 1회 또는 복수회의 자장 인가후, 코일로부터의 발생 자장을 0∼0.5kOe 미만으로 한 상태에서 자석분말을 60∼120°+ n×180°(n은 0 이상의 정수)로 회전시키고, 그 전에 인가한 자장의 1/20∼1/3 크기의 자장을 더 인가하고, 인가후 또는 인가중 성형하는 것을 특징으로 하는 (4)∼(8)의 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
본 발명에 의하면, 성능이 우수하고, 조립 작업성이 좋은 레이디얼 이방성 링 자석을 염가로 대량으로 공급할 수 있다.
도 1은 레이디얼 이방성 원통자석을 제조할 때에 사용하는 종래의 수직자장 수직성형장치를 도시하는 설명도이고, (a)는 종단면도, (b)는 (a)도에서의 A-A'선 단면도이다.
도 2는 링 자석의 중심축에 대한 여러 레이디얼 이방성 부여 방향의 각도를 도시하는 설명도이다.
도 3은 원통자석을 제조할 때에 사용하는 수평자장 수직성형장치의 하나의 실시예를 나타내는 설명도이고, (a)는 평면도, (b)는 종단면도이다.
도 4는 원통자석을 제조할 때에 사용하는 수평자장 수직성형 장치이고 자장발생시의 자력선의 모양을 모식적으로 도시하는 설명도이고, (a)는 본 발명에 관계되는 성형장치의 경우, (b)는 종래의 성형장치의 경우이다.
도 5는 원통자석을 제조할 때에 사용하는 성형 장치이고, 회전식 수평자장 수직성형장치의 1예를 도시하는 설명도이다.
도 6은 착자기를 사용하여 원통자석의 착자를 행하는 모양을 도시하는 착자 모식도이다.
도 7은 6극에 다극 착자한 원통자석과 9개의 고정자 톱니를 조합한 3상 모터의 평면도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 관계되는 수평자장 수직성형기에 의해 제작한 Nd-Fe-B계 원통자석에 6극 착자를 행했을 때의 표면 자속밀도를 도시한 도면이다.
도 9는 종래의 수평자장 수직성형기에 의해 제작한 Nd-Fe-B계 원통자석에 6극 착자를 행했을 때의 표면 자속밀도를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 이하에서는, 주로 Nd-Fe-B계의 원통 소결 자석에 대해 설명하지만, 페라이트 자석, Sm-Co계 희토류 자석 및 각종 본드 자석 등의 제조에서도 유효하고, Nd-Fe-B계 자석에 한하는 것은 아니다.
본 발명의 레이디얼 이방성 링 자석은, 바람직하게는 성형 직전에 자장을 변위시키고, 가압성형에 의해 제조되고, 또한, 자석전반에 걸쳐, 도 2에 도시한 바와 같이, 링 자석의 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각도가 80° 이상 100° 이하이다. 이 경우, 링 자석 중심축과의 수직면상에서, 레이디얼 방향에 대한 자석분말의 평균 배향도가 80% 이상인 것이 바람직하고, 또 링 자석의 중심축방향의 길이를 내경으로 나눈 값이 0.5 이상인 것이 바람직하다.
링 자석 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각이 80° 이상 100° 이하의 범위로부터 벗어남에 따라, 레이디얼 이방성 링 자석으로부터 발생하는 자속량의 여현성분밖에 회전력에 기여하지 않게 되어, 모터 토크가 작아지므로, 링 자석 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각을 80° 이상100° 이하로 한다. 게다가, 레이디얼 링 자석의 실용의 대부분은, AC 써보모터, DC 브러시레스 모터 등인데, 모터에 레이디얼 이방성 링 자석이 사용될 때, 코깅 대책으로서 자석 또는 고정자에 스큐를 시행한다. 링 자석 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각이 80∼100°로부터 벗어는 각도이면, 스큐의 효과가 경감되어버린다. 특히, 레이디얼 이방성 링 자석의 L길이 방향의 단부에서 링 자석 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각이 80∼100°로부터의 벗어남이 클 경우, 이 경향이 현저하게 된다. 스큐가 시행되어 있는 경우, 단부와 중앙부에서 반대극이 되는 부분이 있어, N극과 S극의 자속량의 비가 리니어하게 서서히 변해감으로써 코깅을 저감한다. 그러나, 단부에서 링 자석 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각이 80∼100°로부터의 벗어남이 커, 중앙부와 반대극의 단부 자속량이 작아진다.
이와 같이 단부에서 특히 벗어남이 큰 자석은, 이하의 제조방법의 경우 발생한다. 즉 종래, 레이디얼 이방성 링 자석의 성형에서는, 도 1에 도시되는 수직자장 수직성형법에 의해 성형이 되는데, 일반적인 방법에서는, 앞에서도 말했지만 단척의 것 밖에 제조할 수 없다. 다단성형법에서는 접합면으로부터 벗겨짐이 발생하여, 자극의 혼란이 발생하는 것 이외에, 분단되거나, 벗겨짐면에 표면 처리가 되지 않아, 부식의 원인이 된다. 도 1에서 수직자장 수직성형 프레스에 의해 배향을 행할 때, 장척화를 행하기 위해서 코어의 포화 자화 이상의 자장을 인가하면, 코어의 포화후는 상펀치의 자장 코일과 하펀치의 자장 코일로부터의 자력선이, 코어를 통하지 않고 대향하여 부딪치고, 레이디얼 방향으로 자장이 발생하는데, 코어의 중심선과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각이 80∼100°로부터 크게 일탈하고, 이 경향은 상하펀치 부근에서 커진다. 이 때문에 링 자석 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각이 자석 단부에서 작아져, 이 방법은 레이디얼 링 자석의 제조에는 적합하지 않다.
따라서, 자석전반에 걸쳐, 링 자석의 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각도가 80°이상 100° 이하인 것이 필요하다.
또한 자석의 배향도 f는 이하의 식으로 산출된다.
f=Br/[Is×{ρ/ρo×(1-α)}2/3]
Br: 잔류자속밀도
Is: 포화 자화
ρ: 소결체 밀도
ρ0: 이론밀도
α: 비자성상의 체적율
배향도가 낮으면, 자석으로부터 발생하는 자속량이 적어져, 모터 토크가 작아지고, 또, 그것뿐만아니라 착자성이 손상될 우려가 있어, 모터의 착자시에는, 모터의 회전자를 사용한 착자가 많아, 착자성의 저하는 큰 문제가 되는 경우가 있다. 따라서, 레이디얼 이방성 링 자석에서는, 자석분말의 평균 배향도는 80% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80∼100% 이다.
또, 조립 작업성을 고려하면, 링 자석의 중심방향의 길이를 링 자석의 내경으로 나눈 값(L길이/자석 내경)은 0.5 이상, 바람직하게는 0.5∼50으로 하면 좋다.
이러한 레이디얼 링 자석의 제조방법은 이하의 수평자장 수직성형법을 채용하는 것이 바람직하다. 여기에서, 도 3은, 원통자석의 성형시, 자장중 배향을 행하기 위한 수평자장 수직성형장치의 설명도이고, 특히 모터용 자석의 수평자장 수직성형기이다. 여기에서, 도 1의 경우와 같이, 1은 성형기 프레임, 2는 배향자장 코일, 3은 다이를 나타내고, 또 5a는 코어를 나타낸다. 6은 상펀치, 7은 하펀치, 8은 충전자석 분말이며, 또 9는 폴 피스를 나타낸다.
본 발명에 있어서는, 상기 코어(5a)의 적어도 일부, 바람직하게는 전체를 포화 자속밀도 5kG 이상, 바람직하게는 5∼24kG, 더욱 바람직하게는 10∼24kG의 강자성체로 형성한다. 이러한 코어 재질로서는, Fe계 재료, Co계 재료 및 그것들의 합금재료 등의 소재를 사용한 강자성체를 들 수 있다.
이와 같이, 포화 자속밀도 5kG 이상을 갖는 강자성체를 코어에 사용하면, 자석분말에 배향자계를 인가하는 경우, 자속은 강자성체에 수직하게 들어 가려고 하기 때문에 레이디얼에 가까운 자력선을 그린다. 따라서, 도 4a에 도시되는 바와 같이, 자석분말 충전부의 자계방향을 레이디얼 배향에 근접시킬 수 있다. 이에 반해 종래는 코어(5b) 전체를 비자성 또는 자석분말과 동등한 포화 자속밀도를 갖는 재료를 사용하고 있어, 이 경우, 자력선은 도 4b에 도시한 바와 같이, 서로 평행하고, 도면에서 중앙부근은 레이디얼 방향이지만, 상측 및 하측으로 향함에 따라서 코일에 의한 배향 자장방향으로 된다. 코어를 강자성체로 형성해도 코어의 포화 자속밀도가 5kG 미만인 경우, 코어는 용이하게 포화해버려, 강자성 코어를 사용했음에도 불구하고, 자장은 도 4b에 가까운 상태가 된다. 게다가, 5kG 미만에서는 충전자석 분말의 포화밀도(자석의 포화 자속밀도×충전율)와 동일하게 되어, 충전자석 분말 및 강자성 코어내에서의 자속의 방향은 코일의 자계방향과 동일하게 되어버린다.
또, 코어의 일부에 5kG 이상의 강자성체를 사용했을 때도 상기와 같은 효과가 얻어져서 유효하지만, 전체가 강자성체인 것이 바람직하다.
단지, 코어 재질을 단순히 강자성체로 형성하는 것 만으로는, 코일에 의한 배향 자장방향에 대하여 수직방향 근방 방향에서 레이디얼 배향으로 되지 않는다. 자장중에 강자성체가 있을 경우, 자속은 강자성체에 수직하게 들어 가려고 하여 강자성체에 가까이 끌어 당겨지기 때문에, 강자성체의 자장방향면에서는 자속밀도가 상승하고, 수직방향에서는 자속밀도가 저하된다. 이 때문에, 금형내에 강자성체 코어를 배치한 경우, 충전자석 분말에서 강자성체 코어의 자장 방향부에서는 강한 자장에 의해 양호한 배향이 얻어지고, 수직방향부에서는 그다지 배향되지 않는다. 이것을 보충하기 위해서 자석분말을 코일에 의한 발생자장에 대하여, 인가중 또는 인가후, 상대적으로 회전시켜, 불완전 배향부를 자장방향이 강한 자장부에서 자장을 변화시켜서 재차 배향함으로써 양호한 자석이 얻어진다. 보다 바람직하게는 인가후 또는 최초에 인가한 자장의 1/3 이하의 자장중에 상대적으로 회전시키면 좋다. 또한, 여기에서 처음에 배향한 부분에 관해서는, 그 후의 배향시에 수직방향부가 되는 경우가 있을 수 있지만, 이 부분의 자속밀도는 작으므로, 최초의 양호한 배향은 그다지 혼란되지 않는다.
여기에서, 자석분말을 코일에 의한 발생자장에 대하여, 상대적으로 회전시키는 방법으로서는, 하기 (i)∼(v)
(i) 자장 인가중, 자석분말을 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키는 것,
(ii) 자장 인가후, 자석분말을 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가 하는 것,
(iii) 자장인가중, 자장발생 코일을 자석분말에 대하여 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키는 것,
(iv) 자장 인가후, 자장발생 코일을 자석분말에 대하여 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하는 것,
(v) 복수의 코일쌍을 사용하여, 1개의 코일쌍에 자장을 인가한 후, 다른 코일쌍에 자장을 인가하는 조작중 적어도 하나의 조작을 1회 또는 반복하여 자장을 변화시켜서 복수회 행하는 것이다.
또한, 충전자석 분말의 회전에 대해서는, 도 5에서 도시하는 바와 같이 자석분말을 코일에 의한 발생자장 방향에 대하여, 상대적으로 회전할 수 있으면, 배향자장 코일(2), 코어(5a), 다이(3), 상, 하펀치(6,7)중 어느 하나를 회전시켜도 좋다. 이중 특히, 자장인가후, 충전자석 분말을 회전시킬 때, 강자성 코어 및 자석분말의 잔류 자화를 50G 이상, 바람직하게는 100G 이상 존재시켜 두면, 자석분말은 강자성 코어와의 사이에 자기적인 흡인력이 발생하기 때문에, 강자성 코어를 회전시키는 것만으로 자석분말도 회전시킬 수 있다.
복수의 코일쌍을 사용하여 한쪽에 자장을 인가후, 다른쪽에 자장을 인가시켜도, 자장방향과 자석분말을 상대적으로 회전시킨 것과 동일한 의미이기 때문에, 이 방법을 사용해도 동일한 효과가 얻어진다.
성형직전의 자장 인가전의 회전에 있어서는, 회전후의 인가자장이 작기 때문에, 회전중에 큰 자장이 인가되면 최후의 자장인가의 효과가 나타나지 않게 된다. 따라서 회전중의 자장은 0∼0.5kOe가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.3kOe 이하이고, 전형적으로는 무자장이 바람직하다. 회전각도에 대해서는 회전전의 자장인가에 의해 혼란된 부위는 회전전의 자장방향에 대하여 수직방향이므로, 이 부위의 혼란을 개선하기 위해서 회전각도는, 바람직하게는 60∼120°+ n×180°(n 은 0 이상의 정수), 보다 바람직하게는 90°+ n×180°(n은 0 이상의 정수)±10°. 전형적으로는 90°+ n×180°(n은 0 이상의 정수). 인가 자장강도는, 회전전의 자장강도가, 강하면 자장방향에 대하여 수직방향에서의 레이디얼 배향으로부터의 혼란이 크므로, 회전후의 자장강도도 회전전의 자장이 약한 경우보다도 크게 하지 않으면, 배향의 혼란은 개선되지 않고, 지나치게 크면 자장방향의 수직방향에 레이디얼 배향으로부터의 혼란이 발생해버리기 때문에, 자장은 회전전에 인가한 자장의 1/20∼1/3, 보다 바람직하게는 1/10∼1/3로 하는 것이 좋다.
여기에서, 수평자장 수직성형 장치에서 발생하는 자장이 큰 경우, 도 4a의 5a의 코어가 포화해버려, 도 4b에 가까운 상태가 되고, 배향자계가 직경방향 배향에 가깝게 되어, 레이디얼 배향으로 되지 않게 되기 때문에, 자장은 10kOe 이하로 하는 것이 바람직하다. 강자성 코어를 사용하면 자속이 코어에 집중하기 때문에, 코어 주변에서는, 코일에 의한 자장보다 큰 자장이 얻어진다. 그러나, 자장이 너무 작으면 코어 주변에서도 배향에 충분한 자장이 얻어지지 않게 되기 때문에, 0.5kOe 이상이 바람직하다. 상기한 바와 같이 강자성체 주변에서는 자속이 모이고, 자장이 커지기 때문에, 여기에서 말하는 수평자장 수직성형 장치에서 발생하는 자장이란, 강자성체로부터 충분하게 떨어진 장소에서의 자장, 또는, 강자성 코어를 제거하고 측정했을 때의 자장의 값을 의미한다.
자석분말을 코일에 의한 발생자장 방향에 대하여 상대적으로 회전시켜, 불완전 배향부를 자장방향의 강한 자장으로 재차 배향할 수 있고, 처음에 배향한 부분 에 관해서는, 그 후의 배향시에 수직방향부가 되는 경우가 있을 수 있지만, 이 부분의 자속밀도는 작으므로, 최초의 양호한 배향은 그다지 혼란되지 않는 것을 설명했지만, 발생자장이 비교적 클 때, 부분적인 혼란이 발생하는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 성형직전, 자장을 걸지 않은 상태에서, 코일 자장에 대하여, 상대적으로 90° 정도 자석분말을 회전시킨 후, 성형시보다 낮은 자장, 바람직하게는 0.5∼3kOe의 자장을 인가하고, 성형함으로써, 자장방향만 재배향할 수 있어, 보다 완전한 레이디얼 배향이 얻어진다. 성형전의 수평자장 수직성형 장치에서 발생하는 자장이 3kOe를 초과해버리면, 상기한 바와 같이 이것이상 큰 자장을 인가하면 양호한 배향을 이미 얻고 있는 부분에 불필요한 자장이 걸리기 때문에 바람직하지 못하고, 0.5kOe 미만에서는, 자장이 지나치게 약해서 배향이 개선되지 않기 때문에, 0.5∼3kOe로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 수회에 걸쳐 배향시키면 좋은데, 다단계로 자장을 내려가는 것이 바람직하다. 특히 3회에 걸쳐 배향시키는 것이 바람직하다. 5회까지로 하는 편이 특성의 점에서 바람직하다.
본 발명은, 상기한 바와 같이 성형하는 것이지만, 그 이외는 일반적인 수평자장 수직성형법에 의해 자석분말에 배향자계를 인가하고, 50∼2000kgf/cm2의 가압범위에서 성형하고, 또한 불활성가스하에서 1000∼1200℃에서 소결하고, 필요에 따라 시효처리, 가공처리 등을 행하여, 소결 자석을 얻을 수 있다. 여기에서, 본 발명에 있어서는, 1회의 분말 공급, 1회의 가압으로 필요한 축길이의 자석을 얻을 수 있는데, 복수회의 가압에 의해 자석을 얻도록 해도 좋다.
또한, 자석분말로서는, 특별히 제한되는 것은 아니고, Nd-Fe-B 계의 원통자석을 제조하는 경우에 적합한 것 이외에, 페라이트 자석, Sm-Co계 희토류 자석, 각종 본드자석 등의 제조에 있어서도 유효하지만, 모두 평균입경 0.1∼10㎛, 특히 1∼8㎛의 합금 분말을 사용하여 성형하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예와 비교예를 나타내고, 본 발명을 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 하기의 실시예에 제한되나 것은 아니다.
[실시예, 비교예]
각각 순도 99.7중량%의 Nd, Dy, Fe, Co, M(M은 Al, Si, Cu)과 순도 99.5중량%의 B를 사용하고, 진공용해로에서 용해 주조하여 Nd2Fe14B계 자석합금(Nd31.5Dy2Fe62Co3BlCu0.2Al0.3Si1(중량%)) 인고트를 제작했다. 이 인고트를 죠 크러셔로 분쇄하고, 더욱 질소기류중에 제트밀 분쇄에 의해 평균입경 3.5㎛의 미세분말을 얻었다. 이 분말을 포화 자속밀도 20kG의 강자성체 코어(S50C)를 배치하고, 도 3의 수평자장 수직성형장치로 성형을 행했다.
실시예 1로서, 코일의 발생자장 4kOe의 자장중에서 배향시킨 후, 코일을 90° 회전시키고, 1kOe의 배향자장을 부여하고, 500kgf/cm2의 성형압으로 성형했다. 이때의 금형형상은 φ30mm×φ17mm, 캐비티 60mm, 자석분말의 충전율 33%였다. 성형체는 Ar가스중 1090℃에서 1시간 소결을 행하고, 계속하여 490℃에서 1시간의 열처리를 행했다. 이렇게 하여 얻어진 레이디얼 자석 φ26mm×φ19mm×L27mm(L길이/ 내경=1.4)에서, 자석중앙부 자장방향으로부터 가로세로 2mm의 자석을 잘라내고, VSM으로 자기측정을 행한 바, Br:12. 1kG, iHc:15kOe, 배향도 89% 였다. 또, 링 자석의 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각도가 L의 중심에서 87°, 상 3mm에서는 91 °, 하 3mm에서는 89 °였다.
실시예 2로서, 실시예 1과 동일한 금형 및 자석분말을 사용하고, 자석분말 충전율 32%, 코일의 발생자장 4kOe의 자장중에서 배향시킨 후, 다이와 코어 및 펀치를 90° 회전시키고, 1.5kOe의 배향자장을 부여하고, 500kgf/cm2의 성형압으로 성형했다. 성형체는 Ar가스중 1090℃에서 1시간 소결을 행하고, 계속하여 490℃에서 1시간의 열처리를 행했다. 이렇게 하여 얻어진 레이디얼 자석 φ26mm×φ19mm×L27mm(L길이/내경=1.4)에서, 자석중앙부 자장방향으로부터 가로세로 2mm의 자석을 잘라내고, VSM으로 자기측정을 행한 바, Br:12.0kG, iHc:15kOe, 배향도 88% 였다.
실시예 3으로서, 실시예 1과 동일한 금형 및 자석분말을 사용하고, 자석분말 충전율 32%로 하여 코일의 발생자장 4.5kOe의 자장중에서 배향시킨 후, 선단부의 잔류 자화가 0.2kG의 코어를 90°회전시켰다. 이때의 자석분말의 잔류 자화는 600G 였다. 그 후 0.7kOe의 배향자장을 부여하고, 500kgf/cm2의 성형압으로 성형했다. 성형체는 Ar가스중에 1090℃에서 1시간 소결을 행하고, 계속하여 490℃에서 1시간의 열처리를 행했다. 이렇게 하여 얻어진 레이디얼 자석 φ26mm×φ19mm×L27mm(L길이/내경=1.4)에서, 자석중앙부 자장방향으로부터 가로세로 2mm의 자석을 잘라내고, VSM으로 자기측정을 행한 바, Br:11.9kG, iHc:15kOe, 배향도 87% 였다.
실시예 1, 2, 3의 자석은, 그 후 가공을 행하여, φ25mm×φ20mm×L25mm의 원통자석으로 만들었다.
상기의 원통자석을 도 6에 도시하는 착자기로 6극, 20°에서 스큐 착자하고, 착자후의 자석을 자석과 동일 높이의 도 7에 도시하는 구성의 고정자내에 편입한 모터를 제작했다.
여기에서, 11은 원통자석, 20은 착자기, 21은 착자기 자극 톱니, 22는 착자기 코일, 30은 3상 모터, 31은 고정자 톱니, 32는 코일이다.
실시예 1의 모터를 5000rpm으로 회전시켰을 때의 유기 전압 및 동 모터를 5rpm으로 회전시켰을 때의 하중계에 의한 토크 리플의 크기를 측정했다. 그 밖의 실시예에서도 동일하게 측정했다. 표 1에 유기 전압의 절대값의 최대 및 토크 리플의 최대 최소의 값을 차를 나타낸다.
실시예 4로서, 실시예 1과 동일한 코일을 회전시킬 수 있는 수평자장 수직성형장치를 사용하여, 10kOe의 자장중에서 90°회전시키면서 배향을 행하고, 그 후에 무자장에서 90° 회전시킨 후에 1.5kOe의 자장중에서 다시 배향시키면서 500kgf/cm2의 성형압으로 성형했다. 성형체는 Ar가스중에 1090℃에서 1시간 소결을 행하고, 계속하여 490℃에서 1시간의 열처리를 행했다. 이렇게 하여 얻어진 레이디얼 자석 φ26mm×φ19mm×L27mm(L길이/내경=1.4)에서, 자석중앙부 자장방향으로부터 가로세로 2mm의 자석을 잘라내고, VSM으로 자기측정을 행한 바, Br:12.0kG, iHc:15kOe, 배향도 88% 였다. 실시예 1과 동일형상으로 자석을 가공하여, 모터 특성을 측정했 다.
비교예 1로서, 금형형상 및 코어 재질은 실시예 1과 동일하게 하고, 다이 재질은 포화 자속밀도 15kG의 SKD11재를 사용한 수직자장 수직성형장치를 사용하고, 자석분말의 충전율은 33%로 하여, 상하의 코일로 30kOe의 펄스 자장을 대향하도록 인가했다. 그 후 500kgf/cm2의 성형압으로 성형했다. 성형체는 Ar가스중에 1090℃에서 1시간 소결을 행하고, 계속하여 490℃에서 1시간의 열처리를 행했다. 이렇게 하여 얻어진 레이디얼 자석은, 상하부 φ27mm×φ19.5mm, 중앙부 φ26mm×φ18.7mm×L27mm에서, 평균 L길이/내경=1.35이고, 자석중앙부 자장방향으로부터 가로세로 2mm의 자석을 잘라내고, VSM으로 자기측정을 행한 바, Br:11.8kG, iHc:15kOe, 배향도 87% 였다. 자석의 상하 3mm에서는 링 자석의 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각도가 상은 120°, 하는 60° 였다. 실시예 1과 동일 형상으로 자석을 가공하고, 이 자석을 실시예 1과 동일한 모터 특성을 측정했다.
비교예 2로서, 금형형상 및 코어 재질은 실시예 1과 동일하게 하고, 다이 재질은 포화 자속밀도 15kG의 SKD11재를 사용한 수직자장 수직성형장치를 사용하고, 자석분말의 충전율은 28%로 하여, 상하의 코일로 3kOe의 펄스 자장을 대향하도록 인가했다. 그후 300kgf/cm2의 성형압으로 성형했다. 성형체는 Ar가스중에 1090℃에서 1시간 소결을 행하고, 계속하여 490℃에서 1시간의 열처리를 행했다. 이렇게 하여 얻어진 레이디얼 자석은, φ25.8mm×φ19.5mm×L27mm이고 평균 L길이/내경=1.4이고, 자석중앙부 자장방향으로부터 가로세로 2mm의 자석을 잘라내어, VSM으로 자기측정을 행한 바, Br:9.5kG, iHc:16kOe, 배향도 70%였다. 실시예 1과 동일 형상으로 자석을 가공하여, 모터 특성을 측정했다.
비교예 3으로서, 실시예 1과 동일한 성형조건으로 4kOe의 자장으로 배향시키고, 그후는 동일하게 하지 않고, 회전시키지 않고 그대로 자계중에 50Okgf/cm2의 성형압으로 성형했다. 성형체는 Ar가스중 1090℃에서 1시간 소결을 행하고, 계속하여 490℃에서 1시간의 열처리를 행했다. 이렇게 하여 얻어진 레이디얼 자석 φ26mm×φ19mm×L27mm(L길이/내경=1.4)에서, 자석중앙부 자장방향으로부터 가로세로 2mm의 자석을 잘라내어, VSM으로 자기측정을 행한 바, Br:12.3kG, iHc:15k0e, 배향도 90%였다. 다음에 자석중앙부 자장방향으로부터 링 중심축 수직면상 90° 벗어난 방향으로부터 동일 형상의 가로세로 2mm의 자석을 잘라내어, 자기측정을 행한 바, Br:2.5kG, iHc:15.8kOe, 배향도 18%였다. 실시예 1과 동일 형상으로 자석을 가공하고, 모터 특성을 측정했다.
이들 결과를 표 1에 나타낸다.
유기전압(실효값) [mV/rpm] 토크 리플 [mNm]
실시예 1 15.7 6.7
실시예 2 15.8 6.7
실시예 3 15.6 6.6
실시예 4 15.3 6.5
비교예 1 13.2 8.4
비교예 2 9.5 5.9
비교예 3 11.8 6.3
표 1로부터, 비교예에 대하여 실시예에서는 토크에 상응하는 유기 전압이 크게 개선되어 있고, 본 발명이 모터용 자석의 제조방법으로서 우수한 방법인 것을 알 수 있다.
또, 도 8은 실시예 1, 도 9는 비교예 3의 착자후의 회전자 자석의 표면자속을 측정한 것이다. 실시예는 비교예에 대하여 각 극이 균일화 되어 있고, 또한 극의 면적이 커져 있어, 실시예는 큰 자장을 균일하게 발생할 수 있는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 자기특성이 양호한 레이디얼 이방성 링 자석을 제공할 수 있다.

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 원통자석용 성형금형의 코어의 적어도 일부의 재질에 포화 자속밀도 5kG 이상을 갖는 강자성체를 사용하고, 금형 캐비티내에 충전한 자석분말을 수평자장 수직성형법에 의해 자석분말에 배향자계를 인가하여 성형함으로써, 레이디얼 이방성 링 자석을 제조하는 방법으로서,
    (i) 자장 인가중, 자석분말을 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고,
    (ii) 자장 인가후, 자석분말을 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하고,
    (iii) 자장 인가중, 자장발생 코일을 자석분말에 대하여 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고,
    (iv) 자장 인가후, 자장발생 코일을 자석분말에 대하여 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고, 그후 다시 자장을 인가하고,
    (v) 복수의 코일쌍을 사용하여, 1개의 코일쌍에 자장을 인가한 후, 다른 코일쌍에 자장을 인가하는,
    상기 (i) ~ (v) 조작들 중 적어도 하나의 조작을 행하고, 자석분말을 코일에 의한 발생자장에 대해서, 상대적으로 회전시켜서, 자석분말에 대하여 일방향보다도 많은 방향으로부터 자장을 인가하여, 가압성형함으로써 제조되고, 상기 성형직전의 회전에 있어서, 코일로부터의 발생 자장을 0∼0.5kOe 미만으로 한 상태에서 자석분말을 회전전의 자장방향에 대해서 60∼120°로 회전시킨 후 회전전에 인가한 자장의 1/20∼1/3 크기의 자장을 인가하고, 인가후 또는 인가중 성형함으로써, 자석전반에 걸쳐 링 자석의 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각도가 80°이상 100°이하인 레이디얼 이방성 링 자석을 얻는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 성형직전 또는 성형중의 수평자장 수직성형 장치에서 발생하는 자장이 0.5∼3kOe인 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
  6. 원통자석용 성형금형의 코어의 적어도 일부의 재질에 포화 자속밀도 5kG 이상을 갖는 강자성체를 사용하고, 금형 캐비티내에 충전한 자석분말을 수평자장 수직성형법에 의해 자석분말에 배향자계를 인가하여 성형함으로써, 레이디얼 이방성 링 자석을 제조하는 방법으로서,
    (i) 자장 인가중, 자석분말을 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고,
    (ii) 자장 인가후, 자석분말을 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하고,
    (iii) 자장 인가중, 자장발생 코일을 자석분말에 대하여 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고,
    (iv) 자장 인가후, 자장발생 코일을 자석분말에 대하여 금형 둘레방향으로 소정 각도 회전시키고, 그후 다시 자장을 인가하고,
    (v) 복수의 코일쌍을 사용하여, 1개의 코일쌍에 자장을 인가한 후, 다른 코일쌍에 자장을 인가하는,
    상기 (i) ~ (v) 조작들 중 적어도 하나의 조작을 행하고, 자석분말을 코일에 의한 발생자장에 대해서, 상대적으로 회전시켜서, 자석분말에 대하여 일방향보다도 많은 방향으로부터 자장을 인가하여, 가압성형함으로써 제조되고, 상기 성형직전의 회전에 있어서, 자장을 걸지 않은 상태에서 자석분말을 회전전의 자장방향에 대해서 90°회전시킨 후, 성형시보다 낮은 0.5~3kOe의 자장을 인가하고, 인가후 성형함으로써, 자석전반에 걸쳐 링 자석의 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각도가 80°이상 100°이하인 레이디얼 이방성 링 자석을 얻는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 충전자석분말을 회전시킬 때, 코어, 다이 및 펀치중 적어도 하나를 둘레방향으로 회전시킴으로써 충전자석분말을 회전시키는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
  8. 제 4 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 자장인가후 충전자석분말을 회전시킬 때, 강자성 코어 및 자석분말의 잔류 자화의 값이 50G 이상이고, 코어를 둘레방향으로 회전시킴으로써 자석분말을 회전시키는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
  9. 제 4항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 수평자장 수직성형 공정에서 발생하는 자장이 0.5∼10kOe인 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
  10. 제 4항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 레이디얼 이방성 링 자석에서의 링 자석 중심축과의 수직면상에서, 레이디얼 방향에 대한 자석분말의 평균 배향도가 80% 이상인 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 링 자석의 중심축방향의 길이를 내경으로 나눈 값이 0.5 이상인 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
  12. 제 10항에 있어서, 레이디얼 이방성 링 자석이 장척품인 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조방법.
  13. 삭제
KR1020057003236A 2002-08-29 2003-08-27 레이디얼 이방성 링 자석 및 그 제조방법 KR100869999B1 (ko)

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