KR101206576B1

KR101206576B1 - 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석의 제조 방법

Info

Publication number: KR101206576B1
Application number: KR1020107005767A
Authority: KR
Inventors: 후미토시 야마시타; 기요미 가와무라; 유키히로 오카다; 히로시 무라카미
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2012-11-29
Also published as: WO2009142005A1; US8371021B2; CN102742131A; JP4888568B2; KR20100043100A; JPWO2009142005A1; US20100218365A1; CN102742131B

Abstract

일정 방향으로 유지된 균일한 자계에 의해 면 수직으로부터 면내에 이방성의 방향이 연속 변화한 세그먼트를 제작하는 공정, 복수의 이들 세그먼트를 원둘레 상에 배치하며, 당해 세그먼트의 한쪽의 스러스트 방향 단면으로부터, 당해 세그먼트의 점성 변형에 의거한 리올로지에 의해 링형상으로 압출하고, 이어서 세그먼트의 스러스트 방향 양단면으로부터 압축하는 공정을 필수로 한다. 이방성을 연속 방향 제어한 링 자석으로, 또한 정자계의 발생원을 에너지 밀도 (BH)max≥160～180kJ/m³로 한다.

Description

이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF RARE EARTH-IRON RING MAGNET WITH CONTINUOUS ORIENTATION CONTROLLED ANISOTROPY}

본 발명은 자극 중심에 레이디얼 이방성 영역, 자극 사이에 비레이디얼 자기 이방성 영역을 갖고, 소구경화(小口徑化)해도 자기 특성이 열화하지 않는 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 가전 기기, 공조 기기, 및 정보 기기 등의 각종 구동원으로서 폭넓게 사용되고 있는, 대체로 50W 이하의 자석 모터의 전력 절약화, 자원 절약화, 소형화, 및 정음화(靜音化)에 강한 영향을 주는 고성능 영구자석형 모터를 위한 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석의 제조 방법에 관한 것이다.

모터는, 회전자, 축, 베어링, 고정자 등을 철강, 비철금속, 고분자 등의 각종 재료를 고정밀도로 가공하고, 그들을 조합함으로써 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 복합 기능 부품으로 간주할 수 있다. 최근의 모터는, 다른 자성 재료를 흡인하거나 반발하거나 하는 능력, 및 외부 에너지 없이 영구적으로 정자계(靜磁界)를 발생하는 능력을 갖는 자석을 이용한 영구자석형 모터가 주류가 되고 있다. 물리적으로 볼 때 자석이 다른 자성 재료와 상이한 점은, 외부 자계를 제거한 후에도 유효한 자화가 남아, 열이나 비교적 큰 역자계 등을 가했을 때, 비로소 자화 반전(감자(減磁))이 일어나고, 그것에 수반하여 자화의 저하가 일어난다는 점이다. 이러한 자석의 중요한 특성치에 에너지 밀도 (BH)max가 있다. 이것은 자석의 잠재적 에너지를 단위 체적으로 나타내고 있다.

그런데, 자석의 강하게 흡인하거나 반발하거나 하는 능력은, 모터의 종류에 따라서는 반드시 고성능화되지는 않는다. 그러나, 비특허문헌 1에서는, 자석의 기본 특성의 하나인 잔류 자속 밀도(Br)와 모터 성능의 지표로서의 모터 정수(KJ)(KJ는 출력 토크(KT)와 저항손의 제곱근(√R)의 비)의 관계로부터, 모터 직경, 로터 직경, 공극, 연자성재, 자석 치수 등을 고정했을 때, 자석의 에너지 밀도 (BH)max의 증가는, 본 발명이 대상으로 하는 링 자석을 사용하는 소형 모터에 있어서, 보다 높은 토크 밀도를 얻을 수 있다고 하고 있다.

그러나, 당해 모터의 고정자 철심에는 권선을 수납하는 슬롯과 자기 회로의 일부를 형성하는 티스가 존재하므로, 회전에 수반하여 퍼미언스가 변화한다. 이 때문에, 에너지 밀도 (BH)max의 증가는, 토크 맥동, 즉, 코깅 토크를 증대시킨다. 코깅 토크의 증가는, 모터의 매끄러운 회전을 방해하고, 모터의 진동이나 소음을 크게 하여, 회전 제어성이 악화되는 등의 폐해를 수반한다.

상기와 같은 폐해를 피하기 위해, 모터의 코깅 토크 저감에 관해, 종래, 많은 연구가 이루어져 왔다.

우선, 자화 방향으로 어떤 일정한 두께를 갖는 자극에 관해서는, 자석의 편육화(偏肉化)를 들 수 있다. 예를 들면, 비특허문헌 2에는, 도 11A와 같은, 편육화한 자극(1), 고정자 철심(2), 고정자 철심 슬롯(3), 고정자 철심 티스(4)를 갖는 소형 모터에 대해 서술되어 있다. 즉, 비특허문헌 2는, 잔류 자화(Br) 1.2T, 자극 중심의 최대 두께 3mm, 자극 양단의 최소 두께 1.5mm의 편육화한 자극으로 12극 18슬롯 표면 자석형 동기 모터(SPMSM)로 하면, 코깅 토크를 극소화할 수 있다고 기재되어 있다. 또한, 이 경우는 자극의 외경측으로부터의 편육이지만, 그 반대의 자극 내경측으로부터 편육한 자극이어도 코깅 토크를 저감할 수 있는 것은 주지이다.

또한, 비특허문헌 2에서는, 도 11A와 같이 자극의 편육화로 코깅 토크를 극소화하기 위해서는, 자극 중심의 최대 두께에 대해, 자극 양단의 최소 두께가 1/2 정도가 되는 편육화가 필요하다고 하고 있다. 따라서, 자극의 두께, 즉 자화의 방향(두께)이 얇아지면, 자극을 편육화하여 코깅 토크를 극소화하고자 해도 충분한 효과를 얻을 수 없게 된다. 또한 일반적으로, 기계적으로는 취약한 자극이므로 가공도 어려워진다.

한편, 자화 방향의 두께가 얇은 자극에 관해서는, 비특허문헌 3의, 도 11B와 같은 자극을 스큐하는 방법, 혹은, 비특허문헌 4의, 도 11C와 같은 자극 사이의 자극 면적을 연속적으로 삭제하는 방법이 알려져 있다.

이상의 종래 기술을 정리하면, 모두 두꺼운 자극의 자극단을 1/2 정도까지 얇게 하여 고정자 철심과의 공극을 넓히거나, 혹은, 얇은 자극의 자극 사이의 면적을 삭감한다. 따라서, 자극으로부터 발생하는 정자계(Ms)가 자속(φ)으로서 고정자 철심으로 흘러 들어가는 양이, 자기 저항의 증가로 감소한다. 그 결과, 그들 방법에서는, 코깅 토크의 저감에 의해 일반적으로 10～15%의 토크 밀도의 저하를 초래한다. 따라서, 도 11A, 도 11B 및 도 11C에 나타낸 종래 기술에 의한 코깅 토크 저감법은, 자석의 에너지 밀도 (BH)max의 증가에 의한 모터의 토크 밀도의 증가가 희생이 된다는 과제가 있었다.

한편으로는, 비특허문헌 5와 같은 모터의 코깅 토크 저감법도 알려져 있다. 비특허문헌 5는, 자화 방향의 두께가 1.2mm로 얇고, 또한 잔류 자화(Mr)가 1T로 높은 에너지 밀도의 희토류-철계 소결 자석을 이용하여, 도 11A, 도 11B 및 도 11C에 나타낸 바와 같은 자화 방향의 두께, 혹은 자극의 면적을 삭감하지 않는 방법으로 코깅 토크를 저감하고 있다. 즉, 도 12A～12D와 같이 각 자극을 2～5분할한 자극 단편(斷片)으로 하나의 자극을 구성하고, 자극 단편마다 이방성의 방향(자화 용이축의 방향)을 단계적으로 조정한, 소위 Halbach Cylinder이다. 단, 도면 중, 자극(1)의 첨자 (2)～(5)는, 자극(1)을 2～5분할한 단편의 수를 나타내고 있다. 또, 각 단편의 화살표 방향은 이방성의 방향(자화 용이축의 방향)을 나타내고 있다.

상기 구성의 자극을 이용하여 12극 18슬롯의 모터로 했을 때, 분할한 자극 단편의 수(N)와 코깅 토크(Tcog)는, Tcog=61.753×exp(-0.1451×N)인 누승 근사가 성립된다. 즉, 임의의 기계각(φ)에 있어서의 자화 벡터(M)와, 자극의 둘레방향 접선에 대한 자화 벡터각을 Mθ로 했을 때, 자극 사이에서는 규칙적으로 정밀도 좋게 연속적인 변화를 취하는 것이 이상인 것을 시사하고 있다. 그러나, 두께 1.2mm, 잔류 자화(Mr)가 1T로 높은 에너지 밀도의 희토류-철계 소결 자석으로, 이방성의 방향을 다르게 하는 자극 단편을 다수 준비하고, 당해 자극 단편을 치밀하고 규칙적으로 배치하며, 또한, 높은 치수 정밀도로 복수의 자극을 구성하여, 로터로 하는 것 자체가 곤란하다. 이 때문에, 당해 자극을 정수배 준비한 다극 로터, 혹은, 그것을 이용한 소형 모터를 제조하는 것은 극히 곤란하다. 또한, 경제와의 정합성이 부족한 것도 용이하게 추측할 수 있다.

그런데, 자기적으로 등방성의 자석은 착자계의 방향과, 그 자계 강도 분포에 따라 어떠한 방향으로도 자유롭게 자화할 수 있다. 이 때문에, 착자 요크의 형상과 기자력의 최적화에 의해, 도 13의 자극(1)의 원호형상 화살표로 나타낸 바와 같은 자화 패턴을 부여할 수 있다. 이에 의해, 자극과 고정자 철심의 공극 자속 밀도 분포를 용이하게 정현파 형상으로 조정할 수 있다. 따라서, SPMSM과 같은 소형 모터의 코깅 토크 저감은 얇은 자극을 자기적으로 이방성의 자석 재료로 형성하는 경우에 비하면 극히 용이하다.

상기와 같은, 등방성 희토류 자석 재료의 연구는, 우선 R. W. Lee 등이 시초라고 생각된다(비특허문헌 11을 참조). 비특허문헌 11에서는, 에너지 밀도 (BH)max가 111kJ/m³인 급랭 응고 리본을 수지로 고정하면, 에너지 밀도 (BH)max가 72kJ/m³인 등방성 Nd₂Fe₁₄B계 본드 자석이 생기는 것으로 하고 있다. 그 후, 1980년대 후반 이후로부터 현재에 이를 때까지, 희토류-철계 용탕(溶湯) 합금의 급랭 응고를 주로 한 등방성 희토류 자석 재료의 연구가 활발히 행해지고 있다. 예를 들면, Nd₂Fe₁₄B계, Sm₂Fe₁₇N₃계, 혹은 그들과 αFe, FeB, Fe₃B계의 미세 조직에 의거한, 교환 결합을 이용한 나노 콤퍼지트 자석 재료를 포함시켜 공업적으로 이용 가능하게 되어 있다. 또한, 다채로운 합금 조직을 마이크로 제어한 등방성 자석 재료에 더하여, 분말 형상이 상이한 등방성 자석 재료도 공업적으로 이용 가능하게 되어 있다. 예를 들면, 비특허문헌 6～10을 참조할 것. 특히, 비특허문헌 10에서는, H. A. Davies 등이, 등방성이면서 에너지 밀도 (BH)max가 220kJ/m³에 도달한다고 보고하고 있다.

그러나, 공업적으로 이용 가능한 등방성 자석 재료의 에너지 밀도 (BH)max는, 기껏해야 134kJ/m³이다. 또, 대체로 50W 이하의 소형 모터로의 응용에서 일반적인, 등방성 Nd₂Fe₁₄B 본드 자석의 에너지 밀도 (BH)max는, 대체로 80kJ/m³이하이다. 즉, 1985년의 R. W. Lee 등의 에너지 밀도 (BH)max가 111kJ/m³인 리본으로 에너지 밀도 (BH)max가 72kJ/m³인 등방성 Nd₂Fe₁₄B계 본드 자석을 제작한 이래, 20년 이상 경과해도, 에너지 밀도 (BH)max의 진보에서 보면, 10kJ/m³에도 미치지 못한다.

따라서, 등방성 자석 재료의 진보를 기다려 에너지 밀도를 증가시켜, 본 발명이 대상으로 하는 모터의 고토크 밀도화는 기대할 수 없다.

한편, 등방성으로부터 이방성 자석으로의 전환은 일반적으로 에너지 밀도 (BH)max의 증가를 수반하므로, 소형 모터에서는, 보다 높은 토크 밀도를 얻을 수 있다. 그러나, 반면 코깅 토크가 증대한다. 또한, 기존의 레이디얼 이방성 링 자석은, 그 내외 직경이 감소하면, 링 캐비티의 센터 코어에서 외부 자계(Hex)를 반발시켜 레이디얼 배향 자계를 발생시켜도, 누설 자속이 늘어나므로 에너지 밀도 (BH)max의 저하가 열화한다. 특히, 직경 25mm 이하에서는, 그 경향이 강해진다.

또, 본 발명에 관련된 이방성의 희토류-철계 자석 재료로서, 예를 들면, 비특허문헌 12에서의 RD-Sm₂Fe₁₇N₃이나, 비특허문헌 13에서의 HDDR-Nd₂Fe₁₄B를 들 수 있다.

[비특허문헌 1] : J. Schulze저 「Application of high performance magnets for small motors」, Proc. of the18th international workshop on high performance magnets and their applications, 2004년, pp. 908～915 [비특허문헌 2] : Y. Pang, Z. Q. Zhu, S. Ruangsinchaiwanich, D. Howe저, 「"Comparison of brushless motors having halbach magnetized magnets and shaped parallel magnetized magnets」, Proc. of the18th international workshop on high performance magnets and their applications, 2004년, pp. 400～407 [비특허문헌 3] : W. Rodewald, W. Rodewald, M. Katter저, 「Properties and applications of high performance magnets」, Proc. of the18th international workshop on high performance magnets and their applications, 2004년, pp. 52～63 [비특허문헌 4] : 마츠오카 아츠시, 야마자키 도고, 가와구치 히토시저, 「송풍기용 브러시리스 DC 모터의 고성능화 검토」, 전기 학회 회전기 연구회, RM-01-161, 2001년 [비특허문헌 5] : D. Howe, Z. Q. Zhu저, 「Application of halbach cylinders to electrical machine」, Proc. of the 17th int. workshop on rare earth magnets and their applications, 2000년, pp. 903～922 [비특허문헌 6] : 이리야마 야스히코저, 「고성능 희토류 본드 자석의 개발 동향」, 문부 과학성 이노베이션 창출 사업/희토류 자원의 유효 이용과 선단 재료 심포지엄, 2002년, pp. 19～26 [비특허문헌 7] : B. H. Rabin, B. M, Ma저, 「Recent developments in Nd-Fe-B powder」, 120th Topical Symposium of the Magnetic Society of Japan, 2001년, pp. 23～28 [비특허문헌 8] : B. M. Ma저, 「Recent powder development at magnequench」, Polymer Bonded Magnets 2002, 2002년 [비특허문헌 9] : S. Hirasawa, H. Kanekiyo, T. Miyoshi, K. Murakami, Y. Shigemoto, T. Nishiuchi저, 「Structure and magnetic properties of Nd2Fe14B/FexB-type nanocomposite permanent magnets prepared by strip casting」, 9th Joint MMM/INTERMAG, FG-05, 2004년 [비특허문헌 10] : H. A. Davies, J. I, Betancourt, C. L. Harland, 「Nanophase Pr and Nd/Pr based rare-earth-iron-boron alloys」, Proc. of 16th Int. Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Applications, 2000년, pp. 485～495 [비특허문헌 11] : R. W. Lee, E. G. Brewer, N. A. Schaffel, "Hot-pressed Neodymium-Iron-Boron magnets", IEEE Trans. Magn., Vol. 21, 1958(1985) [비특허문헌 12] : A. Kawamoto, T. Ishikawa, S. Yasuda, K. Takeya, K. Ishizaka, T. Iseki, K. Ohmori저, 「SmFeN magnet powder prepared by reduction and diffusion method」, IEEE Trans, Magn., 35, 1999년, p. 3322 [비특허문헌 13] : T. Takeshita and R. Nakayama저, 「Magnetic properties and micro-structure of the Nd-Fe-B magnet powders produced by hydrogen treatment」, Proc. 10th Int. Workshop on Rare-earth Magnets and Their Applications, 1989년, pp. 551～562

본 발명의 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석의 제조 방법은, 필수로 하는 제1 제조 공정에서는, 균일한 외부 자계(Hex)의 방향과 로터의 임의의 기계각(φ)에 대응하는 내외 둘레방향 접선의 각도를 Hθ로 하고, 기계각(φ)에 대응한 각도(Hθ)의 변화를 부여하는 내외 둘레 절편을 갖는 세그먼트를 외부 자계(Hex)에 의한 자계 중에서 성형 가공한다. 필수로 하는 제2 제조 공정에서는, 복수의 세그먼트를 극수에 따라 원둘레 상에 배치하며, 당해 세그먼트의 한쪽의 스러스트 방향 단면으로부터, 그 점성 변형에 의거한 리올로지를 이용하여 링형상으로 압출하고, 이어서, 당해 세그먼트의 스러스트 방향 양단면으로부터 압축 성형한다.

본 발명은 이러한 이방성 링 자석의 제조 방법의 제공에 의해, 등방성 자석의 결점인 에너지 밀도 (BH)max를 대체로 2배 이상으로 높인다. 이에 의해, 소형 모터의 토크 밀도의 증가를 도모함과 더불어, 동일 형상에 있어서 레이디얼 이방성 자석 특유의 코깅 토크에 기인하는 장해, 예를 들면 소음을 저감하고자 하는 것이다.

종래의 면내 이방성 등, 명확한 비레이디얼 이방성 영역을 갖지 않는 레이디얼 이방성 링 자석을 적용한 모터에서는, 자석의 에너지 밀도 (BH)max가 증가하면, 기계각(φ)에 대한 자극 중심의 자화 벡터각(Mc)과 자극단의 자화 백터각(Md)은 Mc≒Md이다. 이 때문에, 자극단의 자화 벡터각(Md)의 기계각(φ)에 대한 변화(Md/φ)가 지수 함수적으로 증가하는 경향이 있었다. 그러나, 본 발명에 관한 자극단의 자화 벡터각(Md)의 기계각(φ)에 대한 변화(Md/φ)는, 이방성의 연속 방향 제어에 의해 등방성 자석 이하로 억제할 수 있다. 그 결과, 페라이트 극이방성 자석이나 등방성 Nd₂Fe₁₄B 자석에 비해, 에너지 밀도 (BH)max가 대략 2～10배인 고성능 희토류-철계 링 자석임에도 불구하고, 모터의 코깅 토크를 증가시키지 않고, 토크 밀도를 높일 수 있다. 특히, 소구경화해도 레이디얼 이방성 링 자석과 같은 레이디얼 배향 자계의 저하에 의한 에너지 밀도 (BH)max의 저하가 없으며, 복수의 세그먼트를 생산할 수 있다.

따라서, 본 발명은, 가전 기기, 공조 기기, 및 정보 기기 등의 각종 구동원으로서 폭넓게 사용되고 있는, 대체로 50W 이하의 모터의 에너지 절약화, 자원 절약화, 소형화, 및 정음화에 유효하다.

도 1A는, 이방성 방향 제어를 나타낸 제1 개념도이다.
도 1B는, 이방성 방향 제어를 나타낸 제2 개념도이다.
도 1C는, 이방성 방향 제어를 나타낸 제3 개념도이다.
도 2A는, 압출 압축 과정을 나타낸 사시 외관도이다.
도 2B는, 압출 압축 성형 다이스의 단면 구성도이다.
도 3A는, 용융 고분자의 외력에 의한 유동 형태를 나타낸 제1 개념도이다.
도 3B는, 용융 고분자의 외력에 의한 유동 형태를 나타낸 제2 개념도이다.
도 4는, 리올로지를 부여하는 열 경화성 수지 조성물의 분자 구조를 나타낸 개념도이다.
도 5는, 자기 이방성 자극의 매크로 구조의 전자현미경 사진을 나타낸 도면이다.
도 6A는, 자석의 M-H loop를 나타낸 특성도이다.
도 6B는, 잔류 자화와 에너지 밀도를 나타낸 특성도이다.
도 7A는, 세그먼트의 일례를 나타낸 형상도이다.
도 7B는, 세그먼트와 링 자석의 위치 관계를 나타낸 단면도이다.
도 8A는, 레이디얼 영역과 비레이디얼 영역을 나타낸 구성도이다.
도 8B는, 기계각과 자화 벡터의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 9는, 레이디얼 영역의 각도 오차와 비레이디얼 영역의 기계각에 대한 자화 벡터의 회귀 직선의 상관 계수의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 10A는, 에너지 밀도와 모터 효율(최고치)의 일례를 나타낸 특성도이다.
도 10B는, 회전수와 소음치의 일례를 나타낸 특성도이다.
도 11A는, 종래의 편육화에 의한 코깅 토크 저감법을 나타낸 개념도이다.
도 11B는, 종래의 스큐에 의한 코깅 토크 저감법을 나타낸 개념도이다.
도 11C는, 종래의 자극 면적에 의한 코깅 토크 저감법을 나타낸 개념도이다.
도 12A는, 종래의 자화 방향의 불연속 제어에 의한 코깅 토크 저감법을 나타낸 제1 개념도이다.
도 12B는, 상기 제2 개념도이다.
도 12C는, 상기 제2 개념도이다.
도 12D는, 상기 제2 개념도이다.
도 13은, 등방성 자석의 자화 패턴을 나타낸 개념도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 이용하여 설명한다.

(실시 형태)

본 발명은, 다음 2개의 공정을 필수로 한다. 그 하나는, 자석의 기계적 설계와 함께, 일정 방향으로 유지된 균일한 자계에 의해, 면 수직으로부터 면내로 이방성의 방향이 연속 변화한 세그먼트를 제작하는 공정이다. 즉, 제작된 세그먼트에 있어서는, 이방성의 방향이, 균일한 자계를 받은 면에 대해 수직이 되는 방향으로부터 그 면의 확대 방향으로 연속적으로 변화하고 있다. 또 하나는, 복수의 이들 세그먼트를 원둘레 상에 배치하며, 당해 세그먼트의 한쪽의 스러스트 방향 단면으로부터, 당해 세그먼트의 점성 변형에 의거한 리올로지에 의해 링형상으로 압출하고, 이어서 세그먼트의 스러스트 방향 양단면으로부터 압축하는 공정이다.

상기, 본 발명에 관한 필수의 제조 공정을 더욱 상세하게 설명한다. 우선, 본 발명에서 필수로 하는 제1 제조 공정에서는, 내외 둘레 절편을 복수 갖는 세그먼트를, 균일한 외부 자계(Hex)에 의한 자계 중에서 성형 가공한다. 여기에서, 내외 둘레 절편은, 기계각(φ)에 대응한 각도(Hθ)의 변화를 부여하는 절편이다. 또, 각도(Hθ)는, 균일한 외부 자계(Hex)의 방향과, 세그먼트의 임의 위치, 즉, 최종의 로터 기계각(φ)에 대응하는 내외 둘레방향 접선의 각도이다. 세그먼트의 성형 가공법으로서는, 잘 알려진 사출법이나 압출법이어도 지장이 없지만, 에너지 밀도 (BH)max를 160～180kJ/m³로 하기 위해서는 직교 자계 중에서의 압축법이 바람직하다.

또, 본 발명에서 필수로 하는 제2 제조 공정에서는, 우선, 필수로 하는 제1 제조 공정에서 제조한 복수의 세그먼트를 극수에 따라 원둘레 상에 배치한다. 그리고, 당해 세그먼트의 한쪽의 스러스트 방향 단면으로부터, 그 점성 변형에 의거한 리올로지를 이용하여 링형상으로 압출한다. 이어서, 당해 세그먼트의 스러스트 방향 양단면으로부터 압축 성형하여, 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석으로 한다.

또한, 상기, 복수의 세그먼트란 2개 이상의 짝수이며, 그 수 자체는 본 발명에 관한 소형 모터의 설계 사상에 따른다.

그런데, 희토류-철계 자석 재료가 자유롭게 회전하는 상태에서, 외부 자계(Hex)를 부여했을 때, 당해 자석 재료는 외부 자계(Hex)의 방향으로 자화되어 정렬된다. 따라서, 세그먼트 단면에 있어서 내외 둘레방향 접선에 대한 자화 벡터각(M), 즉 이방성의 방향은, M≒Hθ가 된다.

예를 들면, 링 자석의 이방성 자극에 있어서 레이디얼 이방성 영역의 자화 벡터각을 Mc, 비레이디얼 이방성 영역의 자화 벡터각을 Md로 하고, 또한 각도(Hθ)와의 오차를 작게 할 필요가 있다. 그래서, 세그먼트 형상의 설정에서는, 다음과 같이 하여 단면 형상을 구하는 것이 바람직하다. 즉, 임의의 기계각(φ)의 위치에서 각도(Hθ)를 갖는 강체가 회전 이동하고, 이방성의 정도를 무너뜨리지 않고 이방성의 방향만이 변화하는 것으로 하여, 그들 강체의 집합체를 비선형 구조 해석함으로써 세그먼트의 단면 형상을 구한다. 또, 임의의 기계각(φ)의 위치에 대한 각도(Hθ)를 갖는 강체의 집합체가 이방성의 정도를 무너뜨리지 않고 이방성의 방향만이 변화하는 회전 이동은, 열과 외력에 의해 생기는 용융 선형상 고분자의 전단 유동, 신장 유동, 및 그들이 중복된 점성 변형에 의거한 리올로지를 이용한다.

다음에, 본 발명에서 말하는 이방성의 방향 제어에 있어서, 최적인 이방성의 방향과 분포에 대해 설명한다. 여기에서, 회전축 중심을 원점으로 한 고정자 철심 티스의 기계각을 φs, 회전축 중심을 원점으로 한 링 자석의 자극 중심의 기계각을 φr로 한다. 이 때, 본 발명에 관한 바람직한 이방성의 연속 방향 제어의 형태란, φs≒φr에 상당하는 영역에서는 자극의 회전 방향 접선에 대한 자화 벡터각(Mc)을 90도, 즉 레이디얼 이방성 영역(이하, 적절히, 레이디얼 영역이라고 부른다)을 설치하는 것이 바람직하다. 레이디얼 영역은, 자화 벡터(이방성 방향)가 대략 회전축 중심 방향을 향하는 세그먼트 중의 영역이다. 또, 레이디얼 영역에서의 이방성 방향의 오차 평균을 2도 이하로 한다. 또한, 상기 자화 벡터각이 Mc의 레이디얼 영역으로부터 인접하는 자극(이극)의 자화 벡터각이 Mc의 레이디얼 영역에 이르는 동안은 비레이디얼 이방성 영역(이하, 적절히, 비레이디얼 영역이라고 부른다)으로 한다. 즉, 비레이디얼 영역에서는, 자화 벡터(이방성 방향)가 회전축 중심 방향으로부터 어긋난 방향을 향한다. 이 비레이디얼 영역의 자화 벡터각을 Md로 했을 때, 비레이디얼 영역에 상당하는 기계각(φ)과 Md의 분포를 부여하는 1차 회귀식 φ=a×Md＋b(a, b는 계수)로 하는 것이 바람직하다. 이것은 자극의 경계 근방에서의 이방성의 방향이 면내 이방성이 되는 것을 의미하고 있다. 본 발명에서는 φ와 Md의 1차 회귀식의 상관 계수(r)를 0.995 이상의 정밀도로 하는 것이다.

상기와 같은 기계각(φ)에 대한 이방성 방향과, 그 분포를 부여하면, 링 자석의 자극이 발생하는 정자계(Ms)가 고정자 철심 티스에 도달하는 양의 감소를 최소한으로 할 수 있다. 또한, 비레이디얼 영역의 자화 벡터각(Md)으로 했을 때, 기계각(φ)과 Md의 분포를 부여하는 1차 회귀식의 상관 계수(r)를 0.995 이상의 정밀도로 함으로써, 모터의 코깅 토크를 저감할 수 있다.

이상과 같이 링 자석의 자극에서 발생하는 정자계의 고정자 철심으로의 유입의 안정화를 도모하고, 그 감소를 억제하고 있다. 또한, 자극 사이의 정자계의 극성 반전을 기계각(φ)에 대해 안정화하는 것이, 최적인 이방성의 방향과, 그 분포라고 할 수 있다.

한편, 본 발명에 관한 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석으로 모터의 소형화, 에너지 절약화를 진행시키기 위해서는, 당해 자극으로부터 발생하는 정자계의 크기도 중요하다. 그래서, 본 발명에서는, 균질한 이방성 방향과, 그 분포를 갖는 링 자석의 제조 과정, 특히, 세그먼트로부터 링 자석으로 할 때의 자기 특성의 열화를 한정한다. 본 발명에서는, 세그먼트와, 그것을 가공한 링 자석에 있어서 잔류 자화(Mr)의 차를 0.03T 이하, 이방성 분산(σ)의 차를 7% 미만으로 할 수 있다. 또한, 정자계의 수준으로서, 이방성 방향의 잔류 자화(Mr)를 0.95～1.05T, 보자력(HcJ)을 0.85～0.95MA/m, 에너지 밀도 (BH)max를 160～180kJ/m³로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 링 자석은, 균일한 자계 중에서 성형 가공한 세그먼트로 구성하므로, 링 자석을 소구경화해도, 그 에너지 밀도 (BH)max가 열화하지 않는 이점이 있다. 일반적으로, 레이디얼 이방성 자석은, 그 직경이 대체로 25mm 이하가 되면, 배향을 위한 레이디얼 자계의 감소에 의해, 에너지 밀도 (BH)max가 감소한다. 이 때문에, 이러한 소형 모터에서는 (BH)max≒80kJ/m³의 등방성 Nd₂F₁₄B 자석이 이용되는 경우가 많지만, 이러한 기존 모터의 소형화, 에너지 절약화에, 보다 큰 효과가 얻어진다.

이상과 같은, 리올로지와 에너지 밀도 (BH)max가 160～180kJ/m³를 확보하는 적합한 세그먼트의 구성으로서는, 예를 들면 다음과 같은 구조로 한다. 즉, 150μm 이하의 Nd₂Fe₁₄B계 희토류-철계 자석 재료를, 평균 입자 직경 3～5μm의 Sm₂Fe₁₇N₃계 희토류-철계 자석 재료와 결합제의 매트릭스(연속상)로 격리한 매크로 구조로 한다. 그리고, 바람직하게는, 에너지 밀도 (BH)max가 270kJ/m³ 이상인 희토류-철계 자석 재료의 체적 분율을 80vol.% 이상으로 한다.

도 1A는, 이방성 방향 제어를 나타낸 제1 개념도, 도 1B는, 이방성 방향 제어를 나타낸 제2 개념도, 그리고, 도 1C는, 이방성 방향 제어를 나타낸 제3 개념도이다.

상기와 같은 본 발명에 관한 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석을 실현하기 위해서는, 우선, 도 1A와 같은 세그먼트(10)를 준비한다. 세그먼트(10)는, 균일 방향을 갖는 외부 자계(Hex)와 임의의 위치에서, 내외 둘레 절편(11)과 이루는 각도(Hθ)의 분포가, 자극 중심 부분에서는 90도, 즉 레이디얼 이방성 영역이 된다. 그리고, 세그먼트(10)는, 둘레방향 자석단에서는 면내 이방성이 되도록, 각도(Hθ)가 90도로부터 기계각(φ)에 대한 1차식으로 연속 변화하는 비레이디얼 이방성 영역을 갖는다. 단, 도 1A, 도 1C는, 세그먼트 자석의 중심으로부터 우측 반분의 단면 형상을 나타내고 있다. 또, 도 1B는, 임의 위치에서의 내외 둘레 절편(11)인 자석 단편과 각도(Hθ), 자화 벡터각(M)(레이디얼 이방성 영역에서는 Mc, 비레이디얼 이방성 영역에서는 Md)을 나타내고 있다.

다음에, 본 발명에 관한 복수의 세그먼트(10)를 원둘레 상에 배치하고, 세그먼트(10)의 한쪽의 스러스트 방향 단면으로부터 가압한다. 그리고, 세그먼트(10)의 점성 변형에 의거한 리올로지를 이용하여 링형상으로 압출하고, 이어서 링형상으로 압출한 복수의 세그먼트(10)를 스러스트 방향 양단면으로부터 압축 성형한다. 그러면, 도 1C의 세그먼트(10a)와 같이 세그먼트(10)가 변형된다. 변형된 세그먼트(10a)의 각 내외 둘레 절편(11)에 있어서, 그 이방성의 방향을 나타내는 자화 벡터각(M)은, 도 1B와 같이 회전하여, 각도(Hθ)와, 그 분포에 따른 자화 벡터각(M)(Mc 및 Md)을 갖는 링 자석이 된다.

다음에, 상기 본 발명에 관한 복수의 세그먼트를 압출 압축 성형하여 링 자석을 제조하는 과정을, 도 2A, 도 2B를 이용하여 설명한다.

도 2A는, 본 발명에 관한 압출 압축 과정의 일례를 나타낸 사시 외관도이다. 또, 도 2B는, 본 발명에 관한 압출 압축 성형 다이스의 단면 구성도이다. 또한, 도 2A에서는, 알기 쉽게 하기 위해, 도 2B에 나타낸 압출 압축 성형 다이스를 제외한 상태에서의 압출 압축 과정의 일례를 나타내고 있다.

도 2A에 나타낸 바와 같이, 압출 압축 과정에서 이용하는 압출 성형용 코어(30)는, 부위 31, 부위 32 및 부위 33을 갖고 있다. 이 압출 성형용 코어(30)의 부위 31에, 세그먼트(10)에 상당하는 예비 성형의 세그먼트 자석(20)이 배치된다.

부위 31에서는, 도 2A와 같이, 원둘레 상에 배치한 예비 성형의 세그먼트 자석(20)을, 도 2B에 나타낸 바와 같은 압출 압축 성형 다이스(35)와 함께 규정 위치에 수납한다. 부위 32에서는, 부위 31에 수납한 당해 세그먼트 자석(20)의 리올로지를 이용하여, 도 1A로부터 도 1C의 형상으로 압출 가공한다. 부위 33에서는, 부위 32에서 압출된 세그먼트 자석(20)을, 링형상으로 압축 성형한다. 구체적으로는, 링형상의 펀치를 이용하여, 도 2A에 나타낸 스러스트 방향 세그먼트 단면(21)의 적어도 일부를 눌러, 복수의 예비 성형의 세그먼트 자석(20)을 동시에 부위 31로부터 부위 32를 거쳐, 부위 33까지 압출한다. 그리고, 부위 32에서 리올로지에 의해 변형되어 부위 33으로 압출된 복수의 세그먼트 자석(20)은, 압출 방향과 역방향으로부터도 링형상의 펀치를 작동시켜 압축 성형한다. 여기에서, 리올로지를 이용한 세그먼트의 압출 저항은 거의 없지만, 압축 성형의 최종 단계에서는 20～60MPa의 압력으로 세그먼트 상호를 열 압착하여 일체화한다.

압출 압축 성형한 링 자석(40)은, 당해 성형형으로부터 이형(離型)한 후, 열처리가 실시되어, 도 2A에 나타낸 바와 같이, 이형하여, 열 경화한 링 자석(41)이 형성된다. 그리고, 이 링 자석(41)은, 최종적으로 로터 철심(42)과 조합되어, 예를 들면 8극 링 자석 로터(43)가 형성된다.

또한, 본 발명은 이방성 희토류-철계 자석 재료와 함께, 적어도 도 1A로부터 도 1C, 혹은 도 2A와 같이, 예비 성형의 세그먼트 자석(20)에 리올로지를 부여하도록 조정한 열 경화성 수지 조성물을 이용한다.

도 3A는, 용융 고분자의 외력에 의한 유동 형태를 나타낸 제1 개념도, 또, 도 3B는, 용융 고분자의 외력에 의한 유동 형태를 나타낸 제2 개념도이다.

상기, 본 발명에서 말하는 자석의 리올로지란, 도 3A, 도 3B의 개념도로 나타낸 바와 같이, 열 경화성 수지 조성물의 성분의 일부가, 서로 얽히는 실형상의 분자쇄로서, 예비 성형 세그먼트 자석 내부에 균일하게 개재된다. 그리고, 열과 외력 F-F'에 따라, 전단 유동, 또는 신장 유동 등의 점성 변형을 원리로 하고 있다. 또, 도 2A의 압출 압축 성형 링 자석(40)은, 예를 들면, 도 4에 나타낸 열 경화성 수지 조성물의 성분을 가교 반응에 의해 3차원 그물코 구조화하여, 도 2A와 같이 열 압착으로 일체화한 자석을 강체화한다. 이에 의해, 도 2A와 같이 본 발명에 관한 자석과 철심을 조합한 로터의 기계적 강도, 내열성, 내구성을 조정할 수 있다.

도 4는, 노볼락형 에폭시 올리고머, 선형상 폴리아미드, 2-페닐-4,5-디히드록시메틸이미다졸로 이루어지는 열 경화성 수지 조성물의 분자 구조를 나타낸 개념도이다. 그리고, 도 4는, 본 발명에 관한 자석에 리올로지를 부여하도록 조정한 열 경화성 수지 조성물의 일례이다. 단, 도 4에 나타낸 도트 서클은 가교 부분의 분자 구조를 나타내고 있다. 이 도 4의 예에서는, 선형상 폴리아미드가 용융 상태일 때, 서로 얽히는 실형상의 분자쇄로서, 자극 중의 매트릭스에 균일하게 개재된다. 그리고, 외력 F-F'에 따라, 전단 유동, 또는 신장 유동을 일으킴으로써 자석의 변형을 담당한다. 또한, 도 3A, 도 3B에 나타낸 유동을 부여하는 열 경화성 수지 조성물은, 반드시 도 4에 나타낸 것에만 한정되지 않는다.

그런데, 소형 모터의 토크 밀도는, 자극이 발생하는 정자계(Ms), 즉, 고정자 철심과 자극의 공극 자속 밀도에 비례한다. 가령, 동일 치수 동일 구조의 자석과 고정자 철심으로 형성한 소형 모터의 공극 자속 밀도는, 자석의 에너지 밀도 (BH)max의 비의 제곱근에 대체로 비례한다. 이것으로부터, 에너지 밀도 (BH)max의 수준이, 대체로 80kJ/m³를 상한으로 하는 등방성 Nd₂Fe₁₄B 본드 자석에 대해, 본 발명에 관한 자극의 에너지 밀도 (BH)max치를 160kJ/m³ 이상으로 하면, 대략 1.4배의 토크 밀도의 증가가 예상된다. 따라서, 본 발명에 관한 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석은, 토크 밀도를 높인다는 관점에서, 잔류 자화(Mr)가 0.95T 이상, 보자력(HcJ)이 0.9MA/m 이상, 에너지 밀도 (BH)max가 160kJ/m³ 이상인 성능을 갖는 것이 바람직하다.

상기와 같은, 에너지 밀도 (BH)max≥160kJ/m³의 본 발명에 관한 자석을 얻기 위해서는, 에너지 밀도 (BH)max≥270kJ/m³의 희토류 자석-철계 재료의 자석에 차지하는 체적 분율을 80vol.% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 이방성의 희토류-철계 자석 재료로서는, 예를 들면, 비특허문헌 12에서의 A. Kawamoto 등의 RD(Reduction and Diffusion)-Sm₂Fe₁₇N₃이나, 비특허문헌 13에서의 T. Takeshita 등의 (R2[Fe,Co]14B)상의 수소화(Hydrogenation, R2[Fe,Co]14BHx), 650～1000℃에서의 상분해(Decomposition, RH₂+Fe+Fe₂B), 탈수소(Desorpsion), 재결합(Recombination)으로 제작한 소위 HDDR-Nd₂Fe₁₄B 등을 들 수 있다.

(실시예)

이하, 본 발명에 관한 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석에 대해, 8극 12슬롯 표면 자석형 동기 모터(SPMSM)를 대상으로 한 실시예에 의해, 더욱 상세하게 설명한다. 단, 본 발명이 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.

우선, 도 5는, 본 발명에 관한 밀도 6.01Mg/m³ 자석의 매크로 구조의 주사 전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 도면이다. 단, 이방성 Sm₂Fe₁₇N₃계 희토류-철계 자석 재료, 및 이방성 Nd₂Fe₁₄B계 희토류-철계 자석 재료는, 열 경화성 수지 조성물과 함께 160℃의 가열 하에서, 균일한 외부 자계를 1.4MA/m으로 한 배향 자계를 인가하여, 20～50MPa의 압력으로 압축 성형되어, 세그먼트가 형성된다. 여기에서, 이방성 Sm₂Fe₁₇N₃계 희토류-철계 자석 재료는, 입자 직경이 3～5μm, 에너지 밀도 (BH)max가 290kJ/m³이다. 또, 이방성 Nd₂Fe₁₄B계 희토류-철계 자석 재료는, 입자 직경이 38～150μm, 에너지 밀도 (BH)max가 270～300kJ/m³이다. 도 5와 같이, 이 자석의 매크로 구조의 특징은, Nd₂Fe₁₄B계 희토류-철계 자석 재료를, Sm₂Fe₁₇N₃계 희토류 자석 미분말과 열 경화성 수지 조성물로 이루어지는 매트릭스(연속상)로 격리한 구조로 하고 있는 점에 있다. 또, Sm₂Fe₁₇N₃ 및 Nd₂Fe₁₄B계 희토류-철계 자석 재료가 차지하는 체적 분율은 81vol.%이다.

도 6A는, 도 5에 나타낸 매크로 구조를 갖는 본 발명에 관한 자석, 및 당해 자석 재료를 모두 Sm₂Fe₁₇N₃계, 또는 Nd₂Fe₁₄B계 희토류-철계 자석 재료로 하고, 동일 조건으로 제조한 자석의 M-H loop를 비교한 특성도이다. 단, 측정 자계는 ±2.4MA/m이다. 도 6A로부터 확인되는 바와 같이, 보자력(HcJ)은, 대략 1MA/m로 거의 동일하지만, 잔류 자화(Mr)가 상이하다. 그래서, 이들 자석의 잔류 자화(Mr)와 에너지 밀도 (BH)max의 관계를 플롯하면, 도 6B가 얻어진다. 도 6B와 같이, 본 발명에 관한 구성으로 하면, 그 에너지 밀도 (BH)max는 160～180kJ/m³에 도달한다.

한편, 열 경화성 수지 조성물은, 도 4에 나타낸 에폭시 당량 205～220g/eq, 융점 70～76℃의 노볼락형 에폭시 올리고머, 융점 80℃, 분자량 4000～12000의 선형상 폴리아미드, 2-페닐-4,5-디히드록시메틸이미다졸로 이루어진다. 그들은 겔화에 이르지 않고, 선형상 폴리아미드는 열로 재용융되며, 서로 얽히는 실형상의 분자쇄로서 자석 중에 균일하게 개재된다. 그리고, 도 3B와 같은 열과 외력의 방향에 따라, 전단 유동, 신장 유동을 일으킨다. 이에 의해, 도 1A, 도 1B, 및 도 2A에 대응하는 리올로지 특성을 갖는다.

도 7A, 도 7B는, 본 발명에 관한 상기 매크로 구조를 갖는 세그먼트 자석(20), 및 그들을 압출 압축 성형한 링 자석(40), 즉 가공 전후의 형상도이다. 여기에서, 도 7A에 나타낸 균일한 외부 자계(Hex)와 세그먼트의 임의의 위치의 접선에 대한 각도(Hθ)는, 링 자석 내외 둘레의 임의의 기계각(φ)의 위치의 접선에 대한 자화 벡터(M)의 각도(Mc, 및 Md)에 상당한다. 즉, Hθ≒Mc, Hθ≒Md이다. 여기에서, 도 1A와 같이 내외 둘레방향 접선에 대한 외부 자계(Hex)와 이루는 각도(Hθ)의 설정은, 세그먼트 바깥쪽 둘레에서는 0.3655mm 피치, 안쪽 둘레에서는 0.2845mm 피치로 하고 있다. 그리고, 레이디얼 방향 자극 중심에서 2분할한 합계 96의 강체의 집합체로서, 각 강체가, 각각 회전 이동하는 것으로 한 비선형 구조 해석으로 도 7A의 세그먼트 형상을 설정하고 있다.

다음에, 도 2A 및 도 2B에서 설명한 바와 같이, 예비 성형 세그먼트(20)를 압축 성형하여, 링 자석(40)을 형성한다.

다음에, 본 발명에 관한 압출 압축 성형한 링 자석(40)은, 당해 성형형으로부터 이형한 후, 대기 중 170℃, 20분의 열처리를 실시한다. 이에 의해, 선형상 폴리아미드를 포함하는 열 경화성 수지 조성물을 도 4와 같이 가교하였다. 단, 도 4에서는 유리 에폭시기를 나타내고 있지만, 이들은, 모두 이미다졸류, 혹은 선형상 폴리아미드 분자쇄 내 아미노 활성 수소, 혹은 말단 카르복실기 등과 반응시켜, 강직화한다.

얻어진, 본 발명에 관한 링 자석은, 외경 50.3mm, 내경 47.3mm, 두께 1.5mm, 길이 13.5mm이고, 동심도(同芯度)는 0.060mm 이하, 최대 내경과 최소 내경의 차인 진원도(眞圓度)는 0.225mm 이하의 정밀도였다. 이 링 자석은 최종적으로 철심과 조합하여, 도 2A의 링 자석 로터(43)와 같은 외경 50.3mm, 길이 13.5mm, 8극 링 자석 로터로 하였다.

다음에, 2turn/coil의 착자 요크와 펄스 자화 전원을 이용하여, 우선, 펄스 전류 파고치 Ip=10kA로 상기 8극 링 자석 로터에 순간 강자계를 인가하였다. 이에 의해, 이방성의 방향과, 그 분포에 따라 착자 요크 내의 로터가 회전하여, 로터와 착자 요크의 자극의 위치를 맞추었다. 이어서, Ip=25kA의 펄스 착자로 로터 자석을 착자하였다.

다음에, 본 실시예에서는, 도 8A에 나타낸 고정자 철심 티스의 기계각 φ=14도, 링 자석 1극의 기계각 φ=45도로 하였다. 또, 도 8B에 나타낸 링 자석의 자극 중심에서의 레이디얼 영역의 둘레방향 접선에 대한 자화 벡터각을 Mc, 그 이외의 비레이디얼 영역의 둘레방향 접선에 대한 자화 벡터각을 Md로 했을 때, Mc=90도이다. 또한, 자화 벡터각(M)의 측정은 직경 방향, 접선 방향, 축 방향의 합성 자화 벡터각(M)이 자화 용이축의 방향을 나타내는 것으로 하여, 3차원 홀 프로브 테슬라미터로 1도당 25점의 측정을 실시하였다. 또한, 자화 벡터각(M)과 그 분포의 평가는, 도 8B와 같이 레이디얼 영역에서는 90도에 대한 각도 오차 평균으로 하고, 비레이디얼 영역에서는 기계각(φ)에 대한 Md의 회귀식의 상관 계수를 이용하였다.

도 9는 본 발명에 관한 에너지 밀도 (BH)max가 160～180kJ/m³ 링 자석 로터의 레이디얼 영역의 각도 오차 평균과 비레이디얼 영역의 회귀 직선의 상관 계수를 플롯한 특성도이다. 또, 비교예 1～5로서, 동일 외경 치수의 8극 자석 로터의 자화 벡터의 방향과, 그 분포 정밀도를 나타낸다. 단, 비교예 1은, 160～180kJ/m³ 이방성 연속 방향 제어 아크 세그먼트 자석을 조립한 로터이다. 비교예 2는, 130～140kJ/m³ 패러렐 배향 자계에서 제작한 레이디얼 이방성 Nd₂Fe₁₄B 링 자석 로터이다. 비교예 3은, 레이디얼 배향 자계에서 제작한 레이디얼 이방성 Nd₂Fe₁₄B 링 자석 로터이다. 비교예 4는, 80kJ/m³ 정현파 착자 등방성 Nd₂Fe₁₄B 링 자석 로터이다. 비교예 5는, 16kJ/m³극이방성 페라이트 링 자석 로터이다. 여기에서, 비레이디얼 영역의 회귀 직선의 상관 계수가 높을수록, 코깅 토크는 저감하고, 레이디얼 영역의 각도 오차 평균이 작을수록, 자극이 발생하는 정자계가 고정자 철심에 도달하기 쉬워지는 것을 의미하고 있다. 이 의미로부터, 본 발명예는, 자화 벡터, 즉, 이방성의 방향과 그 분포가, 어느 비교예보다 이상적인 형태인 것은 명백하다. 예를 들면, 비교예 1과 같이 이방성을 방향 제어한 아크 세그먼트 자석을 철심의 주위에서 조립하는 구성에서, 그 조립 오차가 원인이 되어 불균형을 증대시킨다. 또, 비교예 2, 3과 같은 이방성을 방향 제어하지 않는 종래형 로터는 비레이디얼 영역의 회귀 직선의 상관 계수의 저하가 현저하며, 코깅 토크의 증가를 추측할 수 있다. 한편으로는, 비교예 4, 5와 같이 비레이디얼 영역의 회귀 직선의 상관 계수가 높아도, 레이디얼 영역의 각도 오차 평균이 증가하면 자극이 발생하는 정자계가 고정자 철심에 전달되기 어려워진다.

다음에, 세그먼트, 링 자석의 자극에 있어서, 임의의 기계각(φ)에 대한 각도 Hθ, Mc, 및 Md에 대응하는 부위로부터 직경 1mm의 원기둥 자석을 채취하였다. 그리고, 이 원기둥 자석으로부터 이방성의 각도와, 그 정도를 해석한 결과를 나타낸다. 우선, 원기둥 자석의 중심 위치를 기계각(φ)에 있어서의 각도 Hθ, Mc, 및 Md로 했을 때, 원기둥 자석의 모든 방향에서 최대 자화(Ms)가 최대가 되는 각도, 즉 기계각(φ)에 대한 각도 Hθ, Mc, Md를 구하였다. 그 결과, 세그먼트와 링 자석의 동일 위치에 있어서의 잔류 자화(Mr)의 차는 0.03T 이하였다.

한편, 이방성의 정도는 이방성 분산(σ)을 이용하여 평가하였다. 여기에서 이방성 분산(σ), 즉, 이방성 방향(C축)의 분포의 해석은 회전 자화에 있어서의 전체 에너지 E=Ku×sin²ψ-Ms×H×cos(ψ-ψo)에 있어서, 원기둥 자석의 전체 에너지 E를 최소로 하는 해, 즉, (δE/δψ)=Ku×sin²ψ-Ms×H×sin(ψ-ψo)=0으로부터, 우선 ψ를 결정하였다. 그리고, M=Ms×cos(ψo-ψ)로부터, M이 최대가 되는 M-H loop를 시료 진동형 자력계(VSM)로 측정한다. 또한, Ku×sin²ψ-Ms×H×sin(ψo-ψ)=0으로부터 ψ를 구하고, ψ의 확률 분포를 적용하여 전체의 배향 상태, 즉 이방성 분산(σ)을 구하였다. 단, ψo는 외부 자계의 각도, ψ는 Ms가 회전한 각도, Ms는 자발 자기 모멘트, Ku는 자기 이방성 상수, E는 전체 에너지이다.

그 결과, 원기둥 자석의 중심 위치를 Mθ 설정각으로 했을 때, 원기둥 시료의 모든 방향에서 잔류 자화(Ms)가 최대가 되는 각도, 즉 φ에 대한 각도 Hθ, 및 Mc, Md는 거의 동일하였다. 그리고, 세그먼트와 링 자석의 이방성 분산(σ)의 값은 최대여도 7% 이하이며, 이 수준은 측정 오차를 고려하면 동등하다. 이것은, 이형 자석으로부터 원호형상 자석으로 하는 과정에서, 각각의 부위가 회전 이동할 때에, 이방성의 정도, 즉 에너지 밀도 (BH)max의 열화 없이, 이방성의 방향만이 변화하고 있는 것을 증명하는 것이다.

도 10A는, 동일 사양의 12슬롯 고정자 철심과 도 9에서 나타낸 각종 8극 자석 로터를 조합한 40W 표면 자석형 동기 모터(SPMSM)의 모터 효율(최고치)을 에너지 밀도와의 관계로 나타낸다. 또, 도 10B는, 상기 SPMSM의 회전수와 소음치의 관계를 나타낸다. 예를 들면, 에너지 밀도 (BH)max가 160～180kJ/m³로 한 본 발명예는 최고 효율이 90%를 초과한다. 또한, 이방성의 연속 방향 제어에 의해, 레이디얼 이방성 자석 특유의 200～700r/min의 저속 회전 영역의 소음치가 최대 10dB 저감되어, 정현파 착자한 등방성 Nd₂Fe₁₄B 자석 로터와 동등한 정음성이 얻어진다.

본 발명은 이방성 링 자석의 제조 방법의 제공에 의해, 등방성 자석의 결점인 에너지 밀도 (BH)max를 대체로 2배 이상으로 높임으로써, 소형 모터의 토크 밀도의 증가를 도모함과 더불어, 동일 형상에 있어서 레이디얼 이방성 자석 특유의 코깅 토크에 기인하는 장해, 예를 들면 소음을 저감할 수 있다.

[산업상의 이용 가능성]

이 발명에 관한 모터는, 정음성, 고효율, 에너지 절약 등에 이용할 수 있으며, 산업상의 이용 가능성은 극히 높다.

10 : 세그먼트
11 : 내외 둘레 절편
20 : 세그먼트 자석
21 : 스러스트 방향 세그먼트 단면
30 : 압출 성형용 코어
35 : 압출 압축 성형 다이스
40 : 압출 압축 성형한 링 자석
41 : 이형하여, 열 경화한 링 자석
42 : 로터 철심
43 : 링 자석 로터
φ : 기계각
Mc : (자극 중심(레이디얼 영역)의) 자화 벡터각
Md : (자극단(비레이디얼 영역)의) 자화 벡터각
Hex : 외부 자계
Hθ : (외부 자계의) 각도

Claims

균일한 외부 자계(Hex)의 방향과 로터의 임의의 기계각(φ)에 대응하는 내외 둘레방향 접선의 각도를 각도(Hθ)로 했을 때, 기계각(φ)에 대응한 각도(Hθ)의 변화를 부여하는 내외 둘레 절편을 갖는 세그먼트를 외부 자계(Hex)에 의한 자계 중에서 성형 가공하는 제1 공정과,
복수의 세그먼트를 극수에 따라 원둘레 상에 배치하며, 당해 세그먼트의 한 쪽의 스러스트 방향 단면으로부터, 그 점성 변형에 의거한 리올로지를 이용하여 링형상으로 압출하고, 이어서, 당해 세그먼트의 스러스트 방향 양단면으로부터 압축 성형함으로써 이방성을 연속 방향 제어하는 제2 공정을 포함하는 것을 특징으로 한, 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
회전축 중심을 원점으로 한 고정자 철심 티스의 기계각을 φs, 회전축 중심을 원점으로 한 로터 자극 중심의 기계각을 φr로 했을 때, φs≒φr에 상당하는 영역에서 자극의 회전 방향 접선에 대한 자화 벡터각(Mc)의 90도에 대한 오차 평균이 2도 이하, 상기 자화 벡터각(Mc)으로부터 인접하는 자극의 90도 영역 Mc에 이르는 비레이디얼 영역의 자화 벡터각을 Md로 했을 때, 기계각(φ)과 자화 벡터각(Md)의 회귀식의 상관 계수(r)가 0.995 이상인, 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
예비 성형 세그먼트와 링 자석의 잔류 자화(Mr)의 차가 0.03T 이하, 이방성 분산(σ)의 차가 7% 미만인, 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
링 자석의 이방성 방향의 잔류 자화(Mr)가 0.95～1.05T, 보자력(HcJ)이 0.85～0.95MA/m, 에너지 밀도 (BH)max가 160～180kJ/m³인, 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
링 자석의 직경이 25mm 이하인, 이방성을 연속 방향 제어한 희토류-철계 링 자석의 제조 방법.