KR101328704B1

KR101328704B1 - 고주파 저철손 모터용 코어소재의 제조방법

Info

Publication number: KR101328704B1
Application number: KR1020070097585A
Authority: KR
Inventors: 김찬욱; 조기현
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2013-11-14
Also published as: KR20090032393A

Abstract

본 발명은 고주파 저철손의 모터용 코어소재의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 기판 내에 Fe-Si-Al 합금층을 형성시킴으로써 철손을 감소시켜 에너지 변환 효율을 높이는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 기판인 Fe-Si계 전기강판에 Al-Si합금을 코팅한 후, 확산열처리를 하여 Fe-Al-Si 합금층을 기판 내에 형성시키는 것을 특징으로 하는 고주파 저철손 모터용 코어소재의 제조방법을 그 기술요지로 한다.

고주파, 철손, 모터, 코어, 전기강판, 확산 열처리

Description

고주파 저철손 모터용 코어소재의 제조방법 {Method for Manufacturing a Low Iron-Loss Core Material for Electrical Motors at High Frequency Ranges}

본 발명은 모터의 핵심부품인 코어소재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고주파대역에서의 철손 특성이 기존의 전기강판에 비해 크게 향상된 고주파 저철손 모터용 코어소재의 제조방법에 관한 것이다.

모터용 코어는 모터의 성능을 좌우하는 핵심요소로서 현재 그 소재로서 Fe-Si계 전기강판을 사용하고 있다.

철손은 전기강판에서 직접 발생되는 에너지 손실을 말하며 총에너지 손실의 25% 수준을 차지하고 있으며 1차 및 2차 동손도 코어소재의 특성에 따라 크게 영향을 받으므로 실제 코어소재의 특성은 모터에 있어서 매우 핵심적인 요소라고 할 수 있다. 따라서 기존의 전기강판 보다 특성이 우수한 소재로 대체된다면 철손 뿐만 아니라 코일권수 또한 줄일 수 있으므로 동손도 크게 낮아지는 효과를 얻을 수 있다.

특히, 최근에 들어 고주파 영역에서 작동되는 기기에 대한 수요가 늘어나면서 고주파영역에서 자기적 특성이 우수한 코어소재에 대한 요구가 증대되기 시작하였으며 코스트 측면에서도 모터의 제조비용 중 코어소재의 비중이 50% 이상이 되기 때문에 저렴하면서도 고기능을 발현하는 코어소재 개발이 기대되고 있다.

기존의 Fe-Si 전기강판은 저주파 대역에서 우수한 연자기 특성을 보이나 고주파 영역에서는 철손(core loss)이 증가하고 소음이 발생하는 문제점을 안고 있다.

전기강판은 Si 함량에 따라 전자기 특성이 크게 좌우되며 Si함량이 6.5%가 되면 자기특성이 피크에 달하기 때문에 최근 일본에서 제조기법을 개발하여 이전에는 제조가 불가능하였던 6.5%Si 전기강판을 상용화하였으나 제품단가가 기존소재의 약 10배로 너무 고가이고 가공성 문제로 상업적 적용에 매우 제한적이라는 단점을 갖고 있다.

즉 기존의 코어소재인 3%Si계 전기강판은 값이 6.5%Si 전기강판에 비해 저렴하나 전자기적 특성이 상대적으로 낮고 6.5%Si 전기강판은 전자기특성이 양호한 데 비해 너무 고가이고 가공성이 나쁜 문제점을 안고 있었다.

본 발명은 기판인 Fe-Si계 전기강판에 Al-Si합금을 코팅한 후 확산열처리를 하여 기판 내에 Fe-Si-Al 합금층을 형성시킴으로써 우수한 전자기특성을 갖는 고주파 저철손 모터용 코어소재 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

기판인 2~3 wt%Si 전기강판에 Si함량이 12 ~ 20 wt%인 Al-Si 합금 코팅물질을 코팅한 후, 1050 ~ 1150 ℃의 열처리온도 및 60 ~ 100분의 열처리시간으로 확산 열처리하여, Fe-Al-Si 합금층을 기판 내에 형성시키는 것을 특징으로 하는 고주파 저철손 모터용 코어소재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은, 기판인 Fe-Si계 전기강판에 Al-Si합금 코팅물질을 코팅한 후 확산열처리를 하여 기판 내에 Fe-Si-Al 합금층을 형성시킴으로써, 철손을 감소시켜 에너지 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 고주파 저철손 모터용 코어소재의 제조방법으로서, 기판에 코팅되는 코팅물질의 조성, 코팅방법 및 확산열처리 공정에 특징이 있다. 따라서 이하에서는 본 발명을 [1] 기판, [2] 코팅물질의 조성, [3] 코팅방법, [4] 확산열처리 공정으로 구분하여 설명한다.

[1] 기판

본 발명에서는 Al-Si합금 코팅물질이 코팅되는 기판은 Fe-Si계 전기강판으로 하였다. 이는 되도록 기판의 Si량이 많아져야 확산 열처리온도 및 확산 열처리시간 등 공정측면에서 경제적으로 매우 유리하기 때문이다.

기판의 Si 조성은 2~3%로 제한하는 것이 바람직하다. 2% 미만의 경우에는 전자기적 특성이 미미하고, 반면에 3%를 넘는 경우에는 압연이 불가능하게 되어 기판을 생산할 수가 없기 때문이다. 이때 기판의 코스트 및 가공성 측면을 고려하여 기존의 코어소재인 3%Si계 전기강판을 사용함이 더욱 바람직하다.

[2] 코팅물질의 조성

기판에 코팅되는 코팅물질로는 Al-Si계 합금을 사용한다. 그 이유는 기판소재가 Fe계 합금이므로 기판의 표면에서 Al-Si과의 상호확산에 의해 Fe-Al-Si 3성분계의 합금이 형성되도록 하기 위함이다.

Fe-Al-Si계 합금은 우수한 전자기 특성을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 상용화된 소재로서 센더스트(Sendust(Fe₈₅Al₆Si₉))합금을 들 수 있다. 센더스트(Sendust)합금은 철손이 매우 작으며 고주파대역의 경우 Fe계 코어에 비해 약 80%나 작다. 또한 포화자화밀도가 10,000 Gauss정도로 크고 특히, 자왜정수가 매우 작은 등 전자기 특성이 매우 우수하다. 따라서, 본 발명에서는 기판의 표면과 코팅물질간의 상호확산에 의해 Fe-Al-Si계 합금조성으로 합금화하는 데 착안하였다.

또한 이론상 철손을 줄이기 위한 효과적인 방법으로서 저항을 높임으로써 와전류손을 줄이는 것이 있다. 예를 들면, Fe를 기본으로 하는 합금에서 저항을 크게 하기 위해서는 용질인 Si, Al, P, As 등의 금속을 첨가할 수 있다. 본 발명에서는 야금학적 특성 및 경제성을 고려하여 기판에 Al 및 Si을 첨가함으로써 Fe합금의 철손감소를 도모하고자 하였다.

Al-Si계 합금은 12.6%의 공정점과 비교적 낮은 577 ℃의 공정온도를 갖는 공정합금으로 코팅물질은 확산을 고려하면 공정점 이상의 Al-Si조성이 이상적이다. Si조성이 많게 되면 융점이 높아지고 이로 인하여 확산 열처리온도 또한 높아지게 되고, 반면에 Si양이 너무 적어 아공정 조성영역이 되면 용질금속의 저항효과가 미미하므로 Si조성은 12 ~ 20 wt% 로 제한하는 것이 바람직하다.

[3] 코팅방법

코팅방법으로서 산화방지를 위하여 진공 챔버 내에서 Al-Si합금을 용해하여 증발시키는 증발(evaporation)방법, 산화방지가 가능한 스퍼터링법 또는 이온플레이팅법 등의 물리증착(PVD) 방법 중에서 선택하여 이용할 수 있으며, 바람직한 코팅방법은 증발(evaporation)방법이다. 그 이유는 본 발명은 코팅두께의 조절보다는 코팅속도가 더 중요하기 때문이다.

기판의 양면에 코팅하는 코팅두께는 코팅시간으로 제어할 수 있으며 20 ~ 40 미크론이 바람직하다. 그 이유는 코팅두께가 너무 얇게 되면 확산 열처리시간을 늘린다 하여도 코팅물질의 양이 많기 때문에 기판 전체를 원하는 조성으로 맞출 수가 없으며, 반면에 코팅두께가 너무 두껍게 되면 증착시간이 길어지며 박리 발생이 용이하기 때문이다.

[4] 확산열처리 방법

본 발명은 기판의 두께를 고려할 때 코팅표면에서의 확산거리 범위가 약1.0 mm 정도면 충분하므로 확산 열처리시간은 60 ~ 100분 이내, 확산 열처리온도는 1050 ~ 1150 ℃의 범위로 제한한다.　

확산 열처리시간은 공정코스트를 좌우하는 중요한 변수로 확산 열처리시간이 너무 길어지게 되면 생산성이 저하되며, 반면에 확산 열처리시간이 너무 짧게 되면 기판전체에 Fe-Al-Si합금 형성이 이루어지지 않기 때문이다.

한편 확산 열처리온도는 너무 높게 되면 확산속도가 빨라져 제조공정시간을 단축할 수 있으나 주지된 바와 같이 Al-Si조성의 융점이 낮아, 예를 들면 Al-20% Si의 경우 700 ℃ 정도이므로, 기판상에서 코팅물질이 부분적으로 용융되는 현상이 발생하고, 반면에 온도가 너무 낮게 되면 충분한 확산이 일어나지 않기 때문이다.

상용제품규격과 본 발명을 비교하면 하기 표1과 같다.

[표1]

비교항목	철손(kg/W) @1.5T/50Hz	포화자화(T), B₅₀
상용제품규격	2.1 ~ 2.5	1.62
발명재	1.71 ~ 1.86	1.56 ~ 1.58

상기 표1에 나타난 바와 같이, 발명재는 상용제품에 비해 포화자화는 약 3 ~ 4% 감소한데 반해 철손은 30%나 감소하고 있어 철손특성이 매우 우수함을 알 수 있다.　 즉, 포화자화가 기존 제품보다 다소 낮아지기는 하지만 철손 특성을 크게 향상시킴으로써 코어소재의 에너지 변환 효율을 높일 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예1)

본 발명의 고주파 저철손 모터용 코어소재의 전자기 특성, 특히 철손 및 포화자화 를 검증하기 위하여 다음과 같은 조건의 시편을 제작하고, 그 성능을 시험하였다.

시편제작 조건은 다음과 같다.

- 기판: 0.35 mm 두께의 전기강판 (3%Si, 1.45%Al, 0.23%Mn, 0.003%C)

- 코팅물질 조성: Al-3% Si, Al-6% Si, Al-16% Si

코팅은 챔버 내를 1 × 10^-6 torr 까지 배기한 후 기판을 200 ～300 ℃로 가열하고 상술한 조성의 Al-Si합금을 1kW의 용량의 전자빔으로 용해하여 50 × 50 mm의 기판상에 약 30 미크론의 두께로 증착하였다. 증착된 시편은 진공 열처리로 내에서 10^-6 torr로 배기한 후 각각 5분, 30분, 60분 및 90분간 확산 열처리하였다. 철손 및 포화자화 측정은 싱글 스트립 테스트(Single strip test)를 이용하여 1.5T/50Hz의 조건으로 측정하였다.

하기 표2와 같이 제조된 시편에 대한 코팅물질의 Si조성에 따른 온도별 철손변화 를 측정하고, 그 결과를 도1에 나타내었다.

[표2]

	기판 조성	확산 열처리온도	확산 열처리시간
비교재1	Fe-3%Si	900℃	60분
비교재2	Fe-3%Si	1000℃	60분
발명재1	Fe-3%Si	1070℃	60분

도1에 나타난 바와 같이, Si양이 증가하면 전기강판 내에 Si 및 Al의 상호확산에 의해 비저항이 증가하게 되어 철손은 감소하게 된다. 또한 동일한 Si조성에서 확산 열처리온도가 높을수록 철손이 작은 경향을 보이고 있다. 특히 1070 ℃에서 소둔한 경우(발명재1) 철손이 1.8 W/kg 까지 감소하는 것에 비해 기존의 전기강판(비교재1과 비교재2)은 동일한 측정조건에서 2.1과 2.5 W/kg 을 나타내고 있다.

(실시예2)

하기 표3에 제시된 조건 이외에는 실시예1과 동일한 조건으로 제조된 시편에 대하여, 주파수의 변화에 따른 철손변화를 측정하고 그 결과를 도2에 나타내었다.

이는 고주파 철손특성을 파악하기 위해 측정한 것으로서 고주파 철손 특성은 코어소재에 있어서 매우 중요한 파라메타에 해당한다.　이는 전기자동차용 구동모터가 고속회전을 목적으로 고주파화하기 때문이다.

[표3]

	기판 조성	코팅물질의 조성	확산 열처리온도	확산 열처리시간
종래재	Fe-3%Si	코팅 안함	1030℃	60분
발명재2	Fe-3%Si	Al-15%Si	1070℃	60분
발명재3	Fe-3%Si	Al-16%Si	1030℃	90분

도2에 나타난 바와 같이, 주파수를 50Hz에서 400Hz까지 증가시키면서 1.0T에서 철손을 측정한 결과 주파수가 높아질수록 철손은 증가하고 있으나 주파수가 증가함에 따라 본 발명(발명재2, 발명재3)의 코어소재와 기존의 전기강판(종래재)과의 철 손의 차이가 크게 됨을 알 수 있다. 특히 400Hz에서는 기존의 전기강판(종래재)의 16.4에 비해 1/2수준인 8.7 (발명재3)까지 낮아짐을 알 수 있다.

(실시예3)

하기 표4에 제시된 조건 이외에는 실시예1과 동일한 조건으로 제조된 시편에 대하여, 확산 열처리시간에 따른 포화자화의 변화를 측정하기 위한 비교재1,2와 발명재의 실험조건을 나타낸 것이다.

[표4]

	기판 조성	코팅물질의 조성	확산 열처리온도
비교재3	Fe-3%Si	Al-3%Si	1030℃
비교재4	Fe-3%Si	Al-6%Si	1030℃
발명재4	Fe-3%Si	Al-16%Si	1030℃

도3은 확산 열처리시간에 따른 포화자화의 변화를 나타내는 것으로 확산 열처리시간을 5분에서 90분까지 변경하면서 포화자화를 측정한 것이다. 도3에 나타난 바와 같이, 시간이 증가함에 따라 포화자화값이 증가하는 경향을 보이고 있다. 특히 16%Si의 경우 포화자화는 1.56T로 큰 수치를 나타내었다.

도1은 Si조성에 따른 철손 변화를 나타내는 그래프

도2는 주파수의 변화에 따른 철손 변화를 나타내는 그래프

도3은 확산 열처리시간에 따른 포화자화의 변화를 나타내는 그래프

Claims

기판인 2~3 wt%Si 전기강판에

Si함량이 12 ~ 20 wt%인 Al-Si 합금 코팅물질을 코팅한 후,

1050 ~ 1150 ℃의 열처리온도 및 60 ~ 100분의 열처리시간으로 확산 열처리하여,

Fe-Al-Si 합금층을 기판 내에 형성시키는 것을 특징으로 하는 고주파 저철손 모터용 코어소재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 기판의 Si 함량은 3 wt%인 것을 특징으로 하는 고주파 저철손 모터용 코어소재의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 코팅두께가 20~40 미크론인 것을 특징으로 하는 고주파 저철손 모터용 코어소재의 제조방법.