KR101405802B1 - 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치 - Google Patents

온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구자석의 온도분포에 따라 자석의 표면에서 Dy를 확산시키는 GBDP(Grain Boundary Diffusion Process) 공법을 적용함으로써, 자속밀도(Br)값의 감소없이 보자력값을 높일 수 있을 뿐만 아니라 Dy 함량을 절감하여 원가를 낮출 수 있는 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치에 관한 것이다.

Description

온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치{Rotor permanent magnet apparatus for drive motor considering temperature distribution}
본 발명은 온도분포에 따라 영구자석 표면에 보자력 증대용 물질을 다르게 확산시켜 자속밀도 손실 없이 보자력을 향상시킬 수 있는 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치에 관한 것이다.
최근의 모터는 다른 자성 재료를 흡인하거나 반발하거나 하는 능력 및 외부 에너지 없이 영구적으로 정자계를 발생하는 능력을 갖는 자석을 이용한, 소위 영구자석형 모터가 주류가 되고 있다.
자석이 물리적으로 보아 다른 자성 재료와 다른 점은 외부 자계를 없앤 후에도 유효한 자화(M)가 남고, 열이나 비교적 큰 역자계 등을 추가했을 때, 처음으로 자화 반전(감자)이 일어나고, 그에 따라 자화(M)의 저하가 일어난다고 하는 점이다.
도 1은 구동모터의 회전자 내부에 설치된 영구자석의 온도분포를 보여주는 시뮬레이션 그림으로서, 구동모터가 연속부하 4000rpm으로 작동 시 회전자 내부에 설치된 영구자석의 중심부는 붉은색 혹은 노란색 계열로 표시되어 온도가 높고, 이러한 현상이 발생하는 이유는 영구자석의 양쪽 측면에 비해 영구자석의 중심부에서 열이 외부로 잘 방출되지 못하기 때문이다.
이와 같이 영구자석의 중심부 온도가 상승하는 경우 감자되기 쉬운 문제점이 있다.
한편, 자석마다 각기 보자력이 다른데, 보자력은 자석의 감자에 영향을 준다.
예를 들어 자석의 보자력이 높으면 높을수록 고온에서 감자되기 어렵고, 반대로 보자력이 낮으면 낮을수록 고온에서 감자되기 쉽다.
따라서, 상기 영구자석의 중심부 온도가 상승하는 경우 감자되기 쉬운 문제점을 해결하기 위해 보자력을 높은 자석을 사용하기도 한다.
또한, 기존에는 Nd(네오디뮴) 자석에 Dy(디스프로슘)을 혼합하여, Dy의 함량을 높게 함으로써 자석의 보자력을 높일 수 있다.
그러나, Dy의 함량을 크게 하는 경우 보자력을 높일 수 있지만 잔류자속밀도(Br)값이 낮아지는 문제점이 있다.
또한, 기존의 보자력을 상승시키기 위해 Dy 함량을 높게 하는 경우에 온도가 높은 영구자석의 중심부와 온도가 낮은 영구자석의 양쪽 측면부에 상관없이 모두 고가의 Dy 함량이 일정하게 적용되므로, 영구자석 전체의 원가를 상승시키는 요인이 된다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 미국공개특허 2010-0171386호, 일본공개특허 2011-0078269호에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 영구자석의 온도분포에 따라 자석의 표면에서 Dy를 확산시키는 GBDP(Grain Boundary Diffusion Process) 공법을 적용함으로써, 자속밀도(Br)값의 감소없이 보자력값을 높일 수 있을 뿐만 아니라 Dy 함량을 절감하여 원가를 낮출 수 있는 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치는 구동모터의 회전자 내부에 설치된 영구자석; 상기 영구자석 표면에 형성되어 자석의 보자력을 증가시킬 수 있도록 된 보자력 증대용 물질을 포함하고, 상기 보자력 증대용 물질은 온도분포에 따라 고온이 되는 부분에 상대적으로 많이 형성되어 감자를 막을 수 있는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 보자력 증대용 물질은 Dy(디스프로슘)인 것을 특징으로 한다.
상기 보자력 증대 물질은 GBDP(Grain Boundary Diffusion Process) 공법에 의해 자석의 표면에 확산되는 방식으로 형성되고, 온도분포에 따라 보자력 증대 물질의 확산량을 가변시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 영구자석의 온도분포에 따라 고온이 되는 영구자석의 축방향 중심부에서는 영구자석의 표면에 적용되는 Dy 확산량을 많게 하여 영구자석의 보자력을 높이는 방식으로 감자를 막을 수 있고, 온도가 상대적으로 낮은 영구자석의 축방향 양단부에서는 Dy 확산량을 적게 하여, 기존의 보자력이 높은 하나의 자석을 사용하는 경우에 비해 전체 평균 자속밀도 값을 증가시킬 수 있다.
둘째로, 기존의 Nd 영구자석에 Dy를 혼합하는 것이 아니라 자석의 표면에 Dy를 확산시키며 확산량을 조절함으로써 종래기술 대비 자속밀도 감소 없이 Dy의 사용량 및 원가를 절감할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 구동모터의 작동시 회전자 내부의 영구자석에서 온도분포를 보여주는 도면
도 2는 본 발명의 Dy 확산량에 따른 보자력 값을 보여주는 도면
도 3은 본 발명의 온도분포에 따른 영구자석의 보자력 및 Dy 사용량을 보여주는 도면
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2는 본 발명의 Dy 확산량에 따른 보자력 값을 보여주는 도면이고, 도 3은 본 발명의 온도분포에 따른 영구자석의 보자력 및 Dy 사용량을 보여주는 도면이다.
본 발명은 방열 부족으로 고온이 되는 감자취약부의 보자력을 향상시킬 수 있는 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에서는 기존의 Nd 자석에 Dy를 혼합하여 만드는 것이 아니라, Dy를 Nd 자석의 표면에 확산시키는 GBDP(Grain Boundary Diffusion Process) 공법을 적용함으로써 자속밀도의 감소 없이 보자력을 향상시킬 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이 왼쪽 측면에 GBDP 공법을 사용한 경우에 Dy 확산량에 따른 보자력 값이 달라지는데, Dy가 많이 확산된 부분(표면)에서는 보자력(Hcj)값이 높고, Dy가 적게 확산된 부분(내부)에서는 보자력 값이 낮게 된다.
본 발명은 GBDP 공법을 이용하여 표면에 Dy가 확산되며 축방향으로 보자력이 연속적인 단일 영구자석(11)을 제공한다.
본 발명에 따른 영구자석(11)은 구동모터의 회전자(10) 내부에 원주방향으로 일정한 간격을 두고 설치된다.
이때, 방열 부족으로 고온이 되는 감자 취약부는 영구자석(11)에서 축방향 중심부이므로, 본 발명에서는 Dy를 영구자석(11)의 표면에서 고온이 되는 축방향 중심부에 Dy를 가장 많이 확산시키고, 축방향 양단부에는 Dy를 적게 확산시킨다.
여기서, 영구자석(11)의 축방향 양단부에서 중심부로 갈수록 급상승하는 것이 아니므로, 이러한 온도분포를 고려하여 본 발명에 따른 Dy 확산량을 영구자석(11)의 축방향 중심부에 갑자기 많이 확산시키거나 영구자석(11)의 양단부에 갑자기 적게 확산시키는 것이 아니라, Dy 확산량을 점진적으로 크게 혹은 적게 연속적으로 증감시킨다.
예를 들면, Dy 확산량을 영구자석(11)의 한쪽 측면에 작게 하고, 축방향 중심부로 갈수록 점진적으로 크게 하다가 축방향 중심부에서 최대가 되고, 축방향 반대쪽 측면으로 갈수록 다시 점진적으로 작게 하다가 축방향 반대쪽 측면에서 한쪽 측면과 동일하게 작게 한다.
이때, 영구자석(11)의 축방향 양단부에서 보자력이 낮지만 자속밀도(Br)값은 높고, 영구자석(11)의 축방향 중심부에서 보자력은 높지만 자속밀도값은 낮다.
따라서, 본 발명에 의하면 영구자석(11)의 온도분포에 따라 고온이 되는 영구자석(11)의 축방향 중심부에서는 영구자석(11)의 표면에 적용되는 Dy 확산량을 많게 하여 영구자석(11)의 보자력을 높이는 방식으로 감자를 막을 수 있고, 온도가 상대적으로 낮은 영구자석(11)의 축방향 양단부에서는 Dy 확산량을 적게 하여, 기존의 보자력이 높은 하나의 자석을 사용하는 경우에 비해 전체 평균 자속밀도 값을 증가시킬 수 있다.
또한, 기존의 Nd 영구자석에 Dy를 혼합하는 것이 아니라 자석(11)의 표면에 Dy를 확산시키며 확산량을 조절함으로써 종래기술 대비 자속밀도 감소 없이 Dy의 사용량 및 원가를 절감할 수 있다.
10 : 회전자
11 : 영구자석

Claims (4)

  1. 구동모터의 회전자(10) 내부에 설치된 영구자석(11);
    상기 영구자석(11) 표면에 형성되어 자석(11)의 보자력을 증가시킬 수 있도록 된 보자력 증대용 물질;
    을 포함하고, 상기 보자력 증대용 물질은 온도분포에 따라 고온이 되는 부분에 상대적으로 많이 형성되어 감자를 막을 수 있는 것을 특징으로 하는 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보자력 증대용 물질은 Dy(디스프로슘)인 것을 특징으로 하는 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보자력 증대 물질은 GBDP(Grain Boundary Diffusion Process) 공법에 의해 자석(11)의 표면에 확산되는 방식으로 형성되고, 온도분포에 따라 보자력 증대 물질의 확산량을 가변시키는 것을 특징으로 하는 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 보자력 증대용 물질은 영구자석의 축방향 양단부에서 고온이 되는 축방향 중심부 표면으로 갈수록 그 양이 점차적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 온도분포를 고려한 구동모터의 회전자 영구자석 장치.
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