KR102436321B1 - 영구 자석, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 모터 - Google Patents

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Abstract

실시 예의 영구 자석은 a-b-c (a는 희토류계 원소를 포함하고, b는 전이 원소를 포함하고, c는 붕소(B)를 포함한다.)로 표기되는 베이스 자석; 상기 베이스 자석의 표면 중 제1 표면에 코팅되는 제1 코팅층; 및 상기 표면 중 상기 제1 표면을 제외한 제2 표면에 코팅되는 제2 코팅층을 포함하고, 상기 제1 코팅층은 자성을 갖는 금속을 포함하되 온도 감자율이 -0.35 내지 -0.05(%/K)이고, 상기 제2 코팅층은 열전도율이 100 W/(m·K) 이상일 수 있다.

Description

영구 자석, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 모터{Permanent magnet, method for manufacturing the magnet, and motor including the magnet}
실시 예는 영구 자석, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 모터에 관한 것이다.
최근에. 자동차용 모터나 승강기(elevator)용 모터 등의 모터류에 Nd-Fe-B 계 영구 자석이 사용되고 있다. 이러한 영구 자석은 그의 용도에 따라, 고온이나 습기가 많은 환경 특히, 염분을 함유한 습기에 노출될 수 있다. 따라서, 높은 내식성을 가지면서도 낮은 제조 비용으로 제조될 수 있는 영구 자석이 요구되고 있다.
또한, 모터류의 제조 공정 또는 동작 환경에서 단시간이지만 영구 자석이 200℃ 내지 300℃ 이상으로 가열될 수 있어, 높은 내열성도 요구된다. Nd-Fe-B계 영구 자석은 자력을 상실하는 큐리 온도가 300℃ 부근이다. 따라서, 고온 환경 하에서도 영구 자석이 자력을 유지하도록 하기 위해, 최근 중희토류 원소 예를 들어, 디스프로슘(Dy)이나 테르븀(Tb) 원소를 사용하지만, 중희토류 원소는 고가인 문제점이 있다.
따라서, 고가의 중희토류 원소의 사용량을 절감하기 위해, 영구 자석의 표면에 중희토류 원소를 코팅한 후 확산 열 처리를 통해 결정립계를 개선하는 연구가 진행되고 있다.
또한, Nd-Fe-B계 영구 자석은 공기와 접촉되면 쉽게 산화되므로 자력이 감소할 수 있어, 영구 자석의 표면을 도금 및 코팅 처리하여 영구 자석의 표면에 보호층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 보호층은 인산염 피막이나, 에폭시나, 전해/무전해 Ni 및 Al을 포함할 수 있다. 그러나, 영구 자석의 표면에 형성되는 기존의 보호층은 비자성 물질로 이루어지기 때문에 영구 자석의 성능의 저하를 야기할 수 있다.
또한, 영구 자석의 표면에 보호층을 인산염 피막으로 형성할 경우 핀홀(pin hole)이 상대적으로 많이 존재하기 때문에, 염분을 함유한 습기에 노출된 영구 자석에 녹이 슬 수도 있다. 또한, 영구 자석의 표면에 보호층을 수지 도장에 의해 형성할 경우 내식성 및 내열성이 부족해질 수 있다.
실시 예는 우수한 내식성과, 내열성과, 산화 방지와 개선된 자기 특성을 갖는 영구 자석, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 모터를 제공한다.
일 실시 예에 의한 영구 자석은 a-b-c (a는 희토류계 원소를 포함하고, b는 전이 원소를 포함하고, c는 붕소(B)를 포함한다.)로 표기되는 베이스 자석; 상기 베이스 자석의 표면 중 제1 표면에 코팅되는 제1 코팅층; 및 상기 표면 중 상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면에 코팅되는 제2 코팅층을 포함하고, 상기 제1 코팅층은 자성을 갖는 금속을 포함하되 온도 감자율이 -0.35(%/K) 내지 -0.05(%/K)이고, 상기 제2 코팅층은 열전도율이 100W/(m·K) 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 a는 네오디뮴(Nd)이고, 상기 b는 철(Fe)일 수 있다.
예를 들어, 상기 주기율표 4주기에 속하는 금속은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 중에서 선택된 1종을 포함할 수 있다. 상기 주기율표 4주기에 속하는 금속은 코발트(Co)일 수 있다. 상기 인(P)의 함량은 1% 내지 12%일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 코팅층의 두께는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 코팅층의 두께는 1 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다.
예를 들어, 상기 영구 자석의 주변 온도가 120℃일 때, 상기 영구 자석은 11.71kG보다 큰 잔류 자속 밀도를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 영구 자석의 주변 온도가 120℃일 때, 상기 영구 자석은 7.0kOe보다 큰 보자력을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 코팅층은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 사이의 측면에 더 코팅될 수 있다.
또 다른 실시 예에 의한 모터는 원통형의 관통홈이 형성된 고정자; 상기 고정자의 내주면에 배치된 복수개의 고정자 권선 슬롯; 상기 고정자의 상기 관통홈에 배치된 회전자; 상기 회전자와 결합하는 복수개의 영구자석을 포함하고, 상기 영구자석은 a-b-c (a는 희토류계 원소를 포함하고, b는 전이 원소를 포함하고, c는 붕소(B)를 포함한다.)로 표기되는 베이스 자석; 상기 베이스 자석의 표면 중 제1 표면에 코팅되는 제1 코팅층; 및 상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면에 코팅되는 제2 코팅층을 포함하고, 상기 제1 코팅층은 자성을 갖는 금속을 포함하되 온도 감자율이 -0.35(%/K) 내지 -0.05(%/K)이고, 상기 제2 코팅층은 열전도율이 100W/(m·K) 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 영구자석 각각은 복수의 면을 포함하되, 상기 제2 표면은 상기 복수의 면 중 적어도 상기 회전자의 회전축과 가장 인접한 면을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 코팅층은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 사이의 측면에 더 코팅될 수 있다.
실시 예에 따른 영구 자석, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 모터는 산화 방지와 우수한 내열성과 개선된 자기 특성을 가지며 우수한 가격 경쟁력과 생산성을 갖는다.
도 1은 영구 자석의 시뮬레이션된 BH 히스테리시스 그래프의 일례를, 도 2는 도 1의 그래프의 각 지점별 강자성체의 스핀 상태를 각각 나타낸다.
도 3은 실시 예에 의한 영구 자석의 단면도를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는 코팅층이 CoP로 구현될 경우, 인의 함량별로 서로 다른 코팅층의 표면 모습을 국부적으로 확대 촬영한 사진들이다.
도 5는 도 3에 도시된 실시 예에 의한 영구 자석의 'A' 부분을 실제 확대 촬영한 사진을 나타낸다.
도 6은 실시 예 의한 영구 자석의 잔류 자속 밀도를 코팅층의 두께별로 나타내는 그래프이다.
도 7은 다른 실시 예에 의한 영구 자석의 단면도를 나타낸다.
도 8은 또 다른 실시 예에 의한 영구 자석의 단면도를 나타낸다.
도 9는 도 3에 도시된 영구 자석을 제조하는 실시 예에 의한 영구 자석 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 10은 일 실시 예에 의한 전해 도금 장치의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 11은 비교 례와 일 실시예에서 온도에 따른 외부에서 인가되는 자장의 강도에 대한 자속 밀도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12a는 SPM 모터의 단면도를 나타내고, 도 12b는 IPM 모터의 단면도를 나타내고, 도 12c는 스포크 타입 모터의 단면도를 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영구 자석을 설명하기 앞서, 영구 자석의 자성 열화가 발생하는 형태를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 영구 자석의 고온에서 시뮬레이션된 BH 히스테리시스 그래프의 일례를, 도 2는 도 1의 그래프의 각 지점별 강자성체의 스핀 상태를 각각 나타낸다.
도 1의 그래프에서 횡축은 외부에서 인가된 자장의 강도(H)를 나타내며 단위는 Oe이며, 종축은 M/MS값을 나타낸다. 여기서, M/MS값은 자장 내에 자성 물질이 놓여 있을 때 자성 물질에 유도되는 자화(magnetization)를 정규화한(normalized) 값을 의미한다. 시뮬레이션 환경의 온도는 300K이다.
도 2는 도 1의 ① 내지 ④에 대응되는 각 지점에서 영구자석의 스핀방향 변화를 나타내는 4개의 자구 매트릭스가 도시된다. 도 2의 각 매트릭스에서 상부 방향은 영구자석의 표면을, 양측단은 영구자석의 가장자리에 각각 대응된다. 따라서, 도 2의 각 매트릭스에서 상부 양측단은 영구자석의 모서리에 해당한다.
도 1과 2를 함께 참조하면, 그래프의 ① 지점에서 ② 및 ③ 지점을 거쳐 ④지점으로 순차적으로 이동하는 경우, 표면과 모서리에서부터 역자구가 형성되어 스핀 전환이 점차 자석의 중심(바디)로 확산됨을 알 수 있다. 특히, 이러한 변화는 온도 변화에 따라 외부 자계 변화가 내부 자계 변화에 미치는 정도를 나타내는 온도 감자율(Reversible temperature coefficient for Hci, %/K)이 높을수록 쉽게 발생하는 경향을 보인다.
일반적으로 영구자석에 사용되는 강자성체는 온도 감자율이 높기 때문에, 고출력 모터와 같은 고온 환경에 놓일 경우 자성 열화가 쉽게 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는, 열원에 인접하여 배치될 때 고온에 의한 자성 열화에 강건하도록 영구자석의 표면에 온도 감자율이 작은 경자성 물질을 배치하여 역자구 형성을 억제하고 보자력 특성이 향상되도록 할 것을 제안한다.
도 3은 실시 예에 의한 영구 자석(100A)의 단면도를 나타낸다.
도 3에 도시된 영구 자석(100A)은 베이스(base) 자석(110) 및 제1 코팅층(120)을 포함할 수 있다.
베이스 자석(110)은 a-b-c로 표기될 수 있다. 여기서, a는 희토류계 원소를 포함하고, b는 전이 원소를 포함하고, c는 붕소(B)를 포함할 수 있다.
a는 희토류 원소인 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 또는 Lu 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, a는 네오디뮴(Nd) 또는 사마륨(Sm)일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, b는 전이 원소 중 어느 하나일 수 있으며, 예를 들어, 철(Fe)일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
따라서, a-b-c로 표기되는 베이스 자석(110)은 예를 들어 NdFeB일 수 있다.
또한, 베이스 자석(110)의 표면은 보이드(VOID)를 포함할 수 있다.
계속해서, 도 3을 참조하면, 제1 코팅층(120)은 베이스 자석(110)의 표면에 코팅된 형태로 배치될 수 있다. 제1 코팅층(120)은 온도 감자율이 낮은 경자성 물질로, 경자성을 갖는 금속 또는 금속을 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 코팅층(120)은 -0.35%/K 내지 -0.05%/K의 온도 감자율을 가질 수 있다. 또한, 제1 코팅층(120)은 사마륨 코발트(SmCo), 인(P) 및 주기율표 4주기에 속하는 금속, 예를 들어 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 이들이 화합물 등을 포함할 수 있다.
제1 코팅층(120)에 포함되는 화합물은 CoP일 경우, 즉, 주기율표 4주기에 속하는 금속이 코발트(Co)일 경우, CoP는 베이스 자석(110)의 산화를 방지하는 기능을 수행할 수 있고 자성을 가질 수 있다. 또한, CoP는 낮은 온도 감자율로 고온 환경에서 베이스 자석(110)의 자성 열화를 저감시킬 수 있다.
따라서, 제1 코팅층(120)은 인(P)과 코발트(Co)를 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 4a 내지 도 4d는 제1 코팅층(120)이 CoP로 구현될 경우, 인(P)의 함량별로 서로 다른 제1 코팅층(120)의 표면 모습을 국부적으로 확대 촬영한 사진들이다.
도 4a는 인(P)의 함량이 1% 미만인 경우이고, 도 4b는 인(P)의 함량이 1% 내지 6%인 경우이고, 도 4c는 인(P)의 함량이 7% 내지 12%인 경우이고, 도 4d는 인(P)의 함량이 12% 초과한 경우이다. 참조부호 120A는 미세 나노 결정 CoP를 나타낸다.
만일, 제1 코팅층(120)에 포함된 인(P)의 함량이 1% 미만일 경우, 도 4a를 참조하면, 10 ㎛ 내지 20 ㎛ 크기의 과대 결정립이 생성되어 베이스 자석(110)의 표면에 존재하는 보이드(VOID)를 제1 코팅층(120)의 입자로 메우기 어려울 수 있다.
또는, 제1 코팅층(120)에 포함된 인(P)의 함량이 12%를 초과할 경우, 도 4d를 참조하면 비정질화도가 급격히 높아져서 침상이 형성되어, 베이스 자석(110)의 표면과 제1 코팅층(120)의 밀착력이 저하되어 이들(110, 120)이 박리되는 현상이 발생할 수도 있다. 따라서, 제1 코팅층(120)에 포함되는 인(P)의 함량은 1% 내지 12%일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
전술한 바와 같이, 제1 코팅층(120)에 포함되는 인(P)의 함량을 1% 내지 12%의 범위 내에서 조절함으로써, 보이드(VOID)에 매립되는 제1 코팅층(120)의 입자 크기를 조절할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 코팅층(120)의 적어도 일부는 베이스 자석(110)의 표면에 존재하는 보이드에 매립될 수 있다. 이를 위해, 제1 코팅층(120)을 이루는 입자의 크기는 보이드의 크기보다 작을 수 있다. 예를 들어, 보이드의 폭(Φ)은 10 ㎛ 내지 40 ㎛일 수 있으며, 제1 코팅층(120)을 이루는 입자의 크기는 이러한 보이드의 폭(Φ)보다 작을 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 5는 도 3에 도시된 실시 예에 의한 영구 자석(100A)의 'A' 부분을 실제 확대 촬영한 사진을 나타낸다.
도 3 및 도 5을 참조하면, 제1 코팅층(120)의 두께(T1)는 보이드(VOID)의 깊이(D)보다 큼을 알 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 제1 코팅층(120)의 두께(T1)는 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
이하, 비교 례 및 실시 예에 의한 영구 자석의 잔류 자속 밀도(Br)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 비교 례에 의한 영구 자석은 도 3에 도시된 베이스 자석(110)의 표면에 제1 코팅층(120)을 형성하는 대신에 베이스 자석(110)의 표면을 인산염 처리한다. 인산염 처리의 경우, 베이스 자석(110)의 표면을 인위적으로 산화시킨다.
도 6은 실시 예 의한 영구 자석의 잔류 자속 밀도(Br)를 제1 코팅층(120)의 두께(T1)별로 나타내는 그래프로서, 종축은 잔류 자속 밀도(Br)를 나타낸다.
도 6은 실시 예에 의한 도 3에 도시된 베이스 자석(110)이 NdFeB로 구현되고, 제1 코팅층(120)이 CoP로 구현될 경우에 획득된 그래프로서, 코팅층(120)의 두께(T)에 따라 영구 자석(100A)의 잔류 자속 밀도(Br)가 달라짐을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 코팅층(120)의 두께(T)가 5 ㎛(T1=Ta)이거나, 10 ㎛(T1=Tb)이거나, 15 ㎛(T1=Tc)이거나 20 ㎛(T1=Td)일 때 모두 비교 례보다 잔류 자속 밀도(Br)가 더 큼을 알 수 있다.
도 6에 예시된 바와 같이, 실시 예에 의한 영구 자석(100A)에서 제1 코팅층(120)인 CoP의 두께(T1)가 20㎛만큼 커짐에 따라, 잔류 자속 밀도(Br)가 감소하는 경향을 볼 수 있다. 이는, 베이스 자석(110)인 NdFeB와 제1 코팅층(120)에 포함된 Co와의 상호작용이 감소하기 때문이다. 또한, 제1 코팅층(120)인 CoP 도금의 두께(T1)가 1㎛만큼 작아짐에 따라, 베이스 자석(110)인 NdFeB의 표면과 산소가 만날 가능성이 높아져 녹이 발생할 수도 있다.
따라서, 도 3에 도시된 코팅층(120)의 두께(T)는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 제1 코팅층(120)은 제1 및 제2 면(S1, S2)을 포함할 수 있다. 제1 면(S1)은 베이스 자석(110)과 대면하는 면이며, 제2 면(S2)은 제1 면(S1)의 반대측 면이다.
제1 코팅층(120)의 제1 면(S1)과 대면하는 베이스 자석(110)의 외부면의 거칠기는 제1 코팅층(120)의 제2 면(S2)의 거칠기보다 클 수 있다. 즉, 기존의 영구 자석은 베이스 자석(110) 만을 포함하고 코팅층(120)을 포함하지 않으므로, 그의 최외곽면의 거칠기는 크다.
반면에 실시 예에 의한 영구 자석(100A)은 제1 코팅층(120)이 베이스 자석(110)의 표면에 형성됨으로써, 그(100A)의 최외곽 면의 거칠기가 기존의 영구 자석보다 감소될 수 있다. 이는 베이스 자석(110)의 보이드(VOID)에 제1 코팅층(120)이 매립될 수 있기 때문이다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 베이스 자석(110)의 표면 중 일부에는 제1 코팅층(120)이 배치되고, 나머지 표면에는 제1 코팅층(120)을 구성하는 물질과 이종인 제2 코팅층이 배치될 수 있다. 이를 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7은 다른 실시예에 의한 영구자석(100B)의 단면도를, 도 8은 또 다른 실시예에 의한 영구자석(100C)의 단면도를 각각 나타낸다.
도 7과 도 8에서 베이스 자석(110)은 육면체 형상을 갖는 것으로 가정한다. 다만, 이는 설명의 편의를 위한 예시적인 것으로, 실시예에 따른 영구자석(100B, 100C)은 베이스 자석(110)의 형상에 한정되지 아니한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 다른 실시예에 따른 영구자석(100B)은 베이스(base) 자석(110), 제1 코팅층(120) 및 제2 코팅층(130)을 포함할 수 있다.
베이스(base) 자석(110)과 제1 코팅층(120)은 도 3을 참조하여 전술한 바와 같으므로 중복되는 기재는 생략하기로 한다.
제2 코팅층(130)은 우수한 열전도성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 코팅층(130)은 100W/(m·K) 이상의 열전도율을 가질 수 있다. 우수한 열전도성을 갖는 물질의 예로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 등의 금속 원소나, 그라파이트, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 탄소 복합재료를 포함할 수 있다. 제2 코팅층(130)의 두께(T2)는 1 ㎛ 내지 30㎛일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 아울러, 제2 코팅층(130) 또한 베이스 자석(110)의 보이드에 매립될 수 있음은 물론이다.
이러한 제2 코팅층(130)은 열원이 영구자석에 대하여 특정 방향에 배치될 때 특히 효과적일 수 있다. 예컨대, 도 7 및 도 8과 같이 영구자석이 육면체 형상을 가질 때, 열원이 영구자석의 상면(S3)과 대면하는 방향에 위치하고, 적어도 영구자석의 저면(S4)은 일정 값 이상의 열전도율을 갖거나 열용량이 비교적 큰 물체와 접촉할 경우를 가정한다. 이러한 경우, 제1 코팅층(120)은 적어도 영구자석의 상면에 배치되고 제2 코팅층(130)은 적어도 영구자석에서 제1 코팅층(120)과 대향하는 표면, 즉, 저면(S4)에 배치될 수 있다. 그에 따라, 열원에 가까운 면에 배치된 제1 코팅층에 의해 영구 자석은 자성 열화에 강건해지며, 열원에 의해 영구 자석에 전달된 열은 배면의 제2 코팅층에 의해 외부로 신속히 방출될 수 있는 효과가 있다.
상면(S3)과 저면(S4)을 제외한 나머지 측면의 경우, 도 7과 같이 모두 제1 코팅층(120)이 배치될 수도 있고, 도 8과 같이 저면(S3)에서부터 상면(S4) 방향으로 일부 측면에 걸쳐 제2 코팅층(130)이 연장될 수도 있다. 이러한 제1 코팅층(120)과 제2 코팅층의 분배는 열원과의 상대적 거리나 영구자석(100B, 100C)이 배치될 때 접촉하는 다른 물체와의 상대적 위치 관계, 열의 방출과 자성 열화 방지의 상대적 중요도 등을 고려하여 다양하게 변경될 수 있음은 당업자에 자명하다.
물론, 도시되지는 아니하였으나, 실시예에 따른 영구자석(100A, 100B, 100C)의 제1 코팅층(120) 및 제2 코팅층(130)의 외곽에는 부식 방지를 위한 방청 처리 또는 니켈(Ni) 코팅이 추가로 수행될 수도 있다.
이하, 전술한 실시 예에 의한 영구 자석(100A)의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 9는 도 3에 도시된 영구 자석(100A)을 제조하는 실시 예에 의한 영구 자석 제조 방법(200)을 설명하기 위한 플로우차트이다.
이하, 도 3에 도시된 영구 자석(100A)은 도 9에 도시된 방법(200)에 의해 제조되는 것으로 설명하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 도 3에 도시된 영구 자석(100A)은 도 9에 도시된 방법(200)과 다른 방법에 의해 제조될 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 방법(200)은 도 3에 도시된 바와 다른 영구 자석(100)을 제조할 수도 있다.
실시 예에 의한 영구 자석 제조 방법(200)에 의하면, 먼저, 베이스 자석(110)을 준비한다(제210 단계). 베이스 자석(110)은 전술한 바와 같이, a-b-c로 표기될 수 있다. 여기서, a, b 및 c는 전술한 바와 같으므로 중복되는 설명을 생략한다.
만일, 베이스 자석(110)이 NdFeB일 경우, 제210 단계는 다음과 같이 수행될 수 있다.
수십 마이크로 정도의 자성 분말을 성형, 소결/열처리, 절단 가공 및 연마하여 베이스 자석(110)을 형성할 수 있다. 이와 같이, NdFeB로 이루어진 베이스 자석(110)을 생성하는 방법은 일반적이므로, 여기서, 상세한 설명을 생략한다.
한편, 제210 단계를 수행한 이후, 베이스 자석(110)의 표면에 제1 코팅층(120)을 형성한다(제220 단계). 제1 코팅층(120)은 사마륨 코발트(SmCo), 인(P) 및 주기율표 4주기에 속하는 금속, 예를 들어 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 이들이 화합물 등을 포함할 수 있다. 제1 코팅층(120)에 포함되는 화합물은 전술한 바와 같으므로 중복되는 설명을 생략한다. 예를 들어, CoP에 의해 제1 코팅층(120)을 형성할 경우 CoP 파티클이 베이스 자석(110)의 표면에 도금되어 보이드(VOID)를 메우면서 제1 코팅층(120)으로서 형성될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 무전해 도금법 또는 전해 도금법을 이용하여 제220 단계를 수행할 수 있다. 즉, 무전해 도금법 또는 전해 도금법을 이용하여, 베이스 자석(110)의 표면에 제1 코팅층(120)을 형성할 수 있다.
이하, 전해 도금법에 의해 제1 코팅층(120)을 형성하는 제220 단계에 대해 다음과 같이 설명한다.
도 10은 일 실시 예에 의한 전해 도금 장치(300)의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 10에 도시된 전해 도금 장치(300)는 수조(302), 전해 용액(304), 양극(305), 음극(306) 및 전원 공급부(308)를 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 제220 단계는 도 10에 도시된 전해 도금 장치(300)에서 수행될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 도 9에 도시된 제220 단계는 도 10에 도시된 전해 도금 장치(300)와 다른 구성을 갖는 전해 도금 장치에서도 수행될 수 있다.
먼저, 코발트(Co) 금속과 인(P)을 함유한 전해질 용액(304) 즉 도금액을 수조(302)에 담는다. 이때, 수조(302)에 양극(305)과 음극(306)을 넣고 전원 공급부(308)로부터 두 전극(305, 306) 사이로 전류를 흘려준다. 전류가 연속적으로 흐르기 위해서는 전극(305, 306)과 전해질 수용액(304) 간의 계면에서 전하이동이 일어나야 한다. 이때, 전해질 수용액(304)의 코발트 금속 이온이 음극(306) 계면에서 환원되고 음이온들은 양극(305)에서 산화된다. 이와 같이, 음극(306)에서 코발트 금속 이온(310)이 환원되어 석출됨으로써, 음극(306)에 놓은 베이스 자석(110)의 표면에 제1 코팅층(120)인 CoP의 얇은 막이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 영구자석(100B, 100C)의 경우, 도 9의 220 과정을 수행함에 있어 마스킹 과정이 추가되며, 제1 코팅층(120)에 대한 도금 과정과 제2 코팅층(130)에 대한 도금 과정이 각각 수행되어 총 2회의 도금 과정이 수행될 수 있다. 구체적으로, 베이스 자석(110)에서 제2 코팅층(130)이 배치될 표면이 마스킹된 상태에서 제1 코팅층(120)을 형성하기 위한 도금 과정이 먼저 수행될 수 있다. 그에 따라 베이스 자석(110)의 표면에서 마스킹된 표면을 제외한 표면에만 제1 코팅층(120)이 형성되면, 제1 코팅층(120)이 다시 마스킹되고, 제2 코팅층이 배치될 표면의 마스킹이 제거된다. 이후 제2 코팅층(130)을 형성하기 위한 도금과정이 수행될 수 있다. 그에 따라 베이스 자석(110)의 표면에서 마스킹이 제거된 부분에만 제2 코팅층(130)이 형성될 수 있으며, 제1 코팅층(120)의 마스킹을 제거하여 다른 실시예에 따른 영구자석(100B, 100C)이 제작될 수 있다. 물론, 제1 코팅층(120)과 제2 코팅층(130)의 도금 순서는 반대로 수행되어도 무방하며, 구체적인 도금 과정은 전술한 바와 같으므로 중복되는 기재는 생략하기로 한다.
이하, 전술한 실시 예에 의한 영구 자석(100)과 비교 례에 의한 영구 자석을 다음과 같이 비교하여 설명한다. 비교 례의 영구 자석의 경우, 전술한 바와 같이, 베이스 자석(110)의 표면에 제1 코팅층(120)이 형성되지 않고, 베이스 자석(110)의 표면이 인산염 처리된다. 실시 예에 의한 영구 자석의 경우, NdFeB로 이루어진 베이스 자석(110)의 표면에 Co로 이루어진 제1 코팅층(120)이 형성된 것으로 설명한다.
일반적으로, 영구 자석의 자기 특성(magnetic property)을 나타내는 지표로서, 잔류 자속 밀도(Br), 보자력(Hc) 등이 있다. 보자력(Hc)이란 히스테리시스 루프(hysteresis loop)에서 자속 밀도(B)가 '0'이 되는 자장에 해당한다. 비교 례에 의한 영구 자석과 실시 예에 의한 영구 자석(100)의 자기 특성과 온도 계수를 비교하면 다음 표 1과 같을 수 있다.
구분 비교례 실시예
측정온도 Br( kG ) Hc ( kOe ) Br( kG ) Hc ( kOe )
상온 13.44 18.88 13.47 20.10
120 11.71 6.55 11.76 7.20
150 11.07 4.60 11.14 5.19
표 1을 참조하면, 비교 례에 대비하여 실시 예에 의한 영구 자석(100)은 동일 온도에서 모든 자성 특성이 우수함을 알 수 있다. 즉, 비교 례에 대비하여 실시 예에 의한 영구 자석(100)은 코팅층(120)이 베이스 자석(110)의 표면에 배치됨으로써, 개선된 자성 특성과 우수한 온도 계수를 가짐을 알 수 있다. 이에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
실시 예에 의한 영구 자석(100)은 그의 주변 온도가 120℃일 때 11.71kG보다 큰 잔류 자속 밀도(Br)를 가질 수 있으며, 그의 주변 온도가 150℃일 때 11.07kG보다 큰 잔류 자속 밀도(Br)를 가질 수 있다.
또한, 실시 예에 의한 영구 자석(100)은 그의 주변 온도가 120℃일 때 7 kOe보다 큰 보자력(Hc)을 가질 수 있으며, 그의 주변 온도가 150℃일 때 5kOe보다 큰 보자력(Hc)을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 실시 예에 의한 영구 자석(100)은 동일 온도에서 비교 례에 의한 영구 자석보다 우수한 잔류 자속 밀도(Br)를 갖는다.
따라서, 실시 예에 의한 영구 자석(100)을 모터류 등에 장착할 때, 모터의 토크가 잔류 자속 밀도(Br)에 비례하므로, 동작점 관점에서 보다 높은 자속 밀도를 제공할 수 있으므로, 모터의 출력 향상에 기여할 수도 있다.
일반적으로 자석의 특성은 히스테리시스 곡선(hysteresis curve)의 크기와 모양을 통해 쉽게 파악할 수 있다. 예를 들어, 연자성체(soft magnetic material)는 외부로부터 인가된 자장에 의해 상대적으로 쉽게 자화된다. 이러한 연자성체는 작은 히스테리시스 루프를 보인다. 예를 들어, 연자성체는 높은 초기 투자율과 낮은 보자력을 갖는다. 반면에 외부로부터 인가된 자장에 의해 초기에 경자성체(hard magnetic material)를 자화시키기 어렵다. 경자성체는 큰 히스테리시스 루프를 보인다. 예를 들어, 경자성체는 높은 잔류 자기와 높은 포화 선속 밀도를 갖는다.
도 11은 표 1에 도시된 비교 례와 일 실시예에서 온도에 따른 외부에서 인가되는 자장의 강도(H)에 대한 자속 밀도(J:Magnetic flux density)의 변화를 나타내는 그래프로서, 횡축은 외부에서 인가된 자장의 강도(H)를 나타내고, 종축은 자장 내에 자성 물질이 놓여 있을 때 자성 물질에 유도되는 자속 밀도(J)를 나타낸다.
도 11의 경우 상온에서, 비교 례와 실시 예의 자속 밀도 변화를 비교하여 보인다. 도 11을 참조하면, 실시 예의 경우 비교 례보다 더 우수한 자성을 가짐을 알 수 있다. 그 이유는 다음과 같다.
베이스 자석(110)의 표면에 많은 보이드(VOID) 같은 결함이 존재한다. 이러한 베이스 자석(110)의 표면의 결함으로부터 핵이 생성되기 시작하여 자석 전체로 자구가 이동함으로써 감자가 발생할 수 있다. 비교 례에 의한 영구 자석의 경우 베이스 자석(110)의 표면을 인산염 처리하여 베이스 자석(110)의 산화를 방지할 수 있지만, 베이스 자석(110)의 표면에 보이드(VOID)가 여전히 존재하므로 감자가 발생하여 자성 특성이 저하될 수 있다.
반면에, 실시 예에 의한 영구 자석(100)의 경우, 베이스 자석(110)의 표면의 역자구 생성의 주된 원인인 보이드(VOID)를 미세한 나노 결정 입자를 갖는 코팅층(120, 130)으로 메워 치밀화한다. 게다가, 코팅층(120, 130)은 우수한 자성 성능을 가지며, 자성 열화 방지 및 열 방출 기능을 가지므로, 베이스 자석(110)과 상호 작용하여 영구 자석(100)의 감자 성능을 개선시킬 수 있다.
또한, 비교 례에 의한 영구 자석의 경우 베이스 자석(110)의 표면을 인산염 처리하거나 비자성 원소를 이용하여 보호층을 형성함으로써 베이스 자석(110)의 산화를 방지할 수 있다. 이와 같이, 베이스 자석(110)의 표면에 형성되는 보호층은 산화 방지가 주된 목적이다.
반면에, 실시 예에 의한 영구 자석(100)의 경우 베이스 자석(110)의 표면에 자성을 갖는 코팅층(120, 130)을 형성하여 산화 방지뿐만 아니라 내열 특성을 개선시키면서도 우수한 자성 특성을 가질 수 있다.
또한, 영구 자석의 내열성을 개선시키기 위해 고가의 중희토류 원소(예를 들어, Dy, Tb)를 사용하는 기존과 달리, 실시 예에 의하면 중희토류 원소보다 가격이 낮은 자성체 예를 들어, CoP를 이용하여 무전해 도금법이나 전해 도금법으로 코팅층(120, 130)을 베이스 자석(110)에 형성하기 때문에, 영구 자석(100)의 원가를 절감시켜 가격 경쟁력이 높아지고 생산성이 높아질 수 있다.
실시 예에 의한 영구 자석(100)은 자동차, 승강기 또는 청정 에너지 등의 다양한 분야에서 예를 들어, 모터, 발전기 또는 배터리 등에 적용될 수 있다.
이하, 실시 예에 의한 영구 자석(100)을 포함하는 모터의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.
도 12a는 SPM(Surface Permanent Magnet) 모터의 단면도를 나타내고, 도 12b는 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터의 단면도를 나타내고, 도 12c는 스포크 타입(spoke type)(회전자의 측면으로 삽입) 모터의 단면도를 나타낸다.
에너지 고효율 모터로서, 영구 자석(PM:Permanent Magment) 모터가 있다. 영구 자석 모터는 도 12a에 도시된 SPM 모터와 도 12b에 도시된 IMP 모터와 도 12c에 도시된 스포크 타입 모터로 구분될 수 있다. 여기서, 도 12c에 도시된 스포크 타입 모터는 도 12b에 도시된 IMP 모터의 변형된 실시 예이다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c에 도시된 SPM 모터, IMP 모터, 스포크 타입 모터 각각은 고정자(stator)(402, 412, 422), 고정자 권선(stator winding) 슬롯(404, 414, 424), 영구 자석(406, 416, 426) 및 회전자(rotor)(408, 418, 428)를 포함할 수 있다.
고정자(402, 412, 422)는 그 내부가 원통형으로 관통되는 링 형상의 단면을 갖는다. 고정자(402, 412, 422)의 내주면에는 고정자(402, 412, 422)를 관통하는 방향으로 연장되는 복수의 고정자 권선 슬롯(404, 414, 424)이 형성된다. 코일이 권선 슬롯(404, 414, 424)을 따라 그 연장 방향으로 권선될 수 있다. 권선 슬롯(404, 414, 424)의 수는 모터의 설계에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 27개의 권선 슬롯(404, 414, 424)이 일정한 간격으로 배치될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이 고정자(402, 412, 422)의 내부에는 회전자(408, 418, 428)가 배치될 수 있다. 이때, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이 고정자(402, 412)는 원통형으로 관통될 수 있다. 이때 회전자(408, 418, 428)는 고정자(402, 412, 422)가 관통된 공간에 설치되는 부재로서, 고정자(402, 412, 422)에 권취된 코일에 전류가 흐름에 따라 발생하는 전자기력을 받아 회전할 수 있도록 복수의 영구자석(406, 416, 426)을 포함하여 구성될 수 있다. 회전자(408, 418, 428)에는 회전축(도면 미도시) 등이 연결되어 압축기 내부에 구비되는 압축부로 회전력을 전달할 수도 있다. 이를 위해, 회전자(404, 418, 428)에 영구 자석(406, 416, 426)이 삽입될 수 있도록 회전자(408, 418, 428)의 회전축에 나란하게 관통 형성되는 복수의 삽입공이 형성될 수 있다. 삽입공에는 각각 영구 자석(406, 416, 426)이 회전자(408, 418, 428)의 회전축 방향과 평행한 방향 또는 회전축 방향으로 삽입될 수 있다, 이때 인접한 삽입공에는 서로 다른 극을 갖는 영구 자석(406, 416, 426)이 삽입될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c에 도시된 영구 자석(406, 416, 426)으로서, 전술한 실시 예에 의한 영구 자석(100)이 사용될 수 있다. 이때, 실시 예에 의한 영구 자석(100)은 보자력(Hc)이 크기 때문에 도 12a, 도 12b 또는 도 12c에 도시된 모터에 적용되어, 고정자(stator)(402, 412, 422)의 코일에 대전류를 보낼 수 있게 설계될 수 있어, 모터의 성능을 개선시킬 수 있다. 즉, 실시 예에 의한 영구 자석(100)을 모터에 실장 시에 발생하는 역자계 방향은 대부분 면외 방향과 반대 방향으로서, 이 방향으로 보자력(Hc)이 클수록 성능이 우수해진다. 이를 고려할 때, 고정자 코일에 전류가 흐르면서 자석에 역자계(외부 자기장)가 형성되는 데, 보자력(Hc)이 크면 이 역자계에 견딜 수 있는 능력이 향상되어 모터의 성능이 개선될 수 있다.
뿐만 아니라, 고정자(402, 412, 422)에 권취된 코일에 전류가 흐름에 따라 고열이 발생하게 되나, 영구 자석(406, 416, 426)의 표면 중 고정자(402, 412, 422)에 인접한 표면에 온도 감자율이 낮은 제1 코팅층(120)이 배치되면 영구 자석(406, 416, 426)은 열에 의한 자성 열화에 강건해질 수 있다. 또한, 영구 자석(406, 416, 426)의 표면 중 고정자(402, 412, 422)에 권취된 코일과 비교적 거리 있는 표면, 예컨대, 회전자(404, 418, 428)의 회전축(미도시)에 인접한 표면에 열전도율이 높은 제2 코팅층(130)이 배치되면 영구 자석(406, 416, 426)의 열이 회전자(404, 418, 428) 방향으로 신속히 방출될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 영구 자석 110: 베이스 자석
120: 제1 코팅층 130: 제2 코팅층
300: 전해 도금 장치 302: 수조
304: 전해 용액 305: 양극
306: 음극 308: 전원 공급부
402, 412, 422: 고정자 404, 414, 424: 고정자 권선 슬롯
406, 416, 426: 영구 자석 408, 418, 428: 회전자

Claims (12)

  1. a-b-c (a는 희토류계 원소를 포함하고, b는 전이 원소를 포함하고, c는 붕소(B)를 포함한다.)로 표기되는 베이스 자석;
    상기 베이스 자석의 표면 중 제1 표면에 코팅되는 제1 코팅층; 및
    상기 표면 중 상기 제1 표면을 제외한 제2 표면에 코팅되는 제2 코팅층을 포함하고,
    상기 제1 코팅층은 경자성을 갖는 금속을 포함하되 온도 감자율이 -0.35 내지 -0.05(%/K)이고,
    상기 제2 코팅층은 열전도율이 100W/(m·K) 이상인 영구 자석.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 a는 네오디뮴(Nd)이고, 상기 b는 철(Fe)인 영구 자석.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 베이스 자석의 표면은 보이드를 포함하고,
    상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 적어도 일부는 상기 베이스 자석의 상기 보이드에 매립된 영구 자석.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 코팅층의 두께는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛인 영구 자석.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제2 코팅층의 두께는 1 ㎛ 내지 30 ㎛인 영구 자석.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 영구 자석의 주변 온도가 120℃일 때, 상기 영구 자석은 11.71kG보다 큰 잔류 자속 밀도를 갖는 영구 자석.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 영구 자석의 주변 온도가 120℃일 때, 상기 영구 자석은 7.0kOe보다 큰 보자력을 갖는 영구 자석.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 제2 코팅층은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 사이의 측면에 더 코팅된 영구 자석.
  9. 원통형의 관통홈이 형성된 고정자;
    상기 고정자의 내주면에 배치된 복수개의 고정자 권선 슬롯;
    상기 고정자의 상기 관통홈에 배치된 회전자; 및
    상기 회전자와 결합하는 복수개의 영구자석을 포함하고,
    상기 영구자석은
    a-b-c (a는 희토류계 원소를 포함하고, b는 전이 원소를 포함하고, c는 붕소(B)를 포함한다.)로 표기되는 베이스 자석;
    상기 베이스 자석의 표면 중 제1 표면에 코팅되는 제1 코팅층; 및
    상기 표면 중 상기 제1 표면을 제외한 제2 표면에 코팅되는 제2 코팅층을 포함하고,
    상기 제1 코팅층은 자성을 갖는 금속을 포함하되 온도 감자율이 -0.35 내지 -0.05(%/K)이고,
    상기 제2 코팅층은 열전도율이 100 W/(m·K) 이상인 모터.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 영구자석 각각은 복수의 면을 포함하되,
    상기 제2 표면은 상기 복수의 면 중 적어도 상기 회전자의 회전축과 가장 인접한 면을 포함하는, 모터.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 a는 네오디뮴(Nd)이고, 상기 b는 철(Fe)인 모터.
  12. 제9 항에 있어서, 상기 제2 코팅층은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 사이의 측면에 더 코팅된 모터.
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