KR20070023644A - 레이디얼 이방성 원통 소결 자석 및 영구 자석 모터용 원통다극 자석의 제조 방법 - Google Patents

레이디얼 이방성 원통 소결 자석 및 영구 자석 모터용 원통다극 자석의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

금형의 코어의 재질에 강자성체를 사용하고, 금형 캐버티 내에 충전한 자석 분말을 수평 자장 수직 성형법에 의해 자석 분말에 배향 자계를 인가하여 성형하고, 소결함으로써 원통의 직경 방향의 잔류 자속 밀도가 원통의 둘레 방향을 따라 90°의 주기로 증감하고, 원통의 전체 둘레에서의 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최대값이 0.95∼1.60 T, 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최소값이 최대값의 50∼95%인 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 제조하는 방법, 및 이 자석을 잔류 자속 밀도가 극소값을 나타내는 직경 방향을 중앙으로 하는 둘레 방향±10°의 범위 내에 N극과 S극의 경계가 위치하도록 착자 하는 영구 자석 모터용 원통 다극 자석의 제조 방법.
Figure 112006057473310-PCT00001
강자성체, 자장, 분말, 소결 자석, 자속, 다극 자석, 영구 자석

Description

레이디얼 이방성 원통 소결 자석 및 영구 자석 모터용 원통 다극 자석의 제조 방법{METHODS OF PRODUCING RADIAL ANISOTROPIC CYLINDER SINTERED MAGNET AND PERMANET MAGNET MOTOR-USE CYLINDER MULTI-POLE MAGNET}
본 발명은 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법, 및 서보모터, 스핀들 모터 등의 동기식 영구 자석 모터용 원통 자석 로터로서 적합한 영구 자석 모터용 원통 다극 자석의 제조 방법에 관한 것이다.
페라이트나 희토류 합금과 같은 결정 자기이방성 재료를 분쇄하고, 특정한 자장 중에서 프레스 성형을 행하여 제작되는 이방성 자석은 스피커, 모터, 계측기, 그 밖의 전기기기 등에 널리 사용되고 있다. 이 중, 특히 레이디얼 방향에 이방성을 갖는 자석은, 자기 특성이 우수하고, 자유로운 착자가 가능하고, 또한 세그먼트 자석과 같은 자석 고정용의 보강도 필요 없기 때문에, AC 서보모터, DC 브러시레스 모터 등에 사용되고 있다. 특히, 최근은 모터의 고성능화에 따라, 긴 레이디얼 이방성 자석이 요구되고 있다.
레이디얼 배향을 갖는 자석은 수직 자장 수직 성형법 또는 후방 압출법에 의해 제조된다. 수직 자장 수직 성형법은 프레스 방향에서, 코어를 통하여 자장을 대항 방향으로 인가하여, 레이디얼 배향을 얻는 것을 특징으로 하는 것이다. 즉, 수 직 자장 수직 성형법은 도 2에 도시되는 바와 같이, 배향 자장 코일(2)에서 발생시킨 자장을 코어(4 및 5)를 통하여 대항시키고, 코어(4, 5)로부터 다이(3)를 통과하고, 성형기 프레임(1)을 거쳐 순환하는 자기 회로에서, 충전 자석 분말(8)을 레이디얼 배향시키는 것이다. 또한, 도면 중 6은 상펀치, 7은 하펀치이다.
이렇게, 이 수직 자장 수직 성형 장치에서, 코일에 의해 발생한 자계는 코어, 다이, 성형기 프레임, 코어로 이루어지는 자로를 형성시키고 있다. 이 경우, 자장 누설 손실 저하를 위해, 자로를 형성하는 부분의 재료에는 강자성체를 사용하고, 주로 철계 금속이 사용된다. 그러나, 자석 분말을 배향시키기 위한 자장 강도는 이하와 같이 하여 결정되어버린다.
상하 코어를 통과한 자속이 코어 중앙에서 부딪혀 대항하고, 다이에 이르지만, 코어를 통과한 자속량은 코어의 포화 자속 밀도로 결정되고, 철제 코어에서 자속 밀도가 2.0 T 정도이다. 따라서, 자석 분말 충전 내외경에서의 배향 자장은 상하 코어를 통과한 자속량을 자석 분말 충전부의 내면적 및 외면적으로 나눈 것이 되고, 코어 직경을 B(자석 분말 충전 내경), 다이 직경을 A(자석 분말 충전 외경), 자석 분말 충전 높이를 L이라고 하면,
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
로 된다. 외주에서의 자장은 내주보다 작으므로, 자석 분말 충전부 모두에 있어서 양호한 배향을 얻기 위해서는, 외주에서 10 kOe 이상 필요하고, 이 때문에, 10·B2/(A·L)=10이 되고, 따라서, L=B2/A가 된다. 성형체 높이는 충전분말의 높이의 약 반이고, 소결시, 또한 8할 정도로 되므로, 자석의 높이는 대단히 작아진다. 이렇게 코어의 포화 자속 밀도가 배향 자계의 강도를 결정하기 때문에 코어 형상에 따라 배향가능한 자석의 크기, 즉 높이가 결정되어 원통 축 방향으로 긴 것을 제조하는 것이 곤란하였다. 특히, 직경이 작은 원통 자석에서는 대단히 짧은 것 밖에 제조할 수 없었다.
또한, 후방 압출법은 설비가 대규모이고, 수율이 나빠, 저렴한 자석을 제조하는 것이 곤란하였다.
이렇게 레이디얼 이방성 자석은 상기 방법으로는 제조가 곤란하며, 저렴하게 대량으로 제조하는 것은 더욱 어렵고, 레이디얼 이방성 자석을 사용한 모터도 대단히 코스트가 높아지게 되어버린다고 하는 불리함이 있었다.
소결 자석으로 레이디얼 이방성 링 자석을 제조하는 경우, 이방성화에 따라, 소결 및 시효 냉각 과정에서, 자석의 C축 방향과 C축 수직 방향과의 선팽창 계수의 차에 의해 발생하는 응력이 자석의 기계적 강도보다 클 경우, 갈라짐이나 크랙이 발생하여, 문제가 된다. 이 때문에, R-Fe-B계 소결 자석에서는 내외직경비 0.6 이상의 자석 형상으로만 제조가 가능하였다(히타치 금속기보, Vol.6, p.33-36). 또한, R-(Fe, Co)-B계 소결 자석에서는, Fe를 치환한 Co는 합금 조직 중 주상인 2-14-1상에 포함될 뿐만 아니라, R리치 상 중에서 R3Co를 형성하고, 기계적 강도를 현저하게 저감한다. 게다가, 퀴리 온도가 높기 때문에, 냉각시의 퀴리 온도∼실온 사 이에서의 C축 방향 및 C축 수직 방향의 열팽창률 변화량도 커져, 갈라짐, 크랙의 발생 원인인 잔류 응력이 증대한다. 이 때문에, R-(Fe, Co)-B계 레이디얼 이방성 링 자석은 Co가 들어가지 않은 R-Fe-B계 자석보다 더욱 형상 제한이 엄격하여, 내외직경비 0.9 이상의 형상에서 밖에, 안정한 자석생산을 행할 수 없었다. 게다가, 작은 직경의 레이디얼 자석의 경우, 두께가 엷더라도 내외직경비가 작아져버리기 때문에, 특히 심각한 문제이다. 또한, 페라이트 자석, Sm-Co계 자석에서도, 동일한 이유로 인해, 갈라짐, 크랙이 발생하여, 안정 생산을 할 수 없는 상태이다.
레이디얼 이방성화에 수반되는 소결 및 시효 냉각 과정에서 발생하는 갈라짐 또는 크랙의 원인이 되는 둘레 방향의 잔류 응력은 페라이트 자석에 관한 Kools의 검토 결과(F. Kools, Science of Ceramics, Vol.7(1973), p.29-45)에 개시되고, 식 (1)과 같이 표시된다.
σθ = △T△αEK2/(1-K2)·(KβKηK-l-Kβ-Kη-K-1-1)……(1)
σθ: 둘레 방향의 응력
△T: 온도차
△α: 선팽창 계수의 차(α∥-α⊥)
E: 배향 방향의 영률
K2: 영률의 이방성비(E⊥/E∥)
η: 위치(r/외경)
βK: (1-ρ1+K)/(1-ρ2K)
ρ: 내외직경비(내경/외경)
상기 식 중, 갈라짐 또는 크랙의 원인에 가장 큰 영향을 주는 항은, △α: 선팽창 계수의 차(α∥-α⊥)이며, 페라이트 자석, Sm-Co계 희토류 자석, Nd-Fe-B계 희토류 자석에서는, 결정 방향에 의한 열팽창률의 차(열팽창 이방성)는 퀴리 온도로부터 발현되고, 냉각시의 온도저하에 의해 증대한다. 이 때, 잔류 응력이 자석의 기계 강도 이상이 되어 갈라지게 된다.
상기 식에 의한, 배향 방향과 배향 방향에 수직한 방향에서의 열팽창의 차이에 의한 응력은, 원통 자석이 전체 둘레에 걸쳐 직경 방향으로 레이디얼 배향하기 때문에 발생한다. 따라서, 일부가 레이디얼 배향과 상이한 배향을 갖는 원통 자석을 제조하면 갈라짐이 발생하지 않는다. 예를 들면, 수평 자장 수직 성형법에 의해 제작된, 원통축에 수직한 1방향으로 배향된 원통 자석은 Sm-Co계 희토류 자석, Nd-Fe(Co)-B계 희토류 자석 어느 타입의 자석에서도 갈라지지 않는다.
갈라짐은 레이디얼 배향이기 때문에 발생하는 것이지만, 통상 레이디얼 자석에서는, 갈라짐을 막기 위해서 레이디얼 자석의 레이디얼 방향으로의 배향을 흩뜨리고, C축 방향에서의 열팽창과 C축 수직 방향에서의 열팽창의 차를 줄이는 방법을 채택한다. 그러나, 이 방법에서는 모터의 토크의 기원이 되는 자석으로부터의 자속이 감소되어, 고성능 모터로는 되지 않는다.
발명의 개시
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 다연식 물품, 긴 물품을 용이하게 제조 가능하고, 특히 내외직경비가 작은 형상이어도, 소결시나 시효 냉각 과정에서 갈라짐, 크랙의 발생이 없고, 자기 특성이 양호한 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 제조하는 방법, 및 이 방법에 의해 얻어진 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 사용하여 영구 자석 모터용 원통 다극 자석을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해서, 원통 자석용 성형 금형의 코어의 적어도 일부의 재질에 포화 자속 밀도 0.5T 이상을 갖는 강자성체를 사용하고, 금형 캐버티 내에 충전한 자석 분말을 수평 자장 수직 성형법에 의해 자석 분말에 배향 자계를 인가하여 성형하고, 얻어진 성형체를 소결함으로써 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 제조하는 방법으로서, 하기 (i)∼(iii)
(i) 자장 인가 후, 자석 분말을 금형 둘레 방향으로 90˚ 회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하는 것,
(ii) 자장 인가 후, 자장 발생 코일을 자석 분말에 대하여 금형 둘레 방향으로 90° 회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하는 것, 및
(iii) 2세트의 자장 발생 코일 쌍을, 코일 쌍의 서로의 자장 인가 방향을 직교시키고 금형 둘레면을 둘러싸도록 배치하고, 일방의 코일 쌍으로 자장 인가 후, 타방의 코일 쌍으로 자장을 인가하는 것의 조작 중 적어도 하나의 조작을 행하고, 원통의 직경 방향의 잔류 자속 밀도가 원통의 둘레 방향을 따라 90°의 주기로 증감하고, 원통의 전체 둘레에서의 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최대값이 0.95∼1.60 T, 또한 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최소값이 최대값의 50∼95%인 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 얻는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법을 제공한다.
이 방법에 의하면, 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 원통의 직경 방향의 잔류 자속 밀도를 원통의 둘레 방향을 따라 증감하게 하여, 의도적으로 국소배향을 흩뜨리게 할 수 있어서, 소결시나 시효 냉각 과정에서 갈라짐, 크랙의 발생이 없으므로, 자기 특성이 양호한 레이디얼 이방성 원통 소결 자석, 특히 레이디얼 이방성 희토류 원통 소결 자석을 제조할 수 있고, 특히 내외직경비가 작은 형상에서도 갈라짐, 크랙이 없는 우수한 자기 특성을 갖는 레이디얼 이방성 원통 소결 자석, 특히 레이디얼 이방성 희토류 원통 소결 자석을 제조할 수 있다.
이 경우, 성형 직전의 상기 1의 조작 또는 성형시에 있어서, 자석 분말에 인가하는 자장이 1.25×105/π∼2×106/πA/m(0.5∼8 kOe)인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 얻어진 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 그 잔류 자속 밀도가 극소값을 나타내는 직경 방향을 중앙으로 하는 둘레 방향±10°의 범위 내에 N극과 S극의 경계가 위치하도록 4n극(n은 1∼20의 정수)으로 착자하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 모터용 원통 다극 자석의 제조 방법을 제공한다.
배향의 흐트러짐이 있는 잔류 자속 밀도가 극소값을 나타내는 부위를 포함하는, 잔류 자속 밀도가 극소값을 나타내는 직경 방향을 중앙으로 하는 둘레 방향±10°의 범위 내에, 원통 자석의 둘레 방향으로 배열된 N극과 S극의 경계를 위치시킴으로써 모터의 회전시에 유해한 토크 리플을 경감할 수 있고, 또한 N극 및 S극으로부터 발생하는 자속량을 크게 할 수 있다. 그 때문에 얻어진 영구 자석 모터용 원통 다극 자석은 서보모터, 스핀들 모터 등의 동기식 영구 자석 모터용 원통 자석 로터로서 적합하다.
발명의 효과
본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법에 의하면, 내외직경비가 작은 형상에서도 소결 및 시효 냉각 과정의 갈라짐, 크랙이 없고, 우수한 자기 특성을 갖는 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 영구 자석 모터용 원통 다극 자석의 제조 방법에 의하면, 서보모터, 스핀들 모터 등의 동기식 영구 자석 모터용 원통 자석 로터로서 적합한, 우수한 자기 특성을 갖는 영구 자석 모터용 원통 다극 자석을 제조할 수 있고, 이것을 사용한 영구 자석 모터는 저렴하고 고성능인 것이 된다.
도 1은 본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 제조할 때에 사용하는 수평 자장 수직 성형 장치의 하나의 실시예를 도시하는 설명도이고, (a)는 평면도, (b)는 종단면도이다.
도 2는 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 제조할 때에 사용하는 종래의 수직 자장 수직 성형 장치를 도시하는 설명도이고, (a)는 종단면도, (b)는 (a)도에서 의 A-A'선의 단면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 장치에 의해 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 제조할 때의 자장 발생시의 자력선의 모습을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법은 원통 자석용 성형 금형의 코어의 적어도 일부의 재질에 포화 자속 밀도 0.5 T 이상을 갖는 강자성체를 사용하고, 금형 캐버티 내에 충전한 자석 분말을 수평 자장 수직 성형법에 의해 자석 분말에 배향 자계를 인가하여 성형하고, 얻어진 성형체를 소결함으로써 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 제조하는 방법으로, 하기 (i)∼(iii)
(i) 자장 인가 후, 자석 분말을 금형 둘레 방향으로 90°회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하는 것,
(ii) 자장 인가 후, 자장 발생 코일을 자석 분말에 대하여 금형 둘레 방향으로 90°회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하는 것, 및
(iii) 2세트의 자장 발생 코일 쌍을, 코일 쌍의 서로의 자장 인가 방향을 직교시켜서 금형 둘레면을 둘러싸도록 배치하고, 일방의 코일 쌍으로 자장 인가 후, 타방의 코일 쌍으로 자장을 인가 하는 것의 조작 중 적어도 하나의 조작을 행하고, 원통의 직경 방향의 잔류 자속 밀도가 원통의 둘레 방향을 따라 90°의 주기로 증감하고, 원통의 전체 둘레에서의 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최대값이 0.95∼1.60 T, 또한 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최소값이 최대값의 50∼95%인 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 얻는 것이다.
본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법에서는 원통 자석용 성형 금형의 코어의 적어도 일부의 재질에 포화 자속 밀도 0.5 T 이상을 갖는 강자성체를 사용하고, 금형 캐버티 내에 충전한 자석 분말을 수평 자장 수직 성형법에 의해 자석 분말에 배향 자계를 인가하여 성형하고, 얻어진 성형체를 소결함으로써 제조한다.
이러한 방법에서 사용하는 수평 자장 수직 성형 장치로서는, 예를 들면, 도 1에 도시되는 바와 같은 장치를 들 수 있다. 도 1은 원통 자석의 성형시, 자장중 배향을 행하기 위한 수평 자장 수직 성형 장치의 설명도이며, 이 수평 자장 수직 성형 장치는 특히 모터용 자석을 제조하기 위해서 바람직한 것이다. 여기에서, 도 2의 경우와 같이, 1은 성형기 프레임, 2는 배향 자장 코일, 3은 다이를 나타내고, 또 5a는 코어를 나타낸다. 6은 상펀치, 7은 하펀치, 8은 충전 자석 분말 이며, 또 9는 폴 피스를 나타낸다.
이 경우, 도 1중 5a로 표시되는 코어와 같은, 원통 자석용 성형 금형의 코어의 적어도 일부, 바람직하게는 전체를 포화 자속 밀도가 0.5 T 이상, 바람직하게는 0.5∼2.4 T, 더욱 바람직하게는 1.0∼2.4 T의 강자성체로 형성한다. 이러한 코어 재질로서는 Fe계 재료, Co계 재료 및 그것들의 합금 재료 등의 소재를 사용한 강자성체를 들 수 있다.
도 3(b)에 도시되는 바와 같이, 코어(5b) 전체를 비자성 또는 자석 분말과 동등한 포화 자속 밀도를 갖는 재료로서 사용한 경우, 자력선은 도 3(b)에 도시되는 바와 같이, 서로 평행이고, 도면에서 중앙부근(인가 자장의 수평 방향 중앙부) 은 레이디얼 방향이 되지만, 상측 및 하측(인가 자장의 수평 방향 양측부)을 향함에 따라서 코일에 의한 배향 자장 방향으로 된다.
이에 반해, 포화 자속 밀도가 0.5 T 이상의 강자성체를 코어에 사용하면, 자석 분말에 배향 자계를 인가할 때, 자속은 강자성체에 수직하게 들어가려고 하기 때문에 레이디얼에 가까운 자력선을 그린다. 따라서, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 자석 분말 충전부의 자계 방향을 레이디얼 배향에 근접시킬 수 있다.
또한, 코어를 강자성체로 형성해도 코어의 포화 자속 밀도가 0.5 T 미만인 경우에는 코어가 용이하게 포화되어 버리고, 강자성 코어를 사용했음에도 불구하고, 자장이 도 3(b)에 도시되는 상태에 근접하게 되어 유효하게 레이디얼 배향시킬 수 없고, 게다가 0.5 T 미만에서는 충전된 자석분의 포화 밀도(자석의 포화 자속 밀도×충전율)와 동일하게 되어, 충전 자석 분말 및 강자성 코어 내에서의 자속의 방향이 코일의 자계 방향과 동일하게 되고 만다. 또한, 코어의 일부에 0.5 T 이상의 강자성체를 사용하면, 상기한 작용을 주는 것이 가능하지만, 그 작용의 크기로부터 코어 전체가 강자성체인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법에서는 하기 (i)∼(iii)
(i) 자장 인가 후, 자석 분말을 금형 둘레 방향으로 90˚ 회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하는 것,
(ii) 자장 인가 후, 자장 발생 코일을 자석 분말에 대하여 금형 둘레 방향으로 90˚ 회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하는 것, 및
(iii) 2세트의 자장 발생 코일 쌍을, 코일 쌍 상호의 자장 인가 방향을 직교시켜서 금형 둘레면을 둘러싸도록 배치하고, 일방의 코일 쌍으로 자장 인가 후, 타방의 코일 쌍으로 자장을 인가하는 것의 조작 중 적어도 하나의 조작을 행함으로써 자장을 인가하는 방법이 바람직하다.
수평 자장 수직 성형 장치를 사용한 경우, 처음의 자장 인가는 도 3(a)에 도시되는 바와 같은 상태가 되고, 충전된 자석 분말은 원통의 자장 인가 방향 중앙부 및 자장 인가 방향 양측부와 겹치는 부위에서는 자장 인가 방향으로 배향하고, 다른 부위에서는 레이디얼에 가까운 배향으로 된다.
다음에 충전된 자석 분말을 이전의 자장 인가 방향에 대하여 수평 방향(원통 단면 방향)으로 90°회전시키거나, 또는 충전된 자석 분말에 대하여, 자장 발생 코일을 수평 방향으로 90°회전시키고 다시 자장을 인가하는 것, 또는 미리 2세트의 자장 발생 코일 쌍을, 코일 쌍의 상호 자장 인가 방향을 직교시켜서 금형 둘레면을 둘러싸도록 배치해 두고, 일방의 코일 쌍으로 인가한 이전의 자장 인가 방향에 대해 자장 인가 방향이 직교하는 타방의 코일 쌍으로 자장을 인가함으로써 이전의 자장 인가 방향에 대하여 원통 단면 방향에서 상대적으로 직교하는 방향으로 자장을 인가한다.
이 자장 인가에 의해, 원통의 자장 인가 방향 중앙부 및 자장 인가 방향 양측부와 겹치는 부위 이외에서는 레이디얼 방향으로 자장이 인가되기 때문에, 레이디얼 방향으로의 배향도가 높아진다. 한편, 원통의 자장 인가 방향 중앙부 및 자장 인가 방향 양측부와 겹치는 부위에서는 그 전의 자장 인가에 의한 배향 방향에 대 해 수직으로 자장이 인가되게 되는데, 이 부위에서의 모든 자석 입자가 새롭게 인가한 자장 방향으로 배향되지는 않는다. 그 때문에, 자석을 구성하는 각 자석 입자는 뿔뿔이 흩어진 방향으로 배향되게 된다.
이 일방향으로부터 자장을 인가한 후, 이전의 자장 인가 방향에 대해 상대적으로 직교하는 방향으로 자장을 인가하는 조작을 복수회 행하면 보다 효과가 크다. 또한, 상기 조작을 복수회 반복하는 경우, 자장 인가 방향을 반전하여 역방향으로부터 자장 인가를 행하는 것도 효과적이다.
또한, 이 조작을 바람직하게는 2∼10회 반복함으로써 이 경향은 현저하게 되고, 반복 회수가 많으면 원통의 전체 둘레에 대해, 잔류 자속 밀도가 낮아지는 부위가 보다 좁은 범위가 되므로 바람직하다. 원통의 내외직경비가 작을수록, 또한 작은 직경일수록 잔류 자속 밀도가 낮아지는 부위를 보다 좁게 할 수 있다. 그러나, 반복 회수가 많을 수록 성형의 택트 타임이 길어져, 생산성이 손상되기 때문에, 반복 회수는 3∼10회가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 3∼7회이다.
본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법에서는 원통의 직경 방향의 잔류 자속 밀도가 원통의 둘레 방향을 따라 90°의 주기로 증감하고, 원통의 전체 둘레에 있어서의 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최대값이 0.95∼1.60 T, 또한 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최소값이 최대값의 50∼95%인 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 제조한다.
상기한 식 (1)로 표시되는 응력은 직경 방향으로 레이디얼 배향한 둘레 방향으로 연속체, 즉 레이디얼 이방성 원통 자석이기 때문에 발생하고, 직경 방향의 레 이디얼 배향성을 부분적으로 완화하면 응력을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법에 의해 얻어지는 레이디얼 이방성 원통 소결 자석은 그 원통의 직경 방향의 잔류 자속 밀도가 원통의 둘레 방향을 따라 90˚의 주기로 증감하게 되어 있다. 즉, 원통의 둘레 방향을 따라 직경 방향의 잔류 자속 밀도가 전체 둘레(360˚)의 사이에 4주기로 증감하고, 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 극대값과 극소값이 각각 90˚ 간격으로 각각 4개소 존재한다. 그리고, 배향이 흐트러진 부위(배향이 불연속인 부위)가 직경 방향의 잔류 자속 밀도가 극소값을 나타내는 부분이 된다.
배향이 흐트러진 부위가 랜덤하게 존재하는 경우, 착자 후 자속 밀도가 낮은 부위가 뿔뿔이 흩어져서 존재하는 상태가 되어, 모터에 편입했을 때에 토크 리플의 원인이 되지만, 본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석에 있어서는 원통의 둘레 방향을 따라 90°걸러서 배향이 흐트러진 부위, 즉 잔류 자속 밀도가 낮은 부위가 존재하고, 이것에 의해 자속량이 작은 부위가 90°걸러서 주기적으로 배치되게 되므로, 토크 리플은 저감된다.
이 경우, 배향이 흐트러진 부위는 원통축 방향으로 원통 상단으로부터 하단에 걸쳐서 연속해서 존재하여 원통 자석의 축 방향 전체에 걸쳐서 갈라짐, 크랙의 발생이 억제된다. 또한, 이 배향이 흐트러진 부위에서는 이 부위가 레이디얼 방향과는 상이한 방향으로 배향되어 있기 때문에 잔류 자속 밀도가 작은 것이 아니라 이 부위를 구성하는 자석 입자의 각각이 뿔뿔이 흩어진 방향을 향하고 있기 때문으로, 효율적으로 갈라짐을 야기하는 응력이 완화된다. 특히, 이 경우, 이 배향이 흐 트러진 부위를 미소 체적으로 존재시킬 수 있고, 미소해도 4개소에 배치되므로 갈라짐을 방지하는 효과는 크다.
또한, 본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법에 있어서, 레이디얼 이방성 원통 소결 자석은 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최소값이 최대값의 50∼95%, 바람직하게는 50∼90%이다. 배향이 흐트러진 부위에서 직경 방향의 잔류 자속 밀도는 극소값을 나타내지만, 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최소값을 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최대값의 95% 이하로 함으로써, 갈라짐이나 크랙이 억제된다. 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최소값이 최대값의 50% 미만인 경우에는 자석 입자가 직경 방향 이외의 방향으로 정돈되어 배향하고 있는 경우이며, 이 부위의 자속이 주변의 자속을 불연속으로 변화시키기 때문에, 토크 리플의 원인이 된다. 또한, 모터에 편입했을 때에 유효한 토크를 얻기 위해서 원통의 전체 둘레에서의 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최대값은 0.95∼1.60 T이다.
또한, 본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법에 있어서, 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 외경 및 내경은 내경 90 mm 이하, 외경 100 mm 이하, 또한 내외직경의 비(내경/외경)이 0.3 이상이며, 높이가 70 mm 이하인 것이 바람직하다. 외경이 100 mm을 초과하고, 내경이 90 mm를 초과하는 것에서는 배향이 흐트러진 부위가 형성되기 어려운 경우가 있고, 형성되었다고 해도 갈라짐이나 크랙의 억제 효과가 적을 우려가 있다. 또한, 높이가 70 mm를 초과하는 것에서는, 원통축 방향에서 배향의 흐트러짐의 정도에 차가 생겨, 갈라짐이나 크랙의 억제의 효과에 편차가 발생할 우려가 있다. 한편, 내외직경의 비(내경/외경)가 0.3 미만에서 는, 열팽창의 이방성에 의해 생기는 응력이 지나치게 커서 갈라짐이나 크랙을 억제하는 효과를 충분히 발휘할 수 없을 우려가 있다.
본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법에서는 전술한 바와 같은 방법으로 자성분말에 자장을 인가하여 배향시킨 후, 일반적인 수평 자장 수직 성형법과 동일하게, 50∼2,000 kgf/㎠(약 4.9∼196 MPa)의 가압 범위에서 성형하고, 또한 진공 중 또는 불활성 가스 분위기 하에서 1,000∼1,200℃에서 소결하고, 필요에 따라 시효 처리, 가공 처리 등을 시행하고, 소결 자석을 얻을 수 있다. 여기에서, 본 발명에서는, 1회의 공급 분말, 1회의 가압으로 필요한 축길이의 자석을 얻을 수 있지만, 복수회의 가압에 의해 자석을 얻도록 해도 된다.
또한, 상기한 바와 같이 성형을 행할 때, 수평 자장 수직 성형 장치에서 발생하는 자장은 0.5∼12 kOe인 것이 바람직하다. 이렇게 수평 자장 수직 성형 장치에서 발생하는 자장을 결정한 이유로는 자장이 클 경우, 도 3(a)의 코어(5a)가 포화되어, 도 3(b)에 가까운 상태로 되고, 레이디얼 배향이 얻어지지 않게 될 우려가 있기 때문에, 자장은 12 kOe 이하, 특히 10 kOe 이하가 바람직하다. 또한, 강자성 코어를 사용하면 자속이 코어에 집중되기 때문에, 코어 주변에서는 코일에 의한 자장보다 큰 자장이 얻어진다. 그러나, 자장이 너무 작으면, 코어 주변에서도 배향에 충분한 자장이 얻어지지 않게 될 우려가 있다. 그 때문에 자장은 0.5 kOe 이상, 특히 1 kOe 이상이 바람직하다. 상기한 바와 같이 강자성체 주변에서는 자속이 모이고, 자장이 커지기 때문에, 여기에서 말하는 수평 자장 수직 성형 장치에서 발생하는 자장이란, 강자성체로부터 충분하게 떨어진 장소에서의 자장 또는 강자성 코어 를 제거하여 측정했을 때의 자장의 값을 의미한다.
또한, 성형 직전의 상기 (i)∼(iii) 중 하나의 조작 또는 성형시에 있어서, 자석 분말에 인가하는 자장은 1.25×105/π∼2×106/πA/m(0.5∼8 kOe), 특히 2.5×105/π∼1.25×106/πA/m(1∼5 kOe)인 것이 바람직하다. 충전된 자석 분말에는 자장 인가 후, 이전의 자장 인가 방향에 대해, 원통 단면 방향에서 상대적으로 직교하는 방향으로 자장이 인가되지만, 이 자장이 2×106/πA/m(8 kOe)보다 크면, 직전의 자장 인가에 의한 배향이 유지되기 어려워, 양호한 배향이 이미 얻어진 부분에 불필요한 자장이 걸릴 우려가 있다. 한편, 1.25×105/πA/m(0.5 kOe) 미만에서는 자장이 지나치게 약하여 자장 인가에 의한 배향 개선 효과가 작아서 배향이 개선되지 않을 우려가 있다.
또한, 자석 분말로서는, 특별히 제한되는 것은 아니고, Nd-Fe-B계 이외에, 페라이트 자석, Sm-Co계 희토류 자석, 각종 본드 자석의 원료 자석 분말을 사용할 수 있는데, 모두 평균 입경 0.1∼10 ㎛, 특히 1∼8 ㎛의 합금 분말이 바람직하다.
다음에, 본 발명의 영구 자석 모터용 원통 다극 자석의 제조 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 영구 자석 모터용 원통 다극 자석의 제조 방법은 상기한 방법에 의해 얻어진 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 그 잔류 자속 밀도가 극소값을 나타내는 직경 방향을 중앙으로 하는 둘레 방향±10°의 범위 내에 N극과 S극의 경계 가 위치하도록 4n극(n은 1∼20의 정수)으로 착자하는 것이다.
이 경우, 상기한 4개소의 배향이 흐트러진 부위를 포함하는 잔류 자속 밀도가 극소값을 나타내는 직경 방향을 중앙으로 하는 둘레 방향±10°의 범위 내에, N극과 S극의 경계가 위치하도록 착자함으로써 자속이 적은 부위가 극상에 나타나지 않게 되어 극의 자속 밀도가 크고 또한 균일하게 되기 때문에, 모터의 토크 불균일 및 토크 열화가 없는 영구 자석 모터용 원통 다극 자석을 얻을 수 있다.
그리고, 모터, 특히 복수개의 스테이터 티스를 갖는 모터에 로터로서 상기 영구 자석 모터용 원통 다극 자석을 편입하면, 영구 자석 모터가 얻어진다.
본 발명의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법에 의해 얻어진 레이디얼 이방성 원통 소결 자석에 이렇게 다극 착자를 행한 것은 종래의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석에 다극 착자를 행한 경우에 비해, 극간 부근의 착자성 및 자기 특성이 낮으므로 자속 밀도의 극간부의 변화가 원활하게 되어 모터의 코깅 토크는 충분히 작지만, 또한 스큐(skew) 착자를 시행함으로써 코깅 토크를 더욱 저감할 수 있다.
이 경우, 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 스큐 각도가, 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 둘레 방향 1극분의 각도의 1/10 미만이면, 스큐 착자에 의한 코깅 토크 저하의 효과가 작고, 2/3보다 크면 모터의 토크의 저하가 커지기 때문에, 스큐 각도는 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 둘레 방향 1극분의 각도의 1/10∼2/3의 각도가 바람직하고, 특히 1/10∼2/5의 각도가 바람직하다.
이하, 실시예, 비교예 및 참고예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
각각 순도 99.7 질량%의 Nd, Dy, Fe, Co, Al, Cu와, 순도 99.5 질량%의 B를 사용하고, 진공 용해로에서 용해 주조하여, Nd29Dy2.5Fe63.9Co3B1Al0.5Cu0.1의 합금의 잉고트를 제작하였다. 이 잉고트를 죠 크러셔 및 브라운 밀로 조분쇄하고, 질소 기류 중에 제트밀로 더 분쇄하여 평균 입경 3.5 ㎛의 미분말(자석 분말)을 얻었다.
이 미분말에 포화 자속 밀도 2.0 T의 강자성체(S45C: Fe강) 코어를 배치한 도 1에 도시되는 수평 자장 수직 성형 장치에서
(1) 8 kOe의 자장을 수평 일방향으로부터 인가하여 충전한 자석 분말을 배향시키고, 또한 그 자리에서(회전시키지 않고) 상기 수평 일방향과는 역방향으로부터 3 kOe의 자장을 인가 하고[제1 자장 인가 조작],
(2) 펀치, 코어, 다이와 함께 충전한 자석 분말을 수평 방향을 90°회전시켜서, 제1 자장 인가 조작과 같은 수평 일방향으로부터 8 kOe, 역방향으로부터 3 kOe의 자장을 인가하고[제2 자장 인가 조작],
(3) 제2 자장 인가 조작과 동일하게 충전한 자석 분말을 수평 방향으로 90°더 회전시켜서, 제1 자장 인가 조작과 같은 수평 일방향으로부터 3kOe, 역방향으로부터 3kOe의 자장을 인가하는 조작을 6회 반복하고,
(4) 제2 자장 인가 조작과 동일하게 충전한 자석 분말을 수평 방향에 90°더 회전시켜서, 제1 자장 인가 조작과 같은 수평 일방향으로부터 2.5 kOe의 자장을 인가 하면서 500 kgf/㎠의 성형압으로 성형하였다. 이때, 성형 전의 자석 분말 충전 밀도는 40%였다.
다음에, 이 성형체를 Ar 가스 중에 1,080℃에서 1 시간 소결하고, 소결에 이어서 530℃에서 1 시간의 시효 열처리를 행하여, φ30 mm×φ20 mm×L30 mm의 희토류 원통 소결 자석을 얻었다. 얻어진 희토류 원통 소결 자석의 원통의 전체 둘레에 있어서의 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최대값, 및 성형시의 자장 인가 방향과 그 수직 방향의 각각 정부 2방향 합계 4방향의 잔류 자속 밀도(Br)를 표 1에 나타낸다. 또한, 상기 방법에서 희토류 원통 소결 자석을 100개 제조했을 때의 갈라짐의 발생 개수를 표 1에 병기한다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일한 자석 분말을 사용하고, 도 2에 도시되는 수직 자장 수직 성형 장치에서 코일의 발생 자계 20 kOe로 자석 분말 충전 높이 30 mm로 하여 자장 중에서 성형하고, 성형 후, 성형체를 하방으로 이동시켜서 성형체 위에 30 mm의 충전 높이로 자석 분말을 더 올려놓고, 동일하게 자장 중에서 성형한다. 이 자석 분말을 30 mm 충전하여 성형하는 공정을 더 1회 반복하고(합계 3회), 실시예 1과 동일한 조건으로 소결, 시효 열처리를 행하여, φ30 mm×φ20 mm×L30 mm의 희토류 원통 소결 자석을 얻었다. 실시예 1과 동일한 방법으로 잔류 자속 밀도(Br)를 측정하고, 갈라짐의 발생 개수를 계수 하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
Br[T] 갈라짐 개수
최대치 0° 90° 180° 270°
실시예 1 1.25 1.12 1.10 1.11 1.10 0
비교예 1 1.23 1.22 1.22 1.21 1.23 93
실시예 1의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 잔류 자속 밀도(Br)의 최대값은 1.25 T에서 자석 특성이 양호하고, 갈라짐도 적은 것을 알 수 있다.
[실시예 2]
각각 순도 99.7 질량%의 Nd, Dy, Fe, Co, Al, Cu와, 순도 99.5 질량%의 B를 사용하고, 진공 용해로에서 용해 주조하여, Nd29Dy4Fe62.4Co3B1Al0.5Cu0.1의 합금의 잉고트를 제작하였다. 이 잉고트를 죠 크러셔 및 브라운 밀로 조분쇄하고, 질소 기류 중에 제트밀로 더 분쇄하여 평균 입경 3.5 ㎛의 미분말(자석 분말)을 얻었다.
이 자석 분말을 포화 자속 밀도 2.25 T의 강자성체(퍼멘두르(permendur): Fe-Co 합금) 코어를 배치한 도 1에 도시되는 수평 자장 수직 성형 장치에서
(1) 9 kOe의 자장을 수평 일방향으로부터 인가하여 충전한 자석 분말을 배향시키고, 또한 그 자리에서(회전시키지 않고) 상기 수평 일방향과 역방향으로부터 5 kOe의 자장을 인가하고[제1 자장 인가 조작],
(2) 펀치, 코어, 다이와 함께 충전한 자석 분말을 수평 방향으로 90°회전시켜, 제1 자장 인가 조작과 같은 수평 일방향으로부터 9 kOe, 역방향으로부터 5 kOe의 자장을 인가하고[제2 자장 인가 조작],
(3) 제2 자장 인가 조작과 동일하게 충전한 자석 분말을 수평 방향으로 90°더 회전시켜, 제1 자장 인가 조작과 같은 수평 일방향으로부터 2 kOe의 자장을 인가하고, 역방향으로부터 2 kOe의 자장을 더 인가하면서 500 kgf/㎠의 성형압으로 성형하였다. 이때, 성형 전의 자석 분말 충전 밀도는 40%였다.
다음에, 이 성형체를 Ar 가스 중 1,100℃에서 1 시간 소결하고, 소결에 이어서 550℃에서 1 시간의 시효 열처리를 행하고, φ8.2 mm×φ3.5 mm×L18 mm의 희토류 원통 소결 자석을 얻었다. 얻어진 희토류 원통 소결 자석의 원통의 전체 둘레에 있어서의 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최대값은 1.18 T, 성형시의 자장 인가 방향과 그 수직 방향의 각각 정부 2방향 합계 4방향의 잔류 자속 밀도(Br)는 0°=0.96 T, 90°=1.04 T, 180°=0.98 T, 270˚=1.02 T였다.
이 자석을 φ8 mm×φ3.7 mm×L17 mm로 가공하고, 성형시의 자장 인가 방향과 그 수직 방향의 각각 정부 2방향 합계 4방향(잔류 자속 밀도가 극소값을 나타내는 4방향)이 N극과 S극의 경계가 되도록 4극으로 착자 하였다. 이 원통 다극 자석을 로터로서 6스테이터 티스의 모터에 편입하여 모터를 제작하고, 유기 전압(실효값) 및 5 rpm 회전시의 코깅 토크(peak-peak)를 측정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
[참고예 1]
성형시의 자장 인가 방향과 그 수직 방향의 각각 정부 2방향 합계 4방향 중 인접하는 2방향의 중간(즉, 성형시의 자장 인가 방향에 대해 ±45° 및 ±135°의 4방향이며, 잔류 자속 밀도가 극대값을 나타내는 4방향)이 N극과 S극의 경계가 되도록 4극으로 착자한 이외는, 실시예 2와 동일하게 하여 모터를 제작하고 유기 전압(실효값) 및 5 rpm 회전시의 코깅 토크(peak-peak)를 측정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
유기 전압[V/krpm] 코깅 토크[mNm]
실시예 2 0.76 1.00
참고예 1 0.62 1.00
실시예 2의 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 잔류 자속 밀도(Br)는 대단히 높고, 고성능 모터에 적합한 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 2의 모터는 참고예 1의 모터에 비해 유기 전압이 1.2배 정도 높아지고, N극과 S극의 경계를 배향이 흐트러진 부위(즉 잔류 자속 밀도가 극소값을 나타내는 4방향)로 함으로써 큰 유기 전압이 얻어지고, 이러한 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 사용한 모터가 고성능 모터가 되는 것을 알 수 있다.

Claims (3)

  1. 원통 자석용 성형 금형의 코어의 적어도 일부의 재질에 포화 자속 밀도 0.5 T 이상을 갖는 강자성체를 사용하고, 금형 캐버티 내에 충전한 자석 분말을 수평 자장 수직 성형법에 의해 자석 분말에 배향 자계를 인가하여 성형하고, 얻어진 성형체를 소결함으로써 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 제조하는 방법으로서, 하기 (i)∼(iii)
    (i) 자장 인가 후, 자석 분말을 금형 둘레 방향으로 90˚ 회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하는 것,
    (ii) 자장 인가 후, 자장 발생 코일을 자석 분말에 대하여 금형 둘레 방향으로 90°회전시키고, 그 후 다시 자장을 인가하는 것, 및
    (iii) 2세트의 자장 발생 코일 쌍을, 코일 쌍의 서로의 자장 인가 방향을 직교시키고 금형 둘레면을 둘러싸도록 배치하고, 일방의 코일 쌍으로 자장 인가 후, 타방의 코일 쌍으로 자장을 인가하는 것의 조작 중 적어도 하나의 조작을 행하고, 원통의 직경 방향의 잔류 자속 밀도가 원통의 둘레 방향을 따라 90°의 주기로 증감하고, 원통의 전체 둘레에서의 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최대값이 0.95∼1.60 T, 또한 직경 방향의 잔류 자속 밀도의 최소값이 최대값의 50∼95%인 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 얻는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 성형 직전의 상기 하나의 조작 또는 성형시에 자석 분말에 인가하는 자장이 1.25×105/π∼2×106/πA/m인 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 원통 소결 자석의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 기재된 방법에 의해 얻어진 레이디얼 이방성 원통 소결 자석을 그 잔류 자속 밀도가 극소값을 나타내는 직경 방향을 중앙으로 하는 둘레 방향±10°의 범위 내에 N극과 S극의 경계가 위치하도록 4n극(n은 1∼20의 정수)으로 착자하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 모터용 원통 다극 자석의 제조 방법.
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