KR20120096483A - 자석의 제조 방법, 자석 및 전기 기계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자석(1)의 제조 방법에 관한 것이며, 상기 자석(1)은 적어도 자석 재료(3) 및 결합제로 성형된 다음 경화된다. 본 발명에 따라 경화 동안, 자석 재료(3)에 화학적으로 결합된 금속 산화물(8)이 결합제(4)로부터 생성된다. 본 발명은 또한 자석(1) 및 전기 기계에 관한 것이다.
Description
본 발명은 적어도 자석 재료 및 결합제로 성형된 다음 경화되는 자석의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 자석 및 전기 기계에 관한 것이다.
전술한 방식의 방법은 선행 기술에 공지되어 있다. 자석 재료는 예컨대 철 또는 페라이트이다. 자석 재료는 종종 분말로서 주어지고, 상기 분말은 자석을 제조하기 위해 소결 또는 프레스 소결된다. 대안으로서 또는 추가로 자석 재료가 결합제와 혼합될 수 있다. 후속해서, 자석 재료-결합제 혼합물로부터 자석이 성형되고 경화된다. 성형은 예컨대 캐스팅 또는 사출 성형을 포함할 수 있다. 결합제는 플라스틱, 특히 PPS(폴리페닐렌설파이드)일 수 있거나 또는 그것을 포함할 수 있다. 자석의 경화 후에, 자석 재료는 결합제에 의해 물리적으로 결합되거나 또는 상기 결합제로 내로 결합된다. 그러나, 이렇게 제조된 자석이 산소 또는 부식성 매체와 접촉하면, 심하게 부식되고. 이는 자석의 보호를 필요하게 한다. 특히 프레스 소결된 자석을 부식으로부터 보호하는 예컨대 니켈 및/또는 아연을 포함하는 금속 보호 층이 널리 보급되어 있다. 용매 중의 금속 알콕사이드 용액의 형태로 자석에 제공되는 산화물 보호층도 공지되어 있다. 자석 재료와 결합제를 혼합해서 자석을 제조하는 것은 자석 재료의 직접 소결에 비해 많은 용도에 있어서 훨씬 더 큰 유연성을 갖기 때문에, 바람직하다. 또한, 결합제, 예컨대 플라스틱(바람직하게는 플라스틱 과립제 형태의) 내로 자석 재료의 도입에 의해 부식으로부터 자석 재료의 어느 정도의 보호가 보장된다. 그러나, 특히 연료 및 첨가제와 자석의 접촉시 그러한 자석에서도 짧은 시간 내에 강한 부식이 일어나고, 이는 결국 자석을 포함하는 시스템의 고장을 일으킬 수 있다.
본 발명의 과제는 선행 기술에 공지된 자석보다 더 큰 내식성을 갖는 자석을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1항의 특징들을 포함하는 자석의 제조 방법에 의해 달성된다.
청구항 제 1항에 제시된 특징들을 가진 방법은 제조된 자석이 선행 기술에 공지된 자석보다, 특히 연료 및 첨가제에 대해 더 큰 내식성을 갖는다는 장점을 갖는다. 이는 본 발명에 따라 경화 동안 결합제로부터 자석 재료와 화학적으로 결합된 금속 산화물이 형성됨으로써 달성된다. 경화 후에, 자석 재료가 결합되거나 또는 매립된, 금속 산화물로 이루어진 매트릭스가 주어진다. 금속 산화물 매트릭스가 자석 재료에 화학적으로 결합된다. 자석 재료는 금속 산화물 매트릭스 또는 금속 산화물 구조에 의해 지지된다. 상기 방식으로 제조된 자석에서는 추가의 보호층이 제공될 필요가 없다. 선행 기술에 공지된 결합제의 경우, 특히 예컨대 플라스틱(PPS)과 같은 유기 결합제의 경우, 연료와 같은 부식성 매체와의 접촉시 팽창이 일어나고, 이는 예컨대 물 및 염과 같은 부식 촉진 물질의 침투를 증가시킨다. 또한, 전술한 바와 같이 자석 재료가 결합제 내로 물리적으로만 결합된다. 자석 재료와 결합제 사이의 화학적 결합은 주어지지 않기 때문에, 부식 시작시 자석 내로 부식 촉진 물질의 침투가 커진다. 이러한 침투는 본 발명의 방법에 따라 제조되는 자석에서는 발생하지 않는데, 그 이유는 자석 재료가 금속 산화물에 화학적으로 결합되기 때문이다.
예컨대, 실록산 베이스의 결합제가 사용된다. 이러한 결합제의 화학적 구조로 인해, 결합제 또는 실록산 매트릭스에 자석 재료의 화학적 결합이 나타난다. 후자는 침투 저항성을 갖는다. 결합제에 자석 재료의 화학적 결합 및 침투 저항성 실록산 매트릭스는 매우 큰 내식성을 제공한다. 추가로, 자석 재료의 침전을 방지하기 위해, 증점제 및/또는 유동 제한 형성제(예컨대, 부분 교차 결합된 폴리아크릴산)가 사용될 수 있다.
본 발명의 개선예에서, 금속 산화물은 졸-겔 프로세스에서 생성된다. 자석 재료는 부식으로부터 보호하는, 졸-겔 프로세스에 의해 형성된 금속 산화물 매트릭스 내로 삽입된다. 졸-겔 프로세스는 콜로이드 분산으로부터 비금속, 무기 또는 하이브리드폴리머 재료의 제조를 위해 사용된다. 후자는 졸이라고도 한다. 졸은 상이한 전구체로부터 생길 수 있다. 겔화에 의해 졸은 겔로 바뀌며, 후자는 콜로이드를 형성한다. 졸-겔 프로세스 동안 금속 산화물의 네트워크 형성 또는 금속 산화물에 대한 자석 재료의 화학적 결합이 나타난다.
본 발명의 개선예에서, 자석 재료로는 적어도 하나의 희토류 재료가 사용된다. 희토류 재료로 이루어진 자석이 철로 이루어진 종래의 자석의 성능을 수배 능가하기 때문에 바람직하게 사용된다. 희토류의 금속으로는 원소 스칸듐, 이트륨 및 란탄 그리고 란타노이드가 있다. 후자에는 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 및 루테튬이 속한다. 희토류 재료는 상기 희토류의 적어도 하나의 금속을 포함한다. 예컨대, 네오디뮴, 철 및 붕소로 이루어진 합금(Nd2Fe14B)이 사용된다. 그러나, 희토류 재료를 포함하는 자석들은 종래의 자석보다 훨씬 더 부식되기 쉽다. 특히 상기 자석 재료로 이루어진 프레스 소결된 자석의 경우 특히 니켈 및/또는 아연을 포함하는 금속 보호층이 제공된다. 대안으로서 전술한 바와 같이 금속 알콕사이드 용액이 자석에 적용된 산화물 보호층이 사용된다. 보호층은 금속 사화물 매트릭스 내로 자석 재료의 도입시 통상적으로 생기지만, 더 양호한 보호를 얻기 위해 추가로 제공된다.
본 발명의 실시예에서, 결합제 성분으로는 적어도 하나의 실록산, 실란, 특히 알콕시실란 또는 에톡시실란, 특히 바람직하게는 테트라에톡시실란, 금속할로겐화물, 금속 알콕사이드 및/또는 금속 산화물-나노 입자가 사용된다. 상기 재료들은 소위 전구체를 형성한다. 단 하나의 전구체의 사용 또는 다수의 전구체들의 조합도 가능하다. 특히, 다양한 실리콘 알콕사이드, 예컨대 테트라에톡시실란(TEOS) 및 그 변형이 사용될 수 있다. 후자의 경우, 하나 또는 다수의 알콕사이드 그룹이 유기 분자로 대체된다. 여기서 생기는 물질을 "유기작용성 실란" 이라고도 한다. 또한, 에톡시실란이 사용될 수 있다. 상기 에톡시실란의 경우, 규산이 에탄올그룹으로 에스테르화된다. 대안으로서, 규산이 알코올, 예컨대 메탄올, 프로판올, 부탄올 등, 또는 디올, 예컨대 글리콜, 프로판올 등, 또는 트리올, 예컨대 글리세린으로 에스테르화된 물질도 사용될 수 있다.
결합제는 지르코늄, 알루미늄, 세륨, 티타늄 및/또는 다른 전이 금속을 포함할 수 있다. 추가로 또는 대안으로서, 특히 Al2O3, ZrO2 및/또는 TiO2로 이루어진 금속 산화물-나노입자 및/또는 무기 나노 입자가 사용될 수 있다. 규산, 특히 파이러제닉(pyrogenic) 규산은 결합제의 성분일 수 있다. 상기 실란, 특히 알콕시실란은 물과 반응하여 규산을 형성하고, 상기 규산은 후속해서 응축되어, 금속 산화물(여기서는 SiO2)로 이루어진 3D 네트워크를 형성한다. 그리고 나서, 특히 휘발성 반응 생성물이 제거된다. 물에 민감한 자석 재료에는, 물의 첨가 없이 중합되어 금속 산화물 또는 금속 산화물-매트릭스를 형성하는 전구체가 제공된다. 이것에는 금속 할로겐화물(예컨대 모노, 디 또는 트리클로로메틸실란)과 금속 알콕사이드(예컨대 테트라에톡시실란(TEOS) 또는 전술한 모든 변형예)의 조합물이 포함된다. 금속 할로겐화물들은 금속 알콕사이드보다 더 반응성이기 때문에, 그러한 조합물에서는 자석 재료-결합제 혼합물의 간단한 온도 상승에 의한 중합 반응이 시작될 수 있다. 이로 인해, 자석 재료를 포함하며 상기 자석 재료에 화학적으로 결합된, 3D-금속 산화물-매트릭스가 생긴다. 부산물로는 할로겐-알칸만이 생기며, 상기 할로겐-알칸은 자석의 제조 후에 경우에 따라 존재하는 용매와 함께 제거된다. 설명된 원소들, 지르코늄, 알루미늄, 세륨, 티타늄 및 다른 전이 금속 대신에 전구체로서 상기 원소의 화합물도 사용될 수 있다.
본 발명의 개선예에서, 결합제 및/또는 자석 재료는 용매 내로 도입된다. 용매는 특히 자석 재료 및/또는 결합제의 가공을 용이하게 하기 위해, 특히 자석의 성형을 가능하게 하기 위해 제공된다. 용매는 바람직하게 자석의 경화시 자석으로부터 분리된다. 용매는 물 및/또는 알코올일 수 있거나 또는 물 및/또는 알코올을 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 비 프로톤성 용매가 사용될 수 있다. 자석 재료 및 결합제가 용매 중에 분산된다.
본 발명의 개선예에서 결합제 및 자석 재료에는 특히 나노 입자, 폴리머 용액 및/또는 규산으로 이루어진 첨가제가 공급된다. 자석의 성형 전에 첨가제가 자석 재료 및 결합제로 이루어진 혼합물에 첨가된다. 첨가제는 나노 입자, 폴리머 용액 및/또는 규산을 포함할 수 있다. 나노 입자는 예컨대 금속 산화물로 이루어진 나노 입자인 한편, 폴리머 용액은 바람직하게 유기 폴리머 용액이고 규산은 파이러제닉 규산이다. 용매가 제공되면, 첨가제가 상기 용매 내로 분산된다.
본 발명의 개선예에서, 자석 재료, 결합제 및/또는 용매가 몰드 내로 부어진 다음, 몰드 내에서 경화가 실시된다. 자석은 성형품이다. 경화 동안 자석 재료가 금속 산화물에 화학적으로 결합되는 한편, 상기 금속 산화물은 금속 산화물 매트릭스를 형성한다. 자석은 몰드 내로 캐스팅에 의해 거의 모든 형태로 간단히 제조될 수 있다. 경화는 몰드 내에서 실시된다. 경화는 건조 및/또는 소결 프로세스 전에 또는 건조 및/또는 소결 프로세스 동안에 이루어질 수 있다. 첫 번째 경우, 금속 산화물은 예컨대 졸-겔 프로세스에 의해 먼저 생성된 다음, 경우에 따라 존재하는 용매를 자석으로부터 제거하기 위해 건조 프로세스가 실시된다. 대안으로서, 특히 경화가 자석 또는 자석 재료-결합제 혼합물에 열 제공에 의해 이루어지면, 경화가 건조 및/또는 소결 프로세스와 동시에 실시될 수도 있다. 바람직하게는 용매 중에 녹인 상태로 자석 재료 및 결합제를 직접 제공함으로써, 자성 코팅을 표면에 제공하는 것도 가능하다. 코팅은 통상의 적용 기술, 예컨대 분무, 침지, 롤링, 스핀 코팅 등에 의해, 특히 큰 표면에 제공될 수 있다. 대안으로서, 세그먼트화된 자성 표면이 예컨대 마스크를 사용해서 선택적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 개선예에서, 자석에는 적어도 부분적으로 코팅, 특히 졸-겔 코팅이 제공된다. 자석 재료 및 상기 자석 재료와 화학적으로 결합된 금속 산화물로 이루어진 자석은 특히 졸-겔 코팅이 제공되는 경우 코팅의 화학적 결합을 위해 매우 적합하다. 코팅을 제공하기 위해 바람직하게는 졸-겔 래커가 사용된다. 추가의 표면 효과를 얻기 위해 기능성 졸-겔 래커가 사용된다. 이로 인해, 자석의 내식성이 더욱 커질 수 있다. 그러나, 기본적으로 모든 종류의 코팅이 제공될 수 있다.
본 발명은 또한 특히 전술한 방법을 사용해서 제조된 자석에 관한 것이며, 상기 자석은 적어도 자석 재료 및 결합제로 성형된 다음 경화된다. 자석 재료는 경화 동안 자석 재료에 화학적으로 결합된 금속 산화물 내로 결합된다. 자석은 추가의 코팅 없이, 특히 연료 및 그 첨가제와 접촉시 매우 높은 내식성을 갖는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 자석은 전기 기계, 특히 전기 모터에, 예컨대 연료 펌프의 부분으로서 특히 적합하다. 일반적으로, 자석은 연료와 접촉될 수 있거나 또는 플라스틱 사출 성형 프로세스 또는 소결 프로세스를 통해 제조될 수 없거나 또는 어렵게만 제조될 수 있는 복잡한 구조를 가진 모든 자석 부품에 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 실시예에 따라, 특히 전술한 실시예에 따른 방법을 사용해서 제조되는, 적어도 자석 재료 및 결합제로 성형된 다음 경화되는 적어도 하나의 자석을 구비한 전기 기계, 특히 전기 모터에 관한 것이다. 자석 재료는 경화 동안 자석 재료에 화학적으로 결합되는 금속 산화물 내로 결합된다. 경화 동안 결합제로부터 금속 산화물이 생성된다. 이는 자석 재료와 결합되어 금속 산화물 매트릭스를 형성한다. 이로 인해, 자석의 탁월한 형태 안정성 및 양호한 내식성이 보장된다.
이하, 본 발명이 첨부한 도면에 도시된 실시예를 참고로 상세히 설명되지만, 이 실시예가 본 발명을 제한하지는 않는다.
도 1은 자석의 실시예.
도 2는 자석의 제 1 제조 단계의 개략도.
도 3은 자석의 다른 제조 단계의 개략도.
도 4는 자석 재료 및 이것에 화학적으로 결합된 금속 산화물로 이루어진 자석의 개략적인 구조도.
도 1은 자석의 실시예.
도 2는 자석의 제 1 제조 단계의 개략도.
도 3은 자석의 다른 제조 단계의 개략도.
도 4는 자석 재료 및 이것에 화학적으로 결합된 금속 산화물로 이루어진 자석의 개략적인 구조도.
도 1은 자석(1)을 도시하고, 상기 자석(1)은 금속으로 이루어진 샤프트(2) 상에 고정된다. 바람직하게는 자석(1)이 샤프트(2) 상에 캐스팅됨으로써 상기 샤프트에 고정된다. 자석(1)은 자석 재료(3)(여기에 도시되지 않음) 및 결합제(4)(여기에 도시되지 않음)로 이루어지고, 상기 자석 재료와 결합제는 함께 성형된 다음 경화된다. 경화 동안, 결합제로부터 금속 산화물이 생성되고, 상기 금속 산화물은 자석 재료에 화학적으로 결합되어, 자석 재료를 결합하는 금속 산화물 매트릭스를 형성한다. 이로 인해, 자석(1)의 자석 재료(3)가 외부 영향, 특히 부식 영향으로부터 보호된다.
도 2는 자석(1)을 제조하기 위한 제 1 제조 단계를 도시한다. 자석 재료(3), 결합제(4) 및 하나 또는 다수의 첨가제(6)가 용매(5) 내로 분산됨으로써, 자석 재료(3), 결합제(4), 용매(5) 및 첨가제(6)로 이루어진 균일한 분산액이 주어진다. 분산액은 졸-겔 프로세스에서 졸로서 사용된다. 졸-겔 프로세스에서 졸은 겔(7)로("젖은 겔") 겔화된다. 결합제(4)로부터 금속 산화물(8)이 생성된다. 금속 산화물의 금속은 예컨대 SiO2, ZrO2, Al2O3 등이다. 금속 산화물(8)은 적어도 경화 후에 자석 재료(3)에 화학적으로 결합된다. 이러한 결합부(9)는 도 3에 나타나며 도 4에 확대 도시된다.
도 4는 자석 재료(3) 및 금속 산화물(8)로 이루어진 결합부(9)의 일부를 도시한다. 도시된 실시예에서, 금속 산화물(8)은 SiO2 이다. 용매(5)로는 물(H2O)이 사용된다. 그러나 원칙적으로 실리콘은 다른 금속, 예컨대 지르코늄 또는 알루미늄으로 치환될 수 있다. 자석 재료로서 바람직하게는 희토류 재료, 예컨대 네오디뮴을 포함하는 Nd2Fe14B 가 사용된다. 이러한 자석(1)은 예컨대 철 또는 페라이트와 같은 종래의 자석 재료로 이루어진 자석보다 훨씬 효율적이다. 자석 재료(3)와 금속 산화물(8) 사이의 화학적 결합에 의해, 자석(1)은 높은 내식성을 갖는다. 바람직하게는 금속 산화물(8)로 형성된 매트릭스(10)가 추가로 침투 저항성을 갖기 때문에, 매트릭스(10) 내로 부식 촉진 매체의 침투가 적어도 부분적으로 방지된다.
자석(1)은 성형품으로서 캐스팅되는 것이 바람직하다. 성형은 몰드 내에서 이루어지며, 상기 몰드 내에서 경화도 실시된다. 대안으로서, 자석 재료(3) 및 결합제(4)가 특히 용매(5) 내로 도입된 후에, 자성 코팅을 형성하기 위해 직접 표면 상에 제공된다. 마찬가지로, 예컨대 세그먼트화된 자성 표면을 선택적으로 형성하기 위해 제공 동안 마스킹 기술이 사용될 수 있다.
1 자석
3 자석 재료
4 결합제
5 용매
6 첨가제
8 금속 산화물
3 자석 재료
4 결합제
5 용매
6 첨가제
8 금속 산화물
Claims (10)
- 적어도 자석 재료(3) 및 결합제로 성형된 다음 경화된, 자석(1)의 제조 방법에 있어서,
경화 동안, 상기 자석 재료(3)에 화학적으로 결합되는 금속 산화물(8)이 상기 결합제(4)로부터 생성되는 것을 특징으로 하는 자석의 제조 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 금속 산화물(8)은 졸-겔 프로세스에서 생성되는 것을 특징으로 하는 자석의 제조 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 자석 재료(3)로서 적어도 하나의 희토류 재료가 사용되는 것을 특징으로 하는 자석의 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합제(4)의 성분으로서, 적어도 실록산, 실란, 특히 알콕시실란 또는 에톡시실란, 특히 바람직하게는 테트라에톡시실란, 금속 할로겐화물, 금속 알콕사이드 및/또는 금속 산화물-나노입자가 사용되는 것을 특징으로 하는 자석의 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합제(4) 및/또는 자석 재료(3)는 용매(5) 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 자석의 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합제(4) 및 상기 자석 재료(3)에는 특히 나노입자, 폴리머 용액 및/또는 규산으로 이루어진 첨가제(6)가 공급되는 것을 특징으로 하는 자석의 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자석 재료(3), 상기 결합제(4) 및/또는 상기 용매(5)는 몰드 내로 부어지고, 상기 몰드 내에서 경화가 실시되는 것을 특징으로 하는 자석의 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자석(1)에는 적어도 부분적으로 코팅, 특히 졸-겔 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는 자석의 제조 방법.
- 적어도 자석 재료(3) 및 결합제(4)로 성형된 다음 경화되는, 특히 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용해서 제조되는 자석(1)에 있어서,
상기 자석 재료는 경화 동안 상기 자석 재료(3)에 화학적으로 결합되는 금속 산화물(8) 내로 결합되는 것을 특징으로 하는 자석. - 적어도 자석 재료(3) 및 결합제(4)로 성형된 다음 경화되는, 특히 제 9항에 따른 그리고 특히 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용해서 제조되는 적어도 하나의 자석(1)을 구비한 전기 기계, 특히 전기 모터에 있어서,
상기 자석 재료는 경화 동안 상기 자석 재료에 화학적으로 결합된 금속 산화물(8) 내로 결합되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
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