KR20190068873A - 강자계 방식 열간 압출 영구자석 제조공법 및 ipm 모터 - Google Patents

강자계 방식 열간 압출 영구자석 제조공법 및 ipm 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 열간 압출 영구자석 제조공법은 자석원료(1)의 냉간 프레스 수직 가압에 의한 1차 프레스 가압 공정과 이에 이어진 열간 프레스 수직 가압에 의한 2차 프레스 가압 공정 후 상기 자석원료(1)에 강자계에 의한 자구 배열 효과 강화가 발생되는 강자계 열간 압출 공정이 적용되어 열간 압출 자석(1-1)을 제조하고, 상기 열간 압출 자석(1-1)이 회전자(120)에 매입됨으로써 디스프로슘(Dy)과 터븀(Tb)과 같은 중희토류 사용 없이도 보자력이 높아지는 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터(100)의 제조가 이루어지는 특징을 갖는다.

Description

강자계 방식 열간 압출 영구자석 제조공법 및 IPM 모터{Method for Manufacturing Hot Deformed Magnet using Strong Magnetic field and Interior Permanent Magnet Motor thereof}
본 발명은 영구자석 제조공법에 관한 것으로, 특히 중희토류 사용이 없는 강자계 방식 열간 압출 영구자석 제조공법을 적용한 IPM 모터에 관한 것이다.
일반적으로 친환경 차량은 HEV(Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등과 같이 차량 구동력에 모터동력을 이용한다.
최근 친환경 차량을 선호하는 자동차 환경은 영구자석 매입형 동기모터와 같이 높은 효율과 출력밀도를 충족시키는 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터에 대한 수요 증가로 이어지고 있다.
특히 상기 IPM 모터에 희토류계 영구자석이 적용되고, 상기 희토류계 영구자석은 디스프로슘(Dy)과 터븀(Tb)과 같은 중희토류를 첨가하여 현존 영구자석 중 에너지가 가장 높은 네오디뮴(NdFeB) 자석의 단점인 고온에서 보자력을 쉽게 잃어버리는 현상을 개선함으로써 IPM 모터에 대한 필요성이 더욱 요구되고 있다.
국내공개특허 10-2008-0034918(2008.04.22)
하지만 IPM 모터의 수용 증가는 희토류계 영구자석에 대한 수요도 함께 증가시킴으로써 하기와 같은 문제를 가져올 수밖에 없다.
첫째 높은 수요로 인한 중희토류 확보의 어려움으로서, 이는 중희토류 원자재가 중국에서만 채취 가능하면서 그 매장량도 적은 희소재임에 기인된다. 둘째 가격 경쟁력 확보의 어려움으로서, 이는 중희토류가 고가이면서 가격 상승 리스크에 기인된다. 셋째 IPM 모터 성능 개선의 한계성으로서, 이는 희토류계 영구자석을 제조하는 소결공법으로는 보자력을 개선하는 반면 자속밀도(자력)를 낮추는 중희토류의 부작용을 개선시켜 주지 못함에 기인된다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 열간 가공시 응력에 의한 입자 정렬 시점에 대한 강자계를 적용함으로써 자석 결정립의 배향처리가 이루어지고, 특히 강자계의 자구 배열 효과 강화로 영구자석의 자구이방성 강화 및 자속밀도 상승이 함께 이루어짐으로써 중희토류 사용 없이도 보자력이 높아지는 강자계 방식 열간 압출 영구자석 제조공법 및 IPM 모터의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열간 압출 영구자석 제조공법은 자석원료의 프레스 공정에 강자계 열간 압출 공정이 적용되고, 상기 강자계 열간 압출 공정은 상기 자석원료에 강자계에 의한 자구 배열 효과를 강화시켜주는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 강자계 열간 압출 공정은 800℃의 열간 온도 조건에서 이루어진다. 상기 자석원료는 다결정 가루이다.
바람직한 실시예로서, 상기 강자계 열간 압출 공정은 평행자계 형성으로 이루어진다. 상기 평행자계 형성은 상기 자석원료에 대한 프레스 측방향 하중이 가해질 때 이루어진다. 상기 평행자계 형성은 전원공급이 이루어지는 코일로 이루어지고 솔레노이드 코일이 적용된다.
바람직한 실시예로서, 상기 강자계 열간 압출 공정은 상기 자석원료에 대한 프레스 수직 가압 후 적용된다. 상기 프레스 수직 가압은 상기 자석원료에 대한 프레스 수직 가압이 냉간 프레스로 이루어지는 1차 프레스 가압 공정과 열간 프레스로 이루어지는 2차 프레스 가압 공정으로 구분되고, 상기 1차 프레스 가압 공정 후 상기 2차 프레스 가압 공정이 수행된다. 상기 열간 프레스는 히터에 의해 열간 온도가 유지된다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 IPM 모터는 고정자에 대해 회전되고, 자석원료가 2단계 프레스 가압 공정에 이어진 강자계 열간 압출 공정으로 강자계에 의한 자구 배열 효과를 갖는 열간 압출 자석으로 전환되고, 상기 열간 압출 자석이 영구자석으로 매입된 회전자; 가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 자석원료는 500㎛의 가루지름과 20~50nm의 결정입경을 갖는 다결정 가루이다.
이러한 본 발명의 IPM 모터는 강자계 방식 열간 압출 영구자석이 적용됨으로써 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.
첫째, 강자계 공정으로 열간 압출 영구자석 제조 공법이 우수성이 크게 높아진다. 둘째, 강자계 공정으로 자석 결정립의 배향처리에 따른 자구배열효과 강화로 영구자석의 자구이방성 강화 및 자속밀도 상승이 함께 이루어진다. 셋째, 강자계 효과로 높은 보자력과 자속밀도를 갖는 영구자석이 제조된다. 넷째, IPM 모터에서 요구되는 영구자석 제조에 중희토류가 사용되지 않는다. 다섯째, 영구자석 제조에 중희토류가 제외됨으로써 중희토류로 인한 보자력과 자속밀도(자력)의 부조화와 수급불안 및 가격 상승 리스크로부터 자유로워진다.
도 1은 본 발명에 따른 강자계 방식 열간 압출 영구자석 제조공법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 강자계 방식 열간압출 영구자석 제조가 이루어지는 열간 압출 프레스 시스템의 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 강자계 열간 압출 공정 상태이고, 도 4는 본 발명에 따른 강자계 열간 압출 공정으로 제조된 영구자석의 조직상태 예이며, 도 5는 본 발명에 따른 강자계 방식 열간압출 영구자석이 적용된 IPM 모터의 예이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 열간 압출 영구자석 제조공법은 원료 준비 공정(S10)과 후 가공 공정(S50)의 사이에서 2단계의 프레스 가압 공정(S20,S30)에 이어진 강자계 열간 압출 공정(S40)을 더 수행함으로써 강자계에 의한 자구 배열 효과 강화로 중희토류 사용 없이도 영구자석의 자구이방성 강화 및 자속밀도 상승과 함께 보자력이 높아진다.
이로부터 상기 열간 압출 영구자석 제조공법은 네오디뮴(NdFeB) 자석의 고온 보자력 손실을 가져오는 디스프로슘(Dy)과 터븀(Tb)과 같은 중희토류 첨가없이도 높은 효율과 출력밀도를 충족시키는 IPM 모터 제조가 가능하다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 열간 압출 프레스 시스템(10)은 열간 압출 제어기(50)를 구비한다.
일례로 상기 열간 압출 프레스 시스템(10)은 프레스(20), 히터(30), 코일(40)을 포함한다. 상기 프레스(20)는 단결정 가루 또는 다결정 가루인 자석원료(1)를 충진한 후 압력을 가하는 몰드(mold)를 구비한다. 상기 히터(30)는 열간 압출 제어기(50)의 제어에 의한 전원공급으로 프레스(20)를 가열함으로써 프레스(20)의 가공 공정을 냉간 프레스 방식인 1차 프레스 공정과 열간 프레스 방식인 2차 프레스 공정으로 구분한다.
특히 상기 1차 프레스 공정은 자석원료(1)에 대한 프레스 수직 가압을 형성해주고, 상기 2차 프레스 공정은 자석원료(1)에 대한 프레스 수직 가압과 함께 측방향 가압을 형성해 준다. 상기 열간 온도는 약 800℃를 적용한다. 상기 코일(40)은 프레스(20)에 구비되어 2차 프레스 공정이 가해지는 자석원료(1)에 평행자계(40-1)(도 3 참조)를 형성함으로써 자석원료(1)를 열간 압출 자석(1-1)으로 전환시켜 준다. 상기 코일(40)은 솔레노이드 코일을 적용한다.
일례로 상기 열간 압출 제어기(50)는 프레스(20)의 1,2차 프레스 공정 및 강자계 열간 압출 공정을 각각 제어하고, 열간 공정을 위한 히터(30)와 파워 연결 및 평행자계(40-1)의 형성을 위한 코일(40)과 파워 연결을 제어하여 준다. 이를 위해 상기 열간 압출 제어기(50)는 PLC(Programmable Logic Controller)를 제어기로 적용할 수 있다.
이하 상기 열간 압출 영구자석 제조공법을 도 2 내지 도 4를 참조로 상세히 설명한다. 이 경우 제어주체는 열간 압출 제어기(50)이고, 제어대상은 프레스(20)와 히터(30), 코일(40)이다.
S10은 원료준비공정이다. 이는 열간 압출 프레스 시스템(10)의 가동전에 이루어짐으로써 열간 압출 제어기(50)는 관여되지 않는다. 일례로 원료준비공정(S10)에서는 S10-1과 같이 다결정 가루가 자석원료(1)로 준비된다. 상기 다결정 가루는 약 500㎛의 가루지름과 약 20~50nm의 결정입경을 갖도록 제조된다.
그 결과 상기 다결정 가루의 자석원료(1)는 프레스(20)에 채워진다.
열간 압출 제어기(50)는 프레스 공정을 수행한다. 상기 프레스 공정은 S30의 1차 프레스 가압 공정과 S30의 2 차 프레스 가압 공정으로 구분되어 순차적으로 수행된다.
도 2를 참조하면, 열간 압출 제어기(50)는 1,2차 프레스 가압 공정에 따른 프레스 공정 로직으로 프레스(20)와 히터(30)를 제어한다. 상기 프레스 공정 로직은 IMP 모터 제조를 위한 통상적인 공정과 동일하다.
일례로 상기 1차 프레스 가압 공정(S20)은 S20-1과 같이 냉간공정이므로 히터(30)가 동작되지 않는다. 그러므로 프레스(20)는 열간 압출 제어기(50)의 제어에 의한 몰드 동작으로 자석원료(1)를 가압하여 준다. 반면 상기 2차 프레스 가압 공정(S30)은 S30-1과 같이 열간공정이므로 히터(30)가 동작된다. 그러므로 열간 압출 제어기(50)는 프레스(20)에서 자석원료(1)가 가압되도록 몰드를 동작시키면서 동시에 히터(30)에 전원공급을 하여 프레스(20)의 온도를 올려준다. 이 경우 상기 히터(30)의 전원공급은 프레스(20)의 온도가 약 800℃로 상승된 후 열간공정동안 온도 유지되도록 제어된다. 이때 상기 프레스(20)의 약 800℃ 온도 검출은 프레스(20)에 구비된 온도센서로 이루어질 수 있다.
이어 열간 압출 제어기(50)는 프레스 공정 완료 후 S40의 강자계 열간 압출 공정을 수행한다. 상기 강자계 열간 압출 공정(S40)은 S41의 열간 프레스 가압 단계, S42의 열간 프레스에 의한 열간 응력 형성단계, S43의 코일(40)의 전원공급으에 따른 강자계 형성 단계, S44의 열간 압출단계로 구분된다.
도 3을 참조하면, 열간 압출 제어기(50)는 히터(30)에 대한 전원공급 제어로 프레스(20)를 약 800℃로 유지하여 줌으로써 프레스 가압된 자석원료(1)는 열간공정에 의한 열간응력을 형성한다. 상기 열간응력은 자석원료(1)에 대한 프레스 수직 가압으로 형성되어져 자석원료(1)에 대해 결정립 응력을 형성하여 준다. 또한 열간 압출 제어기(50)는 코일(40)에 대한 전원공급으로 자석원료(1)가 배출되는 프레스(20)의 하부부위에 자석원료(1)의 이방성 강화가 일어나는 평행자계(40-1)를 형성시켜 준다. 특히 상기 평행자계(40-1)는 자석원료(1)에 대한 프레스 측방향 가압시 형성되고, 상기 측방향 가압하중 형성은 열간 압출 제어기(50)의 제어로 프레스(20)에서 발생된다.
일례로 상기 열간 압출 자석(1-1)은 평행자계(40-1)의 효과로 (a)와 같이 가열에 의한 결정립은 자화 용이축과 수직 방향 축으로 원반 모양으로 이방성장되고, (b)와 같이 이방성장의 원반 모양에 프레스 측방향 가압에 의한 응력이 가해지며, (c)와 같이 강해지는 응력을 받아 임계 슬라이딩에 의해 회전된다.
그 결과 자석원료(1)는 응력에 의한 입자 정렬 시점에 솔레노이드타입 코일(40)의 강자계를 이용하여 자구 배열 효과 강화로 이방성 강화 및 자속밀도 상승된 열간 압출 자석(1-1)으로 전환된다.
상기 열간 압출 자석(1-1)에 대한 도 4의 현미경의 조밀도 사진은 기존의 소결자석 대비 열간압출자석의 효과를 예시한다.
이후 열간 압출 제어기(50)는 강자계 열간 압출 공정 완료 후 S50의 후 가공공정으로 전환된다. 상기 후 가공공정은 프레스(20)에서 배출된 열간 압출 자석(1-1)에 대해 이루어지므로 모터 제조의 통상적인 공정 절차로 수행된다.
한편 도 5는 열간 압출 영구자석 제조공법으로 제조된 열간 압출 자석(1-1)이 적용된 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터(100)의 예이다.
도시된 바와 같이, IPM 모터(100)는 고정자(110), 영구자석(110-1), 회전자(120) 및 하우징(130)을 포함한다. 특히 상기 영구자석(110-1)은 도 1 내지 도 4를 통해 제조된 열간 압출 자석(1-1)으로 이루어진다.
일례로 상기 하우징(130)은 고정자(110)와 회전자(120)를 감싸고, 상기 고정자(110)는 회전자(120)를 감싸며, 상기 회전자(120)는 영구자석(110-1)을 매입하여 고정자(110)에 대해 회전된다.
그러므로 상기 IPM 모터(100)는 높은 효율과 출력밀도를 충족시키는 영구자석 매입형 동기모터이다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 열간 압출 영구자석 제조공법은 자석원료(1)의 냉간 프레스 수직 가압에 의한 1차 프레스 가압 공정과 이에 이어진 열간 프레스 수직 가압에 의한 2차 프레스 가압 공정 후 상기 자석원료(1)에 강자계에 의한 자구 배열 효과 강화가 발생되는 강자계 열간 압출 공정이 적용되어 열간 압출 자석(1-1)을 제조하고, 상기 열간 압출 자석(1-1)이 회전자(120)에 매입됨으로써 디스프로슘(Dy)과 터븀(Tb)과 같은 중희토류 사용 없이도 보자력이 높아지는 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터(100)의 제조가 이루어진다.
1 : 자석원료 1-1 : 열간 압출 자석
10 : 열간 압출 프레스 시스템
20 : 프레스 30 : 히터
40 : 코일 40-1 : 평행자계
50 : 열간 압출 제어기
100 : IPM(Interior Permanent Magnet) 모터
110 : 고정자 110-1 : 영구자석
120 : 회전자 130 : 하우징

Claims (15)

  1. 자석원료의 프레스 공정에 강자계 열간 압출 공정이 적용되고, 상기 강자계 열간 압출 공정은 상기 자석원료에 강자계에 의한 자구 배열 효과를 강화시켜주는
    것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 강자계 열간 압출 공정은 800℃의 열간 온도 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 자석원료는 다결정 가루인 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 강자계 열간 압출 공정은 평행자계 형성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.

  5. 청구항 4에 있어서, 상기 평행자계 형성은 상기 자석원료에 대한 프레스 측방향 하중이 가해질 때 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 평행자계 형성은 전원공급이 이루어지는 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 코일은 솔레노이드 코일인 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 강자계 열간 압출 공정은 상기 자석원료에 대한 프레스 수직 가압 후 적용되는 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 프레스 수직 가압은 2단계 프레스 가압 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 2단계 프레스 가압 공정은 상기 자석원료에 대한 프레스 수직 가압이 냉간 프레스로 이루어지는 1차 프레스 가압 공정과 열간 프레스로 이루어지는 2차 프레스 가압 공정으로 구분되고, 상기 1차 프레스 가압 공정 후 상기 2차 프레스 가압 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 열간 프레스는 히터에 의해 열간 온도가 유지되는 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 열간 온도는 800℃인 것을 특징으로 하는 열간 압출 영구자석 제조공법.
  13. 고정자에 대해 회전되고, 자석원료가 2단계 프레스 가압 공정에 이어진 강자계 열간 압출 공정으로 강자계에 의한 자구 배열 효과를 갖는 열간 압출 자석으로 전환되고, 상기 열간 압출 자석이 영구자석으로 매입된 회전자;
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 자석원료는 다결정 가루인 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 다결정 가루는 500㎛의 가루지름과 20~50nm의 결정입경을 갖는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
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