KR20200010270A - 자석 제조 방법 및 자석 착자 방법 - Google Patents

자석 제조 방법 및 자석 착자 방법 Download PDF

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KR20200010270A
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다카시 야마모토
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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 자석의 제조방법으로서, (1)자화 용이축이 소정 방향으로 배향된 3개 이상의 미착자 자석 소재를 준비하고, 각각의 미착자 자석 소재를 서로 접착시켜 조립체를 구성하는 공정과, (2)상기 조립체에 곡선 형상의 펄스 자기장을 인가하여 상기 조립체를 착자시키는 공정을 포함하며, 상기 (2)의 공정에 의해, 각각의 미착자 자석 소재가 자석 블록으로 되며, 적어도 한 쌍의 인접하는 상기 자석 블록 간에 자화 방향이 이루는 각도 θ(단, 0°≤θ≤180°)가 30°~120°의 범위로 되는 제조 방법에 관한 것이다.

Description

자석 제조 방법 및 자석 착자 방법
본 발명은 자석 제조 방법 및 자석 착자 방법에 관한 것이다.
공작 기계, 차량, 항공기, 풍력 원동기 등에서는, 엔진 등으로부터 전달되는 기계적 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전기와, 반대로 전기 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환시키는 모터(전동기) 등이 사용되고 있다.
근래에 이러한 모터 등에 사용되는 영구 자석에 있어, 자기 특성을 더욱 향상시키기 위해 이른바 할바흐(Halbach) 자석이 제안되고 있다.
할바흐 자석이란, 복수 개의 영구 자석 블록을 할바흐 배열이라는 배열로 조합하여 구성된 자석이다. 할바흐 자석에서는, 각 영구 자석 블록의 자극 방향을 최적화함으로써 특정 방향에서의 자기장 강도를 향상시킬 수 있다.
일본국 공개특허공보 특개2016-029880호
그러나, 할바흐 자석을 구성하기 위해서는, 복수 개의 영구 자석 블록을 서로 반발 및/또는 흡인하는 상태로 접합시킬 필요가 있다. 그러므로, 종래의 할바흐 자석 제조방법은 생산성이 낮아 양산이 곤란하다는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 제조 방법에서는, 전술한 반발 및/또는 흡인의 영향에 의해 조립 정밀도가 나빠지는 경향이 있어서, 얻어진 할바흐 자석에서 원하는 특성을 얻을 수 없게 될 가능성이 있다.
한편, 이러한 문제점에 대처하는 방법으로서, 미리 착자(着磁)된 영구 자석 블록을 사용하지 않고, 착자되지 않은(미착자) 자석 블록을 배열시켜 조립체를 형성해 두고서 이 조립체에 대해 나중에 착자 처리를 하는 것을 생각할 수 있다.
그러나, 특허문헌 1에 의하면, 이러한 방법으로는, 예를 들어 인접하는 미착자(未着磁) 자석 블록에 있어 자화 방향이 90° 다른 양태로는 착자시킬 수 없다고 되어 있다(특허문헌 1). 이것은, 일반적으로 자기장은 연속성을 가지므로, 인접하여 배치된 미착자 자석 블록에 대해 자화 용이축의 배열 방향이 다르게 자화 용이축의 배열 방향을 따른 자기장을 인가하는 것은 원리적으로 불가능하기 때문이다.
이와 같이, 종래의 방법에서는, 할바흐 자석을 높은 생산성으로 제조하는 것이 곤란하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 배경을 고려하여 이루어진 것으로서, 본 발명에서는, 종래에 비해 높은 생산성을 갖는 할바흐 자석 제조방법 및 종래에 비해 높은 생산성을 갖는 미착자 자석 착자방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 자석의 제조방법으로서 (1)자화 용이축이 소정 방향으로 배향된 3개 이상의 미착자 자석 소재를 준비하고, 각각의 미착자 자석 소재를 서로 접착시켜 조립체를 구성하는 공정과, (2)상기 조립체에 곡선 형상의 펄스 자기장을 인가하여 상기 조립체를 착자시키는 공정을 포함하며, 상기 (2)의 공정에 의해, 각각의 미착자 자석 소재가 자석 블록으로 되며, 적어도 한 쌍의 인접하는 상기 자석 블록 간에 자화 방향이 이루는 각도 θ(단, 0°≤θ≤180°)가 30°~120°의 범위로 되는 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에서는, (1)자화 용이축이 소정 방향으로 배향된 3개 이상의 미착자 자석 소재를 준비하고, 각각의 미착자 자석 소재를 서로 접착시켜 조립체를 구성하는 공정과, (2)상기 조립체에 곡선 형상의 펄스 자기장을 인가하여 상기 조립체를 착자시키는 공정을 포함하며, 상기 (2)의 공정에 의해, 각각의 미착자 자석 소재가 자석 블록으로 되며, 인접하는 상기 자석 간에 자화 방향이 이루는 각도 θ(단, 0°≤θ≤180°)가 30°~120°의 범위로 되는 착자 방법이 제공된다.
본 발명에서는, 종래에 비해 높은 생산성을 갖는 할바흐 자석 제조방법 및 종래에 비해 높은 생산성을 갖는 미착자 자석 착자방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 할바흐 자석 제조방법의 플로우의 일 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 미착자 자석 소재의 일 형태를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 조립체의 일 구성예를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 조립체의 일 구성예를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 또다른 조립체의 일 구성예를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 또다른 조립체의 일 구성예를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 7은 조립체의 착자 처리에 이용될 수 있는 착자 장치의 구성예를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 착자 장치를 이용한 착자 처리에 의해 얻어지는 착자체의 자화 방향의 일 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 자화 방향의 각도차 θ가 90°인 착자체의 구성예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 조립체의 착자 처리에 이용될 수 있는 다른 착자 장치의 구성예를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 11은 도 10에 나타낸 착자 장치를 이용한 착자 처리에 의해 얻어지는 착자체의 자화 방향의 일 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 예 1에 있어 착자 후에 얻어진 할바흐 자석의 형태를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 13은 예 6에 있어 착자 후에 얻어진 할바흐 자석의 형태를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 14는 헬름홀츠 코일 장치의 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 15는, 헬름홀츠 코일 장치로부터 얻어지는, 샘플의 이동 거리와 유기(誘起) 전압 V의 관계의 일 예를 나타낸 그래프이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
[본 발명의 일 실시형태에 따른 할바흐 자석 제조방법]
도1~도9를 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 할바흐 자석 제조방법의 일 예에 대해 설명한다.
도 1에서는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 할바흐 자석 제조방법(이하, "제1 제조방법"이라 함)의 플로우를 모식적으로 나타낸다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 제1 제조방법은, (1)자화 용이축이 소정 방향으로 배향된 3개 이상의 미착자 자석 소재를 준비하고, 각각의 미착자 자석 소재를 서로 접착시켜 조립체를 구성하는 공정(공정 S110)과, (2)상기 조립체에 곡선 형상의 펄스 자기장을 인가하여 상기 조립체를 착자시키는 공정(공정 S120)을 포함한다.
한편, 공정 S120에서 "곡선 형상의 (펄스)자기장"이라 함은, 조립체(피착자체)의 내부를 통과하는 자기력선의 방향이 직선 형상이 아니라 곡선 형상으로 되는 (펄스)자기장을 의미한다.
또한, 자화 용이축이 소정 방향으로 배향된 미착자 자석 소재로는, 예를 들어, 자화 용이축이 한 방향으로 가지런하게 패럴랠 배향된 미착자 자석 소재를 들 수 있다. 여기에서, 패럴랠 배향이라 함은 착자되었을 때에, 예를 들어, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 면에 있어 대각선을 4등분하는 세 점에서 자화 용이축의 배향 방향 차가 15° 이내로 되는 배향이다.
이하에서 각 공정에 대해 설명한다.
(공정 S110)
먼저 3개 이상의 미착자 자석 소재를 준비한다.
도 2에는 미착자 자석 소재의 일 형태를 나타낸다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 미착자 자석 소재(110)는 대략 직방체 형상을 가진다. 미착자 자석 소재(110)에는 자석 입자의 자화 용이축(140)이 소정 방향으로 배향되어 있다. 예를 들어, 도 2에 나타낸 예에서는, 미착자 자석 소재(110)에 있어 자화 용이축(140)이 연직 방향(도 2에서 Z방향)으로 배치되어 있다.
다만, 이는 단지 하나의 예로서, 미착자 자석 소재의 자화 용이축의 배향 방향은, 후에 제조할 할바흐 자석의 할바흐 배열에 따라 정해진다. 예를 들어, 미착자 자석 소재(110)의 자화 용이축(140)은, 도 2에서의 Z축에 평행한 방향으로 배향될 수도 있으며, Z축에 대해 소정의 각도(예를 들어, 30°, 45°, 90° 등)를 형성하고 있을 수도 있다.
미착자 자석 소재(110)가 대략 직방체인 경우, 미착자 자석 소재(110)의 최단변 길이는, 예를 들어, 1㎜~6㎜의 범위에 있다. 최단변 길이는 2㎜~4㎜의 범위에 있음이 바람직하다. 한편, 미착자 자석 소재(110)의 최장변 길이는, 예를 들어 5㎜~50㎜의 범위에 있다.
미착자 자석 소재(110)는, 예를 들어 미착자 상태의 희토류 소결 자석일 수 있다. 또한, 희토류 소결 자석은 네오디뮴-철-붕소계 합금일 수 있다.
한편, 미착자 자석 소재(110)의 제조방법은 당업자에게는 분명하므로, 여기에서 이 이상의 설명은 생략한다.
이어서, 복수 개의 미착자 자석 소재를 서로 접착시켜 조립체를 구성한다.
도 3에는 조립체의 일 구성예를 모식적으로 나타낸다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 조립체(160)는 대략 직방체 형상이며, 상면(162), 저면(164), 4개의 측면(166)을 가진다.
조립체(160)는, 제1 미착자 자석 소재(110A), 제2 미착자 자석 소재(110B), 제1 미착자 자석 소재(110A)의 순서로 일렬로 배열시킴으로써 구성된다. 각 미착자 자석 소재의 배열 방향(도 3에서의 X방향)을, 이하에서는 "(미착자 자석 소재의) 배열 방향"이라고도 한다.
한편, 명확화를 위해 도 3에는 나타내지 않았으나, 실제로는 인접하는 제1 미착자 자석 소재(110A)와 제2 미착자 자석 소재(110B)의 사이에는 접착제가 구비되어 있으며, 이 접착제를 사이에 두고서 제1 미착자 자석 소재(110A)와 제2 미착자 자석 소재(110B)가 서로 접착된다.
제1 미착자 자석 소재(110A)는 제1 상면(112A), 제1 저면(114A), 4개의 제1 측면(116A)을 가진다. 한편, 제1 미착자 자석 소재(110A)의 6면 중에 제2 미착자 자석 소재(110B)에 접합되는 면을, 특히 "제1 피접합면"이라 한다.
제2 미착자 자석 소재(110B)는 제2 상면(112B), 제2 저면(114B), 4개의 제2 측면(116B)을 가진다. 한편, 제2 미착자 자석 소재(110B)의 6면 중에 제1 미착자 자석 소재(110A)에 접합되는 면을, 특히 "제2 피접합면"이라 한다.
이 표기에 따르면, 제1 미착자 자석 소재(110A)의 제1 피접합면(제1 측면(116A) 중 하나)과 제2 미착자 자석 소재(110B)의 제2 피접합면(제2 측면(116B) 중 하나)이 서로 대면하도록 미접착 자석 소재(110A,110B)를 배열시켜 이를 반복함으로써, 조립체(160)가 구성된다.
조립체(160)의 상면(162)은, 2개의 제1 미착자 자석 소재(110A)의 제1 상면(112A)과, 1개의 제2 미착자 자석 소재(110B)의 제2 상면(112B)으로 형성된다. 마찬가지로, 조립체(160)의 저면(164)은, 2개의 제1 미착자 자석 소재(110A)의 제1 저면(114A)과, 1개의 제2 미착자 자석 소재(110B)의 제2 저면(114B)으로 형성된다.
이 때, 조립체(160)와 같이 상면(162)과 저면(164)이 서로 대향하고 있는 경우, 상면(162)과 저면(164) 사이의 거리를 "두께"라고 한다. 도 3에 나타낸 예에서는, 조립체(160)의 두께 방향은 Z방향에 평행하다.
조립체(160)의 두께는 1㎜~10㎜의 범위에 있으며, 1㎜~6㎜의 범위이면 보다 바람직하며, 1.5㎜ 이상 6㎜ 미만의 범위이면 더 바람직하다.
한편, 조립체(160)의 배열 방향에 따른 길이(이하, "배열 길이"라 함)는 10㎜~40㎜의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 일반적인 경우에, 제1 미착자 자석 소재(110A)의 Z방향 치수는 제2 미착자 자석 소재(110B)의 Z방향 치수와 같다. 이로써, 조립체(160)의 두께가 가지런히 되어, 나중에 제조되는 할바흐 자석의 두께를 가지런히 하는 연마 공정을 생략 또는 간략화할 수 있다.
도 3을 다시 참조하면, 제1 미착자 자석 소재(110A)는, 자화 용이축(140A)이 조립체(160)의 두께 방향에 평행하게 되도록, 조립체(160) 내에 배치되어 있다. 또한, 제2 미착자 자석 소재(110B)는, 자화 용이축(140B)이 각 미착자 자석 소재(110A,110B)의 배열 방향에 평행하게 되도록, 조립체(160) 내에 배치되어 있다.
그 결과, 조립체(160)에서의 인접하는 미착자 자석 소재(110A,110B)에 있어, 자화 용이축(140A)과 자화 용이축(140B)이 이루는 각도 α(이하, "자화 용이축의 각도차 α"라 함)는 90°로 되어 있다(단, 0°≤α≤90°).
그런데, 실제로는, 미착자 자석 소재에서 자화 용이축의 각도는 ±5° 정도의 불균일을 포함한다. 따라서, 본원에서 자화 용이축의 각도차 α값은 ±5° 의 범위를 포함하는 것으로 한다. 따라서, 자화 용이축의 각도차 α가 90°라 함은 α=85°~90°의 범위임을 의미한다. 미착자 자석 소재의 자화 용이축 방향은 전자선 후방 산란 회절법(Electron-Backscatter-Diffraction)에 의해 측정할 수 있다. 즉, 전자선 후방 산란 회절법에 의해 얻어지는 자화 용이축의 극점도에서, 가장 빈도가 높은 방향을, 그 분석점에서의 자화 용이축 방향으로 할 수 있다. 분석점으로서는 착자되었을 때에 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 면에서의 대각선을 4등분하는 세 점에서 분석하여, 그 세 점에서의 자화 용이축 방향의 평균값을 당해 미착자 자석 소재의 배향 방향, 즉, 자화 용이축 방향(140)으로 할 수 있다.
또한, 도 3에 나타내는 예에서는, 합계 3개의 미착자 자석 소재(110A,110B)를 일렬(배열 방향)로 접합시킴으로써 조립체(160)가 구성된다. 그러나, 이 형태는 단지 하나의 예에 불과함에 유의할 필요가 있다. 즉, 조립체에 있어 조합되는 미착자 자석 소재의 총 갯수는, 3개 이상이라면 특별히 제한되지 않는다.
또한, 조립체에서 사용되는 각각의 미착자 자석 소재의 자화 용이축 배향 방향이 반드시 도 3에 나타낸 자화 용이축(140A,140B) 방향과 동일할 필요는 없다.
이하에서는, 도4~도6을 참조하여 조립체의 다른 구성에 대해 설명한다.
도4~도6에서는 조립체의 다른 양태를 모식적으로 나타낸다.
도 4에 나타낸 예에서 조립체(260)는, 합계 5개의 미착자 자석 소재(210A,210B,210C,210D,210A)를 배열 방향(X방향)에 따라 배치함으로써 구성된다. 한편, 조립체(260)에 있어 좌단과 우단에는, 도 4에 나타내는 것처럼 같은 미착자 자석 소재(210A)가 배치될 수도 있다.
각각의 미착자 자석 소재(210A~210D)는 서로 다른 방향으로 배향된 자화 용이축(240A~240D)을 가진다.
그 결과, 이 조립체(260)의 구성에서는, 인접하는 미착자 자석 소재의 쌍에 있어 자화 용이축(240)의 각도차 α가 모두 45°로 되어 있다.
또한, 도 5에 나타낸 예에서 조립체(360)는, 합계 5개의 미착자 자석 소재(310A,310B,310C,310D,310A)를 배열 방향(X방향)에 따라 배치함으로써 구성된다. 한편, 조립체(360)에 있어 좌단과 우단에는, 도 5에 나타내는 것처럼 같은 미착자 자석 소재(310A)가 배치될 수도 있다.
각각의 미착자 자석 소재(310A~310D)는 서로 다른 방향으로 배향된 자화 용이축(340A~340D)을 가진다.
여기에서 조립체(360)에서는, 도 4에 나타낸 조립체(260)와 마찬가지로, 인접하는 미착자 자석 소재의 쌍에 있어 자화 용이축(340A~340D)의 각도차 α가 모두 45°로 되어 있다. 다만, 조립체(360)는 조립체(260)와는 달리, 좌단과 우단에, 자화 용이축(340)이 배열 방향에 평행한 방향으로 배향된 미착자 자석 소재(310A)를 구비한다.
또한, 도 6에 나타낸 예에서 조립체(460)는, 합계 7개의 미착자 자석 소재(410A,410B,410C,410D,410E,410F,410A)를 배열 방향(X방향)에 따라 배치함으로써 구성된다. 한편, 조립체(460)에 있어 좌단과 우단에는, 도 6에 나타내는 것처럼 모두 같은 미착자 자석 소재(410A)가 배치될 수도 있다.
각각의 미착자 자석 소재(410A~410F)는 서로 다른 방향으로 배향된 자화 용이축(440A~440F)을 가진다.
그 결과, 이 조립체(460)의 구성에서는, 인접하는 미착자 자석 소재의 쌍에 있어 자화 용이축(440)의 각도차 α가 모두 30°로 되어 있다.
이와 같이 조립체에서, 인접하는 미착자 자석 소재의 쌍에 있어 자화 용이축의 각도차 α가 30°~120°의 범위라면 특별히 제한되지 않는다. 마찬가지로, 조립체에 포함되는 미착자 자석 소재의 갯수는 3개 이상이라면 특별히 제한되지 않는다는 점에 유의할 필요가 있다.
(공정 S120)
이어서, 전술한 공정에서 구성된 조립체가 착자(着磁) 처리된다.
도 7에서는, 조립체의 착자 처리에 이용될 수 있는 착자 장치의 단면을 모식적으로 나타낸다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 착자 장치(700)는 하우징(702)을 가진다. 하우징(702)은 수용부(704)를 가지는데, 당해 수용부(704)에는, 피착자체(Q), 즉, 조립체를 포함하는 조립체 수납 케이스(720)가 배치된다.
또한, 하우징(702)은, 상면에서 보았을 때에 도 7의 Y방향(지면에 수직인 방향)을 따라 평행하게 형성된 2개의 코일 수용 공간(708A,708B)을 가진다.
코일 수용 공간(708A,708B)에는 각각 코일(710A,710B)이 수용된다. 한편, 코일 수용 공간(708A,708B)의 빈 곳에는 비자성(非磁性)의 수지가 충전된다.
이와 같은 착자 장치(700)를 이용하여 조립체를 착자 처리하는 경우, 하우징(702)의 수용부(704)에 조립체 수납 케이스(720)가 설치된다. 조립체 수납 케이스(720) 안에는 피착자체(Q)가 구비된다. 피착자체(Q)는, 예를 들어, 전술한 도 5에 나타낸 조립체(360)일 수 있다.
한편, 피착자체(Q)가 반드시 조립체 수납 케이스(720) 안에 수용되어 사용될 필요는 없다. 예를 들어, 피착자체(Q)는 하우징(702)의 수용부(704)에 직접 수용될 수도 있다.
이어서, 이 상태에서 전류가 하우징(702) 내의 코일(710A,710B)로 통전된다.
이 때에, 도 7에 나타내는 바와 같이, 코일(710A)에서는 전류가 지면의 앞면쪽에서부터 뒷면쪽으로 흐르고, 코일(710B)에서는 전류가 지면의 뒷면쪽에서부터 앞면쪽으로 흐르는 것으로 가정한다. 한편, 하우징(702)은 자성(磁性) 재료로 구성되어 있으며 요크로서 기능한다.
이와 같은 전류 통전에 의해, 환형 자기장(B1)이 코일(710A)로부터 발생한다. 환형 자기장(B1)은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 코일(710A)의 주위에 대략 시계 방향으로 발생한다. 마찬가지로, 통전에 의해, 환형 자기장(B2)이 코일(710B)로부터 발생한다. 환형 자기장(B2)은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 코일(710B)의 주위에 대략 반시계 방향으로 발생한다.
여기에서 코일(710A,710B)로의 통전은, 코일(710A,710B)에 접속된 컨덴서를 충전하여 두고서 이 컨덴서에 충전된 전하를 방전시킴으로써 행하여진다. 이 경우, 환형 자기장(B1,B2)은 펄스 전류에 의해 발생하는 펄스 자기장으로 된다.
이러한 방법에서는, 코일(710A,710B)을 손상시키지 않고서 코일(710A,710B)로부터 큰 환형 자기장(B1,B2)을 안정적으로 발생시킬 수 있다.
펄스 전류의 펄스 폭은, 예를 들어 0.3ms~100ms의 범위이며, 바람직하게는 0.5ms~10ms이다. 상기 범위로 함으로써, 코일의 발열을 억제하면서 강한 자기장을 인가할 수 있다. 최대 전류는, 예를 들어 8kA~20kA의 범위이다. 한편, 코일(710A,710B)로의 펄스 전류 인가는 복수회 행할 수도 있다.
이들 환형 자기장(B1,B2)에 의해 펄스 자기장이 피착자체(Q)에 인가된다. 그 결과, 피착자체(Q)에 포함되는 각각의 미착자 자석 소재가 착자되어 착자체(着磁體)가 얻어진다.
예를 들어, 도 5에 나타낸 바와 같이, 조립체(360)에 대해 착자 처리를 실시했을 때에, 각각의 미착자 자석 소재(310A~310D)는 도 8에 나타낸 것과 같은 자화(磁化) 방향으로 착자된다.
여기에서 도 8에 나타내는 바와 같이, 착자체(742)에 있어 각각의 착자된 자석을, X방향을 따라 순서대로 자석 블록(760A), 자석 블록(760B), 자석 블록(760C), 자석 블록(760D), 자석 블록(760E)이라 한다. 또한, 각각의 자석 블록(760A~760E)에서의 자화 방향을 각각 761A~761E라 한다.
착자체(742)에 있어 인접하는 자석 블록 쌍의 자화 방향이 이루는 각도 θ를 자화 방향 각도차 θ(단, θ는 0°~180°의 범위에 있음)라 한다. 도 8에 나타낸 예에서는, 자화 방향 각도차 θ는 모든 쌍에서 45°이다.
그런데, 실제로는, 자석 블록의 자화 방향은 ±5° 정도의 불균일을 포함한다. 따라서, 본원에서 자화 방향 각도차 θ값은 ±5° 의 범위를 포함하는 것으로 한다. 그러므로, 자화 방향 각도차가 45°라 함은 θ=40°~50°의 범위임을 의미한다. 다른 자화 방향 각도차 값에서도 마찬가지이다. 한편, 자화 방향은, 자화 용이축 방향 중에서 N극의 자극을 가지는 방향이다.
여기에서 도 8에는, 일 예로서 착자체(742)에서 자화 방향 각도차 θ가 45°인 경우가 나타나 있다. 그러나, 이는 단지 일 예로서, 착자체에서는 자화 방향 각도차 θ로서 30°~120° 범위의 임의의 값을 선택할 수 있다.
예를 들어, 도 7에 나타낸 착자 장치(700)에 있어서, 2개의 코일 수용 공간(708A,708B) 사이의 거리를 접근시킨 경우에 보다 큰 자화 방향 각도차 θ를 갖는 착자체를 얻을 수 있다.
예를 들어, 자화 용이축의 각도차 α가 90°로 되도록 3개의 미착자 자석 소재가 배열된 조립체를 사용하여 착자 처리를 실시한 경우, 도 9에 나타내는 것과 같이 자화 방향 각도차 θ가 90°인 착자체(842)를 얻을 수 있다.
이상의 공정에 의해 착자체(742), 즉, 할바흐 자석을 제조할 수 있다. 한편, 도 8에 나타낸 착자체(742)에서는, 저면(748)이 최대 표면 자속 밀도를 얻을 수 있는 면(이하, "(할바흐 자석의) 주면")으로 된다. 마찬가지로 도 9에 나타낸 착자체(842)에서도, 저면(848)이 주면(主面)으로 된다.
착자체(742)의 주면(主面), 즉, 저면(748)에 대해 수직한 방향에서의 치수(착자체(742)의 "두께")는, 예를 들어, 1㎜~10㎜의 범위에 있으며, 1㎜~6㎜의 범위이면 보다 바람직하며, 1.5㎜ 이상 6㎜ 미만의 범위이면 더 바람직하다. 두께를 1.5㎜ 이상으로 함으로써, 착자체(742) 주면에서의 표면 자속 밀도의 최대값을 보다 크게 할 수 있으며, 두께를 6㎜ 미만(보다 바람직하게는 5㎜ 이하, 더 바람직하게는 4㎜ 이하)으로 함으로써, 착자체(742)를 구성하는 각 자석 블록의 착자율을 보다 높게(예를 들어 95% 이상) 할 수 있다. 착자율을 95% 이상으로 함으로써, 각형성(角形性)이 향상되어 자석 블록의 자기 감소를 발생하기 어렵게 할 수 있다.
관련하여 전술한 바와 같이, 종래에는 인접하는 미착자 자석 블록 쌍에 있어 자화 방향이 많이 다른 양태에서는 착자를 하기 어렵다고 여겨져왔다. 이는, 일반적으로 자기장은 연속성을 가지므로, 자화 용이축의 배향 방향이 다르도록 인접하여 배치된 미착자 자석 블록에 대해 자화 용이축 방향을 따라 자기장을 인가하는 것은 원리상 불가능하기 때문이다.
이에 대해 본원 발명자들은, 앞서 설명한 바와 같이, 도 7에 나타낸 착자 장치(700)를 이용하여 피착자체(Q)에 펄스 가지장을 인가시킴으로써, 인접하는 미착자 자석 소재의 쌍에 있어 자화 방향이 많이 다른 양태에서도 착자할 수 있음을 발견하였다. 이와 같이 나중에 착자하는 방법에 의해 할바흐 자석을 제조하는 예는 이제까지 전혀 생각되지 못한 것으로서, 본원 발명의 결과물은 놀라운 것이라 할 수 있다.
이와 같이 제1 제조방법에서는, 피착자체(Q)에 대해 나중에 착자 처리함으로써 할바흐 자석을 제조할 수 있다. 제1 제조방법에서는, 종래처럼 복수 개의 영구 자석 블록을 서로 반발 및/또는 흡인하는 상태에서 접합시킬 필요가 없다. 따라서, 제1 제조방법에서는, 종래에 비해 유의미하게 높은 생산성으로 할바흐 자석을 제조할 수 있다.
또한, 제1 제조방법에서는, 전술한 자석 블록의 반발 및/또는 흡인의 영향에 의해 조립 정밀도가 나빠지는 문제점을 회피할 수 있어서, 원하는 특성을 갖는 할바흐 자석을 비교적 용이하게 제조할 수 있다.
[본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 할바흐 자석 제조방법]
이어서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 할바흐 자석 제조방법(이하, "제2 제조방법"이라 함)에 대해 설명한다.
제2 제조방법은, (1)자화 용이축이 소정 방향으로 배향된 3개 이상의 미착자 자석 소재를 준비하고, 각각의 미착자 자석 소재를 서로 접착시켜 조립체를 구성하는 공정(공정 S210)과, (2)상기 조립체에 환형의 펄스 자기장을 인가하여 상기 조립체를 착자시키는 공정(공정 S220)을 포함한다.
제2 제조방법은 기본적으로는 전술한 제1 제조방법과 마찬가지이다. 다만, 제2 제조방법에서는, 공정 S220에 있어 제1 제조방법에서 사용되는 착자 장치(700)와는 다른 착자 장치가 사용된다.
이에, 이하에서는, 제2 제조방법의 공정 S220에서 사용될 수 있는 착자 장치에 대해 설명한다.
도 10에서는, 제2 제조방법의 공정 S220에서 사용될 수 있는 착자 장치(제2 착자 장치)의 단면을 모식적으로 나타낸다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 제2 착자 장치(900)는 하우징(902)을 포함한다. 하우징(902)은 상부에 비자성체인 프레임 부재(903)를 가지며, 이 프레임 부재(903)에 의해 하우징(902)의 상부에 수용부(904)가 형성된다. 수용부(904)에는 피착자체, 즉, 조립체를 포함하는 조립체 수납 케이스(920)가 배치된다.
또한, 프레임 부재(903) 및 수용부(904)의 바로 아래에는, 상면에서 보았을 때에 도 10의 Y방향(지면에 수직인 방향)을 따라 코일 수용 공간(908A,908B,908C)이 서로 평행하게 형성되어 있다.
코일 수용 공간(908A,908C)에는 각각 코일(910A,910C)이 수용된다. 한편, 중앙의 코일 수용 공간(908B)에는 2세트의 코일(좌측의 상하 4개의 코일인 910B1과, 우측의 상하 4개의 코일인 910B2)이 수용된다.
한편, 코일(910B1)과 코일(910B2)의 사이는 공기층으로 되어 있어서 비투자율(比透磁率)이 낮으므로, 여기에서는 자속이 통과하기 어렵다. 또한, 실제로는 코일 수용 공간(908B)의 빈 곳에는 비자성(非磁性)의 수지가 충전된다. 코일 수용 공간(908A,908C)에서도 마찬가지이다.
이러한 착자 장치(900)를 이용하여 조립체를 착자 처리하는 경우, 하우징(902)의 수용부(904)에 조립체 수납 케이스(920)가 구비된다. 조립체 수납 케이스(920) 안에는 피착자체(Q)가 설치된다. 피착자체(Q)는, 예를 들어 전술한 도 4에 나타낸 조립체(260)일 수 있다.
한편, 피착자체(Q)를 반드시 조립체 수납 케이스(920) 안에 수용하여 사용할 필요는 없다. 예를 들어, 피착자체(Q)는 하우징(902)의 수용부(904)에 직접 수용될 수도 있다.
그리고, 이 상태에서 하우징(902) 내의 코일(910A,910B1,910B2,910C)에 전류가 통전된다.
여기에서는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 코일(910A,910C)에는 지면의 뒷면쪽에서부터 앞면쪽으로 전류가 흐르고, 코일(910B1,910B2)에는 지면의 앞면쪽에서부터 뒷면쪽으로 전류가 흐르는 것으로 가정한다. 한편, 하우징(902)은 자성 재료로 구성되어 있으며 요크로서 기능한다.
이러한 전류의 통전에 의해 코일(910A)로부터 환형 자기장(B1)이 발생한다. 환형 자기장(B1)은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 코일(910A)의 주위에 대략 반시계 방향으로 발생한다. 또한, 통전에 의해 코일(910B1,910B2)로부터 환형 자기장(B2)이 발생한다. 환형 자기장(B2)은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 2세트의 코일(910B1,910B2) 주위에 대략 시계 방향으로 발생한다. 마찬가지로 통전에 의해 코일(910C)로부터 환형 자기장(B3)이 발생한다. 환형 자기장(B3)은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 코일(910C)의 주위에 대략 반시계 방향으로 발생한다.
여기에서, 코일(910A,910B1,910B2,910C)로의 통전은, 전술한 바와 같이 고충전용량 컨덴서를 이용하여 펄스 전류를 발생시킴으로써 행해진다. 즉, 환형 자기장(B1~B3)은 펄스 자기장으로 된다.
이와 같은 방법에서는, 코일(910A,910B1,910B2,910C)을 손상시키지 않고서 이들 코일로부터 큰 환형 자기장(B1~B3)을 안정적으로 발생시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 펄스 전류의 펄스 폭은, 예를 들어 0.3ms~100ms의 범위에 있으며, 바람직하게는 0.5ms~10ms의 범위에 있다. 최대 전류는, 예를 들어 8kA~20kA이다. 한편, 코일(910A,910B1,901B2,910C)로의 펄스 전류 인가는 복수회 행할 수도 있다.
이들 환형 자기장(B1~B3)에 의해 펄스 자기장이 피착자체(Q)에 인가된다. 그 결과, 피착자체(Q)에 포함되는 각각의 미착자 자석 소재가 착자되어 착자체가 얻어진다.
예를 들어, 도 4에 나타내는 조립체(260)에 대해 착자 처리를 실시한 경우, 각각의 미착자 자석 소재(210A~210D)는 각각 도 11에 나타내는 자화 방향으로 착자된 자석으로 된다.
여기에서, 도 11에 나타내는 바와 같이, 착자체(942)에 있어 각각의 착자된 자석을, X방향을 따라 순서대로 자석 블록(960A), 자석 블록(960B), 자석 블록(960C), 자석 블록(960D), 자석 블록(960E)이라 한다. 또한, 각 자석 블록(960A~960E)에서의 자화 방향을 각각 961A~961E라 한다.
착자체(942)에 있어 인접하는 자석 블록 쌍의 자화 방향이 이루는 각, 즉, 자화 방향 각도차 θ는, 모든 쌍에서 45°이다. 한편, 전술한 바와 같이, 이러한 자화 방향 각도차 θ는 ±5° 정도의 불균일을 포함한다는 것에 유의할 필요가 있다.
도 11에 나타낸 착자체(942)에서는, 저면(948)이 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 면(즉, 할바흐 자석의 주면)으로 된다.
착자체(942)의 주면에 대해 수직한 방향에서의 치수(착자체(942)의 "두께")는, 예를 들어 1㎜~10㎜의 범위에 있으며, 1㎜~6㎜의 범위이면 보다 바람직하며, 1.5㎜~4㎜의 범위이면 더 바람직하다. 두께를 1.5㎜ 이상으로 함으로써 착자체(942) 주면에서의 표면 자속 밀도의 최대값을 크게 할 수 있으며, 두께를 4㎜ 이하로 함으로써 착자체(942)를 구성하는 각 자석의 착자율을 95% 이상으로 할 수 있다. 착자율을 95% 이상으로 함으로써, 각형성이 향상되며 자석의 자기 감소가 발생하기 어렵게 할 수 있다.
또한, 착자체(942)는, 전술한 도 8에 나타낸 착자체(742)와는 달리, 저면(948)이 자극(磁極)을 2개 가지도록 구성된다(자석(960A,960E)).
이 때 도 11에는, 일 예로서 착자체(942)에 있어 자화 방향 각도차 θ가 45°인 경우가 나타나 있다. 그러나, 이는 단지 하나의 예로서 착자체에 있어 자화 방향 각도차 θ는 30°~120° 범위의 임의의 값으로부터 선택할 수 있다.
예를 들어, 도 10에 나타낸 착자 장치(900)에 있어, 3개의 코일 수용 공간(908A,908B,908C) 간 거리를 근접시킨 경우, 보다 큰 자화 방향 각도차 θ를 갖는 착자체를 얻을 수 있다. 또는 3개의 코일 수용 공간(908A,908B,908C) 간 거리를 멀리 한 경우, 보다 작은 자화 방향 각도차 θ를 갖는 착자체를 얻을 수 있다.
이상의 공정에 의해, 착자체(942), 즉, 할바흐 자석을 제조할 수 있다.
이러한 제2 제조방법에 있어서도 전술한 제1 제조방법과 마찬가지의 이점을 가진다는 것은 당업자에게 자명하다.
이상, 제1 및 제2 제조방법을 예로 들어, 본 발명의 구성 및 특징에 대해 설명하였다. 다만, 상기 기재는 단지 하나의 예로서, 제1 및 제2 제조방법에 있어 각 공정을 개변하거나 변경할 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
예를 들어, 착자 장치의 구성을 적절하게 변경함으로써, 예를 들어, 도 6에 나타낸 조립체(460)를 착자 처리하여 약 30°의 자화 방향 각도차 θ를 갖는 착자체를 형성할 수 있다.
한편, 본원에 나타낸 할바흐 자석 제조방법의 적어도 일부는, 미착자 자석에 대한 착자방법으로서도 적용시킬 수 있다.
실시예
이어서, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
(예 1)
이하의 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
우선, 자석 입자의 자화 용이축이 일방향으로 배향되어 있는 소결 네오디뮴 자석((주)네오마그 제조)을 3개 준비하였다.
이들 자석을 가열에 의해 탈자(脫磁)시킨 후에, 소정 치수로 가공하여 제1~제3 미착자 자석 소재를 얻었다.
제1 미착자 자석 소재는 대략 직방체 형상이며, 세로7㎜ × 가로6.7㎜ × 높이2㎜의 치수를 가진다. 제1 미착자 자석 소재에 있어 자석 입자의 자화 용이축은 높이 방향(2㎜의 변에 평행한 방향)을 따라 배향되어 있다. 제2 미착자 자석 소재는 제1 미착자 자석 소재와 같은 치수를 가진다. 다만, 제2 미착자 자석 소재에 있어 자석 입자의 자화 용이축은 가로 방향(6.7㎜의 변에 평행한 방향)을 따라 배향되어 있다. 한편, 제3 미착자 자석 소재는 제1 미착자 자석 소재와 같은 것이다.
이어서, 각각의 미착자 자석 소재에 대해 7㎜×2㎜의 면이 피접합면으로 되도록 하여, 제1 미착자 자석 소재, 제2 미착자 자석 소재, 제3 미착자 자석 소재의 순서로 일렬 배향시켰다. 또한, 각각의 미착자 자석 소재를, 에폭시 수지를 사이에 두고 접착시켜, 조립체를 형성하였다.
조립체에 있어 각각의 미착자 자석 소재에서의 자화 용이축 배향은, 전술한 도 3에 나타낸 형태이었다.
이어서, 전술한 도 10에 나타낸 제2 착자 장치(900)를 이용하여, 조립체에 대해 착자 처리를 실시하였다. 사용한 컨덴서의 용량은 1000㎌이며, 충전 전압은 1400V이었다. 컨덴서에 충전된 전하의 방전에 의해, 펄스 폭이 0.7ms 이하이며 최대 14.1kA의 펄스 전류가 코일(910A~910C)로 통전되었다. 이로써 코일(910A~910C) 주위에 환형의 펄스 자기장이 생성되어 조립체가 착자되었다.
도 12에서는 착자 후에 얻어진 할바흐 자석의 형태를 모식적으로 나타낸다.
도 12에 나타내는 바와 같이, 할바흐 자석(1100)은 3개의 자석 블록(1110,1120,1130)으로 구성된다.
좌단의 자석 블록(1110)은 자화 방향이 Z축 양방향이며, 중앙의 자석 블록(1120)은 자화 방향이 X축 양방향이며, 우단의 자석 블록(1130)은 자화 방향이 Z축 음방향이다. 따라서, 자화 방향 각도차 θ는 90°이다(단, 0°≤θ≤180°).
할바흐 자석(1100)은 저면(1105)에서 가장 큰 표면 자속 밀도를 나타내며, 따라서 저면(1105)이 주면(主面)으로 된다.
이와 같이, 주면에 자극을 2개 가지는 할바흐 자석(1100)이 제조되었다.
(예 2)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 2에서는, 각각의 미착자 자석 소재의 치수를 세로7㎜ × 가로6.7㎜ × 높이3㎜로 변경하였다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 3)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 3에서는, 각각의 미착자 자석 소재의 치수를 세로7㎜ × 가로6.7㎜ × 높이3.5㎜로 변경하였다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 4)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 4에서는, 각각의 미착자 자석 소재의 치수를 세로7㎜ × 가로6.7㎜ × 높이6㎜로 변경하였다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 5)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 5에서는, 각 미착자 자석 소재를 5개 접착하여 조립체를 구성하였다. 또한, 각각의 미착자 자석 소재의 치수를 세로15㎜ × 가로4㎜ × 높이4㎜로 하였다.
조립체에 있어 각각의 미착자 자석 소재에서의 자화 용이축의 배향은, 전술한 도 5에 나타낸 형태이었다.
이어서, 전술한 도 7에 나타낸 착자 장치(700)를 이용하여, 조립체에 대해 착자 처리를 실시하였다. 사용한 컨덴서의 용량은 1000㎌이며, 충전 전압은 1400V이었다. 컨덴서에 충전된 전하의 방전에 의해, 펄스 폭이 0.7ms 이하이며 최대 14.1kA의 펄스 전류가 코일(910A~910C)로 통전되었다. 이로써 코일(710A~710B) 주위에 환형의 펄스 자기장이 생성되어 조립체가 착자되었다.
착자 후에, 전술한 도 8에 나타내는 자화 방향을 갖는 할바흐 자석이 제조되었다.
(예 6)
예 5과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 6에서는, 조립체에 있어 각각의 미착자 자석 소재에서의 자화 용이축의 배향은, 전술한 도 4에 나타낸 형태이었다.
제2 착자 장치(900)를 이용하여, 조립체에 대해 착자 처리를 실시한 결과, 도 13에 나타낸 할바흐 자석이 얻어졌다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 할바흐 자석(1200)은 5개의 자석 블록(1210,1220,1230,1240,1250)으로 구성된다.
좌단의 자석 블록(1210)은 자화 방향이 Z축 양방향이며, 이후 각 좌석 블록의 자화 방향은 배열 방향을 따라 시계 방향으로 45°씩 변화한다. 우단의 자석 블록(1250)은 자화 방향이 Z축 음방향이다. 따라서, 할바흐 자석(1200)에 있어 자화 방향 각도차 θ는 45°이다(단, 0°≤θ≤180°).
할바흐 자석(1200)은 저면(1205)에서 가장 큰 표면 자속 밀도를 나타내며, 따라서 저면(1205)이 주면(主面)으로 된다.
이와 같이, 예 6에서는, 주면에 자극을 2개 가지는 할바흐 자석(1200)이 제조되었다.
(예 7)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 7에서는, 제1 및 제3 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로8.0㎜ × 높이4㎜로 하고, 제2 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로4.0㎜ × 높이4㎜로 하였다. 즉, 각 자석 조각의 폭방향(가로 방향) 길이 비가 2:1:2이다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 8)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 8에서는, 제1 및 제3 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로8.0㎜ × 높이6㎜로 하고, 제2 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로4.0㎜ × 높이6㎜로 하였다. 즉, 각 자석 조각의 폭방향(가로 방향) 길이 비가 2:1:2이다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 9)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 9에서는, 제1 및 제3 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로5.0㎜ × 높이4㎜로 하고, 제2 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로10.0㎜ × 높이4㎜로 하였다. 즉, 각 자석 조각의 폭방향(가로 방향) 길이 비가 1:2:1이다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 10)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 10에서는, 제1 및 제3 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로5.0㎜ × 높이6㎜로 하고, 제2 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로10.0㎜ × 높이6㎜로 하였다. 즉, 각 자석 조각의 폭방향(가로 방향) 길이 비가 1:2:1이다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 11)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 11에서는, 제1 및 제3 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로5.0㎜ × 높이8㎜로 하고, 제2 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로10.0㎜ × 높이8㎜로 하였다. 즉, 각 자석 조각의 폭방향(가로 방향) 길이 비가 1:2:1이다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 12)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 12에서는, 제1 및 제3 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로5.0㎜ × 높이10㎜로 하고, 제2 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로10.0㎜ × 높이10㎜로 하였다. 즉, 각 자석 조각의 폭방향(가로 방향) 길이 비가 1:2:1이다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 21)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 21에서는, 각각의 미착자 자석 소재의 치수를 세로7㎜ × 가로6.7㎜ × 높이8㎜로 변경하였다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 22)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 22에서는, 제1 및 제3 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로8.0㎜ × 높이8㎜로 하고, 제2 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로4.0㎜ × 높이8㎜로 하였다. 즉, 각 자석 조각의 폭방향(가로 방향) 길이 비가 2:1:2이다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
(예 23)
예 1과 마찬가지 방법에 의해 할바흐 자석을 제작하였다.
다만, 예 23에서는, 제1 및 제3 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로8.0㎜ × 높이10㎜로 하고, 제2 미착자 자석 소재를 세로7㎜ × 가로4.0㎜ × 높이10㎜로 하였다. 즉, 각 자석 조각의 폭방향(가로 방향) 길이 비가 2:1:2이다. 그 밖의 제작 조건은 예 1과 같다.
<평가>
각 예에서 제조된 할바흐 자석에 있어, 접착제를 제거하고 구성 자석 블록을 분리하였다. 그리고, 얻어진 자석 블록("분리 자석"이라 함)을 이용하여 착자율(着磁率)을 평가하였다.
한편, 분리 자석의 착자율은, 헬름홀츠 코일 장치를 이용하여 이하의 방법으로 측정하였다.
도 14에는 헬름홀츠 코일 장치의 구성을 모식적으로 나타낸다.
도 14에 나타내는 바와 같이, 헬름홀츠 코일 장치(1300)는, 상측의 제1 코일(1310)과, 하측의 제2 코일(1320)을 구비한다. 제1 코일(1310)과 제2 코일(1320)은, 동일한 중심축 C를 갖도록 서로 평행하게 배치된다.
제1 코일(1310) 및 제2 코일(1320)의 직경은 70㎜이며, 제1 코일(1310) 및 제2 코일(1320)의 권수는 50회이다. 또한, 양쪽 코일(1310,1320) 간 거리 d는 35㎜이다.
측정시에는, 제1 코일(1310) 및 제2 코일(1320)의 중심축 C상의 제1 코일(1310)과 제2 코일(1320)의 중간 위치에 피측정체(분리 자석) S가 배치된다. 또한, 피측정체의 자화 용이축 배향 방향은 중심축 C에 평행하도록 배치된다.
이 상태에서, 중심축 C를 따라 피측정체 S를 화살표 방향으로 이동시켜서 제2 코일(1320)로 구성되는 평면을 통과하도록 뽑아낸다. 이 동작에 의해 제1 코일(1310) 및 제2 코일(1320)에는 유기(誘起) 전압 V가 발생한다.
도 15에서는, 피측정체 S를 뽑아내는 동작에 의해 제1 코일(1310) 및 제2 코일(1320)에 발생하는 유기 전압 V를 모식적으로 나타낸다. 도 15에서, 횡축은 피측정체 S를 뽑아낼 때의 시간 변화이며, 종축은 유기 전압 V이다.
이와 같은 유기 전압 V의 곡선과 횡축으로 둘러싸인 면적(도 15에서의 사선부)으로부터, 피측정체 S의 총 자속량 R1이 측정된다.
이어서, 피측정체 S의 자화 용이축 배향 방향을 따라 충분한 외부 자기장을 피측정체 S로 인가하여, 피측정체 S를 완전히 착자시킨다(완전 착자). 본 출원에서는 7T의 외부 자기장을 인가하였다. 이렇게 완전 착자된 피측정체 S를 사용해서 마찬가지로 유기 전력 V의 측정을 실시하여, 완전 착자된 상태에서의 총 자속량 R2를 구한다. 얻어진 결과로부터, 이하의 식 (1)을 이용하여 착자율 R이 구해진다.
착자율 R(%)=(R1/R2)×100 ····· 식(1)
한편, 본 출원에서 총 자속량 R1 및 총 자속량 R2에 대해서는, 3회의 측정 결과 평균으로 하였다.
이하의 표 1에는, 각 예에서 제조된 할바흐 자석에서 채취된 각각의 분리 자석에서의 착자율 R의 측정 결과를 정리하여 나타낸다.
Figure pct00001
한편, 각 예에 있어 "평균" 란에는, 할바흐 자석에서 채취된 각 분리 자석으로부터 얻어진 착자율 R의 평균값을 나타낸다.
표 1의 결과로부터, 예1~예12에서는 분리 자석에 대해 높은 착자율 R이 얻어졌음을 알 수 있다. 특히, 예5, 예7, 예9~10에서는 분리 자석의 평균 착자율 R이 98% 이상으로 되어, 매우 높은 값이 얻어졌다.
이와 같이 본 발명의 일 실시형태에 따른 방법을 적용한 경우, 자화 방향 각도차 θ가 45°를 초과하여 인접하는 자석 블록 간에 자화 방향이 크게 다른 경우에도, 할바흐 자석을 적정하게 제조할 수 있음이 확인되었다.
착자율(着磁率)은 자기력의 강도 뿐 아니라 내감자성(耐減磁性)을 나타내는 각형성(角形性)에도 큰 영향을 미친다. 착자율이 95%를 밑돌면 각형성이 크게 저하되므로, 할바흐 자석을 형성하는 각 자석 블록 전부의 착자율이 95%를 넘는 것이 바람직하다.
또한, 얼마나 잘 착자되는 지는, 자석의 두께 뿐 아니라, 각 미착자 자석 소재의 폭방향 길이(예를 들어, 도 12 및 도 13 등에서 X방향 치수) 비로부터도 큰 영향을 받는다.
보다 구체적으로는, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 수직한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 폭방향 길이("W1"이라 함)와, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 수직한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 폭방향 길이("W2"라 함)의 비는, W1:W2=1:2~2:1의 범위인 것이 바람직하다.
최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 수직한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 폭방향 길이 W1의 비율이 너무 높으면, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대향하는 면의 표면 자속 밀도가 커져서, 결과적으로 자속이 누출되는 문제점이 발생하기 때문이다. 또한, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 평행한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 폭방향 길이 W2의 비율이 너무 높으면, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에서의 최대 자속 밀도가 저하되는 문제점이 발생하기 때문이다.
예를 들어, 할바흐 자석의 두께가 6㎜ 초과(예를 들어, 최대 10㎜)인 경우, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 수직한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 폭방향 길이 W1에 대한, 상기 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 평행한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 폭방향 길이 W2, 즉, W2/W1은 1보다 크면서 2 이하인 범위일 수 있다.
또는, 할바흐 자석의 두께가 6㎜ 이하인 경우, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 수직한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 폭방향 길이 W1과, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 평행한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 폭방향 길이 W2의 비 W1:W2는 2:1~1:1의 범위일 수도 있다.
이 경우, 각 자석 블록에서 95%를 넘는 높은 착자율 R이 얻어지면서, 98% 이상의 평균 착자율을 얻을 수 있다.
예를 들어, 예 10의 경우, 좌단에 있는 자석 블록의 폭방향 길이 W1과, 중앙에 있는 자석 블록의 폭방향 길이 W2의 비는 모두 1:2로 되어 있다. 이 경우, 예 4와 같이 W1:W2=1:1인 경우에 비해 유의미하게 높은 착자율을 얻을 수 있다.
본 출원은, 2017년 5월 26일에 출원된 일본국 특허출원 제2017-104929호에 기초하는 우선권을 주장하는 것으로서, 동 일본국 특허출원의 전체 내용을 본 출원에 참조로써 원용한다.
110 미착자 자석 소재
110A 제1 미착자 자석 소재
110B 제2 미착자 자석 소재
112A 제1 상면
112B 제2 상면
114A 제1 저면
114B 제2 저면
116A 제1 측면
116B 제2 측면
140,140A,140B 자화 용이축
160 조립체
162 상면
164 저면
166 측면
210A~210D 미착자 자석 소재
240A~240D 자화 용이축
260 조립체
310A~310D 미착자 자석 소재
340A~340D 자화 용이축
360 조립체
410A~410F 미착자 자석 소재
440A~440F 자화 용이축
460 조립체
700 착자 장치
702 하우징
704 수용부
708A,708B 코일 수용 공간
710A,710B 코일
720 조립체 수납 케이스
742 착자체
748 저면
760A~760E 자석 블록
761A~761E 자화 방향
842 착자체
848 저면
900 제2 착자 장치
902 하우징
903 프레임 부재
904 수용부
908A~908C 코일 수용 공간
910A,910B1,910B2,910C 코일
920 조립체 수납 케이스
942 착자체
948 저면
960A~960E 자석 블록
961A~961E 자화 방향
1100 할바흐 자석
1105 저면
1110~1130 자석 블록
1200 할바흐 자석
1205 저면
1210~1250 자석 블록
1300 헬름홀츠 코일 장치
1310 제1 코일
1320 제2 코일
Q 피착자체
S 피측정체

Claims (10)

  1. 자석의 제조방법으로서,
    (1)자화 용이축이 소정 방향으로 배향된 3개 이상의 미착자 자석 소재를 준비하고, 각각의 미착자 자석 소재를 서로 접착시켜 조립체를 구성하는 공정과,
    (2)상기 조립체에 곡선 형상의 펄스 자기장을 인가하여 상기 조립체를 착자시키는 공정을 포함하며,
    상기 (2)의 공정에 의해, 각각의 미착자 자석 소재가 자석 블록으로 되며, 적어도 한 쌍의 인접하는 상기 자석 블록 간에 자화 방향이 이루는 각도 θ(단, 0°≤θ≤180°)가 30°~120°의 범위로 되는 자석 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각도 θ가 45°~90°의 범위에 있는 자석 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 미착자 자석 소재는 대략 직방체 형상인 자석 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (1)의 공정에서 각각의 미착자 자석 소재가 직선 형상으로 배열되는 자석 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 자석 블록을 포함해서 연속하여 3개가 인접하는 자석 블록에 있어, 양단의 각 블록 간에 자화 방향이 이루는 각도 θ(단, 0°≤θ≤180°)가 90°~180°의 범위에 있는 자석 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미착자 자석 소재가 배열되는 방향을 폭방향이라 했을 때에, 상기 (2)의 공정 후에 얻어지는 자석은, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 수직한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 상기 폭방향의 길이 W1과, 상기 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 평행한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 상기 폭방향의 길이 W2의 비인 W1:W2가 1:2~2:1의 범위에 있는 자석 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 미착자 자석 소재가 배열되는 방향을 폭방향이라 했을 때에, 상기 (2)의 공정 후에 얻어지는 자석은, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 수직한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 상기 폭방향의 길이 W1에 대한, 상기 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 평행한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 상기 폭방향의 길이 W2가 1보다 크면서 2 이하의 범위에 있으며,
    상기 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 수직한 방향에서의 치수가 10㎜ 이하인 자석 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 미착자 자석 소재가 배열되는 방향을 폭방향이라 했을 때에, 상기 (2)의 공정 후에 얻어지는 자석은, 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 수직한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 상기 폭방향의 길이 W1과, 상기 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 평행한 방향으로 자화 용이축이 배향된 자석 블록의 상기 폭방향의 길이 W2의 비인 W1:W2가 2:1~1:1의 범위에 있으며,
    상기 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 대해 수직한 방향에서의 치수가 6㎜ 이하인 자석 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석은 상기 최대 표면 자속 밀도가 얻어지는 표면에 적어도 2개의 자극을 가지는 것인 자석 제조 방법.
  10. (1)자화 용이축이 소정 방향으로 배향된 3개 이상의 미착자 자석 소재를 준비하고, 각각의 미착자 자석 소재를 서로 접착시켜 조립체를 구성하는 공정과,
    (2)상기 조립체에 곡선 형상의 펄스 자기장을 인가하여 상기 조립체를 착자시키는 공정을 포함하며,
    상기 (2)의 공정에 의해, 각각의 미착자 자석 소재가 자석 블록으로 되며, 인접하는 상기 자석 간에 자화 방향이 이루는 각도 θ(단, 0°≤θ≤180°)가 30°~120°의 범위로 되는 착자 방법.
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