KR20200086822A - 비정질 복합재 및 이를 포함하는 모터용 코어 - Google Patents

Abstract

비정질 복합재, 이를 포함하는 모터 코어에 관한 것으로, 본 발명에 따른 비정질 복합재는 전기 강판층; 및 비정질 합금층;이 적층된 적층체를 포함하여 철손이 저감되고 자기 성능이 우수한 효과를 갖는다.

Description

비정질 복합재 및 이를 포함하는 모터용 코어{AMORPHOUS COMPOSITE AND CORE FOR MOTOR COMPRISING SAME}

본 발명은 비정질 복합재 및 이를 포함하는 모터용 코어에 관한 것이다.

고속으로 작동하는 공작 기계 장치, 항공 모터 및 액츄에이터, 압축기 등 다양한 분야에 사용되고 있는 기계 장치들은 최대 100,000rpm에 이르는 고속에서 작동 가능한 전기 모터가 사용된다. 대부분의 고속 전기장치는 낮은 자극계수로 제작된다. 왜냐하면 고주파수에서 작동하는 전기장치 내의 자성체가 지나치게 과도한 코어손실을 갖지 않도록 하기 위함이다.

전기 모터는 전형적으로 무방향성 전기 강판이 다수 적층된 라미네이션(lamination)으로 제조된 부품을 포함한다. 무방향성 전기강판은 모터용 코어로 광범위하게 사용되고 있으며, 철손을 줄이기 위한 방안으로 실리콘(Si) 함량을 증가시키는 방안과 두께를 극박화하는 방안으로 진행 되고 있다. 철손을 줄이기 위해 실리콘의 함량을 4% 이상으로 증가시키게 되면 취성이 증가하여 압연 판재 내에 균열이 발생하는 문제가 있다. 무방향성 전기강판의 두께를 줄이기 위해서는 압연공정의 증가와 냉간 압연시 정밀 제어가 필요하여 공정상의 비용 증가로 이어지고 있다.

철손을 줄이기 위해서 비정질 금속 재료를 고려해볼 수 있다. 그러나 비록 비정질 금속이 무방향성 전기 강판과 비교할 때 우수한 자기성능을 제공한다 하더라도, 이들 금속은 일정한 물리적인 특성 및 상응 제조 제한 때문에 전기 모터의 회전자 또는 고정자와 같은 벌크 자기 부품에 사용하기에는 부적절한 것으로 여겨져 왔다.

또한, 비정질 금속의 얇은 두께는 조립된 부품 내에서의 라미네이션의 수를 증가시키고, 더욱이 비정질 금속 코어의 총 제조 비용을 증가시키게 된다.

비정질 금속은 전형적으로 균일한 폭을 갖는 얇고 연속적인 리본으로 제공된다. 그러나, 비정질 재료는 매우 경한 재질이므로, 쉽게 절단하거나 성형하는 것이 매우 어렵다. 또한 비정질 재료는 최고의 자기적 특성을 얻기 위하여 아닐링될 때 매우 취약하게 된다. 아울러, 비정질 금속의 취성은 전기 모터와 같은 적용분야에서 부품의 내구성에 대한 신뢰도가 저하되는 문제가 있다.

이에 따라, 철손이 저감되면서도 우수한 자기 성능을 가질 수 있는 신규의 재료가 요구되고 있다.

본 발명은 철손이 저감되고 우수한 자기 성능을 갖는 신규의 비정질 복합재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 자기적 손실을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 신규의 비정질 복합재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 각종 모터 분야에 적용될 수 있는 신규의 코어 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

기존의 자기 부품과 비교하여 철손이 저감되고 자기 성능이 우수한 신규의 복합재를 제공하기 위해, 본 발명에 따른 비정질 복합재는 전기 강판층; 및 비정질 합금층;이 적층된 적층체를 포함한다.

또한, 자기적 손실을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 신규의 비정질 복합재를 제공하기 위해, 본 발명에 따른 비정질 복합재는 상기 비정질 합금층의 전체 두께(a)와 상기 전기 강판층의 전체 두께(b)의 비(a:b)가 (4~6) : (6~4) 일 수 있고, 또한 상기 비정질 합금층과 상기 전기 강판층은 폴리머계 접착제에 의해 접착되어 서로 적층될 수 있다.

아울러, 각종 모터 분야에 적용될 수 있는 신규의 코어 부품을 제공하기 위해, 본 발명에 따른 모터 코어는 상술한 신규의 비정질 복합재가 성형되어 형성된다.

본 발명에 따른 비정질 복합재는 전기 강판과 비정질 합금의 장점을 모두 가질 수 있어, 철손이 저감되고 자기 성능이 우수한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 비정질 복합재는 최적의 적층 구조를 가짐으로써, 자기적 손실이 최소화되는 효과를 갖는다.

더 나아가 본 발명에 따른 모터 코어는 철손이 저감되고 자기 성능이 우수한 효과를 가지고 있어 각종 모터 분야에 유리하게 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 복합재를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비정질 복합재를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 비정질 복합재가 성형되어 형성된 일실시 형태에 따른 모터 코어이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 복합재를 제조하는 방식을 개략적으로 도시한 도면이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 이하, 본 발명에 따른 비정질 복합재 및 이를 포함하는 모터 코어에 대해 상세히 설명하기로 한다.

<비정질 복합재>

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 비정질 복합재(10)는 전기 강판층(1); 및 비정질 합금층(2);이 적층된 적층체를 포함한다. 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 전기 강판층(1) 및 비정질 합금층(2)의 적층 순서는 특별히 제한되지 않는다.

상기 비정질 복합재(10)는 상기 전기 강판층(1)과 상기 비정질 합금층(2)이 적층된 적층체를 포함하여 전기 강판의 장점과 비정질 합금의 장점을 모두 가질 수 있다. 다시 말해, 본 발명에 따른 비정질 복합재(10)는 전기 강판과 비정질 합금의 장점을 모두 갖는 하이브리드 재료이다.

먼저, 본 발명에 따른 비정질 복합재(10)에 포함된 적층체는 전기 강판층(1)을 포함한다. 본 발명에서 사용되는 전기 강판은 종류가 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 사용되는 다양한 전기 강판이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에서는 고가의 합금원소가 첨가되지 않는 저렴한 전기강판이 바람직하게 이용될 수 있으며, 이를 통해 기존의 고가의 전기 강판을 보다 낮은 등급의 전기 강판으로 대체할 수 있어 비용절감 효과를 얻을 수 있다. 물론, 강도 향상이나 철손 저감을 효과를 극대화 하기 위해 고가의 합금원소를 다양하게 포함하는 전기 강판 또한 적용 가능하다.

한 편, 본 발명에 따른 전기 강판층(1)은 무방향성 전기 강판층 또는 방향성 전기 강판층이 사용될 수 있다. 특히 방향성 전기 강판층이 비정질 복합재에 적용되는 경우, 상기 비정질 복합재(10)는 전력 변환용 인덕터 코어 등에 적용 가능하다.

다음으로, 본 발명에 따른 비정질 복합재(10)에 포함된 적층체는 비정질 합금층(2)을 포함한다. 상기 비정질 합금층(2)은 예를 들어, Fe계, Co계, Ni계 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Fe계 비정질 합금이 가격 면에서 유리하다. 이처럼 상기 비정질 합금층(2)은 Fe-Si-B, Fe-Co-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Co-Si-B-Cu-P, Fe-Zr-B, Fe-Si-B-P-Cu, Fe-Si-B-C-Cu, Fe-Si-B-N-Cu 및 Fe-B-C-Cu계 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 상기 비정질 합금층(2)은 Fe계 비정질 합금을 사용할 수 있고 여기서 철(Fe)의 함량은 80중량% 이상인 것이 바람직하다.

상기 전기 강판층(1)과 비정질 합금층(2)은 박형의 리본 또는 스트립 형태로 제조될 수 있다. 이처럼 상기 전기 강판층(1)과 비정질 합금층(2)이 서로 적층되어 적층체를 이루고, 본 발명에 따른 비정질 복합재(10)는 상기 적층체를 포함한다.

상기 전기 강판층(1)과 비정질 합금층(2)의 두께는 비정질 복합재(10)의 적용 용도에 따라 달라질 수 있다. 통상적인 전기 모터에 사용되는 경우, 상기 전기 강판층(1)은 1층 당 약 0.5 ~ 0.2mm의 두께를 갖고, 상기 비정질 합금층(2)은 1층 당 20 ~ 50㎛의 두께를 갖는다. 본 발명에 따른 비정질 복합재(10)가 전기 강판의 장점과 비정질 합금의 장점을 균형있게 갖기 위해서, 상기 비정질 합금층(2)의 전체 두께(a)와 상기 전기 강판층(1)의 전체 두께(b)의 비(a:b)가 (4~6) : (6~4)인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 비정질 합금층(2)의 전체 두께(a)는 비정질 복합재(10)에 포함되어 있는 다수의 비정질 합금층(2)의 전체 두께를 의미하는 것이고, 상기 전기 강판층(1)의 전체 두께(b)는 비정질 복합재(10)에 포함되어 있는 다수의 전기 강판층(1)의 전체 두께(b)를 의미하는 것이다. 보다 바람직하게는 상기 비정질 합금층(2)의 전체 두께(a)와 상기 전기 강판층(1)의 전체 두께(b)의 비(a:b)가 약 1:1일 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 비정질 복합재(10)에 포함되는 적층체는 하기 적층 구조가 가운데 하나를 포함할 수 있다.

[적층구조]

구조1 : 전기 강판층 + 비정질 합금층 + 비정질 합금층

구조2 : 비정질 합금층 + 전기 강판층 + 비정질 합금층

본 발명에 따른 적층체는 상기 구조1 또는 구조2와 같이 전기 강판층(1) 1개와 비정질 합금층(2) 2개가 서로 적층되어 있는 적층 유닛을 포함하는 것이 바람직하다. 통상적으로 전기 강판층(1)의 두께가 비정질 합금층(2)의 두께보다 두껍게 제조되므로, 전기 강판층(1) 1층 당 비정질 합금층(2) 2층으로 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 비정질 합금층(2)과 전기 강판층(1)을 적층하는 방식은 특별히 제한되지 않고 공지의 적층 방식을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 비정질 합금층(2)이나 전기 강판층(1)에 폴리머계 접착제를 적용하여 적층할 수 있다. 폴리머계 접착제를 이용한 적층 방식은 기계적 요철에 의한 체결 적층 방식이나 용접에 의한 접합 적층 방식과 비교하여 자기적 손실을 최소화하고 적층을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다. 상기 폴리머계 접착제는 아크릴계 접착제 등 얇게 접착이 가능한 공지의 성분을 사용할 수 있다.

상술한 비정질 복합재(10)는 전기강의 장점과 비정질 합금의 장점을 모두 갖는 신규의 하이브리드 재료이다.

<모터 코어>

다음으로, 본 발명에 따른 모터 코어는 상술한 비정질 복합재(10)가 성형된 성형체를 의미한다. 상기 성형체는 용도에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 모터 코어(100)가 도시되어 있다. 상기 모터 코어(100)는 모터의 스테이터용 코어에 적합한 형상을 가질 수 있다.

<비정질 복합재의 제조방법 >

본 발명에 따른 비정질 복합재(10)는 상술한 것처럼 상기 비정질 합금층(2)과 전기 강판층(1)이 적층되어 제조된다. 적층 방식이 특별히 제한되는 것은 아니다. 다만 도 4를 참조하면, 상기 비정질 합금층(2)과 전기 강판층(1)이 롤 투 롤(Roll to Roll) 방식으로 서로 적층될 수 있다. 또한 상술한 바와 같이 , 상기 비정질 합금층(2) 또는 상기 전기 강판층(1)에 폴리머계 접착제가 적용되어 적층될 수도 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명의 구체적인 태양을 살펴보기로 한다.

<실시예>

1. 실시예 - 비정질 복합재의 제조

0.1 mm의 두께를 가지며, 3중량%의 Si를 함유하는 무방향성 전기 강판을타발한 샘플을 준비하였다. 다음으로, 0.05 mm의 두께를 가지며, Fe-Si-B성분의 비정질 합금을 타발한 샘플을 준비하였다. 상술한 샘플을 롤 투 롤 방식으로 적층하여 비정질 복합재 실시예를 제조하였다. 적층할 때 전기강판의 양면에 아크릴계 접착제를 도포하였다. 얻어진 실시예는 "비정질 합금층/전기 강판층/비정질 합금층"의 적층 구조를 가지며, 총 두께는 0.2 mm이다.

2. 비교예

0.2 mm의 두께를 가지며, 3중량%의 Si를 함유하는 무방향성 전기 강판을 타발한 비교예를 준비하였다.

<물성 측정>

얻어진 실시예 및 비교예에 대해 철손을 측정하고 비교 평가하였다. 철손을 평가하기 위해서 히스테리시스 손실과 와류 손실을 1.6 kHz 영역에서 측정하였다.

실시예에 따른 비정질 복합재의 히스테리시스 손실은 41(W/kg)로 측정되었고 와류 손실은 50(W/kg)로 측정되었다. 비교예에 따른 비정질 복합재의 히스테리시스 손실은 66(W/kg)로 측정되었고 와류 손실은 84(W/kg)로 측정되었다.

실시예와 비교예의 철손을 서로 비교하면, 실시예에 따른 비정질 복합재는 비교예(전기 강판) 대비 히스테리시스 손실은 37% 가량 감소하였고, 와류 손실은 40% 감소하였음을 알 수 있다.

뿐만 아니라, 비정질 복합재는 전기강판과 비정질 합금이 서로 적층된 하이브리드 소재이므로, 100% 비정질 합금 대비 자기적 물성(자속밀도 등)이 우수함을 충분히 예측할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

1 : 전기 강판층
2 : 비정질 합금층
10 : 비정질 복합재
100 : 모터 코어

Claims (8)

1. 전기 강판층; 및 비정질 합금층;이 적층된 적층체를 포함하는
   비정질 복합재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전기 강판층은 무방향성 또는 방향성 전기 강판이 사용되는 비정질 복합재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 비정질 합금층은 Fe-Si-B, Fe-Co-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Nb, Fe-Co-Si-B-Cu-P, Fe-Zr-B, Fe-Si-B-P-Cu, Fe-Si-B-C-Cu, Fe-Si-B-N-Cu 및 Fe-B-C-Cu계 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 재료를 포함하는 비정질 복합재.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 비정질 합금층은 철(Fe)의 함량이 80중량% 이상인 비정질 복합재.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 비정질 합금층의 전체 두께(a)와 상기 전기 강판층의 전체 두께(b)의 비(a:b)가 (4~6) : (6~4)인 비정질 복합재.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 적층체는 하기 적층 구조 가운데 하나를 포함하는 비정질 복합재.
   
   [적층구조]
   구조1 : 전기 강판층 + 비정질 합금층 + 비정질 합금층
   구조2 : 비정질 합금층 + 전기 강판층 + 비정질 합금층
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 비정질 합금층과 상기 전기 강판층은 폴리머계 접착제에 의해 접착되어 서로 적층되는 비정질 복합재.
   
8. 제1항 내지 제7항 가운데 어느 한 항에 따른 비정질 복합재가 성형된 모터 코어.

Images