KR20220146852A - 분할 자석 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자석의 자화방향에 따라 입계확산을 위한 중희토류가 도포되는 방향을 조정하여 와전류 손실을 저감하면서 제작 공정을 간소화할 수 있는 분할 자석 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 분할 자석의 제조방법은 소정의 방향으로 자화시켜서 일정한 자화 방향을 갖는 복수개의 영구자석 모체를 준비하는 제 1 준비단계와; 준비된 영구자석 모체를 자화 방향과 평행하면서 서로 대향되는 한 쌍의 면으로 확산물질을 확산시켜서 한 쌍의 확산면을 형성하는 입계확산단계와; 영구자석 모체의 확산면이 서로 맞대어지도록 복수개의 영구자석 모체를 일렬로 적층시켜서 영구자석 접합체를 준비하는 제 2 준비단계와; 준비된 영구자석 접합체를 자화 방향과 수직인 면을 따라 복수개로 분할하는 분할단계를 포함한다.

Description

분할 자석 및 그 제조방법{Divided magnet and Manufacturing method of the same}
본 발명은 분할 자석 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자석의 자화방향에 따라 입계확산을 위한 중희토류가 도포되는 방향을 조정하여 와전류 손실을 저감하면서 제작 공정을 간소화할 수 있는 분할 자석 및 그 제조방법에 관한 것이다.
영구자석은 구동모터의 고정자 또는 회전자에 사용되는 주요 부품으로서, 일반적으로 페라이트 자석이 주로 사용되었다.
하지만, 최근 HEV 및 EV 구동모터의 출력 및 회전수가 증가함에 따라, 종래 페라이트 자석 대비 3 ~ 5배의 자기특성을 지니는 NdFeB 소결자석이 사용되고 있는 추세이다.
하지만, NdFeB 소결자석은 소재의 특성상 낮은 비저항으로 자석 내부에 와전류가 발생하기 쉽고, 이로 인해 자석의 온도가 상승되는 문제가 발생하였다.
이렇게 와전류 손실에 의한 자석의 온도 상승은 자기특성을 저하시키며, 고온에서의 비가역 감자를 초래하는 문제점이 추가적으로 발생하였다.
그래서, 와전류 손실의 저감을 위하여 NdFeB 소결자석의 비저항을 증가시키거나, 자석의 분할을 통해 와전류의 이동 경로를 저감시켜야 한다.
이러한 와전류 손실을 저감하는 방법 중 자석의 비저항을 증가시키는 방법으로는 자석 내부에 비(非)자성물질을 첨가하는 방법이 있는데, 이렇게 자석 내부에 비자성물질을 첨가하는 경우에는 자석의 자기특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
그래서, 와전류 손실의 저감을 위하여 자석을 분할한 분할 자석에 대한 연구가 이루어지고 있다. 하지만 자석을 분할한 분할 자석의 경우에 자석을 분할하고 접착하기 위한 많은 공정과 비용이 발생하는 문제가 있었다.
한편, 최근에는 자기특성의 향상을 위하여 자석의 표면을 통하여 희토원소를 입계확산 시킨 입계확산 자석이 주로 사용되고 있고, 이러한 입계확산 자석을 이용하여 분할 자석을 제조하였다.
도 1은 종래의 분할 자석을 제조하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 분할 자석을 제조하는 방법은 먼저 자화 용이축을 따라 자화 방향(M)이 형성되도록 자화시키면서 자석 분말을 성형 후 소결시켜서 영구자석 모체(100)를 준비한다.
그리고, 영구자석 모체(100)의 표면 중 자화 방향(M)과 수직인 면에 중희토류를 포함하는 확산물질을 도포한 다음 확산물질을 영구자석 모체(100)의 내부방향으로 입계확산시킨다.
이렇게 확산물질이 입계확산된 영구자석 모체(110)를 자석의 사용 크기에 맞춰 분할한 다음 접합한다. 이때 영구자석 모체(110)는 자화방향(M)과 평행한 면을 따라 복수개로 분할 및 접합한다.
이러게 분할 및 접합하는 과정은 분할된 분할체(111, 112, 113, 114)를 가공한 다음 접합을 하기 때문에 n분할 자석(120)의 경우 n-1번의 가공 및 접합 과정이 필요한 단점이 있었다.
이러한 가공 및 접합된 n분할 자석(120)은 사용하고자 용도에 맞게 최종적으로 가공시켜 분할자석(121)을 제조한다. 이렇게 가공된 분할자석(121)은 최종적으로 표면처리하여 표면처리된 분할자석(130)으로 제조할 수 있다.
한편, 영구자석의 자기적 특성은 확산물질이 영구자석의 내부까지 깊게 확산될수록 향상되기 때문에 분할자석(130)의 경우에 각각의 분할체(111, 112, 113, 114)에서 확산물질이 도포되는 확산면 사이의 거리가 짧을 수록 향상된다. 이러한 이유로, 도 1과 같이 영구자석 모체(100)의 표면 중 자화 방향과 수직인 면에 확산물질이 도포되는 확산면을 형성하고, 자화방향과 평행한 면을 따라 분할 및 접합을 하는 경우 확산면 간의 거리를 줄였을 때에는 자석 내부 반자장이 커지게 되고, 이러한 분할자석(130)을 구동모터에 적용하는 경우에 동작점이 낮아져 비가역 열감자에 취약하게 되는 문제가 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
US 2020-0005996 (2020.01.02) KR 10-1638090 (2016.07.04)
본 발명은 자석의 배향에 따라 입계확산을 위한 중희토류가 도포되는 방향을 조정하여 와전류 손실을 저감하면서 제작 공정을 간소하할 수 있는 분할 자석 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 분할 자석은 복수개의 영구자석 분할체가 일렬로 적층되어 이루어지는 분할 자석으로서, 각각의 영구자석 분할체는 자화 방향에 평행하면서 서로 대향되는 한 쌍의 면에 확산물질을 내부방향으로 입계확산시킨 확산면을 형성하고, 복수개의 영구자석 분할체가 상기 확산면이 서로 맞대어지도록 일렬로 적층되어 접착된 것을 특징으로 한다.
상기 분할 자석은, 자화 방향에 평행하면서 서로 대향되는 한 쌍의 면에 상기 확산면이 형성된 영구자석 모체가 상기 확산면이 서로 맞대어지도록 일렬로 적층된 영구자석 접합체를 자화 방향과 수직인 면을 따라 절단된 것을 특징으로 한다.
상기 영구자석 분할체는 자화 방향에 평행한 한 쌍의 확산면 사이 거리가 자화 방향에 수직한 면 사이 거리보다 짧은 것을 특징으로 한다.
상기 영구자석 분할체는, 하기의 [식 1]로 표시되는 소결자석인 것을 특징으로 한다.
x%RE-y%B-z%TM-Bal.%Fe…[식 1]
여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, x=28∼35, y=0.5∼1.5, z=0∼15 임.
상기 영구자석 분할체는 NdFeB 소결자석인 것이 바람직하다.
상기 확산물질은 희토류 원소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 확산물질은 하기의 [식 2]로 표시되는 물질인 것을 특징으로 한다.
RETMX…[식 2]
여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, X=수소, 산소 및 불소 중 적어도 하나 이상의 원소임.
상기 확산물질은 희토류원소를 10at% 이상 함유하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 분할 자석의 제조방법은 소정의 방향으로 자화시켜서 일정한 자화 방향을 갖는 복수개의 영구자석 모체를 준비하는 제 1 준비단계와; 준비된 영구자석 모체를 자화 방향과 평행하면서 서로 대향되는 한 쌍의 면으로 확산물질을 확산시켜서 한 쌍의 확산면을 형성하는 입계확산단계와; 영구자석 모체의 확산면이 서로 맞대어지도록 복수개의 영구자석 모체를 일렬로 적층시켜서 영구자석 접합체를 준비하는 제 2 준비단계와; 준비된 영구자석 접합체를 자화 방향과 수직인 면을 따라 복수개로 분할하는 분할단계를 포함한다.
상기 제 1 준비단계에서, 상기 영구자석 모체는 서로 대향되는 3쌍의 평면을 갖는 육면체로 형성되되, 자화 방향에 평행한 한 쌍의 확산면 사이 거리가 자화 방향에 수직한 면 사이 거리보다 짧은 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 준비단계에서, 상기 영구자석 모체는 하기의 [식 1]로 표시되는 자석 분말을 성형 후 소결시켜서 준비하는 것을 특징으로 한다.
x%RE-y%B-z%TM-Bal.%Fe…[식 1]
여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, x=28∼35, y=0.5∼1.5, z=0∼15 임.
상기 입계확산단계는, 상기 영구자석 모체에 형성되는 확산면에 확산물질을 도포한 다음 열처리하여 확산물질을 영구자석 모체의 내부방향으로 입계확산시키는 것을 특징으로 한다.
상기 입계확산단계에서, 상기 확산물질은 희토류 원소를 10at% 이상 함유하는 것을 특징으로 한다.
상기 입계확산단계에서, 상기 확산물질은 하기의 [식 2]로 표시되는 물질인 것을 특징으로 한다.
RETMX…[식 2]
여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, X=수소, 산소 및 불소 중 적어도 하나 이상의 원소임.
상기 입계확산단계는, 준비된 영구자석 모체에 형성되는 한 쌍의 확산면에 상기 확산물질을 도포하는 도포과정과; 확산물질이 확산면에 도포된 영구자석 모체를 진공 또는 불활성기체 분위기에서 열처리하여 확산물질을 영구자석 모체의 내부로 입계확산시키는 입계확산과정을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 자석의 자화방향에 따라 입계확산을 위한 확산물질의 도포면을 조정함에 따라 동일 모재에 동일한 양의 확산물질을 입계확산 시키더라도 와전류 손실을 저감하면서 제작 공정을 간소하할 수 있다.
이렇게 와전류 손실을 저감시킨 분할 자석을 구동모터에 적용할 수 있기때문에 구동모터의 작동시 온도 상승을 억제할 수 있고, 이에 따라 상대적으로 낮은 보자력 등급의 자석을 사용하고도 구동모터의 작동효율을 상승시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 분할 자석을 제조하는 과정을 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 자석을 보여주는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 자석의 제조방법을 보여주는 도면이고,
도 4는 실험에 사용된 시편의 설명을 위하여 영구자석 모체를 보여주는 도면이며,
도 5a 및 도 5b는 실험에 사용된 구동모터의 설명을 위하여 분할 자석이 적용된 구동모터를 보여주는 도면이고,
도 6a 내지 도 6c는 다양한 시편에 따른 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 자석에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 자석을 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 자석은 복수개의 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)가 일렬로 적층되어 이루어지는 분할 자석(220)이다.
이때 각각의 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)는 서로 대향되는 3쌍의 평면을 갖는 육면체로 형성된다. 그래서 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)의 표면, 즉 3쌍의 평면 중 자화 방향(M)에 평행하면서 서로 대향되는 한 쌍의 평면에 확산물질을 내부방향으로 입계확산시킨 확산면(S)이 형성된다.
그리고, 복수개의 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)는 각각의 확산면(S)이 서로 맞대어지도록 일렬로 적층되어 접착된다.
예를 들어, 분할 자석(220)은 자화 방향(M)에 평행하면서 서로 대향되는 한 쌍의 면에 확산면(S)이 형성된 영구자석 모체(200)를 확산면(S)이 서로 맞대어지도록 일렬로 적층된 영구자석 접합체를 자화 방향(M)과 수직인 면을 따라 절단하여 제조할 수 있다. 이러한 분할 자석의 제조방법에 대해서는 이후에 자세하게 설명하도록 한다.
한편, 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)는 자화 방향에 평행한 축의 길이(L1)보다 자화 방향에 수직인 확산면(L2)의 길이가 더 긴 것이 바람직하다. 그래서, 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)가 적층되어 이루어진 분할 자석(220)을 구동모터에 적용하는 경우에 자성특성을 우수하게 유지할 수 있다.
또한, 동일한 크기의 분할 자석(220)을 구비하는 경우에 적층되는 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)의 개수가 많아질수록 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)에 형성된 확산면(S) 사이의 간격이 줄어들기 때문에 더욱더 자성특성을 우수하게 유지할 수 있고, 와전류 손실을 저감할 수 있다.
한편, 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)는 희토류 원소를 입계확산 시킨 소결자석을 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들어 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)는 하기의 [식 1]로 표시되는 소결자석인 것이 바람직하다.
x%RE-y%B-z%TM-Bal.%Fe…[식 1]
여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, x=28∼35, y=0.5∼1.5, z=0∼15이다.
이때 영구자석 분할체는 NdFeB 소결자석을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 희토류 원소의 입계확산을 위하여 확산물질은 희토류 원소를 포함한다. 바람직하게는 확산물질은 희토류원소를 10at% 이상 함유하는 것이 좋다.
예를 들어 확산물질은 하기의 [식 2]로 표시되는 물질일 수 있다.
RETMX…[식 2]
여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, X=수소, 산소 및 불소 중 적어도 하나 이상의 원소이다.
본 실시예에서는 영구자석 분할체 및 확산물질을 상기의 [식 1] 및 [식 2]로 표시하였지만, 영구자석 분할체 및 확산물질의 성분은 제시된 성분 및 함량만으로 한정되는 것이 아니라 영구자석의 자기특성을 향상시킬 수 있는 성분 및 함량으로 다양하게 변경되어 구현될 수 있을 것이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 자석의 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 자석의 제조방법을 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 자석의 제조방법은 소정의 방향으로 자화시켜서 일정한 자화 방향을 갖는 복수개의 영구자석 모체(200)를 준비하는 제 1 준비단계와; 준비된 영구자석 모체(200)를 자화 방향(M)과 평행하면서 서로 대향되는 한 쌍의 면으로 확산물질을 확산시켜서 한 쌍의 확산면(S)을 형성하는 입계확산단계와; 영구자석 모체(200)의 확산면(S)이 서로 맞대어지도록 복수개의 영구자석 모체(200)를 일렬로 적층시켜서 영구자석 접합체를 준비하는 제 2 준비단계와; 준비된 영구자석 접합체를 자화 방향(M)과 수직인 면을 따라 복수개로 분할하는 분할단계를 포함한다.
제 1 준비단계는 영구자석 모체(200)를 준비하는 단계로서, 하기의 [식 1]로 표시되는 자석 분말을 이용하여 영구자석 모체(200)를 준비한다.
x%RE-y%B-z%TM-Bal.%Fe…[식 1]
여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, x=28∼35, y=0.5∼1.5, z=0∼15 임.
예를 들어, 자석 분말을 서로 대향되는 3쌍의 평면을 갖는 육면체로 성형한다. 그리고, 성형체를 소결시켜서 영구자석 모체(200)를 준비한다.
이때, 영구자석 모체(200)는 성형체의 자화 용이축(M)을 따라 자화시켜서 자화 용이축과 평행한 자화 방향(M)을 갖도록 한다.
그리고, 영구자석 모체(200)는 육면체로 형성하되, 자화 방향(M)에 평행한 한 쌍의 확산면(S) 사이 거리가 자화 방향(M)에 수직한 면의 사이 거리보다 짧게 형성되도록 한다. 이렇게 자화 방향(M)과 평행한 2개 평면으로 이루어지는 확산면(S) 사이의 간격이 짧게 형성되도록 하여 영구자석 모체(200)의 자기 특성을 우수하게 유지하는 것이 바람직하다.
이렇게 영구자석 모체(200)가 준비되면 입계확산단계를 실시한다.
입계확산단계는 영구자석 모체에 형성되는 확산면(S)에 확산물질을 도포한 다음 열처리하여 확산물질을 영구자석 모체(200)의 내부방향으로 입계확산시키는 단계이다.
예를 들어 입계확산단계는 준비된 영구자석 모체(200)에 형성되는 한 쌍의 확산면(S)에 확산물질을 도포하는 도포과정과; 확산물질이 확산면(S)에 도포된 영구자석 모체(200)를 진공 또는 불활성기체 분위기에서 열처리하여 확산물질을 영구자석 모체(200)의 내부로 입계확산시키는 입계확산과정을 포함한다.
이때 도포과정에서 사용되는 확산물질은 전술된 바와 같이 희토류 원소를 포함한다. 바람직하게는 확산물질은 희토류원소를 10at% 이상 함유하는 것이 좋다.
예를 들어 확산물질은 하기의 [식 2]로 표시되는 물질일 수 있다.
RETMX…[식 2]
여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, X=수소, 산소 및 불소 중 적어도 하나 이상의 원소이다.
이렇게 자화 방향(M)과 평행한 한 쌍의 확산면을 통하여 확산물질의 입계확산이 완료되면 입계확산이 완료된 영구자석 모체(200)를 서로 적층하여 접합하는 제 2 준비단계를 실시한다.
제 2 준비단계는 영구자석 모체(200)의 확산면(S)이 서로 맞대어지도록 복수개의 영구자석 모체(200)를 일렬로 적층시켜서 영구자석 접합체를 준비하는 단계이다. 이때 영구자석 모체(200)은 분할단계 이후에 원하는 개수로 분할됨에 따라 영구자석 분할체(201, 202, 203, 204)가 된다.
이때 제 2 준비단계에서는 최종적으로 원하는 분할 자석의 크기에 맞춰 영구자석 모체(200)를 복수 회수로 추가하여 적층한 다음 접착할 수 있다.
그래서, 복수개가 적층된 영구자석 모체(200)에 각각 형성된 확산면(S) 사이의 간격이 짧게 유지된 상태로 영구자석 접합체를 준비할 수 있다.
이렇게 영구자석 접합체가 준비되면 영구자석 접합체를 원하는 크기로 분할하는 분할단계를 실시한다.
분할단계에서는 준비된 영구자석 접합체를 자화 방향(M)과 수직인 면을 따라 복수개로 분할한다.
그래서, 원하는 크기 및 형상의 분할 자석(210)을 제조한다.
한편, 제조된 분할 자석(210)은 원하는 품질 및 표면 상태를 달성하기 위하여 최종적으로 표면 처리를 실시하여 표면 처리된 분할 자석(220)을 제조할 수 있다.
이렇게 원하는 크기의 분할 자석을 제조하기 위하여 영구자석 모체를 원하는 개수로 적층한 다음, 최종 분할 자석의 크기 및 형상에 맞게 분할하는 단계를 거침으로써 n분할 자석(220)을 제조하는 경우라도 한번의 분할단계를 통하여 제조할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이하, 비교예 및 실시예를 통한 여러 실험을 통하여 본 발명을 설명한다.
도 4는 실험에 사용된 시편의 설명을 위하여 영구자석 모체를 보여주는 도면이다.
이하의 실험들에서 자기특성은 IEC 60404-5에 따라 20℃에서 측정하였다.
[실험 1]
본 실험에서는 31%RE-1%B-2%TM-Bal.Bal.%Fe(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이원소)조성의 자석 소결체를 제조하였다. 그리고, 소결체는 a=7mm, b=7mm, c=7mm의 소결체, a=7mm, b=7mm, c=5mm의 소결체 및 a=7mm, b=5mm, c=7mm의 소결체로 가공하였다. 여기서, c 방향은 이방성 자석의 배향 방향, 즉 자화방향이다.
그리고, 자석의 보자력 특성을 향상시키기 위해 자석의 자화 방향과 수직인 면(ab면) 및 자화 방향과 평행한 면(ac면, bc면)으로 각각 다음과 같은 입계확산 공정을 실시하였다.
가공된 자석을 알칼리탈지제 용액에 담근 후, 파이 2~10 mm 크기의 세라믹볼과 함께 문질러줌으로써 자석 표면에 묻어있는 기름성분을 제거한 다음 자석을 증류수로 세정하여 잔존하는 탈지제를 완전히 제거하였다.
그리고, Tb-Hydride 화합물과 알콜의 중량 비율이 50%:50%가 되도록 조절하여 균일하게 혼련함으로써 슬러리 형태의 입계확산용 확산물질을 제조한 후, 준비된 확산물질을 분사하여 확산물질에 함유된 희토원소가 자석의 선정된 양면(2면)에 균일하게 도포되도록 하였다.
그리고, 확산물질을 자석의 내부로 입계확산시키기 위하여 확산물질이 도포된 자석을 가열로에 장입하고 아르곤(Ar) 분위기에서 승온속도=1℃/min.으로 가열하여 900℃ 온도에서 6시간 유지하였다. 그래서, 확산물질에 함유된 중희토화합물이 중희토로 분해되어 자석 내부로 확산되도록 하는 침투반응이 진행되도록 하였다. 이어서 500℃ 온도에서 2시간 최종열처리를 실시하였다.
입계확산 전 모재의 특성은 Br=13.9 kG, Hcj=17.0 kOe로 측정되었고, 최종입계확산이 완료된 자석은 다시 표면을 가공하여 잔류 확산층을 제거한 후 자기특성을 평가한 결과를 표 1과 같이 나타내었다.
구분 길이 도포량 도포/확산 방향 Br(kG) Hcj(kOe) 열감자율(%)
시편1-1 a=b=c 1.0 wt% ab+a’b’ 2면 13.81 29.01 1.31
시편1-2 1.0 wt% ac+a’c’ 2면 13.79 29.60 1.64
시편1-3 1.0 wt% bc+b’c’ 2면 13.78 29.23 1.44
시편1-4 a=b>c 1.0 wt% ab+a’b’ 2면 13.75 32.39 0.54
시편1-5 1.0 wt% ac+a’c’ 2면 13.80 29.11 1.53
시편1-6 1.0 wt% bc+b’c’ 2면 13.82 29.43 1.49
시편1-7 a=c>b 1.0 wt% ab+a’b’ 2면 13.83 29.00 1.65
시편1-8 1.0 wt% ac+a’c’ 2면 13.76 31.27 0.79
시편1-9 1.0 wt% bc+b’c’ 2면 13.79 29.08 1.39
표 1에서 나타낸 바와 같이 본 발명에서 제안하는 입계확산 방법은 자석의 배향 방향과는 관계없이 확산거리가 상대적으로 단축인 방향으로 선택적/집중적 확산을 하는 것이다.
시편 1-1 내지 1-3에서는 자화방향의 길이 대비 자화방향과 수직방향의 길이비가 동일한 경우에는 입계확산 후 보자력의 향상폭과 비 가역열감자율이 동등수준임을 알 수 있다.
반대로 시편 1-4 내지 1-6에서는 자화방향의 길이가 5 mm로 감소하는 경우 ab면에 2면에 도포하는 것이 확산 깊이가 가장 낮은 경우이며, 이때 자기특성 및 열감자율이 가장 우수하였다.
또한, 시편 1-7 ~ 1-9에서는 자화방향의 수직방향 길이가 5mm로 감소하는 경우 ac면에 도포하는 것이 확산거리가 가장 낮은 경우이며, 이때 자기특성 및 열감자율이 가장 우수하였다.
[실험 2]
본 실험에서는 Xwt%RE-Ywt%B-Zwt%TM-Bal.Bal.wt%Fe(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이원소, X=28∼35, Y=0.5∼1.5, Z=0∼15)조성의 소결체를 제조한 후, 소결체는 a=45mm, b=5mm, c=6mm (시편 2-1, 시편 2-2) 크기의 소결자석으로 가공하였고, 시편 2-1의 소결자석은 자석의 자화방향과 수직인 ab면으로 도포 및 입계확산 공정을 실시하였고, 시편 2-2의 소결자석은 자석의 자화방향과 평행인 ac면으로 도포 및 입계확산 공정을 실시하였다.
입계확산 공정은 [실험 1]과 방식과 동일한 조건으로 실시하였다.
확산이 완료된 시편 2-1 소결체 및 시편 2-2 소결체는 a=45mm, b=15mm c=6mm의 소결체와 동일한 크기가 되도록 ac면에 에폭시 본드를 이용하여 3개의 제품을 균일하게 접합하였다.
이때 입계확산 전 모재의 특성은 Br=13.5 kG, Hcj=18.0 kOe로 측정되었고, 최종 입계확산 및 접합이 완료된 자석은 다시 표면을 가공하여 잔류 확산층을 제거한 후 자기특성을 평가하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
자기특성 평가 결과에서 보는 바와 같이 시편 2-1에 비해 확산 거리가 짧은 시편 2-2의 경우 보자력이 대략 0.8 kOe 높게 평가되었다.
[실험 3]
실험 3본에서는 Xwt%RE-Ywt%B-Zwt%TM-Bal.Bal.wt%Fe(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이원소, X=28∼35, Y=0.5∼1.5, Z=0∼15)조성의 소결체를 제조한 후, 소결체는 a=37.5mm, b=3.13mm, c=5mm(시편 2-3, 시편 2-4) 크기의 자석으로 가공하였고, 시편 2-3의 소결자석은 자석의 자화방향과 수직인 ab면으로 도포 및 입계확산 공정을 실시하였고, 시편 2-4의 소결자석은 자석의 자화방향과 평행인 ac면으로 도포 및 입계확산 공정을 실시하였다.
입계확산 공정은 실험 1과 동일한 조건으로 실시하였다.
확산이 완료된 시편 2-3 소결체 및 시편 2-4 소결체는 a=37.5mm, b=12.5mm, c=5mm의 소결체와 동일한 크기가 되도록 ac면에 에폭시 본드를 이용하여 4개의 제품을 균일하게 접합하였다.
입계확산 전 모재의 특성은 Br=13.5 kG, Hcj=18.0 kOe로 측정되었고, 최종 입계확산 및 접합이 완료된 자석은 다시 표면을 가공하여 잔류 확산층을 제거한 후 자기특성을 평가하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
자기특성 평가 결과 시편 2-3에 비해 확산 거리가 짧은 시편 2-4의 경우 보자력이 대략 2.3 kOe 높게 평가되었다. 또한, 시편 2-4의 결과는 시편 2-2의 결과 대비 보자력의 향상폭이 우수한데, 이는 소결체의 분할 횟수가 증가함에 따라 확산 거리가 짧아진 것에 기인하는 것으로 판단된다.
[실험 4]
본 실험 4에서는 Xwt%RE-Ywt%B-Zwt%TM-Bal.Bal.wt%Fe(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이원소, X=28∼35, Y=0.5∼1.5, Z=0∼15)조성의 소결체를 제조한 후, 소결체는 a=45mm, b=2mm, c=6mm(시편 2-5, 시편 2-6) 크기의 자석으로 가공하였고, 시편 2-5의 소결자석은 자석의 자화방향과 수직인 ab면으로 도포 및 입계확산 공정을 실시하였고, 시편 2-6의 소결자석은 자석의 자화방향과 평행인 ac면으로 도포 및 입계확산 공정을 실시하였다.
입계확산 공정은 [실험 1]과 방식과 동일한 조건으로 실시하였다.
확산이 완료된 시편 2-5 소결체 및 시편 2-6 소결체는 a=45mm, b=16mm c=6mm의 소결체와 동일한 크기가 되도록 ac면에 에폭시 본드를 이용하여 8개의 제품을 균일하게 접합하였다.
입계확산 전 모재의 특성은 Br=13.5 kG, Hcj=18.0 kOe로 측정되었고, 최종 입계확산 및 접합이 완료된 자석은 다시 표면을 가공하여 잔류 확산층을 제거한 후 자기특성을 평가하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
자기특성 평가 결과에서 보는 바와 같이 시편 2-5에 비해 확산 거리가 짧은 실시예 4의 경우 보자력이 대략 3.26 kOe 높게 평가되었다.
구분 확산 사이즈 확산 방향 분할 및 접합 Br(kG) Hcj(kOe) BHmax
(MGOe)
a(mm) b(mm) c(mm)
시편2-1 45 15 6 ab+a'b' 2면 O (3분할) 13.15 28.36 42.63
시편2-2 45 5 6 ac+a'c' 2면 O (3분할) 13.12 29.16 42.06
시편2-3 37.5 12.5 5 ab+a'b' 2면 O (4분할) 13.17 29.28 42.81
시편2-4 37.5 3.13 5 ac+a'c' 2면 O (4분할) 13.11 31.54 42.27
시편2-5 45 16 6 ab+a'b' 2면 O (8분할) 13.16 24.17 42.44
시편2-6 45 2 6 ac+a'c' 2면 O (8분할) 13.10 27.43 42.06
[실험 5]
실험 5에서는 본 발명에서 제안한 분할 자석을 적용한 모터의 온도 추이 시뮬레이션을 실시하였다.
도 5a 및 도 5b는 실험에 사용된 구동모터의 설명을 위하여 분할 자석이 적용된 구동모터를 보여주는 도면이고, 도 6a 내지 도 6c는 다양한 시편에 따른 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 고정자(10)에 코일(11)이 적용되고, 회전자(20)에 본 발명에 따른 분할 자석(21)이 적용된 하이브리드 차량용 구동모터를 사용하여 구동모터의 작동시 온도 추이를 시뮬레이션하였다.
이때 회전자에 삽입된 분한 자석의 사이즈는 a=45mm, b=15mm, c=6mm 이다.
그리고, 도 6a 내지 도 6c에 나타낸 자석 시편 중 No. 1은 자석을 분할하지 않은 미분할 자석 시편이고, No. 2는 2분할한 분할 자석 시편이며, No. 3은 3분할한 분할 자석 시편이고, No. 4는 4분할한 분할 자석 시편이며, No. 5는 8분할한 분할 자석 시편이다.
도 6a은 자석을 N분할 (N=2,3,4,8) 실시하였을 경우 자석에서 발생하는 와전류에 의한 발열량을 나타낸 그래프이다.
도 6a에서 확인할 수 있듯이, 자석의 분할 개수가 늘어날수록 발열량이 줄어드는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 도 6b 및 도 6c는 자석을 N분할 (N=2,3,4,8) 실시하였을 경우 시간에 따른 자석의 온도를 나타낸 그래프이다.
도 6b 및 도 6c에서 확인할 수 있듯이, 자석의 분할 개수가 늘어날수록 온도 변화가 적은 것을 확인할 수 있었다.
200: 영구자석 모체
210: 입계확산된 영구자석 모체
201, 202, 203, 2041: 영구자석 분할체
210: 분할 자석
220: 표면처리된 분할 자석

Claims (15)

  1. 복수개의 영구자석 분할체가 일렬로 적층되어 이루어지는 분할 자석으로서,
    각각의 영구자석 분할체는 자화 방향에 평행하면서 서로 대향되는 한 쌍의 면에 확산물질을 내부방향으로 입계확산시킨 확산면을 형성하고,
    복수개의 영구자석 분할체가 상기 확산면이 서로 맞대어지도록 일렬로 적층되어 접착된 것을 특징으로 하는 분할 자석.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분할 자석은,
    자화 방향에 평행하면서 서로 대향되는 한 쌍의 면에 상기 확산면이 형성된 영구자석 모체가 상기 확산면이 서로 맞대어지도록 일렬로 적층된 영구자석 접합체를 자화 방향과 수직인 면을 따라 절단된 것을 특징으로 하는 분할 자석.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 영구자석 분할체는 자화 방향에 평행한 한 쌍의 확산면 사이 거리가 자화 방향에 수직한 면 사이 거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 분할 자석.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 영구자석 분할체는, 하기의 [식 1]로 표시되는 소결자석인 것을 특징으로 하는 분할 자석.
    x%RE-y%B-z%TM-Bal.%Fe…[식 1]
    여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, x=28∼35, y=0.5∼1.5, z=0∼15 임.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 영구자석 분할체는 NdFeB 소결자석인 것을 특징으로 하는 분할 자석.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산물질은 희토류 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 분할 자석.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 확산물질은 하기의 [식 2]로 표시되는 물질인 것을 특징으로 분할 자석.
    RETMX…[식 2]
    여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, X=수소, 산소 및 불소 중 적어도 하나 이상의 원소임.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 확산물질은 희토류원소를 10at% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 분할 자석.
  9. 소정의 방향으로 자화시켜서 일정한 자화 방향을 갖는 복수개의 영구자석 모체를 준비하는 제 1 준비단계와;
    준비된 영구자석 모체를 자화 방향과 평행하면서 서로 대향되는 한 쌍의 면으로 확산물질을 확산시켜서 한 쌍의 확산면을 형성하는 입계확산단계와;
    영구자석 모체의 확산면이 서로 맞대어지도록 복수개의 영구자석 모체를 일렬로 적층시켜서 영구자석 접합체를 준비하는 제 2 준비단계와;
    준비된 영구자석 접합체를 자화 방향과 수직인 면을 따라 복수개로 분할하는 분할단계를 포함하는 분할 자석의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 준비단계에서,
    상기 영구자석 모체는 서로 대향되는 3쌍의 평면을 갖는 육면체로 형성되되, 자화 방향에 평행한 한 쌍의 확산면 사이 거리가 자화 방향에 수직한 면 사이 거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 분할 자석의 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 준비단계에서,
    상기 영구자석 모체는 하기의 [식 1]로 표시되는 자석 분말을 성형 후 소결시켜서 준비하는 것을 특징으로 하는 분할 자석의 제조방법.
    x%RE-y%B-z%TM-Bal.%Fe…[식 1]
    여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, x=28∼35, y=0.5∼1.5, z=0∼15 임.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 입계확산단계는,
    상기 영구자석 모체에 형성되는 확산면에 확산물질을 도포한 다음 열처리하여 확산물질을 영구자석 모체의 내부방향으로 입계확산시키는 것을 특징으로 하는 분할 자석의 제조방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 입계확산단계에서,
    상기 확산물질은 희토류 원소를 10at% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 분할 자석의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 입계확산단계에서,
    상기 확산물질은 하기의 [식 2]로 표시되는 물질인 것을 특징으로 하는 분할 자석의 제조방법.
    RETMX…[식 2]
    여기서, RE=희토류원소, TM=천이 금속, X=수소, 산소 및 불소 중 적어도 하나 이상의 원소임.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 입계확산단계는,
    준비된 영구자석 모체에 형성되는 한 쌍의 확산면에 상기 확산물질을 도포하는 도포과정과;
    확산물질이 확산면에 도포된 영구자석 모체를 진공 또는 불활성기체 분위기에서 열처리하여 확산물질을 영구자석 모체의 내부로 입계확산시키는 입계확산과정을 포함하는 분할 자석의 제조방법.
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