WO2019156301A1 - 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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WO2019156301A1
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magnetic
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강동우
소용대
홍은경
공군승
김동환
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계명대학교 산학협력단
성림첨단산업(주)
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic press device using a Halbach cylinder structure and a control method thereof. More particularly, in forming a rare earth permanent magnet, a uniform magnetic flux is applied to a particle through a Halbach cylinder structure designed through a finite element analysis method.
  • the present invention relates to a magnetic press device using a Halbach cylinder structure and a control method thereof so that a rare earth permanent magnet can be formed by transmitting the rare earth permanent magnet, which eliminates alignment of magnetic domains and particles.
  • rare earth permanent magnets are used in various electrical and electronic devices such as magnetic resonance imaging (MRI), high-performance motors, mobile phones, air conditioners, etc., and in recent years, as well as compressor motors for high-efficiency air conditioners, hybrid, electric vehicles, and wind power generation industries. Also used as an essential material.
  • MRI magnetic resonance imaging
  • Such a rare earth (Nd-Fe-B) permanent magnet has a magnetic energy of 5 to 10 times larger than the conventional permanent magnet of iron, and can form a sufficient magnetic field even with a small size.
  • Such a rare earth permanent magnet is an iron-based high performance magnet, an anisotropic sintered magnet mainly composed of neodymium (Nd), iron (Fe) and boron (B), and currently occupies 80% of the global magnetic market.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a general magnetic press structure for forming a rare earth permanent magnet.
  • a molding mold 12 filled with rare earth alloy powder is disposed at a central portion of the cylinder 11, and molding is performed.
  • a pair of permanent magnets 13 are arranged in one direction above and below the mold 12 and apply a magnetic field of an alignment magnetic field outside the molding mold 12.
  • Such a conventional magnetic press 10 is made to form a rare earth permanent magnet, but there is a problem that unexpectedly adversely affect the performance of the magnet in the process of forming the rare earth permanent magnet.
  • the present invention has been proposed to solve the above problems of the conventionally proposed methods, comprising a magnetic press device including a molding mold, a mold punch, a magnetic field generating unit and a drive control unit, the two sides of the molding mold
  • a magnetic press device including a molding mold, a mold punch, a magnetic field generating unit and a drive control unit, the two sides of the molding mold
  • an electromagnet so that a uniform magnetic flux density can be applied to the molded body compression-molded in the molding mold
  • a magnetic field for more precisely arranging the arrangement of magnetic domains is applied in both the left and right directions of the molding mold
  • the arrangement structure of the magnetic field generating unit including the molding mold of the magnetic press device and the two electromagnet members is composed of the Halbach cylinder structure designed through the finite element analysis method, thereby applying to the molded article compression-molded in the molding mold As the uniform magnetic flux penetrates the particles of the molded body, the phenomenon of the alignment of the magnetic domains and the adverse effect of the particle gathering are eliminated, so that the occurrence of defects of the rare earth permanent magnets formed can be minimized.
  • Another object is to provide a press apparatus and a control method thereof.
  • a molding mold disposed and fixed at the center portion of the cylinder to form a rare earth permanent magnet, and filled with a rare earth alloy powder which is a raw material for molding the rare earth permanent magnet;
  • a mold punch pressurizing the rare earth-based alloy powder filled in the molding mold to a specific pressure to form a molded body of the rare earth permanent magnet
  • the magnetic domain of the molded body of the rare earth permanent magnet which is disposed above and below the molding mold in which the rare earth alloy powder is filled, and has a vertical magnetic field generating unit for applying a magnetic field, wherein the particles of the rare earth alloy powder are compression molded by the mold punch.
  • a magnetic field generator for applying a magnetic field of an alignment magnetic field for aligning an array of the mold in both left and right directions;
  • the drive control of the said mold punch, and the drive control part which controls so that the magnetic field of the aligning magnetic field through the said magnetic field generation part are applied so that the magnetic field of an aligning magnetic field may be applied from all sides of the said molding mold.
  • the magnetic press device Preferably, the magnetic press device, the magnetic press device, and
  • the molding mold may be arranged at a central portion of the cylinder, and may have a Halbach cylinder structure in which two electromagnet members of the magnetic field generating unit are arranged so that a magnetic field may be uniformly applied to the left and right of the molding mold.
  • Halbach cylinder structure More preferably, the Halbach cylinder structure,
  • the molded body of the rare earth permanent magnets formed in the molding mold may be designed through a finite element analysis method to have a uniform magnetic flux density.
  • the magnetic field generating unit More preferably, the magnetic field generating unit,
  • It includes two electromagnet members arranged so that a uniform magnetic field can be applied in both the left and right directions of the molding mold,
  • the two electromagnet members may be configured as an electromagnet to allow a magnetic field corresponding to the magnetic field of the upper and lower magnetic field generators to be applied up and down to the molded body in the existing magnetic press structure.
  • the magnetic field generating unit Even more preferably, the magnetic field generating unit,
  • the magnetic field may be generated by two electromagnets in a direction opposite to the direction of the magnetic field applied up and down.
  • the magnetic press device Even more preferably, the magnetic press device,
  • the magnetic field applied to the upper and lower magnetic field generators and the two left and right electromagnets may be designed and implemented as a press structure based on the Halbach cylinder principle.
  • the magnetic press device Preferably, the magnetic press device, the magnetic press device, and
  • the rare earth-based permanent magnet is completed
  • Neodymium (Nd), iron (Fe) and boron (B) may be composed of a neodymium magnet (NdFeB), the main component.
  • the rare earth-based alloy powder
  • Neodymium (Nd), iron (Fe) and boron (B) is a powder powder pulverized into a powder after dissolving and solidifying a rare earth-based alloy mainly.
  • the rare earth-based permanent magnet is completed
  • It may be formed in a shape corresponding to the internal shape structure of the molding mold.
  • the rare earth-based permanent magnet is completed
  • the internal shape structure of the molding mold is a disk type, it may be configured as a circular magnet corresponding thereto.
  • the rare earth-based permanent magnet is completed
  • the internal shape structure of the molding mold is a ring type, it may be configured as a ring magnet corresponding thereto.
  • the rare earth-based permanent magnet is completed
  • the internal shape structure of the molding mold is a square type, it may be configured as a square magnet corresponding thereto.
  • the rare earth-based permanent magnet is completed
  • the internal shape of the molding mold is a dish hole type, it may be configured as a countersunk magnet.
  • the rare earth-based permanent magnet is completed
  • the internal shape of the molding mold is a curved type, it may be configured as a curved magnet corresponding thereto.
  • the rare earth-based permanent magnet is completed
  • the internal shape structure of the molding mold is a sphere-ball type, it may be composed of a bead magnet corresponding thereto.
  • the rare earth-based permanent magnet is completed
  • the internal shape of the molding mold is a cylinder type, it may be configured as a cylindrical magnet corresponding thereto.
  • a control method of a magnetic press device using a Halbach cylinder structure including a molding mold, a mold punch, a magnetic field generating unit, and a driving control unit,
  • the mold punch is operated to form a molded body of the rare earth permanent magnet by pressing a specific pressure on the rare earth alloy powder filled in the molding mold through the step (1);
  • the magnetic field generating unit Under the control of the drive control section, the magnetic field generating unit generates a magnetic field of an orientation magnetic field for aligning the arrangement of the magnetic domains of the molded body of the rare earth permanent magnet compression-molded through the step (2) in the left and right directions of the molding mold. It is characterized by its configuration including the step of applying.
  • the magnetic press device Preferably, the magnetic press device, the magnetic press device, and
  • the molding mold is disposed at the center of the cylinder, and configured to have a Halbach cylinder structure in which two electromagnet members of the magnetic field generating unit are arranged in the left and right directions of the molding mold.
  • the magnetic field is generated by two electromagnets in a direction opposite to the magnetic field direction of the vertical magnetic field generating unit applied up and down, and the two electromagnet members are configured to apply magnetic fields corresponding to the magnetic fields applied up and down.
  • the magnet may be further comprises the step of completing the production of neodymium magnet (NdFeB) containing a main component of neodymium (Nd), iron (Fe) and boron (B).
  • NdFeB neodymium magnet
  • a magnetic press apparatus including a molding mold, a mold punch, a magnetic field generating unit, and a driving control unit may be provided.
  • a rare earth permanent magnet by arranging two electromagnets so that a uniform magnetic flux density can be applied to the molded body compression-molded in the molding mold so that a magnetic field for more precisely arranging the arrangement of the magnetic domains is applied in both the left and right sides of the molding mold.
  • the nonuniformity of the magnetic flux density which adversely affects the performance of the existing magnets generated in the process of molding, can be resolved.
  • the arrangement structure of the magnetic field generating unit including the molding mold of the magnetic press apparatus and the two electromagnet members is composed of the Halbach cylinder structure designed through the finite element analysis method, thereby applying the molded body compression-molded in the molding mold.
  • the uniform magnetic flux is transmitted to the particles of the molded body, the phenomenon of the adverse effect of the alignment of the magnetic domains and the particles are eliminated, so that the occurrence of defects of the rare earth permanent magnets to be molded can be minimized.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a general magnetic press structure.
  • Figure 2 is a view showing the configuration of the magnetic press device using a Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention as a functional block.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of the Halbach cylinder structure applied to the magnetic press device using the Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view visualizing a flux line of a flux density of a Halbach cylinder structure and a general press structure applied to a magnetic press apparatus using a Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a comparison graph of flux lines of magnetic flux density according to a Halbach cylinder structure and a general press structure applied to a magnetic press apparatus using a Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view illustrating an operation flow of a control method of a magnetic press apparatus using a Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view illustrating an operation flow further including a process of magnet sintering in a method of controlling a magnetic press apparatus using a Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention.
  • step of the rare earth-based alloy powder is injected into the molding mold
  • S120 a step of forming a molded body of the rare earth permanent magnet by pressing a specific pressure on the rare earth alloy powder filled in the molding mold
  • S140 a step in which the manufacture of neodymium magnets (NdFeB) is completed through a magnet sintering process on a molded body of a rare earth permanent magnet
  • FIG. 2 is a view showing the configuration of a magnetic press device using the Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention as a functional block
  • Figure 3 is a magnetic press using the Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view schematically showing the configuration of the Halbach cylinder structure applied to the apparatus
  • FIG. 4 is a view of the Halbach cylinder structure and the general press structure applied to the magnetic press apparatus using the Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram visualizing a flux line of magnetic flux density
  • FIG. 5 is a magnetic flux according to a Halbach cylinder structure and a general press structure applied to a magnetic press apparatus using a Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic press apparatus 100 using the Halbach cylinder structure includes a molding mold 110, a mold punch 120, and a magnetic field generator ( 130, and the driving control unit 140.
  • the molding mold 110 is fixed to a central portion of the cylinder 101 to form a rare earth permanent magnet, and molds a permanent magnet that is filled with a rare earth alloy powder, which is a raw material for forming the rare earth permanent magnet. It is the composition.
  • the molding mold 110 may be configured as an internal shape structure corresponding to the shape of the rare earth permanent magnet to be manufactured.
  • the internal shape structure of the molding mold 110 may include an internal shape structure of a disc type, a ring type, a square type, a dish hole type, a curved type, a spherical ball type, and a cylinder type.
  • the mold punch 120 is a constitution of a punch for forming a molded body of a rare earth permanent magnet by pressing the rare earth alloy powder filled in the molding mold 110 at a specific pressure.
  • the rare earth-based alloy powder pressurized by the mold punch 120 is a powder powder obtained by dissolving and solidifying a rare earth-based alloy mainly composed of neodymium (Nd), iron (Fe), and boron (B), and then pulverizing it into powder.
  • the mold punch 120 corresponds to a general configuration of a press configuration for pressing a specific pressure to form a molded body of a rare earth permanent magnet, unnecessary description thereof will be omitted.
  • the magnetic field generating unit 130 includes upper and lower magnetic field generating units 131 disposed above and below the molding mold 110 filled with the rare earth-based alloy powder and applying a magnetic field.
  • the rare earth-based alloy is formed by the mold punch 120.
  • the particles of the powder are configured to apply a magnetic field of an orientation magnetic field for aligning the arrangement of the magnetic domains of the molded body of the compression-molded rare earth permanent magnet in both the left and right directions of the molding mold 110.
  • the magnetic field generating unit 130 of the magnetic press device 100 includes a molding mold 110 disposed at a central portion of the cylinder 101, and a magnetic field on the left and right sides of the molding mold 110.
  • the magnetic field generating unit 130 can be configured to have a Halbach cylinder structure in which two electronic members 132 of the magnetic field generating unit 130 are arranged to be uniformly applied.
  • the magnetic field generating unit 130 has a structure in which two electromagnet members 132 are further disposed on the left and right sides of the existing magnetic press structure in which the upper and lower magnetic field generating units 131 are disposed above and below the molding mold 110. It is composed.
  • the Halbach cylinder structure may be designed through a finite element analysis method so that the molded body of the rare earth permanent magnet formed in the molding mold 110 has a uniform magnetic flux density.
  • the magnetic field generating unit 130 has a vertical magnetic field generating unit 131 corresponding to a conventional magnetic press structure. It may be composed of two electromagnet members 132 disposed in pairs. That is, the magnetic field generating unit 130 includes two electromagnet members 132 arranged to apply a uniform magnetic field in both the left and right directions of the molding mold 110, but the two electromagnet members 132 are conventional It consists of an electromagnet which applies a magnetic field that matches the magnetic field of the vertical magnetic field generating unit 131 to be applied up and down to the molded body in the magnetic press structure. At this time, the vertical magnetic field generating unit 131 may be composed of a permanent magnet as a magnet member of a conventional magnetic press structure.
  • the magnetic field generating unit 130 may generate and apply magnetic fields in two electromagnets in a direction opposite to the direction of the magnetic field applied up and down, and the magnetic press device 100 generates the upper and lower magnetic fields of the magnetic field generating unit 130.
  • the magnetic field applied from the unit 131 and the two electromagnets may be designed and implemented as a press structure based on the Halbach cylinder principle to which a magnetic field corresponding to a uniform magnetic flux density is applied.
  • the drive control unit 140 controls drive control of the mold punch 120 and drive control to control the magnetic field of the alignment magnetic field through the magnetic field generating unit 130 to apply the magnetic field of the alignment magnetic field from all sides of the molding mold 110. It is for the configuration.
  • the driving control unit 140 may control the mechanical mechanism driving of the mold punch 120 and the output of the magnetic field application of the alignment magnetic field of the magnetic field generating unit 130, and two electromagnet members 132 implemented as an electromagnet. For, it can be controlled so that the magnetic field strength of the alignment magnetic field can be varied.
  • the magnetic press apparatus 100 including the molding mold 110, the mold punch 120, the magnetic field generating unit 130, and the driving controller 140 may be in the left and right directions of the molded body compression-molded in the molding mold 110.
  • the magnetic field of the orientation magnetic field in the above, it is possible to manufacture a rare earth permanent magnet in which the magnetic flux density nonuniformity which adversely affects the magnet performance is eliminated.
  • the completed rare earth permanent magnet may be made of neodymium magnet (NdFeB) containing neodymium (Nd), iron (Fe), and boron (B) as a main component, wherein the completed rare earth permanent magnet is a molded mold It is made of a shape corresponding to the internal shape structure of (110).
  • the rare earth permanent magnet which is manufactured by the magnetic press apparatus 100 using the Halbach cylinder structure of the present invention, has a circular magnet corresponding to an inner shape structure of the molding mold 110 when the inner mold structure is a disk type. It can be molded into.
  • the rare earth-based permanent magnet that is manufactured by the magnetic press device 100 using the Halbach cylinder structure of the present invention when the internal shape structure of the molding mold 110 is a ring type (corresponding to this) It can be molded into a ring magnet.
  • the rare earth-based permanent magnet that is manufactured by the magnetic press device 100 using the Halbach cylinder structure of the present invention corresponds to the case where the internal shape structure of the molding mold 110 is a square type, It can be molded into a square magnet.
  • the rare earth-based permanent magnet is manufactured by the magnetic press device 100 using the Halbach cylinder structure of the present invention, when the internal shape structure of the molding mold 110 is a dish hole type (sish hole type), It may be molded into a corresponding dish hole magnet.
  • the rare earth-based permanent magnet manufactured by the magnetic press device 100 using the Halbach cylinder structure of the present invention corresponds to the case where the internal shape structure of the molding mold 110 is a curved type. It can be molded into a curved magnet.
  • the rare earth-based permanent magnet is manufactured by the magnetic press device 100 using the Halbach cylinder structure of the present invention, when the internal shape structure of the molding mold 110 is sphere-ball type, It can be molded into a corresponding bead magnet.
  • the rare earth permanent magnet which is manufactured by the magnetic press device 100 using the Halbach cylinder structure of the present invention, has a cylindrical magnet corresponding to an inner shape structure of the molding mold 110 when it is a cylinder type. It can be molded into.
  • FIG. 4 is a visual representation of a flux line of flux density of a Halbach cylinder structure and a general press structure applied to a magnetic press apparatus using a Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. A comparative graph of a flux line of flux density according to a Halbach cylinder structure and a general press structure applied to a magnetic press apparatus using a Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention is shown.
  • Figure 4 (a) is a magnetic field of the orientation magnetic field applied from the upper and lower magnetic field generating portion 131 of the magnetic field generating portion 130 and the two electromagnet members 132 through the Halbach cylinder structure according to the invention
  • the uniform magnetic flux applied to the molded body of the rare earth permanent magnet formed in 110) is shown
  • FIG. 4 (b) shows that the magnetic field is distorted by two permanent magnets in a general press structure, and the magnetic flux is not uniform. Indicates.
  • FIG. 4 (b) simplifies the structure of the existing magnetic press, replaces the electromagnet with a permanent magnet, and visualizes the uniformity and flux line of the magnetic flux density, as can be seen from the graph of FIG. 5.
  • the magnetic press having the Halbach cylinder structure of the present invention as shown in (a) of FIG. 4 there is no distortion in the uniform magnetic flux and magnetic field in the graph of FIG. 5. can see.
  • FIG. 6 is a view illustrating an operation flow of a control method of a magnetic press apparatus using a Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a magnet using a Halbach cylinder structure according to an embodiment of the present invention.
  • the control method of the press apparatus it is a figure which shows the operation flow which further contains the magnet sintering process.
  • each of the control method of the magnetic press device using the Halbach cylinder structure the step of the rare earth-based alloy powder is injected into the molding mold (S110), molding A specific pressure is applied to the rare earth-based alloy powder filled in the mold to form a molded body of the rare earth permanent magnet (S120), and a magnetic field of an orientation magnetic field for aligning the arrangement of the magnetic domains of the molded body of the compression-molded rare earth permanent magnet.
  • the manufacturing step is completed by the neodymium magnet (NdFeB) through the magnet sintering process to the molded body of the rare earth permanent magnet (S140) It can be implemented to include.
  • NdFeB neodymium magnet
  • S140 rare earth permanent magnet
  • a rare earth-based alloy powder which is a raw material for forming a rare earth permanent magnet
  • the molding mold 110 is a configuration of a mold disposed and fixed to the center portion of the cylinder 101 to mold the rare earth permanent magnet, and may be configured as an internal shape structure corresponding to the shape of the rare earth permanent magnet to be manufactured.
  • the internal shape structure of the molding mold 110 may include an internal shape structure of a disc type, a ring type, a square type, a dish hole type, a curved type, a spherical ball type, and a cylinder type.
  • step S120 under the control of the drive control unit 140, the mold punch 120 is operated to form the mold 110 through step S110.
  • the specific pressure is applied to the rare earth-based alloy powder filled in) to form a molded body of the rare earth permanent magnet.
  • the mold punch 120 is a general configuration of a press configuration for forming a molded body of a rare earth permanent magnet by pressing the rare earth-based alloy powder filled in the molding mold 110 at a specific pressure.
  • the rare earth-based alloy powder pressurized by the mold punch 120 is a powder powder pulverized by dissolving and solidifying a rare earth-based alloy mainly composed of neodymium (Nd), iron (Fe) and boron (B). Can be configured.
  • step S130 under the control of the drive control unit 140, the magnetic field generating unit 130 is compression-molded through step S120
  • the magnetic field of the alignment magnetic field for aligning the arrangement of the magnetic domain of the molded body of the permanent magnet is a configuration of the step of applying in the left and right directions of the molding mold (110).
  • the magnetic field generating unit 130 is disposed above and below the molding mold 110 filled with the rare earth-based alloy powder, and includes a vertical magnetic field generating unit 131 for applying a magnetic field, and the rare earth-based alloy is formed by the mold punch 120.
  • the magnetic field generating unit 130 is a Halbach, in which two electromagnet members 132 are further disposed on the left and right sides of the existing magnetic press structure in which the upper and lower magnetic field generating units 131 are disposed above and below the molding mold 110.
  • a Halbach cylinder structure can be designed through the finite element analysis method so that the molded body of the rare earth permanent magnet formed in the molding mold 110 has a uniform magnetic flux density.
  • the two electromagnet members 132 of the magnetic field generating unit 130 generate and apply a magnetic field in the two electromagnets in a direction opposite to the magnetic field direction of the vertical magnetic field generating unit 131 applied up and down, but the two electromagnet members Reference numeral 132 is composed of an electromagnet which allows a magnetic field corresponding to the magnetic field applied up and down to be applied.
  • step S140 the molded body compression-molded in the molding mold 110 through steps S110 to S130 is obtained.
  • Neodymium (Nd), iron (Fe) and boron Neodymium magnet (NdFeB) containing B
  • the magnetic press apparatus and the control method using the Halbach cylinder structure comprises a magnetic press apparatus including a molding mold, a mold punch, a magnetic field generating unit and a drive control unit, Two electromagnets are arranged on the left and right sides of the molding mold so that a uniform magnetic flux density can be applied to the molded body compression-molded in the molding mold so that a magnetic field for more precisely arranging the arrangement of the magnetic domains is applied to both sides of the molding mold.
  • the arrangement structure of the magnetic field generating unit including the molding mold of the magnetic press device and the two electromagnet members is composed of the Halbach cylinder structure designed through the finite element analysis method, the uniform magnetic flux applied to the compression molded molded body in the molding mold is obtained. As it penetrates the particles of the molded body, the phenomenon of the alignment of the magnetic domains and the adverse effect of the particles being collected can be eliminated, and thus the occurrence of defects of the rare earth permanent magnets formed can be minimized.

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Abstract

본 발명에서 제안하고 있는 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치 및 그 제어 방법에 따르면, 성형 몰드와 금형 펀치와 자장 발생부 및 구동 제어부를 포함하는 자기 프레스 장치를 구성하되, 성형 몰드의 좌우에 2개의 전자석을 배치하여 성형 몰드에서 압축 성형된 성형체에 균일한 자속밀도가 인가될 수 있도록 하여 자구의 배열을 좀 더 정확하게 배열시키기 위한 자기장을 성형 몰드의 좌우 양방향에서 인가되도록 구성함으로써, 희토류계 영구자석의 성형을 하는 과정에서 발생되는 기존의 자석 성능에 악영향을 주는 자속밀도의 불균일성이 해소될 수 있도록 할 수 있다.

Description

할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치 및 그 제어 방법
본 발명은 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 희토류 영구자석을 성형함에 있어, 유한요소해석법을 통해 설계된 할바흐 실린더 구조를 통해 균일한 자속을 입자에 투과시켜 자구들의 정렬과 입자가 몰리는 현상이 해소되는 희토류 영구자석이 성형될 수 있도록 하는 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 희토류 영구자석은 자기공명영상(MRI), 고성능 모터, 휴대폰, 에어컨 등 각종 전기/전자기기에 사용되며, 최근에는 고효율 에어컨의 컴프레서용 모터는 물론이고, 하이브리드, 전기자동차, 풍력발전 산업 등에서도 필수 소재로 사용되고 있다. 이러한 희토류(Nd-Fe-B)계 영구자석은 기존의 철의 영구자석에 비해 5~10배의 큰 자기에너지를 갖고 있어, 작은 크기로도 충분한 자기장을 형성할 수 있다. 이와 같은 희토류계 영구자석은 철계의 고성능 자석으로서, 네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 이방성 소결 자석이며, 현재 세계자석시장의 80%를 차지하고 있다.
도 1은 희토류계 영구자석을 성형하기 위한 일반적인 자기 프레스 구조의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 희토류계 영구자석을 성형하기 위한 종래의 자기 프레스(10)는, 희토류계 합금 파우더가 충진 되는 성형 몰드(12)가 실린더(11)의 중심 부위에 배치되고, 성형 몰드(12)의 상하의 일 방향으로 배치되어, 성형 몰드(12)의 외측에서 배향자계의 자기장을 인가하는 한 쌍의 영구자석(13)이 배치 구성되고 있다. 이와 같은 종래의 자기 프레스(10)는 희토류계 영구자석의 성형을 하기 위해서 만들어 졌으나, 희토류계 영구자석의 성형의 과정에서 예기치 못하게 자석의 성능에 악영향을 끼치는 문제점이 있었다.
이와 같은 종래의 자기 프레스(10)에서는 희토류계 영구자석을 성형하기 위해 입자들을 압축하고 자구의 배열을 정렬시키기 위해 배향자계의 자기장을 인가할 때, 상하의 일 방향을 통해서만 자기장을 인가함에 따라 도 4의 (b)와 같이 자속의 불균일과 왜곡이 발생되는 문제가 있었다. 이러한 문제는 희토류 영구자석을 성형할 때에 종종 발생하는 장애요소인 불균일한 자속밀도에 의해 입자들이 더 강한 자기장에 입자가 몰리고, 자구들의 정렬이 제대로 되지 않아 자석의 성능에 악영향을 끼침은 물론, 성형되는 희토류계 영구자석의 불량을 발생시키는 문제로 작용하게 된다. 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0070925호, 등록특허공보 제10-0642218호가 선행기술 문헌으로 개시되고 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 성형 몰드와 금형 펀치와 자장 발생부 및 구동 제어부를 포함하는 자기 프레스 장치를 구성하되, 성형 몰드의 좌우에 2개의 전자석을 배치하여 성형 몰드에서 압축 성형된 성형체에 균일한 자속밀도가 인가될 수 있도록 하여 자구의 배열을 좀 더 정확하게 배열시키기 위한 자기장을 성형 몰드의 좌우 양방향에서 인가되도록 구성함으로써, 희토류계 영구자석의 성형을 하는 과정에서 발생되는 기존의 자석 성능에 악영향을 주는 자속밀도의 불균일성이 해소될 수 있도록 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 자기 프레스 장치의 성형 몰드와 2개의 전자석 부재를 구비하는 자장 발생부의 배치 구조가 유한요소해석법을 통해 설계된 할바흐 실린더 구조로 구성됨으로써, 성형 몰드에서 압축 성형된 성형체에 인가되는 균일한 자속이 성형체의 입자에 투과됨에 따라 자구들의 정렬과 입자가 몰리는 악영향의 현상이 해소되고, 그에 따라 성형되는 희토류계 영구자석의 불량 발생이 최소화될 수 있도록 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치는,
할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치로서,
희토류계 영구자석을 성형하기 위해 실린더의 중심 부위에 배치 고정되며, 희토류계 영구자석의 성형을 위한 원재료인 희토류계 합금 파우더가 충진 되는 성형 몰드;
상기 성형 몰드에 충진된 상기 희토류계 합금 파우더에 특정 압력으로 가압하여 희토류계 영구자석의 성형체를 형성하는 금형 펀치;
상기 희토류계 합금 파우더가 충진 되는 상기 성형 몰드의 상하에 배치되어 자기장을 인가하는 상하 자기장 발생부를 구비하고, 상기 금형 펀치에 의해 희토류계 합금 파우더의 입자들이 압축 성형된 희토류계 영구자석의 성형체의 자구의 배열을 정렬시키기 위한 배향자계의 자기장을 상기 성형 몰드의 좌우 양방향에서 인가하는 자장 발생부; 및
상기 금형 펀치의 구동 제어와, 상기 자장 발생부를 통한 배향자계의 자기장이 상기 성형 몰드의 사방에서 배향자계의 자기장이 인가되도록 제어하는 구동 제어부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 자기 프레스 장치는,
상기 성형 몰드가 실린더의 중심 부위에 배치 구성되고, 상기 성형 몰드의 좌우에서 자기장이 균일하게 인가될 수 있도록 자장 발생부의 2개의 전자석 부재가 배치 구성되는 할바흐 실린더 구조를 갖도록 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 할바흐 실린더 구조는,
상기 성형 몰드에서 성형되는 희토류계 영구자석의 성형체가 균일한 자속밀도를 갖도록 유한요소해석법을 통해 설계될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 자장 발생부는,
상기 성형 몰드의 좌우 양방향에서 균일한 자기장이 인가될 수 있도록 배치 구성되는 2개의 전자석 부재를 포함하되,
상기 2개의 전자석 부재는 기존의 자기 프레스 구조에서 성형체에 상하로 인가하는 상하 자기장 발생부의 자기장과 일치하는 자기장이 인가되도록 하는 전자석으로 구성할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 자장 발생부는,
상하에서 인가되는 자기장 방향과 반대방향으로 2개의 전자석에서 자기장을 발생시켜 인가할 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 자기 프레스 장치는,
상기 자장 발생부의 상하 자기장 발생부와 좌우 2개의 전자석에서 인가되는 자기장이 균일한 자속밀도와 일치하는 자기장이 인가되는 할바흐 실린더 원리의 프레스 구조로 설계 구현될 수 있다.
바람직하게는, 상기 자기 프레스 장치는,
상기 성형 몰드에서 압축 성형된 성형체의 좌우방향에서 배향자계의 자기장이 인가됨으로써, 자석 성능에 악영향을 미치는 자속밀도 불균일성이 해소된 희토류계 영구자석의 제조가 가능하도록 할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 네오디뮴 자석(NdFeB)으로 구성될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 희토류계 합금 파우더는,
네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 희토류계 합금을 용해하여 고형화 시킨 다음 파우더로 분쇄한 파우더 분말이다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
상기 성형 몰드의 내부 형상 구조에 대응한 형상으로 이루어질 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
상기 성형 몰드의 내부 형상 구조가 디스크 타입(disk type)인 경우, 이에 대응하는 원형 자석으로 구성될 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
상기 성형 몰드의 내부 형상 구조가 링 타입(ring type)인 경우, 이에 대응하는 링 자석으로 구성될 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
상기 성형 몰드의 내부 형상 구조가 사각 타입(square type)인 경우, 이에 대응하는 사각 자석으로 구성될 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
상기 성형 몰드의 내부 형상 구조가 디시 홀 타입(sish hole type)인 경우, 이에 대응하는 접시 홀 자석으로 구성될 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
상기 성형 몰드의 내부 형상 구조가 곡면 타입(segment type)인 경우, 이에 대응하는 곡면 자석으로 구성될 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
상기 성형 몰드의 내부 형상 구조가 구체 볼 타입(sphere-ball type)인 경우, 이에 대응하는 구슬 자석으로 구성될 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
상기 성형 몰드의 내부 형상 구조가 실린더 타입(cylinder type)인 경우, 이에 대응하는 원통형 자석으로 구성될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 제어 방법은,
성형 몰드와 금형 펀치와 자장 발생부 및 구동 제어부를 포함하는 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 제어 방법으로서,
(1) 상기 성형 몰드에 희토류계 영구자석을 성형하기 위한 원재료인 희토류계 합금 파우더가 투입되는 단계;
(2) 상기 구동 제어부의 제어 하에, 상기 금형 펀치가 작동되어 상기 단계 (1)을 통해 성형 몰드에 충진된 희토류계 합금 파우더에 특정 압력이 가압되어 희토류계 영구자석의 성형체가 형성되는 단계; 및
(3) 상기 구동 제어부의 제어 하에, 상기 자장 발생부가 상기 단계 (2)를 통해 압축 성형된 희토류계 영구자석의 성형체의 자구의 배열을 정렬시키기 위한 배향자계의 자기장을 상기 성형 몰드의 좌우방향에서 인가하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 자기 프레스 장치는,
실린더의 중심 부위에 성형 몰드가 배치 구성되고, 상기 성형 몰드의 좌우방향에 자장 발생부의 2개의 전자석 부재가 배치 구성되는 할바흐 실린더 구조를 갖도록 구성하되,
상기 자장 발생부의 2개의 전자석 부재는,
상하에서 인가되는 상하 자기장 발생부의 자기장 방향과 반대방향으로 2개의 전자석에서 자기장을 발생시켜 인가하되, 2개의 전자석 부재는 상하에서 인가되는 자기장과 일치하는 자기장이 인가되도록 하는 전자석으로 구성한다.
더욱 바람직하게는,
(4) 상기 단계 (1) 내지 단계 (3)을 통해 상기 성형 몰드에서 압축 성형된 성형체가 전방향에서 인가되는 배향자계의 자기장을 통해 자석 성능에 악영향을 미치는 자속밀도 불균일성이 해소된 희토류계 영구자석의 성형체 제조 이후 자석 소결 처리 과정을 거쳐 네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 네오디뮴 자석(NdFeB)으로 제조가 완료되는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치 및 그 제어 방법에 따르면, 성형 몰드와 금형 펀치와 자장 발생부 및 구동 제어부를 포함하는 자기 프레스 장치를 구성하되, 성형 몰드의 좌우에 2개의 전자석을 배치하여 성형 몰드에서 압축 성형된 성형체에 균일한 자속밀도가 인가될 수 있도록 하여 자구의 배열을 좀 더 정확하게 배열시키기 위한 자기장을 성형 몰드의 좌우 양방향에서 인가되도록 구성함으로써, 희토류계 영구자석의 성형을 하는 과정에서 발생되는 기존의 자석 성능에 악영향을 주는 자속밀도의 불균일성이 해소될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 자기 프레스 장치의 성형 몰드와 2개의 전자석 부재를 구비하는 자장 발생부의 배치 구조가 유한요소해석법을 통해 설계된 할바흐 실린더 구조로 구성됨으로써, 성형 몰드에서 압축 성형된 성형체에 인가되는 균일한 자속이 성형체의 입자에 투과됨에 따라 자구들의 정렬과 입자가 몰리는 악영향의 현상이 해소되고, 그에 따라 성형되는 희토류계 영구자석의 불량 발생이 최소화될 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 일반적인 자기 프레스 구조의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 구성을 기능블록으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치에 적용되는 할바흐 실린더 구조의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치에 적용되는 할바흐 실린더 구조와 일반적인 프레스 구조의 자속밀도의 플럭스 라인(Flux line)을 시각화하여 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치에 적용되는 할바흐 실린더 구조와 일반적인 프레스 구조에 따른 자속밀도의 플럭스 라인(Flux line)의 비교 그래프를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 제어 방법의 동작 흐름을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 제어 방법에서, 자석 소결 처리 과정을 더 포함하는 동작 흐름을 도시한 도면.
<부호의 설명>
100: 본 발명의 일실시예에 따른 자기 프레스 장치
101: 실린더
110: 성형 몰드
120: 금형 펀치
130: 자장 발생부
131: 상하 자기장 발생부
132: 2개의 전자석 부재
140: 구동 제어부
S110: 성형 몰드에 희토류계 합금 파우더가 투입되는 단계
S120: 성형 몰드에 충진된 희토류계 합금 파우더에 특정 압력이 가압되어 희토류계 영구자석의 성형체가 형성되는 단계
S130: 압축 성형된 희토류계 영구자석의 성형체의 자구의 배열을 정렬시키기 위한 배향자계의 자기장을 성형 몰드의 전방향에서 인가하는 단계
S140: 희토류계 영구자석의 성형체에 자석 소결 처리 과정을 통해 네오디뮴 자석(NdFeB)으로 제조가 완료되는 단계
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 구성을 기능블록으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치에 적용되는 할바흐 실린더 구조의 구성을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치에 적용되는 할바흐 실린더 구조와 일반적인 프레스 구조의 자속밀도의 플럭스 라인(Flux line)을 시각화하여 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치에 적용되는 할바흐 실린더 구조와 일반적인 프레스 구조에 따른 자속밀도의 플럭스 라인(Flux line)의 비교 그래프를 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 3에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)는, 성형 몰드(110), 금형 펀치(120), 자장 발생부(130), 및 구동 제어부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
성형 몰드(110)는, 희토류계 영구자석을 성형하기 위해 실린더(101)의 중심 부위에 배치 고정되며, 희토류계 영구자석의 성형을 위한 원재료인 희토류계 합금 파우더가 충진 되는 영구자석의 성형을 금형의 구성이다. 이러한 성형 몰드(110)는 제조하고자 하는 희토류계 영구자석의 형태에 대응하는 내부 형상 구조로 구성될 수 있다. 여기서, 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조는 디스크 타입, 링 타입, 사각 타입, 디시 홀 타입, 곡면 타입, 구체 볼 타입, 및 실린더 타입의 내부 형상 구조를 포함할 수 있다.
금형 펀치(120)는, 성형 몰드(110)에 충진된 희토류계 합금 파우더에 특정 압력으로 가압하여 희토류계 영구자석의 성형체를 형성하는 펀치의 구성이다. 여기서, 금형 펀치(120)에 의해 가압되는 희토류계 합금 파우더는 네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 희토류계 합금을 용해하여 고형화 시킨 다음 파우더로 분쇄한 파우더 분말이다. 또한, 금형 펀치(120)는 희토류계 영구자석의 성형체를 형성하기 위해 특정 압력을 가압하는 프레스 구성의 일반적인 구성에 해당하므로 불필요한 설명은 생략하기로 한다.
자장 발생부(130)는, 희토류계 합금 파우더가 충진 되는 성형 몰드(110)의 상하에 배치되어 자기장을 인가하는 상하 자기장 발생부(131)를 구비하고, 금형 펀치(120)에 의해 희토류계 합금 파우더의 입자들이 압축 성형된 희토류계 영구자석의 성형체의 자구의 배열을 정렬시키기 위한 배향자계의 자기장을 성형 몰드(110)의 좌우 양방향에서 인가하는 구성이다. 이러한 자기 프레스 장치(100)의 자장 발생부(130)는 도 3에 도시된 바와 같이, 성형 몰드(110)가 실린더(101)의 중심 부위에 배치 구성되고, 성형 몰드(110)의 좌우에서 자기장이 균일하게 인가될 수 있도록 자장 발생부(130)의 2개의 전자 부재(132)가 배치 구성되는 할바흐 실린더 구조를 갖도록 구성할 수 있다. 여기서, 자장 발생부(130)는 성형 몰드(110)의 상하에 상하 자기장 발생부(131)가 배치된 기존의 자기 프레스 구조에 2개의 전자석 부재(132)가 좌우에 추가로 더 배치되는 구조로 구성된다. 이러한 할바흐 실린더 구조는 성형 몰드(110)에서 성형되는 희토류계 영구자석의 성형체가 균일한 자속밀도를 갖도록 유한요소해석법을 통해 설계될 수 있다.
또한, 자장 발생부(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 평면도로 바라 볼 때, 기존의 자기 프레스 구조에 해당하는 상하 자기장 발생부(131)가 배치되는 구성에서, 성형 몰드(110)의 좌우에 한 쌍으로 배치되는 2개의 전자석 부재(132)로 구성될 수 있다. 즉, 자장 발생부(130)는 성형 몰드(110)의 좌우 양방향에서 균일한 자기장이 인가될 수 있도록 배치 구성되는 2개의 전자석 부재(132)를 포함하되, 2개의 전자석 부재(132)는 기존의 자기 프레스 구조에서 성형체에 상하로 인가하는 상하 자기장 발생부(131)의 자기장과 일치하는 자기장이 인가되도록 하는 전자석으로 구성한다. 이때, 상하 자기장 발생부(131)는 기존의 자기 프레스 구조의 자석부재로서 영구자석으로 구성될 수 있다.
또한, 자장 발생부(130)는 상하에서 인가되는 자기장 방향과 반대방향으로 2개의 전자석에서 자기장을 발생시켜 인가할 수 있으며, 이러한 자기 프레스 장치(100)는 자장 발생부(130)의 상하 자기장 발생부(131)와 2개의 전자석에서 인가되는 자기장이 균일한 자속밀도와 일치하는 자기장이 인가되는 할바흐 실린더 원리의 프레스 구조로 설계 구현될 수 있다.
구동 제어부(140)는, 금형 펀치(120)의 구동 제어와, 자장 발생부(130)를 통한 배향자계의 자기장이 성형 몰드(110)의 사방에서 배향자계의 자기장이 인가되도록 제어하는 구동 제어를 위한 구성이다. 이러한 구동 제어부(140)는 금형 펀치(120)의 기구적인 메커니즘 구동과, 자장 발생부(130)의 배향자계의 자기장 인가의 출력을 제어할 수 있으며, 전자석으로 구현되는 2개의 전자석 부재(132)에 대해서는 배향자계의 자기장 세기가 가변될 수 있도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 성형 몰드(110)와 금형 펀치(120)와 자장 발생부(130) 및 구동 제어부(140)를 포함하는 자기 프레스 장치(100)는 성형 몰드(110)에서 압축 성형된 성형체의 좌우방향에서 배향자계의 자기장이 더 인가되도록 함으로써, 자석 성능에 악영향을 미치는 자속밀도 불균일성이 해소된 희토류계 영구자석의 제조가 가능하도록 할 수 있게 된다. 즉, 제조가 완료된 희토류계 영구자석은 네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 네오디뮴 자석(NdFeB)으로 제조될 수 있으며, 이때 제조가 완료된 희토류계 영구자석은 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조에 대응한 형상으로 이루어지게 된다.
본 발명의 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)에 의해 제조가 완료되는 희토류계 영구자석은 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 디스크 타입(disk type)인 경우, 이에 대응하는 원형 자석으로 성형될 수 있다.
또한, 본 발명의 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)에 의해 제조가 완료되는 희토류계 영구자석은 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 링 타입(ring type)인 경우, 이에 대응하는 링 자석으로 성형될 수 있다.
또한, 본 발명의 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)에 의해 제조가 완료되는 희토류계 영구자석은 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 사각 타입(square type)인 경우, 이에 대응하는 사각 자석으로 성형될 수 있다.
또한, 본 발명의 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)에 의해 제조가 완료되는 희토류계 영구자석은 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 디시 홀 타입(sish hole type)인 경우, 이에 대응하는 접시 홀 자석으로 성형될 수 있다.
또한, 본 발명의 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)에 의해 제조가 완료되는 희토류계 영구자석은 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 곡면 타입(segment type)인 경우, 이에 대응하는 곡면 자석으로 성형될 수 있다.
또한, 본 발명의 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)에 의해 제조가 완료되는 희토류계 영구자석은 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 구체 볼 타입(sphere-ball type)인 경우, 이에 대응하는 구슬 자석으로 성형될 수 있다.
본 발명의 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)에 의해 제조가 완료되는 희토류계 영구자석은 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 실린더 타입(cylinder type)인 경우, 이에 대응하는 원통형 자석으로 성형될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치에 적용되는 할바흐 실린더 구조와 일반적인 프레스 구조의 자속밀도의 플럭스 라인(Flux line)을 시각화하여 나타내고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치에 적용되는 할바흐 실린더 구조와 일반적인 프레스 구조에 따른 자속밀도의 플럭스 라인(Flux line)의 비교 그래프를 나타내고 있다. 도 4의 (a)는 본 발명에 따른 할바흐 실린더 구조를 통해 자장 발생부(130)의 상하 자기장 발생부(131)와 2개의 전자석 부재(132)에서 인가되는 배향자계의 자기장이 성형 몰드(110)에서 성형된 희토류계 영구자석의 성형체에 인가되는 균일한 자속을 나타내고 있으며, 도 4의 (b)는 일반적인 프레스 구조에서 2개의 영구자석에 의해 자기장에 왜곡이 발생되고, 균일하지 못한 자속 상태를 나타내고 있다.
즉, 도 4의 (b)는 기존의 자기 프레스의 구조를 간략화 시키고 전자석을 영구자석으로 대체시킨 다음, 자속밀도의 균일성과 Flux line을 시각화 한 것으로, 도 5의 그래프를 통해서도 알 수 있는 바와 같이, 자기장에 왜곡이 있고 균일하지 못한 것을 확인할 수 있는 반면, 도 4의 (a)와 같은 본 발명의 할바흐 실린더 구조를 가진 자기 프레스에서는 도 5의 그래프에서 균일한 자속과 자기장에 왜곡이 없는 것을 볼 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 제어 방법의 동작 흐름을 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 제어 방법에서, 자석 소결 처리 과정을 더 포함하는 동작 흐름을 도시한 도면이다. 도 6 내지 도 7에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 제어 방법은, 성형 몰드에 희토류계 합금 파우더가 투입되는 단계(S110), 성형 몰드에 충진된 희토류계 합금 파우더에 특정 압력이 가압되어 희토류계 영구자석의 성형체가 형성되는 단계(S120), 및 압축 성형된 희토류계 영구자석의 성형체의 자구의 배열을 정렬시키기 위한 배향자계의 자기장을 성형 몰드의 좌우방향에서 인가하는 단계(S130)를 포함하여 구현될 수 있으며, 희토류계 영구자석의 성형체에 자석 소결 처리 과정을 통해 네오디뮴 자석(NdFeB)으로 제조가 완료되는 단계(S140)를 더 포함하여 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)의 제어 방법에서, 단계 S110에서는 성형 몰드(110)에 희토류계 영구자석을 성형하기 위한 원재료인 희토류계 합금 파우더가 투입된다. 여기서, 성형 몰드(110)는 희토류계 영구자석을 성형하기 위해 실린더(101)의 중심 부위에 배치 고정되는 금형의 구성으로, 제조하고자 하는 희토류계 영구자석의 형태에 대응하는 내부 형상 구조로 구성될 수 있다. 즉, 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조는 디스크 타입, 링 타입, 사각 타입, 디시 홀 타입, 곡면 타입, 구체 볼 타입, 및 실린더 타입의 내부 형상 구조를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)의 제어 방법에서, 단계 S120에서는, 구동 제어부(140)의 제어 하에, 금형 펀치(120)가 작동되어 단계 S110을 통해 성형 몰드(110)에 충진된 희토류계 합금 파우더에 특정 압력이 가압되어 희토류계 영구자석의 성형체가 형성되도록 하는 단계의 구성이다. 이러한 금형 펀치(120)는 성형 몰드(110)에 충진된 희토류계 합금 파우더에 특정 압력으로 가압하여 희토류계 영구자석의 성형체를 형성하는 프레스 구성의 일반적인 구성이다. 이때, 금형 펀치(120)에 의해 가압되는 희토류계 합금 파우더는 네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 희토류계 합금을 용해하여 고형화 시킨 다음 파우더로 분쇄한 파우더 분말로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)의 제어 방법에서, 단계 S130에서는, 구동 제어부(140)의 제어 하에, 자장 발생부(130)가 단계 S120을 통해 압축 성형된 희토류계 영구자석의 성형체의 자구의 배열을 정렬시키기 위한 배향자계의 자기장을 성형 몰드(110)의 좌우방향에서 인가하게 되는 단계의 구성이다. 이러한 자장 발생부(130)는 희토류계 합금 파우더가 충진 되는 성형 몰드(110)의 상하에 배치되어 자기장을 인가하는 상하 자기장 발생부(131)를 구비하고, 금형 펀치(120)에 의해 희토류계 합금 파우더의 입자들이 압축 성형된 희토류계 영구자석의 성형체의 자구의 배열을 정렬시키기 위한 배향자계의 자기장을 성형 몰드(110)의 좌우 양방향에서 인가하는 2개의 전자석 부재(132)가 배치되는 구성이다. 즉, 자장 발생부(130)는 성형 몰드(110)의 상하에 상하 자기장 발생부(131)가 배치된 기존의 자기 프레스 구조에 2개의 전자석 부재(132)가 좌우에 추가로 더 배치되는 할바흐 실린더 구조의 구성으로, 이러한 할바흐 실린더 구조는 성형 몰드(110)에서 성형되는 희토류계 영구자석의 성형체가 균일한 자속밀도를 갖도록 유한요소해석법을 통해 설계될 수 있다. 여기서, 자장 발생부(130)의 2개의 전자석 부재(132)는 상하에서 인가되는 상하 자기장 발생부(131)의 자기장 방향과 반대방향으로 2개의 전자석에서 자기장을 발생시켜 인가하되, 2개의 전자석 부재(132)는 상하에서 인가되는 자기장과 일치하는 자기장이 인가되도록 하는 전자석으로 구성한다.
본 발명에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)의 제어 방법에서, 단계 S140에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 단계 S110 내지 단계 S130을 통해 성형 몰드(110)에서 압축 성형된 성형체가 전방향에서 인가되는 배향자계의 자기장을 통해 자석 성능에 악영향을 미치는 자속밀도 불균일성이 해소된 희토류계 영구자석의 성형체 제조 이후, 자석 소결 처리 과정을 거쳐 네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 네오디뮴 자석(NdFeB)으로 제조가 완료되도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치 및 그 제어 방법은, 성형 몰드와 금형 펀치와 자장 발생부 및 구동 제어부를 포함하는 자기 프레스 장치를 구성하되, 성형 몰드의 좌우에 2개의 전자석을 배치하여 성형 몰드에서 압축 성형된 성형체에 균일한 자속밀도가 인가될 수 있도록 하여 자구의 배열을 좀 더 정확하게 배열시키기 위한 자기장을 성형 몰드의 좌우 양방향에서 인가되도록 구성함으로써, 희토류계 영구자석의 성형을 하는 과정에서 발생되는 기존의 자석 성능에 악영향을 주는 자속밀도의 불균일성이 해소됨은 물론, 할바흐 실린더 구조를 갖는 최적화된 설계 구조를 통한 자속밀도의 균일성이 더욱 향상되는 구조를 제공할 수 있게 된다. 또한, 자기 프레스 장치의 성형 몰드와 2개의 전자석 부재를 구비하는 자장 발생부의 배치 구조가 유한요소해석법을 통해 설계된 할바흐 실린더 구조로 구성됨으로써, 성형 몰드에서 압축 성형된 성형체에 인가되는 균일한 자속이 성형체의 입자에 투과됨에 따라 자구들의 정렬과 입자가 몰리는 악영향의 현상이 해소되고, 그에 따라 성형되는 희토류계 영구자석의 불량 발생이 최소화될 수 있도록 할 수 있게 된다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)로서,
    희토류계 영구자석을 성형하기 위해 실린더(101)의 중심 부위에 배치 고정되며, 희토류계 영구자석의 성형을 위한 원재료인 희토류계 합금 파우더가 충진 되는 성형 몰드(110);
    상기 성형 몰드(110)에 충진된 상기 희토류계 합금 파우더에 특정 압력으로 가압하여 희토류계 영구자석의 성형체를 형성하는 금형 펀치(120);
    상기 희토류계 합금 파우더가 충진 되는 상기 성형 몰드(110)의 상하에 배치되어 자기장을 인가하는 상하 자기장 발생부(131)를 구비하고, 상기 금형 펀치(120)에 의해 희토류계 합금 파우더의 입자들이 압축 성형된 희토류계 영구자석의 성형체의 자구의 배열을 정렬시키기 위한 배향자계의 자기장을 상기 성형 몰드(110)의 좌우 양방향에서 인가하는 자장 발생부(130); 및
    상기 금형 펀치(120)의 구동 제어와, 상기 자장 발생부(130)를 통한 배향자계의 자기장이 상기 성형 몰드(110)의 사방에서 배향자계의 자기장이 인가되도록 제어하는 구동 제어부(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기 프레스 장치(100)는,
    상기 성형 몰드(110)가 실린더(101)의 중심 부위에 배치 구성되고, 상기 성형 몰드(110)의 좌우에서 자기장이 균일하게 인가될 수 있도록 자장 발생부(130)의 2개의 전자석 부재(132)가 배치 구성되는 할바흐 실린더 구조를 갖도록 구성하는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 할바흐 실린더 구조는,
    상기 성형 몰드(110)에서 성형되는 희토류계 영구자석의 성형체가 균일한 자속밀도를 갖도록 유한요소해석법을 통해 설계되는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 자장 발생부(130)는,
    상기 성형 몰드(110)의 좌우 양방향에서 균일한 자기장이 인가될 수 있도록 배치 구성되는 2개의 전자석 부재(132)를 포함하되,
    상기 2개의 전자석 부재(132)는 기존의 자기 프레스 구조에서 성형체에 상하로 인가하는 상하 자기장 발생부(131)의 자기장과 일치하는 자기장이 인가되도록 하는 전자석으로 구성하는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 자장 발생부(130)는,
    상하에서 인가되는 자기장 방향과 반대방향으로 2개의 전자석에서 자기장을 발생시켜 인가하는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 자기 프레스 장치(100)는,
    상기 자장 발생부(130)의 상하 자기장 발생부(131)와 2개의 전자석에서 인가되는 자기장이 균일한 자속밀도와 일치하는 자기장이 인가되는 할바흐 실린더 원리의 프레스 구조로 설계 구현되는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 프레스 장치(100)는,
    상기 성형 몰드(110)에서 압축 성형된 성형체의 좌우방향에서 배향자계의 자기장이 인가됨으로써, 자석 성능에 악영향을 미치는 자속밀도 불균일성이 해소된 희토류계 영구자석의 제조가 가능하도록 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
    네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 네오디뮴 자석(NdFeB)인 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 희토류계 합금 파우더는,
    네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 희토류계 합금을 용해하여 고형화 시킨 다음 파우더로 분쇄한 파우더 분말인 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
    상기 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조에 대응한 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
    상기 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 디스크 타입(disk type)인 경우, 이에 대응하는 원형 자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
    상기 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 링 타입(ring type)인 경우, 이에 대응하는 링 자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
    상기 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 사각 타입(square type)인 경우, 이에 대응하는 사각 자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
    상기 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 디시 홀 타입(sish hole type)인 경우, 이에 대응하는 접시 홀 자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
    상기 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 곡면 타입(segment type)인 경우, 이에 대응하는 곡면 자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  16. 제10항에 있어서, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
    상기 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 구체 볼 타입(sphere-ball type)인 경우, 이에 대응하는 구슬 자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  17. 제10항에 있어서, 상기 제조가 완료된 희토류계 영구자석은,
    상기 성형 몰드(110)의 내부 형상 구조가 실린더 타입(cylinder type)인 경우, 이에 대응하는 원통형 자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치.
  18. 성형 몰드(110)와 금형 펀치(120)와 자장 발생부(130) 및 구동 제어부(140)를 포함하는 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치(100)의 제어 방법으로서,
    (1) 상기 성형 몰드(110)에 희토류계 영구자석을 성형하기 위한 원재료인 희토류계 합금 파우더가 투입되는 단계;
    (2) 상기 구동 제어부(140)의 제어 하에, 상기 금형 펀치(120)가 작동되어 상기 단계 (1)을 통해 성형 몰드(110)에 충진된 희토류계 합금 파우더에 특정 압력이 가압되어 희토류계 영구자석의 성형체가 형성되는 단계; 및
    (3) 상기 구동 제어부(140)의 제어 하에, 상기 자장 발생부(130)가 상기 단계 (2)를 통해 압축 성형된 희토류계 영구자석의 성형체의 자구의 배열을 정렬시키기 위한 배향자계의 자기장을 상기 성형 몰드(110)의 좌우방향에서 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 자기 프레스 장치(100)는,
    실린더(101)의 중심 부위에 성형 몰드(110)가 배치 구성되고, 상기 성형 몰드(110)의 좌우방향에 자장 발생부(130)의 2개의 전자석 부재(132)가 배치 구성되는 할바흐 실린더 구조를 갖도록 구성하되,
    상기 자장 발생부(130)의 2개의 전자석 부재(132)는,
    상하에서 인가되는 상하 자기장 발생부(131)의 자기장 방향과 반대방향으로 2개의 전자석에서 자기장을 발생시켜 인가하되, 2개의 전자석 부재(132)는 상하에서 인가되는 자기장과 일치하는 자기장이 인가되도록 하는 전자석으로 구성하는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 제어 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    (4) 상기 단계 (1) 내지 단계 (3)을 통해 상기 성형 몰드(110)에서 압축 성형된 성형체가 전방향에서 인가되는 배향자계의 자기장을 통해 자석 성능에 악영향을 미치는 자속밀도 불균일성이 해소된 희토류계 영구자석의 성형체 제조 이후 자석 소결 처리 과정을 거쳐 네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 네오디뮴 자석(NdFeB)으로 제조가 완료되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 할바흐 실린더 구조를 이용한 자기 프레스 장치의 제어 방법.
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