ＡＣ 애플리케이션용 고성능 자기 복합재 및 그 제조 공정 document_id A220623012220

자성체는 2개의 주요 클라스로 나누어지는데, 하나는 영구자성체(또한 경자성체로 불린다) 및 임시 자성체(또한 연자성체로 불린다)이다. 영구 자석은 큰 잔류 자기의 특성을 가지고 있어서 자화력의 제거후에 높은 자속 밀도가 잔류한다. 이 영구자석은 큰 히스테리시스 루프를 갖는 경향이 있는데, 이것은 자성체의 자기 유도를 생성하는 외부 자기장과 함께 자성체의 자기 유도의 변화를 도시하는 폐루프이고, 이때 이러한 자기장은 완전한 사이클을 통해 변화된다. 영구 자석은 보통 물리적으로 하드 물질이고, 따라서 경자석으로 불린다. 소프트 또는 연자석은 낮은 값의 잔류 자기 및 작은 히스테리시스 루프를 가지고 있다. 이들은 보통 경자석보다 물리적으로 부드럽고 연자석으로 알려져 있다. 이상적으로, 연자석은 높이 포화된 자속 밀도에 이르는 큰 값의 투자율(μ)을 가지고 있어야 한다. 투자율(μ)의 값은 B/H이고, 여기에서, H는 인가된 자기장 또는 자력이고, 이것은 미터 당 암페어(A/M)로 표시되고 B는 자성체에 유도된 자속밀도이고, 이것은 테슬라로 표시된다(1 테슬라는 제곱 미터당 1 웨버(W/m2)에 해당한다. 연자성체는 변하는 자속을 유도해야만 하는 애플리케이션에 보통 사용된다. 이들은 종래에, 변압기, 전자 회로용 인덕턴스, 자기 스크린, 모터의 고정자 및 회전자, 제너레이터, 교류 발전기, 필드 컨센트레이터, 싱크로리졸버등을 제조하는데 사용되었다. 연자성체는 외부 유도 자기장의 작은 변화에 그리고 외부 자기장의 주파수를 영향을 주거나 가열시키는 일없이 신속히 반응해야만 한다. 따라서, 연자석은 교류에 주로 사용되고, 최대 효율을 위해, 변화하는 전기장과 연관된 에너지손실을 최소화하는 것이 중요하다. 종종 코어손으로 불리는 에너지손의 결과로 전기 에너지가 열 에너지로 변화하게 된다. 이러한 손실은 주어진 주파수(Hz)에서 주어진 자속밀도(테슬라)에 대한 watt/kg(W/kg)으로 보통 표시된다. 에너지 또는 코어손이 발생하는 2개의 주요 메커니즘이 존재한다. 연자성체는 포화상태에서 작은 히스테리시스 루프(작은 보자력(Hc)) 및 높은 자속 밀도(B)를 가져야한다. US 6,548,012에 잘 설명된 바와 같이, 히스테리시스손은 월 도메인 이동에 의해 방산된 에너지로 인한 것이고 이들은 주파수에 비례한다. 히스테리시스손은 화학적 구성 및 그 재료의 구조에 의해 영향을 받는다. 와전류는 자기장이 교류 자기장에 노출될 때 유도된다. 자기장의 방향으로 보통 이동하는 이러한 와전류는 줄(저항) 가열을 통한 에너지 손실로 이어진다. 와전류손은 주파수의 제곱에 따라 변하고 저항과 반대로 변하는 것으로 예측되고 있다. 따라서, 상당량의 와전류손은 자성체의 전기 저항에 종속되어 있다. 종래에, 저주파수 및 중간 주파수 애플리케이션(50 Hz 와 50,000Hz사이의)의 교류 전류에 대한 연자성 파트는 기본적으로 각각 장점 및 한계를 가지고 있는 2개의 상이한 기술을 사용하여 제조되었다. 19세기말 이후에 가장 널리 사용되 것은 펀칭 및 스태킹 강 라미네이션으로 구성되어 있다. 이러한 주지된 공정은 스크랩 재료가 스탬핑동안에 라미네이션의 에지 및 노치로부터 발생되기 때문에 재료손실을 수반한다. 이러한 재료 손실은 일부 특정 합금으로 인해 매우 비쌀 수 있다. 이러한 공정은 또한 제조될 파트의 치수보다 큰 치수의 재료의 데폴트 프리 롤을 필요로 한다. 라미네이션은 파트의 최종 지오메트리 또는 이 최종 지오메트리의 서브디비젼을 가지고 있고 유기 및/또는 무기 절연재로 코팅될 수 있다. 에지 벌(burr)과 같은 라미네이션상의 모든 불완전성은 최종 파트의 스태킹 팩터를 감소시키고 따라서 그 최대 유도량을 감소시키게된다. 또한, 라메네이션의 대량 생산으로 인해 구리 권선을 돕기 위해 원형상 에지를 가진 설계가 곤란하다. 라미네이션의 평면 특성으로 인해, 이들을 사용하면 자기장의 2차원 분포를 가진 디바이스의 설계는 제약을 받게 된다. 사실, 자기장은 라미네이션의 평면에서만 이동하도록 제한되어 있다. 라미네이션의 비용은 이들의 두께와 관련되어 있다. 와전류에 의해 발생된 에너지손실을 제한하기 위해, 애플리케이션의 자기장 주파수가 증가함에 따라, 라미네이션 두께는 감소되어야한다. 이것은 재료의 압연 비용을 증가시키고 절연 코팅재의 상대적인 중요성 및 벌 및 라미네이션의 불완전한 표면 마무리로 인한 최종 파트의 스태킹 팩터를 감소시킨다. 라미네이션은 따라서 적합하게 되지만 저주파수의 애플리케이션에 제한된다. 20세기 초 이후에 잘 알려진, AC 애플리케이션용 연자성 파트의 제조를 위한 제2 공정은 사용된 입자가 코팅재에 의해 서로 전기적으로 절연되는 대량 생산 파우더 금속야금 공정의 한 변형이다(미국 특허 421,067; 1,669,649; 1,789,477; 1,850,181; 1,859,067; 1,878,589; 2,330,590; 2,783,208; 4,543,208; 5,063,011; 5,211,896). 파우더 입자 사이의 전기 접촉의 형성을 방지하여 와전류손을 방지하기 위해, 파우더 입자는 AC 애플리케이션에 대하여 소결되지 않는다. 이러한 공정으로부터 파생된 파트는 보통 "연자성 복합재 또는 SMC"로 보통 불린다. 이러한 공정이 재료 손실을 제거하는 장점을 갖는다는 것은 명백하다. SMC는 등방성을 갖고 있어서 자기장이 3차원으로 이동할 수 있도록 하는 컴포넌트를 설계할 가능성을 제공한다. 또한 SMC로 인해 종래의 파우더 금속야금 프레싱 기술을 사용한 원형상의 에지의 생산하는 것이 가능하다. 상술된 바와 같이, 이러한 원형상 에지는 전기도체를 감는데 도움이 된다. 원형상 에지의 보다 높은 곡선 반지름으로 인해 전기 도체는 보다 적은 절연을 필요로 한다. 또한, 연자성 파트의 원형상 에지로 인한 도체의 길이의 감소는 동손(전자기 디바이스내의 전류를 나르는 전기 도체의 전기 저항으로 인한 손실)은 물론 사용된 구리의 양을 최소화할 수 있도록 하기 때문에 유리하다. 원형상 에지로 인해, 전기 컴포넌트의 전체 치수는 전기 권선이 연자성 파트에 의해 보통 채워진 볼륨내에 부분적으로 놓이기 때문에 감소될 수 있다. 또한, 재료의 등방성 및 프레싱 공정의 프리덤의 게인으로 인해, 전체 생산량을 증가시키고 전기 기계의 동일한 전력 출력에 대한 볼륨 또는 하중을 감소시키는 새로운 설계가 가능한데, 이것은 3차원으로 자기장을 보다 양호하게 분포시키고 이동시키는 것이 가능하기 때문이다. 파우더 금속야금 공정의 또 다른 장점은 최종 파트에서 라미네이션을 함께 고정시키는데 필요한 클램핑 수단을 제거할 수 있다는 것이다. 라미네이션에 있어서, 클램핑은 종종 라미네이션의 에지의 용접에 의해 대체된다. 후자의 방법을 사용하면, 와전류는 상당히 증가하게 되고, 상기 디바이스 또는 그 주파수 범위의 애플리케이션의 전체 생산량은 감소하게 된다. SMC의 한계는 강 라미네이션과 비교하여 높은 히스테리시스손 및 낮은 투자율이다. 입자가 유도되는 와전류를 제한하기 위해 서로 절연되어야 하기 때문에, 투자율을 상당히 감소기키고 보자력을 증가시키는 공극이 재료내에 분포되어 있다. 또한, 절연재 또는 코팅재의 파괴를 방지하기 위해 SMC는 거의 완전히 어닐링되거나 그레인 조대화를 통한 완전한 재결정화를 얻을 수 없다. 절연재를 잃지 않고 SMC를 어닐링하기 위해 보고된 온도는 논-환원성 분위기 및 부분적으로 또는 전체적으로 무기 코팅재를 사용할 때에 약 600℃ 이다(미국 특허 2,230,228; 4,601,765; 4,602,957; 5,595,609; 5,754,936; 6,251,514; 6,331,270 B1; PCT/SE96/00397). 보통 사용되는 어닐링 온도는 입자내의 잔류하는 스트레인을 완전히 제거하거나 재결정 또는 그레인 성장을 유발하기에 충분하지 않지만, 히스테리시스손의 실질적인 개선이 관찰된다. 궁극적으로, AC 애플리케이션을 위해 이제까지 개발된 비정규적이거나 구면 입자를 가진 연자성 복합재 모두에 대하여, 잔류 스트레인이 제거되고 그레인 성장이 마무리된 파트의 어닐링 사이클에 대하여 사용된 온도에서 가능했다 할지라도, 금속 그레인 치수는 입자의 크기에 제한되어 있다. 이러한 작은 그레인 크기는 투자율을 증가시키거나, 보자력을 감소시키거나 단순히 재료내의 히스테리시스손을 감소시킬 가능성을 제한한다. 사실, 금속 그레인이 작을 수록, 그레인 바운더리의 수는 보다 높아지고 보다 많은 에너지가 일방향으로 재료의 유도를 증가시키고 자기 도메인 월을 이동시키기 위해 필요하다. 따라서, 저주파수(400Hz 아래의)에서의 SMC 파트의 최종 전체 에너지 손실(또는 코어 손실)은 라미네이션과 함께 얻어지는 전체 에너지 손실보다 크다. 또한, 낮은 투자율값은 전자기 디바이스내의 동일한 유도 또는 토크를 얻기 위해 보다 많은 동선을 필요로 한다. 비정규적이거나 구면의 입자를 가진 SMC로써 제조된 파트의 최적화된 3차원 및 원형 권선 에지 설계는 저주파수에서 SMC 재료에서 만날 수 있는 보다 높은 히스테리시스손 및 낮은 투자율값을 부분적으로 또는 완전히 보상할 수 있다. 입자 사이의 너무 많은 전기 절연을 잃지 않고 콤팩트의 완전한 어닐링 및 재결정화를 허용하는 종래 연자성 복합재를 위한 고성능 무기 코팅재 및 공정을 개발하기 위한 노력이 일부 시도되어 왔다(미국 특허 2,937,964; 5,352,522; EP 0 088 992 A2; WO 0/058865). 이러한 종래 기술의 문헌에는 각각의 입자의 절연재의 확산 또는 상호작용에 의해 입자를 강화시키기 위한 약 1000℃ 이하에서의 가열 처리가 나타나 있다. 이러한 모든 경우에서, 목표는 연속 전기 절연 매개체에 의해 결합된 이산의 별개의 연자성 입자를 가진 연자성 복합재를 생산하는 것이다. 제조된 복합재의 DC 자기 특성(보자력 및 최대 투자율)은 라미네이션 형태로 재료를 구성하고 있는 메인 제조 연자석의 것보다 훨씬 더 열등하고 그래서, AC 자기장에서의 히스테리시스손은 보다 높고 동일한 토크에 도달하기 위해 필요한 동선의 감선수 또는 전류는 보다 더 커야 한다. 이러한 복합재의 특성은 10KHz 내지 1MHz 이상의 애플리케이션 주파수에 대하여 매우 적합하다. 파워 주파수가 타겟팅되어 있다면(미국 특허 EP 0 088 992 A2 및 WO 02/058865), 컴포넌트의 설계는 재료의 보다 낮은 투자율 및 보다 높은 히스테리시스손을 보상하여야 한다. 마지막으로, 연자성 컴포넌트를 제조하기 위한 라멜라 입자의 사용의 장점을 발견한 사람 일부는 어닐링 온도를 억제할 수 있는 코팅재를 개발하였는데, 이 온도는 파트내의 잔류 스트레인의 주요 부분을 제거하는데 충분히 높은 온도를 말하는 것이다(미국 특허 3,255,052; 3,848,331; 4,158,580; 4,158,582; 4,265,681). 다시 한번, 400Hz 아래의 주파수에서의 AC 자기장에서의 에너지 손실 및 자기 특성은 복합재내의 높은 절연을 유지하기 위해 연자성 입자 상의 금속 확산이 방지되기 때문에 상업적으로 사용되는 양호한 라미네이션 강 또는 실리콘 강에 의해 도달되는 것들이 아니다. 모든 실제 연자성 복합재가 이산 금속 매개체이기 때문에, 재료의 기계적 힘은 절연 코딩재의 힘으로 제한되어 있다. 재료가 부서질 때, 유기 또는 무기(비트러스/세라믹) 코팅재내의, 금속 입자 사이에서 분리가 발생한다. SMC의 기계적 동작은 따라서, 플라스틱 변형의 가능성이 전혀 없이 깨지기 쉬운 상태가 되고 그 힘은 항상 금속야금학적으로 결합된 재료의 것보다 훨씬 더 낮다. 이것이 SMC의 중요한 한계이다. DC 자기 애플리케이션용 파트를 제조하기 위해 현재 사용되는 소결된 철 논 코팅된 파우더 컴포넌트가 종래기술에 공지되어 있다. 이러한 소결된 파트는 낮은 저항을 가지고 있고 보통 AC 애플리케이션내에 사용되지 않는다. 문헌 또는 특허에서, 소결 처리(금속 대 금속) 또는 금속 확산이 수반될 때, 제조된 연자성 파트는 와전류가 중요하지 않은 DC 애플리케이션에 대한 것이거나(예를 들면, 미국 특허 4,158,581; 5,594,186; 5,925,836; 6,117,205) 구조적 파트와 같은 논 자기 애플리케이션에 대한 것이다.