레이디얼 이방성 원통 소결 자석 및 영구 자석 모터 document_id A220623030980

페라이트나 희토류 합금과 같은 결정 자기 이방성 재료를 분쇄하고, 특정한 자장 중에서 프레스 성형을 행하여 제작되는 이방성 자석은 스피커, 모터, 계측기, 그 밖의 전기기기 등에 널리 사용되고 있다. 이중, 특히 레이디얼 방향에 이방성을 갖는 자석은 자기 특성이 우수하고, 자유로운 착자가 가능하고, 또 세그먼트 자석과 같은 자석 고정용의 보강도 필요 없기 때문에, AC 서보모터, DC 브러시레스 모터 등에 사용되고 있다. 특히, 최근은 모터의 고성능화에 따라, 긴 레이디얼 이방성 자석이 요구되고 있다. 레이디얼 배향을 갖는 자석은 수직 자장 수직 성형법 또는 후방 압출법에 의해 제조된다. 수직 자장 수직 성형법은 프레스 방향에서, 코어를 통하여 자장을 대항 방향으로 인가하여 레이디얼 배향을 얻는 것을 특징으로 하는 것이다. 즉, 수직 자장 수직 성형법은 도 2에 도시되는 바와 같이, 배향 자장 코일(2)에서 발생시킨 자장을 코어(4 및 5)를 통하여 대항시키고, 코어(4, 5)로부터 다이(3)를 통과하고, 성형기 프레임(1)을 거쳐 순환하는 자기 회로에서, 충전 자석 분말(8)을 레이디얼 배향시키는 것이다. 또한, 도면 중 6은 상펀치, 7은 하펀치이다. 이렇게, 이 수직 자장 수직 성형 장치에서, 코일에 의해 발생한 자계는 코어, 다이, 성형기 프레임, 코어로 이루어지는 자로를 형성시키고 있다. 이 경우, 자장 누설 손실 저하를 위해 자로를 형성하는 부분의 재료에는 강자성체를 사용하고, 주로 철계 금속이 사용된다. 그러나, 자석 분말을 배향시키기 위한 자장 강도는 이하와 같이하여 결정된다. 상하 코어를 통과한 자속이 코어 중앙에서 부딪쳐 대항하고, 다이에 이르지만, 코어를 통과한 자속량은 코어의 포화 자속 밀도로 결정되고, 철제 코어에서 자속 밀도가 2.0 T 정도이다. 따라서, 자석 분말 충전 내외경에서의 배향 자장은 상하 코어를 통과한 자속량을 자석 분말 충전부의 내면적 및 외면적으로 나눈 것이 되고, 코어 직경을 B(자석 분말 충전 내경), 다이 직경을 A(자석 분말 충전 외경), 자석 분말 충전 높이를 L이라고 하면, 2·π·(B/2)2·20/(π·B·L)=10·B/L…내주, 2·π·(B/2)2·20/(π·A·L)=10·B2/(A·L)…외주 로 된다. 외주에서의 자장은 내주보다 작으므로, 자석 분말 충전부 모두에 있어서 양호한 배향을 얻기 위해서는 외주에서 10 kOe 이상 필요하고, 이 때문에, 10·B2/(A·L)=10이 되고, 따라서, L=B2/A가 된다. 성형체 높이는 충전 분말의 높이의 약 반이고, 소결시, 또한 8할 정도로 되므로, 자석의 높이는 대단히 작아진다. 이렇게 코어의 포화 자속 밀도가 배향 자계의 강도를 결정하기 때문에 코어 형상에 따라 배향 가능한 자석의 크기, 즉 높이가 결정되어 원통 축 방향으로 긴 것을 제조하는 것이 곤란하였다. 특히, 직경이 작은 원통 자석에서는 대단히 짧은 것 밖에 제조할 수 없었다. 또한, 후방 압출법은 설비가 대규모이고, 수율이 나빠서 저렴한 자석을 제조하는 것이 곤란하였다. 이렇게 레이디얼 이방성 자석은 상기 방법으로는 제조가 곤란하며, 저렴하게 대량으로 제조하는 것은 더욱 어렵고, 레이디얼 이방성 자석을 사용한 모터도 대단히 코스트가 높아지게 되어버린다고 하는 불리함이 있었다. 소결 자석으로 레이디얼 이방성 링 자석을 제조하는 경우, 이방성화에 따라, 소결 및 시효 냉각 과정에서, 자석의 C축 방향과 C축 수직 방향과의 선팽창 계수의 차에 의해 발생하는 응력이 자석의 기계적 강도보다 클 경우, 갈라짐이나 크랙이 발생하여 문제가 된다. 이 때문에, R-Fe-B계 소결 자석에서는 내외직경비 0.6 이상의 자석 형상으로만 제조가 가능하였다(히타치 금속기보, Vol.6, p.33-36). 또한, R-(Fe,Co)-B계 소결 자석에서는, Fe를 치환한 Co는 합금 조직 중 주상인 2-14-1상에 포함될 뿐만 아니라, R 리치 상 중에서 R3Co를 형성하고, 기계적 강도를 현저하게 저감한다. 게다가, 퀴리 온도가 높기 때문에, 냉각시의 퀴리 온도～실온 사이에서의 C축 방향 및 C축 수직 방향의 열팽창률 변화량도 커져 갈라짐, 크랙의 발생 원인인 잔류 응력이 증대한다. 이 때문에, R-(Fe,Co)-B계 레이디얼 이방성 링 자석은 Co가 들어가지 않은 R-Fe-B계 자석보다 더욱 형상 제한이 엄격하여, 내외직경비 0.9 이상의 형상에서 밖에, 안정한 자석 생산을 행할 수 없었다. 게다가, 작은 직경의 레이디얼 자석의 경우, 두께가 엷더라도 내외직경비가 작아져버리기 때문에, 특히 심각한 문제이다. 또한, 페라이트 자석, Sm-Co계 자석에서도, 동일한 이유로 인해 갈라짐, 크랙이 발생하여 안정 생산을 할 수 없는 상태이다. 레이디얼 이방성화에 수반되는 소결 및 시효 냉각 과정에서 발생하는 갈라짐 또는 크랙의 원인이 되는 둘레 방향의 잔류 응력은 페라이트 자석에 관한 Kools의 검토 결과(F. Kools, Science of Ceramics, Vol.7(1973), p.29-45)에 개시되고, 식 (1)과 같이 표시된다. σθ = △T△αEK2/(1-K2)·(KβKηK-l-Kβ-Kη-K-1-1)……(1) σθ: 둘레 방향의 응력 △T: 온도차 △α: 선팽창 계수의 차(α？-α⊥) E: 배향 방향의 영률 K2: 영률의 이방성비(E⊥/E？) η: 위치(r/외경) βK: (1-ρ1+K)/(1-ρ2K) ρ: 내외직경비(내경/외경) 상기 식 중, 갈라짐 또는 크랙의 원인에 가장 큰 영향을 주는 항은 △α: 선팽창 계수의 차(α？-α⊥)이며, 페라이트 자석, Sm-Co계 희토류 자석, Nd-Fe-B계 희토류 자석에서는, 결정 방향에 의한 열팽창률의 차(열팽창 이방성)는 퀴리 온도로부터 발현되고, 냉각시의 온도 저하에 의해 증대한다. 이 때, 잔류 응력이 자석의 기계 강도 이상이 되어 갈라지게 된다. 상기 식에 의한, 배향 방향과 배향 방향에 수직한 방향에서의 열팽창의 차이에 의한 응력은 원통 자석이 전체 둘레에 걸쳐 직경 방향으로 레이디얼 배향하기 때문에 발생한다. 따라서, 일부가 레이디얼 배향과 상이한 배향을 갖는 원통 자석을 제조하면 갈라짐이 발생하지 않는다. 예를 들면, 수평 자장 수직 성형법에 의해 제작된, 원통축에 수직한 1방향으로 배향된 원통 자석은 Sm-Co계 희토류 자석, Nd-Fe(Co)-B계 희토류 자석 어느 타입의 자석에서도 갈라지지 않는다. 갈라짐은 레이디얼 배향이기 때문에 발생하는 것이지만, 통상 레이디얼 자석에서는 갈라짐을 막기 위해서, 레이디얼 자석의 레이디얼 방향으로의 배향을 흩뜨리고, C축 방향에서의 열팽창과 C축 수직 방향에서의 열팽창의 차를 줄이는 방법을 채택한다. 그러나, 이 방법에서는 모터의 토크의 기원이 되는 자석으로부터의 자속이 감소되어 고성능 모터로는 되지 않는다.