영구자석 모터의 개발은 영구자석 소재의 개발과 밀접한 관련이 있습니다. 중국은 세계 최초로 영구자석 소재의 자기적 특성을 발견하고 이를 실용화한 국가입니다. 2,000여 년 전, 중국은 영구자석 소재의 자기적 특성을 이용하여 나침반을 만들었는데, 이는 항해, 군사 등 여러 분야에서 중요한 역할을 했으며, 고대 중국의 4대 발명품 중 하나로 손꼽힙니다.
1920년대에 등장한 세계 최초의 모터는 영구 자석을 이용하여 여자 자기장을 생성하는 영구 자석 모터였습니다. 그러나 당시 사용된 영구 자석 재료는 자기 에너지 밀도가 매우 낮은 천연 자철광(Fe3O4)이었습니다. 이로 만들어진 모터는 크기가 컸고, 곧 전기 여자 모터로 대체되었습니다.
각종 모터의 급속한 발전과 현대식 자화기의 발명으로 사람들은 영구자석 재료의 메커니즘, 조성, 제조기술에 대한 심도 있는 연구를 진행하였고, 탄소강, 텅스텐강(최대 자기에너지곱이 약 2.7kJ/m3), 코발트강(최대 자기에너지곱이 약 7.2kJ/m3) 등 다양한 영구자석 재료를 잇따라 발견했습니다.
특히 1930년대 알루미늄 니켈 코발트 영구자석(최대 자기 에너지 곱이 85kJ/m³에 달할 수 있음)과 1950년대 페라이트 영구자석(최대 자기 에너지 곱이 40kJ/m³에 달할 수 있음)이 등장하면서 자기 특성이 크게 향상되었고, 다양한 초소형 모터에 영구자석 여자(excitation)가 적용되기 시작했습니다. 영구자석 모터의 출력은 수 밀리와트에서 수십 킬로와트에 달하며, 군사, 산업, 농업 생산 및 일상생활에 널리 사용되고 있으며 출력 또한 비약적으로 증가했습니다.
이에 따라 이 기간 동안 영구자석 모터의 설계 이론, 계산 방법, 자화 및 제조 기술 분야에서 획기적인 발전이 이루어졌으며, 영구자석 작동 다이어그램(Working Diagram) 기법으로 대표되는 일련의 분석 및 연구 방법이 형성되었습니다. 그러나 AlNiCo 영구자석의 보자력은 낮고(36~160 kA/m), 페라이트 영구자석의 잔류 자기 밀도는 높지 않아(0.2~0.44 T) 모터에서의 적용 범위가 제한적입니다.
희토류 코발트 영구자석과 네오디뮴 철 붕소 영구자석(총칭하여 희토류 영구자석)이 연이어 등장한 것은 1960년대와 1980년대에 들어서서였습니다. 높은 잔류 자기 밀도, 높은 보자력, 높은 자기 에너지 곱, 그리고 선형 감자 곡선 등 뛰어난 자기적 특성은 모터 제조에 특히 적합하여 영구자석 모터의 발전을 새로운 역사적 시대로 이끌었습니다.
1. 영구자석 재료
모터에 일반적으로 사용되는 영구자석 소재에는 소결자석과 본드자석이 있으며, 주요 유형으로는 알루미늄 니켈 코발트, 페라이트, 사마륨 코발트, 네오디뮴 철 붕소 등이 있습니다.
알니코: 알니코 영구자석 소재는 가장 널리 사용되는 영구자석 소재 중 하나이며, 그 제조 공정과 기술은 비교적 성숙되어 있습니다.
영구 페라이트: 페라이트는 1950년대, 특히 1970년대에 큰 발전을 이루기 시작했습니다. 우수한 보자력과 자기 에너지 성능을 가진 스트론튬 페라이트가 대량 생산되면서 영구 페라이트의 사용이 급속히 확대되었습니다. 비금속 자성 재료인 페라이트는 금속 영구 자석 재료의 산화가 쉽고, 퀴리 온도가 낮으며, 비용이 많이 든다는 단점이 없어 매우 널리 사용되고 있습니다.
사마륨 코발트: 1960년대 중반에 등장한 우수한 자기적 특성을 가진 영구자석 소재로, 매우 안정적인 성능을 자랑합니다. 사마륨 코발트는 자기적 특성 측면에서 모터 제조에 특히 적합하지만, 가격이 높기 때문에 항공, 우주, 무기 등 군용 모터의 연구 개발 및 고성능과 가격이 중요하지 않은 첨단 기술 분야의 모터에 주로 사용됩니다.
NdFeB: NdFeB 자성체는 네오디뮴과 산화철 등의 합금으로, 자성강으로도 알려져 있습니다. 매우 높은 자기 에너지 곱과 보자력을 가지고 있습니다. 또한, 높은 에너지 밀도의 장점 덕분에 NdFeB 영구자석 소재는 현대 산업 및 전자 기술 분야에서 널리 사용되어 계측기, 전기음향 모터, 자기 분리 및 자화 장치와 같은 장비의 소형화, 경량화, 박형화를 가능하게 합니다. NdFeB는 네오디뮴과 철을 다량 함유하고 있어 녹슬기 쉽습니다. 표면 화학적 부동태화는 현재 가장 효과적인 해결책 중 하나입니다.
내식성, 최대 작동 온도, 가공 성능, 감자 곡선 모양,
모터에 일반적으로 사용되는 영구자석 소재의 가격 비교(그림)
2.자기강철 형상 및 허용오차가 모터 성능에 미치는 영향
1. 자성강 두께의 영향
내부 또는 외부 자기 회로가 고정된 경우, 두께가 증가할수록 공극은 감소하고 유효 자속은 증가합니다. 동일한 잔류 자기량에서 무부하 속도가 감소하고 무부하 전류가 감소하며, 모터의 최대 효율이 증가하는 것이 명백한 현상입니다. 그러나 모터의 정류 진동 증가 및 모터 효율 곡선의 가파른 상승과 같은 단점도 있습니다. 따라서 진동을 줄이기 위해 모터 자성체의 두께는 가능한 한 일정해야 합니다.
2.자석강 폭의 영향
브러시리스 모터 자석의 경우, 누적 간극은 0.5mm를 초과할 수 없습니다. 너무 작으면 설치가 불가능하고, 너무 크면 모터가 진동하여 효율이 저하됩니다. 이는 자석의 위치를 측정하는 홀 소자의 위치가 실제 자석 위치와 일치하지 않기 때문이며, 홀 소자의 폭이 일정해야 합니다. 그렇지 않으면 모터 효율이 떨어지고 진동이 커집니다.
브러시 모터의 경우, 자석 사이에는 기계적 정류 전환 영역용으로 마련된 일정한 간격이 있습니다. 간격이 있더라도 대부분의 제조업체는 모터 자석의 정확한 설치 위치를 보장하기 위해 엄격한 자석 설치 절차를 통해 설치 정확도를 보장합니다. 자석의 폭이 너무 넓으면 설치되지 않으며, 너무 좁으면 자석 정렬이 어긋나 모터 진동이 심해지고 효율이 저하됩니다.
3.자성강 모따기 크기와 비모따기의 영향
챔퍼링이 되지 않으면 모터 자계의 가장자리에서 자기장의 변화율이 커져 모터의 맥동이 발생합니다. 챔퍼가 클수록 진동은 작아집니다. 그러나 챔퍼링은 일반적으로 자속에 일정한 손실을 초래합니다. 일부 사양의 경우 챔퍼가 0.8일 때 자속 손실은 0.5~1.5%입니다. 잔류 자기가 낮은 브러시 모터의 경우 챔퍼 크기를 적절히 줄이면 잔류 자기를 보상하는 데 도움이 되지만 모터의 맥동이 증가합니다. 일반적으로 잔류 자기가 낮을 때 길이 방향의 허용 오차를 적절히 확대하여 유효 자속을 어느 정도 증가시키고 모터의 성능을 기본적으로 그대로 유지할 수 있습니다.
3. 영구자석 모터에 대한 참고 사항
1. 자기 회로 구조 및 설계 계산
다양한 영구자석 재료, 특히 희토류 영구자석의 우수한 자기 특성을 최대한 활용하고 비용 효율적인 영구자석 모터를 제조하기 위해서는 기존 영구자석 모터나 전자기 여자 모터의 구조 및 설계 계산 방법을 단순히 적용하는 것만으로는 불가능합니다. 자기 회로 구조를 재분석하고 개선하기 위한 새로운 설계 개념을 수립해야 합니다. 컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어 기술의 급속한 발전과 전자기장 수치 계산, 최적화 설계 및 시뮬레이션 기술과 같은 현대 설계 방법의 지속적인 개선, 그리고 모터 학계와 공학계의 공동 노력을 통해 영구자석 모터의 설계 이론, 계산 방법, 구조 프로세스 및 제어 기술 분야에서 획기적인 발전이 이루어졌습니다. 이를 통해 전자기장 수치 계산과 등가 자기 회로 분석 솔루션을 결합한 완전한 분석 및 연구 방법론과 컴퓨터 지원 분석 및 설계 소프트웨어가 형성되었으며, 이는 지속적으로 개선되고 있습니다.
2. 비가역적 자기소거 문제
설계 또는 사용이 부적절할 경우, 영구 자석 모터는 온도가 너무 높거나(NdFeB 영구 자석) 너무 낮을 때(페라이트 영구 자석), 충격 전류에 의한 전기자 반작용으로 인해, 또는 심한 기계적 진동으로 인해 비가역적인 감자(demagnetization)를 발생시켜 모터 성능을 저하시키고 심지어 사용 불가능하게 만들 수 있습니다. 따라서 모터 제조업체가 영구 자석 소재의 열 안정성을 확인하고 다양한 구조 형태의 감자 방지 성능을 분석할 수 있는 적절한 방법과 장치를 연구 개발해야 합니다. 이를 통해 설계 및 제조 과정에서 영구 자석 모터의 자성 손실 방지를 위한 적절한 조치를 취할 수 있습니다.
3. 비용 문제
희토류 영구자석은 여전히 비교적 고가이기 때문에 희토류 영구자석 모터의 비용은 일반적으로 전기 여자 모터보다 높으며, 이는 고성능과 운영비 절감을 통해 상쇄되어야 합니다. 컴퓨터 디스크 드라이브용 보이스 코일 모터와 같은 경우에 NdFeB 영구자석을 사용하면 성능이 향상되고 부피와 질량이 크게 감소하며 총비용이 절감됩니다. 설계 시에는 특정 사용 상황 및 요구 사항을 기반으로 성능과 가격을 비교하고, 구조 공정을 혁신하고 설계를 최적화하여 비용을 절감해야 합니다.
안후이 밍텅 영구자석 전기기계 설비 유한회사(Anhui Mingteng Permanent Magnet Electromechanical Equipment Co., Ltd.)https://www.mingtengmotor.com/). 영구자석 모터 자기강의 자기소실 속도는 연간 천분의 일 이하입니다.
당사 영구자석 모터 로터의 영구자석 소재는 높은 자기 에너지 곱과 높은 고유 보자력을 가진 소결 NdFeB를 사용하며, 일반적인 등급은 N38SH, N38UH, N40UH, N42UH 등입니다. 당사에서 일반적으로 사용하는 등급인 N38SH를 예로 들어 보겠습니다. 38-는 최대 자기 에너지 곱이 38MGOe이고, SH는 최대 내열 온도가 150℃이며, UH는 최대 내열 온도가 180℃입니다. 당사는 자성강 조립을 위한 전문 공구 및 가이드 고정 장치를 설계하고, 조립된 자성강의 극성을 합리적인 방법으로 정성 분석하여 각 슬롯 자성강의 상대 자속 값이 일치하도록 함으로써 자기 회로의 대칭성과 자성강 조립의 품질을 보장합니다.
저작권: 본 기사는 위챗 공개번호 '오늘의 모터'를 재인쇄한 것으로, 원본 링크는 https://mp.weixin.qq.com/s/zZn3UsYZeDwicEDwIdsbPg 입니다.
이 글은 저희 회사의 견해를 대변하지 않습니다. 다른 의견이나 견해가 있으시면 수정해 주세요!
게시 시간: 2024년 8월 30일