연자성 분말의 독특한 특성은 3D 등방성 강자성체 이며, 이 때문에 3차원적 자속(flux)를 활용할 수 있어 전기 강판(sillicon steel)에 비해 3차원 성형시 유리한 장점을 가지고 있다는 점이다.[1] 따라서 본 논문에서는 연자성 분말 (Soft Magnetic Composites)의 3차원 성형시 각 성형 형태에 따른 압분 시료의 전기적, 기계적 특성에 대한 연구를 하였다. 연자성 분말의 코어 형상을 크게 ' '형으로 구분하여 압분 코어를 만든 후 압분 코어의 Overhang 각도 및 코어 Teeth의 길이에 따른 파라미터에 변화를 주어 철손 및 경도, 밀도를 측정 하였다. 이 논문에서 우리는 3차원 코어 성형시 전기적, 기계적 특성이 가장 우수한 코어 성형 조건을 연구해 낼 수 있었다.
변압기, 전동기 등의 에너지 효율을 향상시키기 위해 400 Hz 이상의 주파수에서 사용하는 자성코어 부품의 수요가 증가함에 따라 Si함량이 높은 연자성 코어에 대한 관심이 증가하고 있으며 냉간압연이 어려운 Fe-6.5wt.%Si의 경제적이고 생산성이 높은 분말 성형공정, 주파수에 따른 철손인자들의 영향 및 미세구조 제어에 대한 연구가 체계적이고 지속적 수행되고 있으며 흥미로운 연구결과가 도출되고 있다.
본 논문에서는 전기 자동차 응용을 위해 연자성 분말 코어가 있는 새로운 축방향 자속 영구자석 모터를 제안한다. 권선 및 연자성 분말 코어는 매우 조밀한 구조를 형성하도록 설계할 수 있으므로 토크 밀도를 크게 향상시킨다. 우수한 자속 집중 능력을 얻기 위해 두 대의 토로이드형 내부 고정자형 모터가 설계 및 분석되었으며, 설계된 모터에는 고성능 전기자동차 애플리케이션 적용을 위해 네오디움 자석이 사용되었다. 3차원 유한 요소 방법은 전자기 매개변수 및 성능을 분석하는 데 사용되었으며, 성능 비교를 위해 상용 축방향 자속 영구자석 모터가 사용되었다. 제안된 모터는 기존 구동모터에 비해 약 5.8% 무게가 가벼워지고 약 8Nm 정도 높은 토크를 생성하였다.
정현파 자속밀도 조건에서 연자성 재료의 교류자기손실을 측정하기 위한 새로운 방법을 제시하였다. 본 방법은 입력전압파형을 결정짓기 위해 통상 이용하는 $H_i(B_i)$곡선대신 $V_{in}$(B)곡선을 이용함으로서 자기장, 자속밀도 그리고 입력전압간의 위상차를 고려할 필요가 없이 직접 입력전압파형을 얻을 수 있어 프로그램이 간편하게 되는 장점을 가지고 있었다. 개발된 측정방법의 유효성을 1 kHz, 10 kHz 주파수에서 페라이트 코어로 확인할 수 있었다.
분말 야금 기술에 의한 복합 연자성 재료는 전기기기에 일반적으로 사용되는 종래의 전기강판보다 많은 장점을 가지고 있으며, 그 관련 기술은 최근에 상당한 발전을 거듭하고 있다. 복합 연자성 재료는 일반적으로 분말의 형태로 인해 자기적 등방성 가지므로 3차원 자속 및 복잡한 구조의 전기기기 구성에 적합하다. 하지만 SMC와 같이 등방성 자기 특성을 가지는 재료는 복잡한 벡터 히스테리시스를 가지므로 정확한 손실 특성을 예측하는 것이 매우 어렵다. 따라서 본 논문에서는 전기강판 및 SMC의 링 타입 시편을 제작하고 시편 크기에 따라 자기적 특성을 측정한 후, 측정된 자기적 정보를 이용하여 800Hz 이상에서 구동하는 고속 영구자석 전동기의 전자계 해석을 수행하였다. 또한, 해당 모델의 시작품을 제작하고 효율 측정 및 비교를 통해 본 논문의 신뢰성을 입증하였다.
SMC(Soft Magnetic Composite) 재질은 일반 실리콘 강판에 비해 코어의 3차원 형상을 자유롭게 제작 할 수 있으며, 고속 회전시에 발생하는 철손을 감소시킬 수 있어 모터 코어용으로 많은 제작이 이루어지고 있다. 따라서 본 논문에서는 고속 회전용 청소기용 BLDC 모터의 코어를 SMC 재질로 제작 Back-EMF를 측정하였다. 코어의 형상은 크게 3차원 형상을 고려한 3가지로 타입으로 구분하여 제작하였고, 각 형상별로 모터를 제작하여 특성을 측정하였다. 본 논문에서는 SMC 분말을 이용한 코어 성형시 3차원 형상에 따른 모터의 Back-EMF의 특성을 보여준다.
우리 삶의 질을 좌우하는 전자기 기기의 고기능화, 자동화, 소형화 추이에 따라 사용량이 급격히 증가하고 있는 연자성 소재로서 가장 널리 사용되고 있는 전기강판과 에너지 고효율화라는 시대의 요구에 따라 새롭게 부상되고 있는 연자성 복합 분말 소재에 대해 각 연자성 소재 분야에서 철손 제어 인자 및 이들 인자들의 제어 방안에 대해 문헌을 고찰했다. 전기강판에서는 히스테리시스 손실을 낮추기 위해 정련공정을 통해 자구이동을 방해하는 결함을 제거하고 결정립의 크기를 최적화하고 있으며, 와전류 손실의 감소를 위해 합금첨가원소를 통해 비저항을 높이고 판재의 두께를 박판화하고 있다. 이와 동시에 코팅을 통해 자구의 이동이 용이하도록 응력의 방향 및 크기를 제어하며, 압연기술과 열처리 기술을 통해 집합조직을 최적화하여 고투자율 및 저철손을 동시에 충족시켜 나가고 있다. 연자성 복합 분말 소재의 경우, 분말 표면의 복합화를 통해 철계 조성, 코팅, 윤활재 및 바인더, 성형 및 열처리 조건 등에 복합적으로 의존하는 연자성 코어의 최종 자기특성을 제어하고 있다. 온간 및 다단 성형과 같은 새로운 성형공정, 2단 소둔/자성 열처리와 같은 소둔 조건, 나노결정질, 비정질 및 벌크 비정질 등과 같은 새로운 조성, 적절한 코팅층의 변수들을 최적화할 경우, 연자성 복합 소재의 자성특성은 향상될 것으로 기대된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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