영구자석의 종류와 특성

영구자석의 종류와 특성

 

 

안녕하세요. 스칸디대디 엔지니어입니다.

 

기술이 발전하면서 점차 DC모터가 AC모터를 밀어내고 있고, 앞으로 그 사용이 더욱 확대될 것입니다.

DC모터가 발전하면서 영구자석을 활용한 BLDC 모터가 발명되었고 그 이후 자석의 사용량이 폭발적으로 증가하게 되었습니다.

본 포스팅을 통해서 BLDC 모터 개발에서 핵심 소재인 영구자석을 선택하는 기준을 찾으실 수 있습니다.

 

1. 영구자석의 정의

영구 자석은 자석의 자화 상태를 영구적으로 보존하는 자석으로 외부로부터 전기 에너지를 공급받지 않아도 자력을 안정적으로 유지할 수 있는 자석입니다. 즉, 외부의 자기장 없이도 자성을 유지하는 자석입니다.

 

2. 영구자석의 종류와 특성

영구 자석은 크게 네오디움, 사마륨 코발트, 페라이트, 알리코, 고무 이렇게 5가지가 가장 대표적입니다.

 

- 네오디움(ND) 자석 : 은색 빛을 띄고 있는 네오디움 자석은 희토류 원소로 제작된 자석으로 상용되는 영구자석 중 가장 높은 에너지와 보자력을 가지고 있습니다. 2,500~5,000 Gauss의 매우 강력한 자력을 발휘하며 원형, 사각형, 링형, 구형 등 다양한 형태와 사이즈로 구성되어 있어 선택하실 수 있는 폭이 넓습니다.

공업용, 의료용, 산업용 등 여러 특수 목적으로 적용되고 있으며 매우 소형의 규격이라도 강함 힘이 발휘하여 정밀 작업 시 사용빈도가 높습니다.

 

- 사마륨 코발트(SM-CO) 자석 : 사마륨과 코발트 및 기타 희토류 원소의 합금으로 제작되는 사마륨 코발트 자석은 2,500~3,500 Gauss 정도의 자력을 가지며 네오디움 다음으로 강력한 힘을 발휘합니다. 그리고, 우수한 온도 특성을 자랑하는 영구자석입니다. 온도에 대한 안전성이 높은 강력 자석으로 약 300℃의 고온에서도 자력의 감자 없이 사용이 가능한 이점을 가지고 있어 센서, 엔진, 정밀기기 등 다양한 장소에서 적용되고 있습니다.

비교적 높은 비용의 자석이지만 내열성 및 흡착력 모두 뛰어난 특화된 성질로 인해 지속적으로 찾는 용도가 많습니다.

 

- 페라이트 자석 : 검정색의 세라믹 자석이라고도 불리는 페라이트 자석은 망간, 코발트, 니켈 따위의 산화물과 산화철로 만든 영구자석으로 널리 사용되고 있습니다. 1,000~1,800 Gauss 정도의 자력을 가지고 있으며 안정적인 자기 특성으로 강한 자력이 요구되지 않는 경우에 많이 적용되고 있습니다. 약 400~500℃의 높은 온도에서도 자력의 감소 없이 사용 가능합니다.

 최근에는 국가별로 희토류 자원을 '무기화'하면서 모터에서 사용되는 네오디움 자석의 대체 소재로 개발되고 있으며 이에 따라 페라이트 자석의 성능을 높이기 위한 연구가 활발합니다.

[참고] 중국 '희토류 수출 금지'로 사흘만에 손든 일본

주변에서 흔히 볼 수 있는 보급형 자석으로 학습 교구용 또는 인테리어 소모품으로도 활용되고 있으며 원형, 사각형, 링형의 다양한 형태로 구성되어 선택의 폭이 넓습니다.

 

- 알리코 자석 : 고온용 마그네트라고도 불리는 알리코 자석은 500~800 Gauss의 자력을 가지며, 영구자석 중 온도에 대한 안정성이 가장 뛰어난 자석으로 최대 500~600℃의 높은 온도에서도 자력을 유지합니다. 또한 단단한 경도 특성으로 자속밀도가 높고 내구성이 우수합니다. 보통 고온에서 강한 자력이 요구되지 않는 작업 현장에서 사용빈도가 높습니다. 철, 니켈, 알루미늄, 코발트의 합금으로 제작되었으며 주용도는 스피커, DC Motor, 전화기, 발전기, 계기류, 엠프 등 여러 목적으로 활용되고 있습니다.

 

- 고무자석 : 아이들의 교육용 교재나 장난감 또는 냉장고 도어 밀착을 목적으로 유용하게 활용되고 있는 고무자석은 페라이트 분말에 고무, 플라스틱을 혼합하여 제작된 영구자석으로 유연하고 신축성이 좋아 칼이나 가위로도 쉽게 원하시는 모습으로 재단이 가능합니다. 300~800 Gauss 정도의 자력 세기를 가지며 등방성과 이방성, 두 가지 타입으로 나뉘며 다양한 두께로 제작되고 있어 선택 사용이 가능합니다. 자력면 반대쪽에 원하시는 색상의 컬러 시트지를 부착하여 다양한 색상으로 이용하실 수 있습니다.

 

영구자석을 사용한 IPM모터(출처. 하이젠모터)

 

3. 영구자석의 선택방법

모터 개발 시 다음과 같이 5가지 요소를 검토하여 어떤 종류의 영구 자석을 선택하는지에 대한 방법을 찾을 수 있습니다.

 

1) 사용 목적 : 영구 자석은 다양한 종류로 구성되어 있으며, 각각의 종류는 다른 특성을 가지고 있습니다. 따라서 사용하시려는 용도에 따라 적합한 종류의 영구 자석을 선택하는 것이 중요합니다.

 

2) 자력 세기 : 영구 자석의 종류에 따라 자력 세기가 다릅니다. 강한 자력이 요구되는 경우에는 네오디움 자석이나 사마륨 코발트 자석과 같은 강력한 힘을 발휘하는 영구 자석을 선택하는 것이 좋습니다.

 

3) 온도 특성 : 영구 자석의 종류에 따라 온도에 대한 안정성이 다릅니다. 고온에서 사용할 경우에는 알리코자석과 같은 온도에 대한 안정성이 뛰어난 영구 자석을 선택하는 것이 좋습니다.

 

4) 부식도 : 영구 자석의 종류에 따라 부식도가 다릅니다. 부식에 민감한 환경에서 사용할 경우에는 부식에 강한 영구 자석을 선택하는 것이 좋습니다.

 

5) 형태 및 사이즈 : 영구 자석은 다양한 형태와 사이즈로 구성되어 있습니다. 사용하시려는 용도와 설치 공간에 맞게 적합한 형태와 사이즈의 영구 자석을 선택하는 것이 중요합니다.

 

2010년 중국과 일본이 영토 분쟁 및 불법조업 어선 나포 등으로 희토류를 수출 제한하면서 네오디움 자석 가격이 폭등한 적이 있습니다. 그 이후로 모터에 사용되는 네오디움 자석을 페라이트 자석으로 대체하는 개발을 많이 했었습니다. 그리고, 신규로 개발되는 모터는 특별한 사양이 아니라면 대부분 페라이트 자석을 기본적으로 검토하고 있습니다.