Nd-저감/대체 희토류 영구자석 개발 동향

김수민(Sumin Kim),김태훈(Tae-Hoon Kim),차희령(Hee-Ryoung Cha),이정구(Jung-Goo Lee) 한국자기학회 2024 韓國磁氣學會誌 Vol.34 No.2

Nd-Fe-B 희토류 영구자석은 1983년 개발된 이후로 지금까지 상용자석 중 가장 높은 자기적 특성을 가지고 있어 수많은 산업 분야에서 핵심 소재로 적용되어 왔다. 특히 전기/하이브리드 자동차의 보급에 따른 전기모터의 소형화, 경량화, 고효율화에 대한 요구는 고특성 Nd-Fe-B 영구자석의 의존도를 더욱 증대시켰다. 하지만 2025년 네오디뮴(Nd)에 대한 수요가 공급을 넘어설 것으로 예측되고 있으며, 희토류 원소 보유국의 자원전략화 등으로 인한 희토류 공급/가격 리스크를 고려하였을 때 Nd-Fe-B 자석에 대한 의존도를 낮추는 방향으로 가야만 한다. 이에 대한 해결책으로 Nd 대신 세륨(Ce), 란타넘(La), 사마륨(Sm)과 같이 자원이 풍부하거나 시장에 과공급 되어있는 희토류 원소를 적극적으로 사용할 필요가 있다. 따라서 본 글에서는 Nd를 Ce, La 등의 경희토류 원소로 대체하는 ‘Nd-저감형 희토류 영구자석’과 Nd를 완전히 배제하는 Sm-Co, Sm-Fe(-N) 등과 같은 ‘Nd-free 희토류 영구자석’ 소재의 제조 기술과 연구 동향에 대해 다루고, 이 소재들의 상용자석으로서의 가능성을 살펴보고자 한다. Since the development of Nd-Fe-B based rare-earth permanent magnet in 1983, it has become indispensable materials in various industries, owing to their unparalleled magnetic properties among commercial magnets. Especially, the proliferation of electric/hybrid vehicles and demands for downsizing, lightweighting, and high efficiency of electric motors have further increased the reliance on high-performance Nd-Fe-B permanent magnets. However, it is predicted that the demand for neodymium (Nd) will surpass the supply by 2025, and considering the risks of rare earth supply/price due to the resource strategies of rare earth-rich countries, it is necessary to reduce the dependence on Nd-Fe-B permanent magnets. As a viable solution, active utilization of rare earth elements such as cerium (Ce), lanthanum (La), and samarium (Sm), which are abundant or oversupplied in the market, instead of Nd, is needed. Therefore, we will discuss the manufacturing technology and research trends of ‘Nd-reduced rare earth permanent magnets’ replacing Nd with Ce, La, and ‘Nd-free rare earth permanent magnets’ such as Sm-Co, Sm-Fe(-N), and explores their potential as commercial magnets.

전자기 유도를 이용한 자석의 자화도 측정 연구

이정우 ( Jeong Woo Lee ),이사랑 ( Sa Rang Lee ),송규정 ( Kyu Jeong Song ) 전북대학교 과학교육연구소 2020 과학과 과학교육 논문지 Vol.45 No.1

본 연구에서 우리는 전자기 유도(Electromagnetic induction) 현상을 이용하여 영구자석(Permanent magnet)의 자화도(Magnetization) M 을 측정하였다. 솔레노이드(Solenoid) 코일다발(Coil bundle)의 중심축을 따라 자유낙하 운동하는 영구자석에 의한 자속(Magnetic flux) 변화는 코일다발에 전자기 유도 현상을 일으킨다. 이와 같이 발생하는 전자기 유도 현상을 분석하여 영구자석의 자화도 M 을 예측하였다. 최고점 유도 기전력(Maximum induced electromotive force) ε_max 에 대한 영구자석의 자기쌍극자 모멘트(Magnetic dipole moment) 평균값 m₊(αυg)은 3.2666 Am² 이고, 자화도 M은 3.33×10⁵ A/m 이며, 자기장의 세기 μ₀M은 0.42 T = 42000 G로 예측되었다. 이 결과는 테슬라미터(Tesla meter)를 이용하여 얻은 결과들과 약 10% 오차 내에서 일치하였다. In this study we measured the magnetization M of permanent magnets by using electromagnetic induction. Magnetic flux changes by permanent magnet that does free falling along the central axis of a solenoid coil cause electromagnetic induction in a coil bundle. The magnetization M of the permanent magnets was estimated by analyzing the electromagnetic induction phenomenon. The magnetic dipole moment average value m₊(αυg) of the permanent magnet for induced electromotive force ε_max at the maximum position is 3.2666 Am², the magnetization M ≃ 3.33 × 10⁵ A/m , and the magnetic field intensity μ₀M ≃ 0.42 T = 4200 G. These results were consistent with the results obtained using a Tesla meter within about 10% of the error.

영구자석 비선형 자기특성을 고려한 회전자 타입에 따른 모터 특성 분석

박민로(Min-Ro Park),서갑호(Kap-Ho Seo),황성우(Sung-Woo Hwang),임명섭(Myung-Seop Lim) 한국자기학회 2021 韓國磁氣學會誌 Vol.31 No.3

The permanent magnet is an important component that determines the performance and cost of a synchronous motor. Also, the characteristic of the permanent magnet is a major factor in determining the performance of the electric motor. Therefore, to improve the performance of the permanent magnet synchronous motor and reduce the material cost, the permanent magnets having various characteristics are being developed. However, the magnetic properties of permanent magnets have nonlinearity. Therefore, this paper proposes a method to calculate the operating point of a permanent magnet by considering not only the nonlinear magnetic properties of the electrical steel sheet but also the nonlinear properties of the permanent magnet and analyze the characteristics of the electric motor based on this proposed method. Through this, the characteristics of the permanent magnet synchronous motor are analyzed according to the rotor type and the design direction for each type is suggested.

영구자석에 대한 Big Concept 기반 학습에서 아동들의 개념생태

이주현,홍석인 한국물리학회 2012 New Physics: Sae Mulli Vol.62 No.6

The purpose of this paper is to investigate elementary-school students' conceptual ecologies about permanent magnets through big-concept-based learning (BCBL), which utilizes the big concept (BC) as the basis of thinking. We chose `the law of magnetic poles'as a BC about permanent magnets and then developed a BCBL that consisted of six sets of guided learning materials for four class hours and four sets of self-directed investigation materials for another four class hours. A qualitative analysis was made of the products from the BCBL lessons that had been given to 36fourth-grade students in Siheung `S' elementary school. The results are summarized as follows: First, the BCBL improved the status of `the law of magnetic poles.' This can be seen from the fact that compared with the pretest score (39) before the BCBL (given a full score of 100), the mean scores for basic problems concerning the law of magnetic poles continuously increased (57 → 91→ 95) as the BCBL went on. Second, the analysis of students' responses to the magnetic-compass-related problem showed that there was a considerable change in the `language' component of students' conceptual ecologies; the proportion of students who interpreted the meaning of `why' in the problems as a `physical principle (why)' (as a `non-physical reason (for)') increased (decreased) from 42 % (56 %) before the BCBL class to 64 % (31%) after the class. Third, students' responses to the magnetization-related problem showing an anomaly in the BC indicated that for some students, `the law of magnetic poles' was located in the niche of conceptual ecology. In that case, students actively tried to solve the problem with creative hypotheses, and they discovered new concepts through correct understanding of the magnetization. On the other hand, since the concept `Iron sticks to a magnet' in the niche hinders scientific inquiry activities, its conceptual status must be lowered with the aid of BC. The lack of the basic concept, `the two magnetic poles always exist in pairs',can lead to misconceptions, which implies it should be added as a new BC. In conclusion, BCBL turned out to be useful in improving students' scientific capabilities, and developing BCBL for other topics will be valuable as a future study. 본 논문의 목적은 Big Concept(BC)를 사고의 근거로 사용하는 Big Concept 기반 학습(Big Concept Based Learning, BCBL)을 통하여영구자석에 대한 초등학생들의 개념 생태를 연구하는 것이다. 우리는`자극의 법칙'을 영구자석에 대한 BC로 선정한 후, 4차시 분량의 안내된학습지 6편과 4차시 분량의 자기 주도적 탐구지 4편으로 구성된 BCBL 자료를 개발하였다. 이를 경기 시흥 S 초등학교 4학년 36명을 대상으로적용하여 질적 분석한 결과는 다음과 같다: 첫째, BCBL은 자극의 법칙의개념지위를 향상시켰다. 이는 자극의 법칙 관련 기본 문제의 평균점수가사전 설문조사(39점)에 비하여 BCBL이 진행됨에 따라 지속적으로상승(57점 → 91점 → 95점)한 사실로부터 알 수있다. 둘째, 나침반 관련 탐구 문제 분석 결과, 학생들의 개념생태`언어' 성분에 상당한 변화가 있었다. BCBL 전에는 문제에 포함된`왜'라는 말의 의미를 `물리적 원리(why)'로 해석하는 경우가 42%이었으나 학습 후에는 64 %로 증가하였고, `비 물리적 이유(for)'로해석하는 경우는 56 %에서 31 %로 감소하였다. 셋째, BC의 변칙 사례인자화 관련 탐구 문제에 대한 아동들의 반응을 보면, 자극의 법칙이개념생태의 적소에 있는 경우, 창의적 가설을 세워 적극적으로문제해결을 시도하고 자화를 바르게 이해하여 새로운 개념을 발견하였다. 반면에 `쇠는 자석에 붙는다.'는 개념이 적소에 있는 경우에는 이 개념이과학적 탐구 활동을 방해하므로 BC를 통하여 개념지위를 하향 조정할필요가 있다. `두 극은 항상 쌍으로 존재한다.'는 쌍극자의 법칙이개념생태에 결여된 경우에 형성된 오개념들은 이 법칙이 새로운 BC로추가되어야 함을 시사한다. 결론적으로, BCBL은 학생들의 탐구 능력향상에 유용함이 판명되었고, 추후연구 과제로서 다른 주제들에 대한BCBL의 개발은 가치 있을 것이다.

원형 막대자석이 강자성 물체에 작용하는 자기력에 대한 정량적 접근

현동걸,신애경 한국물리학회 2018 새물리 Vol.68 No.11

The quantitative representation for the magnetic force of a cylindrical permanent magnet acting on a ferromagnetic cylindrical object was derived on the basis of magnetization theories, and the Gilbert and Ampere models of magnetism. The magnetic force derived in this study is directly proportional to the remanent magnetization magnetic field, the cross-sectional area of the permanent magnet, the saturation magnetic field, and the cross-sectional area of the ferromagnetic object and is inversely proportional to the square of the quantity related to the distance between the permanent magnet and the ferromagnetic object. The magnetic forces of an AlNiCoV cylindrical permanent magnet and a Ferrite cylindrical permanent magnet, both with a radius of 0.4 cm and a length of 7 cm, acting on ferromagnetic objects at distances farther than the radius were calculated to be less than 3.6711 N and 0.1857 N, respectively. 원형 막대자석이 강자성 원형 막대 물체에 작용하는 자기력에 대한 정량적인 표현이 자기화 이론, 자기에 대한 Gilbert 모형, Ampere 모형을 바탕으로 유도되었다. 이 연구에서 유도된 자기력은 원형 막대자석의 잔류 자기화 자기장과 단면적, 강자성 원형 막대 물체의 포화자기장과 단면적에 비례하며, 그리고 이들 사이의 거리에 관계되는 양의 제곱에 반비례한다. 반지름 0.4 cm이고 길이 7 cm인 알니코V 원형 막대자석과 페라이트 원형 막대자석이 반지름 이상 거리에 있는 강자성 물체에 작용하는 자기력은 각각 3.6711 N과 0.1857 N 이하로 계산되었다.

영구자석과 강자성체의 자력해석

이주희,이동연 한국기계기술학회 2015 한국기계기술학회지 Vol.17 No.2

This paper studies the repulsion occurring between the permanent magnet by the simulation analysis. Nowadays, there are many cases such as magnetic levitation, safety bumper device and so on using the properties of the permanent magnet. As the neodymium magnet of the powerful ferromagnetic material is less expensive by comparing with the strong magnetic force for industrial, medical areas and etc., it can be used at the various applications. The prediction of the magnetic force is becoming increasingly important in order to be used effectively permanent magnet in various fields. Therefore, the results of the magnetostatics by Ansys and the MAXWELL of commercial electromagnetic analysis software are analyzed and compared. Magnetic force is inversely proportional to the distance and power. In this paper, the permanent magnet was simulated and compared by the two permanent magnets of the small sizes with the diameter of 4mm and the length of 8mm. In addition, the forces between the ferromagnetic iron and permanent magnets are simulated.

유한요소법을 이용한 네오디움 영구자석의 코어 설계

허관도(Kwan-Do Hur),예상돈(Sang-Don Ye) 한국기계가공학회 2014 한국기계가공학회지 Vol.13 No.5

Permanent magnets have recently been considered as device that can be used to control the behavior of mechanical systems. Neodymium magnets, a type of permanent magnet, have been used in numerous mechanical devices. These are permanent magnets made from an alloy of neodymium, iron, and boron to form the Nd2Fe14B tetragonal crystalline structure. The magnetic selection, magnet core design and mechanical errors of the magnetic component can affect the performance of the magnetic force. In this study, the coercive force, residual induction, and the dimensions of the design parameters of the magnet core are optimized. The design parameters of magnet core are defined as the gap between the magnet and the core, the upper contact radius, and the lower thickness of the core. The force exercised on a permanent magnet in a non-uniform field is dependent on the magnetization orientation of the magnet. Non-uniformity of the polarization direction of the magnetic has been assumed to be caused by the angular error in the polarization direction. The variation in the magnetic performance is considered according to the center distance, the tilt of the magnetic components, and the polarization direction. The finite element method is used to analyze the magnetic force of an optimized cylindrical magnet.

영구자석 전기기기의 무부하 자계 예측을 위한 해석적 접근

신경훈,김용주,최장영 한국자기학회 2023 韓國磁氣學會誌 Vol.33 No.4

본 논문은 영구자석 기기의 무부하 자계 예측을 위한 해석적 접근에 대해 다루었다. 먼저, 자기벡터자위를 기반으로 영구자석기기의 무부하 자계 예측을 위한 일반적인 지배방정식을 도출하였고, 직선형 영구자석 기기와 회전형 영구자석 기기의 기하학적인 구조를 적용하여, 직각좌표계와 원통 좌표계에서의 자기벡터자위의 일반 해를 도출하였다. 특히, 회전형 영구자석기기의 경우반경 방향 자속 영구자석기기와 축 방향 자속 영구자석기기를 구분하여 각각에 적합한 일반 해를 도출하였다. 도출된 자기벡터자위의 일반 해와 정의를 이용하여, 각 영구자석기기의 법선과 접선 성분의 자속밀도를 예측하였으며, 기하학적인 구조가 고려된경계조건들을 적용하여, 최종적인 자속밀도 식을 도출하였다. 해석적 방법으로 얻어진 결과는 유한요소해석결과와 비교하여, 그타당성을 입증하였다. 본 논문에서 제시된 해석적 방법은 전기자 코일에 의한 자계 예측에 동일하게 적용 가능하며, 이러한 자계들로부터 영구자석기기의 주요 성능 인자(토크, 기전력, 인덕턴스, 코깅토크 등)를 빠르고 비교적 정확하게 예측할 수 있어, 영구자석기기의 해석 및 설계 관련 연구에 응용이 가능할 것으로 사료된다.

영구자석과 강자성체의 자력해석

이주희,이동연 한국기계기술학회 2015 한국기계기술학회지 Vol.17 No.2

This paper studies the repulsion occurring between the permanent magnet by the simulation analysis. Nowadays, there are many cases such as magnetic levitation, safety bumper device and so on using the properties of the permanent magnet. As the neodymium magnet of the powerful ferromagnetic material is less expensive by comparing with the strong magnetic force for industrial, medical areas and etc., it can be used at the various applications. The prediction of the magnetic force is becoming increasingly important in order to be used effectively permanent magnet in various fields. Therefore, the results of the magnetostatics by Ansys and the MAXWELL of commercial electromagnetic analysis software are analyzed and compared. Magnetic force is inversely proportional to the distance and power. In this paper, the permanent magnet was simulated and compared by the two permanent magnets of the small sizes with the diameter of 4mm and the length of 8mm. In addition, the forces between the ferromagnetic iron and permanent magnets are simulated.

영구자석 형상 변형을 통한 동기발전기 고조파 저감

변범석(Beom-Seok Byeon),박의종(Eui-Jong Park),김용재(Yong-Jae Kim) 한국전자통신학회 2022 한국전자통신학회 논문지 Vol.17 No.6

동기발전기의 고조파는 철손과 동손을 증가시켜 발열의 원인이 된다. 이를 감소시키기 위하여 전기자의 권선법을 분포권, 단절권을 이용하여 고조파를 감소시키는 방법이 있으나 본 논문에서는 영구자석의 형상을 기존에 연구되었던 방법이 아닌 새로운 형상 변형을 통해 고조파를 감소시키며 기전압의 파형을 개선하고자 한다. 형상 변형 방법으로 영구자석의 양단을 절단하고 설정값에 따라 영구자석의 면적을 증가, 감소시켜 공극의 길이를 조절한다. 이때 자속밀도의 분포를 다르게 하여 이에 따른 기전압과 왜형률을 비교하였다. 이를 통해 논문에 기술된 영구자석의 형상 변화 모델들을 비교하고 가장 효과적인 변형 방법을 나타냈다. The harmonics of synchronous generators increase iron and copper loss, which is the cause of fever. For harmonic reduction, the armature winding method is used as a distribution winding, a short pitch winding. In this paper, we want to improve the waveform of the instrument voltage by reducing the harmonics in a new way to the shape of the permanent magnet. The method cuts both ends of the permanent magnet and adjusts the air gap by increasing and decreasing the area according to the set value. By varying the distribution of magnetic flux density, the resulting electromotive voltage and strain were compared. This compares the shape-changing models of permanent magnets and shows an effective deformation method.