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Nikkei X-TECH_2023.8.24

고속회전 시의 모터 손실을 줄인다
NCT, 비정질 합금 적층 코어의 양산화 전망

Next Core Technologies(NCT, 교토부)는 통상의 전자 강판과 비교해 철손이 10분의 1인 비정질 합금 리본을 사용한 모터 부품, 적층 스테이터 코어의 양산화를 가시화했다. 이 리본은 매우 얇고 끈적거려서 프레스 펀칭 가공이 어려워 양산에는 적합하지 않았다. NCT에 따르면, 같은 금형으로 수십만 샷까지 대응이 가능하다. 게다가 금형을 수정하면 다시 펀칭 가공이 가능하게 된다고 한다.

철손이 작은 코어를 스테이터로 사용하면 모터의 고속회전 시의 손실을 줄일 수 있다. 모터의 철손은 90% 정도가 스테이터에서 발생하기 때문에 모터 손실을 줄이는 데 크게 공헌한다.

NCT가 다이도대학의 가노(加納) 교수와 공동으로 설계하고, 메이와제작소(후쿠오카현)의 협력을 얻어 개발한 이 코어를 적용한 모터(정격 출력 5kW클래스, 정격 회전수 1만 5000rpm)에서는, 전자 강판을 코어에 사용한 같은 출력의 모터와 비교해 효율을 5~10% 개선할 수 있었다.

개발 모터의 효율은 95%, 출력밀도는 1.2kW/kg로 한다. 게다가 고효율화로 발열이 줄어듦에 따라 중희토류 사용량도 줄어든다.

NCT는 알루미늄 합금 절삭 가공을 업무로 하는 HILLTOP(교토부), 자성 재료를 개발하는 BIZYME(교토시), 정밀 프레스 부품을 제조하는 고마쓰정기공작소(나가노현)의 중소기업 3사에 의한 합작회사다. 이번 양산기술의 개발에서는 HILLTOP은 비정질 합금 양산기술 구축, BIZYME는 비정질 합금 재료 개발, 고마쓰정기공작소는 프레스에 의한 펀칭 가공과 적층에 관한 기술개발을 담당했다.

미래 계획에서는 우선 23년도 내에 비정질 합금의 제조부터 모터 생산까지 실시하는 양산 시제 라인을 구축한다. 또한 이번에는 정격 출력 5kW급 모터에 대해 검증을 실시했는데, 앞으로는 수백W~수백kW급 모터에 대해서도 검증할 예정이다. 게다가 장기적으로는 이 코어를 사용한 모터를 제작하고 싶은 기업에게 장치나 금형, 생산 라이센스를 유상으로 제공하는 비즈니스 모델도 시야에 넣는다.

NCT가 이 코어의 적용처로서 염두에 두고 있는 것은 전기자동차(EV)의 구동이나 에어컨의 컴프레서에 사용되는 모터이다. 예를 들면, EV에서는 소형/경량의 구동모터가 요구되는데, 그 방책 중 하나로 모터의 고속회전화가 모색되고 있다. 모터의 출력은 토크와 회전수의 곱에 비례하며, 모터의 체격은 최대 토크로 결정된다. 고속회전화를 도모하면 같은 출력의 모터라도 소형/경량화가 가능해진다.

다만 고속회전화의 난점 중 하나는 와전류가 증대되어 철손이 증가하는 것이다. 그로 인해 모터의 손실이 커지게 된다.

NCT가 이번 양산화를 목표로 한 비정질 합금제 적층 코어는 그러한 손실의 저감에 기여한다. 이용하고 있는 소재는 철(Fe)을 주성분으로 하는 Fe기 비정질 합금 리본이다.

이 리본은 결정구조를 갖지 않는 비정질이고, 통상의 전자 강판보다 얇기 때문에 철손을 줄일 수 있다. NCT는 정밀한 초소형 부품의 펀칭 가공 기술을 큰 부품에 적용함으로써 이 코어의 양산화를 가시화할 수 있었다.

NCT가 이용하고 있는 이 리본은 조성에서는 히타치금속의 비정질 합금 ‘멧글러스(Metglas)’에 가깝다. Fe와 실리콘(Si), 붕소(B)로 이뤄진 점은 같다. 다른 점은 Si와 B의 비율을 바꾸고 있다는 점이다.

비율을 바꿈으로써 투자율(透磁率)을 높이고 와전류로 인한 손실을 줄여 모터에 특화된 소재로 바꾸고 있다. 투자율을 높이는 이점은 스테이터 코어의 돌극(salient-pole) 표면에 자속을 집중시키기 쉬워지는 것이다.

프레스의 펀칭 가공을 이용한 양산화를 실현하기 위해서 강구한 것은, 예를 들면 금형의 구성요소인 펀치와 다이스의 재질 최적화, 펀치 선단의 칼끝을 세우는 방식이나 칼끝 모양의 고안, 금형 정밀도의 향상이다.

NCT에 따르면 비정질 합금 리본은 가위로도 잘린다. 하지만 가위로 쉽게 끊어지는 것도 있고 자르기 어려운 것도 있다. 쉽게 자르기 위해서는 칼의 워크가 되는 리본을 놓치지 않는 것이 중요하며, 이를 위해 전술한 바와 같은 대책을 강구하고 있다.

실은 리본 쪽에서도 고안을 하고 있다. 그 중 하나가 리본의 두께이다. 0.025mm 정도로, 전자 강판의 10분의 1정도의 두께밖에 되지 않는 이 리본을 NCT에서는 0.035~040mm로 두껍게 했다.

NCT에 따르면 리본은 두껍게 함으로써 끈적거림을 줄일 수 있다. 끈적거림이 줄면 펀치의 칼끝을 리본에 댔을 때 자르기 쉬워진다. 더구나 NCT는 이런 리본을 2~5장 겹쳐서 펀칭함으로써 효과를 더욱 높이고 있다.

NCT가 23년도에 구축을 목표로 하는 양산 시제 라인은 월 40~50t의 비정질 합금 리본을 만드는 능력을 갖는다. 이 라인의 설치 면적은 폭 25×길이 50×높이 10m 남짓이라고 한다. 장치의 폭은 10m 정도이므로 폭이 30m라면 라인을 2열로 할 수 있다고 한다.

현재 대응 가능한 리본의 폭은 30~50mm. 분할 스테이터 코어라면 EV 구동에 사용되는 수백 kW의 모터에도 적용 가능하다고 한다. 또한 장치를 교체하면, 물리적으로는 현재의 제조 방식과 두께에서도 폭 150mm 정도까지는 대응이 가능하다고 한다. 다만, 그 이상은 비정질 합금을 양산할 때의 냉각 능력을 올릴 필요가 있다고 한다.

주의가 필요한 것은 이 비정질 합금은 포화 자속 밀도에서는 전자 강판에 뒤떨어진다는 점이다. 따라서 고속회전에서 사용하지 않는 모터에는 적합하지 않다.

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