CN1431756A - 电动机装置及其永久磁铁 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种1W～300W等级的小型化的电刷式电动机装置，其励磁磁铁由中空圆筒形状的各向异性稀土类塑胶磁铁13形成。可以给4个磁极充磁。各向异性稀土类塑胶磁铁13，比原有的烧结铁氧体磁铁具有约为4倍大的最大磁能积(BHmax)。当给4个磁极充磁时，可将每个磁极周围的磁气回路的磁路长度减小，从而使提供给转矩的磁力增大。而当转矩和原来的电动机相同时，电磁转子的长度和永久磁铁的轴方向长度即可减小。从而实现1W～300W等级的电动机装置的小型化。

Description

电动机装置及其永久磁铁
(1)技术领域
本发明涉及一种直流电刷式电动机(DC Brush Motor)及此装置中使用的永久磁铁。特别是有关一种当采用各向异性稀土类塑胶磁铁的永久磁铁和采用该永久磁铁的可以实现小型化和高转矩化的直流电刷式电动机装置。当本发明应用在1W～300W等级的高性能小型直流电刷式电动机装置时其效果特别理想。
(2)背景技术
1960年以前，小型电动机使用的是不用磁铁的感应电刷电动机，进入1960年，由于廉价的最大磁能积(BHmax)为4MGOe级的铁氧体磁铁上市，1W～300W程度的耗电量小的小型电刷式电动机开始上市，并且其後的40年来一直在使用。其构造为，电动机壳的内圈上配置有用瓦弧形状的具有2个磁极或4个磁极的烧结铁氧体磁铁，其中心部配置有缠绕着线圈的电磁转子。驱动时，通过旋转轴上配置的电刷，使线圈中的电流方向变化，因周围的烧结铁氧体磁铁的磁场和电流间的相互作用而产生的电磁力使电磁转子旋转。
近年来有对这种电动机小型化的需求，但是，因为烧结铁氧体磁铁在烧结的时候发生收缩，制造厚度薄的烧结铁氧体磁铁很困难，无法达到小型化。而且，因磁力也弱，用烧结铁氧体磁铁无法实现输出功率大的电动机。
同时，为了得到大的输出需采用大直径的电动机时，因为将烧结铁氧体磁铁沿圆周方向无法制造成长形，无法采用2个磁极，只得采用4个磁极来制造。
这样，用铁氧体磁铁构成的磁极为4个磁极时，尺寸及重量增大，不能成为电动机性能指标(转矩常数/体积)高的产品。而且，上述用烧结而制成的烧结铁氧体磁铁的形状为各种各样，因湿度等环境条件、烧结条件的不同，很难得到完全同一尺寸的瓦弧状的烧结铁氧体磁铁。并且，上述烧结铁氧体磁铁在上述电动机的壳体内需要分割配置。而其配置精度将会对磁场的对称性产生误差，其结果，旋转时产生转矩不均匀，从而出现噪音现象。1990年代后半期，随着与铁氧体磁铁相比具有约为4倍大的，最大磁能积(BHmax)为14MGOe以上的磁性能高、成形性强的各向异性稀土类塑胶磁铁的上市，其在电动机上的应用也进入了新的摸索阶段。
但是，对电动机厂家来说，针对现有的使用铁氧体的小型电刷电动机，既使使用具有4倍最大磁能积的磁铁，如果只是单纯的置换，电动机性能只能提高20％，从小型化来看它需要使用2倍以上的外轭(yoke)，反而导致大型化而不能采用。并且，因为电动机的性能与转子铁心(armature)的形状、性能、外轭的厚度、材料质量、线圈等多种因素有关，而性能提高的效果也只有20％，所以多年来没有得到采用。
(3)发明内容
本发明的目的是提供一种性能优良的小型轻量化的电刷式电动机和所采用的永久磁铁。
根据本发明一方面的电动机装置，是由配置在直流电刷电动机(DC BrushMotor)壳内周围上的永久磁铁和配置在中心部的电磁转子所组成，其特点是，所述永久磁铁，为最少具有4个磁极的中空薄圆筒形状的各向异性稀土类塑胶磁铁。
本发明中采用的各向异性塑胶磁铁，是由申请人的日本专利公开号P2001-7691A、登记号第2816668号、登记号第3060104号所采用的制造方法制造的磁铁，例如，对ND-FE-B所组成的磁粉通过进行树脂成型来制造，在一个轴方向上进行了强磁化的磁铁。这种磁铁，和原来的烧结铁氧体磁铁相比具有最大磁能积(BHmax)为4倍以上。本发明者对怎样能发挥这种各向异性稀土类塑胶磁铁的潜在能力而进行了深入研究，其结果发现了当应用在1W～300W等级的小型直流电刷式电动机装置时的效果特别理想。通过使用高性能的各向异性稀土类塑胶磁铁使磁铁薄型化，同时，通过使用4个以上的磁极大幅度地减小每个磁极的磁性回路的磁路长度，从整体来看达到了原来臆想不到的效果：和原来的电动机为同一性能而体积为1/2的大幅度地小型轻量化，也即，和原来的电动机相比体积减少20％的同时转矩性能提高2倍的大幅度的高性能的效果。
并且，因为这种各向异性稀土类塑胶磁铁是通过树脂成型法来制造的，所以容易进行高精度的成形。这样，电动机壳内周围上的永久磁铁的形状能做成精度好的中空圆筒形状。即，通过永久磁铁能使电动机的内部磁场得到精度高的旋转对称。因为内部磁场的对称性的精度高，位于中心部的电磁转子均匀地接受转矩来进行转动。这样，能减低原来的转拒不均匀所引起的噪音，从而获得低噪音的电动机。而且，因各向异性稀土类塑胶磁铁是通过树脂成型制成为中空圆筒形状，所以容易组装在电动机壳内。不需要对原来的对分成2极或4极的各个烧结铁氧体磁铁进行组装。即具有制造工序容易的优点。
本发明除了解决了所述长年以来的小型电刷电动机界的问题，达到了具有和原来的电动机为同一性能而体积为1/2的大幅度地小型轻量化，从而与原来的电动机相比体积减少20％，并且，从电动机性能指标T(转矩常数/体积)来说，可以提供一种是原来的使用烧结铁氧体的电动机的性能指标的2倍的，具有更高一级的技术标准的高性能电动机。
同时，通过抑制转矩不均匀现象提高了安静性，省略了制造时重复粘贴的工序。
更为佳的是，和烧结铁氧体磁铁相比，磁铁使用量只需要原来的1/4，可以提供一种大量节省资源的高性能电动机。
根据本发明的电动机装置，其永久磁鉄的各向异性稀土类塑胶磁铁的最大磁能积为14MGOe以上。
各向异性稀土类塑胶磁铁，与烧结铁氧体相比具有优越的磁性特性。
根据本发明的电动机装置，电动机壳体的外径(直径)设为r，各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，电磁转子的半径为a，电动机壳体的厚度为w时，电磁转子半径对壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下，而壳体的厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.01以上和0.10以下。
并且，所述电动机壳体包括外轭，电动机壳体外径r即意味着包括外轭等的电动机的外径的直径。
这里，电磁转子半径对壳体外径之比a/r的限制范围，为通常的DC电刷电动机所使用的常识性的范围。当a/r比0.25小时，电磁转子相对于电动机壳体显著为小，从电动机性能指标来看，磁铁及壳体部在设计上是被浪费使用，所以通常为0.25以上。
并且，当a/r为0.5时，电动机壳体外径和电磁转子的直径(2a)相等，所以a/r设定为不到0.5。
并且，从以下的观点出发，壳体的厚度对磁铁厚度之比w/d设定在1＜w/d≤4的范围。对使用铁氧体磁铁的DC电刷电动机来说，因磁铁的磁力弱，壳体厚度对磁铁厚度相对薄些也能达到防止漏磁。而使用各向异性稀土类塑胶磁铁的时候，w/d为1以下时，因磁铁的磁力强，不能抑制漏磁，所以w/d通常为1以上。当w/d大于4时，既使磁铁的磁力强、壳体厚度很大时，虽不出现磁漏现象，但是因为过于增加壳体厚度，达不到小型化，导致电动机性能指标的下降。
一方面，磁铁厚度对壳体外径之比d/r的范围从以下的观点来决定。
永久磁铁的磁力随着磁铁厚度的增加而增加。磁铁厚度对壳体外径之比d/r小于0.01时，反磁场将增大使磁力急剧降低，达不到所要求的转矩。所以，希望磁铁厚度对壳体外径之比d/r在0.01以上。
例如，电动机性能指标T(T＝转矩常数/体积)设为原来的2倍时，即，为了得到原来的2极铁氧体电动机的性能指标T(约为1.3)的2倍T＝2.6，需要磁铁厚度对壳体外径之比d/r在0.1以下。所以，希望磁铁厚度对壳体外径之比d/r在0.01以上和0.10以下。
根据本发明的电动机装置，电动机壳体外径(直径)设为r，各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，电磁转子的半径为a，电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁旋转体半径于壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下，壳体厚度与磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.01以上和在0.08以下。
相当于单位磁铁使用量的电动机装置的性能指标T(即，电动机装置的性能指标T/磁体使用量，以下把这个比S称作[磁效率])，和原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的磁铁性能倍数m倍相等的磁铁厚度对壳体直径之比d/r是0.08。磁铁厚度对壳体直径之比d/r在0.08以下时，本发明的电动机装置的磁铁效率S为原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的磁铁性能倍数m倍以上。因此，磁铁厚度对壳体外径之比d/r小于下限值0.01时，如以上所述，反磁场将增大使磁力急剧降低，达不到所要求的转矩，所以，希望磁铁厚度对壳体外径之比d/r在0.01以上。这样，磁铁厚度对壳体直径之比d/r在0.01以上和0.08以下时，磁铁效率S为原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的磁铁性能倍数m倍以上。这里，磁铁性能倍数m，定义为(各向异性稀土类塑胶磁铁的性能[(BH)max])/(铁氧体烧结磁铁的性能[(BH)max])。例如，各向异性稀土类塑胶磁铁的性能(最大磁能积)为14MGOe，铁氧体磁铁的性能(最大磁能积)3.5MGOe的时候，磁铁性能倍数m为4。并且，磁铁效率S为原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的磁铁性能倍数m倍以上时的磁铁厚度对壳体直径之比d/r，针对各向异性稀土类塑胶磁铁的最大磁能积为14MGOe以上，于此值无关几乎为同一个值0.08。
根据本发明的电动机装置，电动机壳体的外径(直径)设为r，各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，电磁转子的半径为a，电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径于壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下，壳体的厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.01以上和0.05以下。
磁铁厚度与壳体直径之比d/r为0.05以下时，与d/r为0.08时相比，磁石效率S为2倍以上。即本发明的电动机装置的磁铁效率S于原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的磁铁性能倍数m×2倍相等时的磁铁厚度于壳体直径之比d/r为0.05。磁铁厚度与壳体直径之比d/r为0.05以下的时候，本发明的电动机装置的磁铁效率S为原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的磁铁性能倍数m×2倍以上。
例如，各向异性稀土类塑胶磁铁的性能(最大磁能积)为14MGOe，铁氧体磁铁的性能(最大磁能积)3.5MGOe的时候，磁铁性能倍数m为4。因此，磁铁的性能为这个值的时候，磁铁效率S为原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的8倍以上。所以，这个范围为所希望的范围。
根据本发明的电动机装置，电动机壳体的外径(直径)设为r，各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，电磁转子的半径为a，所述电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径对壳体直径之比a/r为0.25以上和小于0.5而言，壳体的厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.02以上和0.05以下。
关于磁铁效率，磁铁厚度与壳体直径之比d/r为0.05以下时，与d/r为0.08时相比，磁石效率S为2倍以上。即磁铁效率S为原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的2×磁铁性能倍数m倍以上。并且，用电动机性能指标T来评价时，磁铁厚度对壳体外径之比d/r在0.02以上和0.05以下的范围时，电动机性能指标T几乎为最大值。针对最大磁能积14MGOe，本发明的电动机装置的电动机性能指标T，能达到原来的2极铁氧体电动机的性能指标T的约2.3倍。针对最大磁能积17MGOe，本发明的电动机装置的电动机性能指标T，能达到原来的2极铁氧体电动机的性能指标T的约2.5倍。并且，针对最大磁能积25MGOe，本发明的电动机装置的电动机性能指标T，能达到原来的2极铁氧体电动机的性能指标T的约为2.6倍。所以，磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.02以上0.05以下的范围，从电动机性能指标T和磁体效率S两方面来看为最有希望的范围。
根据本发明的永久磁铁，配置在DC电刷电动机装置的电磁转子周围，其特点是，所述永久磁铁是最少为4个磁极被着磁的中空圆筒薄形状的各向异性稀土类塑胶磁铁。各向异性稀土类塑胶磁铁，例如，是由ND-FE-B所组成的磁铁粉通过树脂成型来制造的，在一个轴方向上进行了强磁化的磁铁。这种磁铁，和原来的烧结铁氧体磁铁相比具有最大磁能积(BHmax)为4倍以上。
这种薄型化的各向异性稀土类塑胶磁铁特别是应用在1W～300W等级的小型直流电刷式电动机时能得到显著的效果。同时，实现了使用4个以上磁极使每个磁极的磁性回路的磁路长度大幅度地减小，和原来的电动机为同一转矩性能，但体积却为原来的1/2以下，从而实现臆想不到的大幅度小型轻量化，或者是，和原来的电动机相比体积减少20％的同时转矩性能达到2倍以上的电动机装置。
并且，因为这种各向异性稀土类塑胶磁铁是通过树脂成型法来制造的，所以容易进行高精度的成形。这样，电动机壳内周围上的永久磁铁的形状能做成精度高的中空圆筒形状。即通过永久磁铁能使电动机的内部磁场得到精度高的旋转对称。因内部磁场的对称性的精度高，位于中心部的电磁转子均匀地接受转矩来进行转动。这样，能减低原来的转拒不均匀所引起的噪音，获得低噪音的电动机装置。而且，因各向异性稀土类塑胶磁铁是通过树脂成型制成为中空圆筒形状，所以容易组装在电动机壳内。不需要对原来的、对分成2极，或4极的各个烧结铁氧体磁铁进行组装。即这种各向异性稀土类塑胶磁铁具有能使电动机装置的制造工序容易进行的优点。
根据本发明的永久磁铁，各向异性稀土类塑胶磁铁的最大磁能积为14MGOe以上。
各向异性稀土类塑胶磁铁，于烧结铁氧体磁铁相比，具有优越的磁性特性，希望最大磁能积在14MGOe以上。
对最大磁能积为14MGOe以上的各向异性稀土类塑胶磁铁设计为4极以上的磁极的时候，转矩输出高，这时，如果采用转矩同一的条件，能使各向异性稀土类塑胶磁铁的轴方向的长度更加缩小。这样，更加能缩小电动机体积。例如，能缩小到如後所述的使用烧结铁氧体磁铁的原来的电动机装置体积的约50％。
根据本发明的永久磁铁，电动机壳体的外径(直径)为r，各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，电磁转子的半径为a，电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径对壳体直径之比a/r在0.25以上和0.5以下而言，壳体厚度与磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且，磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.01以上和0.10以下。
永久磁铁的磁力与厚度成比例。磁铁厚度对壳体外径之比d/r小于0.01时，反磁场将增大，其结果使磁力急剧降低。在这种条件下做成的电动机，电动机装置得不到所要求的转矩。所以，电动机装置中使用永久磁铁时，希望各向异性稀土类塑胶磁铁的磁铁厚度于壳体外径之比d/r在0.01以上。
用这种各向异性稀土类塑胶磁铁，例如，为得到是原来的2倍的电动机性能指标T(T＝转矩常数/体积)时，即，为了得到原来的2极铁氧体电动机的性能指标T(约为1.3)的2倍T＝2.6，需要磁铁厚度于壳体外径之比d/r在0.1以下。这个条件，例如，可以从後述的在内部电磁转子的外径为同一时的条件来得到。所以，希望磁铁厚度对壳体外径之比d/r在0.01以上和0.10以下。采用本发明的永久磁铁，就能实现比原来噪音低，而且转矩相同而体积减少1/2的电动机，或者是，体积减少20％的转矩约为2倍以上的电动机装置。
本发明的永久磁铁，当电动机壳体的外径(直径)设为r，各向异性稀土类塑胶磁铁的沿径向厚度为d，电磁转子的半径为a，电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径于壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下而言，壳体的厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.01以上和0.08以下。
根据本发明的永久磁铁，当电动机壳体的外径(直径)设为r，各向异性稀土类塑胶磁铁的沿径方向的厚度为d，电磁转子的半径为a，电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径于壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下而言，而壳体的厚度于磁铁厚度之比w/d大于1，小于4，而且，磁铁厚度于壳体直径之比d/r为0.01以上和0.05以下。
根据本发明的的永久磁铁，当电动机壳体的外径(直径)设为r，各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，电磁转子的半径为a，电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径于壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下，而壳体的厚度于磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且，磁铁厚度与壳体直径之比d/r为0.02以上和0.05以下。
以上是对本发明的手段，作用，效果，与在一般普及的2个磁极的(铁氧体)电动机装置相比较的同时予以说明的。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。
(4)附图说明
图1所示为有关本发明的较佳实施例的电动机装置的结构图。
图2所示为有关本发明的其它较佳实施例的电动机装置的结构图。
图3所示为采用铁氧体烧结磁铁的电动机装置和采用各向异性稀土类塑胶磁铁的电动机装置时的磁极数和性能指标之间的特性图。
图4所示为各向异性稀土类塑胶磁铁的最大磁能积为14MGOe(各向异性粘结磁铁(BH)max＝14MGOe)时的性能指标T和比率R(d/r)之间的特性图，图中示出以d/r为参量时其对电动机性能指标T的影响。
图5所示为各向异性稀土类塑胶磁铁的最大磁能积为14MGOe(各向异性粘结磁铁(BH)max＝14MGOe)时的磁铁效率S(＝电动机性能指标T/磁铁使用量)和比率R之间的特性图，图中示出以d/r为参量时其相对于单位磁铁使用量的电动机性能指标T的影响。
图6所示为各向异性稀土类塑胶磁铁的最大磁能积为17MGOe(各向异性粘结磁铁(BH)max＝17MGOe)时的性能指标T和比率R(d/r)之间的特性图，图中示出以d/r为参量时其对电动机性能指标T的。
图7所示为各向异性稀土类塑胶磁铁的最大磁能积为17MGOe(各向异性粘结磁铁(BH)max＝17MGOe)时的磁铁效率S(＝电动机性能指标T/磁铁使用量)和比率R(d/r)之间的特性图，图中示出以d/r为参量时其相对于单位磁铁使用量的电动机性能指标T的影响。
图8所示为各向异性稀土类塑胶磁铁的最大磁能积为25MGOe(各向异性粘结磁铁(BH)max＝25MGOe)时的性能指标T和比率R(d/r)之间的特性图，图中示出以d/r为参量时其对电动机性能指标T的影响。
图9所示为各向异性稀土类塑胶磁铁的最大磁能积为25MGOe(各向异性粘结磁铁(BH)max＝25MGOe)时的磁铁效率S(＝电动机性能指标T/磁铁使用量)和比率R(d/r)之间的特性图，图中示出以d/r为参量时其相对于单位磁铁使用量的电动机性能指标T的影响。
图10所示为本发明的电动机装置的电刷的位置的结构图。
图11所示为本发明的电动机装置的绕线的结构图。
(5)具体实施方式
以下，对本发明的实施形态加以说明。但是，本发明不限定于以下的实施形态。
(实施例1)
本实施例的电动机装置之一例如图1(a)，(b)所示。其中图1(a)为侧面图而图1(b)为沿图1(a)的AA’线所取的截面图。本实施例目的是使电动机装置小型化。本实施例的电动机装置，包括：壳体12，壳体12的内周围上配置的中空薄圆筒形状的为永久磁铁的各向异性稀土类塑胶磁铁13，和在中心部配置的形成电磁转子的转子铁心(armature)14；缠绕在转子铁心14上的线圈15，位于转子铁心14的中心部的转轴11，起防止漏磁的为磁通阻挡环的外轭10。并且，外轭为电动机壳体的一部分。在磁性回路机能上来看电动机壳体和外轭具有同样的机能。本实施例中，外轭的外径相当于壳体的外径。为了进行体积的比较，原来的2个磁极的电动机装置如图1(c)、(d)所示。这里，为进行两者的比较，假设转子铁心14的直径同一。而且，各向异性稀土类塑胶磁铁13采用的是由申请人开发的近年来才能达到量产的磁体。例如，公开号P2001-7691A、登记号第2816668号、登记号第3060104号的制造方法来制造的磁铁。这种各向异性稀土类塑胶磁铁，其最大磁能积为14MOe到25MOe，都为现在能够制造的磁铁。
本实施例的电动机装置((a)，(b))和原来的电动机装置((c)，(d))的不同之处，是用ND-FE-B所组成的中空薄圆筒形状的各向异性稀土类塑胶磁铁13代替了原来的电动机装置的为永久磁铁的烧结铁氧体磁铁23。并且，为4个磁化磁极使大幅度地减少了每个磁极的磁性回路的磁路长度，使转子铁心14所接受的转矩得到增大。各向异性稀土类塑胶磁铁13，是由ND-FE-B所组成的磁铁粉通过树脂成型来制造的，在径方向上进行了强磁化的磁铁。各向异性稀土类塑胶磁铁的材料，除了ND-FE-B以外，可以采用ND-FE-B系的材料，例如，含有ND和ND以外的稀土类元素，或含有其它的添加元素的材料。而且，可以采用含有除ND以外的稀土类元素的材料，例如，SM-FE-N系的材料，SMCO系材料，还有，ND-FE-B系材料和这些材料的混合物质。并且，塑胶磁铁也可以称为塑性磁铁。这种磁铁，与原来的烧结铁氧体磁铁相比具有最大磁能积(BHmax)为4倍以上。即，与标准的烧结铁氧体磁铁最大磁能积(BHmax)3.5MGOe相比，具有它的约4倍14MGOe以上最大磁能积。这意味着当电动机转矩和原来的相同(同一转矩的条件)时，永久磁铁的厚度有可以缩小到约1/4的可能性。
相对永久磁铁的缩小，电动机壳体(外轭10)的直径(壳体外径)为r，中空圆筒形状的各向异性稀土类塑胶磁铁13的厚度(磁铁厚度)为d，为电磁转子的转子铁心14的半径(电磁转子半径)为a，电动机壳体的厚度(壳体12加上外轭10的厚度)为w时，电磁转子半径对壳体外径之比a/r为0.25以上和0.5以下，而壳体厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且，磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.01以上和0.10以下(小型化条件)。
磁铁厚度与壳体外径之比d/r的下限条件为0.01时，因反磁场的急剧增大使磁力降低，达不到所要求的电动机转矩。而且，磁铁厚度与壳体外径之比d/r的上限条件，是电动机性能指标T(T＝转矩常数/体积)为原来的约2倍。即，是将体积缩小1/2，或者是将转矩提高2倍的条件。例如，当原来的2磁极铁氧体电动机的性能指标约为1.3时，性能指标T的条件为T＝2.6。根据这个条件，实现了在後要叙述的转矩相同的体积减小了50％的小型电动机。
例如，采用烧结铁氧体磁铁23的原来的电动机装置，外轭10(电动机壳体)的外径为38mm，内径为32mm，电动机的输出(转矩)为75.7(mN·m/A)，其体积约为56.1cm3。烧结铁氧体磁铁23，其外径为32mm，内径为24mm，径方向长度(厚度)约为4mm。所以，a/r＝0.30，w/d＝0.75，d/r为0.11。
另一方面，得到同一转矩的本实施例装置的电动机装置，其外轭10(电动机壳体)的外径r＝31mm，内径为26mm，其体积约为24.5cm3。各向异性稀土类磁铁13，其外径为26mm，内径为24mm，径方向长度d＝1mm，4个极磁化。通过用4个磁极减小了磁性回路的磁路长度。a/r＝0.37，w/d＝2.5，d/r为0.03。这样设定的话，和原来为同一转矩时，可以实现为原来电动机装置体积的44％的体积。而且，性能指标T为3.09，于原来电动机装置的1.35相比可以得到为2.3倍的性能指标。
本实施例，是以转矩为同一的条件来选择外轭的厚度。这是因为本实施例的各向异性稀土类塑胶磁铁13采用了4个磁极。原来的外轭厚度约为17.5mm，本实施例的外轭厚度约为9.8mm。通过把电动机装置后部所放置的交直流变换器装置作为共同部分，来决定电动机装置的轴方向上的长度。这样，针对原来的电动机装置轴方向的长度LF约为50mm，本实施例的电动机装置轴方向的长度LN约为33mm，长度缩小率LN/LF约为0.66。并且，在重量上，原来的电动机装置为245g，本实施的电动机装置为119g，比元来减少了49％。
本实施例的各向异性稀土类塑胶磁铁13是通过树脂成型法来制造的，所以容易成形高精度的中空圆筒形状。这样，各向异性稀土类塑胶磁铁13容易得到对称性精度高的磁化。因在电动机装置内部将会产生对称性精度高的磁场，转子铁心14接受到均匀转矩。因此，旋转时，不发生向原来一样的噪音。获得低噪音的电动机装置。
对烧结铁氧体2个磁极电动机，各向异性稀土类粘结4个磁极电动机，在前面已进行了叙述，现将烧结铁氧体4个磁极电动机，各向异性稀土类粘结2个磁极电动机作为比较例表示在表1中。[表1]
    磁铁种类 铁氧体  铁氧体  铁氧体  各向异性  各向异性  各向异性
磁铁(烧结，粘结) 烧结  烧结  烧结  塑胶  塑胶  塑胶
最大磁能积 3.5MGOe  3.5MGOe  3.5MGOe  17MGOe  17MGOe  17MGOe
磁极数 2  4  6  2  4  6
磁铁尺寸 直径(mm) φ32～φ24  φ32～φ24  φ32～φ24  φ28～φ24  φ26～φ24  φ25.4-φ24
厚度(mm) 4  4  4  2  1  0.7
长度(mm) 21135[deg.]瓦×2枚  1867.5[deg.]瓦×4枚  1845[deg.]瓦×6枚  12.25环状  11.3环状  12.42环状
直径(mm) φ38～φ32  φ38～φ32  φ38～φ32  φ34～φ28  φ31～φ26  φ28.4～φ25.4
厚度(mm) 3  3  3  3  2.5  1.5
长度(mm) 49.5  46.5  46.5  42.75  33  35.12
转子铁心厚度(mm) 17.5  15  15  10.75  9.8  10.8
转矩常数(mN·m/A) 75.7  75.7  75.7  75.7  75.7  75.7
电动机体积(cm3) 56.13  52.7  52.7  38.8  24.5  22.25
电动机重量(g) 245  229  229  148  119  100
性能指标mN·m/(A·cm3) 1.35  1.44  1.44  1.95  3.09  3.40
本实施例的壳体外径和外轭外径相同。
外轭材料：            SPCC
转子铁心材料、尺寸：  硅素钢板，φ23mm
线圈的绕线方式、圈数：145圈(turn)
电流值：              1A
固定条件：将转子铁心的外径同一设为φ23mm，通过改变轴方向的厚度，使转矩为同一。
为了更加容易地说明所述表的结果，将性能指标和磁极数的关系用图3来表示。如图3所示，对原来的烧结铁氧体2个磁极电动机，只把磁铁的材料替换成各向异性稀土类塑胶磁铁时的各向异性稀土类粘结2个磁极电动机、及只把磁极数从2个磁极换成4个磁极时的烧结铁氧体4个磁极电动机，其性能指标停留在1.2～2.0的范围，得不到大的改善。因此，本实施例，通过采用各向异性稀土类塑胶磁铁和4个磁极使性能指标达到了3.09。这个值为原来的烧结铁氧体2磁极电动机的性能指标的2.3倍，实现了性能指标的提高。
(实施例2)
第1实施例，是通过采用各向异性稀土类塑胶磁铁，使原来的电动机小型化的例子。采用这种各向异性稀土类塑胶磁铁时，通过调整其径向的厚度，也可以增加电动机装置的转矩。即，本实施例为用各向异性稀土类塑胶磁铁使转矩提高2倍的例子。
例如，采用了烧结铁氧体磁铁23的原来的电动机装置的转矩常数，为75.7(mNom/A)，其体积约为56.1cm3，即电动机性能指标T＝1.35，原来的电动机装置的尺寸与第1实施例中说明的相同。
本实施例的电动机装置如图2所示，本实施例中，在电磁转子半径与壳体外径之比a/r为0.25以上，而不到0.5，壳体的厚度与磁铁厚度之比w/d超过1，而在4以下的条件下，根据所述小型化条件(0.01≤d/r≤0.1)，设定为以下的尺寸。电动机壳体(外轭10)的外径r＝34mm，内径28mm，各向异性稀土类塑胶磁铁13的外径为28mm，内径为24mm，厚度为2mm的4个磁极。这时，a/r＝0.34、w/d＝1.5、d/r为0.06。磁极为4个所以减小了磁性回路的磁路长。本实施例的电动机，设计为能获得为原来约为2倍的转矩(155.5mNom/A)。这时的体积为41.2cm3，体积减小到原来的27％，针对原来电动机装置的重量245g本实施例的电动机装置的重量为185g，减轻了76％。
并且，和第1实施例一样，由于各向异性稀土类塑胶磁铁13是由精度高的中空圆筒形状形成，所以能产生对称性精度高的磁场。因此，得到了输出高且噪音低的电动机装置。
(实施例3)
针对第1实施例的电动机，和为本发明的对象的低输出水平的DC电刷电动机，针对为常识条件的(1)电磁转子半径对壳体外径之比a/r为0.25以上和0.5以下，(2)壳体厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4的条件，通过改变各向异性稀土类塑胶磁铁13的磁铁厚度于壳体外径之比d/r＝R(以下，称为比率R)评价电动机装置的性能指标T。各向异性稀土类塑胶磁铁13的最大磁能积为14MGOe时的特性表示在图4中。对比率R为0.01以上0.10以下的范围，性能指标为原来的2极铁氧体电动机的性能指标T(约为1.3)的2倍。特别是，下限值不在0.01以上时，既是使用25MGOe的强力磁铁，也得不到为所述的原来电动机性能指标的2倍的优越特性。
同样，各向异性稀土类塑胶磁铁13的最大磁能积为17MGOe、25MGOe时的特性表示在图6、图8上。随着最大磁能积的增大，整体上性能指标T增大。
接着，当各向异性稀土类塑胶磁铁13的体积为v时，塑胶磁铁的单位体积的性能指标T，即，T/v为磁铁效率S时，求出了磁铁效率S对比率R的变化特性。
最大磁能积为14MGOe、17MGOe、25MGOe时的特性各自表示在图5、图7、图9上。比率R在0.01以上、0.08以下的时，磁铁效率S为原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的磁铁性能倍数m倍以上。这个特征，对最大磁能积为14MGOe以上也成立。
当比率R为0.05以下时，磁铁效率S和R为0.08时的相比为2倍以上，即，磁铁效率S为原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的2×磁铁性能倍数m倍以上。这意味着，具有磁铁性能倍数m的2倍的磁铁效率。这时，与铁氧体磁铁相比，以磁铁性能倍数m的2倍的效率，能提高相对于单位磁铁使用量的电动机装置的性能指标T。这个特征，对最大磁能积为14MGOe以上也成立。
在比率R为O.02以上、0.05以下的范围时，磁铁效率S和d/r为0.08时的相比为2倍以上，即，磁铁效率S为原来的2极铁氧体电动机的磁铁效率的2m倍以上。并且，用电动机性能指标T来评价时，磁铁厚度对壳体外径之比d/r在0.02以上、0.05以下的范围时，电动机性能指标T几乎为最大值。针对最大磁能积为14MGOe，能获得为原来的2极铁氧体电动机的性能指标T的约2.3倍。针对最大磁能积为17MGOe，能获得为原来的2极铁氧体电动机的性能指标T的约2.5倍。并且，针对最大磁能积为25MGOe，能获得为原来的2极铁氧体电动机的性能指标T的约2.6倍。这个特征，对最大磁能积为14MGOe以上也成立。
因此，从电动机性能指标T和磁体效率S两方面来看，可以说磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.02以上0.05以下的范围，为最希望的范围。
对磁铁效率S考虑如下。当转矩常数为τ，电动机装置的体积为V，各向异性稀土类塑胶磁铁的体积为v，电动机壳体的外径(直径)为r，各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，磁铁厚度于壳体直径之比d/r为R，电磁转子的半径为a，电动机壳体的厚度为w，电动机装置的实效长度为L，忽略电磁转子和各向异性稀土类塑胶磁铁之间的空隙时，以下算式成立。
【1】
2a+2d+2w＝r                              …(1)
【2】
R＝d/r                                   …(2)
【3】
V＝πr2L/4                              …(3)
【4】
v＝π{(a+d)2-a2}L                      …(4)
因为D＜a、
【5】
v＝2πadL                                …(5)
所以、磁铁效率S为以下所示。
【6】
S＝τ/(Vv)
 ＝2τ/{π2L2 adr2}
 ＝2r/{π2L2(r/2-d-w)dr2}             …(6)
把d＝Rr代入(6)式，可得到下式。
【7】
S＝2τ/{π2L2(r/2-Rr-w)Rr3}
 ＝τ/{π2L2r3((1-2R)r-2w)R}      …(7)
这个特性，如图5、图7、图9所示。
(实施例4)
制造了尺寸和实施例1相同，6个磁极的电动机。这个电动装置的尺寸及其特性如表1所示。同样，也对采用铁氧体磁铁的6个磁极的电动机进行了性能指标的评价。这个电动机装置的尺寸及其特性如表1所示。关于性能指标，得到了如图3所示的特性。从这个特性得到的是，本发明的采用了各向异性稀土类塑胶磁铁的电动机装置的性能指标T，从2磁极增加到4磁极时，性能指标T飞跃性地增加，从4个磁极增加到6个磁极时，性能指标T为4磁极的1.10倍，2磁极的1.74倍。这些值，对使用铁氧体磁铁的原来电动机装置的性能指标T，随磁极个数几乎不变。即，从4个磁极增加到6个磁极时，性能指标T对4个磁极完全不发生变化，6磁极电动机的性能指标T停止在为2磁极电动机的性能指标的1.07倍上。从此结果可以得到，本发明的采用了各向异性稀土类塑胶磁铁的电动机装置，通过采用4个磁极及6个磁极，可以获得原来采用了铁氧体磁铁的电动机所预测不到的效果。
(实施例5)
关于第1实施例的电动机，如图10所示，配置有电刷30a、30b。即，电刷间的配设方位不是180度，而是以90度的方位来配置的。这样，没有电刷的空间如图10所示的领域Q就比较宽，在这个领域Q上能配置电路。而且，当为6个磁极时，将2个电刷以60度间隔来配置，同样能确保宽的空间。为8个磁极时，以22.5度、67.5度的间隔来配置2个电刷，同样能确保宽的空间。
使用向这种电刷2磁极构造的电动机时，例如，4磁极电动机的时候，可以采用如图11所示的绕线方式。
(变形实例)
所述实施例是为本发明的实施形态的一个具体例，可以考虑其它的各式各样的变形实例。例如，所述实施例中各向异性稀土类塑胶磁铁13为4个磁极，也可以采用4个以上的磁极。例如，可以采用6个磁极、8个磁极。磁极数越多，磁路长越短，将使转子铁心线圈的横切磁通量增加。并且，各向异性稀土类塑胶磁铁13，容易精度高的磁化，所以能实现高输出的低噪音的电动机装置。
并且，所述实施例中的各向异性稀土类塑胶磁铁13，是以树脂成型来形成的，树脂成型後，也可以通过切削等来进行更高精度的加工。这样能更加提高尺寸精度，得到不发生转矩不均匀的低噪音的电动机装置。

Claims (12)

1.一种电动机装置，由在直流电刷电动机壳内的周围上配置的永久磁铁和在中心部配置的电磁转予所组成的，其特征在于：
所述永久磁铁，为最少具有4个磁极的中空薄圆筒形状的各向异性稀土类塑胶磁铁。
2.如权利要求1所述的电动机装置，其特征在于，所述各向异性稀土类塑胶磁铁，其最大磁能积为14MGOe以上。
3.如权利要求1或2所述的电动机装置，其特征在于：
所述电动机壳体的外直径设为r，所述各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，所述电磁转子的半径为a，所述电动机壳体的厚度为w时，电磁转子半径对壳体外直径之比a/r为0.25以上和0.5以下；
壳体的厚度对磁铁厚度的比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径的比d/r为0.01以上和0.10以下。
4.如权利要求1或2所述的电动机装置，其特征在于：
所述电动机壳体的外直径设为r，所述各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，所述电磁转子的半径为a，所述电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径与壳体外直径之比a/r为0.25以上和0.5以下而言，壳体的厚度与磁铁厚度的比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.01以上和0.08以下。
5.如权利要求1或2所述的电动机装置，其特征在于：
所述电动机壳体的外直径设为r，所述各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，所述电磁转子的半径为a，所述电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径与壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下而言，壳体的厚度对磁铁厚度的比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径的比d/r为0.01以上和0.05以下。
6.如权利要求1或2所述的电动机装置，其特征在于：
所述电动机壳体的外直径设为r，所述各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，所述电磁转子的半径为a，所述电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径对壳体直径的比a/r为0.25以上和0.5以下而言，壳体的厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且，磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.02以上和0.05以下。
7.一种配置在权利要求1所述的电动机装置中的永久磁铁，它布置在直流电刷式电动机壳内周部的电磁转子周围，其特征在于：
所述永久磁铁，最少为4个磁极被磁化的中空圆筒薄形状的各向异性稀土类塑胶磁铁。
8.如权利要求7所述的永久磁铁，其特征在于：
所述各向异性稀土类塑胶磁铁，其最大磁能积为14MGOe以上。
9.如权利要求7或8所述的永久磁铁，其特征在于：
所述电动机壳体的外直径设为r，所述各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，所述电磁转子的半径为a，所述电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径对壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下而言，壳体的厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.01以上和0.10以下。
10.如权利要求7或8所述的永久磁铁，其特征在于：
所述电动机壳体的外直径设为r，所述各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，所述电磁转子的半径为a，所述电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径对壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下而言，壳体的厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.01以上和0.08以下。
11.如权利要求7或8所述的永久磁铁，其特征在于：
所述电动机壳体的外直径设为r，所述各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，所述电磁转子的半径为a，所述电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径对壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下，壳体的厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.01以上和0.05以下。
12.如权利要求7或8所述的永久磁铁，其特征在于：
所述电动机壳体的外直径设为r，所述各向异性稀土类塑胶磁铁的径向厚度为d，所述电磁转子的半径为a，所述电动机的壳体的厚度为w时，针对电磁转子半径对壳体直径之比a/r为0.25以上和0.5以下，壳体的厚度对磁铁厚度之比w/d大于1和小于4，而且磁铁厚度对壳体直径之比d/r为0.02以上和0.05以下。
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