JP2003333817A - Ｄｃブラシモータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】１〜３００Ｗクラスのモータ装置を小型化する
こと。 【解決手段】ブラシモータ装置において、励磁磁石を中
空円筒形状の異方性ボンド磁石１３で形成する。そして
４極に着磁する。異方性ボンド磁石１３は、従来の焼結
フェライト磁石に比べて約４倍の最大エネルギー積を有
する。４極着磁とすれば、１極当たりの磁気回路の磁路
長が低減されトルク付与に寄与する磁力が増大する。ト
ルクを従来と同一とすれば電磁回転体長さと永久磁石の
軸方向長さが縮小できる。これにより、１〜３００Ｗク
ラスのモータ装置を小型化することができる。また、２
つのブラシは９０度間隔で設けられているので、空いた
空間に電子回路などを配置することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＤＣブラシモータ
装置及びそれに用いられる永久磁石に関する。特に、永
久磁石に異方性希土類ボンド磁石を用い、小型化、高ト
ルク化を可能にしたＤＣブラシモータ装置及びその永久
磁石に関する。本発明は、例えば、１Ｗ〜３００Ｗクラ
スの高性能小型ＤＣブラシモータ装置に適用すると、そ
の効果が高いものである。

【０００２】

【従来の技術】

【特許文献１】特開２００１−７６９１７号公報

【特許文献２】特許第２８１６６６８号公報

【特許文献３】特許第３０６０１０４号公報

【０００３】１９６０年以前は、小型モータは磁石を使
用しない誘導ブラシモータが使用されていた。１９６０
年代に入り、安価で磁石の最大エネルギー積（Ｂ
Ｈ_max ）４ＭＧＯｅ級のフェライト磁石の登場により、
１〜３００Ｗ程度の消費電力小型ブラシモータが登場
し、その後、４０年間に渡り使用されてきた。それは、
モータ筐体内周に瓦状の焼結フェライト磁石を、２極、
又は４極配置し、それらの中心部に巻き線が巻かれた電
磁回転体が配置された構成である。駆動時には、回転軸
に配設されたブラシによって、巻き線に流れる電流方向
を変化させ、周囲の焼結フェライト磁石による磁場と電
流との相互作用によるローレンツ力によって電磁回転体
を回転させる仕組みである。これらのモータに対して近
年小型化の要請があったが、焼結フェライト磁石は焼結
時に収縮するため、肉厚の薄い焼結フェライト磁石を製
作することができず、モータの小型化ができなかった。
又、磁力も弱いため、焼結フェライト磁石では大出力モ
ータを実現することができなかった。

【０００４】又、大出力を得るため大径のモータにしよ
うとすると、フェライト焼結磁石は円周方向に長く製造
できないため２極で製造できず、やむを得ず４極で製造
していた。その場合、焼結フェライト磁石を用いて磁極
を４極とした場合、大きさ及び重量が増大し、モータ性
能指標（トルク定数／体積）が向上するものではなかっ
た。又、上記焼結により焼結フェライト磁石形状もそれ
ぞれ、湿度等の環境条件、焼結条件によって異なり、完
全には同一寸法の瓦状の焼結フェライト磁石を得ること
が困難であった。更に、上記焼結フェライト磁石は上記
モータ筐体に分割して配置する必要がある。そのため、
その配置精度により磁場の対称性に誤差が生じ、その結
果、回転時にはトルクムラが生じ、異音を発生するとい
う弊害もあった。１９９０年代後半になり、フェライト
磁石に対し約４倍の磁石の最大エネルギー積（Ｂ
Ｈ_max ）１４ＭＧＯｅ以上を有する高磁気特性、高い成
形性を有する異方性希土類ボンド磁石が登場し、モータ
への運用が模索され始めていた。

【０００５】しかし、モータメーカでは、現状のフェラ
イト使用の小型ブラシモータに使用して４倍の最大エネ
ルギー積を持つ磁石を使用しても、単純に置き換えれ
ば、モータ性能は２０％程度の性能向上に止まり、小型
化についてはバックヨークが２倍以上必要になり、むし
ろ大型化してしまい採用できないものであった。更に、
モータ性能はアーマチャ形状、性能、バックヨーク厚
さ、材質、巻き線等の多要因によるため、性能向上の効
果は２０％程度しか期待できないとされ、以来数年に渡
り採用されて来なかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に記述
した小型ブラシモータ業界において長年の問題を解決し
たものであり、その目的は、従来のモータと同一性能で
体積を１／２にするという大幅な小型化・軽量化、若し
くは、従来のモータと２０％体積を減少させつつ性能を
２倍にするという大幅な高性能化することである。又、
モータ性能指標Ｔ（トルク定数／体積）で言い換えれ
ば、焼結フェライト使用の従来のモータの性能指標Ｔの
２倍という技術水準の異なる高性能モータを提供するこ
とである。又、同時に、トルクムラの抑制による静粛性
の向上、製造時の磁石の複数枚の張り付け工程の省略を
することである。又、さらに好ましくは、焼結フェライ
ト磁石に比べ、磁石使用量を１／４以下にと大幅に減ら
すという省資源化をした高性能モータを提供することで
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び発明の作用効果】請求
項１に記載のＤＣブラシモータ装置は、ＤＣブラシモー
タの筐体内周部に配置した永久磁石と、中心部に配置し
た電磁回転体からなるＤＣブラシモータ装置であって、
前記永久磁石は、最大エネルギー積が１４ＭＧＯe 以上
であり、４磁極に着磁された中空円筒状の薄肉形状な異
方性希土類ボンド磁石であり、２つのブラシは９０度の
位置関係に配置されていることを特徴とするＤＣブラシ
モータ装置である。

【０００８】また、請求項２に記載のＤＣブラシモータ
装置は、ＤＣブラシモータの筐体内周部に配置した永久
磁石と、中心部に配置した電磁回転体からなるＤＣブラ
シモータ装置であって、前記永久磁石は、最大エネルギ
ー積は１４ＭＧＯe 以上であり、６磁極に着磁された中
空円筒状の薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であり、
２つのブラシは６０度間隔で設けられていることを特徴
とするＤＣブラシモータ装置である。この構成により広
い空間を形成することができ、この空間に電子回路を配
置することができる。以下の本発明の手段、作用及び効
果は、一般に普及しているこの２極の（フェライト）モ
ータ装置との比較で説明する。

【０００９】本発明に採用した異方性ボンド磁石は、出
願人によって提案された特開２００１−７６９１７号公
報、特許第２８１６６６８号公報、特許第３０６０１０
４号公報の製造方法で作製される磁石であって、例え
ば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる磁粉を樹脂成型することに
より製造され、１軸方向に強く磁化される磁石である。
この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大
エネルギー積（ＢＨ_max）が４倍以上となる特徴があ
る。本発明者は、この異方性希土類ボンド磁石のポテン
シャルをいかに引き出し得るかを鋭意検討した結果、特
に、１〜３００Ｗ級の小型ブラシモータに適用する場合
に効果が大きいことを見い出した。そして、高性能異方
性希土類ボンド磁石を使用することにより磁石を薄型化
し、同時に、磁極を４極以上とすることにより１極当た
りの磁気回路の磁路長を大幅に低減することができ、全
体として従来では到底考えられない、従来のモータと同
一トルク性能で体積を約１／２にするという大幅な小型
化・軽量化、若しくは、従来のモータに対して約２０％
体積を減少させつつトルク性能を約２倍にするという大
幅な高性能化するという画期的な効果を得ることができ
た。

【００１０】又、この異方性希土類ボンド磁石は樹脂成
形で形成されるので、容易に精度よく形成される。これ
により、モータ筐体内周部の永久磁石形状を精度のよい
中空円筒形状とすることができる。即ち、永久磁石によ
るモータ内部磁場を精度のよい回転対称とすることがで
きる。内部磁場の対称性が高精度となるので、中央部の
電磁回転体は均一にトルクを受け回転することができ
る。よって、従来のようなトルクムラによる異音が低減
されて、より静粛なモータ装置となる。又、異方性希土
類ボンド磁石は中空円筒形状に樹脂成形されるので、モ
ータ装置筐体への組み付けも容易となる。従来のよう
に、分離された２極、又は４極の焼結フェライト磁石を
それぞれ組み付ける必要がない。即ち、製造工程も容易
とする利点がある。

【００１１】なお、上記のＤＣブラシモータ装置におい
て、以下の手段を適宜採用することが望ましい。ＤＣブ
ラシモータ装置において、モータ筐体外径（直径）を
ｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さをｄ、電磁回
転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとする時、電磁
回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５
未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超
え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒ
は０．０１以上、０．１０以下とすることが望ましい。
なお、上記のモータ筐体はバックヨークを含む概念であ
り、モータ筐体外径ｒは、バックヨークなどを含むモー
タ装置の外径の直径の意味で用いられている。ここで、
電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒの限定範囲は、通
常、ＤＣブラシモータで使用されている常識的な範囲で
ある。ａ／ｒが０．２５より小さい場合は、モータ筐体
に対して電磁回転体が著しく小さくなり、モータ性能指
標の観点からすれば、磁石及び筐体部が無駄に使用され
た設計となることが明らかであるため、通常、０．２５
以上としている。又、ａ／ｒが０．５の時に、モータ筐
体外径と電磁回転体の直径（２ａ）とが等しくなるため
に、ａ／ｒは当然に０．５未満となる。又、１＜筐体厚
さ対磁石厚さ比ｗ／ｄ≦４の範囲は次の観点から設定さ
れている。フェライト磁石を使用したＤＣブラシモータ
の場合には、磁石の磁力が弱いために、磁石厚さに対し
て筐体厚さが薄くても十分磁気漏洩を防ぐ設計が可能と
なっている。それに対して、異方性希土類ボンド磁石を
使用した場合には、ｗ／ｄが１以下の時には、磁石の磁
力が強力なために磁気漏洩を防ぐことが出来なくなるの
で、ｗ／ｄは、通常１以上である。ｗ／ｄが４より大き
くなると、磁石の磁力が強力であっても、筐体厚さが厚
くなり過ぎ、磁気漏洩はなくなるものの、無駄に筐体厚
さを増加させることになり、十分な小型化でできなくな
り、ひいては、モータ性能指標が劣化する。

【００１２】一方、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒの範囲
は次の観点から決定されている。永久磁石の磁力は磁石
厚さに応じて増加する。磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは
０．０１より小さくなると、反磁場が大となり急激に磁
力が低下し、従来の所定トルクを得ることができない。
よって、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上が
望ましい。

【００１３】又、例えばモータ装置の性能指標Ｔ（Ｔ＝
トルク定数／体積）を従来の２倍とするためには、即
ち、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔ（約１．
３）の２倍となるＴ＝２．６を得るには、磁石厚さ対筐
体外径比ｄ／ｒを０．１以下とする必要がある。よっ
て、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは、０．０１以上、
０．１０以下であることが望ましい。この構成を採用す
れば、請求項１又は請求項２に記載のモータ装置を確実
に実現することができる。

【００１４】又、ＤＣブラシモータ装置において、モー
タ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径
方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚
さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが
０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚
さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ
対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上、０．０８以下とす
るのが望ましい。単位磁石使用量当たりのモータ装置の
性能指標Ｔ（即ち、モータ装置の性能指標Ｔ／磁石使用
量、以下この比Ｓを「磁石効率」という）が、従来の２
極フェライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ倍に等
しくなる磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０８であ
る。磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０８以下の時
に、本発明のモータ装置の磁石効率Ｓは従来の２極フェ
ライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ倍以上とな
る。しかしながら、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒの下限
値０．０１より小さくなると、上述したように、反磁場
が大となり急激に磁力が低下し、従来の所定トルクを得
ることができないので、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは
０．０１以上が望ましい。このように、磁石厚さ対筐体
外径比ｄ／ｒが０．０１以上、０．０８以下の場合に
は、磁石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効
率の磁石性能倍数ｍ倍以上となる。ここで、磁石性能倍
数ｍは、（異方性ボンド磁石の性能［（ＢＨ）_max ］）
／（フェライト焼結磁石の性能〔（ＢＨ）_max 〕で定義
される。例えば、異方性ボンド磁石の性能（最大エネル
ギー積）が１４ＭＧＯe 、フェライト焼結磁石の性能
（最大エネルギー積）が３．５ＭＧＯe の場合には、磁
石性能倍数ｍは、４となる。尚、磁石効率Ｓが従来の２
極フェライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ倍とな
る時の磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは、異方性ボンド磁
石の最大エネルギー積が１４ＭＧＯe 以上において、そ
の値にかかわらずほぼ同一値である０．０８をとってい
る。

【００１５】又、ＤＣブラシモータ装置において、モー
タ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径
方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚
さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが
０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚
さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ
対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上、０．０５以下とす
るのが望ましい。又、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが
０．０５以下となると、磁石効率Ｓはｄ／ｒが０．０８
の時に比べて２倍以上となる。即ち、本発明のモータ装
置の磁石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効
率の磁石性能倍数ｍ×２倍に等しくなるときの磁石厚さ
対筐体外径比ｄ／ｒが０．０５である。磁石厚さ対筐体
外径比ｄ／ｒが０．０５以下の時に、本発明のモータ装
置の磁石効率Ｓは従来の２極フェライトモータの磁石効
率の磁石性能倍数ｍ×２倍以上となる。例えば、異方性
ボンド磁石の性能（最大エネルギー積）が１４ＭＧＯe
、フェライト焼結磁石の性能（最大エネルギー積）が
３．５ＭＧＯe の場合には、磁石性能倍数ｍは、４とな
る。よって、磁石の性能がこれらの値の場合には、磁石
効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の８倍
以上となる。よって、この範囲はさらに望ましい範囲と
なる。

【００１６】又、ＤＣブラシモータ装置において、モー
タ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径
方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚
さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが
０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚
さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ
対筐体外径比ｄ／ｒは０．０２以上、０．０５以下とす
るのが望ましい。磁石効率Ｓに関しては、磁石厚さ対筐
体外径比ｄ／ｒが０．０５以下となると、磁石効率Ｓは
ｄ／ｒが０．０８の時に比べて２倍以上、即ち、磁石効
率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の２×磁
石性能倍数ｍ倍以上となる。又、モータ性能指標Ｔで評
価すると、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０２以
上、０．０５以下の範囲の時に、モータ性能指標Ｔはほ
ぼ最大値をとる。最大エネルギー積が１４ＭＧＯe にお
いて、本発明のモータ装置のモータ性能指標Ｔは、従来
の２極フェライトモータの性能指標Ｔの約２．３倍が得
られる。最大エネルギー積が１７ＭＧＯe においては、
本発明のモータ装置のモータ性能指標Ｔは、従来の２極
フェライトモータの性能指標Ｔの約２．５倍が得られ
る。又、最大エネルギー積が２５ＭＧＯe においては、
本発明のモータ装置のモータ性能指標Ｔは、従来の２極
フェライトモータの性能指標Ｔの約２．６倍が得られ
る。よって、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０２以
上で０．０５以下の範囲は、モータ性能指標Ｔと磁石効
率Ｓとの両者の観点から最も望ましい範囲といえる。

【００１７】又、永久磁石において、異方性希土類ボン
ド磁石は、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる磁粉を樹脂
成型することにより製造され、１軸方向に強く磁化され
る磁石である。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石
と比較して最大エネルギー積（ＢＨ_max ）が４倍以上と
なる特徴がある。

【００１８】本発明者は、この異方性希土類ボンド磁石
のポテンシャルをいかに引き出しうるかを鋭意検討した
結果、この磁石を薄型化して、特に、１〜３００Ｗ級の
小型ブラシモータに採用すること顕著な効果が得られる
ことを見い出した。同時に磁極を４極以上として１極当
たりの磁気回路の磁路長を大幅に低減すると、従来のモ
ータと同一トルク性能で体積を１／２以下にするという
従来では到底考えられない大幅な小型化・軽量化、若し
くは従来のモータに対して約２０％体積を減少させつつ
トルク性能が約２倍以上となるモータ装置を実現するこ
とができることを見い出した。

【００１９】又、この異方性希土類ボンド磁石は樹脂成
形で形成されるので、その形状は精度よく形成される。
これにより、モータ筐体内周部の永久磁石形状を精度の
よい中空円筒形状とすることができる。即ち、この磁石
を採用すれば、モータ内部の磁場を精度のよい回転対称
とすることができる。内部磁場を高精度に対称とするこ
とができるので、中央部の電磁回転体は均一にトルクを
受けることになる。よって、この磁石を採用すれば従来
のようなトルクムラによる異音が低減されて、より静粛
なモータ装置を実現することができる。又、異方性希土
類ボンド磁石は精度よく中空円筒形状に樹脂成形される
ので、モータ装置筐体への組み付けも容易となる。従来
のように、分離された２極、又は４極の焼結フェライト
磁石をそれぞれ組み付ける必要がない。即ち、この異方
性希土類ボンド磁石はモータ装置の製造工程を容易とす
る利点もある。

【００２０】尚、最大エネルギー積１４ＭＧＯe 以上の
異方性希土類ボンド磁石に４極以上の磁極を設けた場合
は、トルクは更に高出力となるが、ここで、更にトルク
同一の条件を採用すれば、異方性希土類ボンド磁石の軸
方向の長さを更に縮小することができる。よって、更に
モータ容積を縮小することができる。例えば、後述する
ように焼結フェライト磁石を用いた従来のモータ装置容
積の約５０％とすることができる。

【００２１】又、永久磁石において、モータ筐体外径
（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さを
ｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとす
る時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以
上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄ
が１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径
比ｄ／ｒは０．０１以上、０．１０以下とするのが望ま
しい。ａ／ｒの範囲、ｗ／ｄの範囲の意義は、上述した
意義と同一である。永久磁石の磁力は、厚さに比例す
る。磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０１以下である
と、反磁場が大となりその結果磁力が急激に低下する。
この条件でモータ装置を作成した場合、モータ装置は所
定出力を得ることができない。よって、モータ装置の永
久磁石に用いる場合は、異方性希土類ボンド磁石の磁石
厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上が望ましい。

【００２２】又、この異方性希土類ボンド磁石を用いて
例えばモータ装置の性能指標Ｔ（Ｔ＝トルク定数／体
積）を従来の２倍とするためには、即ち、従来の２極フ
ェライトモータの性能指標（約１．３）の２倍となるＴ
＝２．６を得るには、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒを
０．１以下とする必要がある。この条件は、例えば後述
するように内部の電磁回転体の外径を同一とした場合の
条件から得られる。よって、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／
ｒは、０．０１以上、０．１０以下であることが望まし
い。この条件を永久磁石に加えれば、従来より静粛で、
且つ同一トルクで体積を約１／２のモータ装置、又は体
積が約２０％減でトルクが約２倍のモータ装置を確実に
実現することができる。

【００２３】又、永久磁石において、モータ筐体外径
（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さを
ｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとす
る時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以
上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄ
が１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径
比ｄ／ｒは０．０１以上、０．０８以下とするのが望ま
しい。この数値の意義は、上述した意義と同一である。

【００２４】又、永久磁石において、モータ筐体外径
（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さを
ｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとす
る時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以
上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄ
が１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径
比ｄ／ｒは０．０１以上、０．０５以下とするのが望ま
しい。 この数値の意義は、上述した意義と同一であ
る。

【００２５】又、永久磁石において、モータ筐体外径
（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さを
ｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとす
る時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以
上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄ
が１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径
比ｄ／ｒは０．０２以上、０．０５以下とするのが望ま
しい。この数値の意義は、上述した意義と同一である。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
いて説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定
されるものではない。 （第１実施例）図１（ａ）、（ｂ）に本実施例のモータ
装置の１例を示す。図は、側面図（ａ）とＡＡ’断面図
（ｂ）である。本実施例のモータ装置は、従来のモータ
装置の小型化を目的としている。本実施例のモータ装置
は、筐体１２、筐体１２の内周部に設けられた中空円筒
形状の永久磁石である異方性希土類ボンド磁石１３、中
央部に設けられた電磁回転体を形成するアーマチャ１
４、アーマチャ１４に旋巻されたコイル１５、アーマチ
ャ１４中心部から延出された回転軸１１、そして磁束漏
れ防止のためのフラックスリングであるバックヨーク１
０から構成される。尚、モータ筐体をバックヨーク１０
としている。又、容積比較のため従来の２極モータ装置
を図１（ｃ）、（ｄ）に示す。（ｃ）が側面図、（ｄ）
がＡＡ’断面図である。ここで、両者比較の為、アーマ
チャー１４の外径は同一としている。尚、上記異方性希
土類ボンド磁石１３は、出願人により、近年ようやく量
産化が可能となったものである。例えば、この異方性希
土類ボンド磁石１３は、特開２００１−７６９１７号公
報、特許第２８１６６６８号公報、特許第３０６０１０
４号公報の製造方法で作製される。この異方性希土類ボ
ンド磁石は、最大エネルギー積１４ＭＧＯｅ〜２５ＭＧ
Ｏｅのものを、現在、製造することができる。

【００２７】本実施例のモータ装置（（ａ）、（ｂ））
と従来のモータ装置（（ｃ）、（ｄ））の異なる所は、
従来のモータ装置の永久磁石である焼結フェライト磁石
２３に代えて、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる中空円筒状の異
方性希土類ボンド磁石１３を採用したことである。又、
その着磁を４極として１極当たりの磁気回路の磁路長を
大幅に低減し、アーマチャ１４の受けるトルクの増大を
可能としたことである。これが第１の特徴である。異方
性希土類ボンド磁石１３は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる磁
粉を樹脂成型することにより製造され、径方向に強く磁
化された磁石である。異方性希土類ボンド磁石の材料
は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂの他、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系材料、例え
ばＮｄとＮｄの他の希土類元素を含んだり、その他の添
加元素を含んだ材料を用いることができる。更に、Ｎｄ
以外の希土類元素を含んだ材料、例えば、Ｓｍ−Ｆｅ−
Ｎ系材料、ＳｍＣｏ系材料、または、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系
材料とこれらの混合物質を用いることができる。又、ボ
ンド磁石はプラスチック磁石とも言われる。この磁石
は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギ
ー積（ＢＨ_max ）が４倍以上となる特徴がある。即ち、
標準的な焼結フェライト磁石２３の最大エネルギー積
（ＢＨ_max ）３．５ＭＧＯe に対して、その約４倍の１
４ＭＧＯe 以上の最大エネルギー積を有する。これはモ
ータトルクを従来と同等とすれば（トルク同一条件）、
永久磁石の厚さを例えば約１／４に縮小できる可能性が
あることを意味する。

【００２８】又、第２の特徴は、永久磁石の縮小化に当
たって、モータ筐体（バックヨーク１０）の外径（直
径）（筐体外径）をｒ、中空円筒形状の異方性希土類ボ
ンド磁石１３の厚さ（磁石厚さ）をｄ、電磁回転体であ
るアーマチャー１４の半径（電磁回転体半径）をａ、モ
ータ筐体の厚さ（筐体１２とバックヨーク１０とを合わ
せた厚さ）（筐体厚さ）をｗとする時、電磁回転体半径
対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満におい
て、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下で
あり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以
上、０．１０以下としたことである（小型化条件）。ａ
／ｒとｗ／ｄの値の範囲の意味は、前述した課題を解決
するための手段及び発明の作用効果の欄において記載し
た通りである。

【００２９】磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒの下限条件は
０．０１以下であると、反磁場が急激に増大することに
より磁力が低下し、所定のモータトルクを得ることがで
きないことから決定される。又、磁石厚さ対筐体外径比
ｄ／ｒの上限条件は、モータ装置の性能指標Ｔ（Ｔ＝ト
ルク定数／体積）を従来の約２倍とする条件である。即
ち、体積を１／２にするか、又はトルクを２倍にする条
件である。例えば、従来の２極フェライトモータの性能
指標を約１．３とすると、性能指標ＴをＴ＝２．６とす
る条件である。この条件により、トルクを同一として後
述するように容積が５０％低減された小型モータが実現
できた。

【００３０】例えば、焼結フェライト磁石２３を用いた
従来のモータ装置は、バックヨーク１０（モータ筐体）
の外径が３８ｍｍ、内径が３２ｍｍであり、モータ装置
の出力（トルク）は、７５．７（ｍＮ・ｍ／Ａ）であ
り、その容積は約５６．１ｃｍ ³ である。焼結フェライ
ト磁石２３は、外径３２ｍｍ、内径２４、径方向長さ
（厚さ）は約４ｍｍである。したがって、ａ／ｒ＝０．
３０、ｗ／ｄ＝０．７５であり、ｄ／ｒは０．１１であ
る。一方、同一トルクを得る本件実施例装置のモータ装
置では、バックヨーク１０（モータ筐体）の外径がｒ＝
３１ｍｍ、内径が２６ｍｍであり、その容積は２４．５
ｃｍ³ である。異方性希土類ボンド磁石１３の外径は２
６ｍｍ、内径は２４ｍｍ、径方向厚さがｄ＝１ｍｍで、
４極着磁である。磁極を４極とすることで磁気回路の磁
路長を低減させる。よって、ａ／ｒ＝０．３７、ｗ／ｄ
＝２．５、ｄ／ｒ＝０．０３となる。このように、設定
すれば、従来と同一出力トルクで、従来のモータ装置の
容積の４４％の容積を実現できる。又、性能指標Ｔは
３．０９で従来のモータ装置の１．３５に比べて２．３
倍とすることができる。

【００３１】更に、本実施例では、アーマチャ積厚はト
ルクが同一になるように求めた。何故なら、本実施例で
は異方性希土類ボンド磁石１３に４極の着磁を行ってい
るからである。従来のアーマチャ積厚は、約１７．５ｍ
ｍであり、本実施例のアーマチャ積厚は約９．８ｍｍと
なった。そして、モータ装置後部に置かれる交直変換装
置を共通部として足し合わせ、モータ装置の軸方向の長
さを決定した。これにより、従来のモータ装置の軸方向
長さＬ_F 約５０ｍｍに対して本実施例のモータ装置の軸
方向長さは約３３ｍｍとなり、長さ縮小率Ｌ_N ／Ｌ_F ≒
０．６６となった。又、重量は従来のモータ装置が２４
５ｇであり、本実施例のモータ装置が１１９ｇであり従
来の４９％に低減できた。

【００３２】又、本実施例の異方性希土類ボンド磁石１
３は樹脂成形で製作されるので、精度のよい中空円筒状
に形成される。そして、異方性希土類ボンド磁石１３は
容易に精度よく対称的に着磁される。モータ装置内部で
磁場が精度よく対称的に発生されるので、アーマチャ１
４は均等にトルクを受ける。よって、回転時に従来のよ
うに異音が発生することがない。静粛なモータ装置とす
ることができた。

【００３３】焼結フェライト２極モータ、異方性希土類
ボンド４極モータに関して前述したが、それらの諸元を
含め、さらに焼結フェライト４極モータ、異方性希土類
ボンド２極モータを比較例として表1 に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】本実施例の筐体外径はバックヨーク外径と
同じである。 バックヨーク材質 SPCC アーマチャ材質、寸法 ケイ素鋼板 φ23mm コイルの巻き方、巻数 145turn 電流値 １Ａ 固定条件 アーマチャの外形をφ２３mmと同一とし、
軸方向の厚さを変化させることで、 トルクを同一とし
た。上記表の結果を分かりやすく説明するために、性能
指標と極数との関係を図３に示す。図３より、従来の焼
結フェライト２極モータにおいて、単に磁石の材料を異
方性希土類ボンド磁石に替えただけの異方性希土類ボン
ド２極モータ、及び、単に極数を２極から４極に替えた
だけの焼結フェライト４極モータでは、性能指標は１．
２〜２．０の範囲に止まっており、大きな改善は見られ
ない。それに対し、本実施例では、異方性希土類ボンド
磁石を用いることと４極とすることの相互作用により性
能指標は３．０９が得られている。この値は、従来の焼
結フェライト２極モータの性能指標の２．３倍であり、
性能指標の飛躍的な向上が実現されている。

【００３６】（第２実施例）第１実施例は、異方性希土
類ボンド磁石を用いて、従来のモータ装置を小型化する
例であった。この異方性希土類ボンド磁石を用いた場
合、その径方向の厚さを調整することにより、モータ装
置のトルクを増大することもできる。即ち、本実施例は
異方性希土類ボンド磁石を用いてトルクを２倍にする例
である。例えば、焼結フェライト磁石２３を用いた従来
のモータ装置のトルク定数は、７５．７（ｍＮ・ｍ／
Ａ）であり、その容積は約５６．１ｃｍ³ 、即ちモータ
性能指標ＴはＴ＝１．３５であり、従来のモータ装置の
その他の寸法は第１実施例で説明したのと同一である。

【００３７】本実施例のモータ装置を図２に示す。本実
施例では、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２
５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ
／ｄが１を超え、４以下とした条件において、上記小型
化条件（０．０１≦ｄ／ｒ≦０．１）によって、次の寸
法とした。モータ筐体（バックヨーク１０）の外径ｒ＝
３４ｍｍ、内径２８ｍｍ、異方性希土類ボンド磁石１３
の外径２８ｍｍ、内径２４ｍｍ、厚さ２ｍｍで４極帯磁
である。この時、ａ／ｒ＝０．３４、ｗ／ｄ＝１．５、
ｄ／ｒは０．０６である。磁極を４極とすることで磁気
回路の磁路長を低減させる。そして、アーマチャの積厚
は１７．５で従来のモータ装置と同一とした。本実施例
のモータ装置では、従来の約２倍のトルク（１５５．５
ｍＮ・ｍ／Ａ）が得られるように設計されている。そし
て、その時の体積は４１．２ｃｍ ³ で従来の２７％の容
積減少率が実現でき、重量は従来のモータ装置が２４５
ｇに対して本実施例のモータ装置が１８５ｇに７６％に
低減できた。又、この場合も、第１実施例同様、異方性
希土類ボンド磁石１３は精度のよい中空円筒状に形成さ
れるので、高精度の対称的磁場を発生させる。よって、
高出力で静粛なモータ装置とすることができた。

【００３８】（第３実施例）第１実施例のモータ装置に
おいて、本発明の対象である低出力レベルのＤＣブラシ
モータにおいて、常識的条件である（１）電磁回転体半
径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満、
（２）筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下
とした条件において、異方性希土類ボンド磁石１２の磁
石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒ＝Ｒ（以下、単に、比率Ｒと
いう）を色々変化させてモータ装置の性能指標Ｔを評価
した。異方性希土類ボンド磁石１２の最大エネルギー積
を１４ＭＧＯe とした時の特性を図４に示す。比率Ｒが
０．０１以上０．１０以下の範囲において、従来の２極
フェライトモータの性能指標Ｔ（約１．３）の２倍とな
っていることが理解される。特に、下限値である０．０
１以上でないと、たとえ２５ＭＧＯe の強力磁石にして
も、上記の従来モータ性能指標の２倍という優れた特性
を得られないものである。

【００３９】同様に、異方性希土類ボンド磁石１２の最
大エネルギー積を１７ＭＧＯe 、２５ＭＧＯe とした時
の特性を図６、図８に、それぞれ、示す。最大エネルギ
ー積が大きくなるに従って、全体的に性能指標Ｔが大き
くなることが理解される。

【００４０】次に、異方性希土類ボンド磁石１２の体積
ｖとするとき、ボンド磁石の単位体積当たりの性能指標
Ｔ、即ち、Ｔ／ｖを磁石効率Ｓとして、比率Ｒに対する
変化特性を求めた。最大エネルギー積を１４ＭＧＯe 、
１７ＭＧＯe 、２５ＭＧＯeとした時の特性を、それぞ
れ、図５、図７、図９に示す。比率Ｒが０．０１以上、
０．０８以下の場合には、磁石効率Ｓが従来の２極フェ
ライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ倍以上となる
ことが理解される。この特徴は、最大エネルギー積が１
４ＭＧＯe 以上においても成立する。又、比率Ｒが０．
０５以下となると、磁石効率ＳはＲが０．０８の時に比
べて２倍以上、即ち、磁石効率Ｓが従来の２極フェライ
トモータの磁石効率の２×磁石性能倍数ｍ倍以上となる
ことが理解される。これは、磁石性能倍数ｍの２倍の磁
石効率をもつことを意味する。よって、この場合は、フ
ェライト磁石に比べて、磁石性能倍数ｍの更に２倍の効
率で、単位磁石使用量に対するモータ装置の性能指標Ｔ
を向上させることができる。この特徴は、最大エネルギ
ー積が１４ＭＧＯe 以上においても成立する。又、比率
Ｒが０．０２以上、０．０５以下の範囲では、磁石効率
Ｓはｄ／ｒが０．０８の時に比べて２倍以上、即ち、磁
石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の２
ｍ倍以上となる。又、モータ性能指標Ｔで評価すると、
磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０２以上、０．０５
以下の範囲の時に、モータ性能指標Ｔはほぼ最大値をと
ることが理解される。最大エネルギー積が１４ＭＧＯe
において、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔの
約２．３倍が得られる。最大エネルギー積が１７ＭＧＯ
e においては、従来の２極フェライトモータの性能指標
Ｔの約２．５倍が得られる。又、最大エネルギー積が２
５ＭＧＯe においては、従来の２極フェライトモータの
性能指標Ｔの約２．６倍が得られる。これらの特徴は、
最大エネルギー積が１４ＭＧＯe 以上において成立す
る。よって、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０２以
上で０．０５以下の範囲は、モータ性能指標Ｔと磁石効
率Ｓとの両者の観点から最も望ましい範囲といえる。

【００４１】尚、磁石効率Ｓは次のように考えられる。
トルク定数をτ、モータ装置の体積をＶ、異方性希土類
ボンド磁石の体積をｖ、モータ筐体の外径（直径）を
ｒ、異方性ボンド磁石の径方向の厚さをｄ、磁石厚さ対
筐体外径比ｄ／ｒをＲ、電磁回転体の半径をａ、筐体の
厚さをｗ、モータ装置の実効長をＬ、電磁回転体と異方
性希土類ボンド磁石間のエアギャップを無視すると、次
式が成立する。

【数１】 ２ａ＋２ｄ＋２ｗ＝ｒ …（１）

【数２】 Ｒ＝ｄ／ｒ …（２）

【数３】 Ｖ＝πｒ² Ｌ／４ …（３）

【数４】 ｖ＝π｛（ａ＋ｄ）² −ａ² ｝Ｌ …（４） ｄ≪ａが成立するから、

【数５】 ｖ＝２πａｄＬ …（５） よって、磁石効率Ｓは、次式となる。

【数６】 Ｓ＝τ／（Ｖｖ） ＝２τ／｛π² Ｌ² ａｄｒ² ｝ ＝２τ／｛π² Ｌ² （ｒ／２−ｄ−ｗ）ｄｒ² ｝ …（６） ｄ＝Ｒｒを（６）式に代入すると、次式が得られる。

【数７】 Ｓ＝２τ／｛π² Ｌ² （ｒ／２−Ｒｒ−ｗ）Ｒｒ³ ｝ ＝τ／｛π² Ｌ² ｒ³ 〔（１−２Ｒ）ｒ−２ｗ〕Ｒ｝ …（７） この特性が、図５、図７、図９に表れている。

【００４２】（第４実施例）第１実施例と同一寸法にし
て、６極のモータ装置を製造した。そのモータ装置の寸
法や特性は表１に示す通りである。同様に、フェライト
磁石を用いた６極のモータに対しても性能指標Ｔを評価
した。そのモータ装置の寸法や特性は表１に表されてい
る。性能指標Ｔに関して、図３に示す特性が得られた。
この特性から得られることは、本発明の異方性希土類ボ
ンド磁石を用いたモータ装置の性能指標Ｔは、２極から
４極に増加する時に、性能指標Ｔが飛躍的に増加し、４
極から６極に増加する時には、性能指標Ｔが４極の１．
１０倍、２極の１．７４倍に増加していることが理解さ
れる。これらの値は、フェライト磁石を用いた従来モー
タの性能指標Ｔは極数によってはほとんど変化しない。
即ち、４極から６極に増加する時には、性能指標Ｔが４
極に対し全く変化せず、６極モータの性能指標Ｔは２極
モータの性能指標の１．０７倍に止まっている。これら
のことから、本発明の異方性希土類ボンド磁石を用いた
モータ装置では、４極や６極とすることは、従来のフェ
ライト磁石を用いたモータからは予測し得ない効果があ
ることが理解される。

【００４３】（第５実施例）第１実施例のモータ装置に
おいて、図１０に示すように、ブラシ３０ａ、３０ｂを
配置した。即ち、ブラシを１８０度対向ではなく、９０
度の位置に設けた。これによりブラシの存在しない空間
が図１０の領域Ｑで示すように、広く形成されるので、
この領域Ｑに電子回路を配置することができる。なお、
６極の場合であれば、２つのブラシを６０度間隔で設け
れば、同様に広い空間を確保することができる。８極で
あれば、２２．５度、６７．５度の間隔で２つのブラシ
を設けることで、同様に広い空間を確保することができ
る。このようなブラシ２極構造でモータを使用する場合
には、例えば、４極モータの場合、図１１のように捲線
にすればよい。

【００４４】（変形例）上記実施例は、本発明の実施形
態の１例であり他に様々な変形例が考えられる。例え
ば、上記実施例では異方性希土類ボンド磁石１３を４極
着磁としたが、４極より多くてもよい。例えば、６極、
８極でもよい。磁極数を多くすれば、それだけ磁路長も
短くなるので、アーマチャコイルの横切る磁束が増加す
る。又、異方性希土類ボンド磁石１３は、容易に精度よ
く着磁可能であるので、より高出力で静粛なモータ装置
を実現することができる。又、上記実施例では異方性希
土類ボンド磁石１３は、樹脂成形で形成するとしたが、
樹脂成形後、切削等により更に高精度に加工してもよ
い。更に、寸法精度が向上し、よりトルクムラのない静
粛なモータ装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体的な実施例に係るモータ装置を示
した構成図。

【図２】本発明の他の具体的な実施例に係るモータ装置
を示した構成図。

【図３】フェライト焼結磁石を用いたモータ装置と、異
方性ボンド磁石を用いたモータ装置における極数と性能
指標との関係を示した特性図。

【図４】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を
１４ＭＧＯe とした時の性能指標Ｔと比率Ｒとの関係を
示す特性図。

【図５】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を
１４ＭＧＯe とした時の磁石効率Ｓと比率Ｒとの関係を
示す特性図。

【図６】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を
１７ＭＧＯe とした時の性能指標Ｔと比率Ｒとの関係を
示す特性図。

【図７】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を
１７ＭＧＯe とした時の磁石効率Ｓと比率Ｒとの関係を
示す特性図。

【図８】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を
２５ＭＧＯe とした時の性能指標Ｔと比率Ｒとの関係を
示す特性図。

【図９】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を
２５ＭＧＯe とした時の磁石効率Ｓと比率Ｒとの関係を
示す特性図。

【図１０】第５実施例に係るモータ装置のブラシの位置
を示した構成図。

【図１１】第５実施例に係るモータ装置の捲線を示した
構成図。

【符号の説明】

１０…バックヨーク １１…回転軸 １２…筐体 １３…異方性希土類ボンド磁石 １４…アーマチャ １５…コイル ２３…焼結フェライト磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 御手洗 浩成 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知製 鋼株式会社内 Ｆターム(参考） 5H621 BB07 GA04 HH01 5H623 AA07 BB07 GG12 GG16 GG23 GG24 LL19

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＤＣブラシモータの筐体内周部に配置した
   永久磁石と、中心部に配置した電磁回転体からなるＤＣ
   ブラシモータ装置であって、 前記永久磁石は、最大エネルギー積が１４ＭＧＯe 以上
   であり、４磁極に着磁された中空円筒状の薄肉形状な異
   方性希土類ボンド磁石であり、 ２つのブラシは９０度の位置関係に配置されていること
   を特徴とするＤＣブラシモータ装置。
2. 【請求項２】ＤＣブラシモータの筐体内周部に配置した
   永久磁石と、中心部に配置した電磁回転体からなるＤＣ
   ブラシモータ装置であって、 前記永久磁石は、最大エネルギー積は１４ＭＧＯe 以上
   であり、６磁極に着磁された中空円筒状の薄肉形状な異
   方性希土類ボンド磁石であり２つのブラシは６０度間隔
   で設けられていることを特徴とするＤＣブラシモータ装
   置。