JP2004007984A - Dc brush motor device and its permanent magnet - Google Patents
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Abstract
Description
【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（ＢＨｍａｘ ）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（ＢＨｍａｘ ）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、少なくとも４磁極以上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ることを特徴とするＤＣブラシモータ装置である。
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。
【０００８】
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３０６０１０４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（ＢＨｍａｘ ）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。
【０００９】
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。
【００１０】
又、請求項２に記載の永久磁石は、ＤＣブラシモータの筐体内周部の電磁回転体周囲に配置される永久磁石であって、前記永久磁石は、最大エネルギー積は１４ＭＧＯｅ 以上であり、少なくとも４磁極以上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ることを特徴とする永久磁石である。
【００１１】
以下の手段を採用することが望ましい。
請求項１に記載の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。これにより、請求項１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、請求項１に記載の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、請求項１に記載の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、請求項１に記載の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、同様に、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、請求項２に記載の永久磁石において、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（ＢＨｍａｘ ）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、請求項２に記載の永久磁石において、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。この条件を請求項２に記載の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、請求項２に記載の永久磁石において、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、請求項２に記載の永久磁石において、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、請求項２に記載の永久磁石において、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１４、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１０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３０６０１０４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〜２５ＭＧＯｅ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（ＢＨｍａｘ ）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（ＢＨｍａｘ ）３．５ＭＧＯｅ に対して、その約４倍の１４ＭＧＯｅ 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５６．１ｃｍ３ 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２４．５ｃｍ３ である。異方性希土類ボンド磁石１３の外径は２６ｍｍ、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１７．５ｍｍ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ＬＦ 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ＬＮ ／ＬＦ ≒０．６６となった。又、重量は従来のモータ装置が２４５ｇ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１３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１４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】
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０．２５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（１５５．５ｍＮ・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４１．２ｃｍ３ 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２４５ｇ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０．０１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１４ＭＧＯｅ 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２ｍ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１７ＭＧＯｅ 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２５ＭＧＯｅ 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】
【数７】
【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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a DC brush motor device and a permanent magnet used therein. In particular, the present invention relates to a DC brush motor device using an anisotropic rare-earth bonded magnet as a permanent magnet and capable of reducing the size and increasing the torque, and a permanent magnet thereof. The present invention has a high effect when applied to a high-performance small DC brush motor device of, for example, a 1 W to 300 W class.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1]
JP 2001-76917 A
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2816668
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 3060104
[0003]
Prior to 1960, small motors used induction brush motors that did not use magnets. In the 1960's, the maximum energy product of magnets (BH max ) With the advent of 4MGOe class ferrite magnets, small brush motors with power consumption of about 1 to 300W have appeared, and have been used for 40 years thereafter. This is a configuration in which tile-shaped sintered ferrite magnets are arranged in two or four poles on the inner periphery of a motor housing, and an electromagnetic rotating body in which a winding is wound is disposed in the center thereof. At the time of driving, the direction of the current flowing through the winding is changed by the brush arranged on the rotating shaft, and the electromagnetic rotating body is rotated by Lorentz force due to the interaction between the magnetic field and the current by the surrounding sintered ferrite magnet. .
In recent years, there has been a demand for miniaturization of these motors.However, since sintered ferrite magnets shrink during sintering, it is not possible to manufacture sintered ferrite magnets having a small thickness, and motors can be downsized. Did not. In addition, since the magnetic force is weak, a large output motor cannot be realized with a sintered ferrite magnet.
[0004]
Further, when attempting to obtain a large-diameter motor in order to obtain a large output, sintered ferrite magnets cannot be manufactured with two poles because they cannot be manufactured long in the circumferential direction. In that case, when the number of magnetic poles was 4 using a sintered ferrite magnet, the size and weight increased, and the motor performance index (torque constant / volume) was not improved. In addition, the shape of the sintered ferrite magnet also varies depending on environmental conditions such as humidity and sintering conditions due to the sintering, and it is difficult to obtain a tiled sintered ferrite magnet having completely the same dimensions. Further, the sintered ferrite magnet needs to be divided and arranged in the motor housing. For this reason, an error occurs in the symmetry of the magnetic field due to the arrangement accuracy. As a result, torque unevenness occurs at the time of rotation, and there is an adverse effect that abnormal noise is generated. In the late 1990's, the maximum energy product (BH max ) Anisotropic rare earth bonded magnets having high magnetic properties and high formability having 14 MGOe or more have appeared, and the application to motors has been sought.
[0005]
However, even if a motor manufacturer uses a magnet that has a maximum energy product four times that of the current small-sized brush motor using ferrite, the motor performance will only improve by about 20% if it is simply replaced. As for miniaturization, the back yoke is required to be twice or more, and rather, it becomes large and cannot be adopted. Furthermore, since the motor performance depends on various factors such as the armature shape, performance, back yoke thickness, material, winding, etc., the effect of performance improvement is expected to be only about 20%, and has not been adopted for several years thereafter. Was.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves a long-standing problem in the small brush motor industry described above. The purpose of the present invention is to significantly reduce the size and weight by reducing the volume by half with the same performance as a conventional motor. Alternatively, the performance is to be significantly improved by doubling the performance while reducing the volume by 20% as compared with the conventional motor.
Another object of the present invention is to provide a high-performance motor having a different technical level of twice the performance index T of a conventional motor using sintered ferrite, in other words, a motor performance index T (torque constant / volume).
In addition, at the same time, the quietness is improved by suppressing torque unevenness, and the step of attaching a plurality of magnets at the time of manufacturing is omitted.
More preferably, it is an object of the present invention to provide a resource-saving high-performance motor in which the amount of magnet used is greatly reduced to 1/4 or less of a sintered ferrite magnet.
[0007]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
The DC brush motor device according to
The following means, functions and effects of the present invention will be described in comparison with a commonly used two-pole (ferrite) motor device.
[0008]
The anisotropic bonded magnet adopted in the present invention is a magnet produced by the manufacturing method of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-76917, Japanese Patent No. 2816668, and Japanese Patent No. 3060104 proposed by the applicant, and for example, , Nd—Fe—B is a magnet that is manufactured by resin molding and is strongly magnetized in one axis direction. This magnet has a maximum energy product (BH) as compared with a conventional sintered ferrite magnet. max ) Is 4 times or more. As a result of intensive studies on how the potential of the anisotropic rare earth bonded magnet can be drawn out, the present inventors have found that the effect is particularly large when applied to a small brush motor of 1 to 300 W class. By using high-performance anisotropic rare-earth bonded magnets, the magnets can be made thinner, and at the same time, by making the number of magnetic poles four or more, the magnetic path length of the magnetic circuit per pole can be greatly reduced. As a whole, it is almost impossible to think of the conventional motor as a whole. The size and weight of the motor are reduced to about half with the same torque performance as the conventional motor, or the volume is reduced by about 20% compared to the conventional motor. An epoch-making effect of substantially improving the performance by doubling the torque performance was obtained.
[0009]
Further, since the anisotropic rare earth bonded magnet is formed by resin molding, it is easily and accurately formed. Thereby, the permanent magnet shape of the inner peripheral portion of the motor housing can be made a hollow cylindrical shape with high accuracy. In other words, the magnetic field inside the motor by the permanent magnet can be made rotationally symmetric with high accuracy. Since the symmetry of the internal magnetic field becomes highly accurate, the electromagnetic rotator at the center can receive torque uniformly and rotate. Therefore, the noise caused by the torque unevenness as in the related art is reduced, and the motor device becomes more quiet. Further, since the anisotropic rare earth bonded magnet is resin-molded into a hollow cylindrical shape, it is easy to assemble the magnet into the motor device housing. It is not necessary to attach separate two-pole or four-pole sintered ferrite magnets as in the conventional case. That is, there is an advantage that the manufacturing process is easy.
[0010]
Further, the permanent magnet according to
[0011]
It is desirable to employ the following means.
2. The DC brush motor device according to
Note that the above-described motor housing is a concept including a back yoke, and the motor housing outer diameter r is used to mean the outer diameter of the motor device including the back yoke and the like. Here, the limited range of the ratio of the electromagnetic rotator radius to the housing outer diameter a / r is a common sense range usually used in a DC brush motor. When a / r is smaller than 0.25, the electromagnetic rotating body becomes remarkably small with respect to the motor housing, and from the viewpoint of the motor performance index, the design is such that the magnet and the housing are wasted. Is obvious, so it is usually set to 0.25 or more.
Also, when a / r is 0.5, the outer diameter of the motor housing is equal to the diameter (2a) of the electromagnetic rotating body, so that a / r is naturally less than 0.5.
The range of 1 <case thickness to magnet thickness ratio w / d ≦ 4 is set from the following viewpoint. In the case of a DC brush motor using a ferrite magnet, since the magnetic force of the magnet is weak, it is possible to design to sufficiently prevent magnetic leakage even if the housing thickness is thinner than the magnet thickness. On the other hand, when an anisotropic rare earth bonded magnet is used, when w / d is 1 or less, the magnetic force of the magnet is so strong that magnetic leakage cannot be prevented. 1 or more. If w / d is greater than 4, the housing thickness becomes too thick and the magnetic leakage is eliminated even if the magnetic force of the magnet is strong. And the motor performance index deteriorates.
[0012]
On the other hand, the range of the magnet thickness to housing outer diameter ratio d / r is determined from the following viewpoint.
The magnetic force of the permanent magnet increases according to the magnet thickness. If the ratio d / r of the magnet thickness to the outer diameter of the housing is smaller than 0.01, the demagnetizing field becomes large and the magnetic force is rapidly reduced, so that a conventional predetermined torque cannot be obtained. Therefore, the ratio d / r of the magnet thickness to the housing outer diameter is desirably 0.01 or more.
[0013]
Further, for example, in order to make the performance index T (T = torque constant / volume) of the motor device twice that of the conventional one, that is, twice the performance index T (about 1.3) of the conventional two-pole ferrite motor. In order to obtain T = 2.6, the ratio of the magnet thickness to the housing outer diameter d / r needs to be 0.1 or less. Therefore, the ratio d / r of the magnet thickness to the housing outer diameter is desirably 0.01 or more and 0.10 or less. Thus, the motor device according to the first aspect can be reliably realized.
[0014]
Further, in the DC brush motor device according to
The performance index T of the motor device per unit magnet usage (that is, the performance index T of the motor device / magnet usage, this ratio S is hereinafter referred to as “magnet efficiency”) is the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. The magnet thickness to housing outer diameter ratio d / r, which is equal to the performance multiple m times, is 0.08. When the ratio d / r of the magnet thickness to the housing outer diameter is 0.08 or less, the magnet efficiency S of the motor device of the present invention is a multiple of m times the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. However, if the ratio d / r is smaller than the lower limit of 0.01, the demagnetizing field is increased and the magnetic force is rapidly reduced, and the conventional predetermined torque cannot be obtained. The ratio d / r of the magnet thickness to the housing outer diameter is desirably 0.01 or more. As described above, when the ratio d / r of the magnet thickness to the outer diameter of the housing is 0.01 or more and 0.08 or less, the magnet efficiency S is at least m times the magnet performance multiple of the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. It becomes. Here, the magnet performance multiple m is (performance of anisotropic bonded magnet [(BH) max ] / (Performance of sintered ferrite magnet [(BH) max ]. For example, when the performance (maximum energy product) of the anisotropic bonded magnet is 14 MGOe and the performance (maximum energy product) of the sintered ferrite magnet is 3.5 MGOe, the magnet performance multiple m is 4. When the magnet efficiency S is a multiple of m times the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor, the magnet thickness to housing outer diameter ratio d / r is such that the maximum energy product of the anisotropic bonded magnet is 14MGOe or more. Has a value of 0.08, which is almost the same regardless of the value.
[0015]
Further, in the DC brush motor device according to
When the ratio d / r of the magnet thickness to the outer diameter of the housing becomes 0.05 or less, the magnet efficiency S becomes twice or more as compared with the case where the d / r is 0.08. That is, when the magnet efficiency S of the motor device of the present invention is equal to the magnet efficiency multiple m × 2 times the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor, the ratio d / r of the magnet thickness to the housing outer diameter is 0.05. is there. When the ratio d / r of the magnet thickness to the outer diameter of the housing is 0.05 or less, the magnet efficiency S of the motor device of the present invention is a magnet performance multiple m × 2 times or more the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor.
For example, when the performance (maximum energy product) of the anisotropic bonded magnet is 14 MGOe and the performance (maximum energy product) of the sintered ferrite magnet is 3.5 MGOe, the magnet performance multiple m is 4. Therefore, when the performance of the magnet has these values, the magnet efficiency S is eight times or more the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. Therefore, this range is a more desirable range.
[0016]
Further, in the DC brush motor device according to
Similarly, regarding the magnet efficiency S, when the ratio d / r of the magnet thickness to the outer diameter of the housing becomes 0.05 or less, the magnet efficiency S is twice or more as compared with the case where the d / r is 0.08, that is, the magnet efficiency S The efficiency S is equal to or more than 2 times the magnet efficiency m times the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. When evaluated by the motor performance index T, the motor performance index T has a maximum value when the magnet thickness to housing outer diameter ratio d / r is in the range of 0.02 or more and 0.05 or less. When the maximum energy product is 14 MGOe, the motor performance index T of the motor device of the present invention is about 2.3 times that of the conventional two-pole ferrite motor. When the maximum energy product is 17MGOe, the motor performance index T of the motor device of the present invention is about 2.5 times the performance index T of the conventional two-pole ferrite motor. When the maximum energy product is 25 MGOe, the motor performance index T of the motor device of the present invention is about 2.6 times the performance index T of the conventional two-pole ferrite motor. Therefore, the range where the magnet thickness to housing outer diameter ratio d / r is 0.02 or more and 0.05 or less is the most desirable range from the viewpoint of both the motor performance index T and the magnet efficiency S.
[0017]
Further, in the permanent magnet according to the second aspect, the anisotropic rare earth bonded magnet is a magnet that is manufactured by molding a magnetic powder made of Nd—Fe—B into a resin and is strongly magnetized in one axis direction. . This magnet has a maximum energy product (BH) as compared with a conventional sintered ferrite magnet. max ) Is 4 times or more.
[0018]
The present inventor has made intensive studies on how the potential of this anisotropic rare earth bonded magnet can be drawn out, and as a result, a remarkable effect is obtained by reducing the thickness of the magnet and adopting it particularly for a small brush motor of 1 to 300 W class. I found something to be done. At the same time, if the number of magnetic poles is 4 or more, the magnetic path length of the magnetic circuit per pole is greatly reduced, and the volume is reduced to 以下 or less with the same torque performance as the conventional motor. -It has been found that it is possible to realize a motor device whose torque performance is about twice or more while reducing the weight or reducing the volume by about 20% compared to the conventional motor.
[0019]
Further, since the anisotropic rare earth bonded magnet is formed by resin molding, its shape is formed with high accuracy. Thereby, the permanent magnet shape of the inner peripheral portion of the motor housing can be made a hollow cylindrical shape with high accuracy. That is, if this magnet is adopted, the magnetic field inside the motor can be made rotationally symmetric with high accuracy. Since the internal magnetic field can be made symmetrical with high precision, the electromagnetic rotating body at the center receives torque uniformly. Therefore, if this magnet is employed, abnormal noise due to torque unevenness as in the related art can be reduced, and a quieter motor device can be realized. Further, since the anisotropic rare-earth bonded magnet is accurately resin-molded into a hollow cylindrical shape, it is easy to assemble the magnet into the motor device housing. It is not necessary to attach separate two-pole or four-pole sintered ferrite magnets as in the conventional case. That is, the anisotropic rare earth bonded magnet also has an advantage of facilitating the manufacturing process of the motor device.
[0020]
When four or more magnetic poles are provided for an anisotropic rare-earth bonded magnet having a maximum energy product of 14 MGOe or more, the torque is further increased. The axial length of the bonded rare earth magnet can be further reduced. Therefore, the motor volume can be further reduced. For example, as described later, the volume can be about 50% of the volume of a conventional motor device using a sintered ferrite magnet.
[0021]
The permanent magnet according to
The meanings of the range of a / r and the range of w / d are the same as those described above.
The magnetic force of a permanent magnet is proportional to the thickness. If the ratio d / r of the magnet thickness to the outer diameter of the housing is 0.01 or less, the demagnetizing field becomes large, and as a result, the magnetic force decreases rapidly. When a motor device is created under these conditions, the motor device cannot obtain a predetermined output. Therefore, when used as a permanent magnet of a motor device, the ratio d / r of the magnet thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet to the outer diameter of the housing is desirably 0.01 or more.
[0022]
Further, in order to double the performance index T (T = torque constant / volume) of the motor device using the anisotropic rare earth bonded magnet, for example, the performance index of the conventional two-pole ferrite motor ( In order to obtain T = 2.6 which is twice as large as about 1.3), the ratio d / r of the magnet thickness to the outer diameter of the housing needs to be 0.1 or less. This condition is obtained, for example, from the condition when the outer diameter of the internal electromagnetic rotator is the same as described later. Therefore, the ratio d / r of the magnet thickness to the housing outer diameter is desirably 0.01 or more and 0.10 or less. If this condition is added to the permanent magnet according to
[0023]
The permanent magnet according to
The significance of this numerical value is the same as the significance described above.
[0024]
The permanent magnet according to
The significance of this numerical value is the same as the significance described above.
[0025]
The permanent magnet according to
The significance of this numerical value is the same as the significance described above.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below.
(First embodiment)
1A and 1B show an example of the motor device according to the present embodiment. The figures are a side view (a) and an AA ′ sectional view (b). The motor device of the present embodiment aims at miniaturizing a conventional motor device. The motor device according to the present embodiment includes a
[0027]
The difference between the motor device ((a), (b)) of the present embodiment and the conventional motor device ((c), (d)) is that a
[0028]
The second feature is that when the size of the permanent magnet is reduced, the outer diameter (diameter) (housing outer diameter) of the motor housing (back yoke 10) is set to r, and the thickness of the hollow cylindrical anisotropic rare-earth bonded
[0029]
When the lower limit condition of the magnet thickness to housing outer diameter ratio d / r is 0.01 or less, the magnetic force is reduced due to a rapid increase in the demagnetizing field, and the predetermined motor torque cannot be obtained. You. The upper limit condition of the magnet thickness to housing outer diameter ratio d / r is a condition in which the performance index T (T = torque constant / volume) of the motor device is about twice as large as that of the related art. That is, the condition is to reduce the volume to １ ／ or to double the torque. For example, if the performance index of the conventional two-pole ferrite motor is about 1.3, the condition is that the performance index T is T = 2.6. Under these conditions, a small motor with a reduced volume of 50% as described later with the same torque was realized.
[0030]
For example, in the conventional motor device using the
On the other hand, in the motor device of the present embodiment device that obtains the same torque, the outer diameter of the back yoke 10 (motor housing) is r = 31 mm, the inner diameter is 26 mm, and the volume is 24.5 cm. 3 It is. The outer diameter of the anisotropic rare earth bonded
[0031]
Furthermore, in the present embodiment, the armature thickness was determined so that the torque was the same. This is because in the present embodiment, the anisotropic rare-earth bonded
[0032]
In addition, since the anisotropic rare earth bonded
[0033]
The sintered ferrite two-pole motor and the anisotropic rare-earth bonded four-pole motor have been described above. Table 1 shows the sintered ferrite four-pole motor and the anisotropic rare-earth bonded two-pole motor as comparative examples. Show.
[0034]
[Table 1]
The outer diameter of the housing of this embodiment is the same as the outer diameter of the back yoke.
Back yoke material SPCC
Armature material and dimensions Silicon steel plate φ23mm
How to wind the coil, number of turns 145turn
Current value 1A
Fixing conditions The outer shape of the armature was the same as φ23 mm, and the torque was the same by changing the thickness in the axial direction.
FIG. 3 shows the relationship between the performance index and the number of poles in order to easily explain the results in the above table. As shown in FIG. 3, in the conventional sintered ferrite two-pole motor, an anisotropic rare earth bonded two-pole motor in which the material of the magnet is simply changed to an anisotropic rare earth bonded magnet, and the number of poles is simply changed from two to four. In the case of the sintered ferrite four-pole motor simply replaced with, the performance index is in the range of 1.2 to 2.0, and no significant improvement is seen. On the other hand, in the present embodiment, a performance index of 3.09 is obtained due to the interaction between the use of the anisotropic rare earth bonded magnet and the use of four poles. This value is 2.3 times the performance index of the conventional sintered ferrite two-pole motor, and a dramatic improvement in the performance index is realized.
[0036]
(Second embodiment)
The first embodiment is an example in which a conventional motor device is miniaturized using an anisotropic rare earth bonded magnet. When this anisotropic rare earth bonded magnet is used, the torque of the motor device can be increased by adjusting the thickness in the radial direction. That is, the present embodiment is an example in which the torque is doubled using an anisotropic rare earth bonded magnet.
For example, the torque constant of a conventional motor device using the
[0037]
FIG. 2 shows a motor device according to the present embodiment. In this embodiment, the ratio w / d of the thickness of the housing to the thickness of the magnet is set to more than 1 and 4 or less when the ratio a / r of the radius of the electromagnetic rotating body to the outer diameter of the housing is 0.25 or more and less than 0.5. Under the above conditions, the following dimensions were obtained under the above miniaturization conditions (0.01 ≦ d / r ≦ 0.1). The outer diameter r of the motor housing (back yoke 10) is 34 mm, the inner diameter is 28 mm, the outer diameter of the anisotropic rare-earth bonded
Also in this case, similarly to the first embodiment, since the anisotropic rare earth bonded
[0038]
(Third embodiment)
In the motor device of the first embodiment, in the DC brush motor of the low output level which is the object of the present invention, (1) the ratio of the electromagnetic rotating body radius to the housing outer diameter a / r which is common sense is 0.25 or more, Under the condition that the ratio w / d of the housing thickness to the magnet thickness is more than 1 and 4 or less, (2) the magnet thickness of the anisotropic rare earth bonded
[0039]
Similarly, the characteristics when the maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded
[0040]
Next, assuming that the volume v of the anisotropic rare earth bonded
When the ratio R is 0.05 or less, the magnet efficiency S is at least twice as large as when R is 0.08, that is, the magnet efficiency S is 2 × magnet performance multiple of the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. It is understood that it becomes m times or more. This means that the magnet has a magnet efficiency that is twice the magnet performance multiple m. Therefore, in this case, the performance index T of the motor device with respect to the unit magnet usage can be improved with twice the efficiency of the magnet performance multiple m as compared with the ferrite magnet. This feature holds even when the maximum energy product is 14 MGOe or more.
When the ratio R is in the range of 0.02 or more and 0.05 or less, the magnet efficiency S is twice or more as compared with the case where d / r is 0.08, that is, the magnet efficiency S is the same as that of the conventional two-pole ferrite motor. This is 2 m or more of the magnet efficiency. Further, when evaluated by the motor performance index T, it is understood that the motor performance index T takes a maximum value when the magnet thickness to housing outer diameter ratio d / r is in the range of 0.02 or more and 0.05 or less. You. When the maximum energy product is 14 MGOe, about 2.3 times the performance index T of the conventional two-pole ferrite motor can be obtained. When the maximum energy product is 17MGOe, about 2.5 times the performance index T of the conventional two-pole ferrite motor can be obtained. When the maximum energy product is 25 MGOe, the performance index T of the conventional two-pole ferrite motor is about 2.6 times. These features hold when the maximum energy product is 14 MGOe or more.
Therefore, the range where the magnet thickness to housing outer diameter ratio d / r is 0.02 or more and 0.05 or less is the most desirable range from the viewpoint of both the motor performance index T and the magnet efficiency S.
[0041]
Incidentally, the magnet efficiency S is considered as follows. The torque constant is τ, the volume of the motor device is V, the volume of the anisotropic rare earth bonded magnet is v, the outer diameter (diameter) of the motor housing is r, the radial thickness of the anisotropic bonded magnet is d, and the magnet is R is the ratio of the thickness to the housing outer diameter, d is the radius of the electromagnetic rotating body, a is the thickness of the housing, w is the effective length of the motor device, L is the air between the electromagnetic rotating body and the anisotropic rare earth bonded magnet. If the gap is ignored, the following equation holds.
(Equation 1)
2a + 2d + 2w = r (1)
(Equation 2)
R = d / r (2)
[Equation 3]
V = πr 2 L / 4… (3)
(Equation 4)
v = π ｛(a + d) 2 -A 2 ｝ L… (4)
Since d≪a holds,
(Equation 5)
v = 2πadL (5)
Therefore, the magnet efficiency S is given by the following equation.
(Equation 6)
(Equation 7)
[0042]
(Fourth embodiment)
A 6-pole motor device was manufactured with the same dimensions as the first embodiment. The dimensions and characteristics of the motor device are as shown in Table 1. Similarly, the performance index T was evaluated for a six-pole motor using a ferrite magnet. The dimensions and characteristics of the motor device are shown in Table 1. Regarding the performance index T, the characteristics shown in FIG. 3 were obtained. What can be obtained from this characteristic is that when the performance index T of the motor device using the anisotropic rare earth bonded magnet of the present invention increases from 2 poles to 4 poles, the performance index T increases dramatically, It is understood that the performance index T is increased to 1.10 times of 4 poles and 1.74 times of 2 poles when the number of poles is increased from to 6 poles. These values show that the performance index T of the conventional motor using the ferrite magnet hardly changes depending on the number of poles. That is, when the number of poles increases from 4 poles to 6 poles, the performance index T does not change at all with respect to 4 poles, and the performance index T of the 6 pole motor is only 1.07 times the performance index of the 2 pole motor. From these facts, in the motor device using the anisotropic rare-earth bonded magnet of the present invention, having four poles or six poles has an effect that cannot be predicted from a motor using a conventional ferrite magnet. Understood.
[0043]
(Fifth embodiment)
In the motor device of the first embodiment, brushes 30a and 30b are arranged as shown in FIG. That is, the brushes are provided not at 180 degrees but at 90 degrees. As a result, a space where no brush exists is formed wide as shown by a region Q in FIG. 10, so that an electronic circuit can be arranged in this region Q. In the case of six poles, if two brushes are provided at intervals of 60 degrees, a similarly large space can be secured. In the case of eight poles, similarly, a wide space can be secured by providing two brushes at intervals of 22.5 degrees and 67.5 degrees.
When using a motor with such a brush two-pole structure, for example, in the case of a four-pole motor, winding may be performed as shown in FIG.
[0044]
(Modification)
The above embodiment is an example of the embodiment of the present invention, and various other modifications are possible. For example, in the above embodiment, the anisotropic rare-earth bonded
Further, in the above embodiment, the anisotropic rare earth bonded
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a motor device according to a specific embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a motor device according to another specific embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between the number of poles and a performance index in a motor device using a ferrite sintered magnet and a motor device using an anisotropic bonded magnet.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a performance index T and a ratio R when the maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded magnet is 14 MGOe.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the magnet efficiency S and the ratio R when the maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded magnet is 14 MGOe.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the performance index T and the ratio R when the maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded magnet is 17 MGOe.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the magnet efficiency S and the ratio R when the maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded magnet is 17 MGOe.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the performance index T and the ratio R when the maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded magnet is 25 MGOe.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the magnet efficiency S and the ratio R when the maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded magnet is 25 MGOe.
FIG. 10 is a configuration diagram showing positions of brushes of a motor device according to a fifth embodiment.
FIG. 11 is a configuration diagram showing windings of a motor device according to a fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
10. Back yoke
11 ... Rotary axis
12 ... housing
13 ... Anisotropic rare earth bonded magnet
14 ... Armature
15 ... Coil
23 ... Sintered ferrite magnet
Claims (2)
前記永久磁石は、最大エネルギー積が１４ＭＧＯｅ 以上であり、少なくとも４磁極以上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ることを特徴とするＤＣブラシモータ装置。A DC brush motor device comprising a permanent magnet disposed at an inner peripheral portion of a housing of the DC brush motor and an electromagnetic rotating body disposed at a central portion,
A DC brush motor device, wherein the permanent magnet is a hollow cylindrical thin-walled anisotropic rare earth bonded magnet having a maximum energy product of 14 MGOe or more and magnetized to at least four magnetic poles.
前記永久磁石は、最大エネルギー積は１４ＭＧＯｅ 以上であり、少なくとも４磁極以上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ることを特徴とする永久磁石。A permanent magnet arranged around an electromagnetic rotating body at an inner peripheral portion of a housing of the DC brush motor,
The permanent magnet is characterized in that the permanent magnet is a hollow cylindrical thin-walled anisotropic rare earth bonded magnet having a maximum energy product of 14 MGOe or more and magnetized to at least 4 magnetic poles.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009112145A (en) * | 2007-10-31 | 2009-05-21 | Mitsuba Corp | Electric motor |
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2003
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