JP2006211838A - Ferrite permanent magnet motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フェライト永久磁石モータに関する。 The present invention relates to a ferrite permanent magnet motor.
従来、外径45mmφから35mmφ相当の缶タイプの永久磁石小型直流整流子モータは、安価で高特性を得るためフェライト磁石が使用されている。しかしながら、図6に示す希土類磁石とフェライト磁石の磁気特性図から明らかなように、フェライト磁石は、近年、成長著しい希土類の磁石に比較すると磁気特性が劣っている(例えば、特許文献1,2,3参照。)。したがって、フェライト磁石を備えたモータの磁気回路設計を行なうときは、特に、電機子の巻線に電流が流れることによって生じる電機子反作用(永久磁石の起磁力と反対に作用し永久磁石の磁束量を減少させる。)により永久磁石が減磁しないように留意する必要がある。ましてや、モータの起動及び拘束時には、大電流が流れるのでさらなる留意が必要となる。
Conventionally, in a can type permanent magnet small DC commutator motor corresponding to an outer diameter of 45 mmφ to 35 mmφ, a ferrite magnet is used in order to obtain high performance at low cost. However, as is apparent from the magnetic characteristic diagram of the rare earth magnet and the ferrite magnet shown in FIG. 6, the ferrite magnet has recently been inferior in magnetic characteristics as compared to a rapidly growing rare earth magnet (for example,
モータの磁気回路上(ヨーク、電機子コア、空隙、永久磁石)に置かれた永久磁石は、磁気回路によって決まる動作点(図6で示すA,A’)を持ち、これにより永久磁石の磁束密度B[T]、磁界の強さH[A/m]が決まる。この動作点は、電機子反作用により永久磁石のB−H曲線上を移動するので、モータの負荷の大きさにより永久磁石の磁束密度B[T]が変化し、磁束密度B[T]に比例するモータトルクも変化し、過負荷でトルク低下を起こす。また、動作点Aが永久磁石のB−H曲線の屈曲点C以下になったり、磁束密度Bが0[T]以下になったりすると動作点Aが元の位置に戻らない不可逆減磁を起こし、モータの性能が維持できない状態となる。このような状態を防ぐためには、磁気回路抵抗を極力小さくすることと、永久磁石の厚みをできるだけ厚く設計する必要がある。このようなことから、フェライト磁石は充分な厚みを確保して減磁を起こさないように設計されている。 A permanent magnet placed on the motor's magnetic circuit (yoke, armature core, air gap, permanent magnet) has an operating point (A, A ′ shown in FIG. 6) determined by the magnetic circuit. The density B [T] and the magnetic field strength H [A / m] are determined. Since this operating point moves on the BH curve of the permanent magnet due to the armature reaction, the magnetic flux density B [T] of the permanent magnet changes depending on the load of the motor, and is proportional to the magnetic flux density B [T]. The motor torque to be changed also changes, and the torque decreases due to overload. In addition, when the operating point A falls below the bending point C of the BH curve of the permanent magnet, or when the magnetic flux density B falls below 0 [T], the operating point A does not return to its original position, causing irreversible demagnetization. The motor performance cannot be maintained. In order to prevent such a state, it is necessary to design the magnetic circuit resistance as small as possible and to design the permanent magnet as thick as possible. For this reason, the ferrite magnet is designed to ensure a sufficient thickness so as not to cause demagnetization.
一方、モータ外径及びモータ長がある寸法に規定された中で、高出力を得るためには、モータ出力と回転数、モータ体積の関係式P=k・N・Da2・Laより、電機子コア外径Daを大きくすることが、モータ出力向上に有効であることが分かる。ここで、Pはモータ出力、kは定数、Nは回転数、Daは電機子コア外径、Laは電機子積厚である。 On the other hand, in order to obtain a high output while the motor outer diameter and the motor length are defined in a certain dimension, the relational expression P = k · N · Da 2 · La It can be seen that increasing the child core outer diameter Da is effective in improving the motor output. Here, P is the motor output, k is a constant, N is the rotational speed, Da is the outer diameter of the armature core, and La is the armature product thickness.
電機子コア外径Daを大きくするためには、永久磁石の厚みを薄くする必要がある。電機子コア外径の大型化は、希土類の永久磁石を用いてその厚みを薄くすれば容易に達成されるが、希土類磁石を用いる場合はコスト高となってしまう。 In order to increase the armature core outer diameter Da, it is necessary to reduce the thickness of the permanent magnet. Increasing the outer diameter of the armature core can be easily achieved by using a rare earth permanent magnet and reducing its thickness, but using a rare earth magnet increases the cost.
そこで、従来の外径45mmφから35mmφ相当の缶タイプの永久磁石小型直流整流子モータでは、安価で高特性を得るためフェライト磁石が使用されている。 Therefore, in a conventional can type permanent magnet small DC commutator motor equivalent to an outer diameter of 45 mmφ to 35 mmφ, a ferrite magnet is used in order to obtain high performance at low cost.
フェライト磁石を備えたモータでは、特に、電機子の巻線に電流が流れることによって生じる電機子反作用で永久磁石が減磁しやすいので、フェライト磁石は充分な厚みを確保して減磁を起こさないようにする必要があるが、モータ外径及びモータ長が限定されたうえでフェライト磁石を厚くすると電機子コア外径が小さくなりモータ出力が低下するという問題がある。 In motors with ferrite magnets, permanent magnets tend to demagnetize due to the armature reaction caused by the current flowing through the windings of the armature, so the ferrite magnets have sufficient thickness to prevent demagnetization. However, there is a problem that when the outer diameter and the motor length of the motor are limited and the ferrite magnet is made thicker, the outer diameter of the armature core is reduced and the motor output is reduced.
したがって、本発明は減磁を起こさず、しかも電機子コア外径を大きくすることができる小型フェライト永久磁石モータを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a small ferrite permanent magnet motor that does not cause demagnetization and can increase the outer diameter of the armature core.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、有底中空筒状に形成されたモータケース(1)にフェライト永久磁石(2)を備えたケース組立体(3)と、整流子(4)を備えた電機子(5)と、ケース組立体(3)の開口部に嵌着され整流子(4)と摺動するブラシを備えたブラケット組立体(7)とを有し、モータケース(1)の外径寸法が35mmφから45mmφの範囲にあるフェライト永久磁石モータにおいて、電機子コア(5a)の外径(Da)をモータケース(1)の外径(Dy)に対して66%から71%の範囲としたフェライト永久磁石モータを採用する。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to
また、請求項2に係る発明は、請求項1に記載のフェライト永久磁石モータにおいて、最大エネルギー積25kJ/m3、保磁力250kA/m以上のフェライト永久磁石(2)を使用するフェライト永久磁石モータを採用する。
The invention according to
また、請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2に記載のフェライト永久磁石モータにおいて、電機子コアティース(9)の幅(t)を電機子コア(5a)の外径(Da)に対し5.5%以上、電機子コアスロット(8)の底径(Dab)を電機子コア(5a)の外径(Da)に対し40%以上としたフェライト永久磁石モータを採用する。
The invention according to
請求項1に係る発明によれば、有底中空筒状に形成されたモータケース(1)にフェライト永久磁石(2)を備えたケース組立体(3)と、整流子(4)を備えた電機子(5)と、ケース組立体(3)の開口部に嵌着され整流子(4)と摺動するブラシを備えたブラケット組立体(7)とを有し、モータケース(1)の外径寸法が35mmφから45mmφの範囲にあるフェライト永久磁石モータにおいて、電機子コア(5a)の外径(Da)をモータケース(1)の外径(Dy)に対して66%から71%の範囲としたフェライト永久磁石モータであるから、フェライト永久磁石(2)が減磁を起こさないように電機子コア(5a)の外径(Da)を極力大型化し、モータの高出力化を達成することができる。 According to the first aspect of the present invention, the motor case (1) formed in the bottomed hollow cylindrical shape includes the case assembly (3) including the ferrite permanent magnet (2) and the commutator (4). An armature (5), and a bracket assembly (7) having a brush that is fitted in the opening of the case assembly (3) and slides on the commutator (4). In a ferrite permanent magnet motor having an outer diameter of 35 mmφ to 45 mmφ, the outer diameter (Da) of the armature core (5a) is 66% to 71% of the outer diameter (Dy) of the motor case (1). Since the ferrite permanent magnet motor is in the range, the outer diameter (Da) of the armature core (5a) is increased as much as possible so that the ferrite permanent magnet (2) does not demagnetize, thereby achieving high output of the motor. be able to.
請求項2に係る発明によれば、請求項1に記載のフェライト永久磁石モータにおいて、最大エネルギー積25kJ/m3、保磁力250kA/m以上のフェライト永久磁石(2)を使用するフェライト永久磁石モータであるから、屈曲点(C)がない磁気的特性の磁石とすることで、不可逆減磁を起こすことなくモータの高出力化を達成することができる。
According to the invention of
請求項3に係る発明によれば、請求項1又は請求項2に記載のフェライト永久磁石モータにおいて、電機子コアティース(9)の幅(t)を電機子コア(5a)の外径(Da)に対し5.5%以上、電機子コアスロット(8)の底径(Dab)を電機子コア(5a)の外径(Da)に対し40%以上としたフェライト永久磁石モータであるから、電機子コア(5a)の外径(Da)の大径化に伴いコイルが収められる電機子コアスロット(8)の断面を減少させることなく、電機子コアティース(9)の幅(t)、電機子コアスロット(8)の底径(Dab)を大きく確保することができる。これにより、電機子コア(5a)の磁気抵抗を減少させることができ、従って図6に示す動作点Aが向上し、永久磁石の磁束密度B[T]が増加し、モータの高出力化を達成することができる。
According to the invention of
以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the invention will be described below with reference to the drawings.
図1及び図2に示すように、このフェライト永久磁石モータは、有底中空筒状に形成されたモータケース1にフェライト永久磁石2を備えたケース組立体3と、整流子4を備えた電機子5と、ケース組立体3の開口部に嵌着され整流子4と摺動する図示しないブラシを備えたブラケット組立体7とを有する。このフェライト永久磁石モータ20はいわゆる小型モータであり、そのモータケース1の外径Dyは、35mmφから45mmφの寸法範囲とされる。
As shown in FIGS. 1 and 2, this ferrite permanent magnet motor includes a
この小型フェライト永久磁石モータでは、電機子5の外径すなわち電機子コア5aの外径Daがモータケース1の外径Dyに対して66%から71%の範囲とされる。図示例では、電機子コア5aの外径Daがモータケース1の外径Dyの68%とされる。
In this small ferrite permanent magnet motor, the outer diameter of the
また、電機子コアティース9の幅tが電機子コア5aの外径Daの6.5%、電機子コアスロット8の底径Dabが電機子コア5aの外径Daの43.7%とされる。
Further, the width t of the
このDa(電機子コア5aの外径)/Dy(モータケース外径)=0.66〜0.71は、次に述べるように図3、図4及び図5に示すデータに基づいて決定される。
This Da (outer diameter of the
図3は、モータケース1の外径Dyが36mmφ相当のモータにおいて、モータケース1の外径、内径を一定とし、フェライト永久磁石2の厚み、電機子コア5aの外径Da、電機子コアティース9の幅t、電機子コアスロット8の底径Dabを変化させた場合の磁束量の変化を示している。
FIG. 3 shows a motor whose outer diameter Dy of the
上述したように、本発明のフェライト永久磁石2は減磁を起こさない程度の厚みを確保しつつ電機子コア5aの外径Daをできるだけ大きくしようとする。そこで、図3のデータは、従来の小型フェライト永久磁石モータ(電機子コア外径Daとモータケース外径Dyとの比が約63%)であって、電機子5の巻線に電流がほとんど流れていない状態(無負荷時)としたものを基準として、ここから磁石厚を薄く、電機子コア外径Da、電機子コアティース9の幅t、電機子コアスロット8の底径Dabを大きく変化させることにより得ている。また、電機子5の巻線に大電流が流れ電機子反作用が生じた場合のフェライト永久磁石の減磁の程度も確認するため、モータ拘束時(ロック時)の磁束量の変化も同時に示している。
As described above, the ferrite
図3から明らかなように、先ず、従来の電機子コア外径/モータケース外径比(以下、Da/Dy比という。)が約63%のモータの無負荷時の磁束量比を1とすると、Da/Dy比63%のモータ拘束時の磁束量比は約0.96倍で0.04倍減少している。これは、電機子反作用によって永久磁石が減磁を起こし磁束量が4%減少したと考えられる。次に、Da/Dy比約66%時の磁束量比については、1.02倍とDa/Dy比約63%時の無負荷時に対し0.02倍増加している。また、拘束時においては、0.98倍と無負荷時に対し0.04倍減少している。このことは、Da/Dy比約66%の寸法比でフェライト永久磁石厚を薄く、電機子コア外径を大きくしてもフェライト永久磁石の減磁を従来のモータ以上に生じさせること無く、また磁束量そのものも大きくすることが出来たことを意味している。 As apparent from FIG. 3, first, the conventional armature core outer diameter / motor case outer diameter ratio (hereinafter referred to as the Da / Dy ratio) is about 63%, and the unloaded magnetic flux amount ratio is 1. Then, the magnetic flux amount ratio at the time of motor restraint with a Da / Dy ratio of 63% is about 0.96 times and decreased by 0.04 times. This is presumably because the permanent magnet demagnetizes due to the armature reaction and the amount of magnetic flux is reduced by 4%. Next, the magnetic flux amount ratio when the Da / Dy ratio is about 66% increases by 1.02 times, and 0.02 times that when no load is applied when the Da / Dy ratio is about 63%. Moreover, at the time of restraint, it is 0.98 times, and it has decreased 0.04 times compared with the time of no load. This is because the ferrite permanent magnet thickness is thin with a Da / Dy ratio of about 66%, and the outer diameter of the armature core is increased without causing demagnetization of the ferrite permanent magnet more than the conventional motor. This means that the amount of magnetic flux itself can be increased.
以降同様にDa/Dy比を68%、70%、74%とフェライト永久磁石厚を薄く、電機子コア外径を大きくしていくと無負荷時においては、磁束量比が順に1、0.97、0.92倍となり、拘束時においては順に0.95、0.92、0.86倍と変化している。これから、無負荷の状態では、Da/Dy比約68%以上で従来のモータに比較し磁束量が減少し、拘束時の状態では、Da/Dy比約68%時から従来のモータの拘束時磁束量を下回って、減磁が現状より大きくなることを意味している。この結果からして、Da/Dy比は約66%が最適で約68%以上では従来のモータを下回ると判断することができる。 Thereafter, similarly, the Da / Dy ratio is 68%, 70%, and 74%, and the ferrite permanent magnet thickness is reduced, and when the armature core outer diameter is increased, the magnetic flux amount ratio becomes 1, 0, and 0 in order at no load. 97, 0.92 times, and when restrained, they change in order 0.95, 0.92, 0.86 times. From this, in the no-load state, the Da / Dy ratio is about 68% or more and the amount of magnetic flux is reduced compared to the conventional motor. In the restrained state, the Da / Dy ratio is about 68% and the conventional motor is restrained. It means that the demagnetization becomes larger than the current state below the amount of magnetic flux. From this result, it can be determined that the Da / Dy ratio is optimal at about 66%, and that it is lower than the conventional motor at about 68% or more.
しかし、一方で電機子コア外径を大きくすることは、モータの高出力化になることが言えるので、磁束量の変化だけに着目せずに、最終的にモータの特性が如何に改善するかも着目する必要性がある。 However, on the other hand, increasing the outer diameter of the armature core can increase the output of the motor, so it is possible to improve the characteristics of the motor in the end without paying attention only to the change in the amount of magnetic flux. There is a need to pay attention.
図4は、マクスウェル応力からトルクを求めた結果をDa/Dy比63%、66%、68%に関し示している。この図からDa/Dy比が大体66%から68%までは、Da/Dy比63%の従来のモータ以上のトルク特性を得ていることが分かる。図示していないが、71%の時は66%の場合と同様なトルク特性であり、74%の時は63%の場合と同様なトルク特性である。 FIG. 4 shows the results of obtaining torque from Maxwell stress for Da / Dy ratios of 63%, 66% and 68%. From this figure, it can be seen that when the Da / Dy ratio is approximately 66% to 68%, the torque characteristic higher than that of the conventional motor having the Da / Dy ratio of 63% is obtained. Although not shown, when 71%, the torque characteristics are the same as in the case of 66%, and when 74%, the torque characteristics are the same as in the case of 63%.
また、図5は、Da/Dy比毎のトルク差を明確にするため従来のDa/Dy比63%のモータにおける拘束時付近のトルクを1としてDa/Dy比74%までの拘束時のトルクの比を示している。この図からDa/Dy比68%付近がトルクのピークであることが分かる。 Further, FIG. 5 shows the torque at the time of restraint up to 74% of the Da / Dy ratio with the torque near the restraint in the conventional motor having a Da / Dy ratio of 63% as 1, in order to clarify the torque difference for each Da / Dy ratio. The ratio is shown. From this figure, it can be seen that the Da / Dy ratio around 68% is the torque peak.
以上の結果をもとに、磁束量が最も多くなるDa/Dy比66%のモータと、トルクが最も多くなるDa/Dy比68%のモータを夫々試作し、従来のDa/Dy比63%のモータと比較した結果、Da/Dy比66%、68%の何れのモータも従来のモータの特性を上回った。すなわち、フェライト永久磁石の厚みと電機子コアの大きさの割合を示すDa/Dy比71%まで電機子コア外径を大型化し、フェライト永久磁石厚を薄くしても、フェライト永久磁石の減磁を生じることはなく、モータ特性も従来のモータ特性を上回るか、或いは同程度を維持し、上述した式P=k・N・Da2・Laで示されるように、電機子コア外径Daを大きくしたことにより、従来よりも高出力を得ることができる。 Based on the above results, we prototyped a motor with a Da / Dy ratio of 66% where the amount of magnetic flux is the largest and a motor with a Da / Dy ratio of 68% where the torque is the largest, and a conventional Da / Dy ratio of 63%. As a result of comparison with this motor, both the Da / Dy ratios of 66% and 68% exceeded the characteristics of the conventional motor. That is, even if the outer diameter of the armature core is increased to a Da / Dy ratio of 71% indicating the ratio between the thickness of the ferrite permanent magnet and the size of the armature core, and the ferrite permanent magnet thickness is reduced, the demagnetization of the ferrite permanent magnet is reduced. The motor characteristics also exceed the conventional motor characteristics or remain at the same level, and the armature core outer diameter Da is set as shown by the above-described formula P = k · N · Da 2 · La. By making it larger, it is possible to obtain a higher output than before.
また、この小型フェライト永久磁石モータにおいては、望ましくは最大エネルギー積25kJ/m3、保磁力250kA/m以上のフェライト磁石が使用される。 In this small ferrite permanent magnet motor, a ferrite magnet having a maximum energy product of 25 kJ / m 3 and a coercive force of 250 kA / m or more is preferably used.
これにより、モータケース内に取り付けられるフェライト磁石が図6に示した屈曲点Cがない磁気的特性のものとなり、小型フェライト永久磁石モータは、不可逆減磁を起こすことなく高出力を達成することとなる。 As a result, the ferrite magnet mounted in the motor case has a magnetic characteristic without the bending point C shown in FIG. 6, and the small ferrite permanent magnet motor achieves high output without causing irreversible demagnetization. Become.
1…モータケース
2…フェライト永久磁石
3…ケース組立体
4…整流子
5…電機子
5a…電機子コア
7…ブラケット組立体
8…電機子コアスロット
9…電機子コアティース
C…屈曲点
Da…電機子コアの外径
Dy…モータケースの外径
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