JP2007151283A - Brushless dc motor device and permanent magnet thereof - Google Patents

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JP2007151283A JP2005341296A JP2005341296A JP2007151283A JP 2007151283 A JP2007151283 A JP 2007151283A JP 2005341296 A JP2005341296 A JP 2005341296A JP 2005341296 A JP2005341296 A JP 2005341296A JP 2007151283 A JP2007151283 A JP 2007151283A
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Yoshinobu Motokura
義信 本蔵
Hiroshige Mitarai
浩成 御手洗
Hiroshi Matsuoka
浩 松岡
Daisuke Nagaya
大輔 長屋
Shigeya Kitaori
重也 北折
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  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To significantly reduce the size, maintain and enhance the high torque characteristics and high efficiency, and further enhance the cogging torque of a brushless DC motor. <P>SOLUTION: The brushless DC motor is comprised of: a stator made of an electromagnet; and a rotor that is disposed at the central part thereof and has a magnetic core and a permanent magnet on the outer circumferential surface thereof. The permanent magnet is an anisotropic rare-earth bonded magnet whose maximum magnetic energy product is not less than 143 kJ/m<SP>3</SP>and not more than 279 kJ/m<SP>3</SP>and which is in the shape of a thin integrated ring magnetized in 14 poles. The stator has 12-pole teeth. If the radius of the rotor is r<SB>m</SB>, the radius of the magnetic core is r<SB>c</SB>, the radial thickness of the anisotropic rare-earth bonded magnet is d, and the radius of the motor is R, the motor is so constructed that the following relation holds: the ratio of the magnet thickness to the motor radius d/R is not less than 0.025 and not more than 0.045; and the ratio of the magnetic core radius to the motor radius r<SB>c</SB>/R is not less than 0.55 and not more than 0.72. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、DCブラシレス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、インナーロータ形DCブラシレスモータにおいてSPM型モータを使用したファンモータ等の常時連続運転状態で使用されるモータ及びそれに用いられる永久磁石に関する。
本発明は、例えば、出力が40−400W級で、モータ半径(磁気回路構成部分であって、本発明においてはステータ半径に相当する。以下同じ。)が20−65mmの大きさのモータに関する。例えば、パワーステアリング用モータのように700Wを超えるようなモータにおいては、出力が高すぎ、本発明の対象には含まれない。
また、本発明は使用電圧が100〜400Vのモータを対象としている。よって、本発明は自動車用等の12V,24V等の低電圧で使用されるモータには使用されない。
The present invention relates to a DC brushless motor device and a permanent magnet used therefor. In particular, the present invention relates to a motor used in a continuous operation state such as a fan motor using an SPM type motor in an inner rotor type DC brushless motor and a permanent magnet used therefor.
The present invention relates to a motor having, for example, an output of 40-400 W class and a motor radius (magnetic circuit component, corresponding to a stator radius in the present invention; the same shall apply hereinafter) of 20-65 mm. For example, in a motor that exceeds 700 W, such as a power steering motor, the output is too high and is not included in the subject of the present invention.
Further, the present invention is intended for a motor having a working voltage of 100 to 400V. Therefore, the present invention is not used for a motor that is used at a low voltage such as 12V or 24V for automobiles.

産業用、家電用に限らず、主として常時回転して使用されるモータにおいては、モータとしてポピュラーなブラシモータはブラシの磨耗のため使用されていなかった。
この常時回転して使用されるモータにおいては、産業用では3相交流電源に対応したかご型三相誘導モータが使用されていた。家庭用では、単相交流電源に対応したかご型単相誘導モータが使用されていた。1980年代中盤にはいると産業用マイコンが登場し産業用かご型三相誘導モータでは、そのマイコンを利用したインバータ制御により効率化を図った。
さらに、かご型3相誘導モータにおいては、ロータも電磁石であり、かごに電流をながすため、永久磁石を使用するモータに比べ、鉄損、銅損とも大きく更なる効率化が求められていた。
おなじころ、かご型3相誘導モータの効率化のため永久磁石を使用したDCブラシレスモータ化により更なる効率化が図られた。
このブラシレスモータにおいては最大磁気エネルギー積が32kJ/m程度のフェライト焼結磁石や、8kJ/m程度のフェライトボンド磁石が使用されていた。
In motors that are used not only for industrial use and home appliances but mainly always rotated, brush motors that are popular as motors have not been used due to brush wear.
In this motor that is always rotated, a cage-type three-phase induction motor compatible with a three-phase AC power source has been used for industrial use. For home use, a cage-type single-phase induction motor corresponding to a single-phase AC power source was used. In the mid-1980s, industrial microcomputers appeared and industrial cage type three-phase induction motors were designed to be more efficient by inverter control using the microcomputer.
Furthermore, in the cage type three-phase induction motor, the rotor is also an electromagnet, and current is passed through the cage. Therefore, both iron loss and copper loss have been greatly increased compared to a motor using a permanent magnet.
The same efficiency was achieved by using a DC brushless motor that uses permanent magnets to improve the efficiency of the cage-type three-phase induction motor.
And the maximum magnetic energy product 32 kJ / m 3 approximately ferrite sintered magnet in this brushless motor, 8 kJ / m 3 approximately ferrite bond magnets are used.

一方、家電用では、1980年代末ごろまで、主として、かご型単相誘導モータが使用されていた。
しかし、1990年代はじめ頃から、家電用の汎用のインバータ制御用のマイコンの登場した。それを採用することで電流を3相へ変換することで、かご型三相誘導モータとすることで効率を50%程度から60%程度まで向上し、インバータ制御によりモータ回転数の可変化を図った。その後、地球温暖化対策のための省エネルギー化のニーズの増大により、2000年ごろより、家電用においてもDCブラシレスモータが採用されるにいたり、効率も75から80%を超える程度まで向上した。
On the other hand, for home appliances, a cage-type single-phase induction motor was mainly used until the end of the 1980s.
However, since the early 1990s, general-purpose inverter control microcomputers for home appliances have appeared. By adopting it, the current is converted into three phases, and the efficiency is improved from about 50% to about 60% by using a squirrel-type three-phase induction motor, and the motor speed is made variable by inverter control. It was. Later, due to the increasing needs for energy saving as a countermeasure against global warming, DC brushless motors were adopted for household appliances from around 2000, and the efficiency was improved to 75 to over 80%.

このように、常時回転用のモータにおいては、高効率化のニーズへの適用は進んできた。
しかし、近年、更に、小型・軽量化した上で、現状の(高トルク化)出力特性と高効率の維持もしくは更なる向上のニーズが高まっている。
ここでモータを設計する場合、一般に、モータが使用される環境である使用電圧、定格回転数、定格トルク、効率及びコストを考慮してモータが選択される。
具体的には、使用電圧に対応したモータの中から、効率が最大に近いところで、定格回転数、定格トルクを満足できて、コストの安いモータが選ばれることとなる。
現状、40−400W級の常時回転用のブラシレスモータには、焼結フェライトのアキシャル異方性磁石が8磁極分貼り付けて使用されている。
現状使用されている最新のモータでは、使用電圧において、効率が80%レベルで、定格回転数において、定格トルクを満たすものである。
この種のDCブラシレスモータにおいては、通常、モータ体積を大型化することにより、ステータ径を大きくしてコイルスペースを大きくしたり、磁石を大きくする等の手段を用い、コイル巻数、銅線径を調節することで、高トルク・高効率化を図っている。
しかし、このモータにおいて、逆に小型化すると、各種パラメータを工夫しても、トルク等が不足し、出力特性が低下してしまい、効率も低下してしまうこととなる。
よって、小型化とトルク特性、効率性の維持・向上は両立しないものと思われていた。
一方、小型化に関しては、1980年代前半になって希土類焼結磁石(例えば、Nd焼結磁石(318kJ/m))の登場によりその検討がなされた。しかしながら、単に磁力の強い磁石を適用しただけでは供給磁束が大きすぎてステータ側の電磁石ヨークが飽和してしまうため、ステータ外径を広げざるを得なかった。そのため、小型化には寄与していなかった。
また、単に磁力の強い磁石を使用すると、従来のモータに比べステータにおいての鉄損が大きくなってしまうため、高効率化も図れなかった。
更に、単に磁力の強い磁石を使用するとコギングトルクが増大する傾向にある。よって、単に強力な希土類磁石を使用するだけでは、小型化ができず、むしろ、効率の低下、コギングトルク(トルクムラ(以下()の標記は省略する))の増大をまねいていた。
そのため、磁力の強いNd焼結等の希土類焼結磁石は、現状のDCブラシレスモータを小型・軽量化した上で、現状のトルク特性と高効率の維持もしくは向上、及び、コギングトルクの維持若しくは低減という課題を解決しないため、この分野のブラシレスモータには使用されてこなかった。
As described above, in the motor for continuous rotation, application to the needs for higher efficiency has progressed.
However, in recent years, there has been a growing need for maintaining or further improving the current (high torque) output characteristics and high efficiency while further reducing the size and weight.
When designing a motor here, the motor is generally selected in consideration of the operating voltage in which the motor is used, the rated rotational speed, the rated torque, the efficiency, and the cost.
Specifically, a motor with a low cost that satisfies the rated rotational speed and the rated torque is selected from the motors corresponding to the operating voltage where the efficiency is close to the maximum.
Currently, 40-400 W class brushless motors for continuous rotation use an axially anisotropic magnet of sintered ferrite with 8 magnetic poles attached.
The latest motors currently used satisfy the rated torque at the rated rotational speed at an efficiency of 80% at the operating voltage.
In this type of DC brushless motor, normally, by increasing the motor volume, the stator diameter is increased to increase the coil space, or the magnet is enlarged, and the number of coil turns and the copper wire diameter are reduced. By adjusting, high torque and high efficiency are achieved.
However, if the motor is downsized, the torque and the like are insufficient, the output characteristics are lowered, and the efficiency is lowered even if various parameters are devised.
Therefore, it was thought that miniaturization and maintenance / improvement of torque characteristics and efficiency are not compatible.
On the other hand, the miniaturization was examined in the first half of the 1980s with the advent of rare earth sintered magnets (for example, Nd sintered magnets (318 kJ / m 3 )). However, simply applying a magnet having a strong magnetic force causes the supply magnetic flux to be too large and the electromagnet yoke on the stator side to be saturated, so the stator outer diameter has to be increased. Therefore, it did not contribute to downsizing.
In addition, if a magnet having a strong magnetic force is simply used, the iron loss in the stator becomes larger than that of a conventional motor, so that high efficiency cannot be achieved.
Furthermore, if a magnet having a strong magnetic force is simply used, the cogging torque tends to increase. Therefore, simply using a strong rare earth magnet cannot reduce the size, but rather reduces efficiency and increases cogging torque (torque non-uniformity (hereinafter omitted in parentheses)).
Therefore, rare earth sintered magnets such as Nd sintered with strong magnetic force maintain or improve the current torque characteristics and high efficiency, and maintain or reduce the cogging torque after reducing the size and weight of the current DC brushless motor. In order not to solve the problem, it has not been used for brushless motors in this field.

近年、磁石分野において特開2005−116991に記載されているように159kJ/m級の異方性希土類ボンド磁石が登場した。
この磁石は、焼結磁石にくらべ、成形性に優れ、リング形状で成形、配向・着磁できるため組み付け工数の低減、組み付け精度の向上が期待でき、ブラシレスモータへの適用が検討されていた。
しかし、本磁石もNd焼結磁石程ではないが、従来のフェライト系磁石に比べ少なくとも4倍以上のはるかに強い磁力を有するため同様の問題を抱えており、それを適用しても、現状のブラシレスモータの小型・軽量化とトルク特性、効率性の維持・向上、及び、コギングトルクの維持若しくは低減の両立は困難と思われていた。
特開2005−116991号
In recent years, 159 kJ / m 3 grade anisotropic rare earth bonded magnets have appeared in the magnet field as described in JP-A-2005-116991.
Compared to sintered magnets, this magnet has excellent moldability and can be molded, oriented and magnetized in a ring shape, so that reduction in assembly man-hours and improvement in assembly accuracy can be expected, and application to brushless motors has been studied.
However, although this magnet is not as large as the Nd sintered magnet, it has the same problem because it has a much stronger magnetic force that is at least four times that of conventional ferrite magnets. It has been considered that it is difficult to achieve both reduction in size and weight of a brushless motor, maintenance and improvement of torque characteristics and efficiency, and maintenance or reduction of cogging torque.
JP 2005-116991 A

本発明の課題は、現在使用されているファンモータ等に使用される一方向に常時回転し、出力が40−400W級の小型ブラシレスモータにおいて、現行のフェライト焼結磁石を使用したブラシレスモータを小型・軽量化したときに、従来技術であれば、トルク特性の低下と効率の低下を生じるものを、1/2以下という大幅な小型化・軽量化しつつ、トルク特性と高効率を維持、向上し、同時にコギングトルクの低減を図るものである。
言い換えると、同じ大きさのモータであれば、高いトルク特性と高効率性とコギングトルクの低減の両立を達成することを目的とする。
また、本発明の課題は、少ない供給磁石エネルギーで、小型・軽量化した上で、トルク特性と効率化の両方を維持・向上を測るものである。従来レベルのフェライト焼結磁石を使用したモータと比べ、モータを1/2以上の小型軽量化しつつ、同じ供給磁石エネルギー当たりで同じトルクと高効率を維持、向上を図るものである。
An object of the present invention is to reduce the size of a brushless motor using a sintered ferrite magnet in a small brushless motor that rotates constantly in one direction and is used in a fan motor or the like currently used and has an output of 40 to 400 W.・ If the conventional technology is reduced in weight, the torque characteristics and efficiency will be reduced and the torque characteristics and high efficiency will be maintained and improved while greatly reducing the size and weight to 1/2 or less. At the same time, the cogging torque is reduced.
In other words, if the motors have the same size, the object is to achieve both high torque characteristics, high efficiency, and reduction of cogging torque.
Another object of the present invention is to measure and maintain and improve both torque characteristics and efficiency while reducing the size and weight with a small amount of supplied magnet energy. Compared to a motor using a ferrite sintered magnet of a conventional level, the same torque and high efficiency are maintained and improved for the same supplied magnet energy while reducing the size and weight of the motor by more than 1/2.

課題を解決するための手段及び発明の作用効果Means for solving the problems and operational effects of the invention

本発明者等は、異方性希土類ボンド磁石を有する159kJ/m級の優れた磁気特性と形状自由度の高さを、いかに活用するかを鋭意検討した結果、次のような構成により、その磁気的エネルギーを十分に活用し、モータを小型化しつつ、その他のすべでの課題を解決できることを見出した。 The present inventors have a height of excellent magnetic characteristics and the degree of freedom of the shape of 159kJ / m 3 grade having an anisotropic rare earth bonded magnet, the results of extensive studies how to take advantage, by the following structure, It was found that the magnetic energy could be fully utilized to reduce all other issues while miniaturizing the motor.

上記の課題を達成するためには、以下の手段が有効である。
請求項1に記載のDCブラシレスモータは、電磁石からなるステータと、その中心部に配置され磁性コアとその外周に永久磁石を有するロータからなるDCブラシレスモータであって、前記永久磁石は最大磁気エネルギー積が143kJ/m以上、279kJ/m以下であり、14極に着磁された、一体リング形状で、薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であり、前記ステータは、ティースが12極であり、前記ロータの半径をr、前記磁性コアの半径をr、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さをd、前記モータの半径をRとする時、磁石厚さ対モータ半径比d/Rが0.025以上、0.045以下で、磁性コア半径対モータ半径比r/Rが0.55以上、0.72以下であることを特徴とするものである。
請求項2に記載の永久磁石は、DCブラシレスモータの電磁石からなるステータの内側で、モータの中心部に配置される磁性コアの外周に配設されロータを構成する永久磁石であって、前記永久磁石は最大磁気エネルギー積が143kJ/m以上、279kJ/m以下であり、14極に着磁された一体リング形状で薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であり、前記ステータはティースが12極であり、前記ロータの半径をr、前記磁性コアの半径をr、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さをd、前記モータの半径をRとする時、磁性コア半径対モータ半径比r/Rが0.55以上、0.72以下であり、磁石厚さ対モータ半径比d/Rが0.025以上、0.72以下であることを特徴とするものである。
In order to achieve the above-mentioned problem, the following means are effective.
The DC brushless motor according to claim 1 is a DC brushless motor including a stator made of an electromagnet, a rotor disposed at the center of the stator and having a magnetic core and a permanent magnet on the outer periphery thereof, wherein the permanent magnet has a maximum magnetic energy. The product is 143 kJ / m 3 or more and 279 kJ / m 3 or less, and is an integral ring-shaped, thin-walled anisotropic rare earth bonded magnet magnetized on 14 poles. The stator has 12 teeth When the radius of the rotor is r m , the radius of the magnetic core is r c , the radial thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet is d, and the radius of the motor is R, the magnet thickness versus the motor The radius ratio d / R is 0.025 or more and 0.045 or less, and the magnetic core radius to motor radius ratio r c / R is 0.55 or more and 0.72 or less.
A permanent magnet according to a second aspect of the present invention is a permanent magnet that constitutes a rotor that is disposed on the outer periphery of a magnetic core that is disposed at the center of the motor inside a stator made of an electromagnet of a DC brushless motor, The magnet has a maximum magnetic energy product of not less than 143 kJ / m 3 and not more than 279 kJ / m 3 , and is an anisotropic ring-shaped anisotropic rare earth bonded magnet magnetized on 14 poles. A magnetic core radius when the radius of the rotor is r m , the radius of the magnetic core is r c , the radial thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet is d, and the radius of the motor is R The motor radius ratio r c / R is 0.55 or more and 0.72 or less, and the magnet thickness to motor radius ratio d / R is 0.025 or more and 0.72 or less. is there.

本発明者等は、特に40−400W級でモータ半径が20−65mmの大きさの小型DCブラシレスモータに適用する場合に効果が大きいことを見出した。
更に、この発明により、例えば、現行のフェライト焼結磁石を使用したブラシレスモータを、1/2以下という大幅な小型化・軽量化しつつ、トルク特性と高効率を維持、向上し、同時にコギングトルクの低減することを達成した。
また、従来レベルのフェライト焼結磁石を使用したモータと比べ、モータを1/2以上の小型軽量化しつつ、同じ供給磁石エネルギー当たりでトルク特性と高効率を維持、向上を達成した。
ちなみに、小型化レベルをたとえば30%程度に押さえると、トルク特性、若しくは、効率を更に向上させることができる。
The present inventors have found that the effect is particularly great when applied to a small DC brushless motor having a 40-400 W class and a motor radius of 20-65 mm.
Furthermore, according to the present invention, for example, a brushless motor using a current sintered ferrite magnet can maintain and improve torque characteristics and high efficiency while significantly reducing the size and weight to 1/2 or less, and at the same time, reducing the cogging torque. Achieved to reduce.
In addition, compared to a motor using a conventional sintered ferrite magnet, the torque characteristic and high efficiency were maintained and improved for the same supplied magnet energy while reducing the motor size by more than 1/2.
Incidentally, if the miniaturization level is suppressed to about 30%, for example, torque characteristics or efficiency can be further improved.

ここで、小型・軽量化した上で、トルク特性と高効率の両方を維持・向上させるという本発明の重要な課題の指標として、モータ性能指標Eαを設ける。 Here, a motor performance index is provided as an index of an important problem of the present invention in which both torque characteristics and high efficiency are maintained and improved after being reduced in size and weight.

α=k×η/V
ここで、kはモータのトルク定数、ηはモータの最大効率、Vはモータ磁気回路部体積(モータ磁気回路部体積は、(ステータ断面積+ロータ断面積)×ステータ積厚とした。以下同じ。)とする。この指標は、単位モータ磁気回路部体積当たりのトルクと高効率の両立のレベルを測るものである。
この指標での、本分野の現状のフェライト焼結磁石を使用したモータ性能指標Eα値は、0.065以下である。一方、本発明のすべての構成を満足するDCブラシレスモータのモータ性能指標Eα値は、従来レベルのフェライト焼結磁石を使用したモータに比べ、2倍以上の値を示している。このことは、従来レベルのフェライト焼結磁石を使用したモータを1/2以上の小型軽量化した場合は、同じトルクと高効率を維持できることを示すものである。
E α = k T × η / V
Here, k T is the torque constant of the motor, eta is the maximum efficiency of the motor, V is the motor magnetic circuit volume (motor magnetic circuit unit volume (stator sectional area + rotor sectional area) × was stator lamination thickness. Less The same). This index measures the level of both high efficiency and torque per unit motor magnetic circuit volume.
The motor performance index E α value using the present ferrite sintered magnet in this field is 0.065 or less. On the other hand, the motor performance index value of the DC brushless motor that satisfies all the configurations of the present invention is more than twice as large as that of a motor using a conventional sintered ferrite magnet. This shows that the same torque and high efficiency can be maintained when a motor using a conventional sintered ferrite magnet is reduced to 1/2 or more in size and weight.

更に、もう一つの指標として、少ない供給磁石エネルギーで、小型・軽量化した上で、トルクと高効率の両方を維持・向上させるという指標として、モータ性能指標Eβを設ける。 Furthermore, as another index, a motor performance index is provided as an index for maintaining and improving both torque and high efficiency after being reduced in size and weight with less supplied magnet energy.

β=k×η/(V×Vm×(BH)max)
ここで、kはモータのトルク定数、ηはモータの最大効率、Vはモータ磁気回路部体積、Vmはモータに使用する磁石体積、(BH)maxはモータに使用する最大磁気エネルギー積を示す。
この指標は、単位供給磁石エネルギー当たりで単位モータ磁気回路部体積当たりのトルクと高効率の両立のレベルを測るものである。
この指標での、本分野の現状のフェライト焼結磁石を使用したモータ性能指標Eβ値は、80.4以下である。本発明のすべての構成を満足するDCブラシレスモータのモータ性能指標Eβ値は、従来レベルのフェライト焼結磁石使用のモータに比べ、2倍以上の値を目標としており、その目標を満足している。
これは、従来レベルのフェライト焼結磁石を使用したモータと比べ、モータを1/2以上の小型軽量化した場合に、同じ供給磁石エネルギー当たりでは、トルクと高効率を維持できることを示すものである。
E β = k T × η / (V × Vm × (BH) max)
Here, k T is the motor torque constant, η is the maximum motor efficiency, V is the motor magnetic circuit volume, Vm is the magnet volume used for the motor, and (BH) max is the maximum magnetic energy product used for the motor. .
This index measures the level of both high efficiency and torque per unit motor magnetic circuit volume per unit supplied magnet energy.
In this indication, the motor performance index E beta values using ferrite sintered magnet of the state of the art is 80.4 or less. The motor performance index value of a DC brushless motor that satisfies all the configurations of the present invention is set to a value that is twice or more that of a motor using a conventional sintered ferrite magnet. Yes.
This shows that torque and high efficiency can be maintained for the same supplied magnet energy when the motor is reduced to 1/2 or more in size and weight compared to a motor using a conventional ferrite sintered magnet. .

本発明がこのように画期的な効果がでる理由は、明確ではないが、結果から考えてみると各構成の作用効果は以下のように推測できる。なお、これらの各構成は、単独では効果を発揮しえず、他の全ての構成間の相互作用で効果を発揮するものである。
また、数値限定理由については、表1〜表4に諸元を示した複数個のモータを作製してモータ特性を測定し決定したものである。実験条件は、各要因の効果が抽出できるように、モータ外径を一定にする等、条件をできる限り固定して行った。
The reason why the present invention has such an epoch-making effect is not clear, but considering the result, the operational effect of each component can be estimated as follows. In addition, each of these structures cannot exhibit an effect independently, but exhibits an effect by interaction between all the other structures.
In addition, the reason for limiting the numerical value is determined by producing a plurality of motors whose specifications are shown in Tables 1 to 4 and measuring the motor characteristics. The experimental conditions were fixed as much as possible, such as keeping the motor outer diameter constant, so that the effects of each factor could be extracted.

1.異方性希土類ボンド磁石
本発明においては、永久磁石を異方性希土類ボンド磁石と規定した。
ボンド磁石であるため、磁石粉末と樹脂との結合により、張り合わせのない1ピースで、寸法精度良く成形できる。
フェライト焼結、希土類焼結磁石を使用したときは、各ピース毎の製造交差内の寸法差による磁石とロータ間の隙間、磁石とロータ間の接着材による隙間等による磁気抵抗が存在する。また、これらの使用したときは、張り合わせ位置決め時の位置決め誤差による磁石と磁石間の隙間の不均一、ステータと磁石間の隙間の不均一等によるによるコギングトルクが生じている。それに対し、一体でリング形状に成形された異方性希土類ボンド磁石を使用することで、これらの磁気抵抗を大幅に低減したり、コギングトルクの発生を改善できる。また、磁極間の隙間がないので、磁束供給面積を大きくとることができ、十分な磁束を供給できる。
また、焼結磁石は電気抵抗が小さいが、ボンド磁石は絶縁体である樹脂で希土類の金属粒子が覆われているため、渦電流の発生が小さくなり効率を向上させる。
1. Anisotropic rare earth bonded magnet In the present invention, a permanent magnet is defined as an anisotropic rare earth bonded magnet.
Because it is a bonded magnet, it can be molded with high dimensional accuracy in one piece with no bonding by bonding the magnet powder and resin.
When a ferrite sintered or rare earth sintered magnet is used, there is a magnetic resistance due to a gap between the magnet and the rotor due to a dimensional difference within a manufacturing intersection for each piece, a gap due to an adhesive between the magnet and the rotor, or the like. Further, when these are used, cogging torque is generated due to non-uniform gaps between the magnets due to positioning errors during bonding positioning, non-uniform gaps between the stator and magnets, and the like. On the other hand, by using an anisotropic rare earth bonded magnet integrally formed into a ring shape, it is possible to significantly reduce these magnetic resistances and improve the generation of cogging torque. In addition, since there is no gap between the magnetic poles, the magnetic flux supply area can be increased and sufficient magnetic flux can be supplied.
In addition, although the sintered magnet has a small electric resistance, the bond magnet is covered with a resin, which is an insulator, and rare earth metal particles are covered. Therefore, the generation of eddy current is reduced and the efficiency is improved.

2.磁石最大磁気エネルギー積
本発明の異方性希土類ボンド磁石は、本発明の他の構成に満足した上で、最大エネルギー積が143kJ/m以上、279kJ/m以下である必要がある。これにより、上述したように本発明の課題を達成することができる。
図1に、モータ性能指標Eαに対する磁石最大磁気エネルギー積の影響を示す。ここで、実験条件は表1に示した。
2. Magnet Maximum Magnetic Energy Product The anisotropic rare earth bonded magnet of the present invention is required to have a maximum energy product of 143 kJ / m 3 or more and 279 kJ / m 3 or less after satisfying the other configuration of the present invention. Thereby, the subject of this invention can be achieved as mentioned above.
Figure 1 shows the effect of the magnet maximum magnetic energy product for the motor performance index E alpha. Here, the experimental conditions are shown in Table 1.

Figure 2007151283
ここでは最大磁気エネルギー積以外の諸元は固定している。最大磁気エネルギー積の増加に伴い性能指標Eαは、はじめは急激に増加し、その後は増加率が徐々に低下していく。
図1中の黒丸●は、従来使用されている8極着磁したフェライト焼結磁石を使用したモータ(以下、従来例と記す。)のモータ性能指標Eαを示す。また、図中の太点線は、従来例の2倍の性能を示す線である。この図より、最大磁気エネルギー積が143kJ/mを超えると、従来例の2倍以上の性能指標Eαを得ることができる。
Figure 2007151283
Here, the specifications other than the maximum magnetic energy product are fixed. Maximum magnetic energy product performance index E alpha with an increase in, initially rapidly increased, then the rate of increase gradually decreases.
A black circle in FIG. 1 indicates a motor performance index E α of a motor (hereinafter, referred to as a conventional example) using a ferrite sintered magnet magnetized with eight poles, which has been conventionally used. Moreover, the thick dotted line in a figure is a line which shows the performance twice as much as a prior art example. From this figure, when the maximum magnetic energy product exceeds 143 kJ / m 3 , a performance index E α that is twice or more that of the conventional example can be obtained.

図2に、モータ性能指標Eβに対する永久磁石の最大磁気エネルギー積の影響を示す。ここで、実験条件は表1と同じである。最大磁気エネルギー積の増加に伴い性能指標Eβは当初は急激に減少し、その後、減少率が緩やかになっている。
図中の黒丸●は、従来例のモータ性能指標Eβを示す。この図より、最大磁気エネルギー積が279kJ/m以下では、目標である従来モータの2倍以上のモータ性能指標Eβを得ることができる。
尚、本実験においては、239、318、398kJ/mでの実験は、コンピュータシミュレーションによって行った。現時点では、このレベルの異方性希土類ボンド磁石は製造できないためである。
以上より、永久磁石の最大磁気エネルギー積は143kJ/m以上、279kJ/m以下としている。
Figure 2 shows the effect of maximum magnetic energy product of the permanent magnets for the motor performance index E beta. Here, the experimental conditions are the same as in Table 1. As the maximum magnetic energy product increases, the performance index initially decreases rapidly, and then the rate of decrease becomes moderate.
The filled in circles ● shows the motor performance index E beta prior art. From this figure, when the maximum magnetic energy product is 279 kJ / m 3 or less, it is possible to obtain a motor performance index E β that is twice or more that of the target conventional motor.
In this experiment, experiments at 239, 318, and 398 kJ / m 3 were performed by computer simulation. This is because an anisotropic rare earth bonded magnet of this level cannot be manufactured at this time.
From the above, the maximum magnetic energy product of the permanent magnet is set to 143 kJ / m 3 or more and 279 kJ / m 3 or less.

3.磁石厚さd/ステータ半径r比(以下、d/r値と記す。)
永久磁石のd/r値が0.025以上、0.045未満と薄肉形状化することで、他の構成要件と相まって、上述したように本発明の課題を達成することができる。
図3に、モータ性能指標Eαに対する上記d/r値の影響を示す。ここで、実験条件は表2に示した。
3. Magnet thickness d / stator radius r ratio (hereinafter referred to as d / r value)
By making the d / r value of the permanent magnet as thin as 0.025 or more and less than 0.045, the object of the present invention can be achieved as described above in combination with other components.
Figure 3 shows the effect of the d / r value for the motor performance index E alpha. Here, the experimental conditions are shown in Table 2.

Figure 2007151283
ステータ諸元を固定し、ロータ部の外径一定で、磁石厚さを変化させた。d/r値の増加に伴い性能指標Eαは急激に増加し、その後、性能指標Eαが飽和する。
図中の黒丸●は、従来例のモータ性能指標Eαを示す。また、図中の太点線は、従来例の2倍の性能を示す線である。この図より、d/r値が0.025以上では、目標である従来モータの2倍以上の性能指標Eαを得ることができる。
Figure 2007151283
The stator specifications were fixed, and the magnet thickness was changed with the outer diameter of the rotor portion being constant. As the d / r value increases, the performance index rapidly increases, and then the performance index is saturated.
The filled in circles ● shows the motor performance index E alpha conventional example. Moreover, the thick dotted line in a figure is a line which shows the performance twice as much as a prior art example. From this figure, the d / r value is 0.025 or more, it is possible to obtain more than twice the performance index of the conventional motor is the target E alpha.

図4に、モータ性能指標Eβに対するd/r値の影響を示す。ここで、実験条件は表2と同じである。d/r値の増加に伴い性能指標Eβは急激に減少し、その後、減少率が緩やかになっている。図中の太丸●は、従来例のモータ性能指標Eβを示している。図中の太点線は、従来例の2倍のモータ性能指標Eβを示す。この図より、d/r値が0.045以下では、目標である従来例の2倍以上のモータ性能指標Eβを得ることができる。
以上より、永久磁石のd/r値を0.025以上、0.045以下としている。
また、異方性希土類ボンド磁石の厚さは、0.7mm以上、2.5mm以下であることが好ましい。
Figure 4 shows the effect of d / r value for the motor performance index E beta. Here, the experimental conditions are the same as in Table 2. The increase in accordance with the performance indicators E β of d / r value decreases rapidly, then, reduction rate has slowed. Bold circle in FIG ● shows the motor performance index E beta prior art. A thick dotted line in the figure indicates a motor performance index that is twice that of the conventional example. From this figure, the d / r value is 0.045 or less, it is possible to obtain more than twice the motor performance index of the conventional example is the target E beta.
From the above, the d / r value of the permanent magnet is set to 0.025 or more and 0.045 or less.
The thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet is preferably 0.7 mm or more and 2.5 mm or less.

4.磁性コア半径対対モータ半径比r/R(以下、r/R値と記す。)
永久磁石のr/R値を0.55以上、0.72以下とすることで他の構成要件と相まって、本発明の課題を達成することができる。
図5に、モータ性能指標Eαに対する上記r/Rの影響を示した。ここで、実験条件は表3に示した。
4). Magnetic core radius to motor radius ratio r c / R (hereinafter referred to as r c / R value)
By setting the r c / R value of the permanent magnet to 0.55 or more and 0.72 or less, the problem of the present invention can be achieved in combination with other constituent elements.
FIG. 5 shows the influence of r c / R on the motor performance index E α . Here, the experimental conditions are shown in Table 3.

Figure 2007151283
ここでは、モータ外径(ステータ外径と同じ)Rと磁石厚さdを固定し、磁性コア半径rを変化させ、その他の諸元を固定した。r/R値の増加に伴い性能指標Eαは増加し、途中でピークを持ち、その後減少することを発見した。
このr/R値は、本発明の特徴部分なので、従来例においてもモータ性能指標Eαに対する上記r/R値の影響を測定した。実験条件は、本発明と同様に、従来例のモータの諸元を、モータ外径(ステータ外径と同じ)Rと磁石厚さdを固定し、磁性コア半径rを変化させ、その他の諸元を固定しておこなった。従来例におけるモータ性能指標Eαに対する上記r/R値の影響は図中の黒丸●で示した。従来例のモータは磁石厚さ、磁石の最大磁気エネルギー積、磁石磁極等が大きくことなるためか、性能指標Eαのピークが0.065と低く、そのピークを示すr/R値は0.38のあたりにある。
図中の太点線は、従来例モータにおいてr/R値を振ったときの最高値の2倍の性能指標Eαを示す線である。永久磁石のr/R値を0.55以上、0.72以下の範囲で目標値である従来例の2倍以上のモータ性能指標Eαを得ることができる。よって、永久磁石のr/R値を0.55以上、0.72以下としている。
Figure 2007151283
Here, R and magnet thickness d (same as the stator outer diameter) motor outer diameter is fixed and varying the magnetic core radius r c, to fix the other specifications. r c / a with performance index increase in R value E alpha increases found that middle has a peak, then decreases.
Since this r c / R value is a characteristic part of the present invention, the influence of the r c / R value on the motor performance index E α was also measured in the conventional example. Experimental conditions were similar to the present invention, a conventional example of specifications of the motor, the motor outer diameter (same as the stator outer diameter) to secure the R and magnet thickness d, by changing the magnetic core radius r c, other It was done with fixed specifications. The influence of the r c / R value on the motor performance index E α in the conventional example is indicated by black circles ● in the figure. Conventional motor magnet thickness, or for different maximum magnetic energy product, magnet poles, etc. is large magnets, low peak performance indicators E alpha is 0.065, the r c / R value indicating the peak 0 It is around .38.
The thick dotted line in the figure is a line indicating a performance index that is twice the maximum value when the r c / R value is swung in the conventional motor. The r c / R value of the permanent magnets than 0.55, it is possible to obtain more than twice the motor performance index E in the conventional example is a target value α in the range of 0.72 or less. Therefore, the r c / R value of the permanent magnet is set to 0.55 or more and 0.72 or less.

5.磁石極数
前記永久磁石は、本発明の他の構成に満足した上で、14極に、主としてラジアル方向に磁化されていることにより、本発明の課題を達成することができる。
主としてラジアル方向に磁化されていることで、磁石に対面しているステータに磁束を供給することができる。また、磁石の磁極は2の倍数で構成される。
図6に、コギングトルクに対する永久磁石の磁極数の影響を示す。ここで、実験条件は表4に示した。
5. Number of Magnet Pole The above-mentioned permanent magnet can achieve the object of the present invention by being magnetized to 14 poles mainly in the radial direction while being satisfied with the other configuration of the present invention.
By being magnetized mainly in the radial direction, magnetic flux can be supplied to the stator facing the magnet. The magnetic pole of the magnet is a multiple of two.
FIG. 6 shows the influence of the number of magnetic poles of the permanent magnet on the cogging torque. The experimental conditions are shown in Table 4.

Figure 2007151283
ここでは、磁石磁極数のみを変化させている。磁極数の増加に伴い、コギングトルクが減少し、14極で最小値を取り、16極で大幅に増加する。図中の太丸●は、従来例のコギングトルクを示している。図中の太点線は、従来例のコギングトルクを示す。この図より、磁石磁極数が14極において、従来例よりもコギングトルクの低減することができる。
Figure 2007151283
Here, only the number of magnet magnetic poles is changed. As the number of magnetic poles increases, the cogging torque decreases, takes a minimum value at 14 poles, and increases significantly at 16 poles. A bold circle ● in the figure indicates the cogging torque of the conventional example. The thick dotted line in the figure indicates the cogging torque of the conventional example. From this figure, when the number of magnetic poles is 14, the cogging torque can be reduced as compared with the conventional example.

図7に、モータ性能指標Eαに対する磁石磁極数の影響を示す。ここで、実験条件は表4と同じである。
モータ性能指標Eαは磁石磁極数が14磁極でピークを持つ。図中の太丸●は、従来例のモータ性能指標Eαを示す。また、図中の太点線は、従来例の2倍の性能を示す線である。この図より、磁石磁極が14磁極で目標である従来モータの2倍以上の性能指標Eαを得ることができる。
Figure 7 shows the effect of the number of magnet poles of the motor performance index E alpha. Here, the experimental conditions are the same as in Table 4.
Motor performance index E alpha has a peak in the number of magnet poles 14 poles. Bold circle in FIG ● shows the motor performance index E alpha conventional example. Moreover, the thick dotted line in a figure is a line which shows the performance twice as much as a prior art example. From this figure, it is possible to magnet poles get more than twice the performance index of a conventional motor, which is the target E alpha 14 poles.

磁石に対面しているステータに磁束を供給するため、磁石の配向・着磁は、一般的に行われるラジアル配向・着磁、極配向・着磁や、ハイブリッド配向・着磁等を適宜選択することができる。ハイブリッド配向・着磁とは、複数磁極からなるリング磁石において、主極部をラジアル配向・着磁し、隣接する主極部間の界面部を極異方配向・着磁するものである。その他、公知の配向・着磁方法を使用することができる。 In order to supply magnetic flux to the stator facing the magnet, the orientation / magnetization of the magnet is appropriately selected from generally used radial orientation / magnetization, polar orientation / magnetization, hybrid orientation / magnetization, etc. be able to. The hybrid orientation / magnetization is a method in which, in a ring magnet composed of a plurality of magnetic poles, the main pole portion is radially oriented / magnetized, and the interface portion between adjacent main pole portions is polar anisotropic oriented / magnetized. In addition, a known orientation / magnetization method can be used.

6.ステータスロット数
スロット数は、12極であることが必要である。
ブラシレスモータの場合は、スロット数は3の倍数である。磁石の磁極数が14極である場合は、コギングトルクを最小化するために、及び、ステ−タに係る磁気吸引力の対称性の観点から、スロット数は、磁石磁極数とスロット数の最小公倍数が比較的大きく、偶数極となる12極とした。
なお、ここまで記載した実験においては、ステータティースの形状は図8に示すように、ティースのポールの幅hとティースのバックヨーク部の厚さtは一定にして行った。
6). Status lot number The number of slots must be 12 poles.
In the case of a brushless motor, the number of slots is a multiple of three. When the number of magnetic poles of the magnet is 14, the number of slots is the minimum of the number of magnetic poles and the number of slots in order to minimize the cogging torque and from the viewpoint of symmetry of the magnetic attraction force related to the stator. The common multiple is relatively large and 12 poles, which are even poles.
In the experiments described so far, the shape of the stator teeth was set such that the width h of the teeth pole and the thickness t of the back yoke portion of the teeth were constant as shown in FIG.

7.コイル巻数
コイル巻数の限定範囲は、通常、一般交流電源の小型(インナーロータ型SPM型)DCブラシレスモータで使用される常識的な範囲である150−400巻きが好ましい。この実験においては、条件を一定にするため、360巻とし、占積率一定として行った。尚、コイルの巻線方式は集中巻き方式とした。
7). The number of coil turns is preferably 150 to 400 turns, which is a common-sense range that is usually used in a small (inner rotor type SPM) DC brushless motor of a general AC power supply. In this experiment, in order to make the conditions constant, the volume was set to 360 and the space factor was constant. The coil winding method was a concentrated winding method.

8.使用電圧
本発明の使用電圧は、100〜400Vの範囲で使用される。一般に、消費電力をさげるためには、高電圧タイプを使用する。高電圧タイプは、コイル巻き数を増やして、起磁力を強め、コイル線径を細くしてコイルの電気抵抗を高め、電流を小さくすることで、消費電力を下げている。この実験においては、条件を一定にするため、280Vで行った。尚、ステータとロータとのエアギャップは、今回、0.5mmと一定にしているが、このギャップを縮めると更なる、磁気抵抗の低下が見られ、より小型化を図ることができる。
8). Working voltage The working voltage of the present invention is used in the range of 100 to 400V. In general, a high voltage type is used to reduce power consumption. In the high voltage type, the number of coil turns is increased, the magnetomotive force is increased, the coil wire diameter is reduced, the electric resistance of the coil is increased, and the current is reduced, thereby reducing the power consumption. This experiment was performed at 280 V in order to keep the conditions constant. Note that the air gap between the stator and the rotor is constant at 0.5 mm this time. However, when this gap is reduced, the magnetic resistance is further reduced, and the size can be further reduced.

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。   Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.

図8は、本発明の実施例のDCブラシレスモータ(以下、単にモータとする。)のモータの磁気回路構成部の断面図である。実施例のモータは図面に垂直方向のモータの積厚さ方向に扁平小型化し、磁気回路部体積を1/2とする大幅な小型化を実現したものである。当然ながら、モータ積み厚さ方向は一定で、モータ外径を小型化することも可能である。 FIG. 8 is a cross-sectional view of a magnetic circuit component of a DC brushless motor (hereinafter simply referred to as a motor) according to an embodiment of the present invention. The motor of the embodiment is flattened in the stacking direction of the motor in the direction perpendicular to the drawing, and realizes a significant downsizing that reduces the volume of the magnetic circuit portion to ½. Of course, the motor stacking thickness direction is constant, and the motor outer diameter can be reduced.

本実施例のモータは、ステータ1、ステータに巻回されたコイル2、モータの中央部に設けられたロータ3、そしてロータ3の中心部から延出された回転軸4から構成されている。ロータ3は円筒形状の磁性コア31の外周に一体リング形状の永久磁石である異方性希土類ボンド磁石32を配置したものである。
容積比較のため、従来例として従来のフェライト焼結磁石932を使用した8磁極−12ティースのモータを図9に示す。また、比較例1として従来のフェライト焼結磁石932を使用した8磁極―12ティースの構造において、単に、フェライト焼結磁石932と異方性希土類ボンド磁石832を置換した場合を図10に示す。この場合、単に異方性希土類ボンド磁石を9mmに置き換えても、着磁をすることができない。そこでこの比較例1では着磁できたものと想定して、コンピュータシミュレーションした結果を載せる。ここで、比較のため、従来のフェライト焼結磁石932を使用したモータと単に磁石を置換したモータについては、その他の諸元を同一としている。
The motor according to this embodiment includes a stator 1, a coil 2 wound around the stator, a rotor 3 provided at the center of the motor, and a rotating shaft 4 extending from the center of the rotor 3. In the rotor 3, an anisotropic rare earth bonded magnet 32, which is an integral ring-shaped permanent magnet, is arranged on the outer periphery of a cylindrical magnetic core 31.
For comparison in volume, FIG. 9 shows an 8-pole-12-tooth motor using a conventional sintered ferrite magnet 932 as a conventional example. FIG. 10 shows a case in which the sintered ferrite magnet 932 and the anisotropic rare earth bonded magnet 832 are simply replaced in the 8-pole-12-tooth structure using the conventional sintered ferrite magnet 932 as Comparative Example 1. In this case, even if the anisotropic rare earth bonded magnet is simply replaced with 9 mm, it cannot be magnetized. Therefore, in Comparative Example 1, it is assumed that magnetization has been achieved, and the result of computer simulation is listed. Here, for comparison, the other specifications of the motor using the conventional ferrite sintered magnet 932 and the motor simply replacing the magnet are the same.

また、比較例2として従来のフェライト焼結磁石932を使用した8磁極―12ティースの構造において、出力特性を従来例と同じになるように、フェライト焼結磁石932と異方性希土類ボンド磁石832を置換した場合を図11に示す。ここで、比較のため、磁石厚さd以外の寸法諸元を同一にして、出力特性を従来例と同じになるように、磁石厚さdを設定した。
また、従来モータと本発明との比較のため、実施例については、ステータ外径(モータ外径と同じ)を従来モータと同一にして、出力特性を同一としている。
In Comparative Example 2, in the structure of 8 poles-12 teeth using the conventional sintered ferrite magnet 932, the sintered ferrite magnet 932 and the anisotropic rare earth bonded magnet 832 have the same output characteristics as the conventional example. FIG. 11 shows the case where is replaced. Here, for comparison, the magnet thickness d was set so that the dimensional specifications other than the magnet thickness d were the same, and the output characteristics were the same as the conventional example.
Further, for comparison between the conventional motor and the present invention, in the embodiment, the stator outer diameter (same as the motor outer diameter) is the same as that of the conventional motor, and the output characteristics are the same.

各実施例及び、従来例、比較例の諸元及び評価結果を表5に記載する。   Table 5 shows the specifications and evaluation results of each example, conventional example, and comparative example.

Figure 2007151283
尚、上記異方性希土類ボンド磁石32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32は、特許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32は、最大磁気エネルギー積で215kJ/m程度までのものを現在製造することができる。
Figure 2007151283
The anisotropic rare earth bonded magnet 32 has been finally mass-produced by the applicant in recent years. For example, the anisotropic rare earth bonded magnet 32 is manufactured by the manufacturing method described in Japanese Patent No. 2816668 and Japanese Patent No. 3060104. This anisotropic rare earth bonded magnet 32 can now produce one of up to about 215kJ / m 3 a maximum magnetic energy product.

本実施例のモータ(図8)と従来のモータ(図9)の異なるところは、まず、従来のモータの最大磁気エネルギー積が32kJ/mであるフェライト焼結磁石932を8極貼り付けた配置に代えて、最大磁気エネルギー積が183kJ/mであるNd−FE−B系磁石粉末等を原料とした一体リング状の異方性希土類ボンド磁石32において14磁極を採用したことである。ここで異方性希土類ボンド磁石は、公知のあらゆる材料が利用できる。
又、第二の特徴は、永久磁石を薄型化することにある。従来モータでは、磁石厚さが9mmであるが、本実施例の磁石厚さは、1.5mmと非常に薄い。これらは、表5より磁石厚さ対ステータ半径比d/Rが、0.030で0.025以上、0.045以下を満足している。
更に、本発明の最大の特徴は、径方向においてモータ全体に占める磁性コアの割合を従来のモータに比べ、大幅に大きくすることである。つまり、磁性コア半径対モータ半径比r/R値を、従来モータに比べ大きくしたことである。従来例のモータでは、r/R値が、0.38と磁性コアの割合は小さいが、本発明のモータでは、0.69で、r/R値で0.55以上、0.72以下を満足し、従来例に比べ大幅に増加している。
The difference between the motor of this embodiment (FIG. 8) and the conventional motor (FIG. 9) is that 8 poles of sintered ferrite magnet 932 having a maximum magnetic energy product of 32 kJ / m 3 of the conventional motor is first attached. Instead of the arrangement, 14 magnetic poles are adopted in the integrated ring-shaped anisotropic rare earth bonded magnet 32 made of Nd-FE-B magnet powder having a maximum magnetic energy product of 183 kJ / m 3 or the like. Here, any known materials can be used for the anisotropic rare earth bonded magnet.
The second feature is to make the permanent magnet thinner. In the conventional motor, the magnet thickness is 9 mm, but the magnet thickness in this embodiment is as very thin as 1.5 mm. According to Table 5, the magnet thickness to stator radius ratio d / R is 0.025 and satisfies 0.025 or more and 0.045 or less at 0.030.
Furthermore, the greatest feature of the present invention is that the ratio of the magnetic core in the entire motor in the radial direction is greatly increased as compared with the conventional motor. That is, the ratio of the magnetic core radius to the motor radius r c / R is made larger than that of the conventional motor. In the motor of the conventional example, r c / R value is 0.38 and the proportion of the magnetic core is small, the motor of the present invention, at 0.69, r c / R value at 0.55 above, 0.72 Satisfying the following, it is greatly increased as compared with the conventional example.

これらの構成をとることにより、表5に示したように、従来例に比較し、実施例の場合は、同一出力特性においてモータ軸方向の高さを1/2へと大幅に低減し、体積を1/2へ削減している。また、本実施例は、モータ性能指標Eαにおいては従来例に比べ2.1倍へ、モータ性能指標Eβにおいては従来例に比べ、2.7倍へと大幅に向上している。更に、コギングトルクにおいては従来例に比べ約20%低減している。この実施例をファンモータに適用すると、回転ムラが大きく低減できる。 By adopting these configurations, as shown in Table 5, compared to the conventional example, in the case of the example, the height in the motor shaft direction is greatly reduced to ½ in the same output characteristics, and the volume Is reduced to 1/2. This example also, to 2.1 times compared with the conventional example in motor performance index E alpha, in the motor performance index E beta is compared to the conventional example, it is significantly improved to 2.7 times. Further, the cogging torque is reduced by about 20% compared to the conventional example. When this embodiment is applied to a fan motor, rotation unevenness can be greatly reduced.

比較例1においては、単に、フェライト焼結磁石932を異方性希土類ボンド磁石832に適用しているため、出力特性は約1.5倍となるが、モータ性能指標Eαは、従来例に比べ1.6倍とある程度向上するものの、本発明のような2倍超えるような優れた効果は得られない。また、比較例1のモータ性能指標Eβは、従来例に比べ、逆に1/4へ減少し、供給磁石エネルギーを全く有効に利用できておらず、本発明のような2倍超えるような優れた効果は全く得られない。
これらは、主として、従来例の磁気回路構成のまま強力磁石を過剰に使用した場合には、鉄損を大きく生じることと、単位磁石使用量当たりの磁石エネルギーが減少しているためと思われる。また、コギングトルクが従来例に比べ24倍と極端に増大し、本発明のようなコギングトルクの低減は全く見られない。
In Comparative Example 1, since the sintered ferrite magnet 932 is simply applied to the anisotropic rare earth bonded magnet 832, the output characteristic is about 1.5 times, but the motor performance index E α is the same as the conventional example. Although it is improved to some extent by 1.6 times compared with the present invention, it is not possible to obtain an excellent effect that exceeds twice as in the present invention. Further, the motor performance index E beta of Comparative Example 1, compared with the conventional example, as reduced to 1/4 Conversely, not be totally effective use of the supply magnet energy exceeds twice as in the present invention An excellent effect is not obtained at all.
These are presumably because, when a strong magnet is used excessively with the magnetic circuit configuration of the conventional example, a large iron loss is generated and the magnet energy per unit magnet usage is reduced. Further, the cogging torque is extremely increased by 24 times compared to the conventional example, and the reduction of the cogging torque as in the present invention is not seen at all.

比較例2においては、フェライト焼結磁石932に変えて異方性希土類ボンド磁石832を適用するときに、出力特性が同一となるようにし、かつ、磁石厚さをd/R値を本発明を満足するように、0.04としている。モータ性能指標Eαは、従来例に比べ約1.6倍とある程度向上するが、本発明のような2倍超えるような優れた効果は得られない。また、比較例2のモータ性能指標Eβも、従来例に比べ、約1.6倍とある程度向上するが、本発明のような2倍超えるような優れた効果は得られない。これらは、主として、磁石磁極が従来例と同一の8極とし、r/R値を本発明範囲外の0.53となっていることにより、この場合のトルク定数及び効率を低下させていると思われる。
また、コギングトルクが従来例に比べ16倍と極端に増大し、本発明のようなコギングトルクの低減は全く見られない。
以上より、本発明は、従来のフェライト焼結磁石を使用した8磁極―12ティースの構造に単に高性能の異方性希土類ボンド磁石を適用したものでなく、異方性希土類ボンド磁石の高いポテンシャルを磁極数、磁石厚さ、磁性コア半径等を有機的に組合せることで、現行のフェライト焼結磁石を使用したブラシレスモータを、1/2以下という従来では予測できない大幅な小型化・軽量化しつつ、トルク特性と効率を維持、向上し、コギングトルクの低減を同時に達成したDCブラシレスモータを提供するものである。
In Comparative Example 2, when the anisotropic rare earth bonded magnet 832 is applied instead of the ferrite sintered magnet 932, the output characteristics are made the same, and the magnet thickness is set to the d / R value. In order to satisfy, it is set to 0.04. The motor performance index is improved to some extent by about 1.6 times as compared with the conventional example, but an excellent effect exceeding twice as in the present invention cannot be obtained. Also, the motor performance index E beta of Comparative Example 2, compared with the conventional example, although improved to some extent about 1.6 times, 2 times exceeds such excellent effects of the present invention can not be obtained. These are mainly reduced in torque constant and efficiency in this case because the magnet poles are the same eight poles as the conventional example and the rc / R value is 0.53 outside the scope of the present invention. I think that the.
Further, the cogging torque is extremely increased by 16 times compared to the conventional example, and the reduction of the cogging torque as in the present invention is not seen at all.
As described above, the present invention does not simply apply a high performance anisotropic rare earth bonded magnet to the structure of 8 poles-12 teeth using a conventional sintered ferrite magnet, but has a high potential of the anisotropic rare earth bonded magnet. By organically combining the number of magnetic poles, magnet thickness, magnetic core radius, etc., brushless motors using current sintered ferrite magnets can be significantly reduced in size and weight to 1/2 or less, which could not be predicted in the past. However, the present invention provides a DC brushless motor that maintains and improves torque characteristics and efficiency, and at the same time achieves cogging torque reduction.

前述の実験例、実施例は、40W級のモータを中心に検討してきた。
ここで、40〜200Wでの従来のフェライト焼結磁石を8磁極で構成したモータと本発明の構成によるモータのモータ性能指標Eα、Eβの値を図12、図13に示す。尚、それらのモータの構成は、表6に示す。
The above-described experimental examples and examples have been studied focusing on 40 W class motors.
Here, FIG. 12 and FIG. 13 show values of motor performance indexes E α and E β of a motor in which a conventional ferrite sintered magnet of 40 to 200 W is configured with 8 magnetic poles and a motor according to the configuration of the present invention. The configuration of these motors is shown in Table 6.

Figure 2007151283
図12から、本発明のモータは40〜200Wにおいて、モータ性能指標Eαが、従来例に比べ2倍以上の性能を有していることがわかる。
また、図13においても、本発明のモータは40〜200Wにおいて、モータ性能指標Eβが、従来例に比べ2倍以上の性能を有していることがわかる。
Figure 2007151283
From Figure 12, the motor of the present invention in 40~200W, motor performance index E alpha is seen to have more than twice the performance compared with the conventional example.
Also in FIG. 13, the motor of the present invention in 40~200W, motor performance index E beta is seen to have more than twice the performance compared with the conventional example.

本発明は、一方向に常時回転するDCブラシレスモータにおいて、大幅な小型化・軽量化しつつ、トルク特性と効率を維持・向上し、コギングトルクの低減を同時に達成することを必要とされるDCブラシレスモータに利用できる。モータサイズが同じ場合は、トルク特性と効率の高性能化とコギングトルクの低減が必要とされるDCブラシレスモータにも利用できる。特に、出力が40−400W級のファンモータに用いる場合に本発明は有用である。ここで、ファンモータにおける場合の定格回転数は1000〜4000rpm程度である。また、位置決め用のサーボモータにも有用である。但し、用途をファンモータ等に限定するものではない。   The present invention relates to a DC brushless motor that always rotates in one direction, and is required to simultaneously reduce and reduce cogging torque while maintaining and improving torque characteristics and efficiency while significantly reducing size and weight. Can be used for motors. When the motor size is the same, the present invention can also be used for a DC brushless motor that requires high performance in torque characteristics and efficiency and reduction in cogging torque. In particular, the present invention is useful when used for a fan motor having an output of 40 to 400 W class. Here, the rated rotational speed in the case of a fan motor is about 1000 to 4000 rpm. It is also useful for positioning servo motors. However, the application is not limited to a fan motor or the like.

異方性希土類ボンド磁石の最大磁気エネルギー積とモータ性能指標Eαとの関係を示す特性図Characteristic diagram showing the relationship between the anisotropy maximum magnetic energy product and motor performance index of the rare-earth bonded magnet E alpha 異方性希土類ボンド磁石の最大磁気エネルギー積とモータ性能指標Eβとの関係を示す特性図Characteristic diagram showing the relationship between the anisotropy maximum magnetic energy product and motor performance index of the rare-earth bonded magnet E beta d/R値とモータ性能指標Eαとの関係を示す特性図characteristic diagram showing the relationship between d / R value and the motor performance index E alpha d/R値とモータ性能指標Eβとの関係を示す特性図characteristic diagram showing the relationship between d / R value and the motor performance index E beta /R値とモータ性能指標Eαとの関係を示す特性図characteristic diagram showing the relationship between r c / R value and the motor performance index E alpha 磁石磁極数とコギングトルクとの関係を示す特性図Characteristic diagram showing the relationship between the number of magnet poles and cogging torque 磁石磁極数とモータ性能指標Eαとの関係を示す特性図Characteristic diagram showing the relationship between the number of magnet poles and the motor performance index E alpha 本発明のDCブラシレスモータの磁気回路断面図Magnetic circuit sectional view of the DC brushless motor of the present invention 従来のフェライト焼結磁石用いたDCブラシレスモータの磁気回路断面図Cross-sectional view of magnetic circuit of DC brushless motor using conventional sintered ferrite magnet 比較例1のDCブラシレスモータの磁気回路断面図Magnetic circuit sectional view of DC brushless motor of Comparative Example 1 比較例2のDCブラシレスモータの磁気回路断面図Magnetic circuit sectional view of DC brushless motor of Comparative Example 2 モータ出力と本発明のモータ、及び、従来のフェライト焼結磁石を使用したモータのモータ性能指標Eαとの関係を示す特性図Motor motor output and the present invention, and a characteristic diagram showing a relationship between the motor performance index E alpha motor using a conventional sintered ferrite magnets モータ出力と本発明のモータ、及び、従来のフェライト焼結磁石を使用したモータのモータ性能指標Eβとの関係を示す特性図Motor motor output and the present invention, and a characteristic diagram showing the relationship between the motor performance index E beta of the motor using the conventional sintered ferrite magnets

符号の説明Explanation of symbols

1 本発明のステータ
2 本発明のコイル
3 本発明のロータ
31 本発明の磁性コア
32 本発明の異方性希土類ボンド磁石
4 本発明の回転軸
91 従来例のステータ
92 従来例のコイル
93 従来例のロータ
931 従来例の磁性コア
932 従来例のフェライト焼結磁石
94 従来例の回転軸
81 比較例のステータ
82 比較例のコイル
83 比較例のロータ
831 比較例の磁性コア
832 比較例の異方性希土類ボンド磁石
84 比較例の回転軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stator of this invention 2 Coil of this invention 3 Rotor of this invention 31 Magnetic core of this invention 32 Anisotropic rare earth bonded magnet of this invention 4 Rotating shaft of this invention 91 Stator of conventional example 92 Coil of conventional example 93 Conventional example Rotor 931 Conventional magnetic core 932 Conventional ferrite sintered magnet 94 Conventional rotary shaft 81 Comparative stator 82 Comparative coil 83 Comparative rotor 831 Comparative magnetic core 832 Comparative anisotropy Rare earth bonded magnet 84 Comparative example rotating shaft

Claims (2)

電磁石からなるステータと、その中心部に配置され磁性コアとその外周に永久磁石を有するロータからなるDCブラシレスモータであって、
前記永久磁石は最大磁気エネルギー積が143kJ/m以上、279kJ/m以下であり、14極に着磁された、一体リング形状で、薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であり、
前記ステータは、ティースが12極であり、
前記ロータの半径をr、前記磁性コアの半径をr、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さをd、前記モータの半径をRとする時、
磁石厚さ対モータ半径比d/Rが0.025以上、0.045以下で、
磁性コア半径対モータ半径比r/Rが0.55以上、0.72以下であることを特徴とするDCブラシレスモータ。
A DC brushless motor comprising a stator comprising an electromagnet, a rotor having a magnetic core disposed at the center thereof and a permanent magnet on its outer periphery;
The permanent magnet has a maximum magnetic energy product of 143 kJ / m 3 or more and 279 kJ / m 3 or less, and is an integral ring-shaped, thin-walled anisotropic rare earth bonded magnet magnetized to 14 poles,
The stator has 12 poles of teeth,
When the radius of the rotor is r m , the radius of the magnetic core is r c , the radial thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet is d, and the radius of the motor is R,
The magnet thickness to motor radius ratio d / R is 0.025 or more and 0.045 or less,
A DC brushless motor having a magnetic core radius to motor radius ratio r c / R of 0.55 or more and 0.72 or less.
DCブラシレスモータの電磁石からなるステータの内側で、モータの中心部に配置される磁性コアの外周に配設されてロータを構成する永久磁石であって、
前記永久磁石は最大磁気エネルギー積が143kJ/m以上、279kJ/m以下であり、14極に着磁された、一体リング形状で、薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であり、
前記ステータは、ティースが12極であり、
前記ロータの半径をr、前記磁性コアの半径をr、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さをd、前記モータの半径をRとする時、
磁性コア半径対モータ半径比r/Rが0.55以上、0.72以下であり、
磁石厚さ対モータ半径比d/Rが0.025以上、0.72以下であることを特徴とする永久磁石。

A permanent magnet which is disposed inside the stator made of an electromagnet of a DC brushless motor and is disposed on the outer periphery of a magnetic core disposed at the center of the motor, and constitutes a rotor,
The permanent magnet has a maximum magnetic energy product of 143 kJ / m 3 or more and 279 kJ / m 3 or less, and is an integral ring-shaped, thin-walled anisotropic rare earth bonded magnet magnetized to 14 poles,
The stator has 12 poles of teeth,
When the radius of the rotor is r m , the radius of the magnetic core is r c , the radial thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet is d, and the radius of the motor is R,
The magnetic core radius to motor radius ratio r c / R is 0.55 or more and 0.72 or less,
A permanent magnet having a magnet thickness to motor radius ratio d / R of 0.025 or more and 0.72 or less.

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