JP5188775B2 - 小型ｄｃモータ - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を使用する角型の小型ＤＣモータに関し、特にモータフレームの内側に密接させた永久磁石の性能を有効に利用できる小型ＤＣモータに関する。

ＤＣブラシモータの高性能化および小型軽量化に対して、ＤＣブラシモータに用いる界磁磁石である永久磁石の性能を上げて永久磁石の厚みと外形を減らして特性を維持しようとしているが、永久磁石の厚みを変更した場合、永久磁石の性能を上げるだけではモータ特性を維持することは非常に難しく、困難な場合がほとんどである。

永久磁石の性能が高くなれば、永久磁石からの磁気漏洩を防ぐため、バックヨークとなるモータフレームの厚みを厚くする必要があり、小型軽量化が困難となる。その中で高性能化、小型軽量化を目的として、駆動特性を低下させずに、モータフレームを取り付け易く、小型化した小型ＤＣモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、小型ＤＣモータにおける永久磁石の形状として、永久磁石の最小幅に対する最大幅の比率を１：２〜３の範囲とすることにより、必要な磁気特性を維持しながら形状を小さくできることが記載されている。

また、ＤＣブラシモータのモータ筐体の厚さと永久磁石の厚さの比率を所定の範囲とすることにより、モータトルクを向上させて小型化したＤＣブラシモータおよびその永久磁石が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−６６８８号公報 特許第３４８０７３３号公報

しかしながら、特許文献１における永久磁石では、永久磁石の最厚部を磁極とすることで永久磁石のパーミアンス係数を大きくすることを特徴としているが、高性能の永久磁石を使用する場合は、モータの外側に磁気漏洩が生じて永久磁石の性能を有効に利用しておらず、また、バックヨークとして機能するモータフレームの作用に関しては何ら考慮していない。

また、特許文献２に記載のＤＣモータでは、モータ筐体をバックヨークとして利用することで高性能磁石の性能を有効に利用しようとしているが、ＤＣモータ構造が丸型モータであることと、永久磁石の異方化および着磁方向の制御が十分でないためか、モータ筐体の厚さが永久磁石よりも厚く、モータ筐体の厚さ分、ＤＣモータの小型化、軽量化を阻害している。

本発明の目的は上記の点に鑑み、モータ特性を低下させることなく、角型のＤＣモータを小型化することができる小型ＤＣモータを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の小型ＤＣモータは、所定の厚さを有し、断面が四角形の各辺の一部を残しながら角を内側に押しつぶした形状の筒状部を有する軟磁性材料からなるモータフレームと、前記モータフレームの内側に密接し、内側に円筒空間を有し、４箇所の最厚部と４箇所の最薄部を有する筒状の永久磁石とを備えた小型ＤＣモータであって、前記永久磁石の最厚部の厚さをＷ１、前記永久磁石の最薄部の厚さをＷ２、前記モータフレームの厚さをＷ３とするとき、前記永久磁石の最厚部の厚さＷ１と前記モータフレームの厚さＷ３との比率が０．３≦Ｗ３／Ｗ１＜１．０で、かつ前記永久磁石の最厚部の厚さＷ１と前記永久磁石の最薄部の厚さＷ２との比率が０．０５≦Ｗ２／Ｗ１≦０．５であることを特徴とする。これによって、角型の小型ＤＣモータのモータフレームの内側に密接させた永久磁石とモータフレームの厚さを最適化することによって、永久磁石の表面磁束密度を大きくすることができ、モータの起動トルク特性を大きくすることができる。

請求項２に記載の小型ＤＣモータは、請求項１に記載の発明において、前記永久磁石は、希土類磁石粉末と熱可塑性樹脂バインダーとを含み、射出成形にて作製した希土類ボンド磁石であることを特徴とする。これによって、最適な小型ＤＣモータを容易に作製することができる。

請求項１に記載の小型ＤＣモータによれば、永久磁石の性能を有効に利用することが可能となり、ＤＣモータの起動トルクを向上できる結果、ＤＣモータの小型化、軽量化できると共にモータ特性を向上できる。

請求項２に記載の小型ＤＣモータによれば、希土類磁石粉末と熱可塑性樹脂バインダーを含み、射出成形にて製作した希土類ボンド磁石であることによって、最適な磁石形状を容易に作製することができる。請求項１に記載の小型ＤＣモータの永久磁石のような角部での厚さが厚い最厚部を形成し、最厚部同士を連結する最薄部での厚さが特に薄くなっている断面四角形の筒状体を圧縮成形にて作製する場合、最厚部と最薄部での厚さが異なるため、それぞれの箇所に流入する粉体にばらつきが生じて均一な成形体を作製することが難しく、その結果、最薄部の箇所にヒビや割れが生じ易いという問題があるが、射出成形にて作製することによって、最薄部の箇所にヒビや割れが生じることなく作製することができる。

（１）第１の実施形態
（小型ＤＣモータの構成）
以下、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる小型ＤＣモータの横断面図である。図２は、本発明の一実施形態にかかる小型ＤＣモータの縦断面図である。

小型ＤＣモータ１は、図１，図２に示すように、モータフレーム１０と、永久磁石２０と、ロータ３０とを備えている。小型ＤＣモータ１は、ロータ３０に流れる電流の向きを切り替えることで磁力の反発、吸引の力で回転力を生成させる。

モータフレーム１０は、軟磁性材料により形成されている。モータフレーム１０は、図１，図２に示すように、所定の厚さの軟磁性の鋼板（例えば、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ））を絞り加工にて、断面が正方形、あるいは四角形の各辺の一部を残しながら角１１を内側に押し潰した形状の筒状部１２を有する。モータフレーム１０は、ロータ３０の回転中心Ｏから半径方向において所定の厚さＷ３に形成されている。なお、モータフレーム１０の厚さＷ３については後述する。

永久磁石２０は、希土類ボンド磁石であり、小型ＤＣモータ１の界磁磁石である。永久磁石２０は、図１，図２に示すように、モータフレーム１０の内側に格納され、モータフレーム１０の内側に密着配置している。永久磁石２０は、内側に円筒空間を有するように中空円筒状に形成されている。永久磁石２０は、モータフレーム１０の角１１に磁極の中心が来るように４極をＮ極、Ｓ極として交互に磁化している。

永久磁石２０は、モータフレーム１０の角１１に永久磁石２０の最厚部を設け、モータフレーム１０の辺に最薄部を設けている。永久磁石２０は、最厚部が磁極を形成するように着磁し、磁極数は４極を形成している。永久磁石２０の最厚部は、ロータ３０の回転中心Ｏから半径方向において永久磁石２０の厚さが最も厚い部分である。一方、永久磁石２０の最薄部は、ロータ３０の回転中心Ｏから半径方向において永久磁石２０の厚さが最も薄い部分である。

永久磁石２０は、サマリウム−鉄−窒素（Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ）からなる希土類磁石粉末と樹脂バインダーとして熱可塑性樹脂（例えば、ナイロン６及びナイロン１２などのポリアミド樹脂）からなる混合物を金型に射出成形した後、冷却固化して形成される。永久磁石２０は、図１，図２に示すように、縦Ｌ１が２０ｍｍ、横Ｌ２が２０ｍｍ、高さＬ３が２２ｍｍに形成されている。なお、最厚部の厚みＷ１、最薄部の厚みＷ２および永久磁石２０の製造方法については後述する。

ロータ３０は、永久磁石２０の内側の円筒空間に格納されている。ロータ３０は、回転中心Ｏを中心として回転する。

（永久磁石の製造方法）
次に、永久磁石の製造方法について簡単に説明する。

希土類ボンド磁石である永久磁石２０の製造方法として、サマリウム−鉄−窒素（Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ）からなる希土類磁石粉末と樹脂バインダーとして熱可塑性樹脂であるナイロン１２とからなるコンパウンドを混練した。また、適宜、潤滑剤などの添加物を添加させてもよい。そして、混練物を所定温度に加熱して溶融し、溶融した混練物を所定圧力にてゲートから金型のキャビティ内に射出させる。そしてキャビティ内で混練物を冷却、固化して永久磁石２０を形成する。その後、冷却、固化した永久磁石２０が金型から取り出される。

このような磁石粉末と樹脂バインダーからなるコンパウンドを加熱溶融し、十分な流動性を持たせた状態で金型内に注入し、所定の磁石形状に成形する射出成形方法は、公知の射出成形方法を利用でき、射出成形方法に関して特に限定されるものではない。

（第１の実施形態の優位性）
次に、第１の実施形態の優位性について図３〜図６、表１および表２を参照して説明する。図３は、Ｗ３／Ｗ１と表面磁束密度との関係を示すグラフである。図４は、Ｗ３／Ｗ１と起動トルクとの関係を示すグラフである。図５は、Ｗ３／Ｗ１とモータ重量あたりの起動トルクとの関係を示すグラフである。図６は、Ｗ２／Ｗ１と起動トルクとの関係を示すグラフである。

（Ｗ１とＷ３との関係）
小型ＤＣモータ１は、永久磁石２０の最厚部の厚さＷ１を１．６ｍｍ、最薄部の厚さＷ２を０．３ｍｍに形成し、モータフレーム１０の厚さＷ３を０．１６ｍｍ〜２．０８ｍｍまで可変して作製される。

そして、永久磁石２０の内周の表面磁束密度をマグネットアナライザーで測定し、小型ＤＣモータ１の起動トルクを測定する。モータフレーム１０の厚みＷ３と、そのときの永久磁石２０の内周から発生する表面磁束密度と起動トルク、およびモータ重量あたりの起動トルクを表１および図３〜図５に示す。

表面磁束密度は、表１および図３〜図５に示すように、永久磁石２０の最厚部の厚みＷ１とモータフレーム１０の厚みＷ３の比率Ｗ３／Ｗ１が０．３５未満ではモータフレーム１０がない場合とほとんど変わらないが、Ｗ３／Ｗ１の値が０．３５以上では表面磁束密度も急激に大きくなり、Ｗ３／Ｗ１の値が０．７でほぼ飽和する。起動トルクも表面磁束密度と同じような傾向となる。しかし、モータ重量あたりの起動トルクは、Ｗ３／Ｗ１の値が１以上では低下傾向を示し、小型ＤＣモータ１の小型化、軽量化には適していない。また、モータ重量あたりの起動トルクのピークの値０．８０４から２０％程度の低下までは許容範囲であると考えられる。したがって、Ｗ３／Ｗ１の値は、０．３〜１の範囲とするのが適当である。

（Ｗ１とＷ２との関係）
小型ＤＣモータ１は、永久磁石２０の最厚部の厚みＷ１を１．６ｍｍに形成し、永久磁石２０の最厚部の厚みＷ１と最薄部の厚みＷ２との比率Ｗ２／Ｗ１が０．０２〜０．８となるように永久磁石２０の内周を小さくして最薄部Ｗ２を可変して作製し、モータフレーム１０の厚みＷ３を０．８ｍｍに作製する。このときの永久磁石２０の最厚部の厚さＷ１とモータフレーム１０の厚さＷ３との比率Ｗ３／Ｗ１は０．５である。

そして、永久磁石２０の最厚部の厚みＷ２を可変したときの小型ＤＣモータ１の起動トルクを測定する。永久磁石２０の最厚部の厚みＷ２を可変したときの小型ＤＣモータの起動トルクを表２および図６に示す。

表２および図６に示すように、小型ＤＣモータ１の起動トルクは、Ｗ２／Ｗ１の値が０．０５以上で急激に大きくなる傾向を示した。しかし、小型ＤＣモータ１の起動トルクは、Ｗ２／Ｗ１の値が０．５以上では低下傾向を示し、よりよい起動トルクを得ることができない。また、Ｗ２／Ｗ１の値が０．０５のときの起動トルクと同程度以上の起動トルクが許容範囲であると考えられる。したがって、Ｗ２／Ｗ１の値は、０．０５〜０．５の範囲とするのが適当である。

なお、本実施形態では、モータフレームを四角形にて作製したが、これに限定されるものではなく、六角形で６極着磁の構成であっても、八角形で８極着磁の構成であっても同様にモータ特性を向上させることができる。また、本実施形態では、希土類磁石粉末はサマリウム−鉄−窒素（Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ）からなる希土類磁石粉末を用いたが、これに限定されるものではなく、ネオジム−鉄系（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系）磁石粉末であっても、サマリウム−コバルト系（Ｓｍ−Ｃｏ系）磁石粉末であっても勿論よい。

本発明は、モータ特性を低下させることなく、角型のＤＣモータを小型化することができる小型ＤＣモータおよびこれを利用したレーザープリンターやインクジェットプリンターなどに利用することができる。

本発明の一実施形態にかかる小型ＤＣモータの横断面図である。 本発明の一実施形態にかかる小型ＤＣモータの縦断面図である。 Ｗ３／Ｗ１と表面磁束密度との関係を示すグラフである。 Ｗ３／Ｗ１と起動トルクとの関係を示すグラフである。 Ｗ３／Ｗ１とモータ重量あたりの起動トルクとの関係を示すグラフである。 Ｗ２／Ｗ１と起動トルクとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１…小型ＤＣモータ１、１０…モータフレーム、１１…角、１２…筒状部、２０…永久磁石、Ｗ１…最厚部の厚さ、Ｗ２…最薄部の厚さ、Ｗ３…モータフレーム１０の厚さ。

Claims (2)

1. 所定の厚さを有し、断面が四角形の各辺の一部を残しながら角を内側に押しつぶした形状の筒状部を有する軟磁性材料からなるモータフレームと、
   前記モータフレームの内側に密接し、内側に円筒空間を有し、４箇所の最厚部と４箇所の最薄部を有する筒状の永久磁石と
   を備えた小型ＤＣモータであって、
   前記永久磁石の最厚部の厚さをＷ１、前記永久磁石の最薄部の厚さをＷ２、前記モータフレームの厚さをＷ３とするとき、前記永久磁石の最厚部の厚さＷ１と前記モータフレームの厚さＷ３との比率が０．３≦Ｗ３／Ｗ１＜１．０で、かつ前記永久磁石の最厚部の厚さＷ１と前記永久磁石の最薄部の厚さＷ２との比率が０．０５≦Ｗ２／Ｗ１≦０．５であることを特徴とする小型ＤＣモータ。
2. 前記永久磁石は、希土類磁石粉末と熱可塑性樹脂バインダーとを含み、射出成形にて作製した希土類ボンド磁石であることを特徴とする請求項１に記載の小型ＤＣモータ。
   
   
   
   
   

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