JP2005033843A

JP2005033843A - Dc brush motor and its permanent magnet

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Publication number: JP2005033843A
Application number: JP2003166958A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Motokura; 義信本蔵; Youni Hashimoto; 擁二橋本; Hiroshige Mitarai; 浩成御手洗; Norihiko Hamada; 典彦濱田; Kenji Noguchi; 健児野口
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-02-03

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the size of a 1-200 W class motor. <P>SOLUTION: In the brushless motor, an exciting magnet is formed of a hollow tubular anisotropic bond magnet 13 and magnetized with four poles. The anisotropic bond magnet 13 has a maximum energy product about five times as large as that of a conventional sintered ferrite magnet. Since four pole magnetization is employed, magnetic path length of a magnetic circuit per pole is decreased and a magnetic force contributive to impart torque is increased. When the torque is constant, the length of an electromagnetic rotator and the axial length of a permanent magnet can be decreased. Furthermore, the ratio of thickness w/d between a casing and the magnet is set in the range of 1-3 and the ratio d/a between the radial depth of an anisotropic rare earth bond magnet and the diameter of the electromagnetic rotator is set in the range of 0.015-0.07. Consequently, a 1-200 W class motor can be reduced in size and the motor performance index can be more than doubled. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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〜２００Ｗ又は３００Ｗクラスで、モータ外径が５０ｍｍ以下の小型ＤＣブラシモータ装置とするとき、高い効果を奏するものである。特に、用途を限定するものではないが、小型及び軽量化が必須の自動車に搭載される設備の駆動源として用いると、その効果を十分に発揮するものである。
【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
【特許文献４】
特開２００１−３５２８７４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（ＢＨ）_ｍａｘ４ＭＧＯｅ（３２ＫＪ／ｍ^３）級のフェライト磁石の登場により、１〜２００Ｗ級で外径が５０ｍｍ以下の低消費電力型の小型ＤＣ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と整流子によって、巻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巻線を流れる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。
【０００４】
これらのモータに対して近年小型高出力化の要請があったが、出力が１〜２００Ｗ級で外径が５０ｍｍ以下クラスの体格のモータにおいては、２極の焼結フェライト磁石が使用されていた。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、このため、モータの体積をより減少させることはできなかった。仮に、薄い焼結フェライト磁石が製造できたとしても、薄さに起因する反磁場のために電磁回転体（電機子）に作用する磁場が弱くなるため、焼結フェライト磁石を用いたモータでは、出力を維持したままより小型化することはできなかった。
【０００５】
一方、焼結フェライト磁石を用いたモータの出力を向上させるためには、モータの筐体直径を大きくする必要があった。筐体直径を大きくするとなると、周方向に長い（中心角の大きな）フェライト磁石を製造する必要があるが、実際には、焼結フェライト磁石は円周方向に長く製造できない、すなわち、大径で大きな中心角の磁石が製造できない。このために、モータの直径が大きい場合には、必然的に、２極磁石によるモータが実現できず、磁石を中心角の小さな磁石片に分割して、やむを得ず４極磁石モータとしていた。この場合には、筐体の外径を大きくした分だけ、モータ出力は増大するものの、モータの体積及び重量が増大し、４極にしても、性能指標Ｔ＝トルク定数／体積（以下、「モータ性能指標Ｔ」という。）は、向上するものではなかった。
【０００６】
同様に、出力が２００Ｗ以下のＤＣブラシモータにおいて、４極のフェライト磁石を用いたとしても、後述するように、モータ性能指標Ｔは２極のフェライト磁石を用いたモータと比べて向上しなかった。このために、小型ＤＣブラシモータにおいては、４極にする必然性が全く存在せず、これが、従来において、４極のフェライト磁石を用いた小型ＤＣブラシモータが存在しない理由であった。
【０００７】
以上のことから、モータの単位体積当たりのトルク定数、すなわち、モータ性能指標を大きくすることの課題は、依然として存在していた。
【０００８】
１９９０年代後半になり、磁石の最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘがフェライト磁石の約４倍となる１４ＭＧＯｅ（１１１ＫＪ／ｍ^３）以上となる高磁気特性と高い成形性を有する異方性希土類ボンド磁石が登場し、モータ性能指標Ｔが向上するのではないかと期待された。
【０００９】
しかしながら、モータメーカを始めとするモータに関する当業者は、次の理由により、焼結フェライト磁石を用いた小型ＤＣブラシモータにおいて、この焼結フェライト磁石をこの異方性希土類ボンド磁石に置き換えることはできないと考えていた。第１に、単に、焼結フェライト磁石を異方性希土類ボンド磁石に置き換えると、筐体において、磁束の漏洩が大きすぎるので、最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが焼結フェライト磁石の４倍もある異方性希土類ボンド磁石を用いた場合には、大きな磁束が外部に漏れないようにするために、筐体の厚さを焼結フェライト磁石を用いたモータに比べて２倍以上に厚くする必要があった。第２に、異方性希土類ボンド磁石の厚さは、反磁場の影響を排除するために、従来の焼結フェライト磁石の厚さ程度は必要であった。第３に、これらの結果、モータ筐体の厚さを２倍にした時には、焼結フェライト磁石を用いたモータと同一トルク定数を得る場合には、体積は９２％に減少するに止まる。すなわち、モータ筐体厚さを２倍にすると、体積が１３４％に増加する。最大エネルギー積の大きな磁石を用いる分だけ焼結フェライト磁石を用いたモータに比べて出力トルクが向上するので、出力トルクを焼結フェライト磁石を用いたモータと同一にする場合には、モータの軸方向の長さが６９％に短縮できる。これらのことから、結局、１．３４×０．６９＝０．９２、すわち、焼結フェライト磁石を用いたモータと同一トルク定数とする場合には、体積は９２％に減少するに止まることになる。これにブラシ、整流子部分を含めたモータ全体の体積を考えると、この共通部分は小さくできないので、体積減少は期待できなかった。
【００１０】
結局、磁石の最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが、従来の焼結フェライト磁石の４倍の異方性希土類ボンド磁石が開発されても、そのボンド磁石を筐体直径にして５０ｍｍ以下の小型ＤＣブラシモータに用いてもモータ性能指標Ｔ（トルク定数／体積）は向上しないというのが、当業者の認識であった。したがって、異方性希土類ボンド磁石をモータに用いるとすると、性能の向上は見られず、単に、コスト高となり、商品価値がないというのが当業者の認識であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは、上記の当業者の認識に反して、モータ直径が５０ｍｍ以下、出力にして３００ｗ又は２００ｗ程度以下のＤＣブラシモータにおいて、異方性希土類ボンド磁石をこのモータに用いることに関して鋭意研究を重ねた。その結果、異方性希土類ボンド磁石の磁極を少なくとも４極以上にすることによりモータの筐体厚さを厚くする必要がなく、且つ、異方性希土類ボンド磁石の厚さを焼結フェライト磁石の厚さに比べて薄くすることにより、上記のモータ性能指標Ｔ（トルク定数／体積）が、当業者の認識に反して、飛躍的に向上することを、本発明者らは初めて見出した。そして、本出願人は、特願２００１−３７５１５９号出願（平成１３年１２月１０日出願）、その出願を基礎として優先権主張した特願２００２−２７６１９４号出願（平成１４年９月２０日出願）（何れも、本願出願時、未公開）を出願した。本願出願に係る発明は、これらの先の出願に係る発明の改良に関するものである。
【００１２】
上記の優先権の基礎出願の後に、特開２００１−３５２８７４号公開公報が公開された。その公開公報によると、４極に磁化した異方性ボンド磁石を用いた電動リールモータが開示されている。しかしながら、この公開公報においては、異方性ボンド磁石を用いることにより、モータ性能指標が飛躍的に向上するという認識はなく、まして、モータ性能指標を飛躍的に向上させるためのモータ筐体の直径、モータ筐体の厚さ、電磁回転体（電機子）の直径、異方性希土類ボンド磁石の厚さ等の関係は、全く認識されていない。同公報の図４を参照しても、ボンド磁石の厚さは、筐体の厚さよりも厚く描かれている。したがって、従来の焼結フェライト磁石を用いたモータの筐体の厚さと、同公開公報のモータの筐体の厚さは同程度であると考えられるので（２つのモータの筐体の厚さが異なるものと推測させ得る記載がない）、異方性ボンド磁石の厚さは、焼結フェライト磁石の厚さよりもむしろ厚いと考えられる。このことからも、同公開公報には、モータ性能指標を向上させるための構成が示唆されておらず、焼結フェライト磁石を、単に、異方性ボンド磁石に置換したモータを開示したものに過ぎない。
【００１３】
本発明は、上記に記述した小型ＤＣブラシモータの業界における長年の課題を解決したものであり、その目的は、従来の焼結フェライト磁石を用いた小型ＤＣブラシモータのトルク定数と同一トルク定数を得る場合には、モータ全体の体積を１／２以下にするという大幅な小型化と、軽量化を図り、又は、従来の小型ＤＣブラシモータに対して、体積を２０％減少（体積を８０％にして）させつつトルク定数を２倍にするという大幅な高性能化を図ることである。
すなわち、本発明は、従来の小型ＤＣブラシモータに対して、モータ性能指標（トルク定数／体積）を２倍以上に飛躍的に向上させることを目的とする。
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。
【００１４】
【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に記載の発明は、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とを有し、モータ外径が５０ｍｍ以下であるＤＣブラシモータ装置であって、前記永久磁石は、少なくとも４極以上に着磁された中空円筒状の薄肉形状で最大エネルギー積が１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）以上の異方性希土類ボンド磁石であり、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さをｄ、前記モータ筐体の厚さをｗ、前記電磁回転体の直径をａとする時、前記筐体厚さ対前記磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、３以下であり、且つ、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さ対前記電磁回転体の直径比ｄ／ａが０．０１５以上、０．０７以下であることを特徴とするＤＣブラシモータ装置である。
【００１５】
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。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。
【００１６】
本発明に採用した異方性希土類ボンド磁石は、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、及び最近新たに開発された国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ０３／０４５３２（未公開）の製造方法で作製される磁石であって、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる磁粉を樹脂成型することにより製造され、１軸方向に強く磁化される磁石である。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが４倍以上となる特徴がある。本発明者は、この異方性希土類ボンド磁石のポテンシャルをいかに引き出し得るかを鋭意検討した結果、特に、１〜３００Ｗ級又は１〜２００Ｗ級の小型ＤＣ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。すなわち、本発明者らは、モータ直径が５０ｍｍ以下、出力にして３００ｗ又は２００ｗ程度以下のＤＣブラシモータにおいて、異方性希土類ボンド磁石の磁極を少なくとも４極以上にすれば、モータの筐体厚さを厚くする必要がなく、異方性希土類ボンド磁石の厚さも低減できることを発見し、この発見に基づき、４極以上に磁化して、且つ、異方性希土類ボンド磁石の厚さを薄くするという構成を新規に採用することにより、モータ性能指標が焼結フェライト磁石を用いたモータに比べて２倍以上にと飛躍的に向上させた。そして、本出願人は、特願２００１−３７５１５９号出願（平成１３年１２月１０日出願）、その出願を基礎として優先権主張した特願２００２−２７６１９４号出願（平成１４年９月２０日出願）（何れも、本願出願時、未公開）を出願した。本願出願に係る発明は、これらの先の出願に係る発明の改良に関するものである。なお、異方性希土類ボンド磁石の磁極は、４極、６極が望ましい。
【００１７】
１＜筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄ≦３の範囲は次の観点から設定されている。焼結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に磁気漏洩を防止することができる。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１より大きいことが必要となる。ｗ／ｄが３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、十分に小型化ができず、その結果、モータ性能指標が低下する。
【００１８】
一方、０．０１５≦磁石厚さ対電磁回転体の直径比ｄ／ａ≦０．０７の範囲は次の観点から決定されている。
この範囲である場合には、モータ性能指標Ｔ（Ｔ＝トルク定数／体積）は、従来の２極焼結フェライト磁石を用いたモータの性能指標Ｔ（約１．３）の２倍以上となる。従来のモータと同一トルク定数でモータ全体の体積を約１／２にするという従来では到底考えられない大幅な小型化・軽量化が実現できる。一方、従来の焼結フェライト磁石を用いたモータに対して約２０％だけ体積を減少（従来の８０％の体積）させつつトルク定数を約２倍にするという大幅な高性能化の実現という画期的な効果を得ることができた。なお、体積はモータ全体の体積で評価している。ブラシや整流子は２つのモータで共通に存在するので、トルクを発生させる実効部分に関してみると、同一トルク定数とした場合には、体積は３７％に減少させることができる。
【００１９】
最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが２５ＭＧＯｅ（１９９ＫＪ／ｍ^３）の異方性希土類ボンド磁石を用いた場合には、０．０３≦ｄ／ａ≦０．０７の範囲で、モータ性能指標Ｔは２．５６倍が得られている。また、最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが２０ＭＧＯｅ（１５９ＫＪ／ｍ^３）の異方性希土類ボンド磁石を用いた場合には、０．０３≦ｄ／ａ≦０．０７の範囲で、モータ性能指標Ｔは２．４６倍が得られている。さらに、最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）の異方性希土類ボンド磁石を用いた場合には、０．０３≦ｄ／ａ≦０．０７の範囲で、モータ性能指標Ｔは２．３９倍が得られている。したがって、このｄ／ａの範囲は、さらに、望ましい範囲である。
【００２０】
単位磁石使用量当たりのモータ性能指標Ｔ（即ち、モータ性能指標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倍の２倍に等しくなる磁石厚さ対電磁回転体の直径比ｄ／ａが０．０７である。ここで、磁石性能倍数ｍは、（異方性希土類ボンド磁石の性能［（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、異方性希土類ボンド磁石の性能（最大エネルギー積）が１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）で、フェライト焼結磁石の性能（最大エネルギー積）が３．５ＭＧＯｅ（２８ＫＪ／ｍ^３）の場合には、磁石性能倍数ｍは、４．９となる。同様に、異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積が２０ＭＧＯｅ（１５９ＫＪ／ｍ^３）の場合には、磁石性能倍数ｍは、５．７倍となり、異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積が２５ＭＧＯｅ（１９９ＫＪ／ｍ^３）の場合には、磁石性能倍数ｍは、７．１倍となる。
【００２１】
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倍の２倍となる時の磁石厚さ対電磁回転体の直径比ｄ／ａは、異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積が１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）以上において、その値にかかわらずほぼ同一値である０．０７をとっている。
【００２２】
磁石厚さ対電磁回転体の直径比ｄ／ａが０．０７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倍の２倍以上となる。しかしながら、磁石厚さ対電磁回転体の直径比ｄ／ａが下限値０．０１５近くになると、磁石効率は最大となるが、磁石が薄くなることにより反磁場が大となり、電磁回転体を貫く磁束が急激に低下し、モータ性能指標Ｔが従来の２極焼結フェライト磁石を用いたモータの２倍近くに低下するので、磁石厚さ対電磁回転体の直径比ｄ／ａは０．０１５以上とするのが望ましい。
【００２３】
磁石厚さ対電磁回転体の直径比ｄ／ａの上記の範囲は、モータ外径が５０ｍｍ以下とした場合に、筐体厚さｗ、磁石厚さｄが共に薄いことを意味する。モータ外径を固定して考えると、筐体厚さｗと磁石厚さｄを共に薄くできる分だけ電磁回転体の直径を大きくでき、巻線を太くすることができ、出力トルクの向上につながる。
【００２４】
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、モータ装置の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。
【００２５】
異方性希土類ボンド磁石は、焼結フェライト磁石に比べて、優れた磁気特性を有するが、最大エネルギー積が１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）以上として磁極を少なくとも４極以上とすることで、性能が向上する。異方性希土類ボンド磁石には、４極、６極の磁極を用いるのが望ましい。また、最大エネルギー積は、２０ＭＧＯｅ（１５９ＫＪ／ｍ^３）以上３０ＭＧＯｅ（２３９ＫＪ／ｍ^３）以下とするのが望ましい。この最大エネルギー積の範囲は、請求の範囲の寸法比に関する限定範囲と密接に関連し、モータ性能指標をより向上させることができる。
【００２６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＤＣブラシモータ装置において、磁石厚さｄは０．７ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下としたことである。
すなわち、この厚さは望ましい具体的な厚さを与えるものである。これにより、上述したように従来のモータに比べてモータ性能指標を２倍以上にでき、磁石効率を、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倍の２倍以上にすることができる。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のＤＣブラシモータ装置において、筐体厚さｗを、１．０ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下としたことを特徴とする。
すなわち、この厚さは望ましい具体的な厚さを与えるものである。この範囲と上記の請求項１の条件とにより、上述したように従来のモータに比べてモータ性能指標を２倍以上にでき、磁石効率を、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倍の２倍以上にすることができる。
【００２８】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のＤＣブラシモータ装置において、電磁回転体の直径ａは、１６ｍｍ以上、４５ｍｍ以下としたことを特徴とする。
すなわち、この特徴は、モータの体格と出力に関係し、この値の範囲において、本件発明は上記した効果をより有意義に達成するものである。
【００２９】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のＤＣブラシモータ装置において、ＤＣブラシモータの入力電圧は５０Ｖ以下であることを特徴とする。
この特徴は、モータの用途を示すものであり、例えば、自動車のバッテリーにより容易に駆動されるモータを意味する。この入力電圧で用いられる小型モータにおいて、本件発明はその効果をより発揮することができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のＤＣブラシモータ装置において、ＤＣブラシモータの出力は１〜２００Ｗであることを特徴とする。
この特徴は、モータの出力に関係し、この値の範囲において、本件発明は上記した効果を達成するものである。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のＤＣブラシモータ装置において、ＤＣブラシモータは自動車に搭載される設備を駆動するためのモータであることを特徴とする。
この特徴は、モータの用途を示すものである。本件発明のモータ装置は、小型で且つ軽量である。最近の自動車には、自動車に搭載されている設備をモータで駆動することが多くなっており、１台の自動車で数十から百程度のモータが使用されている。自動車室内の有効体積の向上と車両の軽量化に大きく寄与するものである。
【００３２】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のＤＣブラシモータ装置において、異方性希土類ボンド磁石は４極に着磁されており、電磁回転体のスロット数を１０としたことを特徴とする。
本発明は、磁石が４極であるのに対して電磁回転体のスロット数が１０であるために、磁石の１極が支配する領域に存在するスロット数は整数にはならない。このために、コギングトルクを減少させることができ、滑らかな回転を実現することができる。スロット数が８より少ないと、トルクリップルが大きくなり、モータ効率が低くなる。スロット数が１２より多いと、巻線スペースが狭くなり、モータ出力が大きく低下する。スロット数が９、１１の場合には、コイル数が奇数となり、偶力トルクを発生しないために、振動を生ずるために、現実的ではない。磁石の磁極が４極の場合にスロット数が８、１２である場合、又は、磁石の磁極が６極の場合にスロット数が１２である場合には、１磁極当たりのスロット数が整数となるために、コギングトルが発生するので望ましくない。スロット数を１０とすると、巻線を配置するスペースを広くとることができ、巻線を太くすることができるので、出力トルクを向上させることができ、結果として、モータ性能指標を向上させることができる。また、電磁回転体を１０スロットにして、巻線は分布巻とするのが望ましい。集中巻の場合には、巻線の占積率を高くすることができるが、巻数を大きくする必要があり、このために抵抗が増大する。抵抗が増大する結果、出力が大きくならない。よって、分布巻が望ましい。また、本件発明のような小型モータでは、スペースを大きくとることができない関係上、整流子の分割数はスロット数に整合させて１０が望ましい。
【００３３】
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載のＤＣブラシモータ装置において、前記異方性希土類ボンド磁石は、イットリウム（Ｙ）を含む希土類元素（以下、「Ｒ１」と称する。）と鉄（Ｆｅ）とホウ素（Ｂ）とを主成分とするＲ１ＦｅＢ系合金に水素化処理を施して得られた平均粒径が５０〜４００μｍであるＲ１ＦｅＢ系異方性磁石粉末と該Ｒ１ＦｅＢ系異方性磁石粉末の構成粒子の表面を被覆する第一界面活性剤とからなるＲ１ＦｅＢ系粗粉末が５０〜８４質量％（ｍａｓｓ％）と、Ｙを含む希土類元素（以下、「Ｒ２」と称する。）とＦｅと窒素（Ｎ）またはＢとを主成分とする平均粒径が１〜１０μｍであるＲ２Ｆｅ（Ｎ、Ｂ）系異方性磁石粉末と該Ｒ２Ｆｅ（Ｎ、Ｂ）系異方性磁石粉末の構成粒子の表面を被覆する第２界面活性剤とからなるＲ２Ｆｅ（Ｎ、Ｂ）系微粉末が１５〜４０ｍａｓｓ％と、バインダーである樹脂が１〜１０ｍａｓｓ％、とからなり、最大磁気エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが２１〜２８ＭＧＯｅ（１６７〜２２３ＫＪ／ｍ^３）であり、１００℃で１０００時間経過後に再着磁して得られる磁束の減少割合を示す永久減磁率が６％以下であることを特徴とする複合希土類異方性ボンド磁石であることを特徴とする。
【００３４】
Ｒ１ＦｅＢ系異方性磁石粉末の１つの具体例は、ＮｄＦｅＢ系異方性磁石粉末であり、Ｒ２Ｆｅ（Ｎ、Ｂ）系異方性磁石粉末の１つの具体例は、ＳｍＦｅＮ系異方性磁石粉末である。このような複合希土類異方性ボンド磁石を用いることにより、高い最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘを２１〜２８ＭＧＯｅ（１６７〜２２３ＫＪ／ｍ^３）のものを得ることができる。また、上記の複合希土類異方性ボンド磁石は経年変化により減磁される割合である永久減磁率を６％以下とすることができ、耐熱性や耐酸性などの耐候性を向上させることができる。この結果、これらの複合希土類異方性ボンド磁石を用いたモータは、本件発明の効果をより高く達成することが可能となり、信頼性や寿命を長期化することが可能となる。
【００３５】
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のＤＣブラシモータ装置に使用されるの永久磁石である。
【００３６】
【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バックヨーク１０から構成される。異方性希土類ボンド磁石１３は４極に磁化されており、アーマチャ１４において巻線が配置されるスロットは１０個である。尚、モータ筐体１６は筐体１２とバックヨーク１０とを合わせた概念として使用している。すなわち、請求項におけるモータ筐体厚さｗ（筐体厚さ）は、筐体１２とバックヨーク１０とを合わせた厚さである。
バックヨーク１０は必ずしも必要ではなく、筐体１２だけでモータ筐体を構成しても良い。
【００３７】
容積比較のため従来の２極モータ装置を図２（ａ）、（ｂ）に示す。（ａ）が側面図、（ｂ）がＡＡ’断面図である。ここで、スロット数は１２である。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、及び国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ０３／０４５３２）の製造方法で製造される。この異方性希土類ボンド磁石は、最大エネルギー積１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）〜２８ＭＧＯｅ（２２３ＫＪ／ｍ^３）のものを、現在、製造することができる。
【００３８】
本実施例のモータ装置（図１（ａ）、（ｂ））と従来のモータ装置（図２（ａ）、（ｂ））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。
【００３９】
特に、異方性希土類ボンド磁石１３は、イットリウム（Ｙ）を含む希土類元素（以下、「Ｒ１」と称する。）と鉄（Ｆｅ）とホウ素（Ｂ）とを主成分とするＲ１ＦｅＢ系合金に水素化処理を施して得られた平均粒径が５０〜４００μｍであるＲ１ＦｅＢ系異方性磁石粉末とこのＲ１ＦｅＢ系異方性磁石粉末の構成粒子の表面を被覆する第一界面活性剤とからなるＲ１ＦｅＢ系粗粉末が５０〜８４質量％（ｍａｓｓ％）と、Ｙを含む希土類元素（以下、「Ｒ２」と称する。）とＦｅと窒素（Ｎ）またはＢとを主成分とする平均粒径が１〜１０μｍであるＲ２Ｆｅ（Ｎ、Ｂ）系異方性磁石粉末とこのＲ２Ｆｅ（Ｎ、Ｂ）系異方性磁石粉末の構成粒子の表面を被覆する第２界面活性剤とからなるＲ２Ｆｅ（Ｎ、Ｂ）系微粉末が１５〜４０ｍａｓｓ％と、バインダーである樹脂が１〜１０ｍａｓｓ％、とからなり、最大磁気エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが２１〜２８ＭＧＯｅ（１６７〜２２３ＫＪ／ｍ^３）であり、１００℃で１０００時間経過後に再着磁して得られる磁束の減少割合を示す永久減磁率が６％以下である複合希土類異方性ボンド磁石を用いることが好ましい。尚、この複合希土類異方性ボンド磁石の製造方法は、国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ０３／０４５３２）に記載されている。
【００４０】
Ｒ１ＦｅＢ系異方性磁石粉末の１つの具体例は、ＮｄＦｅＢ系異方性磁石粉末であり、Ｒ２Ｆｅ（Ｎ、Ｂ）系異方性磁石粉末の１つの具体例は、ＳｍＦｅＮ系異方性磁石粉末である。このような複合希土類異方性ボンド磁石を用いることにより、高い最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘを２１〜２８ＭＧＯｅ（１６７〜２２３ＫＪ／ｍ^３）のものを得ることができる。また、上記の複合希土類異方性ボンド磁石は経年変化により減磁される割合である永久減磁率を６％以下とすることができ、耐熱性や耐酸化性などの耐候性を向上させることができる。この結果、これらの複合希土類異方性ボンド磁石を用いたモータは、本件発明の効果をより高く達成することが可能となり、信頼性や寿命を長期化することが可能となる。
【００４１】
又、ボンド磁石はプラスチック磁石とも言われる。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが約５倍以上となる特徴がある。即ち、標準的な焼結フェライト磁石２３の最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが３．５ＭＧＯｅ（２８ＫＪ／ｍ^３）に対して、この異方性希土類ボンド磁石は、その約５倍の１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）以上の最大エネルギー積を有する。
【００４２】
又、第２の特徴は、永久磁石の薄型化に当たって、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１４の直径（電磁回転体直径）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、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄを１より大きく３以下として、且つ、異方性希土類ボンド磁石の厚さ対電磁回転体直径比ｄ／ａを０．０１５以上０．０７以下としたことである（小型化条件）。ｗ／ｄとｄ／ａ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。
【００４３】
磁石厚さ対電磁回転体直径比ｄ／ａが、下限条件０．０１５より小さくなると、磁石の反磁場が急激に増大することにより磁力が低下するので望ましくない。０．０１５≦ｄ／ａ≦０．０７において、モータ性能指標Ｔ（Ｔ＝トルク定数／体積）を従来の約２．１５倍以上とすることができる。即ち、トルク定数を一定とするならば体積を１／２．１５以下（約１／２）にできるか、又は、モータの体積を一定とするならばトルク定数を２．１５倍以上（約２倍）にすることができる。例えば、従来の２極フェライトモータの性能指標を約１．３５ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）とすると、モータ性能指標ＴをＴ＝２．７０ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）以上とする条件である。この条件により、トルク定数を同一として、後述するようにモータの容積が５０％以下に低減された小型ＤＣブラシモータが実現できた。
【００４４】
焼結フェライト磁石２３（最大磁気エネルギー積が３．５ＭＧＯｅ（２８ＫＪ／ｍ^３））を用いた従来のモータ装置において、バックヨーク１０（モータ筐体）の外径ｒは３８ｍｍ、内径は３２ｍｍ、その厚さｗは３ｍｍであり、電磁回転体の直径ａは２３ｍｍで、スロット数は１２である。モータ装置の出力は２６Ｗ、出力トルクは７５．７（ｍＮ・ｍ／Ａ）であり、その容積は約５６．１ｃｍ^３である。焼結フェライト磁石２３は、外径は３２ｍｍ、内径は２４ｍｍ、径方向長さ（厚さ）は約４ｍｍである。したがって、ｗ／ｄ＝０．７５であり、ｄ／ａは０．１７である。
【００４５】
一方、焼結フェライトを用いた上記モータと同一出力トルク定数７５．７（ｍＮ・ｍ／Ａ）を得る本件実施例装置のモータ装置では、異方性希土類ボンド磁石１３（最大磁気エネルギー積が２０．０ＭＧＯｅ（１５９ＫＪ／ｍ^３））を使用した結果、バックヨーク１０（モータ筐体１６）の外径ｒは３１ｍｍ、内径が２７ｍｍ、その厚さｗは２．０ｍｍであり、その容積は２４．５ｃｍ^３である。このモータ装置の出力は３２Ｗ、出力トルク定数は７５．７（ｍＮ・ｍ／Ａ）である。４極着磁された異方性希土類ボンド磁石１３の外径は２７ｍｍ、内径は２５ｍｍ、径方向厚さｄは１ｍｍとした。電磁回転体の直径ａは２４ｍｍで、スロット数は１０である。よって、ｗ／ｄ＝２．０、ｄ／ａ＝０．０４となる。このように、設定すれば、従来と同一出力で、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３．０９ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）で従来のモータ装置の１．３５ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）に比べて２．３倍とすることができた。
【００４６】
更に、本実施例では、トルク定数が大きくなるために、アーマチャ積厚はトルク定数が同一になるように求めた。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。モータの磁場の発生部であり、電機子電流が流れる部分でもあるトルク発生部（磁石と電磁回転体とを対抗させてトルクを発生させる部分）の体積は、従来の焼結フェライト磁石を用いたモータが１９．８ｃｍ^３であり、本実施例の異方性希土類ボンド磁石を用いたモータが７．４ｃｍ^３である。よって、トルク発生部のみによる実効的なモータ性能指標を比較すると、焼結フェライト磁石を用いたモータのモータ性能指標が３．８２ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）、異方性希土類ボンド磁石を用いたモータのモータ性能指標は１０．２３ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）である。したがって、異方性希土類ボンド磁石を用いたモータのモータ性能指標は、焼結フェライト磁石を用いたモータのモータ性能指標の２．７倍となり、極めて優れたモータ性能指標が得られていることが理解される。モータ装置の全体の大きさで評価すると次のようになる。両モータともに、モータ装置後部に交直変換装置（整流子とブラシのある部分）が共通部として設置されるので、この交直変換装置の長さを上記のトルク発生部の長さに加算した長さが、モータ装置全体の長さとなる。モータ装置の全体の軸方向の長さに関して、従来の焼結フェライト磁石を用いたモータ装置の軸方向長さＬ_Ｆは約５０ｍｍであるのに対して本実施例の異方性希土類ボンド磁石を用いたモータ装置の軸方向長さは約３３ｍｍとなり、長さ縮小率Ｌ_Ｎ／Ｌ_Ｆ≒０．６６となった。又、重量は従来のモータ装置が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。
【００４７】
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。
【００４８】
最大磁気エネルギー積が２０．０ＭＧＯｅ（１５９ＫＪ／ｍ^３）の異方性希土類ボンド磁石を用いた４極のＤＣブラシモータの諸元について上記では述べた。図９の表に、焼結フェライト磁石を用いた２極、４極、６極ＤＣブラシモータの特性を示す。さらに、最大磁気エネルギー積が１７．０ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）の異方性希土類ボンド磁石を用いて、電磁回転体（電機子）のスロット数１２の２極、４極、６極のＤＣブラシモータの特性を表にして図９に示す。
【００４９】
尚、図９の表に規定されていないその他の条件は次の通りである。
バックヨーク材質ＳＰＣＣ
アーマチャ材質ケイ素鋼板
コイルの巻き方、巻数分布巻
電流値１Ａ
固定条件軸方向の厚さを変化させることで、トルク定数を同一とした。
上記図９の表の結果を分かりやすく説明するために、電機子のスロット数が１２の場合について、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１．４〜２．０ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）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３．０９ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）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。また、６極の場合には、異方性希土類ボンド磁石を用いたＤＣブラシモータの性能指標は３．４０ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）が得られており、６極の焼結フェライト磁石を用いたＤＣブラシモータのモータ性能指標１．４４ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）の２．４倍となった。
【００５０】
上記の異方性ボンド磁石の磁極数が４の場合において、スロット数を１０にした場合の利点は以下の通りである。磁石の磁極が４極であるのに対して電磁回転体のスロット数が１０であるために、磁石の１極が支配する領域に存在するスロット数は整数にはならない。このために、コギングトルクを減少させることができ、滑らかな回転を実現することができる。スロット数が８より少ないと、トルクリップルが大きくなり、モータ効率が低くなる。スロット数が１２より多いと、巻線スペースが狭くなり、モータ出力が大きく低下する。スロット数が９、１１の場合には、コイル数が奇数となり、偶力トルクを発生しないために、振動を生ずるために、現実的ではない。磁石の磁極が４極の場合にスロット数が８、１２である場合には、１磁極当たりのスロット数が整数となるために、コギングトルが発生するので望ましくない。スロット数を１０とすると、巻線を配置するスペースを広くとることができ、巻線を太くすることができるので、出力トルクを向上させることができ、結果として、モータ性能指標を向上させることができる。また、電磁回転体を１０スロットにして、巻線は分布巻とするのが望ましい。集中巻の場合には、巻線の占積率を高くすることができるが、巻数を大きくする必要があり、このために抵抗が増大する。抵抗が増大する結果、出力が大きくならない。よって、分布巻が望ましい。また、本件発明のような小型モータでは、スペースを大きくとることができない関係上、整流子の分割数はスロット数に整合させて１０が望ましい。異方性希土類ボンド磁石の磁極数が４極において、スロット数を１２から１０にすると、電機子のコイルの配置スペースが大きくなるので、太い線を設けることができる。このために、負荷電流を大きくすることができるので、出力を向上させることができる。
【００５１】
図９の表から分かるように、モータ筐体の直径、ボンド磁石の厚さ、磁極数を４極、スロット数を１２で同一として、電磁回転体の直径のみが異なるモータの特性を比較すると、電磁回転体の直径が大きいモータは性能指標が大きくなっているのが理解される。電磁回転体の直径が大きくなることにより、出力トクルが向上するためであると思われる。このように、モータ筐体の直径を一定とすれば、本発明により異方性希土類ボンド磁石の厚さを薄くすることで、電磁回転体の直径を大きくできるので、モータ性能指標が向上する。
【００５２】
（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、筐体の直径を増加させることなく電磁回転体の直径を増大させてモータ装置のトルクを増大することもできる。即ち、本実施例は最大磁気エネルギー積が２０．０ＭＧＯｅ（１５９ＫＪ／ｍ^３）の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５６．１ｃｍ^３、即ちモータ性能指標ＴはＴ＝１．３５ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）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。
【００５３】
本実施例のモータ装置を図４に示す。本実施例では、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、３以下とした条件において、上記小型化条件（０．０１５≦ｄ／ａ≦０．０７）によって、次の寸法とした。モータ筐体１６（バックヨーク１０）の外径ｒは３４ｍｍ、内径は２８ｍｍ、モータ筐体１６の厚さｗ（バックヨーク１０と筐体１２との総合厚さ）は３ｍｍ、異方性希土類ボンド磁石１３の外径は２８ｍｍ、内径は２６ｍｍ、厚さｄは１ｍｍで４極帯磁、電磁回転体直径ａは２５ｍｍである。この時、ｗ／ｄ＝３．０、ｄ／ａは０．０４である。そして、アーマチャの積厚は１７．５ｍｍ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倍のトルク定数（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４１．２ｃｍ^３で従来の２７％の容積減少率が実現でき、重量は従来のモータ装置が２４５ｇに対して本実施例のモータ装置が１８５ｇと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。
すなわち、本発明では、筐体の直径を増加させることなく、異方性希土類ボンド磁石の厚さを薄くすることで、電磁回転体の直径を増加させることができ、スロットのスペースが大きくなり、巻線の太さを増加させることができる。これにより巻線に流れる電機子電流を増加させることができるので、モータの容積を増加させることなく、出力トルクを増加させることができる。
【００５４】
（第３実施例）
第１実施例と同様な構造で、電機子のスロット数が１０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、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、３以下とした条件において、異方性希土類ボンド磁石１２の磁石厚さ対電磁回転体の直径比ｄ／ａ＝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１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）、２０ＭＧＯｅ（１５９ＫＪ／ｍ^３）、２５ＭＧＯｅ（１９９ＫＪ／ｍ^３）とした時のそれらの特性を図５に示す。比率Ｒが０．０１５以上０．０７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１．３５ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３））の２．１５倍以上となっていることが理解される。特に、下限値である０．０１５以上でないと、たとえ２５ＭＧＯｅ（１９９ＫＪ／ｍ^３）の強力磁石にしても、上記の従来モータ性能指標の２．１５倍（モータ性能指標は２．９０ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３））という優れた特性を得られないことが理解される。
【００５５】
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１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）、２０ＭＧＯｅ（１５９ＫＪ／ｍ^３）、２５ＭＧＯｅ（１９９ＫＪ／ｍ^３）とした時の特性を、図６に示す。比率Ｒが０．０１５以上、０．０７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倍の２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１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）以上の全ての場合において成立した。
【００５６】
図６の特性図から、比率Ｒが０．０７以下となると、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倍以上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１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）以上の全ての場合において成立した。
【００５７】
又、比率Ｒが０．０１５以上、０．０７以下の範囲では、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２ｍ倍以上となる。比率Ｒが０．０７の時におけるモータ性能指標を評価すると次のようになる。最大エネルギー積が１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）においては、モータ性能指標は３．１８ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）であり従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔの約２．３５倍が得られている。又、最大エネルギー積が２５ＭＧＯｅ（１９９ＫＪ／ｍ^３）においては、モータ性能指標は３．４２ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ^３）であり、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔの約２．５３倍が得られている。これらの特徴は、最大エネルギー積が１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）以上において成立した。
よって、磁石厚さ対電磁回転体の直径比ｄ／ａが０．０１５以上で０．０７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、従来のフェライト磁石を用いたモータにおけるモータ性能指標が２倍以上となり、磁石効率が磁石性能倍ｍ数倍の２倍以上となる極めて優れた効果を有する範囲となる。
【００５８】
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、電磁回転体の直径を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】
ａ＋２ｄ＋２ｗ＝ｒ …（１）
【数２】
Ｒ＝ｄ／ｒ …（２）
【数３】
Ｖ＝πｒ^２Ｌ／４ …（３）
【数４】
ｖ＝π｛〔（ａ／２）＋ｄ〕^２−（ａ／２）^２｝Ｌ …（４）
ｄ≪ａが成立するから、
【数５】
ｖ＝πａｄＬ …（５）
よって、磁石効率Ｓは、次式となる。
【数６】

ｄ＝Ｒｒを（６）式に代入すると、次式が得られる。
【数７】

上式が図６の特性の概略を近似しているものと思われる。
【００５９】
（第４実施例）
第１実施例と同一寸法にして、最大エネルギー積を１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ^３）とした異方性希土類ボンド磁石を用いた６極で電機子のスロット数が１２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図９の表に示す通りである。同様に、フェライト磁石を用いた６極で電機子のスロット数が１２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図９の表に表されている。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。
【００６０】
（第５実施例）
第１実施例の電機子のスロット数が１０のモータ装置において、図７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。この空間に、サージ対策のためのバリスタ、過電流や焼損防止のためのＰＴＣなどのサーミスタ、コンデンサ、電圧調整のための抵抗などが配置できるので、利点が多い。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８のような巻線にすればよい。
【００６１】
（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極又は６極着磁としたが、６極より多くてもよい。例えば、８極、１２極などでもよい。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。
又、異方性希土類ボンド磁石１３は筐体１２の内周面に圧入により設けても良い。この場合に、異方性希土類ボンド磁石１３の樹脂の重量割合は２％以上３％以下が望ましい。異方性希土類ボンド磁石１３は筐体１２への圧入は、圧力成形した後の異方性希土類ボンド磁石をキュア処理して、再加熱した状態で行う。樹脂の重量割合が上記の範囲の時に、異方性希土類ボンド磁石１３の筐体１２への圧入が容易に行うことができる。圧入の場合には、異方性希土類ボンド磁石１３と筐体１２の内周面との間に空隙が形成されないので、磁気回路の磁気抵抗が低下し、磁石の性能を十分に発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係るＤＣブラシモータ装置を示した構成図。
【図２】従来の２極焼結フェライト磁石を用いたＤＣブラシ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ＤＣブラシモータ装置と、異方性ボンド磁石を用いたＤＣブラシ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】本発明の具体的な第２実施例に係るＤＣブラシモータ装置を示した構成図。
【図５】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積をパラメータとし、モータ性能指標Ｔと比率ｄ／ａ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パラメータとして、磁石効率Ｓと比率ｄ／ａとの関係を示す特性図。
【図７】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８】第５実施例に係るモータ装置の捲線を示した構成図。
【図９】本実施例に係るモータ装置及び比較例のモータ装置の特性値を示した表図。
【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
１６…モータ筐体
２３…焼結フェライト磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a DC brush motor device and a permanent magnet used therefor. In particular, the present invention relates to a DC brush motor device that uses an anisotropic rare-earth bonded magnet as a permanent magnet and can be downsized and increased in torque, and the permanent magnet. For example, the present invention is highly effective when a small DC brush motor device having a motor outer diameter of 50 mm or less in the 1 W to 200 W or 300 W class is provided. Although the application is not particularly limited, the effect is sufficiently exhibited when used as a drive source for equipment mounted on an automobile in which miniaturization and weight reduction are essential.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1]
JP 2001-76917 A
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2816668
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 3060104
[Patent Document 4]
JP 2001-352874 A
[0003]
Before 1960, small motors used induction brush motors that do not use magnets. In the 1960s, the maximum energy product (BH) of magnets at low cost _max 4MGOe (32KJ / m ³ ) Class ferrite magnets, low power consumption type small DC brush motors with an outer diameter of 1 to 200 W and an outer diameter of 50 mm or less have appeared, and have been used for 40 years. In this configuration, two poles of a tile-shaped sintered ferrite magnet are arranged on the inner periphery of the motor casing, and an electromagnetic rotating body around which a winding is wound is arranged at the center thereof. During driving, the direction of the current flowing in the winding is changed by the brush and commutator arranged on the rotating shaft, and electromagnetic rotation is performed by the Lorentz force due to the interaction between the magnetic field generated by the surrounding sintered ferrite magnet and the current flowing in the winding. It is a mechanism that rotates the body.
[0004]
In recent years, there has been a demand for these motors to be small in size and high in output. However, in a motor with an output of 1 to 200 W class and an outer diameter of 50 mm or less, a bipolar sintered ferrite magnet has been used. . Since the sintered ferrite magnet contracts during sintering, a thin sintered ferrite magnet could not be manufactured, and therefore the volume of the motor could not be further reduced. Even if a thin sintered ferrite magnet can be manufactured, the magnetic field acting on the electromagnetic rotating body (armature) becomes weak due to the demagnetizing field due to the thinness, so in a motor using a sintered ferrite magnet, It was not possible to reduce the size while maintaining the output.
[0005]
On the other hand, in order to improve the output of a motor using a sintered ferrite magnet, it is necessary to increase the housing diameter of the motor. When the casing diameter is increased, it is necessary to manufacture a ferrite magnet that is long in the circumferential direction (large central angle), but in practice, a sintered ferrite magnet cannot be manufactured long in the circumferential direction, that is, with a large diameter. A magnet with a large central angle cannot be manufactured. For this reason, when the diameter of the motor is large, a motor with a two-pole magnet cannot be realized, and the magnet is inevitably divided into a magnet piece with a small central angle to form a four-pole magnet motor. In this case, although the motor output increases as the outer diameter of the casing is increased, the volume and weight of the motor increase, and even if the four poles are used, the performance index T = torque constant / volume (hereinafter, “ The motor performance index T ”) was not improved.
[0006]
Similarly, even if a 4-pole ferrite magnet is used in a DC brush motor with an output of 200 W or less, as will be described later, the motor performance index T is not improved as compared with a motor using a 2-pole ferrite magnet. . For this reason, in a small DC brush motor, there is no necessity of using four poles, and this is the reason why there is no conventional small DC brush motor using a four pole ferrite magnet.
[0007]
From the above, there remains a problem of increasing the torque constant per unit volume of the motor, that is, the motor performance index.
[0008]
In the late 1990s, the maximum energy product (BH) of a magnet _max 14 MGOe (111 KJ / m ³ ) An anisotropic rare earth bonded magnet having the above high magnetic properties and high formability appeared, and it was expected that the motor performance index T would be improved.
[0009]
However, those skilled in the art of motors including motor manufacturers cannot replace this sintered ferrite magnet with this anisotropic rare earth bonded magnet in a small DC brush motor using a sintered ferrite magnet for the following reasons. I thought. First, simply replacing the sintered ferrite magnet with an anisotropic rare-earth bonded magnet will cause too much leakage of magnetic flux in the housing, so the maximum energy product (BH) _max When using an anisotropic rare earth bonded magnet, which is four times as large as a sintered ferrite magnet, the motor uses a sintered ferrite magnet to prevent the large magnetic flux from leaking outside. It was necessary to make it thicker than twice. Secondly, the thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet needs to be about the same as the thickness of the conventional sintered ferrite magnet in order to eliminate the influence of the demagnetizing field. Third, as a result, when the thickness of the motor housing is doubled, the volume is reduced to 92% when the same torque constant as that of the motor using the sintered ferrite magnet is obtained. That is, when the motor casing thickness is doubled, the volume increases to 134%. Since the output torque is improved compared to a motor using a sintered ferrite magnet by the use of a magnet with a large maximum energy product, if the output torque is the same as a motor using a sintered ferrite magnet, the motor shaft The direction length can be reduced to 69%. As a result, 1.34 × 0.69 = 0.92, that is, when the torque constant is the same as that of the motor using the sintered ferrite magnet, the volume is reduced to 92%. become. Considering the volume of the entire motor including the brush and commutator, this common part cannot be reduced, so a decrease in volume could not be expected.
[0010]
After all, the maximum energy product (BH) of the magnet _max However, even if an anisotropic rare earth bonded magnet four times as large as a conventional sintered ferrite magnet is developed, even if the bonded magnet is used for a small DC brush motor having a casing diameter of 50 mm or less, the motor performance index T (torque It was recognized by those skilled in the art that the (constant / volume) does not improve. Therefore, if an anisotropic rare earth bonded magnet is used for a motor, the performance has not been improved, and it has been recognized by those skilled in the art that the cost is simply high and there is no commercial value.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, contrary to the recognition of those skilled in the art, the present inventors use an anisotropic rare earth bonded magnet for this motor in a DC brush motor having a motor diameter of 50 mm or less and an output of about 300 w or 200 w or less. We have earnestly researched on As a result, it is not necessary to increase the thickness of the motor casing by making the magnetic poles of the anisotropic rare earth bonded magnet at least four or more, and the thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet can be reduced to that of the sintered ferrite magnet. The inventors of the present invention have found for the first time that the motor performance index T (torque constant / volume) is remarkably improved by making it thinner than the thickness, contrary to the knowledge of those skilled in the art. The present applicant applied for Japanese Patent Application No. 2001-375159 (filed on Dec. 10, 2001), and filed Japanese Patent Application No. 2002-276194 (filed on Sep. 20, 2002) based on the application. ) (Both are unpublished at the time of filing this application). The invention according to the present application relates to the improvement of the invention according to these earlier applications.
[0012]
After the above priority application, JP 2001-352874 A was published. According to the publication, an electric reel motor using an anisotropic bonded magnet magnetized with four poles is disclosed. However, in this publication, there is no recognition that the use of anisotropic bonded magnets dramatically improves the motor performance index, and the diameter of the motor housing for dramatically improving the motor performance index. The relationship between the thickness of the motor casing, the diameter of the electromagnetic rotating body (armature), the thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet, etc. is not recognized at all. Referring to FIG. 4 of the publication, the thickness of the bond magnet is drawn to be thicker than the thickness of the housing. Therefore, it is considered that the thickness of the motor casing using the conventional sintered ferrite magnet and the thickness of the motor casing disclosed in the publication are approximately the same (the thickness of the casings of the two motors is There is no description that can be assumed to be different), and the thickness of the anisotropic bonded magnet is considered to be thicker than the thickness of the sintered ferrite magnet. For this reason, the publication does not suggest a configuration for improving the motor performance index, and merely discloses a motor in which a sintered ferrite magnet is simply replaced with an anisotropic bonded magnet. Absent.
[0013]
The present invention solves the long-standing problem in the small DC brush motor industry described above, and its purpose is to set the same torque constant as that of a small DC brush motor using a conventional sintered ferrite magnet. If it is to be obtained, the overall motor volume is reduced to 1/2 or less, and the weight is reduced, or the volume is reduced by 20% compared to the conventional small DC brush motor (the volume is reduced by 80%). The torque constant is doubled while achieving a significant increase in performance.
That is, an object of the present invention is to dramatically improve a motor performance index (torque constant / volume) by a factor of 2 or more compared to a conventional small DC brush motor.
At the same time, quietness is improved by suppressing torque unevenness, and the step of attaching a plurality of magnets during manufacturing is omitted.
More preferably, the present invention provides a high-performance motor that saves resources by significantly reducing the amount of magnet used to 1/4 or less compared to a sintered ferrite magnet.
[0014]
[Means for solving the problems and operational effects of the invention]
The invention described in claim 1 is a DC brush motor device having a permanent magnet disposed in an inner peripheral portion of a housing of a motor and an electromagnetic rotating body disposed in a central portion and having a motor outer diameter of 50 mm or less. The permanent magnet has a hollow cylindrical thin wall shape magnetized to at least four poles and has a maximum energy product of 17 MGOe (135 KJ / m ³ ) The above anisotropic rare earth bonded magnet, where d is the radial thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet, w is the thickness of the motor casing, and a is the diameter of the electromagnetic rotating body, The casing thickness to magnet thickness ratio w / d is greater than 1 and less than or equal to 3 and the radial thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet to the diameter ratio d / a of the electromagnetic rotating body Is a DC brush motor device characterized by being 0.015 or more and 0.07 or less.
[0015]
The motor casing is a concept including a back yoke, and the motor casing outer diameter r is used to mean the outer diameter of the motor device including the back yoke. The following means, operation, and effect of the present invention will be described in comparison with the two-pole (ferrite) motor device that is widely used.
[0016]
The anisotropic rare-earth bonded magnet employed in the present invention is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-76917, Japanese Patent No. 2816668, Japanese Patent No. 3060104, and recently developed international patent application PCT proposed by the applicant. / JP03 / 04532 (unpublished) manufacturing method, for example, a magnet that is manufactured by resin molding of magnetic powder made of Nd-Fe-B and is strongly magnetized in a uniaxial direction . This magnet has a maximum energy product (BH) compared to conventional sintered ferrite magnets. _max There is a feature that becomes 4 times or more. As a result of earnestly examining how the potential of this anisotropic rare earth bonded magnet can be derived, the present inventor has a great effect particularly when applied to a small DC brush motor of 1 to 300 W class or 1 to 200 W class. I found out. That is, the present inventors, in a DC brush motor having a motor diameter of 50 mm or less and an output of about 300 w or 200 w or less, will have a motor casing thickness of at least 4 if the magnetic poles of the anisotropic rare earth bonded magnet are at least 4 or more. It was found that the thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet can be reduced without increasing the thickness, and based on this discovery, the magnet is magnetized to four or more poles and the thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet is reduced. By adopting a new configuration, the motor performance index has been dramatically improved to more than twice that of a motor using sintered ferrite magnets. The present applicant applied for Japanese Patent Application No. 2001-375159 (filed on Dec. 10, 2001), and filed Japanese Patent Application No. 2002-276194 (filed on Sep. 20, 2002) based on the application. ) (Both are unpublished at the time of filing this application). The invention according to the present application relates to the improvement of the invention according to these earlier applications. The magnetic poles of anisotropic rare earth bonded magnets are preferably 4 poles and 6 poles.
[0017]
The range of 1 <case thickness to magnet thickness ratio w / d ≦ 3 is set from the following viewpoint. In the case of a DC brush motor using a sintered ferrite magnet, since the magnetic force of the magnet is weak, magnetic leakage can be sufficiently prevented even if the casing thickness is smaller 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. It needs to be big. If w / d is greater than 3, even if the magnet's magnetic force is strong, the case thickness becomes too thick and magnetic leakage will be eliminated, but the case thickness will be increased unnecessarily, and it will be small enough. As a result, the motor performance index decreases.
[0018]
On the other hand, the range of 0.015 ≦ magnet thickness to electromagnetic rotating body diameter ratio d / a ≦ 0.07 is determined from the following viewpoint.
In this range, the motor performance index T (T = torque constant / volume) is more than twice the performance index T (about 1.3) of a motor using a conventional two-pole sintered ferrite magnet. . A drastic reduction in size and weight, which cannot be conceived in the past, can be realized by reducing the volume of the entire motor to about 1/2 with the same torque constant as that of a conventional motor. On the other hand, compared to a motor using a conventional sintered ferrite magnet, the volume is reduced by about 20% (80% of the conventional volume), and the torque constant is doubled. A periodical effect was obtained. The volume is evaluated by the volume of the entire motor. Since the brush and commutator are common to the two motors, the volume can be reduced to 37% when the same torque constant is used in terms of the effective portion that generates torque.
[0019]
Maximum energy product (BH) _max 25MGOe (199KJ / m ³ ) Is used, the motor performance index T is 2.56 times in the range of 0.03 ≦ d / a ≦ 0.07. Maximum energy product (BH) _max 20MGOe (159KJ / m ³ When the anisotropic rare earth bonded magnet (1) is used, the motor performance index T is 2.46 times in the range of 0.03 ≦ d / a ≦ 0.07. Furthermore, the maximum energy product (BH) _max 17 MGOe (135 KJ / m ³ When the anisotropic rare earth bonded magnet of (2) is used, the motor performance index T is 2.39 times in the range of 0.03 ≦ d / a ≦ 0.07. Therefore, the range of d / a is a desirable range.
[0020]
Motor performance index T per unit magnet usage (that is, motor performance index T / magnet usage, hereinafter this ratio S is referred to as “magnet efficiency”) is a magnet performance multiple of m times that of a conventional two-pole ferrite motor. The ratio of the magnet thickness to the diameter of the electromagnetic rotating body d / a, which is equal to twice this value, is 0.07. Here, the magnet performance multiple m is (performance of anisotropic rare earth bonded magnet [(BH) _max ]) / (Performance of sintered ferrite magnet [(BH) _max ] Is defined. For example, the performance (maximum energy product) of an anisotropic rare earth bonded magnet is 17 MGOe (135 KJ / m ³ ), The performance (maximum energy product) of the sintered ferrite magnet is 3.5 MGOe (28 KJ / m ³ ), The magnet performance multiple m is 4.9. Similarly, the maximum energy product of an anisotropic rare earth bonded magnet is 20 MGOe (159 KJ / m ³ ), The magnet performance multiple m is 5.7 times, and the maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded magnet is 25 MGOe (199 KJ / m ³ ), The magnet performance multiple m is 7.1 times.
[0021]
The ratio of the magnet thickness to the diameter of the electromagnetic rotating body d / a when the magnet efficiency S is twice the magnet performance multiple of m times that of the conventional two-pole ferrite motor is as follows. Maximum energy product is 17MGOe (135KJ / m ³ ) In the above, 0.07 which is substantially the same value is taken regardless of the value.
[0022]
When the ratio d / a of magnet thickness to electromagnetic rotating body is 0.07 or less, the magnet efficiency S of the motor device of the present invention is more than twice the magnet performance multiple of m times the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. It becomes. However, when the ratio d / a of the magnet thickness to the electromagnetic rotating body is close to the lower limit value 0.015, the magnet efficiency becomes maximum, but the demagnetizing field becomes large due to the thinned magnet and penetrates the electromagnetic rotating body. Since the magnetic flux rapidly decreases and the motor performance index T decreases to nearly twice that of a motor using a conventional two-pole sintered ferrite magnet, the magnet thickness to electromagnetic rotor diameter ratio d / a is 0.015. The above is desirable.
[0023]
The above range of the ratio d / a of the magnet thickness to the diameter of the electromagnetic rotating body means that the casing thickness w and the magnet thickness d are both thin when the motor outer diameter is 50 mm or less. When the motor outer diameter is fixed, the diameter of the electromagnetic rotating body can be increased as much as the casing thickness w and the magnet thickness d can be reduced, and the winding can be increased, leading to an improvement in output torque. .
[0024]
Further, since this anisotropic rare earth bonded magnet is formed by resin molding, it is easily formed with high accuracy. Thereby, the permanent magnet shape of a motor housing inner peripheral part can be made into an accurate hollow cylindrical shape. That is, the motor internal magnetic field by the permanent magnet can be made rotationally symmetric with high accuracy. Since the symmetry of the internal magnetic field is highly accurate, the electromagnetic rotating body at the center can be rotated by receiving torque uniformly. Therefore, the conventional noise due to torque unevenness is reduced, and the motor device becomes quieter. Further, since the anisotropic rare earth bonded magnet is resin-molded into a hollow cylindrical shape, the motor device can be easily assembled to the housing. As in the prior art, there is no need to assemble a separate two-pole or four-pole sintered ferrite magnet. That is, there is an advantage that the manufacturing process is easy.
[0025]
Anisotropic rare earth bonded magnets have superior magnetic properties compared to sintered ferrite magnets, but have a maximum energy product of 17 MGOe (135 KJ / m ³ ) As described above, the performance is improved by setting the magnetic poles to at least four poles. It is desirable to use 4-pole and 6-pole magnetic poles for anisotropic rare earth bonded magnets. The maximum energy product is 20 MGOe (159 KJ / m ³ ) More than 30 MGOe (239 KJ / m ³ ) The following is desirable. This range of the maximum energy product is closely related to the limited range related to the dimensional ratio of the claims, and the motor performance index can be further improved.
[0026]
The invention described in claim 2 is the DC brush motor device according to claim 1, wherein the magnet thickness d is set to 0.7 mm or more and 2.5 mm or less.
That is, this thickness provides the desired specific thickness. As a result, the motor performance index can be more than doubled as compared with the conventional motor, as described above, and the magnet efficiency can be more than twice the magnet performance multiple m times the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. it can.
[0027]
According to a third aspect of the present invention, in the DC brush motor device according to the first or second aspect, the casing thickness w is 1.0 mm or more and 5.0 mm or less.
That is, this thickness provides the desired specific thickness. With this range and the conditions of claim 1 above, the motor performance index can be more than doubled as compared with the conventional motor as described above, and the magnet efficiency is a multiple of the magnet performance of the conventional two-pole ferrite motor. It can be set to 2 times or more of m times.
[0028]
According to a fourth aspect of the present invention, in the DC brush motor device according to any one of the first to third aspects, the diameter a of the electromagnetic rotating body is 16 mm or more and 45 mm or less. .
That is, this feature relates to the physique and output of the motor, and within the range of this value, the present invention achieves the above-mentioned effect more meaningfully.
[0029]
According to a fifth aspect of the present invention, in the DC brush motor device according to any one of the first to fourth aspects, the input voltage of the DC brush motor is 50 V or less.
This feature indicates the application of the motor, for example, a motor that is easily driven by an automobile battery. In the small motor used at this input voltage, the present invention can exert its effect more.
[0030]
According to a sixth aspect of the present invention, in the DC brush motor device according to any one of the first to fifth aspects, the output of the DC brush motor is 1 to 200 W.
This feature relates to the output of the motor, and within the range of this value, the present invention achieves the effects described above.
[0031]
According to a seventh aspect of the present invention, in the DC brush motor device according to any one of the first to sixth aspects, the DC brush motor is a motor for driving equipment installed in an automobile. Features.
This feature indicates the application of the motor. The motor device of the present invention is small and lightweight. In recent automobiles, equipment mounted on the automobile is often driven by a motor, and several tens to hundreds of motors are used in one automobile. This greatly contributes to the improvement of the effective volume in the automobile room and the weight reduction of the vehicle.
[0032]
The invention according to claim 8 is the DC brush motor device according to any one of claims 1 to 7, wherein the anisotropic rare earth bonded magnet is magnetized to four poles, It is characterized in that the number of slots is 10.
In the present invention, since the number of slots of the electromagnetic rotating body is 10 while the number of magnets is 4 poles, the number of slots existing in the region where one pole of the magnet dominates is not an integer. For this reason, cogging torque can be reduced and smooth rotation can be realized. If the number of slots is less than 8, torque ripple increases and motor efficiency decreases. When the number of slots is more than 12, the winding space is narrowed and the motor output is greatly reduced. When the number of slots is 9 or 11, the number of coils is an odd number, and no couple torque is generated, which causes vibration, which is not realistic. When the number of slots is 8 or 12 when the magnetic pole of the magnet is 4 poles, or when the number of slots is 12 when the magnetic pole of the magnet is 6 poles, the number of slots per magnetic pole is an integer. Therefore, it is not desirable because a cogging torque is generated. If the number of slots is 10, the space for arranging the windings can be widened, and the windings can be made thick, so that the output torque can be improved, and as a result, the motor performance index can be improved. it can. Further, it is desirable that the electromagnetic rotating body has 10 slots and the windings are distributed windings. In the case of concentrated winding, the space factor of the winding can be increased, but it is necessary to increase the number of turns, which increases the resistance. As a result of the increased resistance, the output does not increase. Therefore, distributed winding is desirable. In addition, in a small motor such as the present invention, it is desirable that the number of commutator divisions matches the number of slots because the space cannot be made large.
[0033]
The invention according to claim 9 is the DC brush motor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the anisotropic rare earth bonded magnet includes a rare earth element containing yttrium (Y) (hereinafter, R1FeB-based anisotropy having an average particle diameter of 50 to 400 μm obtained by subjecting an R1FeB-based alloy mainly composed of “R1”, iron (Fe), and boron (B) to a hydrogenation treatment. R1FeB coarse powder comprising magnet powder and a first surfactant covering the surface of the constituent particles of the R1FeB anisotropic magnet powder is 50 to 84 mass% (mass%), and a rare earth element containing Y R2Fe (N, B) based anisotropic magnet powder having an average particle size of 1 to 10 μm, and the main component of Fe and nitrogen (N) or B, and the R2Fe (N, B) Surface of constituent particles of system anisotropic magnet powder R2Fe (N, B) fine powder composed of a second surfactant for coating 15 to 40 mass% and a resin as a binder to 1 to 10 mass%, and the maximum magnetic energy product (BH) _max 21-28 MGOe (167-223 KJ / m ³ And a permanent rare-earth demagnetization factor indicating a reduction rate of magnetic flux obtained by re-magnetization after 1000 hours at 100 ° C. is 6% or less. And
[0034]
One specific example of the R1FeB-based anisotropic magnet powder is NdFeB-based anisotropic magnet powder, and one specific example of the R2Fe (N, B) -based anisotropic magnet powder is SmFeN-based anisotropic magnet powder. It is. By using such a composite rare earth anisotropic bonded magnet, a high maximum energy product (BH) _max 21-28 MGOe (167-223 KJ / m ³ ) Can be obtained. In addition, the composite rare earth anisotropic bonded magnet can have a permanent demagnetization rate of 6% or less, which is a rate of demagnetization due to secular change, and can improve weather resistance such as heat resistance and acid resistance. . As a result, the motor using these composite rare earth anisotropic bonded magnets can achieve the effect of the present invention higher, and can extend the reliability and life.
[0035]
A tenth aspect of the present invention is a permanent magnet used in the DC brush motor device according to any one of the first to ninth aspects.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
(First embodiment)
FIGS. 1A and 1B show an example of the motor device of this embodiment. The figures are a side view (a) and a cross-sectional view AA ′ (b). The motor device of the present embodiment is intended to reduce the size of a conventional motor device. The motor device of the present embodiment forms a housing 12, an anisotropic rare earth bonded magnet 13 that is a hollow cylindrical permanent magnet provided in the inner peripheral portion of the housing 12, and an electromagnetic rotating body provided in the center portion. Armature 14, coil 15 wound around armature 14, rotating shaft 11 extending from the center of armature 14, and back yoke 10 for preventing magnetic flux leakage. The anisotropic rare earth bonded magnet 13 is magnetized to four poles, and the number of slots in which the windings are arranged in the armature 14 is ten. The motor housing 16 is used as a concept combining the housing 12 and the back yoke 10. That is, the motor housing thickness w (housing thickness) in the claims is the total thickness of the housing 12 and the back yoke 10.
The back yoke 10 is not always necessary, and the motor housing may be constituted by the housing 12 alone.
[0037]
2 (a) and 2 (b) show a conventional two-pole motor device for volume comparison. (A) is a side view, (b) is AA 'sectional drawing. Here, the number of slots is twelve. The anisotropic rare earth bonded magnet 13 has been finally mass-produced by the applicant in recent years. For example, the anisotropic rare earth bonded magnet 13 is manufactured by the manufacturing method of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-76917, Japanese Patent No. 2816668, Japanese Patent No. 3060104, and International Patent Application No. PCT / JP03 / 04532). This anisotropic rare earth bonded magnet has a maximum energy product of 17 MGOe (135 KJ / m ³ ) ~ 28MGOe (223KJ / m ³ ) Can now be manufactured.
[0038]
The difference between the motor device of this embodiment (FIGS. 1A and 1B) and the conventional motor device (FIGS. 2A and 2B) is a sintered ferrite which is a permanent magnet of the conventional motor device. Instead of the magnet 23, a hollow cylindrical anisotropic rare earth bonded magnet 13 made of Nd—Fe—B is adopted. In addition, the magnetization is set to four poles, the magnetic path length of the magnetic circuit per pole is greatly reduced, and the torque received by the armature 14 can be increased. This is the first feature. The anisotropic rare earth bonded magnet 13 is a magnet that is manufactured by resin molding magnetic powder made of Nd—Fe—B and is strongly magnetized in the radial direction. As the material for the anisotropic rare earth bonded magnet, Nd—Fe—B-based materials, Nd—Fe—B-based materials, for example, materials containing other rare earth elements of Nd and Nd, and other additive elements should be used. Can do. Furthermore, materials containing rare earth elements other than Nd, for example, Sm—Fe—N materials, SmCo materials, Nd—Fe—B materials, and mixtures thereof can be used.
[0039]
In particular, the anisotropic rare earth bonded magnet 13 is composed of a rare earth element containing yttrium (Y) (hereinafter referred to as “R1”), an R1FeB alloy containing iron (Fe) and boron (B) as main components. R1FeB comprising an R1FeB-based anisotropic magnet powder having an average particle size of 50 to 400 μm obtained by the oxidization treatment and a first surfactant covering the surface of the constituent particles of the R1FeB-based anisotropic magnet powder The average particle size is 50 to 84% by mass (mass%), the rare earth element containing Y (hereinafter referred to as “R2”), Fe and nitrogen (N) or B as main components. R2Fe (N, B) comprising an R2Fe (N, B) -based anisotropic magnet powder of 10 μm and a second surfactant covering the surface of the constituent particles of the R2Fe (N, B) -based anisotropic magnet powder. B) System fine powder is 15-40 mass% The binder resin is 1-10 mass%, and the maximum magnetic energy product (BH) _max 21-28 MGOe (167-223 KJ / m ³ It is preferable to use a composite rare earth anisotropic bonded magnet having a permanent demagnetization factor of 6% or less, which indicates a reduction rate of magnetic flux obtained by re-magnetization after 1000 hours at 100 ° C. A method for producing this composite rare earth anisotropic bonded magnet is described in International Patent Application PCT / JP03 / 04532).
[0040]
One specific example of the R1FeB-based anisotropic magnet powder is NdFeB-based anisotropic magnet powder, and one specific example of the R2Fe (N, B) -based anisotropic magnet powder is SmFeN-based anisotropic magnet powder. It is. By using such a composite rare earth anisotropic bonded magnet, a high maximum energy product (BH) _max 21-28 MGOe (167-223 KJ / m ³ ) Can be obtained. In addition, the composite rare earth anisotropic bonded magnet can have a permanent demagnetization rate of 6% or less, which is a rate of demagnetization due to secular change, and can improve weather resistance such as heat resistance and oxidation resistance. it can. As a result, the motor using these composite rare earth anisotropic bonded magnets can achieve the effect of the present invention higher, and can extend the reliability and life.
[0041]
Bond magnets are also called plastic magnets. This magnet has a maximum energy product (BH) compared to conventional sintered ferrite magnets. _max There is a feature that becomes about 5 times or more. That is, the maximum energy product (BH) of the standard sintered ferrite magnet 23 _max 3.5MGOe (28KJ / m ³ ), This anisotropic rare-earth bonded magnet has 17 MGOe (135 KJ / m ³ ) It has the maximum energy product above.
[0042]
The second feature is that when the permanent magnet is made thinner, the outer diameter (diameter) (outer diameter) of the motor casing (back yoke 10) is r, and the thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet 13 having a hollow cylindrical shape. The thickness (magnet thickness) is d, the diameter of the armature 14 that is an electromagnetic rotating body (electromagnetic rotating body diameter) is a, the thickness of the motor casing (the thickness of the casing 12 and the back yoke 10 combined) (housing When the body thickness is w, the casing thickness to magnet thickness ratio w / d is greater than 1 and less than or equal to 3 and the anisotropic rare earth bonded magnet thickness to electromagnetic rotor diameter ratio d / a Is 0.015 or more and 0.07 or less (miniaturization condition). The meaning of the range of values of w / d and d / a is as described in the column for means for solving the above-mentioned problems and the effects of the invention.
[0043]
If the magnet thickness to electromagnetic rotating body diameter ratio d / a is smaller than the lower limit condition 0.015, it is not desirable because the demagnetizing field of the magnet rapidly increases to reduce the magnetic force. In 0.015 ≦ d / a ≦ 0.07, the motor performance index T (T = torque constant / volume) can be made about 2.15 times or more of the conventional value. That is, if the torque constant is constant, the volume can be reduced to 1 / 2.15 or less (about 1/2), or if the motor volume is constant, the torque constant is increased to 2.15 times or more (about 2 Double). For example, the performance index of a conventional two-pole ferrite motor is about 1.35 mN · m / (A · cm ³ ), The motor performance index T is T = 2.70 mN · m / (A · cm ³ ) The above conditions. Under these conditions, a small DC brush motor with the same torque constant and a reduced motor volume of 50% or less as described later could be realized.
[0044]
Sintered ferrite magnet 23 (maximum magnetic energy product is 3.5 MGOe (28 KJ / m ³ )), The back yoke 10 (motor housing) has an outer diameter r of 38 mm, an inner diameter of 32 mm, a thickness w of 3 mm, a diameter a of the electromagnetic rotating body of 23 mm, and a slot. The number is twelve. The output of the motor device is 26 W, the output torque is 75.7 (mN · m / A), and its volume is about 56.1 cm. ³ It is. The sintered ferrite magnet 23 has an outer diameter of 32 mm, an inner diameter of 24 mm, and a radial length (thickness) of about 4 mm. Therefore, w / d = 0.75 and d / a is 0.17.
[0045]
On the other hand, in the motor device of the present embodiment device that obtains the same output torque constant 75.7 (mN · m / A) as that of the motor using sintered ferrite, the anisotropic rare earth bonded magnet 13 (maximum magnetic energy product is 20). .0 MGOe (159 KJ / m ³ )), The outer diameter r of the back yoke 10 (motor housing 16) is 31 mm, the inner diameter is 27 mm, its thickness w is 2.0 mm, and its volume is 24.5 cm. ³ It is. The output of this motor device is 32 W, and the output torque constant is 75.7 (mN · m / A). The four-pole magnetized anisotropic rare earth bonded magnet 13 has an outer diameter of 27 mm, an inner diameter of 25 mm, and a radial thickness d of 1 mm. The electromagnetic rotating body has a diameter a of 24 mm and 10 slots. Therefore, w / d = 2.0 and d / a = 0.04. Thus, if it sets, the volume of 44% of the volume of the conventional motor apparatus is realizable with the same output as the past. The performance index T is 3.09 mN · m / (A · cm. ³ ) 1.35 mN · m / (A · cm) of the conventional motor device ³ ) Was 2.3 times greater than
[0046]
Further, in this embodiment, since the torque constant increases, the armature stack thickness is determined so that the torque constant is the same. The conventional armature product thickness was about 17.5 mm, and the armature product thickness of this example was about 9.8 mm. A conventional sintered ferrite magnet is used for the volume of the torque generation part (the part that generates torque by opposing the magnet and the electromagnetic rotating body), which is the part that generates the magnetic field of the motor and that also flows the armature current. The motor is 19.8cm ³ The motor using the anisotropic rare earth bonded magnet of this example is 7.4 cm. ³ It is. Therefore, when comparing the effective motor performance index only by the torque generating part, the motor performance index of the motor using the sintered ferrite magnet is 3.82 mN · m / (A · cm ³ ) The motor performance index of the motor using the anisotropic rare earth bonded magnet is 10.23 mN · m / (A · cm) ³ ) Therefore, the motor performance index of the motor using the anisotropic rare earth bonded magnet is 2.7 times the motor performance index of the motor using the sintered ferrite magnet, and an extremely excellent motor performance index is obtained. Understood. Evaluation by the overall size of the motor device is as follows. In both motors, the AC / DC converter (the part with the commutator and the brush) is installed as a common part at the rear of the motor device. Therefore, the length of the AC / DC converter is added to the length of the torque generator. However, this is the overall length of the motor device. Regarding the overall axial length of the motor device, the axial length L of the motor device using a conventional sintered ferrite magnet is used. _F Is about 50 mm, the axial length of the motor device using the anisotropic rare earth bonded magnet of this embodiment is about 33 mm, and the length reduction ratio L _N / L _F ≒ 0.66 Further, the weight of the conventional motor device is 245 g, and the weight of the motor device of the present embodiment is 119 g, which can be reduced to 49% of the conventional weight.
[0047]
Further, since the anisotropic rare earth bonded magnet 13 of this embodiment is manufactured by resin molding, it is formed into a highly accurate hollow cylindrical shape. The anisotropic rare-earth bonded magnet 13 is easily magnetized symmetrically with high accuracy. Since the magnetic field is generated accurately and symmetrically inside the motor device, the armature 14 receives torque evenly. Therefore, no abnormal noise is generated during rotation as in the prior art. It was possible to make a quiet motor device.
[0048]
The maximum magnetic energy product is 20.0 MGOe (159 KJ / m ³ The specifications of the 4-pole DC brush motor using the anisotropic rare earth bonded magnets) are described above. The table of FIG. 9 shows the characteristics of 2-pole, 4-pole, and 6-pole DC brush motors using sintered ferrite magnets. Furthermore, the maximum magnetic energy product is 17.0 MGOe (135 KJ / m ³ 9 is a table showing the characteristics of a 2-pole, 4-pole, and 6-pole DC brush motor having 12 slots of an electromagnetic rotating body (armature) using an anisotropic rare earth bonded magnet.
[0049]
Other conditions not defined in the table of FIG. 9 are as follows.
Back yoke material SPCC
Armature material Silicon steel plate
Coil winding method, number of turns Distributed winding
Current value 1A
Fixed condition The torque constant was made the same by changing the axial thickness.
In order to explain the results in the table of FIG. 9 in an easy-to-understand manner, the relationship between the performance index and the number of poles is shown in FIG. From FIG. 3, in the conventional sintered ferrite two-pole motor, an anisotropic rare earth bond two-pole motor in which the material of the magnet is simply changed to an anisotropic rare earth bond magnet, and the number of poles is simply two to four. In the sintered ferrite 4-pole motor that is simply replaced with 1.4 to 2.0 mN · m / (A · cm ³ ), And there is no significant improvement. On the other hand, in this example, the performance index is 3.09 mN · m / (A · cm due to the interaction between using an anisotropic rare earth bonded magnet and quadrupole. ³ ) Is obtained. 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. In the case of 6 poles, the performance index of the DC brush motor using the anisotropic rare earth bonded magnet is 3.40 mN · m / (A · cm ³ The motor performance index of a DC brush motor using a 6-pole sintered ferrite magnet is 1.44 mN · m / (A · cm). ³ ) 2.4 times.
[0050]
In the case where the number of magnetic poles of the anisotropic bonded magnet is 4, advantages when the number of slots is 10 are as follows. Since the number of magnetic poles of a magnet is 4 and the number of slots of an electromagnetic rotating body is 10, the number of slots existing in a region where one pole of a magnet dominates is not an integer. For this reason, cogging torque can be reduced and smooth rotation can be realized. If the number of slots is less than 8, torque ripple increases and motor efficiency decreases. When the number of slots is more than 12, the winding space is narrowed and the motor output is greatly reduced. When the number of slots is 9 or 11, the number of coils is an odd number, and no couple torque is generated, which causes vibration, which is not realistic. If the number of slots is 8 or 12 when the magnetic poles of the magnet are 4 poles, the number of slots per magnetic pole becomes an integer, which is not desirable because a cogging torque is generated. If the number of slots is 10, the space for arranging the windings can be widened, and the windings can be made thick, so that the output torque can be improved, and as a result, the motor performance index can be improved. it can. Further, it is desirable that the electromagnetic rotating body has 10 slots and the windings are distributed windings. In the case of concentrated winding, the space factor of the winding can be increased, but it is necessary to increase the number of turns, which increases the resistance. As a result of the increased resistance, the output does not increase. Therefore, distributed winding is desirable. In addition, in a small motor such as the present invention, it is desirable that the number of commutator divisions matches the number of slots because the space cannot be made large. When the number of magnetic poles of the anisotropic rare earth bonded magnet is 4 and the number of slots is 12 to 10, the space for arranging the armature coils becomes large, so that a thick wire can be provided. For this reason, since the load current can be increased, the output can be improved.
[0051]
As can be seen from the table in FIG. 9, when comparing the characteristics of the motor with the diameter of the motor casing, the thickness of the bond magnet, the number of magnetic poles being the same as 4 poles, the number of slots being the same at 12, and only the diameter of the electromagnetic rotating body is different, It is understood that the performance index of the motor having a large diameter of the electromagnetic rotating body is large. This is probably because the output torque is improved by increasing the diameter of the electromagnetic rotating body. Thus, if the diameter of the motor casing is constant, the diameter of the electromagnetic rotating body can be increased by reducing the thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet according to the present invention, so that the motor performance index is improved.
[0052]
(Second embodiment)
The first embodiment is an example of downsizing a conventional motor device 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 increasing the diameter of the electromagnetic rotating body without increasing the diameter of the casing by adjusting the thickness in the radial direction. You can also. That is, in this example, the maximum magnetic energy product is 20.0 MGOe (159 KJ / m ³ This is an example of doubling the torque using the anisotropic rare earth bonded magnet.
For example, the torque constant of the conventional motor device using the sintered ferrite magnet 23 is 75.7 (mN · m / A), and its volume is about 56.1 cm. ³ That is, the motor performance index T is T = 1.35 mN · m / (A · cm ³ The other dimensions of the conventional motor device are the same as those described in the first embodiment.
[0053]
The motor device of the present embodiment is shown in FIG. In this example, under the condition that the casing thickness-to-magnet thickness ratio w / d is greater than 1 and 3 or less, the following miniaturization condition (0.015 ≦ d / a ≦ 0.07) Dimension. The outer diameter r of the motor housing 16 (back yoke 10) is 34 mm, the inner diameter is 28 mm, the thickness w of the motor housing 16 (the total thickness of the back yoke 10 and the housing 12) is 3 mm, and an anisotropic rare earth bond. The magnet 13 has an outer diameter of 28 mm, an inner diameter of 26 mm, a thickness d of 1 mm, a quadrupole magnet, and an electromagnetic rotating body diameter a of 25 mm. At this time, w / d = 3.0 and d / a is 0.04. The thickness of the armature was 17.5 mm, which was the same as that of the conventional motor device. The motor device of the present embodiment is designed to obtain a torque constant (155.5 mN · m / A) that is approximately twice that of the conventional motor device. And the volume at that time is 41.2cm ³ Thus, the conventional volume reduction rate of 27% was realized, and the weight of the conventional motor device was 245 g, whereas the weight of the motor device of this example was 185 g, which was 76%.
Also in this case, as in the first embodiment, the anisotropic rare earth bonded magnet 13 is formed in an accurate hollow cylindrical shape, so that a highly accurate symmetrical magnetic field is generated. Therefore, a high-output and quiet motor device can be obtained.
That is, in the present invention, by reducing the thickness of the anisotropic rare earth bonded magnet without increasing the diameter of the housing, the diameter of the electromagnetic rotating body can be increased, and the slot space is increased. The thickness of the winding can be increased. As a result, the armature current flowing through the winding can be increased, so that the output torque can be increased without increasing the volume of the motor.
[0054]
(Third embodiment)
In a motor device having the same structure as that of the first embodiment and having 10 armature slots, a low output level DC brush motor that is an object of the present invention has a casing thickness to magnet thickness ratio w / d. Motor apparatus by changing variously the ratio of magnet thickness of anisotropic rare-earth bonded magnet 12 to diameter of electromagnetic rotating body d / a = R (hereinafter simply referred to as ratio R) under conditions of more than 1 and 3 or less The performance index T was evaluated. The maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded magnet 12 is 17 MGOe (135 KJ / m ³ ), 20 MGOe (159 KJ / m ³ ), 25 MGOe (199 KJ / m ³ These characteristics are shown in FIG. When the ratio R is in the range of 0.015 to 0.07, the performance index T of the conventional two-pole ferrite motor (approximately 1.35 mN · m / (A · cm ³ It is understood that it is 2.15 times or more of)). In particular, if it is not lower than the lower limit of 0.015, even if 25 MGOe (199 KJ / m ³ ) 2.15 times the above conventional motor performance index (motor performance index is 2.90 mN · m / (A · cm ³ It is understood that the excellent characteristics of)) cannot be obtained.
[0055]
Next, when the volume v of the anisotropic rare earth bonded magnet 12 is set, the performance index T per unit volume of the bonded magnet, that is, T / v is the magnet efficiency S, and the change characteristic with respect to the ratio R is obtained. Maximum energy product is 17 MGOe (135 KJ / m ³ ), 20 MGOe (159 KJ / m ³ ), 25 MGOe (199 KJ / m ³ The characteristics when) are shown in FIG. When the ratio R is 0.015 or more and 0.07 or less, it is understood that the magnet efficiency S is twice or more of the magnet performance multiple m times the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. This feature is that the maximum energy product is 17 MGOe (135 KJ / m ³ ) Established in all cases above.
[0056]
From the characteristic diagram of FIG. 6, it is understood that when the ratio R is 0.07 or less, the magnet efficiency S becomes 2 × magnet performance multiple m times the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. This means that the magnet efficiency is twice or more 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 an efficiency twice as high as the magnet performance multiple m as compared with the ferrite magnet. This feature is that the maximum energy product is 17 MGOe (135 KJ / m ³ ) Established in all cases above.
[0057]
In the range where the ratio R is 0.015 or more and 0.07 or less, the magnet efficiency S is 2 m times or more of the magnet efficiency of the conventional two-pole ferrite motor. Evaluation of the motor performance index when the ratio R is 0.07 is as follows. Maximum energy product is 17MGOe (135KJ / m ³ ), The motor performance index is 3.18 mN · m / (A · cm ³ Thus, about 2.35 times the performance index T of the conventional two-pole ferrite motor is obtained. The maximum energy product is 25 MGOe (199 KJ / m ³ ), The motor performance index is 3.42 mN · m / (A · cm ³ Thus, about 2.53 times the performance index T of the conventional two-pole ferrite motor is obtained. These features are that the maximum energy product is 17 MGOe (135 KJ / m ³ ) It was established above.
Therefore, when the ratio d / a of magnet thickness to electromagnetic rotating body is 0.015 or more and 0.07 or less, conventional ferrite magnets are used from the viewpoint of both motor performance index T and magnet efficiency S. The motor performance index of the conventional motor is twice or more, and the magnet efficiency is in a range having an extremely excellent effect of being twice or more times the magnet performance times m times.
[0058]
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 casing is r, the radial thickness of the anisotropic bonded magnet is d, the magnet Thickness to casing outer diameter ratio d / r is R, electromagnetic rotating body diameter is a, casing thickness is w, motor device effective length is L, air between electromagnetic rotating body and anisotropic rare earth bonded magnet If the gap is ignored, the following equation holds.
[Expression 1]
a + 2d + 2w = r (1)
[Expression 2]
R = d / r (2)
[Equation 3]
V = πr ² L / 4 (3)
[Expression 4]
v = π {[(a / 2) + d] ² -(A / 2) ² } L (4)
Since d << a holds,
[Equation 5]
v = πadL (5)
Therefore, the magnet efficiency S is expressed by the following formula.
[Formula 6]

Substituting d = Rr into equation (6) yields:
[Expression 7]

The above equation seems to approximate the outline of the characteristics of FIG.
[0059]
(Fourth embodiment)
The maximum energy product is 17 MGOe (135 KJ / m with the same dimensions as in the first embodiment. ³ 6) using an anisotropic rare earth bonded magnet, and a motor device with 12 armature slots. The dimensions and characteristics of the motor device are as shown in the table of FIG. Similarly, the performance index T was also evaluated for a 6-pole motor using ferrite magnets and 12 armature slots. The dimensions and characteristics of the motor device are shown in the table of FIG. With respect to the performance index T, the characteristics shown in FIG. 3 were obtained. What is 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, and the 4 poles It is understood that the performance index T increases from 1.10 times of 4 poles to 1.74 times of 2 poles when increasing from 6 to 6 poles. These values of the performance index T of a conventional motor using a ferrite magnet hardly change depending on the number of poles. That is, when increasing 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, setting 4 poles or 6 poles has an effect that cannot be predicted from a motor using a conventional ferrite magnet. Understood.
[0060]
(5th Example)
As shown in FIG. 7, the

brushes

30 a and 30 b are arranged in the motor device having ten armature slots according to the first embodiment. That is, the brush was provided at a position of 90 degrees rather than 180 degrees. As a result, the space where the brush does not exist is formed widely as shown by the region Q in FIG. 10, and the electronic circuit can be arranged in this region Q. In the case of 6 poles, a wide space can be secured similarly if two brushes are provided at intervals of 60 degrees. If there are 8 poles, a wide space can be secured similarly by providing two brushes at intervals of 22.5 degrees and 67.5 degrees. In this space, a varistor for surge countermeasures, a thermistor such as PTC for preventing overcurrent and burnout, a capacitor, a resistor for voltage adjustment, and the like can be arranged, which is advantageous. When a motor is used with such a brush two-pole structure, for example, in the case of a four-pole motor, a winding as shown in FIG.
[0061]
(Modification)
The above-described example is an example of an embodiment of the present invention, and various other modifications can be considered. For example, in the above embodiment, the anisotropic rare earth bonded magnet 13 is a 4-pole or 6-pole magnet, but it may be more than 6 poles. For example, 8 poles, 12 poles, etc. may be used. If the number of magnetic poles is increased, the magnetic path length is shortened accordingly, so that the magnetic flux traversed by the armature coil increases. Further, since the anisotropic rare earth bonded magnet 13 can be easily magnetized with high accuracy, it is possible to realize a motor device with higher output and quietness.
In the above embodiment, the anisotropic rare earth bonded magnet 13 is formed by resin molding. However, after the resin molding, the anisotropic rare earth bonded magnet 13 may be processed with higher accuracy by cutting or the like. Furthermore, the dimensional accuracy is improved, and a quiet motor device without torque unevenness can be obtained.
The anisotropic rare earth bonded magnet 13 may be provided by press-fitting on the inner peripheral surface of the housing 12. In this case, the weight ratio of the resin of the anisotropic rare earth bonded magnet 13 is desirably 2% or more and 3% or less. The anisotropic rare earth bonded magnet 13 is pressed into the housing 12 in a state where the anisotropic rare earth bonded magnet after pressure forming is cured and reheated. When the weight ratio of the resin is in the above range, the anisotropic rare earth bonded magnet 13 can be easily pressed into the housing 12. In the case of press-fitting, since no gap is formed between the anisotropic rare earth bonded magnet 13 and the inner peripheral surface of the housing 12, the magnetic resistance of the magnetic circuit is lowered, and the performance of the magnet can be fully exhibited. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a DC brush motor device according to a first specific example of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a DC brush motor apparatus using a conventional two-pole sintered ferrite magnet.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of poles and a performance index in a DC brush motor device using a sintered ferrite magnet and a DC brush motor device using an anisotropic bonded magnet.
FIG. 4 is a configuration diagram showing a DC brush motor device according to a specific second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the motor performance index T and the ratio d / a with the maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded magnet as a parameter.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the magnet efficiency S and the ratio d / a with the maximum energy product of the anisotropic rare earth bonded magnet as a parameter.
FIG. 7 is a configuration diagram showing a position of a brush of a motor device according to a fifth embodiment.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a winding line of a motor device according to a fifth embodiment.
FIG. 9 is a table showing characteristic values of a motor device according to the present embodiment and a motor device of a comparative example.
[Explanation of symbols]
10 ... Back yoke
11 ... Rotating shaft
12 ... Case
13. Anisotropic rare earth bonded magnet
14 ... Armature
15 ... Coil
16 ... Motor casing
23 ... Sintered ferrite magnet

Claims

A DC brush motor device having a permanent magnet arranged at the inner peripheral part of the motor casing and an electromagnetic rotating body arranged at the center part and having a motor outer diameter of 50 mm or less,
The permanent magnet is an anisotropic rare earth bonded magnet having a hollow cylindrical thin wall shape magnetized with at least four magnetic poles and a maximum energy product of 17 MGOe (135 KJ / m ³ ) or more. Where d is the thickness in the radial direction, w is the thickness of the motor casing, and a is the diameter of the electromagnetic rotating body, the casing thickness to magnet thickness ratio w / d exceeds 1, 3 or less, and the ratio of the thickness in the radial direction of the anisotropic rare earth bonded magnet to the diameter d / a of the electromagnetic rotating body is 0.015 or more and 0.07 or less. Motor device.

The DC brush motor device according to claim 1, wherein the magnet thickness d is 0.7 mm or more and 2.5 mm or less.

The DC brush motor device according to claim 1 or 2, wherein the casing thickness w is 1.0 mm or more and 5.0 mm or less.

The DC brush motor device according to any one of claims 1 to 3, wherein a diameter a of the electromagnetic rotating body is 16 mm or more and 45 mm or less.

5. The DC brush motor device according to claim 1, wherein an input voltage of the DC brush motor is 50 V or less. 6.

6. The DC brush motor device according to claim 1, wherein an output of the DC brush motor is 1 to 200 W. 6.

The DC brush motor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the DC brush motor is a motor for driving equipment installed in an automobile.

The DC brush according to any one of claims 1 to 7, wherein the anisotropic rare earth bonded magnet is magnetized to four poles, and the number of slots of the electromagnetic rotating body is ten. Motor device.

The anisotropic rare earth bonded magnet is formed by hydrogenating an R1FeB alloy mainly composed of a rare earth element containing yttrium (Y) (hereinafter referred to as “R1”), iron (Fe), and boron (B). R1FeB system coarse particles comprising an R1FeB system anisotropic magnet powder having an average particle size of 50 to 400 μm obtained by applying a first surface active agent covering the surface of the constituent particles of the R1FeB system anisotropic magnet powder 50 to 84 mass% (mass%) of the powder, an average particle size of 1 to 10 μm having Y as a rare earth element (hereinafter referred to as “R2”), Fe and nitrogen (N) or B as main components. R2Fe (N, B) comprising an R2Fe (N, B) anisotropic magnet powder and a second surfactant covering the surface of the constituent particles of the R2Fe (N, B) anisotropic magnet powder System fine powder is 15-40 mass%,
The resin as a binder consists of 1 to 10 mass%,
Maximum magnetic energy product (BH) _max is 21 to 28 MGOe (167 to 223 KJ / m ³ ),
The composite rare earth anisotropic bonded magnet characterized in that a permanent demagnetization factor indicating a reduction rate of magnetic flux obtained by re-magnetization after elapse of 1000 hours at 100 ° C is 6% or less. The DC brush motor device according to any one of claims 1 to 8.

The permanent magnet according to any one of claims 1 to 9, which is used in a DC brush motor device.