(57)【要約】【課題】１〜３００Ｗクラスのモータ装置を小型化すること。【解決手段】ブラシモータ装置において、励磁磁石を中空円筒形状の異方性ボンド磁石１３で形成する。そして４極に着磁する。異方性ボンド磁石１３は、従来の焼結フェライト磁石に比べて約４倍の最大エネルギー積を有する。４極着磁とすれば、１極当たりの磁気回路の磁路長が低減されトルク付与に寄与する磁力が増大する。トルクを従来と同一とすれば電磁回転体長さと永久磁石の軸方向長さが縮小できる。これにより、１〜３００Ｗクラスのモータ装置を小型化することができる。【選択図】図１
2004007984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣブラシモータの筐体内周部に配置した永久磁石と、中心部に配置した電磁回転体からなるＤＣブラシモータ装置であって、
前記永久磁石は、最大エネルギー積が１４ＭＧＯｅ　以上であり、少なくとも４磁極以上に着磁された中空円筒状の薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であることを特徴とするＤＣブラシモータ装置。
【請求項２】
ＤＣブラシモータの筐体内周部の電磁回転体周囲に配置される永久磁石であって、
前記永久磁石は、最大エネルギー積は１４ＭＧＯｅ　以上であり、少なくとも４磁極以上に着磁された中空円筒状の薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であることを特徴とする永久磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣブラシモータ装置及びそれに用いられる永久磁石に関する。特に、永久磁石に異方性希土類ボンド磁石を用い、小型化、高トルク化を可能にしたＤＣブラシモータ装置及びその永久磁石に関する。本発明は、例えば、１Ｗ〜３００Ｗクラスの高性能小型ＤＣブラシモータ装置に適用すると、その効果が高いものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−７６９１７号公報
【特許文献２】
特許第２８１６６６８号公報
【特許文献３】
特許第３０６０１０４号公報
【０００３】
１９６０年以前は、小型モータは磁石を使用しない誘導ブラシモータが使用されていた。１９６０年代に入り、安価で磁石の最大エネルギー積（ＢＨｍａｘ　）４ＭＧＯｅ級のフェライト磁石の登場により、１〜３００Ｗ程度の消費電力小型ブラシモータが登場し、その後、４０年間に渡り使用されてきた。それは、モータ筐体内周に瓦状の焼結フェライト磁石を、２極、又は４極配置し、それらの中心部に巻き線が巻かれた電磁回転体が配置された構成である。駆動時には、回転軸に配設されたブラシによって、巻き線に流れる電流方向を変化させ、周囲の焼結フェライト磁石による磁場と電流との相互作用によるローレンツ力によって電磁回転体を回転させる仕組みである。
これらのモータに対して近年小型化の要請があったが、焼結フェライト磁石は焼結時に収縮するため、肉厚の薄い焼結フェライト磁石を製作することができず、モータの小型化ができなかった。又、磁力も弱いため、焼結フェライト磁石では大出力モータを実現することができなかった。
【０００４】
又、大出力を得るため大径のモータにしようとすると、フェライト焼結磁石は円周方向に長く製造できないため２極で製造できず、やむを得ず４極で製造していた。その場合、焼結フェライト磁石を用いて磁極を４極とした場合、大きさ及び重量が増大し、モータ性能指標（トルク定数／体積）が向上するものではなかった。又、上記焼結により焼結フェライト磁石形状もそれぞれ、湿度等の環境条件、焼結条件によって異なり、完全には同一寸法の瓦状の焼結フェライト磁石を得ることが困難であった。更に、上記焼結フェライト磁石は上記モータ筐体に分割して配置する必要がある。そのため、その配置精度により磁場の対称性に誤差が生じ、その結果、回転時にはトルクムラが生じ、異音を発生するという弊害もあった。１９９０年代後半になり、フェライト磁石に対し約４倍の磁石の最大エネルギー積（ＢＨｍａｘ　）１４ＭＧＯｅ以上を有する高磁気特性、高い成形性を有する異方性希土類ボンド磁石が登場し、モータへの運用が模索され始めていた。
【０００５】
しかし、モータメーカでは、現状のフェライト使用の小型ブラシモータに使用して４倍の最大エネルギー積を持つ磁石を使用しても、単純に置き換えれば、モータ性能は２０％程度の性能向上に止まり、小型化についてはバックヨークが２倍以上必要になり、むしろ大型化してしまい採用できないものであった。更に、モータ性能はアーマチャ形状、性能、バックヨーク厚さ、材質、巻き線等の多要因によるため、性能向上の効果は２０％程度しか期待できないとされ、以来数年に渡り採用されて来なかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に記述した小型ブラシモータ業界において長年の問題を解決したものであり、その目的は、従来のモータと同一性能で体積を１／２にするという大幅な小型化・軽量化、若しくは、従来のモータと２０％体積を減少させつつ性能を２倍にするという大幅な高性能化することである。
又、モータ性能指標Ｔ（トルク定数／体積）で言い換えれば、焼結フェライト使用の従来のモータの性能指標Ｔの２倍という技術水準の異なる高性能モータを提供することである。
又、同時に、トルクムラの抑制による静粛性の向上、製造時の磁石の複数枚の張り付け工程の省略をすることである。
又、さらに好ましくは、焼結フェライト磁石に比べ、磁石使用量を１／４以下にと大幅に減らすという省資源化をした高性能モータを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の作用効果】
請求項１に記載のＤＣブラシモータ装置は、ＤＣブラシモータの筐体内周部に配置した永久磁石と、中心部に配置した電磁回転体からなるＤＣブラシモータ装置であって、前記永久磁石は、最大エネルギー積が１４ＭＧＯｅ　以上であり、少なくとも４磁極以上に着磁された中空円筒状の薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であることを特徴とするＤＣブラシモータ装置である。
以下の本発明の手段、作用及び効果は、一般に普及しているこの２極の（フェライト）モータ装置との比較で説明する。
【０００８】
本発明に採用した異方性ボンド磁石は、出願人によって提案された特開２００１−７６９１７号公報、特許第２８１６６６８号公報、特許第３０６０１０４号公報の製造方法で作製される磁石であって、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる磁粉を樹脂成型することにより製造され、１軸方向に強く磁化される磁石である。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギー積（ＢＨｍａｘ　）が４倍以上となる特徴がある。本発明者は、この異方性希土類ボンド磁石のポテンシャルをいかに引き出し得るかを鋭意検討した結果、特に、１〜３００Ｗ級の小型ブラシモータに適用する場合に効果が大きいことを見い出した。そして、高性能異方性希土類ボンド磁石を使用することにより磁石を薄型化し、同時に、磁極を４極以上とすることにより１極当たりの磁気回路の磁路長を大幅に低減することができ、全体として従来では到底考えられない、従来のモータと同一トルク性能で体積を約１／２にするという大幅な小型化・軽量化、若しくは、従来のモータに対して約２０％体積を減少させつつトルク性能を約２倍にするという大幅な高性能化するという画期的な効果を得ることができた。
【０００９】
又、この異方性希土類ボンド磁石は樹脂成形で形成されるので、容易に精度よく形成される。これにより、モータ筐体内周部の永久磁石形状を精度のよい中空円筒形状とすることができる。即ち、永久磁石によるモータ内部磁場を精度のよい回転対称とすることができる。内部磁場の対称性が高精度となるので、中央部の電磁回転体は均一にトルクを受け回転することができる。よって、従来のようなトルクムラによる異音が低減されて、より静粛なモータ装置となる。又、異方性希土類ボンド磁石は中空円筒形状に樹脂成形されるので、モータ装置筐体への組み付けも容易となる。従来のように、分離された２極、又は４極の焼結フェライト磁石をそれぞれ組み付ける必要がない。即ち、製造工程も容易とする利点がある。
【００１０】
又、請求項２に記載の永久磁石は、ＤＣブラシモータの筐体内周部の電磁回転体周囲に配置される永久磁石であって、前記永久磁石は、最大エネルギー積は１４ＭＧＯｅ　以上であり、少なくとも４磁極以上に着磁された中空円筒状の薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であることを特徴とする永久磁石である。
【００１１】
以下の手段を採用することが望ましい。
請求項１に記載のＤＣブラシモータ装置において、モータ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上、０．１０以下とすることが望ましい。
なお、上記のモータ筐体はバックヨークを含む概念であり、モータ筐体外径ｒは、バックヨークなどを含むモータ装置の外径の直径の意味で用いられている。ここで、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒの限定範囲は、通常、ＤＣブラシモータで使用されている常識的な範囲である。ａ／ｒが０．２５より小さい場合は、モータ筐体に対して電磁回転体が著しく小さくなり、モータ性能指標の観点からすれば、磁石及び筐体部が無駄に使用された設計となることが明らかであるため、通常、０．２５以上としている。
又、ａ／ｒが０．５の時に、モータ筐体外径と電磁回転体の直径（２ａ）とが等しくなるために、ａ／ｒは当然に０．５未満となる。
又、１＜筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄ≦４の範囲は次の観点から設定されている。フェライト磁石を使用したＤＣブラシモータの場合には、磁石の磁力が弱いために、磁石厚さに対して筐体厚さが薄くても十分磁気漏洩を防ぐ設計が可能となっている。それに対して、異方性希土類ボンド磁石を使用した場合には、ｗ／ｄが１以下の時には、磁石の磁力が強力なために磁気漏洩を防ぐことが出来なくなるので、ｗ／ｄは、通常１以上である。ｗ／ｄが４より大きくなると、磁石の磁力が強力であっても、筐体厚さが厚くなり過ぎ、磁気漏洩はなくなるものの、無駄に筐体厚さを増加させることになり、十分な小型化でできなくなり、ひいては、モータ性能指標が劣化する。
【００１２】
一方、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒの範囲は次の観点から決定されている。
永久磁石の磁力は磁石厚さに応じて増加する。磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１より小さくなると、反磁場が大となり急激に磁力が低下し、従来の所定トルクを得ることができない。よって、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上が望ましい。
【００１３】
又、例えばモータ装置の性能指標Ｔ（Ｔ＝トルク定数／体積）を従来の２倍とするためには、即ち、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔ（約１．３）の２倍となるＴ＝２．６を得るには、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒを０．１以下とする必要がある。よって、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは、０．０１以上、０．１０以下であることが望ましい。これにより、請求項１に記載のモータ装置を確実に実現することができる。
【００１４】
又、請求項１に記載のＤＣブラシモータ装置において、モータ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上、０．０８以下とするのが望ましい。
単位磁石使用量当たりのモータ装置の性能指標Ｔ（即ち、モータ装置の性能指標Ｔ／磁石使用量、以下この比Ｓを「磁石効率」という）が、従来の２極フェライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ倍に等しくなる磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０８である。磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０８以下の時に、本発明のモータ装置の磁石効率Ｓは従来の２極フェライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ倍以上となる。しかしながら、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒの下限値０．０１より小さくなると、上述したように、反磁場が大となり急激に磁力が低下し、従来の所定トルクを得ることができないので、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上が望ましい。このように、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０１以上、０．０８以下の場合には、磁石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ倍以上となる。ここで、磁石性能倍数ｍは、（異方性ボンド磁石の性能［（ＢＨ）ｍａｘ　］）／（フェライト焼結磁石の性能〔（ＢＨ）ｍａｘ　〕で定義される。例えば、異方性ボンド磁石の性能（最大エネルギー積）が１４ＭＧＯｅ　、フェライト焼結磁石の性能（最大エネルギー積）が３．５ＭＧＯｅ　の場合には、磁石性能倍数ｍは、４となる。尚、磁石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ倍となる時の磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは、異方性ボンド磁石の最大エネルギー積が１４ＭＧＯｅ　以上において、その値にかかわらずほぼ同一値である０．０８をとっている。
【００１５】
又、請求項１に記載のＤＣブラシモータ装置において、モータ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上、０．０５以下とするのが望ましい。
又、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０５以下となると、磁石効率Ｓはｄ／ｒが０．０８の時に比べて２倍以上となる。即ち、本発明のモータ装置の磁石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ×２倍に等しくなるときの磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０５である。磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０５以下の時に、本発明のモータ装置の磁石効率Ｓは従来の２極フェライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ×２倍以上となる。
例えば、異方性ボンド磁石の性能（最大エネルギー積）が１４ＭＧＯｅ　、フェライト焼結磁石の性能（最大エネルギー積）が３．５ＭＧＯｅ　の場合には、磁石性能倍数ｍは、４となる。よって、磁石の性能がこれらの値の場合には、磁石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の８倍以上となる。よって、この範囲はさらに望ましい範囲となる。
【００１６】
又、請求項１に記載のＤＣブラシモータ装置において、モータ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０２以上、０．０５以下とするのが望ましい。
磁石効率Ｓに関しては、同様に、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０５以下となると、磁石効率Ｓはｄ／ｒが０．０８の時に比べて２倍以上、即ち、磁石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の２×磁石性能倍数ｍ倍以上となる。又、モータ性能指標Ｔで評価すると、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０２以上、０．０５以下の範囲の時に、モータ性能指標Ｔはほぼ最大値をとる。最大エネルギー積が１４ＭＧＯｅ　において、本発明のモータ装置のモータ性能指標Ｔは、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔの約２．３倍が得られる。最大エネルギー積が１７ＭＧＯｅ　においては、本発明のモータ装置のモータ性能指標Ｔは、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔの約２．５倍が得られる。又、最大エネルギー積が２５ＭＧＯｅ　においては、本発明のモータ装置のモータ性能指標Ｔは、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔの約２．６倍が得られる。よって、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０２以上で０．０５以下の範囲は、モータ性能指標Ｔと磁石効率Ｓとの両者の観点から最も望ましい範囲といえる。
【００１７】
又、請求項２に記載の永久磁石において、異方性希土類ボンド磁石は、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる磁粉を樹脂成型することにより製造され、１軸方向に強く磁化される磁石である。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギー積（ＢＨｍａｘ　）が４倍以上となる特徴がある。
【００１８】
本発明者は、この異方性希土類ボンド磁石のポテンシャルをいかに引き出しうるかを鋭意検討した結果、この磁石を薄型化して、特に、１〜３００Ｗ級の小型ブラシモータに採用すること顕著な効果が得られることを見い出した。同時に磁極を４極以上として１極当たりの磁気回路の磁路長を大幅に低減すると、従来のモータと同一トルク性能で体積を１／２以下にするという従来では到底考えられない大幅な小型化・軽量化、若しくは従来のモータに対して約２０％体積を減少させつつトルク性能が約２倍以上となるモータ装置を実現することができることを見い出した。
【００１９】
又、この異方性希土類ボンド磁石は樹脂成形で形成されるので、その形状は精度よく形成される。これにより、モータ筐体内周部の永久磁石形状を精度のよい中空円筒形状とすることができる。即ち、この磁石を採用すれば、モータ内部の磁場を精度のよい回転対称とすることができる。内部磁場を高精度に対称とすることができるので、中央部の電磁回転体は均一にトルクを受けることになる。よって、この磁石を採用すれば従来のようなトルクムラによる異音が低減されて、より静粛なモータ装置を実現することができる。又、異方性希土類ボンド磁石は精度よく中空円筒形状に樹脂成形されるので、モータ装置筐体への組み付けも容易となる。従来のように、分離された２極、又は４極の焼結フェライト磁石をそれぞれ組み付ける必要がない。即ち、この異方性希土類ボンド磁石はモータ装置の製造工程を容易とする利点もある。
【００２０】
尚、最大エネルギー積１４ＭＧＯｅ　以上の異方性希土類ボンド磁石に４極以上の磁極を設けた場合は、トルクは更に高出力となるが、ここで、更にトルク同一の条件を採用すれば、異方性希土類ボンド磁石の軸方向の長さを更に縮小することができる。よって、更にモータ容積を縮小することができる。例えば、後述するように焼結フェライト磁石を用いた従来のモータ装置容積の約５０％とすることができる。
【００２１】
又、請求項２に記載の永久磁石において、モータ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上、０．１０以下とするのが望ましい。
ａ／ｒの範囲、ｗ／ｄの範囲の意義は、上述した意義と同一である。
永久磁石の磁力は、厚さに比例する。磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０１以下であると、反磁場が大となりその結果磁力が急激に低下する。この条件でモータ装置を作成した場合、モータ装置は所定出力を得ることができない。よって、モータ装置の永久磁石に用いる場合は、異方性希土類ボンド磁石の磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上が望ましい。
【００２２】
又、この異方性希土類ボンド磁石を用いて例えばモータ装置の性能指標Ｔ（Ｔ＝トルク定数／体積）を従来の２倍とするためには、即ち、従来の２極フェライトモータの性能指標（約１．３）の２倍となるＴ＝２．６を得るには、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒを０．１以下とする必要がある。この条件は、例えば後述するように内部の電磁回転体の外径を同一とした場合の条件から得られる。よって、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは、０．０１以上、０．１０以下であることが望ましい。この条件を請求項２に記載の永久磁石に加えれば、従来より静粛で、且つ同一トルクで体積を約１／２のモータ装置、又は体積が約２０％減でトルクが約２倍のモータ装置を確実に実現することができる。
【００２３】
又、請求項２に記載の永久磁石において、モータ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上、０．０８以下とするのが望ましい。
この数値の意義は、上述した意義と同一である。
【００２４】
又、請求項２に記載の永久磁石において、モータ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上、０．０５以下とするのが望ましい。
この数値の意義は、上述した意義と同一である。
【００２５】
又、請求項２に記載の永久磁石において、モータ筐体外径（直径）をｒ、異方性希土類ボンド磁石の径方向厚さをｄ、電磁回転体の半径をａ、モータ筐体の厚さをｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０２以上、０．０５以下とするのが望ましい。
この数値の意義は、上述した意義と同一である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。
（第１実施例）
図１（ａ）、（ｂ）に本実施例のモータ装置の１例を示す。図は、側面図（ａ）とＡＡ’断面図（ｂ）である。本実施例のモータ装置は、従来のモータ装置の小型化を目的としている。本実施例のモータ装置は、筐体１２、筐体１２の内周部に設けられた中空円筒形状の永久磁石である異方性希土類ボンド磁石１３、中央部に設けられた電磁回転体を形成するアーマチャ１４、アーマチャ１４に旋巻されたコイル１５、アーマチャ１４中心部から延出された回転軸１１、そして磁束漏れ防止のためのフラックスリングであるバックヨーク１０から構成される。尚、モータ筐体をバックヨーク１０としている。又、容積比較のため従来の２極モータ装置を図１（ｃ）、（ｄ）に示す。（ｃ）が側面図、（ｄ）がＡＡ’断面図である。ここで、両者比較の為、アーマチャー１４の外径は同一としている。尚、上記異方性希土類ボンド磁石１３は、出願人により、近年ようやく量産化が可能となったものである。例えば、この異方性希土類ボンド磁石１３は、特開２００１−７６９１７号公報、特許第２８１６６６８号公報、特許第３０６０１０４号公報の製造方法で作製される。この異方性希土類ボンド磁石は、最大エネルギー積１４ＭＧＯｅ〜２５ＭＧＯｅのものを、現在、製造することができる。
【００２７】
本実施例のモータ装置（（ａ）、（ｂ））と従来のモータ装置（（ｃ）、（ｄ））の異なる所は、従来のモータ装置の永久磁石である焼結フェライト磁石２３に代えて、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる中空円筒状の異方性希土類ボンド磁石１３を採用したことである。又、その着磁を４極として１極当たりの磁気回路の磁路長を大幅に低減し、アーマチャ１４の受けるトルクの増大を可能としたことである。これが第１の特徴である。異方性希土類ボンド磁石１３は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる磁粉を樹脂成型することにより製造され、径方向に強く磁化された磁石である。異方性希土類ボンド磁石の材料は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂの他、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系材料、例えばＮｄとＮｄの他の希土類元素を含んだり、その他の添加元素を含んだ材料を用いることができる。更に、Ｎｄ以外の希土類元素を含んだ材料、例えば、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系材料、ＳｍＣｏ系材料、または、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系材料とこれらの混合物質を用いることができる。又、ボンド磁石はプラスチック磁石とも言われる。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギー積（ＢＨｍａｘ　）が４倍以上となる特徴がある。即ち、標準的な焼結フェライト磁石２３の最大エネルギー積（ＢＨｍａｘ　）３．５ＭＧＯｅ　に対して、その約４倍の１４ＭＧＯｅ　以上の最大エネルギー積を有する。これはモータトルクを従来と同等とすれば（トルク同一条件）、永久磁石の厚さを例えば約１／４に縮小できる可能性があることを意味する。
【００２８】
又、第２の特徴は、永久磁石の縮小化に当たって、モータ筐体（バックヨーク１０）の外径（直径）（筐体外径）をｒ、中空円筒形状の異方性希土類ボンド磁石１３の厚さ（磁石厚さ）をｄ、電磁回転体であるアーマチャー１４の半径（電磁回転体半径）をａ、モータ筐体の厚さ（筐体１２とバックヨーク１０とを合わせた厚さ）（筐体厚さ）をｗとする時、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下であり、且つ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０１以上、０．１０以下としたことである（小型化条件）。ａ／ｒとｗ／ｄの値の範囲の意味は、前述した課題を解決するための手段及び発明の作用効果の欄において記載した通りである。
【００２９】
磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒの下限条件は０．０１以下であると、反磁場が急激に増大することにより磁力が低下し、所定のモータトルクを得ることができないことから決定される。又、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒの上限条件は、モータ装置の性能指標Ｔ（Ｔ＝トルク定数／体積）を従来の約２倍とする条件である。即ち、体積を１／２にするか、又はトルクを２倍にする条件である。例えば、従来の２極フェライトモータの性能指標を約１．３とすると、性能指標ＴをＴ＝２．６とする条件である。この条件により、トルクを同一として後述するように容積が５０％低減された小型モータが実現できた。
【００３０】
例えば、焼結フェライト磁石２３を用いた従来のモータ装置は、バックヨーク１０（モータ筐体）の外径が３８ｍｍ、内径が３２ｍｍであり、モータ装置の出力（トルク）は、７５．７（ｍＮ・ｍ／Ａ）であり、その容積は約５６．１ｃｍ３　である。焼結フェライト磁石２３は、外径３２ｍｍ、内径２４、径方向長さ（厚さ）は約４ｍｍである。したがって、ａ／ｒ＝０．３０、ｗ／ｄ＝０．７５であり、ｄ／ｒは０．１１である。
一方、同一トルクを得る本件実施例装置のモータ装置では、バックヨーク１０（モータ筐体）の外径がｒ＝３１ｍｍ、内径が２６ｍｍであり、その容積は２４．５ｃｍ３　である。異方性希土類ボンド磁石１３の外径は２６ｍｍ、内径は２４ｍｍ、径方向厚さがｄ＝１ｍｍで、４極着磁である。磁極を４極とすることで磁気回路の磁路長を低減させる。よって、ａ／ｒ＝０．３７、ｗ／ｄ＝２．５、ｄ／ｒ＝０．０３となる。このように、設定すれば、従来と同一出力トルクで、従来のモータ装置の容積の４４％の容積を実現できる。又、性能指標Ｔは３．０９で従来のモータ装置の１．３５に比べて２．３倍とすることができる。
【００３１】
更に、本実施例では、アーマチャ積厚はトルクが同一になるように求めた。何故なら、本実施例では異方性希土類ボンド磁石１３に４極の着磁を行っているからである。従来のアーマチャ積厚は、約１７．５ｍｍであり、本実施例のアーマチャ積厚は約９．８ｍｍとなった。そして、モータ装置後部に置かれる交直変換装置を共通部として足し合わせ、モータ装置の軸方向の長さを決定した。これにより、従来のモータ装置の軸方向長さＬＦ　約５０ｍｍに対して本実施例のモータ装置の軸方向長さは約３３ｍｍとなり、長さ縮小率ＬＮ　／ＬＦ　≒０．６６となった。又、重量は従来のモータ装置が２４５ｇであり、本実施例のモータ装置が１１９ｇであり従来の４９％に低減できた。
【００３２】
又、本実施例の異方性希土類ボンド磁石１３は樹脂成形で製作されるので、精度のよい中空円筒状に形成される。そして、異方性希土類ボンド磁石１３は容易に精度よく対称的に着磁される。モータ装置内部で磁場が精度よく対称的に発生されるので、アーマチャ１４は均等にトルクを受ける。よって、回転時に従来のように異音が発生することがない。静粛なモータ装置とすることができた。
【００３３】
焼結フェライト２極モータ、異方性希土類ボンド４極モータに関して前述したが、それらの諸元を含め、さらに焼結フェライト４極モータ、異方性希土類ボンド２極モータを比較例として表１　に示す。
【００３４】
【表１】
2004007984.tif 000003
【００３５】
本実施例の筐体外径はバックヨーク外径と同じである。
バックヨーク材質　　　　　　　　　　　ＳＰＣＣ
アーマチャ材質、寸法　　　　　　ケイ素鋼板　　φ２３ｍｍ
コイルの巻き方、巻数　　　　　　　１４５ｔｕｒｎ
電流値　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１Ａ
固定条件　　　　アーマチャの外形をφ２３ｍｍと同一とし、軸方向の厚さを変化させることで、　トルクを同一とした。
上記表の結果を分かりやすく説明するために、性能指標と極数との関係を図３に示す。図３より、従来の焼結フェライト２極モータにおいて、単に磁石の材料を異方性希土類ボンド磁石に替えただけの異方性希土類ボンド２極モータ、及び、単に極数を２極から４極に替えただけの焼結フェライト４極モータでは、性能指標は１．２〜２．０の範囲に止まっており、大きな改善は見られない。それに対し、本実施例では、異方性希土類ボンド磁石を用いることと４極とすることの相互作用により性能指標は３．０９が得られている。この値は、従来の焼結フェライト２極モータの性能指標の２．３倍であり、性能指標の飛躍的な向上が実現されている。
【００３６】
（第２実施例）
第１実施例は、異方性希土類ボンド磁石を用いて、従来のモータ装置を小型化する例であった。この異方性希土類ボンド磁石を用いた場合、その径方向の厚さを調整することにより、モータ装置のトルクを増大することもできる。即ち、本実施例は異方性希土類ボンド磁石を用いてトルクを２倍にする例である。
例えば、焼結フェライト磁石２３を用いた従来のモータ装置のトルク定数は、７５．７（ｍＮ・ｍ／Ａ）であり、その容積は約５６．１ｃｍ３　、即ちモータ性能指標ＴはＴ＝１．３５であり、従来のモータ装置のその他の寸法は第１実施例で説明したのと同一である。
【００３７】
本実施例のモータ装置を図２に示す。本実施例では、電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満において、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下とした条件において、上記小型化条件（０．０１≦ｄ／ｒ≦０．１）によって、次の寸法とした。モータ筐体（バックヨーク１０）の外径ｒ＝３４ｍｍ、内径２８ｍｍ、異方性希土類ボンド磁石１３の外径２８ｍｍ、内径２４ｍｍ、厚さ２ｍｍで４極帯磁である。この時、ａ／ｒ＝０．３４、ｗ／ｄ＝１．５、ｄ／ｒは０．０６である。磁極を４極とすることで磁気回路の磁路長を低減させる。そして、アーマチャの積厚は１７．５で従来のモータ装置と同一とした。本実施例のモータ装置では、従来の約２倍のトルク（１５５．５ｍＮ・ｍ／Ａ）が得られるように設計されている。そして、その時の体積は４１．２ｃｍ３　で従来の２７％の容積減少率が実現でき、重量は従来のモータ装置が２４５ｇに対して本実施例のモータ装置が１８５ｇに７６％に低減できた。
又、この場合も、第１実施例同様、異方性希土類ボンド磁石１３は精度のよい中空円筒状に形成されるので、高精度の対称的磁場を発生させる。よって、高出力で静粛なモータ装置とすることができた。
【００３８】
（第３実施例）
第１実施例のモータ装置において、本発明の対象である低出力レベルのＤＣブラシモータにおいて、常識的条件である（１）電磁回転体半径対筐体外径比ａ／ｒが０．２５以上、０．５未満、（２）筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、４以下とした条件において、異方性希土類ボンド磁石１２の磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒ＝Ｒ（以下、単に、比率Ｒという）を色々変化させてモータ装置の性能指標Ｔを評価した。異方性希土類ボンド磁石１２の最大エネルギー積を１４ＭＧＯｅ　とした時の特性を図４に示す。比率Ｒが０．０１以上０．１０以下の範囲において、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔ（約１．３）の２倍となっていることが理解される。特に、下限値である０．０１以上でないと、たとえ２５ＭＧＯｅ　の強力磁石にしても、上記の従来モータ性能指標の２倍という優れた特性を得られないものである。
【００３９】
同様に、異方性希土類ボンド磁石１２の最大エネルギー積を１７ＭＧＯｅ　、２５ＭＧＯｅ　とした時の特性を図６、図８に、それぞれ、示す。最大エネルギー積が大きくなるに従って、全体的に性能指標Ｔが大きくなることが理解される。
【００４０】
次に、異方性希土類ボンド磁石１２の体積ｖとするとき、ボンド磁石の単位体積当たりの性能指標Ｔ、即ち、Ｔ／ｖを磁石効率Ｓとして、比率Ｒに対する変化特性を求めた。最大エネルギー積を１４ＭＧＯｅ　、１７ＭＧＯｅ　、２５ＭＧＯｅ　とした時の特性を、それぞれ、図５、図７、図９に示す。比率Ｒが０．０１以上、０．０８以下の場合には、磁石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の磁石性能倍数ｍ倍以上となることが理解される。この特徴は、最大エネルギー積が１４ＭＧＯｅ　以上においても成立する。
又、比率Ｒが０．０５以下となると、磁石効率ＳはＲが０．０８の時に比べて２倍以上、即ち、磁石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の２×磁石性能倍数ｍ倍以上となることが理解される。これは、磁石性能倍数ｍの２倍の磁石効率をもつことを意味する。よって、この場合は、フェライト磁石に比べて、磁石性能倍数ｍの更に２倍の効率で、単位磁石使用量に対するモータ装置の性能指標Ｔを向上させることができる。この特徴は、最大エネルギー積が１４ＭＧＯｅ　以上においても成立する。
又、比率Ｒが０．０２以上、０．０５以下の範囲では、磁石効率Ｓはｄ／ｒが０．０８の時に比べて２倍以上、即ち、磁石効率Ｓが従来の２極フェライトモータの磁石効率の２ｍ倍以上となる。又、モータ性能指標Ｔで評価すると、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒは０．０２以上、０．０５以下の範囲の時に、モータ性能指標Ｔはほぼ最大値をとることが理解される。最大エネルギー積が１４ＭＧＯｅ　において、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔの約２．３倍が得られる。最大エネルギー積が１７ＭＧＯｅ　においては、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔの約２．５倍が得られる。又、最大エネルギー積が２５ＭＧＯｅ　においては、従来の２極フェライトモータの性能指標Ｔの約２．６倍が得られる。これらの特徴は、最大エネルギー積が１４ＭＧＯｅ　以上において成立する。
よって、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒが０．０２以上で０．０５以下の範囲は、モータ性能指標Ｔと磁石効率Ｓとの両者の観点から最も望ましい範囲といえる。
【００４１】
尚、磁石効率Ｓは次のように考えられる。トルク定数をτ、モータ装置の体積をＶ、異方性希土類ボンド磁石の体積をｖ、モータ筐体の外径（直径）をｒ、異方性ボンド磁石の径方向の厚さをｄ、磁石厚さ対筐体外径比ｄ／ｒをＲ、電磁回転体の半径をａ、筐体の厚さをｗ、モータ装置の実効長をＬ、電磁回転体と異方性希土類ボンド磁石間のエアギャップを無視すると、次式が成立する。
【数１】
２ａ＋２ｄ＋２ｗ＝ｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１）
【数２】
Ｒ＝ｄ／ｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
【数３】
Ｖ＝πｒ２　Ｌ／４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（３）
【数４】
ｖ＝π｛（ａ＋ｄ）２　−ａ２　｝Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　…（４）
ｄ≪ａが成立するから、
【数５】
ｖ＝２πａｄＬ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（５）
よって、磁石効率Ｓは、次式となる。
【数６】
2004007984.tif 000004
ｄ＝Ｒｒを（６）式に代入すると、次式が得られる。
【数７】
2004007984.tif 000005
この特性が、図５、図７、図９に表れている。
【００４２】
（第４実施例）
第１実施例と同一寸法にして、６極のモータ装置を製造した。そのモータ装置の寸法や特性は表１に示す通りである。同様に、フェライト磁石を用いた６極のモータに対しても性能指標Ｔを評価した。そのモータ装置の寸法や特性は表１に表されている。性能指標Ｔに関して、図３に示す特性が得られた。この特性から得られることは、本発明の異方性希土類ボンド磁石を用いたモータ装置の性能指標Ｔは、２極から４極に増加する時に、性能指標Ｔが飛躍的に増加し、４極から６極に増加する時には、性能指標Ｔが４極の１．１０倍、２極の１．７４倍に増加していることが理解される。これらの値は、フェライト磁石を用いた従来モータの性能指標Ｔは極数によってはほとんど変化しない。即ち、４極から６極に増加する時には、性能指標Ｔが４極に対し全く変化せず、６極モータの性能指標Ｔは２極モータの性能指標の１．０７倍に止まっている。これらのことから、本発明の異方性希土類ボンド磁石を用いたモータ装置では、４極や６極とすることは、従来のフェライト磁石を用いたモータからは予測し得ない効果があることが理解される。
【００４３】
（第５実施例）
第１実施例のモータ装置において、図１０に示すように、ブラシ３０ａ、３０ｂを配置した。即ち、ブラシを１８０度対向ではなく、９０度の位置に設けた。これによりブラシの存在しない空間が図１０の領域Ｑで示すように、広く形成されるので、この領域Ｑに電子回路を配置することができる。なお、６極の場合であれば、２つのブラシを６０度間隔で設ければ、同様に広い空間を確保することができる。８極であれば、２２．５度、６７．５度の間隔で２つのブラシを設けることで、同様に広い空間を確保することができる。
このようなブラシ２極構造でモータを使用する場合には、例えば、４極モータの場合、図１１のように捲線にすればよい。
【００４４】
（変形例）
上記実施例は、本発明の実施形態の１例であり他に様々な変形例が考えられる。例えば、上記実施例では異方性希土類ボンド磁石１３を４極着磁としたが、４極より多くてもよい。例えば、６極、８極でもよい。磁極数を多くすれば、それだけ磁路長も短くなるので、アーマチャコイルの横切る磁束が増加する。又、異方性希土類ボンド磁石１３は、容易に精度よく着磁可能であるので、より高出力で静粛なモータ装置を実現することができる。
又、上記実施例では異方性希土類ボンド磁石１３は、樹脂成形で形成するとしたが、樹脂成形後、切削等により更に高精度に加工してもよい。更に、寸法精度が向上し、よりトルクムラのない静粛なモータ装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係るモータ装置を示した構成図。
【図２】本発明の他の具体的な実施例に係るモータ装置を示した構成図。
【図３】フェライト焼結磁石を用いたモータ装置と、異方性ボンド磁石を用いたモータ装置における極数と性能指標との関係を示した特性図。
【図４】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を１４ＭＧＯｅ　とした時の性能指標Ｔと比率Ｒとの関係を示す特性図。
【図５】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を１４ＭＧＯｅ　とした時の磁石効率Ｓと比率Ｒとの関係を示す特性図。
【図６】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を１７ＭＧＯｅ　とした時の性能指標Ｔと比率Ｒとの関係を示す特性図。
【図７】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を１７ＭＧＯｅ　とした時の磁石効率Ｓと比率Ｒとの関係を示す特性図。
【図８】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を２５ＭＧＯｅ　とした時の性能指標Ｔと比率Ｒとの関係を示す特性図。
【図９】異方性希土類ボンド磁石の最大エネルギー積を２５ＭＧＯｅ　とした時の磁石効率Ｓと比率Ｒとの関係を示す特性図。
【図１０】第５実施例に係るモータ装置のブラシの位置を示した構成図。
【図１１】第５実施例に係るモータ装置の捲線を示した構成図。
【符号の説明】
１０…バックヨーク
１１…回転軸
１２…筐体
１３…異方性希土類ボンド磁石
１４…アーマチャ
１５…コイル
２３…焼結フェライト磁石
【図１】
2004007984.tif 000006
【図２】
2004007984.tif 000007
【図３】
2004007984.tif 000008
【図４】
2004007984.tif 000009
【図５】
2004007984.tif 000010
【図６】
2004007984.tif 000011
【図７】
2004007984.tif 000012
【図８】
2004007984.tif 000013
【図９】
2004007984.tif 000014
【図１０】
2004007984.tif 000015
【図１１】
2004007984.tif 000016