(57)【要約】【課題】１〜２００Ｗ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５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。また、筐体厚さ対磁石厚さ比ｗ／ｄが１を超え、３以下であり、且つ、異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さ対電磁回転体の直径比ｄ／ａが０．０１５以上、０．０７以下とした。これにより、１〜２００Ｗクラスのモータ装置を小型化でき、モータ性能指標を２倍以上の向上することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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磁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／ｍ３  ）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。
【請求項２】
前記磁石厚さｄは０．７ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣブラシモータ装置。
【請求項３】
前記筐体厚さｗは、１．０ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＤＣブラシモータ装置。
【請求項４】
前記電磁回転体の直径ａは、１６ｍｍ以上、４５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項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。
【請求項５】
前記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。
【請求項６】
前記ＤＣブラシモータの出力は１〜２００Ｗであることを特徴とする請求項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。
【請求項７】
前記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。
【請求項８】
前記異方性希土類ボンド磁石は４極に着磁されており、前記電磁回転体のスロット数は１０であることを特徴とする請求項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。
【請求項９】
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／ｍ３  ）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。
【請求項１０】
ＤＣブラシモータ装置に使用される請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の永久磁石。
【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〜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）ｍａｘ  ４ＭＧＯｅ（３２ＫＪ／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）以上３０ＭＧＯｅ  （２３９ＫＪ／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）〜２８ＭＧＯｅ（２２３ＫＪ／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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・ｃｍ３  ）  とすると、モータ性能指標ＴをＴ＝２．７０ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ３  ）  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／ｍ３  ））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５６．１ｃｍ３  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／ｍ３  ））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２４．５ｃｍ３  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・ｃｍ３  ）  で従来のモータ装置の１．３５ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ３  ）  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１９．８ｃｍ３  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７．４ｃｍ３  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・ｃｍ３  ）  、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・ｃｍ３  ）  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ＬＦ  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。
【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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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・ｃｍ３  ）  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・ｃｍ３  ）  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・ｃｍ３  ）  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・ｃｍ３  ）  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／ｍ３  ）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５６．１ｃｍ３  、即ちモータ性能指標ＴはＴ＝１．３５ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ３  ）  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４１．２ｃｍ３  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／ｍ３  ）、２０ＭＧＯｅ  （１５９ＫＪ／ｍ３  ）、２５ＭＧＯｅ（１９９ＫＪ／ｍ３  ）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・ｃｍ３  ）  ）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／ｍ３  ）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・ｃｍ３  ）  ）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／ｍ３  ）、２０ＭＧＯｅ  （１５９ＫＪ／ｍ３  ）、２５ＭＧＯｅ（１９９ＫＪ／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）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／ｍ３  ）においては、モータ性能指標は３．１８ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ３  ）  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／ｍ３  ）においては、モータ性能指標は３．４２ｍＮ・ｍ／（Ａ・ｃｍ３  ）  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／ｍ３  ）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＝πｒ２  Ｌ／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】
2005033843.tif 000003
ｄ＝Ｒｒを（６）式に代入すると、次式が得られる。
【数７】
2005033843.tif 000004
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／ｍ３  ）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
【図１】
2005033843.tif 000005
【図２】
2005033843.tif 000006
【図３】
2005033843.tif 000007
【図４】
2005033843.tif 000008
【図５】
2005033843.tif 000009
【図６】
2005033843.tif 000010
【図７】
2005033843.tif 000011
【図８】
2005033843.tif 000012
【図９】
2005033843.tif 000013