(57)【要約】【課題】ＤＣブラシレスモータにおいて大幅な小型化と高いトルク特性と高効率を維持・向上しつつ、コギングトルクの向上の両立を達成すること。【解決手段】本発明のＤＣブラシレスモータは、電磁石からなるステータと、その中心部に配置されて磁性コアとその外周に永久磁石を有するロータからなるＤＣブラシレスモータであって、前記永久磁石は最大磁気エネルギー積が１４３ｋＪ／ｍ３以上、２７９ｋＪ／ｍ３以下であり、１４極に着磁された、一体リング形状で、薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であり、前記ステータはティースが１２極であり、前記ロータの半径をｒｍ、前記磁性コアの半径をｒｃ、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さをｄ、前記モータの半径をＲとする時、磁石厚さ対モータ半径比ｄ／Ｒが０．０２５以上、０．０４５以下で、磁性コア半径対対モータ半径比ｒｃ／Ｒが０．５５以上、０．７２以下であることを特徴とするものである。【選択図】  図１
2007151283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁石からなるステータと、その中心部に配置され磁性コアとその外周に永久磁石を有するロータからなるＤＣブラシレスモータであって、
前記永久磁石は最大磁気エネルギー積が１４３ｋＪ／ｍ３以上、２７９ｋＪ／ｍ３以下であり、１４極に着磁された、一体リング形状で、薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であり、
前記ステータは、ティースが１２極であり、
前記ロータの半径をｒｍ、前記磁性コアの半径をｒｃ、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さをｄ、前記モータの半径をＲとする時、
磁石厚さ対モータ半径比ｄ／Ｒが０．０２５以上、０．０４５以下で、
磁性コア半径対モータ半径比ｒｃ／Ｒが０．５５以上、０．７２以下であることを特徴とするＤＣブラシレスモータ。
【請求項２】
ＤＣブラシレスモータの電磁石からなるステータの内側で、モータの中心部に配置される磁性コアの外周に配設されてロータを構成する永久磁石であって、
前記永久磁石は最大磁気エネルギー積が１４３ｋＪ／ｍ３以上、２７９ｋＪ／ｍ３以下であり、１４極に着磁された、一体リング形状で、薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であり、
前記ステータは、ティースが１２極であり、
前記ロータの半径をｒｍ、前記磁性コアの半径をｒｃ、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さをｄ、前記モータの半径をＲとする時、
磁性コア半径対モータ半径比ｒｃ／Ｒが０．５５以上、０．７２以下であり、
磁石厚さ対モータ半径比ｄ／Ｒが０．０２５以上、０．７２以下であることを特徴とする永久磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣブラシレスモータ装置及びそれに用いられる永久磁石に関する。特に、インナーロータ形ＤＣブラシレスモータにおいてＳＰＭ型モータを使用したファンモータ等の常時連続運転状態で使用されるモータ及びそれに用いられる永久磁石に関する。
本発明は、例えば、出力が４０−４００W級で、モータ半径（磁気回路構成部分であって、本発明においてはステータ半径に相当する。以下同じ。）が２０−６５ｍｍの大きさのモータに関する。例えば、パワーステアリング用モータのように７００Wを超えるようなモータにおいては、出力が高すぎ、本発明の対象には含まれない。
また、本発明は使用電圧が１００〜４００Ｖのモータを対象としている。よって、本発明は自動車用等の１２Ｖ，２４Ｖ等の低電圧で使用されるモータには使用されない。
【背景技術】
【０００２】
産業用、家電用に限らず、主として常時回転して使用されるモータにおいては、モータとしてポピュラーなブラシモータはブラシの磨耗のため使用されていなかった。
この常時回転して使用されるモータにおいては、産業用では３相交流電源に対応したかご型三相誘導モータが使用されていた。家庭用では、単相交流電源に対応したかご型単相誘導モータが使用されていた。１９８０年代中盤にはいると産業用マイコンが登場し産業用かご型三相誘導モータでは、そのマイコンを利用したインバータ制御により効率化を図った。
さらに、かご型３相誘導モータにおいては、ロータも電磁石であり、かごに電流をながすため、永久磁石を使用するモータに比べ、鉄損、銅損とも大きく更なる効率化が求められていた。
おなじころ、かご型３相誘導モータの効率化のため永久磁石を使用したＤＣブラシレスモータ化により更なる効率化が図られた。
このブラシレスモータにおいては最大磁気エネルギー積が３２ｋＪ／ｍ３程度のフェライト焼結磁石や、８ｋＪ／ｍ３程度のフェライトボンド磁石が使用されていた。
【０００３】
一方、家電用では、１９８０年代末ごろまで、主として、かご型単相誘導モータが使用されていた。
しかし、１９９０年代はじめ頃から、家電用の汎用のインバータ制御用のマイコンの登場した。それを採用することで電流を３相へ変換することで、かご型三相誘導モータとすることで効率を５０％程度から６０％程度まで向上し、インバータ制御によりモータ回転数の可変化を図った。その後、地球温暖化対策のための省エネルギー化のニーズの増大により、２０００年ごろより、家電用においてもＤＣブラシレスモータが採用されるにいたり、効率も７５から８０％を超える程度まで向上した。
【０００４】
このように、常時回転用のモータにおいては、高効率化のニーズへの適用は進んできた。
しかし、近年、更に、小型・軽量化した上で、現状の（高トルク化）出力特性と高効率の維持もしくは更なる向上のニーズが高まっている。
ここでモータを設計する場合、一般に、モータが使用される環境である使用電圧、定格回転数、定格トルク、効率及びコストを考慮してモータが選択される。
具体的には、使用電圧に対応したモータの中から、効率が最大に近いところで、定格回転数、定格トルクを満足できて、コストの安いモータが選ばれることとなる。    
現状、４０−４００W級の常時回転用のブラシレスモータには、焼結フェライトのアキシャル異方性磁石が８磁極分貼り付けて使用されている。
現状使用されている最新のモータでは、使用電圧において、効率が８０％レベルで、定格回転数において、定格トルクを満たすものである。
この種のＤＣブラシレスモータにおいては、通常、モータ体積を大型化することにより、ステータ径を大きくしてコイルスペースを大きくしたり、磁石を大きくする等の手段を用い、コイル巻数、銅線径を調節することで、高トルク・高効率化を図っている。
しかし、このモータにおいて、逆に小型化すると、各種パラメータを工夫しても、トルク等が不足し、出力特性が低下してしまい、効率も低下してしまうこととなる。
よって、小型化とトルク特性、効率性の維持・向上は両立しないものと思われていた。
一方、小型化に関しては、１９８０年代前半になって希土類焼結磁石（例えば、Ｎｄ焼結磁石（３１８ｋＪ／ｍ３））の登場によりその検討がなされた。しかしながら、単に磁力の強い磁石を適用しただけでは供給磁束が大きすぎてステータ側の電磁石ヨークが飽和してしまうため、ステータ外径を広げざるを得なかった。そのため、小型化には寄与していなかった。
また、単に磁力の強い磁石を使用すると、従来のモータに比べステータにおいての鉄損が大きくなってしまうため、高効率化も図れなかった。
更に、単に磁力の強い磁石を使用するとコギングトルクが増大する傾向にある。よって、単に強力な希土類磁石を使用するだけでは、小型化ができず、むしろ、効率の低下、コギングトルク（トルクムラ（以下（）の標記は省略する））の増大をまねいていた。
そのため、磁力の強いＮｄ焼結等の希土類焼結磁石は、現状のＤＣブラシレスモータを小型・軽量化した上で、現状のトルク特性と高効率の維持もしくは向上、及び、コギングトルクの維持若しくは低減という課題を解決しないため、この分野のブラシレスモータには使用されてこなかった。
【０００５】
近年、磁石分野において特開２００５−１１６９９１に記載されているように１５９ｋＪ／ｍ３級の異方性希土類ボンド磁石が登場した。
この磁石は、焼結磁石にくらべ、成形性に優れ、リング形状で成形、配向・着磁できるため組み付け工数の低減、組み付け精度の向上が期待でき、ブラシレスモータへの適用が検討されていた。
しかし、本磁石もＮｄ焼結磁石程ではないが、従来のフェライト系磁石に比べ少なくとも４倍以上のはるかに強い磁力を有するため同様の問題を抱えており、それを適用しても、現状のブラシレスモータの小型・軽量化とトルク特性、効率性の維持・向上、及び、コギングトルクの維持若しくは低減の両立は困難と思われていた。
【特許文献１】特開２００５−１１６９９１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、現在使用されているファンモータ等に使用される一方向に常時回転し、出力が４０−４００W級の小型ブラシレスモータにおいて、現行のフェライト焼結磁石を使用したブラシレスモータを小型・軽量化したときに、従来技術であれば、トルク特性の低下と効率の低下を生じるものを、１／２以下という大幅な小型化・軽量化しつつ、トルク特性と高効率を維持、向上し、同時にコギングトルクの低減を図るものである。
言い換えると、同じ大きさのモータであれば、高いトルク特性と高効率性とコギングトルクの低減の両立を達成することを目的とする。
また、本発明の課題は、少ない供給磁石エネルギーで、小型・軽量化した上で、トルク特性と効率化の両方を維持・向上を測るものである。従来レベルのフェライト焼結磁石を使用したモータと比べ、モータを１／２以上の小型軽量化しつつ、同じ供給磁石エネルギー当たりで同じトルクと高効率を維持、向上を図るものである。
【課題を解決するための手段及び発明の作用効果】
【０００７】
本発明者等は、異方性希土類ボンド磁石を有する１５９ｋＪ／ｍ３級の優れた磁気特性と形状自由度の高さを、いかに活用するかを鋭意検討した結果、次のような構成により、その磁気的エネルギーを十分に活用し、モータを小型化しつつ、その他のすべでの課題を解決できることを見出した。
【０００８】
上記の課題を達成するためには、以下の手段が有効である。
請求項１に記載のＤＣブラシレスモータは、電磁石からなるステータと、その中心部に配置され磁性コアとその外周に永久磁石を有するロータからなるＤＣブラシレスモータであって、前記永久磁石は最大磁気エネルギー積が１４３ｋＪ／ｍ３以上、２７９ｋＪ／ｍ３以下であり、１４極に着磁された、一体リング形状で、薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であり、前記ステータは、ティースが１２極であり、前記ロータの半径をｒｍ、前記磁性コアの半径をｒｃ、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さをｄ、前記モータの半径をＲとする時、磁石厚さ対モータ半径比ｄ／Ｒが０．０２５以上、０．０４５以下で、磁性コア半径対モータ半径比ｒｃ／Ｒが０．５５以上、０．７２以下であることを特徴とするものである。
請求項２に記載の永久磁石は、ＤＣブラシレスモータの電磁石からなるステータの内側で、モータの中心部に配置される磁性コアの外周に配設されロータを構成する永久磁石であって、前記永久磁石は最大磁気エネルギー積が１４３ｋＪ／ｍ３以上、２７９ｋＪ／ｍ３以下であり、１４極に着磁された一体リング形状で薄肉形状な異方性希土類ボンド磁石であり、前記ステータはティースが１２極であり、前記ロータの半径をｒｍ、前記磁性コアの半径をｒｃ、前記異方性希土類ボンド磁石の径方向の厚さをｄ、前記モータの半径をＲとする時、磁性コア半径対モータ半径比ｒｃ／Ｒが０．５５以上、０．７２以下であり、磁石厚さ対モータ半径比ｄ／Ｒが０．０２５以上、０．７２以下であることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明者等は、特に４０−４００W級でモータ半径が２０−６５ｍｍの大きさの小型ＤＣブラシレスモータに適用する場合に効果が大きいことを見出した。
更に、この発明により、例えば、現行のフェライト焼結磁石を使用したブラシレスモータを、１／２以下という大幅な小型化・軽量化しつつ、トルク特性と高効率を維持、向上し、同時にコギングトルクの低減することを達成した。
また、従来レベルのフェライト焼結磁石を使用したモータと比べ、モータを１／２以上の小型軽量化しつつ、同じ供給磁石エネルギー当たりでトルク特性と高効率を維持、向上を達成した。
ちなみに、小型化レベルをたとえば３０％程度に押さえると、トルク特性、若しくは、効率を更に向上させることができる。
【００１０】
ここで、小型・軽量化した上で、トルク特性と高効率の両方を維持・向上させるという本発明の重要な課題の指標として、モータ性能指標Ｅαを設ける。
【００１１】
Ｅα＝ｋＴ×η／Ｖ
ここで、ｋＴはモータのトルク定数、ηはモータの最大効率、Ｖはモータ磁気回路部体積（モータ磁気回路部体積は、（ステータ断面積＋ロータ断面積）×ステータ積厚とした。以下同じ。）とする。この指標は、単位モータ磁気回路部体積当たりのトルクと高効率の両立のレベルを測るものである。
この指標での、本分野の現状のフェライト焼結磁石を使用したモータ性能指標Ｅα値は、０．０６５以下である。一方、本発明のすべての構成を満足するＤＣブラシレスモータのモータ性能指標Ｅα値は、従来レベルのフェライト焼結磁石を使用したモータに比べ、２倍以上の値を示している。このことは、従来レベルのフェライト焼結磁石を使用したモータを１／２以上の小型軽量化した場合は、同じトルクと高効率を維持できることを示すものである。
【００１２】
更に、もう一つの指標として、少ない供給磁石エネルギーで、小型・軽量化した上で、トルクと高効率の両方を維持・向上させるという指標として、モータ性能指標Ｅβを設ける。
【００１３】
Ｅβ＝ｋＴ×η／（Ｖ×Ｖｍ×（ＢＨ）ｍａｘ）
ここで、ｋＴはモータのトルク定数、ηはモータの最大効率、Ｖはモータ磁気回路部体積、Ｖｍはモータに使用する磁石体積、（ＢＨ）ｍａｘはモータに使用する最大磁気エネルギー積を示す。
この指標は、単位供給磁石エネルギー当たりで単位モータ磁気回路部体積当たりのトルクと高効率の両立のレベルを測るものである。
この指標での、本分野の現状のフェライト焼結磁石を使用したモータ性能指標Ｅβ値は、８０．４以下である。本発明のすべての構成を満足するＤＣブラシレスモータのモータ性能指標Ｅβ値は、従来レベルのフェライト焼結磁石使用のモータに比べ、２倍以上の値を目標としており、その目標を満足している。  
これは、従来レベルのフェライト焼結磁石を使用したモータと比べ、モータを１／２以上の小型軽量化した場合に、同じ供給磁石エネルギー当たりでは、トルクと高効率を維持できることを示すものである。
【００１４】
本発明がこのように画期的な効果がでる理由は、明確ではないが、結果から考えてみると各構成の作用効果は以下のように推測できる。なお、これらの各構成は、単独では効果を発揮しえず、他の全ての構成間の相互作用で効果を発揮するものである。
また、数値限定理由については、表１〜表４に諸元を示した複数個のモータを作製してモータ特性を測定し決定したものである。実験条件は、各要因の効果が抽出できるように、モータ外径を一定にする等、条件をできる限り固定して行った。
【００１５】
１．異方性希土類ボンド磁石
本発明においては、永久磁石を異方性希土類ボンド磁石と規定した。
ボンド磁石であるため、磁石粉末と樹脂との結合により、張り合わせのない１ピースで、寸法精度良く成形できる。
フェライト焼結、希土類焼結磁石を使用したときは、各ピース毎の製造交差内の寸法差による磁石とロータ間の隙間、磁石とロータ間の接着材による隙間等による磁気抵抗が存在する。また、これらの使用したときは、張り合わせ位置決め時の位置決め誤差による磁石と磁石間の隙間の不均一、ステータと磁石間の隙間の不均一等によるによるコギングトルクが生じている。それに対し、一体でリング形状に成形された異方性希土類ボンド磁石を使用することで、これらの磁気抵抗を大幅に低減したり、コギングトルクの発生を改善できる。また、磁極間の隙間がないので、磁束供給面積を大きくとることができ、十分な磁束を供給できる。
また、焼結磁石は電気抵抗が小さいが、ボンド磁石は絶縁体である樹脂で希土類の金属粒子が覆われているため、渦電流の発生が小さくなり効率を向上させる。
【００１６】
２．磁石最大磁気エネルギー積
本発明の異方性希土類ボンド磁石は、本発明の他の構成に満足した上で、最大エネルギー積が１４３ｋＪ／ｍ３以上、２７９ｋＪ／ｍ３以下である必要がある。これにより、上述したように本発明の課題を達成することができる。
図１に、モータ性能指標Ｅαに対する磁石最大磁気エネルギー積の影響を示す。ここで、実験条件は表１に示した。
【００１７】
【表１】
2007151283.tif 000003
ここでは最大磁気エネルギー積以外の諸元は固定している。最大磁気エネルギー積の増加に伴い性能指標Ｅαは、はじめは急激に増加し、その後は増加率が徐々に低下していく。
図１中の黒丸●は、従来使用されている８極着磁したフェライト焼結磁石を使用したモータ（以下、従来例と記す。）のモータ性能指標Ｅαを示す。また、図中の太点線は、従来例の２倍の性能を示す線である。この図より、最大磁気エネルギー積が１４３ｋＪ／ｍ３を超えると、従来例の２倍以上の性能指標Ｅαを得ることができる。
【００１８】
図２に、モータ性能指標Ｅβに対する永久磁石の最大磁気エネルギー積の影響を示す。ここで、実験条件は表１と同じである。最大磁気エネルギー積の増加に伴い性能指標Ｅβは当初は急激に減少し、その後、減少率が緩やかになっている。
図中の黒丸●は、従来例のモータ性能指標Ｅβを示す。この図より、最大磁気エネルギー積が２７９ｋＪ／ｍ３以下では、目標である従来モータの２倍以上のモータ性能指標Ｅβを得ることができる。
尚、本実験においては、２３９、３１８、３９８ｋＪ／ｍ３での実験は、コンピュータシミュレーションによって行った。現時点では、このレベルの異方性希土類ボンド磁石は製造できないためである。
以上より、永久磁石の最大磁気エネルギー積は１４３ｋＪ／ｍ３以上、２７９ｋＪ／ｍ３以下としている。
【００１９】
３．磁石厚さｄ／ステータ半径ｒ比（以下、ｄ／ｒ値と記す。）
永久磁石のｄ／ｒ値が０．０２５以上、０．０４５未満と薄肉形状化することで、他の構成要件と相まって、上述したように本発明の課題を達成することができる。
図３に、モータ性能指標Ｅαに対する上記ｄ／ｒ値の影響を示す。ここで、実験条件は表２に示した。
【００２０】
【表２】
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ステータ諸元を固定し、ロータ部の外径一定で、磁石厚さを変化させた。ｄ／ｒ値の増加に伴い性能指標Ｅαは急激に増加し、その後、性能指標Ｅαが飽和する。
図中の黒丸●は、従来例のモータ性能指標Ｅαを示す。また、図中の太点線は、従来例の２倍の性能を示す線である。この図より、ｄ／ｒ値が０．０２５以上では、目標である従来モータの２倍以上の性能指標Ｅαを得ることができる。
【００２１】
図４に、モータ性能指標Ｅβに対するｄ／ｒ値の影響を示す。ここで、実験条件は表２と同じである。ｄ／ｒ値の増加に伴い性能指標Ｅβは急激に減少し、その後、減少率が緩やかになっている。図中の太丸●は、従来例のモータ性能指標Ｅβを示している。図中の太点線は、従来例の２倍のモータ性能指標Ｅβを示す。この図より、ｄ／ｒ値が０．０４５以下では、目標である従来例の２倍以上のモータ性能指標Ｅβを得ることができる。
以上より、永久磁石のｄ／ｒ値を０．０２５以上、０．０４５以下としている。
また、異方性希土類ボンド磁石の厚さは、０．７ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
４．磁性コア半径対対モータ半径比ｒｃ／Ｒ（以下、ｒｃ／Ｒ値と記す。）
永久磁石のｒｃ／Ｒ値を０．５５以上、０．７２以下とすることで他の構成要件と相まって、本発明の課題を達成することができる。
図５に、モータ性能指標Ｅαに対する上記ｒｃ／Ｒの影響を示した。ここで、実験条件は表３に示した。
【００２３】
【表３】
2007151283.tif 000005
ここでは、モータ外径（ステータ外径と同じ）Ｒと磁石厚さｄを固定し、磁性コア半径ｒｃを変化させ、その他の諸元を固定した。ｒｃ／Ｒ値の増加に伴い性能指標Ｅαは増加し、途中でピークを持ち、その後減少することを発見した。
このｒｃ／Ｒ値は、本発明の特徴部分なので、従来例においてもモータ性能指標Ｅαに対する上記ｒｃ／Ｒ値の影響を測定した。実験条件は、本発明と同様に、従来例のモータの諸元を、モータ外径（ステータ外径と同じ）Ｒと磁石厚さｄを固定し、磁性コア半径ｒｃを変化させ、その他の諸元を固定しておこなった。従来例におけるモータ性能指標Ｅαに対する上記ｒｃ／Ｒ値の影響は図中の黒丸●で示した。従来例のモータは磁石厚さ、磁石の最大磁気エネルギー積、磁石磁極等が大きくことなるためか、性能指標Ｅαのピークが０．０６５と低く、そのピークを示すｒｃ／Ｒ値は０．３８のあたりにある。
図中の太点線は、従来例モータにおいてｒｃ／Ｒ値を振ったときの最高値の２倍の性能指標Ｅαを示す線である。永久磁石のｒｃ／Ｒ値を０．５５以上、０．７２以下の範囲で目標値である従来例の２倍以上のモータ性能指標Ｅαを得ることができる。よって、永久磁石のｒｃ／Ｒ値を０．５５以上、０．７２以下としている。
【００２４】
５．磁石極数
前記永久磁石は、本発明の他の構成に満足した上で、１４極に、主としてラジアル方向に磁化されていることにより、本発明の課題を達成することができる。
主としてラジアル方向に磁化されていることで、磁石に対面しているステータに磁束を供給することができる。また、磁石の磁極は２の倍数で構成される。
図６に、コギングトルクに対する永久磁石の磁極数の影響を示す。ここで、実験条件は表４に示した。
【００２５】
【表４】
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ここでは、磁石磁極数のみを変化させている。磁極数の増加に伴い、コギングトルクが減少し、１４極で最小値を取り、１６極で大幅に増加する。図中の太丸●は、従来例のコギングトルクを示している。図中の太点線は、従来例のコギングトルクを示す。この図より、磁石磁極数が１４極において、従来例よりもコギングトルクの低減することができる。
【００２６】
図７に、モータ性能指標Ｅαに対する磁石磁極数の影響を示す。ここで、実験条件は表４と同じである。
モータ性能指標Ｅαは磁石磁極数が１４磁極でピークを持つ。図中の太丸●は、従来例のモータ性能指標Ｅαを示す。また、図中の太点線は、従来例の２倍の性能を示す線である。この図より、磁石磁極が１４磁極で目標である従来モータの２倍以上の性能指標Ｅαを得ることができる。
【００２７】
磁石に対面しているステータに磁束を供給するため、磁石の配向・着磁は、一般的に行われるラジアル配向・着磁、極配向・着磁や、ハイブリッド配向・着磁等を適宜選択することができる。ハイブリッド配向・着磁とは、複数磁極からなるリング磁石において、主極部をラジアル配向・着磁し、隣接する主極部間の界面部を極異方配向・着磁するものである。その他、公知の配向・着磁方法を使用することができる。
【００２８】
６．ステータスロット数
スロット数は、１２極であることが必要である。
ブラシレスモータの場合は、スロット数は３の倍数である。磁石の磁極数が１４極である場合は、コギングトルクを最小化するために、及び、ステ−タに係る磁気吸引力の対称性の観点から、スロット数は、磁石磁極数とスロット数の最小公倍数が比較的大きく、偶数極となる１２極とした。
なお、ここまで記載した実験においては、ステータティースの形状は図８に示すように、ティースのポールの幅ｈとティースのバックヨーク部の厚さｔは一定にして行った。
【００２９】
７．コイル巻数
コイル巻数の限定範囲は、通常、一般交流電源の小型（インナーロータ型ＳＰＭ型）ＤＣブラシレスモータで使用される常識的な範囲である１５０−４００巻きが好ましい。この実験においては、条件を一定にするため、３６０巻とし、占積率一定として行った。尚、コイルの巻線方式は集中巻き方式とした。
【００３０】
８．使用電圧
本発明の使用電圧は、１００〜４００Vの範囲で使用される。一般に、消費電力をさげるためには、高電圧タイプを使用する。高電圧タイプは、コイル巻き数を増やして、起磁力を強め、コイル線径を細くしてコイルの電気抵抗を高め、電流を小さくすることで、消費電力を下げている。この実験においては、条件を一定にするため、２８０Vで行った。尚、ステータとロータとのエアギャップは、今回、０．５ｍｍと一定にしているが、このギャップを縮めると更なる、磁気抵抗の低下が見られ、より小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
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。
【実施例】
【００３２】
図８は、本発明の実施例のＤＣブラシレスモータ（以下、単にモータとする。）のモータの磁気回路構成部の断面図である。実施例のモータは図面に垂直方向のモータの積厚さ方向に扁平小型化し、磁気回路部体積を１／２とする大幅な小型化を実現したものである。当然ながら、モータ積み厚さ方向は一定で、モータ外径を小型化することも可能である。
【００３３】
本実施例のモータは、ステータ１、ステータに巻回されたコイル２、モータの中央部に設けられたロータ３、そしてロータ３の中心部から延出された回転軸４から構成されている。ロータ３は円筒形状の磁性コア３１の外周に一体リング形状の永久磁石である異方性希土類ボンド磁石３２を配置したものである。
容積比較のため、従来例として従来のフェライト焼結磁石９３２を使用した８磁極−１２ティースのモータを図９に示す。また、比較例１として従来のフェライト焼結磁石９３２を使用した８磁極―１２ティースの構造において、単に、フェライト焼結磁石９３２と異方性希土類ボンド磁石８３２を置換した場合を図１０に示す。この場合、単に異方性希土類ボンド磁石を９ｍｍに置き換えても、着磁をすることができない。そこでこの比較例１では着磁できたものと想定して、コンピュータシミュレーションした結果を載せる。ここで、比較のため、従来のフェライト焼結磁石９３２を使用したモータと単に磁石を置換したモータについては、その他の諸元を同一としている。
【００３４】
また、比較例２として従来のフェライト焼結磁石９３２を使用した８磁極―１２ティースの構造において、出力特性を従来例と同じになるように、フェライト焼結磁石９３２と異方性希土類ボンド磁石８３２を置換した場合を図１１に示す。ここで、比較のため、磁石厚さｄ以外の寸法諸元を同一にして、出力特性を従来例と同じになるように、磁石厚さｄを設定した。
また、従来モータと本発明との比較のため、実施例については、ステータ外径（モータ外径と同じ）を従来モータと同一にして、出力特性を同一としている。
【００３５】
各実施例及び、従来例、比較例の諸元及び評価結果を表５に記載する。
【００３６】
【表５】
2007151283.tif 000007
尚、上記異方性希土類ボンド磁石３２は、出願人により、近年ようやく量産化が可能となったものである。例えば、この異方性希土類ボンド磁石３２は、特許２８１６６６８号公報、特許第３０６０１０４号公報の製造方法で作製される。この異方性希土類ボンド磁石３２は、最大磁気エネルギー積で２１５ｋＪ／ｍ３程度までのものを現在製造することができる。
【００３７】
本実施例のモータ（図８）と従来のモータ（図９）の異なるところは、まず、従来のモータの最大磁気エネルギー積が３２ｋＪ／ｍ３であるフェライト焼結磁石９３２を８極貼り付けた配置に代えて、最大磁気エネルギー積が１８３ｋＪ／ｍ３であるＮｄ−ＦＥ−Ｂ系磁石粉末等を原料とした一体リング状の異方性希土類ボンド磁石３２において１４磁極を採用したことである。ここで異方性希土類ボンド磁石は、公知のあらゆる材料が利用できる。
又、第二の特徴は、永久磁石を薄型化することにある。従来モータでは、磁石厚さが９ｍｍであるが、本実施例の磁石厚さは、１．５ｍｍと非常に薄い。これらは、表５より磁石厚さ対ステータ半径比ｄ／Rが、０．０３０で０．０２５以上、０．０４５以下を満足している。
更に、本発明の最大の特徴は、径方向においてモータ全体に占める磁性コアの割合を従来のモータに比べ、大幅に大きくすることである。つまり、磁性コア半径対モータ半径比ｒｃ／Ｒ値を、従来モータに比べ大きくしたことである。従来例のモータでは、ｒｃ／R値が、０．３８と磁性コアの割合は小さいが、本発明のモータでは、０．６９で、ｒｃ／Ｒ値で０．５５以上、０．７２以下を満足し、従来例に比べ大幅に増加している。
【００３８】
これらの構成をとることにより、表５に示したように、従来例に比較し、実施例の場合は、同一出力特性においてモータ軸方向の高さを１／２へと大幅に低減し、体積を１／２へ削減している。また、本実施例は、モータ性能指標Ｅαにおいては従来例に比べ２．１倍へ、モータ性能指標Ｅβにおいては従来例に比べ、２．７倍へと大幅に向上している。更に、コギングトルクにおいては従来例に比べ約２０％低減している。この実施例をファンモータに適用すると、回転ムラが大きく低減できる。
【００３９】
比較例１においては、単に、フェライト焼結磁石９３２を異方性希土類ボンド磁石８３２に適用しているため、出力特性は約１．５倍となるが、モータ性能指標Ｅαは、従来例に比べ１．６倍とある程度向上するものの、本発明のような２倍超えるような優れた効果は得られない。また、比較例１のモータ性能指標Ｅβは、従来例に比べ、逆に１／４へ減少し、供給磁石エネルギーを全く有効に利用できておらず、本発明のような２倍超えるような優れた効果は全く得られない。
これらは、主として、従来例の磁気回路構成のまま強力磁石を過剰に使用した場合には、鉄損を大きく生じることと、単位磁石使用量当たりの磁石エネルギーが減少しているためと思われる。また、コギングトルクが従来例に比べ２４倍と極端に増大し、本発明のようなコギングトルクの低減は全く見られない。
【００４０】
比較例２においては、フェライト焼結磁石９３２に変えて異方性希土類ボンド磁石８３２を適用するときに、出力特性が同一となるようにし、かつ、磁石厚さをｄ／Ｒ値を本発明を満足するように、０．０４としている。モータ性能指標Ｅαは、従来例に比べ約１．６倍とある程度向上するが、本発明のような２倍超えるような優れた効果は得られない。また、比較例２のモータ性能指標Ｅβも、従来例に比べ、約１．６倍とある程度向上するが、本発明のような２倍超えるような優れた効果は得られない。これらは、主として、磁石磁極が従来例と同一の８極とし、ｒｃ／R値を本発明範囲外の０．５３となっていることにより、この場合のトルク定数及び効率を低下させていると思われる。
また、コギングトルクが従来例に比べ１６倍と極端に増大し、本発明のようなコギングトルクの低減は全く見られない。
以上より、本発明は、従来のフェライト焼結磁石を使用した８磁極―１２ティースの構造に単に高性能の異方性希土類ボンド磁石を適用したものでなく、異方性希土類ボンド磁石の高いポテンシャルを磁極数、磁石厚さ、磁性コア半径等を有機的に組合せることで、現行のフェライト焼結磁石を使用したブラシレスモータを、１／２以下という従来では予測できない大幅な小型化・軽量化しつつ、トルク特性と効率を維持、向上し、コギングトルクの低減を同時に達成したＤＣブラシレスモータを提供するものである。
【００４１】
前述の実験例、実施例は、４０W級のモータを中心に検討してきた。
ここで、４０〜２００Wでの従来のフェライト焼結磁石を８磁極で構成したモータと本発明の構成によるモータのモータ性能指標Ｅα、Ｅβの値を図１２、図１３に示す。尚、それらのモータの構成は、表６に示す。
【００４２】
【表６】
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図１２から、本発明のモータは４０〜２００Wにおいて、モータ性能指標Ｅαが、従来例に比べ２倍以上の性能を有していることがわかる。
また、図１３においても、本発明のモータは４０〜２００Wにおいて、モータ性能指標Ｅβが、従来例に比べ２倍以上の性能を有していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、一方向に常時回転するＤＣブラシレスモータにおいて、大幅な小型化・軽量化しつつ、トルク特性と効率を維持・向上し、コギングトルクの低減を同時に達成することを必要とされるＤＣブラシレスモータに利用できる。モータサイズが同じ場合は、トルク特性と効率の高性能化とコギングトルクの低減が必要とされるＤＣブラシレスモータにも利用できる。特に、出力が４０−４００W級のファンモータに用いる場合に本発明は有用である。ここで、ファンモータにおける場合の定格回転数は１０００〜４０００ｒｐｍ程度である。また、位置決め用のサーボモータにも有用である。但し、用途をファンモータ等に限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】異方性希土類ボンド磁石の最大磁気エネルギー積とモータ性能指標Ｅαとの関係を示す特性図
【図２】異方性希土類ボンド磁石の最大磁気エネルギー積とモータ性能指標Ｅβとの関係を示す特性図
【図３】ｄ／Ｒ値とモータ性能指標Ｅαとの関係を示す特性図
【図４】ｄ／Ｒ値とモータ性能指標Ｅβとの関係を示す特性図
【図５】ｒｃ／Ｒ値とモータ性能指標Ｅαとの関係を示す特性図
【図６】磁石磁極数とコギングトルクとの関係を示す特性図
【図７】磁石磁極数とモータ性能指標Ｅαとの関係を示す特性図
【図８】本発明のＤＣブラシレスモータの磁気回路断面図
【図９】従来のフェライト焼結磁石用いたＤＣブラシレスモータの磁気回路断面図
【図１０】比較例１のＤＣブラシレスモータの磁気回路断面図
【図１１】比較例２のＤＣブラシレスモータの磁気回路断面図
【図１２】モータ出力と本発明のモータ、及び、従来のフェライト焼結磁石を使用したモータのモータ性能指標Ｅαとの関係を示す特性図
【図１３】モータ出力と本発明のモータ、及び、従来のフェライト焼結磁石を使用したモータのモータ性能指標Ｅβとの関係を示す特性図
【符号の説明】
【００４５】
１    本発明のステータ
２    本発明のコイル
３    本発明のロータ
３１    本発明の磁性コア
３２    本発明の異方性希土類ボンド磁石
４    本発明の回転軸
９１    従来例のステータ
９２    従来例のコイル
９３    従来例のロータ
９３１  従来例の磁性コア
９３２  従来例のフェライト焼結磁石
９４    従来例の回転軸
８１    比較例のステータ
８２    比較例のコイル
８３    比較例のロータ
８３１  比較例の磁性コア
８３２  比較例の異方性希土類ボンド磁石
８４    比較例の回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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