JP2006094604A - 永久磁石形モータ，洗濯機及び異方性磁石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コギングトルクやトルクリップルをより低減することができる永久磁石形モータを提供する。
【解決手段】 ロータヨーク５の内周側に配置される異方性磁石６を極異方性磁石として構成し、周方向における厚さ寸法を、（最小／最大）比が０．４〜０．８となるように設定する。また、モータの回転中心と、異方性磁石６内径側の周方向中央とを結ぶ距離をＤとすると、前記周方向中央から異方性磁石６の配向中心までの距離Ｃを、Ｃ＝Ｄ×（０．４〜０．８）となるように設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固定子の外側に回転可能に設けられ略円筒状に構成される回転子ヨークと、この回転子ヨークの内周側において複数の磁極を有するように配置される異方性磁石とを備えて構成される永久磁石形モータ、及びその永久磁石形モータを搭載して構成される洗濯機、並びに前記永久磁石形モータに使用される異方性磁石の製造方法に関する。

特許文献１には、モータを構成する回転子側に配置された複数個の異方性磁石について、磁石夫々の配向の中心をモータの回転中心からずらすことで磁石が発生する磁力を滑らかに変化させ、コギングトルクを低減する技術が開示されている。
特開平７−２０３６６５公報

ところで、特許文献１では、径方向厚さが一定となる形状（いわゆる瓦形状）をなす異方性磁石を用いている。斯様な形状の磁石を用いた場合は、有効磁束量が多くなりモータの最大トルクを高めることができる一方で、コギングトルクやトルクリップルが増加するため、モータの回転時に発生する騒音や振動も大きくなってしまう。
また、異方性磁石の配向の中心位置を、モータの回転中心と磁石とを最短で結ぶ距離よりも長くする方向にずらすと、コギングトルク等が増加することに加えて、磁石の外周側を通過しようとする磁束が増加する傾向を示す。従って、磁石外周側における磁路断面積が大きくなるのに対応して回転子ヨークの厚さを増す必要があり、モータ全体が大型化するという問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率を向上させると共に、コギングトルクやトルクリップルを低減することができる永久磁石形モータ、及びその永久磁石形モータを搭載して構成される洗濯機、並びに前記永久磁石形モータに使用される異方性磁石の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の永久磁石形モータは、
固定子の外側に回転可能に設けられ、略円筒状に構成される回転子ヨークと、
この回転子ヨークの内周側において複数の磁極を有するように配置され、前記固定子に対向する面が曲面をなすように形成される異方性磁石とを備えて構成されるものにおいて、
前記異方性磁石の１磁極を構成する部分は、両端における径方向厚さが中央における径方向厚さの０．４〜０．８倍となるように形成されており、且つ、当該磁極内における配向の中心が、回転中心から磁石側にずれた位置にあることを特徴とする。

即ち、モータの固定子と回転子との間における空隙磁束密度は、磁気抵抗分布、つまり空隙長によって調整することができる。本発明では、異方性磁石を上記の形状とすることにより、回転子側に配置される各極磁石の周方向端部における空隙長が中央部よりも広くなる。加えて、異方性磁石の配向の中心を回転中心から磁石側にずれた位置にすることで、空隙磁束密度分布の波高値を低下させることなく、分布状態を正弦波に近づけることができる。

そして、上記の空隙磁束密度分布をより適切な状態とするには、磁石端部における空隙長を中央部における空隙長の２倍程度とするのが好ましい。従って、有効磁束に相当する基本波成分を維持しながら高調波成分を低減することができる。また、配向の中心位置を上記のように設定することで、磁束はより多く異方性磁石の内部を通過するようになり、磁石外周側の磁路断面積を小さくすることも可能となる。

また、請求項３記載の洗濯機は、請求項１または２記載の永久磁石形モータを備え、前記モータが発生する回転駆動力によって洗濯運転を行うことを特徴とする。斯様に構成すれば、洗濯運転時に発生しようとする振動や騒音がより小さくなる。

請求項１記載の永久磁石形モータによれば、効率を高めると共にコギングトルク或いはトルクリップルを従来構成よりも低減することができ、且つ、モータ全体を小型に構成することができる。
請求項３記載の洗濯機によれば、運転時に発生する振動や騒音を低減して、洗濯機を静音化することができる。

以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。図１は、永久磁石形モータとして、例えばアウタロータ型のブラシレスＤＣモータの構成を示す平面図（断面図）である。この図１では、ステータ側はステータコア１のみを示している。ステータコア１は、環状をなすヨーク部２と、このヨーク部２の外周部に放射状に突出するように設けられた１２個のティース３を有している。

ステータコア１の外周側には、ロータ４を構成する略円筒状のロータヨーク５が配置され、そのロータヨーク５の内周側には、８極分の異方性磁石６が接着により固定されている。異方性磁石６は、例えば特開２００３−３１９５８５号公報に開示されているように（但し、異方性磁石の形成方法を当該公報に開示されているものに限定する趣旨ではない）極異方性を付与された永久磁石で構成されている。

図２に示すように、異方性磁石６は、周方向における中央の厚みが最大となり、周方向における両端の厚みが最小となる形状であり、最小厚さ寸法は、最大厚さ寸法の０．４〜０．８倍となるように設定されている。この場合、異方性磁石６の中央から両端にかけての内周面は、例えば曲面をなして厚さ寸法が漸次減少するような形状となっている。
そして、図１に示すように、モータの回転中心と、異方性磁石６内径側の周方向中央とを結ぶ距離をＤとすると、前記周方向中央から異方性磁石６の配向中心までの距離Ｃは、
Ｃ＝Ｄ×（０．４〜０．８）
となるようにして、回転中心から磁石側にずれた位置に設定されている。

次に、異方性磁石６の条件を以上のように決定した根拠について図３及び図４も参照して説明する。図３は、異方性磁石６の（最小／最大）寸法比を、０．４，０．４５，０．５，０．６に変化させると共に、配向中心までの距離（但し、図３及び図４では「配向焦点距離」としている）Ｃを、距離Ｄの０．５倍，０．６５倍，０．８倍，１．０倍（この場合、ラジアル配向となる）に設定し、更に平行配向した場合も加えて磁束密度の基本波成分［Ｔ］をシミュレーションにより求めた結果の一例を示すものである。ここでは、異方性磁石６の（最小／最大）寸法比が大きくなるほど、基本波成分が大きくなる傾向を示しており、最大は、配向中心までの距離Ｃが距離Ｄの０．５倍のケースとなっている。

また、図４は、（最小／最大）寸法比と配向中心までの距離Ｃとを図３と同様に設定した場合に、磁束密度の歪率［％］の変化をシミュレーションにより求めた結果の一例を示すものである。ここでは、歪率が最小となるのは、（最小／最大）寸法比が０．５で、且つ配向中心までの距離Ｃが距離Ｄの０．６５倍のケースとなっている。
これらの結果より、磁束密度の基本波成分を極力大きくし、且つ歪率を極力小さくするようにパラメータを選択すれば、（最小／最大）寸法比が０．５で、且つ配向中心までの距離Ｃが距離Ｄの０．５倍のケースが最もバランスが良いと言える。
尚、配向中心までの距離Ｃが距離Ｄの０．４倍以下の場合についてはシミュレーションを行っていないが、０．４倍以下の磁石を製造しようとすると歩留まりが悪化するため、生産性が極めて悪いということが経験的に判っている（磁石を製造するメーカの一般的な見解による）。

ここで、以上のシミュレーション結果は、次のように説明される。即ち、モータのティース３とロータ４との間における空隙磁束密度は、両者間の空隙長によって調整できる。本実施例では、異方性磁石６を上記の形状にすることで、異方性磁石６の周方向端部における空隙長が中央部よりも広くなり、加えて、配向中心までの距離Ｃを上記の条件に基づき定めることで、空隙磁束密度分布の波高値を低下させることなく分布状態を正弦波に近づけている。

そして、異方性磁石６の最小厚さ寸法を最大厚さ寸法の０．４〜０．８倍に設定したことで空隙磁束密度の分布状態がより正弦波に近付くようになり、有効磁束に相当する基本波成分を維持しながら高調波成分を低減させていると考えられる。また、配向の中心位置Ｃを上記のように定めることで、磁束はより多く異方性磁石６の内部を通過するようになり、磁石６外周側の磁路断面積はより小さくなっている。

次に、図５及び図６は、図１と同様に構成されるモータを使用して縦軸形洗濯乾燥機を構成した場合を示す。図５は、洗濯乾燥機の縦断側面図である。洗濯乾燥機の外殻を成す外筐１１は、外箱１２とその最上部に装着したトップカバー１３とで構成されている。外箱１２の内部には水槽１４が配設されている。水槽１４は有底の円筒形を成しており、外箱１１の上部から吊下した複数本（１部のみ図示）の吊り棒１５、及びこの吊り棒１５にそれぞれ装着したスプリング１６等から成る弾性支持機構１７により縦軸状に支持されている。

水槽１４の内部には、回転槽１８が同じく縦軸状に配設されている。この回転槽１８も有底の円筒形を成すと共に、外槽１８ａ及び内槽１８ｂの二重槽から成っている。外槽１８ａにおける周側部の上部には、脱水孔１９が例えば横一列状に複数形成され、内槽１８ｂにおける周側部の略全域には通孔２０が多数形成されている。又、回転槽１８の上端開口縁部には回転バランサ２１が装着されており、一方、外槽１８ａ及び内槽１８ｂの各底部中央には、それぞれ通口２２，２３が形成されている。更に、外槽１８ａの底部には、図中右側の凹陥部により水溜部２４が形成され、水溜部２４内には例えばシーズ線から成るヒータ２５が配設されている。

水槽１４の底部には、２つの排水口２６，２７が形成されており、排水口２６には排水弁２８を介して排水ホース２９が接続され、その排水ホース２９の図示しない先端部は機外に導出されている。排水口２７には、排水弁３０を介して連通管３１が接続され、この連通管３１が上記排水ホース２９に接続されている。更に、水槽１４の上部には溢水口３２が形成され、この溢水口３２が溢水管３３を介して連通管３１に接続されている。

水槽１４の外底部中央には、モータ３４を水密に取付けている。モータ３４はアウターロータ形で構成され、外軸３４ａを有すると共に該外軸３４ａを貫通した内軸３４ｂを有している。外軸３４ａは水槽１４内に位置して、上端部に回転槽１８（外槽１８ａ）の外底部の中心部が取付けている。又、内軸３４ｂは、外槽１８ａ及び内槽１８ｂの各通口１２，１３を通って内槽１８ｂ内に位置しており、その上端部に撹拌体３５が取付けられている。

撹拌体３５は複数の通孔３６を有している。又、モータ３４内には図示しないクラッチ機構が存し、このクラッチ機構によって、上記外軸３４ａと内軸３４ｂの回転、ひいては回転槽１８と撹拌体３５の回転を選択的に行うようにしている。更に、水槽１４の内底部には、回転槽１８における外槽１８ａの通口２２から排水口２６にかけて、排水路３７を水槽１４の他の内部と水密に隔絶して設けている。

排水路３７の先端部である排水口２６上方の部分から水槽１４の上部にかけては、空気循環路３８が設けられている。空気循環路３８の先端部３８ａは、水槽１４の揺動に追従し得るように例えば蛇腹状に形成されて可撓性を有した構成であり、これを水槽１４の上端開口縁部に装着した槽カバー３９に気密に貫通させて、水槽１４内、ひいては回転槽８（内槽８ｂ）内に臨ませている。なお、槽カバー３９は環状であり、その中央の開口部には内蓋４０が開閉可能に設けられている。

空気循環路３８には、その上部の途中部に、送風機４１とヒータ４２とが設けられている。送風機４１は、空気循環路３８を通して回転槽１８（内槽１８ｂ）内の空気を矢印で示すように循環させるもので、ヒータ４２はその循環空気を加熱するようになっている。これらにより温風供給装置３３が構成されており、生成された温風が回転槽１８内に供給される。

トップカバー１３の前部には操作パネル４４が設けられていると共に、制御装置４５が内設され、後部には給水弁４６が内設されている。給水弁４６は、水路を２つの給水路４７，４８に切換える弁である。給水路４７の先端部は、図示しないが、前記槽カバー３９を通して回転槽１８内に臨むように配置され、給水路４８の先端部は、同じく槽カバー３９を通して水槽１４と回転槽１８との間に臨むように配置されている。

図６（ａ）には、モータ３４のロータ５１を、上下を反転させた斜視図で示すものである。ロータ５１は、フレーム（回転子ヨーク）５２と異方性磁石５３とで構成されている。フレーム５２は、磁性材例えば鋼板をプレスすることによって偏平ないわゆる有底円筒形のカップ状に形成したもので、中心部に軸支持体取付孔５４を有している。フレーム５２の周囲には環状部５５が形成されており、この環状部５５と軸支持体取付孔５４との間の中間部に切り起こしで形成された複数の通風孔５６が放射状に配置されている。
そして、ロータ５１の軸支持体取付孔５４には、軸支持体（図示せず）を介して外軸３４ａが取り付けられるようになっており、外軸３４ａは、図示しない軸受けを介して回転自在に支承される。

異方性磁石５３は所謂プラスチックマグネットであり、フェライト系のナイロンバインダに磁性粉末を混合した磁性樹脂で構成されている。そして、異方性磁石５３はフレーム５２の環状部５５の内周側に配置され、ステータ５７と対向するようになっている。又、異方性磁石５３には、その成形時に磁気の方向性が所定の方向となる磁場配向をすることで、図２に示す異方性磁石６と同様に極異方性を有する永久磁石である。尚、異方性磁石５３については、周方向における厚さの（最小／最大）寸法比を０．５に設定すると共に、異方性における配向中心までの距離Ｃを距離Ｄの０．５倍に設定している。

一方、図６（ｂ）に示すステータコア５８は、環状をなすヨーク部５９と、このヨーク部５９の外周部に放射状に突出するように設けられた多数個のティース６０を有する構成となっている。この場合、ステータコア５８は、周方向に分割された複数個の分割コア（図示せず）周方向に連結することにより、環状をなすように形成されている。各分割コアは、所定形状に打ち抜かれたけい素鋼板からなる鋼板を多数枚積層して構成されている。

ステータコア５８におけるヨーク部５９及び各ティース６０の外面には、それらのほぼ全体を覆うように、絶縁樹脂（例えばポリブチレン樹脂）製の被覆部材６１がモールド成形により設けられている。被覆部材６１には、ヨーク部５９の内周側に位置させて複数個の取付部６２が一体に設けられている。この取付部６２は、ステ−タコア５８を、取付対象となる例えば洗濯機の機構部（図示せず）に取り付ける際に利用されるものである。そして、各ティース６０にはコイル６３が巻装されてステータ５７が構成されている。

斯様に構成されたモータ３４により、撹拌体３５又は回転槽１８をダイレクトドライブで回転させることで、洗濯，脱水運転や乾燥運転時に発生する振動や騒音は極めて小さくなるので、洗濯機に十分な洗浄力や脱水，乾燥能力を付与すると同時に、洗濯機を静音化することが可能となる。

以上のように本実施例によれば、モータ３４を構成するロータ５１において、フレーム５２の内周側に配置する異方性磁石５３を異方性磁石として構成すると共に、周方向における厚さの（最小／最大）寸法比を０．５に設定し、且つ異方性における配向中心までの距離Ｃを距離Ｄの０．５倍に設定して構成した。
従って、モータ３４の最大トルクを高めながら高調波成分を低減（即ち、歪率を低減）することができ、モータ３４の効率を維持しつつコギングトルク或いはトルクリップルを従来よりも低減することができる。また、磁石５３外周側の磁路断面積が小さくなるので、ロータヨークであるフレーム５２における環状部５５に、磁路の形成を考慮した厚みを持たせる必要がなく、当該環状部５５は、専ら磁石５３を支持して回転するための強度を満たすのに十分な厚さ寸法を有していれば良い。従って、モータ３４を小型に構成することができる。

そして、モータ３４を洗濯乾燥機に適用し、モータ３４が発生する回転駆動力によって
回転槽１８又は撹拌体３５をダイレクトドライブにより回転させて、洗濯運転や脱水，乾燥運転を行わせるようにした。従って、洗濯乾燥機を室内などに設置したような場合でも、ユーザは振動や騒音を気にすることなく良好に使用することができる。

本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
異方性磁石６の配向中心までの距離Ｃは、必ずしも、Ｃ＝Ｄ×（０．４〜０．８）の関係を満たすように設定する必要はなく、少なくとも、磁極内における配向の中心が、回転中心から磁石側にずれた位置にあるように設定すれば良い。
乾燥機能を有していない洗濯機に適用しても良い。また、縦軸型の洗濯機に限ることなく、ドラム式洗濯機に適用しても良い。更に、洗濯機に限ることなく、モータを使用して構成され、運転時の騒音や振動を低減することが望まれる装置であれば広く適用が可能である。

本発明の一実施例であり、永久磁石形モータの平面図 永久磁石を１極分だけ示す図 永久磁石の周方向（最小／最大）寸法比を変化させると共に、配向中心までの距離Ｃを、距離Ｄに対して変化させた場合に、磁束密度の基本波成分をシミュレーションにより求めた結果の一例を示す図 図３と同様の条件について、磁束密度の歪率の変化をシミュレーションにより求めた結果の一例を示す図 図１と同様に構成されるモータを使用して構成される縦軸形洗濯乾燥機の縦断側面図 （ａ）はモータを構成するロータを、上下を反転させた状態で示す斜視図、（ｂ）は同ステータの斜視図

符号の説明

図面中、１はステータコア（固定子）、２はヨーク部、３はティース、４はロータ、５はロータヨーク（回転子ヨーク）、６は異方性磁石、３４はモータ、５１はロータ、５２はフレーム（回転子ヨーク）、５３は異方性磁石、５７はステータ（固定子）、５８はステータコア、５９はヨーク部、６０はティース、６３はコイルを示す。

Claims (5)

1. 固定子の外側に回転可能に設けられ、略円筒状に構成される回転子ヨークと、
   この回転子ヨークの内周側において複数の磁極を有するように配置され、前記固定子に対向する面が曲面をなすように形成される異方性磁石とを備えて構成される永久磁石形モータにおいて、
   前記異方性磁石の１磁極を構成する部分は、両端における径方向厚さが中央における径方向厚さの０．４〜０．８倍となるように形成されており、且つ、当該磁極内における配向の中心が、回転中心から磁石側にずれた位置にあることを特徴とする永久磁石形モータ。
2. 前記配向の中心位置を、回転中心と、前記異方性磁石とを最短で結ぶ距離の０．４〜０．８倍となるように形成したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形モータ。
3. 請求項１または２記載の永久磁石形モータを備え、前記モータが発生する回転駆動力によって洗濯運転を行うことを特徴とする洗濯機。
4. 固定子の外側に回転可能に設けられ、略円筒状に構成される回転子ヨークと、この回転子ヨークの内周側において複数の磁極を有するように配置され、前記固定子に対向する面が曲面をなすように形成される異方性磁石とを備えて構成される永久磁石形モータに使用される前記異方性磁石を製造する方法において、
   前記異方性磁石の１磁極を構成する部分を、両端における径方向厚さが中央における径方向厚さの０．４〜０．８倍となるように形成し、且つ、当該磁極内における配向の中心を、回転中心から磁石側にずれた位置となるように製造することを特徴とする異方性磁石の製造方法。
5. 前記配向の中心位置を、モータの回転中心と異方性磁石とを最短で結ぶ距離の０．４〜０．８倍となるように形成したことを特徴とする請求項４記載の異方性磁石の製造方法。
   
   

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