JP2009081909A - 永久磁石式回転電動機およびそれを用いた洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施された固定子と、磁極としての永久磁石が複数鉄心に埋め込まれた回転子とから構成される永久磁石式回転電動機の騒音を低減する。
【解決手段】回転子を複数範囲に区分し、当該区分された各区分範囲内の磁極鉄心凸部の弧の長さ、すなわち、回転子中心軸から当該弧の両端を望む角である、磁極鉄心凸部角開度を異ならせると共に、その厚さ、すなわち、軸方向長さを異ならせる。
【選択図】図４

Description

本願発明は永久磁石式回転電動機およびそれを用いた洗濯機の技術に関する。

洗濯機の回転翼やドラムを駆動する回転電動機にはインバータ駆動の永久磁石式電動機が採用されている。洗濯機においては騒音の大小が製品の良否を左右するため、集中巻固定子を採用した永久磁石式電動機にさまざまなスロットコンビネーションが採用されている。現在、採用されているのは２極３スロット系列、１０極１２スロット系列、４極３スロット系列であるが、その他にも８極９スロット系列がある。

この種の永久磁石式電動機のスロット数と磁極数の組合せによる特性として、コギングトルクを重要視すれば１０極１２スロット系列と８極９スロット系列、リラクタンストルクや弱め界磁を重要視すれば２極３スロット系列、巻線端部長さを重要視すれば２極３スロット系列と１０極１２スロット系列、巻線コストを重要視すれば４極３スロット系列、総合的に見ると２極３スロット系列と１０極１２スロット系列であること、さらに、８極９スロット系列も特異な特性であること等はよく知られており、これらの特性を勘案して、用途に応じたスロット数と磁極の組合せが用いられている（非特許文献１参照）。

さらに、騒音対策として、固定子、回転子等にスキューを施してコギングトルクを低減することも一般に行われている（非特許文献１参照）。
また、回転子を複数の範囲に区分し、当該区分された各範囲の磁極鉄心凸部の位置を回転子の周方向に階段状にずらして配置し、発生するコギングトルクと脈動トルクの位相差を１８０度とすることにより脈動トルクを低減して騒音の低減化を図ることも公知の技術である（特許文献１参照）。
株式会社日立製作所総合教育センタ技術研修所編 「わかりやすい小形モータの技術」 株式会社オーム社発行 ｐ21〜22 特開2004-48912号公報

前記公知の技術においては、コギングトルク自体の低減を図っていないので、騒音の低減化が十分ではなかった。

回転子を複数範囲に区分し、当該区分された各区分範囲内の磁極鉄心凸部の弧の長さ、すなわち、回転子中心軸から当該弧の両端を望む角である、磁極鉄心凸部角開度を異ならせると共に、その厚さ、すなわち、軸方向長さを異ならせる。

各区分範囲の軸方向長さを調整して、各区分範囲に生じるコギングトルクの振幅の大きさを同様とすると共に、磁極鉄心凸部角開度を調整して当該コギングトルクの位相差を１８０度とすることにより、コギングトルク自体を低減することができる。
したがって、脈動トルクも低減し、騒音の低減化が図れる効果を有する。

図1は本願発明による集中巻固定子を有する永久磁石式回転電動機を、回転子の軸方向に区分した各区分範囲毎の径方向断面図、図２は図１の永久磁石式回転電動機の固定子の拡大図、図３は図１の永久磁石式回転電動機の回転子の拡大図であり、図３（ａ）は、図１（ａ）、図１（ｃ）の拡大図、図３（ｂ）は、図１（ｂ）の拡大図、図４は図１の永久磁石式回転電動機の回転子の斜視図である。

図１〜図４を同時に参照して説明する。
各図中において、共通する符号は同一物を示す。また、ここでは２極３スロット系列である６極９スロットの永久磁石式回転電動機について示す。

集中巻固定子を有する永久磁石式回転電動機１は固定子２と回転子３とから構成される。固定子２は、ティース４とコアバック５からなる固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内にはティース４を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線８（三相巻線のＵ相巻線８a、Ｖ相巻線８b、Ｗ相巻線８ｃからなる）とから構成される。ここで、永久磁石式回転電動機１は６極９スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０度である。また、回転子３と対抗するティース４の内周面は、図２に示すように、円弧状部分９とべべリング１０を施した磁極片１１となっている。

回転子３は回転子鉄心１２に形成した一文字状の永久磁石挿入孔１３中に永久磁石１４が納められ、シャフト（図示せず）と嵌合するためのシャフト孔１5からなる。ここで、回転子３の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸。磁極中心方向と電気角で９０°隔たった磁極間方向に延びる軸をｑ軸とする。回転子鉄心１２の外周面の極間（ｑ軸）側に直線状にカットした略Ｖ字状を２つを組み合わせた形状の凹部１6を設けることにより、永久磁石１４の磁束を磁極側へ集合させる役目をなす回転子磁極１7を形成する。この回転子３は軸方向に３部分に区分され、第１の区分範囲は、図３（a）に示す磁極鉄心凸部角開度θ１（ここに言う「磁極鉄心凸部角開度」とは、磁極鉄心凸部１７（ａ）、又は１７（ｂ）の両端を回転子中心軸から望む角を言う）の電磁鋼板を複数枚積層した回転子部分（以下「回転子１」という）、第２の範囲区分は、図３（ｂ）に示す磁極鉄心凸部開角度θ１より狭くした磁極鉄心凸部開角度θ２の電磁鋼板を複数枚積層した回転子部分（以下「回転子２」という）、第３の範囲区分は、回転子１と同様構成の回転子部分（以下「回転子１」という）から構成されている。
回転子３は、図４に示されるように、同一構造の回転子１の間に回転子２が挟まれる構成であり、それらの各磁極鉄心凸部１7（ａ）、１７（ｂ）は磁極中心に対して対称となるように構成されている。

図５は、図４において、磁極鉄心凸部角開度θ１、θ２を各々機械角でθ１＝４０°、θ２＝３０°とし、回転子１の軸方向長さを回転子２の軸方向長さより長く（長さ比：２０対１５）して実験例における回転子１、回転子２のコギングトルク波形を示した図である。当該図には、回転子１、回転子２のコギングトルクは電気角でほぼ１８０度ずれて、合成コギングトルクの減少が示されている。

図６は、図４、図５の条件の下で永久磁石式回転電動機に発生したトルクである。
回転子１の軸方向長さを回転子２の軸方向長さより長くして、コギングトルクを意図的に残して直流トルクと合成した脈動トルクを最小化する、すなわち、直流トルクと合成したときに、当該合成トルクの脈動が最小化するように回転子１，回転子２で発生するコギングトルクのキャンセル量を軸方向長さの割合で調整し、当該コギングトルクの位相差が１８０度となるように磁極鉄心凸部角開度θ１、θ２の割合を調整したものである。
すると、図からは、直流トルクの約0．281Nmに対してコギングトルクはピークtoピークで約0.006であり、その比率が約２％と非常に小さくなること、運転中の脈動トルクはピークtoピークで約0.017Ｎｍであり、直流トルクの約6％と非常に小さくなることが示されている。

また、特定次数の高調波成分が騒音問題を引き起こすこと（特許文献１ 段落「０００４」参照）から、特定の次数の高調波成分を回転子１、回転子２の磁極鉄心凸部角開度θ１、θ２を調整してキャンセルしても良い。
例えば、第１図に示される、６局９スロットの永久磁石式回転電動機において、３次成分をキャンセル場合について具体例を挙げると、
６局であるから、１極の角度＝３６０／６＝６０度
当該６０度を高調波次数である３で割ると、６０／３＝２０度となる。
そこで、回転子１，２の磁極鉄心凸部角開度θ１、θ２のが２０度になるように設定する。

次に、洗濯機に適用した場合について記載する。
図７は、本願発明の集中巻固定子を有する永久磁石式回転電動機を搭載した洗濯乾燥機を縦断面して示す模式図である。

図7において、符号20は、外郭を構成する四角筒状の外枠である。外枠20は、クロムフリープレコート鋼板で製作されている。
符号21は洗濯兼脱水槽であり、その周壁に通水および通風のための小穴21aを有し、その上縁部に流体バランサー22を備え、底部の内側には回転自在に攪拌翼23が設置されている。符号24は洗濯兼脱水槽21を内包し洗濯水およびすすぎ水を溜める外槽であり、底部の外側には駆動装置25が鋼板製の取り付けベース26によって取り付けられている。外槽24は、外枠20の上端部の四隅部に係止した4本の防振支持装置27によってを四方から均等に吊り下げることにより外枠20の中心部に懸垂するように支持すされている。

攪拌翼23は、洗濯兼脱水槽21の底部の大部分を覆う大径（外径寸法が洗濯兼脱水槽の内径寸法の90％以上）となっている。攪拌翼23の詳細を図示していないが、中央部と周縁部が高く、その間を低く形成しており、周縁部は外周に行くほど迫り上げるように上向きに湾曲させ、洗濯物28を受け支えて回転するものである。

駆動装置25は、ブラシレスDCモータ29と電動操作クラッチ機構30と遊星歯車減速機構31を内蔵し、洗濯兼脱水槽21を静止させた状態で攪拌翼23を回転させ（攪拌モード）、洗濯兼脱水槽21と攪拌翼23をそれぞれ反対方向に回転させ（洗濯モード）、洗濯兼脱水槽21と攪拌翼23を一体に回転（脱水・乾燥モード）させるような選択的な駆動機能を有する。

外槽24の底に形成した排水口24ｂは、排水電磁弁32を介して排水ホース33に接続する。エアートラップ24ｃは、エアーチューブ34を介して水位センサ35に接続する。外枠20の下端縁には、四隅に脚36を取り付けた合成樹脂で成形されたベース37を装着する。

外側衣類投入口38を形成したトップカバー39は、外枠20の上部開口を覆うように開口端縁に嵌めこみ、フロントパネル40およびバックパネル41と共に取り付け、ねじによって外枠20に取り付けられる。

トップカバー39に形成した外側衣類投入口38は、詳細を図示していないが２つ折り（山折り）に開くようにヒンジ42によってトップカバー39に取り付けた外蓋43によって開閉自在に覆い、外槽24の上端に取り付けた外槽上カバー44に形成した内側衣類投入口45は、ヒンジ46によって外槽上カバー44に取り付けた内蓋47によって開閉自在に覆うように構成する。

トップカバー39とフロントパネル40の間に形成される前部収納部であるフロントパネルボックス48には、電源スイッチ49と操作パネル50と、アンバランス検出センサ51、蓋スイッチ52を内蔵する。アンバランス検出センサ51は、洗濯兼脱水槽21を回転させたときに洗濯兼脱水槽21内の洗濯物28のアンバランスによって、洗濯兼脱水槽21（外槽24）が所定値以上に大きく振れるのを検出するセンサである。蓋スイッチ52は、外蓋43の開閉を検知する。

操作パネル50は洗濯コース、乾燥コース、洗濯乾燥コースなど決める設定ボタンが設けられている。

トップカバー39とバックパネル41の間に形成されるバックパネルボックス53には、後述する洗濯水供給手段と高濃度洗剤液生成・供給手段を横並びにして内蔵すると共に、外槽24内の水位に応じた水位信号を発生する水位センサ35と、コントローラ54を内蔵する。

洗濯水供給手段は、入水側を水栓接続口55に接続し、洗剤溶解容器56を経由して出水側を注水口57に接続した主給水電磁弁58によって構成する。

高濃度洗剤液生成・供給手段は、補助給水電磁弁59を経由して洗剤溶解容器56に洗剤溶解水を供給し、この洗剤溶解容器56内に投入されている粉末合成洗剤を攪拌しながら高濃度洗剤液を生成し、更なる給水によって希釈しながら洗剤溶解容器56から溢水させて注水口57に供給するように構成する。洗剤溶解容器56には仕上げ剤投入室が付設されており、補助給水電磁弁60から給水することによって、洗剤溶解容器56内に投入されている柔軟仕上げ剤を仕上げ剤投入室から溢水させて注水口57に供給するように構成する。

温風循環乾燥手段は、外槽24の下部の側壁に形成した吸い出し口61から外槽24の後側の外壁面に沿って垂直状態で上向きに伸びるように形成した吸い出し口61から侵入した洗濯水を堰き止める除湿風路部である水冷除湿ダクト62と、この水冷除湿ダクト62内の上部に位置してダクト内に冷却水を供給する水冷除湿手段である冷却水散水部63と、洗濯工程における外槽24の水位よりも高い位置で折り返して外槽24の外壁面に沿って外槽24の下側に向かって垂直に伸びる下降風路部である下降風路ダクト64と、外槽24の下側の空間に配置されて下降風路ダクト64から吸い込み口に空気を吸い込んで循環空気を生成する循環ファン65と、この循環ファン65の吹き出し口から外槽24の外壁面に沿って上方向に垂直状態に伸びる上昇風路部である上昇風路ダクト66と、外槽24の上端部に取り付けた外槽上カバー44上に設置されて上昇風路ダクト66から送り込まれる循環空気を加熱する加熱手段であるヒータ（PTCヒータ）67を内蔵し、加熱した循環空気を洗濯兼脱水槽21内に向けて吹き込む吹き込み口68を備える。

水冷除湿ダクト62から下降風路ダクト64への折り返し部分には、糸屑捕集手段69を備える。また、下降風路ダクト64内下部には湿度センサ70と温度センサ71を設置し、吹き込み口68のヒータ67の下流側風路内には第２の温度センサ72を設置する。冷却水散水部63への給水は、冷却散水電磁弁73から行い、両者は蛇腹ホース74で接続されている。

循環風路を構成する水冷除湿ダクト62、下降風路ダクト64および上昇風路ダクト66は、外槽24の後側の外壁面に外槽24の周方向に並べてその一部を外槽24と一体成形して実装し、これらの外側を覆う裏側蓋75は、外側に膨出する形状に構成してねじ止めする。

この温風循環乾燥手段は、洗濯後に外槽24内の洗濯水を排水し、洗濯兼脱水槽21を高速回転させて脱水した後に高速回転させながら、あるいは、低速回転させながら、または、攪拌翼23を正逆反転させながら循環ファン65を運転することによって、外槽24および洗濯兼脱水槽21内の湿潤空気を吸い出し口61から吸い出し、水冷除湿ダクト62内を上昇させる過程において冷却水散水部63から水冷除湿ダクト62内に供給される冷却水によって冷却して除湿する。その後、除湿した空気を下降風路ダクト64を下降させて循環ファン65に吸い込み、この循環ファン65から上昇風路ダクト66とヒータ67を通して吹き込み口68に送り込み、ヒータ67によって加熱して洗濯兼脱水槽21内の中央部に向けて吹き込む。このように洗濯兼脱水槽21に吹き込まれた循環空気は、洗濯兼脱水槽21内の洗濯物28に触れて洗濯物を乾燥する。

上記洗濯機の循環ファン65に本発明の永久磁石式回転電動機１を適用し、回転速度15000ｒ/minで運転したときの洗濯機20の騒音を正面から測定した。その結果、従来のＶ字スキューを施した永久磁石式回転電動機が55ｄＢであったのに対し、本発明の永久磁石式回転電動機では49ｄＢであった。これより、本願発明の永久磁石式回転電動機はコギングトルクや脈動トルクによる騒音を低減できる効果を奏することは明らかである。

以上の実施例では２極３スロット系列の６極９スロットの例を示したが、４極３スロット系列や固定子に分布巻を使用した永久磁石式回転電動機でも良いことは言うまでもない。

以上の構成によれば、固定子の磁極片の内周面にべべリングを施し、回転子を磁極鉄心凸部角開度が広い回転子１と狭い回転子２とで構成し、回転子１と回転子２の軸方向長さを異ならせたことにより、コギングトルクや脈動トルクによる騒音を低減できる効果を奏する。

以上のように、本願発明は、回転子の磁極鉄心凸部を、磁極鉄心凸部角開度が相違する区分範囲を軸方向に複数設けることにより、当該各区分範囲に各々発生するコギングトルク同士の位相を逆相とし、その振幅の大きさを調整することにより騒音を低減化するものであるから、洗濯機に限らず、圧縮機など、ＤＣブラシレスモータを利用する如何なる技術分野にもおいても利用可能である。

本願発明による集中巻固定子を有する永久磁石式回転電動機を、回転子の軸方向に区分した各区分範囲毎の径方向断面図 図１の永久磁石式回転電動機の固定子の拡大図 図１の各区分範囲毎の回転子の拡大図 図１の永久磁石式回転電動機の回転子の斜視図 図１の永久磁石式回転電動機のコギングトルク 図１の永久磁石式回転電動機の発生トルク 本願発明の集中巻固定子を有する永久磁石式回転電動機を搭載した洗濯乾燥機の縦断面模式図

符号の説明

１・・・・・永久磁石式回転電動機
２・・・・・固定子
３・・・・・回転子
４・・・・・ティース
５・・・・・コアバック
６・・・・・固定子鉄心
７・・・・・スロット
８・・・・・電機子巻線
９・・・・・円弧状部分
１０・・・・ベベリング
１１・・・・磁極片
１２・・・・回転子鉄心
１３・・・・永久磁石挿入孔
１４・・・・永久磁石
１５・・・・シャフト孔
１６・・・・凹部
１７・・・・回転子磁極
１７（ａ）．磁極鉄心凸部
１７（ｂ）・磁極鉄心凸部
２０・・・・外枠
２１・・・・洗濯兼脱水層
２２・・・・流体バランサー
２３・・・・攪拌翼
２４・・・・外槽
２５・・・・駆動装置
２６・・・・取り付けベース
２７・・・・防振支持装置
２８・・・・洗濯物
２９・・・・ブラシレスＤＣモータ
３０・・・・電動操作クラッチ機構
３１・・・・遊星歯車減速機構
３２・・・・排水電磁弁
３３・・・・排水ホース
３４・・・・エアチューブ
３５・・・・水位センサ
３６・・・・脚
３７・・・・ベース
３８・・・・外側衣類投入口
３９・・・・トップカバー
４０・・・・フロントパネル
４１・・・・バックパネル
４２・・・・ヒンジ
４３・・・・外蓋
４４・・・・外槽上カバー
４５・・・・内側衣類投入口
４６・・・・ヒンジ
４７・・・・内蓋
４８・・・・フロントパネルボックス
４９・・・・電源スイッチ
５０・・・・操作パネル
５１・・・・アンバランス検出センサ
５２・・・・蓋スイッチ
５３・・・・バックパネルボックス
５４・・・・コントローラ
５５・・・・水栓接続口
５６・・・・洗剤溶解容器
５７・・・・注水口
５８・・・・主給水電磁弁
５９・・・・補助給水電磁弁
６０・・・・補助給水電磁弁
６１・・・・吸い出し口
６２・・・・水冷除湿ダクト
６３・・・・冷却水散水部
６４・・・・下降風路ダクト
６５・・・・循環ファン
６６・・・・上昇風路ダクト
６７・・・・ヒータ
６８・・・・吹き込み口
６９・・・・糸屑補修手段
７０・・・・湿度センサ
７１・・・・温度センサ
７２・・・・第2の温度センサ
７３・・・・冷却散水電磁弁
７４・・・・蛇腹ホース
７５・・・・裏側蓋。

Claims (5)

1. 固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施された固定子と、磁極としての永久磁石が鉄心に複数埋め込まれた回転子とから構成される永久磁石式回転電動機において、
   当該回転子を軸方向に複数の範囲に区分し、当該各区分範囲における、磁極鉄心凸部角開度を、回転子の磁極中心（ｄ軸）に対称、かつ、当該各区分範囲毎に発生するコギングトルクの位相差が所望の位相差となるように設定した永久磁石式回転電動機。
2. 請求項１における、各区分範囲の軸方向長さを、当該各区分範囲毎に発生するコギングトルクの振幅の大きさが所望の大きさとなるように設定した永久磁石式回転電動機。
3. 請求項１乃至２における回転子は、回転子鉄心の磁極間にスキュー用カット面が施されている永久磁石式回転電動機
4. 請求項１乃至３における固定子鉄心は、その内周面にべべリングが施された永久磁石式回転電動機。
5. 請求項1乃至４における永久磁石式回転電動機をファン駆動に用いた洗濯機。

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