電動機または発電機等の電気機器は、筺体内部に取り付けられた固定子、および固定子と相対的に回転するように筺体に支持される回転子を一般的に備えている。機械の固定子および/または回転子は、電線コイルを含む巻線を有する。電動機では、磁場を発生させるようにこれらのコイルを通じて電気が供給されることにより、回転子を回転させる。発電機では、回転子が回転すると巻線に電気が発生する。巻線を形成するために種々の導電体が用いられ得るが、従来、これらの巻線はしばしば銅または銅合金から形成されてきた。電気機器は、洗濯機等の電化製品、並びにエアロバイクおよびトレッドミル等の装置にしばしば組み込まれる。電気機器を内蔵する電化製品のサイズ、性能およびコストは、購入を決定する際の重要な検討材料となり得る。電気機器のサイズ、性能およびコストは、電化製品全体のサイズおよびコストにしばしば大きな影響を及ぼす。
銅巻線を備えた従来の高トルク、低速度電動機はしばしば短い歯を有する。より短い歯を用いることにより、ノイズ(1)、歯におけるアンペアの低下(2)、および不都合な磁束飽和の効果(3)を低減させる。より具体的には、より短い歯を用いることにより、力に対する耐性を有する強固な構造となり、振動およびノイズを低減できる。また、従来における短い歯の一部は、薄過ぎる構造のために振動に対する耐性が弱かった。このため、隣接する歯の自由端を互いに接続させる追加的な構造部材(例えば金属線)等の、歯を強化するための他の機械的手段を必要とした。さらに、磁束を伝える短い歯は、歯を通る磁束の駆動、および磁束飽和による不都合な効果の低減を目的として、より小さいアンペアターン(すなわち電流)を必要とする。このように、より小さい駆動電流は、金属線におけるより小さい電流(すなわちI2R)損失をもたらす。さらに、過度の飽和は、高トルク荷重における、1アンペアあたりの非線形トルクをもたらす可能性がある。したがって、従来は、電動機設計を最適化するために、電動機の性能を最適化してこれらの不要な効果を低減するように銅巻線は所望の短い歯と組み合わされた。
さらに、洗濯機の場合では、電動機の重量がより大きいと洗濯機のバランスがより不安定になる。このため、電動機の重量が洗濯機の性能に影響を及ぼす。したがって、より軽量の電動機が望まれる。従来から、洗濯機用の電動機には銅巻線が用いられる。アルミニウム等のより小さい密度を有する別の導電体が用いられる場合には、より不安定になり難い洗濯機が形成されるであろう。しかしながら、これらの低密度材料の大部分は銅よりも導電性が小さい。したがって、より大きいゲージ線が巻線に用いられる必要がある。より大きい針金ゲージは熱移動をより大きくするため、電動機の作動温度をより低くする可能性がある。
また、導電体の価格は変動する。一部の巻線材料は、他の材料よりも高価となる場合がある。例えば、銅は、アルミニウム等の他の導電体と比較して非常に高価となる場合がある。材料の導電率も重要な検討材料となる。導電率が低下する場合には、その損失を補うために、より大きな巻線を用いる必要がある。しかしながら、より大きな巻線は機械サイズにおける懸念材料となるため、この結果、電化製品のサイズにも懸念が生じる。したがって、より頻繁に用いられる銅等の材料よりもアルミニウム等の一部の材料が費用的に有利である場合でさえも、サイズといったこれらの他の懸念材料を原因として今もなお銅が用いられる。従来、性能を低下させずに巻線アルミニウムを収容する銅巻線用の電動機の設計を変更することは、より大きな容積を有する電動機を必要とした。これは、従来の銅巻線の容積よりも大きな容積の巻線アルミニウムを収容するために、電動機の直径および/または全長を大きくすることによってしばしば達成された。しかしながら、電動機の用途に応じて電動機の外部サイズが制限される場合には、全長および/または直径の増大は達成されない。また、性能を犠牲にすることなく、代替的な巻線材料(例えば、アルミニウム)を用いることができない。実質的に同等の直径および全長を有する電動機において電気機器が同様の性能を維持しつつ、より費用効率の良い材料(例えば、巻線アルミニウム)を内蔵する場合には有利点となる。
一部の実施形態において、本発明は、外部回転子電気電動機に用いるのに適した固定子アセンブリに関する。アセンブリは、ハブ、ハブから半径方向外向きに延伸する複数の歯、底歯における径、および外径を有する固定子鉄心を備えている。複数の歯各々は、底部、底部から延伸する首部、および底部と反対側における先端部を有する。首部は最大幅を有する。複数の歯における隣接する一組の歯各々は、関連する歯各々の底部において測定される間隔幅を有する。アセンブリはさらに、固定子鉄心の少なくとも3つの歯各々の周囲を巻きつく巻線を備えている。固定子鉄心の外径に対する固定子鉄心の底歯における径の比率は、約0.75未満である。歯の底部において測定される歯の間隔幅に対する歯の首部の最大幅の比率は、約0.36よりも大きい。
別の実施形態において、本発明は、ハブ、およびハブから半径方向外向きに延伸する複数の歯を有する固定子鉄心を備える電気機器に関する。複数の歯各々は、底部、底部から延伸する首部、および底部と反対側における先端部を有する。首部は最大幅を有する。複数の歯における隣接する一組の歯各々は、関連する歯各々の底部において測定される間隔幅を有する。機械はさらに、固定子鉄心の少なくとも3つの歯各々の周囲を巻きつく巻線を備えている。機械はさらに、固定子鉄心に面する内面を有する環状壁を備えており、固定子鉄心に回転可能に取り付けられた回転体を備えている。機械はさらに、回転体の壁の内面の内側に磁束を形成する、環状壁の周囲に間隔をおいて複数の磁気双極子を形成するように、回転体の環状壁に配置された複数の磁石を備えている。複数の磁石各々は、約12000ガウス以下の最大残留インダクタンス(Br)を有する。歯の底部において測定される歯の間隔幅に対する歯の首部の最大幅の比率は約0.36よりも大きい。
さらに別の実施形態において、本発明は、ハブ、およびハブから半径方向外向きに延伸する複数の歯を有する固定子鉄心を備える電気機器に関する。固定子鉄心は、底歯における径および外径を有する。機械は、固定子鉄心の少なくとも3つの歯各々の周囲を巻きつく巻線を備えている。機械はさらに、固定子鉄心に面する内面を有する環状壁を備えており、固定子鉄心に回転可能に取り付けられた回転体を備えている。固定子鉄心の外径に対する固定子鉄心の底歯における径の比率は約0.75未満である。
さらに別の実施形態において、本発明は、外部回転子電気電動機に用いるのに適した固定子アセンブリに関する。アセンブリは、ハブ、およびハブから半径方向外向きに延伸する複数の歯を有する固定子鉄心を備えている。固定子鉄心は、底歯における径および外径を有する。アセンブリは、固定子鉄心の少なくとも3つの歯各々の周囲を巻きつく巻線を備えている。固定子鉄心の外径に対する固定子鉄心の底歯における径の比率は、約0.75未満である。
別の実施形態において、本発明は、固定子アセンブリに回転可能に取り付けられた回転体を有する、外部回転子電気電動機に用いるのに適した固定子アセンブリに関する。回転体は、回転体の周囲に間隔をおいて複数の磁気双極子を形成するように、約12000ガウス以下の最大残留インダクタンス(Br)を有している複数の磁石を備えている。アセンブリは、ハブ、およびハブから半径方向外向きに延伸する複数の歯を有する固定子鉄心を備えている。複数の歯各々は、底部、底部から延伸する首部、および底部と反対側における先端部を有する。首部は最大幅を有する。複数の歯における隣接する一組の歯各々は、関連する歯各々の底部において測定される間隔幅を有する。固定子鉄心の少なくとも3つの歯各々の周囲を巻線が巻きつく。歯の底部において測定される歯の間隔幅に対する歯の首部の最大幅の比率は、約0.36よりも大きい。
本発明の他の態様は、その一部が下記に記載されることにより明白となるであろう。
同一の参照番号は、各図面における同一の部品を指す。
ここで、特に図1を参照して、参照番号10によって電気装置の全体を示す。一実施形態において装置10は、筺体14内に回転可能に支持されたウォッシャードラム12を有する前入れ方式の洗濯機から構成される。シャフト16は、ドラム12と、ドラムの後方に位置しており、20として概略を示される電気電動機とを連結する。ベアリング22は、シャフト16を回転可能に支持する。
一実施形態において電気電動機20は、洗濯機10の筺体14に取り付けられた外部回転子、ブラシレス永久磁石(BPM)電気電動機である。電気電動機20は、30として概略を示す内部固定子アセンブリ、および32として概略を示す外部回転子アセンブリを備えている。内部固定子アセンブリ30は、ドラム12後方における筺体14に配置された取付ブラケット34に固定される。外部回転子アセンブリ32は、シャフト16によってドラム12に連結される。外部回転子アセンブリ32は、内部固定子アセンブリ30が配置されている中央空洞44に部分的に固定された外側リム40および中央ハブ42を有する本体38を備えている。永久磁石46は、外部回転子アセンブリ32の外側リム40の内面に取り付けられている。各磁石46は2つ以上の磁極を有している。外部回転子アセンブリ32は、本発明から逸脱しない範囲において他の数の磁極を有するが、一実施形態において回転子アセンブリは42個の磁極を有する。永久磁石46は、本発明から逸脱しない範囲において他の材料から形成され得るが、一実施形態において永久磁石は、ストロンチウムフェライトから形成される。一実施形態において磁石は、約12000ガウス以下の最大残留磁気誘導(または残留磁束密度)(Br)を有する。当業者に理解されるように、磁石46は、回転リムの内面に磁束を形成するような、外側リム40の周囲に間隔をおいて磁気双極子を供給する。別の実施形態において、最大残留磁気誘導(Br)は、約8000ガウス未満である。別の実施形態において、最大残留磁気誘導(Br)は、約5000ガウス未満である。
図2に示すように、内部固定子アセンブリ30は、中央取付フランジまたはハブ54から半径方向外向きに延伸する、52として概略を示される等しく間隔をあけた複数の歯を有する、50として概略を示される薄板状の鉄心を備えている。固定子鉄心50は、本発明から逸脱しない範囲において異なる数の複数の歯52を有するが、一実施形態において鉄心は、約12個から約48個までの歯を有する。特定の一実施形態において鉄心50は約36個の歯を有する。
図1に示すように、巻線60は固定子の歯52の周囲を巻きつく。一実施形態において各巻線60は、歯の周囲を複数回巻きつくアルミ線の一本鎖から形成される。本発明から逸脱しない範囲において他の特性を有する金属線が用いられ得るが、一実施形態において金属線は、20米国電線規格、絶縁、一本鎖、銅張り、アルミ線である。別の実施形態において金属線は、実質的に全て銅または全てアルミニウムである。金属線は、本発明から逸脱しない範囲において他の断面形状を有するが、一実施形態において金属線は円形の断面を有する。また、適度なスロット密度を得るために要求される堅さに応じた他の断面形状が採用される。固定子アセンブリ30は、当業者に理解される直巻き、パラレル巻き、および多重経路パラレル巻きを含むいくつかの種々の方法において巻きつけられる。固定子アセンブリ30と相対的に外部回転子アセンブリ32を回転駆動するために、永久磁石46の磁極と相互に作用する回転磁場を生成する巻線60を通じて電流が流れる。
薄板状の鉄心50は、複数の薄層または積層によって形成される。鉄心50は、本発明から逸脱しない範囲における他の方法において形成され得るが、一実施形態の鉄心は、その各々が約0.5ミリメートル(mm)の厚さである54個の薄層から形成される。この実施形態における鉄心50は、全体の厚さが約27ミリメートルである。薄層は、本発明から逸脱しない範囲において他の材料から形成され得るが、一実施形態において薄層は、低シリコン合金鋼から形成される。当業者によって理解されるように、薄層は、本発明から逸脱しない範囲において扇形に形成され得る。また、ねじれ構造において積層され得る。
図2および図3に示すように、薄板状の固定子鉄心50の各歯52は、通常はT字形である。複数の歯52は、底歯における径64から外側に固定子外径66まで延伸するスロット62によって間隔をあけられる。固定子鉄心50は、(12×n)個のスロット62を有しており、複数の歯52は、(12±2)n個の磁極に対応して巻きつけられる。値nは、0よりも大きい整数である(すなわち、n=1,2,3,4…)。固定子鉄心50において規定される一般的なスロットおよび磁極の組み合わせは、12個のスロットおよび10個の磁極、12個のスロットおよび14個の磁極、24個のスロットおよび20個の磁極、24個のスロットおよび28個の磁極、36個のスロットおよび30個の磁極、36個のスロットおよび42個の磁極等を含んでいる。
次に、図3に示すように、鉄心50は、底歯における径64および固定子外径66を備えている。鉄心50は、本発明から逸脱しない範囲において他の底歯における径64および外径66を有するが、一実施形態において固定子鉄心は、約100ミリメートルから約200ミリメートルの底歯における径、および約220ミリメートルから約300ミリメートルの外径を有する。特定の一実施形態において歯52は、約180ミリメートルの底歯における径64および約264ミリメートルの外径66を有する。さらに、各歯52は、ハブ54の外径における底部72と、歯の先端における先端部74との間を延伸する歯の首部70に沿って、通常一定の幅68を有する。複数の歯52は、本発明から逸脱しない範囲において他の幅68を有する首部70を有するが、一実施形態において各歯は、約6ミリメートルから約10ミリメートルの首部の幅を有する。特定の一実施形態において各歯52は、約7.7ミリメートルの首部の幅68を有する。隣接する一組の歯52各々は、複数の歯各々の底部72から複数の歯の先端部74まで異なる幅を有するスロット62によって隔てられる。スロット62は、当初は底部72から先端部74に向かって首部70に沿って幅が広くなり、それから、T字形の歯52の先端部の影響を受けて、先端部付近では幅が狭くなる。当業者に理解されるように、首部70に沿った歯の幅68は、歯の首部全体において一定ではなく異なり得る。首部70は、歯の首部の最大幅68を有する。歯52がその首部に沿って通常一定の幅68を有する場合には、歯の首部の最大幅68は歯の首部の幅と等しい。一方、歯52がその全長に沿って異なる幅を有する場合には、歯の首部の最大幅は、歯の首部の幅が最大の位置において測定される。
図3に示すように、歯の間隔幅は、隣接する歯52における対向面の間におけるアーク長として規定される。歯の間隔幅は、歯52に沿った放射状の位置によって変化する。例えば、歯52は、歯の底部72において測定された歯の内側における間隔幅80、および固定子鉄心50の外径66において測定された歯の外側における間隔幅82を有する。鉄心50は、本発明から逸脱しない範囲において他の歯の間隔幅を有するが、一実施形態において鉄心は、約12ミリメートルから約20ミリメートルの歯の内側の間隔幅80、および約16ミリメートルから約27ミリメートルの歯の外側の間隔幅82を有する。特定の一実施形態において鉄心50は、約15.7ミリメートルの歯の内側の間隔幅80、および約23.4ミリメートルの歯の外側の間隔幅82を有する。
図4に示すように、外部回転子アセンブリ32は、磁石46の内径において測定された、互いに隣接する一組の磁極における関連する磁極間におけるアーク長として規定された磁石間隔幅84を有する。回転子アセンブリ32は、本発明から逸脱しない範囲において他の磁石間隔幅を有するが、一実施形態においてアセンブリは、約10ミリメートルから約30ミリメートルの磁石間隔幅84を有する。特定の一実施形態において回転子アセンブリ32は、約19.7ミリメートルの磁石間隔幅84を有する。さらに、固定子鉄心をドラム12の後方における筺体14に配置されたブラケット34(図1)に固定するために、図4に示すように、固定子鉄心50は、ボルト92を収容する穴部90を備える。図5および図6に示すように、回転子をシャフト16に接続するために(図1)、回転子アセンブリ32のハブ42はスプライン継ぎ手100を備える。回転子に用いる材料を減少するために、ハブ42に開口102が形成される。
固定子アセンブリ30および回転子アセンブリ32は、全体の性能を犠牲にすることなく、電動機20が巻線アルミニウム60を有することを可能にする他の固有の幾何学的媒介変数を有し得る。例えば、固定子外径66に対する底歯における径64の比率が約0.75未満になるように固定子鉄心50は形成される。より詳細には、底歯における径64は約180ミリメートルになり得て、固定子外径66は約264ミリメートルになり得る。この結果、比率は、264分の180すなわち0.68になる。固定子外径に対する固定子の底歯における径の比率は、本発明から逸脱しない範囲における他の値を有するが、一部の実施形態においてこの比率は約0.74以下である。一部の実施形態においてこの比率は約0.7未満になる。特定の一実施形態においてこの比率は約0.684である。これらの比率は、金属線の損失を許容範囲内にするための十分なスロット領域を提供する。特に、従来の銅の電動機と同等の性能を維持しつつ、より少数の導電体の巻線物質(例えば、アルミニウム)が用いられ得るように、これらの比率は、スロット領域における半径方向内向きにしたがって大きくなる。その結果、従来公知であるように、電動機の直径または全長を増加させることなく十分な数の金属線が用いられ得る。これらの比率はさらに、巻線技術における生産に耐性のあるスロット外形を提供する。
さらに、歯の内側の間隔幅に対する歯の首部の最大幅68の特定の比率が、巻線アルミニウム60を有する電動機20を得るために有利であることが見出された。例えば、歯の内側の間隔幅80に対する歯の首部の最大幅68の比率が約0.36よりも大きいように固定子鉄心50は形成される。歯の内側の間隔幅80に対する歯の首部の最大幅68の比率は、本発明から逸脱しない範囲における他の値を有し得るが、一部の実施形態においてこの比率は、少なくとも約0.37である。特定の一実施形態において歯の内側の間隔幅80に対する歯の首部の最大幅68の比率は、約0.49である。同様に、磁石間隔幅84に対する歯の首部の最大幅68の特定の比率は、巻線アルミニウム60を有する電動機20を得るために有利であることが見出された。磁石間隔幅84に対する歯の首部の最大幅68の比率は、本発明から逸脱しない範囲における他の値を有し得るが、一実施形態においてこの比率は、少なくとも約0.31である。一実施形態において磁石間隔幅84に対する歯の首部の最大幅68の比率は、約0.39である。これらの比率は、歯を通る磁束を駆動して、歯において低下するアンペアターン(すなわち電流)を適度に維持するために十分な歯の首部の幅を提供する。これにより、望ましくない磁束飽和の効果を低減する。さらに、これらの比率は、力に対する耐性および振動の減少(および、その結果によるノイズの減少)を実現するために、歯の構造を強固にする(すなわち堅くする)。
さらに、図3に示すように、外径66の半分未満の半径110を有するように、固定子の歯52における放射状の外層90は凸状の構造を形成する。これにより、内部の固定子アセンブリ30と永久磁石46との間に、半径すき間112が形成される。凸状の面90の先端における半径すき間が、表面の中央における半径すき間のサイズの約1.10倍から約2.00倍になるように凸状の構造は形成される。固定子アセンブリ30および回転子アセンブリ32は、本発明から逸脱しない範囲において他の半径すき間を有する電動機20を生成するように形成され得るが、一実施形態において半径すき間94は、約0.10ミリメートルと約2ミリメートルとの間である。特定の一実施形態において半径すき間94は、約1.9ミリメートルである。
洗濯機10および電動機20の他の特徴が、当業者によって通常は理解されるため、これらの装置における従来からの態様はさらなる詳細を記述されない。
本発明の要素または実施形態そのものを示す際の、この記述における「1つ」、「その」および「前記」は、1つまたは2つ以上の構成要素の存在を意味するものと意図される。用語「備えている」、「含んでいる」および「有している」は、包含的であることが意図されており、記載された要素以外の追加的な要素があり得ることを意味する。
本発明から逸脱しない範囲において上述した構造における種々の変更がされ得るように、上記の記述または添付の図面に含まれる全ての事項が、限定された意味ではなく、実例として解釈されることが意図される。