JP2013090443A - 永久磁石モータおよび洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、軽量化、低コスト化を図りながらも高トルクを発生することができる。
【解決手段】ステータコア９にステータコイルを巻回してなるステータ７と、フレームのステータコア９に対応する側に極性が交互に異なる複数の磁極を構成するほぼ矩形ブロック状の永久磁石１４，１５を配列してなるロータ５とを備え、複数の磁極を構成する永久磁石１４，１５は、長さ方向がステータコア９の周方向側に位置し、幅方向がステータコア９の径方向側に位置するようにして配設され、且つ、厚さ方向の両端部がステータコア９の厚さ方向の両端部より突出する厚さ寸法に設定され、複数の磁極を構成する永久磁石１４，１５は、磁性粉末の焼結体からなっていて、長さ方向側において磁束が反ステータコア側で周方向に流れステータコア９側で径方向に流れ、厚さ方向側において磁束が反ステータコア側で厚さ方向に流れステータコア９側で径方向に流れるように配向する。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、ロータに磁極としての複数の永久磁石を備えた永久磁石モータおよびその永久磁石モータを備えた洗濯機に関する。

例えばドラム式洗濯機においては、洗濯機負荷としてのドラムを回転駆動するモータとして永久磁石モータが用いられる。永久磁石モータは、ロータがステータの周囲外方に位置するアウタロータ形である場合には、ロータを構成するフレームが鉄板等の磁性体にて扁平な有蓋円筒形の容器状に形成され、これの内周側部がステータの周囲部外方に位置するようになっている。このフレームのステータ側である内周側部の内周面には、永久磁石が全周に複数個（多数個）配列されている。この永久磁石は、ほぼ矩形状をなして、磁束が幅方向（ステータの径方向）に単純に直線的に流れるように配向された一般的なものであり、特に、永久磁石からの磁束を正弦波にするために、永久磁石のステータ側の面を中央がステータ側に突出する円弧状に形成したものもある。フレームには、１つの永久磁石からステータ側から反ステータ側へと流れた磁束を充分に還流させるバックヨークとしての充分な厚さが必要とされる。

しかしながら、永久磁石の磁力が大きい場合、フレームの厚さが大きくなり過ぎ、加工が困難になるため、フレームの反ステータである周側部にバックヨークとしてリングが付加され、以て、フレームの厚さを大きめながらも適度に留め、その分をリングで補って、磁束が充分に還流されるようにしている。

この場合、永久磁石とともにリングをフレームに磁気的且つ機械的に強固に接合させる必要があり、このため、永久磁石のそれぞれ隣り合う部分からリングの外周にかけては、合成樹脂のモールド層が施され、フレームの周側部に対して永磁石及びリングの固定をしている。

上述ものにおいては、特に永久磁石の磁力が大きい場合に、この永久磁石を流れる磁束を充分に還流させるために、フレームの厚さが比較的大きく必要で、リングも必要であり、更に、合成樹脂のモールド層も体積多く必要とされる。この結果、全体として大型化し、その重量が大きくなり、慣性トルクが増大するなど、電動機の特性を悪化させて折り、また、コストも高くなっていた。

そこで、最近では、ロータとして、磁束の流れを極異方に配向した磁性粉末の焼結体からなる永久磁石を備え、この永久磁石を複数個、磁性体からなるフレームのステータ側に、極性を交互に異ならせて配列してなる永久磁石モータが考えられている。このものによれば、永久磁石の磁束の流れを極異方に配向したもので、極性を交互に異ならせて配列しているため、１つの永久磁石を流れた磁束は、隣り合う永久磁石に大部分が流れて充分に還流され、フレームを流れて還流する分が少なくなる。よって、フレームにバックヨークとしての厚さが必要なくなり、バックヨークとしてのリングも必要なくなる。更に、合成樹脂のモールド層も体積少なく必要とされるのみであり、これらの結果、全体とし小型化を図り得、その重量が軽減され、コストも低廉化される。
ところが、最近では、例えば電気自動車などの普及により永久磁石モータの需要が高まってきて、永久磁石として更に大きな磁力（換言すればトルク）を発生できながら、小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる永久磁石モータの開発が望まれている。

特開２００３−２９９２８２号公報

そこで、小型化、軽量化、低コスト化を図りながらも高トルクを発生することができる永久磁石モータおよびこの永久磁石モータを用いた洗濯機を提供する。

本実施形態の永久磁石モータは、ステータコアにステータコイルを巻回してなるステータと、フレームの前記ステータコアに対応する側に極性が交互に異なる複数の磁極を構成するほぼ矩形ブロック状の永久磁石を配列してなるロータとを備えたものにおいて、前記複数の磁極を構成する永久磁石は、長さ方向が前記ステータコアの周方向側に位置し、幅方向が該ステータコアの径方向側に位置するようにして配設され、且つ、厚さ方向の両端部が前記ステータコアの厚さ方向の両端部より突出する厚さ寸法に設定され、前記複数の磁極を構成する永久磁石は、磁性粉末の焼結体からなっていて、長さ方向側において磁束が反ステータコア側で周方向に流れステータコア側で径方向に流れ、厚さ方向側において磁束が反ステータコア側で厚さ方向に流れステータコア側で径方向に流れるように配向したことを特徴とする。

本実施形態の洗濯機は、上述の記載の永久磁石モータにより洗濯機負荷を回転駆動するようにしたことを特徴とする。

一実施形態を示し、（ａ）はステータおよびロータの部分拡大断面図、（ｂ）は永久磁石の磁気特性図 永久磁石モータの斜視図 ステータおよびロータの部分拡大斜視図 （a）はステータとＮ極用の永久磁石の厚さ方向の配置関係を示す図、（b）はＮ極用永久磁石の磁気特性図 （a）はステータとＳ極用の永久磁石の厚さ方向の配置関係を示す図、（b）はＳ極用永久磁石の磁気特性図 ドラム式洗濯機の概略構成を示すもので、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は縦断背面図

（一実施形態）
以下、ドラム式の洗濯機に適用し一実施形態について図面を参照して説明する。
まず、図６において、洗濯機の外箱１内には水槽２が配設されている。水槽２は、一端部である後面部２ａ（図６（ａ）の右端面部）が閉塞されたほぼ円筒状をなし、軸方向をほぼ水平にした状態で図示しないダンパ機構により弾性的に支持されている。水槽２内には、回転槽を構成するドラム３が回転自在に配設されている。このドラム３も、一端部である後面部３ａ（図６（ａ）の右端面部）が閉塞されたほぼ円筒状をなし、軸方向をほぼ水平にした状態で配設されている。ドラム３の周壁には、多数の孔（図示せず）が形成されている。なお、図示はしないが、外箱１の前面部１ａには洗濯物出入口を開閉する扉が設けられ、また、水槽２およびドラム３の前面側に開口部が形成されていて、洗濯物が洗濯物出入口を通してドラム３に対して出し入れされるようになっている。

水槽２の後面部２ａの背面には、ドラム３を回転駆動する永久磁石モータ４（以下単にモータ４と称する。）が配設されている。モータ４は、この場合、アウタロータ形のブラシレスＤＣモータからなり、ロータ５に連結された軸６が、ドラム３の後部に連結されている。したがって、モータ４によりドラム３を直接回転駆動するダイレクトドライブ方式となっている。ドラム３が、モータ４により回転駆動する洗濯機負荷に相当する。

モータ４について、図１ないし図５を参照して説明する。
モータ４のステータ７は、外周部に多数個のティース部８を有するステータコア９と、各ティース部８に巻回されたステータコイル１０と、合成樹脂製の取付部１１とを備えた構成となっていて、その取付部１１を介して前記水槽２の後面部２ａに固定状態に取り付けられる。ティース部８の数は例えば３６個となっている。

ロータ５は、外周部に環状壁１２ａを有する浅底容器状の磁性体製のフレーム１２と、環状壁１２ａの内周部に配置された全体として複数個（多数個）たる４８個の永久磁石１４、１５と、これらの永久磁石１４、１５を環状壁２ａに固定する合成樹脂製のモールド層１３（図１および図３参照）とを備えた構成となっていて、フレーム１２の中央部に設けられた軸取付部１６に前記軸６が連結される。

永久磁石１４は、ステータ７側（ステータコア９のティース部８側）がＮ極になるＮ極用、永久磁石１５は、ステータ７側がＳ極になるＳ極用であり、交互に異極をなすように配置されている。永久磁石１４および１５は、ほぼ矩形ブロック状に形成され、フレーム１２（ステータコア９）の周方向が長さ方向に、径方向が幅方向になっている。また、図４および図５に示すように、永久磁石１４および１５の厚さ寸法Ｌｍは、ステータ７のステータコア９の厚さ寸法Ｌｓより大に設定されていて、厚さ方向の両端部がステータコア９の厚さ方向の両端部より突出するようになっている。すなわち、永久磁石１４および１５はステータコア９に対してオーバラップ状態になっている。そして、永久磁石１４のステータ７のステータコア９に対応する側の面（Ｎ極側の面）は、図１（ａ）に示すように、ステータ７（ステータコア９）の外周に沿うように中央が凹となる円弧状に形成されて円弧面１４ａをなし、その長さ方向の両端部の角部が切除されて切欠部１４ｂが形成されている。同様に、永久磁石１５のステータ７のステータコア９に対応する側の面（Ｓ極側の面）は、図１（ａ）に示すように、ステータ７（ステータコア９）の外周に沿うように中央が凹となる円弧状に形成されて円弧面１５ａをなし、その長さ方向の両端部の角部が切除されて切欠部１５ｂが形成されている。

前記複数の磁極を構成する永久磁石１４および１５は、磁性粉末を焼結してなるネオジム磁石或いはフェライト磁石で構成され、磁束φの流れが長さ方向側および厚さ方向側においてともにステータ７のステータコア９側の中央に集中する極異方に配向されている。すなわち、図１（ａ）に示すように、Ｎ極用の永久磁石１４の長さ方向側では、磁束φが環状壁１２ａ側（反ステータコア９側）の両端から周方向に流れステータ７側（ステータコア９側）の中央へと径方向に流れ、Ｓ極用の永久磁石１５の長さ方向側では、磁束φがステータ７側（ステータコア９側）の中央から径方向に流れ環状壁１２ａ側（反ステータコア９側）の両端へと周方向に流れるように配向されている。これにより、永久磁石１４および１５のステータ７のステータコア９に対応する側の面における磁束分布は、図１（ｂ）に示すように、ともに正弦波形状になる。

また、Ｎ極用の永久磁石１４の厚さ向側では、図４（ａ）に示すように、磁束φが環状壁１２ａ（図２参照）側（反ステータコア９側）の厚さ方向両端から厚さ方向に流れステータ７のステータコア９側の中央へと径方向に流れ、Ｓ極用の永久磁石１５の厚さ方向側では、図５（ａ）に示すように、磁束φがステータ７のステータコア９側の中央から径方向に流れ環状壁１２ａ（図２参照）側（反ステータコア９側）の厚さ方向両端へと厚さ方向に流れるように配向されている。これにより、永久磁石１４および１５のステータコア９に対応する側の面における磁束分布は、図４（ｂ）および図５（ｂ）に示すように、ともに正弦波形状になる。

そして、磁性粉末を焼結してなる永久磁石１４および１５の配向と焼結は、例えば、磁性粉末を型内のキャビティに水とともに入れて自由状態にしておき、この状態で、磁束φが上述のごとく流れるように磁場を与えつつ、キャビティ内の水の排出を伴って磁性粉末を圧し固め、そして焼結を行なうものである。
上記モータ４は、図示はしないが、マイクロコンピュータを含む制御装置により、インバータ回路を介して制御されるようになっている。制御装置は、後述する洗濯運転の制御を行なう機能を有している。

上記構成の作用を説明する。
制御装置は、洗濯運転を開始すると、まず、給水行程を行なう。給水行程では、給水弁（図示せず）を開放して水を水槽２内ひいてはドラム３内に供給して貯留する。次に、洗い行程を行なう。洗い行程では、水槽２内に洗剤を投入した状態で、ドラム３をモータ４により例えば５０〜６０ｒｐｍの低い回転速度で正逆回転させる。これにより、ドラム３内に収容された洗濯物が洗われる。洗い行程を所定時間行なった後、排水行程を行なう。排水行程では、ドラム３を停止させた状態で、水槽２の排出口に接続された排水弁（図示せず）を開放することにより、水槽２内（ドラム３内）の水を機外へ排出する。

次に、再び給水行程を行い、水槽２内ひいてはドラム３内に水を供給して貯留する。次に、すすぎ行程を行なう。すすぎ行程では、洗剤を使用しないこと以外は洗い行程と同様な制御を行なう。すなわち、ドラム３をモータ４により例えば５０〜６０ｒｐｍの低い回転速度で正逆回転させることにより、ドラム３内の洗濯物をすすぐ。その後、前述と同様な排水行程を行なう。
次に、脱水行程を行なう。脱水行程は、ドラム３をモータ４により一方向に例えば１０００ｒｐｍの高速回転で回転させる。これにより、ドラム３内の洗濯物が遠心脱水される。以上により、洗濯運転が終了する。

このような一実施形態によれば、永久磁石１４および１５の厚さ寸法Ｌｍは、ステータ７のステータコア９の厚さ寸法Ｌｓより大に設定されていて、厚さ方向の両端部がステータコア９の厚さ方向の両端部より突出するようになっており、そして、永久磁石１４および１５は、磁束φの流れが長さ方向側および厚さ方向側においてともにステータ７側（ステータコア９側）の中央に集中する極異方に配向されているので、ステータ７のティース部８に作用する磁束分布が正弦波形状になってより強い磁力が作用することになり、高トルクを発生させることができて、低速度、高トルクを必要とする洗い、すすぎ行程を実行するモータ４として好適である。

しかも、永久磁石１４および１５は、極性を交互に異ならせて配列されているため、１つの永久磁石を流れた磁束φは、隣り合う永久磁石に大部分が流れて充分に還流され、フレーム１２を流れて還流する分が少なくなる。よって、フレーム１２にバックヨークとしての厚さが必要なくなり、バックヨークとしてのリングも必要なくなる。更に、合成樹脂のモールド層１３も体積少なく必要とされるのみであり、これらの結果、モータ４として、小型化、軽量化、低コスト化をを図りながら、高トルクを発生することができる。

また、永久磁石１４および１５のステータ７のステータコア９に対応する面を該ステータコア９に沿う円弧面１４ａおよび１５ａに形成したので、ステータ７との間のエアギャップを最小にすることができて、ステータコイル１０に磁力を効率よく作用させつつ、ロータ、５の体積を最小にすることができる。そして、永久磁石１４および１５のステータコア９に対応する面を円弧面１４ａおよび１５ａに形成したことにより、ロータ５の回転の空気抵抗が少なく、乱流による騒音の発生を防止できる。更に、永久磁石１４および１５の円弧面１４ａおよび１５ａの両端部の角部を切除して切欠部１４ｂおよび１５ｂを形成するようにしてので、角部に減磁作用が生じることによる磁気特性の変化を防止することができる。

（その他の実施形態）
モータ４としてはアウタロータ形に限られず、インナロータ形でもよい。
洗濯機としては、乾燥機能を備えた洗濯乾燥機にも適用できる。
洗濯機としては、ドラム式洗濯機に限られず、回転槽が上下方向に向いた縦軸形の洗濯機にも適用できる。この種の洗濯機では、永久磁石モータは、洗い行程およびすすぎ行程で洗濯物を撹拌する撹拌体を低速度で正逆回転させ、脱水行程では撹拌体と回転槽を一体に一方向へ高速回転させる。この場合、永久磁石モータが回転駆動する洗濯機負荷としては、撹拌体と回転槽である。

以上のように本実施形態によれば、ステータコアにステータコイルを巻回してなるステータと、フレームの前記ステータコアに対応する側に極性が交互に異なる複数の磁極を構成するほぼ矩形ブロック状の永久磁石を配列してなるロータとを備えたものにおいて、前記複数の磁極を構成する永久磁石は、長さ方向が前記ステータコアの周方向側に位置し、幅方向が該ステータコアの径方向側に位置するようにして配設され、且つ、厚さ方向の両端部が前記ステータコアの厚さ方向の両端部より突出する厚さ寸法に設定され、前記複数の磁極を構成する永久磁石は、磁性粉末の焼結体からなっていて、長さ方向側において磁束が反ステータコア側で周方向に流れステータコア側で径方向に流れ、厚さ方向側において磁束が反ステータコア側で厚さ方向に流れステータコア側で径方向に流れるように配向したことを特徴とする。このような構成により、永久磁石モータとして、小型化、軽量化、低コスト化を図りながらも高トルクを発生することができる。

以上、いくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は外箱、３はドラム（洗濯機負荷）、４は永久磁石モータ、５はロータ、７はステータ、８はティース部、９はステータコア、１０はステータコイル、１３はモールド層、１４はＮ極用の永久磁石、１５はＳ極用の永久磁石を示す。

Claims (4)

1. ステータコアにステータコイルを巻回してなるステータと、フレームの前記ステータコアに対応する側に極性が交互に異なる複数の磁極を構成するほぼ矩形ブロック状の永久磁石を配列してなるロータとを備えた永久磁石モータにおいて、
   前記複数の磁極を構成する永久磁石は、長さ方向が前記ステータコアの周方向側に位置し、幅方向が該ステータコアの径方向側に位置するようにして配設され、且つ、厚さ方向の両端部が前記ステータコアの厚さ方向の両端部より突出する厚さ寸法に設定され、
   前記複数の磁極を構成する永久磁石は、磁性粉末の焼結体からなっていて、長さ方向側において磁束が反ステータコア側で周方向に流れステータコア側で径方向に流れ、厚さ方向側において磁束が反ステータコア側で厚さ方向に流れステータコア側で径方向に流れるように配向したことを特徴とする永久磁石モータ。
2. 永久磁石のステータコア側の面は、該ステータコアに沿う円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータ。
3. 永久磁石のステータコアと対応する側の長さ方向の両端部の角部は、切除されていることを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石モータ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の永久磁石モータにより洗濯機負荷を回転駆動するようにしたことを特徴とする洗濯機。

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