JP2013106430A - 永久磁石モータおよび洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】可変磁力永久磁石が増磁または減磁されたときに、トルク変動のない安定したトルクが得られる。
【解決手段】永久磁石モータ４は、ロータ５のロータコア１３に多数の磁極を形成する永久磁石１４，１５を備え、ステータ７のステータコア９に各相のステータコイルに対応した磁極歯８を備えている。多数の磁極を形成する永久磁石１４，１５は、保磁力の異なる２種類の永久磁石１４，１５から１極当たり１種類となるように選択されて保磁力が一定な固定磁力永久磁石１５と保磁力が変化可能な可変磁力永久磁石１４とに区分され、可変磁力永久磁石１４は、ステータコイルが発生する磁力により増磁または減磁されたときには、その発生磁力が固定磁力永久磁石１５の発生磁力とほぼ同一になるように構成されている。
【選択図】図３

Description

本実施形態は、ロータに多数の永久磁石を備えた永久磁石モータおよび当該永久磁石モータを用いた洗濯機に関する。

例えば、ドラム式洗濯機に用いられる永久磁石モータにおいては、駆動する洗濯機負荷たるドラムの低速回転時（洗い、すすぎ時）および高速回転時（脱水時）に応じて、ステータのステータコイルに鎖交する永久磁石の磁束量（誘起電圧）を適正に調整することが望まれている。

このため、最近では、ロータに保磁力が異なる２種類の永久磁石例えば高保磁力のネオジム磁石（固定磁力永久磁石）および低保磁力のアルニコ磁石（可変磁力永久磁石）を１磁極当たり１種類ずつ交互に配置した構成の永久磁石モータが考えられている。この場合、洗い、すすぎ時には、ステータのステータコイルが発生する磁力により可変磁力永久磁石を増磁させて磁力を増加させることにより、高トルクで低速回転させ、脱水時には、ステータコイルが発生する磁力により可変磁力永久磁石を減磁させて磁力を減少させることにより低トルクで高速回転させる。

しかしながら、上記構成では、固定磁力永久磁石と可変磁力永久磁石とは、材料が異なって磁化曲線が異なるので、可変磁力永久磁石を増磁させてもその発生磁力は固定磁力永久磁石の発生磁力には及ばずこれより小になるものであり、永久磁石モータとして安定したトルクを必要とする洗い、すすぎ時に磁気アンバランスによりトルク変動が生じる問題がある。

なお、永久磁石モータとしては、前述とは逆に、可変磁力永久磁石を増磁させたときにその発生磁力が固定磁力永久磁石の発生磁力より大となり、可変磁力永久磁石を減磁させたときにその発生磁力が固定磁力永久磁石の発生磁力と等しくなって、安定したトルクを得たい場合も考えられる。この場合も、固定磁力永久磁石と可変磁力永久磁石とは、材料が異なって磁化曲線が異なるので、可変磁力永久磁石を減磁させてもその発生磁力は固定磁力の発生磁力とは等しくはならず、トルク変動が生じる。

特開２００９−１１２４５４号公報

そこで、可変磁力永久磁石がステータコイルが発生する磁力により増磁または減磁されたときに、その発生磁力が前記固定磁力永久磁石の発生磁力とほぼ同一になるようにして、トルク変動のない安定したトルクを得ることができる永久磁石モータおよび洗濯機を提供する。

本実施形態の永久磁石モータは、ロータのロータコアに多数の磁極を形成する永久磁石を備え、ステータのステータコアに各相のステータコイルに対応した磁極歯を備えており、前記多数の磁極を形成する永久磁石は、保磁力の異なる２種類の永久磁石から１極当たり１種類となるように選択されて保磁力が一定な固定磁力永久磁石と保磁力が変化可能な可変磁力永久磁石とに区分され、前記可変磁力永久磁石は、前記ステータコイルが発生する磁力により増磁または減磁されたときには、その発生磁力が前記固定磁力永久磁石の発生磁力とほぼ同一になるように構成されていることを特徴とする。

本実施形態の洗濯機は、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。

第１の実施形態を示す永久磁石モータの斜視図 要部の拡大斜視図 ステータおよびロータの一部を直線状に展開して示す作用説明図 ドラム式洗濯機の概略的構成を示し、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は縦断背面図 磁化曲線図 第２の実施形態を示す図３相当図 図５相当図

以下、ドラム式洗濯機に適用した複数の実施形態について図面を参照して説明するに、各実施形態において、同一部分には同一符号を付して示す。
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態につき、図１ないし図５を参照して説明する。

まず、図４において、ドラム式洗濯機の外箱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４（ａ）の右端面部）が閉塞された略円筒状をなし、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４（ａ）の右端面部）が閉塞されたほぼ円筒状をなし、軸方向を略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（以下、単にモータと称する）４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。従って、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により回転駆動される洗濯機負荷（負荷）に相当する。

モータ４について、図１ないし図３および図５を参照して説明する。モータ４のステータ７は、外周部に多数個例えば３６個の磁極歯８を有するステータコア９と、各磁極歯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。この場合、ステータコア９は、図３に示すように、６等分された如き分割コア９Ａを６個、一方の端部に形成された係合凸部９ａを他方の端部に形成された係合凹部９ｂに互いに挿入係合することにより連結されて構成されている。従って、１つの分割コア９Ａは、６個の磁極歯８を有し、隣接する３つの磁極歯８は３相のＵ、ＶおよびＷ相に対応する。

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、その環状壁１２ａの内周部に配置された円環状をなすロータコア１３と、このロータコア１３に形成された多数個の磁石挿入孔１７に挿入された保磁力の異なる永久磁石１４および１５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。

この場合、低（小）保磁力の永久磁石１４および高（大）永久磁石１５は、主成分がＮｄ（ネオジム）、Ｆｅ（鉄）、Ｂ（ポロン）からなる同一の材料たるネオジム磁石で構成されるが、添加されるＤｙ（ジスプロシウム）の割合によって磁化曲線が異なるネオジム磁石が得られる。図５は、横軸に保磁力、磁界（電流）をとり、縦軸に磁力をとって示す磁化曲線であり、添加されるＤｙの割合が大の場合は、高保磁力の固定磁力永久磁石たる永久磁石１５が得られ、添加されるＤｙの割合が小の場合は、低保磁力の可変磁力永久磁石たる永久磁石１４が得られる。ここで、低保磁力の永久磁石（可変磁力永久磁石）１４の保磁力は、例えば３５０ｋＡ／ｍ以下に設定され、高保磁力の永久磁石（固定磁力永久磁石）１５の保磁力は、例えば７００ｋＡ／ｍ以上に設定されている。

ロータコア１３は、図３に示すように、６等分に分割された６個の分割コア１３Ａを組合せて構成されている。分割コア１３Ａは、夫々交互にＮ極とＳ極の磁極が形成されるように、各８個の磁石挿入孔１７に８個の永久磁石１４或いは１５が挿入配置されて構成される。分割コア１３Ａでは、分割コア９Ａの一方側（左側）からのＵ、Ｖ、Ｗ、Ｕ、ＶおよびＷ相の磁極歯８の配列に対して、高（大）保磁力の永久磁石１５（「大 Ｎ」）、低（小）保磁力の永久磁石１４（「小 Ｓ」）、高保磁力の永久磁石１５（「大 Ｎ」）、高保磁力の永久磁石１５（「大 Ｓ」）、高保磁力の永久磁石１５（「大 Ｎ」、高保磁力の永久磁石１５（「大 Ｓ」）、低保磁力の永久磁石１４（「小 Ｎ」）および高保磁力の永久磁石１５（「大 Ｓ」）が応じるように配置されている。

以上のように、各分割コア１３Ａは、２個の低保磁力の永久磁石１４と６個の高保磁力の永久磁石１５を備えていて、夫々総磁束量はほぼ等しいのである。そして、分割コア９Ａには、６個の磁極歯８が形成され、分割コア１３Ａには、２個の低保磁力の永久磁石１４（図３において、左側から数えて２番目と７番目）と６個の高保磁力の永久磁石１５とが配置されているので、ロータ４が回転しても、分割コア９の複数の相たるＵ、Ｖ、Ｗ、Ｕ、ＶおよびＷ相の６つの相の磁極歯８に対応する８つの永久磁石のうちの１以上たる２つは、必ず低保磁力の永久磁石１４になる。

一方、図２および図３に示すように、分割コア１３Ａにおいて、一方の端部には係合凸部１３ａが形成され、他方の端部には、係合凹部１３ｂが形成されている。そして、ロータコア１３は、６個の分割コア１３Ａを、連接する一方の係合凸部１３ａを他方の係合凹部１３ｂに互いに挿入係合することにより連結されて構成されている。

上記モータ４において、ロータコア１３の１２個の磁極歯８に巻回される１２個のＵ相のステータコイル１０は直列に接続され、１２個の磁極歯８に巻回される１２個のＶ相のステータコイル１０は直列に接続され、１２個の磁極歯８に巻回される１２個のＷ相のステータコイル１０は直列に接続された上で、これらの直列回路はスター結線されるようになっている。そして、モータ４は、図示はしないが、制御手段としての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、後述する洗い行程、すすぎ行程および脱水行程からなる洗濯運転の制御を行なう機能を有している。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。
制御装置は、洗濯運転を開始すると、まず、洗い行程を行なう。洗い行程では、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給水を行なう。次に、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浄される洗いを行なう。洗いを所定時間行なった後、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排水を行なう。

次に、制御装置は、洗い行程の中間脱水を行なう。この中間脱水では、ドラム３をモータ４により一方向に例えば１５００ｒｐｍの高速度で回転させる。これにより、ドラム３内の洗濯物が遠心脱水される。洗濯物から排出された水分は、排出口から機外へ排出される。

制御装置は、中間脱水が完了したら、すすぎ行程に移行する。すすぎ行程では、まず、ドラム３の回転を停止させた状態で、再び給水を行ない、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、すすぎを行なう。すすぎでは、洗剤を使用しないこと以外は洗い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すすぎを所定時間行なった後、前述と同様な排水を行なう。以下、同様の給水、すすぎ、排水を複数回繰り返し、すすぎ行程を終了する。

制御装置は、次に、脱水行程を行なう。脱水行程では、ドラム３をモータ４により一方向に例えば１０００ｒｐｍの高速度で回転させる。これにより、ドラム３内の洗濯物が遠心脱水される。洗濯物から排出された水分は、排出口から機外へ排出される。以上の脱水が所定時間行なわれると、脱水行程が完了し、洗濯運転が終了する。
ここで、上記した洗い行程の洗いにおいては、ドラム３（モータ４）の回転速度は低く（５０〜６０ｒｐｍ）、モータ４としては低速回転、高トルクを必要とすることから、洗い行程の洗いの前の給水において、制御装置は、モータ４の永久磁石１４の磁束を増加させるべく、増磁を行なう。

具体的には、ステータコイル１０に所定アンペア（Ａ）例えば＋１５Ａの電流を印加することで、永久磁石１４の磁束を最大まで上げ、電流の印加を解除しても、その磁束が保持されようにする。この場合、図５に示すように、可変磁力永久磁石たる永久磁石１４の発生磁力は、固定磁力永久磁石たる永久磁石１５の発生磁力とほぼ同一なる。これにより、ステータ７に対して作用するロータ５全体としての磁束が増加するようになる。この状態で、モータ４によりドラム３を低速度で回転駆動させて洗い行程の洗いを実行することで、モータ４としては安定した高トルクを発揮できる。この洗い行程の際には、ステータコイル１０への通常の運転電流は約±７Ａの範囲であるので、低保磁力の永久磁石１４でも磁束が変化してしまうことはない。
次に、洗い行程の中間脱水においては、ドラム３（モータ４）の回転速度は高く（１５００ｒｐｍ）、モータ４としては低トルク、高速回転を必要とすることから、中間脱水の前の排水において、制御装置は、永久磁石１４の磁束を減少させるべく、減磁を行なう。

具体的には、ステータコイル１０に例えば−７Ａより負側に大きい電流例えば−１２〜−１３Ａを印加することで、永久磁石１４の発生磁力を下げ、電流の印加を解除しても、その磁力が保持されるようにする。これにより、ステータ７に対して作用するロータ５全体としての磁束が減少するようになる。この状態で、モータ４によりドラム３を高速度で回転駆動させて中間脱水を実行することで、モータ４としては低トルク、高速回転に適したものとなる。この中間脱水の際にも、ステータコイル１０への通常の運転電流は約±７Ａの範囲であるので、低保磁力の永久磁石１４でも磁束が変化してしまうことはない。

次に、すすぎ行程のすすぎにおいては、洗い行程の洗いと同様に、ドラム３（モータ４）の回転速度は低く（５０〜６０ｒｐｍ）、モータ４としては低速回転、高トルクを必要とすることから、すすぎの前の給水において、永久磁石１４の磁束を増加させるべく、前述と同様な増磁を行なう。このように増磁した状態で、すすぎを行なう。
そして、脱水行程においては、洗い行程の中間脱水行程と同様に、ドラム３（モータ４）の回転速度は高く（１０００ｒｐｍ）、モータ４としては低トルク、高速回転を必要とすることから、最終脱水行程の前のすすぎ行程の排水において、永久磁石１４の磁束を減少させるべく、前述と同様な減磁を行なう。このように減磁した状態で、脱水行程を行なう。

上記した第１の実施形態によれば、次のような作用効果を得ることができる。
低保磁力の永久磁石１４は、増磁されたときに、その発生磁力が高保磁力の永久磁石１５の発生磁力とほぼ同一になるように構成されているので、モータ４として磁気アンバランスによるトルク変動がない安定したトルクを得ることができるとともに、磁力増加にともないトルクの増加も図ることができ、安定した高トルクを必要とする洗濯運転の洗い、すすぎに好適である。そして、低保磁力の永久磁石１４および高保磁力の永久磁石１５を同一の材料たるネオジム磁石で構成したので、上述したような永久磁石１４の磁気特性（磁化曲線）を容易に得ることができる。

また、分割コア９Ａには、６個の磁極歯８が形成され、分割コア１３Ａには、２個の低保磁力の永久磁石１４（図３において、左側から数えて２番目と７番目）と６個の高保磁力の永久磁石１５とが配置されているので、ロータ４が回転しても、分割コア９の複数の相たるＵ、Ｖ、Ｗ、Ｕ、ＶおよびＷ相の６つの相の磁極歯８に対応する８つの永久磁石のうちの１以上たる２つは、必ず低保磁力の永久磁石１４になる。従って、永久磁石１４が減磁されたときにおいては、各分割コア９Ａに作用する総磁束量はほぼ等しくなり、磁気アンバランスを極力なくすことができて、トルク変動を抑制することができ、振動、騒音の発生を防止できる。

（第２の実施形態）
図６および図７は、第２の実施形態を示す。
この第２の実施形態においては、図６に示すように、低保磁力の永久磁石１４の代わりに低保磁力の永久磁石１８が用いられる。この永久磁石１８は、主成分がＳｍ（サマリウム）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）からなるサマリウムコバルト磁石で構成される。この場合、通常のサマリウムコバルト磁石は、図７に示すように、保磁力、磁力とも小なる磁化曲線を有するものであるが、そのＣｏの割合を減少させＦｅの割合を増加させると、永久磁石１４と同様の磁化曲線を有する可変磁力永久磁石たる低保磁力の永久磁石１８が得られる。
この低保磁力の永久磁石１８の増磁、減磁の作用は前記永久磁石１４と同様であり、従って、この第２の実施形態でも第１の実施形態と同様の効果を奏する。

（その他の実施形態）
ステータコアおよびロータコアは、分割コアの組み合わせによらず、一体のものを用いてもよい。
ステータコアの磁極数およびロータコアの磁極たる永久磁石数は適宜設定すればよい。
上記実施形態では、可変磁力永久磁石たる永久磁石１４或いは１８は、増磁されたきにその発生磁力が固定磁力永久磁石たる永久磁石１５の発生磁力とほぼ同一になるように構成されているが、逆に、可変磁力永久磁石が増磁されたときにその発生磁力が固定磁力永久磁石の発生磁力より大になり、可変磁力永久磁石が減磁されたときにその発生磁力が固定磁力永久磁石の発生磁力とほぼ同一になるような永久磁石モータとしてもよい。この場合、永久磁石モータとしては、可変磁力永久磁石が減磁されたときに安定したトルクを発生することになる。

ドラム式洗濯機に限らず、洗濯機全般に適用することができる。
以上のように本実施形態によれば、ロータのロータコアに多数の磁極を形成する永久磁石を備え、ステータのステータコアに各相のステータコイルに対応した磁極歯を備えた永久磁石モータにおいて、前記多数の磁極を形成する永久磁石は、保磁力の異なる２種類の永久磁石から１極当たり１種類となるように選択されて保磁力が一定な固定磁力永久磁石と保磁力が変化可能な可変磁力永久磁石とに区分され、前記可変磁力永久磁石は、前記ステータコイルが発生する磁力により増磁または減磁されたときには、その発生磁力が前記固定磁力永久磁石の発生磁力とほぼ同一になるように構成されていることを特徴とする。このような構成により、可変磁力永久磁石が増磁または減磁されたときに、トルク変動のない安定したトルクを得ることができる。

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（負荷、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は磁極歯、９はステータコア、９Ａは分割コア、１０はステータコイル、１３はロータコア、１３Ａは分割コア、１４は低保磁力の永久磁石（可変磁力永久磁石）、１５は高保磁力の永久磁石（固定磁力永久磁石）、１８は低保磁力の永久磁石（可変磁力永久磁石）を示す。

Claims (4)

1. ロータのロータコアに多数の磁極を形成する永久磁石を備え、ステータのステータコアに各相のステータコイルに対応した磁極歯を備えた永久磁石モータにおいて、
   前記多数の磁極を形成する永久磁石は、保磁力の異なる２種類の永久磁石から１極当たり１種類となるように選択されて保磁力が一定な固定磁力永久磁石と保磁力が変化可能な可変磁力永久磁石とに区分され、
   前記可変磁力永久磁石は、前記ステータコイルが発生する磁力により増磁または減磁されたときには、その発生磁力が前記固定磁力永久磁石の発生磁力とほぼ同一になるように構成されていることを特徴とする永久磁石モータ。
2. 固定磁力永久磁石と可変磁力永久磁石は、同一の材料で構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. ロータの永久磁石は、ステータコアの複数の相の磁極歯に対応する複数の永久磁石のうちの１以上が可変磁力永久磁石になるように配置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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