JP2014033750A - 洗濯乾燥機および洗濯乾燥機ファン駆動用電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転しても発生する振動を抑制できる洗濯乾燥機ファン駆動用電動機および、この電動機を用いた洗濯乾燥機を提供する。
【解決手段】衣類が収容される内槽と、この内槽を内包する外槽と、乾燥運転中に前記内槽内へ風を吹き付ける送風ユニットを備えた洗濯乾燥機において、前記送風ユニットのファンを駆動させる電動機は、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設けられた固定子と、回転子鉄心に形成された孔に対して回転軸方向に永久磁石が挿入された回転子、を有し、前記永久磁石の磁性材料をサマリウム−鉄−窒素とし、前記永久磁石の形状を、その両端側が外周へ突出しかつその中央部分が内周へ窪むような形状とした。
【選択図】 図５

Description

本発明は、洗濯乾燥機および、この洗濯乾燥機に利用される永久磁石式電動機に関するものである。

洗濯乾燥機のファン駆動用の電動機には、インバータ駆動の永久磁石式電動機が採用されている。例えば、下記特許文献１には、回転電機の回転子鉄心に設けた挿入穴に、平板状の永久磁石を埋め込んだ構成が記載されている。

一方で、家庭電器品は、高性能、省エネルギー、小型化などが昨今特に要求され、洗濯乾燥機のファン駆動用電動機についても、これらの要求を満たすため、電動機の回転子を構成する永久磁石は、磁束密度の高い希土類のネオジム系磁石が一般的に使用されてきた。しかし、レアメタルは、価格の急激な高騰などの経済的影響を受け易いため、ネオジム系以外の磁石、例えばフェライト磁石を用いた回転子も提案されてきている。

特開２００９−８９５４８号公報

上記特許文献１に記載された洗濯乾燥機のファン駆動用電動機では、平板状の永久磁石を回転子鉄心の外周側に設置しているため、永久磁石自体の重心が外周側へ偏っており、電動機を駆動させたときの遠心力に伴う振動が大きくなる。

また、上記特許文献１に記載のファン駆動用電動機において、ネオジム系磁石のように高透磁率材を用いた場合には、小さな永久磁石で十分な磁気特性が得られるため、ファン駆動用電動機全体が大型化するのを抑制でき、設置スペースの限られたコンパクトな洗濯乾燥機内にも収納することが可能である。しかしながら、このネオジム系磁石を比較的入手し易いフェライト磁石等に、単純に入れ替えた場合、十分な磁気特性を出すためには電動機全体の大型化が避けられない。

本発明の目的は、高速回転しても発生する振動を抑制できる生産性の高い洗濯乾燥機ファン駆動用電動機および、この電動機を用いた洗濯乾燥機を提供することにある。

本発明は、衣類が収容される内槽と、この内槽を内包する外槽と、乾燥運転中に前記内槽内へ風を吹き付ける送風ユニットを備えた洗濯乾燥機において、前記送風ユニットのファンを駆動させる電動機は、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設けられた固定子と、回転子鉄心に形成された孔に対して回転軸方向に永久磁石が挿入された回転子、を有し、前記永久磁石の磁性材料をサマリウム−鉄−窒素とし、前記永久磁石の形状を、その両端側が外周へ突出しかつその中央部分が内周へ窪むような形状とした。

本発明によれば、高速回転しても発生する振動を抑制可能で、かつ生産性の高い洗濯乾燥機ファン駆動用電動機が提供できる。また、乾燥運転時にファン駆動用電動機を高速回転させ、風の力で衣類のしわを伸ばすことで、乾燥仕上がりの良い洗濯乾燥機を提供することもできる。

本発明の実施形態に係るドラム式洗濯乾燥機の内部構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るドラム式洗濯乾燥機の内部構造を示す側面図である。 本実施形態に係る電動機を組み込んだ送風ユニットの断面図である。 本実施形態に係る電動機における回転子の正面図である。 本実施形態に係る電動機における回転子を分解して示した展開斜視図である。 本実施形態に係る電動機における回転子の永久磁石の焦点位置を説明する図である。 本実施形態に係る電動機の誘起電圧ひずみ率曲線図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図２は本実施形態におけるドラム式洗濯乾燥機１００の内部の構造を示すために筺体の一部を切断して示した斜視図、図４は内部の構造を示す側面図、図５は内部の構造を示すために筐体の一部を切断して示した平面図である。

本実施例のドラム式洗濯乾燥機１００は、衣類を収容する内槽たる洗濯兼脱水槽３と、この洗濯兼脱水槽３を回転させるモータ４と、洗濯兼脱水槽３を支持する筐体１を備えている。また、衣類を出し入れするための投入口を塞ぐドア９が前面カバー１ｃの略中央に設けられ、前補強材に設けたヒンジで開閉可能に支持されている。

更に、筐体１の上部中央には、操作パネルが設けられており、電源スイッチ３９，操作スイッチ１２，１３，表示器１４を備える。操作パネル６は、筐体１下部に設けた制御装置３８に電気的に接続している。

洗濯兼脱水槽３は、回転可能に支持された円筒状の回転ドラムで構成され、その外周面３ｅおよび背面３ｄに通水および通風のための多数の貫通孔を有し、前側端面に衣類を出し入れするための開口部３ａを設けてある。開口部３ａの外側には洗濯兼脱水槽３と一体の流体バランサ３ｃを備えている。外周面３ｅの内側には軸方向に延びるリフター３ｂが複数個設けてあり、洗濯，乾燥時に洗濯兼脱水槽３を回転すると、衣類はリフター３ｂと遠心力で外周面３ｅに沿って持ち上がり、重力で落下するように動きを繰り返す。洗濯兼脱水槽３の回転中心軸は、水平または開口部３ａ側が高くなるように傾斜している。

また、洗濯水を溜めるための円筒状の外槽２が、筐体１に支持され、洗濯兼脱水槽３を同軸上に内包し、前面は開口し、後側端面の外側中央にモータ４を取り付ける。モータ４の回転軸は、外槽２を貫通し、洗濯兼脱水槽３と結合している。前面の開口部には外槽カバー２ｄを設け、外槽内への貯水を可能としている。外槽カバー２ｄの前側中央には、衣類を出し入れするための開口部２ｃを有している。

そして、外槽２底面最下部には、排水口２ｂが設けてあり、排水ホース２６が接続されている。排水ホース２６の途中には排水弁（図示せず）が設けてあり、排水弁を閉じて給水することで外槽２に水を溜め、排水弁を開いて外槽２内の水を機外へ排出する。

筐体１内の上部左側には、洗剤容器１９が設けられており、前開口部から引き出し式の洗剤トレイ７を装着する。洗剤類を入れる場合は、洗剤トレイ７を図１の二点鎖線で示すように引き出す。洗剤容器１９は、筐体１の上補強材に固定されている。

また、乾燥ダクト２９が、筐体１の背面内側に縦方向に設置されており、そのダクト下部は外槽２の背面下方に設けた吸気口２ａにゴム製の蛇腹管２９ａで接続されている。乾燥ダクト２９内には、水冷除湿機構（図示せず）を内蔵しており、給水電磁弁１６から水冷除湿機構へ冷却水を供給する。冷却水は乾燥ダクト２９の壁面を伝わって流下し吸気口２ａから外槽２に入り排水口２ｂから排出される。

乾燥ダクト２９の上部は、筐体１内の上部右側に前後方向に設置したフィルタダクト２７に接続している。フィルタダクト２７の前面には開口部を有しており、この開口部に引き出し式の乾燥フィルタ８を挿入してある。乾燥ダクト２９からフィルタダクト２７へ入った空気は、乾燥フィルタ８のメッシュフィルタ８ａに流入し糸くずが除去される。乾燥フィルタ８の掃除は、乾燥フィルタ８を引き出してメッシュフィルタ８ａを取り出して行う。また、フィルタダクト２７の乾燥フィルタ８挿入部の下面には開口部が設けてあり、この開口部は吸気ダクト３３と接続されており、吸気ダクト３３の他端は送風ユニット２８の吸気口と接続している。

本実施形態では、洗濯兼脱水槽３内に風を吹きつける手段が、筐体１内であって外槽２の開口部側に設けられており、モータ４により洗濯兼脱水槽３を右回りに回転させたり左回りに回転させたりを繰り返しているときに、洗濯兼脱水槽３の回転によって持ち上げられた衣類に風を吹きつけて乾燥させる。ここで、上記風を吹きつける手段は、送風ユニット２８と、この送風ユニット２８の吐き出し側に設けられて風を加熱するヒータ３１と、ヒータ３１の下流に設けられたノズル３２ｄと、これらを接続する風路とで構成されている。なお、熱源としては、ヒータ３１に限らず、ヒートポンプを用いても良い。

送風ユニット２８は、駆動用のファンモータ２８ａ，ファン羽根車２８ｂ、ファンケース２８ｃで構成されている。ファンケース２８ｃにはヒータ３１が内蔵されており、ファン羽根車から送られる空気を加熱する。送風ユニット２８の吐出口は温風ダクト３０に接続されている。温風ダクト３０は、ゴム製の蛇腹管３０ａ，蛇腹管継ぎ手３０ｂを介して外槽カバー２ｄに設けた温風吹き出し口３２に接続している。

図３を用いて、送風ユニット２８を更に詳しく説明する。ファンケース２８ｃは、ファン羽根車３の中央に向くところ設けた吸込口５５と、ファンケース２８ｃの外周側に設けた吐出口５６を有する。ファン羽根車２８ｂはファンモータ２８ａの回転軸５７に固定支持されている。そして、ファンモータ２８ａにより回転させると、吸込口５５から吸引された空気がファン羽根車２８ｂで加圧され、吐出口５６から勢い良く送風される。

次に、ファンモータ２８ａについて詳細に説明する。本実施形態におけるファンモータ２８ａは、温風吹き出し口３２から高速の風を吹き出すために、８０００ｒ／min以上２００００ｒ／min以下程度の回転速度で運転し、高速かつ高圧の風を発生させる。ただし、ファンモータ２８ａの回転速度を単純に高速化すると、振動による騒音も増加してしまう。そこで、本実施形態では、ファンモータの回転子で使用する永久磁石の磁性材料をサマリウム−鉄−窒素とし、かつ、永久磁石の形状を、その両端側が外周へ突出しかつその中央部分が内周へ窪むような形状とした。これにより、騒音が少なく、高効率、高出力、小型化が可能な永久磁石式電動機を実現できる。以下、具体的に説明する。

本実施形態におけるファンモータ２８ａは、図３に示すように、回転子８と、固定子９と、ハウジング１０Ａ、１０Ｂと、回転軸５７を回転自在に支持する軸受１１Ａ、１１Ｂを有する。そして、回転子５８は、固定子５９の内周側に所定のギャップを介して回転自在に支承されている。

ここで、固定子５９は、ティースとコアバックからなる固定子鉄心と、ティース間に形成された複数のスロット内に巻装された集中巻の電機子巻線から構成されている（図示せず）。

次に、本実施形態における回転子５８について、図４および図５を用いて説明する。

回転子５８は、電磁鋼板等の鋼板を積層した回転子鉄心２０と、この回転子鉄心２０に形成された永久磁石挿入孔５２に対して回転軸方向に挿入される永久磁石２１と、回転軸５７と嵌合する軸挿入穴２４を有している。なお、回転子５８の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸とすると、回転子磁極５３はｄ軸を中心に対象となるよう構成されている。

また、回転子鉄心２０は中心に軸挿入穴２４を有し、この軸挿入穴２４に回転軸５７が圧入される。回転軸５７は、外周にステーキング加工（図示せず）が施され、回転子鉄心２０と回転軸５７との回り止めになっている。

図５に示すように、回転子鉄心２０には、曲線形状を有するＵ字型の永久磁石挿入孔５２が設けられ、この永久磁石挿入孔５２に、サマリウム−鉄−窒素系の永久磁石２１が収納される。

ここで、サマリウム−鉄−窒素系の永久磁石における主原材料の具体的な配合割合（重量パーセント）は、鉄：約７３％、サマリウム：約２４％、窒素：約３％である。これに対して、従来のネオジム磁石の場合、鉄：約６６％、ネオジム：約２８％、ジスプロシウム他：約５％、ボロン：約１％である。このように、サマリウム−鉄−窒素系を用いることで、希土類の配合割合が少なくなり、市場動向の影響を受けに難くでき、生産性の向上につながる。

永久磁石２１の形状については、同じＵ字型であっても、回転子鉄心２０の中心付近まで深く窪んだ形状から、外周近傍の浅い窪みの形状まで様々のものが考えられる。永久磁石２１の中央部分が、回転子鉄心２０の外周端面から内径側に位置するほど、永久磁石２１の重心が内周側へ移動するため、遠心力に伴う振動を低減する方向に繋がるが、永久磁石２１の成形後の着磁が難しく、組立性が低下する。一方で、永久磁石２１の中央部分が、回転子鉄心２０の外周端面から外径側に位置するほど、永久磁石２１の誘起電圧が低下する。そこで、永久磁石２１の望ましい形状について分析した結果を以下説明する。

永久磁石２１の形状が変化すると、成形後に着磁したときの各磁力線の焦点距離も変化する。図６は、サマリウム−鉄−窒素系永久磁石の磁力線の焦点位置について示すものである。サマリウム−鉄−窒素系永久磁石を用いた永久磁石の磁力線は、ラジアル方向に配向するが、永久磁石の曲線（Ｕ字型）形状によって磁力線の焦点位置は変わる。

図７は、サマリウム−鉄−窒素系永久磁石の磁力線の焦点位置と、電動機の誘起電圧ひずみ率を表したグラフである。正弦波である誘起電圧は、ひずみが生じると、モータの性能を低下させる要因の一つになるため、例えば、ひずみ率の閾値を１．０％に設定して、この閾値以下にひずみを抑えることとする。この場合、図７によれば、ひずみ率が１．０％以下となる磁力線焦点位置は、−０.８ｍｍ〜＋５.７ｍｍの範囲、すなわち、回転子鉄心２０の外周端面を基準として内径側へ０．８ｍｍの場所より遠く、回転子鉄心の外周端面を基準として外径側へ５．７ｍｍの場所よりも近い場所、であることが分かる。

更に、図７のグラフでは、誘起電圧ひずみ率の最適値となる磁力線焦点位置は＋２ｍｍであるが、このときの永久磁石の誘起電圧は低いため、サマリウム−鉄−窒素系永久磁石の質量を増大させたり、回転子鉄心２０、固定子鉄心の電磁鋼板積層枚数を増やしたりする必要がある。こうした点を考慮すると、磁力線焦点位置は、±０ｍｍ近傍、すなわち、回転子鉄心２０の外周端面近傍が最も望ましい。

このように、本実施形態によれば、周方向に複数設けられる永久磁石２１が、いずれもＵ字型となっているので、永久磁石の重心を極力内周側へ抑制することができ、８０００ｒ／min以上２００００ｒ／min以下程度の高い回転速度でファンモータ２８ａを駆動させても、回転子８の遠心力による振動および騒音を抑制できる。
また、本実施形態によれば、永久磁石の材料がサマリウム−鉄−窒素系であるため、ネオジム磁石やフェライト磁石の場合と異なり、金型による成形が可能である。その結果、高精度の永久磁石が実現でき、磁極のアンバランスが低下し、高速回転化が容易となる。更には、永久磁石が成形品であるため、希土類であるサマリウムを含む材料を無駄なく有効に使うこともできる。

そして、ネオジム磁石（残留磁束密度が約１．３Ｔ）より低透磁率材であるサマリウム−鉄−窒素系の磁石（残留磁束密度が約０．７Ｔ）を用いても、その形状をＵ字形型とすることで、電動機全体を大型化（積厚方向を長く）することなく、永久磁石の表面積を増やし、表面磁界を大きくでき、磁界特性の維持が可能となる。その結果、市場動向の影響を極力抑えた、高性能で小型の電動機を安定的に提供できる。

なお、両端側が外周に向かって拡がる形状であれば、Ｕの字型に限らず、Ｖの字型、Ｃの字型、台形型等であっても良い。また、Ｕ字型の両端についても、固定子９側に対して露出しないよう、回転子鉄心２０で覆われているが、金型成形が可能な限り薄くするのが望ましい。

本実施形態では、温風吹き出し口３２の面積を乾燥ダクト２９や温風ダクト３０、乾燥フィルタ８などの風路面積に比べ小さくするとともに、ファンモータ２８ａを高速回転して高圧力の空気を発生させている。これにより、温風吹き出し口３２から高速の風をドラム内に吹き出し、この高速の風を衣類に吹き付けて、風の力で衣類に発生するしわを伸ばすことができる。ここで、高速の風とは、例えば５０ｍ／ｓ以上である。また、送風ユニット２８が筐体１内の上部右側に設けてあるので、温風吹き出し口３２は外槽カバー２ｄの右斜め上の位置に設け、温風吹き出し口３２までの距離を極力短くするようにしてある。このため、圧力損失の増加を防ぐことができ、効率よく高速の風を衣類に吹きつけることが可能となる。

乾燥運転時の風の流れは次のようになる。送風ユニット２８を運転し、ヒータ３１に通電すると、ノズル３２ｄから洗濯兼脱水槽３内に高速の温風が吹き込み（矢印４１）、湿った衣類に当たり、衣類を温め衣類から水分が蒸発する。乾燥運転中は、洗濯兼脱水槽３を正逆回転させているので、リフター３ｂにより衣類がノズル３２ｄの付近まで持ち上がった状態で、衣類に高速の風が当たる。このときノズル３２ｄと衣類との距離が最も短くなるので、高速の風で衣類のしわを伸ばすことができる。高温多湿となった空気は、洗濯兼脱水槽３に設けた貫通孔から外槽２に流れ、吸気口２ａから乾燥ダクト２９に吸い込まれ、乾燥ダクト２９を下から上へ流れる（矢印４２）。乾燥ダクト２９の壁面には、水冷除湿機構からの冷却水が流れ落ちており、高温多湿の空気は冷却水と接触することで冷却除湿され、乾いた低温空気となりフィルタダクト２７へ入る。フィルタダクト２７に設けたメッシュフィルタ８ａを通り糸屑が取り除かれ（矢印４３）、吸気ダクト３３に入り、送風ユニット２８に吸い込まれる（矢印４４）。そして、ヒータ３１で再度加熱され、洗濯兼脱水槽３内に吹き込むように循環する。

上述の実施形態では、ドラム式洗濯乾燥機に用いられるファンモータについて説明したが、ドラム式ではない所謂縦型洗濯乾燥機や、洗濯機能を持たない衣類乾燥機にも適用できる。

２０ 回転子鉄心
２１ 永久磁石
２４ 軸挿入穴
２８ 送風ユニット
２８ａ ファンモータ
２８ｂ ファン羽根車
２８ｃ ファンケース
５２ 永久磁石挿入孔
５３ 回転子磁極
５５ 吸込口
５６ 吐出口
５７ 回転軸
５８ 回転子
５９ 固定子

Claims (5)

1. 衣類が収容される内槽と、この内槽を内包する外槽と、乾燥運転中に前記内槽内へ風を吹き付ける送風ユニットを備えた洗濯乾燥機において、
   前記送風ユニットのファンを駆動させる電動機は、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設けられた固定子と、回転子鉄心に形成された孔に対して回転軸方向に永久磁石が挿入された回転子、を有し、
   前記永久磁石の磁性材料をサマリウム−鉄−窒素とし、
   前記永久磁石の形状を、その両端側が外周へ突出しかつその中央部分が内周へ窪むような形状としたことを特徴とする洗濯乾燥機。
2. 請求項１において、
   前記永久磁石の形状を、Ｕ字型の曲線形状としたことを特徴とする洗濯乾燥機。
3. 請求項１において、
   前記永久磁石は、前記回転子鉄心の外周端面を基準として内径側へ０．８ｍｍの場所より遠く、前記回転子鉄心の外周端面を基準として外径側へ５．７ｍｍの場所よりも近い場所に、磁力線の焦点が位置するような形状としたことを特徴とする洗濯乾燥機。
4. 請求項１において、
   乾燥運転時に、８０００〜２００００ｒ／ｍｉｎの回転速度で前記電動機を駆動させて、前記内槽内へ送風することを特徴とする洗濯乾燥機。
5. 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設けられた固定子と、回転子鉄心に形成された孔に対して回転軸方向に永久磁石が挿入された回転子、を備えた洗濯乾燥機ファン駆動用電動機において、
   前記永久磁石の磁性材料をサマリウム−鉄−窒素とし、
   前記永久磁石の形状を、その両端側が外周へ突出しかつその中央部分が内周へ窪むような形状としたことを特徴とする洗濯乾燥機ファン駆動用電動機。