JP2020078180A - 電動機及びそれを用いた洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子から得られる磁束量の向上を図るとともに、磁石の保持効果を維持でき、生産性に優れた電動機を提供する。【解決手段】固定子と、固定子に対して回転するように設けられた回転子と、回転子は、電磁鋼板の回転子鉄心を積層した回転磁極と、回転磁極の両側に配置された永久磁石と、を備え、回転磁極と永久磁石とを円環状に複数配置された電動機であって、回転磁極は、内径側端部の片側に磁石を支持するための突起部を有する第一の回転子鉄心と、第一の回転子鉄心と逆方向の内径側端部に突起部を有する第二の回転子鉄心と、永久磁石を支持する突起部が無い第三の回転子鉄心と、を有し、複数の第一の回転子鉄心が積層された第一ブロック体を、複数の第三の回転子鉄心が積層された第三ブロック体及び複数の第二の回転子鉄心が積層された第二ブロック体で、回転軸方向に挟持して配置された構成とする。【選択図】 図６

Description

本発明は、電動機、及び、その電動機を用いた洗濯機に関する。

現在、ブラシレス電動機の具体的な適用事例製品であるドラム式洗濯乾燥機等の洗濯機においては、洗濯槽の回転軸に磁石モータを直結して駆動する方式（ダイレクトドライブ方式、以下、ＤＤ方式という）が主流となってきている。通常ドラム式洗濯乾燥機においては、洗い工程で洗濯槽を低速高トルクで駆動する必要がある。このため、磁石には、高磁束密度のネオジム磁石などが採用されている。この磁石の主原料であるネオジムは９割以上を外国に依存しており、脱ネオジム、すなわちフェライト磁石化が期待されている。

しかしながら、ネオジム磁石の残留磁束密度が１．３Ｔであるのに対し、フェライト磁石の残留磁束密度が０．４５Ｔと小さく（約１／３）、フェライト磁石モータでは大型化するという課題があった。

このような課題を回避するための手法として、磁石からの磁束量が磁石の強磁性面の周長に左右されることに着目し、平板フェライト磁石や円弧状フェライト磁石を放射状に配置する技術が知られている。

また永久磁石から発生する磁束を効率的に利用する方法として、着磁された永久磁石を磁化方向が互いに対向するよう複数配置して回転子鉄心へ挿入して埋設する方式がある。回転子に複数設けられた永久磁石片は、回転子の回転子鉄心に設けた磁石保持孔に挿入保持され、回転子鉄心を包むモールド用合成樹脂層内に埋設されるように配置される。この際、回転子鉄心の外径側および内径側の鉄部を無くし、空隙を設けることにより永久磁石から発生する磁束をさらに効率的に利用することができる。

また、特許文献１のように、磁石の円環方向厚み寸法と回転子鉄心の内径側端部寸法を適切に設定することで、生産性を損なわず所望の磁束量を得ることが出来る手法が提案されている。

特開２０１５−６１３６４号公報

本発明は、前記問題を解決するためになされたものであり、回転子から得られる磁束量の向上を図るとともに、磁石の保持効果を維持でき、生産性に優れた電動機を提供することを目的とする。

本発明の電動機は、固定子と、固定子に対して回転するように設けられた回転子と、回転子は、電磁鋼板の回転子鉄心を積層した回転磁極と、回転磁極の両側に配置された永久磁石と、を備え、回転磁極と永久磁石とを円環状に複数配置された電動機であって、回転磁極は、内径側端部の片側に磁石を支持するための突起部を有する第一の回転子鉄心と、第一の回転子鉄心と逆方向の内径側端部に突起部を有する第二の回転子鉄心と、永久磁石を支持する突起部が無い第三の回転子鉄心と、を有し、複数の第一の回転子鉄心が積層された第一ブロック体を、複数の第三の回転子鉄心が積層された第三ブロック体及び複数の第二の回転子鉄心が積層された第二ブロック体で、回転軸方向に挟持して配置された構成とする。

又は、固定子と、固定子に対して回転するように設けられた回転子と、回転子は、電磁鋼板の回転子鉄心を積層した回転磁極と、回転磁極の両側に配置された永久磁石と、を備え、回転磁極と永久磁石とを円環状に複数配置された電動機であって、回転磁極は、内径側端部の片側に磁石を支持するための突起部を有する第一の回転子鉄心と、第一の回転子鉄心と逆方向の内径側端部に突起部を有する第二の回転子鉄心と、永久磁石を支持する突起部が無い第三の回転子鉄心と、を有し、複数の第二の回転子鉄心が積層された第二ブロック体を、複数の第三の回転子鉄心が積層された第三ブロック体及び複数の第一の回転子鉄心が積層された第一ブロック体で、回転軸方向に挟持して配置された構成とする。

本発明によれば、回転子から得られる磁束量の向上が可能であるとともに、磁石の保持効果を維持でき、生産性に優れた電動機を提供できる。

本発明に係るドラム式洗濯乾燥機の概観図である。 本発明に係る電動機の回転軸に沿った縦断面図である。 本発明に係る電動機の径方向部分断面図である。 本発明に係る回転子鉄心と永久磁石片の拡大図である。 本発明に係る回転子鉄心の概観図である。 本発明に係る回転子鉄心積層構成図である。 本発明に係る回転磁極構成の外観斜視図である。 本発明に係る電動機の誘起電圧定数との関係を示した比較図である。

次に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本実施形態に係るドラム式洗濯機（以下、洗濯乾燥機と称する）の全体構成について説明した後に、このドラム式洗濯機に搭載される電動機について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る洗濯乾燥機の外観斜視図である。

符号４０１は、洗濯乾燥機４００の外郭を構成する略箱状の筐体である。筐体４０１は、この筐体４０１を支持する合成樹脂製のベース４０２の上に取り付けられている。図１においては、洗濯乾燥機４００の筐体４０１の内側の構造を示すために、筐体４０１を構成する上面カバー（不図示）、前面カバー（不図示）、及び下部前面カバー（不図示）を取り外した様子を示している。なお、図１中、符号４０６は、筐体４０１を構成する側板であり、符号４０７は、背面カバーである。

この洗濯乾燥機４００においては、前面の略中央に設けられた開口４０８を介してドラム４０４内に衣類等の洗濯物の出し入れが行われる。そして、開口４０８は、図示しないヒンジ周りに回動するドア４０３によって開閉可能となっている。

ドラム４０４は、回転可能に支持された有底円筒形状を呈しており、その外周壁及び底壁に通水及び通風のための多数の貫通孔を有している。ドラム４０４の回転軸は、水平又は開口４０８側が高くなるように傾斜している。

外槽４０５は、円筒状に形成され、その同軸上にドラム４０４を内包している。ちなみに、この外槽４０５に内包されるドラム４０４は、洗濯室、脱水室及び乾燥室として機能するようになっている。外槽４０５の前面の開口には、合成樹脂製の図示しない外槽カバーが設けられ、外槽４０５内への貯水を可能としている。外槽４０５の底面には、図示しない排水口が設けられている。

外槽４０５は、下側をベース４０２に固定されたサスペンション４０９（コイルばねとダンパで構成）で防振支持されている。また、外槽４０５の上側は上部補強部材４１０に取り付けた補助ばね（不図示）で支持されており、この補助ばねは、外槽４０５の前後方向へ倒れを防いている。

このような洗濯乾燥機４００においては、外槽４０５内に洗浄水が貯留され、次に説明する電動機１によってドラム４０４が回転駆動されて洗濯物の洗濯が行われる。また、洗濯乾燥機４００においては、洗濯の終了後に、すすぎ、脱水、及び乾燥を実施する際に電動機１がドラム４０４を回転駆動することとなる。
次に、本実施形態に係る電動機１について更に詳しく説明する。
図１に示すように、電動機１は、外槽４０５の後側端面の外側中央に配置されている。なお、図１中、電動機１は、その回転軸方向（回転軸の延在方向）から見た当該電動機１の外形（輪郭）がかくれ線（破線）で示されている。このような電動機１の回転軸は、外槽４０５を貫通し、ドラム４０４と結合されている。
図２は、本発明の実施形態に係る電動機の回転軸に沿った電動機の縦断面図である。
図２に示すように、電動機１は、外槽４０５（図１参照）の裏底（外槽ベース）側に固定子ベース３００を介してネジ等の締結具（図示省略）により取付けられている。
固定子ベース３００は、外槽４０５に取り付けられるフランジ部３００ａと、電動機１の回転軸３２０を内蔵する胴部３００ｂとで主に構成されている。
外槽４０５（図１参照）の底部を貫通する側の胴部３００ｂに設けられるボス部３１０には、その内側にウォータシール３１１が圧入されている。このウォータシール３１１によって、外槽４０５内の洗浄水が電動機１を介して外槽４０５の外側に漏れないようになっている。
胴部３００ｂの内側には回転軸３２０を回転支持する軸受３１３ａ、３１３ｂが収納されている。
そして、回転軸３２０は、胴部３００ｂ内を外槽４０５（図１参照）側から離れるように延在し、胴部３００ｂから突出したその回転軸３２０の先端部が、後に詳しく説明する回転子２００に挿入されている。ちなみに、回転軸３２０の先端部には、ねじ部が形成されており、このねじ部に螺合するナット３１４によって、回転子２００は回転軸３２０に取り付けられている。
また、後記するように、回転子２００の外周側に配置されることとなる固定子１００は、ネジ３１５でフランジ部３００ａに固定されている。
固定子１００には、回転子２００の磁極位置を検知するための、ホールＩＣホルダ（図示省略）と巻線の発熱を検知するサーマルプロテクタを搭載したサーマルプロテクタホルダ（図示省略）が取付けられている。ちなみに、ホールＩＣホルダは、回転子２００の端面の磁束を検知し極性と位置を検出している。また、サーマルプロテクタホルダは、電動機１が過負荷になったとき、巻線へ通電する電源を遮断するように構成されている。
回転軸３２０には、ドラム４０４を取付けるためのフランジ３１６が嵌合固定されている。
図３は、図２のIIIａ−IIIａ部分断面図である。
図３に示すように、前記の回転軸３２０（図２参照）に固定される回転子２００は、固定子１００の内側に配置されている。
固定子１００は、固定子コイル１１０が巻装された多数の固定磁極１２０を有し、積層される全ての固定子鉄心の先端部は円周方向に突出している突出形状１２１となっている。

回転子２００は、後記する電磁鋼板で作成された回転子鉄心２１０（第一回転子鉄心と第二回転子鉄心）を積層した回転磁極に永久磁石（永久磁石片２２０）が多数配置されている。
本実施形態での固定子１００における固定磁極１２０の数は、４２個である。また、本実施形態での回転子２００の永久磁石片２２０及び回転磁極の数は、それぞれ５６極である。符号２６０は、所定の金型内で回転子２００をインサート成形する際に、充填される成形樹脂である。

回転子鉄心２１０と永久磁石片２２０とは、回転軸中心から放射状に交互に配置され、円筒形状を形成するように並べられている。ここで、永久磁石片２２０は、無着磁状態の磁石要素が用いられ、永久磁石片２２０の組み付け時には、永久磁石片２２０は磁化されておらず、これにより永久磁石片２２０の磁化方向の確認漏れや挿入間違いが生じることがなく、磁化方向を誤ったまま永久磁石片２２０が組み込まれてしまうおそれがない。
なお回転子鉄心２１０の端部には、空孔２３０が設けられている。この空孔２３０には、成形樹脂２６０が充填されて融着されるようになっている。

隣り合う回転子鉄心２１０の間には、永久磁石片２２０の外径側（固定子側との対向面側）に空隙２４０が形成され、永久磁石片２２０の内径側に空隙２５０が形成されている。つまり、各永久磁石片２２０は、外径側および内径側の両側面が回転子鉄心２１０に接触しない構造となっている。これらの空隙２４０、空隙２５０は、永久磁石片２２０の漏れ磁束を低減するように作用する。

これらの空隙２４０、空隙２５０に対しても、前記の空孔２３０と同様に、成形樹脂２６０が充填されて融着されるようになっている。つまり、永久磁石片２２０は、回転方向両側から回転子鉄心２１０で挟持されるとともに、径方向においても、成形樹脂２６０によって支持されている。

次に回転子から得られる磁束量を向上するための方法について説明する。
図４は回転子２００における回転子鉄心２１０と永久磁石片２２０を拡大して示したものである。永久磁石片２２０と回転子鉄心２１０は交互に円環状に配置され、磁石の内径側には空隙２５０が形成され、永久磁石片２２０の両側にある各回転子鉄心２１０同士が接触しない構成としている。また永久磁石片２２０は両側の回転子鉄心２１０の内径側に形成された突起部２１１により支持され、径方向への位置ずれを規制されている。この突起部２１１の形状が無い、あるいは不十分であると、インサート成形時に成形樹脂２６０の射出圧力によって磁石位置が変動するため、各回転子鉄心２１０から得られる磁束量に差異が生じ、トルク脈動等に影響が現れる。一方で突起部２１１は永久磁石片２２０が発生する磁束の漏洩にも寄与し、誘起電圧低下の要因となるため、突起部２１１の永久磁石片２２０に対する当接箇所は可能な限り少なくすることが好ましい。

本発明は突起部２１１の形状と永久磁石片２２０との当節箇所を減じても、磁石支持効果を期待できるように構成を改善したものである。

図５に回転子鉄心２１０を構成する、内径側端部の片側に磁石を支持する形状を有している第一の回転子鉄心２１２と、第一の回転子鉄心２１２と逆方向の内径側端部に磁石を支持する形状を有している第二の回転子鉄心２１３、磁石支持形状を持たない第三の回転子鉄心２１４を示す。第一回転子鉄心２１２は磁石を支持する突起形状２１２ａと、支持する突起の無い突起無形状２１２ｂを有している。第二回転子鉄心２１３も同様に磁石を支持する突起形状２１３ａと、支持する突起の無い突起無形状２１３ｂを有しているが、第一回転子鉄心２１２とは逆向きの構成となる。第三回転子鉄心２１４は内径側に磁石支持する突起を持たない突起無形状２１４ｂを有する。

図６は永久磁石片２２０との当節箇所を減じても、磁石支持効果を期待できるように回転子鉄心２１０を構成した形態を示す。

第一回転子鉄心２１２と第二回転子鉄心２１３と第三回転子鉄心２１４は、図の如き順番、つまり、第二回転子鉄心２１３、第三回転子鉄心２１４、第一回転子鉄心２１２、第三回転子鉄心２１４、第二回転子鉄心２１３の順に、回転軸３２０の軸方向に積層されている。つまり、第一回転子鉄心２１２を、第二回転子鉄心２１３及び第三回転子鉄心２１４で、挟持して配置された構成とする。

しかし、第一回転子鉄心２１２と第二回転子鉄心２１３を入れ替えた構成、つまり、第二回転子鉄心２１３を、第一回転子鉄心２１２及び第三回転子鉄心２１４で、挟持して配置された構成としても良い。

なお、第一回転子鉄心２１２、第二回転子鉄心２１３及び第三回転子鉄心２１４の、それぞれの回転子鉄心は、複数の回転子鉄心が回転軸３２０の軸方向に積層されたブロック体を形成している。ここでは第一回転子鉄心２１２を複数積層されたブロックを第一ブロック体、第二回転子鉄心２１３を複数積層されたブロックを第二ブロック体、第三回転子鉄心２１４を複数積層されたブロックを第三ブロック体、とする。

本発明では、このように、第一ブロック体を、第二ブロック体及び第三ブロック体で、回転軸方向に挟持して配置された構成とする、又は、第二ブロック体を、第一ブロック体及び第三ブロック体で、回転軸方向に挟持して配置された構成とする。このような配置構成にすることで、回転子から得られる磁束量の向上が可能であるとともに、磁石の保持効果を維持でき、生産性に優れた電動機を提供できる。

図７には本実施例における回転子鉄心２１０と永久磁石片２２０を円環状に配置した際の外観図を示す。永久磁石片２２０は両側に配置された回転子鉄心２１０によって支持固定され、径方向の位置は第一回転子鉄心２１２の突起２１２ａおよび第二回転子鉄心２１３の突起２１３ａによって規制される。図からも明らかなように、３点で永久磁石片２２０を受けることで、支持するための突起部２１１との当接面を減らしたとしても永久磁石片２２０のがたつきを抑制することができ、永久磁石片２２０の支持効果を損なうことは無い。

図８には誘起電圧定数と第一回転子鉄心２１２の積層方向の長さＴ１、第二回転子鉄心２１３の積層方向の長さＴ２、第三回転子鉄心２１４の積層方向の長さＴ３との関係を示した図である（図６も参照）。現行品は回転子鉄心２１０の内径側に形成された突起部２１１が両側にあるものとし、改良品１、２については、第一回転子鉄心２１２の積層方向の長さＴ１、第二回転子鉄心２１３の積層方向の長さＴ２、第三回転子鉄心２１４の積層方向の長さＴ３を変更したときの誘起電圧定数（ｐ．ｕ．）を解析にて求めた。具体的には、改良品１は、長さＴ１と長さ２が同じ長さで、それらより短い長さＴ３を設けたものとし、改良品２は、長さＴ１と長さ２が同じ長さで、それらより長い長さＴ３を設けたものとした。また、現行品の誘起電圧定数を単位化して１（ｐ．ｕ．）として示した。

この比較結果から明らかなように、回転子鉄心２１０の内径側に形成された突起部２１１を片側のみ（図５の第一回転子鉄心２１２（突起形状２１２ａ有り）、第二回転子鉄心２１３（突起形状２１３ａ有り））とすることで、誘起電圧定数（ｐ．ｕ．）の向上が見込めることが分かる。また、第三回転子鉄心の積層方向の長さＴ３を大きくすることにより、誘起電圧定数（ｐ．ｕ．）上がる傾向を示している。すなわち、突起部２１１で生じていた永久磁石片２２０の磁気漏洩を減少することで、回転子２００から得られる磁束量の向上が可能であることを示している。

本発明によれば、永久磁石片２２０の磁気漏洩が少なく、回転子から得られる磁束量の向上が可能であるとともに、永久磁石片２２０の保持効果を維持することができ、生産性に優れた回転子、磁石モータおよび洗濯機を提供することができる。

なお、本実施例では永久磁石を使用した回転子としているが、着磁前の磁石要素を使って回転子を形成し、その後に磁石要素に着磁させて永久磁石としてもよい。この場合は、回転子を組み立てるときに磁石要素が磁化されていないので、回転磁極に吸着することがなく、作業性が良いものとすることができる。

以上、本発明に係る回転子を使用した電動機ついて最良の実施の形態および実施例を示して詳細に説明した。なお、本発明の内容は、前記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲内において適宜改変・変更等することができることはいうまでもない。

１ 電動機
１００ 固定子
１１０ 固定子コイル
１２０ 固定磁極
１２１ 突出形状
２００ 回転子
２１０ 回転子鉄心
２１１ 突起部
２１２ 第一の回転子鉄心
２１３ 第二の回転子鉄心
２１４ 第三の回転子鉄心
２２０ 永久磁石片
２３０ 空孔
４００ 洗濯乾燥機
４０１ 筐体
４０２ ベース
４０３ ドア
４０４ ドラム
４０５ 外槽
４０６ 側板
４０７ 背面カバー
４０８ 開口
４０９ サスペンション
４１０ 補強部材

Claims (4)

1. 固定子と、
   前記固定子に対して回転するように設けられた回転子と、
   前記回転子は、電磁鋼板の回転子鉄心を積層した回転磁極と、前記回転磁極の両側に配置された永久磁石と、を備え、
   前記回転磁極と前記永久磁石とを円環状に複数配置された電動機であって、
   前回転磁極は、内径側端部の片側に磁石を支持するための突起部を有する第一の回転子鉄心と、前記第一の回転子鉄心と逆方向の内径側端部に突起部を有する第二の回転子鉄心と、前記永久磁石を支持する突起部が無い第三の回転子鉄心と、を有し、
   複数の前記第一の回転子鉄心が積層された第一ブロック体を、複数の前記第三の回転子鉄心が積層された第三ブロック体及び複数の前記第二の回転子鉄心が積層された第二ブロック体で、回転軸方向に挟持して配置された、ことを特徴とする電動機。
2. 固定子と、
   前記固定子に対して回転するように設けられた回転子と、
   前記回転子は、電磁鋼板の回転子鉄心を積層した回転磁極と、前記回転磁極の両側に配置された永久磁石と、を備え、
   前記回転磁極と前記永久磁石とを円環状に複数配置された電動機であって、
   前回転磁極は、内径側端部の片側に磁石を支持するための突起部を有する第一の回転子鉄心と、前記第一の回転子鉄心と逆方向の内径側端部に突起部を有する第二の回転子鉄心と、前記永久磁石を支持する突起部が無い第三の回転子鉄心と、を有し、
   複数の前記第二の回転子鉄心が積層された第二ブロック体を、複数の前記第三の回転子鉄心が積層された第三ブロック体及び複数の前記第一の回転子鉄心が積層された第一ブロック体で、回転軸方向に挟持して配置された、ことを特徴とする電動機。
3. 請求項１又は請求項２記載の電動機であって、
   前記第一の回転子鉄心の積層方向の長さと前記第二の回転子鉄心の積層方向の長さは同じ長さであり、前記第三の回転子鉄心の積層方向の長さは、前記第一の回転子鉄心の積層方向の長さと前記第二の回転子鉄心の積層方向の長さより短い、又は長い、ことを特徴とする電動機。
4. 請求項１又は請求項２記載の電動機を適用したことを特徴とする洗濯機。

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