JP6363034B2 - 永久磁石式回転電機およびドラム式洗濯機 - Google Patents

Description

本発明は集中巻固定子を採用した永久磁石式回転電機およびそれを用いたドラム式洗濯機に関するものである。

洗濯機の回転翼やドラムを駆動する回転電機にはインバータ駆動の永久磁石式回転電機が採用されている。特にドラム式洗濯機において、ダイレクトドライブ方式の回転電機はモータ体格が大きくなり、ひいては洗濯機が重たくなる不具合がある。これに対してベルト駆動方式の回転電機は高速化を図れば図るほど体格が小さくなるメリットがある。しかしながら、磁石回転子の回転子鉄心の強度が問題となり、ベルト駆動方式のメリットを有効活用できなかった。この対策として、回転子の強度を高める方法として、回転子鉄心の両側に配置した端板を介して締結構造体で一体に結合する方法が提案されている（特許文献１参照）。また、回転子鉄心を内周側と外周側に分割し、その間をモールドすることにより、高速回転に耐えられる回転子が提案されている（特許文献２参）。

特開２００９−１９５０８８号公報 国外公開第Ｗ２０１２／０１１２７４

特許文献１記載の従来技術では、回転子鉄心の強度上で弱い所を改善するのではなく、その組み立て方法等で強度向上を図られているが、フェライト磁石のような保持力が弱く残留磁束密度が小さい永久磁石を用い、高速回転時にも回転子強度を確保することについては言及されていない。特許文献２記載の従来技術では、回転子鉄心を内周側と外周側に分割している関係上、回転子外径を小さく抑えるため、磁石に保持力の大きいネオジム磁石を使用する必要が生じ、コスト高となる問題があった。

本発明の目的は、保持力の弱い永久磁石を用いても高速回転にも耐えつつ特性を確保できる永久磁石式回転電機とこれを用いたドラム式洗濯機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の永久磁石式回転電機は、固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子が、前記固定子の内周に所定のギャップを介して回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の前記永久磁石の径方向中心軸をｄ軸、それと電気角で９０度離れた軸をｑ軸とした時、ｑ軸側の回転子鉄心の外周側の一部を凹ませて形成した磁気ブリッジを有し、該磁気ブリッジは、モールドで支持されており、該モールドは、前記磁気ブリッジ径方向外側に位置する外側モールド部と、前記磁気ブリッジ径方向内側に位置する内側モールド部と、前記外側モールド部及び前記内側モールド部を連結し、前記回転子の磁気方向端部を含んで位置する端部モールド部と、を有し、該モールドは、温度が冷えたときに収縮する性質を有することを特徴とする。

本発明によれば、保持力の弱い永久磁石を用いても高速回転にも耐えつつ特性を確保できる永久磁石式回転電機とこれを用いたドラム式洗濯機を提供できる。

本発明の実施形態による永久磁石式回転電機の回転子の径方向断面図を示す一実施例である。 図１の永久磁石式回転電機の回転子の部分拡大図である。 図１の永久磁石式回転電機の回転子の外観図である。 図３の永久磁石式回転電機の回転子の斜視図である。 図1の永久磁石式回転電機の回転子のＲＲ断面図である。 図1の永久磁石式回転電機の回転子のＱＱ断面図である。 永久磁石式回転電機の回転子と組み合わさる固定子の断面図である。 ドラム式洗濯機の一例である。 本発明の効果を説明する強度計算結果である。 本発明の固定子と回転子の取り付け位置を示す図である。 本発明の他の実施例を示す回転子の径方向断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照し、説明する。

図８にはドラム式洗濯機１００の一例を示し、防振支持された（図示していない）外槽１０１が外枠１０２内に収容されている。そして、外槽１０１の中には洗濯槽と脱水槽を兼ねるドラム１０３がドラム回転軸１０４で水平に支持され、ドラム１０３内には洗濯物を撹拌するリフタ１０５と脱水穴として機能する小穴１０６が多数あけられている。
ガラス等により成形、構成された蓋１０７は、外槽１０１内の洗濯水の流出を阻止するために、ベローズ１０８に密着させている。洗濯物は蓋１０７を開閉して出し入れさせる。ベローズ１０８は、可撓性のあるゴムなどで成形され、外枠１０２の開口部と外１０１の開口部を水密、かつ柔軟に連結している。

ドラム１０３は、永久磁石式回転電機１の軸端に設けたＭプーリー１０９とベルト１１０、プーリー１１１を介して駆動され、洗濯およびすすぎ時には５０ｒ／ｍｉｎ前後で正逆反転され、脱水運転時には、Ｍプーリー１０９とプ−リー１１１の比にも左右されるが、１０００ｒ／ｍｉｎ以上で駆動される。

永久磁石式回転電機１は固定子２と回転子３とから構成される。固定子２は、固定子鉄心４とそれに施された複数のスロット５（図では９個）と、これらのスロット５で分割されたティース６とを備えている。電機子巻線７（Ｕ相巻線７Ａ、Ｖ相巻線７Ｂ、Ｗ相巻線７Ｃからなる）は、複数のスロット５に巻装された集中巻線である。スロット５の下部がスロット開口部８であり、ティース６の下部が固定子２の磁極鉄心９である。

回転子３は、回転子鉄心１０の外周側に配置されたＵ字形状の磁石挿入孔１１（図では６個）中にフェライト磁石１２が納められ、フェライト磁石１２の上部にあるのが回転子３の磁極鉄心１３であり、磁極鉄心１３間を連結しているのが磁気ブリッジ１４である。

ここで、磁石挿入孔１１とＵ字形状のフェライト磁石１２の周方向両端側には隙間１５、隙間１６を設けている。この隙間１５、１６は図１の下部に示すように、永久磁石挿入孔１１の中心点から挿入孔１１の磁気ブリッジ１４の内周側に引いた線のなす角をαとしたとき、磁石１２の端側に引いた線のなす角もαであり、その両線間の距離がＬとなる。このＬの値はガラス２０％入りのＰＢＴで射出成形する場合、最低１ｍｍ程度が限度である。このＬの値を２ｍｍや３ｍｍと大きくした場合、射出成形は問題ないが、磁石の面積が減少するので１ｍｍ程度とした。ここではＬ＝１ｍｍ程度としたが、Ｌ＝０．５ｍｍとして磁石１２の端面のＲを大きくして隙間を１ｍｍとしても問題ない。

また、磁極鉄心１３の中央には径方向に長い長方形状のスリット１７、ｑ軸上には円状のスリット１８を設け、射出成形で形成した回転子が図３である。図３のＰＰ線でカットしたのが図１であり、回転子鉄心１０の中心位置にあるのがシャフト孔２２であり、シャフト孔２２に嵌合あるいは焼嵌めされているのがシャフト２３である。図３の斜視図である図４において、回転子３の外周のモールド部が２１、磁極鉄心１３の一方の端部のモールド部が２４Ａであり、モールド部２４Ａとシャフト２３とは接触しないようにモールドされている。もう一方のモールド部２４Ｂも同様である。

ｑ軸側鉄心の磁気ブリッジ１４上に形成したモールド部２１はモールド部２４Ａと２４Ｂによって隙間１５のモールド部および隙間１６のモールド部と連結される。これによって、モールド部２１を形成し、温度が冷えたときに起こる収縮によってモールド部２１にクラックが入るのを防止できる。また、磁気ブリッジ１４をモールド部２１と隙間１５、１６のモールド部によって上下から挟んで固定しているため、磁気ブリッジ１４の遠心力強度を高めることができる。

さらに、スリット１７および１８もモールド部１９および２０で成形し、スリット１７と２つのスリット１８間の角度θ２を６０度近傍に、スリット１８と２つのスリット１７間の角度θ１を１２０度近傍に設定していることから、このスリット１７および１８中のモールド部１９および２０によっても磁極鉄心１３が遠心力によって飛び出すのを防止している。

図５は図１のＲＲ断面図であり、永久磁石挿入孔１１内の永久磁石１２をスリット１７内のモールド部１９と端部モールド部２４Ａ、２４Ｂにより、永久磁石１２を保持する構造としている。

図６は図１のＱＱ断面図であり、スリット１８中のモールド部２０と回転子鉄心１０のｑ軸側のモールド部２１と端部モールド部２４Ａ、２４Ｂにより、図示していない磁極鉄心１３を保持する構造としている。

これらの遠心力強度を計算したのが図９である。計算回転数は１００００ｒ／ｍｉｎである。Ｎｏ．１は磁石挿入孔１１にフェライト磁石１２をある隙間最小で挿入したものであり、磁気ブリッジ１４の厚みは基本０．４ｍｍで、漏れ磁束が多いと特性が足りなくなるので、磁気ブリッジ１４の最小厚みを０．２ｍｍにしたものである。強度計算の結果、回転子鉄心１０に掛かる最大応力は２８６ＭＰａとなった。一般に、電磁鋼板の引張強さが３６ＭＰａであり、１００万回起動停止が繰り返されると、引張強さが１／２の１８０ＭＰａに低下する。すなわち、Ｎｏ．１の構造は洗濯機などの繰り返し負荷で、最大１００００ｒ／ｍｉｎ以上の脱水工程が実施されると、回転子鉄心１０の強度が低下し、洗濯機では採用できないことになる。

次にＮｏ．２の構造は、磁気ブリッジ１４の厚みを全て０．４ｍｍにした場合である。結果的には最小厚みを０．２ｍｍから０．４ｍｍへ２倍と大きくしたことにより、回転子鉄心１０に掛かる最大応力は２４４ＭＰａと小さくなることが分かったが、最大１００００ｒ／ｍｉｎ以上の脱水工程には使用できない。逆に脱水工程での最大回転数が２０００ｒ／ｍｉｎの場合には適用可能と言える。

次にＮｏ．３はＮｏ．２の構造に対し、回転子３の磁気ブリッジ14の外周と軸方向端部をモールドした場合である。この結果、最大応力は２２３ＭＰａと小さくなり、ロータ外周モールドは応力低下に効果があるものの、その効果が小さいことが分かった。

次にＮｏ．４の構造は、磁気ブリッジ１４の基準の厚みを０．５ｍｍとし、磁気ブリッジ１４の途中にＲカットにより、最小厚みを０．４ｍｍにした場合である。結果的には回転子鉄心１０に掛かる最大応力は２２１ＭＰａと２ＭＰａしか小さくならなかったが、磁気ブリッジ１４の厚みを増せば最大応力が小さくなるも、最大応力を１８０ＭＰａ以下にするには相当に厚くする必要がある。これでは、磁石の磁束が磁気ブリッジ１４を介して漏れ、特性面から採用できない。

次にＮｏ．５の構造は、磁気ブリッジ１４の内周面とフェライト磁石間に１ｍｍ以上２ｍｍ未満（望ましくは１ｍｍ程度）の隙間を設け、その中をモールドしたものである。この結果、回転子鉄心１０にかかる最大応力を１２７ＭＰａと目標の１８０ＭＰａ以下にできることが判明した。

それでは、隙間を２ｍｍ、３ｍｍと大きくした場合、図示していないが、１２４ＭＰａ、１２０ＭＰａと小さくなった。計算条件が１００００ｒ／ｍｉｎであるので、１８０ＭＰａ以下を満足できる回転数は、隙間１ｍｍの場合１１９００ｒ／ｍｉｎ、隙間２ｍｍの場合１２０５０ｒ／ｍｉｎ、隙間３ｍｍの場合１２２５０ｒ／ｍｉｎとなり、隙間１ｍｍでも回転数を１２０００ｒ／ｍｉｎ程度まで増加できることが分かった。

なお、磁気ブリッジ１４の外周面やｑ軸線上にカット部を設け、磁石挿入孔の内周側にＲ部を設けているために、モールドした後の冷けた時のモールド材のクラック防止にもなる。

図１０は本発明の固定子と回転子の取り付け位置を示す図である。回転子３の機械的強度を確保しても、図示していないインバータなどの制御装置によって高速回転できなければ永久磁石式回転電機１として効果がない。高速回転させる１つの例として、固定子２の軸方向位置に対し、固定子２の固定子鉄心４の積厚より回転子３の回転子鉄心１０の積厚を短くする。さらに固定子鉄心４の軸方向端部より回転子３を飛び出させる。

たとえば、固定子鉄心４の積厚を３０ｍｍ、回転子鉄心１０の積厚を２５ｍｍとし、さらに回転子３を軸方向にＬ＝５ｍｍ飛び出させれば、軸方向反対側にＬ２=１０ｍｍの固定子鉄心４の単独部分ができる。この内周側に回転子3がない固定子4があることによって、リアクタンスドロップＸ_ｄＩとＸ_ｑＩが大きく、見かけ上の弱め界磁となり、回転電機を高速回転させても端子電圧を電源電圧程度に押さえ込むことができる。

さらに、磁極位置検出２５を固定子鉄心４のないところに設置することによって、電機子反作用の影響が小さくなって回転子３の磁極位置を精度よく検出することができる効果がある。

磁石形状については図１１に示すように、Ｖ字形状の磁石挿入孔２６にＶ字形状のフェライト磁石２７を挿入し、本実施形態と同様モールド成形を行えば同様の効果が得られることは言うまでもない。
また、本願は次の技術的思想を包含する。
（付記１）
固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子が、前記固定子の内周に所定のギャップを介して回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記永久磁石が挿入された前記回転子鉄心の積厚を前記固定子鉄心の積厚より短くするとともに、前記回転子の一部が前記固定子鉄心の端面から飛び出していることを特徴とする永久磁石式回転電機。

１・・・永久磁石式回転電機、２・・・固定子、３・・・回転子、４・・・固定子鉄心、５・・・スロット、６・・・ティース、７・・・電機子巻線（Ｕ相７Ａ、Ｖ相７Ｂ、Ｗ相７Ｃ）、８・・・スロット開口部、９・・・固定子の磁極鉄心、１０・・・回転子鉄心、１１・・・永久磁石挿入孔、１２・・・フェライト磁石、１３・・・回転子の磁極鉄心、１４・・・磁気ブリッジ、１５・・・隙間Ａのモールド部、１６・・・隙間Ｂのモールド部、１７・・・スリット、１８・・・スリット、１９・・・スリット１７のモールド部、２０・・・スリット１８のモールド部、２１・・・モールド部、２２・・・シャフト孔、２３・・・シャフト、２４・・・軸方向両端部のモールド部、２５・・・磁極位置検出、２６・・・Ｖ字形状磁石挿入孔、２７・・・Ｖ字形状フェライト磁石、１００・・・ドラム式洗濯機、１０１・・・外槽、１０２・・・外枠、１０３・・・ドラム、１０４・・・ドラム回転軸、１０５・・・リフタ−、１０６・・・小穴、１０７・・・蓋、１０８・・・ベローズ、１０９・・・Ｍプーリー、１１０・・・ベルト、１１１・・・プーリー

Claims (6)

1. 固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子が、前記固定子の内周に所定のギャップを介して回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の前記永久磁石の径方向中心軸をｄ軸、それと電気角で９０度離れた軸をｑ軸とした時、ｑ軸側の回転子鉄心の外周側の一部を凹ませて形成した磁気ブリッジを有し、
   該磁気ブリッジは、モールドで支持されており、
   該モールドは、
   前記磁気ブリッジ径方向外側に位置する外側モールド部と、
   前記磁気ブリッジ径方向内側に位置する内側モールド部と、
   前記外側モールド部及び前記内側モールド部を連結し、前記回転子の磁気方向端部を含んで位置する端部モールド部と、を有し、
   前記モールドは、温度が冷えたときに収縮する性質を有すること
   を特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１記載の永久磁石式回転電機において、前記磁気ブリッジの径方向内周側と前記永久磁石との間に１ｍｍ以上２ｍｍ未満の隙間を設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石がＵ字形状あるいはＶ字形状を有するフェライト磁石からなることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、前記磁気ブリッジの径方向幅
   が前記回転子鉄心の板幅より小さい部分を有することを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、前記磁気ブリッジの外周側面に凹凸を設け、該磁気ブリッジとモールド部との接触面積を多くしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機を備えたドラム式洗濯機。

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