JP7017499B2 - 磁石モータおよびこれを備えた洗濯機 - Google Patents

Description

本発明は、磁石モータに係わり、特にその磁石モータを用いた洗濯機に関する。

現在のドラム式洗濯乾燥機は、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、以降、ＤＤ方式）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ため、磁石材料には以前はレアメタル、すなわちネオジム磁石が採用されていたが、ネオジム磁石の高騰から最近では安価なフェライト磁石を採用している。

しかし、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は０．４５Ｔと小さいため（約１／３）、性能を同一体格で実現するためには、フェライト磁石を放射状に配置し、永久磁石の周長を長くして磁石の磁束量を上げる必要があった。

例えば、特許文献１には、永久磁石片を放射状に配置し、永久磁石の磁化方向を円周方向とし、永久磁石片と回転子鉄心を交互になるよう配置して、円環形状を形成した回転子備えたブラシレスモータが開示されている。また、永久磁石片および回転子鉄心の周方向両側端は、直線状に径方向へ伸びるような形状となっている。

特開２０１２－２１７２６９号公報

積層された回転子鉄心の積層締結箇所については、磁気バランスを考慮し、磁極の中心軸上に配置される。しかし、永久磁石片および回転子鉄心の周方向両側端の形状が、上記特許文献１に開示された磁石モータと異なり、直線状でない場合、積層締結箇所を回転子の中心線上に配置すると、回転子鉄心の周方向側端から積層締結箇所までの距離が短くなり、締結強度が不足する可能性があった。このように締結強度が不足すると、永久磁石片と回転子鉄心をモールドする前に積層が剥がれたり、成形圧力で複数個に分裂しそのまま固着したりして、モータの性能を著しく低下させるといった問題が発生する。そこで、締結強度を確保するため、締結部構造をV字やU字形状で積層コア同士を加締める構成が用いられる。この場合、積層される鉄板にコーティングされた絶縁被膜が破れ、加締め部が電気的に導通し、加締め部に渦電流損失が発生しモータ性能を低下させてしまう懸念がある。

本発明は、上記の課題に鑑み、性能低下を抑止しながら回転子鉄心の積層の締結強度を高め、信頼性を向上させる磁石モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の磁石モータは、固定子と、前記固定子に対して回転する回転子と、を有し、前記回転子は永久磁石片および回転子鉄心が放射状に交互に配置され円環状となっており、前記回転子鉄心は積層された電磁鋼板を締結部にて締結された磁石モータであって、前記回転子鉄心は、弓型に形成され、周方向一端側は凸状、且つ周方向他端側は凹状の曲面部を有し、前記締結部は、長方形であって、前記回転子鉄心の外径側に前記回転子鉄心中心線と平行に配置された外径側締結部と、前記回転子鉄心の内径側に前記回転子鉄心中心線と直交に配置された内径側締結部と、を有し、前記回転子鉄心の径方向高さをH、前記回転子鉄心の外径端から前記外径側締結部の中心までの距離をh1、前記回転子鉄心の外径端から前記内径側締結部の中心までの距離をh2としたときに、h1/Hは0.14～0.17であり、且つh2/Hは0.51～0.62であり、前記回転子鉄心は、前記外径側締結部と前記内径側締結部間に形成された位置決め孔を有することを特徴とする。

性能低下を抑止しながら回転子鉄心の積層の締結強度を高め、信頼性を向上させた磁石モータが提供できる。

本発明の一実施形態に関わるドラム式洗濯乾燥機の概観図である。 本発明の一実施形態に関わる磁石モータの軸方向断面図である。 図２の磁石モータの径方向断面の主要部の拡大図である。 図２の磁石モータの回転子の平面と正面を示した図である。 回転子鉄心と永久磁石を交互に配置して円環形状に形成した状態を示す図である。 一次モールド体の平面と正面を示した図である。 一次モールド体に鉄心支持基体とボス部とを配置した状態を示す図である。 回転子鉄心を拡大した図である。 図８について、寸法関係を示した図である。 加締め部の断面形状を示した図である。 締結部各部の寸法が渦電流損失に及ぼす影響の実験計画法による感度解析結果である。

以下、本発明の一実施形態に関わるドラム式洗濯機１００、およびそれに用いられる磁石モータを、図１～図１１を参照して説明する。

図１は本実施形態に関わるドラム式洗濯乾燥機１００の概観図である。ドラム式洗濯乾燥機１００は、前面パネルが開口した筐体１０１と、四隅にゴム製の脚を有する筐体ベース１０２とを備え、筐体１０１の開口部にはドア１０３が開閉可能なように取り付けられている。また、筐体１０１は、内槽（洗濯槽）としての回転ドラム１０４を包括する外槽１０５を備えている。また、回転ドラム１０４を回転駆動する磁石モータ１（図示せず）はこの背面に取り付けられている。そして、この回転ドラム１０４の回転によって、洗い工程、すすぎ工程、脱水工程などを実行する。

図２は、本実施形態に係わる磁石モータ１の軸方向断面図である。ここで、固定子１０と回転子３０とが対向する部分のうち上部のＡは、永久磁石片３２を含む断面を表示しており、下部のＢは、回転子鉄心３１を含む断面を表示している。この図２に示すように、磁石モータ１は、固定子１０と、固定子ベース部２０と、回転子３０と、軸受２６（２６ａ、２６ｂ）と、回転軸２２に設けられた軸受ボス部２２ａ、２２ｂと、軸受２６に回転自在に支持され回転子３０を固定支持する回転軸２２などから構成されている。なお、固定子１０は、固定子ベース部２０に締結ボルト２１によって固定され、回転子３０は、回転軸２２の端部に設けられた軸受ボス部２２ａ、２２ｂに嵌合され、ネジ部２４とナット２５によって固定されている。また、固定子ベース部２０の内周側かつ回転軸２２の外周側には、軸受２６（２６ａ、２６ｂ）が配置され、固定子１０の内周側で回転子３０が回転自在に回動できるように支持されている。

図３は、図２の磁石モータ１の径方向断面図であり、固定子１０と回転子３０が対向する部分を拡大して示したものである。また、図４は、図２の磁石モータ１の回転子の平面と正面を示した図である。まず、固定子１０は、ハウジング１８（図示せず）内に嵌合された、コアバック１１およびティース１２を有する固定子鉄心１３と、この固定子鉄心１３に形成された複数のスロット１４と、このスロット１４に集中巻きで巻装される三相巻線である電機子巻線１５などで構成される。

一方、固定子１０の内部に配置された回転子３０は、多数の電磁鋼板を積層した回転子鉄心３１を有しており、この回転子鉄心３１はティース１２の内側面に対向し、ティース１２に対して相対移動するように回転する。
ここでは、磁石モータ１のティース１２は４２個、回転子極数は５６極として、永久磁石片３２には、磁石要素としてフェライトを使用し、薄型、軽量、高トルクの磁石モータ１を構成している。また、回転子鉄心３１の外周面形状は固定子１０側に凸の非同心形状を成している。

回転子３０は、図３に示すように、多数の回転子鉄心３１と永久磁石片３２とを、樹脂材でモールドすることにより一体的に固定して円環状の一次モールド体５１を形成する。具体的には、永久磁石片３２の外径側（固定子側との対向面側）の空隙を外周モールド７１ａで覆うとともに、永久磁石片３２の内径側の空隙を内周モールド７１ｂで覆うことで、一次モールド体５１を形成する。これにより、永久磁石片３２は、回転方向両側から回転子鉄心３１で挟持されるとともに、径方向においても樹脂材を介して回転子鉄心３１に支持される。

回転子鉄心３１と永久磁石片３２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３２は、無着磁状態の磁石要素が用いられ、後述するように、回転子３０の一次モールド体５１を形成した後に、着磁される。すなわち、永久磁石片３２の組み付け時には、永久磁石片３２は磁化されておらず、これにより永久磁石片３２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３２が組込まれてしまうおそれがない。また、無着磁状態の永久磁石片３２を複数配置して円環状の組付体を形成できるので、永久磁石片３２の装着が簡単となり、回転子３０および磁石モータ１の生産性が向上する。

また、永久磁石片３２の外径側と内径側の空隙は、永久磁石片３２の漏れ磁束を低減するように作用し、また、後述する着磁時には、永久磁石片３２に磁束が効率的に取り込まれるように作用する。このため、所望の磁束量を有する回転子３０および磁石モータ１が得られる。

永久磁石片３２を外着磁した後、同時にボス部３７も二次モールド樹脂材３４でモールドして一体化し、二次モールド体９０を形成する。二次モールドする際には、回転子鉄心３１に設けた位置決め孔５４、及び鍵穴形状の連結孔６０に、二次モールド樹脂材３４を充填して融着させる。これにより、回転子３０の高速回転時（脱水工程時）においても、回転子鉄心３１と永久磁石片３２との連結強度を維持することができ、遠心力に抗する強固な固定構造とすることができる。なお、鍵穴形状の連結孔６０に二次モールド樹脂材３４が充填されたことは、回転子３０の軸方向から目視で確認することができる。

図４（ａ）の平面図において、Ａ－Ａ断面に沿った正面図が図４（ｂ）である。図２でも説明したように、図４（ｂ）の上部のＡが永久磁石片３２を含む断面を表示しており、図４（ｂ）の下部のＢが回転子鉄心３１を含む断面を表示している。この図４に示すように、回転子３０の内側には、回転軸２２の連結部材としてのボス部３７が設けられており、二次モールド樹脂材３４によって回転子と一体的に固定されている。

ここで、上述のような回転子３０を有する磁石モータ１の製造方法について、図５～図７を用いて説明する。

図５は、図２の磁石モータ１の回転子鉄心３１と永久磁石片３２を交互に配置して、円環形状に形成した状態を示す図である。製造工程の最初の段階では図５に示すように、回転子鉄心３１と永久磁石片３２の一次回転子組付体４０を形成する。

このとき、図示しない治具等を用いて回転子鉄心３１を全て配置した後、回転子鉄心３１の間に永久磁石片３２を挿入することで、これらが交互に配置された一次回転子組付体４０が得られる。この状態ではまだ永久磁石片３２は、磁化されていないので、回転子鉄心３１の間にスムーズに挿入することができる。

なお、回転子鉄心３１の位置決め方法としては、回転子鉄心３１に設けた位置決め穴５４、及び鍵穴形状の連結孔６０に係合可能な図示しないピンを治具に設けて、そのピンに位置決め穴５４と連結孔６０を係合させることで、高精度に位置決め配置できる。またこのとき、回転子鉄心３１の外径部を保持する保持部を治具に設けることにより、回転子鉄心３１の周方向への傾きを抑えることが可能である。

次に、モールド成形型に一次回転子組付体４０を配置し、一次モールド樹脂材３３を流し込む。これにより、図６に示すような、合成樹脂で一体的に固定されてなる一次モールド体５１が得られる。その後、円環状の一次モールド体５１の外形側に外側着磁ヨークを配置し、一次モールド体５１の内径側に内側着磁ヨークを配置し、永久磁石片３２をそれぞれ円周方向に磁化して着磁を行う。

着磁後、図７に示すように、一次モールド体５１の内側に、鉄心支持基体３６およびボス部３７をそれぞれ配置する。そして、二次モールド樹脂材３４（図示せず）を流し込み、二次モールド樹脂材３４（図示せず）でこれらが一体的に固定されてなる二次モールド体９０が得られ、回転子３０が形成される。

その後、図２に示すように、回転子３０を、固定子ベース２０に固定された固定子１０の内径側に配置して、回転軸２２に固定することで、磁石モータ１が得られる。本実施形態では、永久磁石片３２の磁石要素としてフェライトを用いたので、レアメタルに比べて入手し易く、回転子３０および磁石モータ１、さらには、これらを用いた洗濯機の生産性が向上する。

本実施形態では、上述のような回転子について、以下のように工夫改善した。図８は、回転子鉄心３１を拡大した図、図９には図８について各部寸法を示した図である。また、図１０は電磁鋼板１枚当たりの締結部５２のＡ-Ａ’断面矢視図、図１１は締結部５２各部の寸法が渦電流損失に及ぼす影響の実験計画法による感度解析結果である。具体的には、締結部５２幅寸法を電磁鋼板の板厚の比で表したもの、締結部５２厚さ寸法を電磁鋼板の板厚の比で表したもの、外径側締結部の位置h1、内径側締結部の位置h2を回転子鉄心の径方向高さHの比で表した各部寸法に対し、締結部渦電流損(dｂ)を縦軸にとった図であり、値が大きいほど渦電流損が大となる。

図８に示すとおり、本実施形態における各回転子鉄心３１は、その周方向の両側が、径方向に直線ではなく、片側（周方向一端側）が凸状の曲面部を有し、反対側（周方向他端側）が凹状の曲面部を有する構成になっており、全体として弓型形状であることも特徴である。このため、回転子鉄心３１とこれに隣接する回転子鉄心３１との間に配置される永久磁石片３２（図示せず）の移動を拘束することが可能である。

また、この回転子鉄心３１には、締結部５２として、長方形状の外径側締結部５２ａ、および内径側締結部５２ｂが形成されており、積層した電磁鋼板をこの締結部５２によって締結している。本実施形態では、複数の積層締結部５２の構成を、回転子鉄心３１の回転子鉄心中心線５３に対し、外径側締結部５２ａは平行に、内径側締結部５２ｂは直交するように形成している。

なお、前述した位置決め孔５４は図示した通り、回転子鉄心３１の外径側締結部５２ａと内径側締結部５２ｂ間に形成され、回転子鉄心３１の内径端側に、連結孔６０が形成されている。

また、図８に示した締結部５２の配置は、図９に示す寸法緒元、すなわち回転子鉄心外径端から外径側締結部５２ａの径方向(長手方向)中心までの距離をh1、回転子鉄心外径端から内径側締結部５２ｂの径方向（厚さ方向）中心までの距離をh2、回転子鉄心の径方向高さをHとしたとき、h1/Hの比率を0.17、h2/Hの比率を0.62の関係とさせている。

また、図１０（ａ）に示す締結部５２の断面形状は、図１０（ｄ）に示すようなバスタブ状となっており，積層される他の電磁鋼板と加締められることで締結させている。ここで、締結部５２の断面構成は図１０（ｂ）に示すようなV字状、図１０（ｃ）に示すU字状でも構成可能である。

なお、図１０（ｂ）～（ｄ）は、図１０（ａ）の外径側締結部５２ａの断面例として記載しているが、これは内径側締結部５２ｂの断面も同じである。

ここで、締結部５２の断面形状を図１０（ｂ）や図１０（ｃ）のようにV字状、U字状とした場合、電磁鋼板の絶縁被膜が破れるため、締結部５２は軸方向に電気的に導通することになる。この場合、外径側締結部５２ａと内径側締結部５２ｂとの間に固定子１０からの高調波磁束（図示せず）が鎖交すると、外径側締結部５２ａと内径側締結部５２ｂとの間に電圧が誘起されるため、電気的に導通された外径側締結部５２ａと内径側締結部５２ｂとで構成される電流ループに沿って渦電流が流れ、渦電流損失となりモータ性能を悪化させる懸念がある。

しかし、締結部５２の断面形状がV字状、U字状であっても、以下のような寸法範囲であれば、実験結果より本発明の目的を達成出来ることが分かった。以下に詳細に説明する。

締結部５２の各部の寸法比率に対し、締結部渦電流損に対する感度（db）をとった場合、図１１に示す関係になることが実験の結果明らかとなった。すなわち、図１１より締結部幅は幅寸法を大きくするほど渦電流損は増加する傾向にあること、締結部厚さ寸法は渦電流損失に対する感度は小さいことが確認できる。

また、外径側締結部５２ａの位置寸法比率（h1/H）を小さく（外径側締結部５２ａが回転子鉄心３１の外径最寄に近づける）する、または内径側締結部５２ｂの位置寸法比率（h2/H）を大きく（内径側締結部５２ｂが回転子鉄心３１の内径最寄に近づける）した場合、締結部５２に生じる渦電流損が増加し、その逆の関係にすると減少する傾向となることが分かった。

この理由は、h1/Hを小さく、またはh2/Hを大きくした場合、外径側締結部５２ａと内径側締結部５２ｂから構成される１ターンコイルの巻線係数が大となるため、締結部間に鎖交する高調波磁束量が増えるため、渦電流損失も大きくなる。一方、寸法比率h1/Hを大きくし、かつh2/Hを小さくするに従い、外径側締結部５２ａが回転子鉄心３１の外径端から離れるため、高調波磁束の影響が薄れ、渦電流損失の発生量も小さくなる。ここで、渦電流損失の発生に伴い洗濯機性能に影響を及ぼす上限を図中の一点鎖線で示した場合、寸法比率h1/Hは0.14～0.17、寸法比率h2/hは0.51～0.62が締結部位置の適用範囲となる。

よって、図１１より、寸法比率h1/Hは0.14～0.17が、また寸法比率h2/hは0.51～0.62とさせれば、締結部５２に生じる渦電流損失をほぼ抑止できると言える。

また、寸法比率h1/Hをさらに大きくする場合、もしくは寸法比率h2/Hをさらに小さくする場合は、外径側締結部５２ａと内径側締結部５２ｂとが近接状態になるため、例えば、位置決め孔５４の形状が変形するなどが起こり、回転子鉄心３１の締結強度に支障をきたすことになる。よって、本発明では、締結強度に支障がきたさない上限値として、寸法比率h1/Hは0.17とし、寸法比率h2/Hを0.62と規定した。なお、下限値は、渦電流損失はゼロが望ましいが、なくても良いが、実際には様々な要因で、過電流損失をゼロにすることは困難である。ここでは実験で結果がでた値の範囲として、寸法比率h1/Hを0.14、寸法比率h2/hを0.51、とする。

以上により、本実施例によれば、回転子鉄心の積層の締結強度を高め、信頼性を向上させる磁石モータを提供可能となる。

なお、本実施形態では、ドラム式洗濯機に使用される磁石モータ１について説明したが、上述のような磁石モータ１を縦型の洗濯機に使用しても良い。

１ 磁石モータ
１０ 固定子
１１ コアバック
１２ ティース
１３ 固定子鉄心
１４ スロット
１５ 電機子巻線
１８ ハウジング
２０ 固定子ベース
２１ 締結ボルト
２２ 回転軸
２２ａ 軸受ボス部
２２ｂ 軸受ボス部
２４ ネジ部
２５ ナット
２６ 軸受
３０ 回転子
３１ 回転子鉄心
３２ 永久磁石片
３３ 一次モールド樹脂材
３４ 二次モールド樹脂材
３６ 鉄心支持基体
３７ ボス部
４０ 一次回転子組体
５１ 一次モールド体
５２ 締結部
５２ａ 外径側締結部
５２ｂ 内径側締結部
５３ 回転子鉄心中心線
５４ 位置決め孔
６０ 連結孔
９０ 二次モールド体
１００ ドラム式洗濯乾燥機
１０１ 筐体
１０２ 筐体ベース
１０３ ドア
１０４ 回転ドラム
１０５ 外槽

Claims (5)

1. 固定子と、前記固定子に対して回転する回転子と、を有し、前記回転子は永久磁石片および回転子鉄心が放射状に交互に配置され円環状となっており、前記回転子鉄心は積層された電磁鋼板を締結部にて締結された磁石モータであって、
   前記回転子鉄心は、弓型に形成され、周方向一端側は凸状、且つ周方向他端側は凹状の曲面部を有し、
   前記締結部は、
   長方形であって、
   前記回転子鉄心の外径側に前記回転子鉄心中心線と平行に配置された外径側締結部と、
   前記回転子鉄心の内径側に前記回転子鉄心中心線と直交に配置された内径側締結部と、を有し、
   前記回転子鉄心の径方向高さをH、前記回転子鉄心の外径端から前記外径側締結部の中心までの距離をh1、前記回転子鉄心の外径端から前記内径側締結部の中心までの距離をh2としたときに、h1/Hは0.14～0.17であり、且つh2/Hは0.51～0.62であり、
   前記回転子鉄心は、前記外径側締結部と前記内径側締結部間に形成された位置決め孔を有することを特徴とする磁石モータ。
2. 請求項１記載の磁石モータであって、
   前記締結部の断面形状は、バスタブ状に構成した、磁石モータ。
3. 請求項１記載の磁石モータであって、
   前記締結部の断面形状はV字状又はU字状に構成した、磁石モータ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁石モータであって、
   前記回転子鉄心は、前記回転子鉄心の内径端側に形成された鍵穴形状の連結孔と、を有する、磁石モータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁石モータを適用したことを特徴とする洗濯機。

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