JP6353764B2 - 永久磁石式回転電機および縦型洗濯機 - 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洗濯機に関するものである。

洗濯機の回転翼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。特に縦型洗濯機において、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。また、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、高速化の限界がある。これに対し、ベルト＋減速ギヤ駆動方式はそれほどの高速化を図らなくても良いが、体格上多極化できないので電機子反作用の影響が大きく、騒音が大きくなる問題があった。この対策として、電機子反作用を抑える対策として、回転子鉄心の磁極鉄心中にスリットを形成させる方法が提案されている（特許文献１参照）。また、ティースの固定子磁極鉄心中に漏れ磁束を低減する漏れ磁束抑制孔を設けることにより、誘起電圧波形を正弦波に近付け、電機子反作用を低減することが提案されている（特許文献２参）。

特開平７−３３６９１７号公報 特開平８−２７５４１５号公報

特許文献１記載の従来技術では、分布巻線の固定子を採用した回転電機にあって、回転子鉄心の磁極鉄心にスリットを形成し、固定子巻線のインダクタンスを小さくして出力が向上する。反面、スリットを形成することによって回転子鉄心の機械的強度が低下するため、永久磁石の両サイド端部の外周側鉄心幅を大きくする必要がある場合には却って出力が低下する可能性があった。

特許文献２記載の従来技術では、ティースのポールシュー部に磁束の流れを抑制する孔を形成し、誘起電圧をより正弦波に近付ける方法が提案されている。しかし、洗濯機に使用される回転電機などは容量も大きく、常に負荷状態で運転されるため、誘起電圧ではなく実負荷時の電圧を正弦波にしないとインバータから供給される電圧波形と、回転電機の発生電圧波形の間に偏差が生じ、インバータから回転電機に高調波電流が流れ、回転電機が脈動トルクを発生して騒音などの問題を発生させる可能性がある。

本発明の目的は、回転子鉄心の機械的強度を保ちつつ出力を向上させた永久磁石式回転電機とこれを用いた洗濯機を提供することにある。

上記の目的を解決するために、本発明は、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、前記回転子鉄心に埋め込んだ円弧状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、前記永久磁石の前記回転子外周側の回転子磁極鉄心に径方向へ長いｄ軸スリットを設け、ｑ軸側の回転子鉄心の外周側の一部を内径側へ凹ませて形成した磁気ブリッジを有し、ｑ軸線上にあって前記永久磁石の間あるいは前記永久磁石の内径側に、円状あるいは楕円状のｑ軸スリットを形成し、前記磁気ブリッジの外周側と前記ｄ軸スリットと前記ｑ軸スリットとを射出成形によってモールドし、前記回転子の軸方向両端側と前記ｄ軸スリットと前記ｑ軸スリットとをモールド連結した。

本発明の形態によれば、磁気ブリッジの遠心力強度を高まるため、磁気ブリッジの外周面に磁気ブリッジ幅が薄くなるように凹凸を形成することが可能となり、結果として、永久磁石の漏れ磁束が低減して出力が向上した永久磁石式回転電機と、これを用いた縦型洗濯機を提供できる。

本発明の実施形態による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。 本発明の実施形態による効果を説明する強度計算結果である。 本発明の他の実施形態による回転子を示す図である。 本発明のさらに別の実施形態による回転子を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図１１を参照して説明する。

図８には縦型洗濯機５０の一例を示し、外枠５１、外枠５１を下から支持する外枠ベース５２、外枠５１の上に設けられたトップカバー５３、トップカバー５３の開閉自在に係る蓋体５４を有する。外槽５５は外枠５１の上側内部に設けたコーナ支持部５８より垂下する吊棒５７に防振ばね２８を介して防振支持される。
洗濯槽５９は外槽５５内に回転自在に置かれる。洗濯脱水用の電動機は永久磁石式回転電機１であり、外槽５５の底側下面に確実に固定されている。永久磁石式回転電機１の軸端には駆動プ−リ６７が締結される。

撹拌翼６１は洗濯槽５９内に回転自在に設置され、ギヤケース６４は外槽５５の外側下面で撹拌翼６１の真下に固定される。ギヤケース６４の下部に設けたクラッチ６３は従動プーリ６５を有する。従動プーリ６５と駆動プーリ６７に掛け渡したベルト６２を介して回転電機１の回転はクラッチ６３に伝わり、永久磁石式回転電機１の回転はギヤケース６４のギヤ６６に伝えられる。

ギヤケース６４の内側出力軸には撹拌翼６１が締結され、外側出力軸には洗濯槽５９が締結されている。

永久磁石式回転電機１の駆動回転はクラッチ（回転伝達切り替え手段）６３で切り替えられる。クラッチ（回転伝達切り替え手段）６３の切り替えで永久磁石式回転電機１の回転が撹拌翼６１に伝達されたり、洗濯槽５９と撹拌翼６１に伝達されたりする。

撹拌翼６１の撹拌回転で洗濯槽５９内の洗濯物が洗濯される。洗濯槽５９の高速回転で洗濯槽５９内の洗濯物は遠心脱水が行われる。

洗濯物の脱水では回転電機１が高速で回転し、洗濯槽５９の胴体に設けた脱水穴６８から遠心脱水が行われる。洗濯槽５９は上部にバランサー６０を備えているので、遠心脱水時、洗濯物の片寄りによるアンバランス発生時の異常振動が緩和される。

蓋体５４は洗濯槽５９の上部に設けた開口部を開閉し、洗濯物を出し入れする。

コントロール基板６９はトップカバー５３に設けられ、コントロール基板６９の表面には操作パネル７０があり、洗濯機５０の運転操作が行える。

水位センサ−７１はトップカバー５３の裏側に配置される。圧力チューブ７２を介して水位センサ−７１はエアートラップ７３の空気室に通じている。外槽５５内に貯留する洗濯水の水位は水圧の変化により水位センサ−７１により検知され、その水位情報はコントロール基板６９に提供され、給水がコントロールされる。

注水ケース７４は給水電磁弁７５を介して給水ホース７６に接続される。給水ホース７６は水道水供給の蛇口に接続される。水道水は給水電磁弁７５の開放によって注水ケース７４を通じて洗濯槽５９に注がれる。

外槽カバー７７は外槽５５の上部に設けられる。注水ケース７４から流出する水道水が洗濯槽５９の外側にはずしても外側カバー７７にガイドされ機外に流出して床面を濡らさないような構成となっており、全ての供給された水は洗濯槽５９に注がれる。

排水電磁弁７８は排水ホース７９を介して外槽５５の底部に設けた排水口に連通させる。洗濯やすすぎで使った水は排水電磁弁７８の開放で排水ホース７９を通じて機外へ排出される。

上述した縦型洗濯機５０の駆動源であ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の内径側がスロット開口部８であり、ティース６の内径側には円状の固定子スリット９（９ａと９ｂ）を設けている。

さらに、ティース６の内径側の内周面にはティース６の周方向両側に延びた磁極片も含めてベベリングを施している。この固定子スリット９の９ａと９ｂ間の角度をθ１、ベベリングの開始点の角度をθ２、ティース６のピッチ角度をθ３とした時、θ３＞θ２＞θ１とし、ここではθ１×２＝θ２、θ２×２＝θ３の関係に設定している。

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の外周側にあるのが回転子３の回転子磁極鉄心１３であり、回転子磁極鉄心１３間を連結しているのが磁気ブリッジ１４である。すなわち、本発明の実施例では６極９スロットの永久磁石式回転電機１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の両端側には磁石挿入のためのクリアランスＬ１を設けているが、その値は０．１ｍｍ程度と小さい。

また、回転子磁極鉄心１３の中央には径方向に長い穴が形成されたｄ軸スリット１５、ｑ軸上には円状のｑ軸スリット１６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１９であり、シャフト孔１９に嵌合あるいは焼嵌めされているのがシャフト２０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、回転子磁極鉄心１３の一方の端部のモールド部が２２Ａであり、モールド部２２Ａ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２２Ｂ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２２Ａと２２Ｂと連結される。これによって、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１５および１６も同時に射出成形を行ってモールド部１７および１８を形成し、スリット１５と２つのスリット１６間の角度θ５を６０度近傍に、スリット１６と２つのスリット１５間の角度θ４を１２０度近傍に設定していることから、このスリット１５および１６中のモールド部１７および１８によっても回転子磁極鉄心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１５内のモールド部１７と端部モールド部２２Ａ，２２Ｂにより、永久磁石１２を保持する構造としている。スリット１５と回転子外周間の厚みをＬ２、スリット１５と永久磁石挿入孔１１間の厚みをＬ３とした時、いずれも電磁鋼板の板厚の０．５ｍｍに設定している。

図６は図１のＱＱ断面図であり、スリット１６中のモールド部１８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２２Ａ，２２Ｂにより、図示していない回転子磁極鉄心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であり、磁石挿入孔１１にフェライト磁石１２を挿入した状態で計算した。想定した回転数は１００００ｒ／ｍｉｎである。Ｎｏ．（1）は電磁鋼板の厚みが０．５ｍｍであるのに対し、磁気ブリッジ１４の基本の厚みを０．４ｍｍとしているので、漏れ磁束が多く必要磁束量が足りなくなって特性が低下する。そこで、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、磁気ブリッジ１４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３６０ＭＰａ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ので、動作最大回転数を低下させる必要がある。すなわち、７０００ｒ／ｍｉｎ以下に最大回転数を設定すれば遠心力強度的には合格となる。

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。

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の途中に円弧状に凹ませる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小さくなった。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。したがって、最大応力を１８０ＭＰａ以下にするには脱水最大回転数を低下させる必要がある。

ここで、磁気ブリッジ１４の最小厚みを電磁鋼板の厚みが０．５ｍｍのときに０．２ｍｍとして説明を行ってきた。この厚み０．２ｍｍを安定に保って電磁鋼板を打ちぬけるか否かは金型の設計問題である。磁気ブリッジ１４の全部の厚みを０．２ｍｍにして打ちぬくのはできないが、磁気ブリッジ１４の中の一部分を０．２ｍｍにするのは可能である。当然、磁気ブリッジ１４の厚み０．４ｍｍあるいは０．５ｍｍは、０．２ｍｍの時よりは容易となる。

回転子外周にモールド射出成形する場合、固定子と回転子間のギャップが狭い場合にはモールドの厚みを薄くする必要があるため、モールドした後の冷けた時にモールド材にクラックが入る可能性があり、１個でもクラックが入れば製品化できない。

本実施形態では、上記の事項を避けるため、磁気ブリッジ１４の最外周を回転子外周から０．７６ｍｍ離し、ｑ軸線上に半径０．６８ｍｍの半円状のＲ溝３１を形成し、磁気ブリッジ１４の外周側には内径側へ円弧状に凹ませる部分３２を設けることによって、基本の厚みは０．４ｍｍであるが０．２ｍｍまで薄くした部分を形成した。

本実施形態によれば、磁気ブリッジ１４の外周面に凹凸が形成されるので、モールド材と磁気ブリッジ１４の接触表面積が大きくなり、強度が向上する。このため、磁気ブリッジ１４の最小厚み部分を形成でき、永久磁石の漏れ磁束を低減して、回転電機の高出力化が可能である。また、ｑ軸上に半径０．６８ｍｍのＲ溝３１を設けているので、電機子反作用が低減する。さらに、磁石挿入孔の内面側にＲ部３３を設けているために、永久磁石と磁石挿入穴との間に隙間が形成され、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。

言い換えれば、ｑ軸側の磁気ブリッジ１４の外周側をモールドすることで回転子の遠心強度がアップできるため、強度が許せる範囲まで磁気ブリッジ１４に薄い所を形成して、永久磁石１２の漏れ磁束を低減することにより、モータ特性の向上が可能である。したがって、ネオジム磁石を用いずに、Ｕ字形状もしくはＶ字形状のフェライト磁石を用いても、高出力の永久磁石式回転電機を実現できる。

図１０は本発明のさらに別の実施形態による回転子である。回転子３には、Ｖ字形状の磁石挿入孔２３を設け、その中にＶ字形状の永久磁石２４を挿入している。

図１１は本発明のさらに別の実施形態による回転子である。回転子３には、ｑ軸線上に楕円状のスリット２５を設け、その中にモールド２６を施している。なお、図中からも分かるように楕円状のスリット２５をシャフト孔１９まで大きくすると磁石磁束、電機子反作用磁束が小さくなるので、その長さは特性から決定するのが良い。

これらの実施形態では縦型洗濯機の駆動方式として、永久磁石式回転電機１の回転は、駆動プーリ６７、ベルト６２、従動プーリ６５、クラッチ６３、ギヤケース６４中のギヤ６６を介し、クラッチ６２の切り替えによって撹拌翼６１、もしくは洗濯槽５９と撹拌翼６１に伝えられる。

ここで、永久磁石式回転電機１の軸端には冷却ファン２７を形成しているので、効率よく永久磁石式回転電機１を使用することが可能となる。すなわち、プーリ比１．９、減速比７．２とすると、総減速比は１３．７となる。回転電機１の定格回転数を１５００ｒ／ｍｉｎとすると、洗濯時の撹拌翼６１の回転数は約１１０ｒ／ｍｉｎ、脱水時の洗濯槽５９の回転数は約７９０ｒ／ｍｉｎとなる。

これに対し、プーリ比２．５、減速比５．５とすると、総減速比は同じ１３．７となる。同様に回転電機１の定格回転数を１５００ｒ／ｍｉｎとすると、洗濯時の撹拌翼６１の回転数は約１１０ｒ／ｍｉｎ、脱水時の洗濯槽５９の回転数は約６００ｒ／ｍｉｎと大幅に低下し、これでは洗濯物の乾燥に不利になる。

したがって、回転電機１の脱水時の定格回転数を２０００ｒ／ｍｉｎとすると、脱水時の洗濯槽５９の回転数は約８００ｒ／ｍｉｎとなり、洗濯物の乾燥は問題なくなる。

一方、回転電機１は洗濯時には洗濯時間経過とともにコイル温度が徐々に大きくなり、冷却は脱水時のみである。洗濯が１回のみであれば問題ないが、大家族の家庭では２回、３回、多い所で５回も連続洗濯されると、コイルのスタート温度が徐々に大きくなり、ひいては洗濯できないコイル温度になる可能性がある。

これに対し、回転電機１の脱水時の定格回転数を高くできる上述の実施形態の場合は、洗濯動作に入る前に十分にコイルを冷却できるので、いつまでも連続洗濯が可能になる効果がある。

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・・・固定子スリット、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・・・ｄ軸スリット、１６・・・ｑ軸スリット、１７・・・モールド部、１８・・・モールド部、１９・・・シャフト孔、２０・・・シャフト、２１・・・モールド部、２２・・・モールド端部、２３・・・Ｖ字形状磁石挿入孔、２４・・・Ｖ字形状永久磁石、２５・・・楕円形状スリット、２６・・・モールド部、２７・・・冷却ファン、２８・・・防振ばね、５０・・・縦型洗濯機、５１・・・外枠、５２・・・外枠ベース、５３・・・トップカバー、５４・・・蓋体、５５・・・外槽、５７・・・吊棒、５８・・・コーナ支持部、５９・・・洗濯槽、６０・・・バランサー、６１・・・撹拌翼、６２・・・ベルト、６３・・・クラッチ、６４・・・ギヤケース、６５・・・従動プーリ、６６・・・ギヤ、６７・・・駆動プーリ、６８・・・脱水穴、６９・・・コントロール基板、７０・・・操作パネル、７１・・・水位センサ、７２・・・圧力チューブ、７３・・・エアートラップ、７４・・・注水ケース、７５・・・給水電磁弁、７６・・・給水ホース、７７・・・外槽カバー、７８・・・排水電磁弁、７９・・・排水ホース、

Claims (9)

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、前記回転子鉄心に埋め込んだ円弧状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、前記永久磁石の前記回転子外周側の回転子磁極鉄心に径方向へ長いｄ軸スリットを設け、ｑ軸側の回転子鉄心の外周側の一部を内径側へ凹ませて形成した磁気ブリッジを有し、ｑ軸線上にあって前記永久磁石の間あるいは前記永久磁石の内径側に、円状あるいは楕円状のｑ軸スリットを形成し、前記磁気ブリッジの外周側と前記ｄ軸スリットと前記ｑ軸スリットとを射出成形によってモールドし、前記回転子の軸方向両端側と前記ｄ軸スリットと前記ｑ軸スリットとをモールド連結した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。
3. 請求項１ないし２項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。
4. 請求項１ないし３項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たことを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記ティースの内径側に円状の固定子スリットを設け、前記ティースの内径側から周方向両側へ延びる磁極片を形成し、さらに前記ティースの内周面にベベリングを施したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項５に記載の永久磁石式回転電機において、２つの前記固定子スリットの間の角度をθ１、周方向両側の前記ベベリングの開始点の角度をθ２、前記ティースのピッチ角度をθ３とした時、θ３＞θ２＞θ１の関係にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機が６極９スロットであることを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機を備えた縦型洗濯機。
9. 請求項８に記載の縦型洗濯機において、前記永久磁石式回転電機の軸端に駆動プーリを配置し、該駆動プーリの回転をベルトを介して従動プーリに伝達し、該従動プーリの回転力をクラッチを介してギヤケース中のギヤに伝える構成にするとともに、脱水時の定格回転数が洗濯時の定格回転数より大きくなるようにした駆動部を有する縦型洗濯機。