JP6523912B2 - 永久磁石回転電機および洗濯機 - 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、高速化に限界がある。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、トルクアップを図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、電機子反作用を抑えて誘起電圧波形を正弦波に近付け、回転電機の効率を向上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向上が図れる。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、回転電機の効率を向上させ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洗濯すべき容量も例えば１０kgから２４kgと広く、１種類の同じ体格の回転電機では必要トルクを確保できなくなる問題がある。

本発明の目的は、１種類のほぼ同じ体格の回転電機で洗濯容量の異なる洗濯機シリーズに適用できる永久磁石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、その一例として、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、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回転電機において、回転子鉄心の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であるq軸側鉄心を削除して残った鉄心を磁気ブリッジとし、Ｕ字形状もしくはＶ字形状を有する永久磁石に希土類を含有するＳｍＦｅＮボンド磁石で構成するとともに、固定子鉄心積厚より回転子鉄心積厚を長くし、永久磁石挿入孔中のＳｍＦｅＮボンド磁石の周方向両サイドと磁気ブリッジの内周側との間に1ｍｍ程度の隙間を設けた部分と、100μｍ程度の隙間を設けた部分とで構成された回転子を用い、1ｍｍ程度の隙間を設けた部分の外周に固定子鉄心を設けたことを特徴とする。

なお、一般的に、洗濯容量の少ない洗濯機にはフェライト磁石で対応した場合、洗濯容量の多い洗濯機には体格の大きな回転電機で対応するしかない。しかし、これでは２種類の生産設備を準備する必要があり、製品がコスト高になってしまう問題が生じる。これに対し、洗濯容量の少ない洗濯機にはフェライト磁石で対応し、洗濯容量の多い洗濯機には磁石のみＳｍＦｅＮボンド磁石で対応すれば、ＳｍＦｅＮボンド磁石の残留磁束密度がフェライト磁石の１.６から１.７倍高いので、磁石のみの変更によって１種類のほぼ同じ体格の回転電機で洗濯容量の異なる洗濯機シリーズに適用できる永久磁石回転電機を提供できる。しかし、フェライト磁石に対応した回転電機の磁気回路では、残留磁束密度がフェライト磁石の１.６から１.７倍高いＳｍＦｅＮボンド磁石を使用すれば、必要トルクは確保できるもののコギングトルクも増加し、例えば縦型洗濯機の上蓋を開け、カバーを開け、洗濯物を挿入し、バスケットを回転して更に洗濯物を挿入しようとした場合、回転電機のコギングトルクによってバスケットが回り難くなり、力の弱い方にとっては洗濯ができない問題となる可能性がある。

本発明の形態によれば、Ｕ字形状もしくはＶ字形状を有する永久磁石に希土類を含有するＳｍＦｅＮボンド磁石で構成するとともに、固定子鉄心積厚より回転子鉄心積厚を長くし、固定子鉄心の内径側にある回転子鉄心中のＳｍＦｅＮボンド磁石はＳｍＦｅＮボンド磁石の周方向両サイドと磁気ブリッジの内周側との間に1ｍｍ程度の隙間を設けて周方向幅を小さくしてコギングトルクを低減し、固定子鉄心の内径側に位置しない回転子鉄心中のＳｍＦｅＮボンド磁石はＳｍＦｅＮボンド磁石の周方向両サイドと磁気ブリッジの内周側との間に100μｍ程度の隙間を設けて周方向幅を大きくしているので、ＳｍＦｅＮボンド磁石の位置決めが行え、射出成形によってモールドできる回転子を有する永久磁石回転電機を提供できる。この結果、永久磁石のみの変更によって１種類のほぼ同じ体格の回転電機で洗濯容量の異なる洗濯機シリーズに適用できる永久磁石回転電機を提供できる。

本発明による縦型洗濯機の一例である。 永久磁石回転電機の外観図である。 永久磁石回転電機の軸方向縦断面図である。 永久磁石回転電機の固定子鉄心形状図である。 永久磁石回転電機の回転子の構成図である。 図5の回転子の部分拡大図である。 永久磁石回転電機の回転子の外観図である。 本発明の効果を説明する永久磁石回転電機の線間電圧である。 永久磁石回転電機の固定子鉄心に設けた電機子反作用抑制孔の説明図である。 本発明の効果を説明する永久磁石回転電機の発生トルクである。 本発明の他の実施例を示す回転子の部分拡大図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図１１を参照して説明する。

図１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８０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。洗濯脱水用の回転電機は永久磁石回転電機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−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、永久磁石回転電機１の回転はギヤ−ケース６４のギヤー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回転電機１は、外周側に電源コネクタボックス２８と中性点コネクタボックス２９を有する。また、端部には冷却ファン２７を有する。

図２は図１の永久磁石回転電機１の外観図を示したものである。永久磁石回転電機１は、外枠５１に設けられた回転電機取り付け台（図示せず）に、固定部材付ハウジング２の固定部材４のボルト穴３を介してボルト止め（図示せず）される。ハウジング５の切り欠き部６から電源コネクタボックス２８と中性点コネクタボックス２９が飛び出している。ここで、固定部材付ハウジング２やハウジング５は平板からプレスで成形され、その途中に切り欠き６やボルト穴３を形成している。また、ハウジング５からシャフト８が出ており、固定部材付ハウジング２とハウジング５間に見えるのが固定子鉄心７であり、固定子鉄心７の下部に見えるのがコネクタボックスがついていない絶縁端板９、上部に見えるのがコネクタボックスがついている端子ボックス付絶縁端板１０である。

ここで、電源コネクタボックス２８と中性点コネクタボックス２９が固定部材４と機械角で９０度隔てているので、永久磁石回転電機１を外枠５１に固定しようとボルト穴３にボルト（図示せず）を差し込んでも、このボルトと電源コネクタボックス２８と中性点コネクタボックス２９が干渉することはない。

図３は図１の永久磁石回転電機の軸方向縦断面図である。シャフト８とシャフト孔２２で勘合された回転子鉄心１８があり、回転子鉄心１８中に形成された永久磁石挿入孔１９に永久磁石２０が収納された回転子１７がある。回転子１７の外周側にはハウジング２，５に支持された固定子鉄心７があり（固定子鉄心７には７a、７bがあり、電機子巻線１４を省略して図示）、固定子鉄心７の軸方向端部には磁極位置を検出するホールＩＣカバー３１に収納されたホールＩＣ３０を配置している。
ここで、ホールＩＣ３０を固定子鉄心７中に配置せず、ホールＩＣ３０の内周側には回転子鉄心１８が対抗している。

図４は永久磁石回転電機の固定子鉄心形状図である。図４（Ａ）に示す固定子鉄心７aはコアバック１１とティース１２とからなり、ティース１２間の固定子スロット１３中には電機子巻線１４（三相の１４a、１４b、１４cからなる）が巻装されている。１５は絶縁端板９、１０を固定するための固定穴（１５a、１５b、１５c）である。図４（Ｂ）に示す固定子鉄心７aは図４（Ａ）に対して固定穴１５を削除したものである。固定子スロット１３の開口幅はＨbである。図４（Ｃ）に示す固定子鉄心７bは図４（Ａ）に対して固定子スロット１３の開口幅ＨaをＨbに対して広くしたものである。開口幅ＨaをＨbより広くしたのは組み立て性を上げるために図３で示したホールＩＣカバー３１の案内のためである。

図５は永久磁石回転電機の回転子の構成図である。図５（Ａ）、（Ｃ）に示す回転子１７は永久磁石挿入孔１９に対して１ｍｍ前後の隙間を開けるように、永久磁石２０の周方向幅を小さくした永久磁石２０aを配置したものである。図５（Ｂ）、（Ｃ）に示す回転子１７は永久磁石挿入孔１９に対して１００μｍ前後の隙間を開けるように、永久磁石２０の周方向幅を大きくした永久磁石２０bを配置したものである。この永久磁石２０aと２０bは一体ものである。

図6は図5の回転子の部分拡大図である。ｄ軸スリット２３、ｑ軸スリット２４、永久磁石孔１９と永久磁石２０a間の隙間、磁極鉄心２５を除いた回転子鉄心１８の外周が射出成形によってモールド材２１によってモールドされる。永久磁石挿入孔１９の角度θ１に対して同じ中心となるように永久磁石２０aの角度θ２を決定している。角度θ２は永久磁石２０aと永久磁石孔１９間の隙間が1ｍｍ前後になるように設定している。

図７は永久磁石回転電機の回転子の外観図である。回転子鉄心１８をモールド材２１で射出成形によってモールドした場合、外部に露出しているのは磁極鉄心２５、シャフト８と回転子鉄心１８の内径側の一部である。

図８は本実施例の効果を説明する永久磁石回転電機の線間電圧である。図９は永久磁石回転電機の固定子鉄心に設けた電機子反作用磁束抑制孔の説明図である。図９において、電機子反作用抑制孔１６は固定子鉄心７のティース１２の内周側にあって、周方向に伸びた磁極片１２aの根本近傍に設けた電機子反作用を抑制する孔である。図８において、永久磁石２０にフェライト磁石から希土類を含有するただ淡々とＳｍＦｅＮボンド磁石に置き換えた場合に対し、各施策に対して線間電圧と電圧歪み率を無負荷時と負荷時について示したものである。ここで、フェライト磁石の残留磁束密度は０.４〜０.４５Ｔ近傍に対し、ＳｍＦｅＮボンド磁石の残留磁束密度は０.７〜０.８Ｔと１.７倍ほど大きくなる。図８の左側から、電機子反作用の磁束抑制孔１６がある場合を基本とし、次に磁束抑制孔１６があって永久磁石２０の角度をθ１から約６度カットした場合、次いでただ単に磁束抑制孔１６を削除した場合、そして磁束抑制孔１６を削除して永久磁石２０の角度をθ１から約６度カットした場合、次いで磁束抑制孔１６を削除して永久磁石２０の角度をθ１から約９度カットした場合、さらに磁束抑制孔１６を削除して永久磁石２０の角度をθ１から約１０度カットした場合である。図８より、各施策を変化しても線間電圧、電圧歪み率については無負荷時、負荷時とも変化が少ないが、ただ単に磁束抑制孔１６を削除した方が線間電圧が増加し、かつ電圧歪み率が小さくなる。

図１０は本実施例の効果を説明する永久磁石回転電機の発生トルクである。各施策は図８の場合と同じであり、抽出したのは無負荷時のコギングトルク、負荷時の直流トルクと脈動トルクである。図１０より、電機子反作用の磁束抑制孔１６がある場合はコギングトルクが１.５Ｎｍと直流トルク６.５Ｎｍの２３％を占める。すなわち、例えば縦型洗濯機の上蓋を開け、カバーを開け、洗濯物を挿入し、バスケットを回転して更に洗濯物を挿入しようとした場合、回転電機のコギングトルクによってバスケットが回り難くなり、力の弱い方にとっては洗濯物を挿入できず、ひいては洗濯できない問題となる可能性がある。
それでは、コギングトルクがどの程度に小さくなれば良いか、一概には言えないがコギングトルクが直流トルクの１０％以下を目標とした。

図１０より、磁束抑制孔１６があって永久磁石２０の角度をθ１から約６度カットした場合はコギングトルクがそれほど小さくならず、ただ単に磁束抑制孔１６を削除した場合はコギングトルクが大幅に下がる反面、負荷時の脈動トルクが非常に大きくなり、洗濯運転時の騒音が大きくなった。
そこで、磁束抑制孔１６を削除して永久磁石２０の角度をθ１から約６度カットした場合、次いで磁束抑制孔１６を削除して永久磁石２０の角度をθ１から約９度カットした場合、さらに磁束抑制孔１６を削除して永久磁石２０の角度をθ１から約１０度カットした場合は、コギングトルクが大幅に小さくなり、かつ負荷時の脈動トルクも大幅に小さくなることが分かった。

それでは、磁束抑制孔１６を削除した場合に脈動トルクが大きくなった原因は、電機子反作用が大きくなったためである。これに対し、永久磁石２０の角度をθ１から約６度、９度、１０度とカットした場合に脈度トルクが小さくなる理由は分かっていない。いずれにしても、コギングトルクと負荷時の脈動トルクを同時に低減するには磁束抑制孔１６を削除するとともに永久磁石２０の角度をθ１から約６度以上カットすることで、コギングトルクを直流トルクの１０％以下にできる。

図１１は本発明の他の実施例を示す回転子の部分拡大図である。図６に示した回転子６と異なるのは、Ｕ字形状の永久磁石２０aから略Ｖ字形状の永久磁石２０cに変更したもので、特に図６と特性的に大きく変わることはない。

すなわち、洗濯容量の小さな洗濯機の時には磁束抑制孔を設けるとともにフェライト磁石を採用し、洗濯容量の大きな洗濯機の時には磁束抑制孔を設けず、かつ永久磁石を希土類を含有するＳｍＦｅＮボンド磁石を適用することによって、１種類のほぼ同じ体格の回転電機で洗濯容量の異なる洗濯機シリーズに適用できる永久磁石回転電機を提供できる。

1…永久磁石回転電機、2…固定部材付ハウジング、3…ボルト穴、4…固定部材、5…ハウジング、6…切り欠き、7…固定子鉄心、8…シャフト、9…絶縁端板、10…端子ボックス付絶縁端板、11…コアバック、12…ティース、13…固定子スロット、14…電機子巻線、15…固定穴、16…電機子反作用抑制孔、17…回転子、18…回転子鉄心、19…永久磁石孔、20…永久磁石、21…モールド部、22…シャフト孔、23…ｄ軸スリット、24…ｑ軸スリット、25…磁極鉄心、26…モールド部、27…冷却ファン、28…電源コネクタボックス、29…中性点コネクタボックス、30…ホールＩＣ、31…ホールＩＣカバー、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…ギヤー、67…駆動プーリー、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、80…防振ばね

Claims (7)

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、該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であるq軸側鉄心を削除して残った鉄心を磁気ブリッジとし、前記永久磁石挿入孔における該永久磁石の周方向両サイドと該磁気ブリッジの内周側との間に1ｍｍ程度の隙間を設けた部分と、100μｍ程度の隙間を設けた部分とで構成された前記回転子を用いたことを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 請求項１記載の永久磁石回転電機において、
   前記永久磁石がＵ字形状あるいはＶ字形状を有するＳｍＦｅＮボンド磁石からなることを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 請求項２記載の永久磁石回転電機において、
   前記固定子鉄心より前記回転子鉄心の積厚を長くし、前記ＳｍＦｅＮボンド磁石の周方向両サイドと該磁気ブリッジの内周側との間に1ｍｍ程度の隙間を設けた該回転子鉄心の外周側に該固定子鉄心を配置し、前記100μｍ程度の隙間を設けた該回転子鉄心の外周側に位置検出部材を設けたことを特徴とする永久磁石回転電機。
4. 請求項２記載の永久磁石回転電機において、
   前記固定子鉄心より前記回転子鉄心の積厚を長くし、前記ＳｍＦｅＮボンド磁石の周方向両サイドと該磁気ブリッジの内周側との間に1ｍｍ程度の隙間を設けた該回転子鉄心の外周側に該固定子鉄心を配置し、前記100μｍ程度の隙間を設けた該回転子鉄心の外周側に該固定子鉄心を配置しないようにしたことを特徴とする永久磁石回転電機。
5. 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、該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であるq軸側鉄心を削除して残った鉄心を磁気ブリッジとし、該永久磁石に希土類を含有するＳｍＦｅＮボンド磁石で構成するとともに前記固定子鉄心の前記ティースの内周側磁極片近傍に磁束抑制孔を設けず、前記固定子鉄心積厚より該回転子鉄心積厚を長くし、前記永久磁石挿入孔における該ＳｍＦｅＮボンド磁石の周方向両サイドと該磁気ブリッジの内周側との間に1ｍｍ程度の隙間を設けた部分と、100μｍ程度の隙間を設けた部分とで構成したことを特徴とする永久磁石回転
   電機。
6. 請求項５記載の永久磁石回転電機において、
   前記ＳｍＦｅＮボンド磁石の前記回転子の外周側の磁極鉄心中に上下に閉鎖された長穴のｄ軸スリットを設け、ｑ軸線上にあって該ＳｍＦｅＮボンド磁石間の下側に丸、あるいは楕円形状のｑ軸スリットを形成し、前記磁気ブリッジの外周側と該ｄ軸スリットとｑ軸スリットとを射出成形によってモールドし、該回転子の軸方向両端側と該ｄ軸スリットと該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回転電機。
7. 請求項２〜６のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機を備え、
   前記永久磁石回転電機は洗濯機に適用され、前記洗濯機の容量が所定より大きい場合、前記永久磁石に前記ＳｍＦｅＮボンド磁石を適用し、前記洗濯機の容量が前記所定より小さい場合、前記永久磁石はフェライト磁石を適用し、一種類の永久磁石回転電機を使用した洗濯機。

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