JP4881826B2

JP4881826B2 - 永久磁石式回転電動機および洗濯機

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Publication number: JP4881826B2
Application number: JP2007247603A
Authority: JP
Inventors: 国弘坂本; 春雄小原木; 栄治豊田
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: JP2009081907A

Description

本発明は集中巻固定子を採用した永久磁石式回転電動機およびそれを用いた洗濯機の技術に関する。

洗濯機の回転翼やドラムを駆動する回転電動機にはインバータ駆動の永久磁石式電動機が採用されている。洗濯機においては騒音値の大小が製品の良否を左右するため、集中巻固定子を採用した永久磁石式電動機にさまざまなスロットコンビネーションが採用されている。現在、採用されているのは２極３スロット系列、１０極１２スロット系列、４極３スロット系列であるが、その他にも８極９スロット系列がある。

この種の永久磁石式電動機のスロット数と磁極数の組合せによる特性として、コギングトルクを重要視すれば１０極１２スロット系列と８極９スロット系列、リラクタンストルクや弱め界磁を重要視すれば２極３スロット系列、巻線端部長さを重要視すれば２極３スロット系列と１０極１２スロット系列、巻線コストを重要視すれば４極３スロット系列、総合的に見ると２極３スロット系列と１０極１２スロット系列であること、さらに、８極９スロット系列も特異な特性であること等はよく知られており、これらの特性を勘案して、用途に応じたスロット数と磁極の組合せを用いている（非特許文献１参照）。

また、洗濯機駆動用電動機に多極の電動機の採用することは、特許文献１に示されるように既に行われており、ここでは４極３系列における永久磁石式電動機、回転鉄心と固定子との間の空隙磁束を正弦派に近づけることでトルク発生、振動騒音の改善を図っている。
株式会社日立製作所総合教育センタ技術研修所編「わかりやすい小形モータの技術」株式会社オーム社発行Ｐ２１、Ｐ２２（表2-4参照）特開２００６−１５７９９５号公報

前記の従来技術では、ギャップ形状や騒音については認識されているが、スロットリプルによる騒音については認識されていない。
そこで、本願発明は、４極３スロット系列においてスロットリプルによる騒音を低減する永久磁石式回転電動機とこれを用いた洗濯機を提供する。

磁極として複数の永久磁石を具備した回転子が、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、４極３スロット系列の久磁石式回転電動機において、固定子の磁極数をＭ、回転子磁極の磁極数をＰとしたとき、Ｐ：Ｍ＝４ｎ：３ｎ（ｎは、３６０／４ｎ、及び３６０／３ｎの商が無限小数となる整数）に設定して、ティースピッチのピッチ幅を異ならせたティースピッチを適宜位置に配設すると共にに、回転子の磁極ピッチのピッチ幅を異ならせ磁極ピッチを適宜位置に配設すること。

従来発生していたスロットリプルによる騒音が低減した。

図1は本発明による永久磁石式回転電動機の径方向断面図、図２は図１の永久磁石式回転電動機の固定子の拡大図、図３は図１の永久磁石式回転電動機の回転子の拡大図である。

図１〜図３を同時に参照して説明する。
永久磁石式回転電動機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４２個、固定子磁極の磁極数Ｍ＝４２となる）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、複数のティース６に巻装された集中巻線である。スロット５の内周部がスロット開口部８であり、ティース６の先端部が固定子の磁極鉄心９である。

回転子３は、ヨーク鉄心１０の外周側に配置された複数の長方形の永久磁石挿入孔１１（図では５６個、回転子磁極数Ｐ＝５６となる）中に希土類永久磁石１２が納められ、希土類永久磁石１２を覆う外周部の鉄心が回転子３の磁極鉄心１３であり、ヨーク鉄心１０と回転子３の磁極鉄心１３を連結しているのが磁気ブリッジ１４である。

ここで、スロットコンビネーションは５６極４２スロットであるから、４極３スロット系列である。一周の３６０度を４２あるいは５６で割ると、その角度は、8.571428571・・・度、6.428571429・・・度となり割り切れずに無限小数となる。
したがって、図２、図３に示すように、ティース６のティースピッチを８．５７度、磁極鉄心１３の磁極ピッチを６．４３度に設定すると、一周で角度の積算誤差が発生する。
そこで、ティース６のティースピッチ誤差である、0.001428571度（8.571428571―8.57）、磁極鉄心１３の磁極ピッチ誤差である、−0.001428571度（6.43−6.428571429）を各々、適宜なティースピッチ、適宜な磁極ピッチに振り分ける。言い換えれば、ティース６のティースピッチおよび磁極鉄心１３の磁極ピッチが機械角360度の中で均一ではないこととなる。

図４には本発明の永久磁石式回転電動機を搭載した洗濯機の構成例を示す。この洗濯機５０は、筐体５１の内部にサスペンション５２を介して懸架支持される水槽５３と、この水槽５３内の内部に回転可能に配置され、洗濯物（図示せず）が投入される洗濯槽５４と、この洗濯槽５４内の底部に配置され、洗濯槽５４内の洗濯物を攪拌する回転翼５５とを有している。永久磁石式回転電動機１は水槽５３の底部に固定板５６に固定され、洗濯機駆動軸５７（永久磁石式回転電動機１の出力軸）の外側には中空回転軸５８が設けられている。
したがって、永久磁石式回転電動機１の出力軸である洗濯機駆動軸５７が回転すると、回転翼５５が回転して洗濯物を攪拌することになり、洗濯動作が行われる。

図５は、洗濯機に本願発明を適用した場合と、適用しない場合の騒のＦＦＴ測定結果である。
図５（a）は、従来の５６極４２スロットの４極３スロット系列で、ティース６のティースピッチを8.571428571度にし、磁極鉄心１３の磁極ピッチを6.428571429度にした永久磁石式電動機を700ｒ/minさせた時の騒音のＦＦＴ測定結果である。
図中、騒音が突出している周波数成分は467Ｈｚ、513Ｈｚ、653Ｈｚである。42スロットの場合の電磁加振力は42と42±2が現われるので、40（42−2）×700/60＝467Ｈｚ、44（42+2）×700/60＝513Ｈｚが突出し、56極の場合の電磁加振力は56と56±2が現われるので、56×700/60＝653Ｈｚ、が突出していることが示されている。
図５（b）は、本発明の５６極４２スロットの４極３スロット系列で、ティース６のティースピッチを8.57度、磁極鉄心１３の磁極ピッチを6.43度にし、当該積算誤差を、磁極数５６とスロット数４２の公約数である７毎に累積誤差の１／７を振り分けた永久磁石式電動機を700ｒ/minさせた時の騒音のＦＦＴ測定結果である。
図５において、騒音が突出している周波数成分は467Ｈｚ、513Ｈｚ、653Ｈｚであるが、その突出量が大幅に小さくなっていることが示されている。

ここでは、小数点以下第３位を四捨五入したが、当該積算誤差の量、及びその分配量を均一にするか否か、分配箇所等は、トルクの脈動許容範囲等を勘案して適宜設定可能な事項である。

当該結果の理由は定かではないが、ティース６のティースピッチを8.571428571度にし、磁極鉄心１３の磁極ピッチを6.428571429度にしてティースピッチと磁極ピッチ各々を等ピッチにすると、ティースと磁極にリンクした磁束が増加し、これが騒音を増加させるものと考えられる。
したがって、本発明のように、ティース６のティースピッチを8.57°にし、磁極鉄心１３の磁極ピッチを6.43°にし、積算誤差を分配してティースピッチおよび磁極ピッチの各ピッチが機械角360度の中で異なるようにすることにより、ティースと磁極にリンクした磁束が減少し、これが騒音を低減させたものと推測される。

図６は、洗濯機に、本願発明の永久磁石式回転電動機を適用したときの騒音測定結果である。
図中、点線は前記した従来の５６極４２スロットの永久磁石式回転電機、実線はティースピッチおよび磁極ピッチが機械角360度の中で異なるようにした本発明の５６極４２スロットの永久磁石式回転電機である。
回転速度2000 r/minまで運転したが、従来は42スロットの±2に起因するスロットリプルによる騒音が700r/min近傍で突出するのに対し、本発明では2000 r/minまで運転したが突出した騒音成分がなくなるため、騒音低減が図れる効果がある。

以上の実施例では４極３スロット系列で、各ピッチ幅が等間隔とならない５６極４２スロットを示したが、他には２８極２１スロット、４４極３３スロット、５２極３９スロット、６８極５１スロット・・・・・であっても同様な効果が得られることは言うまでもない。
ただし、洗濯機の回転速度を最大２０００r/minとすれば、インバータ駆動の駆動周波数の基本波が、６８極では約１１３０Ｈｚとなり、制御不能となる（高級なマイコンを使用すれば解決できるが、家庭用洗濯機に使用する安価なマイコンではクロック周波数が低く、回転速度の制御が遅くなるため、速度制御が不安定になるためであり、最大でも基本周波数が１０００Ｈｚまでと言われている）。５６極では約９３０Ｈｚとなり、これが制御限界である。すなわち、選択できるスロットコンビネーションは２８極、４４極、５２極、５６極の４種類となる。

また、図3の実施例では回転子磁極鉄心１３とヨーク鉄心１０とを磁気ブリッジ１４で連結したが、永久磁石と磁気鉄心を適宜手段にて接続して、図7に示すように、磁気ブリッジ１４をカットした方が希土類永久磁石１２の発生磁束を有効利用できる。

さらに、図２および図３の実施例では固定子の磁極鉄心９と回転子３の磁極鉄心１３は周方向端部の方向に行くに従ってギャップ長（固定子の磁極９の内周と回転子３の磁極鉄心１３間がギャップ長となる）が徐々に大きくなる様に対向面を互いに凸形状にし、回転子３の磁極鉄心１３の当該凸形状は、直線と円弧形状を組み合わせたものである。
当該磁極鉄心１３の凸形状を固定子２の磁極の対向面としても差し支えない。

以上の様に、本願発明は、４極３スロット系列においてスロットリプルによる騒音を低減する永久磁石式回転電動機を提供するものであるから、洗濯機に限らず４極３スロット系列の永久磁石式電動機を利用する如何なる技術分野においても適用可能である。

本発明による永久磁石式回転電動機の径方向断面図図１の永久磁石式回転電動機の固定子の拡大図図１の永久磁石式回転電動機の回転子の拡大図本発明の永久磁石式回転電動機を搭載した洗濯機の構成例本発明の騒音のＦＦＴ測定結果本発明の騒音の測定結果図３において、磁気ブリッジを削除した他の実施例

符号の説明

１・・・永久磁石式回転電動機
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
８・・・スロット開口部
９・・・固定子の磁極鉄心
１０・・・ヨーク鉄心
１１・・・永久磁石挿入孔
１２・・・希土類永久磁石
１３・・・回転子の磁極鉄心
１４・・・磁気ブリッジ
５０・・・洗濯機
５１・・・筐体
５２・・・サスペンション
５３・・・水槽
５４・・・洗濯槽
５５・・・回転翼
５６・・・固定板
５７・・・洗濯機駆動軸
５８・・・中空回転軸

Claims

固定子鉄心に形成された複数のスロット、及び、集中巻の電機子巻線が施されて磁極を形成するティースからなる固定子と、磁極を形成する永久磁石がその鉄心に複数埋め込まれた回転子とから構成される永久磁石式回転電動機において、前記固定子に形成された磁極数をＭ、前記回転子に形成された磁極数をＰとしたとき、Ｐ：Ｍ＝４ｎ：３ｎ（ｎは、３６０／４ｎ、及び３６０／３ｎの商が無限小数となる整数）となるように、磁極数Ｍと磁極数Ｐを設定し、前記ティースのティースピッチとして、当該ピッチ幅の異なるティースピッチを適宜位置に配設すると共に、前記回転子の磁極ピッチのピッチとして、当該ピッチ幅を異ならせ磁極ピッチを適宜位置に配設した永久磁石式回転電動機。
請求項１における回転子の永久磁石を覆う磁極鉄心の形状、及び固定子の磁極鉄心の形状は、両者の対向面が互いに凸形状である永久磁石式回転電動機。
請求項１における回転子の永久磁石を覆う磁極鉄心の形状と、固定子の磁極鉄心の形状は、少なくとも一方の形状が、その対向面が円弧形状と直線形状とを組み合わせた形状である永久磁石式回転電動機。
請求項１乃至３における回転子の鉄心は、永久磁石を覆う磁極鉄心と永久磁石が埋め込まれたヨーク鉄心とが結合していない永久磁石式回転電動機。
請求項１ないし4項記載の永久磁石式回転電動機において、前記回転子磁極の極数を28極、44極、52極、56極にしたことを特徴とする永久磁石式回転電動機。
請求項１ないし５記載の永久磁石式回転電動機を適用した洗濯機。
請求項１ないし６記載の永久磁石式回転電動機を最大2000r/minまで駆動するようにした洗濯機。