JP2007089282A - 外転形永久磁石モータ及びそれを使用した洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】外転形永久磁石モータにおける回転子の回転の際に生ずる風力騒音を少なくする。
【解決手段】環状ヨーク部の外周部から等間隔で放射状に突出した複数のティース外周にコイルを巻装した固定子と、有底円筒状のフレームの環状壁内周部に永久磁石を埋設した回転子鉄心を、フレームの底部にコイル冷却用の複数の羽根を備えて固定子の外側で回転する回転子とから成る外転形永久磁石モータにおいて、前記複数の羽根を周方向に不均一な間隔で放射状に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子の周囲を永久磁石を組み込んだ磁極を有する回転子が回転する外転形永久磁石モータに関し、特には回転子が回転する際に生ずる風力騒音を少なくする技術に関する。

従来の外転形永久磁石モータとしては、例えば特許第３０１７９５３号公報に開示されたものがある。図７は、そのような外転形永久磁石モータの一例を破断斜視図で示したものである。この外転形永久磁石モータ１は、例えば脱水兼用洗濯機において洗い時には撹拌体を、脱水時には撹拌体及び回転槽を一体に回転駆動するための駆動モータとして用いられるものである。

外転形永久磁石モータ１は、略円筒状に形成された固定子２とその外周囲に位置して回転する回転子３により構成される。固定子２は、環状を成すヨーク部４とその外周部から放射状に突出する多数のティース５を有する鉄心６、そのほぼ全体の外面を覆うように形成形された被覆部材７、その被覆されたティース５の各外周に巻装されたコイル８とを備えて構成されている。

一方、回転子３は、中心部に軸支持体９が配された円形状の主板部１０及びその主板部１０の外周縁部に立設された環状壁１１とを鉄板など磁性体にて形成したフレーム１２の内周部（環状壁１１の内側）に、磁極形成用の複数の永久磁石１３が内部に組み込まれた円環状の回転子鉄心１４を配置したものである。回転子鉄心１４とフレーム１２は樹脂１５により一体的に構成され、軸支持体９と主板部１０も樹脂１５により一体に構成され全体として扁平な有底円筒状を成している。

このようなモータでは電機子電流を流すとコイル８の温度が上昇する。コイル８及び各部材の温度上昇を抑えるためフレーム１２の底面をなす主板部１０には図８の回転子３平面図に示すように複数の冷却用羽根１７が軸支持体９を中心に放射状に立設配置されている。そして、その羽根１７の両側には外部に通ずる通風孔１８が設けられている。この羽根１７の高さ分を確保するために主板部１０と環状壁１１とが繋がる部分には段部１９が設けられている。

ところで洗濯機用モータのように薄形化が求められる外転形永久磁石モータでは、この冷却用羽根１７と固定子２のコイル８との間の軸方向距離を短くすることが求められる。これに応えて軸方向距離を短くすると冷却用羽根１７がコイル８の上を通過する際に空気の乱流が生ずる。特にコイル８が集中巻き巻線方式である場合には隣接するコイル間に隙間（空間）が存在するため羽根１７がコイル８上を通過する前後における回転子３内部の気圧変動が大きくなり、コイル間を通過する大きな乱流が発生する。乱流は風力騒音を生じさせる。風力騒音はモータ回転速度が高まるにつれ大きくなる。

主板部１０に設ける羽根１７が周方向に等間隔に配置され羽根の数とコイル数とが公約数を持つ関係にある場合には、その公約数に等しい数の乱流が回転子３が１回転する間にコイルの数と同じ回数発生する。従って、そのように羽根１７を配置した場合には乱流による風切り音（風力騒音）も大きくなる。
特許第３０１７９５３号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、その課題は、外転形永久磁石モータにおける回転子の回転の際に生ずる風力騒音を減少させることにある。

前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、環状ヨーク部の外周部から等間隔で放射状に突出した複数のティース外周にコイルを巻装した固定子と、有底円筒状のフレームの環状壁内周面に永久磁石を埋設した回転子鉄心を、前記フレームの底部に前記コイル冷却用の複数の羽根を備えて前記固定子の外側で回転する回転子とから成る外転形永久磁石モータにおいて、前記複数の羽根を周方向に不均一な間隔で回転子中心から放射状に配置したことを特徴とする。

このように外転形永久磁石モータのフレームの底部に設ける羽根を周方向に不均一な間隔で配置すれば、羽根がコイル上を通過するときの空力騒音発生のタイミングを回転子の１回転時間内で分散させることができる。その結果として発生騒音が低減する効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石モータ（以下、単に外転形モータという。）について、「背景技術」で略述した図７に示すモータに適用した場合を例に説明する。図７に示す外転形モータ１は、固定子２とその外周囲に位置して回転する回転子３を備えて構成されている。

固定子２は主に鉄心６とコイル８とから成り全体として略円筒状に形成されている。そのうち鉄心６は、例えば所定形状に打ち抜いた磁性体であるけい素鋼板を多数枚積層したもので、環状を成すヨーク部４とその外周部から放射状に突出する多数のティース５とを有する構成となっている。ヨーク部４及びティース５の外面のほぼ全体には電気絶縁材である合成樹脂から成る被覆部材７がモールド成形により設けられている。又、その被覆部材７にはヨーク部４の内周部に位置させて複数個の取付け部２０が一体に形成されている。この取付け部２０は、固定子２を洗濯機など機構部に取り付ける際に利用される。各ティース５には被覆部材７の各外周にコイル８が巻装されており、以上によって固定子２が構成されている。

一方、回転子３は主にフレーム１２と回転子鉄心１４及び永久磁石１３から成っている。そのうちフレーム１２は図７に示すように中央部に軸支持体９が配される円形の主板部１０と、その外周縁部に形成された段部１９と、その段部１９から立設された環状壁１１とを有し全体として扁平な有蓋円筒状をなしている。このフレーム１７は、磁性体である例えば鉄板をプレス加工して形成される。

フレーム１２の内周部（環状壁１１の内側）と段部１９とに囲まれる空間には回転子鉄心１４が配置されている。回転子鉄心１４は、略円環状に打ち抜かれた磁性体である例えば鉄板を多数枚積層して構成されたものである。回転子鉄心１４の内周部側には多数個の磁石挿入孔２１を設けて内部に永久磁石１３が挿入され、もって円環状に配置された多数個の磁極２２が構成されている。磁極２２は固定子２の各ティース５の先端部に対して僅かな隙間を介して対向する。フレーム１２と回転子鉄心１４と永久磁石１３とは樹脂１５により一体的に結合される。

また、フレーム１２の主板部１０の中央には図示しない回転軸が挿通固定される軸支持体９が配置される。その軸支持体９と主板部１０も樹脂１５により一体的に結合されている。主板部１０の段部１９と軸支持体９との間の部分には、固定子２のコイル８を冷却するための複数の冷却用羽根１７と通風孔１８が形成されており、以上によって回転子３が構成されている。

次に、フレーム１２の底部をなす主板部１０に設けられる冷却用羽根１７と通風孔１８の構成について説明する。図１は第１の実施形態に係る回転子３の平面図を示したもので「背景技術」で説明した図８に相当するものである。冷却用羽根１７は図７及び図１に示すように主板部１０の段部１９と軸支持体９との間において軸支持体９を中心に放射状に主板部１０に立設して設けられている。そして各羽根１７の両側に当たる前記フレーム１２の底部に通風孔１８が設けられている。この羽根１７の高さは、回転の際に固定子２のコイル８と干渉しない高さにされている。前記段部１９はこの羽根１７の高さを確保する役割も果たす。

図１に示す主板部１０に設けた羽根１７と通風孔１８の配置の構成が従来技術に係る図８の主板部１０の構成と異なる点は、隣り合う２つの羽根１７の間隔にある。図１、図８の主板部１０は共に羽根１７の数が１２個の場合の例である。従来技術に係る図７の主板部１０では各羽根１７が等間隔、即ち、互いに３０°の間隔を隔てて放射状に配置してある。これに対して本実施形態の図１に示す主板部１０では、隣り合う２つの羽根１７の間隔が不均一となるように配置してある。

固定子２に設けられた複数のコイル８は、回転中心から放射状に配置されている。コイル８が集中巻き巻線方式で巻かれている場合には、隣り合うコイル間には隙間（空間）が存在する。一つの羽根１７が一つのコイル上を通過する前後においてはその隙間が存在するために回転子３内部に気圧変動が生じてコイル間を通過する乱流が生ずる。

例としてコイル８の数は３６個で１０°の等間隔で配置され、羽根１７の数は１２個設けられているとする。すると、回転子３がコイル間の間隔である１０°回転する間に羽根１７とコイル８との間で全体として１２個の乱流が発生する。

ここで、１２個の羽根１７が図８に示す場合のように３０°の等間隔で設けられているとする。この場合にはある１個の羽根１７があるコイル間の真下に位置する状態では、他の１１個の羽根１７も同時に同じように他のコイル間の真下に位置する状態となる。即ち、各羽根１７とその直上のコイル８との位置関係（以下、位置の位相関係と呼ぶ。）が１２個の羽根１７の全てについて同一となる。このため、羽根１７が１０°回転する間に発生する１２個の乱流の位相が揃い、全体として大きな風切り音（風力騒音）が発生することになる。この大きな風切り音は、固定子２が１回転する間にコイル８の数に等しい３６回生ずることになり大きな風力騒音を発生させる。

これに対して本実施形態の図１に示す主板部１０では、１２個の羽根１７が図中の羽根１７ａから右周りに順に３３°、２９°、３２°、３１°、２８°、３０°、３１．５°−−といった不均一な間隔で配置してある。その間隔は何れか１つの羽根１７があるコイル間の真下に位置した状態では、他の１１個の羽根１７は何れもコイル間の真下には位置しないような間隔にされている。即ち、各羽根１７とその直上のコイル８との前述した位置の位相関係が全て異なるように設定されている。

このように位置の位相関係が異なっていると羽根１７が１０°回転する間に発生する１２個の乱流の発生タイミングは全て異なったものとなる。固定子２が１回転する間には３６×１２個の乱流が発生するがそれらも全て発生タイミングが異なって同時に発生する乱流は１個のみとなる。２以上の乱流が同時に発生することがなくタイミングのずれた小さな乱流が殆ど連続して発生する。このため風切り音は平均化されて小さくなり風力騒音が低減される効果を奏する。

図２は第２の実施形態に係る回転子３の平面図を示したものである。この図２の回転子３における羽根１７の個数は１１個で、それらが等間隔（３２．７°間隔）で放射状に配置されている。固定子２のコイル８の個数は３６個を想定している。このように３６個のコイル数に対して羽根１７の数を１以上の共通の約数を持たない数１１とすると、各羽根１７とその直上のコイル８との前述した位置の位相関係は全て異なったものとなる。従って、この場合も第１の実施形態の場合と同様に固定子２が１回転する間に生ずる３６×１１個の乱流はすべて異なったタイミングで発生する。従って、この場合も第１の実施形態の場合と同様に風力騒音が低減される効果を奏する。

図３は、コイル８の数を３６として羽根１７の数を変えた場合に、回転子３の１回転中における乱流の発生回数と、同時に発生する最大乱流数とを示したものである。前述した位置の位相関係が揃っているため同じタイミングで複数の乱流が同時発生する場合の発生回数は１と数えている。複数の羽根１７は等間隔で放射状に配置している。

図３から明らかなようにコイル８が３６である場合には、羽根１７の数を３６に対して１以外の共通の約数を持たない数である１１、７、５とした場合には同時に発生する最大乱流数は１となる。乱流発生回数は、それぞれ３６×１１、３６×７、３６×５の多数回となる。即ち、レベルの低い風切り音が多数回発生する。

図４は、羽根１７の数を１２、１１、６とした場合の、モータを１４００ｒｐｍで回転させた時の風切り音のレベルの実測値を比較したものである。羽根１７を１２個で等間隔に配置した場合、回転子１回転あたり３６回の乱流が発生し、その周波数は８４０Ｈｚ（＝３６×１４００／６０）となる。この８４０Ｈｚの騒音調波レベルが、羽根１７のときには−１３．０３ｄＢとなる。これに対して１１個とした場合は−１５．３２ｄＢ、６個とした場合は−１５．６１ｄＢとなって、それぞれ−２．３ｄＢ、−０．３ｄＢの騒音減少効果が得られることを示している。

第３の実施形態として、固定子２に設けるコイル８が３相の集中巻き巻線方式にて構成されている場合には、羽根１７の個数を（３ｎ±１）（但し、ｎは１以上の整数）としてもよい。即ち、ｎ＝２とした場合は羽根１７の個数を７又は５とする。ｎ＝３とした場合は羽根１７の個数を１０又は８とする。また、ｎ＝４とした場合には羽根１７の個数を１３又は１１とする。

３相の場合にはコイル８の数も３の倍数となる。この場合、羽根１７の個数も３の倍数としたのでは、各羽根１７とその直上のコイル８との前述した位置の位相関係が揃う羽根１７の数が増えて風力騒音が大きくなる。従って、羽根１７の数は３の倍数とならないように上述のように（３ｎ±１）（但し、ｎは１以外の整数）とすることで風力騒音を低くすることができる。

実際、３相でコイル８の数が３６である場合において羽根１７の個数を上記計算式により５、７、１１あるいは１３とした場合には、先に説明した図３で判るように同時に発生する最大乱流数は１となり風力騒音は小さくなる。羽根１７の個数を上記計算式により８、１０とした場合も風力騒音をかなり低いレベルとすることができる。

図５は第４の実施形態に係る回転子３の平面図を示したものである。この図５の回転子３は、第２の実施形態の図２における各羽根１７を径方向に対して斜めに設けたものである。固定子２の複数のコイル８は、径方向に放射状に配置されている。従って、隣り合うコイル間の隙間（空間）も径方向に放射状に存在する。このため回転子３側の各羽根１７を径方向に対して斜めに設けると、各羽根１７はコイル間の隙間と斜めに交差することになる。この場合、斜めに配置する羽根は一部でも全部でもよい。

このように回転子３が回転する際に羽根１７とコイル間の隙間とが斜めに交差するようすれば、羽根１７がコイル間の隙間あるいはコイル上を通過する際に生ずる回転子３内の気圧変動が滑らかになる。これにより発生する風力騒音のレベルが低下する効果が得られる。
なお、この各羽根１７を斜めに設ける工夫は、第１、第３の実施形態に適用しても良く、更に従来技術である図８に示した回転子３に適用しても同様の効果が得られる。

図６は第５の実施形態に係る回転子３の平面図を示したものである。この図６の回転子３は、第２の実施形態の図２における羽根１７の径方向長さを複数種類としたものである。図６においては羽根１７の径方向長さを３種類としている。このように羽根１７の径方向長さを複数種類で構成すれば、回転子３が１回転する時間内でコイル上を同時に通過する羽根１７の数が径方向において少なくなる。従って、回転子３内の気圧変動が滑らかになり発生する風力騒音のレベルが低下する効果を奏する。

なお、この羽根１７の径方向長さを複数種類にする工夫は、第１、第３、第４の実施形態に適用しても良く、更に従来技術である図８に示した回転子３に適用しても同様の効果が得られる。

以上、説明したような各実施形態の回転子を採用した外転形永久磁石モータは騒音発生が少ないため、洗濯機、これを含む洗濯機乾燥機に使用すれば騒音の少ない静かな洗濯機を実現することができる。

第１の実施形態に係る回転子の平面図である。 第２の実施形態に係る回転子の平面図である。 第２の実施形態に係る回転子における羽根の数と乱流発生回数、同時に発生する最大乱流数を計算した図である。 第２の実施形態に係る回転子の騒音低下を説明する図である。 第４の実施形態に係る回転子の平面図である。 第５の実施形態に係る回転子の平面図である。 外転形永久磁石モータの一例の破断斜視図である。 従来技術に係る図１相当図である。

符号の説明

図面中、１は外転形永久磁石モータ、２は固定子、３は回転子、４はヨーク部、５はティース、８はコイル、９は軸支持体、１２はフレーム、１１は環状壁、１３は永久磁石、１４は回転子鉄心、１７は冷却用の羽根、１８は通風孔を示す。

Claims (7)

1. 環状ヨーク部の外周部から等間隔で放射状に突出した複数のティース外周にコイルを巻装した固定子と、有底円筒状のフレームの環状壁内周面に永久磁石を埋設した回転子鉄心を、前記フレームの底部に前記コイル冷却用の複数の羽根を備えて前記固定子の外側で回転する回転子とから成る外転形永久磁石モータにおいて、
   前記複数の羽根を周方向に不均一な間隔で放射状に配置したことを特徴とする外転形永久磁石モータ。
2. 請求項１に記載の外転形永久磁石モータにおいて、前記羽根の個数を前記固定子に設けた前記コイルの個数と１以外の共通の約数を持たない数とし、それらの羽根を周方向に等間隔で放射状に配置したことを特徴とする外転形永久磁石モータ。
3. 請求項１に記載の外転形永久磁石モータにおいて、前記固定子に設ける前記コイルを３相の集中巻き巻線方式にて構成し、前記羽根はｎを１以上の整数として（３ｎ±１）の個数とし、それらの羽根を周方向に等間隔で放射状に配置したことを特徴とする外転形永久磁石モータ。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の外転形永久磁石モータにおいて、前記各羽根の一部又は全部を径方向に対して斜めに設けたことを特徴とする外転形永久磁石モータ。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の外転形永久磁石モータにおいて、前記複数の羽根の径方向長さを複数種類としたことを特徴とする外転形永久磁石モータ。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の外転形永久磁石モータにおいて、前記各羽根の両側に当たる前記フレームの底部に通風孔を設けたことを特徴とする外転形永久磁石モータ。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載の外転形永久磁石モータを回転槽あるいはパルセータの駆動用に使用したことを特徴とする洗濯機。
   
   

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