JP2010063283A - 永久磁石形モータ - Google Patents

Abstract

【課題】合成コギングトルクのピークを抑えることができて、振動や騒音を低減でき、また、永久磁石の誤挿入を防止できるようにする。
【解決手段】外転形のロータ２０において、第１の磁石挿入穴２３に挿入される第１の永久磁石２５の軸方向の端面形状は、第２の永久磁石２６が挿入される第２の磁石挿入穴２４の開口部形状に対して径方向の厚さ寸法を大きく設定し、第２の永久磁石２６の軸方向の端面形状は、第１の磁石挿入穴２３の開口部形状に対して周方向の幅寸法を大きく設定する。ロータ２０の回転時に第１及び第２の永久磁石２５，２６のステータコアのティース１３ａ，１３ｂに対する磁気吸引力（コギングトルク３６ａ，３６ｂ）を時間的にずらすことができる。この結果、合成コギングトルク３６ｃのピークを低減することが可能になり、モータの振動や騒音の低減化が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータコアの周方向に形成された複数個の磁石挿入穴にそれぞれ永久磁石を挿入配置した構成の永久磁石形モータに関する。

例えば外転形（アウターロータタイプ）の永久磁石形モータにおいては、ステータを囲繞するようにロータのロータコアが配置されている。そのロータコアには、周方向に複数個の磁石挿入穴が形成され、各磁石挿入穴に永久磁石が挿入配置されている。隣り合った永久磁石は、前記ステータに対する磁極の極性が反対となるように配置されている。そして、隣り合った磁石挿入穴の開口部形状は同一形状に設定されているとともに、隣り合った永久磁石の軸方向の端面形状も同一形状に設定されているのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

図７（ａ）には、この種の永久磁石形モータにおける要部の構成を模式的に示している。なお、この図７（ａ）においては、図を簡略化するため、ロータコア及びステータコアを展開した状態で示している。ロータコア１には、磁石挿入穴２が周方向に複数個形成されている（図では、隣り合った２個のみ示している）。磁石挿入穴２には、第１の永久磁石３と第２の永久磁石４が交互に挿入配置されている。隣り合った第１の永久磁石３と第２の永久磁石４は、ステータコアのティース５ａ，５ｂに対する磁極の極性が反対となるように配置されている。

ここで、各磁石挿入穴２の開口部形状は同一形状で、共に周方向に長い矩形状に形成されている。第１の永久磁石３及び第２の永久磁石４の軸方向の端面形状は同一形状で、それら磁石挿入穴２に挿入し得るように、磁石挿入穴２より少し小さい矩形状に形成されている。第１の永久磁石３と第２の永久磁石４は、ステータコアに対する磁極の極性が反対であるが、磁束の大きさは同じに設定されている。したがって、隣り合った第１の永久磁石３部分と第２の永久磁石４部分は、ステータコアに対する磁極が異なる以外は、同一の構成となっている。
特開２００５−３２８６１６号公報

上記した構成のものの場合、ロータコア１とステータコア（ティース５ａ，５ｂ）との間における、前記第１の永久磁石３及び第２の永久磁石４の磁束は、図７（ｂ）に示すようになる。このため、ロータの回転時に第１及び第２の永久磁石３，４がティース５ａ，５ｂを横切る際に発生する磁気吸引力（コギングトルク）が、図７（ｃ），（ｄ）に示すように同じタイミングとなり（コギングトルク６ａ，６ｂ参照）、図７（ｅ）に示すように、合成コギングトルク６ｃが大きくなる。このため、モータの振動や騒音が大きくなるという問題がある。

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、合成コギングトルクのピークを抑えることができて、振動や騒音を低減でき、また、永久磁石の誤挿入を防止できる永久磁石形モータを提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明の永久磁石形モータは、ステータと、このステータに対して回転可能に設けられ、周方向に第１の磁石挿入穴と第２の磁石挿入穴を交互に複数個有したロータコアと、軸方向の端面形状が前記第１の磁石挿入穴の開口部形状に対応した形状をなしていて、前記第１の磁石挿入穴にそれぞれ挿入配置された複数個の第１の永久磁石と、軸方向の端面形状が前記第２の磁石挿入穴の開口部形状に対応した形状をなしていて、前記ステータに対する磁極の極性が前記第１の永久磁石とは反対となるように前記第２の磁石挿入穴にそれぞれ挿入配置された複数個の第２の永久磁石とを備え、前記第１の永久磁石の軸方向の端面形状は、前記第２の磁石挿入穴の開口部形状に対して、径方向の厚さ寸法及び周方向の幅寸法のうち少なくとも一方が大きいことを特徴とする。

本発明によれば、第１の磁石挿入穴に挿入される第１の永久磁石と、第２の磁石挿入穴に挿入される第２の永久磁石では、軸方向の端面形状が異なっている。このため、ロータの回転時に第１及び第２の永久磁石のステータコアに対する磁気吸引力（コギングトルク）を時間的にずらすことができ、この結果、合成コギングトルクのピークを低減することが可能になり、モータの振動や騒音の低減化が可能になる。また、第１の永久磁石は、第２の磁石挿入穴には挿入することができないから、永久磁石の誤挿入を防止できるようになる。

以下、本発明の一実施例について図１〜図６を参照して説明する。本発明のモータは、例えばドラム式の洗濯機において、水槽内に回転可能に配設された回転ドラムを回転駆動するモータに用いられる。
図６には、モータ１１の概略的な斜視図が示されている。このモータ１１は、アウターロータタイプのＤＣブラシレスモータである。このモータ１１のステータ１２は、外周部に多数個のティース１３を有するステータコア１４と、各ティース１３に巻回されたステータコイル１５と、合成樹脂製の取付部１６とを備えた構成となっていて、その取付部１６を介して前記水槽に取り付けられる。

ロータ２０は、外周部に環状壁２１ａを有する浅底容器状の磁性体製のフレーム２１と、環状壁２１ａの内周部に配置された円環状をなすロータコア２２と、このロータコア２２に周方向に交互に形成された複数個の第１の磁石挿入穴２３及び第２の磁石挿入穴２４と、第１の磁石挿入穴２３にそれぞれ挿入配置された第１の永久磁石２５及び第２の磁石挿入穴２４にそれぞれ挿入配置された第２の永久磁石２６とを備えた構成となっていて、ロータコア２２の内周面がステータコア１４の外周面（各ティース１３の外周面）に対して隙間を介して対向配置される。前記フレーム２１の中央部に設けられた軸取付部２７が、前記回転ドラムに取着された回転軸に連結され、ロータ２０により回転ドラムが直接回転駆動されるようになる。

次に、ロータ２０における前記第１及び第２の永久磁石２５，２６部分について、図１〜図５を参照して詳しく説明する。図１及び図２において、第１の磁石挿入穴２３の開口部形状は周方向に長い矩形状をなしている。この第１の磁石挿入穴２３の開口部形状において、径方向の厚さ寸法をＡ１、周方向の幅寸法をＡ２とする（図２、図３（ａ）参照）。第２の磁石挿入穴２４の開口部形状は、第１の第１の磁石挿入穴２３の開口部形状に対して、径方向の厚さ寸法が小さく、周方向の幅寸法が大きく設定されている。ここで、第２の磁石挿入穴２４の開口部形状において、径方向の厚さ寸法をＢ１、周方向の幅寸法をＢ２とすると（図２、図４（ａ）参照）、Ａ１＞Ｂ１，Ａ２＜Ｂ２の関係がある。

第１の磁石挿入穴２３に挿入される第１の永久磁石２５の軸方向の端面形状は、第１の磁石挿入穴２３の開口部形状より若干小さいが、それに対応した形状に設定されている。第１の永久磁石２５の軸方向の端面形状において、径方向の厚さ寸法をＣ１、周方向の幅寸法をＣ２とする（図２、図３（ｂ）参照）。第２の磁石挿入穴２４に挿入される第２の永久磁石２６の軸方向の端面形状は、第２の磁石挿入穴２４の開口部形状より若干小さいが、それに対応した形状に設定されている。第２の永久磁石２６の軸方向の端面形状において、径方向の厚さ寸法をＤ１、周方向の幅寸法をＤ２とすると（図２、図４（ｂ）参照）、Ｃ１＞Ｄ１，Ｃ２＜Ｄ２の関係がある。

この場合、第１の磁石挿入穴２３に挿入された第１の永久磁石２５を挿入するとともに、第２の磁石挿入穴２４に第２の永久磁石２６を挿入した状態で、合成樹脂２８（図２、図３（ｃ）、図４（ｃ）に斜線で示す）による樹脂成形により、第１の永久磁石２５及び第２の永久磁石２６をロータコア２２に一体化している。

ここで、第１の永久磁石２５及び第２の永久磁石２６は、共に例えばＮｄ系（ネオジム系）の高磁力の希土類の材料により構成されている。この場合、第１の永久磁石２５の保磁力は、第２の永久磁石２６の保磁力より低くなる材料により構成されている。したがって、第１の永久磁石２５と第２の永久磁石２６は、特性が異なる材料により構成されている。

また、図２に示すように、ロータコア２２において、第１の永久磁石２５が配置された第１の磁極部３０におけるステータ１２と対向する面３０ａ、及び第２の永久磁石２６が配置された第２の磁極部３１におけるステータ１２と対向する面３１ａは、それぞれの周方向の中央部がステータ１２側へ凸となる円弧状に形成している。したがって、第１の磁極部３０の面３０ａとステータ１２の外周円１２ａとの間の隙間３２は、第１の磁極部３０の周方向の中央部よりも第１の磁極部３０の両端部側が広くなるように形成されている（図２の隙間寸法Ｅ１，Ｅ２参照）。また、第２の磁極部３１の面３１ａとステータ１２の外周円１２ａとの間の隙間３３も、第２の磁極部３１の周方向の中央部よりも第２の磁極部３１の両端部側が広くなるように形成されている（図２の隙間寸法Ｅ３，Ｅ４参照）。

さらに、ロータコア２２において、第２の磁極部３１の周方向の幅寸法Ｆ２を、第１の磁極部３０の周方向の幅寸法Ｆ１よりも大に設定している（Ｆ１＜Ｆ２）。
このような構成のモータ１１においては、ロータコア２２とステータコア１４（ティース１３ａ，１３ｂ）との間における、前記第１の永久磁石２５及び第２の永久磁石２６の磁束は、図１（ｂ）に示すようになる。すなわち、磁束が「０」になる変態点３４が、第１の磁極部３０と第２の磁極部３１との間の磁極間３５に対して周方向の一方側、この場合第１の磁極部３０側にずれるようになる。このため、ロータ２０の回転時に第１及び第２の永久磁石２５，２６がティース１３ａ，１３ｂを横切る際に発生する磁気吸引力（コギングトルク）のピークが、図１（ｃ），（ｄ）に示すようにずれるようになる（コギングトルク３６ａ，３６ｂ参照）。この結果、図１（ｅ）に示すように、合成コギングトルク３６ｃのピークを、従来の合成コギングトルク６ｃよりも抑えることができる。このため、モータ１１の振動や騒音を低減することが可能となる。

そして、本実施形態のモータ１１を用いた洗濯機においては、前記モータ１１は、図示しない制御装置によって制御する。洗濯機において、例えば標準の洗濯コースを行う場合、給水行程、洗い行程、排水行程、１回目の中間脱水行程、給水行程、１回目のすすぎ行程、排水行程、２回目の中間脱水行程、給水行程、２回目のすすぎ行程、排水行程、最終脱水行程の順に行われる。

このうち、洗い行程では、モータ１１により回転ドラムを例えば５０〜６０ｒｐｍの低い回転速度で正逆交互に回転させることによって行う。すすぎ行程では、洗剤を用いないこと以外は洗い行程と同様な制御となる。中間脱水行程及び最終脱水行程では、モータ１１により回転ドラムを例えば１０００〜１５００ｒｐｍの高速度で一方向に回転させることで、洗濯物を遠心脱水する。この場合、洗い行程及びすすぎ行程では、モータ１１としては高いトルクが必要となる。これに対して、中間脱水行程及び最終脱水行程では、モータ１１としては高いトルクは必要なく、高速回転が必要となる。

そこで、本実施形態においては、洗い行程の前の給水行程、及びすすぎ行程の前の給水行程において、前記ロータ２０における前記第１及び第２の永久磁石２５，２６のうち、保磁力が弱いとされる第１の永久磁石２５の磁束を増加させるべく、増磁動作を行なう。増磁動作は、ロータ２０を所定の位置に位置させた状態で、ステータコイル１５への通電を制御することにより、第１の永久磁石２５を増磁させる。第１の永久磁石２５を増磁させることで、モータ１１としては高トルクを発揮できる。

中間脱水行程の前の排水行程、及び最終脱水行程の前の排水行程において、前記ロータ２０における第１の永久磁石２５の磁束を減少させるべく、減磁動作を行なう。減磁動作は、ロータ２０を所定の位置に位置させた状態で、ステータコイル１５への通電を制御することにより、第１の永久磁石２５を減磁させる。第１の永久磁石２５を減磁させることで、モータ１１としては高速回転に適したものとなる。このようにロータ２０における第１の永久磁石２５を増磁、減磁することで、モータ１１の効率をよくすることが可能となる。

上記した実施形態によれば、次のような作用効果を得ることができる。
ロータ２０において、第１の磁石挿入穴２３に挿入される第１の永久磁石２５と、第２の磁石挿入穴２４に挿入される第２の永久磁石２６では、軸方向の端面形状が異なっている。このため、ロータ２０の回転時に第１及び第２の永久磁石２５，２６のステータコア１４に対する磁気吸引力（コギングトルク３６ａ，３６ｂ）を時間的にずらすことができ、この結果、合成コギングトルク３６ｃのピークを低減することが可能になり、モータ１０の振動や騒音の低減化が可能になる。

第１の永久磁石２５の軸方向の端面形状は、第２の磁石挿入穴２４の開口部形状に対して、径方向の厚さ寸法Ｃ１がＢ１より大きいため（Ｃ１＞Ｄ１）、図５（ｂ）に示すように、第１の永久磁石２５を第２の磁石挿入穴２４に挿入することができない。このため、第１の永久磁石２５を第２の磁石挿入穴２４に誤って挿入してしまうことを防止できる。

また、第２の永久磁石２６の軸方向の端面形状は、第１の磁石挿入穴２３の開口部形状に対して、周方向の幅寸法Ｄ２がＡ２より大きいため（Ｄ２＞Ａ１）、図５（ａ）に示すように、第２の永久磁石２６を第１の磁石挿入穴２３に挿入することができない。このため、第２の永久磁石２６を第１の磁石挿入穴２３に誤って挿入してしまうことも防止できる。

ロータコア２２にあって第１の永久磁石２５が配置された第１の磁極部３０におけるステータ１２と対向する面３０ａは、ステータ１２との間の隙間３２が第１の磁極部３０の周方向の中央部よりも第１の磁極部３０の両端部側が広くなるような円弧状に形成されている。また、ロータコア２２にあって第２の永久磁石２６が配置された第２の磁極部３１におけるステータ１２と対向する面３１ａも、ステータ１２との間の隙間３３が第２の磁極部３１の周方向の中央部よりも第２の磁極部３１の両端部側が広くなるような円弧状に形成されている。この構成によれば、第１の磁極部３０と第２の磁極部３１との間の磁極間３５とステータ１２との間の隙間を大きくできるので、コギングトルクを小さくでき、モータ１１の振動及び騒音を一層低減できるようになる。

ロータコア２２において、第１の永久磁石２５を配置した第１の磁極部３０の周方向の幅寸法Ｆ１と、第２の永久磁石２６を配置した第２の磁極部３１の周方向の幅寸法Ｆ２とを異ならせたことにより、コギングトルクのピークを容易にずらすことが可能になり、これによってもモータ１１の振動及び騒音を低減できるようになる。

隣り合った第１の永久磁石２５と第２の永久磁石２６は、特性が異なる材料により構成した。これにより、ステータ１２に作用する第１の永久磁石２５と第２の永久磁石２６の磁束の分布を異ならせやすくなる。これに伴い、コギングトルクのピークを容易にずらすことが可能になり、これによってもモータ１１の振動及び騒音を低減できるようになる。

第１の永久磁石２５及び第２の永久磁石２６は、共に高磁力のＮｄ系の材料により構成した。高磁力の第１の永久磁石２５及び第２の永久磁石２６を用いた場合、磁束密度が高く、通常の構成では振動が大きくなりやすいが、上記した構成を採用することにより、高トルクでありながら、低振動、低騒音のモータを実現することが可能となる。第１の永久磁石２５及び第２の永久磁石２６の材料としては、Ｎｄ系に限られず、Ｓｍ系（サマリウム系）、アルニコ等の高磁力の希土類の材料が好ましい。

第１の磁石挿入穴２３に第１の永久磁石２５を挿入するとともに、第２の磁石挿入穴２４に第２の永久磁石２６を挿入した状態で、それら第１の永久磁石２５および第２の永久磁石２６を合成樹脂２８による樹脂成形によりロータコア２２に一体化したことにより、ロータ２０の剛性がアップし、一層低振動のモータ１１を提供できるようになる。この場合、合成樹脂２８を、磁極間３５の内周部にも設けることが好ましい。

本発明は、上記した実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
第１の永久磁石２５の軸方向の端面形状は、第２の磁石挿入穴２４の開口部形状に対して、径方向の厚さ寸法と周方向の幅寸法の両方を大きくなるように設定することもできる。この場合、第２の磁石挿入穴２４に挿入される第２の永久磁石２６の端面形状は、第１の永久磁石２５が挿入される第１の磁石挿入穴２３の開口部形状に対して、径方向の厚さ寸法と周方向の幅寸法の両方が小さくなるように設定されることになる。

本発明の一実施形態を示すもので、（ａ）は展開して示す要部の概略的平面図、（ｂ）はロータコアとステータコアとの間の隙間に作用する第１及び第２の永久磁石の磁束を示す図、（ｃ）はティース１３ａに発生するコギングトルクの波形図、（ｄ）はティース１３ｂに発生するコギングトルクの波形図、（ｅ）は合成コギングトルクの波形図 図１（ａ）の拡大平面図 （ａ）は第１の磁石挿入穴の開口部形状を示す図、（ｂ）は第１の永久磁石の軸方向の端面形状を示す図、（ｃ）は第１の磁石挿入穴に第１の永久磁石を挿入した状態の平面図 （ａ）は第２の磁石挿入穴の開口部形状を示す図、（ｂ）は第２の永久磁石の軸方向の端面形状を示す図、（ｃ）は第２の磁石挿入穴に第２の永久磁石を挿入した状態の平面図 （ａ）は第１の磁石挿入穴と第２の永久磁石との関係を示す平面図、（ｂ）は第２の磁石挿入穴と第１の永久磁石との関係を示す平面図 モータの斜視図 従来例を示すもので、（ａ）は展開して示す要部の概略的平面図、（ｂ）はロータコアとステータコアとの間の隙間に作用する第１及び第２の永久磁石の磁束を示す図、（ｃ）はティース５ａに発生するコギングトルクの波形図、（ｄ）はティース５ｂに発生するコギングトルクの波形図、（ｅ）は合成コギングトルクの波形図

符号の説明

図面中、１１はモータ、１２はステータ、１３，１３ａ，１３ｂはティース、１４はステータコア、１５はステータコイル、２０はロータ、２２はロータコア、２３は第１の磁石挿入穴、２４は第２の磁石挿入穴、２５は第１の永久磁石、２６は第２の永久磁石、２８は合成樹脂、３０は第１の磁極部、３０ａは面、３１は第２の磁極部、３１ａは面、３２，３３は隙間、３５は磁極間を示す。

Claims (7)

1. ステータと、
   このステータに対して回転可能に設けられ、周方向に第１の磁石挿入穴と第２の磁石挿入穴を交互に複数個有したロータコアと、
   軸方向の端面形状が前記第１の磁石挿入穴の開口部形状に対応した形状をなしていて、前記第１の磁石挿入穴にそれぞれ挿入配置された複数個の第１の永久磁石と、
   軸方向の端面形状が前記第２の磁石挿入穴の開口部形状に対応した形状をなしていて、前記ステータに対する磁極の極性が前記第１の永久磁石とは反対となるように前記第２の磁石挿入穴にそれぞれ挿入配置された複数個の第２の永久磁石とを備え、
   前記第１の永久磁石の軸方向の端面形状は、前記第２の磁石挿入穴の開口部形状に対して、径方向の厚さ寸法及び周方向の幅寸法のうち少なくとも一方が大きいことを特徴とする永久磁石形モータ。
2. 前記第１の永久磁石の軸方向の端面形状は、前記第２の磁石挿入穴の開口部形状に対して、径方向の厚さ寸法が大きく、
   前記第２の永久磁石の軸方向の端面形状は、前記第１の磁石挿入穴の開口部形状に対して、周方向の幅寸法が大きいことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形モータ。
3. 前記ロータコアにあって前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石が配置された各磁極部における前記ステータと対向する面は、前記ステータとの間の隙間が磁極部の周方向の中央部よりも磁極部の両端部側が広くなるような円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石形モータ。
4. 前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石は、特性が異なる材料により構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の永久磁石形モータ。
5. 前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石のうち少なくとも一方は、Ｎｄ系、Ｓｍ系、アルニコ等の高磁力の希土類の材料により構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の永久磁石形モータ。
6. 前記第１の磁石挿入穴に前記第１の永久磁石を挿入するとともに、前記第２の磁石挿入穴に前記第２の永久磁石を挿入した状態で、それら第１の永久磁石および第２の永久磁石を樹脂成形により前記ロータコアに一体化したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の永久磁石形モータ。
7. 前記ロータコアにおいて、前記第１の永久磁石を配置した第１の磁極部の周方向の幅寸法と、前記第２の永久磁石を配置した第２の磁極部の周方向の幅寸法とを異ならせたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の永久磁石形モータ。

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