可変速用途向け二重モード二重固定子ハイブリッドロータ同期・ヴァーニア機械

洗濯機用モーターが重要な理由

全自動洗濯機の内部には、濡れて重くなった衣類を低速で優しくかき回し、その後ドラムを高速で回して水を遠心除去する、という相反する作業をこなさなければならない電動モーターが隠れています。両方の仕事を効率的に、静かに、かつ安価にこなすのは思ったより難しいです。本稿は、単一のコンパクトな設計で「力強い洗い」特性と「高速で省エネの脱水」特性を切り替えられる新しいタイプのモーターを紹介します。これにより、電気代の削減や希少で高価な材料の使用低減が期待できます。

一台で二つの極めて異なる仕事

洗濯機は主に二つの工程を経ます。洗濯サイクルではドラムはゆっくり回転しますが、水を含んだ衣類を動かすための大きなねじり力（トルク）が必要です。脱水サイクルではドラムは非常に高速で回転しますが、必要なトルクは小さく、電力の浪費や過熱を避けるために非常に高い効率が求められます。現在、多くのメーカーは安価だが効率の低い従来型誘導電動機か、効率は高いが希少なレアアース磁石に依存し低速で苦手な永久磁石モーターのいずれかを選びます。本設計は両者の長所を取り入れつつ、保守が容易で希少資源への依存を減らすことを目指しています。

一つのロータ、二つの固定子、そして賢いロータ部

提案されている機械は特徴的な配置を採用しています。二つの固定子（ステータ）が単一の回転する中間リング（ロータ）を取り囲む構造です。外側の固定子は「ギア化」した様式で、低速で高トルクを自然に生み出すため洗い動作に適しています。内側の固定子はロータの内周面に配置された永久磁石によって駆動される古典的な高効率同期機として機能し、脱水の高速回転に向きます。ロータは外側の相互作用用に多数の細かい歯を備え、内側の相互作用用にはより単純な磁石パターンを持つため、同じ回転部品でモードを切り替えられ、ハードウェアの変更を必要としません。

摩耗部品のないブラシレス給電

従来の巻線ロータ機は、ブラシやスリップリングと呼ばれる摺動電気接点を使ってロータ側のコイルに電流を供給します。これらは摩耗し、スパークを発生し、保守を要します。本設計では外側固定子に二種類の巻線を備えます：回転力を生む主な三相巻線と、特殊な低周波磁界パターンを生成する補助巻線です。ロータがこのパターンを通過すると、ロータ側の専用巻線が交流を誘起し、その交流はロータ上に搭載された小型整流器によって直流に変換されます。その直流が主ロータ磁界巻線に供給され、物理的な電気接点なしで駆動が可能になります。事実上、この機械は運転中に自らのロータ磁化をワイヤレスで“充電”しているのです。

洗いと脱水のサイクルに合わせた最適化

著者らは詳細なコンピュータモデルを用いて両モードでの挙動をシミュレーションしました。低速の洗濯モードでは、外側のヴァーニア様構成が改良後に約20ニュートンメートルのトルクを発生し、最近のベンチマーク設計の二倍以上に達し、効率は約77%でした。初期にはトルクがかなり脈動しましたが、ロータ歯をわずかにスキュー（ずらし）することでこの「トルクリップル」を低減し、平均トルクのわずかな損失だけで済みました。高速の脱水モード（1200回転/分）では内側の永久磁石セクションのみが励磁され、ここでは滑らかな回転で約5.9ニュートンメートルのトルクを供給し、効率はおよそ95%と非常に高く、同程度の速度で動作するヴァーニア専用機より遥かに優れていました。

家庭用機器にとっての意義

二つの動作様式を共通構造で組み合わせることで、この二重モード二重固定子モーターは洗濯時には低速で頼れる働き手となり、脱水時には高速で効率的なスプリンターになります。永久磁石材料の使用量は比較的少なく、ブラシやスリップリングを避けつつ、現代の洗濯機が求めるトルクと効率の要求を満たします。一般ユーザーにとっては、より静かな動作、低いエネルギー消費、より耐久性の高い機器につながる可能性があり、製造側には希少な磁性材料への過度な依存なしに厳しい効率基準を満たす柔軟性が得られます。

引用: Ali, S., Ali, Q., Munir, H.M. et al. A dual-mode dual-stator hybrid rotor synchronous and vernier machine for variable speed applications. Sci Rep 16, 10315 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40821-y

キーワード: 洗濯機用モーター, 可変速ドライブ, ブラシレスロータ, ヴァーニア機械, 省エネ家電