JP2010115019A - ポンプ用モータ - Google Patents

Abstract

【課題】液体の流路を確保しつつ、液体流路の流路抵抗を低減できるポンプ用モータを提供する。
【解決手段】固定子と回転子との間には、液体を搬送するための環状の液体流路が軸方向に延びて形成される。ティースの傘部には、回転子との間の距離を拡げて液体流路の流路面積を拡大させる拡大部が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体を搬送するポンプ用モータに関するものである。

従来より、液体を搬送対象とするポンプが知られており、このポンプの駆動源としてモータが広く利用されている。

特許文献１には、圧縮機等に適用されるＤＣブラシレスモータが開示されている。このモータは、ケーシングの内壁に固定される固定子（ステータ）と、固定子の内部を貫通する回転子（ロータ）とを主な構成要素としている。固定子では、電磁鋼板が積層されることで固定子コアが構成されている。固定子コアは、環状のヨークと、ヨーク内側に周方向に配列される複数のティースとを有している。複数のティースには、インシュレータ等を介して巻線が巻き付けられる。また、複数のティースの先端には、該ティースの幅を周方向の両側に拡げるように傘部が形成されている。各傘部の径方向内側の先端面は、円柱状のロータの外周面に沿うような円弧形状をしている。これにより、ロータの外周面とティースの傘部の内径側端面との間には、径方向の間隔が均等となるように、正円環状の隙間（ギャップ）が形成されている。
特開２００３−２５９５９２号公報

上述したように、ポンプ用モータでは、液体を搬送するための液体流路をモータケーシングの内部に形成するのが一般的である。しかしながら、ポンプ用モータでは、固定子や回転子等の各構成要素のレイアウト上の制約から、液体流路を形成するスペースを充分に確保できないことがある。そこで、例えば特許文献１に開示された、固定子と回転子との間の隙間（ギャップ）を、前記の液体流路として利用することが考えられる。これにより、ポンプ用モータの内部において、軸方向に延びる環状の液体流路を確保することができる。

しかしながら、固定子と回転子との間では、両者が摺接しない程度の僅かな隙間しか形成されていない。このため、このような液体流路では、流路抵抗、ひいては液体の圧力損失が増大してしまい、ポンプ効率の低下を招いてしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、液体の流路を確保しつつ、この液体流路の流路抵抗を低減できるポンプ用モータを提供することである。

第１の発明は、周方向に配列されて巻線が巻き付けられる複数のティースを有する固定子と、各ティースの先端の傘部に対向するように前記固定子に内挿される回転子とを備え、前記固定子と回転子を収容するケーシング内に液体を搬送するための液体流路が形成されるポンプ用モータを対象とし、前記液体流路は、前記固定子と回転子との間を軸方向に延びる環状の隙間によって構成されており、前記ティースの傘部には、前記液体流路の流路面積を拡大するように、該傘部と回転子との間の距離を拡げる対向部分が形成されている。

第１の発明では、ケーシング内において、固定子のティースの傘部と回転子の外周面との間に環状の液体流路が形成される。即ち、モータによってポンプが駆動されると、ポンプによって搬送された液体が固定子と回転子との間の液体流路を流通する。ここで、本発明では、固定子のティースの傘部に対向部分が形成されており、液体流路の流路面積が拡大されている。従って、液体流路の流路抵抗が小さくなり、液体の圧力損失が低減される。

第２の発明は、第１の発明において、前記ティースの傘部には、周方向両側に突出する突出部の少なくとも一方又は両方に前記対向部分が形成されている。

第２の発明では、ティース傘部の突出部に対向部分が形成される。これにより、液体流路の流路面積の拡大に伴う、モータ効率の低下を防止できる。即ち、ティースの傘部においては、周方向の両側に突出した突出部よりも、両突出部の間の中央部の方が、回転子を駆動するためのトルクに寄与する度合が高い。なぜなら、ティースの傘部では、中央部の方が磁束が集まりやすいからである。このため、仮に傘部の中央部に対向部分を形成すると、この中央部と回転子との間の距離が大きくなり、ティースを通る磁束量が大幅に低下してしまう。これに対し、本発明では、中央部と比較してティースを通る磁束量に寄与する割合が低い（磁束が集まりにくい）突出部において、前記の対向部分を形成するようにしたので、突出部と回転子との間の距離が大きくなっても、ティースを通る磁束量はさほど低下しない。従って、本発明では、液体流路の流路面積の拡大に伴うモータ効率の低下が抑えられる。

第３の発明は、第２の発明において、前記ティースの傘部には、前記両突出部の間の中央部から前記突出部の先端に向かうに連れて前記回転子との間の距離が拡がるように、前記対向部分が形成されている。

第３の発明では、ティースの傘部において、傘部の中央部から突出部に向かうに連れて、固定子と回転子との間の距離（ギャップ）が拡がっていく。ここで、回転子を駆動するためのティースを通る磁束量に寄与する度合は、傘部の中央部から突出部の先端に向かうに連れて小さくなる。つまり、ギャップの拡大に伴う誘起電圧の低下の影響は、中央部から突出部の先端に向かって徐々に低くなる。このため、本発明のようにすることで、液体流路の流路面積の拡大に伴うモータ効率の低下を最小限に抑えることができる。

第１の発明では、ポンプ用モータにおいて、液体を搬送するための液体流路を固定子と回転子との間に形成している。このため、固定子や回転子等の各構成要素のレイアウト上の制限を受けることなく、軸方向に延びる液体流路を確保することができる。ここで、本発明では、ティースの傘部に対向部分を形成することで、液体流路の流路面積を拡大させている。このため、液体流路の流路抵抗を低減でき、ひいては液体の圧力損失を低減できる。その結果、ポンプ用モータに適用されるポンプ効率の低下を防止できる。

また、第２の発明では、ティースの傘部の周方向両側の突出部の少なくとも一方に対向部分を形成している。これにより、ティース傘部の中央部と回転子との間の距離を拡げることなく、液体の流路抵抗を低減できる。このようにすると、ティースを通る磁束量が大幅に低下してしまうことがないので、ポンプ効率の低下を防止すると共に、モータ効率の低下も防止できる。特に、第３の発明では、ティース傘部の中央部から両側の突出部に向かうに連れて回転子との間の距離を拡げているため、ティースを通る磁束量の低下を最小限に抑えながら液体流路の流路面積を拡げることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

−全体構成−
図１に、本発明の実施形態に係るモータ２を備えた燃料ポンプ１の概略構成を示す。この燃料ポンプ１は、ガソリンやディーゼル燃料などの燃料が貯留された燃料タンク内に、該燃料に浸漬された状態で配置されるもので、モータ２によってインペラ３を回転させて、ケーシング４内に燃料を吸い込んで吐出することにより、該燃料を燃料配管を介してエンジンへ搬送するように構成されている。つまり、モータ２は、燃料等の液体を搬送するポンプ用のモータを構成している。

具体的には、燃料ポンプ１は、略円筒状の金属製のケーシング４内に、モータ２とモータ２の回転軸２２に接続されたインペラ３とが軸線方向に並ぶように配置されたものである。ケーシング４のモータ２側の端部は、樹脂製の吐出側蓋部材５によって覆われている一方、インペラ３側の端部は、インペラ３を収納するためのポンプ室Ｓを形成する樹脂製のポンプケーシング１１及びポンプカバー１２によって覆われている。

吐出側蓋部材５は、略円盤状の樹脂部材からなり、厚み方向に貫通するように吐出口５ａが形成されているとともに、ケーシング４内方側の平面視で略中央部分には、モータ２の回転軸２２の一端側を回転可能に支持するための軸受６が収納される凹部５ｂが形成されている。また、吐出側蓋部材５には、後述するように、モータ２の固定子３１からポンプ１外方へ延びる外部バスバー３６が挿通可能なように、バスバー用開口５ｃが設けられている。

ポンプ室Ｓを形成するポンプケーシング１１及びポンプカバー１２は、それぞれ略円盤状の樹脂部材からなり、ポンプケーシング１１がケーシング４の内方側に、ポンプカバー１２がケーシング４の外方側に、それぞれ位置するように配置されている。ポンプカバー１２には、厚み方向に貫通し且つポンプ室Ｓに連通するように吸入口１２ａが形成されている一方、ポンプケーシング１１には厚み方向に貫通し且つポンプ室Ｓに連通するように吸入通路１１ａが形成されている。これにより、ケーシング４の内部は、吸入口１２ａ、ポンプ室Ｓ及び吸入通路１１ａを介して外部と連通している。

ポンプケーシング１１には、ポンプカバー１２側（図１における下側）の面に、ポンプ室Ｓを構成し且つインペラ３を収納可能な凹部１１ｂが形成されているとともに、平面視で略中央部分にモータ２の回転軸２２が挿通するための貫通穴１１ｃが形成されている。また、この貫通穴１１ｃのケーシング４内方側（図１における上側）には、回転軸２２の他端側を回転可能に支持するための軸受７が収納される拡大穴部１１ｄが形成されている。

インペラ３は、例えばプロペラ形状に形成されていて、平面視で略中央部分にモータ２の回転軸２２の他端側が接続されている。また、このインペラ３は、モータ２によって回転すると、吸入口１２ａから燃料をケーシング４内に吸い込むような形状に形成されている。したがって、インペラ３の回転によって、燃料が吸入口１２ａを介してポンプ室Ｓに吸い込まれて、吸入通路１１ａを介して燃料ポンプ１のケーシング４内に流れ込むようになっている。このようにケーシング４内に吸い込まれた燃料は、モータ２の内部（回転子２１と固定子３１との間）を流れて、吐出側蓋部材５に形成された吐出口５ａから外部へ吐き出される。

モータ２は、インペラ３に回転軸２２で接続される略円柱状の回転子２１と、回転子２１を囲むように略円筒状に形成された固定子３１とを備えている。このモータ２は、回転子２１内に永久磁石２５が、固定子３１内に巻線３３が、それぞれ設けられたものであり、固定子３１の巻線３３に所定のタイミングで通電することにより、回転子２１の回転を制御する、いわゆるブラシレスモータを構成している。

回転子２１は、軸受６，７によって両端部を回転可能に支持された回転軸２２と、回転軸２２上に嵌合されたロータ部２３とを備えていて、回転軸２２及びロータ部２３が一体回転するように構成されている。ロータ部２３は、鋼板を積層してなる略円筒状のロータコア２４と、ロータコア２４内に長手方向に貫通するように設けられた複数の永久磁石２５，２５，…とを備えている。詳しくは、図２に示すように、ロータ部２３には、回転軸２２を囲むように断面矩形状のスロット２４ａが４つ形成されていて、各スロット２４ａ内に永久磁石２５が挿入されている。

図１に示すように、ロータ部２３の長手方向両端部は、ロータ部２３内の永久磁石２５が抜け出ないように樹脂２６によって覆われている。この樹脂２６によってロータ部２３の長手方向両端部を覆うことで、永久磁石２５がモータ２内を通過する燃料と接触するのを防止することができ、永久磁石２５が錆びるのを防止することができる。また、樹脂２６は、ロータ部２３の回転中心に向かって徐々に厚みが大きくなるように、略半球状に形成されている。これにより、モータ２内を軸方向に燃料が通過する場合に、ロータ部２３の軸方向端部での流路抵抗を小さくすることができるため、前記燃料を効率良く流すことができる。

また、ロータ部２３には、図２に示すように、永久磁石２５が収容されるスロット２４ａ同士の間に、永久磁石２５間で磁束が短絡するのを防止する、いわゆるフラックスバリアとしての貫通穴２４ｂが設けられている。この貫通穴２４ｂは、ロータコア２４を軸方向に貫通するように設けられているため、上述のようにロータ部２３の軸方向両端部を樹脂２６で封止する際には、貫通穴２４ｂ内にも樹脂２６が充填される。これにより、ロータ部２３の軸方向両端部の樹脂２６を、貫通穴２４ｂ内の樹脂２６によって一体化させることができるので、ロータ部２３の軸方向両端部に対する樹脂２６の接着強度を向上させることができる。

固定子３１は、図１及び図２に示すように、鋼板を積層してなる概略円筒状の固定子コア３２と、固定子コア３２のティース４０にコイル線を巻回してなる複数の巻線３３とを備えている。具体的には、固定子コア３２は、略円環状のコアバック部３２ａと、その内周側に径方向内方に向かって突出するように設けられた複数のティース４０（本実施形態では６つ）とを有している。

複数のティース４０は、回転子２１の外周側において、等間隔となるように周方向に配列されている。ティース４０は、巻線３３が巻き付けられるティース基部４１と、ティース基部４１の径方向内側に形成されるティース傘部（いわゆる、アンブレラ）４２とで構成されている。ティース基部４１は、幅方向の長さが概ね均一となっており、その周囲に巻線３３が巻き付けられている。

ティース傘部４２は、ティース基部４１よりも幅広に構成されている。そして、各ティース傘部４２の先端が、回転子２１のロータ部２３と対向している。ティース傘部４２は、ティース基部４１側から周方向（幅方向）両側に拡がる２つ突出部４２ａ，４２ａと、両突出部４２ａ，４２ａの間に位置する中央部４２ｂとを有している。以上のようにして、各ティース４０の外形は、軸直角断面がＴ字ないしＹ字状に形成されている。なお、固定子コア３２は、それぞれティース４０を有する複数のコア部が帯状に連結された、いわゆるストレートコアからなり、ストレートコアを折り曲げて円筒状に形成したものである。図２において、符号３２ｄは、前記ストレートコアのつなぎ目であり、符号３２ｅは、ストレートコアの折れ曲がり部分である。

ティース４０には、ティース傘部４２の径方向外周側からコアバック部３２ａの内周側に亘って絶縁部材３４が被せられていて、絶縁部材３４上にコイル線が巻回されている。ティース４０にコイル線が巻回されてなる各巻線３３は、通電時にそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相となるように、銅製のバスバー３５に接続されていて、バスバー３５に接続された銅製の外部バスバー３６を介して制御回路（図示省略）側と接続されている。なお、巻線３３は、１８０度対向した位置の巻線３３，３３が通電した際に同相になるように、巻線３３，３３のコイル線同士が接続されている。

回転子２１と同様、固定子３１の軸方向両端部も、樹脂３７によって覆われている。すなわち、固定子３１の軸方向両端部では、絶縁部材３４、巻線３３及びバスバー３５，３６が樹脂３７によって封止されている。また、ティース４０，４０同士の間には、軸方向に貫通した空間が形成されているため、これらの空間にも樹脂３７が充填されている。このように、固定子３１の軸方向両端部を樹脂３７によって封止することで、モータ２内を燃料が流れる際に、銅製のバスバー３５，３６やバスバー３５，３６と接続するために表面のコーティングの一部が除去されたコイル線、固定子コア３２の鋼板などが、前記燃料と接触するのを防止できるため、該燃料によってこれらの部品が錆びるのを確実に防止することができる。しかも、固定子コア３２のティース４０同士の間の空間も樹脂３７によって封止されているため、前記コイル線や固定子コア３２の鋼板が前記燃料と接触するのを確実に防止することができる。

固定子３１のティース４０と回転子２１との間には、環状の隙間（ギャップＧ）が形成されている。このギャップＧにより、回転子２１は固定子３１と摺接することなく回転が許容されている。また、ギャップＧは、燃料を搬送するための液体流路５０を構成している。液体流路５０は、軸直角断面が環状に形成されて軸方向に延びている。そして、液体流路５０の下端側の開口が吸入通路１１ａと連通し、液体流路５０の上端側の開口が吐出口５ａ内の吐出通路と連通している。これにより、インペラ３の回転時には、吸入通路１１ａを流出した燃料が液体流路５０を上方へ流れた後、吐出管５ａを流出して外部のエンジン等へ供給される。

ティース傘部４２には、回転子２１との間の距離を拡げて液体流路５０の流路面積を拡大させる対向部分４３が形成されている。即ち、本実施形態のティース傘部４２では、回転子２１との間の距離が全域に亘って均等になっておらず、対向部分４３と回転子２１との間の距離が他の部位よりも大きくなっている。つまり、対向部分４３は、液体流路５０の流路面積を拡大させる流路拡大部を構成している。これにより、液体流路５０では、その流路抵抗の低減、あるいは燃料を搬送する際の圧力損失の低減が図られている。

また、ティース傘部４２の径方向内側の面（先端面）では、突出部４２ａ，４２ａに対向部分４３が形成されている。即ち、ティース傘部４２では、突出部４２ａと回転子２１との間の距離が中央部４２ｂと回転子２１との間の距離よりも大きくなるように、対向部分４３が形成されている。また、ティース傘部４２では、その先端面の曲率半径が回転子２１の外周面の曲率半径よりも大きくなるように、対向部分４３が形成されている。そして、ティース傘部４２では、中央部４２ｂから突出部４２ａの先端に向かうに連れて回転子２１との間の距離が拡がっている。なお、本実施形態では、ティース傘部４２の先端面に僅かなアールが形成されているが、これをストレートな面としても良い。

以上のようにティース傘部４２を構成することにより、液体流路５０の流路面積の拡大に伴う、モータ効率の低下が防止されている。即ち、ティース傘部４２においては、突出部４２ａよりも中央部４２ｂの方が、回転子２１を駆動するためのトルクに寄与する度合が高い。なぜなら、ティース傘部４２では、突出部４２ａと比較して中央部４２ｂの方が磁束が集まりやすいからである。このため、仮にティース傘部４２の中央部４２ｂに対向部分４３を形成すると、この中央部４２ｂと回転子２１との間の距離が大きくなり、ティース４０を通る磁束量が大幅に低下してしまう。これに対し、本実施形態では、中央部４２ｂと比較してティース４０を通る磁束量に寄与する割合が低い（磁束が集まりにくい）突出部４２ａにおいて、対向部分４３を形成しているので、突出部４２ａと回転子２１との間の距離が大きくなっても、ティース４０を通る磁束量はさほど低下しない。従って、液体流路５０の流路面積の拡大に伴うモータ効率の低下が防止される。

−実施形態の効果−
前記実施形態では、燃料を搬送するための液体流路５０を固定子３１と回転子２１との間に形成している。このため、固定子３１や回転子２１等の各構成要素のレイアウト上の制限を受けることなく、軸方向に延びる液体流路５０を確保することができる。ここで、本実施形態では、ティース傘部４２に対向部分４３を形成することで、液体流路５０の流路面積を拡大させている。このため、液体流路５０の流路抵抗を低減でき、ひいては液体の圧力損失を低減できる。その結果、燃料ポンプ１のポンプ効率の低下を防止できる。

また、ティース傘部４２の突出部４２ａに対向部分４３を形成している。これにより、ティース傘部４２の中央部４２ｂと回転子２１との間の距離を拡げることなく、液体の流路抵抗を低減できる。このようにすると、ティース４０を通る磁束量が大幅に低下してしまうことがないので、モータ効率の低下も防止できる。特に、ティース傘部４２の中央部４２ｂから突出部４２ａに向かうに連れて回転子２１との間の距離を拡げているため、ティース４０を通る磁束量の低下を最小限に抑えながら液体流路５０の流路面積を拡げることができる。

〈実施形態の変形例〉
前記実施形態では、ティース傘部４２において、周方向の両側に突出する突出部４２ａ，４２ａに対向部分４３を形成している。しかしながら、例えば図３に示すように、ティース傘部４２の中央部４２ｂに対向部分４３を形成するようにしても良い。即ち、この例のティース傘部４２では、中央部４２ｂと回転子２１との間の距離が、突出部４２ａと回転子との間の距離よりも大きくなっている。この場合にも、液体流路５０の流路面積が大きくなるため、液体流路５０の流路抵抗を低減してポンプ効率の低下を防ぐことができる。

また、例えば図４に示すように、ティース傘部に円弧溝を形成して対向部分４３を構成することもできる。この例では、液体流路５０の形状が、概ね真円形状に形成される一方、円弧溝４３によって液体流路５０の流路面積が拡大されている。その結果、この例においても、液体流路５０の流路抵抗を低減してポンプ効率の低下を防ぐことができる。なお、対向部分４３を構成するための溝は、三角形状、四角形状、台形状等の他の形状であっても良い。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

前記実施形態では、ポンプ機構としてインペラ３から成る羽根車を有するタービン式のポンプを採用しているが、例えば円柱状のシリンダ室をローラ等が変位して液体を圧送する容積式のような他のポンプ機構を採用しても良い。また、前記実施形態のポンプ用モータは、燃料を搬送対象とする燃料ポンプに適用されているが、例えば水中に浸漬されて水を搬送するポンプ等にも適用できる。

以上説明したように、本発明は、液体を搬送するポンプ用のモータについて有用である。

図１は、実施形態に係る燃料ポンプの全体構成を示す縦断面図である。 図２は、図１のII-II線の断面図である。 図３は、実施形態の変形例の第１の例に係るモータの概略構成を示す横断面図である。 図４は、実施形態の変形例の第２の例に係るモータの概略構成を示す横断面図である。

符号の説明

２１ 回転子
３１ 固定子
４０ ティース
４２ ティース傘部（傘部）
４２ａ 突出部
４２ｂ 中央部
４３ 対向部分
５０ 液体流路

Claims (3)

1. 周方向に配列されて巻線が巻き付けられる複数のティースを有する固定子と、各ティースの先端の傘部に対向するように前記固定子に内挿される回転子とを備え、前記固定子と回転子を収容するケーシング内に液体を搬送するための液体流路が形成されるポンプ用モータであって、
   前記液体流路は、前記固定子と前記回転子との間を軸方向に延びる環状の隙間によって構成されており、
   前記ティースの傘部には、前記液体流路の流路面積を拡大するように、該傘部と回転子との間の距離を拡げる対向部分が形成されているポンプ用モータ。
2. 請求項１に記載のポンプ用モータにおいて、
   前記ティースの傘部には、該傘部の周方向両側に突出する突出部の少なくとも一方又は両方に前記対向部分が形成されているポンプ用モータ。
3. 請求項２に記載のポンプ用モータにおいて、
   前記ティースの傘部には、前記両突出部の間の中央部から該突出部の先端に向かうに連れて前記回転子との間の距離が拡がるように、前記対向部分が形成されているポンプ用モータ。

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