JP2006118407A - アキシャル型モータを用いた電動式ポンプ - Google Patents

アキシャル型モータを用いた電動式ポンプ Download PDF

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Hideo Nakai
英雄 中井
Yukio Inaguma
幸雄 稲熊
Toshifumi Arakawa
俊史 荒川
Kenji Hiramoto
健二 平本
Hiroaki Naito
浩昭 内藤
Kazuhiro Yoneshige
和裕 米重
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Abstract

【課題】アキシャル型モータを用いた電動式ポンプの効率を向上させる。
【解決手段】ロータ10の第1回転部材32及び第2回転部材34がロータ回転軸方向に間隔をおいてステータケース30の周壁30aの内側に配設されている。第1回転部材32と第2回転部材34とステータケース30の周壁30aとにより囲まれたポンプ室40内には、ポンプ室40内の流体にエネルギーを与えるための複数の羽根36がロータ周方向に間隔をおいて配列されている。複数の羽根36に永久磁石を配設して、複数の羽根36を支持する第1回転部材32をバックヨークとして構成してもよい。
【選択図】図1

Description

本発明は、アキシャル型モータのロータの回転駆動により流体を吐出することが可能なアキシャル型モータを用いた電動式ポンプに関する。
アキシャル型モータを用いた電動式ポンプの従来例が下記特許文献1に開示されている。特許文献1の電動式ポンプにおいては、アキシャル型モータ及びポンプを共通のケーシング内に収納している。以下、特許文献1の電動式ポンプについて、図12を用いて説明する。
図12に示す電動式ポンプ103は、共通のケーシング108内に配置されたアキシャル型モータ109と、このモータ109によって駆動される外周部ポンプとして構成されたフィードポンプ111と、から構成されている。そして、アキシャル型モータ109のロータ部119とフィードポンプ111のインペラとが、共通の円板状構成部材115に設けられている。この円板状構成部材115には、ロータ巻線121を受容するロータ部119に隣接して半径方向外側へ向けられて、複数の羽根123が周方向に間隔をおいて環状に配置されている。また、円板状のステータ127には、永久磁石125がロータ部119の両側に配置されているとともに、流体が流入するフィード通路129が羽根123の両側に形成されている。
このように、特許文献1においては、モータの機能を有する部分とポンプの機能を有する部分とを、円板状構成部材の半径方向に分けて配置している。
特開平7−189978号公報
特許文献1においてポンプ効率を向上させるためには、ロータ(円板状構成部材)115の羽根123とステータ127との間のロータ回転軸方向に関するクリアランス(図12のy)を少なく設定して、フィード通路129内の流体の圧力が逃げないようにする必要がある。しかし、特許文献1においては、ロータ(円板状構成部材)115の回転駆動の際にロータ115とステータ127との間に作用する吸引力(磁気力)によってロータ115の面振れが発生した場合は、このロータ回転軸方向に関するクリアランスyが変動することになる。したがって、フィード通路129内の流体の圧力が逃げないためのクリアランスyを精度よく管理することが困難となり、ポンプ効率を向上させることが困難であるという問題点がある。
本発明は、ポンプ効率を向上させることができるアキシャル型モータを用いた電動式ポンプを提供することを目的とする。
本発明に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプは、ロータ及びステータがロータ回転軸方向において対向配置されたアキシャル型モータを有し、ロータの回転駆動により流体を吐出口から吐出することが可能なアキシャル型モータを用いた電動式ポンプであって、ロータは、ロータ回転軸方向においてステータと所定距離はなされて配置され、ステータを支持するステータケースの周壁に沿って回転可能な第1回転部材と、ロータ回転軸方向においてステータと第1回転部材との間に配置され、第1回転部材とともにステータケースの周壁に沿って回転可能な第2回転部材と、第1回転部材と第2回転部材とステータケースの周壁とにより囲まれたポンプ室内に配置され、第1回転部材及び第2回転部材とともに回転することで吸込口からポンプ室内に流入した流体にエネルギーを与えて吐出口へ導くフィード部材と、を含むことで、ロータの第1回転部材と第2回転部材との間にポンプが組み込まれていることを要旨とする。
本発明においては、ロータの第1回転部材と第2回転部材との間にポンプを組み込むことで、ポンプ室内の流体の圧力が逃げないように管理する必要のあるクリアランスが、ロータとステータケースとの間のロータ径方向に関するクリアランスとなる。そのため、ロータの回転駆動の際にロータとステータとの間に作用する吸引力(磁気力)によってロータの面振れが発生した場合でも、このロータ径方向のクリアランスはほとんど変化しない。したがって、本発明によれば、ポンプ室内の流体の圧力が逃げないためのクリアランスを精度よく管理することが容易となり、ポンプ効率を向上させることができる。
本発明に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプにおいて、フィード部材には、永久磁石及び磁性体の少なくとも一方が配設されており、第1回転部材は、永久磁石及び磁性体の少なくとも一方が配設されたフィード部材を支持するバックヨークとして構成されるものとすることもできる。こうすれば、電動式ポンプのロータ回転軸方向における全長を短縮することができる。
本発明に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプにおいて、フィード部材に配設された永久磁石及び磁性体の少なくとも一方は、フィード部材の第1回転部材側の端部から第2回転部材側の端部に渡って配設されているものとすることもできる。こうすれば、ロータとステータとの間の磁気ギャップ量を少なくすることができる。
本発明に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプにおいて、フィード部材の第2回転部材側の端部が、第2回転部材の内部に入り込んでいるものとすることもできる。こうすれば、ロータとステータとの間の磁気ギャップ量を少なくすることができる。
本発明に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプにおいて、フィード部材は、ロータ周方向に間隔をおいてポンプ室内に配列された複数の羽根により構成され、複数の羽根のうちの少なくとも一部に、永久磁石及び磁性体の少なくとも一方が配設されているものとすることもできる。
本発明に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプにおいて、複数の羽根の各々は、ロータ径方向に対してロータ周方向に傾斜しており、ステータには、ロータ側へ突出しコイルが装着された複数のティースがステータ周方向に配列されており、複数のティースの各々は、ステータ径方向に対して羽根の傾斜方向と同方向に傾斜しているものとすることもできる。こうすれば、ロータにトルクを効率よく作用させることができるので、ポンプの出力を増大させることができる。
本発明に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプにおいて、第2回転部材には、永久磁石及び磁性体の少なくとも一方がステータと対向する状態で配設されているものとすることもできる。
本発明に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプにおいて、吐出口とロータ回転軸との距離が、吸込口とロータ回転軸との距離より大きいものとすることもできる。こうすれば、流体に作用する遠心力も利用して流体を吐出することができるので、ポンプ効率をさらに向上させることができる。
本発明に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプにおいて、吸込口は、第1回転部材のロータ回転軸近傍位置を貫通してポンプ室に開口しており、吐出口は、ステータケースの周壁を貫通してポンプ室に開口しているものとすることもできる。
以下、本発明を実施するための形態(以下実施形態という)を図面に従って説明する。
図1〜5は、本発明の実施形態に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプの構成の概略を示す図である。図1は全体の内部構成の概略を示す横断面図であり、図2は図1のA−A断面図であり、図3は図1のB−B断面図であり、図4はロータの構成の概略を示す斜視図であり、図5はステータの構成の概略を示す平面図(コイルが配設された側から見た図)である。本実施形態に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプにおいては、ロータ10及びステータ12がロータ回転軸方向(アキシャル方向)に関して対向配置されたアキシャル型モータが非磁性材料により構成されるステータケース30内に収納されている。
ステータ12は、略円板状の形状であり、ロータ回転軸方向においてロータ10と対向配置された状態でステータケース30に支持されている。ステータ12にはロータ10側へ突出した複数のティース18がステータ周方向に配列されており、複数のティース18の各々にはコイル22が装着されている。ステータ12を支持するステータケース30は、略円筒形状の周壁30aを有しており、この周壁30aの内側にロータ10及びステータ12が位置している。
ロータ10は、ロータシャフト24に固定されている。ロータシャフト24は、ステータ12及びステータケース30にベアリング26を介して支持されていることで、中心軸方向の並進運動が拘束されているとともに中心軸まわりの回転運動が許容されている。これによって、ロータ10は、ロータシャフト24の中心軸(ロータ回転軸)まわりに回転可能である。
そして、本実施形態においては、羽根車(インペラ)の回転により流体にエネルギーを与えて流体を吐出するポンプをロータ10の内部に組み込む。そのために、ロータ10は、第1回転部材32と、第2回転部材34と、複数の羽根36と、を有する。
第1回転部材32は、略円板状の形状であり、ロータ回転軸方向にステータ12と所定距離はなされて配置されている。図2に示すように、第1回転部材32とステータケース30の周壁30aとの間には、ロータ径方向(ロータ回転軸と垂直方向)に関する所定のクリアランスxが存在する。第2回転部材34は、略円板状の形状であり、ロータ回転軸方向においてステータ12と第1回転部材32との間に配置されている。第2回転部材34は、その中心部にてロータシャフト24に連結されている。図3に示すように、第2回転部材34とステータケース30の周壁30aとの間にも、ロータ径方向に関する所定のクリアランスxが存在する。
ここで、第1回転部材32と第2回転部材34とステータケース30の周壁30aとにより囲まれた領域に、ポンプ室40が形成される。そして、流体の吸込口42は、第1回転部材32のロータ回転軸近傍位置を貫通してポンプ室40に開口しており、流体の吐出口44は、ステータケース30の周壁30aを貫通してポンプ室40に開口している。この吸込口42及び吐出口44の配置により、吐出口44とロータ回転軸との距離が、吸込口42とロータ回転軸との距離より大きく設定される。
羽根車(インペラ)を構成する複数の羽根36は、ロータ周方向(ロータ10の回転方向)に間隔をおいてポンプ室40内(第1回転部材32と第2回転部材34との間)に配列されている。複数の羽根36の各々は、ロータ径方向に対してロータ周方向に傾斜している。そして、複数の羽根36の各々は、そのロータ回転軸方向の一端部(第1回転部材32側の端部)36aが第1回転部材32と連結されているとともに、そのロータ回転軸方向の他端部(第2回転部材34側の端部)36bが第2回転部材34と連結されている。これによって、複数の羽根36は、第1回転部材32及び第2回転部材34とともにロータ回転軸まわりに回転可能であり、第1回転部材32及び第2回転部材34はともにステータケース30の周壁30aに沿って回転可能である。以上の構成により、ロータ10の第1回転部材32と第2回転部材34との間にポンプが組み込まれる。
さらに、第2回転部材34には各羽根36に対応して開口部が設けられており、各羽根36の第2回転部材34側の端部36bは、図1,3,4に示すように、第2回転部材34の開口部(内部)を通ってステータ12側へ露出した状態でステータ12と対向している。その際に、第2回転部材34と羽根36の端部36bとの間に開口部による隙間が生じないようにシールが行われる。このように、本実施形態においては、各羽根36の第2回転部材34側の端部36bが、第2回転部材34の内部に入り込んだ状態でステータ12と対向している。なお、各羽根36は、第2回転部材34側の端部36bから第1回転部材32側の端部36aへ向けて湾曲している形状であってもよい。
そして、本実施形態においては、図6,7に示すように、複数の羽根36の各々に界磁束を発生させるための永久磁石38が配設されている。ここで、図6,7は、羽根36に永久磁石38を配設した構成例を示す平面図である。この永久磁石38は、各羽根36の第1回転部材32側の端部36aから第2回転部材34側の端部36bに渡って配設されている。ただし、必ずしもすべての羽根36に永久磁石38が配設されている必要はなく、一部の羽根36に永久磁石38が配設されていてもよい。そして、第1回転部材32は、磁性体により構成されており、複数の羽根36(永久磁石)を支持するバックヨークとして構成される。一方、第2回転部材34は、非磁性体により構成される。
なお、図6は、複数の棒磁石38の周りを樹脂46で固めることで羽根36を成形した例を示す平面図である。また、図7は、コア部分をボンド磁石38により成形し、その周りを樹脂46で固めることで羽根36を成形した例を示す平面図である。ただし、羽根36全体をボンド磁石38により成形することも可能である。
以上のように構成された本実施形態に係る電動式ポンプにおいては、ステータ12の各コイル22に電流を順次流すことで回転磁界を発生させる。この回転磁界とロータ10(羽根36)に配設された永久磁石38の発生する磁界との相互作用により、ロータ10にトルクが作用してロータ10(羽根36)が回転駆動する。羽根36が回転駆動すると、吸込口42からポンプ室40内(羽根36間の流路)に流入した流体にエネルギーが与えられて吐出口44へ導かれ、吐出口44から流体が吐出する。このように、本実施形態においては、複数の羽根36が、吸込口42からポンプ室40内に流入した流体にエネルギーを与えて吐出口44へ導くフィード部材として機能する。
なお、ここでの流体としては、例えば内燃機関用の燃料等の液体を用いることができる。また、図1,4では図示を省略しているが、流体の運動エネルギーを圧力ヘッドに変換するための案内羽根(ディフューザ)をポンプの出口に設けてもよい。
以上説明したように、本実施形態においては、ロータ10の第1回転部材32及び第2回転部材34がロータ回転軸方向に間隔をおいてステータケース30の周壁30aの内側に配設されており、第1回転部材32と第2回転部材34との間にポンプが組み込まれている。これによって、ポンプ室40内の流体の圧力が逃げないように管理する必要のあるクリアランスが、第1回転部材32とステータケース30の周壁30aとの間のクリアランスxと、第2回転部材34とステータケース30の周壁30aとの間のクリアランスxとになり、すなわちロータ径方向のクリアランスとなる。そのため、ロータ10の回転駆動の際にロータ10とステータ12との間に作用する吸引力(磁気力)によってロータ10(第1回転部材32及び第2回転部材34)の面振れが発生した場合でも、これらのクリアランスxはほとんど変化しない。したがって、本実施形態によれば、ポンプ室40内の流体の圧力が逃げないためのクリアランスxを精度よく管理することが容易となるので、これらのクリアランスxを小さく設定することでポンプ効率を向上させることができる。
そして、本実施形態においては、ポンプの羽根36に永久磁石38を配設して、羽根36(永久磁石38)を支持する第1回転部材32をバックヨークとして機能させることで、ポンプ側の羽根36のロータ回転軸方向における厚さ分と、モータ側の永久磁石38のロータ回転軸方向における厚さ分とを共用させることができる。したがって、電動式ポンプのロータ回転軸方向における全長を短縮することができ、電動式ポンプの小型化を実現することができる。さらに、羽根36(永久磁石38)間の流路を流体が流れることで、永久磁石38の冷却を効率よく行うことができる。
さらに、本実施形態においては、羽根36の第2回転部材34側の端部36bが第2回転部材34の内部に入り込んだ状態でステータ12と対向していることにより、ステータ12のコイル22と羽根36の永久磁石38との間の磁気ギャップ量を小さくすることができる。したがって、ロータ10にトルクを効率よく作用させることができ、ポンプの出力を増大させることができる。
また、本実施形態においては、流体の吐出口44とロータ回転軸との距離を流体の吸込口42とロータ回転軸との距離より大きく設定することで、流体に作用する遠心力も利用して流体を吐出口44から吐出することができる。したがって、ポンプ効率をさらに向上させることができる。
次に、本実施形態の他の構成例について説明する。
以上の本実施形態の説明においては、複数の羽根36のうちの少なくとも一部に永久磁石38を配設した場合を説明した。ただし、本実施形態においては、永久磁石38の代わりに磁性体(強磁性体)を羽根36に配設することもできる。磁性体を羽根36に配設する場合も、羽根36の第1回転部材32側の端部36aから第2回転部材34側の端部36bに渡って磁性体(強磁性体)を配設する。そして、必ずしもすべての羽根36に磁性体を配設する必要はなく、一部の羽根36に磁性体を配設してもよい。
さらに、例えば図8の斜視図に示すように、永久磁石38と磁性体(強磁性体)の両方を羽根36に配設することもできる。ここで、図8は、各羽根36の第2回転部材34側に永久磁石38を配設して第1回転部材32側に磁性体(強磁性体)48を配設した例を示している。
さらに、例えば図9の断面図に示すように、各羽根36に永久磁石38と磁性体(強磁性体)48のいずれか一方を選択的に配設することもできる。ここで、図9は、図3と同じ位置での断面図を示しており、各羽根36に永久磁石38と磁性体(強磁性体)48のいずれか一方を交互に配設した例を示している。
また、以上の本実施形態の説明においては、図5の平面図に示すように、複数のティース18の各々がステータ径方向(ロータ回転軸と垂直方向)に対してステータ周方向(ロータ10の回転方向と平行方向)に傾斜していない状態でステータ12に形成されている場合を説明した。ただし、本実施形態においては、図10の平面図(コイル22が配設された側から見た図)に示すように、複数のティース18の各々がステータ径方向に対してステータ周方向に傾斜した状態でステータ12に形成されていてもよい。ここで、ステータ12のティース18がロータ10(第2回転部材34)に向かい合っている状態では、各ティース18のステータ径方向に対する傾斜方向が各羽根36のロータ径方向に対する傾斜方向と同一方向である。
図10に示す構成のステータ12によれば、図5に示す構成のステータ12と比較して、ロータ10にトルクを効率よく作用させることができるので、ポンプの出力を増大させることができる。なお、ポンプの出力をより増大させるためには、各ティース18が羽根36のいずれかと略対向配置が可能なように、各ティース18のステータ径方向に対する傾斜角度が各羽根36のロータ径方向に対する傾斜角度とほぼ等しく設定されていることが好ましい。
また、以上の本実施形態の説明においては、ポンプ室40内の羽根36に永久磁石38及び磁性体(強磁性体)48の少なくとも一方が配設されている場合について説明した。ただし、本実施形態においては、例えば図11の横断面図に示すように、永久磁石38及び磁性体(強磁性体)48の少なくとも一方が、ポンプ室40内の羽根36ではなく、ポンプ室40の外部に配設されていてもよい。
図11に示す構成においては、非磁性体により構成される第2回転部材34に、磁性体(強磁性体)により構成される略円板形状のバックヨーク50がステータ12と対向する状態で取り付けられている。そして、このバックヨーク50には、複数の永久磁石38がステータ12と対向する状態で周方向(ロータ10の回転方向)に間隔をおいて配列されている。このように、図11に示す構成においては、複数の永久磁石38がバックヨーク50を介して第2回転部材34にステータ12と対向する状態で配設されている。
図11に示す構成においても、ポンプ室40内の流体の圧力が逃げないためのロータ径方向のクリアランスxを精度よく管理することが容易となるので、これらのクリアランスxを小さく設定することでポンプ効率を向上させることができる。
なお、図11に示す構成においては、第2回転部材34を磁性体(強磁性体)により構成し、複数の永久磁石38を第2回転部材34に周方向に配列することで、第2回転部材34をバックヨークとして機能させてもよい。また、永久磁石38の代わりに、複数の磁性体(強磁性体)48がステータ12側へ突出した状態で周方向に間隔をおいてバックヨークに配列されていてもよい。さらに、永久磁石38及び磁性体(強磁性体)48の両方がステータ12側へ突出した状態でバックヨークに周方向に配列されていてもよい。
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明の実施形態に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプの全体構成の概略を示す横断面図である。 図1のA−A断面図である。 図1のB−B断面図である。 ロータの概略構成を示す斜視図である。 ステータの概略構成を示す平面図である。 ポンプの羽根の概略構成を示す平面図である。 ポンプの羽根の他の概略構成を示す平面図である。 ポンプの羽根の他の概略構成を示す斜視図である。 ポンプの羽根の他の概略構成を示す断面図である。 ステータの他の概略構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るアキシャル型モータを用いた電動式ポンプの他の全体構成の概略を示す横断面図である。 従来におけるアキシャル型モータを用いた電動式ポンプの全体構成の概略を示す横断面図である。
符号の説明
10 ロータ、12 ステータ、18 ティース、22 コイル、24 ロータシャフト、26 ベアリング、30 ステータケース、30a 周壁、32 第1回転部材、34 第2回転部材、36 羽根、38 永久磁石、40 ポンプ室、42 吸込口、44 吐出口、46 樹脂、48 磁性体(強磁性体)。

Claims (9)

  1. ロータ及びステータがロータ回転軸方向において対向配置されたアキシャル型モータを有し、ロータの回転駆動により流体を吐出口から吐出することが可能なアキシャル型モータを用いた電動式ポンプであって、
    ロータは、
    ロータ回転軸方向においてステータと所定距離はなされて配置され、ステータを支持するステータケースの周壁に沿って回転可能な第1回転部材と、
    ロータ回転軸方向においてステータと第1回転部材との間に配置され、第1回転部材とともにステータケースの周壁に沿って回転可能な第2回転部材と、
    第1回転部材と第2回転部材とステータケースの周壁とにより囲まれたポンプ室内に配置され、第1回転部材及び第2回転部材とともに回転することで吸込口からポンプ室内に流入した流体にエネルギーを与えて吐出口へ導くフィード部材と、
    を含むことで、ロータの第1回転部材と第2回転部材との間にポンプが組み込まれていることを特徴とするアキシャル型モータを用いた電動式ポンプ。
  2. 請求項1に記載のアキシャル型モータを用いた電動式ポンプであって、
    フィード部材には、永久磁石及び磁性体の少なくとも一方が配設されており、
    第1回転部材は、永久磁石及び磁性体の少なくとも一方が配設されたフィード部材を支持するバックヨークとして構成されることを特徴とするアキシャル型モータを用いた電動式ポンプ。
  3. 請求項2に記載のアキシャル型モータを用いた電動式ポンプであって、
    フィード部材に配設された永久磁石及び磁性体の少なくとも一方は、フィード部材の第1回転部材側の端部から第2回転部材側の端部に渡って配設されていることを特徴とするアキシャル型モータを用いた電動式ポンプ。
  4. 請求項2または3に記載のアキシャル型モータを用いた電動式ポンプであって、
    フィード部材の第2回転部材側の端部が、第2回転部材の内部に入り込んでいることを特徴とするアキシャル型モータを用いた電動式ポンプ。
  5. 請求項2〜4のいずれか1に記載のアキシャル型モータを用いた電動式ポンプであって、
    フィード部材は、ロータ周方向に間隔をおいてポンプ室内に配列された複数の羽根により構成され、
    複数の羽根のうちの少なくとも一部に、永久磁石及び磁性体の少なくとも一方が配設されていることを特徴とするアキシャル型モータを用いた電動式ポンプ。
  6. 請求項5に記載のアキシャル型モータを用いた電動式ポンプであって、
    複数の羽根の各々は、ロータ径方向に対してロータ周方向に傾斜しており、
    ステータには、ロータ側へ突出しコイルが装着された複数のティースがステータ周方向に配列されており、
    複数のティースの各々は、ステータ径方向に対して羽根の傾斜方向と同方向に傾斜していることを特徴とするアキシャル型モータを用いた電動式ポンプ。
  7. 請求項1に記載のアキシャル型モータを用いた電動式ポンプであって、
    第2回転部材には、永久磁石及び磁性体の少なくとも一方がステータと対向する状態で配設されていることを特徴とするアキシャル型モータを用いた電動式ポンプ。
  8. 請求項1〜7のいずれか1に記載のアキシャル型モータを用いた電動式ポンプであって、
    吐出口とロータ回転軸との距離が、吸込口とロータ回転軸との距離より大きいことを特徴とするアキシャル型モータを用いた電動式ポンプ。
  9. 請求項8に記載のアキシャル型モータを用いた電動式ポンプであって、
    吸込口は、第1回転部材のロータ回転軸近傍位置を貫通してポンプ室に開口しており、
    吐出口は、ステータケースの周壁を貫通してポンプ室に開口していることを特徴とするアキシャル型モータを用いた電動式ポンプ。
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