JP2007166693A - アキシャル型モータと燃料ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 モータのトルク性能を向上させるためにコイル巻線の巻回数を増加し、あるいは、コイル巻線の径を大きくしても、ロータ（ロータマグネット）の大径化を抑制することができるアキシャル型モータを提供すること。
【解決手段】 本発明のアキシャル型モータ１０は、ロータマグネットを有する円板状のロータ４２と、ロータに対向して配置されると共に、ロータの回転軸線上の点を中心とする同心円上に配置された複数のステータコイル６０と、を備えている。
ステータコイルは、コア５４と、コアに巻回されているコイル巻線５０と、を有している。そして、コアの一端にはロータマグネットに対向するコア磁極５６が設けられており、そのコア磁極の中心Ｃがコアの中心Ｄよりも内側に位置することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アキシャル型モータとそのアキシャル型モータを利用した燃料ポンプに関する。本明細書において「アキシャル型モータ」とは、ロータとステータが対向する、扁平形状のモータを意味する。

アキシャル型モータは、モータの回転軸線方向の長さを短くできるため、種々の機器への利用が検討されている。アキシャル型モータの一例としては、特許文献１のモータが挙げられる。特許文献１のモータは、円板状のロータと、複数のステータコイルを備えている。ロータは、モータ（ロータ）の回転軸線を中心としてリング状に形成されたロータマグネットを有する。ステータコイルは、コアと、そのコアに巻回されたコイル巻線を有する。ステータコイルのコアは、ロータマグネットと対向し、モータ（ロータ）の回転軸線を中心として同心円上に配置されている。このモータでは、ステータコイルのコイル巻線に電流を流すと、ステータコイルのコアからロータマグネットに向かって磁力が発生し、ステータコイルとロータマグネットとの間に吸引力・反発力が発生する。したがって、複数のステータコイルへの電流のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、ロータが回転する。

実開平６−１７３７３号公報

上述したモータでは、ステータコイルから発生する電磁力が大きくなるほど、ロータを回転させるトルクも大きくなる。このため、モータのトルク性能を向上するためには、ステータコイルから発生する電磁力を大きくすること、すなわち、コアに巻回するコイル巻線の巻回数を多くし、かつ、コイル巻線に流れる電流値を大きくする必要がある。コイル巻線の巻回数を多くすると、ステータコイルの外形が大きくなる。ステータコイルの外形を大きくすることなくコイル巻線の巻回数を多くするためには、コイル巻線の径を小さくしなければならない。しかしながら、コイル巻線の径を小さくすると、コイル巻線の抵抗が増加し、コイル巻線を流れる電流値が減少する。したがって、モータのトルク性能を向上するためには、ステータコイルの外形を大きくせざるを得ない。
ここで、上述した特許文献１のモータでは、ステータコイルのコアをモータの回転軸線（ロータの回転軸線）を中心として同心円上に配置する。このため、ステータコイルの外形が大きくなると、隣接する他のステータコイルとの間隔を空けなければならないため、ステータコイルのコアを配置する位置もモータの回転軸線から離れた位置としなければならない。ステータコイルのコアをモータの回転軸線から離れた位置に配置すると、コアと対向するロータマグネットの外径も大きくなる。したがって、特許文献１のモータでは、モータのトルク性能を向上しようとすると、ロータマグネット（ひいては、ロータ）の外径が大きくなり、モータが大型化するという問題があった。
そこで、本発明は、モータのトルク性能を向上させるためにコイル巻線の巻回数を増加し、あるいは、コイル巻線の径を大きくしても、ロータ（ロータマグネット）の大径化を抑制することができるアキシャル型モータを提供することを目的とする。

本発明のアキシャル型モータは、ロータマグネットを有する円板状のロータと、ロータに対向して配置されると共に、ロータの回転軸線上の点を中心とする同心円上に配置された複数のステータコイルと、を備えている。
ステータコイルは、コアと、コアに巻回されているコイル巻線と、を有している。そして、コアの一端にはロータマグネットに対向するコア磁極が設けられており、そのコア磁極の中心がコアの中心よりも内側に位置することを特徴とする。
ここで、コア磁極（及びコア）の「中心」は、ロータの回転軸線と垂直な平面内の座標値で特定され、その平面内のロータの回転軸線上の点を原点として半径方向の座標値をｒ、周方向の座標値をθとすると、座標値ｒについては原点から最も遠い点の座標値ｒ１と最も近い点の座標値ｒ２の平均値（ｒ１＋ｒ２）／２で規定され、座標値θについては最も中心角の大きい点の座標値θ１と最も中心角の小さい点の座標値θ２の平均値（θ１＋θ２）／２で規定される。

上記のアキシャル型モータは、コアの一端にコア磁極が形成され、このコア磁極がロータマグネットと対向する。そして、ロータマグネットと対向するコア磁極の中心が、コイル巻線が巻きつけられるコアの中心より内側（すなわち、ロータの回転軸線からの距離が短い側）に位置している。モータのトルク性能を向上させるためには、コイル巻線の巻回数を増加し、また、コイル素線の径を大きくしなければならない。コイル巻線の巻回数を増加し、また、コイル巻線を大径化するためには、コアの位置をロータの回転軸線から離れた位置としなければならない。上記のアキシャル型モータでは、コア磁極の中心がコアの中心より内側にあり、そのコア磁極にロータマグネットが対向するため、ロータマグネットの径が大きくなることが抑制される。これによって、ロータ（モータ）の大型化を抑制しながら、モータのトルク性能を向上させることができる。

本発明のアキシャル型モータは、ステータのコア磁極が、コアの内縁よりもロータの回転軸線に向けて張り出しているティースを有していると好ましい。
このような構成によると、コア磁極がロータの回転軸線に向けて張り出すティースを有することで、コア磁極の中心をロータの回転軸線に近い位置に配置することができる。

本発明のアキシャル型モータは、ロータの回転軸線からステータのコア磁極の外周までの長さと、ロータの回転軸線からコアの外周までの長さと、ロータの回転軸線からロータマグネットの外縁までの長さはほぼ等しいことが好ましい。
このような構成によると、モータの半径方向の大型化を抑制しながら、ステータコイルで発生する磁力をロータマグネットに作用させることができ、ロータを効率的に回転させることができる。

上述した本発明のアキシャル型モータは燃料ポンプに好適に利用することができる。すなわち、本発明の燃料ポンプは、上述したいずれかのアキシャル型モータと、そのアキシャル型モータのロータに連結され、ロータと共に回転するインペラと、インペラを回転可能に収容するケーシングを備えていることを特徴とする。
上記の燃料ポンプは、上述したアキシャル型モータが備えられている。従って、トルク性能を向上させながらロータの径の大径化が抑えられた燃料ポンプとなる。

後述する実施例の主な特徴を記載する。本実施例は、アキシャル型モータが搭載された車両用燃料ポンプの一例である。
（形態１）モータ部は、９つのステータコイルが備えられており、ロータにはそれに対応したマグネットが備えられている。
（形態２）燃料ポンプは、モータ部とポンプ部を備えている。モータ部は、ヨークとロータとステータコイルを備える。ロータは、円板状のロータマグネットと、そのロータマグネットの中心を貫通するシャフトを備えている。ロータマグネットとシャフトは固定され、ロータマグネットが回転するとシャフトも回転する。
（形態３）ステータのコア磁極は、隣り合うステータのコア磁極と対向する側縁とシャフトと対向する内縁が、コアから張り出している。
（形態４）モータ部のヨークは、トップカバーに固定されている。
（形態５）シャフトの上端は、燃料ポンプの上部に配設されたトップカバーに回転可能に支持されている。シャフトの下端は、ポンプケーシングの吐出側ケーシングに回転可能に支持されている。シャフトの下端は、吐出側ケーシングを貫通し、吐出側ケーシングより突出した部分にインペラが固定されている。

本実施例に係る燃料ポンプ１０について図面を参照して説明する。燃料ポンプ１０は自動車用であり、自動車に搭載された燃料タンクの内部に設置される。燃料ポンプ１０が燃料タンク内に設置された状態では、燃料ポンプの下面が燃料タンク底面に当接する。燃料ポンプは、燃料に浸漬した状態で動作し、燃料タンク内の燃料をエンジンに圧送する。
図１は燃料ポンプ１０の縦断面図である。図１に示すように、燃料ポンプ１０は、モータ部７０とポンプ部３０から構成されている。なお、図１の上下は、燃料ポンプ１０が燃料タンク内に装着された状態における上下と一致している。

モータ部７０は、アキシャル型ブラシレスモータの構造を採用している。モータ部７０は、ハウジング１４とトップカバー１２とロータ４１とステータコイル６０等を備えている。ハウジング１４は略円筒形状に形成されている。トップカバー１２は、ハウジング１４の上端に固定されている。トップカバー１２には、上方に向かって開口している吐出ポート６８が形成されている。トップカバー１２の下面にはヨーク４４が固定されている。ヨーク４４はリング状に形成されており、その内周縁はロータマグネット４２の内周縁と対向し、その外周縁はロータマグネット４２の外周縁と対向している。ロータ４１は、トップカバー１２に対して回転可能に支持されている。ステータコイル６０は、吐出側ケーシング１８の上面に配設されている。

先ず、ロータ４１について説明する。ロータ４１は、ロータマグネット４２と、ロータマグネット４２の中央を貫通するシャフト４０を有している。ロータマグネット４２は、鉄粉などの磁性粉を混入した樹脂を円板状に成形したプラスチックマグネットである。ロータマグネット４２の外周縁の位置は、ヨーク４４の外周縁の位置並びにステータコイルのコア磁極５６の外周縁の位置と略一致している。ロータマグネット４２はホルダ８１とホルダ３５との間で挟持されてシャフト４０に固定されている。ホルダ３５の外周縁の位置はヨーク４４の内周縁の位置と略一致している。このため、ロータマグネット４２のホルダ３５から露出する領域は、ヨーク４４の領域及びコア磁極５６の領域と略一致し、ロータマグネット４２の磁力がヨーク４４によって収束される。ロータマグネット４２とシャフト４０が固定されるため、ロータマグネット４２が回転するとシャフト４０も回転するようになっている。
シャフト４０の上端は、軸受３６を介してトップカバー１２に回転可能な状態で取付けられている。シャフト４０の下端は、ポンプケーシング２０の吐出側ケーシング１８の中心を貫通し、ボールベアリング３４の内輪をホルダ３５とスリーブ３２との間で挟持されてシャフト４０に固定されている。また、ボールベアリング３４の外輪外径は、吐出側ケーシング１８に固定されているため、吐出側ケーシング１８に回転可能な状態で取付けられている。シャフト４０の下端には、後述するインペラ２２が固定されている。

次に、図１，２を参照してステータコイル６０について説明する。図２は、ロータマグネット４２側から見たステータコイル６０の配置状態を模式的に示す図である。図２に示すように、ステータコイル６０は、シャフト４０（詳しくは、シャフト４０の回転軸線）を中心とする同心円上に複数配されている。本実施例では、シャフト４０周りに９個のステータコイル６０が等間隔で配置されている。ステータコイル６０は平面視すると扇形形状を呈しており、シャフト４０から離れるに従って周方向の長さが長くなっている。

図１に示すように、各ステータコイル６０は、コア５４と、コア５４に巻回されたコイル巻線５０とを有している。コア５４の上端にはコア磁極５６が設けられ、コア磁極５６はロータマグネット４２と対向している。コア５４の下端にはバックヨーク５２が設けられ、バックヨーク５２はポンプ部３０の吐出側ケーシング１８に固定されている。

図２に示すようにバックヨーク５２は、隣接するステータコイル６０のバックヨーク５２と近接し、連続している。バックヨーク５２の外周には基板６４が配設され、基板６４には各ステータコイル６０のコイル巻線５０が接続されている。図２中、コイル巻線５０は一点鎖線で示している。基板６４はトップカバー１２に設けられた端子６６に接続しており、端子６６は図示しない制御装置に接続されている。制御装置は、図示しない外部電源からの電力を端子６６と基板６４を介して各ステータコイル６０の個入間汽船５０に供給する。制御装置によって各ステータコイル６０のコイル巻線５０への電力供給をＯＮ／ＯＦＦすることで、ロータ４１が回転駆動される。

コア５４及びコア磁極５６は、それぞれ隣接するコア５４及びコア磁極５６との間に間隔が設けられている。コア５４は、その水平断面形状が扇形形状をした柱状体に形成されている。コア５４の側面にコイル巻線５０が巻回される。
コア磁極５６も、その水平断面形状が扇形形状をしており、コア５４の水平断面形状と似た形状となっている。ただし、コア磁極５６は、その内周縁及び両側縁がコア５４より外側に張り出し、これによってコア磁極５６の内周縁及び両側縁にティース５８が形成されている。したがって、隣接するコア磁極５６の周方向の間隔は狭く、隣接するコア５４の周方向の間隔は広くなっている。また、シャフト４０からコア磁極５６までの距離は短く、シャフト４０からコア５４までの距離は長くなっている。このことによって、コア５４へのコイル巻線５０を巻回するための空間を確保しつつ、コア磁極５６を広くしてロータマグネット４２に作用する磁力が大きくなるようにしている。特に、本実施例では、コア磁極５６をシャフト４０の方向に向けて大きく張り出し、ステータコイル６０の磁極をシャフト４０の方向にシフトしている。
なお、コア５４の外周縁とコア磁極５６の外周縁は同一平面となるように形成されている（すなわち、コア５４の外周縁とコア磁極５６の外周縁との間には段差が形成されていない（図１参照）。）。したがって、シャフト４０の中心からコア５４の外周縁までの長さと、シャフト４０の中心からコア磁極５６の外周縁までの長さがほぼ等しくなっている。また、図１から明らかなように、ロータマグネット４２の外周縁もコア磁極５６の外周縁に対応しており、シャフト４０からロータマグネット４２の外周縁までの長さは、シャフト４０の中心からコア磁極５６の外周縁までの長さとほぼ等しくなっている。

ここで、水平面（シャフト４０に対して垂直な平面）内におけるコア５４の中心位置とコア磁極５６の中心位置の関係について説明する。図３はコア５４とコア磁極５６の水平面内の位置関係を模式的に示す図である。図３において、シャフト４０の中心を点Ｏ、コア磁極５６の中心を点Ｃ、コア５４の中心を点Ｄで表している。
図３に示すように、コア５４とコア磁極５６は、シャフト４０の中心Ｏから伸びる直線ｆに対して対称となる。すなわち、直線ｆとコア５４の両側縁がなす角度はそれぞれθ１（＝２０°）となり、直線ｆとコア磁極５６の両側縁がなす角度はそれぞれθ１（＝２０°）となる。従って、コア５４の中心Ｄとコア磁極５６の中心Ｃも直線ｆ上に位置する。
コア５４の中心Ｄは、直線ｆとコア５４の内周縁との交点Ｂと、直線ｆとコア５４の外周縁との交点Ｅとの中間点となる（すなわち、ＢＤ＝ＤＥ）。コア磁極５６の中心Ｃは、直線ｆとコア磁極５６の内周縁との交点Ａと、直線ｆとコア磁極５６の外周縁との交点Ｅとの中間点となる（すなわち、ＡＣ＝ＣＥ）。図３から明らかなように、コア磁極５６はコア５４より内側に張出すティース５８を形成することによって、コア磁極５６の中心Ｃはコア５４の中心Ｄより内側に位置している。

ポンプ部３０は、ポンプケーシング２０と、ポンプケーシング２０に収容されるインペラ２２等を備える。インペラ２２はほぼ円板状である。インペラ２２の外周部には、周方向に並んだ凹所群（２６、２７）が形成されている（図１では、インペラ２２の上下両面に形成された１つの凹所（２６、２７）のみが示されているが、凹所２６、２７は全周に亘って形成されている）。インペラ２２の上面側に形成された凹所２７は、インペラ２２の下面側に形成された凹所２６と底部で連通されている。インペラ２２の外周面とポンプケーシング２０との間にはわずかな隙間が形成されている（図１では図示を省略している）。この隙間はインペラ２２がスムーズに回転するために設けられている。
インペラ２２の中心部には、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔には、スリーブ３２を介してシャフト４０が挿通されている。シャフト４０とインペラ２２は相対回転不能に取付けられており、シャフト４０が回転すると、シャフト４０と一体となってインペラ２２が回転する。

ポンプケーシング２０は、インペラ２２を回転可能に収容した状態でハウジング１４の下端に固定されている。ポンプケーシング２０は、吐出側ケーシング１８と吸入側ケーシング１６から構成されている。吐出側ケーシング１８の中心部には、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔には、シャフト４０が挿通されている。シャフト４０と吐出側ケーシング１８との間にはボールベアリング３４が介装されている。これによって、シャフト４０の下端が吐出側ケーシング１８に回転可能に支持されている。
吐出側ケーシング１８のインペラ２２の上面と対向する面には、インペラ２２の凹所群２７と対向する領域を、上流から下流に伸びる上面側溝２５が形成されている。上面側溝２５の下流端は、吐出側ケーシング１８に形成された吐出流路（図示しない）によってモータ部７０内（詳しくは、ハウジング１４とトップカバー１２とポンプケーシング２０によって囲まれた空間）に連通している。
吸入側ケーシング１６のインペラ２２の下面と対向する面には、インペラ２２の凹所群２６と対向する領域を、上流から下流に伸びる下面側溝２４が形成されている。下面側溝２５の上流端は、吸入側ケーシング１６に形成された吸入流路（図示しない）によって外部に連通している。

上述した燃料ポンプ１０において、ステータコイル６０のコイル巻線５０へ電力が供給されてコイル巻線５０に電流が流れると、コア磁極５６からロータマグネット４２に向かって電磁力が作用する。これによって、ステータコイル６０とロータマグネット４２との間に吸引・反発力が発生する。制御装置は、各ステータコイル６０のコイル巻線５０への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、ロータマグネット４２が回転する。
ロータマグネット４２が回転すると、ロータマグネット４２に固定されたシャフト４０が回転する。シャフト４０が回転すると、シャフト４０に固定されたインペラ２２が回転する。インペラ２２が回転すると、ポンプケーシング２０内に燃料が吸引される。ポンプケーシング２０内に吸引された燃料は、インペラ２２の回転に伴って昇圧され、モータ部７０内（ハウジング１４とトップカバー１２とポンプケーシング２０によって囲まれた空間）に吐出される。モータ部７０内に吐出された燃料は、モータ部７０内を流れてトップカバー１２の吐出ポート６８より吐出される。

上述した説明から明らかなように、本実施例の燃料ポンプ１０は、コア磁極５６がコア５４の内周縁より内側に突出するティース５８を有するため、コア５４の中心Ｄがコア磁極５６の中心Ｃより外側に位置する。コイル巻線５０を巻回するコア５４の中心Ｄをモータ軸線から離れた位置に配置できると、コア５４に巻回されるコイル巻線５０の巻回数を増加、あるいは、コイル巻線５０の巻回数を同一のままコイル巻線５０の径を大きくすることができる。このため、ステータコイル６０から発生する磁力を大きくすることができる。これによって、燃料ポンプ１０のトルク性能を向上することができる。なお、コア５４の中心Ｄを外側に配置しても、コア磁極５６の中心Ｃはコア５４の中心Ｄよりも内側に位置する。このため、コア磁極５６と対向するロータマグネット４２の大径化を防止することができる。
また、コア磁極５６と対向するロータマグネット４２の磁気的中心Ｆ（すなわち、ロータマグネット４２の磁力が収束する領域（すなわち、ヨーク４４と重なり合った部分）の中心）は、コア磁極５６の中心Ｃと半径方向の位置が略一致する。これによって、ステータコイル６０で発生する磁力がロータマグネット４２を回転させるためのトルクに効率的に変換され、燃料ポンプ１０のポンプ効率を向上することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

実施例の燃料ポンプの縦断面図である。 実施例のステータの配置を上面視した模式図である。 実施例のコアとコア磁極の水平面内の位置関係を示す模式図である。

符号の説明

１０ 燃料ポンプ
２０ ポンプケーシング
２２ インペラ
３０ ポンプ部
４０ シャフト
４２ ロータ
４４ ヨーク
５４ コア
５６ コア磁極
５８ ティース
６０ ステータコイル
６２ 空間
７０ モータ部
Ｃ コア磁極の中心
Ｄ コアの中心

Claims (4)

1. ロータマグネットを有する円板状のロータと、
   ロータに対向して配置されると共に、ロータの回転軸線上の点を中心とする同心円上に配置された複数のステータコイルと、を備えたアキシャル型モータであり、
   ステータコイルは、コアと、コアに巻回されているコイル巻線と、を有しており、
   コアの一端にロータマグネットに対向するコア磁極が設けられており、そのコア磁極の中心がコアの中心よりも内側に位置することを特徴とするアキシャル型モータ。
2. 前記コア磁極は、コアの内縁よりもロータの回転軸線に向けて張り出しているティースを有することを特徴とする請求項１のアキシャル型モータ。
3. ロータの回転軸線からコア磁極の外周までの長さと、ロータの回転軸線からコアの外周までの長さと、ロータの回転軸線からロータマグネットの外縁までの長さはほぼ等しいことを特徴とする請求項１または２に記載のアキシャル型モータ。
4. 請求項１から３のいずれかのアキシャル型モータと、そのアキシャル型モータのロータに連結され、ロータと共に回転する略円板形状のインペラと、そのインペラを回転可能に収容するケーシングとを備えた燃料ポンプ。

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