JP2009133241A - ポンプ用ｄｃモータ - Google Patents

Abstract

【目的】インペラ軸受の摩耗速度を低減することで、インペラの軸受の寿命を長期化でき、また、ステータコアの形状自由度を高めて磁気漏洩を少なくして、高効率化すること。
【構成】ステータコア１は、筒状の下部ステータコア本体１１ａの内周側より４以上の偶数で等間隔をもって配置されたコイル線ｍを巻着したステータポール１１ｂを有する下部ステータコア１１と、筒状の上部ステータコア本体１２ａの上端より内周側にステータポール１１ｂ数に対応して形成された頂部突起１２ｂを有する上部ステータコア１２とからなること。プラスチックマグネットなどのインナーロータマグネット２は、上下に区分されつつ、絶縁性焼結体コアなるステータコア１の磁極数に対応して磁石とされ、且つ上下の磁極が異なるように構成されると共に、頂部突起１２ｂの磁極と上部ロータマグネット本体２２の磁極とが吸引・反発するように制御されてなること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インペラ軸受の摩耗速度を低減することができることにより、インペラ３の軸受の寿命を長期化でき、また、ステータコアの形状自由度を高めたことにより磁気漏洩を少なくして、高効率化できるポンプ用ＤＣモータに関する。

従来より、自動車用の電動ウォータポンプとしては、モータとインペラ駆動源が別体となっている別体型電動ウォータポンプが使われている。つまり、別体型電動ウォータポンプは、モータによりアウターマグネットを回転させ、そのアウターマグネットと磁気結合した磁石を内蔵するインペラを回転させる方式（マグネットカップリング方式）である。近時の更なる高効率化、軽量化の要求に応えるべくモータのステータコア（電磁石）そのもので磁石を内蔵したインペラを直接回転させる一体型の電動ウォータポンプの開発・実施などが始まっている。このようなインペラがモータに組み込まれた例として特許文献１が挙げられる。該特許文献１の電動ウォータポンプのインペラでは１方向に磁界が発生する磁石を設けたものである。
特開２００２−３６４５７６

特許文献１はモータとしての外周にステータコア（電磁石）を設けて、内周側のインナーロータ（内周回転方式）としての磁石を内蔵したインペラをステータコアとインペラ間の磁気吸引反発力により回転させるというものである。このステータコアであるが、鋼板を重ね合わせた積層鋼板にコイル線が巻かれた構造が一般的である。そしてステータコアの磁界を順番に入れ替えていくと、インペラと一体化した磁石が回転することになり、磁石と一体になったインペラも回転し、ポンプとしての役割を果たすこととなる。上記構造の一体型電動ウォータポンプには共通の課題が存在する。

第１の課題は、インペラの推力によるインペラ軸受寿命の低下である。
インペラは羽根を有しているが、羽根形状の物を回転させると上向きの力である推力が発生する。推力のためインペラはポンプ吸入方向に移動しようとするが、インペラは定位置で回転しなければならないものであるため、ストッパ機構が付いている。これは特許文献１の図中番号５４に記載されており、５４はシャフトの固定とインペラの軸方向ストッパの機能を兼ねたものである。ストッパの存在によりインペラの軸方向位置は固定されるが、あいかわらず推力は発生しているため、このストッパ端面とインペラ軸受部分が推力で押し付けられながら摺動している。そのためインペラ軸受が摩耗し、軸受寿命は限られたものとなる。
本課題の解決方法としては、推力と反対方向に対抗する力が存在すれば軸受摩耗は減少するものと考えられる。

第２の課題は、ステータコアの形状自由度が低いことである。
＜積層鋼板のステータコア＞
鋼板を重ね合わせた積層鋼板をステータコアとしたものでは所望の３次元形状にできず、形状に制約が生じる。そのため、洩れ磁束が多く大きいロータ回転力を得るためにステータコアが大きくなり、限られたスペースの中では、ポンプ形状の自由度が低くなるため、ポンプ性能やポンプ効率もある程度以上は上げることができない。つまり、性能や効率を追求したポンプ形状を製作できない。

＜絶縁性焼結体のステータコア＞
また最近ではステータコアの形状自由度を向上させるため、酸化被膜または樹脂等の絶縁体で被覆された鉄粉を焼結して所望の形状を形成した絶縁性焼結体を積層鋼板の代わりに使用することが実用化されている。但し絶縁性焼結体では絶縁体（非磁性体）が含有されているという関係上、完全な磁性体と比較してどうしても磁気透磁率が低くなってしまうという課題があった。詳しく書くと、絶縁性焼結体では電磁石自体の効率の向上を狙った磁束の流れに対応した形状にできるが、リン酸塩または合成樹脂等の非磁性体を含むため材質自体の磁気透磁率が低いので、磁界強度をあまり高くすることができない。以前より積層鋼板、絶縁性焼結体それぞれがステータコアに使用されているがそれぞれに欠点を有している。

第３の課題は、磁気漏洩が多いことである。
磁束の流れに対応したステータコア形状とすれば磁力の無駄が無く、ステータ（電磁石）部分の効率を向上させることができる。但し積層鋼板では鋼板の重ね合わせのため自由度の高い形状にすることには限界があり、磁気漏洩（使われない磁力）がどうしても多くなってしまう。よって積層鋼板では電磁石部分の効率の向上に限界があった。形状自由度が高い絶縁性焼結体では磁束の流れに対応した形状にできるため、磁気漏洩を減らすことが可能であるが、上述のように磁気透磁率が低いため発生させられる磁力の大きさは低いものとなってしまうという課題がある。

前述した形状自由度についても、磁気漏洩が多いことについても、積層鋼板、絶縁性焼結体それぞれに欠点を有している。このため、本発明が解決しようとする課題（技術的課題又は目的等）は、上記第１、第２及び第３の少なくとも１つの課題を解決することである。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、電磁石としてのステータコアの内部に、インペラ下部のインナーロータマグネットを回転可能に設けたウォーターポンプなどのＤＣモータにおいて、前記ステータコアは、筒状の下部ステータコア本体の内周側より４以上の偶数で等間隔をもって配置されたコイル線を巻着するステータポールを有する下部ステータコアと、筒状の上部ステータコア本体の上端より内周側に前記ステータポール数に対応して形成された頂部突起を有する上部ステータコアとからなり、前記インナーロータマグネットは、上下に区分されつつ、前記ステータコアの磁極数に対応して磁石とされ、且つ上下の磁極が異なるように構成されると共に、前記ステータコアは絶縁性焼結体コアにて、且つ前記インナーロータマグネットはプラスチックマグネット又は埋め込み磁石にて構成され、前記頂部突起の磁極と上部ロータマグネット本体の磁極とが吸引・反発するように制御されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決した。

請求項２の発明を、前述の構成において、前記ステータコアの下部ステータコアは積層鋼板とからなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決した。さらに、請求項３の発明を、前述の構成において、前記ステータコアは内周に、前記インナーロータマグネットは前記ステータコアの外周に、アウターロータマグネットとしてそれぞれ設けてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決したものである。

請求項１の発明においては、ラジアル方向（インペラと下部ステータコア）とスラスト方向（インペラと上部ステータコア）の２面の磁石の吸引力によりインペラを駆動させることができるので、より効率的にインペラを駆動させることができ、先行技術で見られるような従来の１方向吸引の電動ウォータポンプよりも効率を向上させることができる。更にスラスト方向（インペラと上部ステータコア）にも吸引力が働いているため、インペラの推力と逆向きの吸引力が発生し、インペラの推力を大部分打ち消すことが可能となり、インペラの軸受寿命を格段と向上させることができる。以上のように絶縁性焼結体のスラスト方向の磁力にはインペラを回転させる役割とインペラの推力を打ち消す役割という２つの役割を兼ねている。さらに、磁力の吸引力は２面で発生するが、磁石を２個使用する必要が無く、１個のスペースで可能であり、省スペース化、軽量化に寄与する。

さらに、請求項１の発明では、また絶縁性焼結体の形状自由度が大きいことを活かし、積層鋼板では不可能だったポンプ形状に合わせた効率向上を狙った理想的なステータ形状とすることが可能となる。つまり、ステータの効率ＵＰ、つまり小型化により、限られたスペースをポンプ形状に有効に利用できるためポンプ効率を向上させることができる。またコイル線を積層鋼板に巻いた後で絶縁性焼結体を積層鋼板に貼り付けもしくは組み付けるため、コイル線を巻く時間が短時間で済み、製作時間（サイクルタイム）の短縮にもつなげることができる。

また、請求項２の発明では、絶縁性焼結体と積層鋼板という２段重ね構造とすることにより、磁気漏洩の少なく磁気透磁率が高いステータコアにできる。請求項３の発明では、回転するインペラが内周側、外周側にあるという違いはあるものの、請求項１又は２の発明と同等の効果を奏する。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明すると、図１乃至図５は第１実施形態である。特に、第１実施形態では、ステータコア（電磁石）１全体が２つに区分された絶縁性焼結体コアにて構成されている。ＤＣモータの外周には、前記ステータコア１が設けられ、且つ内周にインナーロータマグネット（内周回転部）２が回転可能に設けられている。該インナーロータマグネット２の上部にはインペラ３が一体形成されている。なお、具体的構造としては、前記ステータコア１と前記インナーロータマグネット２との間には隔壁４が設けられ、該隔壁４により冷却水が密封される。

前記ステータコア１は、下部ステータコア１１と、上部ステータコア１２とからなり、何れも絶縁性焼結体コアにて構成され、別体として形成されている。
前記下部ステータコア１１と、前記上部ステータコア１２の外周側の下部ステータコア本体１１ａと上部ステータコア本体１２ａは何れも同一直径、同一肉厚にて筒状に形成されている。前記下部ステータコア１１の下部ステータコア本体１１ａの内周側より６０度の間隔をもって配置された，コイル線ｍをバイファイラ巻きなどする棒片と内端膨大部とからなるステータポール１１ｂ，１１ｂ，…が設けられて、６極として構成されている。また、前記上部ステータコア１２の上部ステータコア本体１２ａの内周側に６０度の間隔をもって配置された頂部突起１２ｂ，１２ｂ，…が設けられている。

前記下部ステータコア本体１１ａのステータポール１１ｂ，１１ｂ，…にコイル線ｍが巻着される。その後に、絶縁性焼結体コアからなる上部ステータコア１２が前記下部ステータコア１１の上端に接着剤などにて結合されている。このような構成により、通電したときに、任意の極がそれぞれ異なる極性となるように回路構成されている。この回路構成は公知であるため詳述しない。このとき、頂部突起１２ｂ，１２ｂ，…には、前記下部ステータコア本体１１ａに励磁された磁極と同一の磁極となるものである。

具体的には、図１（Ａ）の右側に示すように、ステータポール１１ｂの内側端がＳ極となっているときには、下部ステータコア本体１１ａは、Ｎ極となり、これで、上部ステータコア本体１２ａ及び頂部突起１２ｂには、前記下部ステータコア本体１１ａに励磁された磁極なるＮ極と同一の磁極Ｎが励磁されている。
また、絶縁性焼結体なる上部ステータコア１２は絶縁性焼結体なる下部ステータコア１１の外周側と連結する必要がある。内周側も連結したのでは上部ステータコア１２からインナーロータマグネット２のインペラ３下面への磁界が発生しなくなる。つまり、内周側も連結すると絶縁性焼結体同士が全周に渡って繋がってしまうため、Ｎ極とＳ極とに磁極が分割できず、磁界が発生しなくなるためである。

前述したように、前記ステータコア１と呼ばれる電磁石部分は前記下部ステータコア１１と前記上部ステータコア１２の２つの部分から構成され、コイル線ｍが巻着された絶縁性焼結体コアなる下部ステータコア１１と、これに連結されたインペラ３の方向に断面的にＬ字状に伸びる、絶縁性焼結体コアなる頂部突起１２ｂ付き上部ステータコア１２とから成り立っている。かかる構造にすることにより、通常の電磁石では１方向の磁束しか発生できなかったものが、前記下部ステータコア１１部分と前記上部ステータコア１２部分による２方向の磁束を発生させることができる。

また、前記インナーロータマグネット２は、円柱状の下部ロータマグネット本体２１と、前記インペラ３下面全体を覆い且つ中央下側にも円柱状に突出した上部ロータマグネット本体２２とからなり、何れもプラスチックマグネット又は埋め込み磁石にて構成され、一体として形成されている。まず、前記下部ロータマグネット本体２１は、６０度の間隔をもって円周が６等分されて、Ｓ極，Ｎ極，…と交互になるように永久磁石として構成されている。該下部ロータマグネット本体２１の下面には円柱状の空隙部２１ａが必要に応じて設けられ、その上面は平坦状に形成されている。前記上部ロータマグネット本体２２は、前記インペラ３下面全体を覆う鍔状部２２ａとその下側の短円柱片２２ｂとが一体形成されている。

前記上部ロータマグネット本体２２も６０度の間隔をもって円周が６等分されて、Ｓ極，Ｎ極，…と交互になるように永久磁石として構成されている。このようにした前記下部ロータマグネット本体２１の上端に前記上部ロータマグネット本体２２が一体で形成されている。このとき、前記下部ロータマグネット本体２１の磁極と、前記上部ロータマグネット本体２２の磁極とが異なるように構成されている。具体的には、図１（Ａ）側に示すように、前記下部ロータマグネット本体２１の右側がＮ極となっているときには、前記上部ロータマグネット本体２２の右側はＳ極となるように構成されている。このように、永久磁石を内蔵した前記インナーロータマグネット２付きインペラ３を前記ステータコア１の磁気吸引反発力により回転させるというものである。

前述したように、本発明では、前記ステータコア１の２面の磁界が逆になっているため、それと対応するインペラ３側のラジアル（周）方向とスラスト（軸）方向の２面の磁石のＮ極とＳ極もスラスト方向とラジアル方向でＮ極とＳ極が反転していないとインペラ３は磁気吸引反発力により回転することができないことから、前記インペラ３はスラスト方向とラジアル方向（長筒側と羽根支持円盤側）でＮ極とＳ極が反転した磁極を構成している。

第１実施形態では、ステータコア（電磁石）１全体が絶縁性焼結体にて構成されており、下部ステータコア１１（電磁石装着部分）と上部ステータコア１２（インペラ側）の２層共に絶縁性焼結体を使用することにより、更に磁束の流れに対応した自由度の高い効率を追求した形状にできる。

前記上部ロータマグネット本体２２のインペラ３下面全体を覆う鍔状部２２ａの磁極と、前記ステータコア１の上部ステータコア１２の頂部突起１２ｂの磁気吸引反発力により、前記上部ロータマグネット本体２２を設けた前記インペラ３を下方に下げる作用をなす。つまり、インペラ３の推力と反対方向の力をインペラ３に加えることにより、インペラ軸受の摩耗速度を低減することができる。これによって、前記インペラ３の軸受の寿命を長期化できる。

次に、製造工程及び作用などについて説明する。まず、前記下部ステータコア１１のステータポール１１ｂにコイル線ｍを巻着する。巻着する時点では絶縁性焼結体なる上部ステータコア１２はまだ取り付けないため、上側が開放されており、コイル線ｍの巻着が容易にできるという利点がある。また、コイル線ｍを巻着後、上部ステータコア１２を貼り付け、もしくは組み付ける。このようにすることで、製作時間（サイクルタイム）を短縮できる。本願発明では、例えばラジアル側とスラスト側の２面でＮ極（インペラ長筒）とＳ極（下部ステータコア）、Ｓ極（インペラ羽根支持円盤）とＮ極（上部ステータコア）が引かれ合い、ステータコア１の磁界を順番に入れ替えることによりインペラ３は回転していく。

次に、本願発明の第２実施形態について説明する。図６に示すように、前記ステータコア１においてコイル線ｍが巻かれる部分の下部ステータコア１１に対して、積層鋼板ｐを使用したものであり、他の構成は同一であり、その説明を省略する。つまり、本願発明の第２実施形態では、磁束の流れに対応した自由度の高い形状を要求される積層鋼板ｐの上側（インペラ側）には絶縁性焼結体なる上部ステータコア１２を設け、絶縁性焼結体と積層鋼板ｐの２段構造としたものが、第２実施形態である。この場合、絶縁性焼結体なる上部ステータコア１２が上側（インペラ側）に存在している構造にすることにより、磁気効率の良い自由度が高い形状とすることができる。

また、下部ステータコア１１のコイル線ｍが巻かれる部分には積層鋼板ｐを設けたことで、絶縁性焼結体のみでは高くしづらい磁気透磁率を格段と向上させることができる。さらに、第２実施形態のように、絶縁性焼結体と積層鋼板ｐという２段重ね構造とすることにより、磁気漏洩は多いが磁気透磁率が高い積層鋼板ｐ（下部ステータコア１１）と磁気漏洩は少ないが磁気透磁率が低い絶縁性焼結体（上部ステータコア１２）の互いの欠点を補い、磁気漏洩が少なく磁気透磁率が高いステータコア１にできる。

次に、本願発明の第３実施形態について説明する。第１及び２実施形態では、外周側にステータコア（電磁石）１、内周側にインナーロータマグネット（永久磁石）２を配したインペラ３を設けた構成であるが、本願発明の第３実施形態は、図７に示すように、外周側にアウターロータマグネット（永久磁石）５を配したインペラ３を設け、内周側にステータコア（電磁石）１を配置した構成である。この場合、前記ステータコア（電磁石）１は、合成樹脂の中にインサート状態に設けられているが、その構成は、第１実施形態〔（図１（Ａ）〕と内周と外周とが逆になるのみである。また、アウターロータマグネット５も筒状部と羽根支持円盤とはそれぞれ異なる磁極となるように構成されている。このような構成としても、本発明の効果を享受できる。

また、前述の第１〜３実施形態の構成において、前記インペラ３側の永久磁石としては合成樹脂の中に焼結磁石片を鋳込むのも良いし、合成樹脂と磁粉を混合して成形したプラスチックマグネットを使用しても良い。また、ステータコア１とインペラ３のインナーロータマグネット２又はアウターロータマグネット５の磁極数としては、本実施形態では、６極であるが、４極や８極でも良い。またステータコアとロータマグネットの極は同数に制限されない。特に、磁極数については設計的事項であるが、Ｎ極とＳ極は必ず対になって存在するため必ず偶数極となる。

本発明のポンプ用ＤＣモータは、該ポンプ用ＤＣモータと一体型となったウォーターポンプに利用できることは、勿論のこと、推力を減少させたことで寿命が伸び、他の推力が発生する工業製品に対しても利用可能性が極めて高いものである。

（Ａ）は本発明の第１実施形態の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ矢視の一部断面としての平面図である。 （Ａ）は本発明のステータコアの斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の一部拡大斜視図、（Ｃ）は（Ｂ）の断面図である。 （Ａ）は本発明の上部ステータコアの平面図、（Ｂ）は下部ステータコアの平面図である。 （Ａ）は本発明の上部ステータコアの斜視図、（Ｂ）は下部ステータコアの斜視図である。 本発明のインナーロータマグネットの中央を断面とした斜視図である。 本発明の第２実施形態の断面図である。 （Ａ）は本発明の第３実施形態の断面図、（Ｂ）は合成樹脂を除いた（Ａ）のＹ―Ｙ矢視の一部断面とした平面図である。

符号の説明

１…ステータコア、３…インペラ、１１…下部ステータコア、ｍ…コイル線、
１１ａ…下部ステータコア本体、１１ｂ…ステータポール、１２…上部ステータコア、
１２ａ…上部ステータコア本体、１２ｂ…頂部突起、２…インナーロータマグネット、
５…アウターロータマグネット。

Claims (3)

1. 電磁石としてのステータコアの内部に、インペラ下部のインナーロータマグネットを回転可能に設けたウォーターポンプなどのＤＣモータにおいて、前記ステータコアは、筒状の下部ステータコア本体の内周側より４以上の偶数で等間隔をもって配置されたコイル線を巻着したステータポールを有する下部ステータコアと、筒状の上部ステータコア本体の上端より内周側に前記ステータポール数に対応して形成された頂部突起を有する上部ステータコアとからなり、前記インナーロータマグネットは、上下に区分されつつ、前記ステータコアの磁極数に対応して磁石とされ、且つ上下の磁極が異なるように構成されると共に、前記ステータコアは絶縁性焼結体コアにて、且つ前記インナーロータマグネットはプラスチックマグネット又は埋め込み磁石にて構成され、前記頂部突起の磁極と上部ロータマグネット本体の磁極とが吸引・反発するように制御されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータ。
2. 請求項１において、前記ステータコアの下部ステータコアは積層鋼板とからなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータ。
3. 請求項１又は２において、前記ステータコアは内周に、前記インナーロータマグネットは前記ステータコアの外周に、アウターロータマグネットとしてそれぞれ設けてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータ。

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