JP2009201295A - アウタロータ型のクローポールモータ及びポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ステータ中心部での磁気飽和を抑制する。
【解決手段】環状コイル１５とステータコア１７を備えるステータ１０を内側に配置し、その外側にマグネット７を備えるロータ８を配置してアウタロータ型のクローポールモータを構成する。このモータのロータ８に羽根車１を連結して内部にポンプ室５を備えるポンプを構成する。ステータコア１７はマグネット７に対向する外周側に爪磁極９を備え、環状コイル１５の内側領域の全域にステータコア１７の中心コア部１７ａを設けることで、ステータ１０の中心部を、モータ軸を挿入する貫通孔を設けずに中実のブロック状とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステータコアの爪磁極を、ロータの内周面に対向する外周部に設けたアウタロータ型のクローポールモータ及びポンプに関する。

クローポールモータは、ロータが内側でその外側にステータを配置したインナロータ型が通常用いられているが、モータの回転トルクはロータの径に比例することから、ロータを内側に配置したインナロータ型構造では、同一出力を維持したままでのモータの小型化は困難であるため、爪磁極をステータコアの外周部に設けて、その外側にロータを配置したアウタロータ型が提案されている（下記特許文献１参照）。

特開２００６−３３３５４５号公報

ところで、上記した従来のアウタロータ型のクローポールモータでは、外側に配置したロータの回転軸（モータ軸）が、内側に配置したステータの中心の貫通孔に挿入されているが、この貫通孔がステータの中心部に設けられていることで、環状コイルの内側にあるステータコアの領域が減少することになって磁気飽和が発生しやすく、効率の低下を招くものとなる。

そこで本発明は、ステータ中心部での磁気飽和を抑制することを目的としている。

請求項１の発明は、軸方向に延在する爪磁極を外周部に有するステータコアと、このステータコアの外周側に前記爪磁極に対して内周面が対向するよう設けたロータと、前記ステータコア内部の環状空間に配置された環状コイルとをそれぞれ有するアウタロータ型のクローポールモータにおいて、前記ロータの軸方向端部に該ロータとともに回転する回転端部を設け、この回転端部の中心部にモータ中心軸を設けて前記環状コイルの内側領域の全域に前記ステータコアの一部を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のアウタロータ型のクローポールモータであって、前記ステータコアの少なくとも前記環状コイルの内側領域全域における前記ステータコアの一部を、磁性粉を圧縮して成形した圧粉体で構成したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載のアウタロータ型のクローポールモータであって、前記ステータコアの少なくとも前記環状コイルの内側領域全域における前記ステータコアの一部を、金属ガラスで構成したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載のアウタロータ型のクローポールモータであって、前記金属ガラスで構成したステータコアは、磁性粉を圧縮して成形した圧粉体で構成したものであることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３に記載のアウタロータ型のクローポールモータであって、前記金属ガラスで構成したステータコアは、磁性粉と樹脂バインダとを混合した混合材料をインジェクション成形したものであることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１に記載のアウタロータ型のクローポールモータであって、前記ステータコアの少なくとも前記環状コイルの内側領域全域における前記ステータコアの一部を、磁性粉と樹脂バインダとを混合した混合材料をインジェクション成形することで構成したことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアウタロータ型のクローポールモータを駆動源としたポンプであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、環状コイルの内側領域の全域が磁界の発生領域となるので、ステータ中心部での磁気飽和を抑制することができる。

請求項２〜４の発明によれば、渦電流損失を抑えることができる。

請求項５，６の発明によれば、渦電流損失を抑えることができるとともに、プレス成形に比較して製造コストを低く抑えることができる。

請求項７の発明によれば、ステータ中心部での磁気飽和を抑制したモータを使用することで、高効率のポンプとすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係わるアウタロータ型のクローポールモータを使用したポンプの斜視図、図２は図１のＰ−Ｐ断面図である。このポンプは、液体を吸排する羽根車１と、液体を吸排させる吸入口２及び吐出口３を有したポンプケース４と、羽根車１を回転自在に収容するポンプ室５を前記ポンプケース４と対をなして形成する分離板６と、羽根車１を回転駆動させるマグネット（永久磁石）７を有したロータ８と、ロータ８に回転駆動力を伝達する複数の爪磁極９を有したステータ１０と、ステータ１０で発生させた磁界を制御する制御基板１１と、をそれぞれ備えたクローポール型モータを駆動源としている。

そして、このポンプは、分離板６の内筒部６ａを間に挟んで外側にロータ８を配置し且つ内側にステータ１０を配置した、いわゆるアウタロータ型構造のクローポールモータを駆動源としたポンプ構造となっている。ロータ８のさらに外側には、分離板６の内筒部６ａの先端から折り返すようにして形成してある外筒部６ｂを配置し、外筒部６ｂの先端をポンプケース４の外周側端部４ａに、図示しないシール部材を介して連結固定する。

ここでステータ１０は、そのステータコア１７が、円筒体をなすロータ８の内側のマグネット７の内周面７ａに対し、分離板６の内筒部６ａを間に挟んで対向配置されている。このステータコア１７は、軸方向に延在する複数個の爪部である爪磁極（クローポール）９を外周部に有した鉄心で構成され、このステータコア１７の内部にて、モータ中心部の周囲を囲むように絶縁板１４を介して巻き付けた環状コイル（巻線）１５を配置した構成としている。

そして、上記したステータコア１７のモータ中心部側に相当する環状コイル１５の内側領域の全域及び、この内側領域に対して軸方向両側の領域に、前記ステータコア１７の一部である中心コア部１７ａを設けてステータコア１７の中心部を中実のブロック状に形成している。

図３は、上記したようなステータコア１７の分解斜視図である。図３に示すように、ステータコア１７は、互いにほぼ同形状の第１コア１００と第２コア２００とをそれぞれ備えている。

これら各コア１００，２００は、円板形状の底板１００ａ，２００ａを有し、この底板１００ａ，２００ａの周縁から軸方向に突出して立ち上がる爪磁極１００ｂ，２００ｂ（前記爪磁極９に相当）を、円周方向等間隔にそれぞれ３個備えるとともに、底板１００ａ，２００ａの中心部に爪磁極１００ｂ，２００ｂと同方向に突出する、前記ステータコア１７の中心コア部１７ａを構成する円柱形状のボス部１００ｃ，２００ｃを備えている。なお、ボス部１００ｃ，２００ｃの突出長さは、爪磁極１００ｂ，２００ｂの突出長さのほぼ半分程度である。

上記した第１コア１００と第２コア２００とを組み付けて、図２のようにステータコア１７として一体化させる際には、第１コア１００の爪磁極１００ｂを第２コア２００の爪磁極２００ｂ相互間に挿入配置するとともに、第２コア２００の爪磁極２００ｂを第１コア１００の爪磁極１００ｂ相互間に挿入配置する。この際、各コア１００，２００のボス部１００ｃ，２００ｃの先端面相互が接触した状態となる。

なお、図３では、各コア１００，２００にボス部１００ｃ，２００ｃをそれぞれ設けているが、一方の例えば第１コア１００にのみボス部を設けて該ボス部を上記のボス部１００ｃより長く突出させて他方の第２コア２００の底板２００ａに接触させるようにしてもよい。

一方ロータ８は、ロータ８とともに回転する回転端部となる羽根車１の外周端部に一体的に設けられた円筒体として形成され、該円筒体外周側の円筒状のロータヨーク１９の内壁に磁気回路（磁束）を構成する円筒状のマグネット７を設けている。マグネット７と分離板６の内筒部６ａとの間には、ロータ８の回転時に接触しない程度の隙間（クリアランス）が確保されている。

なお、ステータ１０と分離板６の内筒部６ａを面接触状態で接触させてもよい。そして、ステータ１０及び分離板６全体を、例えば不飽和ポリエステルなどからなるモールド樹脂２０でその全体が被覆している。

このように構成したクローポール型のステータ１０では、環状コイル１５に通電することで発生した磁界を、爪磁極９からロータ８へと効率よく伝達することができる。

上記した羽根車１は、ポンプ室５に設けられたモータ中心軸としての固定軸１２に対し軸受け部１３を介して回転自在に支承されている。すなわち、ロータ８の軸方向端部に該ロータ８とともに回転する回転端部である羽根車１を設け、この羽根車１の中心部にモータ中心軸である固定軸１２を設けていることになる。

この固定軸１２の吸入口２と反対側の端部は、分離板６の端板部６ｃに連結固定している。この端板部６ｃの外周端部は前記した内筒部６ａの基端側に連続しており、ステータ１０は、これら内筒部６ａと端板部６ｃに囲まれた領域に配置されることになる。

羽根車１は、固定軸１２を中心に回転することにより、吸入口２からポンプ室５内へと吸い込んだ液体に遠心力を与えて吐出口３からポンプ外へと排出する。この羽根車１で吸排される液体は、例えば８０℃程度の温水とされる。なお、軸受け部１３の吸入口２側の端部には、受板２１が設けられている。

ポンプ室５は、図１に示すようにポンプケース４の中央に開口された吸入口２と、ポンプケース４の側壁にてその外周部の接線方向に延びる吐出管２２の先端に設けた吐出口３とを有したポンプケース４に、ロータ８とステータ１０を水密状態に分離（ポンプ部とモータ部を分離）する分離板６が結合されることにより形成している。

制御板１１は、ステータ１０の背面に設けられており、図示を省略した位置検出部からの信号を受けて環状コイル１５で発生した磁界を制御する。そして、この制御板１１は、前記したステータ１０及び分離板６と共にモールド樹脂２０で被覆されている。

このように構成したポンプにおいては、環状コイル１５への通電により発生する磁界が爪磁極９からマグネット７へと伝達されることにより該マグネット７が吸引反発することで、ロータ８と一体的に設けられた羽根車１が、固定軸１２を中心として回転する。そして、この羽根車１の回転に伴いポンプ作用が発生し、液体が吸入口２よりポンプ室５内へと吸込まれ、このポンプ室５内で加圧されて周囲方向へ圧送された液体は吐出口３からポンプ外へと吐出される。

ここで本実施形態におけるポンプに使用しているクローポールモータは、ステータ１０を内側に配置する一方、ロータ８をその外側に配置するアウタロータ型とすることで、ロータを内側に配置する構造のインナロータ型に比較して、ロータ径が大きくなるので、同一出力を維持したままでのモータの小型化を達成している。

この際本実施形態では、ステータ１０における環状コイル１５の内側領域の全域及び、この内側領域に対して軸方向両側の領域に、ステータコア１７の中心コア部１７ａを設けてあり、従来のようなに環状コイル１５の内側領域にモータ軸を挿入する貫通孔を設けていない。これにより、環状コイル１５の内側のステータ鉄心であるステータコア１７の領域の減少を抑えることになり、磁界が通過しやすくなって磁気飽和が発生しにくくなり、効率低下を抑制することができる。

図４（ａ）は、本発明によるアウタロータ型のクローポールモータ部分を簡略化して示した、前記図２に相当する断面図で、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。一方図５（ａ）は、従来例によるアウタロータ型のクローポールモータ部分を簡略化して示した、前記図２に相当する断面図で、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

なお、図４，図５中で、１Ａ，１Ｂが回転端部である端板、１２Ａ，１２Ｂがモータ中心軸、７Ａ，７Ｂがマグネット、８Ａ，８Ｂがロータ，１９Ａ，１９Ｂがロータヨーク、１０Ａ，１０Ｂがステータ、１５Ａ，１５Ｂが環状コイル，１７Ａ，１７Ｂがステータコア，９Ａ，９Ｂが爪磁極である。

本発明に対応する図４では、モータ外径を同等とした場合に、ステータコア１７Ａにおける環状コイル１５Ａの内側領域（図２での中心コア部１７ａに相当）の断面積が、従来例に対応する図５のステータコア１７Ｂにおける環状コイル１５Ｂの内側領域に固定軸１２が挿入される貫通孔２３を有する構造の同断面積に対して大きく、したがって、本発明の構成では、環状コイル１５Ａの内側領域のステータコア１７Ａにおいて磁界が通過しやすくなって磁気飽和が発生しにくくなる。

なお、上記実施形態では、ステータ１０及び分離板６をモールド樹脂２０で被覆しているが、ステータ１０のみを被覆してもよく、また、モールド樹脂２０自体を設けなくても構わない。

本発明における第２実施形態として、ステータコア１７を圧粉体としての圧粉鉄心で構成する。その他の構造は、第１実施形態で説明したものと同一である。第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、共通部分に関してはその説明を省略する。

第２実施形態では、図示しない金型のキャビティ内に磁性粉を充填し圧縮することにより成形した圧粉鉄心からなるステータコア１７を使用する。圧粉鉄心は、鉄粉個々の表面を無機絶縁皮膜でコーティングし、粒子間を樹脂でバインドした構造であり、高周波での鉄損失が低く（渦電流損失が低く）、また飽和磁束密度が大きくしかも耐熱性に優れるという利点を備えている。

このように、第２実施形態では、ステータコア１７，１７Ａを圧粉鉄心で構成しているので、渦電流損失を抑えることができるほか、これまでステータコアに使用されて来た電磁鋼板やフェライトでは満足出来ない数百ｋＨｚの高周波数域で使用することができる。

なお、上記した第２実施形態において、ステータコア１７全体を圧粉鉄心で構成してもよいが、少なくとも環状コイル１５の内側領域の中心コア部１７ａのみを圧粉鉄心で構成してもよく、これによっても渦電流損失を抑えることができる。

本発明における第３実施形態として、ステータコア１７を金属ガラスで構成する。その他の構造は、第１実施形態で説明したものと同一である。第３実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、共通部分に関してはその説明を省略する。

金属ガラスは、前記した圧粉鉄心と同様に高周波での鉄損失が低く（渦電流損失が低く）、また飽和磁束密度が大きくしかも耐熱性に優れるという利点を備えている。このため第３実施形態では、第２実施形態と同様に、渦電流損失を抑えることができるとともに、高周波数域で使用できるアウタロータ型のクローポールモータとすることができる。

なお、上記した第３実施形態においても、ステータコア１７全体を金属ガラスで構成してもよいが、少なくとも環状コイル１５の内側領域の中心コア部１７ａのみを金属ガラスで構成してもよく、これによっても渦電流損失を抑えることができる。

このような金属ガラスは、磁性粉を圧縮して成形した圧粉体で構成することもできる。

本発明における第４実施形態として、ステータコア１７を、表面を無機絶縁皮膜でコーティングした鉄粉と樹脂バインダとを混ぜ合わせた混合材料である磁性材料を、インジェクション成形によって製造する。その他の構造は、第１実施形態で説明したものと同一である。第４実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、共通部分に関してはその説明を省略する。

樹脂バインダとしては、例えばナイロン（ポロアミド樹脂）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）などの熱可塑性樹脂を使用する。その際鉄粉と樹脂バインダとの配合比率は、例えば鉄粉が８０〜９０％重量比とする。

上記した第４実施形態のようにインジェクション成形によってステータコア１７を製造することで、前記第２実施形態のような圧粉鉄心を製造する場合に比較して、金型寿命が長いなど金型コストを低く抑えることができる上、製品形状の自由度も高いので、要求される性能に対して対応しやすくなる。

また、上記した第４実施形態においても、ステータコア１７全体をインジェクション成形してもよいが、少なくとも環状コイル１５の内側領域の中心コア部１７ａのみをインジェクション成形してもよく、これによっても渦電流損失を抑えることができる。

また、前記第３実施形態における金属ガラスについても、樹脂バインドを適宜混合してインジェクション成形により製造してもよい。

そして、このようなアウタロータ型のクローポールモータを駆動源としてポンプを構成することで、小型で高効率なポンプを得ることができる。

本発明の第１実施形態を示すクローポールモータを使用するポンプの斜視図である。 図１のＰ−Ｐ断面図である。 本発明によるクローポールモータのステータコアの分解斜視図である。 （ａ）は、本発明によるクローポールモータ部分を簡略化して示した、図２に相当する断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は、従来例によるクローポールモータ部分を簡略化して示した、図２に相当する断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１ 羽根車（回転端部）
１Ａ 端板（回転端部）
７ａ マグネットの内周面（ロータの内周面）
８，８Ａ ロータ
９，１００ｂ，２００ｂ 爪磁極（爪部）
１２ 固定軸（モータ中心軸）
１２Ａ モータ中心軸
１５，１５Ａ 環状コイル
１７，１７Ａ ステータコア
１７ａ ステータコアの中心コア部（ステータコアの一部）
１００ｃ，２００ｃ ボス部（ステータコアの一部）

Claims (7)

1. 軸方向に延在する爪磁極を外周部に有するステータコアと、このステータコアの外周側に前記爪磁極に対して内周面が対向するよう設けたロータと、前記ステータコア内部の環状空間に配置された環状コイルとをそれぞれ有するアウタロータ型のクローポールモータにおいて、前記ロータの軸方向端部に該ロータとともに回転する回転端部を設け、この回転端部の中心部にモータ中心軸を設けて前記環状コイルの内側領域の全域に前記ステータコアの一部を設けたことを特徴とするアウタロータ型のクローポールモータ。
2. 前記ステータコアの少なくとも前記環状コイルの内側領域全域における前記ステータコアの一部を、磁性粉を圧縮して成形した圧粉体で構成したことを特徴とする請求項１に記載のアウタロータ型のクローポールモータ。
3. 前記ステータコアの少なくとも前記環状コイルの内側領域全域における前記ステータコアの一部を、金属ガラスで構成したことを特徴とする請求項１に記載のアウタロータ型のクローポールモータ。
4. 前記金属ガラスで構成したステータコアは、磁性粉を圧縮して成形した圧粉体で構成したものであることを特徴とする請求項３に記載のアウタロータ型のクローポールモータ。
5. 前記金属ガラスで構成したステータコアは、磁性粉と樹脂バインダとを混合した混合材料をインジェクション成形することで構成したものであることを特徴とする請求項３に記載のアウタロータ型のクローポールモータ。
6. 前記ステータコアの少なくとも前記環状コイルの内側領域全域における前記ステータコアの一部を、磁性粉と樹脂バインダとを混合した混合材料をインジェクション成形することで構成したことを特徴とする請求項１に記載のアウタロータ型のクローポールモータ。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアウタロータ型のクローポールモータを駆動源としたことを特徴とするポンプ。

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