JP2009201298A - クローポール型モータ及びポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】クローポール型モータにおいて、トルク値及びモータ効率を向上させる。
【解決手段】ステータ５、２５のマグネット４２、６２に対向する側の面を、爪磁極５３、７３の個数で等間隔に区画した１区画の面積に対し、この１区画に配置される爪磁極５３、７３のマグネット４２、６２に対向する面の実面積が、０．２７〜０．７６の面積比と成るように設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、クローポール型モータ及び当該モータを駆動源としたポンプに関する。

従来より、例えば、液体を吸排するポンプなどでは、羽根車を回転駆動させるモータとしてクローポール型モータが利用されている。このクローポール型モータは、固定子として機能するステータにその特徴部分である複数の爪状の磁極（爪磁極）を有した構造であり、この爪磁極の各磁極に対峙する複数のマグネットを有したロータが、当該ステータに対向配置されている。そして、この爪磁極を、ステータ内部に収容された環状コイルを介して通電させることで磁界を発生させ、この磁界を爪磁極からロータへと伝達することにより、当該ロータを介して羽根車を回転駆動させるものである。

このようなクローポール型モータは、構造が比較的単純であることから生産性が良く、しかも製造コストも低く抑えることができるという利点を有している。しかしながら、その一方では、クローポール型モータは、主に位置制御が的確に行われることだけを重視して構成されているため、強力な磁気回路（つまり、高トルクのモータ）は望むことができないという問題があった。

クローポール型モータは、その構造のシンプルさから、今やポンプや家庭用のシャワーなど用途が次第に拡大されつつある。用途が広がるにつれ、的確な位置制御は然ることながらトルクが求められるケースも増加してきており、そのため、このような構造では、モータのトルク値を向上させる必要があった。

例えば、特許文献１には、クローポール型モータのトルク値を向上させるために、ロータに設けられた永久磁石（マグネット）とステータの爪磁極とのギャップ（距離）に着目し、このギャップを周方向に等間隔で配置されたマグネットピッチの１／６から１／４に設定することで、トルク値を向上させた構造が開示されている。
特開２００５−２０８８４

しかしながら、このような構造では、周波数の高い高回転域でのトルク値は向上されるものの、低回転域でのトルク値は低下する。したがって、モータの全回転域での効率（すなわち、モータ全体の効率）を考えた場合には、その効率が向上されているとは言えなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、クローポール型モータにおいて、トルク値及びモータ効率を向上させることである。

かかる課題を解決するために、本発明は、周方向に沿ってマグネットを有した回転可能なロータと、前記ロータのマグネットと対向する側に、周方向に沿って等間隔で且つその磁極が交互となるように配置された爪磁極を有するステータと、を備えたクローポール型モータであって、前記ステータの前記マグネットに対向する側の面を、前記爪磁極の個数で等間隔に区画した１区画の面積に対し、前記１区画に配置される前記爪磁極の前記マグネットに対向する面の実面積が、０．２７〜０．７６の面積比であることを特徴とする。

本発明によれば、ステータのマグネットに対向する側の面を、爪磁極の個数で等間隔に区画した１区画の面積に対し、前記１区画に配置される爪磁極のマグネットに対向する面の実面積の面積比を０．２７〜０．７６となるように設定したので、モータのトルク値並びにモータ効率を向上させることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１及び図２は、本実施形態のポンプ１を示した図であり、図１は斜視図、図２は、図１中のＡ−Ａ断面図を示している。本実施形態のポンプ１は、例えば、給湯器や家庭用のシャワーなどで利用されるものであり、液体を吸排する羽根車３と、液体を吸排させる吸入口１２及び吐出口１３を有したポンプケース６と、羽根車３を回転自在に収容させるポンプ室９を前記ポンプケース６と対をなして形成する分離板２と、ポンプ１の駆動源となるクローポール型モータと、を備えている。このクローポール型モータは、羽根車３を回転駆動させるマグネット４２を有したロータ４と、ロータ４に回転駆動力を伝達する爪磁極５３を有したステータ５と、ステータ５で発生させた磁界を制御する制御基板７と、を備えている。

そして、本実施形態のポンプ１に用いられるクローポール型モータは、分離板２を挟んで内側にロータ４を配置し且つ外側にステータ５を配置した、いわゆるインナー型ロータ構造のモータ構成となっている。

ポンプ室９は、天面中央に開口された吸入口１２と側壁に設けられた吐出口１３とを有したポンプケース６に、ロータ４とステータ５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２が結合されることにより形成されている。なお、ポンプケース６と分離板２の結合部分には、ポンプ部とモータ部を水密状態に仕切るためにシール部材８を介在させている。また、ポンプ１は、ポンプケース６を除いた部位全体がモールド樹脂１０で覆われている。このため、制御基板７を含めたモータ部全体をこのモールド樹脂１０で保護することができると共に強度も高めることができる。

ロータ４は、羽根車３に一体的に設けられた円筒形状のロータ本体４１と、ロータ本体４１の外壁（外周側）に設けられた複数のマグネット４２とで構成されている。マグネット４２は、周方向に沿って等間隔でＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置されている。ロータ本体４１は、ポンプケース６に設けられた軸支え部４３と、分離板２に設けられた軸支え部４４とに挿入嵌合させた固定軸４５に対して、軸受け部４６を介して回転自在に支持されている。固定軸４５は、その両端側に取り付けられた一対の回り止め板４７により回転不可能とされている。なお、マグネット４２と分離板２との間には、ロータ４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。

羽根車３は、ロータ４と一体化されていることから固定軸４５を中心に回転し、吸入口１２からポンプ室９内へと吸い込んだ液体に遠心力を与えて吐出口１３からポンプ１外へと排出する。

ステータ５は、ロータ４の外周側に対向して配置された環状の鉄心５１の内部に図示せぬ絶縁板を介して環状コイル５２を配置させた構成とされている。ステータ５は、電流を流すことにより環状コイル５２で発生した磁界を、鉄心５１が備える複数の爪磁極５３からロータ４へと伝達する。

制御基板７は、分離板２の背面に設けられており、ロータ５の回転位置を検出するセンサ（位置検出部１１）からの信号を受けて、環状コイル５２に流す電流を制御する。これにより、制御基板６は、ロータ４の回転位置に応じて、環状コイル５２で発生した磁界を制御する。

このように構成されたポンプ１は、環状コイル５２において発生する磁界が爪磁極５３からマグネット４２へと伝達されることにより、このマグネット４２が吸引反発することで、ロータ４と一体的に設けられた羽根車３が、固定軸４５を中心として回転する。そして、この羽根車３の回転にともないポンプ作用が発生し、液体が吸入口１２よりポンプ室７内へと吸い込まれ、羽根車３により遠心力を加えられて吐出孔１３からポンプ１外へと吐出される。

次に、本実施形態の特徴部分であるステータ５の構造について、図３〜図５に基づいて詳しく説明する。

上述したように、ステータ５は、環状の鉄心５１とこの鉄心５１の内部に収容される環状コイル５２とで構成される。そして、本実施形態の鉄心５１は、環状コイル５２を収容するために、互いに分離可能な一対の上部鉄心５１ａと下部鉄心５１ｂとで構成されている。

具体的には、図３に示すように、これら上部鉄心５１ａ及び下部鉄心５１ｂは、略面が略コの字形状を成していて、環状コイル５２の外周側を覆う側壁部５５ａ、５５ｂと、環状コイル５２をステータ５の軸方向から挟み込む一対の底面部５４ａ、５４ｂと、この底面部５４ａ、５４ｂの内縁からそれぞれ屈曲して軸方向に延在する爪磁極５３ａ、５３ｂと、で構成されている。本実施形態では、いわゆるインナー型ロータ構造のモータ構成となっているため、爪磁極５３ａ、５３ｂは底面部５４ａ、５４ｂの内縁から屈曲して形成され、ロータ４のマグネット４２に対向配置される。

このような形状の上部鉄心５１ａ及び下部鉄心５１ｂを、周方向にかけてそれぞれの爪磁極５３ａ、５３ｂが互いに重ならないようにオフセットして、側壁部５５ａ、５５ｂを結合させることで一対の底面部５４ａ、５４ｂ間にスペースが生じ、このスペースに環状コイル５２が収容される。また、この時、爪磁極５３ａ、５３ｂは、周方向に沿って等間隔で複数（本実施形態では、８つ）設けられると共に、上部鉄心５１ａを構成する上側の爪磁極５３ａと下部鉄心５１ｂを構成する下側の爪磁極５３ｂとが交互に配置される。上側の爪磁極５３ａと下側の爪磁極５３ｂとを交互に設けることで、ロータ４のマグネット４２に対向するＳ極とＮ極を構成している。

また、各爪磁極５３ａ、５３ｂの先端に対応する位置の底面部５４ａ、５４ｂには、鉄心５１の材料コストを低減させる目的から切欠部５６が形成されている。この切欠部５６は、ロータ４を回転駆動させる時に発生する磁路を基準として、磁路を除いた非磁路領域に部材を切り欠いて形成されている。

なお、鉄心５１は、例えば、絶縁皮膜された鉄粉をバインダとともに圧縮成形した圧粉鉄心で構成されている。具体的には、鉄粉にリン酸皮膜処理などの絶縁処理を施すとともに、金型にエポキシなど熱硬化性樹脂を塗布する。そして、金型に粉体を充填して、圧縮した後に、取り出すことにより成形される。

ここで、図３に示すように、本実施形態の爪磁極５３は、隣り合う爪磁極５３ａ、５３ｂ間で周方向に沿って適宜隙間Ｓを介在させている。爪磁極５３は通常、その面積が大きければ大きい程ロータ４のマグネット４２との対向面積が拡大するため、マグネット４２からの磁束（磁力線の量）を増加させることができ、モータ効率が向上する。しかしながら、隣り合う爪磁極５３ａ、５３ｂ間の間隔がせまくなると、磁束が正規の磁路を流れない、いわゆる漏れ磁束が増加してしまうという問題がある。

例えば、ロータ４のマグネット（Ｎ極）４２から出た磁束は、それと位置的に対向する爪磁極（例えば、上側の爪磁極）５３ａに入り、この爪磁極５３ａから環状コイル５２を鎖交して隣接する下側の爪磁極５３ｂに入り、この爪磁極５３ｂからそれに対向するロータ４のマグネット（Ｓ極）４２へと入り、当初のマグネット（Ｎ極）４２へと戻る磁路を形成する。漏れ磁束とは上記過程において、上側の爪磁極５３ａへと進入した磁束が、環状コイルを鎖交せずに、そのまま隣接する下側の爪磁極５３ｂへとショートカットしてしまう磁路のことで、マグネット４２の起磁力を使用する割合を低下させてしまうため、モータ効率が低下してしまう。

したがって、最適な爪磁極５３ａ、５３ｂ間の間隔Ｓを見い出すべく、本出願人は、ロータ４に対向される爪磁極５３の面積比を変えて、隙間Ｓの割合を変化させる実験を行った。図４は、上記実験の説明図であり、図５は、実験結果を示したグラフである。

すなわち、図４は、図３に示した爪磁極５３をステータ５の内周側（つまり、ロータ４側）から周方向に沿って見た概略図である。図４に斜線Ｂで示す面積は、ステータ５のマグネット４２に対向される側の面を爪磁極５３の個数で等間隔に区画した１区画の面積（つまり、本実施形態ではステータ５の内周面積の１／８）であり、斜線Ａで示す面積は、この１区画に配置される爪磁極５３のマグネット４２に対向する面の実面積を示している。この時、斜線Ｂが隣り合う爪磁極５３ａ、５３ｂ間の中間部を示すように、爪磁極５３は周方向に沿って等間隔で配置されるため、各爪磁極５３ａ、５３ｂ間の隙間Ｓの間隔（割合）も周方向に沿ってすべて等しくなると共に、爪磁極５３の面積も等しくなる。換言すれば、爪磁極５３の実面積／１区画面積の割合は、爪磁極５３の総面積／ステータ５の内周面積に相当する。なお、ステータ５の内周面積は、爪磁極５３ａ、５３ｂの面積と、隙間Ｓの仮想的な内周面の面積とを合わせたものである。

その結果、図５に示すように、実面積／１区画面積の割合が０．２７〜０．７６の範囲内で、６５％以上の定格効率（つまり、定格点においてモータに入力された電力に対してロータが出力するエネルギー〔回転数×トルク〕の割合）が得られることが判明した。また、実面積／１区画面積の割合が０．３５〜０．７２の範囲内で７０％以上の定格効率が得られ、０．４８〜０．６０の範囲内で７５％以上の定格効率が得られる。

したがって、１区画面積に対し、この１区画に配置される爪磁極５３の実面積の面積比を０．２７〜０．７６の範囲内となるように構成することで、モータのトルク値並びにモータ効率を向上させることができると言える。また、この実験結果に基づいて、同じトルク値が得られる範囲内でも爪磁極５３の割合が低い方を選択することで、爪磁極５３の材料コストを低減させることができる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態にかかるポンプ１００を示した断面図である。本実施形態のポンプ１００は、液体を吸排する羽根車２３と、液体を吸排させる吸入口３２及び吐出口（図示を省略する）を有したポンプケース２６と、羽根車２３を回転自在に収容させるポンプ室２９を前記ポンプケース２６と対をなして形成する分離板２２と、ポンプ１００の駆動源となるクローポール型モータと、を備えている。このクローポール型モータは、羽根車２３を回転駆動させるマグネット６２を有したロータ２４と、ロータ２４に回転駆動力を伝達する爪磁極７３を有したステータ２５と、ステータ２５で発生させた磁界を制御する制御基板２７と、を備えている。

そして、本実施形態のポンプ１００に用いられるクローポール型モータは、分離板２２を挟んで外側にロータ２４を配置し且つ内側にステータ２５を配置した、いわゆるアウター型ロータ構造のモータ構成となっている。

ポンプ室２９は、天面中央に開口された吸入口３２と側壁に設けられた吐出口（図示せぬ）とを有したポンプケース２６に、ロータ２４とステータ２５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２２が結合されることにより形成されている。なお、ポンプケース２６と分離板２２の結合部分には、ポンプ部とモータ部を水密状態に仕切るために図示を省略するシール部材を介在させている。また、ポンプ１００は、ポンプケース２６を除いた部位全体がモールド樹脂３０で覆われている。このため、制御基板２７を含めたモータ部全体をこのモールド樹脂３０で保護することができると共に強度も高めることができる。

羽根車２３は、ポンプ室２９に設けられた固定軸６５に対し軸受け部６６を介して回転自在に支承されている。かかる羽根車２３は、固定軸６５を中心に回転することにより、吸入口３２からポンプ室２９内へと吸い込んだ液体に遠心力を与えて図示せぬ吐出口からポンプ１００外へと排出する。なお、軸受け部６６の上部には、受板６７が設けられている。

ロータ２４は、羽根車２３に一体的に設けられた円筒形状のロータ本体６１と、ロータ本体６１の内壁（内周側）に設けられた複数のマグネットと６２で構成されている。マグネット６２は、周方向に沿って等間隔で、Ｎ極とＳ極とが交互に並ぶように配置されている。マグネット６２と分離板２２との間には、ロータ２４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。

ステータ２５は、ロータ２４の内周側に対向して配置された環状の鉄心７１の内部に絶縁板７７を介して環状コイル７２を配置させた構成とされている。ステータ２５は、電流を流すことにより環状コイル７２で発生した磁界を、鉄心７１が備える複数の爪磁極７３からロータ２４へと伝達する。

制御基板２７は、分離板２２の背面に設けられており、ロータ２４の回転位置を検出するセンサ（図示を省略する）からの信号を受けて、環状コイル７２に流す電流を制御する。これにより、制御基板２７は、ロータ２４の回転位置に応じて、環状コイル７２で発生した磁界を制御する。

このように構成されたポンプ１００は、環状コイル７２において発生する磁界が爪磁極７３からマグネット６２へと伝達されることにより、このマグネット６２が吸引反発することで、ロータ２４と一体的に設けられた羽根車２３が、固定軸６５を中心として回転する。そして、この羽根車２３の回転にともないポンプ作用が発生し、液体が吸入口３２よりポンプ室２９内へと吸い込まれ、羽根車２３により遠心力を加えられて、図示せぬ吐出口からポンプ１００外へと吐出される。

次に、本実施形態の特徴部分であるステータ２５の構造について、図７に基づいて説明する。

本実施形態のステータ２５も上記第１実施形態のステータ５と同様に、鉄心７１とこの鉄心７１の内部に収容される環状コイル７２とで構成され、鉄心７１が環状コイル７２を収容するために、互いに分離可能な一対の上部鉄心７１ａと下部鉄心７１ｂとで構成されている。

具体的には、これら上部鉄心７１ａ及び下部鉄心７１ｂは、環状コイル５２をステータ２５の軸方向から挟み込む一対の底面部７４ａ、７４ｂと、この底面部７４ａ、７４ｂの外縁からそれぞれ屈曲して軸方向に延在する爪磁極７３ａ、７３ｂと、底面部７４ａ、７４ｂの内方から突出形成される内壁部７５ａ、７５ｂ（図６参照）と、で構成されている。本実施形態では、いわゆるアウター型ロータ構造のモータ構成となっているため、爪磁極７３ａ、７３ｂは底面部７４ａ、７４ｂの外縁から屈曲して形成され、ロータ２４のマグネット６２に対向配置される。

このような形状の上部鉄心７１ａ及び下部鉄心７１ｂを、周方向にかけてそれぞれの爪磁極７３ａ、７３ｂが互いに重ならないようにオフセットして、内壁部７５ａ、７５ｂどうしを嵌合させることで、内壁部７５ａ、７５ｂと爪磁極７４ａ、７４ｂとの間にスペースが生じ、このスペースに環状コイル７２が収容される。また、この時、爪磁極７３ａ、７３ｂは、周方向に沿って等間隔で複数（本実施形態では、６つ）設けられると共に、上部鉄心７１ａを構成する上側の爪磁極７３ａと下部鉄心７１ｂを構成する下側の爪磁極７３ｂとが交互に配置される。上側の爪磁極７３ａと下側の爪磁極７３ｂとを交互に設けることで、ロータ２４のマグネット６２に対向するＳ極とＮ極を構成している。

ここで、本実施形態では、ステータ２５のマグネット６２に対向される面は外周面であり且つ爪磁極７３の数は６つであるため、外周面積の１／６の１区画面積に対して、この１区画に配置される爪磁極７３のマグネット６２に対向する面の実面積の割合を０．２７〜０．７６の範囲内となるように設定している。したがって、上記第１実施形態と同様に、モータのトルク値並びにモータ効率を向上させることができる。

なお、上述した各実施形態では、鉄心５１、７１を圧粉鉄心で構成する形態を例示したが本発明はこれに限定されない。例えば、鉄心５１、７１は、金属ガラスで構成してもよいし、絶縁皮膜された鉄粉とバインダとを混ぜ合わせた磁性材料をインジェクション成型にて作成してもよい。このケースでは、表面にリン酸皮膜処理などの絶縁処理を行った鉄粉とナイロンなどの熱可塑性樹脂を混ぜ合わせた磁性材料を用いることができる。なお、鉄心５１、７１を圧粉鉄心で構成した場合には、電磁軟鉄材を用いる場合と比較して損失を小さくすることができ、同体積でより高出力のモータを構成することができるという利点がある。また、インジェクション成形の場合には、圧粉鉄心を用いた場合と比較して製造コストを低減することができるという利点がある。また、鉄心５１、７１を金属ガラスで構成した場合には、圧粉鉄心を用いた場合と比較して製造コストを低減することができると共に、渦電流損も低く抑えることができるという利点がある。

なお、上述した各実施形態では、爪磁極のマグネットに対向する面の形状は、あくまで基準となる四角形の場合を例に挙げて説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、漏れ磁束を低減するために、爪磁極の側端部を切り欠いて丸みを帯ばせたり、爪磁極の先端部の形状を波状と成るように形成することが考えられるが、爪磁極の実面積／１区画面積の割合が０．２７〜０．７６の範囲内で上記事項を適用することで、より高いモータ効率を得ることができる。

本発明の第１実施形態にかかるポンプの斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１実施形態にかかるステータの斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかる爪磁極の概略図である。 本発明における爪磁極の実験結果（実面積／１区画面積）を示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかるポンプの断面図である。 本発明の第２実施形態にかかるステータの斜視図である。

符号の説明

４，２４ ロータ
５，２５ ステータ
４２，６２ マグネット
５３，７３ 爪磁極

Claims (10)

1. 周方向に沿ってマグネットを有した回転可能なロータと、
   前記ロータのマグネットと対向する側に、周方向に沿って等間隔で且つその磁極が交互となるように配置された爪磁極を有するステータと、
   を備えたクローポール型モータであって、
   前記ステータの前記マグネットに対向する側の面を、前記爪磁極の個数で等間隔に区画した１区画の面積に対し、前記１区画に配置される前記爪磁極の前記マグネットに対向する面の実面積が、０．２７〜０．７６の面積比であることを特徴とするクローポール型モータ。
2. 前記１区画の面積に対する爪磁極の実面積の面積比を０．３５〜０．７２としたことを特徴とする請求項１記載のクローポール型モータ。
3. 前記１区画の面積に対する爪磁極の実面積の面積比を０．４８〜０．６０としたことを特徴とする請求項１記載のクローポール型モータ。
4. 前記爪磁極は、前記ロータに対向される環状の鉄心に設けられていることを特徴とする請求項１〜３何れか１項に記載のクローポール型モータ。
5. 前記鉄心は、絶縁皮膜された鉄粉をバインダとともに圧縮成形した圧粉鉄心で構成されていることを特徴とする請求項４記載のクローポール型モータ。
6. 前記鉄心は、金属ガラスで構成されていることを特徴とする請求項４記載のクローポール型モータ。
7. 前記鉄心は、絶縁皮膜された鉄粉とバインダとを混ぜ合わせた磁性材料をインジェクション成型にて作成されることを特徴とする請求項４記載のクローポール型モータ。
8. 前記クローポール型モータは、内側にロータを配置し且つ外側にステータを配置したインナー型ロータ構造であることを特徴とする請求項１〜７何れか１項に記載のクローポール型モータ。
9. 前記クローポール型モータは、外側にロータを配置し且つ内側にステータを配置したアウター型ロータ構造であることを特徴とする請求項１〜７何れか１項に記載のクローポール型モータ。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の前記クローポール型モータを駆動源とするポンプ。

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