JP2010074990A - ポンプ用ｄｃモータの放熱構造 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、ステータコアの放熱性を良好にすると共に、該ステータコアは外部環境から保護できるようにし、さらには、構成を簡単にすること。
【構成】電磁石としてのステータコア１と、インペラ４下部のインナーロータマグネット２とハウジング３と、前記ステータコア１の一部を覆うケーシング５とからなること。ステータコア１は絶縁性焼結体若しくは絶縁体で覆われた焼結体製とし、筒状のステータコア１外周部の内周側より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１２を有する。前記ステータコア１外周部の外周に放熱フィン１３を複数設けたこと。ステータコア１は、ハウジング３とケーシング５間に水密的に介在されると共に、ステータコア１の放熱フィン１３は外部に露出されてなること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステータコアの放熱性を良好にすると共に、該ステータコアは外部環境から保護できるようにし、さらには、構成を簡単にしたポンプ用ＤＣモータにおける放熱構造に関する。

従来より、車両用の電動ウォーターポンプとして、ステータとしての電磁石と、その電磁石の内周側にモータのインナーロータとしての役割を兼ねる磁石を内蔵したインペラでモータを形成し、インナーロータとしてのインペラが電磁石の内周側で回転するタイプのモータ部分とポンプ部分が一体化された一体型電動ウォーターポンプが採用され始めている。このような一体型電動ウォーターポンプの例として下記文献が挙げられる。

これは外周部にステータ（電磁石）を設け、内周部にモータのインナーロータとしての役割を兼ねる磁石を内蔵したインペラを配置し、ステータとインナーロータとの磁気吸引反発作用によりインペラが回転し、冷却水が運搬される構造となっている。ところで、上記電動ウォーターポンプの駆動について考えると、通常のエンジン駆動時はメインである機械式ウォーターポンプが駆動しているため電動ウォーターポンプの駆動は少なくても問題は無い。但しハイブリッド車両やアイドリングストップ車両等でエンジンが停止している時はメインである機械式ウォーターポンプも停止してしまうため、電動ウォーターポンプの方を頻繁に且つ長時間駆動させる必要がある。また、ハイブリット車両ではインバータ等の電気部品の冷却にも、電動ウォータポンプは用いられる。この場合は、機械式ウォータポンプを使用するのは一般的でない為、エンジン冷却回路とは別の独立した冷却回路で電動ウォータポンプを頻繁に且つ長時間駆動させる必要がある。

上記電動ウォーターポンプが頻繁且つ長時間駆動することにより、外周部のステータである電磁石からの発熱量が大きくなる。従って、電磁石を内蔵した電動ウォーターポンプにおいて、熱によるトラブルを未然に防止するために、ステータである電磁石を冷却する必要が生じる。更に電磁石に巻かれるコイル線に使用される銅などの金属は一般的に温度が上昇すると抵抗値も上昇してしまうため電流値が低下し、電動ウォーターポンプの出力が低下してしまうことになる。この温度上昇抑制技術として、特許文献１（特開２００４−１８３５９５）及び２（特開２００２−２９５３８７）が存在している。

該温度上昇抑制技術としては、一般に冷却手段または温度上昇抑制手段としてフィンを設ける構造である。特許文献１では、ステータである電磁石は伝熱ポッティング材で覆われ、電磁石で発生した熱は伝熱ポッティング材を介してハウジング２３へ伝えられる。そしてハウジングの円筒部全体から徐々に放熱される構造となっている。また、特許文献１では、フィン４３を設けたヒートシンク４２が設置されているが、該ヒートシンクはあくまで回路基板上の電子部品（ＭＯＳ型ＦＥＴ４１）から発生した熱を放出させる構成である。

また、特許文献２においても、温水循環用ポンプ（電動ウォーターポンプ）における連結胴部１１の外側にフィン部１８が取り付けられた構成が開示されている。特許文献１及び２の共通の構造として、外周部にステータである電磁石を配置し、内周部に磁石を内蔵したインペラを配置した電動ウォーターポンプにおいて、ステータである電磁石の外周全体を覆うように円筒状のハウジングやケーシングで完全に密封する。そして円筒状のハウジングやその付近部材（前述の連結胴部１１など）の外側にフィンが配置される構造となっている。

さらに、特許文献１及び２の共通の構造としては、ステータである電磁石の外周全体を覆うように円筒状のハウジング等で完全に密封されている。特に、自動車に搭載した場合、一般にエンジンルームはボンネットで覆われているが、雨水や泥土（でいど）等が吹き込んでくることは避けられない。そのためエンジンルーム内に設置されている電動ウォーターポンプにおいても雨水や泥土が電動ウォーターポンプ内に浸入することを防ぐ構造であることは必須である。そのためエンジンルーム内に設置することを前提に設計された特許文献１では電動ウォーターポンプはハウジング２３やポッティング材で覆われることにより、電動ウォーターポンプ内に雨水や泥土が浸入することを防止している。

また、特許文献２については用途が車両用ではないが、給湯、床暖房用であり、外部環境の影響を受ける場所で使用されるものであると想定されるため、特許文献１と同様に電動ウォーターポンプ内に雨水や泥土が浸入することを防止する構造となっている。以上より、外部環境の影響を受ける場所で使用される電動ウォーターポンプにおいては、雨水や泥土からモータを保護するためにハウジング等で完全に密封する構造が必要である。

ところで、外部環境からモータを保護する構成によって次のような重大な課題が発生してしまう。それは、電動ウォーターポンプ内に雨水や泥土が浸入しないようにハウジング等やポッティング材でステータである電磁石を覆うと、ステータ自体の直接的な放熱が出来なくなり、間接的な放熱となり放熱性が極端に低下しまうことである。この点を詳述すると、ステータである電磁石から発生した熱は、ポッティング材に伝わり、該ポッティング材からハウジング等に伝わり、ハウジング等からフィンに伝わる構造となっている。つまり、発熱源と放熱部材が離間して配置されているため、放熱性効率が低下してしまうものである。

さらに、発熱源と放熱部材が離間して配置されると次のような課題も発生してしまう。特許文献１及び２のどちらでもステータである電磁石はポッティング材で包まれ、そのポッティング材を覆うように円筒状のハウジング等が配置されている。そのポッティング材の材質、特性には伝熱性の良いもの、断熱性の良いもの、防水性の良いもの、吸振性の良いものなど様々な種類があり、一般に、伝熱性の良いポッティング材でも熱伝導率で見ると数Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度の値でしかなく、ものによっては１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下のものも多数存在している。それに対して鉄の熱伝導率は約８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、アルミに至っては約２３０乃至２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と歴然とした差が存在するため、ポッティング材を介しての熱伝導率は低いものであり、ポッティング材介在の円筒状のハウジングでは、理論的にも放熱性効率が低下している現状である。

それでは、ポッティング材を使用せずにステータである電磁石とハウジング等を直に接するような構造としてみても、マクロ的に見ると、電磁石とハウジング同士が良好に接しているように見えても、ミクロ的に見ると、面形状及び面粗度の影響も受けて、凸と凸同士の極々微少な面積でしか接することができず、ポッティング材を介して伝熱させる構造と比較しても、さらに熱伝導率が悪化させてしまう問題があった。
特開２００４−１８３５９５ 特開２００２−２９５３８７

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、外部環境からモータの主要部（ステータ）を保護するためにハウジング等を設置することは電動ウォーターポンプでは必須構成要件ではあるものの、ハウジング等が設置されることによってステータである電磁石の放熱性を低下させてしまう現状であることを回避することを実現させることである。つまり、ステータは外部環境から保護できるようにしつつ、ステータの放熱性を良好にすることである。さらには、構成を簡単にしつつ安価なるＤＣモータの開発を目的とする。

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と、該ステータコアの内部に回転可能に設けたインペラ下部のインナーロータマグネットと、該インナーロータマグネットとステータコアとの間で冷却水を設けて隔壁機能を有するハウジングと、前記ステータコアの一部を覆うケーシングとからなり、前記ステータコアは絶縁性焼結体若しくは絶縁体で覆われた焼結体製とし、筒状のステータコア外周部の内周側より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し、且つ前記ステータコア外周部の外周に放熱フィンを複数設けてなり、前記ステータコアは、前記ハウジングと前記ケーシング間に水密的に介在されると共に、前記ステータコアの放熱フィンは外部に露出されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータにおける放熱構造としたことにより、前記課題を解決した。

請求項２の発明を、請求項１において、前記放熱フィンは、前記ステータコア外周部と同材質で一体形成されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータにおける放熱構造としたことにより、前記課題を解決した。請求項３の発明を、請求項１又は２において、前記ハウジングに設けた鍔状部の下側と前記ステータコアのステータコア外周部の上部との間、該ステータコア外周部の下側と前記ケーシングの上側との間では、それぞれＯリングが設けられてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータにおける放熱構造としたことにより、前記課題を解決した。また、請求項４の発明を、請求項１，２又は３において、前記ケーシングの外周に複数設けた窓部から、前記ステータコアの放熱フィンが外部に露出されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータにおける放熱構造としたことにより、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、ステータコアは、ハウジングとケーシング間に水密的に介在されると共に、前記ステータコアの放熱フィンは外部に露出されてなることで、発熱源であるステータコアは、外気で冷却されることとなり、極めて放熱性を良好にできる利点がある。特に、前記ケーシングにて前記ステータコアの全体を被覆しない構成にしつつ、ステータコアの冷却性を向上させている点に大きな効果がある。請求項２の発明では、特に、ステータコアに放熱フィンを一体形成したことで、前記ステータコアを高効率で放熱させることができる。請求項３の発明では、該ステータコアは、ハウジングとケーシングとの間でＯリングにて水密性の確保を確実にできる。請求項４の発明では、ケーシングの窓部から前記放熱フィンが露出されていることで、前記放熱フィンの冷却性を請求項１の発明と同様の効果を奏する。

以下、本発明の実施形態について図１乃至４に基づいて説明する。本発明のＤＣモータ部は、外周のステータコア（電磁石）１と、内周にインナーロータマグネット２と、隔壁機能を有するハウジング３とから構成されている。前記インナーロータマグネット２は、前記ステータコア１内側に回転可能に設けられている。前記インナーロータマグネット２と前記ハウジング３間には冷却水が密封されている。そのＤＣモータ部を構成する部材である前記インナーロータマグネット２の上部には、インペラ４が一体形成されて電動ウォーターポンプの主要部を構成する。

本発明は、ＤＣモータ部にあり、その箇所の具体的構造について詳述する。前記ステータコア１は、絶縁性焼結体コア若しくは絶縁体で覆われた焼結体コアにて構成されている。該ステータコア１は、図１乃至３に示すように、筒状のステータコア外周部１１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１２を有している。具体的には、図３に示すように、筒状のステータコア外周部１１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１２ａとコア内周部１２ｂとからなるステータポール１２，１２，…が設けられて、６極として構成されている。

前記ステータコア外周部１１の外周に、放熱フィン１３が複数設けられている。該放熱フィン１３は、薄板状片（約１ｍｍ前後）が適宜の間隔（約１ｍｍ乃至数ｍｍ）をおいて前記ステータコア外周部１１の外周において、その放射方向に、略同一形状のものが数枚乃至１０数枚設けられている。前記放熱フィン１３の実施形態としては、原則として、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、一体形成されている。すなわち、略同一形状の放熱フィン部１３ａが数枚乃至１０数枚で単位体としての放熱フィン１３を構成している。

該放熱フィン１３は、雨水や泥土による錆等を防ぐために防錆処理が施されている。絶縁および防錆手法としてはメッキ等の手段もあるが、焼結体の特徴である鉄粉と鉄粉の間の隙間領域に樹脂を含有させるような構造にすれば、絶縁処理および防錆処理が同時に行え、加工工数も短く且つ加工コストも安価となる。なお、前記ステータコア１は電気的に絶縁させなければ、コイル線ｍのみに電流が流れる構成にできず、モータとして機能できないため、絶縁処理も必須である。また、絶縁および防錆が行える処理方法ならば他の手法（塗装等）でも何ら問題ない。

前述したように、電磁石である前記ステータコア１の外周部には放熱フィン１３が一体に設けられ、該放熱フィン１３が外気に露出するように構成されている。該放熱フィン１３が一体となった前記ステータコア１としての電磁石の構造としては、鉄芯部分の軸方向（上下方向）の両端面に凹形状が設けられている。つまり、前述したように、前記ステータポール１２のコア内周部１２ｂと前記ステータコア外周部１１の筒状部上端は同等高さに形成されているが、前記ステータポール１２の棒片１２ａが縮小形状となっているために、断面としてみた場合に、凹形状に形成されている。上下の凹形状箇所、すなわち、棒片１２ａにコイル線ｍが巻着されることによりステータコア１の鉄芯の両端面はコイル線がはみ出さない形状に構成されている。

また、前記インナーロータマグネット２は、プラスチックマグネット又は埋め込み磁石にて円柱状に構成され、一体として形成されている。具体的には、該インナーロータマグネット２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。該インナーロータマグネット２の上端は、前記インペラ４の下部中央に固着されている。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４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。また、前述の説明では、該前記ステータコア１のステータポール１２のコア内周部１２ｂは円形状をなしているが、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、不連続となるように内端膨大部１２ｃとして形成されることもある。この場合でも、前記ステータポール１２の棒片１２ａ箇所にそれぞれ発生する極が、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。

前記ハウジング３は、円筒形状をしており、機能としては冷却水を貯留する隔壁であり、円筒状容器部３１と、該円筒状容器部３１の開放側上端の外周に設けた鍔状部３２とから構成されている。前記ハウジング３の内部には、前記インペラ４付きインナーロータマグネット２が回転自在に配置されている。また磁力を通過させる必要があるため前記ハウジング３の材質は合成樹脂製である。また、前記ケーシング５は、前記ステータコア１を支持する部材であり、ひいては、電動ウォーターポンプ自体を支持・固定する役割を担うものであり、基本的には軽量化のため合成樹脂製で構成されているが、仕様環境によってはアルミニウム製の場合も存在する。

前記ハウジング３は前記ステータコア１の上側（内側）に設けられている。つまり、前記ステータコア１は、前記ハウジング３と前記ケーシング５間に水密的に介在されると共に、前記ステータコア１の放熱フィン１３は外部に露出されて構成されている。該放熱フィン１３の外部への露出構成は、具体的には、図１に示すように、前記ケーシング５に設けた窓部５１を介して露出している。つまり、前記ステータコア１の外周部に設けられた放熱フィン１３は外気と接することができるように、該放熱フィン１３と、ほぼ同形状若しくは該放熱フィン１３よりも若干大きい窓部５１が前記ケーシング５に開けられている。さらに、図２に示すように、前記放熱フィン１３は前記ステータコア外周部１１の円周上に、複数（実施形態では３箇所等分）設けられ、前記窓部５１も対応している。

前記ハウジング３の上端外周に設けた鍔状部３２の下側と前記ステータコア１のステータコア外周部１１の上部との間、さらには、該ステータコア外周部１１の下側と前記ケーシング５の底部鍔部５２の上側との間では、それぞれＯリング６，６がそれぞれ介在されて上下からサンドイッチ状に挟み込まれて固定されている。具体的な固定手段としては、図２に示すように、前記ステータコア１の突起部１１ａとケーシング５の上部鍔部５３の凹部５３ａとが嵌合されるとともに、ピン５３ｂにて固定されている。また、前記ハウジング３の鍔状部３２とケーシング５の上部鍔部５３とがピン５３ｃにて固定されている。なお、図中５４は、図２において、他の部材を取り付けるための取付ブラケット、また、図１（Ａ）において、８ａは、前記インナーロータマグネット２の上端の回転軸、８ｂは軸受、９ａはポンプ吸入部、９ｂはポンプ吐出部、１０はポンプケーシングである。

さらに、前記Ｏリング６，６が挿入される円形溝３２ａ，５２ａがそれぞれ前記鍔状部３２の下面及びケーシング５の底部鍔部５２の上面に形成されている。前記ハウジング３，ケーシング５，ステータコア１で囲まれた空間に溶融した合成樹脂が流し込まれる。この合成樹脂は伝熱性の高い樹脂を使用する。溶融した合成樹脂は温度が下がれば硬化して封止材７となる。該封止材７は、伝熱、防水、防塵、振動吸収等の役割を担う。前記Ｏリング６は、前記ハウジング３とステータコア１とケーシング５のそれぞれの軸方向端面には封止材７の外部への流出阻止及び外部からの雨水や泥土の流入を阻止するために封入されている。つまり、Ｏリング６が無いと、溶融した合成樹脂を流し込むときに合成樹脂が前記ハウジング３とステータコア１、ケーシング５とステータコア１のそれぞれの隙間から漏れてしまうため、その漏れを防止するという重要な役割と、外部から浸入した雨水、泥土により前記封止材７が浸食されるのを防止する機能も兼ねている。

発熱源であるステータコア１を見ると、該ステータコア１の上端面、内周側面、下端面は熱伝導性の良い封止材７にて覆われている。該封止材７に伝わった熱はハウジング３を介してポンプ内の冷却水に排出される。また、前記封止材７に覆われていない前記ステータコア１の外周側面には放熱フィン１３が一体形成され、且つ放熱フィン１３は外部に露出されている。これによって、本発明のステータコア１は、全ての面が熱伝導性の良い封止材または放熱フィン１３に覆われるため、ステータコア１の熱がどこの面にも滞留することが無い。同時に、放熱フィン１３を露出させながらも、外部環境から水密性保持の目的でＯリング６にて保護している。

さらに、従来技術との関連では、本願発明の実施形態と、特許文献１及び２と比較すると、本願では、ステータコア１に直接設けた放熱フィン１３は直接外気に接しているため、放熱性は抜群である。特に、特許文献１及び２では、ステータである電磁石の外周側面にモータを外部環境から保護するためのハウジシグ等を配置せざるを得ないことにより放熱性が低下する重大な課題を、本発明の構造にすることにより解決できたこととなる。つまり本発明の構造により、放熱性の向上と部品点数の削減を果たすことができる。

また、本発明の実施形態では、放熱性が向上することで、ステータコア１の電磁石のコイル線ｍ自体の温度が低下するため、コイル線ｍの抵抗値が下がり、同一モータであるならばより高出力化が可能となり、同じ出力で良いのなら更なるモータのコンパクト化を図ることができる。また、コイル線ｍの温度の低下により、電磁石に隣接して設置されている制御回路の温度も低下するために制御回路の信頼性、耐久性についても向上させ得る。

前記放熱フィン１３は、前記ステータコア外周部１１の外周に、原則として、一体形成されているが、別体形成の場合も存在する。この場合には、図５に示すように、弧状取付板部１３ｂと複数の放熱フィン部１３ａとから構成され、放熱性の優れた材質を適宜選択できる。この別部材の場合は、ミクロ的に見ると正確なる面接触は無理としても、外気に直接触れる別体形成の前記放熱フィン１３でも、放熱性を良好にできる。

このはみ出し構成について、従来技術との関連を詳述すると、特許文献１では巻線３１、特許文献２ではコイル２５で図示されているようにコイル線がステータの両端からはみ出すように巻かれているため、軸方向（上下方向）の寸法がばらつく問題がある。これはコイル線の巻き数は必要とされる特性・性能により大きく異なるが、一般には数百回程度であり、巻き方、巻くときの引張力などの理由によりコイル線全体の体積はばらつくものとなる。

そのため、特許文献１及び特許文献２共に、ステータの軸方向両端には、ステータのコイル線全体の体積ばらつきに対応（吸収）するために予備空間が設けられた構成となっているが、本発明の実施形態では、ステータコア１の軸方向寸法としては、上下の凹形状箇所、すなわち、前記棒片１２ａにコイル線ｍが巻かれて、凹形状箇所よりはみ出さないかぎり、ステータコア１自体そのものが、鉄芯の軸方向高さそのものであるため、特許文献１又は特許文献２のような予備空間は不要となる。このため、本発明の電動ウォーターポンプでは、軸方向寸法を短縮することができる。

（Ａ）は本発明の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の要部箇所の斜視図である。 本発明の主要部材の分解斜視図である。 （Ａ）は本発明のステータコアの斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の一部断面とした平面図である。 （Ａ）は本発明における別の実施形態のステータコアの斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の横断図にインナーロータマグネット及びハウジングを加えた箇所の横断平面図である。 （Ａ）は別の実施形態の放熱フィン取付箇所の要部斜視図、（Ｂ）は別の実施形態の放熱フィンの平面図、（Ｃ）はさらに別の実施形態の放熱フィンの平面図である。

符号の説明

１…ステータコア、１１…ステータコア外周部、１２…ステータポール、
１３…放熱フィン、２…インナーロータマグネット、３…ハウジング、４…インペラ、
５…ケーシング、５１…窓部、６…Ｏリング。

Claims (4)

1. 電磁石としてのステータコアと、該ステータコアの内部に回転可能に設けたインペラ下部のインナーロータマグネットと、該インナーロータマグネットとステータコアとの間で冷却水を設けて隔壁機能を有するハウジングと、前記ステータコアの一部を覆うケーシングとからなり、前記ステータコアは絶縁性焼結体若しくは絶縁体で覆われた焼結体製とし、筒状のステータコア外周部の内周側より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し、且つ前記ステータコア外周部の外周に放熱フィンを複数設けてなり、前記ステータコアは、前記ハウジングと前記ケーシング間に水密的に介在されると共に、前記ステータコアの放熱フィンは外部に露出されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータにおける放熱構造。
2. 請求項１において、前記放熱フィンは、前記ステータコア外周部と同材質で一体形成されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータにおける放熱構造。
3. 請求項１又は２において、前記ハウジングに設けた鍔状部の下側と前記ステータコアのステータコア外周部の上部との間、該ステータコア外周部の下側と前記ケーシングの上側との間では、それぞれＯリングが設けられてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータにおける放熱構造。
4. 請求項１，２又は３において、前記ケーシングの外周に複数設けた窓部から、前記ステータコアの放熱フィンが外部に露出されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータにおける放熱構造。
   

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