JP2014202169A - 電動ポンプ - Google Patents

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成敏 宮田
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Abstract

【目的】本発明は、電動ポンプであって、永久磁石を使用することのない極めて簡単な構成によって、駆動させることができること。【構成】磁性体としての外歯11を有するインナーロータ1と、外歯11よりも1つ多い内歯21を有し且つ非磁性体としてのアウターロータ2と、外歯11数よりも数が多い支柱部4が環状円板としてのコアベース部3の一側面に等間隔に形成され且つ支柱部4にコイルボビン5が装着されたステータコアAとからなること。インナーロータ1の回転により外歯11はコイルボビン5の直近を通過するように配置され、インナーロータ1の回転方向に沿って外歯11と近接するコイルボビン5に通電され外歯11が磁気吸引されることによりインナーロータ1を回転させると共に、外歯11と近接する位置のコイルボビン5に順次通電されるように制御されてなること。【選択図】 図1

Description

本発明は、永久磁石を使用することのない極めて簡単な構成によって、駆動させることができる電動ポンプに関する。
自動車のエンジン潤滑におけるオイルポンプには、それ自体にモータを備えた電動式のオイルポンプが存在する。この種のものは多く出回っている。特許文献1は、その一例として挙げたものであり、部品点数を減少させて簡易な構成とし、小型化を実現すると共に低価格で提供できるものとした。
特開2012−167621号公報
特許文献1では、インナーロータにプラスチックマグネットを使用するなど、進歩的な構造を備えたものであったが、近年、高品位な永久磁石の原材料となるレアアース等の希少な材料が高騰することもあった。したがって、今後、前述したような、希少材料を使用しない構成のモータを具備した電動ポンプの開発が要望されるに至った。そこで、本発明の目的(解決しようとする技術的課題)は、極めて簡単な構成によって、永久磁石を使用しない電動ポンプを提供することにある。
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、磁性体としての外歯を有するインナーロータと、前記外歯よりも1つ多い内歯を有し且つ非磁性体としてのアウターロータと、前記外歯数よりも数が多い支柱部が環状円板としてのコアベース部の一側面に等間隔に形成され且つ前記支柱部にコイルボビンが装着されたステータコアとからなり、前記インナーロータの回転により前記外歯は前記コイルボビンの直近を通過するように配置され、前記インナーロータの回転方向に沿って前記外歯と近接する前記コイルボビンに通電されて前記外歯が磁気吸引されることにより前記インナーロータを回転させると共に、前記外歯と近接する位置の前記コイルボビンに順次通電されるように制御されてなることを特徴とする電動ポンプとしたことにより、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、前記インナーロータの外歯の数を4枚以上の偶数とし、且つ前記外歯の数よりも2つ多い支柱部及びコイルボビンからなるステータコアとからなることを特徴とする電動ポンプとしたことにより、前記課題を解決した。請求項3の発明を、請求項2において、前記コアベース部の直径中心を点対称として配置される2つ以上の前記支柱部を一対とし、3相以上にてパルス電流を通電制御してなることを特徴とする電動ポンプとしたことにより、前記課題を解決した。
請求項4の発明を、請求項1,2又は3の何れか1項において、前記インナーロータの前記外歯の数を4とし、前記ステータコアの支柱部の数を6としてなることを特徴とする電動ポンプとしたことにより、前記課題を解決した。請求項5の発明を、請求項1,2又は3の何れか1項において、前記インナーロータの前記外歯の数を6とし、前記ステータコアの支柱部の数を8としてなることを特徴とする電動ポンプとしたことにより、前記課題を解決した。
請求項6の発明を、請求項1,2,3,4又は5のいずれか1項の記載において、前記インナーロータの磁性体は、磁気に反応して吸引される鉄系粉末からなる焼結体又は鉄系粉末を含有する合成樹脂から形成されてなることを特徴とする電動ポンプとしたことにより、前記課題を解決した。請求項7の発明を、請求項1,2,3,4又は5のいずれか1項の記載において、前記アウターロータの非磁性体は、合成樹脂又は非磁性金属にて形成されてなることを特徴とする電動ポンプとしたことにより、上記課題を解決した。
請求項8の発明では、請求項1,2,3,4,5,6又は7のいずれか1項の記載において、前記支柱部及び前記コイルボビンが平面的に見て円形状に形成されてなることを特徴とする電動ポンプとしたことにより、前記課題を解決した。請求項9の発明を、請求項1,2,3,4,5,6又は7のいずれか1項の記載において、前記支柱部及び前記コイルボビンが平面的に見て、前記コアベース部3の中心側が尖った略三角形状に形成されてなることを特徴とする電動ポンプとしたことにより、前記課題を解決したものである。
請求項1の発明では、モータの構成に永久磁石を全く使用しない構成としたので、その構成を極めて簡単にし、軽量化することができる。インナーロータは、通常のオイルポンプで広く使用されている鉄系焼結体で形成されたものであり、インナーロータの歯形形状がそのままモータのロータとしての機能を担うので、何ら特別な部品や特殊な形状とする必要がない。そして、永久磁石を使用しないので、通常のインナーロータであり、非常に安価に提供することができる。
請求項2の発明では、特に、前記インナーロータの外歯の数を4枚以上の偶数とし、且つ前記外歯の数よりも2つ多い支柱部及びコイルボビンからなるステータコアとしたことにより、永久磁石を使用しないでも、安定した回転力を得る電動ポンプを提供できる。請求項3の発明では、3相タイプ以上の電極にて駆動できる。請求項4の発明では、外歯数4、ステータコアの支柱部及びコイルボビンの数を6とすることで、極めて良好に駆動できる電動ポンプを提供できる。
請求項5の発明では、外歯数6、ステータコアの支柱部及びコイルボビンの数を8とすることで、より良好に駆動できる電動ポンプを提供できる。請求項6の発明では、前記インナーロータの磁性体は、磁気に反応して吸引される鉄系粉末からなる焼結体又は鉄系粉末を含有する合成樹脂から形成されてなることで、安価に製造できる。また、請求項7の発明では、前記アウターロータの非磁性体は、合成樹脂又は非磁性金属にて形成されてなることで、安価に製造できる利点がある。また、請求項8の発明では、安価且つ短時間で製造できる。請求項9の発明では、有効な磁路断面積を増やすことができる。
(A)は本発明の第1実施形態の構成を示す縦断側面図、(B)は(A)のY1−Y1矢視断面図、(C)は(A)のコイルを省略したY2−Y2矢視断面図、(D)はインナーロータの斜視図、(E)はステータコアの斜視図、(F)は別の実施形態のステータコアの斜視図である。 (A)は6極のステータコアの構成を示す略示図、(B)は6極の通電順位を示す図である。 6極の通電状態を示す図である。 (A)は本発明の第2実施形態の8極のステータコアの構成を示す略示図、(B)は8極の通電順位を示す図である。 8極の通電状態を示す図である。
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。本発明は、図1(A)に示すように、主にインナーロータ1,アウターロータ2,ステータコアAと、駆動制御部6と、ハウジング7等から構成されている。該ハウジング7は、インナーロータ1,アウターロータ2が配置されるポンプ室71、前記ステータコアAが配置されるモータ室72及び駆動制御部6が配置される制御室73からなる。
前記ポンプ室71では、内接形のロータを構成するインナーロータ1とアウターロータ2とが配置されており、具体的には、トロコイド形状歯形のものである。インナーロータ1は、3以上の歯数であり、好ましくは、4以上の偶数の外歯11,11,…を有するものである。具体的な外歯1の歯数としては、4枚,6枚,8枚,10枚等である。
つまり、回転中心Qaを点対称の中心とする2つの外歯11,11を対とし、この対を複数有するものである。前記インナーロータ1は、磁気に反応して吸引される材質を有し、鉄系金属,鉄系粉末からなる焼結体又は鉄系粉末を含有する合成樹脂から形成される。これらを総称して磁性体と呼ぶ。
前記アウターロータ2は、環状に形成され、その内周側に内歯21,21,…を有するものである。該内歯21,21,…の歯数は、インナーロータ1の外歯11,11,…の歯数よりも1つ多い。アウターロータ2は、磁気に反応しない合成樹脂又は非磁性金属から形成される。これらを総称して非磁性体と呼ぶ。
そして、インナーロータ1がアウターロータ2の内周側に配置され、インナーロータ1が回転することによって、アウターロータ2が回転し、このとき、インナーロータ1の外歯11,11,…と、アウターロータ2の内歯21,21,…が接触(略接触或いは近接)することによって歯間空間が形成される。
該歯間空間は、インナーロータ1とアウターロータ2との回転によって、体積の伸縮を繰り返しながらオイル等の流体を吸入ポート71aから吐出ポート71bに搬送して吐出するポンプ動作を行うものである。前記インナーロータ1とアウターロータ2とは、ハウジング7のポンプ室71に配置される。
該ポンプ室71には、前記吸入ポート71aと吐出ポート71bとが形成されている。前記ハウジング7には、前記インナーロータ1を回転自在に支持する回転軸12が備わっており、前記ポンプ室71内の軸受部71cに軸支されている。また、前記吸入ポート71a及び吐出ポート71bは、前記ハウジング7のポンプ室71に設けられた吸入口71d及び吐出口71eに連通している〔図1(A)参照〕。
前記ステータコアAは、コアベース部3と、支柱部4と、コイルボビン5とから構成されている(図1参照)。前記コアベース部3は、平板を環形とした環状円板として形成されたものである〔図1(E)参照〕。該コアベース部3の一方側の平坦面には、複数本の支柱部4,4,…が等間隔且つ等角度として形成される〔図1(E)参照〕。該支柱部4は、具体的には、4本以上の偶数本が形成され、且つ前記インナーロータ1の外歯11の歯数よりも1本又は2本多く設けられるものである〔図1(D),(E)参照〕。
また、前記支柱部4は、一般的には、円柱形状に形成されたものであり、前記コアベース部3と、前記支柱部4,4,…とは一体形成されたものである〔図1(E)参照〕。具体的には、コアベース部3と支柱部4とは、焼結金属によって形成されることが好ましい。該各支柱部4には、コイルボビン5が装着される。該コイルボビン5は、前記支柱部4の数と同数備えられる。前記コイルボビン5は、ボビン51とコイル52から構成されている。
前記各ボビン51には、コイル52が巻着されて糸巻状となるコイルボビン5が構成されている〔図1(E)参照〕。このような支柱部4と、該支柱部4に装着されるコイルボビン5とによって磁極が構成され、コイルボビン5のコイル52に通電されることで、磁極は電磁石として作用する。前記円柱形状の支柱部4,4,…には、同じく円筒形状のコイルボビン5の周囲に円周形状にコイル52が巻着されている。
また、図1(F)に示すように、前記支柱部4は、前記コアベース部3の中心側が尖った略三角形状をなした柱片として形成されることがある。この場合の前記コイルボビン5なるボビン51とコイル52も、略三角形状をなして形成される。この場合には、磁極化したときの磁力は、円形の場合よりも、磁力線が多くなり、強力に作用することが多い。
前記ステータコアAのコアベース部3の直径中心Qbと、前記インナーロータ1の回転軸12の回転中心Qaとは、一致するように構成されている。さらに、前記インナーロータ1が回転するときに、該インナーロータ1の外歯11,11,…の各外歯中心11a,11a,…が、前記コイルボビン5の軸芯Qc(各支柱部4の中心と一致)を通過する構成となっている。
このような構成によって、前記インナーロータ1が回転するときに、その各外歯11,11,…の一つの先端が、前記一つのコイルボビン5の直近位置となったときに、該コイルボビン5に電気が流れて磁極となったときには、その一つの外歯11を吸着作用をする構成となっている。つまり、前記インナーロータ1の外歯11,11,…が前記コイルボビン5の磁極に反応することができる位置となる。
前記磁極についての構成は、具体的には、コアベース部3の直径中心Qbを点対称として、該直径中心Qbの両側に配置された支柱部4,4とコイルボビン5,5とによって構成された磁極を一対の磁極Pn,Pn’とする。ここで、nは、以下の説明において便宜上付与する変数(パラメータ)である。変数nは、対の数と共に通電される順位を示す。
磁極Pn,Pn’が3相の場合,コイルボビン5が6個となる6スロットではコイルボビン5が2つで一対、9スロットでは3つで一対、12スロットでは4つで一対となる。つまり3相励磁ではスロット数÷3の数が一対となる。例えば、支柱部4の総数が6の場合には、磁極Pn,Pn’の対の数は3となる。つまり3相式の6極タイプとなっている。この対をなす磁極Pn,Pn’は、前述したように、コアベース部3の直径中心Qbを点対称の中心として配置されたもので、換言すると直径中心Qb上を通過する直線上に位置し、直径中心Qbを介して対向する磁極Pn,Pn’となる。
具体的には、前記インナーロータ1の外歯11の歯数を4個とした場合には、これに対応するステータコアAは、6個の支柱部4,4,…とコイルボビン5,5,…とを有するものであり、磁極Pn,Pn’の対の数は3となり、3相タイプとなる。そして、変数nに数値を入れると、3対の磁極Pn,Pn’は、180°(角度π)の位相差で、磁極P1,P1’,磁極P2,P2’,磁極P3,P3’となる〔図2(A)参照〕。なお、隣接する各支柱部4,4間は、60°(角度3分の1π)となっている。
そして、インナーロータ1の回転方向に沿って、それぞれの一対の外歯11,11に最も近接する位置にある一対の磁極Pn,Pn’が通電されると電磁石として働き、インナーロータ1の一対の外歯11,11,…が磁気吸引されて、インナーロータ1が回転する。このように、常に一対の外歯11,11と、近接する位置にある一対の磁極Pn,Pn’に通電され、この通電が移り変わることでインナーロータ1を回転させ続けるものである。
したがって、任意の一対の磁極Pn,Pn’が通電されて電磁石として働くときには、図示しないロータリースイッチ等にて、他の対の磁極Pn,Pn’は通電されず、電磁石としての働きも行われない。つまり、ポンプ作動中において、パルス電流として通電されるのは常にインナーロータ1の一対の外歯11,11に回転方向において近接する位置にある一対の磁極Pn,Pn’のみである。
前記変数nは、対となる磁極Pn,Pn’に通電する順位の番号である。したがって、前述した3対の磁極Pn,Pn’とした場合では、磁極P1,P1’,磁極P2,P2’,磁極P3,P3’の順番で通電が行われ、後述する4対の磁極Pn,Pn’では、磁極P1,P1’,磁極P2,P2’,磁極P3,P3’,磁極P4,P4’の順番で通電が行われてゆく。前記駆動制御部6は、前記ステータコアAのコイルボビン5に通電して支柱部4を磁極化し、この磁極を順番に移動させる制御を行う。
次に、本発明のインナーロータ1がステータコアAによって回転する動作について説明する。まず、インナーロータ1の外歯11,11,…の歯数を4枚とし、ステータコアAの磁極(支柱部4とコイルボビン5)の数を6としたものについて説明する。
ステータコアAは、コアベース部3に支柱部4とコイルボビン5とからなる磁極P1,P2,P3,P1’,P2’,P3’が備わっており、これらが対をなして磁極P1,P1’,磁極P2,P2’,磁極P3,P3’が配置される。そして、インナーロータ1の予め決められた回転方向(図2では時計方向)に沿って、コアベース部3の周方向で且つインナーロータ1の回転方向に沿って、磁極P3,P2,P1,P3’,P2’,P1’の順番で等間隔に配置される〔図2(A)参照〕。つまり、磁極P1,P1’と磁極P2,P2’との間に、磁極P3,P3’が位置する。
そして、通電は、対をなす磁極P1,P1’、磁極P2,P2’、磁極P3,P3’の順番で行われる。インナーロータ1は、複数の外歯11,11,…の中で基準となる任意の外歯11を設定し、これを基準外歯11kとする。また、該基準外歯11kと対をなすものを副外歯11k’とする。基準外歯11kには、円形の黒点を記入しておく。副外歯11k’には、円形の白点を記入しておく。基準外歯11k及び副外歯11k’は、説明の便宜上、インナーロータ1が回転する動的状態を理解するためと、図面においてインナーロータが回転している状態とを理解し易くするために設けたものであり、実質的に他の外歯11,11,…と同一である。
まず、インナーロータ1の停止状態における初期の基準外歯11kの位置を、磁極P1’の位置から反回転方向で磁極P1’と磁極P2’の間に位置するものとする。この状態でインナーロータ1は、基準外歯11kと該基準外歯11kと対をなす副外歯11k’が回転方向に沿って磁極P1,P1’に最も近接した状態である〔図3(1)参照〕。
磁極P1,P1’におけるコイルボビン5のコイル52に通電されて電磁石とする。これによって、インナーロータ1の基準外歯11kと該基準外歯11kと対となる副外歯11k’は、磁極P1,P1’の磁気に吸引され、磁極P1,P1’の位置に到達する〔図3(2)参照〕。そして、略到達すると共に、磁極P1,P1’から磁極P2,P2’に通電が移り変わる。
これによって、磁極P2,P2’に近接するインナーロータ1の(基準外歯11k,副外歯11k’以外の)外歯11,11が磁気吸引されて、磁極P2,P2’に向かって移動する〔図3(2)参照〕。そして、外歯11,11が磁極P2,P2’に略到達すると共に、磁極P2,P2’から磁極P3,P3’に通電が移り変わる〔図3(3)参照〕。
これによって、磁極P3,P3’に近接するインナーロータ1の基準外歯11kと対となる副外歯11k’が磁気吸引されてインナーロータ1が時計方向に回転を続ける。このように、磁極P1,P1’、磁極P2,P2’、磁極P3,P3’の順番で通電が移り変わり、且つこの順番の繰り返しが行われインナーロータ1が回転をし続ける。該回転を通じて前記アウターロータ2も回転して電動ポンプとして機能する。
図4に示したものは、本発明の第2実施形態であって、インナーロータ1の外歯11の歯数を6個、コイルボビン5を8個とした場合である。つまり、前記インナーロータ1の外歯11の歯数を6個とし、これに対応するステータコアAは、8個の支柱部4,4,…とコイルボビン5,5,…とした場合である。磁極Pn,Pn’の対の数は4となる。そして、変数nに数値を入れると、4対の磁極Pn,Pn’は、磁極P1,P1’,磁極P2,P2’,磁極P3,P3’,磁極P4,P4’となる〔図4(A)参照〕。つまり、4相タイプである。
次に、インナーロータ1の外歯11,11,…の歯数を6枚とし、ステータコアAの磁極(支柱部4とコイルボビン5)の数を8としたものについて説明する。ステータコアAは、コアベース部3に支柱部4とコイルボビン5とからなる磁極P1,P1’,磁極P2,P2’,磁極P3,P3’,磁極P4,P4’が備わっている。
そして、インナーロータ1の予め決められた回転方向に沿って、コアベース部3の周方向に沿って、磁極P4,P3,P2,P1,P4’,P3’,P2’,P1’の順番で等間隔に配置される〔図4(A)参照〕。つまり、磁極P1,P1’と磁極P2,P2’との間に、磁極P3,P3’及び磁極P4,P4’が位置する。
次いで、通電は、磁極P1,P1’、磁極P2,P2’、磁極P3,P3’、磁極P4,P4’の順番で行われる。インナーロータ1の停止状態における初期の基準外歯11kの位置を、磁極P1’の位置から反回転方向で磁極P1’と磁極P2’の間に位置する〔図5(1)参照〕。
まず、磁極P1,P1’におけるコイルボビン5のコイル52に通電されて電磁石とする。これによって、インナーロータ1の基準外歯11kと該基準外歯11kと対となる副外歯11k’は、磁極P1,P1’の磁気に吸引され、磁極P1,P1’の位置に到達する〔図5(2)参照〕。そして、略到達すると共に、磁極P1,P1’から磁極P2,P2’に通電が移り変わる〔図5(2)参照〕.
これによって、磁極P2,P2’に近接するインナーロータ1の(基準外歯11k,副外歯11k’以外の)外歯11,11が磁気吸引されて、磁極P2,P2’に向かって移動する。そして、外歯11,11が磁極P2,P2’に略到達すると共に、磁極P2,P2’から磁極P3,P3’に通電が移り変わる〔図5(3)参照〕。
このため、P3,P3’に近接するインナーロータ1の基準外歯11kと対となる副外歯11k’が磁気吸引されてインナーロータ1が回転を続ける。さらに、磁極P3,P3’から磁極P4,P4’に通電が移り変わる〔図5(4)参照〕。そして、基準外歯11k,副外歯11k’が磁極P4,P4’に磁気吸引されてインナーロータ1が回転を続ける。すると共に、磁極P2,P2’から磁極P3,P3’に通電が移り変わる同様のことが以降も繰り返されてインナーロータ1が時計方向に回転をし続けるものである。該回転を通じて前記アウターロータ2も回転して電動ポンプとして機能する。
1…インナーロータ、11…外歯、2…アウターロータ、21…内歯、
A…ステータコア、3…コアベース部、4…支柱部、5…コイルボビン、
6…駆動制御部。

Claims (9)

  1. 磁性体としての外歯を有するインナーロータと、前記外歯よりも1つ多い内歯を有し且つ非磁性体としてのアウターロータと、前記外歯数よりも数が多い支柱部が環状円板としてのコアベース部の一側面に等間隔に形成され且つ前記支柱部にコイルボビンが装着されたステータコアとからなり、前記インナーロータの回転により前記外歯は前記コイルボビンの直近を通過するように配置され、前記インナーロータの回転方向に沿って前記外歯と近接する前記コイルボビンに通電されて前記外歯が磁気吸引されることにより前記インナーロータを回転させると共に、前記外歯と近接する位置の前記コイルボビンに順次通電されるように制御されてなることを特徴とする電動ポンプ。
  2. 請求項1において、前記インナーロータの外歯の数を4枚以上の偶数とし、且つ前記外歯の数よりも2つ多い支柱部及びコイルボビンからなるステータコアとからなることを特徴とする電動ポンプ。
  3. 請求項2において、前記コアベース部の直径中心を点対称として配置される2つ以上の前記支柱部を一対とし、3相以上にてパルス電流を通電制御してなることを特徴とする電動ポンプ。
  4. 請求項1,2又は3の何れか1項において、前記インナーロータの前記外歯の数を4とし、前記ステータコアの支柱部の数を6としてなることを特徴とする電動ポンプ。
  5. 請求項1,2又は3の何れか1項において、前記インナーロータの前記外歯の数を6とし、前記ステータコアの支柱部の数を8としてなることを特徴とする電動ポンプ。
  6. 請求項1,2,3,4又は5のいずれか1項の記載において、前記インナーロータの磁性体は、磁気に反応して吸引される鉄系粉末からなる焼結体又は鉄系粉末を含有する合成樹脂から形成されてなることを特徴とする電動ポンプ。
  7. 請求項1,2,3,4又は5のいずれか1項の記載において、前記アウターロータの非磁性体は、合成樹脂又は非磁性金属にて形成されてなることを特徴とする電動ポンプ。
  8. 請求項1,2,3,4,5,6又は7のいずれか1項の記載において、前記支柱部及び前記コイルボビンが平面的に見て円形状に形成されてなることを特徴とする電動ポンプ。
  9. 請求項1,2,3,4,5,6又は7のいずれか1項の記載において、前記支柱部及び前記コイルボビンが平面的に見て、前記コアベース部3の中心側が尖った略三角形状に形成されてなることを特徴とする電動ポンプ。
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