JP2023504295A - 超扁平アクチュエータのための永久磁石回転子 - Google Patents

Abstract

ハウジングと、ハウジングに取付けられたカバーと、ハウジング内に設けられた固定子とを備え、固定子がリングに取付けられた複数の固定極を有し、各固定極が電気巻線を有し、単一のベアリングにより固定子に対して協働的関係でハウジングに枢支されたロータと、ロータの端部に固定されたインペラと、固定極に対して協働的関係でロータの端部に取付けられた複数の磁石と、ロータとハウジングの間にあることにより固定子と磁石がドライ領域にあるシールとを備え、固定子がハウジング内においてサーマルポッティングに取り囲まれ、カバー内に設けられるパワーエレクトロニクスとを備える超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。ロータは焼結技術を用いて製造されてもよい。

Description

本発明の実施形態は概略的に超扁平アクチュエータ・ウォータポンプに関し、特に、メカニカルシールを備えた超扁平アクチュエータ・ウォータポンプに関する。加えて、本発明のいくつかの実施形態は、焼結工程により製造された永久磁石回転子を採用する。

本発明のいくつかの実施形態は、流体、特に、冷却液循環ポンプを必要とする内燃機関あるいは他のアプリケーションにおける冷却水を圧送するためのウォータポンプに関する。ウォータポンプとともに使用される超扁平アクチュエータは、関連した技術分野において知られている。超扁平アクチュエータにおいて、磁束線はモータの空隙において軸方向に延びる。固定子は典型的には、丸線ワイヤを備える。

この技術の代表は米国特許出願第２０１５／００３０４７９号であり、これは固定子と回転子を有する超扁平アクチュエータを備えたウェットロータポンプを開示する。固定子はドライ領域に配置され、インペラの回転子はウェット領域に配置される。回転子は１以上のサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）永久磁石により形成される。

代表的な技術はさらに、米国特許出願第２０１７／００１６４４９号を含み、これは、空隙を部分的に定義するハウジングと、空隙内に配置されたインペラとを備え、インペラが第１のディスクを有し、第１のディスクに配置された羽根を備え、インペラが回転軸の周りに回転するように作動し、ハウジングに配置された第１固定子コアと、第１固定子コアに配置された巻線と、ハウジングにより定義された第１吸入口とを備え、第１吸入口とインペラとハウジングが流体の流動経路を部分的に定義するポンプを開示する。

従来技術の超扁平アクチュエータと電気機械モータの１つの欠点は、回転子が、例えば接着剤によってフレームに接続された永久磁石から成ることである。すなわち、電気モータ内にある回転子は一般に、積層鋼板コア（いくつかの例では軟質金属コア）に固定された、１または複数の永久磁石から成る。これらの要素は個別に作成され、圧入、接着、あるいは他の結合方法によって、単一または複数の磁石をコアに取付けることにより結合される。従来技術の方法は非効率的であり、回転子の組立体の間の大きな振動を発生させ、コストのかかる試験工程を必要とし、これは回転子において、信頼性が低下し、重量アンバランスの問題を増加させることとなる。当業者が理解するように、必要とする結合工程も製造コストを増加させる。

このように、固定子の周辺にメカニカルシールとサーマルポッティングを備える超扁平アクチュエータ・ウォータポンプを提供することは、長年の要望である。高精度にバランスされ、製造にコストがかからない等の永久磁石を提供することも必要である。本発明の実施形態はこれらの必要性に合致する。

本発明のいくつかの実施形態の１つの特徴は、固定子の周辺にメカニカルシールとサーマルポッティングを備えた超扁平アクチュエータ・ウォータポンプを提供することである。

本発明のいくつかの実施形態の他の特徴は、効率的な製造工程により作成された永久磁石回転子を提供することである。したがって、意図された回転子の実施形態は焼結工程により製造される。焼結製造工程は単一ステップまたは２ステップで実行される。1ステップ工程は、ダイの中で回転子と磁石に協働して材料を圧縮するラムを採用する。２ステップ工程はダイの中でまずフレームを成形し、次に強磁性体材料が予成形されたフレームの上に置かれる。強磁性体材料の予成形されたフレーム上への圧縮により、最終的な回転子組立体が創作される。当業者は、フレームと強磁性体材料の間に境界材料が必要とされるならば、２ステップの圧縮工程が３ステップ工程に修正されることを理解するであろう。回転子が製造される工程にかかわらず、加熱工程が構成部品を溶解させるために必要であるかもしれない。ここに記述される工程は、この明細書では「コア」とも言われる、複数の磁化領域または磁化環状体を有する回転子を製造することを意図する。

本発明の１つの実施形態は、ハウジングと、ハウジングに取付けられたカバーと、ハウジング内に設けられた固定子とを備え、固定子がリングに取付けられた複数の固定極を有し、各固定極が電気巻線を有し、単一のベアリングにより固定子に対して協働的関係でハウジングに枢支されたロータと、ロータの端部に固定されたインペラと、固定極に対して協働的関係でロータの端部に取付けられた複数の磁石と、ロータとハウジングの間にあることにより固定子と磁石がドライ領域にあるシールとを備え、固定子がハウジング内においてサーマルポッティングに取り囲まれ、カバー内に設けられるパワーエレクトロニクスとを備える超扁平アクチュエータ・ウォータポンプである。この実施形態の変形例において、ロータは焼結技術を用いて製造される。

この明細書において用いられる「１つのもの」という語句は、１以上のものを指す。したがって、「１つの」、「１以上の」および「少なくとも１つの」は交換可能に用いられる。さらに、この明細書において用いられる「少なくとも１つの」、「１以上の」、「および／または」の語句は、作用において接続後および離接語である自由な表現である。例えば、「Ａ、ＢおよびＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、およびＣの１以上」、「Ａ、Ｂ、またはＣの１以上」、「Ａ、Ｂおよび／またはＣ」の各表現は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、あるいは、ＡとＢとＣを意味する。

特に明記されていなければ、この明細書と図面において用いられる、量、大きさ、条件等を示す全ての数値は、ここに記載された新規なアセンブリおよび方法の特定のアプリケーションにおいて要求されるように、全ての例において修正されるかもしれない近似値であると理解されるべきである。

「含む」、「備える」、または「有する」およびこれらの変形の使用は、ここに表示された事項、および追加の事項と同様な均等物を包含することを意味する。したがって、「含む」、「備える」、または「有する」およびこれらの変形は交換可能に用いられる。

ここに用いられる「手段」の語句は、米国特許法第１１２条（ｆ）に従って可能な限り広く解釈されると理解されるべきである。したがって「手段」の語句は、ここに記載される全ての構造、材料または作用、およびこれらの均等物をカバーする。さらに、構造、材料、または作用と均等物は、発明の概要、図面の簡単な説明、発明を実施するための形態、および図面に記載されるものを含む。

発明の概要は、本発明の十分に広い範囲の代表としては意図されず、解釈されるべきでもない。すなわち、これらと他の特徴および利点は、ここに記載された本発明の開示から明らかになる。さらに、上述した実施形態、特徴、目的、および構造は完璧ではなく、網羅的でもない。理解されるように、本発明の他の実施形態は、上述した、または後述する特徴の１以上を、単独または組合せて用いることが可能である。さらに、「本発明」または他の特徴への言及は、本発明のある実施形態を意味すると理解されるべきであり、全ての実施形態を特定の記述へ限定するとして必ずしも解釈されるべきではない。本発明は、添付された図面および発明を実施するための形態と同様に、発明の概要において種々の詳細なレベルで記載され、発明の概要における、要素、成分等の含有または非含有によって、本発明の範囲に対する限定は意図されない。本発明の付加的な特徴は、特に図面とともに解釈されるとき、発明を実施するための形態から、より明らかになる。

この明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、上述した本発明の概略的な記述、および後述する図面の詳細な記述とともに、本発明の原理を説明することに役立つ。
図２のポンプのＡ－Ａ線に沿う断面図である。 ポンプの平面図である。 ポンプの平面図である。 図解されたクーラントシステムである。 分解図である。 モータ磁石とフレームの斜視図である。 従来技術の永久磁石回転子を構成する要素の斜視図である。 図７に示される組み立てられたロータの断面図である。 １ステップ工程における本発明の一実施形態の永久磁石回転子を製造する方法を示す。 ２プロセスにおける本発明の他の実施形態の永久磁石回転子を製造する方法を示す。

図面は必ずしも寸法を示すとは限らない。ある例では、本発明の理解のためには必要ではなく、あるいは理解することが困難である他の詳細を描写する細部は省略されている。本発明は、ここに記載された特定の実施形態には必ずしも限定されないことは、勿論理解されるべきである。

図１は図２のポンプのＡ－Ａ線に沿う断面図である。ウォータポンプはインペラを駆動する電気モータを備える。電気モータは超扁平アクチュエータである。超扁平アクチュエータにおいて、磁束は、磁極と固定子巻線の位置により、モータの空隙内において軸方向に延びる。本発明のウォータポンプは典型的にはエンジン冷却システムにおいて用いられる。ウォータポンプはエンジン冷却システムにおいてクーラントを加圧し、循環させる。

ウォータポンプ１０００はハウジング１０とカバー５０を備える。インペラ１５０はロータシャフト１００の端部に取付けられる。固定子２００はハウジング内に配置される。複数の固定極２０１がハウジング１０の内部１１内のリングの中に配置される。超扁平アクチュエータの場合と同様に、各極２０１の軸Ｂ－Ｂは、シャフト１００の回転軸Ｄ－Ｄに平行である。モータは、３相９コイル構造を有する。固定極２０１は軟質金属合成物である。磁性体が固定極２０１として用いられてもよい。

電気巻線２０２は各極２０１の周りに巻き付けられる。巻線２０２は断面形状において平線あるいは丸線であってもよい。平面電線は正方形あるいは長方形の断面形状を有していてもよい。平面電線あるいは円形電線は銅またはアルミニウムでもよい。巻線２０２の巻き面Ｃ－Ｃは、磁束が軸Ｄ－Ｄに平行な軸方向に延びるように、シャフト軸Ｄ－Ｄに垂直に延びる。本発明のモータは２００Ｗの定格出力を有し、最高１２ｋＷまでである。

複数の永久磁石１１０がフレーム１１５においてシャフト１００の他端に取付けられる。磁石１１０は、多極の単一環状磁石であってもよい。フレーム１１５はシャフト１００の端部に固定され、シャフト１００とともに回転する。磁石１１０は極２０１に対して径方向に整列する。空隙Ｇが極２０１と磁石１１０の間に維持され、これにより作動中にこれらが接触することが防止される。空隙は０．２ｍｍから１．５ｍｍまでの範囲にある。空隙Ｇは最大磁気効果を実現するために、できるだけ小さいことが好ましい。

メカニカルシール２５０は加圧された液体クーラントが内部１１へ浸入して、固定子２００と磁石１１０が接触することを防止し、したがって固定子２００と磁石１１０はドライ領域にある。ドライ領域は典型的には大気圧である。シール２５０はシャフト１００とハウジング１０の間に配置される。シール２５０は、従来技術において知られている、ベローズ、カートリッジ、バランスタイプのカートリッジよびＯリング、アンバランスタイプのカートリッジおよびＯリング、プッシャタイプおよび従来タイプのシール等、適当なメカニカルシールであってもよい。固定子と磁石のためにドライ領域を維持することは、内部１１がクーラントを含有してクーラントが固定子の極と回転子の磁石との間の空隙Ｇ内にあったとしたら存在したであろう、風損と粘性損失を低減させることにより、ポンプの効率を増加させる。

復水チャンバおよびリザーバ３０１は通風孔３０２と排水孔３０３を有する。チャンバ３０１はシール２５０を通って漏洩するかもしれない流体を集める。通風孔３０２と排水孔３０３は大気に開口する。

固定子２００を取り囲むためにサーマルポッティング１２がハウジング１０内で用いられる。サーマルポッティングは、固定子とハウジングからの熱伝導の信頼性のある手段を与えることにより、ポンプを冷却された状態で駆動させる。ポンプの熱は典型的には、変化する磁界により固定子と巻線に誘起される渦電流による抵抗加熱と、鉄損および銅損とにより生じ、エンジンブロック（図示せず）と同様に、圧送される冷却液からハウジングに伝導する。サーマルポッティングは電気の分野で公知である。

シャフト１００は単一のベアリング１２０内で回転する。ベアリング１２０は、シャフト１００がベアリングのインナーレースを備える、インテグラルベアリングであってもよい。回転アセンブリはシャフト１００とフレーム１１５と磁石１１０とインペラ１５０とを備える。単一のベアリング１２０は複列ボールベアリングまたは複列ボールローラベアリングである。ローラベアリングは円柱状または先細ローラを備えていてもよい。単一のベアリングの使用は、超扁平アクチュエータの構造により得られるポンプシャフトの短さにより可能になる。ベアリングはシールされたベアリングである。シャフト１００の短い全長により、インペラ１５０はシャフト１００に取付けられた片持ち梁である。

クーラントはインペラ吸入口１５１内に流入し、インペラが回転することにより、吐出口１５２から排出される。インペラはウォータポンプの分野において公知である。典型的な作動吐出圧力は約１．５バールまでであるが、エンジンの熱負荷に応じて５バールを超えるかもしれない。流量は毎分２２０リットルまでであるか、あるいはアプリケーションに応じて最大毎分５００リットルであってもよい。

パワーエレクトロニクスがカバー５０内においてエレクトロニクスのハウジング５１内に設けられる。パワーエレクトロニクスはシャフトの回転スピードを制御し、また故障を検出することができる。超扁平アクチュエータのパワーエレクトロニクスはこの分野において公知である。カバー５０は、パワーエレクトロニクスを冷却するためのヒートシンクとして機能する。超扁平アクチュエータは可変スピードであり、クーラント流体がエンジンの熱負荷の要求に従って調整されるように流れることを許容する。制御方法はＰＷＭ、ＬＩＮプロトコル／バスあるいはＣＡＮプロトコル／バスである。ＬＩＮバスはシリアル通信プロトコルに基づいたサブバスシステムである。バスは、データを伝送するために単一のワイヤを用いる、シングルマスタ／マルチプルスレーブバスである。Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ ＮｅｔｗｏｒｋすなわちＣＡＮプロトコルは、自動車に搭載されるエンジン管理システム、ウォータポンプ、オイルポンプ、アクティブサスペンション、ＡＢＳ、ギアコントロール、照明コントロール、空調、エアバッグ、セントラルロッキングなどの種々の電子機器の間における通信方法である。ＰＷＭすなわちパルス幅変調は、制御回路を含む種々のアプリケーションにおいて用いられる一種のデジタル信号である。

図２はポンプの平面図である。排出ボリュート１３はエンジンブロック（図示せず）の協働溝に係合する。ハウジング１０はエンジンブロックに直接取付けられる。吸込み、すなわち吸入側１５０はエンジンの流体管（図示せず）に協働的に係合する。

図３はポンプの平面図である。固定具（図示せず）は、エンジンブロック（図示せず）のような取付け面にポンプを取付けるために取付孔１４に係合する。

図４は図解されたクーラントシステムである。ポンプ１０００はエンジン（Ｅ）に搭載される。エンジン（Ｅ）は３つのシリンダ（１）、（２）、（３）を備える。エンジン（Ｅ）は必要に応じて如何なる数のシリンダを備えていてもよい。ウォータジャケット（Ｊ）はシリンダを取り囲む。このシステムはさらに、ラジエター（Ｒ）とエンジントランスミッションオイル熱交換器（ＯＣ）と補助熱交換器（ＡＵＸ）と排気マニフォルド熱交換器（ＥＭ）とを備える。

熱管理モジュール２０００がポンプ１０００の吸入側に取付けられる。モジュール２０００は複数のバルブ２００１、２００２、２００３、２００４、２００５、２００６を備える。各バルブは、システムの要素のためにクーラントの流れを制御する。バルブ２００１はラジエターＲへの流れを制御する。バルブ２００２は熱交換器ＯＣへの流れを制御する。バルブ２００３は熱交換器ＡＵＸへの流れを制御する。バルブ２００４はＲ、ＯＣ、ＡＵＸ、ＥＭからの還流を制御する。バルブ２００５はポンプ１０００からの再循環流とＥＭへの流れを制御する。バルブ２００６はＥ、ＥＭ、ＡＵＸ、ＯＣ、Ｒからの還流を制御する。複数のセンサと入力信号（３００１）を介してエンジンＥＣＵは、エンジンおよびシステムの状態と、大気状態と、システムおよび運転者の要求とを検知して、各バルブを所望の位置にセットし、クーラントの流れを調整することにより、エンジンおよびシステムの熱性能を制御する。各バルブはポンプの吸入口１５１に流体的に連通している。

図５は分解図である。モータは３相モータである。巻線２０２（ａ）は第１相である。巻線２０２（ｂ）は第２相である。巻線２０２（ｃ）は第３相である。この実施形態において、各相は３つの固定極を備える。しかし、単相または複数相に接続した個々の極のために巻線が用いられてもよい。ガスケット１５はハウジング１０とエンジンＥの間をシールする。

図６はロータ磁石とフレームの斜視図である。磁石１１０はフレーム１１５に取付けられる。フレーム１１５はシャフト１００に圧入される。フレーム１１５は冷却風を循環させるためにブレードを備えてもよい。

磁石１１０は、円周の周りに極を有する環状磁石であってもよく、また交互の位置に極を有する複数の個々の磁石であってもよい。磁石はフェライト、レア・アース、あるいは他の公知の材料であってもよい。磁石は公知の方法を用いてフレームに取付けられる。

図７、８は、フレーム７１５に取付けられた永久磁石７１０から成る従来技術の永久磁石回転子７００を示す。当業者は、いくつかの例において、永久磁石７１０が接着剤によりフレーム７１５に固定されるが、締り嵌め、溶接等の他の接続機構が通常用いられることを理解するであろう。

図９Ａ～図９Ｄは、本発明のロータ９００を製造する１つの方法を示す。ここで、ダイ９２０は、最終的にはロータのフレーム９１５になる粉体材料９２４が充填される。次に、第２の粉体材料９２８がダイ９２０の最初の材料９２４の上に加えられる。次に、混合された材料がラム９３２によって圧縮され、ロータ９００の最終形状を成形する。当業者は、ロータを形成する構成部材の間の接着力を高めるために加熱工程が必要であることを理解するであろう。最後に、磁石９３６が磁石側面９１０に隣接したロータ９００に導入され、公知の方法を用いて磁化する。

図１０Ａ～図１０Ｄは、本発明のロータ９００を製造する２ステップ方法を示す。この方法において、フレーム９１５に関連する材料９２４は、ダイ９２０に加えられ、ラム９３２によって圧縮される。次に、強磁性体を備える第２の粉体材料９２８がダイ９２０の成形されたフレーム９１５の上に加えられ、圧縮されてロータ９００を成形する。構成部材の間の接着力を高めるために加熱処理が必要であるかもしれない。上述したように、構成材料の間の接着力を高めるために、第３の構成部材が上述した工程のいずれかにおいて用いられてもよい。最後に、磁石９３６が磁石側面９１０に隣接したロータ９００に導入され、公知の方法を用いて磁化する。

本発明の形態が説明されたが、ここに記載された発明の精神と範囲から逸脱することなく、当業者が、構成と部分の関係と方法において変形を施すことは自明である。特に否定しない限り、図面に示された要素は尺度を表さない。数値の例は本発明を説明するために用いられ、特許請求の範囲の幅を限定しない。さらに、「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」または「ｓｔｅｐ ｆｏｒ」の語句が明確に用いられていない限り、添付された特許請求の範囲の要素のいずれかが米国特許法第１１２条（ｆ）の問題を引き起こすことは意図していない。本件の開示は、図面に示され、またここに記載された、代表的な実施形態または数値の大きさに限定されるものではない。

本発明の種々の実施形態が詳細に記載されたが、それらの実施形態の修正と変更が当業者に生じることは明らかである。そのような修正と変更は、次の請求の範囲に記載された、本発明の範囲と精神の範囲内であることは明確に理解されるべきである。さらに、ここに記載された本発明がアプリケーションにおいて、前述の記載または図面に表示された、詳細な構成および要素の配置に限定されないことは理解されるべきである。
本発明は、他の実施形態を可能にし、実行を可能にし、あるいは種々の方法で実施可能にする。またここに用いられた言い回しおよび用語は記述のためであり、限定を意図すべきでないことは理解されるべきである。「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」または「ｈａｖｉｎｇ」および種々の語句は、付加的な事項と同様に、この後に記載された事項と均等物を包含することを意味する。

Claims (12)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに取付けられたカバーと、
   前記ハウジング内に設けられた固定子とを備え、前記固定子がリングに取付けられた複数の固定極を有し、各固定極が電気巻線を有し、
   単一のベアリングにより前記固定子に対して協働的関係で前記ハウジングに枢支されたロータとを備え、前記ロータが焼結工程により製造され、焼結工程が
   第１の材料をダイに加え、
   前記ダイの前記第１の材料の上に第２の材料を加え、
   前記ダイの中において前記第１の材料と前記第２の材料を圧縮し、
   前記第２の材料を磁化させ、
   前記ロータの端部に固定されたインペラと、
   前記固定極に対して協働的関係で前記ロータの端部に取付けられた複数の磁石と、
   前記ロータと前記ハウジングの間にあることにより前記固定子と前記磁石がドライ領域にあるシールと、
   前記固定子が前記ハウジング内においてサーマルポッティングに取り囲まれ、
   前記カバー内に設けられるパワーエレクトロニクスとを備える
   超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。
2. 前記電気巻線が平線である請求項１に記載の超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。
3. 前記電気巻線が丸線である請求項１に記載の超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。
4. 前記ロータが複列ボールベアリングに軸支される請求項１に記載の超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。
5. 前記インペラが前記ロータに取付けられた片持ち梁である請求項１に記載の超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。
6. ハウジングと、
   前記ハウジングに取付けられたカバーと、
   前記ハウジング内に設けられた固定子とを備え、前記固定子がリングに取付けられた複数の固定極を有し、各固定極が電気巻線を有し、
   単一のベアリングにより前記固定子に対して協働的関係で前記ハウジングに枢支されたロータとを備え、前記ロータが焼結工程により製造され、焼結工程が
   第１の材料をダイに加え、
   前記第１の材料を圧縮してロータフレームを成形し、
   第２の強磁性体材料を前記ロータフレームの上の前記ダイに加え、
   前記第２の材料を前記ロータフレームに対して圧縮し、
   前記ロータの端部に固定されたインペラと、
   前記固定極に対して協働的関係で前記ロータの端部に取付けられた複数の磁石と、
   前記ロータと前記ハウジングの間にあることにより前記固定子と前記磁石がドライ領域にあるシールと、
   前記固定子が前記ハウジング内においてサーマルポッティングに取り囲まれ、
   前記カバー内に設けられるパワーエレクトロニクスとを備える
   超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。
7. 前記電気巻線が平線である請求項６に記載の超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。
8. 前記電気巻線が丸線である請求項６に記載の超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。
9. 前記ロータが複列ボールベアリングに軸支される請求項６に記載の超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。
10. 前記インペラが前記ロータに取付けられた片持ち梁である請求項６に記載の超扁平アクチュエータ・ウォータポンプ。
11. 第１の材料をダイに加え、
    前記ダイの前記第１の材料の上に第２の材料を加え、
    前記ダイの中において前記第１の材料と前記第２の材料を圧縮し、
    前記第２の材料を磁化させる
    電気モータの固定子に協働するように構成されたロータを製造する方法。
12. 第１の材料をダイに加え、
    前記第１の材料を圧縮してロータフレームを成形し、
    第２の強磁性体材料を前記ロータフレームの上の前記ダイに加え、
    前記第２の材料を前記ロータフレームに対して圧縮する
    電気モータの固定子に協働するように構成されたロータを製造する方法。

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