JP5171307B2 - クローポール型モータ及び該モータを備えたポンプ - Google Patents

Description

本発明は、クローポール型モータ及びこのクローポール型モータを備えたポンプに関する。

例えば、液体を吸排するポンプには、羽根車を回転駆動させるモータとして爪磁極を有したクローポール型モータを使用したものが知られている。このクローポール型モータは、構造が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（例えば、特許文献１参照）。このクローポール型モータにおいては、軸方向のコイル厚さを鉄心板厚の１〜１．７倍に設定している。
このクローポール型モータを備えたポンプは、液体を吸排する羽根車と、吸入口及び吐出口を有するポンプケースと、羽根車を回転自在に収容させるポンプ室を前記ポンプケースと対をなして形成する分離板と、羽根車を回転駆動させるマグネットを有したロータと、爪磁極を有すると共にロータに回転駆動力を伝達するステータとを備え、前記分離板によって前記ロータとステータとを分離している。
特開平７−１２３６８９号公報

ところで、前記背景技術によれば、軸方向のコイル厚さを鉄心板厚の１〜１．７倍に設定することにより、クローポール型モータの軸方向厚さを薄くすることはできるが、径方向の大きさを低減することができないという問題があった。特に、クローポール型モータをポンプの回転駆動源として用いる場合には、 モータの径を小さくすることによってポンプを小型化することが求められている。

そこで、本発明は、出力特性の効率を高く保持しつつ、径方向の大きさを低減できるクローポール型モータ及びこれを備えたポンプを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係るクローポール型モータは、回転可能に支持されたロータと、該ロータに回転駆動力を伝達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、前記ステータは、鉄心の内方に巻線が収納配置されており、前記鉄心の軸方向に直交する方向の鉄心断面積を、ステータ全体の軸方向に直交する方向のステータ断面積で割った鉄心割合値を０．２２５とし、前記ステータの鉄心を、磁性粉を圧縮して成形した圧粉鉄心で構成したことを特徴とする。

また、本発明に係るポンプは、駆動源として前記クローポール型モータを用いたことを特徴とする。

本発明に係るクローポール型モータによれば、鉄心断面積をステータ断面積で割った鉄心割合値を０．２２５に設定したため、高いモータの出力効率を維持したままでモータの径方向の寸法を低減することができる。

また、モータの小型化によって、ポンプ自体の小型化も実現することができる。

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実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態によるポンプを示す斜視図である。

このポンプ１は、外表面がポンプケース３とモールド樹脂２３とによって覆われており、略円盤状のポンプケース３の径方向中央部には円筒状の吸入口７が突設されている。また、ポンプケース３には、前記吸入口７からポンプ１内に流入した液体を排出する円筒状の吐出口９が上方に向けて延設されている。

図２は、図１のＡ−Ａ線による断面図である。

このポンプ１には、第１実施形態によるクローポール型モータ１１が設けられている。該クローポール型モータ１１は、内周側に配置されて回転可能に支持されたロータ１３と、該ロータ１３の外周側に配設されたステータ１５と、該ステータ１５で発生させた磁界を制御する制御基板１７とを備えている。このように、第１実施形態のクローポール型モータ１１は、内周側にロータ１３を配置し且つ外周側にステータ１５を配置した、いわゆるインナー型ロータ構造となっている。

また、ポンプ１には、クローポール型モータ１１の回転駆動力によって回転すると共に、液体を吸排する羽根車１９と、前記ロータ１３及びステータ１５を分離する分離板２１と、該分離板２１と対をなしてポンプ室２５を画成するポンプケース３とが設けられており、該ポンプケース３においては、側面の略中央部に吸入口７が設けられ、上方に向けて吐出口９が設けられている。なお、ステータ１５、制御基板１７、及び分離板２１は、例えば不飽和ポリエステルなどからなるモールド樹脂２３で被覆されている。ステータ１５と分離板２１を面接触状態で接触させてもよい。

ポンプ室２５は、ポンプケース３に、ロータ１３とステータ１５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２１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３と分離板２１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。

羽根車１９は、ポンプ室２５に設けられた固定軸２７に対し軸受け部２９，３１を介して回転自在に支承されている。かかる羽根車１９は、固定軸２７に結合されており、固定軸２７を中心に回転することにより、吸入口７からポンプ室２５内へと吸い込んだ液体に遠心力を与えて吐出口９からポンプ外へと排出する。この羽根車１９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２９，３１の側部には、受板３３，３３が設けられている。

このクローポール型のステータ１５では、銅製の巻線である環状コイル３５に通電することで、発生した磁界を爪磁極３７，３９からロータ１３へと効率良く伝達することができる。

制御基板１７は、ステータ１５とロータ１３との背面に設けられており、位置検出部４１からの信号を受けて環状コイル３５で発生した磁界を制御する。そして、この制御基板１７は、前記したステータ１５と共にモールド樹脂２３で被覆されている。

ロータ１３は、羽根車１９に一体的に設けられた円筒体として形成され、その円筒部の外壁に磁気回路（磁束）を構成するマグネット４３を設けている。マグネット４３と分離板２１との間には、ロータ１３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１５は、図３に示すように略円筒状に形成され、前記ロータ１３の外周側に分離板２１を介して対向配置されている。図３，４に示すように、このステータ１５は、モータ１１の軸方向に２分割された鉄心４５と、該鉄心４５の内方に、巻回された状態で保持された環状コイル（銅製の巻線）３５とを備えている。前記鉄心４５における第１分割体４７及び第２分割体４９の内周には、周方向に沿ってそれぞれ計４つずつの爪磁極（クローポール）３７，３９が所定間隔をおいて配置されている。つまり、第１分割体４７の内周には、第２分割体４９に向けて爪磁極３７が延設されており、第２分割体４９の内周には、第１分割体４７に向けて爪磁極３９が延設されている。従って、図３に示すように、鉄心４５全体の内周を周方向に沿って見ると、前記第１分割体４７の爪磁極３７と、第２分割体４９の爪磁極３９とが交互に並んで配置されている。

図４に示すように、第１分割体４７は、外周側に配置された円環部５１と、該円環部５１の端縁から内周側に延びる頂部５３と、該頂部５３の内周側の端縁から分割体の軸方向に沿って延びる爪磁極（クローポール）３７とが一体に形成されている。これらの頂部５３及び爪磁極３７は、円環部５１の周方向に沿って等間隔に４つずつ配設されている。

また、第２分割体４９も、前記第１分割体４７と対称な形状に形成されており、円環部５５と、頂部５７と、爪磁極（クローポール）３９とが一体に形成されている。

そして、これらの第１分割体４７と第２分割体４９とを組み合わせて、本実施形態による鉄心４５が構成される。

また、ステータ１５の鉄心４５である第１分割体４７と第２分割体４９とは、磁性粉を圧縮して成形した圧粉鉄心で構成されている。

図５は図３の鉄心のＢ−Ｂ線による概略的な断面図、図６は図３のステータのＢ−Ｂ線による概略的な断面図である。

図５に示す断面において、外周側の円は、鉄心４５を構成する第１分割体４７の円環部５１の断面であり、内周側の複数の円弧は、第１分割体４７における爪磁極３７と第２分割体４９における爪磁極３９とが交互に配列された断面である。図５に示す斜線部分の断面積は、鉄心４５におけるステータ１５の軸方向に直交する断面積であり、これを鉄心断面積とする。

また、図６に示す断面において、外周側の円は、鉄心４５を構成する第１分割体４７の円環部５１の断面であり、内周側の複数の円弧は、第１分割体４７における爪磁極３７と第２分割体４９における爪磁極３９とが交互に配列された断面である。そして、外周側の円と内周側の円弧との間に配置された中央側の部分は、環状コイル３５の断面を示す。従って、これらの円環部５１、爪磁極３７，３９、及び環状コイル３５を合わせた断面積は、ステータ１５全体における軸方向に直交する方向の断面積であり、これをステータ断面積とする。即ち、ステータ断面積は、前記鉄心断面積に環状コイル３５の断面積を加えた、図６の断面の全部を合計した断面積である。

そして、前記鉄心断面積をステータ断面積で割った鉄心割合値を０．１７〜０．２８に設定している。この鉄心割合値が０．１７未満の場合は、爪磁極３７，３９の磁気飽和領域が増加するため、モータの出力効率が低下するという問題がある。また、鉄心割合値が０．２８を超える場合は、ステータ１５全体における鉄心４５の割合が増大するため、環状コイル３５をあまり巻回することができず、環状コイル３５の量が低下する。これによって、銅損が増大してモータの出力効率が低下するという問題がある。

なお、前記鉄心割合値は、０．１８〜０．２７とすることが好ましく、０．２１〜０．２４に設定することが更に好ましい。

図７は、鉄心割合値とモータの出力効率との関係を示すグラフである。

モータの出力効率は、鉄心割合値が０．２２５近傍のときが最も高く、約７７％の値を示す。本実施形態の鉄心割合値は、モータの出力効率が６５％となるときの鉄心割合値０．１７〜０．２８に設定されている。また、モータの出力効率が７０％となるときの鉄心割合値０．１８〜０．２７に設定することが好ましい。なお、モータの出力効率が７５％となるときの鉄心割合値０．２１〜０．２４に設定することが更に好ましい。

前記構成を有するポンプにおける液体の流れを簡単に説明する。

図２に示すように、まず、環状コイル３５への通電により発生する磁界が爪磁極３７，３９からマグネット４３と伝達されることにより該マグネット４３が吸引反発することで、前記ロータ１３と一体的に設けられた羽根車１９が、前記固定軸２７を中心として回転する。そして、この羽根車１９の回転に伴いポンプ作動力が発生し、液体が吸入口７よりポンプ室２５内へと吸い込まれ、このポンプ室２５内で加圧されて外周方向へ圧送された液体は吐出口９からポンプ外へと吐出される。

次いで、本発明の実施形態による作用効果を説明する。

前記鉄心断面積をステータ断面積で割った鉄心割合値を０．１７〜０．２８に設定している。前述したように、この鉄心割合値が０．１７未満の場合は、爪磁極３７，３９の磁気飽和が増加する。また、鉄心割合値が０．２８を超える場合は、ステータ１５全体における鉄心４５の割合が増大するため、環状コイル３５の量が低下する。従って、鉄心割合値が０．１７未満の場合、及び０．２８を超える場合の双方において、モータの出力効率が低下するという問題がある。以上より、鉄心割合値を０．１７〜０．２８に設定することにより、モータの出力効率を高く維持することにより、モータを小型化することができる。

また、前記鉄心割合値は、０．１８〜０．２７とすることが好ましく、０．２１〜０．２４に設定することが更に好ましい。このように、鉄心割合値を０．２２５に近づけるほど、モータの出力効率が向上する。

本実施形態のポンプ１では、金型のキャビティー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１５を使用している。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とされたもので、高周波での鉄損失が低い（渦電流損失が低い）という利点を備えている。

このように、第１実施形態のポンプでは、ステータ１５を圧粉鉄心で構成しているので、これまでステータ１５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他、従来同等の性能でより小型化される。

また、本実施形態によるモータは、いわゆるインナー型ロータ構造である。外周側に配置されるステータ１５の径寸法が低減されるため、モータ自体の径を小さくして小型化することができる。

また、本実施形態のポンプ１では、ステータ１５全体をモールド樹脂２３で被覆しているので、このモールド樹脂２３によってステータ１５を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。さらに、分離板２１全体もモールド樹脂２３で被覆されているので、分離板２１とモールド樹脂２３との接触面積が増えることからこの分離板２１を通して伝達されるモータの熱及び液体の熱をより一層放熱させることができるため、更なるモータ効率を高めることができる。

［第２実施形態］
次いで、本発明の第２実施形態について説明する。ただし、前記第１実施形態と同一構造については同一符号を付して、説明を省略する。

第２実施形態のクローポール型モータは、外周側にロータを配置し且つ内周側にステータを配置した、いわゆるアウター型ロータ構造となっている。

図８は本発明の第２実施形態によるポンプを示す断面図である。

このポンプ６１においては、内周側には、ステータ６３が配設され、該ステータ６３の外周側に分離板６５を介して円筒状のロータ６７が回転可能に配設されている。

ロータ６７の内周には、マグネット４３が配置されており、該マグネット４３の内周面と分離板６５との間には、僅かなクリアランスが形成されている。また、羽根車１９の中央部には軸受け部６９が固定されており、羽根車１９は、軸受け部６９を介して固定軸２７に回転可能に支持されており、固定軸２７を中心に羽根車１９が回転する。

前記固定軸２７には、図９に示すステータ６３が保持されている。このステータ６３は、外方に鉄心７１が配置され、該鉄心７１の内方に環状コイル（銅製の巻線）３５が収納配置されている。

前記鉄心７１は、図１０に示すように、左右両側に分割された第３分割体７３と第４分割体７５とを組み合わせて構成されている。第３分割体７３は、内周側に配置された頂部７７と、該頂部７７の外周側の端縁からステータ６３の軸方向に延びる爪磁極（クローポール）７９と、前記頂部７７に形成された突出部８１とが一体に形成されている。これらの爪磁極７９は、頂部７７の周方向に沿って等間隔に３つずつ配設されている。

また、第４分割体７５も、前記第３分割体７３と対称な形状に形成されており、頂部８３と、爪磁極（クローポール）８５と、突出部８７とが一体に形成されている。

そして、これらの第３分割体７３と第４分割体７５とを組み合わせて、本実施形態による鉄心７１が構成される。なお、第３分割体７３の突出部８１と第４分割体７５の突出部８７との外周に、環状コイル３５が巻回されている。

この場合においても、図９に示す鉄心７１を軸方向の中間部分で切断した断面の鉄心断面積を、ステータ６３全体のステータ断面積で割った値を０．１７〜０．２８に設定している。第１実施形態で説明したように、この鉄心割合値が０．１７未満の場合は、爪磁極の磁気飽和が増加する。また、鉄心割合値が０．２８を超える場合は、ステータ６３全体における鉄心７１の割合が増大するため、環状コイル３５の量が低下する。従って、鉄心割合値が０．１７未満の場合、及び０．２８を超える場合の双方において、モータの出力効率が低下するという問題がある。以上より、鉄心割合値を０．１７〜０．２８に設定することにより、モータの出力効率を高く維持することにより、モータを小型化することができる。

また、前記鉄心割合値は、０．１８〜０．２７とすることが好ましく、０．２１〜０．２４に設定することが更に好ましい。このように、鉄心割合値を０．２２５に近づけるほど、モータの出力効率が向上する。

また、本実施形態によるモータは、いわゆるアウター型ロータ構造である。内周側に配置されるステータ６３の径寸法が低減されるため、モータ自体の径を小さくして小型化することができる。

なお、本発明においては前述した実施形態に限定されず、本発明の技術思想に基づいて種々の変形及び変更が可能である。

例えば、前記第１実施形態及び第２実施形態では、ステータ１５，６３の鉄心４５，７１を圧粉鉄心で構成したが、この圧粉鉄心以外にも、金属ガラスで形成したり、樹脂バインドを用いたインジェクション成形で形成しても良い。

金属ガラスとは、酸化物ガラスのように安定なアモルファスであり、高温でも容易に変形する金属である。従来のアモルファスとは異なり、比較的遅い冷却速度でもガラス化して結晶化しにくい材料である。金属ガラスで形成した鉄心は、圧粉鉄心の場合よりも渦電流損が抑制され、モータの出力効率及び出力トルクが向上するという効果を得ることができる。

また、前記鉄心４５，７１を、絶縁被覆された鉄粉と樹脂バインドとを混合させた磁性材料を用いたインジェクション成形によって作製しても良い。この場合は、圧粉鉄心の場合よりも渦電流損が抑制され、製造コストを安価に抑えることができる。なお、樹脂バインドの例としては、ナイロンやＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）が好ましい。このＰＰＳは、高耐熱のス−パ−エンジニアリングプラスチックに分類されており、ほとんどの酸、アルカリ、及び有機溶剤に犯されることが無く、強度、弾性率、疲労特性に優れている。

本発明の第１実施形態によるポンプを示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線による断面図である。 図２のステータを示す斜視図である。 図３のステータを構成する鉄心を分解した斜視図である。 図３の鉄心のＢ−Ｂ線による概略的な断面図である。 図３のステータのＢ−Ｂ線による概略的な断面図である。 鉄心割合値とモータの出力効率との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態によるポンプを示す断面図である。 図８のステータを示す斜視図である。 図９のステータを構成する鉄心の分解斜視図である。

符号の説明

１，６１…ポンプ
３…ポンプケース
７…吸入口
９…吐出口
１１…クローポール型モータ
１３，６７…ロータ
１５，６３…ステータ
１７…制御基板
１９…羽根車
２１，６５…分離板
２３…モールド樹脂
２５…ポンプ室
２７…固定軸
３５…環状コイル（巻線）
３７，３９，７９…爪磁極
４１…位置検出部
４３…マグネット
４５，７１…鉄心
４７…第１分割体
４９…第２分割体
５１，５５…円環部
５３，５７，７７，８３…頂部
７３…第３分割体
７５…第４分割体
８１，８７…突出部

Claims (4)

1. 回転可能に支持されたロータと、
   該ロータに回転駆動力を伝達するステータとを備え、
   前記ステータは、外周側に配置された鉄心の内方に巻線が収納配置され、
   前記鉄心におけるモータの軸方向に直交する方向での鉄心断面積を、ステータ全体におけるモータの軸方向に直交する方向でのステータ断面積で割った鉄心割合値を０．２２５とし、
   前記ステータの鉄心を、磁性粉を圧縮して成形した圧粉鉄心で構成したことを特徴とするクローポール型モータ。
2. 前記クローポール型モータは、分離板を介して内周側にロータを配置し且つ外周側にステータを配置したインナー型ロータ構造としたことを特徴とする請求項１に記載のクローポール型モータ。
3. 前記クローポール型モータは、分離板を介して外周側にロータを配置し且つ内周側にステータを配置したアウター型ロータ構造としたことを特徴とする請求項１または２に記載のクローポール型モータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のクローポール型モータを備えたことを特徴とするポンプ。

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