JP5231509B2

JP5231509B2 - 電動ポンプ

Info

Publication number: JP5231509B2
Application number: JP2010243554A
Authority: JP
Inventors: 貴行近岡
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP2012097585A

Description

本発明は、電動モータにより駆動されるポンプに関する。

従来、ポンプロータとアウタロータとを有するトロコイド型のオイルポンプとして特許文献１に記載の技術が開示されている。この公報には、ポンプロータの内部に固定された駆動軸と電動モータとが連結され、電動モータによってポンプを駆動している。

特開２００９−６８４０８号公報

しかし、特許文献１に記載の電動ポンプでは、安定したポンプ吐出状態を維持するためには、ポンプにおいて必要なトルクよりも電動モータの出力するトルクが大きくなる関係を維持する必要がある。このとき、ポンプの脈動と電動モータのトルク変動に伴う脈動とが個別に発生すると、電動モータ側は大きめのトルクを出力する必要があり、ポンプの効率の低下を招くおそれがあった。
本発明の目的とするところは、効率を向上可能な電動ポンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電動ポンプは、モータの磁極数とスロット数の最小公倍数が、ポンプロータの歯数の整数倍となるように設定し、かつ、ポンプの脈動による必要最大トルク（ある時点でのポンプに必要な最大トルク：ポンプに作用する負荷により変化する）タイミングと、モータの脈動による最小トルク（モータに流れる電流が所定値のときの最小値：電流値が変化すれば最小値も変化する）出力タイミングとが一致しないように、モータロータとポンプロータとの相対角度を設定した。

よって、永久磁石モータが出力するトルクを小さくでき、高い効率の電動ポンプを提供することができる。

実施例１の電動ポンプの正面図である。実施例１の電動ポンプの側面図である。実施例１の電動ポンプのＢ−Ｂ断面図である。実施例１の電動ポンプの分解斜視図である。実施例１の電動ポンプのＡ−Ａ断面図である。実施例１の電動ポンプのポンプ要素とモータ要素の相対角度を表す図である。モータ要素の脈動周波数とポンプ要素の脈動周波数とがばらばらの構成におけるトルク変動の様子を表す特性図である。実施例１のモータ要素の脈動周波数とポンプ要素の脈動周波数とが一致した構成におけるトルク変動の様子を表す特性図である。

［実施例１］
本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１は実施例１の電動ポンプの正面図、図２は実施例１の電動ポンプの側面図、図３は実施例１の電動ポンプのＢ−Ｂ断面図、図４は実施例１の電動ポンプの分解斜視図、図５は実施例１の電動ポンプのＡ−Ａ断面図である。実施例１の電動ポンプは、アイドルストップ機能を備えた車両の自動変速機用に搭載されるポンプである。この自動変速機はベルト式無段変速機であり、エンジンにより駆動されるメインポンプを別途備えている。そして、アイドルストップ制御によるエンジンの停止時には、メインポンプによる油圧が確保できず、また、ベルト式無段変速機内の摩擦締結要素やプーリからのリーク等によって油圧が低下すると、再発進時に必要な油圧を確保するまでに時間がかかるため、運転性の低下を招く。そこで、メインポンプとは別に、エンジンの作動状態に関わらず油圧を吐出可能な電動ポンプを備え、摩擦締結要素やプーリからのリーク分の油圧を担保することで、エンジン再始動及び再発進時の運転性を向上している。

実施例１の電動ポンプは、外歯を有するポンプロータ２２と内歯を有するアウタロータ２１とから構成されるポンプ要素と、ポンプロータ２２に接続されたモータロータ３３とステータ３とから構成されるモータ要素とを有する。これらポンプ要素及びモータ要素は、一つのセンターハウジング２に収容される。センターハウジング２は、軸方向外側に向けて両端において開口を有し、一方の開口内周にアウタロータ２１を回転可能に収装するポンプ要素収容部２４が形成された筒状のポンプ収容部２ａが形成され、他方の開口内周においてステータ３を固定支持すると共に内部にモータロータ等を収容するモータ収容部２ｂが形成され、更にモータ収容部２ｂよりも軸方向外側には、自動変速機に取り付けるためのブラケット２ｃが形成されている。また、図５のＡ−Ａ断面図に示すように、センターハウジング２内部には、ロータ駆動軸３２を回転可能に支持する円筒状支持部２ｄと、この円筒状支持部２ｄをセンターハウジング２の外周と連結すると共にポンプ収容部２ａとモータ収容部２ｂとの間を画成する隔壁を有する。そして、円筒状支持部２ｄの内周でロータ駆動軸３２を支持すると共に、モータ収容部２ｂ側の端部において、ロータ駆動軸３２と円筒状支持部２ｄ内周との間をシールするシール部材３１が設けられている。

ポンプカバー１は、ポンプ要素の吐出領域と連通する円筒状に延在された吐出ポート１１と、ポンプ要素の吸入領域と連通する吸入ポート１２と、を有する。吐出ポート１１の先端外周には、シールリング１１ｂが取り付けられるシールリング溝１１ａが形成されている。また、ポンプカバー１には、周方向三箇所にボルト穴１３が形成され、センターハウジング２に形成されたボルト穴２３に対し、ボルト１４によって締め付け固定される。また、モータ収容部２ｂを閉塞するモータカバー４は、モータ収容部２ｂを閉塞する閉塞面４１と、閉塞面４１から立設されモータ収容部２ｂの内壁に挿入される円筒状立設部４２と、ブラケット２ｃのフランジ面と当接しシール部材１６を押圧すると共にボルト５が貫通する貫通孔を備えたフランジ面４３とを有する。これにより、モータ収容部２ｂ内は乾燥室として構成され、ポンプ収容部２ａの内部及びポンプ外周は湿室として構成される。

ポンプ要素は、外歯数Ｎｒ＝１２を備えたポンプロータ２２と、内歯数が１３のアウタロータ２１とを有する。ポンプロータ２２は、中心に二面幅を有する連結孔２２ａが形成され、ロータ駆動軸３２のポンプ側端部に形成された二面幅３２ａと嵌合する。これにより、ロータ駆動軸３２とポンプロータ２２との回転方向相対位置が決定されると共に動力伝達が行われる。

モータ要素は、磁極数Ｎｍ＝４のモータロータ３３と、スロット数Ｎｓ＝６のステータ３とを有する。すなわち、ステータ３のステータコア３４に形成された６つのティースにそれぞれコイル３５が巻回されてスロットを形成している。モータロータ３３は、断面略コの字状の円筒部材であり、円筒外周に永久磁石331，332がＮ極とＳ極とが交互に並ぶように４つ取り付けられている。モータロータ３３の円筒を閉塞している支持面の中心には、二面幅を有する連結孔３３ａが形成され、ロータ駆動軸３２のモータ側端部に形成された二面幅３２ｂと嵌合する。これにより、ロータ駆動軸３２とモータロータ３３との回転方向相対位置が決定されると共に動力伝達が行われる。尚、ポンプロータ２２と、ロータ駆動軸３２と、モータロータ３３との回転角に基づく位置関係については後述する。

図５に示すように、自動変速機のハウジング100には、電動ポンプを収容する電動ポンプ収容部が形成されている。具体的には、図外のコントロールバルブユニットに油圧を供給する吐出油路103と、電動ポンプのポンプ部が収容された状態で吸入ポート１２と連通する吸入油路開口部102と、吸入油路開口部102よりも大径に形成されセンターハウジング２のモータ収容部２ｂの外周と略同一径を有するポンプ支持開口101と、ポンプ支持開口101のハウジング100外側開口縁に形成されたテーパ面１５とを有する。吐出油路103は吐出ポート１１の外周径と略同じであって挿入により嵌合支持される。吸入油路開口部102は、吐出油路103を取り囲む位置に形成された円筒状の空間であって、図外のオイルパン内に開口するオイル吸い込み口と連通する。また、ポンプ支持開口101はモータ収容部２ｂの外周との間で嵌合することで電動ポンプを径方向に支持する。また、テーパ面１５はモータ収容部２ｂ外周との間でシールリング１５を狭持する。電動ポンプはボルト５によりハウジング100の側壁に締め付け固定される。

（電動ポンプの脈動作用）
電動ポンプは、モータ要素の駆動によりロータ駆動軸３２が駆動され、ポンプ要素のポンプロータ２２が回転することで、流体吐出が行われる。このとき、モータ要素ではモータロータ３３の永久磁石とステータ３のコイル３５との間で脈動（コギングトルク）が発生する。また、ポンプ要素では吸入と吐出を繰り返す際に脈動が発生する。図７は、モータ要素の脈動周波数とポンプ要素の脈動周波数とがばらばらの構成におけるトルク変動の様子を表す特性図である。
このモータ脈動周波数とポンプ脈動周波数は以下のように表される。
モータ脈動周波数ｆｍ：（磁極数Ｎｍとスロット数Ｎｓの最小公倍数）×回転数Ｎ
ポンプ脈動周波数ｆｒ：歯数Ｎｒ×回転数Ｎ
例えば、
Ｎ＝５０ｒｐｓ（3000rpm），Ｎｍ＝６，Ｎｓ＝９のとき、ｆｍ＝１８×５０＝９００Ｈｚ
Ｎｒ＝７のとき、ｆｒ＝７×５０＝３５０Ｈｚ
このように、モータ脈動周波数ｆｍとポンプ脈動周波数ｆｒとが異なり、更に、ポンプロータ２２が最もトルクを必要とするピークで、モータの発生するトルクピークがずれていると、効率的にトルク伝達ができない。すなわち、モータの出力トルクを全体的に高くしなければ、ポンプロータ２２が必要とするトルクを付与できないため、無駄な電力を供給しなければならない。

そこで、ｆｍ／ｆｒ＝整数となるようにＮｍ，Ｎｓ，Ｎｒを調整し、脈動周波数をほぼ一致させる。特に、ｆｍ／ｆｒ＝１（ｆｍ＝ｆｒ）の時、最も効率が良い。
そこで、実施例１では、
ｎ＝５０ｒｐｓ（3000rpm）のとき、Ｎｍ＝４，Ｎｓ＝６とし、
ｆｍ＝１２×５０＝６００Ｈｚ
また、Ｎｒ＝１２とすると、
ｆｒ＝１２×５０＝６００Ｈｚ
となり、ｆｍ／ｆｒ＝６００Ｈｚ／６００Ｈｚ＝１（整数）を達成する。これにより、ポンプ要素において大きいトルクが必要なタイミングと、モータのトルクピークが一致させた場合には、最も高い効率が得られる。
しかしながら、ポンプ要素とモータ要素の脈動周波数を一致させた状態で、ポンプ要素が最も大きいトルクが必要なタイミングで、モータ要素が最も小さいトルクを出力する位相となった場合には、やはり、モータ要素の最も小さいトルクがポンプ要素の最も大きいトルクを上回る必要があり、不要な電力が要求されることになる。言い換えると、モータ要素が最も小さいトルクを出力するタイミングと、ポンプ要素が最も大きいトルクを必要とするタイミングとがずれていれば、その分、効率は向上し、モータ要素が最も小さいトルクを出力するタイミングと、ポンプ要素が最も小さいトルクを必要とするタイミングとが一致したときに最高効率が得られる。

図６は実施例１の電動ポンプのポンプ要素とモータ要素の相対角度を表す図、図８は実施例１のモータ要素の脈動周波数とポンプ要素の脈動周波数とが一致した構成におけるトルク変動の様子を表す特性図である。このように、モータ要素とポンプ要素の脈動周波数を一致させ、更に、脈動トルクのピーク位置を一致させるべく、ポンプロータ２２とモータロータ３３との相対的な位置を調整し、コイル３５の中心と永久磁石331の中心とをθだけずらす。この相対角度のずれは、磁石極数、スロット数、コイルへの通電順序によって生じるものであり、これによって、脈動トルクのピークを一致させることができる。この相対角度は、ロータ駆動軸３２の両端に形成された二面幅の相対角度で調整してもよいし、連結孔２２ａ，３３ａの相対角度によって調整してもよい。
尚、本発明を逸脱しない範囲で、ポンプの最大トルクが必要なタイミングと、モータの最大トルクピーク、又はポンプの最小トルクが必要なタイミングとモータの最小トルクピークがずれていても構わない（例えば、１／４位相）。

［効果］
以下、実施例１から把握される電動ポンプの効果を列挙する。
（１）複数の磁極を有するモータロータ３３と、複数のスロットを有するステータ３とを有する永久磁石モータと、モータロータ３３と接続されたロータ駆動軸３２と、ロータ駆動軸３２に接続された複数の歯を有するポンプロータ２２を有し、伝達されたトルクを流体吐出仕事に変換するポンプと、を備え、磁極数Ｎｍ（＝４）とスロット数Ｎｓ（＝６）の最小公倍数（＝１２）が、歯数Ｎｒ（＝１２）の整数倍（＝１）となるようにＮｍ，Ｎｓ，Ｎｒを設定し、かつ、ポンプの脈動による必要最大トルクタイミングと、モータの脈動による最小トルク出力タイミングと、を一致しないように、モータロータ３３とポンプロータ２２との相対角度θを設定した。
よって、効率の高い電動ポンプを提供することができる。
（２）ポンプの脈動による必要最大トルクタイミングと、モータの脈動による最大トルク出力タイミングとが一致するように相対角度θを設定した。よって、脈動トルクのピーク位置を一致させることができ、モータ出力トルクを効率よくポンプ駆動トルクとして使用することができるため、高い効率を得ることができる。
（３）磁極数Ｎｍとスロット数Ｎｓの最小公倍数と歯数とを一致するように設定した。よって、ポンプで必要とするトルクとモータから出力されるトルクとを一致させることができ、更に高い効率でポンプを駆動することができる。

２センターハウジング
２ａポンプ収容部
２ｂモータ収容部
３ステータ
４モータカバー
５ボルト
１１吐出ポート
１２吸入ポート
２１アウタロータ
２２ポンプロータ
２２ａ，３３ａ連結孔
３３モータロータ
３３ａ連結孔
３４ステータコア
３５コイル
103 吐出油路
331，332 永久磁石
ｆｍモータ脈動周波数
ｆｒポンプ脈動周波数
Ｎ回転数
Ｎｍ磁極数
Ｎｒ外歯数
Ｎｒ歯数
Ｎｓスロット数
θ 相対角度

Claims

複数の磁極を有するモータロータと、複数のスロットを有するステータとを有する永久磁石モータと、
前記モータロータと接続された駆動軸と、
前記駆動軸に接続された複数の歯を有するポンプロータを有し、伝達されたトルクを流体吐出仕事に変換するポンプと、
を備え、
前記磁極数と前記スロット数の最小公倍数が、前記歯数の整数倍となるように前記磁極数，前記スロット数及び前記歯数を設定し、かつ、ポンプの脈動による必要最大トルクタイミングと、モータの脈動による最小トルク出力タイミングとが一致しないように、前記モータロータと前記ポンプロータとの相対角度を設定したことを特徴とする電動ポンプ。
請求項１に記載の電動ポンプにおいて、
ポンプの脈動による必要最大トルクタイミングと、モータの脈動による最大トルク出力タイミングとが一致するように前記相対角度を設定したことを特徴とする電動ポンプ。
請求項１または２に記載の電動ポンプにおいて、
前記最小公倍数と前記歯数とを一致するように設定したことを特徴とする電動ポンプ。