JP5279822B2 - Ｂｌｄｃモータアセンブリ - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
なし
発明の背景
発明の分野
この発明は概して、ブラシレス直流（brushless direct current）（ＢＬＤＣ）モータアセンブリに関し、より特定的には、ＢＬＤＣモータアセンブリのロータ上に永久磁石セグメントを取付けるための改良された方法および構造に向けられる。

関連技術
電気モータのための電子制御システムを導入することにより、長寿命、長期効率、長期信頼性および低い電磁障害という産業上の目標が達成可能になった。これは、一つには、ブラシレス直流（ＢＬＤＣ）モータ技術の登場によるものである。

ＢＬＤＣモータアセンブリは、ステータが発生させる電磁場に応答してステータ内で動力が与えられて回転するように配設されたロータアセンブリを含む。ＢＬＤＣモータのロータは、その外面の周りに等しい弓形の単位で配列された複数の磁石セグメントを含む。典型的な例は４つの磁石セグメントを含み、各々がロータの円周の約９０°にわたる。このような磁石セグメントは、いわゆるネオ磁石タイプであってもよい。

一般に、磁石セグメントは、保護材料からなる薄層でコーティングされ、次いで、結合接着剤を用いてロータの下にあるハブセクションに付けられる。コーティング材料が磁石セグメントにしっかりと接着されない状況では、動作中に層間剥離が生じる可能性がある。下にあるハブ面から磁石が分離するというこの壊滅的な故障は、モータの損傷に繋がり得る。

先行技術は、ＢＬＤＣモータアセンブリにおいてロータに磁石セグメントを保持するための、接着剤以外の手法を提案してきた。たとえば、１９９６年１０月８日に発行されたスターク（Stark）の米国特許第５，５６３，６３６号は、スリーブのような外板を用いて磁石セグメントがロータ上の動作位置に固定されるロータアセンブリを開示している。しかしながら、このタイプの外板は、望ましくない重量、経費および複雑さをモータアセンブリに付加することになる。

永久磁石タイプのロータに磁石セグメントをしっかりと取付けようとする先行技術の試みの他の例は、１９８６年１１月２５日に発行されたカサビアン（Kasabian）の米国特許第４，６２５，１３５号を含む。この例では、永久磁石セグメントが、ねじが切られた締結具で付けられている。このような手法は、やはり、製造組立時間に大きく寄与し、モータアセンブリにさらなる故障モードをもたらし、構成要素の複雑さを大きく増大させる。

したがって、強く、軽量であり、大量生産の環境で効率的に実現されるブラシレス直流電気モータアセンブリのために、動作する配列でロータ上に永久磁石セグメントを取付けるための改良された方法および設計が必要である。

発明の概要
本発明は、液体燃料ポンプなどで用いられるタイプのブラシレス直流（ＢＬＤＣ）電気モータアセンブリのための、動作する配列でロータ上に永久磁石セグメントを取付けるための方法を意図している。上記方法は、外面を備えたハブセクションを有する回転シャフトを設けるステップと、複数の永久磁石セグメントを設けるステップとを備え、各磁石セグメントは対向する端部を有し、上記方法はさらに、ハブセクションの外面上の動作位置に磁石セグメントを支持するステップを備える。磁石セグメントを支持する上記ステップは、ハブの外面の周りに等しい弓形の単位で並べて磁石セグメントを配置するステップを含む。上記方法はさらに、導電性材料から環状リングを作製するステップと、支持された磁石セグメントの少なくとも一端をリングで緩く囲むステップとを含む。この発明は、各磁石セグメントを締め付けて、ハブの外面にきつく押付けて係合させ、それによって回転シャフト上の動作位置に磁石セグメントをまとめて保持するように、高エネルギパルス磁場を用いて強力な電流の流れを中に引き起こすことによってリングを急速に収縮させるステップを特徴とする。このようにして、ハブ上の磁石セグメントの保持が、高生産環境において信頼性があり、安価であり、かつ効率的に行なわれる方法を用いて実現される。

この発明はまた、液体燃料ポンプなどで用いられるタイプのＢＬＤＣ電気モータアセンブリを意図している。上記モータアセンブリは、制御された電磁場を生成するためのステータを備える。上記ステータは、モータアセンブリの中心長手方向軸を規定する。シャフトは、上記長手方向軸の周りで回転するように支持され、外面を有するハブセクションを含む。複数の永久磁石セグメントは、上記シャフトとともに回転するように上記ハブの上記外面上に支持される。各磁石セグメントは、長手方向に間隔があいた対向する端部を有する。上記磁石セグメントは、上記ハブの周りに等しい弓形の単位で並べて配置される。上記モータアセンブリは、上記配列された複数の磁石セグメントの上記端部のうちの少なくとも１つを囲む環状リングを特徴とし、上記リングは、上記磁石セグメントの各々を概して均一に圧縮して、上記ハブの周りで動作位置に上記磁石セグメントを保持するように電磁気形成動作の際に変形している。したがって、形成された上記リングは、高生産環境において効率的に行なわれる、信頼性のある、安価な態様で上記ハブ上に上記磁石セグメントを保持するように動作する。

さらに、この発明は、ＢＬＤＣ電気モータアセンブリにおいてロータ上に支持された磁石セグメントのアレイで用いられるタイプの永久磁石セグメントを意図している。上記磁石セグメントは、内面と、凸形の半円筒形の外面と、上端と、下端と、上記上端と下端との間にそれぞれ延在する、概して平行な対向する側部端縁とを備える。この発明の磁石セグメントは、環状リングを受けるための、上記上端および下端のうちの一方の端部に隣接した第１の舌部を特徴とし、上記リングは、その後、上記磁石セグメントを概して均一に圧縮して、ロータ上の動作位置に上記磁石セグメントを保持するように電磁気形成動作の際に変形する。

この発明に従って作られたモータアセンブリは、ＢＬＤＣ電気モータのためのロータアセンブリをしっかりと、確実にかつ安価に形成しようとするさまざまな先行技術の試みに特有の欠点および不利な点をすべて克服する。

本発明のこれらのならびに他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付図面に照らし合わせて検討するとより容易に理解されることになる。

例示的な液体燃料ポンプの斜視図である。 燃料ポンプ内に含まれるＢＬＤＣ電気モータアセンブリを示す、図１に示す燃料ポンプの分解図である。 概して図２における線３−３に沿った、本発明に係るＢＬＤＣ電気モータアセンブリの断面図である。 図３に示すＢＬＤＣ電気モータアセンブリのためのロータの回転シャフトおよびハブセクションの斜視図である。 本発明の永久磁石セグメントの斜視図である。 図５に示す磁石セグメントの側面図である。 ロータサブアセンブリの分解図である。 ＢＬＤＣ電気モータアセンブリのための組立てられたロータの斜視図であって、磁石セグメントの上端を保持するために用いられるリングが磁石セグメントの上端を緩く囲んでいる状態を誇張された形で実線で示し、同じリングが組立前の分解位置にある状態を想像線で示す図である。 破線で示されるように高エネルギパルス磁場の影響下でリングが急速に収縮する磁気形成動作を示す簡略化された概略図である。

好ましい実施例の詳細な説明
図を参照して、それぞれの図全体を通して同様の数字が同様のまたは対応する部分を示しているのだが、図１では、液体燃料ポンプは概して１０で示される。燃料ポンプ１０は、貯蔵タンクから内燃機関に移される燃料の、車両での適用例で用いられるタイプのポンプである。しかしながら、ポンプ１０は、燃料を移す以外の目的で用いられてもよく、実際、ＢＬＤＣモータアセンブリに関するこの発明の新規の局面は、燃料ポンプ１０または任意のポンプアセンブリ自体から完全に離れて、および燃料ポンプ１０または任意のポンプアセンブリ自体を全く参照することなく用いることができる。概して円筒形の構成を有するスリーブのようなハウジング１２を含む燃料ポンプ１０が示されている。出口キャップ１４は、ハウジング１２の上端を囲み、端子１６、１８、および燃料送出継手（図示せず）を取付けることができる燃料出口穴２０による電気的な接続のための境界面を提供する。

ここで図２を参照して、ポンプ１０の分解図が示され、ハウジング１２の内部のさまざまな構成要素が個々に示されている。逆止め弁ばねおよび部品２２は、出口穴２０と流体連通して出口キャップ１４の下面に嵌められる。概して２４で示されるＢＬＤＣモータアセンブリも、ハウジングキャップ１４に埋設された端子１６、１８の下方突出端部に電気的に接続するようにモータ端子２６、２８が並んだ状態で、出口キャップ１４の真下に位置する。

ポンプセクション３０は、モータアセンブリ２４の下端に連結される。しかしながら、ポンプセクション３０の代わりに、その他の被駆動構成要素または特徴をモータアセンブリ２４に連結することができ、これは、ここでは、例示することのみを目的として燃料ポンプの文脈で記載されている。ポンプセクション３０は、羽根型、容積式型、ローラ型などであり得る。ストレーナ３２は、ポンプセクション３０の下方に据付けられ、燃料ポンプ１０への入口を形成する。したがって、動作中に、燃料ポンプ１０は、ストレーナ３２を通して液体燃料を引き込み、ポンプセクション３０の駆動力によって、液体燃料が上向きにモータアセンブリ２４および出口キャップ１４の出口穴２０を強制的に流れるようにする。

図３は、概して図２における線３−３に沿ったＢＬＤＣモータアセンブリ２４を通る断面図である。ここで、上部ハウジング部３４と下部ハウジング部３６とを含むモータアセンブリ２４が示されている。ステータ３８の部分を構成するスタック積層構造は、上部ハウジング部３４と下部ハウジング部３６との間にとらえられている。ホール効果センサおよびＭｏｓ−ｆｅｔ（図示せず）などの素子を含む電気回路および制御装置は、上部ハウ
ジング部３４における回路基板３９上に含まれている。断面が示されているモータ端子２６、２８は、回路基板３９と電気的に導通する。シャフト４０は、組立てられた状態でポンプセクション３０が下部ハウジング部３６に連結されると、一端において上部ハウジング部３４によって、および反対側の下端においてポンプセクション３０によって、回転するように支持される。必要に応じて、軸受がシャフト４０を支持する。

ステータ３８は、慣例のプレート積層構造および巻線を含み、巻線の電線からの電気絶縁保護のためにさらに粉末でコーティングされてもよい。モータ端子２６、２８は、回路基板３９を通る適切な接続を介してステータ３８に電気的に接続される。ステータ３８は、通電されると、ＢＬＤＣモータに典型的な態様で電磁場を作り出す。

ロータ４２は、シャフト４０に動作可能に連結され、ステータ３８が発生させた電磁場に応答してステータ３８内で動力が与えられて回転するように配設される。ロータ４２は、図４〜図９に示される設計および手法に従って作製されてもよい。たとえば、図４は、上に組立てられたハブセクション４４を含むシャフト４０を示す。この発明の一実施例では、シャフト４０もハブ４４も、ステンレス鋼合金でできていてもよい。ハブ４４は、組立てられると単一構造を構成するようにシャフト４０に固着される。組立てられたシャフト４０およびハブ４４はプラスチック射出成形機（図示せず）に挿入され、その結果、組合わさった駆動継手４６および保持ポケット４８をハブ４４の下端でシャフト４０の周りに成形することができる。駆動継手４６は、ポンプセクション３０における相補的な駆動ソケットと係合する。しかしながら、保持ポケット４８は、おそらく図７に最もよく示される態様で複数の磁石セグメント５０を受けるための容器を形成する。

この発明の好ましい実施例では、ハブ４４の周りに等しい弓形の単位で並べて配置された４つの磁石セグメント５０が用いられる。したがって、各磁石セグメント５０は、ロータ４２の円周の周りで約９０°にわたる。複数の磁石セグメント５０が４つのセグメントのみから成っている必要はない。先行技術は、他のＢＬＤＣモータ構造物において４つ未満のセグメントおよび４つを超えるセグメントを用いることを教示してきた。

おそらく図５および図６に最もよく示されるように、各磁石セグメント５０は、凹形の半円筒形の内面５２を含む。内面５２は、ハブ４４の外面を補完する。別の実施例においてハブ４４の外側が円筒形以外の形状を示す場合には、磁石セグメント５０の内面５２は嵌め合い適合するように形作られるであろう。各磁石セグメント５０は、凸形の半円筒形の外面５４も含む。対向する、概して平行な側部端縁６０はそれぞれ、上端５６と下端５８との間に延在している。各磁石セグメント５０はさらに、上端５６に隣接した第１の舌部６２および下端５８に隣接した対応する第２の舌部６４を装着される。第１の舌部６２および第２の舌部６４は各々、外面５４から嵌め込まれた半円形の肩部と凸形の半円筒形の壁とを含む。第２の舌部６４は、径方向に内側に形成された回転防止突起６６同士の間の保持ポケット４８に嵌るように大きさを決められ、形作られる。したがって、第２の舌部６４は、図８に示されるように、その肩部が保持ポケット４８の上部端縁に寄りかかりながら保持ポケット４８に滑り込むように寸法が決められる。好ましくは、保持ポケット４８の外形寸法は、図８に示される動作位置に据付けられたときの磁石セグメント５０の外形寸法と実質的に等しく、したがって、ロータ４２の概して同一平面上の外側を確立する。

おそらく図３、図８および図９に最もよく示されるように、磁石セグメント５０は、環状リング６８を用いることにより、動作位置に保持され、保持ポケット４８に据付けられる。リング６８は好ましくは、アルミニウムまたはその合金などの金属物質でできているが、銅またはその他の導電性材料でできていることも可能である。環状リング６８は、図８に非常に誇張された態様で示されているように、ロータ４２上に組立てられると複数の
磁石セグメント５０の第１の舌部６２を緩く囲む、連続的な、切れ目のない堅固な環状部材として大きさが決められ、形作られる。緩く設置されたリング６８は次いで、組立てられたロータ４２の他の構成要素とともに、電磁気形成装置に入れられ、そこで、図９における破線７０によって示されるように高エネルギパルス磁場が発生する。磁場７０は、高密度に構築されたワークコイル７２によって作り出される。電磁気形成技術における当業者に周知であるように、イグナイトロンまたはスパークギャップをスイッチ７６として用いて高圧キャパシタバンク７４を急速に放電することによって、非常に大きなパルスの電流が強制的にワークコイル７２を流れる。これによって、ワークコイル７２の周りに急速に分離する非常に強い電磁場が作り出される。（典型的には何万アンペアもの）ワークコイル７２における大電流は、リング６８の降伏強度に容易に打ち勝つ非常に強い磁力７０を作り出し、これはほぼ瞬間的な永久変形を引き起こす。形成プロセスは、リング６８を高速で収縮させる。急速に収縮するリング６８は、各磁石セグメント５０を締め付けて、ハブ４４の外面にきつく押付けて係合させ、それによって、すべての磁石セグメント５０をまとめて回転シャフト４０上の動作位置に保持する。ハブ４４上に磁石セグメント５０を保持するこの方法は信頼性がありかつ安価な手法であり、高生産環境での使用に適している。好ましくは、磁気形成動作は、図３に示されるように外周端縁が各磁石セグメント５０の外面５４と概して整列する時点までだけリング６８が収縮するように制御され、それによって、概して同一平面上の構造物を提供する。形成前のリング６８の大きさは図９において想像線で示されており、収縮後または最終的なリング６８の大きさは図９において実線で示されている。

電磁気形成動作は、ロータ４２のバランスを維持するのにも有益である。すなわち、磁石セグメント５０を所定の位置に保持するために別個の締結具および他の個別の素子が必要とされないので、リング６８を用いてロータ４２の回転バランスをよりよく維持することができる。この発明では磁石セグメント５０を所定の位置に固定するために任意の接着結合材を用いる必要がないので、結果として生じるＢＬＤＣモータアセンブリ２４は層間剥離による故障を被りにくい。さらに、配列された磁石セグメント５０の外面５４と同一平面になるように第１の舌部６２に嵌められる独自のリング６８は、流体汲み上げの用途で液体がロータ４２とステータ３８との間の間隙空間を通して汲み上げられるときに燃料の流路を塞ぐことがない。

上記の発明は関連する法的基準に従って記載されており、したがって、説明は本来限定的ではなく例示的である。開示された実施例に対する変更および変形は、当業者にとって明らかになり、この発明の範囲内に入り得る。したがって、法的保護を与えられたこの発明の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定できる。

Claims (23)

1. 液体燃料ポンプなどで用いられるタイプのブラシレス直流（ＢＬＤＣ）電気モータアセンブリのための、動作する配列でロータ上に永久磁石セグメントを取付けるための方法であって、
   外面を備えたハブセクションを有する回転シャフトを設けるステップと、
   複数の永久磁石セグメントを設けるステップとを備え、各磁石セグメントは対向する端部を有し、前記方法はさらに、
   ハブセクションの外面上の動作位置に磁石セグメントを支持するステップを備え、
   磁石セグメントを支持する前記ステップは、ハブの外面の周りに等しい弓形の単位で並べて磁石セグメントを配置するステップを含み、前記方法はさらに、
   導電性材料から環状リングを作製するステップと、
   磁石セグメントの少なくとも一端をリングで緩く囲むステップと、
   各磁石セグメントを締め付けて、ハブの外面にきつく押付けて係合させ、回転シャフト上の動作位置に磁石セグメントをまとめて保持するように、高エネルギパルス磁場を用いて強力な電流の流れを中に引き起こすことによってリングを急速に収縮させるステップとを備え、それによって、ハブ上の磁石セグメントの保持が、高生産環境において確実に、安価におよび効率的に実現される、方法。
2. 環状リングを作製する前記ステップは、金属からリングを形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 環状リングを作製する前記ステップは、アルミニウムまたはその合金からリングを形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 複数の永久磁石セグメントを設ける前記ステップは、リングを受けるための、一端に隣接した第１の舌部を有する各磁石セグメントを作製するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 回転シャフトを設ける前記ステップは、各磁石セグメントの一端を受けるための保持ポケットを形成するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 複数の永久磁石セグメントを設ける前記ステップは、保持ポケットに嵌るための、他端に隣接した第２の舌部を有する各磁石セグメントを作製するステップを含む、請求項５に記載の方法。
7. 複数の永久磁石セグメントを設ける前記ステップは、凸形の半円筒形の外面を有する各磁石セグメントを作製するステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 環状リングを作製する前記ステップは、リングの外周端縁を形成するステップを含み、リングを急速に収縮させる前記ステップは、リングの外周端縁が各磁石セグメントの外面と概して同一平面上に整列すると収縮を停止させるステップを含む、請求項７に記載の方法。
9. 液体燃料ポンプなどで用いられるタイプのブラシレス直流（ＢＬＤＣ）電気モータアセンブリであって、
   制御された電磁場を生成するためのステータを備え、前記ステータは、中心長手方向軸を規定し、前記モータアセンブリはさらに、
   前記長手方向軸の周りで回転するように支持されたシャフトを備え、前記シャフトは、外面を有するハブセクションを含み、前記モータアセンブリはさらに、
   前記シャフトとともに回転するように前記ハブの前記外面上に支持された複数の永久磁石セグメントを備え、前記磁石セグメントの各々は、長手方向に間隔があいた対向する端部を有し、前記磁石セグメントは、前記ハブの周りに等しい弓形の単位で並べて配置され、前記モータアセンブリはさらに、
   前記配列された複数の磁石セグメントの前記端部のうちの少なくとも１つを囲む環状リングを備え、前記リングは、前記磁石セグメントの各々を概して均一に圧縮して、前記ハブの周りで動作位置に前記磁石セグメントを保持するように電磁気形成動作の際に変形しており、それによって、前記リングは、高生産環境において効率的である、信頼性のある、安価な態様で、前記ハブ上に前記磁石セグメントを保持するように動作する、アセンブリ。
10. 前記リングは、金属材料から作製される、請求項９に記載のアセンブリ。
11. 前記リングは、アルミニウムまたはその合金から作製される、請求項１０に記載のアセンブリ。
12. 前記ハブセクションは、前記磁石の各々の前記長手方向に間隔があいた端部のうちの１つを受けるための一体的な保持ポケットを含む、請求項９に記載のアセンブリ。
13. 前記保持ポケットは、ハブに対する磁石セグメントの回転を防止するための回転防止突起を含む、請求項１２に記載のアセンブリ。
14. 前記磁石セグメントの各々は、前記リングを受けるための、前記長手方向に間隔があいた端部のうちの一方に隣接した第１の舌部を含む、請求項１３に記載のアセンブリ。
15. 前記磁石セグメントの各々は、前記保持ポケットに嵌るための、前記長手方向に間隔があいた端部のうちの他方に隣接した第２の舌部を含む、請求項１４に記載のアセンブリ。
16. 前記シャフト上に前記保持ポケットと一体的に形成されたポンプ駆動継手をさらに含む、請求項１２に記載のアセンブリ。
17. 前記リングは、前記長手方向軸の周りで回転のバランスが保たれている、請求項９に記載のアセンブリ。
18. 前記磁石セグメントの各々は、凸形の半円筒形の外面を含む、請求項９に記載のアセンブリ。
19. 前記リングは、前記磁石セグメントの各々の前記外面と概して同一平面上に整列した外周端縁を有する、請求項１８に記載のアセンブリ。
20. ブラシレス直流（ＢＬＤＣ）電気モータアセンブリにおいてロータ上に支持された磁石セグメントのアレイで用いられるタイプの永久磁石セグメントであって、
    内面と、
    凸形の半円筒形の外面と、
    上端と、
    前記上端から長手方向に間隔があいた下端と、
    前記上端と下端との間に長手方向にそれぞれ延在する、概して平行な対向する側部端縁と、
    前記長手方向軸に対して横向きの環状リングを受けるための、前記上端および下端のうちの一方に隣接した第１の舌部とを備え、リングは、その後、前記舌部の領域において前
    記磁石セグメントを概して均一に圧縮して、ロータ上の動作位置に前記磁石セグメントを保持するように電磁気形成動作の際に変形する、永久磁石セグメント。
21. 前記第１の舌部は、前記外面から嵌め込まれた半円形の肩部を含む、請求項２０に記載の永久磁石セグメント。
22. 前記第１の舌部は、前記外面から嵌め込まれた凸形の半円筒形の壁を含む、請求項２１に記載の永久磁石セグメント。
23. 前記第２の舌部は、前記上端および下端のうちの他方に隣接しており、前記第２の舌部は、前記外面から嵌め込まれた半円形の肩部と凸形の半円筒形の壁とを含む、請求項２２に記載の永久磁石セグメント。

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