JP5696606B2 - ブラシレスモータ、および、それを備えた燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明はブラシレスモータ、および、そのブラシレスモータを備えた燃料ポンプに関する。

従来、車両の燃料タンク内に設けられ、燃料タンク内の燃料を昇圧し、内燃機関へ圧送する燃料ポンプが知られている。燃料ポンプは、ブラシレスモータ、および、そのブラシレスモータによって回転するインペラを備える。燃料ポンプは、インペラの回転により吸入口から吸入した燃料を昇圧し、その燃料を吐出口から吐出する。
特許文献１に記載のブラシレスモータは、シャフトの径外側にネオジボンド磁石を射出成形することでロータを構成している。
特許文献２に記載のブラシレスモータは、シャフトの径外側に設けられた円筒状のインナーロータ、および、そのインナーロータの径外側に設けられた磁石からロータを構成している。磁石は、インナーロータの径外方向の外壁に均一な板厚で設けられている。

特開２００７−１２４８４５号公報 特開２００６−３２００５１号公報

特許文献１のロータを形成するネオジボンド磁石は、フェライト磁石に比べて高価である。また、ネオジボンド磁石は、希土類元素を使用するため供給リスクがある。このため、特許文献１では、ネオジボンド磁石の使用量が多くなると、ブラシレスモータの製造コストが高くなることが懸念される。また、希土類元素の供給リスクに対応することが困難になるおそれがある。
ところで、特許文献２に記載のロータを参考にして、インナーロータの径外方向に均一な板厚でネオジボンド磁石を射出成形すれば、ネオジボンド磁石の使用量を少なくすることが可能である。
しかしながら、ネオジボンド磁石の厚さを均一に薄くすると、ロータの磁束量が減少し、ブラシレスモータのトルクが低下することが懸念される。これにより、ブラシレスモータを備えた燃料ポンプの燃料の吐出効率が低下するおそれがある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ロータに用いられる永久磁石の使用量を低減することの可能なブラシレスモータ、および、そのブラシレスモータを備えた燃料ポンプを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明によると、ブラシレスモータは、ハウジング、ステータ、コイル、シャフト、インナーコアおよび永久磁石を備える。
筒状に形成されたハウジングの内側に設けられたステータは、周方向に複数のティースおよびスロットを有する。このステータのティースに、通電により回転磁界を励磁するコイルが巻回される。
シャフトは、ステータの径内側に回転可能に設けられる。シャフトの径外側に固定されたインナーコアは、径外方向に突出する複数の凸部および径内方向に凹む複数の凹部を回転方向に交互に有する。
永久磁石は、インナーコアの各凹部の径外側に設けられる複数の磁極領域、および、インナーコアの各凸部の径外側に設けられる複数の接続領域を一体で有し、接続領域を挟んで回転方向に隣り合う各磁極領域に異種の磁極が着磁される。
その永久磁石の磁極領域は、周方向における中心部分が径内方向に突出している。

これにより、永久磁石は、磁極の形成される各磁極領域の中心部分が肉厚となり、磁極から離れた接続領域が薄肉となる。このため、ロータを流れる磁束量を増加すると共に、永久磁石の使用量を低減することが可能になる。したがって、ブラシレスモータの製造コストを低減することができる。また、永久磁石に希土類元素を使用する場合、その供給リスクに対応することができる。
さらに、永久磁石は、磁極領域および接続領域の軸方向の端部から径内方向に延び、インナーコアの軸方向の端部を覆う蓋部を有する。
ブラシレスモータは、蓋部とシャフトとの間にインナーコアが露出する空間を有する。
これにより、永久磁石の製造工程において、蓋部とシャフトとの間の空間から治具を挿し込み、インナーコアを軸方向に押圧し、永久磁石を射出成形する成形型からロータを取り出すことが可能になる。
また、蓋部とシャフトとの間に空間を形成することで、永久磁石の使用量を低減することができる。

請求項２に係る発明によると、永久磁石の磁極領域は、軸方向から見てインナーコア側の端面が径内方向に凸状の円弧状である。
これにより、各磁極領域の周方向における中心部分の体積を大きく、その中心部分よりも接続領域側の体積を小さくすることができる。

請求項３に係る発明によると、永久磁石は、射出成形により形成されるボンド磁石である。
永久磁石を射出成形する成形型は、ボンド磁石を注入するゲートが磁極領域の軸方向の端面に位置する。
これにより、永久磁石の射出成形時において、ゲートから磁極領域にボンド磁石が直接注入される。このため、永久磁石がインナーコアの軸方向の端部を覆う蓋部を薄く、または、蓋部を設けることなく、永久磁石を形成することが可能になる。したがって、蓋部に使用される永久磁石の使用量を低減することができる。

請求項４に係る発明によると、インナーコアは、軸方向に積層された複数の磁性鋼板から構成される。
複数の磁性鋼板は、一つの凸部が径方向に突出する方向と他の凸部が径方向に突出する方向とのなす角度で一枚づつ回転方向に向きを変えて積層される。
これにより、磁性鋼板に製造上の公差がある場合、ロータの重量バランスが良好になる。したがって、ロータの振動を低減することができる。

請求項５に係る発明によると、永久磁石は、接続領域の径方向の距離Ａと、磁極領域の径方向の距離Ｂとの関係が、０．２≦Ａ／Ｂ≦０．６６ である。
０．２≦Ａ／Ｂ により、コギングトルクの増加を抑制することができる。
Ａ／Ｂ≦０．６６ により、ロータを流れる磁束量を増加すると共に、永久磁石の使用量を少なくすることができる。

請求項６は、燃料ポンプの発明である。燃料ポンプは、ポンプカバー、ステータカバー、ブラシレスモータおよびインペラを備える。
ポンプカバーは、ハウジングの軸方向の一方に設けられ、吸入口を有する。
ステータカバーは、ハウジングの軸方向の他方に設けられ、吐出口を有する。
ブラシレスモータは、ポンプカバーとステータカバーとの間に設けられる。
インペラは、ブラシレスモータのシャフトとともに回転することで、吸入口から吸入した燃料を昇圧し、ステータとロータとの間に形成された燃料通路を経由して吐出口から燃料を吐出する。
ブラシレスモータのトルクが向上することで、燃料ポンプの吐出効率が向上する。また、ブラシレスモータの永久磁石の使用量を低減することで、燃料ポンプの製造コストを低減することができる。

本発明の一実施形態による燃料ポンプの横断面図である。 本発明の一実施形態による燃料ポンプの縦断面図である。 本発明の一実施形態による燃料ポンプのロータの断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線の断面図である。 図３のＶ−Ｖ線の断面図である。 本発明の一実施形態による燃料ポンプのロータの製造方法を示す説明図である。 本発明の一実施形態による燃料ポンプのロータの製造方法を示す説明図である。 本発明の一実施形態による燃料ポンプのロータの磁束の流れを示す説明図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による燃料ポンプを図１から図８に示す。本実施形態の燃料ポンプ１は、車両の燃料タンク内に設置されるインタンク式のポンプである。
図２に示すように、燃料ポンプ１は、筒状のハウジング１０の軸方向の一方に吸入口１１有するポンプカバー１２を備えている。燃料ポンプ１は、ハウジング１０の軸方向の他方に吐出口１３を有するステータカバー１４を備えている。ステータカバー１４は、ステータ３０およびコイル３１と一体にモールド成形されている。
燃料ポンプ１は、ハウジング１０の径内側で、ポンプカバー１２とステータカバー１４との間にブラシレスモータ２０を備えている。

ブラシレスモータ２０は、ステータ３０、コイル３１およびロータ４０を備えている。
ステータ３０は、軸方向に積層された複数の磁性鋼板から構成され、ハウジング１０の内側に設けられている。図１に示すように、複数の磁性鋼板は、かしめ位置３２において互いにかしめられている。ステータ３０は、環状のバックヨーク３３と、このバックヨーク３３から径内方向に延びるティース３４とを有する。ティース３４は、周方向に６個設けられている。ティース３４とティース３４との間に６個のスロット３５が形成される。
コイル３１は、スロット内に設けられ、ボビン３６を介して各ティース３４に巻回されている。コイル３１は、ステータカバー１４に設けられたターミナル１５と電気的に接続している。ターミナル１５からコイル３１の形成するＵ相、Ｖ相およびＷ相に通電されると、回転磁界が励磁される。

ロータ４０は、シャフト５０、インナーコア６０および永久磁石７０から構成される。
シャフト５０は、一端がポンプカバー１２に設けられた軸受５１に取り付けられ、他端がステータカバー１４に設けられた軸受５２に取り付けられている。これにより、シャフト５０は、ステータ３０の径内側に回転可能に設けられる。
インナーコア６０は、図３〜図５に示すように、軸方向に積層された磁性鋼板から構成され、シャフト５０に圧入されている。インナーコア６０は、径外方向に突出する４個の凸部６１と、径内方向に凹む４個の凹部６２を回転方向に交互に有している。複数の磁性鋼板は、凸部６１に設けられたかしめ位置６３で、互いにかしめられている。

永久磁石７０は、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）等の熱可塑性樹脂とＮｅＦｅＢとを含むネオジボンド磁石である。永久磁石７０は、径外方向の外壁が円筒状に形成されている。永久磁石７０は、４個の磁極領域７１、４個の接続領域７２および蓋部７３を有し、インナーコア６０の外側に射出成形されている。シャフト５０およびインナーコア６０は、永久磁石７０にモールドされている。
磁極領域７１は、インナーコア６０の各凹部６２の径外側に設けられる。接続領域７２は、インナーコア６０の各凸部６１の径外側に設けられ、各磁極領域７１を接続している。なお、図３では、磁極領域７１と接続領域７２との境界を破線で示しているが、磁極領域７１と接続領域７２と蓋部７３とは一体で形成される。

永久磁石７０は、極異方性磁石であり、接続領域７２を挟んで回転方向に隣り合う各磁極領域７１に異種の磁極が着磁される。なお、永久磁石７０は、等方性であっても異方性であってもよい。
磁極領域７１は、軸方向から見て、インナーコア側の端面が径内方向に凸状の円弧状に形成されている。このため、磁極領域７１は、周方向の中央部分が径内方向に突出し、肉厚に形成されている。
磁極領域７１の径方向の中央部分の径方向の距離Ｂは、接続領域７２の径方向の距離Ａよりも大きい。磁極領域７１の径方向の距離Ｂと、接続領域７２の径方向の距離Ａとの関係は、０．２≦Ａ／Ｂ≦０．６６ である。例えば、接続領域７２の径方向の距離Ａを１ｍｍとしたとき、磁極領域７１の径方向の距離Ｂは、５〜約１．５ｍｍである。
蓋部７３は、磁極領域７１および接続領域７２の軸方向の端部から径内方向に延び、インナーコア６０の軸方向の端部を覆う。蓋部７３は、インナーコア６０と永久磁石７０との軸方向の位置ずれを防ぐ。なお、蓋部７３とシャフト５０との間には、円環状の空間７４が形成され、その空間７４にインナーコア６０が露出している。

図２に示すように、ポンプカバー１２は、第１ポンプカバー１２１と第２ポンプカバー１２２とから構成されている。第１ポンプカバー１２１と第２ポンプカバー１２２との間には、円筒状のポンプ室１６が形成されている。ポンプ室１６には円盤状のインペラ１７が設けられている。インペラ１７は、シャフト５０に固定されており、シャフト５０とともに回転する。
第１、第２ポンプカバー１２１、１２２とインペラ１７との間には、軸方向から見てＣ字状のポンプ流路１８が形成される。インペラ１７は、周方向に複数の羽根部１９を有し、この羽根部１９によって吸入口１１からポンプ流路１８に吸入した燃料を昇圧し、ステータ３０およびロータ側へ吐出する。
ポンプ流路１８から吐出された燃料は、ステータ３０と永久磁石７０との間に形成される燃料通路１００を通り、ステータカバー１４の吐出口１３へ流れる。
ステータカバー１４の吐出口１３には、逆止弁２１が設けられている。逆止弁２１は、吐出口１３に接続される図示しない燃料配管から燃料ポンプ内に燃料が逆流することを防止する。燃料通路側の燃料圧力が逆止弁２１に作用する力が、燃料配管の燃料圧力が逆止弁２１に作用する力とスプリング２２の弾性力との和よりも大きくなると、逆止弁２１が開弁する。そして、燃料は、吐出口１３から燃料配管を通り内燃機関へ供給される。

次に、ブラシレスモータ２０のロータ４０の製造方法を説明する。
先ず、凸部６１及び凹部６２を有する複数の磁性鋼板を積層し、その磁性鋼板を軸方向にかしめることで、インナーコア６０を形成する。このとき、複数の磁性鋼板は、一つの凸部６１が径方向に突出する方向と他の凸部６１が径方向に突出する方向とのなす角度で、一枚づつ回転方向に向きを変えて積層される。本実施形態では、インナーコア６０が４個の凸部６１を等間隔に有するので、一つの凸部６１が径方向に突出する方向と他の凸部６１が径方向に突出する方向とのなす角度は、９０°である。
次に、シャフト５０にインナーコア６０を圧入する。

続いて、図６に示すように、射出成形の成形型にシャフト５０とインナーコア６０を設置する。成形型は、第１〜第３成形型８１、８２、８３から構成される。第１成形型８１は、永久磁石７０の外周を形成する。第２、第３成形型８２、８３は、永久磁石７０の軸方向の端面を形成する。
第２成形型８２に設けられたゲート８４から加熱溶融したボンド磁石を注入する。ボンド磁石は、磁極領域７１に直接注入され、接続領域７２および蓋部７３へ流れる。ボンド磁石が冷却、固化した後、第２、第３成形型８２、８３を軸方向に移動する。そして、蓋部７３とシャフト５０との間の空間７４から図示しない治具を挿入し、インナーコア６０を軸方向に押圧する。これにより、第１成形型８１からロータ４０を取り外す。
次に、図７に示すように、ロータ４０の径外側に着磁ヨーク９０を設置する。そして、着磁ヨーク９０に巻回されたコイル９１に電流を供給する。図７では、着磁ヨーク９０に流れる磁束を模式的に一点鎖線で示している。これにより、ロータ４０に着磁され、ロータ４０が完成する。
図８に、ロータ４０に着磁された磁束の流れを模式的に矢印φ１〜φ４で示す。ロータ４０は、磁極領域７１の周方向の中央部に磁極が形成されている。

本実施形態では、以下の作用効果を奏する。
（１）本実施形態では、永久磁石７０は、径外方向の外壁が円筒状に形成されている。そして、磁極領域７１は、周方向の中心部分が径内方向に突出している。このため、永久磁石７０は、磁極の形成される各磁極領域７１の周方向の中心部分が肉厚となり、中心部分から離れた接続領域側が薄肉となる。これにより、ロータ４０に流れる磁束量を増加するとともに、永久磁石７０の使用量を低減することが可能になる。したがって、ブラシレスモータ２０の製造コストを低減することができる。よって、燃料ポンプ１の吐出効率を低下させることなく、燃料ポンプ１の製造コストを低減することができる。
また、希土類元素の供給リスクに対応することができる。
（２）本実施形態では、第２成形型８２のゲート８４が磁極領域７１に位置する。このため、射出成型時において、ボンド磁石は、ゲート８４から蓋部７３を通ることなく、磁極領域７１に直接注入される。したがって、永久磁石７０の蓋部７３を薄くすることが可能になるので、永久磁石７０の使用量を低減することができる。
また、燃料ポンプ１の作動時において、永久磁石７０のゲート痕７５が燃料により膨潤した場合、ロータ４０の回転が妨げられることを防ぐことができる。
（３）本実施形態では、永久磁石７０は、接続領域７２の径方向の距離Ａと、磁極領域７１の径方向の距離Ｂとの関係が、０．２≦Ａ／Ｂ≦０．６６ である。
０．２≦Ａ／Ｂ により、コギングトルクの増加を抑制することができる。
Ａ／Ｂ≦０．６６ により、ロータ４０に流れる磁束量を増加するとともに、永久磁石７０の使用量を少なくすることができる。
（４）本実施形態では、インナーコア６０を構成する複数の磁性鋼板は、一枚づつ回転方向に９０°向きを変えて積層される。これにより、磁性鋼板に製造上の公差がある場合、ロータ４０の重量バランスが良好になる。したがって、ロータ４０の振動を低減することができる。
（５）本実施形態では、第１成形型８１と第２成形型８２との接続位置、および、第１成形型８１と第３成形型８３との接続位置が、ロータ４０の軸方向の端面に位置している。これにより、射出成形によって永久磁石７０にバリが形成された場合、そのバリによりロータ４０の回転が妨げられることを防ぐことができる。

（他の実施形態）
上述した実施形態では、燃料ポンプ、およびそれに使用されるブラシレスモータについて説明した。これに対し、他の実施形態では、ブラシレスモータは、燃料ポンプ以外に用いられるものであってもよい。
上述した実施形態では、ネオジボンド磁石から永久磁石を形成した。これに対し、他の実施形態では、他の磁石を含むボンド磁石から永久磁石を形成してもよい。また、焼結磁石または鋳造磁石から永久磁石を構成してもよい。
上述した実施形態では、ロータの極数を４極とした。これに対し、他の実施形態では、ロータの極の数に制限はなく、例えば８極であってもよい。
上述した実施形態では、ロータを積層鋼板で構成した。これに対し、他の実施形態では、ロータを樹脂から形成してもよく、または、金属から一体で形成してもよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１ ・・・燃料ポンプ
１０ ・・・ハウジング
１１ ・・・吸入口
１２ ・・・ポンプカバー
１３ ・・・吐出口
１４ ・・・ステータカバー
１７ ・・・インペラ
２０ ・・・ブラシレスモータ
３０ ・・・ステータ
３１ ・・・コイル
３４ ・・・ティース
３５ ・・・スロット
５０ ・・・シャフト
６０ ・・・インナーコア
６１ ・・・凸部
６２ ・・・凹部
７０ ・・・永久磁石
７１ ・・・磁極領域
７２ ・・・接続領域
１００・・・燃料通路

Claims (6)

1. 筒状に形成されたハウジングと、
   前記ハウジングの内側に設けられ、周方向に複数のティースおよびスロットを有するステータと、
   前記ステータの前記ティースに巻回され、通電により回転磁界を励磁するコイルと、
   前記ステータの径内側に回転可能に設けられるシャフトと、
   前記シャフトの径外側に固定され、径外方向に突出する複数の凸部および径内方向に凹む複数の凹部を回転方向に交互に有するインナーコアと、
   前記インナーコアの前記凹部の径外側に設けられる複数の磁極領域、および、前記インナーコアの前記凸部の径外側に設けられる複数の接続領域を一体で有し、前記接続領域を挟んで回転方向に隣り合う前記磁極領域に異種の磁極が着磁された永久磁石と、を備え、
   前記永久磁石の前記磁極領域は、周方向における中心部分が径内方向に突出しており、
   前記永久磁石は、前記磁極領域および前記接続領域の軸方向の端部から径内方向に延び、前記インナーコアの軸方向の端部を覆う蓋部を有し、
   前記蓋部と前記シャフトとの間に前記インナーコアが露出する空間を有することを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記永久磁石の前記磁極領域は、軸方向から見て前記インナーコア側の端面が径内方向に凸状の円弧状であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記永久磁石は、射出成形により形成されるボンド磁石であり、
   前記永久磁石を射出成形する成形型は、前記ボンド磁石を注入するゲートが前記磁極領域の軸方向の端面に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記インナーコアは、軸方向に積層された複数の磁性鋼板から構成され、
   複数の前記磁性鋼板は、一つの前記凸部が径方向に突出する方向と他の前記凸部が径方向に突出する方向とのなす角度で、一枚づつ回転方向に向きを変えて積層されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のブラシレスモータ。
5. 前記永久磁石は、前記接続領域の径方向の距離Ａと、前記磁極領域の径方向の距離Ｂとの関係が、
   ０．２≦Ａ／Ｂ≦０．６６ であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のブラシレスモータ。
6. 前記ハウジングの軸方向の一方に設けられ、吸入口を有するポンプカバーと、
   前記ハウジングの軸方向の他方に設けられ、吐出口を有するステータカバーと、
   前記ポンプカバーと前記ステータカバーとの間に設けられた請求項１〜５のいずれか一項に記載のブラシレスモータと、
   前記ブラシレスモータの前記シャフトとともに回転することで、前記吸入口から吸入した燃料を昇圧し、前記ステータと前記ロータとの間に形成された燃料通路を経由して前記吐出口から燃料を吐出するインペラと、を備えた燃料ポンプ。

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