JP5771958B2 - ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アキシャルギャップ型電動機を用いたポンプ装置に関する。

従来から、アキシャルギャップ型電動機を用いたポンプ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このポンプ装置は電動機室とポンプ室とを区画する仕切板を備えている。ポンプ装置は電動機室にステータが配置され、ポンプ室にロータおよびインペラが配置された構造になっている。ロータおよびインペラは軸受を介して軸に対して回転可能に支持されている。ステータとロータとは仕切板を挟んで対向的に配置されている。このポンプ装置ではアキシャルギャップ型電動機はバックヨークとティースが別部材となっている。このため、バックヨークを磁束経路として使用した時、バックヨークとティースとの接合面で磁束の交差が生じ、効率を低下させるという問題がある。

これに対し、アキシャルギャップ型電動機のステータとして、ヨーク部片とティースとを一体形成した複数のコアメンバーにより構成されたステータが知られている（例えば、特許文献２参照）。このステータでは、ヨーク部片同士を連結して形成されるバックヨークをティースの反ロータ側に設けることで、磁束経路の拡大を図って、より高出力化することができるようになっている。

このようなステータの場合には、コアメンバーのヨーク部片同士を互いに接触させて１つの磁気回路を形成するため、コアメンバーに形成されるインシュレータのフランジ部の側面に、コアメンバー同士を連結するための連結手段を設けることが考えられる（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、このステータを用いてポンプ装置を製造するには、コアメンバーの構造が複雑なうえ、コアメンバー同士を連結して環状化する工程と環状化されたコアメンバーをポンプ装置内に取付ける工程との２つの工程が必要になるという問題がある。

ところで、ポンプ装置における電動機の製造に関する構造の一例として、ラジアルギャップ型電動機を用いたポンプ装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。このポンプ装置はステータを仕切板に取付けた後、ステータと仕切板とがモールド樹脂で一体成形される。このステータは仕切板に設けられた凸部に対応する複数の凹部を備えており、凸部と凹部とを嵌め合わせることでステータが仕切板に取付けられる。

しかしながら、特許文献４に示される構造は、ステータの内周側に配置される固定子鉄心のティースと仕切板との間の密着性について考慮されていなかった。このため、モールド樹脂の成形時の成形圧力により、仕切板とティースとの間にモールド樹脂が流れ込み、仕切板とティースとの密着性が悪くなるという問題点があった。また、仕切板とティースとが密着していないことで、固定子鉄心を覆うインシュレータに巻回された巻線や固定子鉄心から発生する熱の放熱性が悪くなるという問題点があった。

特開２００１−１３２６８０号公報 特開２００６−５０７４５号公報 特開２００８−１１８８３３号公報 特開２００９−２０１２９４号公報

本発明は上記問題点に鑑み、ポンプ装置に複数のコアメンバーで構成されるアキシャルギャップ型電動機を用いた場合に、仕切板とティースとを密着させつつ、製造の簡素化を行うことができるポンプ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のポンプ装置は、アキシャルギャップ型電動機のステータを構成する複数のコアメンバーが仕切板に保持されることで、仕切板上で環状化されたステータが完成する構造になっている。この構造はコアメンバーのティース面側が仕切板に内径側と外径側で保持され、コアメンバーのヨーク部片同士の当接により環状のヨーク部が形成される構造になっている。

本発明のポンプ装置によれば、仕切板上に各コアメンバーのティース面側を保持させることで、ティース面と仕切板の表面とが密着し、巻線や固定子鉄心から発生する熱が仕切板を介して良好にポンプ室内の流体へ熱伝達されて、ステータの放熱性を改善することができるとともに、仕切板上にコアメンバーを保持させることで、環状のヨーク部が形成され、仕切板上で環状化されたステータが完成するため、ステータの製造を簡素化することができる。

本発明によるポンプ装置を示す断面図である。 本発明によるポンプ装置に用いられるアキシャルギャップ型電動機のステータを構成するコアメンバーを示す外観斜視図である。 本発明によるポンプ装置に用いられる仕切板を示す外観斜視図である。 コアメンバーが仕切板に保持される様子を説明する説明図である。 全てのコアメンバーが仕切板に保持されて、ステータが仕切板上で環状化された状態を示す外観斜視図である。 環状化されたステータにおける巻線の結線状態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態におけるポンプ装置は、アキシャルギャップ型電動機が用いられ、樹脂製の仕切板９０によってポンプ室Ａと電動機室Ｂとに水密的に区画されている。

ポンプ室Ａは、ポンプケーシング５０内に軸１０、ロータ２０、インペラ３０および軸受４０が収容された構成になっている。ロータ２０とインペラ３０は、カーボン製の軸受４０を介して軸１０に対して回転可能に支持されている。電動機室Ａは、モールド樹脂によりステータ６０、電動機駆動部７０および仕切板９０が一体成形された電動機ハウジング８０となっている。

ロータ２０は、中心部が軸受４０を介して軸１０に回転可能に支持された非磁性材からなる円板である。円板の電動機室Ａ側の面の内部には、仕切板９０と対向するように、マグネット２１が埋め込まれている。マグネット２１は、円周方向に複数個が等角度ピッチで環状に配置されている。また、ロータ２０は、ポンプケーシング５０側の面にインペラ３０が一体形成されている。なお、インペラ３０はロータ２０と別体であってもよい。

ステータ６０は、複数のコアメンバー６４を有している。コアメンバー６４は、ロータ２０と対向するティース部６１３と、ティース部６１３から立設する巻胴部６１１と、巻胴部６１１の先端側に環状のバックヨークの一部を形成するヨーク部片６１２とを有する固定子鉄心６１を備えている。また、コアメンバー６４には、固定子鉄心６１のティース部６１３とヨーク部片６１２とを残して覆うインシュレータ６２と、インシュレータ６２を介して巻胴部６１１に巻回される巻線６３とを備えている。コアメンバー６４のティース部６１３のティース面６１３ａは仕切板９０と対面するように配置され、仕切板９０に密着されている。各コアメンバー６４は後述する仕切板９０に円周方向に等角度ピッチで保持された状態で、モールド樹脂６７で一体成形されている。

電動機駆動部７０は、回路基板７１と、電動機の駆動制御を行うための回路基板７１上に搭載された電子部品７２とから構成されている。回路基板７１は、コアメンバー６４のヨーク部片６１２と対向するように配置され、インシュレータ６２に形成された回路基板支持部６２１で支持されている。

アキシャルギャップ型電動機自体は、ステータ６０のティース部６１３とロータ２０のマグネット２１とが仕切板９０を挟んで軸１０の軸線方向に沿って所定間隔で対向的に配置されている。

仕切板９０は、後述する鍔部９１と、周囲部９２と、筒状部９３と、軸支持部９４とを備えている。鍔部９１の厚さは、ステータ６０のティース部６１３とロータ２０のマグネット２１が対向する位置であるので、磁気効率を良好にするために肉薄となっている。

鍔部９１の外周側に形成された周囲部９２の厚さは肉厚となっている。周囲部９２にはパッキン９５が装着され、ポンプケーシング５０と電動機ハウジング８０とをパッキン９５の外側にて図示しないネジで結合して締付けることで、ポンプ室Ａ内の流体がポンプ装置の外に漏れない構造となっている。

鍔部９１の内周側に形成された筒状部９３と一体形成された軸支持部９４は、軸１０を支持するために肉厚となっている。筒状部９３には軸受４０の上端が嵌合され、軸支持部９４には軸１０の上端が嵌合されている。

以上説明してきた構成からなるポンプ装置の動作を説明する。ポンプ装置では、巻線６３に供給される電流が、電動機駆動部７０によって、ロータ２０の回転位置に応じて切り換えられる。この電流の切り換えにより、ステータ６０のティース部６１３とロータ２０のマグネット２１との間に磁気的な吸引／反発が起こり、ロータ２０がインペラ３０とともに所定の方向に回転する。このロータ２０の回転により、図示しないポンプ吸引口から水や湯などの流体を吸引し、その流体をポンプ吐出口５２から吐出することになる。

次に、コアメンバー６４について図２を用いて詳細に説明する。なお、本実施例におけるステータ６０は１２個（１２スロット）のコアメンバー６４からなっているが、各コアメンバー６４は同一形状であるため、以下では１個のコアメンバー６４を説明する。図１に示すインシュレータ６２に形成された回路基板支持部６２１は図示を省略する。

図２に示すように、コアメンバー６４に備える固定子鉄心６１は、Ｈ字状に打ち抜かれた電磁鋼板をステータ６０の半径方向に沿って積層することで形成されている。固定子鉄心６１は積層以外の方法、例えば、強磁性体を微細な粉末にし、その表面を絶縁被膜で覆い、圧縮して固めた圧粉磁心や、切削加工などによって形成されてもよい。

固定子鉄心６１は、巻胴部６１１と、巻胴部６１１の先端側に形成されるヨーク部片６１２と、巻胴部６１１の基端側に形成されるティース部６１３とが一体的に設けられている。これにより、固定子鉄心６１は、巻胴部６１１の両端にフランジ状のヨーク部片６１２とティース部６１３とを有するボビン状に形成されている。

巻胴部６１１は内径側から外径側に向かうにつれて、周方向の幅が漸次大きくなる断面三角形状に形成されている。ティース部６１３とヨーク部片６１２は軸線方向から見ると、内径側から外径側に向かうにつれて周方向の幅が漸次大きくなる扇状に形成されている。なお、巻胴部６１１、ティース部６１３およびヨーク部片６１２の形状は本実施例に限られず、その形状は使用に応じて任意であってよい。

ヨーク部片６１２の周方向の両端には、隣接するコアメンバー６４のヨーク部片６１２と当接する当接面６１２ａ、６１２ｂが設けられる。以下では、当接面６１２ａを第１当接面、当接面６１２ｂを第２当接面と称する。ヨーク部片６１２の周方向の一端側には、図２および図４に示すように、第１当接面６１２ａが設けられており、他端側には第２当接面６１２ｂが設けられている。第１当接面６１２ａは、ヨーク部片６１２の底面から軸線方向に一段低く凹まされたＬ字状の段差からなっている。第２当接面６１２ｂは、ヨーク部片６１２の上面から軸線方向に一段低く凹まされたＬ字状の段差からなっている。

第１当接面６１２ａと第２当接面６１２ｂは、Ｌ字状の段差によって２つの面が形成されており、そのうちの１つの面がティース面６１３ａとほぼ平行に形成されている。第１当接面６１２ａは一方の隣接するコアメンバー６４の第２当接面６１２ｂに沿って当接し、第２当接面６１２ｂは他方の隣接するコアメンバー６４の第１当接面６１２ａに沿って当接するようになっている。なお、第１当接面６１２ａと第２当接面６１２ｂは、Ｌ字状の段差以外の段差によって３つ以上の面で形成されていてもよい。

インシュレータ６２は、巻胴部６１１の外周面を覆う外筒部６２２と、ヨーク部片６１２の内外周側およびティース部６１３の外周側を覆うとともに、ヨーク部片６１２およびティース部６１３の両側から径方向に延びるフランジ部６２３とを備えている。これにより、インシュレータ６２は固定子鉄心６１と同様に、外筒部６２２の両端にフランジ部６２３を有するボビン状に形成されている。

インシュレータ６２は樹脂成型品からなり、周方向に沿ってほぼ半分割されており、これらを固定子鉄心６１の両側から嵌め込むことで、固定子鉄心６１に取付られるようになっている。なお、インシュレータ６２は固定子鉄心６１に一体成形されるようにしてもよい。

コアメンバー６４は、コアメンバー６４自体が仕切板９０に保持される構造を備えている。図２に示すように、固定子鉄心６１のティース部６１３側には、後述する仕切板９０に設けられる保持部９１１に対応する被保持部６４１が設けられている。被保持部６４１は、巻胴部６１１側にあるティース部６１３の底面６１３ｂと、インシュレータ６２のフランジ部６２３の上面６２３ａとの間に形成されて径方向に延びる一対の溝部６４１ａからなっている。この一対の溝部６４１ａに後述するガイド部９１１ａが挿入されることにより、ティース面６１３ａの内周側から外周側までの全面が鍔部９１に当接するように、コアメンバー６４が仕切板９０に保持されるようになっている。

次に、仕切板９０について図３を用いて詳細に説明する。図３に示すように、仕切板９０は、開口を有する有底筒状の筒状部９３の底面中心から軸線方向の外側に向けて軸支持部９４が突出される。また、筒状部９３の開口から径方向に向かって円板状の鍔部９１が一体的に形成されている。筒状部９３は軸受支持部を兼ねており、筒状部９３の開口内に軸受４０が支持されるようになっている。

仕切板９０は、複数のコアメンバー６４を環状に保持するため、保持部９１１を備えている。保持部９１１は、仕切板９０の鍔部９１の電動機室Ｂ側の側面上に設けられている。保持部９１１は、筒状部９３側から外径側に向って放射状に形成される複数の断面Ｔ字状のガイド部９１１ａからなっている。本実施例におけるガイド部９１１ａは、コアメンバー６４の個数に対応して１２個が形成されているが、各ガイド部９１１ａは同一形状であるため、以下では１個のガイド部９１１ａを説明する。

ガイド部９１１ａは、コアメンバー６４に備えた溝部６４１ａに合致し、コアメンバー６４を保持するようになっている。ガイド部９１１ａは、鍔部９１から軸線方向に形成される基台９１１ｂと、基台９１１ｂの先端側から周方向に形成される一対のフランジ９１１ｃとが一体的に設けられている。

一対のフランジ９１１ｃは、溝部６４１ａのティース部６１３側に当接する側面が、周方向に向けて上方に傾斜されている。これに対応するように、ティース部６１３の溝部６４１ａ側の側面も周方向に向けて下方に傾斜されている。なお、一対のフランジ９１１ｃとティース部６１３の側面を傾斜するようにしたが、これらの側面を鍔部９１に対して平行にするようにしてもよい。

一対のフランジ９１１ｃは、一方のコアメンバー６４の一端側の溝部６４１ａと嵌合するとともに、このコアメンバー６４と隣接する他方のコアメンバー６４の他端側の溝部６４１ａと嵌合するようになっている。言い換えると、コアメンバー６４の一対の溝部６４１ａが、隣接するガイド部９１１ａにおいて周方向に対向する各フランジ９１１ｃに嵌合するようになっている。

次に、以上説明してきたコアメンバー６４と仕切板９０を用いて、ステータ６０を組立て電動機ハウジング８０を製造する手順について図４乃至図６を用いて説明する。なお、コアメンバー６４には、図示しない巻線６３がインシュレータ６２を介して巻胴部６１１に巻回されているものとする。また、巻線６３が巻回されているコアメンバー６４は、三相のアキシャルギャップ型電動機を構成するため、４個のポールメンバー６４がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の巻線で接続されたＵ相用コアメンバー組、Ｖ相用コアメンバー組、Ｗ相用コアメンバー組として組立が完成されているものとする。

図４に示すように、１個目のコアメンバー６４をガイド部９１１ａに嵌合する際、まず、Ｕ相用コアメンバー組の巻き始めの巻線６３が巻回されている１個目のコアメンバー６４のティース面６１３ａを、仕切板９０の鍔部９１に対面させる。次に、コアメンバー６４の一対の溝部６４１ａを、鍔部９１のガイド部９１１ａ間で対向する各フランジ９１１ｃに位置合わせする。次に、位置合わせしたコアメンバー６４を、鍔部９１の内径側である筒状部９３に向けて（黒矢印方向に向けて）ガイド部９１１ａの終端９１１ｄまでスライドさせる。

これにより、Ｕ相用コアメンバー組の１個目のコアメンバー６４がガイド部９１１ａ間に保持され、そのコアメンバー６４のティース面６１３ａが仕切板９０の鍔部９１に当接された状態となる。同様に、Ｕ相用コアメンバー組のその他の３個のコアメンバー６４についても、ガイド部９１１ａ間に保持される。このとき、２個目のコアメンバー６４が２つ飛越しのガイド部９１１ａ間に、３個目のコアメンバー６４が更に２つ飛越しのガイド部９１１ａ間に、巻き終わりの巻線６３が巻回されている４個目のコアメンバー６４が更に２つ飛越しのガイド部９１１ａ間にそれぞれ保持される。

上述した手順と同様に、Ｖ相用コアメンバー組の１個目のコアメンバー６４がＵ相用コアメンバー組の１個目のコアメンバー６４に隣接するガイド部９１１ａ間に保持され、その他の３個のコアメンバー６４についても同様にして、隣接するガイド部９１１ａ間に保持される。

更に、Ｗ相コアメンバー組の１個目のコアメンバー６４がＶ相用コアメンバー組の１個目のコアメンバー６４に隣接するガイド部９１１ａ間に保持され、その他の３個のコアメンバー６４についても、同様にして、隣接するガイド部９１１ａ間に保持される。

この結果、図５に示すように、１２個のコアメンバー６４が鍔部９１上に筒状部９３を中心に環状に固定された状態に組立てられる。この組立によって１２個のコアメンバー６４は、各ヨーク部片６１２の第１当接面６１２ａと第２当接面６１２ｂとが互いに向い合せに噛合わされた状態となる。これにより、第１当接面６１２ａと第２当接面６１２ｂ同士が接触することになって、固定子鉄心６１のバックヨークを形成することができる。また、コアメンバー６４はガイド部９１１ａ間の保持に加えて、第１当接面６１２ａと第２当接面６１２ｂとを噛合わせることで、より強固に保持させることができる。このように組立てられたステータ６０は、図６に示すように、各コアメンバー６４に巻回された巻線６４がＵ相、Ｖ相、Ｗ相ごとに完結された結線状態となっている。

次に、組立てられたステータ６０に対し、電子部品７２が搭載された回路基板７１を、インシュレータ６２に形成された図示しない回路基板支持部６２１に支持させる。その後、回路基板７１と巻線６３との電気的接続が完成した組立品を、図示しない専用のインサート金型に取付ける。そして、インサート金型内に溶融樹脂を注入して、全体がモールド樹脂で一体成形された電動機ハウジング８０の製造が完成する。

以上説明してきた本発明のポンプ装置によれば、アキシャルギャップ型電動機のステータ６０を構成する１２個のコアメンバー６４が仕切板９０に保持される構造になっている。また、コアメンバー６４に溝部６４１ａを備え、仕切板９０にガイド部９１１ａを備えた構造になっている。

したがって、コアメンバー６４のティース部６１３側を仕切板９０上に保持させることで、コアメンバー６４の固定子鉄心６１のティース面６１３ａが内周側から外周側にかけて仕切板９０の鍔部９１上に接触するので、ティース面６１３ａと鍔部９１との密着性を高めることができる。このため、巻線６３や固定子鉄心６１から発生する熱が仕切板９０を介して良好に熱伝達され、ポンプ室Ａ内を流れる流体に向けて冷却効果が得られ、ステータ６０の放熱性を改善することができる。

更に、コアメンバー６４を仕切板９０上に保持させることで、環状化されたステータ６０が完成するため、ステータ６０の製造を簡素化することができる。このため、仕切板９０に固定された状態のステータ６０を電動機ハウジング８０として一体成形し、電動機ハウジング８０にポンプケーシング５０を取付ける簡単な工程でポンプ装置を製造することができる。

また、以上説明してきた本発明のポンプ装置によれば、インシュレータ６２のフランジ部６２３の形状を左右対称な構造に形成できるため、コアメンバー６４同士を連結させる特許文献３のような従来のコアメンバーと比較して、コアメンバー６４自体をシンプルな構造にすることができる。また、仕切板９０にガイド部９１１ａを備えた構造になっているため、磁気効率を考慮して肉薄になっている鍔部９１の強度を補強することができる。

なお、本実施例では、被保持部６４１として、コアメンバー６４に溝部６４１ａを備え、保持部９１１として、仕切板９０にガイド部９１１ａを備えた構造になっているが、本発明はこれに限らず、例えば、被保持部６４１として、ティース部６１３側のインシュレータ６２の内径側および外径側に軸線方向に凹部または凸部を備え、この凹部または凸部に対応する保持部９１１として凸部または凹部を鍔部９１に備えた構造であってもよい。これにより、コアメンバー６４が内径側と外径側で嵌合して位置決めされるので、上述の実施例と同様に、ティース面６１３ａと鍔部９１との密着性を高めることができるとともに、ステータ６０の製造を簡素化できる。

Ａ ポンプ室
Ｂ 電動機室
１０ 軸
２０ ロータ
２１ マグネット
３０ インペラ
４０ 軸受
５０ ポンプケーシング
５２ ポンプ吐出口
６０ ステータ
６１ 固定子鉄心
６１１ 巻胴部
６１２ ヨーク部片
６１２ａ 当接面（第１当接面）
６１２ｂ 当接面（第２当接面）
６１３ ティース部
６１３ａ ティース面
６１３ｂ 底面
６２ インシュレータ
６２１ 回路基板支持部
６２２ 外筒部
６２３ フランジ部
６２３ａ 上面
６３ 巻線
６４ コアメンバー
６４１ 被保持部
６４１ａ 溝部
６７ モールド樹脂
７０ 電動機駆動部
７１ 回路基板
７２ 電子部品
８０ 電動機ハウジング
９０ 仕切板
９１ 鍔部
９１１ 保持部
９１１ａ ガイド部
９１１ｂ 基台
９１１ｃ フランジ
９１１ｄ 終端
９２ 周囲部
９３ 筒状部（軸受支持部）
９４ 軸支持部
９５ パッキン

Claims (2)

1. 電動機室とポンプ室とを区画する仕切板を備え、前記電動機室にステータが配置され、前記ポンプ室に軸受を介して軸に対して回転可能に支持された円板状のロータが前記ステータと対向的に配置されているアキシャルギャップ型電動機を用いたポンプ装置であって、
   前記ロータは前記電動機室側の面に環状のマグネットを配置するとともに、軸線方向の反対側の面にインペラを備え、
   前記ステータは複数のコアメンバーを有し、同コアメンバーは、前記ロータと対向するティース面と、同ティース面から立設する巻胴部と、同巻胴部の先端側に環状のヨーク部の一部を形成するヨーク部片とを備える固定子鉄心と、同固定子鉄心の前記ティース面と前記ヨーク部片とを残して覆うインシュレータと、同インシュレータを介して前記巻胴部に巻回される巻線とを備え、
   前記仕切板は、開口を有する有底の筒状部と、前記開口から径方向に延在する鍔部とを備え、前記筒状部には前記軸受が支持される軸受支持部が形成され、前記鍔部には前記コアメンバーが保持される保持部が形成されており、
   前記コアメンバーの前記ティース面側には、前記保持部に保持される被保持部が形成されており、
   前記保持部は前記鍔部の前記電動機室側の側面上に形成され、前記筒状部側から外径側に向かって放射状に延びる複数の断面Ｔ字状のガイド部からなり、
   前記被保持部は前記ティース面と前記インシュレータとの間に形成されて径方向に延在する一対の溝部からなり、
   前記コアメンバーは前記一対の溝部が前記ガイド部間に保持されて前記筒状部を中心に環状に配置され、前記ヨーク部片の周方向の両端に、隣接する前記コアメンバーの前記ヨーク部片と当接する当接面を備えることを特徴とするポンプ装置。
2. 前記当接面は２以上の面を含み、そのうちの少なくとも１つの面が前記ティース面とほぼ平行に形成されていることを特徴とする請求項１記載のポンプ装置。

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