JP5908200B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

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Description

本発明は、ブラシレスモータに係り、より詳細には、ブラシレスモータ、特に、ブラシレス直流(BLDC)モータを有する燃料ポンプに係る。
自動車では、液体燃料、典型的にガソリン又はジーゼルを、燃料タンクから内燃機関へ移送するために燃料ポンプが使用される。このポンプは、小型DCモータによって駆動され、ベアリングシール等を通しての燃料漏れを最小にするため、燃料は、モータの内部を通過する。これは、整流子を有するモータでも、燃料がモータを冷却し、ブラシと整流子との間のスパーキングを除去するようにして、非常に良好に機能する。しかしながら、高アルコール燃料の出現に伴い、グラファイト整流子の使用を招いて整流子と燃料との間の化学反応が問題となり、燃料ポンプを駆動するためのブラシレスモータが新たに関心を集めている。ブラシレスモータは、特に、自動車の用途では、ブラシ及び整流子の使用を排除することにより寿命が長い等、多数の効果がある。典型的に、ブラシレスモータは、単相モータ又は三相モータである。慣習的に、これらのモータは、多くの場合にモータコントローラへの入力電力が典型的にバッテリ又は整流型AC電源からのDC電力であるので、ブラシレス直流モータ、又は省略して、BLDCモータと称されている。しかしながら、最近、ブラシレスACモータ又はBLACモータという語が造り出された。このモータは、特殊な形式のBLDCモータで、コントローラは、電力を、パルス又は方形波に代わって正弦波の形態でモータへ伝送する。しかしながら、多くの人々は、コントローラの形式が相違するだけであるために、両形式のモータを包含するようにBLDCという語を依然として使用している。一方又は他方の形式のコントローラでブラシレスモータをより効率的なものにするために、通常、幾つかの変更がなされる。簡単化のため、ここでは、両形式のブラシレスモータを、一般的な用語BLDCモータ又は単にブラシレスモータと称することにする。
外部回転子及び内部回転子モデルを含めて、市場で入手できる既存の三相4極BLDCモータの場合に、低電力用途では、6スロットが最も一般的で且つ最も簡単な固定子ラミネーション構造である。図1は、従来の三相BLDCモータの配線図である。固定子12は、スロットと称する6個の固定子極14を伴う固定子コア13を有する。回転子16は、(良く知られたように)回転子コア17の外面に固定された4つの永久磁石により形成された4つの磁極18を有する。巻線20は、各固定子極14の周りにコイル22を形成する。巻線20は、三相スター巻線であり、これは、巻線20が3つの脚又は相を有し、各脚の一端(A、B、C)が固定子の端子(各相に1つ)に接続され、且つ各脚の他端(X、Y、Z)が点24において一緒に接続されて、スター接続を形成することを意味する。従って、このモータは、三相、4極、6スロットのBLDCモータと称される。この幾何学形状では、各相に2つのコイルで、6個のコイルが存在する。従って、各脚は、電気的に直列に接続された2つのコイル22を有する。小直径のモータにおいてこれを巻き付けることは困難である。
既存の固定子幾何学形状に伴う主たる問題は、自動車の燃料ポンプや水ポンプや空気ポンプ等の小直径低電力用途に対して巻線の構成が複雑なことである。これらの用途では、固定子の内径が非常に小さくて、ほぼ20mmに過ぎず、それ故、特に大量生産のためにより多くのコイルを組み立てることは困難である。
既存の製品に伴う別の問題は、コギングトルクが高く、ノイズや振動を発生することである。これは、低ノイズ低振動を必要とする多くの分野においてBLDCモータの使用を制限する。この問題を解消するために、最も有効な方法の1つは、図2に示すような4極9スロット構成である。この図から明らかなように、相当たり3つの巻線で巻き付けが更に複雑になると共に、より長い巻線端ターンにより効率が低くなる。
既存の製品に伴う別の問題は、燃料ポンプ用途におけるオーバーモールド技術に適していないことである。将来は、アルコール含有燃料等の種々の燃料が使用されるので、磁気ワイヤの酸化を回避するために、オーバーモールドが要望される。しかしながら、その結果、固定子が固体本体となり、即ち回転子と固定子との間のエアギャップを除いて、燃料が通過するスペースがない。しかしながら、モータの効率を維持するために、エアギャップは非常に小さく、その結果、燃料の流れが不充分である。
そこで、コギングトルクの低い簡単な巻線構造を有するブラシレス直流(BLDC)モータが要望されている。
これは、本発明において、各相に1つのコイルしかもたない多相固定子(即ち、2相、3相又はそれ以上)を使用することにより達成される。
従って、本発明は、その1つの態様において、mを整数とすれば、2*m個の永久磁石回転子極を有する回転子と、nを1より大きな整数とすれば、2*n個の固定子歯及びn相固定子巻線を有し、固定子巻線の各脚が固定子歯の各1つの周りに巻かれた単一コイルを有する固定子とを備え、固定子歯は、コイルを有する巻線歯、及びコイルをもたない非巻線歯を形成し、巻線歯は、非巻線歯と交互に離間され、各巻線歯又は各非巻線歯或いは各固定子歯は、前記歯の各々を複数の固定子極へ分割する少なくとも1つの軸方向に延びる溝がその面に形成された、ブラシレス直流モータを提供する。
好ましくは、各巻線歯は、2つの固定子極を形成し、そして各非巻線歯は、1つの固定子極を形成する。
或いは又、各巻線歯は、3つの固定子極を形成する。
好ましくは、各非巻線歯は、2つの固定子極を形成する。
好ましくは、固定子は、ラミネーションの積層体から形成されたコアを有し、このコアは、その軸方向に多数のくぼみが延びた半径方向外面を有する。
好ましくは、くぼみは、選択された固定子歯と周囲方向に整列される。
好ましくは、非巻線歯の各1つと各々整列されたn個のくぼみがある。
好ましくは、固定子コアは、固定子リングと、そこに固定された多数の別々に形成された固定子プラグとを有し、各プラグが巻線歯を形成する。
好ましくは、モータの固定子巻線は、樹脂材料で包まれる。
好ましくは、モータの固定子は、プラスチック材料でオーバーモールドされる。
本発明は、その第2の態様によれば、上述したモータを組み込んだ内燃機関のための燃料ポンプを提供する。
好ましくは、燃料ポンプは、ポンプ及びモータを収容するハウジングを有し、モータは、ポンプを駆動してハウジングを通して燃料を通流させるように配置され、そして燃料の通流のための少なくとも1つの通路が固定子とハウジングとの間に形成される。
以下、添付図面を参照し、本発明の好ましい実施形態を一例として説明する。2つ以上の図に現れる同じ構造物、要素又は部品は、一般的に、それらが現れる全ての図において同じ参照番号で示す。図示されたコンポーネント及び特徴部の寸法は、一般的に、表現の便宜上及び明瞭化のために選択されたものであって、必ずしも正しいスケールで示されていない。
従来の三相6スロット4極BLDCモータの固定子のための配線図である。 従来の三相9スロット4極BLDCモータの固定子のための配線図である。 本発明の第1の実施形態による三相9スロット4極BLDCモータの固定子のための配線図である。 典型的な従来の三相6スロット4極BLDCモータと、本発明の実施形態による同等サイズの三相9スロット4極BLDCモータとの間のコギングトルクの比較を示す図である。 図3と同様で、本発明の第2の実施形態による変更型固定子のための配線図である。 図5の固定子の斜視図である。 図6の固定子を組み込んだ燃料ポンプの断面図である。 本発明の別の実施形態による9スロット固定子のための組み立てられた固定子コアを示す斜視図である。 図8の固定子コアの一部分である固定子リングの斜視図である。 図8の固定子コアの一部分である歯の斜視図である。 図5と同様で、本発明の別の実施形態による変更型固定子巻線のための配線図である。
図3は、第1の好ましい実施形態による三相BLDCモータの配線図である。固定子12は、以下に述べるように固定子極を形成する6つの歯14、15をもつ固定子コア13を有している。巻線20は、交互の歯14の周りに形成された3つのコイル22しか有していない。巻線20は、各相に1つの脚で、3つの脚を有する三相スター巻線であり、各脚の一端A、B、Cは、固定子の端子(各相に1つ)に接続され、そして各脚の他端X、Y、Zは、24で一緒に接続されて、スター接続を形成する。従って、各脚は、1つのコイル22しか有していない。これは、特に、小直径モータにおいて巻き易いものである。しかしながら、巻線歯14は、非巻線歯15より周囲の広がりが大きく、極面に深い溝26を有し、これは、歯14の長さに対して軸方向に且つ歯へと半径方向外方に延び、極面を、2つの、好ましくは等しい部分に分割する。溝26は、歯14を2つの固定子極へと分割してダミースロットを形成する効果を有する。従って、固定子は、実際上、9個のスロット又は9個の固定子極を有する。溝26は、コイルが巻かれないのでダミースロットと称される。従って、固定子は、図1又は図2のモータの巻線より簡単な巻線を有する。
図4は、図3のモータと、図1の同等サイズのモータとのコギングトルクを比較するものである。曲線56は、従来のモータのコギングトルクを表し、そして曲線37は、好ましい実施形態のモータのコギングトルクを表す。明らかなように、コギングトルクは、約14mNmから約2.5mNmへ減少されて、約80%の減少であり、且つサイクル当たりの角度変位が30°から20°へ減少され、これは、回転子の回転を更に滑らかにするという効果を有する。これは、固定子が9スロットモータとして動作することを確認するものである。
図5は、第2の好ましい実施形態による三相BLDCモータの配線図である。この配線図も、固定子コアの形状を示している。固定子12は、固定子コア13の半径方向外面が多数の軸方向に延びるくぼみ28を有することを除き、図3と同様の構造を有する。くぼみ28は、固定子コア13と、固定子コア13が固定されるハウジング42との間に通路を形成する。燃料ポンプの用途では、これらの通路を通して燃料が流れて、モータを通る燃料路の抵抗を相当に減少し、ひいては、モータを通して燃料をポンプ輸送するに必要なエネルギーを減少させることができる。くぼみ28は、非巻線歯15に整列して示されている。これは、固定子の磁気回路に否定的な影響を与えずに、巻線歯14に形成されるコイルのための最大スペースを許すと考えられる。
完成した固定子12及び回転子16のセットが図6に示されている。耐腐食性を高めるために固定子コア13をメッキした後に、固定子12は、好ましくは、インサートモールディング操作により、プラスチック材料又は樹脂材料30でオーバーモールドされる。固定子コア13の極面及び半径方向外面は、オーバーモールド材料で覆われない。これは、固定子及び回転子の極面間に良好な磁束伝達を確保すると共に、固定子コアが好ましくはプレスフィットされるモータハウジングとの良好な嵌合も許す。固定子コア13のラミネーションは、溶接により一緒に保持されてもよい。これは、好ましくは、図5に示すように、巻線歯14に整列された固定子コアの外面の切欠部33においてこの目的のために形成された小さなこぶ32を一緒に溶接することにより行われる。オーバーモールド中に、この切欠部33には、溶接部を保護するためにモールド材料が充填される。このオーバーモールド材料は、固定子の端を接続する固定子コアの外面に、図6に見られるストリップ31を形成する。
巻線は、コントローラへ接続するために固定子端子に接続されるか、又はモータ端子へ直結され、そして端子は、それらが使用されるところでは、更なる電気的接続をなすためにオーバーモールドにより覆われない露出部分(図示せず)も有する。又、回転子コア17は、燃料から回転子コアを保護するためにオーバーモールドされて示されている。又、オーバーモールド材料30は、非円滑面又は突出特徴部を有する本体を回転することで生じる抵抗であるウィンデージを減少するために、燃料の流れに対して滑らかな経路を形成すると共に、回転子の外面を滑らかすることにより、燃料ポンプの効率にも役立つ。
図7は、完全な燃料ポンプ40の断面図である。この燃料ポンプは、円筒形状のハウジング42を有し、その2つの開放端は、燃料ポンプを燃料管路に接続するエンドキャップ44、45によってシールされる。ハウジングは、ポンプ区分46及びモータ区分50を収容する。ポンプ区分46は、渦形室48内のモータにより回転されるように配置された羽根車47を備え、第1エンドキャップ44の燃料入口49からポンプ区分へ燃料を引き込み、そしてモータ区分50を経て燃料を強制的に通過させ、第2エンドキャップ45の燃料出口51から出すようにさせる。モータ区分50に収容されたモータは、ハウジング42へ押し込まれた固定子12と、この固定子12内に配置された回転子コア17をもつ回転子16とを備え、回転子シャフト19は、その一端が、ポンプ渦形室48のベアリングにジャーナル軸受され、そしてその他端が、第2エンドキャップ45のベアリングにジャーナル軸受される。第2のエンドキャップは、2つの部分として示され、その第1部分は、ハウジングをシールすると共に、燃料出口と、モータを動作する電力用のコネクタも形成し、そしてその第2部分は、回転子シャフトのためのベアリングを支持する。モータ区分50は、BLDCモータを動作する電子回路を受け入れるための電子モジュールを含むが、この実施形態では、電子モジュールは、図示されていないか、又は燃料ポンプ内に装着されていない。
ポンプの燃料流路は、図7にブロック矢印60で示すように、第1エンドキャップ44の入口49を通ってポンプ渦形室48へ至り、ここで、羽根車47によりハウジング42の内部へポンプ輸送され、回転子コア17と固定子コア13との間のギャップ、又は固定子コア13のくぼみ28とハウジング42との間に形成された通路52を通ることによりモータを通過して、第2エンドキャップ45へ至り、第2エンドキャップ45の出口51を通してポンプから出る。
図3の固定子の構造は、非常に簡単な巻線を備えているが、巻線スロットは、巻き付け、特に、自動巻き付けを極めて困難又は不可能なものにする。これを念頭において、別の実施形態が図8から10に示されている。図8は、4つの部分、即ち図9に示す固定子リング70と、図10に示す3つの固定子プラグ71とで形成された固定子コア13の斜視図である。
固定子リング70は、固定子コア13の外面を形成するもので、磁束戻り路である。又、固定子リング70は、非巻線歯15も形成する。半径方向外面において非巻線歯15に対応する位置に固定子くぼみ28が形成される。固定子リング70の半径方向内面において非巻線歯と非巻線歯との間に定住部72がある。各定住部は、2つの縁74と、軸方向に延びる峰76とを有している。
固定子プラグ71は、巻線歯14を形成する。各プラグ71は、巻線歯14及び足73を有する。歯14は、軸方向に延びる溝26がこの歯を2つの極に分割する極面を有している。足73は、縁75を有し、極面とは反対のプラグの半径方向外面に対するフランジ状周囲延長部を形成すると共に、極面とで、巻線のコイルのための巻線チャンネルを形成する。足73は、軸方向に延びるトラフ77を有する。
組立中に、各プラグ71は、これに固定子巻線のコイルが巻かれた後に、固定子リング70へ組み立てられる。各プラグ71を固定子リング70に嵌合するのは、峰76及びトラフ77がそれら2つの部分を一緒にキー固定し、定住部の縁74及び足の縁75がそれら部分の位置付けを助けるようにして、足73を定住部72に位置させることにより行われる。任意であるが、好ましくはレーザ溶接等によりそれらの部分を最終的に接合する前に、足が定住部にぴったり嵌合してそれら部分を一時的に保持するようにしてもよい。或いは又、プラグをリングにロックするように形成することもできる。リング70及びプラグ71は、スチール、特に、電気鋼のラミネーションを型抜き及び積層することにより形成される。
この構成の1つの効果は、巻線チャンネル又はスロットを非常に高い充填率まで充填してモータ設計者により多くの選択肢を与えることができると共に、モータの外径の全体的サイズを減少する可能性を許すことである。又、別の効果は、従来の巻き付け方法でワイヤが通過しなければならない隣接極面間のスロットの巾、即ち巻線ギャップを、従来の固定子における自動巻き付け方法に必要な最小値より小さくし、コギングトルクを更に減少できるようにしたことである。
従って、本発明は、燃料ポンプに使用するのに特に適した実施形態を有するBLDCモータのための新規な構造を提供する。BLDCモータの実施形態は、0.98までの高い巻き付け効率を達成できる。本発明のBLDCモータは、低電力BLDCモータに対して簡単な固定子巻線プロセスを有する。燃料ポンプの場合には、燃料通路を設けてコギングトルクを減少することが効果的であると考えられる。幾つかの実施形態は、小直径のモータでも、大量生産に理想的に適している。
本発明は、1つ以上の好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、種々の変更がなされ得ることが明らかであろう。それ故、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定されるものとする。
例えば、4極表面装着PM(永久磁石)のBLDC回転子が示されたが、本発明は、6極、8極・・・2*m極(mは整数)、及び挿入PM幾何学形状のような他の変形態様にも適している。本発明は、各相に1つのコイルのみを伴うBLDCモータを網羅し、多相モータ、即ち2、3、4又はそれ以上の相を有するモータに適用することができる。それ故、本発明は、燃料ポンプの用途だけではなく、他の用途にも適している。
好ましい実施形態は、固定子の巻線歯のみに形成された軸方向に延びる溝を示して説明したが、非巻線歯も、又は巻線歯に代わって非巻線歯が、軸方向溝を有してもよく、従って、巻線歯について述べたのと同様に複数の固定子極を形成する。固定子歯が2つのセット、即ち巻線歯のセット及び非巻線歯のセット、に分割されると考えるのが便利である。全ての固定子歯が軸方向に延びる溝を有して複数の固定子極を形成することも考えられ、又、各々の非巻線歯が各々の巻線歯とは異なる数の固定子極を形成することも考えられる。しかしながら、同じセットの各歯が同じ数の固定子極を形成するモータの対称性が望まれる。好ましい実施形態では、巻線歯のセットの各歯が2つの固定子極を形成する一方、非巻線歯のセットの各歯が単一の固定子極を形成する。
好ましい実施形態では、固定子巻線がスター接続され、各コイル又は相巻線の一端が共通点を形成するように一緒に接続されたが、固定子巻線をデルタ接続することもできる。実際に、デルタ巻線構成は、図11に示すように巻線接続を簡単化することにより幾つかの効果を与える。三相巻線のデルタ構成では、各相巻線が他の2つの相巻線に接続される。従って、巻き付け中に、ワイヤは、第1の固定子端子Aに接続され、第1の固定子歯の周りに巻かれて第1の相巻線を形成し、第2の固定子端子Bに接続され、第2の固定子歯の周りに巻かれて第2の相巻線を形成し、第3の固定子端子Cに接続され、第3の固定子歯の周りに巻かれて第3の相巻線を形成し、そして最終的に、第1の固定子端子Aへ戻るように接続される。ワイヤは、第1の固定子端子に2回目に接続された後にカットされるだけであり、共通のスター接続点を排除することで巻き付けを簡単にする。
本発明の説明及び特許請求の範囲において、動詞「備える(comprise)」、「含む(include)」、「収容する(contain)」及び「有する(have)」並びにその変化は、各々、ここに述べたアイテムの存在を特定するために包括的な意味で使用され、付加的なアイテムの存在を除外するものではない。
12:固定子
13:固定子コア
14:巻線歯
15:非巻線歯
16:回転子
17:回転子コア
18:磁極
20:巻線
22:コイル
26:溝
28:くぼみ
30:プラスチック材料
31:ストリップ
32:こぶ
33:切欠部
40:燃料ポンプ
42:ハウジング
44、45:エンドキャップ
46:ポンプ部分
47:羽根車
48:渦形室
49:燃料入口
50:モータ部分
51:燃料出口
52:通路
70:固定子リング
71:固定子プラグ
72:定住部
73:足
74:縁
75:縁
76:峰
77:トラフ

Claims (15)

  1. mを整数とすれば、2*m個の永久磁石回転子極を有する回転子と、
    nを2より大きな整数とすれば、2*n個の固定子歯及びn相固定子巻線を有し、固定子巻線の各脚が固定子歯の各1つの周りに巻かれた単一コイルを有する固定子と、
    を備え、
    前記固定子歯は、コイルを有する巻線歯、及びコイルをもたない非巻線歯を形成し、巻線歯は、非巻線歯と交互に離間され、各巻線歯又は各非巻線歯又は各固定子歯は、前記歯の各々を複数の固定子極へ分割する少なくとも1つの軸方向に延びる溝がその面に形成され、
    前記固定子は、コアを有し、このコアは、複数のくぼみを有する半径方向外面を有し、各くぼみは、固定子の2つの軸方向端部の間に延び、前記くぼみの数は、前記非巻線歯の数に等しく、前記くぼみは、実質的に同じサイズを有し、各くぼみは、前記モータの半径方向において非巻線歯の各1つと各々整列され、
    前記固定子は、巻線を受け取る歯の間に複数の巻線スロットを形成し、前記くぼみは、固定子の半径方向において前記巻線スロットの1つと少なくとも部分的に重なる、ブラシレス直流モータ。
  2. 各巻線歯は、2つの固定子極を形成し、そして各非巻線歯は、1つの固定子極を形成する、請求項1に記載のモータ。
  3. 各巻線歯は、3つの固定子極を形成する、請求項1に記載のモータ。
  4. 各非巻線歯は、2つの固定子極を形成する、請求項1に記載のモータ。
  5. 前記固定子コアは、固定子リングと、そこに固定された多数の別々に形成された固定子プラグとを有し、各プラグが巻線歯を形成する、請求項1から4のいずれかに記載のモータ。
  6. 前記固定子巻線は、樹脂材料で包まれている、請求項1から5のいずれかに記載のモータ。
  7. 各くぼみの境界は、滑らかに湾曲している、請求項1から6のいずれかに記載のモータ。
  8. 前記固定子は、ラミネーションの積層体から形成されたコアを有し、各ラミネーションは、外周面に複数の切欠部を形成し且つ各切欠部にこぶを形成し、前記ラミネーションの切欠部は、軸方向に整列し、前記ラミネーションのこぶは、ラミネーションを一緒に接続するように一緒に接合されている、請求項7に記載のモータ。
  9. 記プラスチック材料が前記切欠部に充填されている、請求項8に記載のモータ。
  10. 請求項1から9のいずれかに記載のモータを組み込む内燃機関のための燃料ポンプであって、前記燃料ポンプは、ポンプ及びモータを収容するハウジングを有し、前記モータは、前記ポンプを駆動して前記ハウジングを通して燃料を通流させるように配置され、前記くぼみは、前記固定子と前記ハウジングとの間の燃料を流すための通路として機能し、前記固定子と前記ハウジングとの間に形成された通路の総数は、前記非巻線歯の数に等しい、燃料ポンプ。
  11. 前記モータの固定子巻線は、樹脂材料で包まれている、請求項10に記載の燃料ポンプ。
  12. 前記モータの固定子は、プラスチック材料で包まれている、請求項10に記載の燃料ポンプ。
  13. mを整数とすれば、2*m個の永久磁石回転子極を有する回転子と、
    nを2より大きな整数とすれば、2*n個の固定子歯及びn相固定子巻線を有し、固定子巻線の各脚が固定子歯の各1つの周りに巻かれた単一コイルを有する固定子と、
    を備え、
    前記固定子歯は、コイルを有する巻線歯、及びコイルをもたない非巻線歯を形成し、巻線歯は、非巻線歯と交互に離間され、各巻線歯又は各非巻線歯又は各固定子歯は、前記歯の各々を複数の固定子極へ分割する少なくとも1つの軸方向に延びる溝がその面に形成され、
    前記固定子は、コアを有し、このコアは、複数のくぼみを有する半径方向外面を有し、各くぼみは、固定子の2つの軸方向端部の間に延び、前記くぼみの数は、前記非巻線歯の数に等しく、前記くぼみは、実質的に同じサイズを有し、各くぼみは、前記モータの半径方向において非巻線歯の各1つと各々整列された、ブラシレス直流モータを組み込む内燃機関のための燃料ポンプであって、
    前記燃料ポンプは、ポンプ及びモータを収容するハウジングを有し、前記モータは、前記ポンプを駆動して前記ハウジングを通して燃料を通流させるように配置され、前記くぼみは、前記固定子と前記ハウジングとの間の燃料を流すための通路として機能し、前記固定子と前記ハウジングとの間に形成された通路の総数は、前記非巻線歯の数に等しい、燃料ポンプ。
  14. 前記モータの固定子巻線は、樹脂材料で包まれている、請求項13に記載の燃料ポンプ。
  15. 前記モータの固定子は、プラスチック材料で包まれている、請求項13に記載の燃料ポンプ。
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