JP5910590B2 - ブラシレスモータの回転子 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ポンプで用いられるブラシレスモータの回転子に関する。

ポンプ室内で回転可能なインペラと、このインペラを回転駆動可能なモータとを備え、インペラの回転によって燃料タンクの燃料を吸入しつつ内燃機関に圧送する燃料ポンプが知られている。例えば特許文献１に記載された燃料ポンプは、ブラシレスモータを採用している。このブラシレスモータの回転子のロータコアは、シャフトに嵌合して固定されているインナーコア、および、インナーコアの外側に設けられている永久磁石から構成されている。永久磁石は、筒部と、筒部の両端に位置する板状の端部とを有している。このようにインナーコアを設けることによって、永久磁石の使用量を低減している。

特開２０１３−１７３０３号公報

ところで、永久磁石は、樹脂と磁粉との混合材料を射出成形して作られたボンド磁石から構成されており、インナーコアの外表面に密着するように結合している。また、ボンド磁石を構成する樹脂と金属製のインナーコアとの間には線膨張係数に差がある。そのため、ロータコアが温度変化により膨張および収縮を繰り返すことに起因して永久磁石にクラックが生じるおそれがある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ポンプで用いられるブラシレスモータの回転子であって、永久磁石にクラックが生じることを抑制可能な回転子を提供することである。

発明者等は、上述の目的を達成するため研究を重ねた結果、ロータコアが温度変化により膨張および収縮するとき永久磁石の端部に特に応力がかかることを突き止めた。そして、永久磁石の端部の許容応力と、膨張および収縮するとき当該端部にかかる応力との差を「余裕度」と定義すると、発明者等は、上記余裕度が比較的に大きくなる永久磁石の形状を見出した。本発明は、これらの知見に基づくものである。

本発明によるブラシレスモータの回転子は、燃料ポンプのインペラを回転駆動するブラシレスモータに用いられるものであり、シャフト、インナーコアおよび永久磁石を備えている。インナーコアは、鉄を含む金属から形成されており、シャフトに嵌合して固定されている。永久磁石は、熱可塑性樹脂を含む材料から形成されており、インナーコアに対し径方向外側に位置している筒部、当該筒部およびインナーコアに対し軸方向の一方に位置している板状の第１端部、および、筒部およびインナーコアに対し軸方向の他方に位置している板状の第２端部を形成し、周方向に並ぶ複数の磁極を有する。

永久磁石の軸方向の全長をａとし、永久磁石の第１端部の軸方向の厚みをｂとすると、永久磁石は、０．１≦（ｂ／ａ）≦０．１７ を満たすように型成形されている。
このように構成することで、前述の余裕度が比較的大きくなる。したがって、ロータコアが温度変化により膨張および収縮を繰り返すことに起因して永久磁石にクラックが生じることを抑制可能である。

本発明の一実施形態による回転子が適用された燃料ポンプの縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１の回転子を示す断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図３のＶ方向矢視図である。 図３の永久磁石の第１端部の厚みを永久磁石の全長で割った値である厚み比と、永久磁石に関する各種応力との関係を示す線図である。 図３の永久磁石の第２端部の厚みを永久磁石の全長で割った値である厚み比と、永久磁石に関する各種応力との関係を示す線図である。 図３の永久磁石を成形するときの第１段階を説明する図である。 図３の永久磁石を成形するときの第２段階を説明する図である。 図３の永久磁石を成形するときの第３段階を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
＜一実施形態＞
本発明の一実施形態による回転子は、図１に示す燃料ポンプに適用されている。燃料ポンプ１０は、図示しない燃料タンク内に設置されるインタンク式のポンプであり、図１の下部に示す吸入口４２から燃料タンク内の燃料を吸入し、図１の上部に示す吐出口１４から内燃機関に吐出する。

先ず、燃料ポンプ１０の全体構成について図１および図２を参照して説明する。
燃料ポンプ１０は、モータ部２０とポンプ部４０とに大別され、外郭がハウジング１１、ポンプカバー４１、カバーエンド１２等から構成されている。以下の燃料ポンプ１０の説明では、図１の上側を「吐出口１４側」、図１の下側を「吸入口４２側」と表す。

（外郭）
ハウジング１１は、円筒状に形成されている。
ポンプカバー４１は、ハウジング１１の吸入口４２側の端部を塞いでおり、ハウジング１１の縁が内側へ加締められることにより固定されている。

カバーエンド１２は、ハウジング１１の吐出口１４側の端部を塞いでおり、ハウジング１１の縁が内側へ加締められることにより固定されている。カバーエンド１２の外側には、図１の上方へ突出する筒部１３が形成されている。筒部１３の端部には吐出口１４が開いており、筒部１３の内部には吐出口１４に連通する吐出通路１５が形成されている。カバーエンド１２の内側には、図１の下方へ突出する筒部１６が形成されている。筒部１６の内側には、軸受１７が嵌め込まれている。

（モータ部）
モータ部２０は、特許請求の範囲に記載の「ブラシレスモータ」に相当し、固定子２１および回転子３０を備えている。
固定子２１は、ハウジング１１の内側に収容されており、ステータコア２２、インシュレータ２５、巻線２６および端子２７を有している。

ステータコア２２は、磁性材料から成り、筒状のヨーク２３と、ヨーク２３から径方向内側へ放射状に突き出す複数のティース２４とを形成している。巻線２６は、インシュレータ２５を介してティース２４に巻回されている。本実施形態では、巻線２６は、Ｕ相巻線部とＶ相巻線部とＷ相巻線部とを含み、３つの端子２７（１つは図示しない）を介して外部の制御装置と接続可能である。インシュレータ２５は、巻線２６が巻回された後にカバーエンド１２と一体に樹脂成形されている。

回転子３０は、固定子２１の内側に回転可能に収容されており、シャフト３１およびロータコア３３を有している。
シャフト３１は、金属から成り、軸受１７および後述の軸受４７により回転可能に支持されている。シャフト３１の軸方向の一端部３２は、横断面形状がＤ字形状となるように外壁の一部がカットされている。ロータコア３３は、筒状であり、シャフト３１に嵌合して固定されている。本実施形態では、ロータコア３３は、シャフト３１に圧入されているインナーコア３４と、インナーコア３４の外側に設けられている永久磁石３５とから構成されている。永久磁石３５は、周方向に並ぶ複数の磁極を有している。
このように構成されたモータ部２０は、固定子２１の巻線２６の各相巻線部にそれぞれ位相差を持つ電流が流れることによって回転磁界を発生させ、回転子３０を回転させる。

（ポンプ部）
ポンプ部４０は、ポンプカバー４１、ポンプケーシング４４およびインペラ４８を備えている。
ポンプカバー４１は、燃料ポンプ１０の外郭を構成するとともに、ポンプ部４０も構成している。ポンプカバー４１の下方には吸入口４２が開いており、ポンプカバー４１内部には吸入口４２に連通する吸入通路４３が形成されている。

ポンプケーシング４４は、有底筒状であり、ポンプカバー４１と固定子２１との間に設けられ、ポンプカバー４１との間にポンプ室４５を区画形成している。ポンプケーシング４４の中心部には、ポンプケーシング４４を板厚方向に貫く孔４６が形成されている。この孔４６には、軸受４７が嵌め込まれている。

インペラ４８は、樹脂から成る円板状の羽根車であり、ポンプ室４５に収容されている。インペラ４８の中心部には、インペラ４８を板厚方向に貫く孔４９が形成されている。孔４９は、シャフト３１の一端部３２に対応するＤ字形状に形成されている。インペラ４８は、シャフト３１の一端部３２が孔４９に嵌合することによって、シャフト３１に回転伝達可能に連結されている。

ポンプカバー４１のうちインペラ４８側の壁部には、吸入通路４３と接続する周方向溝５１が形成されている。また、ポンプケーシング４４のうちインペラ４８側の壁部には、周方向溝５２が形成されている。ポンプケーシング４４内部には、周方向溝５２を通りポンプケーシング４４を板厚方向に貫く通路５３が形成されている。

このように構成されたポンプ部４０は、モータ部２０によりインペラ４８が回転駆動されると、燃料タンクから吸入口４２を経由して周方向溝５１に燃料を導く。周方向溝５１に導かれた燃料は、インペラ４８の回転により昇圧されつつ周方向溝５２に導かれる。昇圧された燃料は、通路５３、および、回転子３０と固定子２１との間の燃料通路５５を経由して吐出通路１５に導かれ、吐出口１４から吐出される。

次に、回転子３０の特徴構成について図３〜図１０を参照して説明する。
（永久磁石）
図３〜図５に示すように、回転子３０の永久磁石３５は、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）等の熱可塑性樹脂と磁粉との混合材料を射出成形して作られたボンド磁石であり、インナーコア３４の外表面に密着するように結合している。本実施形態では、上記ボンド磁石としてネオジムボンド磁石が採用されている。

永久磁石３５は、筒部６１、第１端部６２および第２端部６３を形成している。筒部６１は、インナーコア３４に対し径方向外側に位置している。第１端部６２は、筒部６１およびインナーコア３４に対し軸方向の一方に位置している。第２端部６３は、筒部６１およびインナーコア３４に対し軸方向の他方に位置している。第１端部６２および第２端部６３は、厚さ方向が筒部６１の軸方向と一致するよう板状に形成されている。

永久磁石３５の軸方向の全長をａとし、第１端部６２の軸方向の厚みをｂとし、第２端部６３の軸方向の厚みをｃとすると、永久磁石３５は、次の式（１）および式（２）を満たすように成形されている。
０．１≦（ｂ／ａ）≦０．１７・・・（１）
０．１≦（ｃ／ａ）≦０．１７・・・（２）

図６に一点鎖線Ｌ−σａで示すように、永久磁石３５の第１端部６２の許容応力σａは、厚み比ｂ／ａが大きくなるにしたがって小さくなる。また、図６に二点鎖線Ｌ−σｆで示すように、ロータコア３３が温度変化により膨張および収縮するとき永久磁石３５の第１端部６２にかかる応力σｆは、厚み比ｂ／ａが大きくなるにしたがって小さくなる。

厚み比ｂ／ａが比較的小さい区間では、厚み比ｂ／ａが比較的大きい区間と比べて、一点鎖線Ｌ−σａの傾きは小さくなるのに対し、二点鎖線Ｌ−σｆの傾きは大きくなる。すなわち、一点鎖線Ｌ−σａは上に凸となる曲線であり、二点鎖線Ｌ−σｆは下に凸となる曲線である。これにより、図６に実線Ｌ−Ｍで示すように、許容応力σａと応力σｆとの差である余裕度Ｍは、厚み比ｂ／ａが式（１）を満たすとき比較的大きくなり、所定値Ｍ１以上となる。

厚み比ｃ／ａについても同様である。すなわち、図７に一点鎖線Ｌ−σａで示すように、永久磁石３５の第２端部６３の許容応力σａは、厚み比ｃ／ａが大きくなるにしたがって小さくなる。また、図７に二点鎖線Ｌ−σｆで示すように、ロータコア３３が温度変化により膨張および収縮するとき永久磁石３５の第２端部６３にかかる応力σｆは、厚み比ｃ／ａが大きくなるにしたがって小さくなる。

厚み比ｃ／ａが比較的小さい区間では、厚み比ｃ／ａが比較的大きい区間と比べて、一点鎖線Ｌ−σａの傾きは小さくなるのに対し、二点鎖線Ｌ−σｆの傾きは大きくなる。すなわち、一点鎖線Ｌ−σａは上に凸となる曲線であり、二点鎖線Ｌ−σｆは下に凸となる曲線である。これにより、図７に実線Ｌ−Ｍで示すように、許容応力σａと応力σｆとの差である余裕度Ｍは、厚み比ｃ／ａが式（２）を満たすとき比較的大きくなり、所定値Ｍ１以上となる。

図３に示すように、永久磁石３５の全長ａは、モータの性能確保という観点から１８［ｍｍ］以上に設定され、また成形し易さという観点から３０［ｍｍ］以下に設定される。本実施形態では、例えば全長ａは２９．５［ｍｍ］に設定されている。
永久磁石３５の第１端部６２の厚みｂ、および、第２端部６３の厚みｃは、同じ値に設定されている。本実施形態では、例えば厚みｂおよび厚みｃは３［ｍｍ］に設定されている。

（インナーコア）
図４に示すように、インナーコア３４の横断面形状は非円形である。本実施形態では、インナーコア３４は、横断面形状が矩形状となるように周方向の４箇所に平面部６４を有している。すなわち、インナーコア３４は、当該インナーコア３４に外接する仮想的な円筒面６５に対し外壁の４箇所が相対的に径方向内側に凹むように形成されている。

インナーコア３４の内周面６６から外周面までの径方向の厚みの最大値をｄとし、インナーコア３４の内周面６６から外周面までの径方向の厚みの最小値をｅとする。本実施形態では、最大値ｄは、内周面６６から円筒面６５までの径方向寸法であり、最小値ｅは、内周面６６から平面部６４までの径方向寸法である。すると、インナーコア３４は、次の式（３）を満たすように形成されている。
ｄ／ｅ≧１．４・・・（３）

（ゲート痕）
図３および図５に示すように、永久磁石３５のうち軸方向で第１端部６２側に位置する端面を第１端面３６とし、第２端部６３側に位置する端面を第２端面３７とすると、永久磁石３５の第１端面３６には、穴６７、６８が形成されている。そして、穴６７、６８の底部には、ゲート痕６９が形成されている。つまり、永久磁石３５の型成形時に材料の流入口となるゲートは、穴６７、６８の底部に一致するように設けられる。

（永久磁石の型成形）
永久磁石３５を製造する場合、先ず、図８に示すようにシャフト３１およびインナーコア３４の組み付け品が型７０に設置される。
型７０は、筒状の第１型７１と、第１型７１の一端に位置する第２型７２と、第１型７１の他端に位置する第３型７３とから構成されている。第２型７２のうちキャビティ７４側の壁部には、穴６７、６８に対応する突起７５、７６が形成されている。第２型７２は、突起７５、７６の先端面に開くゲート７８を有している。

次に、図９に示すように、第２型７２のゲート７８から加熱溶融した前記混合材料が注入される。混合材料は、キャビティ７４に充填された後、冷却固化される。
次に、図１０に示すように、第２型７２および第３型７３が第１型７１から抜き取られる。このとき、ゲート７８内で固化した余剰部分がキャビティ７４内で固化した製品部分から引きちぎられる。
次に、永久磁石３５のうち第２端面３７側に開く穴７９に図示しない治具が挿入され、この治具でインナーコア３４が押圧されることによって、回転子３０が第１型７１から取り外される。
次に、永久磁石３５が着磁され、回転子３０が完成する。

以上説明したように、本実施形態では、永久磁石３５は、第１端部６２の許容応力σａと応力σｆとの差である余裕度Ｍが所定値Ｍ１以上となるように、厚み比ｂ／ａが０．１以上かつ０．１７以下となるように形成されている。
そのため、ロータコア３３が温度変化により膨張および収縮を繰り返すことに起因して永久磁石３５の第１端部６２にクラックが生じることを抑制可能である。

また、本実施形態では、永久磁石３５は、第２端部６３の許容応力σａと応力σｆとの差である余裕度Ｍが大きくなるように、厚み比ｃ／ａが０．１以上かつ０．１７以下となるように形成されている。
そのため、ロータコア３３が温度変化により膨張および収縮を繰り返すことに起因して永久磁石３５の第２端部６３にクラックが生じることを抑制可能である。

ここで、永久磁石３５の材料となる樹脂と磁粉との混合材料は、加熱溶融した状態であっても粘度が高く且つ熱伝導度が大きい。そのため、一方のゲート７８から型７０内に流れ込む混合材料、および、他方のゲート７８から型７０内に流れ込む混合材料が互いの合流地点に到達するまでに時間がかかり、また合流地点に到達する途中で型７０に多くの熱を奪われる。したがって、ウェルド会合部における混合材料の温度が低下し、成形された永久磁石３５の強度が低下するおそれがあった。

これに対し、本実施形態では、インナーコア３４は、横断面形状が矩形状となるように周方向の４箇所に平面部６４を有している。インナーコア３４の平面部６４は、永久磁石３５の型成形時、型７０に設置されたとき第１型７１との間に拡大通路を形成する。
そのため、混合材料は、上記拡大通路を流れることによって、速やかに合流地点に到達することができる。したがって、ウェルド会合部における混合材料の温度低下を抑制し、永久磁石３５の強度低下を抑制可能である。

また、本実施形態では、インナーコア３４の径方向の厚みの最大値ｄは、最小値ｅの１．４倍以上に設定されている。
そのため、インナーコア３４の平面部６４と第１型７１との間に比較的大きな拡大通路を形成することができる。

また、第１実施形態では、永久磁石３５の型成形時に材料の流入口となるゲート７８は、永久磁石３５の第１端面３６に開く穴６７、６８の底部に設けられている。
そのため、ゲート痕６９を穴６７、６８の底部に形成することができ、永久磁石３５の外側の燃料の流れをゲート痕６９が妨げることを抑制可能である。

＜他の実施形態＞
本発明の他の実施形態では、永久磁石の第１端部の厚みおよび第２端部の厚みは、同じ値でなくてもよい。
本発明の他の実施形態では、インナーコアの横断面形状は円形であってもよい。また、インナーコアの横断面形状が円形である場合であっても、インナーコアの径方向の厚みの最大値が最小値の１．４倍よりも小さくてもよい。
本発明の他の実施形態では、永久磁石を型成形するとき材料の流入口となるゲートは、永久磁石の軸方向の端面に一致しなくてもよい。

本発明の他の実施形態では、回転子の磁極数は４以外であってもよいし、固定子のスロット数は６以外であってもよい。
本発明の他の実施形態では、インナーコアは、軸方向に積層された磁性鋼板から構成されてもよい。
本発明は、上述した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で種々の形態で実施可能である。

１０・・・燃料ポンプ
２０・・・モータ部（ブラシレスモータ）
３０・・・回転子
３１・・・シャフト
３４・・・インナーコア
３５・・・永久磁石
４８・・・インペラ
６１・・・筒部
６２・・・第１端部
６３・・・第２端部

Claims (7)

1. 燃料ポンプ（１０）のインペラ（４８）を回転駆動するブラシレスモータ（２０）の回転子（３０）であって、
   シャフト（３１）と、
   鉄を含む金属から形成されており、前記シャフトに嵌合して固定されているインナーコア（３４）と、
   熱可塑性樹脂を含む材料から形成されており、前記インナーコアに対し径方向外側に位置している筒部（６１）、当該筒部および前記インナーコアに対し軸方向の一方に位置している板状の第１端部（６２）、および、前記筒部および前記インナーコアに対し軸方向の他方に位置している板状の第２端部（６３）を形成し、周方向に並ぶ複数の磁極を有する永久磁石（３５）と、
   を備え、
   前記永久磁石の軸方向の全長をａとし、前記永久磁石の前記第１端部の軸方向の厚みをｂとすると、
   前記永久磁石は、
   ０．１≦（ｂ／ａ）≦０．１７
   を満たすように型成形されていることを特徴とするブラシレスモータの回転子。
2. 前記永久磁石の前記第２端部の軸方向の厚みをｃとすると、
   前記永久磁石は、
   ０．１≦（ｃ／ａ）≦０．１７
   を満たすように型成形されてい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の回転子。
3. 前記永久磁石の前記第１端部の厚みｂは、前記第２端部の厚みｃと同じであることを特徴とする請求項２に記載のブラシレスモータの回転子。
4. 前記インナーコアの横断面形状は非円形であ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の回転子。
5. 前記インナーコアの内周面（６６）から外周面までの径方向の厚みの最大値をｄとし、最小値をｅとすると、
   ｄ／ｅ≧１．４
   を満たすことを特徴とする請求項４に記載のブラシレスモータの回転子。
6. 前記永久磁石を型成形するとき材料の流入口となるゲート（７８）は、前記永久磁石のうち軸方向の一方の端面（６３）に一致するように設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のブラシレスモータの回転子。
7. 前記インナーコアは磁性鋼板から形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のブラシレスモータの回転子。

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