JP6139951B2 - 電動ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を使用することのない極めて簡単な構成によって、駆動させることができる電動ポンプに関する。

自動車のエンジン潤滑におけるオイルポンプには、それ自体にモータを備えた電動式のオイルポンプが存在する。この種のものは多く出回っている。特許文献１は、その一例として挙げたものであり、部品点数を減少させて簡易な構成とし、小型化を実現すると共に低価格で提供できるものとした。

特開２０１２−１６７６２１号公報

特許文献１では、インナーロータにプラスチックマグネットを使用するなど、進歩的な構造を備えたものであったが、近年、高品位な永久磁石の原材料となるレアアース等の希少な材料が高騰することもあった。したがって、今後、前述したような、希少材料を使用しない構成のモータを具備した電動ポンプの開発が要望されるに至った。そこで、本発明の目的（解決しようとする技術的課題）は、極めて簡単な構成によって、永久磁石を使用しない電動ポンプを提供することにある。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、 磁性体としての外歯を有するインナーロータと、前記外歯よりも１つ多い内歯を有し且つ非磁性体としてのアウターロータと、前記外歯数よりも数が多い支柱部が環状円板としてのコアベース部の一側面に等間隔に形成され且つ前記支柱部にコイルボビンが装着されたステータコアとからなり、該ステータコアは、前記インナーロータの外歯の数を４枚以上の偶数とし、且つ前記外歯の数よりも２つ多い前記支柱部及び前記コイルボビンを有し、前記インナーロータの回転により前記外歯は前記コイルボビンの直近を通過するように配置され、前記インナーロータの回転方向に沿って前記外歯と近接する前記コイルボビンに通電されて前記外歯が磁気吸引されることにより前記インナーロータを回転させると共に、前記外歯と近接する位置の前記コイルボビンに順次通電されるように制御されてなる電動ポンプとしたことにより、前記課題を解決した。

請求項２の発明を、請求項１において、前記コアベース部の直径中心を点対称として配置される２つ以上の前記支柱部を一対とし、３相以上にてパルス電流を通電制御してなる電動ポンプとしたことにより、上記課題を解決した。請求項３の発明を、請求項１又は２において、前記インナーロータの前記外歯の数を４とし、前記ステータコアの支柱部の数を６としてなる電動ポンプとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項４の発明を、請求項１又は２において、前記インナーロータの前記外歯の数を６とし、前記ステータコアの支柱部の数を８としてなる電動ポンプとしたことにより、上記課題を解決した。請求項５の発明を、請求項１，２，３又は４のいずれか１項の記載において、前記インナーロータの磁性体は、磁気に反応して吸引される鉄系粉末からなる焼結体又は鉄系粉末を含有する合成樹脂から形成されてなる電動ポンプとしたことにより、前記課題を解決した。

請求項６の発明を、請求項１，２，３又は４のいずれか１項の記載において、前記アウターロータの非磁性体は、合成樹脂又は非磁性金属にて形成されてなる電動ポンプとしたことにより、上記課題を解決した。請求項７の発明を、請求項１，２，３，４，５又は６のいずれか１項の記載において、前記支柱部及び前記コイルボビンが平面的に見て円形状に形成されてなる電動ポンプとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項８の発明では、請求項１，２，３，４，５又は６のいずれか１項の記載において、前記支柱部及び前記コイルボビンが平面的に見て、前記コアベース部３の中心側が尖った略三角形状に形成されてなる電動ポンプとしたことにより、前記課題を解決したものである。

請求項１の発明では、モータの構成に永久磁石を全く使用しない構成としたので、その構成を極めて簡単にし、軽量化することができる。インナーロータは、通常のオイルポンプで広く使用されている鉄系焼結体で形成されたものであり、インナーロータの歯形形状がそのままモータのロータとしての機能を担うので、何ら特別な部品や特殊な形状とする必要がない。そして、永久磁石を使用しないので、通常のインナーロータであり、非常に安価に提供することができる。

また、請求項１の発明では、前記インナーロータの外歯の数を４枚以上の偶数とし、且つ前記外歯の数よりも２つ多い支柱部及びコイルボビンからなるステータコアとしたことにより、永久磁石を使用しないでも、安定した回転力を得る電動ポンプを提供できる。請求項２の発明では、３相タイプ以上の電極にて駆動できる。請求項３の発明では、外歯数４、ステータコアの支柱部及びコイルボビンの数を６とすることで、極めて良好に駆動できる電動ポンプを提供できる。

請求項４の発明では、外歯数６、ステータコアの支柱部及びコイルボビンの数を８とすることで、より良好に駆動できる電動ポンプを提供できる。請求項５の発明では、前記インナーロータの磁性体は、磁気に反応して吸引される鉄系粉末からなる焼結体又は鉄系粉末を含有する合成樹脂から形成されてなることで、安価に製造できる。また、請求項６の発明では、前記アウターロータの非磁性体は、合成樹脂又は非磁性金属にて形成されてなることで、安価に製造できる利点がある。また、請求項７の発明では、安価且つ短時間で製造できる。請求項８の発明では、有効な磁路断面積を増やすことができる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態の構成を示す縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＹ１−Ｙ１矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のコイルを省略したＹ2−Ｙ2矢視断面図、（Ｄ）はインナーロータの斜視図、（Ｅ）はステータコアの斜視図、（Ｆ）は別の実施形態のステータコアの斜視図である。 （Ａ）は６極のステータコアの構成を示す略示図、（Ｂ）は６極の通電順位を示す図である。 ６極の通電状態を示す図である。 （Ａ）は本発明の第２実施形態の８極のステータコアの構成を示す略示図、（Ｂ）は８極の通電順位を示す図である。 ８極の通電状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本発明は、図１（Ａ）に示すように、主にインナーロータ１，アウターロータ２，ステータコアＡと、駆動制御部６と、ハウジング７等から構成されている。該ハウジング７は、インナーロータ１，アウターロータ２が配置されるポンプ室７１、前記ステータコアＡが配置されるモータ室７２及び駆動制御部６が配置される制御室７３からなる。

前記ポンプ室７１では、内接形のロータを構成するインナーロータ１とアウターロータ２とが配置されており、具体的には、トロコイド形状歯形のものである。インナーロータ１は、３以上の歯数であり、好ましくは、４以上の偶数の外歯１１，１１，…を有するものである。具体的な外歯１の歯数としては、４枚，６枚，８枚，１０枚等である。

つまり、回転中心Ｑａを点対称の中心とする２つの外歯１１，１１を対とし、この対を複数有するものである。前記インナーロータ１は、磁気に反応して吸引される材質を有し、鉄系金属，鉄系粉末からなる焼結体又は鉄系粉末を含有する合成樹脂から形成される。これらを総称して磁性体と呼ぶ。

前記アウターロータ２は、環状に形成され、その内周側に内歯２１，２１，…を有するものである。該内歯２１，２１，…の歯数は、インナーロータ１の外歯１１，１１，…の歯数よりも１つ多い。アウターロータ２は、磁気に反応しない合成樹脂又は非磁性金属から形成される。これらを総称して非磁性体と呼ぶ。

そして、インナーロータ１がアウターロータ２の内周側に配置され、インナーロータ１が回転することによって、アウターロータ２が回転し、このとき、インナーロータ１の外歯１１，１１，…と、アウターロータ２の内歯２１，２１，…が接触（略接触或いは近接）することによって歯間空間が形成される。

該歯間空間は、インナーロータ１とアウターロータ２との回転によって、体積の伸縮を繰り返しながらオイル等の流体を吸入ポート７１ａから吐出ポート７１ｂに搬送して吐出するポンプ動作を行うものである。前記インナーロータ１とアウターロータ２とは、ハウジング７のポンプ室７１に配置される。

該ポンプ室７１には、前記吸入ポート７１ａと吐出ポート７１ｂとが形成されている。前記ハウジング７には、前記インナーロータ１を回転自在に支持する回転軸１２が備わっており、前記ポンプ室７１内の軸受部７１ｃに軸支されている。また、前記吸入ポート７１ａ及び吐出ポート７１ｂは、前記ハウジング７のポンプ室７１に設けられた吸入口７１ｄ及び吐出口７１ｅに連通している〔図１（Ａ）参照〕。

前記ステータコアＡは、コアベース部３と、支柱部４と、コイルボビン５とから構成されている（図１参照）。前記コアベース部３は、平板を環形とした環状円板として形成されたものである〔図１（Ｅ）参照〕。該コアベース部３の一方側の平坦面には、複数本の支柱部４，４，…が等間隔且つ等角度として形成される〔図１（Ｅ）参照〕。該支柱部４は、具体的には、４本以上の偶数本が形成され、且つ前記インナーロータ１の外歯１１の歯数よりも１本又は２本多く設けられるものである〔図１（Ｄ），（Ｅ）参照〕。

また、前記支柱部４は、一般的には、円柱形状に形成されたものであり、前記コアベース部３と、前記支柱部４，４，…とは一体形成されたものである〔図１（Ｅ）参照〕。具体的には、コアベース部３と支柱部４とは、焼結金属によって形成されることが好ましい。該各支柱部４には、コイルボビン５が装着される。該コイルボビン５は、前記支柱部４の数と同数備えられる。前記コイルボビン５は、ボビン５１とコイル５２から構成されている。

前記各ボビン５１には、コイル５２が巻着されて糸巻状となるコイルボビン５が構成されている〔図１（Ｅ）参照〕。このような支柱部４と、該支柱部４に装着されるコイルボビン５とによって磁極が構成され、コイルボビン５のコイル５２に通電されることで、磁極は電磁石として作用する。前記円柱形状の支柱部４，４，…には、同じく円筒形状のコイルボビン５の周囲に円周形状にコイル５２が巻着されている。

また、図１（Ｆ）に示すように、前記支柱部４は、前記コアベース部３の中心側が尖った略三角形状をなした柱片として形成されることがある。この場合の前記コイルボビン５なるボビン５１とコイル５２も、略三角形状をなして形成される。この場合には、磁極化したときの磁力は、円形の場合よりも、磁力線が多くなり、強力に作用することが多い。

前記ステータコアＡのコアベース部３の直径中心Ｑｂと、前記インナーロータ１の回転軸１２の回転中心Ｑａとは、一致するように構成されている。さらに、前記インナーロータ１が回転するときに、該インナーロータ１の外歯１１，１１，…の各外歯中心１１ａ，１１ａ，…が、前記コイルボビン５の軸芯Ｑｃ（各支柱部４の中心と一致）を通過する構成となっている。

このような構成によって、前記インナーロータ１が回転するときに、その各外歯１１，１１，…の一つの先端が、前記一つのコイルボビン５の直近位置となったときに、該コイルボビン５に電気が流れて磁極となったときには、その一つの外歯１１を吸着作用をする構成となっている。つまり、前記インナーロータ１の外歯１１，１１，…が前記コイルボビン５の磁極に反応することができる位置となる。

前記磁極についての構成は、具体的には、コアベース部３の直径中心Ｑｂを点対称として、該直径中心Ｑｂの両側に配置された支柱部４，４とコイルボビン５，５とによって構成された磁極を一対の磁極Ｐn，Ｐn’とする。ここで、nは、以下の説明において便宜上付与する変数（パラメータ）である。変数nは、対の数と共に通電される順位を示す。

磁極Ｐn，Ｐn’が３相の場合，コイルボビン５が６個となる６スロットではコイルボビン５が２つで一対、９スロットでは３つで一対、１２スロットでは４つで一対となる。つまり３相励磁ではスロット数÷３の数が一対となる。例えば、支柱部４の総数が６の場合には、磁極Ｐn，Ｐn’の対の数は３となる。つまり３相式の６極タイプとなっている。この対をなす磁極Ｐn，Ｐn’は、前述したように、コアベース部３の直径中心Ｑｂを点対称の中心として配置されたもので、換言すると直径中心Ｑｂ上を通過する直線上に位置し、直径中心Ｑｂを介して対向する磁極Ｐn，Ｐn’となる。

具体的には、前記インナーロータ１の外歯１１の歯数を４個とした場合には、これに対応するステータコアＡは、６個の支柱部４，４，…とコイルボビン５，５，…とを有するものであり、磁極Ｐn，Ｐn’の対の数は３となり、３相タイプとなる。そして、変数nに数値を入れると、３対の磁極Ｐn，Ｐn’は、１８０°（角度π）の位相差で、磁極Ｐ1，Ｐ1’，磁極Ｐ2，Ｐ2’，磁極Ｐ3，Ｐ3’となる〔図２（Ａ）参照〕。なお、隣接する各支柱部４，４間は、６０°（角度３分の１π）となっている。

そして、インナーロータ１の回転方向に沿って、それぞれの一対の外歯１１，１１に最も近接する位置にある一対の磁極Ｐn，Ｐn’が通電されると電磁石として働き、インナーロータ１の一対の外歯１１，１１，…が磁気吸引されて、インナーロータ１が回転する。このように、常に一対の外歯１１，１１と、近接する位置にある一対の磁極Ｐn，Ｐn’に通電され、この通電が移り変わることでインナーロータ１を回転させ続けるものである。

したがって、任意の一対の磁極Ｐn，Ｐn’が通電されて電磁石として働くときには、図示しないロータリースイッチ等にて、他の対の磁極Ｐn，Ｐn’は通電されず、電磁石としての働きも行われない。つまり、ポンプ作動中において、パルス電流として通電されるのは常にインナーロータ１の一対の外歯１１，１１に回転方向において近接する位置にある一対の磁極Ｐn，Ｐn’のみである。

前記変数nは、対となる磁極Ｐn，Ｐn’に通電する順位の番号である。したがって、前述した３対の磁極Ｐn，Ｐn’とした場合では、磁極Ｐ1，Ｐ1’，磁極Ｐ2，Ｐ2’，磁極Ｐ3，Ｐ3’の順番で通電が行われ、後述する４対の磁極Ｐn，Ｐn’では、磁極Ｐ1，Ｐ1’，磁極Ｐ2，Ｐ2’，磁極Ｐ3，Ｐ3’，磁極Ｐ4，Ｐ4’の順番で通電が行われてゆく。前記駆動制御部６は、前記ステータコアＡのコイルボビン５に通電して支柱部４を磁極化し、この磁極を順番に移動させる制御を行う。

次に、本発明のインナーロータ１がステータコアＡによって回転する動作について説明する。まず、インナーロータ１の外歯１１，１１，…の歯数を４枚とし、ステータコアＡの磁極（支柱部４とコイルボビン５）の数を６としたものについて説明する。

ステータコアＡは、コアベース部３に支柱部４とコイルボビン５とからなる磁極Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ1’，Ｐ2’，Ｐ3’が備わっており、これらが対をなして磁極Ｐ1，Ｐ1’，磁極Ｐ2，Ｐ2’，磁極Ｐ3，Ｐ3’が配置される。そして、インナーロータ１の予め決められた回転方向（図２では時計方向）に沿って、コアベース部３の周方向で且つインナーロータ１の回転方向に沿って、磁極Ｐ3，Ｐ2，Ｐ1，Ｐ3’，Ｐ2’，Ｐ1’の順番で等間隔に配置される〔図２（Ａ）参照〕。つまり、磁極Ｐ1，Ｐ1’と磁極Ｐ2，Ｐ2’との間に、磁極Ｐ3，Ｐ3’が位置する。

そして、通電は、対をなす磁極Ｐ1，Ｐ1’、磁極Ｐ2，Ｐ2’、磁極Ｐ3，Ｐ3’の順番で行われる。インナーロータ１は、複数の外歯１１，１１，…の中で基準となる任意の外歯１１を設定し、これを基準外歯１１ｋとする。また、該基準外歯１１kと対をなすものを副外歯１１ｋ’とする。基準外歯１１ｋには、円形の黒点を記入しておく。副外歯１１ｋ’には、円形の白点を記入しておく。基準外歯１１ｋ及び副外歯１１ｋ’は、説明の便宜上、インナーロータ１が回転する動的状態を理解するためと、図面においてインナーロータが回転している状態とを理解し易くするために設けたものであり、実質的に他の外歯１１，１１，…と同一である。

まず、インナーロータ１の停止状態における初期の基準外歯１１ｋの位置を、磁極Ｐ1’の位置から反回転方向で磁極Ｐ1’と磁極Ｐ2’の間に位置するものとする。この状態でインナーロータ１は、基準外歯１１ｋと該基準外歯１１ｋと対をなす副外歯１１ｋ’が回転方向に沿って磁極Ｐ1，Ｐ1’に最も近接した状態である〔図３（１）参照〕。

磁極Ｐ1，Ｐ1’におけるコイルボビン５のコイル５２に通電されて電磁石とする。これによって、インナーロータ１の基準外歯１１ｋと該基準外歯１１ｋと対となる副外歯１１ｋ’は、磁極Ｐ1，Ｐ1’の磁気に吸引され、磁極Ｐ1，Ｐ1’の位置に到達する〔図３（２）参照〕。そして、略到達すると共に、磁極Ｐ1，Ｐ1’から磁極Ｐ2，Ｐ2’に通電が移り変わる。

これによって、磁極Ｐ2，Ｐ2’に近接するインナーロータ１の（基準外歯１１k，副外歯１１ｋ’以外の）外歯１１，１１が磁気吸引されて、磁極Ｐ2，Ｐ2’に向かって移動する〔図３（２）参照〕。そして、外歯１１，１１が磁極Ｐ2，Ｐ2’に略到達すると共に、磁極Ｐ2，Ｐ2’から磁極Ｐ3，Ｐ3’に通電が移り変わる〔図３（３）参照〕。

これによって、磁極Ｐ3，Ｐ3’に近接するインナーロータ１の基準外歯１１ｋと対となる副外歯１１ｋ’が磁気吸引されてインナーロータ１が時計方向に回転を続ける。このように、磁極Ｐ1，Ｐ1’、磁極Ｐ2，Ｐ2’、磁極Ｐ3，Ｐ3’の順番で通電が移り変わり、且つこの順番の繰り返しが行われインナーロータ１が回転をし続ける。該回転を通じて前記アウターロータ２も回転して電動ポンプとして機能する。

図４に示したものは、本発明の第２実施形態であって、インナーロータ１の外歯１１の歯数を６個、コイルボビン５を８個とした場合である。つまり、前記インナーロータ１の外歯１１の歯数を６個とし、これに対応するステータコアＡは、８個の支柱部４，４，…とコイルボビン５，５，…とした場合である。磁極Ｐn，Ｐn’の対の数は４となる。そして、変数nに数値を入れると、４対の磁極Ｐn，Ｐn’は、磁極Ｐ1，Ｐ1’，磁極Ｐ2，Ｐ2’，磁極Ｐ3，Ｐ3’，磁極Ｐ4，Ｐ4’となる〔図４（Ａ）参照〕。つまり、４相タイプである。

次に、インナーロータ１の外歯１１，１１，…の歯数を６枚とし、ステータコアＡの磁極（支柱部４とコイルボビン５）の数を８としたものについて説明する。ステータコアＡは、コアベース部３に支柱部４とコイルボビン５とからなる磁極Ｐ1，Ｐ1’，磁極Ｐ2，Ｐ2’，磁極Ｐ3，Ｐ3’，磁極Ｐ4，Ｐ4’が備わっている。

そして、インナーロータ１の予め決められた回転方向に沿って、コアベース部３の周方向に沿って、磁極Ｐ4，Ｐ3，Ｐ2，Ｐ1，Ｐ4’，Ｐ3’，Ｐ2’，Ｐ1’の順番で等間隔に配置される〔図４（Ａ）参照〕。つまり、磁極Ｐ1，Ｐ1’と磁極Ｐ2，Ｐ2’との間に、磁極Ｐ3，Ｐ3’及び磁極Ｐ4，Ｐ4’が位置する。

次いで、通電は、磁極Ｐ1，Ｐ1’、磁極Ｐ2，Ｐ2’、磁極Ｐ3，Ｐ3’、磁極Ｐ4，Ｐ4’の順番で行われる。インナーロータ１の停止状態における初期の基準外歯１１ｋの位置を、磁極Ｐ1’の位置から反回転方向で磁極Ｐ1’と磁極Ｐ2’の間に位置する〔図５（１）参照〕。

まず、磁極Ｐ1，Ｐ1’におけるコイルボビン５のコイル５２に通電されて電磁石とする。これによって、インナーロータ１の基準外歯１１ｋと該基準外歯１１ｋと対となる副外歯１１ｋ’は、磁極Ｐ1，Ｐ1’の磁気に吸引され、磁極Ｐ1，Ｐ1’の位置に到達する〔図５（２）参照〕。そして、略到達すると共に、磁極Ｐ1，Ｐ1’から磁極Ｐ2，Ｐ2’に通電が移り変わる〔図５（２）参照〕.

これによって、磁極Ｐ2，Ｐ2’に近接するインナーロータ１の（基準外歯１１k，副外歯１１ｋ’以外の）外歯１１，１１が磁気吸引されて、磁極Ｐ2，Ｐ2’に向かって移動する。そして、外歯１１，１１が磁極Ｐ2，Ｐ2’に略到達すると共に、磁極Ｐ2，Ｐ2’から磁極Ｐ3，Ｐ3’に通電が移り変わる〔図５（３）参照〕。

このため、Ｐ3，Ｐ3’に近接するインナーロータ１の基準外歯１１ｋと対となる副外歯１１ｋ’が磁気吸引されてインナーロータ１が回転を続ける。さらに、磁極Ｐ3，Ｐ3’から磁極Ｐ4，Ｐ4’に通電が移り変わる〔図５（４）参照〕。そして、基準外歯１１ｋ，副外歯１１ｋ’が磁極Ｐ4，Ｐ4’に磁気吸引されてインナーロータ１が回転を続ける。すると共に、磁極Ｐ2，Ｐ2’から磁極Ｐ3，Ｐ3’に通電が移り変わる同様のことが以降も繰り返されてインナーロータ１が時計方向に回転をし続けるものである。該回転を通じて前記アウターロータ２も回転して電動ポンプとして機能する。

１…インナーロータ、１１…外歯、２…アウターロータ、２１…内歯、
Ａ…ステータコア、３…コアベース部、４…支柱部、５…コイルボビン、
６…駆動制御部。

Claims (8)

1. 磁性体としての外歯を有するインナーロータと、前記外歯よりも１つ多い内歯を有し且つ非磁性体としてのアウターロータと、前記外歯数よりも数が多い支柱部が環状円板としてのコアベース部の一側面に等間隔に形成され且つ前記支柱部にコイルボビンが装着されたステータコアとからなり、該ステータコアは、前記インナーロータの外歯の数を４枚以上の偶数とし、且つ前記外歯の数よりも２つ多い前記支柱部及び前記コイルボビンを有し、前記インナーロータの回転により前記外歯は前記コイルボビンの直近を通過するように配置され、前記インナーロータの回転方向に沿って前記外歯と近接する前記コイルボビンに通電されて前記外歯が磁気吸引されることにより前記インナーロータを回転させると共に、前記外歯と近接する位置の前記コイルボビンに順次通電されるように制御されてなることを特徴とする電動ポンプ。
2. 請求項１において、前記コアベース部の直径中心を点対称として配置される２つ以上の前記支柱部を一対とし、３相以上にてパルス電流を通電制御してなることを特徴とする電動ポンプ。
3. 請求項１又は２において、前記インナーロータの前記外歯の数を４とし、前記ステータコアの支柱部の数を６としてなることを特徴とする電動ポンプ。
4. 請求項１又は２において、前記インナーロータの前記外歯の数を６とし、前記ステータコアの支柱部の数を８としてなることを特徴とする電動ポンプ。
5. 請求項１，２，３又は４のいずれか１項の記載において、前記インナーロータの磁性体は、磁気に反応して吸引される鉄系粉末からなる焼結体又は鉄系粉末を含有する合成樹脂から形成されてなることを特徴とする電動ポンプ。
6. 請求項１，２，３又は４のいずれか１項の記載において、前記アウターロータの非磁性体は、合成樹脂又は非磁性金属にて形成されてなることを特徴とする電動ポンプ。
7. 請求項１，２，３，４，５又は６のいずれか１項の記載において、前記支柱部及び前記コイルボビンが平面的に見て円形状に形成されてなることを特徴とする電動ポンプ。
8. 請求項１，２，３，４，５又は６のいずれか１項の記載において、前記支柱部及び前記コイルボビンが平面的に見て、前記コアベース部３の中心側が尖った略三角形状に形成されてなることを特徴とする電動ポンプ。

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