WO2021014874A1 - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

ブラシレスモータは、鉄芯部を有するステータと、ステータの内側に配置されており、シャフトに固定されているとともに複数の磁極を有するロータを備えている。シャフトは、一端に被回転部材と係合する非円形の係合部を備えている。また、シャフトの回転軸方向において、ロータは、鉄芯部の端面よりも外側まで伸びており、鉄芯部の端面よりも外側部分に回転バランス調整構造が設けられている。

Description

ブラシレスモータ

　本出願は、２０１９年７月２３日に出願された日本国特許出願第２０１９－１３５５９５号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容は、この明細書中に参照により援用されている。本明細書は、ブラシレスモータに関する技術を開示する。

　羽根車、歯車等の被回転部材を回転させるブラシレスモータが知られている。典型的に、ブラシレスモータのシャフト（ロータシャフト）は、被回転部材を良好に固定するために、一端が非円形に加工される。シャフトの一端を非円形加工すると、シャフトの重量バランスが低下し、結果としてロータの回転バランスが低下する。そのため、ロータの回転バランスの低下を補償する構造を設けることが必要である。特開２０１５－５０８０５号公報（以下、特許文献１と称する）に、シャフトの一端がＤ形状に加工されたブラシレスモータが開示されている。特許文献１では、ボンド磁石で形成されるロータの表面（回転軸方向の端面）に凹部又は凸部を設けることによって、ロータの回転バランス（動バランス）を改善している。

　特許文献１は、主に、シャフトの回転軸周りの重量バランスを考慮し、ロータの表面に回転バランス調整手段（凹部又は凸部）を形成している。しかしながら、ロータに凹部又は凸部を形成すると、ロータの磁力が変化する。特に、ロータに凹部を形成すると、ロータの磁力が低下し、ロータとステータ間の磁束密度が低下する。その結果、ブラシレスモータの出力が低下する。また、回転軸方向において部分的に磁束密度が変化するので、回転バランスが十分に改善されないことが起こり得る。本明細書は、ブラシレスモータの出力低下を抑制しながらロータの回転バランスを改善する技術を提供する。

　本明細書で開示する第１技術は、鉄芯部を有するステータと、ステータの内側に配置されており、シャフトに固定されているとともに複数の磁極を有するロータを備えるブラシレスモータである。このブラシレスモータでは、シャフトは、一端に被回転部材と係合する非円形の係合部を備えていてよい。また、シャフトの回転軸方向において、ロータは、鉄芯部の端面よりも外側まで伸びており、鉄芯部の端面よりも外側部分に回転バランス調整構造が設けられていてよい。

　本明細書で開示する第２技術は、上記第１技術のブラシレスモータであって、回転バランス調整構造が、ロータの径方向端部に設けられた面取り部であってよい。

　本明細書で開示する第３技術は、上記第２技術のブラシレスモータであって、ロータの径方向における面取り部の長さが、回転軸方向における面取り部の長さに対して、２倍以下であってよい。

　本明細書で開示する第４技術は、上記第１から第３技術のいずれかのブラシレスモータであって、シャフトの係合部は、回転軸方向に直交する断面形状がＤ形状であり、回転軸方向に沿って伸びる平面部を備えていてよい。

　本明細書で開示する第５技術は、上記第４技術のブラシレスモータであって、回転バランス調整構造が、回転軸方向においてシャフトの係合部が設けられている側であって、回転軸方向からロータを観察したときに、シャフトの回転軸に対して係合部の平面部が設けられている側とは反対側に設けられていてよい。また、回転バランス調整構造は、上記平面部の両端からシャフトの回転軸を通過する２本の仮想線を伸ばしたときに、２本の仮想線とロータの周面とで囲まれる範囲に形成されていてよい。

　本明細書で開示する第６技術は、上記第４または第５技術のブラシレスモータであって、回転バランス調整構造が、回転軸方向においてシャフトの係合部が設けられている側とは反対側であって、回転軸方向からロータを観察したときに、シャフトの回転軸に対して係合部の平面部が設けられている側に設けられていてよい。また、回転バランス調整構造は、シャフトの回転軸から上記平面部の両端を通過する２本の仮想線を伸ばしたときに、２本の仮想線とロータの周面とで囲まれる範囲に形成されていてよい。

　本明細書で開示する第７技術は、上記第１から第５技術のブラシレスモータであって、回転バランス調整構造が、回転軸方向において、ロータの両側に設けられていてよい。

　第１技術によると、回転バランス調整構造が、ステータの鉄芯部と対向しない位置で、ロータに形成される。そのため、回転バランス調整構造が設けられている部分でロータのサイズが変化しても、ロータとステータが対向している部分では、ロータの磁力が変化しない。また、ロータとステータが対向している部分では、ロータとステータの隙間も均一になる。そのため、ロータとステータ間の磁束密度に影響が及ばず、ブラシレスモータの出力が低下することを抑制することができる。すなわち、ブラシレスモータの出力低下を抑制しながら、ロータの回転バランスを改善することができる。

　第２技術によると、回転軸の中心から離れた位置に面取り部を設けることにより、小サイズの回転バランス調整構造（すなわち、少量の面取り）でロータの回転バランスを改善することができる。また、射出成形によりロータを製造する場合、回転バランス調整構造を径方向端部に設けることにより、射出ゲートの位置、または、成形後にロータを押し出すインジェクトピンの配置位置の自由度が増す。さらに、射出成形によりロータを製造する場合、ロータの径方向端部は、他の部分と比較して、容易に形状を調整することができるという点も有利である。

　第３技術によると、ロータ表面に平坦部分が確保され易く、また、面取り部におけるロータの磁力低下を抑制することもできる。

　第４技術によると、簡易な加工でシャフトと被回転部材（羽根車、歯車等）を固定することができる。係合部の形状は、シャフトと被回転部材が相対回転しないような形状であれば、例えば、Ｔ字状、星状であってもよい。しかしながら、これらの形状と比較して、Ｄ形状の加工は容易に行うことができる。また、係合部をＤ形状とすることにより、ロータの重量バランスの計算を比較的容易に行うことができ、回転バランス調整構造を設ける位置、サイズの決定も容易に行うことができる。

　第５技術によると、回転バランス調整構造が、シャフトの回転軸に対し、シャフトの重量が軽くなった部分（係合部の平面部）とほぼ対称の位置（線対称の位置）に設けられる。そのため、効率よくロータの回転バランスを補償することができる。

　第６技術によると、回転バランス調整構造が、ロータの中心に対し、シャフトの重量が軽くなった部分（係合部の平面部）とほぼ対称の位置（点対称の位置）に設けられる。そのため、効率よくロータの回転バランスを補償することができる。

　第７技術によると、各回転バランス調整構造のサイズを小さくすることができる。回転バランス調整構造を設けることによるロータの磁力の変化を抑制することができる。

ブラシレスモータを用いた燃料ポンプの断面図を示す。 図１の破線IIで囲った範囲の拡大図を示す。 ロータの回転軸方向表面の平面図を示す。 ロータの回転軸方向裏面の平面図を示す。 回転バランス調整構造の変形例を示す。 回転バランス調整構造の変形例を示す。 回転バランス調整構造の変形例を示す。 回転バランス調整構造の変形例を示す。 回転バランス調整構造の変形例を示す。 回転バランス調整構造を形成するための好適な範囲を示す。 回転バランス調整構造を形成するための好適な範囲を示す。

（燃料ポンプ）
　図１は、ブラシレスモータ５０を備えた燃料ポンプ１００の断面図を示している。燃料ポンプ１００は、例えば、自動車の燃料タンク内に配置され、燃料タンク内の燃料をエンジンに供給する。以下、燃料ポンプ１００の構成を説明する。

　燃料ポンプ１００は、モータ部２２とポンプ部２０を備えている。モータ部２２及びポンプ部２０は、ハウジング７０内に収容されている。ハウジング７０は、両端が開口された略円筒状であり、筒状に伸びる方向に、モータ部２２とポンプ部２０が並んで収容されている。モータ部２２には、ブラシレスモータ５０が配置されている。ブラシレスモータ５０は、ロータ３０とステータ４４を備えている。また、モータ部２２は、燃料ポンプ１００内の燃料を外部に吐出する吐出口４８と連通している。

　ステータ４４は、ハウジング７０の内周面に固定されている。ステータ４４は、鉄芯部（ステータコア）４２と樹脂層４０を備えている。ブラシレスモータ５０の回転軸ＣＬ方向において、鉄芯部４２は、ステータ４４の中間部分に設けられている。換言すると、回転軸ＣＬ方向において、鉄芯部４２の両側に樹脂層４０が設けられている。なお、鉄芯部４２は、コイルが巻回された複数のスロット（図示省略）を備えている。

　ロータ３０は、ステータ４４と間隔を有した状態で、ステータ４４の内側に配置されている。すなわち、ロータ３０とステータ４４の間には隙間が設けられている。ロータ３０は、磁性体と樹脂の混合物を用いて射出成形によって製造されたプラスチック磁石（ボンド磁石）であり、周方向にＮ極とＳ極が交互に出現している。ロータ３０は、シャフト７２に固定（一体化）されており、一対の軸受６０（６０ａ，６０ｂ）によってハウジング７０に支持されている。より正確には、シャフト７２が、モータ部２２とポンプ部２０に跨って伸びており、モータ部２２で軸受６０ａによって支持されており、ポンプ部２０で軸受６０ｂによって支持されている。なお、回転軸ＣＬ方向において、ロータ３０は、ステータ４４の鉄芯部４２の端面より外側まで伸びている。すなわち、ロータ３０の両端部はステータ４４の樹脂層４０と対向しており、中間部は鉄芯部４２と対向している。

　シャフト７２は、回転軸ＣＬの周りを回転する。ロータ３０はシャフト７２に固定されているので、シャフト７２と一体に回転する。そのため、回転軸ＣＬは、ロータ３０及びシャフト７２の回転軸と捉えることができる。また、ロータ３０とステータ４４の間の隙間が周方向で一定のため、回転軸ＣＬは、ステータ４４の中心軸と捉えることもできる。なお、シャフト７２の端部に、後述するインペラ１４と係合する係合部７６が設けられている。インペラ１４は、被回転部材の一例である。

　ポンプ部２０は、略円板状のインペラ１４と、インペラ１４を収容しているポンプケーシング８を備えている。ポンプケーシング８は、吸入口２が形成されている第１ケーシング４と、連通孔１０が形成されている第２ケーシング６を備えている。吸入口２は、燃料ポンプ１００の外部の空間と、ポンプケーシング８内の空間（インペラ１４が収容されている空間）を連通している。連通孔１０は、ポンプケーシング８内の空間と、モータ部２２内の空間を連通している。

　インペラ１４は、シャフト７２の端部に係合している。具体的には、シャフト７２の端部に係合部７６が設けられており、インペラ１４の中心に係合孔１２が設けられており、係合部７６を係合孔１２に挿入することによって、インペラ１４とシャフト７２が係合している。シャフト７２の外形は、係合部７６を除き、円形である。具体的には、係合部７６には、回転軸ＣＬに沿って伸びる平面部７４が形成されている。そのため、係合部７６の断面形状（回転軸ＣＬに直交する平面の形状）は、円の一部を切り欠いたＤ形状である。なお、係合孔１２の形状もＤ形状である。係合部７６及び係合孔１２が非円形（Ｄ形状）なので、シャフト７２はインペラ１４に対して空転しない。すなわち、インペラ１４は、シャフト７２の回転に伴って、シャフト７２と一体に回転する。

　燃料ポンプ１００は、ステータ４４のコイルに通電すると、ロータ３０が回転し、ロータ３０の回転に伴ってインペラ１４が回転する。その結果、吸入口２からポンプケーシング８内に燃料が吸い込まれる。ポンプケーシング８の燃料は、昇圧され、連通孔１０を通過してモータ部２２内に送られる。モータ部２２内に送られた燃料は、ステータ４４とロータ３０の隙間を移動し、吐出口４８から燃料ポンプ１００外に（エンジンに向けて）吐出される。

（ロータの回転バランスの補償）
　上記したように、シャフト７２の係合部７６は、円の一部を切り欠いたＤ形状である。そのため、シャフト７２及びインペラ１４の重心は、回転軸ＣＬ上から僅かにずれる。その結果、通常であれば、ロータ３０の回転バランスが低下する。そのため、燃料ポンプ１００では、ロータ３０に、回転バランスの低下を補償する回転バランス調整構造が設けられている。具体的には、回転バランス調整構造として、ロータ３０の回転軸ＣＬ方向の両側に、面取り部３２ａ、３２ｂが設けられている。回転軸ＣＬ方向において、面取り部３２ａは係合部７６が設けられている側とは反対側の表面（明確化のため、以下、表面３６と称する）に設けられており、面取り部３２ｂは係合部７６が設けられている側の表面（以下、裏面３４と称する）に設けられている。

　図２から図４を参照し、面取り部３２ａ、３２ｂについて詳細に説明する。図２に示すように、面取り部３２ａは、樹脂層４０に対向する位置に設けられており、鉄芯部４２に対向していない。換言すると、面取り部３２ａは、回転軸ＣＬ方向において鉄芯部４２の端面より外側に設けられている。そのため、鉄芯部４２が設けられている位置では、ロータ３０と鉄芯部４２の隙間は一定に保たれる。面取り部３２ａは、ロータ３０と鉄芯部４２間の磁束密度に与える影響が少ない位置に設けられている。また、面取り部３２ａは、ロータ３０の径方向端部に設けられている。面取り部３２ａは、テーパー状であり、回転軸ＣＬ方向長さ３３ｂは、径方向長さ３３ａより短い。そのため、面取り部３２ａと鉄芯部４２の距離を大きく確保することができ、磁束密度の低下を抑制することができる。なお、面取り部３２ａの径方向長さ３３ａは、回転軸ＣＬ方向長さ３３ｂより長いが、回転軸ＣＬ方向長さ３３ｂに対して２倍以下に調整される。これにより、面取り部３２ａの磁力低下を抑制することができ、ロータ３０の表面３６に平坦部を広く確保することができる。

　図３は、ロータ３０の表面３６を、回転軸ＣＬ方向（吐出口４８側）から観察した状態を示している。なお、図３では、係合部７６に設けられている平面部７４を破線で示している。図３に示すように、面取り部３２ａは、回転軸ＣＬに対し、平面部７４と同じ側に設けられている。ロータ３０の表面３６の面取り部３２ａをロータ３０の裏面３４側に位置する平面部７４と同じ側に設けることによって、ロータ３０の回転バランス調整を容易に行うことができる。なお、図３から明らかなように、面取り部３２ａは、ロータ３０の周方向の一部に設けられている。ロータ３０の表面３６における面取り部３２ａを設ける好ましい位置（範囲）については後述する。

　図４は、ロータ３０の裏面３４を、回転軸ＣＬ方向（吸入口２側）から観察した状態を示している。図４に示すように、面取り部３２ｂは、回転軸ＣＬに対し、平面部７４と反対側に設けられている。ロータ３０の裏面３４側において、面取り部３２ｂを平面部７４と反対側に設けることによって、ロータ３０の回転バランス調整を容易に行うことができる。なお、面取り部３２ｂは、面取り部３２ａと同様に、ロータ３０の周方向の一部に設けられている（図３も参照）。面取り部３２ｂを設ける好ましい位置（範囲）についても後述する。なお、図示は省略するが、面取り部３２ｂも、面取り部３２ａと同様に、樹脂層４０に対向する位置に設けられており、鉄芯部４２に対向していない（図１も参照）。すなわち、面取り部３２ｂは、回転軸ＣＬ方向において鉄芯部４２の端面より外側に設けられている。また、面取り部３２ｂは、ロータ３０の径方向端部に設けられており、テーパー状であり、径方向長さは回転軸ＣＬ方向長さより長く、径方向長さは回転軸ＣＬ方向長さに対して２倍以下に調整される。

（面取り部の変形例）
　上記したように、面取り部３２ａ，３２ｂは、テーパー状であり、径方向長さは回転軸ＣＬ方向長さより長く、径方向長さは回転軸ＣＬ方向長さに対して２倍以下に調整される。しかしながら、面取り部３２ａ，３２ｂは、ロータ３０の回転バランスを調整（補償）することができる形態であればよく、種々の形態を取り得る。以下、面取り部の形態について変形例を幾つか示す。なお、以下の説明では、ロータの表面３６に設けられる面取り部について説明するが、以下に挙げる面取り部の形態は、ロータの裏面３４に設けられる面取り部に適用することもできる。また、以下の説明において、ロータ３０と実質的に同一の部品については、ロータ３０で用いた参照番号と同一、または、下二桁が同一の参照番号を付すことにより、説明を省略することがある。

　図５に示すロータ１３０は、面取り部１３２がＲ面取りである。すなわち、面取り部１３２は、径方向長さ及び回転軸ＣＬ方向長さが等しく、表面３６から側面（ステータ４４と対向する面）までの形状が円弧状である。

　図６に示すロータ２３０は、面取り部２３２がＣ面取りである。面取り部１３２は、径方向長さ２３２ａと回転軸ＣＬ方向長さ２３２ｂが等しく、表面３６から側面までの形状がテーパー状である。

　図７に示すロータ３３０は、面取り部３３２の径方向長さ３３２ａが回転軸ＣＬ方向長さ３３２ｂより短く、表面３６から側面までの形状がテーパー状である。

　図８に示すロータ４３０は、面取り部４３２が傾斜角の異なる２個のテーパー面４３３，４３５を有している。すなわち、面取り部４３２は、２段のテーパー面を有している。

　図９に示すロータ５３０は、面取り部５３２が、表面３６から側面に向かうテーパー部５３３と、テーパー部５３３に続くＲ面取り部５３５を有している。

（回転バランス調整構造を設ける好適な範囲）
　図１０は、ロータ３０の表面３６を示している。ロータ３０の表面３６においては、範囲８０内に回転バランス調整構造（例えば、面取り部３２ａ、１３２，２３２，３３２，４３２，５３２等）を設けることが好ましい。範囲８０は、回転軸ＣＬから平面部７４の端部７４ａ，７４ｂを通過する２本の仮想線７５ａ，７５ｂを伸ばし、ロータ３０の内周面及び外周面と、仮想線７５ａ，７５ｂで囲まれた範囲である。なお、ロータ３０において、面取り部３２ａは、範囲８０内に設けられている（図３も参照）。

　図１１は、ロータ３０の裏面３４を示している。ロータ３０の裏面３４においては、範囲８２内に回転バランス調整構造を設けることが好ましい。範囲８２は、平面部７４の端部７４ａ，７４ｂから回転軸ＣＬを通過する２本の仮想線７７ａ，７７ｂを伸ばし、ロータ３０の内周面及び外周面と、仮想線７７ａ，７７ｂで囲まれた範囲である。なお、ロータ３０において、面取り部３２ｂは、範囲８２内に設けられている（図４も参照）。

（他の実施形態）
　上記実施形態では、以下の（１）～（９）の全ての特徴を備えるブラシレスモータについて説明した。（１）回転バランス調整構造が、ステータの鉄芯部と対向しない位置（シャフトの回転軸方向における鉄芯部の端面より外側）に設けられている。（２）回転バランス調整構造が面取り部である。（３）回転バランス調整構造がロータ表面（裏面）の径方向端部に設けられている。（４）回転バランス調整構造がロータの表裏面の両方に設けられている。（５）シャフトの係合部の断面形状がＤ形状であり、回転軸方向に伸びる平面部を有している。（６）ロータ表面に設けられている回転バランス調整構造が、回転軸に対し、係合部の平面部と同じ側に設けられている。（７）ロータ表面に設けられている回転バランス調整構造が、範囲８０内に設けられている。（８）ロータ裏面に設けられている回転バランス調整構造が、回転軸に対し、係合部の平面部と反対側に設けられている。（９）ロータ裏面に設けられている回転バランス調整構造が、範囲８２内に設けられている。

　しかしながら、少なくとも特徴（１）を有していれば、磁束密度の低下を抑制しながらロータの回転バランスを改善することができる。そのため、特徴（２）～（９）については、適宜変更可能である。例えば、特徴（２）に代えて、ロータの表面（裏面）に回転バランス調整構造として突起を設けてもよい。また、特徴（３）に代えて、ロータ表面（裏面）の径方向中間部分に、回転バランス調整構造として窪み、突起等を設けてもよい。さらに、特徴（３）に代えて、回転バランス調整構造をロータの側面（ステータの樹脂層と対向する面）に設けてもよい。

　特徴（４）に代え、ロータの表面側、あるいは、ロータの裏面側のみに回転バランス調整構造を設けてもよい。特徴（５）に代え、例えば、係合部の断面形状をＴ形状としてもよい。係合部は、シャフトが被回転部材（インペラ等）に対して空転しない形状（円形）でなければよい。また、回転バランス調整構造は、ロータの回転バランスが改善される位置であれば、必ずしも上記特徴（６）～（９）の位置（範囲）に設ける必要はない。

　また、ロータの表裏面に回転バランス調整構造が設けられている場合（特徴（４）を満足する場合）、ロータの表面の回転バランス調整構造と、ロータの裏面の回転バランス調整構造が異なる形状であってもよい。たとえば、ロータの表面にＣ面取り（図６を参照）を形成し、裏面にＲ面取り（図５を参照）を形成してもよい。なお、ロータの表面側、あるいは、ロータの裏面側において、回転バランス調整構造が複数の位置に分散して設けられていてもよい。

　また、ロータとして、プラスチック磁石（ボンド磁石）に代え、コアプレートの周囲に板状の磁石を取り付けたロータを用いることもできる。この場合、コアプレートは、磁性体を用いる。

　なお、本明細書で開示するブラシレスモータは、燃料ポンプの駆動源以外の用途として利用することもできる。例えば、産業機械を構成する歯車の駆動源として、上記したブラシレスモータを用いることもできる。

　以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (7)

1. 　鉄芯部を有するステータと、
   　ステータの内側に配置されており、シャフトに固定されているとともに複数の磁極を有するロータと、を備えており、
   　シャフトは、一端に被回転部材と係合する非円形の係合部を備えており、
   　シャフトの回転軸方向において、ロータは、鉄芯部の端面よりも外側まで伸びており、該外側部分に回転バランス調整構造が設けられているブラシレスモータ。
2. 　請求項１に記載のブラシレスモータであって、
   　回転バランス調整構造が、ロータの径方向端部に設けられた面取り部であるブラシレスモータ。
3. 　請求項２に記載のブラシレスモータであって、
   　ロータの径方向における面取り部の長さが、回転軸方向における面取り部の長さに対して、２倍以下であるブラシレスモータ。
4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載のブラシレスモータであって、
   　前記係合部は、回転軸方向に直交する断面形状がＤ形状であり、回転軸方向に沿って伸びる平面部を備えているブラシレスモータ。
5. 　請求項４に記載のブラシレスモータであって、
   　回転バランス調整構造が、
   　回転軸方向において前記係合部が設けられている側であって、回転軸方向からロータを観察したときに、シャフトの回転軸に対して前記平面部が設けられている側とは反対側に設けられており、
   　前記平面部の両端からシャフトの回転軸を通過する２本の仮想線を伸ばしたときに、２本の仮想線とロータの周面とで囲まれる範囲に形成されているブラシレスモータ。
6. 　請求項４または５に記載のブラシレスモータであって、
   　回転バランス調整構造が、
   　回転軸方向において前記係合部が設けられている側とは反対側であって、回転軸方向からロータを観察したときに、シャフトの回転軸に対して前記平面部が設けられている側に設けられており、
   　シャフトの回転軸から前記平面部の両端を通過する２本の仮想線を伸ばしたときに、２本の仮想線とロータの周面とで囲まれる範囲に形成されているブラシレスモータ。
7. 　請求項１から５のいずれか一項に記載のブラシレスモータであって、
   　回転バランス調整構造が、回転軸方向において、ロータの両側に設けられているブラシレスモータ。

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