JP4687491B2 - モータおよびそれを用いた燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、インナロータ式のブラシレスモータおよびそれを用いた燃料ポンプに関する。

従来、インナロータ式のブラシレスモータを駆動源として用いた燃料ポンプが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。ブラシレスモータには、ブラシモータのように整流子とブラシとの摺動抵抗、整流子とブラシとの間の電気抵抗、ならびに整流子を各セグメントに分割するために設けた溝が受ける流体抵抗による損失の問題が生じない。その結果、ブラシレスモータのモータ効率はブラシモータに比べて高くなり、結果として燃料ポンプの効率が向上する。ここで燃料ポンプの効率とは、（モータ効率）×（ポンプ効率）で表される。モータ効率およびポンプ効率は、燃料ポンプのモータに供給する駆動電流をＩ、印加する電圧をＶ、モータのトルクをＴ、モータの回転数をＮ、燃料ポンプが吐出する燃料圧力をＰ、燃料吐出量をＱとすると、（モータ効率）＝（Ｔ×Ｎ）／（Ｉ×Ｖ）、（ポンプ効率）＝（Ｐ×Ｑ）／（Ｔ×Ｎ）で表される。つまり、（燃料ポンプの効率）＝（モータ効率）×（ポンプ効率）＝（Ｐ×Ｑ）／（Ｉ×Ｖ）である。

そして、同等のモータ効率であれば、ブラシモータを用いるよりもブラシレスモータの方がモータを小型化できるので、ブラシレスモータを用いた燃料ポンプを小型化できる。
本願発明者は、このようなインナロータ式のブラシレスモータにおいて、周方向に設置した複数のコイルコアでロータの外周を囲むステータコアを構成することにより、モータの小型化にともない各コイルコアの限られた巻回スペースに、コイルの巻線を容易に、かつ高い占積率で巻回する構成を研究している。ここで占積率とは、巻回空間に占める巻線の断面積の割合である。つまり、占積率が高いと、巻回空間に巻回できる巻線の回数が増加するので、モータを小型化しつつモータ効率を向上できる。

ところで、ステータコアを構成する図４に示す形状のコイルコア３００では、ティース３０２の径方向外側で周方向に延びている外周コア３０４の内周面３０５は平面であり、内周面３０５の周方向両端を結ぶ仮想直線３３０は内周面３０５上に位置している。そして、コイル３２０を巻回するインシュレータ３１０の外周コア３０４側のコイル巻回面３１２は、仮想直線３３０に沿った平面である。このように、インシュレータ３１０の外周コア３０４側のコイル巻回面３１２が仮想直線３３０に沿った平面であると、インシュレータ３１０の開口側からインシュレータ３１０の巻回空間に巻線を容易に巻回できる。

しかしながら、モータの小型化にともない、限られた巻回空間に巻線を所定回数巻回すると、インシュレータ３１０の開口付近までコイル３２０が達して周方向に隣接するコイル同士が接近または接触し、コイル同士の絶縁不良を引き起こす恐れがある。また、モータ効率の向上のためには、巻線の巻数を増加することが考えられるが、そのためには、より大きな巻回空間が必要である。したがって、モータを小型化しつつ、巻線の巻回空間を増加することが要求されている。

特開２００５−１１０４７７号公報 特開２００５−１１０４７８号公報

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、モータを小型化しつつ、巻回空間を増加するモータおよびそれを用いた燃料ポンプを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、外周コアの内周面の周方向両端を結ぶ仮想直線に対し、外周コアの周方向両側の内周面が周方向に隣接するコイルコアに向かうにしたがい内周側に傾斜している。請求項４に記載の発明では、外周コアのティース側の内周面が径方向外側に凹んでいる。請求項１及び４に記載の発明では、コイルコアを覆うインシュレータは、ティースを覆う部分の外周コア側から前記外周コアの内周面の周方向両端へ向けて延びる外鍔を有する。そのインシュレータの外鍔は、外周コアのティース側の内周面に形成される凹みに設けられ、外鍔の径方向内側面であるコイル巻回面が仮想直線に沿っている。
この構成によれば、コイルコアを覆うインシュレータの外周コア側のコイル巻回面を極力径方向外側に設置し、インシュレータが形成する巻回空間を増加できる。また、同じ巻数であれば、周方向に隣接するコイル同士の間の隙間が大きくなるので、周方向に隣接するコイル同士の絶縁不良を防止できる。また、巻回空間が大きくなることにより、周方向に隣接するコイル同士が接近しすぎることを防止しつつ巻線の巻数を増加できるので、モータ効率が向上する。

特に、請求項２に記載の発明では、仮想直線はインシュレータの外周コア側のコイル巻回面上に位置しているので、コイルコアの外周コア側の開口位置とインシュレータの外周コア側の開口位置とが一致している。したがって、コイルコアの外周コア側の開口からインシュレータの外周コア側のコイル巻回面に沿って、巻線を容易に巻回できる。
また、請求項５に記載の発明では、請求項１から４に記載のモータを用いるので、燃料ポンプを小型化できる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
本発明の一実施形態によるモータを用いた燃料ポンプを図２に示す。本実施形態の燃料ポンプ１０は、例えば排気量が１５０ｃｃ以下の二輪自動車の燃料タンク内に設置されるインタンク式のタービンポンプである。
燃料ポンプ１０は、ポンプ１２と、ポンプ１２を回転駆動するモータ１４とを備えている。燃料ポンプ１０のハウジングは、ハウジング１６、１８により構成されている。ハウジング１６、１８は、それぞれ金属薄板をプレス加工することにより円筒状に形成されており、ハウジング１６内にハウジング１８が圧入固定されている。ハウジング１６は、ポンプ１２およびモータ１４のハウジングを兼ねており、０．５ｍｍ程度の厚みに設定されている。ハウジング１６の軸方向両端部は、ポンプケース２０およびステータコア３０をそれぞれかしめ固定している。ポンプケース２２およびステータコア３０は、ハウジング１８の軸方向両端にそれぞれ突き当てられることにより軸方向の位置決めが成されている。

ポンプ１２は、ポンプケース２０、２２、およびインペラ２４を有しているタービンポンプである。ポンプケース２２はハウジング１６内に圧入され、ハウジング１８に軸方向に突き当てられている。ポンプケース２０、２２は、回転部材としてのインペラ２４を回転自在に収容するポンプケースである。ポンプケース２０、２２とインペラ２４との間に、それぞれＣ字状のポンプ通路２０２が形成されている。ポンプケース２０に設けられた吸入口２００から吸入された燃料は、インペラ２４の回転によりポンプ通路２０２で昇圧され、モータ１４側に圧送される。モータ１４側に圧送された燃料は、ステータコア３０とロータ６０との間の燃料通路２０４を通り、吐出口２０６からエンジン側に供給される。

モータ１４は、インナロータ式の所謂ブラシレスモータである。モータ１４は、ステータコア３０、インシュレータ４０およびコイル４８を有している。図１に示すように、ステータコア３０は、周方向に等間隔に６個それぞれ別体に設置されたコイルコア３２により構成されている。コイルコア３２は、軸方向に積層された磁性鋼板を互いにかしめて形成されている。

コイルコア３２は、径方向に延びているティース３４と、ティース３４の径方向外側において周方向両側に延びる外周コア３６とを有している。外周コア３６の外周面は円弧状に形成されており、６個のコイルコア３２の外周コア３６により、ステータコア３０の外周部分はほぼ隙間のない円環状に形成されている。外周コア３６の内周面３７の周方向両端を結ぶ仮想直線１００に対し、内周面３７の周方向両側は、周方向に隣接しているコイルコア３２に向かうにしたがい径方向内側に傾斜している。外周コア３６の内周面３７のティース３４側は、仮想直線１００に沿った平面である。つまり、外周コア３６の内周面３７のティース３４側は、仮想直線１００よりも径方向外側に位置し凹んでいる。外周コア３６のティース３４側は外周コア３６の周方向両側よりも厚肉になっており、この厚肉部分は磁気回路としては不要な部分である。したがって、外周コア３６の内周面３７のティース３４側を仮想直線１００よりも径方向外側に凹ませても、磁気性能は低下しない。外周コア３６の周方向両側の内周面３７が、周方向に隣接するコイルコア３２に向かうにしたがい仮想直線１００に対して径方向内側に傾斜している傾斜角度をαとすると、本実施形態では、２５°≦α≦３５°に設定されている。

一対のインシュレータ４０はほぼ同形状に形成されており、それぞれ軸方向両端側から各コイルコア３２に嵌合しコイルコア３２に取り付けられている。インシュレータ４０は、径方向内側に内鍔４２、径方向外側に外鍔４４をそれぞれ有し、内鍔４２と外鍔４４との間に巻回空間を形成している。この巻回空間に巻線を巻回することによりコイル４８は形成されている。外鍔４４は、仮想直線１００に対して外周コア３６の内周面３７が径方向外側に凹んだ平面部分に設けられている。外鍔４４の径方向内側面であるコイル巻回面４６は仮想直線１００に沿った平面であり、コイル巻回面４６上に仮想直線１００は位置している。つまり、外周コア３６の開口位置とインシュレータ４０の外鍔４４の開口位置とはほぼ一致している。したがって、コイルコア３２の外周コア３６側の開口から外鍔４４のコイル巻回面４６に沿って巻線を容易に巻回できる。コイル４８は、各コイルコア３２毎にインシュレータ４０に巻線を集中整列巻することにより形成されている。

図２に示すように、絶縁樹脂材５０は、ステータコア３０の径方向内周面および径方向外周面を除き、ステータコア３０、インシュレータ４０およびコイル４８を覆っている。エンドカバー５２は絶縁樹脂材５０により一体に樹脂成形されており、吐出口２０６を形成している。エンドカバー５２から露出してインサート成形されているターミナル５６は、コイル４８と電気的に接続している。

ロータ６０は、シャフト６２、および永久磁石６４を有し、ステータコア３０の内周に回転自在に設置されている。シャフト６２の両端部は、軸受け２６により回転自在に支持されている。永久磁石６４は、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＯＭ（ポリアセタール）等の熱可塑性樹脂材に磁性粉を練り込んで円筒状に形成されたプラスティックマグネットである。永久磁石６４は、回転方向に８個の磁極部６５を形成している。８個の磁極部６５は、コイルコア３２と向き合う外周面側に回転方向に交互に異なる磁極を形成するように着磁されている。
このように着磁された永久磁石６４を有するロータ６０に対し、各コイルコア３２に巻回されたコイル４８への通電を図示しない制御装置がスイッチングし、ステータコア３０を構成するコイルコア３２の内周側に生じる磁極を周方向に順次切り換えることにより、ロータ６０は回転する。

次に、コイル４８を形成する巻線の巻回工程について説明する。
（１）まず、軸方向に積層された磁性鋼板を互いにかしめてコイルコア３２を形成する。
（２）コイルコア３２の軸方向両端側からインシュレータ４０をそれぞれコイルコア３２に嵌合して取り付ける。この状態で、外周コア３６の開口位置とインシュレータ４０の外鍔４４の開口位置とはほぼ一致している。
（３）インシュレータ４０を取り付けたコイルコア３２を、図３に示す巻線装置１２０の基台１２２に外周コア３６を下にして載置する。コイルコア３２を載置する基台１２２の載置面１２４は、外周コア３６の外周面の凸状円弧面に合わせた凹状円弧面である。コイルコア３２の軸方向に沿った基台１２２の両側、ならびに軸方向両端側には、ガイド１３０、１３４がそれぞれボルト等で固定されている。ガイド１３０の上端のガイド面１３２は、コイルコア３２の軸方向に直線状に延び、かつ巻線１４２を案内するために巻線１４２に対して滑らかな凸曲面状に形成されている。また、ガイド１３４の上端のガイド面１３６は、インシュレータ４０の外鍔４４のコイル巻回面４６にほぼ沿った直線形状である。また、ガイド面１３６は、巻線１４２を案内するために巻線１４２に対して滑らかな凸曲面状に形成されている。

（４）インシュレータ４０を取り付けたコイルコア３２を基台１２２に載置した後、巻線１４２を供給するノズル１４０をコイルコア３２に近づける。
（５）そして、図３の（Ａ）に示すように、巻線１４２にテンションを掛けてガイド１３０の上端のガイド面１３２に接触させながら、コイルコア３２の軸方向にノズル１４０を移動する。ノズル１４０がコイルコア３２の軸方向端側に達すると、ガイド１３０のガイド面１３２からガイド１３４のガイド面１３６に巻線１４２が移動する。そして、巻線１４２にテンションを掛けてガイド１３４の上端のガイド面１３６に接触させながら、巻線１４２を巻回する。
このようにして、各コイルコア３２に取り付けたインシュレータ４０に巻線１４２を集中整列巻する。

以上説明した上記実施形態では、外周コア３６の内周面３７の周方向両側が、周方向に隣接するコイルコア３２に向かうにしたがい仮想直線１００に対して径方向内側に傾斜している。つまり、外周コア３６の内周面３７のティース３４側は仮想直線１００よりも径方向外側に凹んでいる。それ故、コイルコア３２を覆うインシュレータ４０の外周コア３６側のコイル巻回面４６を極力径方向外側に設置できるので、燃料ポンプ１０のモータ１４を小型化しつつ、インシュレータ４０が形成する巻回空間を増加できる。したがって、同じ巻数であれば、各コイルコア３２に巻回されるコイル４８の周方向両端位置をティース３４側に凹ませることができる。これにより、周方向に隣接するコイル４８同士の間の隙間１１０が図１に示すようにに大きくなるので、周方向に隣接するコイル４８同士の絶縁不良を防止できる。また、巻回空間が大きくなることにより、周方向に隣接するコイル４８同士が接近しすぎることを防止しつつ巻線の巻数を増加できるので、モータ効率が向上する。

（他の実施形態）
上記実施形態では、６個のコイルコア３２でステータコア３０を形成したときに、外周コア３６の内周面３７の周方向両側が仮想直線１００に対して傾斜する傾斜角度αを２５°≦α≦３５°に設定した。傾斜角度αは、ステータコアを形成するコイルコアの数が増え外周コアの周方向長さが短くなると小さくなり、コイルコアの数が減り外周コアの周方向長さが長くなると大きくなる。例えば、コイルコアの数が４個の場合には４０°≦α≦５０°に設定され、コイルコアの数が８個の場合には１７．５°≦α≦２７．５２°に設定される。

尚、傾斜角度αの大きさは上記の範囲に限らず、外周コアの内周面の周方向両端を結ぶ仮想直線に対し、外周コアの周方向両側の内周面が周方向に隣接するコイルコアに向かうにしたがい径方向内側に傾斜していれば、どのような大きさでもよい。
また、モータを小型化しつつ、コイルの巻回空間を増やすためには、外周コアの内周面の周方向両端を結ぶ仮想直線に対し、外周コアの周方向両側の内周面が周方向に隣接しているコイルコアに向けて径方向内側に傾斜している必要はなく、外周コアの内周面の周方向両端を結ぶ仮想直線に対し、外周コアのティース側の内周面が径方向外側に凹んでいる構成でもよい。

また、上記実施形態では、燃料ポンプに本発明のモータを適用したが、本発明のモータは燃料ポンプに限らず他の装置の駆動源として用いてもよい。
また、上記実施形態では、巻線を整列巻してコイル４８を形成したが、巻線をランダム巻してコイルを形成してもよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

（Ａ）は本実施形態によるコイルコアおよびインシュレータを示す断面図、（Ｂ）はロータを除いたモータを一方の軸端側から見た図。 本実施形態による燃料ポンプを示す断面図。 （Ａ）はコイルの巻回工程を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）をＢ方向から見た部分断面図。 従来のコイルコアおよびインシュレータを示す断面図。

符号の説明

１０：燃料ポンプ、１２：ポンプ、１４：モータ、３０：ステータコア、３２：コイルコア、３４：ティース、３６：外周コア、３７：内周面、４０：インシュレータ、４６：コイル巻回面、４８：コイル、６０：ロータ、６４：永久磁石、１００：仮想直線

Claims (5)

1. 径方向に延びるティースと、前記ティースの径方向外側において周方向に延びる外周コアとを有するコイルコアを周方向に複数設置し、前記外周コアの内周面の周方向両端を結ぶ仮想直線に対し、前記外周コアの周方向両側の内周面が周方向に隣接する前記コイルコアに向かうにしたがい径方向内側に傾斜しているステータコアと、
   前記コイルコアを覆うインシュレータであって、前記ティースを覆う部分の前記外周コア側から前記外周コアの内周面の周方向両端へ向けて延びる外鍔を有するインシュレータと、
   前記インシュレータに巻回されるコイルと、
   前記ステータコアの内周側に回転自在に設置され、回転方向に交互に異なる磁極を前記ステータコアと向き合う外周面に形成しているロータと、を備え、
   前記インシュレータの前記外鍔は、前記外周コアの前記ティース側の内周面に形成される凹みに設けられ、前記外鍔の径方向内側面であるコイル巻回面が前記仮想直線に沿っていることを特徴とするモータ。
2. 前記仮想直線は前記外周コア側の前記コイル巻回面上に位置している請求項１に記載のモータ。
3. 前記外周コアの周方向両側の前記内周面が周方向に隣接する前記コイルコアに向かうにしたがい前記仮想直線に対して径方向内側に傾斜している傾斜角度をαとすると、前記コイルコアが４個の場合は４０°≦α≦５０°、前記コイルコアが６個の場合は２５°≦α≦３５°、前記コイルコアが８個の場合は１７．５°≦α≦２７．５°である請求項１または２に記載のモータ。
4. 径方向に延びるティースと、前記ティースの径方向外側において周方向に延びる外周コアとを有するコイルコアを周方向に複数設置し、前記外周コアの内周面の周方向両端を結ぶ仮想直線に対し、前記外周コアの前記ティース側の内周面が径方向外側に凹んでいるステータコアと、
   前記コイルコアを覆うインシュレータであって、前記ティースを覆う部分の前記外周コア側から前記外周コアの内周面の周方向両端へ向けて延びる外鍔を有するインシュレータと、
   前記インシュレータに巻回されるコイルと、
   前記ステータコアの内周側に回転自在に設置され、回転方向に交互に異なる磁極を前記ステータコアと向き合う外周面に形成しているロータと、を備え、
   前記インシュレータの前記外鍔は、前記外周コアの前記ティース側の内周面に形成される凹みに設けられ、前記外鍔の径方向内側面であるコイル巻回面が前記仮想直線に沿っていることを特徴とするモータ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のモータと、
   前記モータにより駆動され、燃料を吸入し昇圧するポンプと、
   を備える燃料ポンプ。

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