JP5494470B2 - アキシャルギャップ型電動機およびそれを用いたポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸方向に所定の空隙をもって対向的に配置されるステータとロータとを含むアキシャルギャップ型電動機およびそれを用いたポンプ装置に関する。

従来、アキシャルギャップ型の電動機を用いたポンプ装置は、例えば特許文献１に示すように、回転軸方向にステータとロータが所定の空隙をもって対向配置された電動ポンプ装置があり、固定子の全周面を樹脂により水密にモールドすることにより、耐水性、熱伝導度、機械的強度に優れた電動ポンプ装置を提供している。

さらに、例えば特許文献２は、アキシャル形ブラシレスＤＣモータを用いたポンプとすることにより、ポンプの外形寸法を軸方向に短く、薄型で、軽量化することができる。そして、このポンプの固定子には、回転子の位置を検出する位置検出素子が複数個配置されており、回転子のマグネットの磁極を位置検出素子によって直接検出するように構成されている。

特開昭５９−５９２号公報 特開平９−２０９９６９号公報

しかしながら、このような特許文献１にあっては、モールドする対象が電動機の固定子あるいは電機子ユニットと称せられるステータ側のモールドに関する発明である。このため、回転子であるロータ側に設けられたマグネットや金属板などに発生する錆びを防止することができないという問題があった。

また、特許文献２にあっては、アキシャルギャップ型のモータを用いているが、回転子のロータマグネットの磁極を位置検出素子によって直接検出する構造を採用している。このため、特許文献２では、ロータマグネットと離れた位置にセンサマグネットを配置し、センサマグネットの磁極に応じてロータの回転を制御するために、ロータマグネットの磁極位置に対応させてセンサマグネットを着磁させる場合の課題を認識することができなかった。つまり、ロータマグネットとセンサマグネットとを防錆するため、ロータの周囲を樹脂でモールドしてしまうと、マグネットの位置が見えなくなるため、ロータマグネットの磁極の位置に対応させてセンサマグネットを正確に着磁させることが難しくなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アキシャルギャップ型電動機のロータを樹脂モールドすると共に、ロータ内のロータマグネットに対して制御基板の近くに回転制御を行うセンサマグネットを配置し、ロータマグネットの磁極位置に対応するようにセンサマグネットを着磁することができるアキシャルギャップ型電動機およびそれを用いたポンプ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ステータとロータとが前記ロータの回転軸の軸方向に所定の空隙をもって対向的に配置されたアキシャルギャップ型電動機であって、前記ロータは、前記ステータのティース面と軸方向に対向して配置される回転駆動用のロータマグネットと、前記ロータマグネットの磁極位置に対応して着磁される回転制御用のセンサマグネットと、前記ロータマグネットと前記センサマグネットとを少なくとも含み、前記ロータの周囲を樹脂で覆う樹脂部と、を備え、前記樹脂部に前記ロータマグネットの磁極位置を示す目印部を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、前記ロータを軸支して、滑らかに摺動回転させる軸受部をさらに備え、前記目印部は、前記軸受部と嵌合する形状に構成され、前記ロータの回転時に前記目印部と前記軸受部とが嵌合した状態で前記ロータと前記軸受部との空転を防止することが好ましい。

また、本発明は、前記樹脂部は、前記ロータの全周囲が樹脂で覆われるように、第１樹脂部と第２樹脂部の２回に分けて成型することが好ましい。

また、本発明のいずれか一つに記載のアキシャルギャップ型電動機を用いてポンプ装置を構成することが好ましい。

本発明によれば、ロータに配置されたロータマグネットやセンサマグネットの全周囲を樹脂でモールドすることにより防錆効果や振動抑制効果が得られるという効果を奏する。そして、ロータを樹脂でモールドした後でも、樹脂部に付けられた目印部に基づいてロータマグネットの磁極位置が判明する。このため、センサマグネットを着磁する場合は、この目印部を基準としてセンサマグネットを着磁処理することにより、ロータマグネットの磁極位置に正確に対応したセンサマグネットを容易に形成できるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施形態にかかるアキシャルギャップ型電動機を用いたポンプ装置の断面図である。 図２は、図１に示すポンプ装置の外観斜視図である。 図３−１は、図１に示すポンプ装置のアキシャルギャップ型電動機におけるステータをティース面側から見た斜視図である。 図３−２は、図１に示すポンプ装置のアキシャルギャップ型電動機におけるステータをヨーク面側から見た斜視図である。 図４は、本発明の一実施形態にかかるアキシャルギャップ型電動機のロータの斜視図である。 図５は、図４のロータと嵌合して回転する軸受部の斜視図である。 図６は、図４のロータに図５の軸受部を嵌合させる場合の位置関係を示す斜視図である。 図７は、図６のロータの目印部に形成された凸部と軸受部に形成された凹部とを合わせて嵌合させた状態を示す斜視図である。 図８は、ロータの樹脂モールドを２回成型する場合の第１金型にロータ部品を装着するプロセスを示す斜視図である。 図９は、図８の第１金型にロータ部品を装着した状態を示す断面図である。 図１０は、図９の第１金型で第１樹脂部を成型した後のロータを円板部側から見た斜視図である。 図１１は、図９の第１金型で第１樹脂部を成型した後のロータを円筒部側から見た斜視図である。 図１２は、ロータの樹脂モールドを２回成型する場合の第２金型にロータ部品を装着するプロセスを示す斜視図である。 図１３は、図１２の第２金型にロータ部品を装着した状態を示す断面図である。 図１４は、図１３の第２金型で第２樹脂部を成型した後のロータを円板部側から見た斜視図である。 図１５は、図１３の第２金型で第２樹脂部を成型した後のロータを円筒部側から見た斜視図である。 図１６は、ロータマグネットを８極分着磁した状態を示すロータの斜視図である。 図１７は、図１６のロータの断面図である。 図１８は、図１７のロータを用いてセンサマグネットの着磁工程を説明する断面図である。 図１９は、図１８によりセンサマグネットを８極分着磁した状態を示すロータの斜視図である。

以下に、本発明にかかるアキシャルギャップ型電動機およびそれを用いたポンプ装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態にかかるアキシャルギャップ型電動機を用いたポンプ装置の断面図であり、図２は、図１に示すポンプ装置の外観斜視図であり、図３−１は、図１に示すポンプ装置のアキシャルギャップ型電動機におけるステータをティース面側から見た斜視図であり、図３−２は、図１に示すポンプ装置のアキシャルギャップ型電動機におけるステータをヨーク面側から見た斜視図である。図４は、本発明の一実施形態にかかるアキシャルギャップ型電動機のロータの斜視図であり、図５は、図４のロータと嵌合して回転する軸受部の斜視図であり、図６は、図４のロータに図５の軸受部を嵌合させる場合の位置関係を示す斜視図であり、図７は、図６のロータの目印部に形成された凸部と軸受部に形成された凹部とを合わせて嵌合させた状態を示す斜視図である。

図１に示すように、実施例１のアキシャルギャップ型電動機を用いたポンプ装置１は、ロータ２とステータ３とがロータ２の回転軸の軸方向に所定の空隙をもって対向的に配置されて構成されている。ロータ２は、バックヨーク２１、ロータマグネット２２、ステンカバー２３、センサマグネット２４、軸受部２５、および樹脂部２６などで構成されている。そして、ポンプ装置１のロータ２側には、ポンプ室２７、ロータカバー２８、および吸水口２９ａなどが配置されている。上記ロータマグネット２２には、例えば、希土類を使ったサマリウム鉄窒素マグネット、ネオジウム鉄ボロンマグネット等の強磁性を備えた異方性マグネットを用いることができるが、これに限定されるものではなく、等方性マグネットを用いても良い。

ステータ３は、インシュレータ３１、ステータコアのティース面３２、ステータコアのヨーク面３３、ステータコアの巻線３４、およびステータをモールドする樹脂成型体３５などで構成されている。そして、ポンプ装置１のステータ３側には、ステータとロータを仕切る仕切壁３６、電動機室３７、ステータカバー３８、および駆動制御基板３９などが配置されている。

本実施例１におけるポンプ装置１の外観は、図２に示すように、アキシャルギャップ型電動機がポンプカバー２８とステータカバー３７とで覆われている。このポンプ装置１は、アキシャルギャップ型電動機のロータを回転させると、ロータに装着された羽根が回転して、ポンプ装置１の吸水口２９ａから水を吸い込んで（矢印Ａ方向）、排水口２９ｂから水を排出する（矢印Ｂ方向）動作を連続的に行う。

また、実施例１におけるステータ３は、図３−１に示すように、複数のコアメンバー３１がロータの回転軸の周囲を囲むように配置されている。ここで、コアメンバー３１は、ボビン状のステータコア３１１の外周に絶縁部材としてのインシュレータ３１４を介して巻線３４が巻回された構造となっている。コアメンバー３１は、ステータコアのティース面３１２側をロータ２のロータマグネット２２と対向するように配置している。図３−２は、図３−１に示すステータをティース面３２と反対側のヨーク面から見た図である。

このように構成された、アキシャルギャップ型電動機を用いたポンプ装置は、図１に示すように、ロータマグネット２２がステータコアのティース面３２に対向的に配置されている。そして、ステータコアの巻線３４に流す電流を切り換えてロータ２を回転制御するには、回転しているロータマグネット２２の磁極をリアルタイムに検出する必要があった。しかし、アキシャルギャップ型電動機では、図１に示すように、ロータ２の回転制御を行う駆動制御基板３９が軸受部２５の近くに配置されており、ロータマグネット２２の位置から離れているため、ロータマグネット２２の近傍に磁極を検出するセンサを配置することが難しい。そこで、本実施例１では、駆動制御基板３９に近い軸受部２５の近傍に、ロータマグネット２２とは別のセンサマグネット２４を配置し、このセンサマグネット２４の磁極位置をロータマグネット２２の磁極位置と同じ磁極位置となるように構成している。従って、センサマグネット２４の磁極をステータ３側に設けられた不図示の磁気センサにより検出することにより、ロータマグネット２２の磁極を検出するのと同じことになり、センサマグネット２４の磁極の検出結果に基づいてロータ２を回転制御することができる。

実施例１では、ポンプ装置を水中で使用するウォータポンプとして使用しているため、ポンプ装置１内が常に水で満たされており、バックヨーク２１、ロータマグネット２２、ステンカバー２３、センサマグネット２４などに錆びが発生する恐れがある。そこで、本実施例１では、ロータ２の全周囲を樹脂でモールドすることにより錆の発生を防いでいる。ところが、実施例１におけるポンプ装置は、上記したアキシャルギャップ型電動機を採用しており、ロータマグネット２２とセンサマグネット２４とが離れた位置に配置され、ロータ２の全周囲をＰＰＳやＰＰＥなどの樹脂によりモールドされている。このため、ロータマグネット２２とセンサマグネット２４は、樹脂に覆われていて位置を確認することが難しいことから、例えば、ロータ２の全周囲を樹脂でモールドした後にロータマグネット２３の磁極に対応させてセンサマグネット２４を着磁処理することは困難であった。

そこで、本実施例１では、図４に示すように、樹脂モールドする際にロータ２にロータマグネット２２の磁極位置を示す目印部２ｃを付けることで、樹脂モールド後であってもロータマグネット２２の磁極位置がロータ２の外観から容易にわかるようになり、センサマグネット２４の着磁処理を正確かつ容易に行うことができる。実施例１の目印部２ｃは、図４に示すように、ロータ２の円筒部２ｂの先端の一部を凸状に形成したが、必ずしもこれに限定されず、目印として判別可能なものであれば如何なるものであっても良い。実施例１の目印部２ｃは、図４に示すロータ２の円筒部２ｂの中に、図５に示す軸受部２５の円筒部２５ｂを挿入し、ロータ２の回転時にロータ２の目印部２ｃと軸受部２５の円板部２５ａの外周に設けられた凹部２５ｃとを嵌合させることにより、空転防止用の突起と兼用させている。図６は、ロータ２の円筒部２ｂの穴の中に、軸受部２５の円筒部２５ｂを挿入する場合の位置関係を示しており、図７は、ロータ２に軸受部２５を挿入して、ロータ２の目印部２ｃと軸受部２５の凹部２５ｃとを嵌合させた状態を示している。

本発明におけるアキシャルギャップ型電動機およびそれを用いたポンプ装置は、以上のように構成されている。以下、本発明にかかる特徴的な構成部であるロータの一成型例について図８〜図１５を用いて説明する。

図８は、ロータの樹脂モールドを２回成型する場合の第１金型にロータ部品を装着するプロセスを示す斜視図であり、図９は、図８の第１金型にロータ部品を装着した状態を示す断面図であり、図１０は、図９の第１金型で第１樹脂部を成型した後のロータを円板部側から見た斜視図であり、図１１は、図９の第１金型で第１樹脂部を成型した後のロータを円筒部側から見た斜視図である。図１２は、ロータの樹脂モールドを２回成型する場合の第２金型にロータ部品を装着するプロセスを示す斜視図であり、図１３は、図１２の第２金型にロータ部品を装着した状態を示す断面図であり、図１４は、図１３の第２金型で第２樹脂部を成型した後のロータを円板部側から見た斜視図であり、図１５は、図１３の第２金型で第２樹脂部を成型した後のロータを円筒部側から見た斜視図である。

ロータ２の成型方法は、図８に示すように、第１金型のコア５の中にバックヨーク２１、ロータマグネット２２、ステンカバー２３、センサマグネット２４を順番に配置し、その上から第１金型のキャビティー４を被せて、樹脂注入用の金型を完成させる。なお、本実施例では、ロータマグネット２２は着磁された状態で、コア５の中に配置されるが、センサマグネット２４は、磁場配向処理（磁性体の磁化容易軸を一定方向に揃える処理）が施された未着磁の状態でコア５の中に配置される。コア５の内側には、図８に示すように、ロータマグネット２２の磁極位置規定用ボス５ａ、センサマグネット２４の磁場配向位置規定用ボス５ｂ、ロータマグネット保持部５ｃなどがそれぞれ形成されている。ロータマグネット２２の磁極位置規定用ボス５ａには、ロータマグネット２２のロータマグネットボス用穴２１ａを嵌合させて配置することにより、ロータマグネット２２の磁極の位置を所定の位置に規定することができる。また、センサマグネット２４の磁場配向位置規定用ボス５ｂには、センサマグネット用ボス穴２４ａを嵌合させて配置することにより、センサマグネット２４の磁場配向位置をロータマグネット２２の磁極位置と同じ配置位置となるように規定することができる。そして、キャビティー４には、図８に示すように、ボス５ａ，５ｂと１８０度異なる方向に目印部２ｃを成型するための凹部４ｃが形成されている。

図８に示す第１金型のコア５の中にロータ部品を上記の順序で装着し、キャビティー４を上から被せることで、図９に示すように、樹脂を注入して第１樹脂部を成型するための金型を完成させる。実施例１で用いる樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）やポリフェニルエチレン樹脂（ＰＰＥ）などを好適に用いることができるが、これに限定する趣旨ではない。この第１金型には、図９に示すように、ロータマグネット２２の磁極の位置を示す目印部２ｃを成型するための凹部４ｃが形成されている。

第１金型を用いて成型されたロータ２は、図１０に示すように、円板部２ａの裏面側にバックヨーク２１が露出している面がまだ残っている。また、第１金型を用いて成型されたロータ２は、図１１に示すように、円筒部２ｂの先端部付近にもセンサマグネット２４が露出している面がまだ残っている。しかし、ロータマグネット２２の磁極の位置を示す目印部２ｃは、第１樹脂部を成型する際に一緒に形成することができる。このように、目印部２ｃは、製造工程を増やさずに形成することができる。

第１樹脂部で成型されたロータ２は、図１２に示す第２金型を用いて、モールドされていない露出部分を樹脂で完全にモールドすることができる。第１樹脂部が成型されたロータ２は、図１２に示すように、第２金型のキャビティー７に対して円筒部２ｂを下方に向けて挿入し、その上から第２金型のコア６を被せて金型を完成させる。完成した第２金型の断面図が図１３である。第２金型のキャビティー７には、ロータマグネット２２の磁極の位置を示す目印部２ｃを成型するための凹部７ｃが形成されている。また、露出しているバックヨーク２１やセンサマグネット２４が第２金型を用いて樹脂をモールドすることにより、露出していた部分が全て樹脂で覆われる。第２金型によって新たにモールドしたロータ２の第２樹脂部２６ｂは、図１４および図１５において、ハッチングで示してある。

このように、実施例１にかかるアキシャルギャップ型電動機およびそれを用いたポンプ装置は、上述した構造のロータ２を採用したことにより、ロータ部品であるバックヨーク、ロータマグネット、ステンカバー（ＳＵＳカバー）、センサマグネット等が樹脂により完全にモールドされているため、水中用のウォータポンプとして用いたとしても、ロータ部品に錆びが発生するのを防止することができる。

また、実施例１にかかるアキシャルギャップ型電動機は、ロータマグネット２２とは別にセンサマグネット２４を離れた位置に配置し、周囲を樹脂でモールドしているため、マグネット位置が見えなくなる。しかし、ロータマグネットの磁極（図８では、８極分のＳ極位置を示している）の位置を示す目印部２ｃは、第１樹脂部と一緒に成型するため、工程を増やさずにロータマグネットの磁極位置を外観から容易に判断することができる。これにより、センサマグネット２４は、モールド後であってもロータマグネット２２の磁極位置と同じ磁極位置になるように磁場配向に沿った着磁処理を行うことができる。

さらに、実施例１にかかるアキシャルギャップ型電動機のロータ２の目印部２ｃは、軸受部２５に設けられた凹部２５ｃと嵌合させることで、空転防止用の凹凸部として兼用することができる。このため、ロータと軸受部とが空転しないように接着する接着工程等を省くことができるので、さらなる工数低減効果を得ることができる。なお、本実施例では、ロータマグネット２２は、着磁された状態でコア５の中に配置されるが、本発明はこれに限られない。すなわち、センサマグネットと同様に磁場配向処理を施した未着磁の状態であっても良い。この場合は、目印部２ｃを基準にしてモールド後にロータマグネット２２の着磁処理を行う。

なお、上記実施例１では、ロータ２の一成型例として２回成型の手順について説明したが、実施例１のロータ構造を実現するためには必ずしも２回成型を行う必要はない。例えば、金型内で部品を支持する部材をモールドする樹脂と同じ部材を使って構成すれば、１回成型を行うだけでロータの周囲を確実にモールドすることが可能となる。また、金型内における部品を細い支持部材を使って支持し、１回成型後に、支持部材で空いた穴を埋める工程を追加するだけでロータの周囲を確実にモールドすることもできる。さらに、支持部材を使わずに、金型内でモールドする材料を浮かすことにより、１回成型だけでロータの周囲を確実にモールドすることができるようになっている。

また、上記実施例１では、ロータマグネット２２の磁極位置を目印部２ｃにより外観から容易に判断できるように構成したが、この目印部２ｃと併用できるように、ロータマグネット２２の磁極位置をモールド後であっても正確に判別することのできる構成を上記実施例１に追加しても良い。以下その構成について説明する。

図１６は、ロータマグネットを８極分着磁した状態を示すロータの斜視図であり、図１７は、図１６のロータの断面図であり、図１８は、図１７のロータを用いてセンサマグネットの着磁工程を説明する断面図であり、図１９は、図１８によりセンサマグネットを８極分着磁した状態を示すロータの斜視図である。

２回成型によりロータ２００の周囲を樹脂でモールドしたロータ２００は、図１６に示すように、円板部２００ａと円筒部２００ｂとで構成されている。このロータ２００に内蔵されているロータマグネット２２０は、図１６および図１７の矢印で示すように、ロータ２００の回転軸方向に８極分着磁済みである。ここで、ロータ２００の円筒部２００ｂの先端付近に設けられたセンサマグネット２４０は、まだ着磁されていない。そこで、このロータ２００には、図１８に示すように、ロータマグネット位置固定用磁石３００をロータマグネット２２０の回転軸方向に所定の間隙を開けて対向的に配置すると共に、センサマグネット着磁用磁極４００をセンサマグネット２４０外周方向に所定の間隙を開けて配置し、軸受部２５０によってロータ２００が回転フリーな状態となっている。

ここで、ロータマグネット位置固定用磁石３００を例えばＮ極になるよう励磁すると、ロータマグネット２２０のＳ極が吸引されて位置が固定される。ここで、センサマグネット着磁用磁極４００を使ってセンサマグネット２４０をＳ極に着磁させる。続いて、ロータマグネット位置固定用磁石３００をＳ極になるよう励磁すると、今度はロータマグネット２２０のＮ極が吸引されて位置が固定される。ここで、センサマグネット着磁用磁極４００を使ってセンサマグネット２４０をＮ極に着磁させる。ロータマグネット位置固定用磁石３００とセンサマグネット着磁用磁極４００とは、この動作を１極分ずつ組で着磁処理を行うと共に、隣接する磁極を順番に４回着磁動作を繰り返すことにより、センサマグネット２４０をロータマグネット２２０の磁極位置に対応するように８極分着磁させることができる。センサマグネット２４０の着磁方向は、図１９の矢印に示す方向となる。

このように、図１６〜図１９に示したセンサマグネットの着磁方法は、上記実施例１の目印部２ｃに加えて採用することにより、さらに確実かつ容易にロータマグネット２２０の磁極位置に対応させて、センサマグネット２４０を着磁することができるという効果を奏する。

以上のように、本発明にかかるアキシャルギャップ型電動機およびそれを用いたポンプ装置は、金属の腐食しやすい液体を扱うアキシャルギャップ型電動機およびポンプ装置に有用であって、特に、水中で用いられるウォータポンプなどに用いられるアキシャルギャップ型電動機およびそれを用いたポンプ装置に適している。

１ ポンプ装置
２，２００ ロータ
２ａ，２００ａ 円板部
２ｂ，２００ｂ 円筒部
２ｃ 目印部
２１，２１０ バックヨーク
２１ａ ロータマグネットボス用穴
２２，２２０ ロータマグネット
２３，２３０ ステンカバー
２４，２４０ センサマグネット
２４ａ センサマグネット用ボス穴
２５，２５０ 軸受部
２５ａ 円板部
２５ｂ 円筒部
２５ｃ 凹部
２６，２６０ 樹脂部
２６ｂ 第２樹脂部
２７ ポンプ室
２８ ポンプカバー
２９ａ 吸水口
２９ｂ 排出口
３ ステータ
３１ コアメンバー
３１１ ステータコア
３１２ ティース面
３１３ ヨーク面
３１４ インシュレータ
３４ 巻線
３５ 樹脂成型体
３６ 仕切壁
３７ 電動機室
３８ ステータカバー
３９ 駆動制御基板
４ キャビティー
５ コア
５ａ 磁極位置規定用ボス
５ｂ 磁場配向位置規定用ボス
５ｃ ログネット保持部
３００ ロータマグネット位置固定用磁石
４００ センサマグネット着磁用磁極

Claims (4)

1. ステータとロータとが前記ロータの回転軸の軸方向に所定の空隙をもって対向的に配置されたアキシャルギャップ型電動機であって、
   前記ロータは、
   前記ステータのティース面と軸方向に対向して配置される回転駆動用のロータマグネットと、
   前記ロータマグネットの磁極位置に対応して着磁される回転制御用のセンサマグネットと、
   前記ロータマグネットと前記センサマグネットとを少なくとも含み、前記ロータの周囲を樹脂で覆う樹脂部と、
   を備え、前記樹脂部に前記ロータマグネットの磁極位置を示す目印部を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型電動機。
2. 前記ロータを軸支して、滑らかに摺動回転させる軸受部をさらに備え、
   前記目印部は、前記軸受部と嵌合する形状に構成され、前記ロータの回転時に前記目印部と前記軸受部とが嵌合した状態で前記ロータと前記軸受部との空転を防止することを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型電動機。
3. 前記樹脂部は、前記ロータの全周囲が樹脂で覆われるように、第１樹脂部と第２樹脂部の２回に分けて成型することを特徴とする請求項１または２に記載のアキシャルギャップ型電動機。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載のアキシャルギャップ型電動機を用いたポンプ装置。

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