WO2015133177A1 - 内燃機関用電動流体ポンプ - Google Patents
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- H02K1/146—Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles
- H02K1/148—Sectional cores
Definitions
- the present invention relates to an electric fluid pump, and more particularly to an electric fluid pump for an internal combustion engine mounted in an engine room of an automobile.
- the electric motor part used for such an electric fluid pump uses a DC electric motor part in which a rotor part provided with a permanent magnet is housed inside a stator part around which a three-phase winding is wound.
- the configuration is as shown in JP 2012-207591 A (Patent Document 1).
- the winding of each phase (U phase, V phase, W phase) which comprises a direct-current motor part is a plurality which protruded radially to the inner peripheral side of the stator part. It is wound around the salient pole part.
- each phase winding is divided into three parts, and the three divided windings are connected in series and divided into corresponding salient pole parts and wound to form a plurality of winding parts.
- a driving current is sequentially passed through the line portion to create a field.
- the heat generated in the winding is largely due to copper loss that occurs in the copper wire that composes the winding. In order to make up for the loss due to the copper loss, the amount of heat generated in the winding is further increased by supplying an excess current.
- this type of electric fluid pump is mounted around the internal combustion engine, the ambient temperature becomes considerably high due to the operation of the internal combustion engine. For this reason, the heat generated in the internal combustion engine enters the electric fluid pump. In addition to this, the temperature of the electric fluid pump also rises due to iron loss generated in the iron core and friction loss due to friction of the bearings and the like.
- the winding resistance of the motor section increases due to the influence of these temperature rises, the magnetic force of the permanent magnet decreases, and the performance of the motor deteriorates. Further, the electronic components constituting the drive control section are affected by heat. Invoke the problem of deterioration.
- the electric fluid pump circulates the cooling water sealed in the radiator of the internal combustion engine. If so, it is reasonable to use this cooling water to cool the motor section.
- forming a cooling part such as a new cooling water passage in the electric motor part causes new problems such as a complicated structure of the electric fluid pump and an increase in the overall physique. It is desired to improve the cooling performance of the electric motor unit by cooling water without changing the configuration of the pump.
- An object of the present invention is to provide a novel electric fluid pump that can improve the cooling performance of the electric motor section by cooling water without changing the basic configuration of the electric fluid pump.
- a feature of the present invention is that the individual windings of each phase (U phase, V phase, W phase) constituting the DC motor unit are divided into at least two windings and connected in parallel. Winding the winding around the salient pole part of the stator part, and contacting the teeth part of the salient pole part with the partition member interposed between the stator part and the rotor part and introducing cooling water to the rotor part side, By the way.
- the winding diameter can be reduced by dividing the winding into at least two parts and connected in parallel. Therefore, the slit interval can be reduced and the width of the tooth portion can be increased. You will be able to escape. As a result, the cooling performance of the electric motor unit by the cooling water can be improved without changing the basic configuration of the electric fluid pump.
- FIG. 1 is an overall perspective view of an electric fluid pump to which the present invention is applied. It is a perspective view of the electric fluid pump after removing the cover from the electric fluid pump shown in FIG. It is a perspective view of the electric motor part after taking out an electric motor part from the electric fluid pump shown in FIG. It is a perspective view of the electric motor part after removing the control board from the electric motor part shown in FIG. It is sectional drawing which shows the longitudinal cross-section of the electric fluid pump shown in FIG. It is a circuit diagram which shows the control circuit of a drive control part.
- FIG. 7 is a winding connection diagram schematically showing a connection state of windings of the electric motor unit shown in FIG. 6. It is a perspective view of the stator after removing the holder from the electric motor part shown in FIG. It is the top view which looked at the stator shown in FIG. 6 from the upper surface.
- FIG. 10 is a partially enlarged top view in which a part of the stator shown in FIG. 9 is enlarged and viewed from above.
- FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of the electric fluid pump.
- the electric fluid pump shown in FIG. 1 is a cooling pump that uses cooling water as a working fluid and is incorporated in a circulation circuit connected to a radiator that is a heat exchanger.
- a cooling pump that uses cooling water as a working fluid and is incorporated in a circulation circuit connected to a radiator that is a heat exchanger.
- a radiator that is a heat exchanger.
- an internal combustion engine a drive motor
- It is a water pump that supplies cooling water to an inverter or the like.
- the electric fluid pump 10 includes a main body 10A made of an aluminum alloy or the like, and a metal cover 10B such as an aluminum alloy that covers a drive control unit fixed adjacent to the main body 10A.
- the electric fluid pump 10 is fixed to a pump housing (not shown), and performs a pump action by rotating an impeller attached to the tip of a rotating shaft.
- the connector 12 is taken out from the main body 10A, and power is supplied from a battery (not shown). Since the cover 10B is made of metal, it has a heat sink function that dissipates heat generated by the drive control unit to the outside.
- FIG. 2 shows a perspective view of the electric fluid pump 10 after the cover 10B is removed.
- An electric motor part (not shown) is accommodated in the main body 10A, and a holder 14 made of a circular synthetic resin is attached so as to cover the electric motor part.
- a box-shaped storage portion 16 connected to a part of the outer periphery of the holder 14 is provided in the main body 10 ⁇ / b> A, and electrical components described later and the connector 12 described above are arranged in the storage portion 16.
- a control board 18 is arranged and fixed on the upper side of the holder 14, and a drive control circuit is attached between the holder 14 and the control board 18.
- This drive control circuit includes a circuit necessary for inverter control of the electric motor unit.
- the electric motor unit 10C includes a stator unit 20, a rotor unit (not shown) housed inside, and a rotating shaft 22 fixed to the rotor unit.
- a holder 14 is fixed to the stator portion 20 with bolts 24.
- the electric motor unit 10 ⁇ / b> C includes at least the rotor unit 32 and the stator unit 20.
- the electric motor part 10C is accommodated in an electric motor part accommodating part 34 provided on one side of a metal main body 10A made of, for example, an aluminum alloy. Since the rotor portion 32 is disposed on the inner peripheral side of the stator portion 20 and includes a permanent magnet, a rotational force is applied by a field generated by the winding portion 40 of the stator portion 20.
- the opposite side of the main body 10A from the motor unit storage portion 34 is fixed to a pump housing (not shown).
- An impeller 36 that performs pumping action is disposed in this portion, and is rotated by the rotating shaft 22.
- the rotating shaft 22 is fixed to the rotor portion 32 constituting the electric motor portion 10C, and the rotating shaft 32 is rotated by the rotation of the rotor portion 32.
- the space between the motor unit storage unit 34 and the impeller 36 is sealed in a liquid-tight manner, and liquid does not enter this portion.
- the rotor portion 32 and the stator portion 20 are separated in a liquid-tight manner by a partition wall member 42 formed in a cup-like hollow circular shape.
- the partition member 42 extends along the axial direction of the stator portion 20, and is fixed to the stator portion 20 at both ends of the partition member 42.
- the fixing portions at both ends are configured to liquid-tightly isolate the interior of the partition member 42 and the stator portion 20.
- the stator portion 20 and both ends of the partition wall member 42 are sealed through O-rings.
- the partition member 42 is made of nonmagnetic austenitic stainless steel, and its thickness is set to about 0.3 mm to 0.7 mm.
- the thickness of the partition member 42 is preferably as thin as possible. If the partition member 42 is thinned while maintaining a predetermined strength, the air gap can be further reduced and the efficiency of the electric motor can be improved. Further, the partition member 42 preferably has a high heat transfer performance because the heat of the electric motor unit 10C is released to the cooling water.
- the rotor part 32 is accommodated inside the partition member 42, and the rotor part 32 rotates inside the partition member 42. Since the rotor portion 32 includes a permanent magnet or the like, the rotor portion 32 is molded from the outside with a synthetic resin. Since cooling water is introduced into the partition member 42, the rotor 32 is prevented from being corroded by a synthetic resin.
- the interior of the partition member 42 is communicated with a portion where the impeller 36 is disposed by a passage (not shown) so that cooling water of the internal combustion engine is introduced into the partition member 42. Therefore, the cooling water takes the heat of the electric motor part 10C through the partition wall member 42, thereby cooling the electric motor part 10C.
- the outer periphery of the partition wall member 42 is in contact with the tooth portion of the salient pole portion formed on the stator portion 20, and heat is efficiently transferred from the tooth portion. Therefore, the larger the contact area between the partition wall member 42 and the tooth portion, the higher the heat transfer efficiency.
- the present embodiment is greatly characterized in that the contact area between the partition wall member 42 and the tooth portion is increased, which will be described in detail with reference to FIGS.
- the line part 40 is accommodated.
- an insulated gate bipolar transistor is used as a power semiconductor element and is abbreviated as IGBT.
- a series circuit 50 of upper and lower arms is configured by the IGBT 52 and the diode 56 that operate as an upper arm, and the IGBT 62 and the diode 66 that operate as a lower arm.
- the inverter circuit IV is provided corresponding to the three phases of the U-phase, V-phase, and W-phase of the AC power to be output from the series circuit 50.
- the series circuit 50 of the three-phase upper and lower arms outputs an alternating current from the intermediate electrode 69 of the series circuit.
- the intermediate electrode 69 is connected to an AC bus bar 86 via an AC terminal 59 and further electrically connected to each phase winding 40 of the stator portion 20 via an AC connector 88.
- the collector electrode of the upper arm IGBT 52 is electrically connected to the positive conductor plate 92 via the positive terminal 57, and the emitter electrode of the lower arm IGBT 62 is electrically connected to the negative conductor plate 94 via the negative terminal 58.
- the positive electrode conductor plate 92 and the negative electrode conductor plate 94 are electrically connected to the capacitor 90, and are further electrically connected to the battery 30 via the DC connector 33.
- the control circuit 72 is a control signal for controlling the upper arm IGBT 52 and the lower arm IGBT 62 constituting the serial circuit 50 of each phase constituting the inverter circuit IV based on the control command from the upper control device.
- a control pulse is generated and supplied to the driver circuit 74.
- the driver circuit 74 Based on the control pulse, the driver circuit 74 sends a drive pulse for controlling the IGBT of each phase via the signal emitter electrode 55 of the IGBT 52, the gate electrode 54, the signal emitter electrode 65 of the IGBT 62, and the gate electrode 64. Supply.
- the IGBT of each phase performs conduction or cutoff operation based on the drive pulse from the driver circuit 74, converts the DC power supplied from the battery 31 into three-phase AC power, and supplies it to the stator unit 20.
- the control circuit 72 includes a microcomputer (hereinafter referred to as “microcomputer”) for performing arithmetic processing on the switching timing of the IGBT 52 and the IGBT 62.
- the input information to the microcomputer includes the rotation speed or torque required for the motor unit 10C, the current value supplied from the series circuit 50 to the motor unit 10C, the magnetic pole position of the rotor of the motor unit 10C, and the like. is there.
- the target rotational speed or torque is based on a command signal output from a host control device (not shown).
- the current value is detected based on the voltage of the shunt resistor.
- the magnetic pole position is detected by the motor unit 10C based on the phase voltage.
- the microcomputer in the control circuit 72 calculates the d-axis and q-axis current command values of the motor unit 10C based on the target rotational speed or torque, and detects the calculated d-axis and q-axis current command values.
- the d-axis and q-axis voltage command values are calculated based on the difference between the d-axis and q-axis current values, and the calculated d-axis and q-axis voltage command values are calculated based on the detected magnetic pole positions. And converted into voltage command values for the U phase, V phase, and W phase.
- the microcomputer generates a pulse-like modulated wave based on a comparison between the fundamental wave (sine wave) and the carrier wave (triangular wave) based on the voltage command values of the U phase, V phase, and W phase, and the generated modulation wave
- the wave is output to the driver circuit 74 as a PWM (pulse width modulation) signal.
- the driver circuit 74 When driving the lower arm, the driver circuit 74 outputs a drive signal obtained by amplifying the PWM signal to the gate electrode of the corresponding IGBT 62 of the lower arm. Further, when driving the upper arm, the driver circuit 74 amplifies the PWM signal after shifting the level of the reference potential of the PWM signal to the level of the reference potential of the upper arm, and uses this as a drive signal as a corresponding upper arm. Are output to the gate electrodes of the IGBTs 52 respectively.
- the U-phase and V-phase are used for the purpose of increasing the width of the tooth portion by shortening the gap between the salient pole portions including the windings and releasing a large amount of heat to the partition member 42.
- the W-phase individual windings are divided into at least two or more windings between the input phase portion and the neutral point portion and connected in parallel, and the divided windings are connected to the salient poles of the stator portion.
- the partition wall member 42 and the tooth portion of the salient pole portion are in thermal contact with each other.
- the winding of each phase is shown as being divided into three. However, basically, any winding may be used as long as it is divided into two or more.
- the U-phase winding 40 is divided into three parts, which are composed of unit windings 40-U1, 40-U2, and 40-U3.
- the unit windings 40-U1, 40-U2, and 40-U3 are connected in parallel between the U-phase input section 41 and the neutral point section 43, respectively.
- V-phase winding 40 is also divided into three parts, which are composed of unit windings 40-V1, 40-V2, and 40-V3.
- Each unit winding 40-V1, 40-V2, and 40-V3 is a V-phase winding.
- the input unit 41 and the neutral point unit 43 are connected in parallel.
- the W-phase winding 40 is also divided into three parts, each including unit windings 40-W1, 40-W2, and 40-W3.
- Each unit winding 40-W1, 40-W2, and 40-W3 is composed of the W-phase.
- the input unit 41 and the neutral point unit 43 are connected in parallel.
- the winding 40 of each phase is wound around nine salient pole portions formed on the iron core forming the stator portion 20 in the order of each phase.
- the winding 40 of each phase is wound around the six salient pole parts formed in the iron core which forms the stator part 20 according to the order of each phase. .
- the three-phase winding is shown as being connected by star (Y) connection, but other than this, delta ( ⁇ ) connection may be used.
- the V-phase and W-phase windings are divided into two or more parts and connected in parallel.
- the iron core 38 constituting the stator portion 20 is composed of laminated silicon steel plates or the like, and has nine salient pole portions 20A extending radially toward the inner peripheral side.
- the iron core 38 is an integral core, and the salient pole portion 20A is also formed at the same time.
- a bobbin portion made of an insulating synthetic resin is provided around the salient pole portion 20A.
- the bobbin portion has a function for ensuring insulation between the winding 40 wound around itself and the salient pole portion 20A.
- a winding 40 of each phase is wound around this bobbin portion to form a winding portion.
- the nine salient pole portions 20A are arranged at equal intervals so as to be adjacent to each other, and an insulating portion 20B is provided on the bobbin portion around which the winding 40 is wound and the inner peripheral portion of the iron core 38.
- the bobbin portion and the insulating portion 20B are integrally formed by injecting an insulating synthetic resin.
- the bobbin portion covering the salient pole portion 20A is a winding portion formed by winding the windings 40 of each phase, and is usually arranged in the order of U phase, V phase, and W phase.
- the windings of each phase are divided into three pieces and wound in parallel, so that nine salient pole portions 20A are formed in the iron core 38.
- the U-phase salient pole part 20A-U1, the V-phase salient pole part 20A-V1, and the W-phase salient pole part 20A-W1 are a first set, and the U-phase salient pole part 20A-U2 , The V-phase salient pole part 20A-V2, the W-phase salient pole part 20A-W2, and the U-phase salient pole part 20A-U3, the V-phase salient pole part 20A-V3, the W-phase.
- the salient pole portions 20A-W3 are a third set, and are arranged in order according to the set order.
- the winding start ends of the salient pole portions 20A-W1 to 20A-W3 are connected to the respective input phase portions 41.
- the winding end ends of the salient pole portions 20A-W1 to 20A-W3 are connected to the neutral point portion 43, respectively.
- the winding 40 divided into three for each phase is connected in parallel between the input phase portion 41 and the neutral point portion 43 of each phase.
- a partition member 42 is provided inside each salient pole portion 20A-U1 to 20A-W3, and the rotor portion 32 is accommodated in the partition member 42. Further, as described above, the partition member 42 is provided inside the partition member 42. Is the one where cooling water is introduced.
- each salient pole portion 20A-U1 to 20A-W3 has a tooth portion 45 formed on the tip side.
- Each salient pole portion 20A-U1 to 20A-W3 is provided with a synthetic resin bobbin portion 20C around which the winding 40 is wound, and the teeth portion 45 is exposed so as to protrude from the bobbin portion 20C. . Therefore, a heat transfer path is formed by the iron core 38 constituting the stator portion 20, the salient pole portion 20 ⁇ / b> A formed integrally with the iron core 38, and the tooth portion 45.
- the tip of the tooth portion 45 of each salient pole portion 20 ⁇ / b> A extends inward and has a shape having an arc that overlaps the same circumference.
- the arc of the tip of the tooth portion 45 and the outer peripheral surface of the partition wall member 42 Are in a matching shape.
- the arcs of the tooth portions 45 of the salient pole portions 20A-U1 to 20A-W3 and the circular outer peripheral surface of the partition wall member 42 are basically thermally connected in such a form that the metals are in contact with each other. Heat can be efficiently transferred from the tooth portion 45 to the partition member 42.
- a heat dissipating adhesive having a high heat transfer rate is used to connect the teeth 45 of each of the salient poles 20A-U1 to 20A-W3 and the outer peripheral contact surface of the partition wall member 42 to further thermally connect them. You can also In this way, the heat transfer performance can be further improved.
- a thermosetting resin containing a filler such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or a moisture curable resin can be used.
- the outer periphery of the partition wall member 42 is in contact with the tooth portion 45 of the salient pole portion 20A formed on the stator portion 20, and heat is efficiently transferred from the tooth portion 45. Therefore, the larger the contact area between the partition wall member 42 and the tooth portion 45, the higher the heat transfer efficiency.
- the present embodiment is greatly characterized in that the contact area between the partition wall member 42 and the tooth portion 45 is increased.
- each phase winding is divided into three and connected in series in the conventional one, but in this embodiment, each phase winding is divided into three and connected in parallel. Yes. If the conditions for the power input to each input phase are the same, the diameter of the winding 40 is 1 / ⁇ 3 times greater when connected in parallel than when connected in series. In addition, the number of turns is tripled.
- the entire surface area can be increased by about 1.7 times, and the heat radiation from the winding 40 can be increased. Accordingly, heat can be transmitted to the partition member 42 through the air around the winding 40, the salient pole portion 20 ⁇ / b> A via the bobbin portion 20 ⁇ / b> C, and the tooth portion 45.
- the windings of the respective phases are divided into three parts and connected in parallel, so that the circumferential width of the teeth portion 45 can be increased, and By increasing the contact area, a large amount of heat accumulated in the electric motor unit 10C can be transmitted to the partition member 42 via the salient pole portion 20A and the tooth portion 45, and further to the cooling water. .
- heat generated in the winding 40 heat generated by the operation of the internal combustion engine that is input from the surrounding environment can be transmitted to the partition member 42 via the salient pole portion 20A and the teeth portion 45. Become.
- the electric fluid pump it is important to improve the performance of the electric motor unit in order to increase the efficiency.
- the winding resistance of the motor section increases due to the influence of these temperature rises, the magnetic force of the permanent magnet decreases, and the performance of the motor deteriorates.
- the electronic components constituting the drive control section are affected by heat. Invoke the problem of deterioration.
- each phase (U phase, V phase, W phase) constituting the motor unit is divided into at least two windings and connected in parallel. Then, it is proposed that the divided windings are wound around the salient pole part of the stator part, and that the partition wall member interposed between the stator part and the rotor part is brought into contact with the teeth part of the salient pole part. Yes.
- the winding of each phase is divided into three parts. However, basically, it is only necessary to divide into two or more parts and connect them in parallel. Furthermore, although the winding of each phase is shown as a star connection, a delta connection is also applicable.
- the winding diameter can be reduced by dividing the winding into at least two parts, the gap between the salient pole portions including the winding can be reduced, so that the width of the tooth portion can be increased. A lot of heat can be released to the member. As a result, the cooling performance of the electric motor unit by the cooling water can be improved without changing the basic configuration of the electric fluid pump.
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Abstract
直流電動機部を構成する各相(U相、V相、W相)の個別の巻線を、少なくとも2つ以上の巻線に分割して並列接続し、この分割された巻線をステータ部の突極部に巻回すると共に、ステータ部とロータ部の間に介装されロータ部側に冷却水が導入される隔壁部材と突極部のティース部を接触させた。巻線を2分割して並列接続することによって、巻線径を小さくできるので巻線を含む突極部の厚さを薄くしてティース部の幅を大きくでき、結果として隔壁部材に多くの熱を逃がすことができるようになる。これによって、電動流体ポンプの基本的な構成を変更せずに、電動機部の冷却水による冷却性能を向上することができるようになる。
Description
本発明は電動流体ポンプに係り、特に自動車のエンジンルーム内に装着される内燃機関用電動流体ポンプに関するものである。
近年、自動車の低燃費化への要求が高まるにつれ、アイドルストップ機能付きの自動車やハイブリッド車の実用化が進んでいる。これらの車両は、内燃機関の停止時に内燃機関によって駆動される流体ポンプも停止するため、内燃機関以外の流体ポンプ駆動源が必要となる。また、ハイブリッド車や電気自動車においては、走行用モータやその制御装置、またはバッテリを冷却するための冷却水ポンプが必要とされる。これらの背景から、電動機を使用してインペラが固定されたロータに回転力を付与してポンプ作用を行う電動流体ポンプの使用が増加する傾向にある。
このような電動流体ポンプに使用される電動機部は、3相の巻線が巻回されたステータ部の内部に、永久磁石を備えたロータ部を内装した直流電動機部が使用されており、例えば、特開2012-207591号公報(特許文献1)に示されているような構成となっている。そして、この特許文献1に記載の電動流体ポンプにおいては、直流電動機部を構成する各相(U相、V相、W相)の巻線は、ステータ部の内周側に放射状に突出した複数の突極部に巻回されている。
つまり、各相の巻線を3分割し、この3分割された巻線を直列に接続して対応した突極部に分割して巻回することで複数の巻線部を形成し、この巻線部に順次駆動電流を流して界磁を作る構成となっている。
ところで、このような電動流体ポンプでは各巻線部に制御された駆動電流を流すための駆動制御部を、電動流体ポンプに一体的に固定することが最近行われてきている。このように、駆動制御部を電動流体ポンプに一体化する理由は、各巻線と駆動制御部の間の配線を短くして外部ノイズの悪影響をできるだけ少なくする、配線コストを低くする、駆動制御部とポンプ部の間のキャリブレーションを容易にする、取り扱い性を改善するといった、少なくとも一つ以上の目的のために行われている。
ところで、このような電動流体ポンプにおいては、効率を上げるためには電動機部の性能向上が重要である。電動機部の性能を向上する阻害要因としては種々の要因が考えられるが、その一つとして直流電動機部を構成する各相(U相、V相、W相)の巻線の発熱による温度上昇と、周囲環境の温度上昇に代表される温度による影響である。
巻線の発熱は主に巻線を構成する銅線に生じる銅損によるものが大きい。この銅損による損失を補うために余分の電流を流すことによって更に巻線の発熱量が増大する。また、この種の電動流体ポンプは内燃機関の周辺に取り付けられることから、内燃機関の作動によって周囲温度がかなり高くなる。このため、電動流体ポンプに向けて内燃機関で発生した熱が入熱することになる。更にはこの他に鉄心部に発生する鉄損、軸受等の摩擦による摩擦損によっても電動流体ポンプの温度が上昇することになる。
これらの温度上昇の影響によって電動機部の巻線抵抗が増加する、永久磁石の磁力が減少して電動機の性能が低下する、更には、駆動制御部を構成する電子部品が熱の影響を受けて劣化するといった課題を惹起する。
このような温度上昇によって惹起される課題を解決するためには、電動機部を冷却することが最も効果的であり、例えば電動流体ポンプが内燃機関のラジエータに封入されている冷却水を循環させるものであれば、この冷却水を使用して電動機部を冷却することが合理的である。
しかしながら、電動機部に新たな冷却水通路等の冷却部分を形成することは、電動流体ポンプの構成が複雑化する、全体の体格が大きくなるといった新たな課題を惹起することになり、できるだけ電動流体ポンプの構成を変えないで電動機部の冷却水による冷却性能を向上することが望まれている。
本発明の目的は、電動流体ポンプの基本的な構成を変更せずに、電動機部の冷却水による冷却性能を向上することができる新規な電動流体ポンプを提供することにある。
本発明の特徴は、直流電動機部を構成する各相(U相、V相、W相)の個別の巻線を、少なくとも2つ以上の巻線に分割して並列接続し、この分割された巻線をステータ部の突極部に巻回すると共に、ステータ部とロータ部の間に介装されロータ部側に冷却水が導入される隔壁部材と突極部のティース部を接触させた、ところにある。
本発明によれば、少なくとも巻線を2分割して並列接続することによって、巻線径を小さくできるのでスリット間隔を小さくしてティース部の幅を大きくでき、結果として隔壁部材に多くの熱を逃がすことができるようになる。これによって、電動流体ポンプの基本的な構成を変更せずに、電動機部の冷却水による冷却性能を向上することができるようになる。
本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
以下、本発明になる電動流体ポンプの実施形態を図面に基づいて説明する。図1は電動流体ポンプの全体構成を示す斜視図である。図1に示す電動流体ポンプは、作動流体として冷却水を用い、熱交換器であるラジエータに接続された循環回路中に組み込まれる冷却用ポンプであり、例えばハイブリッド自動車において内燃機関や駆動用モータ、インバータ等に冷却水を供給するウォーターポンプである。
電動流体ポンプ10はアルミ合金等で作られた本体10Aと、この本体10Aに隣接して固定された駆動制御部を覆うアルミ合金等の金属製のカバー10Bとより構成されている。この電動流体ポンプ10は図示しないポンプハウジングに固定され、回転軸の先端に取り付けたインペラを回転させてポンプ作用を行うものである。本体10Aからはコネクタ12が取り出され、図示しないバッテリから電力が供給されるようになっている。カバー10Bは金属製であるため、駆動制御部で発生した熱を外部に放散するヒートシンク機能を備えている。
図2はカバー10Bを取り去った後の電動流体ポンプ10の斜視図を示している。本体10Aの内部には電動機部(図示せず)が収納されており、この電動機部を覆うように円形状の合成樹脂で作られたホルダー14が取り付けられている。ホルダー14の外周の一部に繋がる箱状の収納部16が本体10Aに設けられており、この収納部16に後述する電気部品や上述したコネクタ12が配置されている。ホルダー14の上側には制御基板18が配置、固定されており、ホルダー14と制御基板18の間に駆動制御回路が取り付けられている。この駆動制御回路は電動機部をインバータ制御するために必要な回路を備えている。
図3は本体10Aから電動機10Cを取り出した後の電動機部10Cの斜視図を示している。電動機部10Cにはステータ部20と内部に収納されたロータ部(図示せず)、及びこのロータ部に固定された回転軸22とより構成されている。ステータ部20にはホルダー14がボルト24によって固定されている。
図3は本体10Aから電動機10Cを取り出した後の電動機部10Cの斜視図を示している。電動機部10Cにはステータ部20と内部に収納されたロータ部(図示せず)、及びこのロータ部に固定された回転軸22とより構成されている。ステータ部20にはホルダー14がボルト24によって固定されている。
図4は電動機部10Cから制御基板18を取り去った後の電動機部10Cの斜視図を示している。ホルダー14には制御基板18及びステータ部20の巻線と電気的な接続を行うための端子が設けられており、制御基板18との接続を行う端子26及びステータ部20の巻線と電気的な接続を行うための端子28とが設けられている。各端子26、28は各相の入力部と中性点部とに接続されている。
ホルダー14の一部にはインダクタンス素子やコンデンサ等の電気部品の一部が収納される切り欠き開口部30が形成されている。この切り欠き開口部30は図2に示した箱状の収納部16に向けて対向するように形成されている。
以上のような電動流体ポンプの更に詳細な内部構造を図5に基づいて説明する。図5にあるように、電動機部10Cは少なくともロータ部32とステータ部20とより構成されている。この電動機部10Cは例えば、アルミ合金等で作られた金属製の本体10Aの一方に設けた電動機部収納部34に収納されている。ロータ部32はステータ部20の内周側に配置されており、永久磁石を備えていることから、ステータ部20の巻線部40によって作られる界磁によって回転力が与えられる。
以上のような電動流体ポンプの更に詳細な内部構造を図5に基づいて説明する。図5にあるように、電動機部10Cは少なくともロータ部32とステータ部20とより構成されている。この電動機部10Cは例えば、アルミ合金等で作られた金属製の本体10Aの一方に設けた電動機部収納部34に収納されている。ロータ部32はステータ部20の内周側に配置されており、永久磁石を備えていることから、ステータ部20の巻線部40によって作られる界磁によって回転力が与えられる。
また、この本体10Aの電動機部収納部34とは反対側はポンプハウジング(図示せず)に固定される構成となっている。この部分にはポンプ作用を行うインペラ36が配置され、回転軸22によって回転されるようになっている。そして、回転軸22は電動機部10Cを構成するロータ部32と固定され、ロータ部32の回転によって回転軸32は回転されるものである。
電動機部収納部34とインペラ36の間は液密的に封止されており、この部分に液体が侵入してくることはない。具体的はカップ状の中空円形状に形成された隔壁部材42によってロータ部32とステータ部20とが液密的に隔離されている。隔壁部材42はステータ部20の軸方向に沿って延びており、隔壁部材42の両端においてステータ部20と固定されている。この両端の固定部は、隔壁部材42の内部とステータ部20とを液密的に隔離する構成となっている。例えば、ステータ部20と隔壁部材42の両端とをOリングを介して密封するようにしている。
隔壁部材42は非磁性のオーステナイト系ステンレスが使用されており、その厚さは0.3mm~0.7mm程度に設定されている。この隔壁部材42の厚さはできるだけ薄い方が良く、所定の強度を維持して薄くすればエアギャップを更に小さくできて電動機の効率を向上できる。更に、この隔壁部材42は電動機部10Cの熱を冷却水に逃がすため、熱伝達性能が高いものが望ましい。
隔壁部材42の内部にはロータ部32が収納されており、この隔壁部材42の内部でロータ部32が回転するものである。ロータ部32は永久磁石等を備えているため合成樹脂によって外側からモールドされる構成となっている。この隔壁部材42の内部には冷却水が導入されるため、合成樹脂によってロータ部32の腐食等を防止しているものである。
隔壁部材42の内部は、インペラ36が配置されている部分と図示しない通路によって連通されており、内燃機関の冷却水が隔壁部材42の内部に導入されるようになっている。したがって、この冷却水は隔壁部材42を介して電動機部10Cの熱を奪うことで、電動機部10Cを冷却することとなる。
隔壁部材42の外周はステータ部20に形成した突極部のティース部と接触させており、ティース部から熱を効率的に伝熱する構成となっている。したがって、隔壁部材42とティース部との接触面積が大きいほど伝熱効率が向上することになる。本実施例は、この隔壁部材42とティース部との接触面積を大きくすることが大きな特徴となっており、これについては図9、図10で詳細に説明する。
図に戻って、電動機部収納部34内には上述したようにステータ部20を構成する鉄心38と、この鉄心に内側に向けて突出した突極部(図示せず)に巻回された巻線部40とが収納されている。
ステータ部20はホルダー14によって固定的に覆われており、両者が固定された状態で制御基板18が固定されるものである。制御基板18には上述したようにインバータ制御に必要な回路が搭載されており、各端子を介して巻線40と接続されている。制御基板18の端側にはインダクタ44、コンデンサ46等の電気部品が搭載されており、これらの形状的に大きい電気部品の一部は収納部16に収納されるようになっている。更に、この状態でカバー10Bが本体10Aにかぶせられて密閉されるようになって、電動流体ポンプ10が完成されるものである。
次に、図6を用いて制御基板18に搭載された駆動制御部の構成について簡単に説明する。尚、以下では電力用半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており略してIGBTと記すことにする。
図6において、上アームとして動作するIGBT52及びダイオード56と、下アームとして動作するIGBT62及びダイオード66とで、上下アームの直列回路50が構成される。インバータ回路IVは、この直列回路50を出力しようとする交流電力のU相,V相,W相の三相に対応して備えている。
これらの三相は、電動機部10Cのステータ部20の三相の各相巻線に対応している。三相のそれぞれの上下アームの直列回路50は直列回路の中間電極69から交流電流を出力する。この中間電極69は交流端子59を介して交流バスバー86と接続され、さらに交流コネクタ88を介してステータ部20の各相巻線40に電気的に接続されている。
上アームのIGBT52のコレクタ電極は正極端子57を介して正極導体板92に、また、下アームのIGBT62のエミッタ電極は、負極端子58を介して負極導体板94に電気的に接続されている。正極導体板92および負極導体板94はコンデンサ90に電気的に接続されており、さらに直流コネクタ33を介してバッテリ30に電気的に接続されている。
制御回路72は上位の制御装置から制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路IVを構成する各相の直列回路50を構成する上アームのIGBT52や下アームのIGBT62を制御するための制御信号である制御パルスを発生し、ドライバ回路74に供給する。
ドライバ回路74は上記制御パルスに基づき、各相のIGBTを制御するための駆動パルスをIGBT52の信号用エミッタ電極55と、ゲート電極54及び、IGBT62の信号用エミッタ電極65と、ゲート電極64を介して供給する。各相のIGBTは、ドライバ回路74からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ31から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、ステータ部20に供給する。
制御回路72は、IGBT52及びIGBT62のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と記述する)を備えている。マイコンへの入力情報としては、電動機部10Cに対して要求される回転数或いはトルク、直列回路50から、電動機部10Cに供給される電流値、及び、電動機部10Cの回転子の磁極位置等がある。
目標回転数或いはトルクは、図示しないの上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、シャント抵抗の電圧に基づいて検出されたものである。磁極位置は、電動機部10Cに相電圧に基づいて検出されたものである。
制御回路72内のマイコンは、目標回転数或いはトルクに基づいて電動機部10Cのd軸、q軸の電流指令値を演算し、この演算されたd軸、q軸の電流指令値と、検出されたd軸、q軸の電流値との差分に基づいてd軸、q軸の電圧指令値を演算し、この演算されたd軸、q軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてU相、V相、W相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、U相、V相、W相の電圧指令値に基づく基本波(正弦波)と搬送波(三角波)との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をPWM(パルス幅変調)信号としてドライバ回路74に出力する。
ドライバ回路74は、下アームを駆動する場合、PWM信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのIGBT62のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路74は、上アームを駆動する場合、PWM信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからPWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのIGBT52のゲート電極にそれぞれ出力する。
以上がインバータ回路の具体的な構成であるが、この構成は良く知られているものであるのでこれ以上の説明は省略する。
そして、本実施例では、巻線を含む突極部の間の隙間を短くすることでティース部の幅を大きくして隔壁部材42に多くの熱を逃がすことを目的に、U相、V相、W相の個別の巻線を、入力相部と中性点部との間で少なくとも2つ以上の巻線に分割して並列に接続し、この分割された巻線をステータ部の突極部に巻回すると共に、隔壁部材42と突極部のティース部を熱的に接触させるようにしている。尚、本実施例では各相の巻線を3分割した場合を示しているが、基本的には2分割以上に分割されているものであれば良い。
図7において、U相の巻線40は3分割され、単位巻線40-U1、40-U2、40-U3とから構成されている。各単位巻40-U1、40-U2、40-U3はU相の入力部41と中性点部43の間で夫々並列になるように接続されている。
また、V相の巻線40も3分割され、単位巻線40-V1、40-V2、40-V3とから構成され、各単位巻40-V1、40-V2、40-V3はV相の入力部41と中性点部43の間で夫々並列になるように接続されている。
同様に、W相の巻線40も3分割され、単位巻線40-W1、40-W2、40-W3とから構成され、各単位巻40-W1、40-W2、40-W3はW相の入力部41と中性点部43の間で夫々並列になるように接続されている。
これらの各相の巻線40は、ステータ部20を形成する鉄心に形成された9個の突極部に各相の順番に従って巻回されている。尚、上述したように2分割されているものでは、各相の巻線40は、ステータ部20を形成する鉄心に形成された6個の突極部に各相の順番に従って巻回されている。
ここで、本実施例では三相の巻線はスター(Y)結線によって接続されているものを示しているが、これ以外にデルタ(Δ)結線されているものでも良く、この場合もU相、V相及びW相の巻線は2分割以上に分割されて並列に接続されている。
次に、本実施例のステータ部20の詳細構造を図8、図9に基づいて説明する。図8において、ステータ部20を構成する鉄心38は、積層されたケイ素鋼板等から構成されたもので、内周側に向けて放射状に延びた9個の突極部20Aを有している。鉄心38は一体型のコアであり、突極部20Aも同時に形成されている。突極部20Aの周囲には絶縁性の合成樹脂からなるボビン部が設けられている。このボビン部は自身の周囲に巻回される巻線40と突極部20Aとの絶縁を確保するための機能を有している。このボビン部に各相の巻線40が巻かれて巻線部となるものである。
9個の突極部20Aは互いに隣り合うように等間隔に配置されており、巻線40が巻かれたボビン部と鉄心38の内周部には絶縁部20Bが設けられている。ボビン部と絶縁部20Bとは絶縁性の合成樹脂を射出して一体的に成形されたものである。
突極部20Aを覆うボビン部は各相の巻線40が巻回されて巻線部となるもので、通常はU相、V相、W相の順番で配置されている。また、本実施例では各相の巻線を3個に分けて並列に巻き込むため、9個の突極部20Aが鉄心38に形成されている。
図9において、U相の突極部20A-U1、V相の突極部20A-V1、W相の突極部20A-W1が第1の組とされ、U相の突極部20A-U2、V相の突極部20A-V2、W相の突極部20A-W2が第2の組とされ、U相の突極部20A-U3、V相の突極部20A-V3、W相の突極部20A-W3が第3の組とされ、これらはその組順に従って順番に配置されている。
そして、U相の突極部20A-U1~20A-U3の巻線の巻き始め端部、V相の突極部20A-V1~20A-V3の巻線の巻き始め端部、及びW相の突極部20A-W1~20A-W3の巻線の巻き始め端部は夫々の入力相部41に接続される。また、U相の突極部20A-U1~20A-U3の巻線の巻き終わり端部、V相の突極部20A-V1~20A-V3の巻線の巻き終わり端部、及びW相の突極部20A-W1~20A-W3の巻線の巻き終わり端部は夫々中性点部43に接続されている。これによって、各相の3分割された巻線40は各相の入力相部41と中性点部43の間で並列に接続されるようになる。
各突極部20A-U1~20A-W3の内側には隔壁部材42が設けられており、この隔壁部材42内にロータ部32が収納され、また、上述したようにこの隔壁部材42の内部には冷却水が導入されるものである。
そして、図10に示しているように各突極部20A-U1~20A-W3は先端側にティース部45が形成されている。各突極部20A-U1~20A-W3には巻線40が巻回される合成樹脂のボビン部20Cを備えているが、このボビン部20Cから突出するようにティース部45が露出している。したがって、このステータ部20を構成する鉄心38、及びこの鉄心38と一体的に形成された突極部20A、及びティース部45によって熱の伝達通路が形成されることになる。
各突極部20Aのティース部45の先端は内側に向けて延び、かつ同一円周上に重なる円弧を有した形状となっており、このティース部45の先端の円弧と隔壁部材42の外周面が一致する形状となっている。
各突極部20A-U1~20A-W3のティース部45の円弧と隔壁部材42の円形状の外周面は、基本的には金属同士が接触する形態で熱的に接続されており、これによってティース部45から隔壁部材42に効率的に熱を伝達することができる。また、必要に応じて各突極部20A-U1~20A-W3のティース部45と隔壁部材42の外周の接触面に熱伝達率が高い放熱接着剤を使用して両者を更に熱的に接続することもできる。このようにすると、熱の伝達性能を更に向上することができる。放熱接着剤としてはシリコ-ン樹脂に酸化アルミニウム(Al2O3)等のフィラーを含有した熱硬化型樹脂、或いは湿度硬化型樹脂を用いることができる。
このように、隔壁部材42の外周はステータ部20に形成した突極部20Aのティース部45と接触させており、ティース部45から熱を効率的に伝熱する構成となっている。したがって、隔壁部材42とティース部45との接触面積が大きいほど伝熱効率が向上することになる。本実施例は、この隔壁部材42とティース部45との接触面積を大きくすることが大きな特徴となっている。
上述したように、従来のものでは各相の巻線は3分割されて直列に接続されていたが、本実施例では各相の巻線は3分割されて並列に接続される構成となっている。各入力相に入力される電力の条件を同じにすると、巻線40の直径は、並列に接続されている場合は、直列に接続されている場合に比べて1/√3倍になる。また、その巻数は3倍となる。
このため、巻線40の直径を短く(=細く)できるため、各突極部20Aの間の隙間(スリット間隔)が小さくできるようになる。したがって、ティース部45の円弧面の周方向の幅を大きくすることができるため、ステータ20の内周側の表面積が大きくなり、巻線40の冷却効果が向上するようになる。加えて、ティース部45の周方向の幅を大きくできるため、隔壁部材42との接触面積が増加することによって、ボビン部20Cを介して突極部20A、ティース部45を介して多くの熱を隔壁部材42に伝えることができる。
また、巻線40の巻数が増えるので全体の表面積を約1.7倍程度に大きくすることができ、巻線40からの放熱量を多くできる。これによって、巻線40の周囲の空気や、ボビン部20Cを介して突極部20A、ティース部45を介して熱を隔壁部材42に伝えることができる。
このように、本実施例では、各相の巻線を3分割して並列に接続する構成となっているため、ティース部45の周方向の幅を大きくできるようになり、隔壁部材42との接触面積が増加することによって、突極部20A、ティース部45を介して、電動機部10Cに蓄積されている多くの熱を隔壁部材42に伝え、更には冷却水に伝えることができるようになる。この場合は、巻線40で発生する熱の他に、周囲環境から入熱する内燃機関の作動による熱も突極部20A、ティース部45を介して、隔壁部材42に伝えことができるようになる。
上述したように、電動流体ポンプにおいては、効率を上げるためには電動機部の性能向上が重要である。電動機部の性能を向上する阻害要因としては電動機部を構成する各相(U相、V相、W相)の巻線の発熱による温度上昇と、周囲環境の温度上昇に代表される温度による影響である。これらの温度上昇の影響によって電動機部の巻線抵抗が増加する、永久磁石の磁力が減少して電動機の性能が低下する、更には、駆動制御部を構成する電子部品が熱の影響を受けて劣化するといった課題を惹起する。
このような課題に対して、本発明では、電動機部を構成する各相(U相、V相、W相)の個別の巻線を、少なくとも2つ以上の巻線に分割して並列に接続し、この分割された巻線をステータ部の突極部に巻回すると共に、ステータ部とロータ部の間に介装された隔壁部材と突極部のティース部を接触させることを提案している。
尚、実施例では各相の巻線を3分割したものを示したが、基本的は2分割以上に分割して並列接続すれば良いものである。更に、各相の巻線をスター結線したものを示したが、デルタ結線したものでも適用できるものである。
本発明によれば、巻線を少なくとも2分割することによって、巻線径を小さくできるので巻線を含む突極部の間の隙間を小さくすることでティース部の幅を大きくでき、結果として隔壁部材に多くの熱を逃がすことができるようになる。これによって、電動流体ポンプの基本的な構成を変更せずに、電動機部の冷却水による冷却性能を向上することができるようになるものである。
Claims (4)
- 冷却水を搬送するポンプ部と、ロータ部とステータ部から構成される電動機部と、前記電動機部を駆動制御する駆動制御部と、前記駆動制御部と前記電動機部の間に位置し前記電動機部を覆うホルダーとより構成され、前記駆動制御部からの駆動信号を前記ステータ部に巻回された巻線に供給することによって前記電動機部の前記ロータ部を回転させて前記ポンプ部を駆動する内燃機関用電動流体ポンプにおいて、
前記ステータ部と前記ロータ部の間には、前記ステータ部と前記ロータ部を隔離する隔壁部材が設けられ、前記隔壁部材の内部には前記ロータ部が回転可能に収納されると共に前記ポンプ部付近からの冷却水が導入され、
前記電動機部を構成するU相、V相、W相の個別の巻線を、少なくとも2つ以上の巻線に分割して並列に接続し、この分割された前記巻線を前記ステータ部の対応する突極部に巻回すると共に、
前記突極部の先端に形成したティース部を前記隔壁部材の外周に接触させたことを特徴とする内燃機関用電動流体ポンプ。 - 請求項1に記載の内燃機関用電動流体ポンプにおいて、
前記ステータ部は内側に向けて延び、かつ同一円周上に重なる円弧を有した前記ティース部を備えた少なくとも6個以上の前記突極部を有し、前記隔壁部材の円形状の外周面は前記6個以上の突極部の前記ティース部の前記円弧と接触していることを特徴とする内燃機関用電動流体ポンプ。 - 請求項2に記載の内燃機関用電動流体ポンプにおいて、
前記隔壁部材の円形状の外周面と前記6個以上の突極部の前記ティース部の前記円弧との接触面には放熱性接着剤によって固定されていることを特徴とする内燃機関用電動流体ポンプ。 - 請求項2に記載の内燃機関用電動流体ポンプにおいて、
前記6個以上の突極部の前記ティース部の前記円弧から前記隔壁部材の円形状の外周面に伝えられる熱は、少なくとも前記巻線で発生した熱と、周囲環境から入熱する内燃機関の作動によって発生した熱であることを特徴とする内燃機関用電動流体ポンプ。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15759077 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15759077 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |