JP4293207B2 - 電動ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、電動モータにて駆動される電動ポンプに関するものである。

自動車の燃費向上策として、第１に車両停止時にエンジンを停止させるアイドルストップ、第２に回転電機とエンジンを併用して車両駆動に用いたハイブリッド化等が挙げられ、実用化されている。これらのシステムを使うためには、アイドルストップでは停止時にエンジンは停止してしまうために、新たにポンプの駆動源が必要となる。また、ハイブリッド車では、上記のアイドルストップの他に、駆動用モータ、あるいはスタータジェネレータとその制御装置を冷却するためにウォータポンプが必要であり、その駆動源として電動モータを用いた電動ポンプが多用されてくる傾向にある。

特許文献１には電動モータの出力軸にてインペラを回転させて遠心力により冷却水を吐出する電動ウォータポンプが開示されている。

特開２０００−２１３４９０号公報

特許文献１に記載のウォータポンプを駆動するための電動モータは、コイルが駆動軸方向に往復するように固定子鉄心に巻回されているため、回転子のトルク発生に寄与しないコイルエンドと称される部分が固定子鉄心の両端に突出してしまい軸方向の長さを短くできない。このため、ポンプ全体が大型化してしまい搭載性が悪いといった問題があった。

本発明の目的は、小型で搭載性のよい電動ポンプを提供することにある。

本発明は、軸方向両端側から相手側端部に向かって夫々伸びる複数の第１の爪磁極と複数の第２の爪磁極を有し、該第１の爪磁極と複数の第２の爪磁極が周方向に交互に配置されるように形成された鉄心に環状に周回するようにコイルを巻回した電動モータを用いてポンプ構成体を駆動することを特徴としている。

また、鉄心及び磁極部材の少なくとも一端に隣り合って冷却媒体を吐出するポンプ構成体を配置したことを特徴としている。

また、圧粉磁心にて構成された固定子鉄心の少なくとも内周に非磁性材料にてモールドしたモールド部を設けた電動モータによって、液体を吐出するポンプ構成体を駆動することを特徴としている。

本発明によれば、コイルエンドが存在しないため、電動ポンプ全体の小型化が可能で、搭載性を大幅に向上できる。

以下、本発明の一実施形態である電動ウォータポンプを実施例毎に図面に基づいて説明する。

［実施例１］
図１〜図３に実施例１の電動ウォータポンプを示す。図１は、実施例１の電動ウォータポンプにおける軸方向側面の断面図である。また、図２は、実施例１の鉄心としての固定子鉄心１相分とコイルの詳細を説明した図であり、図２（ａ）は固定子鉄心及びコイルを部分的に断面とした状態の斜視図、図２（ｂ）は固定子鉄心の正面図、図２（ｃ）は、固定子鉄心の内周を内側から見た周方向の展開図、図２（ｄ）は、固定子鉄心及びコイルにおける一部の側面の断面図である。更に、図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。

この電動ウォータポンプは、主にエンジンと駆動用電動モータを併用して車両を駆動するハイブリット車において、駆動用電動モータ、あるいは、スタータジェネレータとその制御装置等を冷却するために用いられるものである。

図１において、ポンプ構成体としてのウォータポンプ部１は、遠心ポンプを用いており、ポンプ室２が設けられたポンプハウジング３と、ポンプ室２内に回転自在に収容されたインペラ４とによって構成されている。

ポンプハウジング３は、ダイキャスト工法により熱伝導率の高い金属材料であるアルミ合金材料にて成形され、図３に示すよう内部には周方向位置によって、内径が徐々に拡大するように設けられたポンプ室２が形成されている。このため、ポンプハウジング３は、軸方向に２つの部材３（ａ），３（ｂ）に分割されており、インペラ４や駆動軸５を挿入後にボルト６によって一体化される。また、図１に示すようポンプ室の軸方向略中央位置から外側に筒状の吸入部７が突出形成されると共に、ポンプ室の軸方向略中央位置から電動モータ部１１側に向かって筒状の軸受支持部８が突出形成されている。更に、図３に示すようポンプ室２の内径が最大となる付近には、吐出部９が形成されている。尚、吐出部９から吐出される流動媒体、具体的には、冷却媒体としての冷却水は、水にエチレングリコールを加えて凍りずらい液体（不凍液）としており、防錆効果も高められている。この冷却水は、ハイブリット車の駆動用電動モータとそのインバータに供給される。

ポンプ室２内に設けられたインペラ４は、吸入部７側の傘円盤状プレートと、電動モータ部１１側の傘円盤状プレートと、それらの間に放射状に設けられた複数の羽根（本実施例においては８枚）とによって構成されており、このインペラ４は、樹脂材料の射出成形によって一体成形される。このインペラ４の略中央位置には孔１０が設けられており、この孔１０には、金属製で中空円筒状の駆動軸５が圧入固定され、駆動軸５とインペラ４とが一体に回転するようになっている。

このように構成されたウォータポンプ部１は、駆動軸５が回転することによりインペラ４が回転し、羽根によってかき出された冷却水が遠心力によって外周側に流れる。このように外周側に流れた冷却水は、慣性力によりポンプ室２の内周面に沿って吐出部に案内される。尚、吸入部７付近は、インペラ４上の冷却水が外周側に流されることから負圧となり、吸入部７から冷却水が流入するようになっている。このため、少なくとも、インペラ４が回転している状態においては、ポンプ室２内は冷却水で満たされることになる。

次にウォータポンプ部１に隣接して設けられた電動モータ部１１について図１と図２に基づいて説明する。

電動モータ部１１は、内部に収容部を有するモータハウジング１２と、モータハウジング１２内に収容され、通電することにより磁界を生じさせる鉄心としての固定子鉄心１３と、固定子鉄心１３内に収容されるコイル１４と、固定子に対向した状態で配置された永久磁石２１を有する磁極部材としての回転子１６とで構成されている。

モータハウジング１２は、中空円筒形状の収容部１２ａと、収容部１２ａの一端側封止する封止板１２ｂとを有し、両者はボルト１５によって一体化されている。更に収容部
１２ａの他端側の開口は、ボルト６によってポンプハウジング３で封止されている。このため、ポンプハウジング３の一部がモータハウジング１２を兼ねることとなる。尚、収容部１２ａと封止板１２ｂは、ポンプハウジング３と同様のダイキャスト工法によるアルミ合金材料にて成形されている。また、封止板１２ｂには、ウォータポンプ部側に突出する中空円筒形状の軸受支持部１７がポンプハウジング３の軸受支持部８と対向するかたちでポンプハウジング３の軸受支持部８と同様に一体成形されている。

また、ポンプハウジング３の軸受支持部８及びモータハウジング１２の軸受支持部１７の内周は、軸方向に段差状に大径部と小径部が形成されており、大径部には、軸受としての樹脂製のブッシュ１８、つまり、滑り軸受が圧入され、小径部に当接することにより、軸方向に位置決めされるようになっている。更に、これらのブッシュ１８には、互いに向かい合う側の端部に円盤状のフランジ部が一体成形されている。

次に鉄心としての固定子鉄心１３とコイル１４について説明するが、本実施例では、３相の固定子鉄心１３とコイル１４を有する３相ブラシレスモータを採用しているため、モータハウジング１２内には、内部にコイル１４を収容した３つの固定子鉄心１３が軸方向に並ぶように絶縁された状態で積層配置されている。

このうち１相分について以下に説明する。固定子鉄心１３は、軸方向略中央位置にて２つに分割されたリング状部材によって構成されている。また、リング状部材の１つは、クローティース形状（爪形磁極形状）となっており、詳述すると、最外周側で軸方向に伸びる外周部１３ａと、外周部の端部に設けられた中空円盤状の円環部１３ｂと、円環部から内周側に略均等の間隔で伸びる複数（本実施例では１２つ）の爪基部１３ｃと、爪基部から相手側のリング状部材に向かって軸方向に先細り形状、つまり、略台形状に伸びる爪部と１３ｄから構成されている。

また、図２ａ，図２ｄに示すよう、固定子鉄心１３は、断面が略コの字に形成されるが、外周部１３ａに対して爪部１３ｄが長く、また、爪部１３ｄと爪基部１３ｃとは、内側にて連続的に円弧状に接続されている。尚、爪磁極は、爪基部１３ｃと爪部１３ｄとで構成される。

このように構成された２つの略同一形状のリング状部材を爪部１３ｄが交互に位置するように対向させて、爪部１３ｄを除く表面全体を非磁性材料である樹脂材料１９によってモールドすることにより１相分の固定子鉄心１３として一体化されるが、その際、内部にはリング状部材に沿って円環状（トロイダル状）に巻回されたコイル１４が載置される。尚、コイル１４は絶縁被覆され、両端はコイル１４への通電を行うため、リング状部材の対向面から外側に引き出され、電流を制御するためのインバータに接続される。

また、ハイブリッド車等では、電源電圧が高電圧となることから、コイル１４と固定子鉄心１３の間は、絶縁物を配置する必要があるが、電源電圧が低電圧の場合（一般には自動車では１２Ｖのような低圧で使用される）には、固定子鉄心１３にコイル１４を直接配置することも可能である。

尚、本実施例は、３相モータであるため、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の固定子鉄心１３を周方向に爪部１３ｄの位置を電気角でそれぞれ１２０度ずつずらして軸方向に並べた状態でモータハウジング１２内に圧入によって収容固定され、各コイル１４は、３相のインバータに接続される。また、周方向に電気角でそれぞれ１２０度離した位置としたことにより、３つの相のコイル１４の巻方向は同一とすることができ、各固定子鉄心１３は、全く同じ部品で構成することができる。尚、各固定子鉄心１３は、樹脂材料が表面にモールドされているので、夫々が絶縁状態でモータハウジング１２に装着されているが、ポンプハウジング３とモータハウジング１２の封止板１２ｂとの間には、空間が形成されている。

以上のように説明した固定子鉄心１３は、非磁性体にてコーティングされた磁性粉である鉄粉を圧縮して成形する圧粉鉄心で成形されているが、鉄粉間に結着材を介在させることにより強度向上を図ることも可能である。

また、図２（ｃ）に示すよう固定子鉄心１３における２つのリング状部材の爪磁極間にはコイル１４のインダクタンスを小さくするために、スペースが設けられているが、この爪磁極間にも非磁性体材料である樹脂材料１９がモールドされることとなり、爪部１３ｄの内周面はモールドされていない。このため、固定子鉄心１３の内周面は、樹脂材料１９と爪部１３ｄとが周方向に交互となるように構成される。

次に磁極部材としての回転子１６について説明する。回転子１６は、インペラ４に一体回転するように固定された駆動軸５と、駆動軸５に固定された回転子鉄心２０と、回転子鉄心２０の外周に設けられた永久磁石２１とからなり、回転子鉄心２０は、外周側に位置する円筒形状の磁石装着部２０ａと、磁石装着部２０ａの内周の軸方向略中央位置に設けられた磁石装着部よりも幅狭の駆動軸装着部２０ｂとが磁性材料である鉄材にて一体成形されており、言い換えれば、軸方向断面が略Ｈ形状となるように成形される。また、駆動軸装着部２０ｂの内周には孔２０ｃが形成されており、孔２０ｃに駆動軸５が圧入されることにより、回転子鉄心２０と駆動軸５は一体回転するように固定される。また、磁石装着部２０ａ外周には、軸方向に伸びる棒状の永久磁石２１が周方向に複数固定され、夫々の永久磁石２１は磁極が異なるように配置される。

このように構成された回転子１６は、固定子鉄心１３の内周と、各永久磁石２１とが対向するように配置され、駆動軸５が両ブッシュ１８によって回転自在に軸受されると共に、両ブッシュ１８におけるフランジ部によって軸方向の移動が阻止されるようになっている。

また、駆動軸５とポンプハウジング３間の隙間、駆動軸５の内周、ブッシュ１８内周と駆動軸５外周間の隙間等を通して回転子１６側に冷却水が導入されるため、回転子１６は、冷却水中にて回転する。その際、ブッシュ１８と駆動軸５間に常に冷却水が導入されているため、円滑な滑り軸受を構成することができる。

次に、このように構成された電動モータ部１１の作動について以下に説明する。

コイル１４には、バッテリ等の電源から３相のインバータを介して電流が供給され、それに伴い固定子鉄心１３における一方のリング状部材から伸びる第１の爪磁極と他方のリング状部材から伸びる第２の爪磁極に異なった磁極が生じる。例えば、第１の爪磁極にＮ極が生じた場合には第２の爪磁極にはＳ極が生じる。また、本実施例では、コイル１４は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相を有しているため、夫々の通電が制御されて、極が回転するかの如く切り替えられる。このため、爪磁極に対向する回転子１６に設けられた永久磁石２１は、爪磁極に生じる磁界に伴って回転方向に移動する。つまり、回転子１６が回転する。尚、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のコイル１４への通電状態に伴って駆動軸５の回転数を制御することができる。

回転子１６の回転状態を制御するには、通常、回転子１６の位置を磁極位置検出器によって検出する必用があるが、本実施例では、コイル１４の誘起電圧から磁極の位置を検出して、３相のコイル１４への通電の切り替えを行う誘起電圧位置検出方式、つまり、センサレス方式を用いて回転子１６の位置を検出している。尚、ウォータポンプ部におけるインペラ４の負荷変動は、ゆっくりであるため、このような方式を用いることは十分可能である。

以上、本実施例においては、ハイブリット車において、駆動用電動モータ、あるいは、スタータジェネレータとその制御装置等を冷却するために用いられるものとして説明したが、エンジンを冷却するためのポンプやキャビンを暖めるためのポンプとしても適用することができる。ここで図４を基に電動ポンプを搭載した車両について説明する。ここでは、ハイブリッド車の例で示す。

図４において、車両２２のエンジンルーム内にはエンジン２３を備え、変速機（図示せず）を介して車両を駆動する車輪２４に結合される構成となっている。ここで、第１の電動ポンプ２５によって供給される冷却水はエンジン２３で発生する熱を奪って冷却し、サーモスタット２６を介してラジエータ２７でエンジン２３で奪った熱を放出して冷却され、元に戻る構成を取る。一方、第２の電動ポンプ２８によって供給された冷却水はインバータ２９，走行用モータ３０を冷却した後、第１の電動ポンプ２５の冷却水と共用のラジエータ２７で冷却され、元に戻る構成を取る。さらに、第３の電動ポンプ３１によって供給された冷却水は第１の電動ポンプ２５によって循環される冷却水の一部を導入し、エンジン２３の発熱をキャビンヒータ３２でキャビン内に放出した後、元の流路に戻る構成である。尚、ここで、バイパス通路３３はエンジン２３が暖まっているかどうかをサーモスタット２６で判断して、暖まっていないときには冷媒をラジエータ２７まで回さずにバイパスさせる通路である。

次に本実施例の作用効果について説明する。

本実施例では、コイルを鉄心に沿って環状に周回するように巻回しているのでトルク発生に寄与しないコイルエンドが存在しない。このため、鉄心とポンプ構成体とをできるだけ近づけることができ、小型化を図ることができる。このため、搭載性が向上する。

尚、これらの電動ポンプを車両に搭載する場合、収納部分であるエンジンルーム内は種々の部品の搭載によって、混雑した空間であり、特に、近年、ハイブリッド化，高機能化等により、搭載部品数が飛躍的に増加しているために、そこに収納される部品は小型軽量化が、他のルームに収納される部品よりも一層求められる傾向にあることから上記のような電動ポンプとすることの効果は大きい。

このような電動ポンプは、図４で示したように数多く使用される方向にあり、電動ポンプを小型化することによって、エンジンルーム内における電動ポンプに占める割合を小さくする点、及び電動ポンプの高出力化によって、ハイブリッド車のインバータ，走行用モータの小型化が可能になり、エンジンのレイアウト性向上、大きくは車両の性能向上に寄与することができる点で電動ポンプ単体の利点とともに車両としての利点を提供することができる。

加えて、コイルの製作が容易で、かつ巻回した後の成型が従来、積層鉄心のスロットに巻回されたコイルに対して成型が容易であるために、コイルの収納空間にしめるコイルの占積率を高くとれ、これによって、コイルの抵抗を下げることができるので高効率のモータとすることができる。更に、占積率の向上はコイル，鉄心間の熱抵抗を下げることができるので、大きな負荷に耐える駆動モータとすることができ、これを利用して、逆に小型軽量とすることもできる。更に、１周分のコイル長さを短くすることができるので、抵抗を小さくすることができ、モータを高効率にすることができる。

また、本実施例では、複数相の鉄心を用いているので制御を容易かつ確実に行うことができる。

また、本実施例では、ポンプ構成体を鉄心及び磁極部材の少なくとも一端に隣り合って配置し、ポンプ構成体が冷却媒体を吐出するものとしたため、鉄心及び磁極部材を効果的に冷却することができる。

また、本実施例では、コイルエンドがないため、モータハウジングの軸方向一端側をポンプハウジングとすることが可能であり、その場合、いっそうの冷却効果を挙げることができると共に、部品点数の削減，小型化，軽量化といった効果も同時に得られる。

また、本実施例では、ポンプハウジングとモータハウジングとを同一の材料で成形したので効率のよい冷却が得られる。特に材料を熱伝導率の高いアルミ合金を用いていることから、より一層の冷却効果が得られる。

また、本実施例では、磁極部材の内周に磁極部材の軸受が配置されているので軸受長さを確保した上で軸方向長を短くすることができ、小型軽量に寄与することができる。特に磁極部材としての回転子側の回転子鉄心は磁気的に余裕があるので、軸方向の長さを小さくして滑り軸受を回転子の中に配置させることは可能である。

また、本実施例では、鉄心を圧粉鉄心にて製造したので３次元の複雑な形状を簡単に作ることが可能である。しかも、薄板の鉄板を打ち抜いて作る従来の積層鉄心に対して、圧粉鉄心による鉄心は全体が一体となっているために、構造上強固で振動し難く、低騒音となる特徴があるが、上記の形状とすることにより、一層の低振動，低騒音化されたモータとすることができる。更に必要な素材によって成形できるため、材料の利用率が１００％とよく、安価に作ることが可能である。

また、本実施例では、非磁性材料にて鉄心としての固定子鉄心をモールドしているので固定子鉄心を圧粉鉄心にて製造したとしても強度の補強を図ることができ、また、液体としての冷却水が導入されてもコイルが腐食したりしないよう耐久性を向上させることができ、更に外部に冷却水が漏れないよう容易にシールすることができる。このため、固定子鉄心と回転子との間には、従来のような冷媒のシールドを別途設ける必要がなく、固定子鉄心が直接、回転子側の表面に出る構成にできるため、磁気的な空隙を小さくでき、シールドの存在による空隙長の増加によるトルクの減少、つまり、効率の低下等の問題を避けることができる。従って、小型軽量，高効率とすることができる。特に、非磁性体として樹脂を用いた場合、冷却水によって錆等が生じることがない。

また、本実施例では、固定子鉄心の内周面を非磁性材料と磁極とが周方向に交互に形成されるように構成したため、固定子鉄心の表面を回転子の対向面まで出すことができるので、磁気空隙長を減少でき、モータ特性を向上させることが可能である。更に固定子鉄心の冷却効果も向上する。

また、本実施例では、固定子鉄心内及び固定子鉄心の両端部に冷却液体としての冷却水が導入されるように構成されているため、固定子鉄心やコイルに加え、回転子も冷却水によって効率よく冷却することが可能となる。このように発熱を効果的に取り除くことができることに伴って、小型軽量，高効率な構成とすることもできる。更に、冷却水中にて回転子が軸受されているため、安価な滑り軸受によって円滑な支持ができる。特に、駆動軸を中空として両方の軸受に冷却水が容易に導入されるようになっているので、より円滑な支持ができる。

また、本実施例では、鉄心の爪部を先細り形状に傾斜させることで、モータのコギングトルクを低減できると共に、コイルに誘起する電圧も正弦波に近づけることができるので正弦波状の電流を通電することによって、３相分で、回転方向にトルク脈動の少ない一定のトルクを発生させることができる。これによって、低騒音のモータとすることが可能である。

以上、本実施例においては、電動ポンプとして、電動ウォータポンプの例を示したが、例えば、油圧を用いたパワーステアリング装置にオイルを供給するためのパワーステアリング用ポンプ，エンジンに潤滑油を供給する潤滑ポンプ等のオイルポンプ，冷却媒体として気体を用いるコンプレンサー，冷却媒体としてオイルを用いる電動オイルポンプとしても適用することができるが、電動モータ部を効率的に冷却できることから冷却媒体を吐出するポンプに使用する方が有効である。尚、ポンプ部は、遠心ポンプでなくともよく、例えば、ベーンポンプ，ギヤポンプ，プランジャポンプ等が考えられる。

また、本実施例においては、ポンプハウジングとモータハウジングを同一の材料で、かつ、一部を共用したが、別々の材料で、かつ、別々に形成しても構わない。このため、用途に見合った材料選択が可能である。また、ポンプハウジングとモータハウジングは、金属材料で構成する必要はなく、樹脂材料を選択することも可能であるが不飽和ポリエステル等の熱伝導性のよい樹脂材料を用いた方が効果的に冷却することができる。

また、本実施例においては、インペラを樹脂材料で構成したが金属をプレスやダイキャストや鋳物にて形成することも可能である。この場合、インペラの強度を向上することが可能となる。

また、本実施例においては、インペラと駆動軸を別々の部材にて構成したが一体で成形することもできる。この場合、部品点数を削減することが可能である。

また、本実施例においては、駆動軸の軸受を金属のブッシュとしたが樹脂のブッシュを用いることも可能である、更には、ニードルベアリングやボールベアリングを用いることも可能である。尚、ニードルベアリングやボールベアリングを用いる場合には、出来るだけ冷却水に接しない方がよく、ポンプ部と電動モータ部との間で冷却水が行き来しないようシールを設ける必要がある。この場合、回転子は、冷却水中で回転せず、空気中で回転することとなるが、潤滑のために軸受には、グリース等の潤滑油が塗布されることが望まれる。

また、本実施例においては、鉄心を固定側とし、磁極部材としての永久磁石を用いた回転子を回転側としたが、ブラシを用いてコイルに電流を供給することにより鉄心を回転側とし、永久磁石を固定子とする、いわゆる直流モータとすることも可能である。更に、永久磁石の代わりに別のコイルと別の鉄心を用いる、いわゆる誘導モータとすることも可能である。

また、本実施例においては、固定子鉄心を圧粉鉄心によって構成したが、切削加工やプレス等で成形することも可能である。このような工法で成形した場合には、圧粉鉄心に比べて高強度とすることができる。

また、本実施例においては、固定子鉄心の内周面を非磁性材料と磁極とが周方向に交互に形成されるように構成したが、固定鉄心の内周全体を非磁性体でモールドすることも可能である。この場合、固定子鉄心が冷却水によって錆びてしまうことも防止できる。

また、本実施例においては、電動モータ部とインバータ等の制御装置を別体としたが、モータハウジングにおけるポンプハウジングと反対側端部に一体に配置することもできる。この場合には電動ポンプとしてさらにコンパクトな構成とすることができる。

また、本実施例においては、誘起電圧位置検出方式、つまり、センサレス方式を用いて回転子の位置を検出しているが、磁極位置検出器を設けることにより、起動時の時間を短くして立ち上げることが可能である。

また、本実施例においては、固定子鉄心を１相分毎にモールドしてモータハウジング内に固定したが、モータハウジング内に固定子鉄心を固定し、その後、モータハウジングと一緒にモールドしても良い。

また、本実施例においては、固定子鉄心とポンプハウジング間に樹脂によるモールド部及び空間を設けたが、ポンプハウジングがアルミ合金等の非磁性体にて構成されているならば、固定子鉄心とポンプハウジングとを直接接触させることも可能である。この場合、コイルからポンプハウジングを介して冷媒に直接熱が逃げるために、より冷却効果を高めることができ、小型軽量化が可能である。また、固定子鉄心とポンプハウジング間の樹脂によるモールドを除いて、空間のみとすることも可能である。これによって冷媒が直接固定子鉄心の側面に接触できる構成とすれば、固定子巻線から固定子鉄心を介して冷媒へと直接、熱が逃げる構成となるために、より一層小型化が可能である。

また、本実施例においては、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の固定子鉄心を周方向に電気角でそれぞれ１２０度離した位置に配置したが、電気角６０度ずつ周方向に離して配置することもできる。この場合にはＵ相，Ｗ相，Ｖ相の順となり、中心のＷ相の巻方向は逆にする必要がある。

また、本実施例においては、鉄心の爪部を先細り形状に傾斜させたが軸方向に平行にしてもよい。

［実施例２］
図５に実施例２の電動ウォータポンプを示す。図５ａは、実施例２の電動ウォータポンプにおける軸方向側面の断面図であり、図５ｂは、図５ａのＢ−Ｂ断面図である。また、図５ｃは、非磁性体材料である樹脂にてモールドされた固定子鉄心だけを取り出したものの側面図である。尚、実施例１と共通する部位については、同一称呼，同一の符号で表す。

実施例１と実施例２の相違点は、非磁性体材料である樹脂にてモールドされた固定子鉄心１３のモールド部分１９に冷却媒体としての液体である冷却水が流通可能な通路として流路３４を設けたことにある。

この流路３４は、図５ｂに示すよう固定子鉄心１３の軸方向端面において、円環部の半径方向略中央位置に環状に設けられた環状通路３４ａと、磁極の中心位置、つまり、各爪基部１３ｃの周方向略中央位置に放射状に設けられた放射状通路３４ｂと、図５ｃに示すよう固定子鉄心１３の軸方向側面において、各放射状通路から略軸方向に沿って伸びる軸方向通路３４ｃとで構成されており、各相の固定子鉄心１３における両端面及び側面に形成されている。これらの通路は、樹脂を射出成形させる際に用いられる型によって成形されており、夫々の固定子鉄心１３には、同一の通路が形成されている。このため、３相の固定子鉄心を軸方向に並べて配置すると、隣り合う固定子鉄心１３間で同一形状の環状通路３４ａと放射状通路３４ｂが向かい合うように合致する。また、軸方向通路３４ｃにおいても、隣り合う固定子鉄心１３と同一の位置となることから各軸方向通路３４ｃが連通する。

このように本実施例では、流路３４を形成することにより、固定子鉄心１３の内周側に満たされる冷却水が入り込むため、冷却効果を向上させることができる。

また、本実施例では、流路を放射状としているので、より効果的に冷却水を配することができる。

また、本実施例では、各固定子鉄心間にも流路が設けられているので、各固定子鉄心を夫々冷却することができる。

また、本実施例では、流路を磁極の中心位置に形成したので最も冷却を要する箇所を効率よく冷却することができる。

また、本実施例では、各固定子鉄心のモールド部分が環状通路と軸方向通路を有しているので各固定子鉄心間，固定子鉄心とポンプハウジング間，固定子鉄心とモータハウジング間を全て冷却することが可能である。このため、電動モータの全周にわたって冷媒を配することができ、冷却効果を一層向上させることができて、より小型のモータとすることができる。

また、本実施例では、固定子鉄心の内周には回転子が回転自在に配置されているため、回転子の回転数が高回転となった際には、固定子鉄心内周における回転子と対向する部分において冷却水の流れが生じ、流速の増大に伴って圧力が低下することから固定子鉄心における回転子と対向しないポンプハウジング側及びモータハウジング側の圧力の間に差圧が生じる。このため、冷却水は、流路内を循環する。これにより、より一層の冷却効果が得られる。

また、本実施例では、各固定子鉄心のモールド部分における流路を同一形状としたため、１つの型で成形でき、安価なものとすることができる。

以上、本実施例においては、流路を型で成形したものを説明したが流路は、切削によって加工することもできる。

また、本実施例においては、環状通路を設けたが、環状通路を省略すれば、複数相の固定子鉄心を一度にモールドして流路を形成することも可能である。

［実施例３］
図６及び図７に実施例３の電動ウォータポンプを示す。図６は、実施例３の電動ウォータポンプにおける軸方向側面の断面図である。また、図７は、実施例３の鉄心としての固定子鉄心とコイルの詳細を説明した図であり、図７（ａ）は固定子鉄心及びコイルを部分的に断面とした状態の斜視図、図７（ｂ）は固定子鉄心の正面図である。尚、実施例１と共通する部位については、同一称呼，同一の符号で表す。

実施例１と実施例３の相違点は、固定子鉄心１３を１相で構成した単相モータとしたこと、及び、爪磁極における爪部１３ｄの周方向一側に段差部３５を設けたこと、及び、回転子の位置を検出する位置検出器３６を設けたことにある。

固定子鉄心１３は、実施例１における固定子鉄心１３の１つの抜き出したものとほぼ同一であるが、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すよう固定子鉄心１３の両端から伸びる爪磁極における爪部１３ｄには、周方向一方に磁界が偏奇する磁界偏奇部として、周方向一方側より周方向他方側の方が回転子との空隙が離間するよう段差部３５が同じ側に設けられている。この段差部３５は、爪部の周方向略中央位置が段差となるようになっている。

また、位置検出器３６は、図４に示すようモータハウジング１２におけるポンプと逆側端の内側に設けられた凹部に取り付けられ、回転子１６における永久磁石２１の漏洩磁束を検出して、永久磁石２１の位置、つまり、回転子１６の位置を検出することができる。

次に図８の制御構成図に基づいて実施例３における単相モータの制御構成を説明する。

図８において、単相モータのシステム構成は、ポンプを駆動する単相モータからなる電動モータ部１１と、直流電源Ｅｄｃから電動モータ部１１に交流電力を供給する役目を持つ変換器ＣＯＮＶと、変換器ＣＯＮＶを制御する制御回路ＣＯＮＴとから構成される。

ここで、制御回路ＣＯＮＴは、位置検出器３６の出力を角度情報に変換する角度変換器Ａと、速度制御回路Ｂと、変換器出力回路Ｃとから構成される。この構成において、角度変換器Ａでは、位置検出器３６から永久磁石２１の漏洩磁束の情報を入力し、それによって、回転子の位置情報を出力する。位置検出器３６の出力信号の電気角半サイクルの周期を測定すると、回転子の速度情報と、変換器ＣＯＮＶの正もしくは負への通電方向が決定できる。速度制御回路Ｂでは外部から与えられる速度指令Ｎｓと前記の速度情報とによって誤差速度を算出し、それに比例積分制御等によって、制御の出力を変換器出力回路Ｃに出力する。これによってＨ型ブリッジで構成される変換器ＣＯＮＶを制御し、Ｎｓなる速度に制御することができる。

上記の制御はファン，ポンプの制御であり、制御の応答周波数は数ヘルツ以下と非常にゆっくりしたものであるため、安定的に行われる。

次に図９の各波形に基づいて実施例３における単相モータの動作原理及び一定回転時の動作について説明する。

図９において、横軸に電気角での回転子１６の位置θを０から３６０度の範囲で示す。また、図９（ａ）には位置検出器３６の出力信号を示す。また、図９（ｂ）には電動モータのコイル１４にかかる電圧Ｖｔ（θ）を示す。また、図９（ｃ）には永久磁石２１の磁束によって生じるコイル１４の誘起電圧Ｖ０（θ）を示す。また、図９（ｄ）にはコイル電流ｉｗ（θ）を示し、（ｂ）の電圧Ｖｔ（θ）と（ｃ）の誘起電圧Ｖ０（θ）とコイル１４の抵抗ｒ，インダクタンスＬによって以下の式で決まる値である。
Ｖｔ（θ）＝（ｒ＋ｐ）ｉｗ（θ）＋Ｖ０（θ） （１）
ここで、ｐはｄ／ｄｔを示す。

また、図９（ｅ）には電流を通電していないときに生じる、固定子鉄心１３と、永久磁石２１間に発生するコギングトルクＴｃ（θ）を示す。また、図９（ｆ）には誘起電圧とコイル電流とによるトルクＴ０ｗ（θ）を示す。図９（ｃ）の誘起電圧Ｖ０（θ）と図９（ｄ）の電流ｉｗ（θ）との積で示される出力Ｐ０ｗ（θ）は、永久磁石２１の磁束とコイル電流によって生じる出力を示すもので、回転子１６の角速度ωが一定であれば、このトルクＴ０ｗ（θ）は次式となる。
Ｔ０ｗ（θ）＝Ｐ０ｗ（θ）／ω （２）
また、図９（ｇ）には電動モータの全トルクＴ（θ）を示す。これは誘起電圧とコイル電流とによるトルク分Ｔ０ｗ（θ）とコギングトルクＴｃ（θ）の和で、次式で表される。
Ｔ（θ）＝Ｔ０ｗ（θ）＋Ｔｃ（θ） （３）
回転子１６が一定であれば出力と同じ波形となる。

単相モータのコギングトルクは固定子鉄心１３の爪部１３ｄ表面の片側のみに意識的に設けられた段差部によって、回転位置に対して（ｅ）で示すような形状となる。次に単相モータの主トルクを構成する誘起電圧とコイル電流によるトルクＴ０ｗ（θ）について説明する。まず、誘起電圧は（ｃ）に示すように一般には矩形状である。これに、（ａ）で示すように、誘起電圧に対して、若干進んだ位置に配置されたホール素子による出力信号（永久磁石と離すことにより正弦波状の波形となる）の零クロス点で印加電圧の極性を切り替えることによってコイル１４には（ｂ）で示す電圧が印加される。これによって(ｄ)で示す電流が流れ、コイル１４の電流と誘起電圧とによるトルクが（ｆ）のように発生する。この出力は単相駆動であるので原理的に誘起電圧が零近辺で３６０度間で２度くぼむ図示のような波形となる。このくぼみにコギングトルクの＋成分を合わせることによって図示のように、全体のトルクはほぼ均一に近いトルクを発生することができる。

このように本実施例では、１相のみの構成となり、部品点数が大幅に減少でき、これに伴い、安価なものとすることができる。また、単相モータは、３相のモータほどの均一性はないが、それに匹敵するほどの平坦なトルクとすることができる。このトルクの均一さは、誘起電圧に対する印加電圧の進み角量，印加電圧の波形、例えば立ち上がり時に、なだらかに上昇させ、立ち下がりの時にも徐々に変化させることによって緩和できる。さらに、コギングトルクの波形と誘起電圧とコイル電流とによるトルクとの整合性とがあり、コギングトルクを爪部表面のくぼみの位置に最適に配置することで、出力トルクが回転子の角度θに対して平らにすることができる。

また、本実施例では、制御回路をＨ型ブリッジとすることができ、スィッチング素子は４個と少なくすることができる。これによって、構成がゲート回路を含めて簡単な構成とすることができ、安価な制御装置構成とすることができる。

以上、本実施例においては、磁界偏奇部として、爪部に段差部が設けられたものとしたが、段差でなくとも周方向一方側より周方向他方側の方が回転子との空隙が離間していればよく、例えば、爪部における周方向一方側の厚みを周方向他方側に対して滑らかに厚くしてもよい。また、爪部の厚みは周方向に同一とし、周方向一方側に磁束が通りやすい部材、もしくは、磁束が通りづらい部材を設けてもよい。更には、周方向によって磁束のとおりを変化させるために爪部の材料を周方向によって異ならせてもよい。これらの構成によれば段差がなくなるので成形型の寿命を向上させることができる。

［実施例４］
図１０及び図１１に実施例４の電動ウォータポンプを示す。図１０は、実施例４の電動ウォータポンプにおける軸方向側面の断面図である。また、図１１は、実施例４の鉄心としての固定子鉄心の詳細を説明した図であり、図１１（ａ）は固定子鉄心１相分の正面図、図１１（ｂ）は固定子鉄心１相分の側面図、図１１（ｃ）は固定子鉄心１相分の背面図、図１１（ｄ）は３相分の固定子鉄心を回転方向に位置決めした状態で積層させた状態の図である。尚、実施例１と共通する部位については、同一称呼，同一の符号で表す。

実施例１と実施例４の相違点は、固定子鉄心１３の軸方向端部をモータハウジング１２と密着させたこと、及び、各固定子鉄心１３の軸方向端部に隣り合う固定子鉄心１３、もしくは、モータハウジング１２に対しての相対回転を規制する回り止め機構が設けられていることにある。

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すよう固定子鉄心１３における軸方向ポンプ室２側の円環部１３ｂには、周り止め機構の一部を構成する凹部３７が成形されている。この凹部３７は、隣り合う２つの爪基部１３ｃの周方向両側に放射状に形成された３つの溝として構成されている。尚、これらの凹部３７の周方向角度は、各固定子鉄心１３が周方向に電気角で１２０度離れる角度である。

また、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に示すよう固定子鉄心１３における軸方向封止板１２ｂ側の円環部１３ｂには、凹部３７と共に周り止め機構を構成する凸部３８が一体に成形されている。この凸部３８は、３つの凹部３７における周方向中央に位置する凹部
３７の背面に位置して凹部３７に係合可能に凹部３７と略同一形状に設けられている。

更に、図１０に示すようモータハウジング１２としての封止板１２ｂには、固定子鉄心１３の凸部３８が係合可能な凹部３７が周方向一箇所に設けられており、モータハウジングとポンプハウジングを兼ねる３ｂにも固定子鉄心１３の凹部３７に係合可能な凸部３８が周方向一箇所に設けられている。尚、夫々の凹部３７及び凸部３８は、ほぼ同一形状に形成されている。

このように設けられた凹部３７と凸部３８は、図１１（ｄ）に示すよう夫々の固定子鉄心１３の凸部３８を周方向に１つずつ、ずらして係合させ、更に、固定子鉄心１３の凹部３７にモータハウジングとポンプハウジングを兼ねる３ｂに設けられた凸部３８を係合させると共に、固定子鉄心１３の凸部３８を封止板１２ｂに設けた凹部３７に係合させている。

このように本実施例では、複数相の固定子鉄心が回り止め機構によって位置決めされるため、確実かつ容易に所望の電気角に位置決めすることが可能となる。

また、本実施例では、回り止め機構を凹部と凸部で構成したので、モータハウジングとの接触面積が増大する。このため、隣り合って配置されるポンプ構成体により冷却されるモータハウジングから熱が奪われることとなり冷却効果が増大する。特に本実施例では、凹部を溝で構成したので凸部を長方形状に長く形成することが可能となり、より熱を伝達させ易くすることができる。

また、本実施例では、固定子鉄心に複数の凹部を設けているので、同一形状の固定子鉄心でも所望の電気角に見合った周方向の位置決めが可能となる。このため、生産性が向上する。

以上、本実施例においては、回り止め機構を凹部と凸部で構成したが固定子鉄心に別の部材を取り付けることで回り止めすることも可能である。

また、本実施例においては、凹部を溝とし、凸部を長方形状の突起として構成したが凹部を穴とし、凸部を円形の突起としてもよい。この場合、凸部と凹部の面積が少なくなるが、磁気回路に対する影響を少なくすることができる。

また、本実施例においては、各固定子鉄心を同一形状のものとしたが各相の固定子鉄心における凸部と凹部の位置を変えることも可能である。この場合、凹部を複数設ける必要がなく、凸部と凹部を周方向に分散させれば、磁気回路に対する影響を少なくすることができる。

また、本実施例においては、モータハウジング１２を設けたが、各固定子鉄心をボルト等の固定手段にて軸方向に固定し、かつ、各部に冷却水の漏れを防止するシール部材を設ければ、モータハウジングを省略することも可能である。この場合、部品点数を削減でき、安価な製品とすることができる。尚、樹脂にて一体化する箇所を増やせばシール部材も少なくすることが可能である。

次に、上記の各実施形態から把握し得る請求項に記載以外の発明について、以下にその作用効果と共に記載する。

（１）液体を吐出する、電動モータにて駆動される電動ポンプであって、内部にコイルが巻回され、内周に前記コイルへ通電することにより周方向に異なった磁極が交互に形成される固定子鉄心と、該固定子鉄心の前記磁極形成部分に対向して周方向に異なった磁極が生じるように構成され、液体中にて回転する回転子と、該回転子によって回転力が与えられることにより液体を吐出するポンプ構成体と、前記固定子鉄心と前記回転子との間であって、前記固定子鉄心の内周に一体成形された非磁性体からなる隔壁とを有することを特徴とする電動ポンプ。このような構成によれば、従来技術のように電動モータの固定子鉄心と回転子との間に別途隔壁を設ける必要があったといった問題に対して、必用な箇所に必要な分だけ隔壁を成形することが可能となり、小型化ができるといった効果が得られる。

（２）冷却媒体を吐出する、電動モータにて駆動される電動ポンプであって、内部にコイルが巻回され、内周に前記コイルへ通電することにより周方向に異なった磁極が交互に形成される固定子鉄心と、該固定子鉄心の前記磁極形成部分に対向して周方向に異なった磁極が生じるように構成され、液体中にて回転する回転子と、該回転子によって回転力が与えられることにより冷却媒体を吐出するポンプ構成体と、前記固定子鉄心に設けられ、前記回転子の回転により前記固定子鉄心内の冷却媒体が循環する流路とを有することを特徴とする電動ポンプ。このような構成によれば、従来技術のように電動モータの固定子鉄心の冷却が十分ではなかったといった問題に対して、電動モータがどのような構成であっても固定子鉄心を冷却することができるといった効果が得られる。

（３）請求項５に記載の電動ポンプにおいて、前記モータハウジングと前記ポンプハウジングは、同一の材料にて構成されていることを特徴とする電動ポンプ。このような構成によれば、モータハウジングからポンプハウジングへの熱伝達を効率よく行うことができる。

本発明における実施例１としての電動ウォータポンプの軸方向側面断面図である。 本発明における実施例１の固定子鉄心１相分とコイルの詳細を説明した図である。 実施例１のＡ−Ａ断面図ある。 電動ポンプを搭載した車両についての説明図である。 実施例２の電動ウォータポンプを示す。 本発明における実施例３としての電動ウォータポンプ軸方向側面断面図である。 本発明における実施例３の固定子鉄心とコイルの詳細を説明した図である。 本発明における実施例３の制御構成図である。 本発明における実施例３の動作原理を示す図である。 本発明における実施例４としての電動ウォータポンプの軸方向側面断面図である。 本発明における実施例４の固定子鉄心の詳細を説明した図である。

符号の説明

１…ウォータポンプ部（ポンプ構成体）、３…ポンプハウジング、１１…電動モータ部、１２…モータハウジング、１３…固定子鉄心（鉄心）、１４…コイル、１６…回転子
（磁極部材）、１８…ブッシュ（軸受）、１９…樹脂材料（非磁性材料，モールド部）、３４…流路、３５…段差部（磁界偏奇部）、３７…凹部（回り止め機構）、３８…凸部
（回り止め機構）。

Claims (17)

1. 車両に搭載される電動ポンプであって、
   軸方向両端側から相手側端部に向かって夫々伸びる複数の第１の爪磁極と複数の第２の爪磁極を有し、該第１の爪磁極と複数の第２の爪磁極が周方向に交互に配置されるよう環状に形成された鉄心と、
   該鉄心に沿って環状に周回するように巻回され、通電することにより前記第１の爪磁極と複数の第２の爪磁極に異なった磁極を形成するコイルと、
   前記第１の爪磁極と複数の第２の爪磁極に対向して前記鉄心と相対回転可能に設けられ、周方向に異なった磁極が生じるように構成された磁極部材と、で構成される電動モータと、
   前記鉄心、もしくは、前記磁極部材によって回転力が与えられることにより流動媒体を吐出するポンプ構成体と、を有し、
   前記鉄心は、単相に形成されると共に、前記第１の爪磁極及び第２の爪磁極には、周方向一方に磁界が偏奇する磁界偏奇部が設けられていることを特徴とする電動ポンプ。
2. 請求項１に記載の電動ポンプにおいて、
   前記磁界偏奇部は、前記第１の爪磁極及び第２の爪磁極における周方向一方側より周方向他方側の方が前記磁極部材と空隙が離間することにより構成されることを特徴とする電動ポンプ。
3. 請求項１に記載の電動ポンプにおいて、
   前記鉄心は、複数相に形成されていることを特徴とする電動ポンプ。
4. 冷却媒体を吐出する電動ポンプであって、
   環状に巻回されたコイルと、
   該コイルに沿って筒状に形成され、前記コイルへ通電することにより周方向に異なった磁極が交互に形成される鉄心と、
   該鉄心の前記磁極形成部分に対向して周方向に異なった磁極が生じるように前記鉄心と相対回転可能に構成された磁極部材と、で構成される電動モータと、
   前記鉄心及び前記磁極部材の少なくとも一端に隣り合って配置され、前記鉄心、もしくは、前記磁極部材によって回転力が与えられることにより冷却媒体を吐出するポンプ構成体と、を有し、
   前記モータハウジング内周の前記ポンプ構成体側端部と前記鉄心との間には、相対回転を規制する回り止め機構が設けられていることを特徴とする電動ポンプ。
5. 請求項４に記載の電動ポンプにおいて、
   前記鉄心及び前記磁極部材は、モータハウジング内に収容され、該モータハウジングの軸方向一端側が前記ポンプ構成体を収容するポンプハウジングを兼ねていることを特徴とする電動ポンプ。
6. 請求項４に記載の電動ポンプにおいて、
   前記モータハウジング内周の前記ポンプ構成体側端部は、前記鉄心と密着していることを特徴とする電動ポンプ。
7. 請求項４に記載の電動ポンプにおいて、
   前記回り止め機構は、一方に設けられた凸部と、他方に設けられた凹部とで構成されていることを特徴とする電動ポンプ。
8. 請求項４に記載の電動ポンプにおいて、
   前記鉄心は、複数相に形成され、各相の鉄心同士にも前記回り止め機構が設けられていることを特徴とする電動ポンプ。
9. 請求項４に記載の電動ポンプにおいて、
   前記磁極部材の内周に前記磁極部材の軸受が配置されることを特徴とする電動ポンプ。
10. 液体を吐出する電動ポンプであって、
    環状に巻回されたコイルと、
    該コイルに沿って筒状に形成され、内周に前記コイルへ通電することにより周方向に異なった磁極が交互に形成されるよう圧粉磁心にて構成され、少なくとも内周に非磁性材料にてモールドされたモールド部を有する固定子鉄心と、
    該固定子鉄心の前記磁極形成部分に対向して周方向に異なった磁極が生じるように構成され、液体中にて回転する回転子と、で構成される電動モータと、
    該回転子によって回転力が与えられることにより液体を吐出するポンプ構成体と、を有し、
    前記固定子鉄心の内周面は非磁性材料と磁極とが周方向に交互に形成されていることを特徴とする電動ポンプ。
11. 請求項１０に記載の電動ポンプにおいて、
    前記非磁性材料は、樹脂材料であることを特徴とする電動ポンプ。
12. 請求項１０に記載の電動ポンプにおいて、
    前記モールド部は、前記固定子鉄心の内周全体に設けられていることを特徴とする電動ポンプ。
13. 液体を吐出する電動ポンプであって、
    環状に巻回されたコイルと、
    該コイルに沿って筒状に形成され、内周に前記コイルへ通電することにより周方向に異なった磁極が交互に形成されるよう圧粉磁心にて構成され、少なくとも内周に非磁性材料にてモールドされたモールド部を有する固定子鉄心と、
    該固定子鉄心の前記磁極形成部分に対向して周方向に異なった磁極が生じるように構成され、液体中にて回転する回転子と、で構成される電動モータと、
    該回転子によって回転力が与えられることにより液体を吐出するポンプ構成体と、を有し、
    前記固定子鉄心は、複数相に形成され、各相毎に前記モールド部が形成されていることを特徴とする電動ポンプ。
14. 液体を吐出する電動ポンプであって、
    環状に巻回されたコイルと、
    該コイルに沿って筒状に形成され、内周に前記コイルへ通電することにより周方向に異なった磁極が交互に形成されるよう圧粉磁心にて構成され、少なくとも内周に非磁性材料にてモールドされたモールド部を有する固定子鉄心と、
    該固定子鉄心の前記磁極形成部分に対向して周方向に異なった磁極が生じるように構成され、液体中にて回転する回転子と、で構成される電動モータと、
    該回転子によって回転力が与えられることにより液体を吐出するポンプ構成体と、を有し、
    前記モールド部には流路が設けられていることを特徴とする電動ポンプ。
15. 請求項１４に記載の電動ポンプにおいて、
    前記流路は、放射状に形成されていることを特徴とする電動ポンプ。
16. 請求項１４に記載の電動ポンプにおいて、
    前記固定子鉄心は、複数相に形成され、各相毎に前記モールド部が形成されると共に、各相間に流路が設けられることを特徴とする電動ポンプ。
17. 請求項１４に記載の電動ポンプにおいて、
    前記流路は前記磁極の中心位置に形成されていることを特徴とする電動ポンプ。

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