JP5964097B2

JP5964097B2 - 電動ポンプ

Info

Publication number: JP5964097B2
Application number: JP2012067190A
Authority: JP
Inventors: 泰之森田; 直丈藤田
Original assignee: 株式会社久保田鉄工所
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: JP2013199844A

Description

本発明は、水を供給するウォーターポンプ及びオイルを供給するオイルポンプの両方の構造を備えた車両用電動ポンプに関する。

近年、車両には、燃料の節約及び排出ガスの削減を目的として、アイドリング時にエンジンを停止させる、所謂アイドリングストップ機能を有するものが増加しつつある。当該車両において、エンジン及びヒータコアに水を供給するウォーターポンプを、従来の如き車両のように、エンジンの駆動に同期して駆動する構造にすると、アイドリングストップ時にエンジンとともに停止してしまい、ヒータコアに水が供給されなくなって車両内部の暖房機能が作動しなくなってしまうので、エンジンが停止しても常にヒータコアに水が供給されるようにエンジンの駆動に同期しない補助用の電動ウォーターポンプを設ける必要がある。また、オートマティックトランスミッションにオイルを供給するオイルポンプにおいても、従来の如き車両のように、エンジンの駆動に同期して駆動する構造にすると、エンジンとともに停止してしまってトランスミッション内部の油圧を所定の値に維持できず、エンジンの再始動時に瞬間的にトランスミッションの制御ができなくなるので、エンジンが停止しても常にトランスミッション内部の油圧を所定の値に維持するために、エンジンの駆動に同期しない補助用の電動オイルポンプを設ける必要がある。

例えば、特許文献１の車両用電動ポンプは、オイルポンプ室、ウォーターポンプ室及びモータ室が直列に形成されたハウジングを備え、該ハウジング内部には、上記オイルポンプ室、ウォーターポンプ室及びモータ室を嵌挿するシャフトが回転自在に支持されている。上記シャフトの一端側には、当該シャフトを回転させるモータが取り付けられて上記モータ室に収容されている。また、上記シャフトの中程及び他端側には、第１及び第２インペラが回転一体に固定され、該第１及び第２インペラは、それぞれ上記ウォーターポンプ室及びオイルポンプ室に収容されている。そして、上記シャフトの回転に同期した上記第１及び第２インペラの回転動作により、上記第１インペラの各羽根で上記ウォーターポンプ室の水の吸引・吐出を周期的に行うとともに、上記第２インペラの各羽根で上記オイルポンプ室のオイルの吸引・吐出を周期的に行うようになっている。

特開２００５−１４７１２７号公報（段落００１０〜００１２欄、図１）

ところで、上述のように、シャフトの回転動作で回転体を回転させることによりポンプ室の流体の吸引・吐出を行う電動ポンプでは、吸引・吐出を繰り返す際のポンプ室の圧力変動により、上記シャフトに周期的な駆動トルクが発生するので、当該駆動トルクの最大値を基に上記シャフトを回転させるモータの所要トルクを設定する必要がある。

しかし、特許文献１の電動ポンプでは、１つのシャフトで２つのインペラを回転させることにより水とオイルとをそれぞれ供給する構造なので、各インペラがそれぞれ上記シャフトに周期的な駆動トルクを発生させる。したがって、各インペラによって発生する駆動トルクの最大値が重なってしまうと、その重なり合った駆動トルクの合成値から上記シャフトを回転させるモータの所要トルクを設定しなければならなくなり、モータが大型化して電動ポンプの重量が増すとともに製造コストが嵩むことになる。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、１つのシャフトで２つの回転体を回転させて水とオイルとを供給する電動ポンプを、軽量、且つ、低コストな構造で提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、２つの回転体の回転動作によって発生するウォーターポンプ室及びオイルポンプ室の圧力変動のタイミングがずれるようにしたことを特徴とする。

すなわち、第１の発明では、ウォーターポンプ室、オイルポンプ室及びモータ室が直列に形成されたハウジングと、該ハウジング内部に回転自在に支持され、上記ウォーターポンプ室、オイルポンプ室及びモータ室を嵌挿するシャフトと、上記モータ室に収容され、上記シャフトを回転させるモータと、上記シャフトに回転一体に固定されて上記ウォーターポンプ室に収容され、且つ、複数の羽根が上記シャフト周りに等間隔に設けられ、回転動作により水の吸引・吐出を周期的に行うインペラと、上記シャフトに回転一体に固定されて上記オイルポンプ室に収容され、且つ、複数の外歯が外周に形成された平歯車状のインナーロータと、上記オイルポンプ室に収容され、且つ、上記インナーロータと回転軸心がずれた状態で上記各外歯と噛み合う複数の内歯が内周に形成され、上記インナーロータの回転動作に伴う回転動作により上記インナーロータとの間に形成された圧縮室を介してオイルの吸引・吐出を周期的に行うアウターロータとを備え、上記各羽根及び上記各外歯は、上記インペラ及びインナーロータの１回転当たりの圧力変動の回数が同じとなるように同数に設定され、各々のシャフト周りの位置は、上記各羽根先端が上記ウォーターポンプ室における水の吐出部分を通過した直後の上記ウォーターポンプ室の圧力変動の最大値となるタイミングと、上記オイルポンプ室におけるオイルの吸入及び吐出部分の開口面積が最小となって上記オイルポンプ室の圧力変動の最大値となるタイミングとが互いにずれるように設定されていることを特徴とする。

第２の発明では、第１の発明において、上記モータは、複数のコイル及び複数の磁極を有する磁石の一方を回転子として上記シャフト周りに固定するとともに、他方を固定子として上記回転子周りに配置して、当該各コイル及び磁石の磁気作用により上記シャフトを回転させるように構成され、上記コイルの数と上記磁石の磁極の数との最小公倍数が、上記インペラ及びインナーロータの１回転当たりの圧力変動の回数の整数倍であり、上記各コイル及び各磁極のシャフト周りの位置は、当該各コイル及び上記磁石の磁気作用により上記最小公倍数分だけ周期的に発生するトルクリプルの最大値となるタイミングが、上記ウォーターポンプ室の圧力変動及び上記オイルポンプ室の圧力変動の合成値において周期的に発生する最大値のタイミングと一致するように設定されていることを特徴とする。

第１の発明では、電動ポンプの作動時において、ウォーターポンプ室の圧力が最大となる時に、オイルポンプ室の圧力が最大とならず、インペラの回転によってシャフトに発生する駆動トルクの最大となるタイミングと、インナーロータの回転によってシャフトに発生する駆動トルクの最大となるタイミングとがずれる。したがって、上記シャフトを回転させるモータの所要トルクをインペラ及びインナーロータによってシャフトに発生する各駆動トルクが共に最大値で重なった場合に比べて小さくでき、モータを小型化して電動ポンプの軽量化及び低コスト化を実現できる。

また、水の吸入・吐出を行う部分が、インペラからなるウォーターポンプで構成されるとともに、オイルの吸入・吐出を行う部分が、インナーロータ及びアウターロータからなる内接式歯車ポンプで構成されるので、構造が比較的簡単で故障し難く、保守が容易な電動ポンプを提供できる。

第２の発明では、電動ポンプの作動時において、磁石及び各コイルの磁気作用により周期的に発生するトルクリプルの最大となるタイミングが、上記インペラ及びインナーロータの回転動作によってシャフトに周期的に発生する各駆動トルクの合成トルクの最大となるタイミングと一致する。したがって、必要最小限の所要トルクで上記シャフトを回転させることができ、モータを小型化して電動ポンプの軽量化及び低コスト化を確実に達成できる。

本発明の実施形態に係る電動ポンプの断面図である。（ａ）は、図１のＡ−Ａ線における断面図、（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線における断面図、（ｃ）は、図１のＣ−Ｃ線における断面図である。図２の状態から電動ポンプのシャフトが１５度回転した断面図であり、ウォーターポンプ室の圧力が最大で、且つ、モータのトルクリプルが最小となった状態を示す。図３の状態から電動ポンプのシャフトが１５度回転した断面図である。図４の状態から電動ポンプのシャフトが１５度回転した断面図であり、オイルポンプ室の圧力が最大で、且つ、モータのトルクリプルが最大となった状態を示す。電動ポンプのウォータポンプ部分及びオイルポンプ部分の各々によってシャフトに発生する各駆動トルク、各駆動トルクの合成値及びモータの回転によって発生するトルクリプルの関係を示す波形図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。

図１は、本発明の実施形態に係る電動ポンプ１を示す。該電動ポンプ１は、車両のヒータコアに水を補助的に供給すると同時にオートマティックトランスミッションにオイルを補助的に供給するものであり、図示しない車両の固定側に取り付けられている。

上記電動ポンプ１は、略円筒形状の鉄製ハウジング２と、該ハウジング２内部に回転自在に支持されたシャフト３とを備え、該シャフト３は、上記ハウジング２の中心軸方向に延びている。

上記ハウジング２内部には、ウォーターポンプ室２ａ、モータ室２ｂ及びオイルポンプ室２ｃが上記ハウジング２の中心軸方向一端側（図１左端側）から他端側（図１右端側）に直列に並んで形成され、上記シャフト３は、上記ウォーターポンプ室２ａ、モータ室２ｂ及びオイルポンプ室２ｃを嵌挿している。

上記モータ室２ｂは、上記ウォーターポンプ室２ａ側に開放する凹状の第１空間２０ａと、該第１空間２０ａ周りに形成された環状の第２空間２０ｂとで構成されている。

上記シャフト３の長手方向中程には、当該シャフト３を挟んで一対の磁極５１ａ、５１ｂを有する略円筒状の磁石（回転子）５１が回転一体に固定され、該磁石５１は、上記第１空間２０ａに収容されている。

該第１空間２０ａの内周壁と上記磁石５１との間に形成される隙間Ｓには、上記ウォーターポンプ室２ａの水が満たされるようになっていて、上記磁石５１は、上記隙間Ｓの水によって冷却されるようになっている。

上記第２空間２０ｂには、図２乃至図５に示すように、固定子５０としての３つのコイル５２が上記シャフト３周りに等間隔となるように配置されている。

そして、上記磁石５１と３つのコイル５２とでモータ５が構成され、上記磁石５１及び各コイル５２の磁気作用により上記シャフト３を回転させるようになっている。

上記ハウジング２のウォーターポンプ室２ａに対応する部分には、径方向外側に膨出する環状膨出部２２が形成されている。

また、上記ハウジング２の中心軸方向一端中央には、上記ウォーターポンプ室２ａに連通する連通孔２１ａを内部に有する小径の筒状部２１が一体に突設され、該筒状部２１の先端は開口して図示しない水供給タンクに接続されている。

上記環状膨出部２２の周壁は、図２乃至図５に示すように、上記シャフト３の中心軸周りの一方側に進むにつれて当該シャフト３の中心軸から次第に離間する形状をなし、その上端部分には、上記シャフト３の中心軸周りの一方側に開口する水吐出口２２ａが形成されている。

上記シャフト３の長手方向一端側（図１左端側）には、ウォーターポンプとして機能するインペラ４が回転一体に固定されて上記ウォーターポンプ室２ａに収容され、上記インペラ４には、６数の羽根４ａが上記シャフト３周りに等間隔に設けられている。

そして、上記シャフト３の回転に伴う上記インペラ４の回転動作により、水が上記筒状部２１の開口から上記連通孔２１ａを通ってウォーターポンプ室２ａに吸引されるとともに、図３（ａ）の矢印Ｘ１のように回転移動しながら当該ウォーターポンプ室２ａで加圧されて水吐出口２２ａから吐出されるようになっている。

すなわち、上記インペラ４は、回転動作により上記ウォーターポンプ室２ａの水の吸引・吐出を周期的に行うようになっていて、上記羽根４ａの数だけ上記インペラ４の１回転当たりに上記ウォーターポンプ室２ａに圧力変動が生じている。

上記オイルポンプ室２ｃには、オイルポンプとして機能するインナーロータ６及びアウターロータ７が収容されている。

上記インナーロータ６は、図２乃至図５に示すように、上記シャフト３の長手方向他端寄り（図１右端寄り）に回転一体に固定された平歯車状をなし、その外周には、上記インペラ４の羽根４ａの数と同数である６つの外歯６ａが等間隔に形成されている。

上記アウターロータ７は、内歯７ａが内周面に７つ形成された環状をなし、該各内歯７ａと上記インナーロータ６の各外歯６ａとの間にオイルの圧縮室Ｐｒが形成されるように、上記インナーロータ６と回転軸心がずれた状態で噛み合っている。

また、上記ハウジング２の中心軸方向他端側（図１右端側）には、上記オイルポンプ室２ｃに上記シャフト３の中心軸方向から見て略半円状に開口するオイル吐出部８ａ及びオイル吸入部８ｂが上下に対称に形成されている。

そして、上記シャフト３の回転に伴う上記インナーロータ６の回転動作により、オイルが上記オイル吸入部８ｂから上記圧縮室Ｐｒに吸引されるとともに、図３（ｃ）の矢印Ｘ２のように移動しながら当該圧縮室Ｐｒで加圧されて上記オイル吐出部８ａから吐出されるようになっている。

すなわち、上記インナーロータ６及びアウターロータ７は、回転動作により上記圧縮室Ｐｒのオイルの吸引・吐出を周期的に行うようになっていて、上記インナーロータ６の外歯６ａの数だけ上記インナーロータ６の１回転当たりに上記オイルポンプ室２ｃに圧力変動が生じている。

そして、上記インペラ４の各羽根４ａ及び上記インナーロータ６の各外歯６ａのシャフト３周りの位置は、上記各羽根４ａ先端が上記ウォーターポンプ室２ａにおける水吐出口２２ａを通過した直後（図３（ａ）参照）の上記ウォーターポンプ室２ａの圧力変動の最大値となるタイミングと、上記オイルポンプ室２ｃにおけるオイル吐出部８ａ及びオイル吸入部８ｂの開口面積が最小となって（図６（ｃ）参照）上記オイルポンプ室２ｃの圧力変動の最大値となるタイミングとが互いに半周期分ずれるように設定されている。

すなわち、上記ウォーターポンプ室２ａ及びオイルポンプ室２ｃでは、上記インペラ４及びインナーロータ６の回転動作による水及びオイルの吸引・吐出でそれぞれ発生する周期的な圧力変動の最大値が互いにずれるように設定されている。

また、上記モータ５のトルクリプルは、上記磁石５１及び各コイル５２の磁気作用により、上記シャフト３の１回転当たりに上記磁石５１の磁極の数と上記コイル５２の数との最小公倍数である６回発生し、上記磁石５１及び各コイル５２のシャフト３周りの位置は、上記トルクリプルの最大値となるタイミングが、上記ウォーターポンプ室２ａの圧力変動及び上記オイルポンプ室２ｃの圧力変動の合成値において周期的に発生する最大値のタイミングと一致するように設定されている。

次に、上記モータ５の１回転当たりにシャフト３に加わる各トルクと上記モータ５の所要トルクとの関係について説明する。

図６は、横軸をモータ５の回転角度、縦軸をトルク値としたグラフであり、Ｄ１は、ウォーターポンプ室２ａの圧力変動によりシャフト３に加わる駆動トルクのデータを示し、Ｄ２は、オイルポンプ室２ｃの圧力変動によりシャフト３に加わる駆動トルクのデータを示し、Ｄ３は、上記２つの駆動トルクを合成した合成トルクのデータを示し、Ｄ４は、モータ５の回転により発生するトルクリプルのデータを示す。

図６に示すように、周期的に発生する各駆動トルクの合成トルクの最大となるタイミングと、トルクリプルの最大値となるタイミングとが一致しているので、必要最小限の所要トルクで上記シャフト３を回転させることができる。

次に、上記電動ポンプ１の作動状態を時系列に説明する。

図２は、上記電動ポンプ１の作動時において上記ウォーターポンプ室２ａの圧力が増加するとともに、上記オイルポンプ室２ｃの圧力とトルクリプルが減少している状態を示す（図６の矢印Ｄの位置参照）。

この図２に示す状態から、上記シャフト３の回転に同期して上記インペラ４、磁石５１及びインナーロータ６が１５度回転すると、図３（ａ）に示すように、上記羽根４ａの１つの先端が上記ウォーターポンプ室２ａにおける水吐出口２２ａを通過した直後となって上記ウォーターポンプ室２ａの圧力変動が最大値となるとともに、図３（ｃ）に示すように、上記オイルポンプ室２ｃにおけるオイル吐出部８ａ及びオイル吸入部８ｂの開口面積が最大となって上記オイルポンプ室２ｃの圧力変動が最小値になり、さらに、トルクリプルの値が最小となる（図６の矢印Ｅの位置参照）。

次に、この図３に示す状態から、上記インペラ４、磁石５１及びインナーロータ６がさらに１５度回転すると、図４（ｂ）に示すように、上記ウォーターポンプ室２ａの圧力が減少するとともに、上記オイルポンプ室２ｃの圧力とトルクリプルが増加する（図６の矢印Ｆの位置参照）。

そして、図４に示す状態から、上記インペラ４、磁石５１及びインナーロータ６がさらに１５度回転すると、図５（ａ）に示すように、２つの羽根４ａの先端の間に水吐出口２２ａが位置して上記ウォーターポンプ室２ａの圧力変動が最小値となるとともに、図５（ｃ）に示すように、上記オイルポンプ室２ｃにおけるオイル吐出部８ａ及びオイル吸入部８ｂの開口面積が最小となって上記オイルポンプ室２ｃの圧力変動が最大値になり、さらに、トルクリプルの値が最大となる（図６の矢印Ｇの位置参照）。

このように、上記シャフト３の回転に同期して上記インペラ４、磁石５１及びインナーロータ６が回転することにより、ウォーターポンプ室２ａ及びオイルポンプ室２ｃの圧力変動と上記モータ５のトルクリプルの変動とが周期的に発生する。

以上より、本発明の実施形態によると、電動ポンプ１の作動時において、ウォーターポンプ室２ａの圧力が最大となる時に、オイルポンプ室２ｃの圧力が最大とならず、インペラ４の回転によってシャフト３に発生する駆動トルクの最大となるタイミングと、インナーロータ６の回転によってシャフト３に発生する駆動トルクの最大となるタイミングとがずれる。したがって、上記シャフト３を回転させるモータ５の所要トルクをインペラ４及びインナーロータ６によってシャフト３に発生する各駆動トルクが共に最大値で重なった場合に比べて小さくでき、モータ５を小型化して電動ポンプ１の軽量化及び低コスト化を実現できる。

また、水の吸入・吐出を行う部分が、インペラ４からなるウォーターポンプで構成されるとともに、オイルの吸入・吐出を行う部分が、インナーロータ６及びアウターロータ７からなる内接式歯車ポンプで構成されるので、構造が比較的簡単で故障し難く、保守が容易な電動ポンプ１を提供できる。

さらに、電動ポンプ１の作動時において、磁石５１及び各コイル５２の磁気作用により周期的に発生するトルクリプルの最大となるタイミングが、上記インペラ４及びインナーロータ６の回転動作によってシャフト３に周期的に発生する各駆動トルクの合成トルクの最大となるタイミングと一致する。したがって、必要最小限の所要トルクで上記シャフト３を回転させることができ、モータ５を小型化して電動ポンプ１の軽量化及び低コスト化を確実に達成できる。

尚、本発明の実施形態では、インペラ４の羽根４ａの数を６つとし、インナーロータ６の外歯６ａの数を６つとしているが、羽根４ａ及び外歯６ａの数が同数であるならば、他の数であってもよい。

また、本発明の実施形態では、モータ５のコイル５２の数を３つとし、磁石５１の磁極の数を２つとしているが、これに限らず、磁石５１の磁極の数とコイル５２の数との最小公倍数、すなわち、モータ５の１回転当たりのトルクリプル発生回数が、上記インペラ４及びインナーロータ６の１回転当たりのウォーターポンプ室２ａ及びオイルポンプ室２ｃの圧力変動の回数の整数倍であればよい。

また、本発明の実施形態では、上記ウォーターポンプ室２ａの圧力変動の最大値となるタイミングと上記オイルポンプ室２ｃの圧力変動の最大値となるタイミングとが互いに半周期分ずれるように設定されているが、これに限らず、上記ウォーターポンプ室２ａ及びオイルポンプ室２ｃでそれぞれ発生する周期的な圧力変動の最大値が互いにずれるように設定されていればよい。

また、本発明の実施形態では、磁石５１を回転子とし、３つのコイル５２を固定子としているが、３つのコイル５２をシャフト３周りに固定して回転子とし、磁石５１を３つのコイル５２周りに固定して固定子としてもよい。

本発明は、水を供給するウォーターポンプ及びオイルを供給するオイルポンプの両方の構造を備えた車両用電動ポンプに適している。

１電動ポンプ
２ハウジング
２ａウォーターポンプ室
２ｂモータ室
２ｃオイルポンプ室
３シャフト
４インペラ
４ａ羽根
５モータ
６インナーロータ
６ａ外歯
７アウターロータ
５０固定子
５１磁石（回転子）
５２コイル

Claims

ウォーターポンプ室、オイルポンプ室及びモータ室が直列に形成されたハウジングと、
該ハウジング内部に回転自在に支持され、上記ウォーターポンプ室、オイルポンプ室及びモータ室を嵌挿するシャフトと、
上記モータ室に収容され、上記シャフトを回転させるモータと、
上記シャフトに回転一体に固定されて上記ウォーターポンプ室に収容され、且つ、複数の羽根が上記シャフト周りに等間隔に設けられ、回転動作により水の吸引・吐出を周期的に行うインペラと、
上記シャフトに回転一体に固定されて上記オイルポンプ室に収容され、且つ、複数の外歯が外周に形成された平歯車状のインナーロータと、
上記オイルポンプ室に収容され、且つ、上記インナーロータと回転軸心がずれた状態で上記各外歯と噛み合う複数の内歯が内周に形成され、上記インナーロータの回転動作に伴う回転動作により上記インナーロータとの間に形成された圧縮室を介してオイルの吸引・吐出を周期的に行うアウターロータとを備え、
上記各羽根及び上記各外歯は、上記インペラ及びインナーロータの１回転当たりの圧力変動の回数が同じとなるように同数に設定され、各々のシャフト周りの位置は、上記各羽根先端が上記ウォーターポンプ室における水の吐出部分を通過した直後の上記ウォーターポンプ室の圧力変動の最大値となるタイミングと、上記オイルポンプ室におけるオイルの吸入及び吐出部分の開口面積が最小となって上記オイルポンプ室の圧力変動の最大値となるタイミングとが互いにずれるように設定されていることを特徴とする電動ポンプ。
請求項１に記載の電動ポンプにおいて、
上記モータは、複数のコイル及び複数の磁極を有する磁石の一方を回転子として上記シャフト周りに固定するとともに、他方を固定子として上記回転子周りに配置して、当該各コイル及び磁石の磁気作用により上記シャフトを回転させるように構成され、
上記コイルの数と上記磁石の磁極の数との最小公倍数が、上記インペラ及びインナーロータの１回転当たりの圧力変動の回数の整数倍であり、
上記各コイル及び各磁極のシャフト周りの位置は、当該各コイル及び上記磁石の磁気作用により上記最小公倍数分だけ周期的に発生するトルクリプルの最大値となるタイミングが、上記ウォーターポンプ室の圧力変動及び上記オイルポンプ室の圧力変動の合成値において周期的に発生する最大値のタイミングと一致するように設定されていることを特徴とする電動ポンプ。