JP4483919B2 - クローポール型モータおよびポンプ - Google Patents

Description

本発明は、クローポール型モータ、および、当該モータを駆動源とするポンプに関する。

例えば、液体を吸排するポンプには、羽根車を回転駆動させるモータとして爪磁極を有したクローポール型モータを使用したものが知られている（例えば特許文献１など参照）。クローポール型モータは、構造が単純であることから生産性が良く、しかも製造コストも低く抑えることができるという利点を有している。
特表２００３−５０５６４８号公報

モータにおいて固定子として機能するステータは、周方向に沿って爪磁極を複数備える鉄心の内部に環状コイルを収容して構成されており、鉄心が磁気回路として機能する。鉄心は、成型品などを用いて構成されており、不要部分を排除することにより、材料コストの低減を図ることができるが、これによって磁気回路としての機能低下を招くことは好ましくない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、機能の低下を招くことなく、材料コストの低減を図ることである。

かかる課題を解決するために、第１の発明は、外周側にマグネットが配設されるとともに、回転可能に支持されるロータと、ロータの外周側に対向して配置された環状の鉄心の内部に環状コイルを収容するステータとを有するクローポール型モータを提供する。ここで、鉄心は、ロータと対向する内周側が開口した断面略コ字形状の継鉄部と、環状コイルの内周側に沿って複数配置されるとともに、継鉄部の上側内縁部より屈曲して軸方向下方に延在する上側の爪磁極と、環状コイルの内周側に沿って複数配置されるとともに、継鉄部の下側内縁部より屈曲して軸方向上方に延在する下側の爪磁極とで構成されるとともに、上側の爪磁極と下側の爪磁極とが周方向にかけて交互に配置されている。また、継鉄部は、環状コイルを鎖交して隣り合う爪磁極間を流れる磁束によって形成される磁路を基準として、この磁路を除いた非磁路領域に、部材を切り欠いて形成される切欠部を有している。そして、この継鉄部は、環状コイルの外周側を覆う筒状の側壁部と、環状コイルを上下方向からそれぞれ挟み込む一対の底面部とを有し、切欠部は、底面部から側壁部までを含む範囲に形成されている。

ここで、第１の発明において、磁路は、隣り合う爪磁極間において位置的に対応する境界点同士を、継鉄部の外周面に沿って直線的に結ぶことによって画定される。

さらに、第１の発明において、鉄心は、絶縁皮膜された鉄粉をバインダとともに圧縮成形した圧粉鉄心で構成されることが好ましい。あるいは、鉄心は、絶縁皮膜された鉄粉とバインダとを混ぜ合わせた磁性材料をインジェクション成型にて作成されることが望ましい。

また、第２の発明は、上記の第１の発明に記載されたクローポール型モータを駆動源とするポンプを提供する。

第１の発明によれば、鉄心に切欠部を設けることにより、鉄心を形成する材料を減らすことができるので、材料コスト低減などの効果を得ることができる。また、鉄心において切欠部が形成されるのは、非磁路領域であるため、切欠部によって磁路を妨げるといった事態がないので、磁気回路としての機能が低下することを抑制することができる。

また、第２の発明によれば、切欠部によって鉄心の空隙部分が広がるため、ポンプとしてステータのモールドを行う場合、鉄心においてモールド材の流路が広がる。これにより、成形性が向上するため、歩留まりの向上、製造コストの低減を図ることができる。

（参考例）
図１は、本発明の参考例にかかるポンプを示す断面図である。このポンプは、クローポール型モータを駆動源とするポンプであり、ポンプケース１と、分離板２と、羽根車３と、ロータ４と、ステータ５と、制御基板６とを主体に構成されている。

ポンプケース１と分離板２とは互いに結合されており、これらが対をなしてポンプ室７を形成している。ポンプケース１と分離板２との結合部分には、ポンプ室７の水密性を確保する観点から、シール部材８を介在させている。ポンプ室７には、羽根車３とロータ４とが一体化された状態で回転自在に収容されている。ロータ４の周囲には、分離板２を挟んで外側にステータ５が対向して配置されており、いわゆるインナー型ロータ構造のモータ構成となっている。また、このポンプは、ポンプケース１を除いた部位全体がモールド樹脂９で覆われている。つまり、分離板２、ステータ５および制御基板６がモールド樹脂９で被覆されている。

ポンプケース１は、分離板２とともにポンプ室７を形成しており、ポンプ室７を画定するケース本体１１と、吸入口１２と、吐出口１３とで構成されている。吸入口１２は、ケース本体１１の天面中央に開口されており、ポンプ室７内に液体を吸入するための開口として機能する。吐出口１３は、ケース本体１１の側壁に設けられており、ポンプ室７内の液体を吐出するための開口として機能する。

分離板２は、ポンプケース１とともにポンプ室７を形成している。また、この分離板２は、ロータ４とステータ５とを水密状態に分離（ポンプ部とモータ部を分離）する機能を担っている。

羽根車３は、ロータ４に対して一体的に取り付けられており、ロータ４とともに回転する。この羽根車３は、自己が回転することにより、吸入口１２からポンプ室７内へと液体を吸い込むとともに、吸い込んだ液体に遠心力を与えて吐出口１３からポンプ外へと排出する。

ロータ４は、円筒体として形成され、羽根車３を回転駆動させる。このロータ４は、円筒形状のロータ本体４１と、ロータ本体４１の外壁（外周側）に設けられて磁気回路（磁束）を構成するマグネット４２とで構成されている。ロータ本体４１は、ポンプケース１に設けられた軸支え部４３と、分離板２に設けられた軸支え部４４とに挿入嵌合させた固定軸４５に対して、軸受け部４６を介して回転自在に支持されている。固定軸４５は、その両端側に取り付けられた一対の回り止め板４７により回転不可能とされている。なお、マグネット４２と分離板２との間には、ロータ４の回転時に接触しない程度の隙間（クリアランス）が確保されている。

ステータ５は、ロータ４の外周側に対向して配置された環状の鉄心５１の内部に環状コイル５２を収容して構成されている。ステータ５は、電流を流すことにより環状コイル５２で発生した磁界を、鉄心５１が備える複数の爪磁極（クローポール）５３からロータ４へと伝達する。なお、本参考例の特徴の一つは、ステータ５の構造にあり、その詳細については後述する。

制御基板６は、分離板２の背面に設けられており、ロータ４の回転位置を検出する位置検出センサ（図示せず）からの信号を受けて、環状コイル５２に流す電流を制御する。これより、制御基板６は、ロータ４の回転位置に応じて、環状コイル５２で発生した磁界を制御する。

このように構成されたポンプにおいては、環状コイル５２において発生する磁界が爪磁極５３からマグネット４２へと伝達されることにより、このマグネット４２が吸引反発することで、ロータ４と一体的に設けられた羽根車３が、固定軸４５を中心として回転する。そして、この羽根車３の回転にともないポンプ作用が発生し、液体が吸入口１２よりポンプ室７内へと吸い込まれるとともにポンプ室７内で加圧される。加圧された液体は、周囲方向へ圧送され、吐出口１３からポンプ外へと吐出される。

図２は、参考例にかかるステータ５を模式的に示す上面図である。図３は、図２に示すステータ５の一部を切り出した状態を模式的に示す斜視図であり、（ａ）は、内周側からの状態を示し、（ｂ）は、外周側からの状態を示す。ステータ５は、上述したように、環状の鉄心５１と、この鉄心５１の内部に収容される環状コイル５２とで構成されている。

鉄心５１は、継鉄部と、爪磁極５３とで構成されている。継鉄部は、ロータ４と対向する内周側が開口した断面略コ字形状を有しており、環状コイル５２の外周側を覆う筒状の側壁部５６と、環状コイル５２を上下方向からそれぞれ挟み込む一対の底面部５４とを有している。爪磁極５３は、環状コイル５２の内周側に沿って等間隔で複数（本参考例では、８つ）配置されている。この爪磁極５３は、継鉄部の上側内縁部、具体的には、上側の底面部５４の内縁部より屈曲して軸方向下方に延在する上側の爪磁極５３と、継鉄部の下側内縁部、具体的には、下側の底面部５４の内縁部より屈曲して軸方向上方に延在する下側の爪磁極５３とで構成されている。ここで、上側の爪磁極５３と下側の爪磁極５３とは、周方向にかけて交互に配置されている。

鉄心５１は、例えば、絶縁皮膜された鉄粉をバインダとともに圧縮成形した圧粉鉄心で構成される。具体的には、鉄粉にリン酸皮膜処理などの絶縁処理を施すとともに、金型にエポキシなど熱硬化性樹脂を塗布する。そして、金型に粉体を充填して、圧縮した後に、取り出すことにより成形される。ここで、鉄心５１は、内部に収容する環状コイル５２の組み付けを考慮して、本参考例では、互いに分離可能な上部鉄心５１ａと下部鉄心５１ｂとで構成されている。上部鉄心５１ａは、上側の底面部５４と、この底面部５４から延在する上側の爪磁極５３と、側壁部５６の上側円筒領域とが一体化されて構成されており、また、下部鉄心５１ｂは、下側の底面部５４と、この底面部５４から延在する下側の爪磁極５３と、側壁部５６の下側円筒領域とが一体化されて構成されている。

環状コイル５２は、図示しないコイルボビン（絶縁体）に電線を巻回することにより構成されている。

本参考例の特徴の一つとして、上下一対の底面部５４および側壁部５６で構成される継鉄部には、切欠部５５が形成されている。この切欠部５５は、隣り合う爪磁極５３間を流れる磁束によって形成される磁路を基準として、磁路を除いた非磁路領域に部材を切り欠いて形成されている。

図４および図５は、参考例にかかる鉄心５１を流れる磁束の状態を模式的に示す斜視図である。クローポール型モータにおいて、ロータ４のマグネット（Ｎ極）４２から出た磁束は、それと位置的に対向する爪磁極（例えば、上側の爪磁極）５３に入り、この爪磁極５３から環状コイル５２を鎖交して隣接する爪磁極（例えば、下側の爪磁極）５３に入り、この爪磁極５３からそれに対向するロータ４のマグネット（Ｓ極）４２へと入り、当初のマグネット（Ｎ極）４２へと戻る磁路を形成する。

この磁路は、磁気回路の形状や動作状態によって変化し、次に示すような２パターンを取り得る。第１のパターンは、図４に示すように、ある爪磁極（例えば、上側の爪磁極）５３に入った磁束が、二手に別れ、隣り合う爪磁極（例えば、下側の爪磁極５３）の双方に流れるケースである。また、第２のパターンは、図５に示すように、ある爪磁極（例えば、上側の爪磁極）５３に入った磁束が、二手に分かれることなく、一定方向に隣り合う爪磁極（例えば、下側の爪磁極）５３に流れるケースである。

２つのパターンから分かるように、鉄心５１の継鉄部には、磁束がほとんど流れない領域、すなわち、磁路を除いた非磁路領域が存在し、この領域は、磁気回路としてほとんど使用されないこととなる。

本参考例では、この非磁路領域のうち、底面部５４の範囲のみで切欠部５５が形成されている。なお、底面部５４のそれぞれには、他方の底面部５４から延在する爪磁極５３に対してギャップを確保するために形成される切り欠きが施されているケースがあるが、本参考例の切欠部５５は、ギャップ確保の観点よりも、非磁路領域の範囲内で、側壁部５６側へと拡張されている。

このように本参考例によれば、鉄心５１に切欠部５５を設けることにより、鉄心５１を形成する材料を減らすことができるので、材料コスト低減などの効果を得ることができる。また、鉄心５１において切欠部５５が形成されるのは、非磁路領域であるため、切欠部５５によって磁路を妨げるといった事態がないので、磁気回路としての機能が低下することを抑制することができる。さらに、切欠部５５によって鉄心５１の空隙部分が広がるため、ポンプとしてステータ５などのモールドを行う場合、鉄心５１においてモールド材の流路が広がる。これにより、成形性が向上するため、歩留まりの向上、製造コストの低減を図ることができる。

（実施形態）
図６は、本発明の一実施形態にかかるステータ５を模式的に示す斜視図であり、参考例における図３と対応している。本実施形態にかかるポンプが、参考例のそれと相違する点は、ステータ５の構造である。なお、参考例と共通する構成については符号を引用するとともに重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明を行う。

ステータ５は、参考例と同様に、環状の鉄心５１と、この鉄心５１の内部に収容される環状コイル５２とで構成されている。鉄心５１は、継鉄部と、爪磁極５３とで構成されている。継鉄部は、ロータ４と対向する内周側が開口した断面略コ字形状を有しており、環状コイル５２の外周側を覆う筒状の側壁部５６と、環状コイル５２を上下方向からそれぞれ挟み込む一対の底面部５４とを有している。

本実施形態の特徴の一つとして、上下一対の底面部５４および側壁部５６で構成される継鉄部には、切欠部５７が形成されている。この切欠部５７は、隣り合う爪磁極５３間を流れる磁束によって形成される磁路を基準として、磁路を除いた非磁路領域に部材を切り欠いて形成されている。

図７および図８は、本実施形態にかかる鉄心５１を流れる磁束の状態を模式的に示す斜視図である。図７に示すように、ある爪磁極（例えば、上側の爪磁極）５３に入った磁束は、二手に別れ、隣り合う爪磁極（例えば、下側の爪磁極５３）の双方に流れるパターン、または、二手に分かれることなく、一定方向に隣り合う爪磁極（例えば、下側の爪磁極）５３に流れるパターンのいずれかとなる。よって、鉄心５１の継鉄部には、磁束がほとんど流れない領域、すなわち、磁路を除いた非磁路領域が存在し、この領域は、磁気回路としてほとんど使用されないこととなる。

そこで、本実施形態では、非磁路領域のうち、底面部５４から側壁部５６までを含む範囲に切欠部５７が形成されている。

このように本実施形態よれば、参考例と同様の効果を奏するとともに、切欠部５７が底面部５４のみならず側壁部５６を含む範囲に形成されている。そのため、鉄心５１を形成する材料をより減らすことができるので、材料コスト低減などの効果を得ることができる。また、切欠部５７を側壁部５６まで形成することにより、これを環状コイル５２からのリード線の取り出し口として共用することができる。

なお、側壁部５６まで形成する切欠部５７の場合、鉄心５１の形状が複雑となり、成形時の金型数増加による製造コストの増大に繋がる虞があり、この観点では、底面部のみに形成した切欠部５５の方が、製造コストを抑制することができる。ただし、側壁部５６まで形成する切欠部５７の場合は、底面部のみに形成した切欠部５５の方が、鉄心５１を形成する材料をより減らすことができるので、材料コスト低減の効果を得ることができる。

図９は、鉄心５１を平面的に示す展開図であり、図中の矢印により磁束の流れが示されている。上述した参考例や本実施形態で示すように、ある爪磁極５３に入った磁束は、一定方向に隣り合う爪磁極５３に流れるパターン（同図（ａ））、または、二手に別れ、隣り合う爪磁極の双方に流れるパターン（同図（ｂ））のいずれかとなる。ここで、隣接する爪磁極５３間を流れる磁束は、互いに対応する位置へと直線的に流れる傾向がある。そのため、隣り合う爪磁極５３において位置的に対応する境界点（具体的には、爪磁極５３と底面部５４との付け根部位）同士を、継鉄部の外周面に沿って直線的に結ぶことによって、磁路を画定することができる（同図（ｃ））。この磁路を画定する直線は、非磁路領域（ハッチングが施された領域）を規定するものであり、切欠部５５，５７として部材を切り欠くことができる境界条件を示すものであり、本発明では、この非磁路領域の範囲内で切り欠きを任意に設定することができる。

なお、上述した参考例や本実施形態では、鉄心５１を圧粉鉄心で構成する形態を例示したが本発明はこれに限定されない。鉄心５１は、絶縁皮膜された鉄粉とバインダとを混ぜ合わせた磁性材料をインジェクション成型にて作成してもよい。このケースでは、表面にリン酸皮膜処理などの絶縁処理を行った鉄粉とナイロンなどの熱可塑性樹脂を混ぜ合わせた磁性材料を用いることができる。なお、鉄心５１を圧粉鉄心で構成した場合には、電磁軟鉄材を用いる場合と比較して損失を小さくすることができ、同体積でより高出力のモータを構成することができるという点で有利である。一方で、インジェクション成形の場合には、他の材料（例えば、圧粉鉄心）を用いた場合と比較して製造コストを低減することができるという点で有利である。

また、本実施形態は、クローポール型モータを駆動源とするポンプについて例示したが、このポンプのみならず、クローポール型モータそれ自体も本発明の一部として機能する。

参考例にかかるポンプを示す断面図 参考例にかかるステータ５を模式的に示す上面図 ステータ５の一部を切り出した状態を模式的に示す斜視図 参考例にかかる鉄心５１を流れる磁束の状態を模式的に示す斜視図 参考例にかかる鉄心５１を流れる磁束の状態を模式的に示す斜視図 一実施形態にかかるステータ５を模式的に示す斜視図 一実施形態にかかる鉄心５１を流れる磁束の状態を模式的に示す斜視図 一実施形態にかかる鉄心５１を流れる磁束の状態を模式的に示す斜視図 鉄心５１を平面的に示す展開図

符号の説明

１ ポンプケース
２ 分離板
３ 羽根車
４ ロータ
５ ステータ
６ 制御基板
７ ポンプ室
８ シール部材
９ モールド樹脂
１１ ケース本体
１２ 吸入口
１３ 吐出口
４１ ロータ本体
４２ マグネット
４３ 軸支え部
４４ 軸支え部
４５ 固定軸
４６ 軸受け部
４７ 回り止め板
５１ 鉄心
５１ａ 上部鉄心
５１ｂ 下部鉄心
５２ 環状コイル
５３ 爪磁極
５４ 底面部
５５ 切欠部
５６ 側壁部
５７ 切欠部

Claims (5)

1. クローポール型モータにおいて、
   外周側にマグネットが配設されるとともに、回転可能に支持されるロータと、
   前記ロータの外周側に対向して配置された環状の鉄心の内部に環状コイルを収容するステータとを有し、
   前記鉄心は、
   前記ロータと対向する内周側が開口した断面略コ字形状の継鉄部と、
   前記環状コイルの内周側に沿って複数配置されるとともに、前記継鉄部の上側内縁部より屈曲して軸方向下方に延在する上側の爪磁極と、
   前記環状コイルの内周側に沿って複数配置されるとともに、前記継鉄部の下側内縁部より屈曲して軸方向上方に延在する下側の爪磁極とで構成されるとともに、
   前記上側の爪磁極と前記下側の爪磁極とが周方向にかけて交互に配置されており、
   前記継鉄部は、前記環状コイルを鎖交して隣り合う爪磁極間を流れる磁束によって形成される磁路を基準として、当該磁路を除いた非磁路領域に、部材を切り欠いて形成される切欠部を有するとともに、
   前記継鉄部は、
   前記環状コイルの外周側を覆う筒状の側壁部と、
   前記環状コイルを上下方向からそれぞれ挟み込む一対の底面部とを有し、
   前記切欠部は、前記底面部から前記側壁部までを含む範囲に形成されていることを特徴とするクローポール型モータ。
2. 前記磁路は、隣り合う爪磁極間において位置的に対応する境界点同士を、前記継鉄部の外周面に沿って直線的に結ぶことによって画定されることを特徴とする請求項１に記載されたクローポール型モータ。
3. 前記鉄心は、絶縁皮膜された鉄粉をバインダとともに圧縮成形した圧粉鉄心で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載されたクローポール型モータ。
4. 前記鉄心は、絶縁皮膜された鉄粉とバインダとを混ぜ合わせた磁性材料をインジェクション成型にて作成されることを特徴とする請求項１または２に記載されたクローポール型モータ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載された前記クローポール型モータを駆動源とするポンプ。

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