(57)【要約】【課題】不均衡な半径方向力を排除又は低減できるモータ構造を提供する。【解決手段】電気ポンプが、ポンプハウジング、モータ及びインペラを含む。インペラは、モータによって駆動される。ポンプハウジングは、入口及び出口を有する。モータは、ステータ及びロータを含み、これらの間に空隙が形成される。ステータは、ヨークと、このヨークから半径方向内向きに延びる歯とを有するステータコアを含む。各歯の周囲には、ステータ巻線が巻かれる。歯は、交互に配置された複数の第１の歯及び複数の第２の歯を含む。第１の歯の各々に対応するヨークの外面に溝が形成され、第１の歯と第２の歯が異なる形状を有することにより、ステータコアが、対称的に分布した磁気回路を有するようになる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気ポンプであって、
渦巻構造を含むポンプハウジングと、
前記ポンプハウジングに収容されたモータと、
前記渦巻構造内に配置され前記モータによって駆動されるインペラと、
を備え、前記ポンプハウジングは、入口及び出口を有し、
前記モータは、ステータと、前記ステータ内に配置されたロータとを備え、前記ステータと前記ロータの間に空隙が形成され、前記ステータは、ステータコア及びステータ巻線を有し、前記ステータコアは、ヨークと、前記ヨークから半径方向内向きに延びる複数の歯とを有し、
前記ステータ巻線は、前記歯の各々の周囲に巻かれ、前記歯は、円周方向に交互に配置された複数の第１の歯及び複数の第２の歯を含み、前記第１の歯の各々に対応する前記ヨークの外面に案内溝が形成され、前記第１の歯と前記第２の歯は異なる形状を有し、これによって前記ステータコアは、対称的に分布した磁気回路を有するようになる、
ことを特徴とする電気ポンプ。
【請求項２】
前記溝に隣接する前記ヨークの部分の厚みは、前記溝から離れた前記ヨークの部分の厚みよりも小さく、前記第１の歯の円周方向の幅は、前記第２の歯の円周方向の幅よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
隣接する歯の間に巻線スロットが形成され、前記巻線スロットは、スロット中心線に関して非対称的な形状であり、前記スロット中心線の両側における前記巻線スロットの部分は実質的に同じ面積を有する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記歯の各々は先端部を有し、前記歯の全ての先端部は、同じ形状及びサイズを有して円周方向に均等に分布する、
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のポンプ。
【請求項５】
前記入口、前記溝及び前記出口は、互いに順に連通して流路を形成することにより、前記入口を介して前記電気ポンプに流入する液体の少なくとも一部が、前記流路内を流れた後に前記出口から流出するようになる、
ことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載のポンプ。
【請求項６】
制御アセンブリをさらに備え、前記制御アセンブリ及び前記モータは、これらの間にチャンバを形成し、前記チャンバは、前記流路と流体連通して前記制御アセンブリと熱交換関係にあり、これによって前記チャンバに流入する液体が前記制御アセンブリを冷却する、
ことを特徴とする請求項５に記載のポンプ。
【請求項７】
ステータコア及びステータ巻線を有するモータステータであって、前記ステータコアは、ヨークと、前記ヨークから半径方向内向きに延びる複数の歯とを有し、
前記ステータ巻線は、前記歯の各々の周囲に巻かれ、前記歯は、円周方向に交互に配置された複数の第１の歯及び複数の第２の歯を含み、前記第１の歯の各々に対応する前記ヨークの外面に案内溝が形成され、前記第１の歯と前記第２の歯は異なる形状を有し、これによって前記ステータコアは、対称的に分布した磁気回路を有するようになる、
ことを特徴とするモータステータ。
【請求項８】
前記溝に隣接する前記ヨークの部分の厚みは、前記溝から離れた前記ヨークの部分の厚みよりも小さく、前記第１の歯の円周方向の幅は、前記第２の歯の円周方向の幅よりも大きい、
ことを特徴とする請求項７に記載のモータステータ。
【請求項９】
隣接する歯の間に巻線スロットが形成され、前記巻線スロットは、スロット中心線に関して非対称的な形状であり、前記スロット中心線の両側における前記巻線スロットの部分の面積の差分は１０％未満である、
ことを特徴とする請求項７又は８に記載のモータステータ。
【請求項１０】
前記歯の各々は先端部を有し、前記歯の全ての先端部は、同じ形状及びサイズを有して円周方向に均等に分布する、
ことを特徴とする請求項７、８又は９に記載のモータステータ。
【請求項１１】
前記ステータコアの端部における巻線ブラケットをさらに含み、前記巻線ブラケットは、前記溝に隣接して配置されて前記ステータ巻線が前記対応する溝に入り込むのを抑制するように構成された突出部を有する、
ことを特徴とする請求項７、８、９又は１０に記載のモータステータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気ポンプに関し、特に寿命の長い液体ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車業界では、電気液体ポンプが広く使用されている。例えば、エンジンに冷却液を供給するために冷却液ポンプが使用されており、エンジンに燃料を供給するために燃料ポンプが使用されている。この種の電気ポンプは、ポンプハウジングと、このポンプハウジングに組み込まれた又は接続されたモータと、このモータによって駆動されるインペラとを含む。冷却液又は燃料などの液体は、この回転するインペラによって駆動される。
【０００３】
この種の電気ポンプでは、モータが重要な要素である。モータは、車両が動作している間中ずっと作動している。従って、モータは、安定して動作し、信頼性が高く、長寿命であることが必要とされる。モータでは、ロータを支持するための軸受が最も故障しやすい。軸受が摩耗すると、モータはもはや正常に動作しなくなる。軸受が故障する主な理由の１つは、半径方向力が大幅に不均衡になって、ロータと軸受の間の摩擦が高まることである。
【０００４】
燃料ポンプ又は冷却液ポンプで使用するための、本出願人による従来の設計のモータでは、ステータコアの外面に燃料チャネル又は冷却液チャネルとして機能する案内溝が形成されている。この従来の設計では、案内溝に対応するステータの歯の周囲には巻線が巻かれずに、案内溝と交互になったステータの歯の周囲のみに巻かれる。この手法では、半径方向力が大幅に不均衡になり、軸受を摩耗させて製品の寿命に影響を及ぼすことが判明した。
【０００５】
また、半径方向力が大幅に不均衡になることによって大きなノイズも生じるようになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、不均衡な半径方向力を排除又は低減できるモータ構造、特にモータステータに対する要望がある。また、このモータ構造を採用する電気ポンプに対する要望もある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本発明は、その１つの態様において、電気ポンプであって、渦巻構造を含むポンプハウジングと、ポンプハウジングに収容されたモータと、渦巻構造内に配置されモータによって駆動されるインペラとを備え、ポンプハウジングは、入口及び出口を有し、モータは、ステータと、ステータ内に配置されたロータとを備え、ステータとロータの間に空隙が形成され、ステータは、ステータコア及びステータ巻線を有し、ステータコアは、ヨークと、ヨークから半径方向内向きに延びる複数の歯とを有し、ステータ巻線は、各歯の周囲に巻かれ、歯は、円周方向に交互に配置された複数の第１の歯及び複数の第２の歯を含み、第１の歯の各々に対応するヨークの外面に案内溝が形成され、第１の歯と第２の歯は異なる形状を有し、これによってステータコアは、対称的に分布した磁気回路を有するようになる電気ポンプを提供する。
【０００８】
溝に隣接するヨークの部分の厚みは、溝から離れたヨークの部分の厚みよりも小さく、第１の歯の円周方向の幅は、第２の歯の円周方向の幅よりも大きいことが好ましい。
【０００９】
隣接する歯の間に巻線スロットが形成され、この巻線スロットは、スロット中心線に関して非対称的な形状であり、スロット中心線の両側における巻線スロットの部分は実質的に同じ面積を有することが好ましい。
【００１０】
歯の各々は先端部を有し、歯の全ての先端部は、同じ形状及びサイズを有して円周方向に均等に分布することが好ましい。
【００１１】
入口、溝及び出口は、互いに順に連通して流路を形成することにより、入口を介して電気ポンプに流入する液体の少なくとも一部が、流路内を流れた後に出口から流出するようになることが好ましい。
【００１２】
このポンプは、制御アセンブリを備え、制御アセンブリ及びモータは、これらの間にチャンバを形成し、このチャンバは、流路と流体連通して制御アセンブリと熱交換関係にあり、これによってチャンバに流入する液体が制御アセンブリを冷却することが好ましい。
【００１３】
第２の態様によれば、本発明は、ステータコア及びステータ巻線を有するモータステータであって、ステータコアは、ヨークと、ヨークから半径方向内向きに延びる複数の歯とを有し、ステータ巻線は、各歯の周囲に巻かれ、これらの歯は、円周方向に交互に配置された複数の第１の歯及び複数の第２の歯を含み、第１の歯の各々に対応するヨークの外面に案内溝が形成され、第１の歯と第２の歯は異なる形状を有し、これによってステータコアは、対称的に分布した磁気回路を有するようになるモータステータを提供する。
【００１４】
溝に隣接するヨークの部分の厚みは、溝から離れたヨークの部分の厚みよりも小さく、第１の歯の円周方向の幅は、第２の歯の円周方向の幅よりも大きいことが好ましい。
【００１５】
隣接する歯の間に巻線スロットが形成され、この巻線スロットは、スロット中心線に関して非対称的な形状であり、スロット中心線の両側における巻線スロットの部分の面積の差分は１０％未満であることが好ましい。
【００１６】
各歯は先端部を有し、歯の全ての先端部は、同じ形状及びサイズを有して円周方向に均等に分布することが好ましい。
【００１７】
ステータコアの端部における巻線ブラケットをさらに含み、この巻線ブラケットは、溝に隣接して配置されてステータ巻線が対応する溝に入り込むのを抑制するように構成された突出部を有することが好ましい。
【００１８】
上記に照らして、このポンプは、モータ部品を冷却してモータの信頼性を高めるための流路を含む。また、ステータの全ての歯に巻線が巻かれ、溝と位置合わせされたステータ歯と、溝と位置合わせされていないステータ歯が異なる厚みを有し、溝に隣接するヨークの部分と、溝から離れたヨークの部分が異なる幅を有し、歯が円周方向に対称的に分布し、全ての先端部が同じ形状を有して円周方向に対称的に分布する。これらの設計特徴が、均衡の取れたステータの磁気回路、周期的かつ対称的に分布した空隙の磁界、及び対称的に分布した巻線をモータに与え、これによって不均衡な半径方向力が排除され、モータノイズ及び軸受の摩耗が減少し、従ってモータの寿命が延びるようになる。
【００１９】
以下、添付図面の図を参照しながら、本発明の好ましい実施形態をほんの一例として説明する。図では、複数の図に出現する同一の構造、要素又は部品には、一般にこれらが出現する全ての図において同じ参照番号を付している。一般に、図に示す構成要素及び特徴部の寸法は、表現の便宜上明瞭にするために選択したものであり、必ずしも縮尺通りではない。以下、各図を列挙する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の好ましい実施形態による電気液体ポンプを示す図である。
【図２】図１のポンプの分解図である。
【図３】図１のポンプの長手方向断面図である。
【図４】１つの実施形態によるポンプのステータを示す図である。
【図５】１つの実施形態によるステータコアを示す図である。
【図６】先行技術のモータの磁気回路を示す図である。
【図７】本発明の好ましい実施形態によるモータの磁気回路を示す図である。
【図８】従来の設計の不均衡な半径方向力と、本発明の好ましい実施形態による新たな設計の不均衡な半径方向力とを比較したグラフである。
【図９】従来の設計のノイズと、新たな設計のノイズとを比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１から図３を参照すると、本発明の好ましい実施形態による電気ポンプ１０が、ポンプハウジング１２と、このポンプハウジングの一部である渦巻構造１３と、ポンプハウジング１２内に配置されたモータ１４と、渦巻構造内に配置されたインペラ１６とを含む。この実施形態では、ポンプハウジング１２が、円筒体と、この円筒体の両端に接続された２つの端部カバーとを含む。ポンプ渦巻構造１３は、入口１８及び出口２０を有する。モータ１４がインペラ１６を回転させると、入口１８を介してポンプハウジング１２内に液体が引き込まれ、出口２０を介してポンプハウジング１２から流出する。この液体は、ポンプ１０の用途に応じて、例えば車両において使用される冷却液又は燃料とすることができる。
【００２２】
電気ポンプ１０は、モータ１４の動作を制御するための制御アセンブリ２１をさらに含む。図示の実施形態では、入口１８と出口２０が、電気ポンプ１０の同じ端部にポンプ渦巻構造１３の一部として配置されており、制御アセンブリ２１は、電気ポンプ１０の反対端に配置されている。換言すれば、入口１８及び出口２０は、ポンプハウジング１２の一方の端部カバー上に配置されたポンプ渦巻構造１３内に設けられ、制御アセンブリ２１は、ポンプハウジング１２の他方の端部カバー上に配置される。別の実施形態では、入口１８及び出口２０をポンプ１０の両端に配置することもできると理解されたい。
【００２３】
モータ１４は、ステータ２２と、このステータ２２内に配置されてステータ２２に対して回転できるロータ２４とを含む。図３に示すように、ステータ２２とロータ２４の間には空隙２５が形成される。
【００２４】
ステータ２２は、ステータコア２６と、巻線２９と、封入構造３０とを含む。封入構造３０は、巻線２９及びステータコア２６から液体を隔離するように、オーバーモールド工程によってステータコア２６を覆って形成されることが好ましい。封入構造３０は、プラスチック又は樹脂などの材料で形成することができる。図２では、図を明確にするために封入構造３０を独立構造として示しているが、実際には、封入構造３０とステータコア２６と巻線２９が一体型ボディを形成する。同様に、封入構造は、ロータ２４を腐食から保護するとともに、ロータ２４上に磁石を保持して位置付けるように、ロータ２４を覆って形成することもできる。巻線２９及びステータコア２６からの液体の隔離は別の方法で実現することもできると理解されたい。
【００２５】
図示の実施形態では、ステータ２２が、ステータコア２６の軸方向両端部に配置された巻線ブラケット２７及び２８をさらに含む。
【００２６】
図４及び図５も参照すると、ステータコア２６は、互いに積み重なった複数のケイ素鋼板によって形成されている。これらのケイ素鋼板は、溶接又は別の連結手段によって互いに連結することができる。ステータコア２６は、リング状のステータヨーク３２、及びステータヨーク３２の内面から半径方向内向きに延びる複数の歯を含む。各歯には、ステータ巻線２９が巻かれる。各歯は、その遠位端に先端部４０を有し、全ての先端部４０は同じ形状を有して円周方向に均一に分布する。
【００２７】
ステータコア２６の歯は、複数の第１の歯３６及び複数の第２の歯３８を含む。第１の歯３６及び第２の歯３８は、異なる形状を有して円周方向に交互に配置される。図示の実施形態では、円周方向に測定した場合、第１の歯の幅の方が第２の歯３８の幅よりも大きい。
【００２８】
ステータヨーク３２の外面には、各第１の歯３６と位置合わせされた溝４２が形成され、第２の歯３８に対応する位置には、このような溝４２は形成されない。溝４２は、ステータコア２６の一方の軸端から他方の軸端に延びる。いくつかの実施形態では、溝４２が、液体を導く機能を有し、従ってこれらの実施形態では案内溝と呼ばれる。例えば、図３に示すように、ポンプを冷却液ポンプ又は燃料ポンプとして使用する場合、入口１８、溝４２及び出口２０が互いに順に連通して流路４４を形成することにより、液体の少なくとも一部が入口１８を介して電気ポンプ１０に流入し、流路４４を通じてポンプの他端側に流れ、ロータとステータの間の空隙２４を通じてポンプの第１の端部に戻り、その後に出口２０を介して流出するようになる。流路４４内を流れる液体は、流路４４に隣接する発熱要素（例えば、モータ１４のステータ２２及び制御アセンブリ２１）を冷却することができる。制御アセンブリ２１とモータ１４の間には、チャンバ４６が形成される。制御アセンブリ２１の発熱要素は、チャンバが制御アセンブリのためのヒートシンクとして機能できるように、チャンバ４６と熱交換関係にある。チャンバ４６は、流路４４と連通することにより、液体がチャンバ４６に流入し、又はその中を流れて制御アセンブリ２１を冷却するようになる。また、空隙２５内を流れる液体は、潤滑作用をもたらすこともできる。
【００２９】
図示の実施形態では、溝４２が大きな断面積を有してポンプ１０の送達能力を効果的に高めるように、第１の歯３６内に半径方向内向きに延びる。溝４２を設けることにより、溝４２に隣接するヨーク３２の部分の厚み（ヨーク部分を通る磁力線に直交し、モータの軸方向に直交する方向のサイズ）が、溝４２から離れたヨーク３２の部分の厚みよりも小さくなる。例えば、図５に示すように、溝４２の１つに隣接するヨーク３２の丸囲み部分４８は、溝４２から離れたヨーク３２の丸囲み部分５０よりも小さな厚みを有する。第１の歯３６の幅は第２の歯３８の幅よりも広いので、上記の構成により、たとえ第１の歯３６に対応する場所のみに溝４２が形成されていても、ステータ２２の磁界が均一に分布するようになる。
【００３０】
隣接する歯の間には、巻線２９を収納するための巻線スロット５２が形成される。図示の実施形態では、各巻線スロット５２が、スロット中心線５４に関して非対称形状を有する。隣接する巻線のためのスロットが、空間を有効に活用するように同じ又はほぼ同じスロット曲線因子を有するようにするために、スロット中心線５４の両側の巻線スロット５２の部分は、同じ又は実質的に同じ面積を有する。巻線スロット５２が非対称形状であるため、スロット中心線の両側の部分が確実に全く同じ面積を有するようにすることは困難である。スロット中心線の両側の部分間の面積の違いが１０％を越えなければ、スロット中心線の両側の部分は、同じ又は実質的に同じ面積を有すると考えることができる。スロット中心線は、ステータコアの回転の中心と、隣接する歯の先端部間を結ぶ線の中心点とを通る線を意味する。
【００３１】
巻線ブラケット２７、２８の一方又は両方は突出部５６を含む（図４）。図示の実施形態では、巻線ブラケット２７、２８が両方ともに突出部５６を含む。突出部５６は、巻線ブラケット２７、２８上に溝４２に隣接して形成され、巻線２９が変形したり又は緩んだりした場合に巻線２９が溝４２を塞ぐのを抑制する。
【００３２】
図示の実施形態では、溝４２と位置合わせされた第１の歯３６の幅の方が、溝４２と位置合わせされていない第２の歯３８の幅よりも大きい。溝４２に隣接するヨーク３２の部分の厚みの方が、溝４２から離れたヨーク３２の部分の厚みよりも小さい。同じ形状を有する歯が、円周方向に対称的に分布する。これらの歯の全ての先端部は同じ形状を有し、円周方向に均一に分布する。全ての歯３６、３８には、巻線２９が巻かれる。これらの設計特徴の１つ又はそれ以上が、均衡の取れた歯の磁気回路、周期的かつ対称的に分布した空隙の磁界、及び対称的に分布した巻線をモータ１４に与え、これによって不均衡な半径方向力が排除又は大幅に低減され、従ってモータのノイズ及び軸受の摩耗が減少して、モータの寿命が延びるようになる。
【００３３】
図６から図９に、図示のステータ設計と、本出願人による従来のステータ設計との比較結果を示す。
【００３４】
図６に示すように、従来のステータ設計では、ヨーク部分が同じ厚みを有し、溝と位置合わせされた歯に巻線が巻かれていない。従って、ステータ巻線に通電すると、ステータ巻線によって生じる誘導磁場の中心線Ｌ１がロータの幾何学的中心線Ｌ２から外れ、これによって非対称的な磁場が生じる。
【００３５】
図７に示す新たな設計では、ロータの幾何学的中心線Ｌ２がステータ誘導磁場の中心線Ｌ１と整列しており、これによって不均衡な半径方向力が排除又は大幅に低減される。
【００３６】
図８に、従来の設計の不均衡な半径方向力と新たな設計の不均衡な半径方向力との比較を表す。本出願人による従来の設計の不均衡な半径方向力は８Ｎである。図示の実施形態の新たな設計では、不均衡な半径方向力が基本的に排除されている。
【００３７】
図９には、従来の設計のノイズと新たな設計のノイズの比較を示す。図示の実施形態の新たな設計では、不均衡な半径方向力が排除されるので、モータのノイズが大幅に減少する。例えば、約２０００ＲＰＭの速度では、従来の設計に比べてノイズが６ｄＢ減少している。
【００３８】
入口１８を介してポンプ１０に液体が流入した後には、液体の一部がインペラ１６によって駆動されて出口２０から流出する。この液体の別の部分は、流路４４内を流れてモータ１４及びモータに統合された他の要素に冷却及び潤滑機能をもたらし、これによってモータの信頼性が向上する。
【００３９】
要約すると、図示の実施形態では、ポンプが、モータ部品を冷却してモータの信頼性を高めるための流路を含む。また、ステータの全ての歯に巻線が巻かれ、溝と位置合わせされたステータ歯と、溝と位置合わせされていないステータ歯が異なる厚みを有し、溝に隣接するヨークの部分と、溝から離れたヨークの部分とが異なる幅を有し、歯が円周方向に対称的に分布し、全ての先端部が同じ形状を有して円周方向に対称的に分布する。これらの設計特徴が、均衡の取れたステータの磁気回路、周期的かつ対称的に分布した空隙の磁界、及び対称的に分布した巻線をモータに与え、これによって不均衡な半径方向力が排除され、モータノイズ及び軸受の摩耗が減少し、従ってモータの寿命が延びるようになる。
【００４０】
本出願の明細書及び特許請求の範囲では、記述する項目又は特徴の存在を明示する一方でさらなる項目又は特徴の存在を排除しないように、「備える、含む、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｉｎｃｌｕｄｅ、ｃｏｎｔａｉｎ及びｈａｖｅ）」という動詞、並びにその派生形の各々を包括的な意味で使用している。
【００４１】
明確化のために別個の実施形態の文脈で説明した本発明のいくつかの特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供することもできると理解されたい。これとは逆に、簡潔さを期すために単一の実施形態の文脈で説明した本発明の様々な特徴を別個に、又はいずれかの好適な下位の組み合わせで提供することもできる。
【００４２】
上述した実施形態はほんの一例にすぎず、当業者には、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、他の様々な修正が明らかである。
【符号の説明】
【００４３】
１２  ポンプハウジング
１３  渦巻構造
１６  インペラ
１８  入口
２１  制御アセンブリ
２２  ステータ
２４  ロータ
２５  空隙
２９  巻線
３０  封入構造
４２  溝
４４  流路
４６  チャンバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015226465.tif 000008
【図７】
2015226465.tif 000009
【図８】
2015226465.tif 000010
【図９】
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【外国語明細書】
2015226465000001.pdf