JP4538806B2 - 電動機およびそれを用いた燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、電動機およびそれを用いた燃料ポンプに関する。

電機子に巻回されているコイルと電気的に接続している複数のセグメントを回転方向に設置し、電機子の回転にともないブラシと順次各セグメントが接触することにより電機子に供給する駆動電流を整流する電動機が知られている（例えば、特許文献１から４参照）。
このような電動機において、例えば径方向反対側に設置されているセグメント（以下、「径方向反対側に設置されているセグメント」を対向セグメントと表す）同士を電気的に接続し、ブラシの数を増やすことなく複数のセグメントを同電位にすることが公知である。

しかしながら、セグメントの数が増加すると、複数のセグメントを電気的に接続するための結線スペースの確保が困難である。
また、特許文献１から４に示す電動機のように、プリント基板上の配線、または樹脂基板上に貼付した銅箔等の薄膜で結線する場合、駆動電流を増加するためには面方向に沿った配線の通電面積を拡大する必要がある。したがって、セグメント数が多い場合に、複数のセグメントを結線する結線面積の確保が困難である。

特開平６−２６１５０２号公報 特開２００４−２５４３６１号公報 実開平６−３１３６８号公報 実開平７−９０７２号公報

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、セグメント数が多い場合にも端子により同電位のセグメントを電気的に接続する電動機およびそれを用いた燃料ポンプを提供することを目的とする。

請求項１から１０記載の発明によると、複数の接続端子が電機子の軸方向にずれて設置された複数の接続端子群を構成し、各接続端子群において接続端子が同電位のセグメントを電気的に接続している。その結果、同一面上に設置された接続端子で同電位のセグメントをすべて電気的に接続する必要がないので、各接続端子群において接続端子が電気的に接続するセグメントの数が少なくなる。したがって、セグメントの数が多い場合にも、各接続端子群において同電位のセグメントを電気的に接続できる。ここで、接続端子群という表現は、接続端子群が１個の接続端子で構成される場合にも使用する。

また、接続端子により同電位のセグメントを結線するので、プリント配線または薄膜で結線する場合に比べ、電流値が同じであれば面方向に沿った導電面積を小さくすることができる。したがって、結線面積の確保が容易である。
請求項３記載の発明によると、複数の円弧状の結線部を渦巻き状に設置することにより、各接続端子群において、複数の結線部を互いに非接触となるようにほぼ同一面上に設置できる。

請求項４記載の発明によると、一組の対向セグメントと、この一組の対向セグメントと回転方向に隣接している他の組の対向セグメントとは、異なる接続端子群により電気的に接続されている。つまり、各接続端子群において電気的に接続されている対向セグメントが複数組ある場合、異なる組の対向セグメントは回転方向に隣接していない。したがって、各接続端子群において複数組の対向セグメントを接続する場合に接続端子の結線スペースに余裕があり、結線が容易になる。

請求項５記載の発明のようにコイルがデルタ結線されると、電機子を構成するコイルのスロット数、永久磁石の磁極数が同じ場合、スター結線よりもセグメント数が増加する。したがって、請求項１記載の発明を採用することにより、セグメント数の多いデルタ結線において、同電位のセグメントを電気的に接続できる。
請求項６記載の発明では、コイルは集中巻きされているので、複数のコイルを連続して巻回する分布巻に比べ、コイル間で巻線が交差しない。また、コイルをスロット毎に巻回するので、巻線の巻回が容易である。

請求項７記載の発明では、集中巻きでコイルが同じ方向に巻回されているので、電機子のスロットを同じ構成にできる。したがって、電機子の製造が容易である。
請求項８記載の発明では、回転方向に隣接しているコイル同士は逆方向に巻回されている。したがって、回転方向に隣接しているコイル同士の異なる巻端同士を電気的に接続することにより、回転方向に隣接している電機子のスロットに異なる磁極を生成できる。
請求項９記載の発明では、コイルを集中巻きする構成において、接続端子がコイル同士の結線を兼ねているので、部品点数を減少できる。

以下、本発明の複数の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による燃料ポンプを図１に示す。燃料ポンプ１０は、ポンプ部２０と、ポンプ部２０のインペラ２６を回転駆動する電動機としてのモータ部３０と、エンドサポートカバー１４、１６とを備えている。ハウジング１２は、ポンプ部２０およびモータ部３０の外周を囲み、ポンプ部２０およびモータ部３０の共通のハウジングである。エンドサポートカバー１４、１６は、モータ部３０のポンプ部２０と反対側を覆い、燃料の吐出口２０４を形成している。

ポンプ部２０は、ポンプカバー２２、ポンプケーシング２４、およびインペラ２６を有しているウエスコポンプである。ポンプカバー２２およびポンプケーシング２４は、インペラ２６を回転自在に収容するケース部材である。ポンプカバー２２とインペラ２６との間、ならびにポンプケーシング２４とインペラ２６との間に、Ｃ字状のポンプ流路２０２が形成されている。ポンプカバー２２に設けられた吸入口２００から吸入された燃料は、インペラ２６の回転によりポンプ流路２０２で加圧され、モータ部３０の永久磁石３２と電機子４０との間を通り、吐出口２０４から吐出される。

４分の１の円弧状に形成されている永久磁石３２は、ハウジング１２の内周壁に等間隔に４個取り付けられている。永久磁石３２は回転方向に極の異なる磁極を４個形成している。
電機子４０のポンプ部２０と反対側に整流子７０が組み付けられている。永久磁石３２、電機子４０、整流子７０およびブラシ１２０（図５参照）は直流電動機を構成している。電機子４０の回転軸としてのシャフト４１は、ポンプケーシング２４とエンドサポートカバー１４とにそれぞれ収容され支持されている軸受部材１８により軸受けされている。電機子４０のポンプ部２０側の端部は樹脂６６が充填されることにより全体が覆われている。このように樹脂６６で覆うことにより、燃料中で回転する電機子４０の回転抵抗を低減するとともに、電機子４０内への異物の進入を防止している。

図２に示すように、電機子４０は、回転中央部に中央コア４２を有している。シャフト４１は中央コア４２に圧入されている。中央コア４２は断面六角形の筒状に形成されており、６面の各外周壁に回転軸方向に延びる凹部４４を有している。凹部４４は、径方向外側に向かうにしたがい幅が狭くなっている。
６個のスロット５０は中央コア４２の外周に回転方向に設置されている。図２において同一構成部分の符号を一部省略している。中央コア４２は、六角形状に形成されており、六角形の各面に径方向外側に向けて幅の狭くなっている凹部４４が形成されている。

各スロット５０は、コイルコア５２、ボビン６０、およびボビン６０に巻線を集中巻きして形成されているコイル６２、６３を有している。図３に示すように、各スロット５０は、ボビン６０にコイルコア５２を嵌合して構成されている。
図２に示すように、コイルコア５２は中央コア４２と別部材である。コイルコア５２はＴ字状に形成されている。コイルコア５２の外周面は滑らかな凸円弧状に形成されている。コイルコア５２の中央コア４２側に設けた凸部５４は、中央コア４２側に向けて幅が広くなっている。シャフト４１に沿って凹部４４または凸部５４の一方に他方を挿入することにより凹部４４と凸部５４とは嵌合している。

ボビン６０は、コイルコア５２の外周面と凸部５４とを除きコイルコア５２を覆っている。ボビン６０は、回転方向に隣接するコイルコア５２の外周部同士を磁気的に絶縁している。シャフト４１と直交する断面およびシャフト４１を含む断面において、ボビン６０は外周側から中央コア４２側に向け幅が狭くなる台形状の巻回空間を形成している。この巻回空間に巻線を巻回することにより合計６個のコイル６２、６３が形成されている。図５の（Ａ）に示すように、６個のコイル６２、６３はデルタ結線されている。図５の（Ｂ）に環状に示したコイル６２、６３上の矢印はコイル６２、６３の巻回方向を示している。つまり、回転方向に隣接しているコイル６２、６３は逆方向に巻回されている。図３に示すように、各コイル６２、６３の始端および終端は、整流子７０側の端子６４と電気的に接続している。

整流子７０は、図４に示す構造体１００、１１０から成るカセット式である。電機子４０にシャフト４１を圧入した状態で、整流子７０にシャフト４１を挿入して電機子４０に整流子７０を組み付けるとき、整流子７０の電機子４０側に突出している爪９２ａ、９４ａはそれぞれ電機子４０の端子６４に嵌合し端子６４と電気的に接続する。そして、回転方向に隣接している一組の爪９２ａと一組の爪９４ａとは、それぞれ回転方向に隣接しているスロット５０の回転方向に隣接している端子６４同士を電気的に接続している。これにより、コイル６２は図５に示すようにデルタ結線される。

整流子７０は、回転方向に設置された複数のセグメント７２を有している。ここで、セグメント７２の数をｓ、永久磁石３２の磁極数をｐ、電機子４０のコイル数（スロット数）をｎとすると、一般に、ｓ＝ｎ×ｐ／２で表される。前述したように、ｎ＝６、ｐ＝４であるからｓ＝１２である。本実施形態においても、セグメント７２は回転方向に１２個設置されている。セグメント７２は例えばカーボンで形成されており、回転方向に隣接しているセグメント７２同士は、空隙および絶縁樹脂材により電気的に絶縁されている。また、図５の（Ｂ）に示すように、径方向反対側に設置されている対向セグメントであるＳ１とＳ７、Ｓ２とＳ８、Ｓ３とＳ９、Ｓ４とＳ１０、Ｓ５とＳ１１、Ｓ６とＳ１２はそれぞれ電気的に接続されることにより、同電位になっている。

図６および図７に、対向セグメントを結線する接続端子の構成を示す。以下で説明する中間端子および結線端子により、特許請求の範囲に記載した接続端子が構成されている。接続端子による結線は、中心部のシャフト４１を避けてシャフト４１の径方向外側で行われる。
図６の上段に示す端子母材８０は、後工程において図６の一点鎖線で示される箇所が切断されることにより電気的に絶縁され、合計で１２個の中間端子８１、８３になる。中間端子８１、８３は特許請求の範囲に記載した接続部を成している。中間端子８１、８３は扇形状に形成されており、セグメント７２の電機子４０側と直接電気的に接続している。回転方向に３個連続して隣接している中間端子８１の電機子４０側に突部８２が設けられている。突部８２が設けられている３個一組の中間端子８１と中間端子８１との間には、突部８２の設けられていない中間端子８３が設置されている。

図６の中段に示す結線端子８４は突部８２を有する中間端子８１と電気的に接続している。結線端子８４は、円弧状に形成されており、突部８２と接続する接続部８５と、突部８２を有する中間端子８１の径方向反対側の中間端子８３と接続する接続部８６と、接続部８５と接続部８６とを結線する円弧状の結線部８７とを有している。接続部としての結線端子８８は、突部８２とだけ接続している。中間端子８１、８３、結線端子８４、８８は一つの接続端子群を構成している。

図６の下段のように端子母材８０と結線端子８４、８８とを接続した後、１２個に分割する前のセグメント７２の母材の電機子４０側と、端子母材８０の突部８２と反対側とを電気的に接続し樹脂７４でインサート成形する。そして、ブラシ１２０との接触面側から、結線端子８４の結線部８７を切断しないようにセグメント母材および端子母材８０を切断することにより、１２個のセグメント７２が形成され、端子母材８０が中間端子８１、８３に分割される。図４および図８の上段に、このようにして形成された構造体１００を示す。図８の上段は、構造体１００を電機子４０側から見た図である。構造体１００において、径方向反対側に設置されている中間端子８１および中間端子８３と電気的に接続されているセグメント７２同士は、結線端子８４により電気的に接続されている。また、構造体１００において、径方向反対側に設置されている結線端子８８と電気的に接続している中間端子８１およびセグメント７２は電気的に接続されていない。

図７の上段、中段に示す端子母材９０および結線端子９６は互いの軸合わせのために中央部に二点鎖線で示す軸合わせ部１１４を有している。軸合わせ部１１４は、端子母材９０と結線端子９６とを接続したときに削除される。また、端子母材９０は、図７の一点鎖線において後工程で切断され、結線端子９２、９３、９４に分割される。結線端子９２、９３、９４、９６は一つの接続端子群を構成している。

結線端子９３、９２、９３、９４は、この順で回転方向に隣接して設置されており、結線端子９３、９２、９３、９４を一組として三組が形成されている。前述したように、結線端子９２の２個の爪９２ａ、結線端子９４の２個の爪９４ａはそれぞれ電機子４０の回転方向に隣接しているスロット５０の回転方向に隣接している端子６４同士を接続し、コイル６２、６３をデルタ結線している。結線端子９３は図６に示す結線端子８８と対応する位置で径方向反対側に設置されている。

図７の中段に示す結線端子９６は円弧状に形成されており、径方向反対側に設置されている結線端子９３同士を円弧の両端で接続するとともに、円弧の中間部で結線端子９４と接続している。図７の下段に示す×マークは、端子同士の接続箇所を示している。したがって、径方向反対側に設置されている結線端子９３同士と、その中間に位置する結線端子９４とは電気的に接続している。軸合わせ部１１４は図７の下段の状態で削除され、端子母材９０は、端子母材９０と結線端子９６とを樹脂１１２でインサート成形した後に、結線端子９６を切断しないように一点鎖線の箇所を切断される。図８の中段は、端子母材９０と結線端子９６とを電気的に接続して樹脂１１２でインサート成形し、端子母材９０を図７の一点鎖線で切断した構造体１１０を電機子４０側から見た図である。

このように形成した構造体１００と構造体１１０とを、結線端子８４の接続部８５と結線端子９２の爪９２ｂ、ならびに結線端子８８と結線端子９３とが電気的に接続するように、図４および図８に示すように組み付けることにより、径方向反対側に設置されている結線端子８８同士、つまり径方向反対側に設置され結線端子８８と電気的に接続しているセグメント７２同士が電気的に接続する。これ以外の径方向反対側に設置されているセグメント７２は、結線端子８４により構造体１００において電気的に接続されている。そして、構造体１００と構造体１１０とを組み付けた整流子７０を電機子４０に組み付けることにより、コイル６２、６３がデルタ結線される。

回転方向に隣接するコイル６２、６３は逆方向に巻回されているので、図５に示すようにブラシ１２０から電流が供給されることにより、回転方向に隣接するコイルａ１とコイルｂ１とに異なる磁極が発生する。また、対向セグメントが電気的に接続され同電位となっていることにより、図５の（Ｂ）において点線位置に他のブラシ１２０が存在する構成と同一構成になる。したがって、コイルａ１およびｂ１と径方向反対側に位置するコイルａ２およびｂ２にも電流が流れ、コイルａ２とコイルｂ２とに異なる磁極が発生する。これにより、電機子４０の径方向反対側に電機子４０を回転させる偶力が発生する。

構造体１００の接続端子群と構造体１１０の接続端子群とは、結線端子８４の接続部８５と結線端子９２の爪９２ｂ、ならびに結線端子８８と結線端子９３とが電気的に接続する以外の箇所では絶縁されている。
第１実施形態では、構造体１００、１１０の接続端子群同士が軸方向にずれて設置されているので、本実施形態のようにセグメント７２の数が１２個と多い構成であっても、各接続端子群において対向セグメントを電気的に接続できる。また、端子により対向セグメントが電気的に接続されているので、プリント配線または薄膜等のように厚みの薄い配線で結線する場合に比べ、電流値が同じであれば面方向に沿った導電面積を小さくすることができる。したがって、結線面積の確保が容易である。

また、接続端子の一部である結線端子９２、９４がコイル６２、６３の結線を兼ねており、整流子７０と電機子４０とを組み付けることによりコイル６２、６３がデルタ結線されるので、コイル６２、６３の結線作業が容易である。また、コイル６２、６３を結線する部品点数を減少できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図９から図１２に示す。尚、第１実施形態と実質的に同一構成部分に同一符号を付す。また、セグメント７２側の構造体１００の構成は第１実施形態と同一である。
図９の（Ｂ）に示すように、第２実施形態では、デルタ結線された電機子４０の６個のコイル６２は同じ方向に巻回されている。したがって、電機子４０の６個のスロット５０を同一構成にできる。

次に、第２実施形態の端子について説明する。図１０の上段、中段に示す端子母材１３０および結線端子１３８、ならびに図１１の中段に示す結線端子１４０は、互いの軸合わせのために中央部に二点鎖線で示す軸合わせ部１１４を有している。接続端子としての結線端子１３２〜１３６、１３８、１４０は一つの接続端子群を構成している。端子母材１３０は、図１０の一点鎖線において後工程で切断され、結線端子１３２〜１３６に分割される。

図１１の上段は、図１０に示す端子母材１３０と結線端子１３８とを電気的に接続した状態を示している。結線端子１３８は結線端子１３２と結線端子１３５とを電気的に接続する。つまり結線端子１３８は、結線端子１３２の爪１３２ａと結線端子１３５とを電気的に接続する。後工程において、結線端子１３２の爪１３２ｂは構造体１００の結線端Ｓに８４の接続部８５と電気的に接続し、結線端子１３３、１３６は構造体１００の結線端子８８と電気的に接続する。

図１１の中段に示す結線端子１４０は、電機子４０の端子６４と接続する爪１４２と、円弧状の結線部１４３とを有している。図１１の下段に示す×マークは、端子同士の接続箇所を示している。したがって、結線部１４３は、径方向反対側に設置されている結線端子１３３と結線端子１３６とを電気的に接続している。また、結線端子１４０の爪１４２と結線端子１３４とは結線部１４３により電気的に接続されている。

図１２は、端子母材１３０と結線端子１３８と結線端子１４０とを電気的に接続して樹脂１５２でインサート成形し、端子母材１３０を図１１の一点鎖線が示す箇所で切断した構造体１５０を電機子４０側から見た図である。このように形成した構造体１５０と第１実施形態でも説明した構造体１００とを、結線端子８４の接続部８５と結線端子１３２の爪１３２ｂ、結線端子８８と結線端子１３３、１３６とが電気的に接続されるように組み付けることにより、径方向反対側に設置されている結線端子８８同士、つまり径方向反対側に設置され結線端子８８と電気的に接続しているセグメント７２同士が電気的に接続する。

また、前述したように結線端子１３２の爪１３２ａと結線端子１３５、ならびに結線端子１３４と結線端子１４０の爪１４２は電気的に接続している。すなわち、電機子４０の端子６４と電気的に接続する構造体１５０の端子は回転方向に１個おきに電気的に接続している。したがって、構造体１００と構造体１５０とを組み付けて、さらに電機子４０と組み付けることにより、コイル６２が図９に示すようにデルタ結線される。そして、図９に示すようにブラシ１２０から電流が供給されることにより、回転方向に隣接する電機子４０のスロット５０に異なる磁極が発生する。

（他の実施形態）
上記複数の実施形態では、接続端子により対向セグメントを電気的に接続して同電位にしたが、接続端子により電気的に接続され同電位となるセグメントの位置関係は径方向反対側に限るものではない。また、接続端子により電気的に接続され同電位となるセグメントの数は２個に限らず３個以上でもよい。
また上記複数の実施形態では、コイルをデルタ結線したが、コイルをスター結線する場合にも本発明のように対向セグメントを接続する接続端子群の軸方向位置をずらすことにより、セグメントの数が増加しても対向セグメントを電気的に接続できる。

また、永久磁石３２が形成する磁極の数を４極、スロット５０の数を６としたが、これ以外にも、永久磁石が形成する磁極の数は２極または４極以上の偶数であればよく、また、スロットの数についても６以外の数でもよい。なお、スロットの数は永久磁石が形成する磁極の数よりも多いことが望ましい。さらに、スロットの数は永久磁石が形成する磁極の数よりも２個多い偶数であることが望ましい。

また、上記複数の実施形態では、本発明を集中巻きの電動機に適用した実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、分布巻きの電動機に適用してもよい。
また、上記複数の実施形態では、ポンプ部の回転部材としてのインペラ２６が回転することにより燃料タンクから燃料を吸入する吸入力を発生した。インペラ以外にも、ポンプ部の回転部材としてギアポンプ等の構成を採用してもよい。
また、上記複数の実施形態では、本発明を燃料ポンプに適用した実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず種々の電動機に適用してもよい。

第１実施形態による燃料ポンプを示す断面図。 （Ａ）は組付前の中央コアおよびコイルコアを示す説明図、（Ｂ）は組付後の中央コアおよびコイルコアを示す説明図。 （Ａ）は組付前の電機子のスロットを示す説明図、（Ｂ）は組付後の電機子のスロットを示す説明図。 整流子および電機子を示す分解斜視図。 （Ａ）はコイルのデルタ結線を示す模式図、（Ｂ）はセグメントとコイルとの結線状態を示す模式図。 中間端子および結線端子を示す平面図。 結線端子を示す平面図。 結線端子および整流子を示す平面図。 （Ａ）は第２実施形態のコイルのデルタ結線を示す模式図、（Ｂ）はセグメントとコイルとの結線状態を示す模式図。 結線端子を示す平面図。 結線端子を示す平面図。 結線端子を示す平面図。

符号の説明

１０：燃料ポンプ、２０：ポンプ部、３０：モータ部（電動機）、３２：永久磁石、４０：電機子、５０：スロット、６２、６３：コイル、７０：整流子、７２：セグメント、８１、８３：中間端子（接続端子、接続部）、８４、９２〜９４、９６、１３２〜１３６、１３８、１４０：結線端子（接続端子）、８５、８６：接続部、８７：結線部、８８：結線端子（接続部）、１２０：ブラシ、１４３：結線部

Claims (10)

1. 周上に設置され交互に極の異なる複数の磁極を形成する永久磁石と、
   回転方向に設置された複数のコイルを有し、前記永久磁石の内周側に回転自在に設置されている電機子と、
   回転により順次ブラシと接触するように回転方向に複数設置されて前記コイルと電気的に接続しているセグメントを有し、回転方向に隣接している前記セグメント同士が互いに電気的に絶縁されている整流子と、
   前記整流子の前記電機子側に複数設置されており、少なくとも２つの前記セグメントを電気的に接続し、互いに非接触の接続端子とを備え、
   前記複数の接続端子は前記電機子の軸方向にずれて設置された複数の接続端子群を構成していることを特徴とする電動機。
2. 前記各接続端子群の前記接続端子は、径方向反対側に設置されている前記セグメントと電気的に接続している接続部と、前記セグメントの前記電機子側の面から離れ前記接続部同士を電気的に接続している結線部とを有していることを特徴とする請求項１記載の電動機
   。
3. 前記各接続端子群の前記接続端子の前記結線部は一方の前記接続部から他方の前記接続部に向けて円弧状に延び、複数の前記結線部は互いに非接触となるように渦巻き状に設置されていることを特徴とする請求項２記載の電動機。
4. 径方向反対に設置されている一組の前記セグメントと、この一組の前記セグメントと回転方向に隣接している他の組の前記セグメントとは、異なる前記接続端子群により電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の電動機。
5. 前記複数のコイルはデルタ結線されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の電動機。
6. 前記複数のコイルは集中巻きされていることを特徴とする請求項５記載の電動機。
7. 前記複数のコイルは同じ方向に巻回されていることを特徴とする請求項６記載の電動機。
8. 回転方向に隣接している前記コイル同士は逆方向に巻回されていることを特徴とする請求項６記載の電動機。
9. 前記接続端子は前記コイル同士の結線を兼ねていることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項記載の電動機。
10. 請求項１から９のいずれか一項記載の電動機と、
    前記電機子の回転駆動力により燃料を吸入する吸入力を発生するポンプ部と、
    を備えることを特徴とする燃料ポンプ。

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