本发明涉及一种燃料泵，其将从燃料箱抽吸出的燃料输送给一台内燃机。
为了增大在电枢上产生的扭矩一从而增大燃料的排流量、并提高排出燃料的压力，可以考虑增加各个绕线架上匝线的数目，这可以通过加大电枢的外径、进而增大绕线空间来实现。但是，这样做会使燃料泵的体积增大。
另外，由于受到燃料泵安装空间的限制，希望燃料泵能被制得小一些。例如，当燃料泵被安装到扁平形状的燃料箱中时，就希望燃料泵的轴向长度能短一些。但是，如果在不增大燃料泵直径的情况下缩短燃料泵的轴向长度，则通过线圈磁芯的磁通量就会减少。在此情况下，所产生的扭矩就会降低。
本发明的另一目的是提供一种燃料泵，在该燃料泵中，多个线圈的接线工作得以简化。
为了实现本发明的目的，每个线圈磁芯都是与一个中央芯相独立的个体。因而，通过以集中绕制的方式在包罩各个线圈磁芯的绕线架上缠绕完匝线之后，就可将各个线圈磁芯与中央芯连接起来。可按照规则的形式在各个磁极线圈部分的绕线架上容易地缠绕出匝线，从而可提高匝线占用体积的百分比。所述匝线占用体积百分比是这样一个比值：匝线所占据的总空间与由绕线架提供的、用于进行匝线绕制的总空间的比值。另外，与分布绕制的方式相比，在集中绕制方式中，绕线在各个绕线架之间不会相互交叉，其中，在分布绕制方式中，是由匝线在各个绕线架上依次进行缠绕而形成各个线圈的。除此之外，还提高了匝线占据体积的百分比。因而，在燃料泵的轴向长度和外径保持不变的情况下，(采用集中绕制方式时)，即使匝线的直径加粗，绕在各个绕线架上的匝线数目也与小直径匝线时的数目相同。另外，通过加大各条匝线的直径，可降低各条匝线的电阻，由此可提高流经匝线的电流量，进而增大了所产生的扭矩。结果就是，可提高燃料的泵送量。
在不增大所产生扭矩的情况下，可减少所要缠绕的匝线数目。因而，可降低线圈的电感。在电感降低的情况下，当换向器的各个扇区由于电枢的转动而与电刷分离时，线圈中所产生的感应电压就会降低。因而，就可以防止在换向器的各扇区之间、或在换向器与电刷之间拉出电火花。这样就可以减小换向器和电刷的电蚀。
另外，在不增大所产生扭矩的情况下，可减小匝线所占据的空间。因而，可使燃料泵变得小一些。例如，在燃料泵被安装在车用燃料箱中的情况下，即使燃料箱是扁平的，由于燃料泵的轴向长度缩短，其可容易地安装到扁平的燃料箱中。
燃料被抽吸力抽送着流经永磁体与电枢之间的间隙空间而从一燃料排送口排出。在永磁体内侧形成了一个空间，该空间用于可转动地安装着电枢，该空间还作为燃料的流动通道。因而，在不增大燃料泵的前提下，可保证在燃料泵中为燃料的流动留出燃料通道。
永磁体是沿电枢的圆周方向、按照圆形格局进行安装的，且不同的磁极是交替相间的。永磁体的数目为大于或等于四的偶数。由于利用永磁体形成了很多个磁极，所以可减小永磁体和壳体的厚度。另外，由于可在不增大燃料泵外径的前提下加大电枢的安装空间，所以可增大由绕线架提供的、为匝线留出的空间。因而，在匝线所占体积不变的情况下，通过缩短燃料泵的轴向长度，也可缠绕出预定匝数的匝线。
图2是沿图1中的I-I线对根据第一实施例的燃料泵所作的剖面图；图3A中的侧视图是从换向器一侧对电枢进行观察所得的；图3B是从叶轮一侧对电枢进行观察所得的侧视图；图4中的示意图表示了在第一实施例中线圈之间的连线关系；图5是一个示意性的电路图，表示了根据第一实施例的线圈连接关系；图6A和6B表示了制造磁极线圈部分的过程；图7A和7B表示了各个磁极线圈部分与一中央芯进行连接的方法；图8表示了换向器与线圈的连接方法；图9中的图线表示了磁极数目/槽沟数目与磁体厚度、壳体厚度、扇区数目、以及电枢外径之间的关系；图10中的图线表示磁极/槽沟数目与槽沟区域的尺寸、以及电机效率之间的关系；图11是一个条线图，其表示了对于分布绕制方式以及集中绕制方式，面积占据率之间的对比关系；图12中的图线表示了扭矩与转速以及电机效率之间的关系；图13中的示意图表示了根据本发明第二实施例中的线圈连接关系；以及图14中的示意图表示了根据本发明第三实施例的线圈接线关系。
[第一实施例]图1所示的燃料泵10是一个油箱泵。该油箱泵例如被安装到车辆的燃料箱中。壳体12中固定了一个位于吸入侧的锻制端盖14和一个锻制的排出侧端盖18。
一泵盖16被吸入侧端盖14和壳体12支撑着。在吸入侧端盖14和泵盖16之间形成了一条C形的泵道102。吸入侧端盖14和泵盖16支撑着一叶轮20，其被用作产生抽吸力的转动装置。
在盘状叶轮20的外侧边缘处，形成了多个翼片槽。当叶轮20随着电枢40转动时，由于流体摩擦，就会在翼片槽的前方和后方之间产生压力差。通过在翼片槽中重复地加压，泵道102中燃料的压力就被升高了。由于叶轮20转动，燃料被从燃料箱中、经制在吸入侧端盖14中的燃料吸入口100抽入，而后，燃料通过泵道102以及制在泵盖16中的一连接通道104流入到电机腔106中。此外，燃料通过一燃料通道108流向发动机，其中的燃料通道108是在永磁体30的内表面与电枢40外表面之间形成的一个间隙空间，并在排出侧端盖18中环绕着一杆轴22制有一排流口110。
杆轴22作为电枢40的固定转轴，其被支撑在吸入侧端盖14和排出侧端盖18中，并固定于此。在杆轴22的外周面上可转动地安装了一套管24。轴承26、28与套管24的外周面接合，并随着套管24转动。
在壳体12的内表面上以圆形的格局安装了四块永磁体30，这四块永磁体均为四等分扇弧的形状。在转动方向上，永磁体30构成了四个交错相间的磁极。每个永磁体的内表面都构成了一个平滑的凹面形状。
电枢40与套管24和轴承26、28一道，以杆轴22为固定转轴进行转动。如图2所示，电枢40具有一中央芯42，其位于转动中心处。中央芯42的形状基本上为六边形柱体。另外，中央芯42的六个外表面上分别具有一凹槽部分44，这些凹槽部分在杆轴的纵向上延伸。各个凹槽部分44的宽度是沿径向从内向外逐渐缩窄的。
在转动方向上，环绕着中央芯42的圆周面安装了六个磁极线圈部分50。每个磁极线圈部分50具有一线圈磁芯52、一绕线架60和一线圈62，线圈62是通过在绕线架60上缠绕匝线而形成的。线圈磁芯52和绕线架60的外表面构成了电枢40上最靠外的表面。由于六个磁极线圈部分的结构是完全相同的，所以在图2中略去了指代相同部件的一些数字标号。
每个线圈磁芯52都具有一个外部区域54和一个绕线部分56，外部区域54沿转动方向上与永磁体30相正对，绕线部分56从外部区域54延伸向中央芯42，并构成一宽板的形状。在垂直于杆轴22的剖面内，各个线圈磁芯52的横截面为T字形状。每个外部区域54的外表面55都构成了一个平滑的外凸圆弧。在转动方向上，外部区域54外表面55与永磁体30内表面31之间的空隙是均匀等宽的。每个绕线部分56都具有一凸起部分58，该部分位于与中央芯42正对的那一侧，并沿杆轴22的纵向延伸。在朝向中央芯42的方向上，每个凸起部分58的宽度逐渐增大。凸起部分58通过沿杆轴22的纵向插入到凹槽部分44中，而实现了与凹槽部分44的接合。
每个绕线架60都包罩了线圈磁芯52上除外部区域54的外表面55和凸起部分58之外的部分。利用绕线架60，在转动方向上相互毗邻的各个线圈磁芯52的外部区域54之间实现了磁隔绝。在垂直于电枢40轴线方向的剖面上，绕线部分56位于对应的绕线架60之间，且绕线架60上匝线所占据的空间基本上为梯形形状。为匝线所设置的、基本为梯形的空间的宽度从外部区域54向中央芯42渐缩。通过在为匝线设置的、基本为梯形的空间上缠绕导线而形成线圈62。
如图1所示，各个线圈62上与换向器70正对的那一端与一接线端64保持电路连接，而各个线圈62上与叶轮20正对的另一端则与接线端66保持电路连接。如图3B所示，通过一接线端80将相邻的三个接线端66连续地连接起来。也就是说，每个接线端80都构成了一个中性点120(见图4和图5)，该中性点将三个线圈62连接起来。每个接线端80都延伸在三个在转动方向上依次相邻的磁极线圈部分50之间。另外，接线端80与U形的接线端66相连接。在径向方向上，接线端80设置在线圈62的外侧，并位于绕线架60外表面的内侧。另外，在杆轴22的纵向上，接线端80叠压着绕线架60。
如图8所示，接线端64、66露在绕线架60的外面。因而，在燃料泵10处于图8所示对电枢40进行组装的状态中时，可检查线圈62中是否断路、并检查在线圈62与接线端64、66之间是否存在接触不良。另外，在换向器70和电枢40被组装到一起的状态下，还可检查电枢40的接触不良。如图1所示，一顶盖82封住了线圈62上与换向器70相反的那一端。
如图3A所示，在转动方向上，换向器70具有六个扇区72。通过六条沟隙200以及绝缘树脂76实现了各个扇区72之间的电绝缘。如图1所示，每个扇区72都与一接线端74保持电路连接。各个接线端74分别与电枢40上的接线端64保持电路连接。如图4所示，在换向器70中，扇区S1与S4、扇区S2与S5、扇区S3与S6是分别连接到一起的。安装在电枢40中的各个线圈62在转动方向上是以a1、b1、c1、a2、b2和c2的顺序排列的，而安装在换向器70中的各个扇区在转动方向上是以s1、s2、s3、s4、s5和s6的顺序排列的。由碳材料制成的电刷78被弹簧79偏压向各个扇区72。电流从几个接线端(图中未示出)经电刷78、扇区72、接线端74以及接线端64输送给线圈62。
如图4所示，每个线圈62上与换向器70正对的那一端部都与扇区72保持电路连接。另外，各个线圈62上与换向器70相反的那一端被连接起来，而构成星形连接的中性点120。也就是说，如图5所示那样，存在两组星形连接的线圈62，每组线圈中有三个线圈。在每组的三个线圈62中，各个线圈62是并联的。
是按照如下的步骤来制出电枢40的：(1)如图6A和图6B所示，线圈62是通过在树脂制成的绕线架60上缠绕匝线而制成的。接线端64和66与线圈62进行电路连接。
(2)通过将磁隙52的绕线部分56插入到一个开孔部分61中而制成磁极线圈部分50，其中的开孔部分制在绕线架60的环周面部分上。
(3)如图7A和7B所示，线圈磁芯52的凸起部分58插入到中央芯42的凹槽部分44中，并固定于此处，沿杆轴22的纵向将套管24压入到中央芯42中。通过将磁极线圈部分50与中央芯42相接合而制成电枢40。如上所述，每个凹槽部分44的宽度都是沿径向方向向外侧逐渐缩窄的，也即是：在朝向凸起部分58的方向上是渐缩的，且各个凸起部分58的宽度在靠近中央芯42的方向上是渐扩的。另外，凹槽部分44和凸起部分58被制成沿杆轴22的纵向连续地延伸。因而，通过将凹槽部分44与凸起部分58接合到一起，就可以将它们紧固到一起，且不会在径向方向上脱开。
在另一方面，在各个线圈磁芯52中分别制有凹槽部分，并在中央芯42上制有用于与凹槽部分相接合的凸起部分。与这样的实施方式类似，通过将凹槽部分与凸起部分相接合而固定了线圈磁芯52和中央芯42。
(4)如图8所示，通过将换向器70与电枢40接合起来，就使换向器70的接线端74与线圈62的接线端64直接接触、从而实现了电路连接，其中在电枢40中，沿转动方向将各个磁极线圈部分50安装到电枢40中央芯42的外表面上。接线端74从绝缘树脂76突伸向磁极线圈部分50，且各个接线端64外周部的形状大致为U型。突伸向磁极线圈部分50的接线端74与U型的接线端64相接合。通过这样的结构，就实现了接线端64与接线端74之间的电路连接。
在图8中，线圈62上与换向器70相反的那一端被一顶盖82封闭住。也就是说，此前已将接线端80与线圈62上接线端66之间的电路连接好了。也可在换向器70安装完毕之后，再将接线端80与线圈62的接线端66进行电路连接，并安装上顶盖82。
希望燃料泵10在将燃料箱中的燃料输送到发动机时，其燃料排送压力P[kPa]在200-600[kPa]的范围内。另外，希望燃料泵10的排送流量Q[L/h]在50-300[L/h]的范围内。燃料泵10的输出功率范围是通过将其最大、最小排送压力P与排送流量Q进行相乘而得到的，其数值范围在2.8-49.5[W]之间。假定电枢40的转速为N，电枢40的输出扭矩为T，则泵效率的数学表达式即为：(P*Q)/(N*T)。燃料泵10电机的功率值可按照数学表达式(N*T)来进行计算。在图1所示的燃料泵10中，由于对数学表达式(P*Q)/(N*T)进行计算所得的数值为0.3，所以燃料泵10电机的输出功率必须要在9.3-165[W]的范围内。如果将电枢40的转速定义为6000rpm，则所需要的扭矩N就在0.015-0.27[N*m]的范围内。燃料泵10中所需要的扭矩平均值在0.05-0.1[N]的范围内。假定将燃料泵10的供电电压定义为V，燃料泵10的供电电流定义为I，则可按照数学表达式(N*T)/(V*I)来计算电机的效率。其中的数学表达式(V*I)代表输送给燃料泵10的电功率。在燃料泵10中，为使电机的效率较高，就需要扭矩T在0.05-0.1[N*m]的范围内。
下面，将对有助于提高电机效率的槽沟面积和面积占用率进行描述。槽沟面积是指由磁极线圈部分50中的绕线架60提供的、用于缠绕匝线的面积之和。如图9所示，如果永磁体的磁极数目增加，则壳体的厚度、以及永磁体的厚度就会变薄。因此，在垂直于杆轴22轴向的剖面内，永磁体内侧所围成部分的截面积就会增大。结果就是，电枢的外径得以增大，同时还不会加大燃料泵的外径。因而，如图10所示那样，槽沟面积得以增大。随着永磁体磁极数目的增多，作为磁极线圈部分数目的槽沟数目也会增大。希望槽沟的数目为偶数，从而使电枢中所产生的转动力为力偶。随着槽沟数目的增多，换向器扇区的数目也增多。
另外，在该实施例中，如图11所示，由于线圈62是以集中绕制的方式形成的，所以每一槽沟的面积占用率就高于分布绕制方式时的情况。在该实施例中，尽管面积占用率达到了74％，且该数值是一个很高的百分比，但希望面积占用率大于50％就可以了。在面积占用率很高的燃料泵10中，在匝线外径不增粗的前提下，可增加所绕制匝线的数目。或者换句话说，可通过增大匝线的外径来降低线圈的电阻。因而，如图10所示，在永磁体数目增加的情况下，可提高燃料泵中电机的效率。如果永磁体的数目大于四，且槽沟的数目大于六，则电机效率的增加就很不明显了。因而，为提高电机的效率，希望永磁体的数目为四，槽沟的数目为六。
图12中表示了：在永磁体数目与槽数分别为四和六的情况下，电枢转速与扭矩之间的关系、以及电机效率与电枢力矩之间的关系。在0.05-0.1[N*m]的扭矩区间内，电机效率是很高的。因而，通过采用四个永磁体和六个槽沟，就能满足所需的排流压力和排流量，并使燃料泵中的电机达到很高的效率。
另外，由于通过采用四个永磁体而减小了永磁体30的厚度，所以永磁体30的内径是很大的。另外，通过按照集中绕制的方式来缠绕匝线，能提高面积占用率。因而，在不改变图1所示燃料泵的直径d的情况下，即使将燃料泵的轴向长度L缩短，从而将燃料泵10制成扁平形状，电机也能以很高的效率输出预定的扭矩，并达到所需的燃料排流压力和排流量。在该实施例中，尽管L/d的数值约为1.7，但L/d的数值可以等于或大于2.5，数值L/d的理想值为小于等于2。按照这样的方式，通过将燃料泵10制成扁平结构、且无须加大燃料泵10的尺寸，就能使燃料泵10易于安装到扁平的燃料箱中。
另外，由于可无须加大燃料泵10尺寸地将其制成扁平结构，所以就不需要为安装燃料泵而在燃料箱中制出直径加大的安装槽。因而，可保证燃料箱的刚度，从而防止燃料箱出现变形。另外，当换向器70被安装到电枢40上时，扇区72的接线端74就会与线圈62的接线端直接进行电路连接。因而，就不需要设置连线来连接扇区72的接线端74和线圈62的接线端64，从而简化了对这些接线端进行连接的过程。
在该实施例中，各个线圈62上与换向器70相反的那一端被接线端80相互连接起来，从而形成了一个并联中性点。由于在杆轴22的纵长方向上，线圈62的各个连接点被分布在电枢40的两侧，所以简化了线圈62的连接方法。另外，由于利用星形连接的形式来连接线圈62，所以可减少电路连接点，从而易于完成各个线圈62之间的接线工作。
在第一实施例中，在转动轴纵向上，将线圈62的连接点分布在电枢40的两侧。但是，也可以在换向器70中进行各线圈62之间的电路连接、以及线圈62与扇区72的电路连接，而换向器70在转动轴的纵长方向上是位于电枢40的一侧。
[第二实施例及第三实施例]参见图13和图14，除了线圈62与扇区72之间的连接关系、以及各个线圈62之间的连接关系不同之外，第二实施例、第三实施例的结构与第一实施例的结构基本上是对应的。在第一实施例中，在电枢40远离换向器70的那一侧，将各个线圈62的端部连接起来，即在换向器70的外部进行连接。在另一方面，在第二实施例中，是在换向器90中将线圈62的端部与扇区72进行电路连接的，且线圈62的另一端也是在换向器90中相互连接起来的。在第二实施例中的接线关系中，线圈(a1)62与线圈(a2)62、线圈(b1)62与线圈(b2)62、以及线圈(c1)62与线圈(c2)62分别串联到一起。此外，在进行串联之后，这三对线圈再以星形连接的方式连接起来。
在第三实施例中，在换向器92中将线圈62的端部与扇区72连接起来，并在换向器92中将线圈62的另一端相互连接起来。在这样的线圈62电路连接关系中，线圈(a1)62与线圈(a2)62、线圈(b1)62与线圈(b2)62、以及线圈(c1)62与线圈(c2)62分别是串联的。此外，这三对串联线圈62按照Δ接线方式连接起来。
在第二、第三实施例中，线圈62的端部与扇区72之间、以及线圈62的另一端相互之间都是在换向器90和92(对于第三实施例而言)中进行连接的。在这样的结构中，采用了不同的换向器，所以线圈62的接线方法也不同于上述换向器的情况，线圈62的接线方法就要改变。
在本发明上述的多个实施例中，是利用四等分弧形的永磁体30来构成四个磁极的。因而，在燃料泵的外径保持不变的情况下，燃料泵中永磁体30的内径要大于某种燃料泵中永磁体30的内直径，在该燃料泵中，是由两块半弧形的永磁体来构成了两个磁极。另外，由于电枢40的外径很大，所以由绕线架60形成的、用于缠绕匝线的空间就得以加大，所以可在不改变绕组匝数的前提下，增大绕线架上所绕制的匝线的直径。由此，可降低匝线的电阻，从而提高电枢40所产生的扭矩。因而，可以在不增加燃料泵电力输入功率的前提下，增大燃料泵10输送给发电机的燃料量。
在另一方面，如果不需要增大所产生的扭矩，则就可减小绕制匝数。因而可降低线圈62的电感。这样，降低了当电刷78离开换向器70的扇区72时、线圈62中所产生的感应电压。因而，当电刷78离开扇区72时，可防止在相邻扇区72之间、以及扇区72与电刷78之间产生电火花。按照这样的方式，可减小扇区72以及电刷78的磨损。
另外，每个线圈磁芯52都是与中央芯42独立的个体。因而，在按照集中绕制方式对匝线进行缠绕之后，再将磁极线圈部分50安装、固定到中央芯42上。因而，可以规则而容易地在各个磁极线圈部分50的绕线架60上缠绕匝线。这样，就可以提高匝线所占据的空间比。在不需要增大扭矩输出的情况下，可减小为匝线所设置的空间，从而能将燃料泵制得小一些。通过缩短燃料泵10的轴向长度，使燃料泵10易于安装到扁平构造的燃料箱中。
在上述的多个实施例中，沿转动方向，在永磁体30的内表面31与线圈磁芯52的外表面之间形成了一个宽度均匀的气隙。因而，可减小电枢40扭矩输出的波动。另外，由于位于永磁体30内部的、用于可转动地安装电枢40的间隙空间108  作为燃料的流动通道108，所以无须增大燃料泵10的外径就可在燃料泵中为燃料的流动留出通道。此外，由于燃料是在永磁体30的内表面与线圈磁芯52的外表面55之间流动，所以接触阻力是很小的，并使燃料流动平稳，其中的接触阻力可影响到燃料在燃料通道108中的流动。
用于缠绕匝线的绕线架60还作为一磁绝缘子，其隔绝了在转动方向上相邻线圈磁芯52的外表面54之间的磁路。因而，可减少组装电枢40时的部件和工时。在垂直于电枢40轴线的剖面中，由绕线架60形成的、用于缠绕匝线的空间构成了一个大体上为梯形的形状，在从外表面54向中央芯42延伸的方向上，基本为梯形形状的该空间的宽度是渐缩的。电枢40可被制成这样：在转动方向上相邻的各个磁极线圈部分50之间几乎没有形成任何的间隙。因而，在用匝线对绕线架60进行缠绕时，可有效地利用电枢40所占据的空间，从而可增加绕制的匝数。
在上述的实施例中，由永磁体30所形成的磁极数被设定为“四”，且将磁极线圈部分50的数目设定为“六”。除此之外，由永磁体形成的磁极数可以为“二”、“四”一甚至为大于“四”的偶数。另外，希望磁极线圈部分的数目大于由永磁体形成的磁极数。另外，希望磁极线圈部分的数目为偶数，该数目比由永磁体形成的磁极数大“2”。通过使作为抽吸力发生装置的叶轮20转动，就产生了用于从燃料箱中抽吸燃料的吸力。也可以用齿轮泵等其它系统来取代叶轮，以此来作为抽吸力发生装置。