CN204493206U - 电动机一体型叶轮系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种电动机一体型叶轮系统，其由电动机和叶轮一体化而构成，该电动机一体型叶轮系统在轴向上至少具有两个具有轴向面的转子，其中一个转子与另一个转子被分隔壁分隔，一个转子构成电动机部，另一个转子构成叶轮部。

Description

电动机一体型叶轮系统
技术领域
本实用新型涉及与具备在轴向上具有间隙的轴向间隙转子的电动机、发电机一体化地构成的电动泵、水轮发电机、空调用风扇等具有叶轮的系统。
背景技术
近年来，在工业用设备、家电产品、汽车部件等中，越发重视节能化的必要性。当前，在国内使用的电力使用量中的一半以上被旋转电机的驱动所消耗。其中，在电动化等的用途中，通过电动进行驱动的泵、风扇等具有叶轮的系统用途占据7成以上。另外，在发电用途中，也利用水轮发电机等利用叶轮的系统。
电动驱动的一般的泵为如下结构：电动机和泵部通过轴结合，利用电动机作为驱动源。在该情况下，在轴向上必须构成联轴器等的结合部件，所以，存在成为轴向上的尺寸变长的结构的问题。在要缩短该轴向上的尺寸的情况下，将电动机的轴与叶轮直接连结而构成的泵一体型(JOVD形)等的结构也正在被产品化。但是，泵部充填有水等的液体，因此叶轮进行旋转的泵室需要进行密封，使得液体不向外部泄漏。在泵一体型中，也为利用泵室与电动机之间的空间进行该密封的结构。作为进行封闭使得液体不泄漏的结构，采用配置橡胶状部件的O型圈(O ring)、油封(oil seal)的结构等，但是隔着轴等的旋转体进行密封的结构存在需要进行定期维护(maintenance)的缺点。所以，在专利文献1、专利文献2中，提出了使泵室和电动机一体化，利用分隔壁将电动机的定子电气部和填充有液体的泵室分开的结构。在电动机的定子与转子之间设置有由非磁性材料形成的分隔壁，由此形成不需要旋转部的密封的结构。但是，该方法在定子与转子之间需要较大的间隙尺寸，因此，存在将在定子侧产生的磁通向转子侧传导时的损失变大，导致电动机和泵的综合效率降低的问题。
另一方面，在这些系统中所使用的电动机、发电机中，铁心部能够使用软磁材料，来降低该铁心部的损失，这成为实现这些产品的高效率化的方法。另外，作为另外的效率提高对策具有如下方案：通过使用磁力高的永磁铁，使每规定电流的磁铁转矩增加，能够以低电流获得所需转矩，减少电流导致的导体的焦耳热引起的损失(铜损)。然而，近年来的背景是，随着稀土的价格高涨，磁力高的磁铁的利用变得困难。于是，需要即使利用磁力弱的磁铁也能够提高效率的方法。作为永磁铁电动机的高效率化的方法，能够列举专利文献3。在专利文献3中提出了这样一种结构的电动机：该电动机采用永磁铁电动机所使用的软磁材料使用低损失的非晶(amorphous)的轴向间隙型的电动机，并且作为为了减少铜损而增加永磁铁的容量的结构，将轴向的2个面设为转子。
在将该轴向间隙型电动机应用于具有泵等的叶轮的系统实现高效率化、小形化的情况下，采用在输出轴上直接配置叶轮的结构时，使直径大的圆板在液体中旋转，由此圆板的摩擦损失变大，导致效率的降低。另外，采用从圆板突出输出轴的结构时，存在上述的如通常的泵那样在轴向上变长和必须对与泵部之间的轴进行密封的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2009－077531号公报
专利文献2：日本国特许第4828751号公报
专利文献3：日本国特开2010－115069号公报
实用新型内容
实用新型想要解决的技术问题
在上述专利文献1和2中公开的结构的泵系统中，定子与转子之间的间隙变宽，所以，作为定子至转子间的磁通的流动容易度的指标的磁阻增加，引起电动机效率降低的问题。另外，在专利文献3中公开的在提高电动机效率的轴向间隙结构的泵系统等的应用中，圆板的直径较大，所以存在有可能圆板摩擦损失增大而导致泵效率降低的问题。
本实用新型的目的在于提供一种具有轴向间隙型的叶轮的系统，该叶轮无需扩大间隙就能实现填充有油液体等的叶轮室与电动机的隔离，确保电动机的高效率化，应用轴向间隙结构，提高电动机自身的效率，无需增加泵等的叶轮直径，具有高的可靠性和系统效率。
用于解决问题的技术方案
根据本实用新型的方式，本实用新型的第一方面的电动机一体型叶轮系统由电动机和叶轮一体化而构成，该电动机一体型叶轮系统在轴向上具有至少两个具有轴向面的转子，其中一个转子通过分隔壁与另一个转子分隔，一个转子构成电动机部，另一个转子构成叶轮部。
作为具体的结构，为了增加磁铁的容量，在大径化构成的轴向间隙型旋转电机的轴向两面具有转子的轴向间隙旋转电机中，在转子中任一者的轴向的与定子相反侧的面，在周向上配置作为多个极的磁铁，在传递转矩的叶轮侧的轴向电动机侧面也配置相同极数的磁铁，形成彼此的磁铁相向地配置的转子间利用作为非磁性部件的非导电性的分隔壁隔开的结构，形成利用磁铁的相斥相吸以非接触的方式传递转矩的结构。
通过采用上述的结构，旋转电机能够构成为能够提高效率的轴向间隙型，叶轮侧和旋转电机侧用分隔壁分隔，因此，成为只有叶轮侧被由叶轮搬送的液体充填的结构，能够实现不增大轴向间隙型旋转电机侧的转子圆板摩擦损失的结构。另外，旋转电机部分独立地构成，因此，作为电动机的定子与转子间的间隙(gap)被保持在适当程度，因此，能够实现不会降低电动机的效率的结构。
本实用新型的第二方面的电动机一体型叶轮系统，其在第一方面的电动机一体型叶轮系统中，具有在轴向上具有一个定子和两个转子的轴向间隙电动机，在其中一侧的转子的与定子侧相反侧的面配置转矩传递用的磁铁，向配置在用分隔壁隔开而形成的室内的具有磁铁的叶轮以非接触的方式传递转矩。
本实用新型的第三方面的电动机一体型叶轮系统，其在第二方面的电动机一体型叶轮系统中，电动机的转矩传递侧的面的磁铁采用无磁轭的结构。
本实用新型的第四方面的电动机一体型叶轮系统，其在第二方面 的电动机一体型叶轮系统中，构成所述轴向间隙电动机的磁铁与配置于叶轮的磁铁的内外径不同。
本实用新型的第五方面的电动机一体型叶轮系统，其在第二方面的电动机一体型叶轮系统中，采用如下结构：构成非磁性、非导电性的分隔壁和设置于该分隔壁的叶轮旋转保持用固定轴，利用设置在叶轮内周部的滑动轴承，实现旋转方向、推力方向上的可旋转的保持。
本实用新型的第六方面的电动机一体型叶轮系统，其在第二方面的电动机一体型叶轮系统中，叶轮部被实施用于防锈的涂敷。
实用新型效果
根据本实用新型，扩大旋转电机的间隙，不降低电动机的效率，不增加圆板摩擦损失，因此，能够构成具有效率高且在轴向上具有薄型的泵等的叶轮的系统。另外，能够构成转子直径能够取大的轴向间隙型电动机，所以，即使不使用具有稀土的强力磁铁，也能够利用磁力弱的廉价的磁铁构成具备高效率的旋转电机的叶轮驱动系统。
附图说明
图1是说明本实用新型的叶轮驱动系统的横截面图。
图2是表示在本实用新型的轴向两面具有磁铁转子的轴向间隙型旋转电机部的结构的立体图。
图3(a)～图3(d)是表示本实用新型的轴向两面具有磁铁转子的轴向间隙型旋转电机部的铁心结构的图。
图4(a)～图4(d)是表示本实用新型的轴向两面具有磁铁转子的轴向间隙型旋转电机部的转矩传递侧转子结构的图。
图5(a)～图5(b)是表示本实用新型的叶轮驱动系统的叶轮侧转子的结构的立体图。
图6(a)～图6(b)是表示本实用新型的叶轮驱动系统的具有叶轮侧转子和分隔壁的壳体结构的立体图。
图7(a)～图7(c)是表示在本实用新型的轴向两面具有磁铁转子的轴向间隙型旋转电机部的转矩传递侧转子结构的第二实施方式的图。
图8(a)～图8(f)是说明本实用新型的叶轮驱动系统中作为以非 接触的方式传递转矩的转子结构的各种图案(pattern、样式)的横截面图。
具体实施方式
以下，参照附图对本实用新型的实施例进行说明。
实施例1
以下利用图1和图2说明本实用新型的第一实施例。
图1表示本实用新型的由轴向间隙型电动机和叶轮一体化而构成的叶轮驱动系统的横截面图。另外，图2以立体图表示该叶轮驱动系统的轴向间隙型电动机部的结构。
轴向间隙型电动机在周向上具有多个铁心1，由围绕该铁心1卷绕导体而形成的线圈2构成定子100。定子配置在轴向中央，构成为在该轴向两侧具有两个转子的结构。与输出侧相反侧的转子采用与输出侧相反侧的转子磁铁12隔着与输出侧相反侧的转子磁轭11保持在与输出侧相反侧的转子10的结构。在该实施例中形成为如下结构：磁铁分割地配置在周向上，在磁铁与磁铁之间配置有磁铁间定位部件13。在与输出侧相反侧的转子10的中央部，设置用于插入固定旋转电机部轴5的孔，而与旋转电机部轴5固定结合。旋转电机部轴5以可旋转的状态被保持于可旋转地配置在设置于定子100的内侧的轴承保持部4的轴承6，与输出侧的转子20结合。输出侧转子20为和与输出侧相反侧的转子10相同的结构，由输出侧转子磁轭21、输出侧转子磁铁22、磁铁间定位部件23构成，输出侧转子磁铁22在定子侧的面以与定子100相对的方式配置，构成转子10、20能够旋转的轴向间隙型电动机。
并且，在输出侧转子20，在不与定子100相对的面，即配置叶轮16的一侧的面，配置有在周向上被磁化为多个极的输出侧转子转矩传递侧磁铁24。采用如下结构：在该输出侧转子转矩传递侧磁铁24与叶轮16之间配置有与保持轴向型电动机的定子100的外周部(定子保持部3)的壳体7一体地构成的壳体分隔壁7a，轴向型电动机部和叶轮16部为空间被分隔的结构。该壳体分隔壁7a为非导电体，优选由非磁性材料构成。但是，当该壳体分隔壁7a构成为较薄时，用塑料等树脂材料不能确保强度，因此有时由不锈钢等的非磁性金属构成。壳体分 隔壁7a中，在中央部设置叶轮部轴9，由相对于该轴设置在叶轮16的内周部的叶轮部轴承8保持为能够旋转。叶轮16的推力(thrust)方向为用叶轮紧固部垫圈18、叶轮紧固用螺母15将设置在叶轮部轴9的前端的螺栓部固定的结构。另外，在该叶轮16的电动机侧、即叶轮侧转子30的壳体分隔壁7a侧的面，配置有与设置在电动机部的输出侧转子转矩传递侧磁铁24同样的极数的叶轮侧转子磁铁32，形成与叶轮16一体化的结构。由此，利用输出侧转子转矩传递侧磁铁24与叶轮侧转子磁铁32的吸引力以非接触的方式传递转矩。能够利用该磁耦合传递的转矩，因为永磁铁与永磁铁相对能够增大气隙磁通(gap flux)，所以，能够传递比电动机部大的转矩。因此，即使在具有隔着壳体分隔壁7a的较大的间隙的结构中，也能够在一面上传递电动机部产生的转矩。另外，由于上述的原因，也能够根据需要减小非接触转矩传递面的面积。
在图1所示的实施例中，叶轮16侧的叶轮侧转子磁铁32为与输出侧转子转矩传递侧磁铁24相比直径较小的例子。通过采用上述的结构，能够利用壳体分隔壁7a将叶轮16搅拌着水、油、空气等的流体做功的室与电动机部分隔，因此能够减小轴向间隙电动机部的两个转子圆板产生的圆板摩擦损失。
图3(a)～图3(d)表示电动机部的铁心的结构不同的实施例。图3(a)表示在周向上层叠电磁钢板、或铁基非晶、FINEMET(一种软磁合金)、纳米晶体材料等的箔带而形成的结构的铁心。另外，图3(b)是利用压粉磁心、对铁氧体(ferrite)等的粉末进行压缩成形而形成的铁心的例子。图3(c)示出了表示在周向上层叠电磁钢板、或铁基非晶、FINEMET(一种软磁合金)、纳米晶体材料等的箔带而形成的结构的铁心的这种铁心构成为长方形截面的例子。图3(d)表示对图3(a)至图3(c)所示的软磁材料的铁心赋予了方向性的铁心。在本实用新型的轴向间隙电动机中，磁通仅在轴向上流动，因此为在该方向上赋予了各向异性的结构。像这样，本实用新型的轴向间隙电动机中，能够利用特殊的磁性材料，因此能够能将电动机的效率设置得非常高。
图4(a)～图4(d)用立体图表示输出侧转子的详细结构。图4 (a)表示从输出侧转子转矩传递侧磁铁24的面观看输出侧转子的立体图。输出侧转子形成为利用输出侧转子转矩传递侧磁铁24和输出侧转子磁铁22夹着铁或者铝、不锈钢等的结构用部件20a的结构。图4(b)表示从相反面观看图4(a)所示的结构时的立体图。在与电动机侧相对的面，在周向上配置有多个输出侧转子磁铁22，在其间配置有定位部件23。采用该结构的原因是因为在电动机部中，需要采用降低铁心1与磁铁之间产生的齿槽转矩(cogging torque)、转矩脉动的结构。本实施例的磁铁形状构成为在周向为大致扇形，呈其两侧的展开角度不同的形状。通过形成为这种形状，能够降低转矩脉动。在本实施例中，磁铁的形状采用这种形状，但是也可以在甜甜圈(donuts)状的磁铁通过磁化形成为这种形状。图4(c)表示截面图。由截面图可知，采用在磁铁22与结构用部件20a之间夹着甜甜圈状的磁轭21的结构。该磁轭需要由软磁材料构成，因此通过卷绕非晶箔带或电磁钢板而构成，或者由将粉末状的软磁材料压缩成形而形成的压粉磁心构成。图4(d)表示输出侧转子转矩传递侧磁铁24由与轴向间隙电动机的转子相比直径小的转子磁铁24构成的例子。如上所述，非接触地传递转矩的一侧的磁铁为磁铁与磁铁相对地(相向地)同步旋转的结构，因此能够以比电动机部小的面积传递较大的转矩。
图5(a)～图5(b)表示叶轮部分的结构。图5(a)是从叶轮侧观看的立体图。叶轮16为在周向上具有多个叶片的结构，具有搅拌水、空气、油等的介质产生流动的作用。采用在该叶轮的与电动机侧相对的面配置有叶轮侧转子磁铁32的结构。图5(b)表示从该磁铁侧的面观看的立体图。配置在叶轮侧转子30的面的叶轮侧磁铁32形成为甜甜圈状，成为在其内侧部配置有滑动轴承的结构。
图6(a)～图6(b)是表示具有壳体分隔壁7a的壳体7和叶轮16的关系的立体图。在分隔壁的中心，金属或树脂制的叶轮侧轴9与壳体构成为一体。该轴为与壳体相同的部件的树脂成形、金属等的轴部件在如图6(b)所示对由树脂构成的壳体7进行成形时通过嵌入成型(insert mould)构成为一体的结构。壳体分隔壁7a的磁铁相对的部分设得尽可能薄，轴固定部设得厚，设为只有磁铁相对面变薄的结构。相对于这种轴一体的壳体部，如图6(a)所示，采用如下结构：隔着 滑动轴承8将叶轮16可旋转地保持于轴9，利用垫圈18、螺母15在推力方向上进行固定。
实施例2
接着，利用图7(a)～图7(c)说明本实用新型的第二实施例。
在第一实施例中，示出了输出侧转子由2种磁铁构成的例子。图7(a)～图7(c)表示将该两个磁铁共用化的例子。图7(a)用立体图表示输出侧转子的结构。在转子的结构部件20a，设置用于保持磁铁的孔，将具有与该孔相同的形状的磁铁22插入固定而作为转子。转子的外观为如图7(b)所示的结构。图7(c)表示在使用该转子时的系统整体的横截面图。与图1的不同点仅在于输出侧转子。与图1所示的第一实施例相比，输出侧转子20没有磁轭21、磁铁定位用部件23，与此相应地能够实现低成本化和薄型化。但是，在该情况下，叶轮侧转子需要与电动机磁铁的极数相同。
实施例3
接着，利用图8(a)～图8(f)说明本实用新型的第三实施例。
图8(a)～图8(f)表示输出侧转子和叶轮侧转子的结构的组合图案(样式)。图8(a)表示图1所示的实施例的结构。输出侧转子20的内部具有甜甜圈状的磁轭部21，在电动机侧的面配置有输出侧磁铁22，在其相反面配置有甜甜圈形状的输出侧转子转矩传递侧磁铁24。结构如下：隔着分隔壁(未图示)与叶轮侧转子30相对，在输出侧转子转矩传递侧磁铁24的相对面配置有甜甜圈形状的叶轮侧磁铁32。这些叶轮侧转子32比输出侧磁铁22小。图8(b)表示同样的结构。输出侧磁铁22和叶轮侧转子32为相同的形状。在该形状中，磁力增加，由此可预料到传递转矩增加，因此，能够增大分隔壁部的间隙。图8(c)表示采用在叶轮侧转子侧也具有软磁材料的磁轭31的结构的例子。叶轮侧的转子配置在水、油等的制冷剂(冷媒)中，因此与使用铁等容易生锈的部件相比，优选使用铝、不锈钢等的防锈材料。因此，在使用非磁性材料的情况下，需要另外设置磁轭。磁轭使用上述的材料，配置在磁铁的背侧面，防止生锈。图8(d)表示输出侧转子转矩传递侧磁铁24设得比电动机部(转子)直径小、且叶轮侧磁铁32也同样设得小的例子。根据需要的转矩，能够采用这种结构。图8(e) 仅表示叶轮侧转子。如上所述，需要进行防锈，因此示出转子部分整体由能够防锈的材料进行涂敷的结构。图8(f)表示用树脂将叶轮与磁铁32、磁轭31、滑动轴承8一体化构成的例子。其特征在于采用如下结构：叶轮自身为树脂制，在利用模具成形其形状时，通过将磁铁之外的部件嵌入成型(insert mould)而一体化，也能够应对防锈。
产业上的可利用性
本实用新型的轴向型结构的与电动机一体化而形成的叶轮驱动系统能够应用于以小型、高效率为目的的广泛用途中。具体而言，使用本实用新型的轴向间隙电动机一体的叶轮的系统，能够广泛用于工业用泵、压缩机、工业用风扇、小水力用途水轮发电系统、车载用电动水泵、车载用电动油泵、家电用泵、家电用鼓风机等一般的旋转机系统以及使用叶轮的驱动、发电系统。
上面，说明了各种实施方式和变形例，但是本实用新型不限定于这些内容。在本实用新型的技术思想的范围内考虑的其它的方式也包含于本实用新型的范围内。
下面的优先权基础申请的公开内容作为引用文援引于本文中。
日本国专利申请2012年第016042号(2012年1月30日申请)

Claims (6)

1.一种电动机一体型叶轮系统，其由电动机和叶轮一体化而构成，所述电动机一体型叶轮系统的特征在于：
在轴向上具有至少两个具有轴向面的转子，其中一个转子通过分隔壁与另一个转子分隔，所述一个转子构成电动机部，所述另一个转子构成叶轮部。
2.如权利要求1所述的电动机一体型叶轮系统，其特征在于：
具有在轴向上具有一个定子和两个转子的轴向间隙电动机，在其中一侧的转子的与定子侧相反侧的面配置转矩传递用的磁铁，向配置在用分隔壁隔开而形成的室内的具有磁铁的叶轮以非接触的方式传递转矩。
3.如权利要求2所述的电动机一体型叶轮系统，其特征在于：
电动机的转矩传递侧的面的磁铁采用无磁轭的结构。
4.如权利要求2所述的电动机一体型叶轮系统，其特征在于：
构成所述轴向间隙电动机的磁铁与配置于叶轮的磁铁的内外径不同。
5.如权利要求2所述的电动机一体型叶轮系统，其特征在于，采用如下结构：
构成非磁性、非导电性的分隔壁和设置于该分隔壁的叶轮旋转保持用固定轴，利用设置在叶轮内周部的滑动轴承，实现旋转方向、推力方向上的可旋转的保持。
6.如权利要求2所述的电动机一体型叶轮系统，其特征在于：
叶轮部被实施用于防锈的涂敷。
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