JP2001254693A - 磁気浮上式シールレスポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 目の細かいフィルタを不要とし小型で高効率
のシールレスポンプを得る。 【解決手段】 ポンプ１は、ケーシング１０，インペラ
２０，モータ３０及び磁気軸受４０からなり、インペラ
２０や回転軸３５を含むモータ３０の回転部材及び軸受
部材がケーシング１０の接液部に配設され、固定子３３
を含む他の構成部材がケーシングの隔壁を挟んで大気側
に配設されてシールレスポンプを構成する。背面に界磁
磁石３２を有するインペラ２０は回転軸３５に取り付け
られた磁気軸受４１，４２，４５により液室内に非接触
で浮上支持されており、界磁磁石３２に対向配設された
固定子のコイル３４に通電して回転磁界を発生させるこ
とにより、インペラ２０を回転させて、吸入口１５から
吸引した冷却水をインペラ２０及び渦型室１６を介して
吐出孔１７から吐出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ケーシング内に配
設されたインペラをモータの駆動力により回転させて液
体を吸入・吐出するポンプに関し、なお詳細にはインペ
ラを回転駆動する駆動軸にシール部を持たない、いわゆ
るシールレスポンプの構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールレスポンプは、回転軸のシール部
材を有しないことからメインテナンスフリーであること
や、液室部を完全に密閉構造とすることができることな
どから、長期信頼性が要求される工業製品や、化学薬品
工業などの分野に広く用いられている。シールレスポン
プは種々の型式のものが考案されており、例えば、イン
ペラが接続された回転軸（モータ軸）を接液部内におい
て滑り軸受で回転自在に軸支するとともに、回転軸の外
周に界磁磁石を複数配設し、この界磁磁石と対向するケ
ーシングの隔壁を挟んで大気側に、界磁磁石の外周を覆
うように固定子を円筒状に並べて複数配設し、固定子の
励磁コイルを順次切り替えることにより回転磁界を発生
させてインペラを回転させるポンプがある。

【０００３】回転軸のシール部を持たないシールレスポ
ンプでは、圧送しようとする流体の液中（接液部）に回
転軸の軸受が配設されることになる。このため、潤滑剤
の存在を前提とする転がり軸受は、潤滑剤の流出による
流体汚染の問題や、これに伴って生ずる転がり抵抗の増
大・固着等の問題から、特殊な条件の場合を除いて使用
することができず、一般にフッ素樹脂などの低摩擦係数
の樹脂材料を用いた滑り軸受が使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】滑り軸受では、滑り面
間に砂塵や金属粉等の異物が混入すると軸受部の摩耗が
発生するため、ポンプの吸い込み口側には異物を除去す
るためのフィルタを設ける必要がある。しかしながら、
上記のような滑り軸受における回転軸と軸受部との摺動
面隙間は、直径が10mm程度の回転軸に対して数μｍから
数十μｍ程度しかなく、この隙間に混入する粒径の異物
を液中から除去するために極めて目の細かい（管路抵抗
の大きい）フィルタを使用せざるを得なかった。このこ
とは、同一流量を得るために、より高揚程のポンプが必
要となることを意味し、ポンプの大型化や流量効率の悪
化、フィルタエレメントの交換頻度の増加、あるいはこ
れら問題を生じさせないために濾過面積を拡大させた場
合にはフィルタが大型化するなどの課題を有していた。

【０００５】本発明は上記課題に鑑みて成されたもので
あり、シールレスポンプの利点を生かしながら、より目
の粗いフィルタを用いても摩耗損傷等を受けにくく、小
型のポンプでシステムを構成することができる高効率の
シールレスポンプを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明では、ケーシングとケーシングに取り付けられたモ
ータとこのモータの回転軸に取り付けられてケーシング
の液室内に回転自在に配設されたインペラとを有し、イ
ンペラを回転させることにより液室内の流体を吐出する
ポンプにおいて、モータはインペラの背面に取り付けら
れた界磁磁石と、この界磁磁石と対向して液室の外部に
配設された固定子とを有し、モータの回転軸はケーシン
グの接液部において磁気軸受により回転自在に支持され
るように磁気浮上式シールレスポンプを構成する。

【０００７】上記構成によれば、モータの回転軸はケー
シングの接液部において磁気軸受により回転自在に支持
されており、この軸に取り付けられたインペラの背面に
配設された界磁磁石と、この界磁磁石と対向して液室の
外部に配設された固定子とによりいわゆるディスク型モ
ータが構成され、シールレスポンプが構成される。磁気
軸受は、一般に相反する同極どうし（Ｎ極とＮ極，Ｓ極
とＳ極）を対向させて配設することにより磁気的な反撥
力で軸を軸心に支持する軸受であり、非接触かつ広ギャ
ップ（例えば数mm程度）で軸を支持する。従って、目の
粗いフィルタを用いても摩耗損失を受けにくく、低容量
の小型ポンプでシステムを構成することができる。ま
た、非接触で軸を支持するため滑り軸受のような摩擦損
失がほとんどなく、高効率のポンプを提供することがで
きる。

【０００８】ところで、ポンプの軸受として磁気軸受を
用いた場合には、広ギャップであるが故に負荷変動に対
する軸の振れ量が一般の滑り軸受を用いた場合より大き
くなりやすい。例えば、従来技術で説明したような、界
磁磁石と固定子とが内外周の関係（ラジアル方向で対向
配設される位置関係）にあるモータを用いた場合には、
回転磁界の吸引・反発力により軸が大きく振られて軸振
れが大きくなりやすく、しかもこの軸振れによって界磁
磁石と固定子間の隙間が大きく変動するため安定した回
転運動が困難であり、ポンプ効率のみならずモータ効率
も著しく悪化する事態が発生する。しかし、本発明のよ
うに界磁磁石と固定子とがスラスト方向に対向するディ
スク型モータと組み合わせることにより、上記軸ブレは
殆ど発生することがなく、わずかに発生したとしても界
磁磁石と固定子との間隔がほとんど変化しないためモー
タ効率を悪化させることがない。従って安定した回転で
高効率のシールレスポンプを提供することができる。

【０００９】なお、上記磁気軸受はモータの回転軸を半
径方向から支持するラジアル磁気軸受と、回転軸を軸直
角方向に支持するスラスト磁気軸受とからなることが好
ましい。このような構成によれば、ディスク型モータの
回転磁界によるスラスト方向の吸引力を、スラスト磁気
軸受を設けることによりバランスさせることができ、こ
れによりインペラを一定位置で安定して回転させること
ができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施形態について説明する。本発明に係る磁気浮
上式シールレスポンプの一例として、図１に渦巻きポン
プの断面図を示しており、車両に搭載されてエンジン等
の冷却水を循環させるウォータポンプとして用いられる
例を示す。

【００１１】このポンプ１は、ケーシング１０とこのケ
ーシング１０に取り付けられたモータ３０、モータの回
転軸３５に取り付けられてケーシングの液室内に回転自
在に配設されたインペラ２０、回転軸３５を回転自在に
支持する磁気軸受４０などから構成されており、インペ
ラ２０を回転させることにより図における中央部の吸込
口１５から冷却水を吸い込み、渦型室１６でインペラ２
０を出た流れの速度エネルギを圧力に変換して吐出口１
７から吐出する渦巻きポンプ（ボリュートポンプとも称
する）である。

【００１２】ケーシング１０は、吸い込み口１５，吐出
口１７などを有する第１ケーシング１１と、第１ケーシ
ング１１との間で渦型室１６を形成するとともに、モー
タ３０や磁気軸受４０を保持するハウジングとしての機
能を有する第２ケーシング１２、及びエンドプレート１
３などからなり、このうち第２ケーシング１２は磁気透
過性の良好な材質を用いて形成されている。本実施例に
おいてはポンプの使用環境（車載使用、流体温度など）
を考慮してPPS樹脂やPES樹脂、PSU樹脂などの耐熱性プ
ラスティック材料を用い、必要に応じてグラスファイバ
ーや炭素繊維等の強化繊維を添加して射出成形等の公知
の手法により形成している。なお、第１ケーシング１１
とエンドプレート１３については、上記のようなプラス
ティック材料のほか金属材料を用いて構成することもで
きる。

【００１３】インペラ２０は、上記同様の耐熱プラステ
ィック材料を用い同様の加工手段により形成されてお
り、その回転中心において回転軸３５にナット等の締結
手段で取り付けられている。インペラ２０の背面側には
複数の界磁磁石３２が薄肉円盤状のバックメタル３１を
介して接着や押さえ金具等の固定手段により固定されロ
ータが形成されている。界磁磁石３２，３２…は、図１
におけるII-II矢視図を図２に示すように、図２におけ
る紙面と直交する方向に磁束をもつ複数の扇状の磁石か
らなり、表面の磁極がＮ・Ｓ・Ｎ・Ｓ…となるように交
互に軸対称に取り付けられて、図示する例では８極の磁
極からなるディスク状の界磁磁石を形成している。

【００１４】第２ケーシングの隔壁１２ａを介して界磁
磁石３２と対向する面内に、複数の固定子３３が第２ケ
ーシング１２に固定配設されステータが形成されてい
る。固定子３３，３３…は、図１におけるIII-III矢視
図を図３に示すように、回転軸３５に対して軸対称に取
り付けられ、各固定子に巻き付けられたコイルに通電す
ることにより、図３における紙面に直交する方向にＮ極
またはＳ極の磁束を形成する。そして、図示する例では
６極からなる各固定子に通電するタイミングを、回転軸
３５廻りに調整することにより、右廻りまたは左廻り
（ポンプの設計回転方向）に回転磁界を発生させる。

【００１５】磁気軸受４０は、モータの回転軸３５の外
周部に取り付けられた二対のラジアル磁気軸受け４１，
４２と、回転軸３５の軸端部に取り付けられた一対のス
ラスト磁気軸受４５とからなり、ケーシングの接液部に
設けられたハウジング１８に配設される。ラジアル磁気
軸受４１，４２は、それぞれ回転軸３５に固着された円
筒状の軸側磁石４１ａ，４２ａと、軸側磁石の外周を覆
い第２ケーシング１２の界壁１２ｂに固着された円筒状
のボス側磁石４１ｂ，４２ｂとからなり、ともに円筒の
内外周方向（軸直角方向）に磁束を有する軸側磁石とボ
ス側磁石の同極どうし（Ｎ極どうし、またはＳ極どう
し）が向き合うように取り付けられる。このため、イン
ペラ２０が取り付けられた回転軸３５は、これら二対の
ラジアル磁気軸受４１，４２のそれぞれの反発力によ
り、非接触で軸心を保持してケーシング内に浮上支持さ
れる。磁気浮上時の軸側磁石とボス側磁石との間のギャ
ップは、例えば回転軸の直径が10mm程度の回転軸に対し
て通常2〜3mm程度である。

【００１６】なお、図示するようにラジアル磁気軸受４
１，４２におけるボス側磁石４１ｂ，４２ｂを、軸側磁
石４１ａ，４２ａよりも軸方向に長く形成して軸側磁石
の全体を覆うように配設することが望ましい。このよう
な構成により、両磁石間の反発力で軸側磁石がボス側磁
石から軸方向に飛び出すことを防止することができ、回
転軸３５のスラスト方向位置を安定させることができ
る。

【００１７】さらに、本発明に係るポンプでは回転軸３
５の軸端部には一対のスラスト磁気軸受４５が配設され
ている。この磁気軸受４５は、軸端に固着された軸端磁
石４５ａと、第２ケーシングの端面に固着された端部磁
石４５ｂとからなり、軸方向に延びる磁束の同極どうし
が向き合って反発するように配設されている。これによ
り、固定子コイル３４に通電したときにインペラ２０に
作用する吸引力に反して回転軸３５をスラスト方向に支
持し、これらのバランスを取ることにより一定のスラス
ト方向位置でインペラ２０が安定回転するように非接触
支持する。

【００１８】このように構成されたポンプ１は、インペ
ラ２０や回転軸３５を含むモータ３０の回転部材及び軸
受部材がケーシング１０の接液部内に配設され、固定子
３３を含むモータの他の構成部材がケーシングの隔壁を
挟んで大気側に配設されるシールレスポンプを構成す
る。背面に８極の界磁磁石３２，３２…を有するインペ
ラ２０は、回転軸３５に取り付けられた磁気軸受４１，
４２，４５によりケーシングの液室内に非接触で軸心及
びスラスト方向位置を保持して浮上支持されており、界
磁磁石３２，３２…と対向して配設された６極の固定子
のコイル３４，３４…に所定タイミングで通電して回転
磁界を発生させることにより、インペラ２０を磁力的に
回転させて、吸入口１５から吸引した冷却水をインペラ
２０及び渦型室１６を介して吐出孔１７から吐出させ
る。

【００１９】液室内に配設されるラジアル磁気軸受４
１，４２は、それぞれ軸側磁石４１ａ，４２ａとボス側
磁石４１ｂ，４２ｂとの間において同極間の磁気的反発
力によって回転軸３５を非接触で浮上支持する構成であ
り、非接触であるが故に摩擦損失を発生させることがな
い。さらに、軸側磁石とボス側磁石との間のギャップを
滑り軸受を用いたときの摺動面隙間の百倍〜千倍程度に
することができるため、目の粗いフィルタを用いること
ができ、これによりポンプやフィルタを小型化して高効
率のシステムを構築することができる。

【００２０】なお、以上の実施例では冷却水を循環する
渦巻き型のウォータポンプを例示したが、作動流体は冷
却水に限られるものではなく、例えば潤滑油や作動油、
切削油などの油剤や、飲用水や調味料等の食料品、化学
薬品等においても適宜な材質を用いることにより使用す
ることができる。また、ポンプ型式や段数についても単
段渦巻きポンプのみならず、多段のディフューザポンプ
（ターボポンプ）などにも適用することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明ではケーシ
ングに取り付けられたモータと、このモータの回転軸に
取り付けられてケーシングの液室内に回転自在に配設さ
れたインペラとを有するポンプにおいて、モータはイン
ペラの背面に取り付けられた界磁磁石と、この界磁磁石
と対向して液室の外部に配設された固定子とを有し、モ
ータの回転軸はケーシングの接液部において磁気軸受に
より回転自在に支持して磁気浮上式シールレスポンプを
構成する。磁気軸受は非接触かつ広ギャップで軸を支持
することができるため目の粗いフィルタを用いることが
でき、これにより小型のポンプを用いてシステムを構成
することができる。また、非接触で軸を支持するため摩
擦損失がほとんどなく、高効率のポンプを提供すること
ができる。

【００２２】また、磁気軸受とディスク型モータとを組
み合わせることにより、回転軸の軸ブレを殆ど発生させ
ることがなく、モータ効率を悪化させることもない。従
って安定した回転で高効率のシールレスポンプを提供す
ることができる。

【００２３】なお、磁気軸受はモータの回転軸を半径方
向から支持するラジアル磁気軸受と、回転軸を軸直角方
向に支持するスラスト磁気軸受とからなることが好まし
い。このような構成によれば、ディスク型モータの回転
磁界によるスラスト方向の吸引力を、スラスト磁気軸受
でバランスさせることができるため、インペラを一定位
置で安定して回転させることができる高効率のシールレ
スポンプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁気浮上式シールレスポンプの好
ましい実施形態を示す断面図である。

【図２】図１においてII-II矢視で示す界磁磁石の正面
図である。

【図３】図１においてIII-III矢視で示す固定子の正面
図である。

【符号の説明】

１ ウォータポンプ（磁気浮上式シールレスポンプ） １０ ケーシング １６ 渦型室（液室） １８ ハウジング（接液部） ２０ インペラ ３０ モータ ３２ 界磁磁石 ３３ 固定子 ３４ コイル ３５ 回転軸 ４０ 磁気軸受（４１，４２ ラジアル磁気軸受、４５
スラスト磁気軸受）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシングと前記ケーシングに取り付け
   られたモータと前記モータの回転軸に取り付けられて前
   記ケーシングの液室内に回転自在に配設されたインペラ
   とを有し、前記インペラを回転させることにより前記液
   室内の流体を吐出するポンプにおいて、 前記モータは、前記インペラの背面に取り付けられた界
   磁磁石と、前記界磁磁石と対向して前記液室の外部に配
   設された固定子とを有し、 前記モータの回転軸は、前記ケーシングの接液部におい
   て磁気軸受により回転自在に支持されることを特徴とす
   る磁気浮上式シールレスポンプ。
2. 【請求項２】 前記磁気軸受は、前記モータの回転軸を
   半径方向から支持するラジアル磁気軸受と、前記回転軸
   を軸直角方向に支持するスラスト磁気軸受とからなるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上式シールレス
   ポンプ。