JP2004116335A

JP2004116335A - 深井戸用水中ポンプ

Info

Publication number: JP2004116335A
Application number: JP2002278405A
Authority: JP
Inventors: Shingo Kitamura; 北村　慎悟; Toshiya Nishikawa; 西川　俊也; Toru Shimomura; 下村　徹
Original assignee: Kusatsu Electric Co Ltd
Current assignee: Kusatsu Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】本発明は、スイッチドリラクタンスモータを深井戸用水中ポンプに使用する上での問題点である、スイッチドラクタンスモータ部分の気密性を維持しつつ、深井戸用水中ポンプの信頼性の向上を図ることを課題とする。
【解決手段】気密性が維持されたスイッチドリラクタンスモータ１２ａで構成され、スイッチドリラクタンスモータ１２ａの回転子２０が主軸１４に連結された電動機部１２と、複数の翼４２ａが回転軸３８に対して渦巻き状に配置されたインペラ４２で構成され、水を回転軸３８に対して垂直方向に加圧するポンプ部３０と、電動機部１２の主軸１４と、ポンプ部３０の回転軸３８とを連結するための軸継手部５６とを含む構成を採用することにより課題を解決している。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中深く沈められる深井戸用水中ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
深い井戸の水を地上に汲み揚げる深井戸用水中ポンプは、電動機の回転を複数段設けられたインペラに伝達し、この複数段のインペラで水を加圧することで、地上に水を汲み揚げるために必要な圧力を得ている（例えば、特許文献１参照）。また、この電動機としては、通常、誘導電動機、永久磁石回転式電動機等が用いられるが、これらの電動機は構造上の問題から高速回転が難しく、また、高速で回転したとしても効率が低下するなどの欠点を有している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−０５４５９０公報
【０００４】
従来の深井戸用水中ポンプはインペラが複数段設けられることにより、深井戸用水中ポンプの全長が長くなり、重量が重くなる。よってポンプを井戸に施設する際に取り扱いが悪かった。また、インペラを複数段設けることは、部品数が多くなる。この部品数が多いことは、製品の製造コストが高くなることや、故障の原因にもなっている。
【０００５】
また、深井戸用水中ポンプは、その製品の特性上、他の水中ポンプに比べ高い信頼性が要求される。これは、水中ポンプを深い井戸の底部に施設するため、容易に保守点検を行うことが出来ないからである。
【０００６】
モータの一種に、原理的に回転子に永久磁石や巻線がなく、モータ構造が簡単、安価、機械的に堅牢、回転子の高速回転が可能なことで知られるスイッチドリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータと略す）がある。しかし、このＳＲモータは、上記のような利点があるが、その構造による特性上、運転中の騒音と振動が激しく、製品として使用されるケースは少なかった。
【０００７】
このＳＲモータを、深井戸用水中ポンプを駆動させる電動機として使用した場合、高速運転が可能なため、インペラの段数を削減でき、水中ポンプの全長を短くすることができる。さらに、深井戸用水中ポンプを駆動させる電動機としてＳＲモータを使用した場合、構造がシンプルなことから故障が発生しにくい。また、深井戸用水中ポンプは地下深く沈められることから、騒音や振動に関して、必要以上に考慮する必要がない。
【０００８】
しかし、深井戸用水中ポンプの電動機としてＳＲモータを用いるためには、ＳＲモータとしての効率を落とさず、ＳＲモータの気密性を維持する必要がある。従来の水中ポンプに用いられているキャンドモータのように、ステータギャップ面を金属の円筒で覆うならば、ＳＲモータの場合は、ロータとステータとのギャップが大きくなるため、ＳＲモータの効率が低下する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＳＲモータを深井戸用水中ポンプに使用する上での問題点である、スイッチトラクタンスモータ部分の気密性を維持しつつ、深井戸用水中ポンプの信頼性の向上を図ることを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は水中に沈められる深井戸用水中ポンプであって、気密性が維持されたＳＲモータの回転子が主軸に連結された電動機部と、主軸に回転可能な方向が一致した回転軸に対して、複数の翼が渦巻き状に配置されたインペラで構成され、水を回転軸に対して垂直方向に加圧する加圧手段と、電動機部の主軸と、ポンプ部の回転軸とを連結するためのマグネットカップリングとを含む構成を採用することにより課題を解決している。この構成を採用することにより、ＳＲモータの気密性が維持された深井戸用水中ポンプを提供することができる。
【００１１】
また、本発明は、上述の加圧手段が、複数の翼が回転軸に対して渦巻き状に配置されたインペラと、該インペラにより加圧された水を回転軸に対して垂直方向に導くため、該インペラに相対して配置されたガイドベーンとで構成され、水を回転軸に対して垂直方向に加圧するポンプ部を含む構成を採用している。この構成を採用することにより、ＳＲモータを電動機に使用した深井戸用水中ポンプを提供することができる。
【００１２】
また、本発明は、上述のマグネットカップリングが、駆動マグネットが配置された駆動マグネットフォルダと、従動マグネットが配置された従動マグネットフォルダと、駆動マグネットフォルダと従動マグネットフォルダとの間に隙間を空けて配置された内部ケーシングとを含む構成を採用することにより課題を解決している。この構成を採用することにより、ＳＲモータ部分の気密性を維持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。図１は本発明による深井戸用水中ポンプ１０の断面図である。本発明による深井戸用水中ポンプ１０は、電動機部１２とポンプ部３０とマグネットカップリング５６とにより構成される。
【００１４】
電動機部１２は図２に示すように、気密性が維持されたＳＲモータ１２ａで構成されている。また、ポンプ部３０は図５に示すように、複数の翼４２ａが回転軸３８に対して渦巻き状に配置されたインペラ４２と、このインペラ４２により加圧された水を回転軸３８に対して垂直方向に導くため、このインペラ４２と同軸に縦方向に相対して配置されたガイドベーン４８により構成されている。また、マグネットカップリング５６は図８に示すように、マグネットカップリング５６の一方には、電動機部１２の主軸１４が連結され、他方にはポンプ部３０の回転軸３８が連結されている。本実施の形態においては、固定子のことをステータコア１８、回転子のことをロータコア２０と表現する。
【００１５】
電動機部１２を構成するＳＲモータ１２ａは、図２、図３で示すように有底筒状の外部ケーシング１６の内側に、６極の凸状の突起を有するステータコア１８が配置され、ステータコア１８の内側に４極の凸状の突起を有するロータコア２０が配置されている。このスタータコア１８とロータコア２０は共に向かい合う突極歯構造をなしている。ステータコア１８及びロータコア２０はケイ素銅板を打ち抜き、軸方向に積み重ねることで形成されている。このステータコア１８の各極にはそれぞれ独立した相巻線２２が巻かれている。各々の巻線方向はステータコア１８の向かい合う２つの磁極のうち一方がＮ極、他方がＳ極となるように逆方向に巻かれている。ロータコア２０に電動機部１２の主軸１４が連結されている。
【００１６】
このＳＲモータ１２ａの主軸１４は、図２に示すように、両端がボールベアリング２４によって軸支されている。このボールベアリング２４はブラケット７４を介して外部ケーシング１６に固定されている。このボールベアリング２４を用いることにより、ＳＲモータ１２ａの耐久性を向上させることができる。また、汎用性の高いボールベアリング２４を用いることにより、ＳＲモータ１２ａ自体の製品コストを低下させることができる。
【００１７】
また、図２、図３に示すように、このＳＲモータ１２ａのロータコア２０における各突極の間には熱硬化性の樹脂２６が充填されている。これにより、ロータコア２０における各突極間の隙間が埋められる。よって、ロータコア２０が高速に回転することによる風損や騒音を低減させることができる。
【００１８】
また、ステータコア１８、巻線２２等にも樹脂２６がほどこされている。これは、ステータコア１８等の強度を向上させるためであると共に、ＳＲモータ１２ａの内部に水が浸入した場合であっても、電気的に短絡させないためである。
【００１９】
また、ＳＲモータ１２ａを構成するロータコア２０の形状は図３で示した形状に限定されない。例えば、図４に示すように、各突極の間に楔形状の凹部２８を設けてもよい。これにより、ロータコア２０が高速で回転する遠心力により、樹脂２６がロータコア２０から剥離することを防止することができる。
【００２０】
図５に示すようにポンプ部３０は、ハウジング３２により形成されるポンプ室４０を有する。このポンプ室４０は、井戸の水を取込む吸引室４０ａと、水を加圧する加圧室４０ｂと、水を排出する吐出室４０ｃにより構成される。
【００２１】
この吸引室４０ａには、この吸引室４０ａを形成するハウジング３２の一部を矩形に切り欠くことで形成された吸込み口３４が設けられている。また、ポンプ室４０の軸中心には、このポンプ室４０に回転自在に軸支された回転軸３８が設けられている。また、この回転軸３８にはインペラ４２が固定されている。インペラ４２に相対した位置には、軸中心に回転軸３８が回転自在に結合されたガイドベーン４８が配置されている。吐出室４００ｃには、水を外部に放出するための吐出し口３６が設けられている。
【００２２】
回転軸３８は、吸引室４０ａを形成するハウジング３２に、滑り軸受５２を介して軸支されている。吸込み口３４は、このハウジング３２の側面に３箇所設けられている。吐出し口３６は吐出室４０ｃにおける回転軸３８方向に設けられている。吸込み口３４から吸引室４０ａ内に入り込んだ水が、インペラ４２の回転により加圧され、ガイドベーン４８を介して吐出し口３６から外部に放出される。
【００２３】
ポンプ部３０を構成するインペラ４２は、図６に示すように、６枚の翼４２ａが回転軸３８を中心に渦巻き状に配置されている。インペラ４２の軸中心に回転軸３８が連結されている。インペラ４２における回転軸３８の近傍には、水の導入口４４が設けられている。また、インペラ４２における外周側には水の排出口４６が設けられている。インペラ４２が図６において回転軸３８を中心に右に回転することにより、吸引室４０ａ内部の水が導入口４４からインペラ４２内部に入り、インペラ４２が回転することによる遠心力により水が加圧され、排出口４６から水が加圧室４０ｂに放出される。
【００２４】
ポンプ部３０を構成するガイドベーン４８は、このガイドベーン４８の軸中心が回転軸３８に対して回転自在に軸支されている。このガイドベーン４８は、インペラ４２と相対して加圧室４０ｂの内壁に固定されている。このガイドベーン４８には、図７に示すように７枚の略くの字型の翼４８ａが回転軸３８を中心に放射状に配置されている。インペラ４２から加圧室４０ｂ内に放出された水が、ガイドベーン４８の外周側から７枚の翼４８ａによってガイドベーン４８の内側に導かれ、吐出室４０ｃに放出される。
【００２５】
インペラ４２によって加圧される前の吸引室４０ａ内における水の圧力と、インペラ４２によって加圧された加圧室４０ｂ内の水の圧力とは相当異なる。そこで、図５に示すように、インペラ４２で加圧された加圧室４０ｂ内の水を、再び吸引室４０ａ内に逆流させないために、インペラ４２における回転軸３８近傍と加圧室４０ｂの内壁との間に、ゴム製のシール５０が設けられている。
【００２６】
ポンプ室４０の軸中心に回転軸３８を軸支するために用いられている滑り軸受５２には、潤滑液に水を使用するため、軸方向に溝５４が設けられている。これにより、回転軸３８を高速で回転させることによる、滑り軸受５２の磨耗を防いでいる。
【００２７】
図８に示すように、マグネットカップリング５６は、筒状のマグネットケース５８の内側に、有底円筒状の駆動マグネットフォルダ６０が配置され、駆動マグネットフォルダ６０の内側に、内部ケーシング６８を介して従動マグネットフォルダ６４が配置される構成を採用している。
【００２８】
駆動マグネットフォルダ６０は軸中心において電動機部１２の主軸１４に連結されている。駆動マグネットフォルダ６０の内周面には、駆動マグネット６２が環状に配置されている。駆動マグネットフォルダ６０の内側には、この駆動マグネットフォルダ６０の内側に隙間を空けて嵌り込む有底筒状の内部ケーシング６８が設けられている。この内部ケーシング６８とマグネットケース５８が気密接合され、このマグネットケース５８とＳＲモータ１２ａの外周を覆う外部ケーシング１６とが気密接合されることでＳＲモータ１２ａの気密性が維持されている。
【００２９】
内部ケーシング６８の内側には、軸心に突起したボスを有する有底円筒形状の従動マグネットフォルダ６４が、内部ケーシング６８と隙間を空けて配置されている。従動マグネットフォルダ６４のボス部７０にマグネットヨーク７２が接合されており、このマグネットヨーク７２の外周面と従動マグネットフォルダ６４の内周面との間に、駆動マグネット６２と対向した従動マグネット６６が環状に配置されている。この駆動マグネット６２と対向する従動マグネット６６は、互いに引き合う磁極が配置されている。この従動マグネットフォルダ６４の軸中心にポンプ部３０の回転軸３８が連結されている。
【００３０】
このマグネットカップリング５６は、駆動マグネット６２が回転すると、内部ケーシング６８によって隔たれた従動マグネット６６が追従回転する。つまり、駆動マグネット６２と従動マグネット６６が物理的に接触していなくても、駆動マグネット６２と従動マグネット６６が引き合うことにより、電動機部１２の主軸１４の回転力をポンプ部３０の回転軸３８に伝えることができる。
【００３１】
また、このマグネットカップリング５６の作用により、電動機部１２の主軸１４とポンプ部３０の回転軸３８とが物理的に接触しないことになる。よって、インペラ４２に砂等が挟まり、インペラ４２の回転が停止した場合であっても、主軸１４は回転を続けている。よって、ＳＲモータ１２ａの巻線２２に大きな電流が流れすぎないので、ＳＲモータ１２ａの焼付きを未然に防止することができる。
【００３２】
また、滑り軸受５２に設けられた溝５４により、マグネットカップリング５６における従動マグネットフォルダ６４部分にも、水が浸入する。しかし、マグネットカップリング５６に設けられた内部ケーシング６８により、駆動マグネットフォルダ６０側の気密性が維持されている。よって、ＳＲモータ１２ａの気密性を維持することができる。
【００３３】
ＳＲモータ１２ａにおけるモータ制御装置は、ステータコア１８及びロータコア２０を形成する各磁極にパルス電圧をかけ、ステータコア１８とロータコア２０を形成する各磁極のリアクタンス値を検出することにより、ロータコア２０の各磁極の角度位置を検出している。
【００３４】
また、モータ制御装置には、ＳＲモータ１２ａに流れる電流が規定の値になったとき、モータの回転を停止させる装置が設けられている。これは、インペラ４２に砂等が挟まった場合に、マグネットカップリング５６の作用により、ＳＲモータ１２ａが空転し、ＳＲモータ１２ａが無駄な電力を消費させないためである。
【００３５】
ＳＲモータ１２ａを回転させる電源には３相の電源が用いられている。ＳＲモータ１２ａを構成するステータコア１８における６極のうち、対向した位置の２極ずつに、３相のうち、１相の電源が供給されている。ステータコア１８の各極に流す電流のタイミングを、検出された各磁極の角度位置のデータを元にして変化させることで、ＳＲモータ１２ａを回転させている。
【００３６】
これにより、ロータコア２０の角度位置を測定するセンサを使うことなく、ロータコア２０の角度位置を検出し、ＳＲモータ１２ａを回転させることができる。よって、ＳＲモータ１２ａを構成する部品の数を減少させることができる。
【００３７】
この深井戸用水中ポンプ１０のコントロールは、地上に置かれた制御盤によって行われている。モータ制御装置は、地上に置かれた制御盤に組み込まれている。つまり、ＳＲモータ１２ａのモータ制御装置自体は、深井戸用水中ポンプ１０の筐体に組み込まれない。よって、厳密なロータコア２０の角度位置検出の演算処理を行う精密機器で構成されたモータ制御装置が、過酷な条件の下におかれる深井戸用水中ポンプ１０の筐体に組み込まれていないので、モータ制御装置が故障する可能性が低くなり、延いては、深井戸用水中ポンプ１０の信頼性を向上させることができる。
【００３８】
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【００３９】
ＳＲモータ１２ａを形成するステータコア１８、及びロータコア２０の極数は実施の形態で説明した極数に限定されない。例えば、ステータコア１８の極数を１２極とし、ロータコア２０の極数を８極とすることも可能である。
【００４０】
インペラ４２、及びガイドベーン４８の形状は実施の形態で説明した形状に限定されない。例えば、インペラ４２を形成する翼４２ａの枚数は６枚に限定されない。同様に、ガイドベーン４８を形成する翼４８ａの枚数は７枚に限定されない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明における深井戸用水中ポンプにおいては、電動機にＳＲモータを使用することにより、電動機に接続されたインペラを高速に回転させることができるので、インペラの個数を削減することができ、深井戸用水中ポンプの全長を短くしたり重量を軽くしたりすることができる。よって、井戸に水中ポンプを施設する際の取り扱いが容易になる。
【００４２】
また、電動機部の主軸とポンプ部の回転軸とをマグネットカップリングを用いて接続することにより、電動機部の気密性を維持することができる。また、水中ポンプで一般的に用いられている気密維持の方法であるキャンド方式を採用しないことから、ＳＲモータにおけるステータコアとロータコアとのギャップを短くすることができる。よって、ＳＲモータの性能を向上させることができる。
【００４３】
また、ＳＲモータにおけるロータコアの磁極の位置を、位置センサを用いず、磁極のインダクタンスを測定することにより検知しているので、ＳＲモータを構成する部品の数を削減することができる。よって、部品の数が減少することにより、ＳＲモータが故障する可能性が低くなり、延いては深井戸用水中ポンプの信頼性を向上させることができる。
【００４４】
また、マグネットカップリングを使用することにより、主軸と回転軸とを物理的に接合させずに、電動機部における主軸の回転力を回転軸に伝達することができる。よって、インペラに砂等が挟まり、回転軸が動かなくなった場合であっても、ＳＲモータのみが空転することになる。よって、電動機部の主軸に大きな力が働かず、ＳＲモータに過大な電流が流れない。したがってＳＲモータの故障を未然に防ぐことができる。
【００４５】
また、モータ制御装置に、ＳＲモータに流れる電流が規定の値になったとき、モータの回転を停止させる装置を設けることにより、インペラに砂等が挟まった場合に、ＳＲモータが空転しても、モータの回転を停止させる装置によって、モータの回転を停止させることができる。よって、ＳＲモータが空転することによる無駄な電力の消費を無くすことができる。
【００４６】
更に、本来、騒音や振動が激しいことから実用に適さないとされていたＳＲモータを、深井戸用水中ポンプの電動機として使用することにより、それらの欠点を感じさせずに、ＳＲモータの長所（構造が簡単なことから、悪い環境の中でも使用可能なこと等）を生かすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による深井戸用水中ポンプの断面図である。
【図２】深井戸用水中ポンプの電動機部の断面図である。
【図３】電動機部の断面図である。（図２の断面と直角の方向の断面）
【図４】回転子の他の形状を示す平面図である。
【図５】深井戸用水中ポンプのポンプ部の断面図である。
【図６】ポンプ部を構成するインペラの翼の形状を示す平面図である。
【図７】ポンプ部を構成するガイドベーンの翼の形状を示す平面図である。
【図８】深井戸用水中ポンプのマグネットカップリングを示す断面図である。
【符号の説明】
１０：深井戸用水中ポンプ
１２：電動機部
１２ａ：スイッチドリラクタンスモータ（ＳＲモータ）
１４：主軸
１６：外部ケーシング
１８：ステータコア
２０：ロータコア
２２：巻線
２４：ボールベアリング
２６：樹脂
２８：凹部
３０：ポンプ部
３２：ハウジング
３４：吸込み口
３６：吐出し口
３８：回転軸
４０：ポンプ室
４０ａ：吸引室
４０ｂ：加圧室
４０ｃ：吐出室
４２：インペラ
４２ａ：インペラの翼
４４：導入口
４６：排出口
４８：ガイドベーン
４８ａ：ガイドベーンの翼
５０：シール
５２：滑り軸受
５４：溝
５６：マグネットカップリング
５８：マグネットケース
６０：駆動マグネットフォルダ
６２：駆動マグネット
６４：従動マグネットフォルダ
６６：従動マグネット
６８：内部ケーシング
７０：ボス部
７２：マグネットヨーク
７４：ブラケット

Claims

水中に沈められる深井戸用水中ポンプであって、
気密性が維持されたスイッチドリラクタンスモータの回転子が主軸に連結された電動機部と、
前記主軸に回転可能な方向が一致した回転軸に対して、複数の翼が渦巻き状に配置されたインペラで構成され、水を前記回転軸に対して遠心方向に加圧する加圧手段と、
前記電動機部の主軸と、前記ポンプ部の回転軸とを連結するためのマグネットカップリングと、
を含む深井戸用水中ポンプ。
前記加圧手段が、
複数の翼が回転軸に対して渦巻き状に配置されたインペラと、該インペラにより加圧された水を回転軸に対して垂直方向に導くため、該インペラに相対して配置されたガイドベーンとで構成され、水を回転軸に対して垂直方向に加圧するポンプ部を含む請求項１に記載の深井戸用水中ポンプ。
前記マグネットカップリングが、
駆動マグネットが配置された駆動マグネットフォルダと、
従動マグネットが配置された従動マグネットフォルダと、
前記駆動マグネットフォルダと従動マグネットフォルダとの間に隙間を空けて配置された内部ケーシングと、
を含む請求項１又は請求項２に記載の深井戸用水中ポンプ。