JP2008082301A - ウォーターポンプにおけるマグネット構造 - Google Patents

Abstract

【課題】インナーロータ軸受けのスラスト方向の荷重を低減し、ポンプ寿命を向上させ、さらには、インペラ軸におけるスラスト方向の軸受け面構造を廃止してコストの低減化を図る。
【解決手段】インナーロータＡとインナーロータＡに対応するアウターロータＢをマグネットカップリング構成にてインペラ３を駆動可能としたウォーターポンプであって、インナーロータＡ及びアウターロータＢのインナーマグネット１１の外周面及びアウターマグネット６１の内周面それぞれの磁極パターンが斜方形として形成されると共に、インナーマグネットＡの外周面の斜方形とアウターマグネットＢの内周面の斜方形とはそれぞれが対応してなるマグネット構造とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、インナーロータ軸受けのスラスト方向の荷重を低減し、ポンプ寿命を向上させ、さらには、インペラ軸におけるスラスト方向の軸受け面構造を廃止してコストの低減化ができるウォーターポンプにおけるマグネット構造に関する。

従来技術としてのウォーターポンプのマグネットカップリング関連について、簡単に説明すると、マグネットカップリングにおけるアウターロータのインペラ軸に入力する回転トルクによりアウターロータが回転し、さらにアウターロータの磁力と磁気連結しているインナーロータが回転する。該インナーロータが回転することで、インナーロータに一体で形成されているインペラにより、流体をポンプ室に吸入させて、その後吐出させる。

前記インナーロータの回転方向の磁気連結作用を発生させるために、図７（Ａ）に示すように、既存のマグネットカップリングのインナーマグネットａの外周面及びアウターマグネットｂの内周面には、回転方向に沿って磁極が平行に形成されている。ここでは、前記インナーマグネットａ及び前記アウターマグネットｂの肉厚部全体に磁極化されているが、具体的な構成としては、前記インナーマグネットａの外周面及び前記アウターマグネットｂの内周面に磁極が形成されていれば十分であり、外面から見て判りやすさを重視したものである。

図８に示すように、一般にウォーターポンプのインペラｃ（羽根車：放射方向に吐出形）を回転させると［図８（Ｃ）参照］、浮上しようとする力（推力）が発生する。該推力の大きさはかなり大きく、アウターマグネットｂとインナーマグネットａの磁力による吸引力を上回っているため、インペラｃがスラスト（軸）方向に飛び出さないように、インペラ軸ｄには軸受け面ｅ（鍔状部）が設けられている。前記推力はかなり大きいため、インペラ軸ｄの軸受け面ｅとインペラ回転体の軸受部ｆとの間に摺動トルクが発生し、インペラ軸ｄの軸受け面ｅとインペラ回転体の軸受部ｆとの摺動面の摩耗は避け得ない。摺動面が削れていくということは寿命が短くなる大きな欠点がある。なお、インペラｃが回転していない状態［図８（Ｂ）参照］では、前記軸受部ｆと前記軸受け面ｅ（鍔状部）とは、隙間ΔＰが設けられたり、該隙間ΔＰが設けられないこともあり、回転時には、前述したように前記軸受部ｆと前記軸受け面ｅとが常時摩擦状態となっている。

また、インペラ軸材質としては、ステンレス（ＳＵＳ）材を耐久性と耐錆性を考えて使用しているが、非常に硬いため、軸受け面ｅを残した状態で製作するには高額な製作費用を必要とする。以上のように課題はスラスト軸（インペラ軸）にあり、その中でスラスト軸端面の無いものとして、引用文献１（特開２００３−１２０５７３）ではスラスト方向の推力を磁力により打ち消しているが、アウターマグネットｂをスラスト方向に離す方向にずらしているため、全長の増大化が避けられない。さらに該アウターマグネットｂをスラスト方向にずらす（磁石同士の距離が離れる）ため、磁石のカを十分に引き出すことができない欠点があった。
特開２００３−１２０５７３

そこで、本発明が解決しようとする課題（技術的課題又は目的等）は、インペラによる浮上しようとする推力が発生しにくくするのみならず、大型化を阻止して、簡易な構造とすることである。さらには、インペラ軸のスラスト方向の軸受け面（鍔状部）構造を廃止してコストを低減化することと、吐出流量変動も抑制するとともに、ポンプ寿命を長期にすることである。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、インナーロータと該インナーロータに対応するアウターロータをマグネットカップリング構成にてインペラを駆動可能としたウォーターポンプにおいて、前記インナーロータ及びアウターロータのインナーマグネットの外周面及び前記アウターマグネットの内周面それぞれの磁極パターンが斜方形として形成されると共に、前記インナーマグネットの外周面の斜方形と前記アウターマグネットの内周面の斜方形とはそれぞれが対応してなることを特徴とするウォーターポンプにおけるマグネット構造としたことにより、前記課題を解決した。

請求項２の発明を、前述の構成において、前記磁極パターンは、斜方形に換えて円弧状、台形状等としてなることを特徴とするウォーターポンプにおけるマグネット構造としたことにより、前記課題を解決した。また、請求項３の発明を、前述の構成において、前記インナーロータ及びアウターロータのそれぞれの重心且つ磁力センターそれぞれが一致してなることを特徴とするウォーターポンプにおけるマグネット構造としたことにより、前記課題を解決した。

請求項１の発明では、特に、インペラによる浮上しようとする推力が発生しにくくするのみならず、引用文献１（特開２００３−１２０５７３）と比較して、磁石をスラスト方向に離して配置する必要が無いため、全長を短くしてその分のウエイトダウンが図れる。また磁石同士が離れていないため、インナーマグネットとアウターマグネット間の連結磁力アップにも貢献できる。また、磁石のスラスト方向吸引力をインペラ３の推力よりも大きくすることで、インペラのスラスト方向への移動（ずらし）を抑制し、よって加工費用の高いインペラ軸のスラスト方向の軸受け面（鍔状部）構造を廃止でき、コストを低減化できる。さらにインナーマグネットをスラスト方向にずらさないため、磁石のカを十分に引き出すことができる。また、インペラのスラスト方向移動による吐出流量変動も抑制できる利点がある。特に、斜方形に磁力パターンを変えるのみであり、安価且つ簡易な構成であるにもかかわらず、ポンプ寿命を長期にできる。特に、付帯効果として、インペラがスラスト方向に固定されるため、吐出流量がばらつかず、よって計算により流量を推定することもできる利点がある。また、仮に、インペラ軸に鍔部を設けても、インナーマグネットをスラスト方向にずらさないために、その鍔部への接触抵抗を著しく軽減でき、ひいては、ポンプ寿命を長期にもできる。請求項２の発明及び３の発明では、請求項１と同等の効果を奏することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本発明の構成は、図１（Ａ）に示すように、ウォーターポンプの断面図であって、インペラ３付きのインナーロータＡと、アウターロータＢと、ポンプハウジングＣとから構成されている。前記インナーロータＡは、インナーマグネット部１と軸受部２とから形成されている。前記インナーマグネット部１の軸方向の一端［図１（Ａ）では右端］よりインペラ３が放射状に複数設けられている。

前記インナーマグネット部１は、筒状のインナーマグネット１１と、該インナーマグネット１１を収納するマグネット収納部１２とで構成されている。該マグネット収納部１２と前記軸受部２とで前記インナーマグネット１１が割型状にして収納されている。図１では、一方側が開放され、止めリング１３などで固定されている。また、前記軸受部２は、前記ポンプハウジングＣ及び隔壁体９との間に固定されたインペラ軸４に挿入され回転可能に構成されている。該インペラ軸４には、一般には鍔部４ａは設けられないが[図１（Ａ）参照]、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように鍔部４ａが設けられることもある。

前記アウターロータＢは、カップ状収納部５とアウターマグネット部６とから構成されている。該アウターマグネット部６は、筒状のアウターマグネット６１と、該アウターマグネット６１を収納するマグネット収納部６２とで構成されている。前記アウターマグネット６１は、前記インナーマグネット１１に対応するように設けられており、このような関係をマグネットカップリング構成と称する。この詳細については後述する。

また、ポンプハウジングＣは、ハウジング部７と、マグネットカップ状収納部８と、カップ状の隔壁体９とから構成される。前記ハウジング部７とマグネットカップ状収納部８とがボルト，ナット等の固着具にて接合され、さらに前記ハウジング部７とマグネットカップ状収納部８とにより構成される内室は、前記隔壁体９により仕切られている。さらに、該隔壁体９により前記インナーロータＡと前記アウターロータＢとは仕切られている。

前記ポンプハウジングＣにおける前記ハウジング部７は、図１に示すように、インペラ収納部７１と吸入路７２及び吐出路７３とから構成されている。そのインペラ収納部７１に前記隔壁体９が水密的に接合され、これらによって、インペラ３付きインナーロータＡを収容することができる空隙が形成され、これが前記インペラ３付きインナーロータＡのインナーマグネット部１１が収容されるインペラ室となる。このインペラ室には、前記インペラ軸４を介して前記インペラ３付きインナーロータＡが回動自在に収納されている。

前記インナーマグネット１１及び前記アウターマグネット６１の構造について説明する。前記インナーマグネット１１及び前記アウターマグネット６１それぞれの磁極パターンが斜方形として形成されている。具体的には、図３（Ａ）に示すように、筒部の長手方向の軸線に対して該長手方向の長さＬ又はＷの中間点位置がほぼ頂点となるように山形状（へ字状）となるように形成されている。具体的には、前記インナーマグネット１１の外周面及び前記アウターマグネット６１の内周面に対するそれぞれの磁極パターンが斜方形として形成されている［図１（Ｂ）参照］。さらに、前記インナーマグネット１１の外周面の斜方形と前記アウターマグネット６１の内周面の斜方形とはそれぞれが対応するように構成されている。

特に、図３（Ａ）及び図７（Ａ）では、外面から見て判りやすくするために、前記インナーマグネット１１及び前記アウターマグネット６１の肉厚部全体に磁極化されているが、具体的な構成としては、前記インナーマグネット１１の外周面及び前記アウターマグネット６１の内周面に磁極が形成されていれば十分である。また、筒部の肉厚を比較的薄くした場合や、材質などにより、図３（Ａ）に示すように、その肉厚全体に斜方形の磁極パターンを形成することもある。

このような山形状なる斜方形の磁極パターンに成形するには、図３（Ａ）のインナーマグネット１１の外周面に設けた鎖線に示す山形状のループのコイル１００（図３では３箇所）に、電流をかけて磁界を発生させて、筒状の金属片（磁性体）を磁化させて前記インナーマグネット１１のように斜方形の磁極パターンを形成する。また、前記アウターマグネット６１の場合には、その内周面にコイルを設けて前記インナーマグネット１１と同様にして斜方形の磁極パターンを形成する。これによってスラスト方向の磁気連結を行えるようにしてスラスト力を増加するように構成している。以下動作などについて詳述する。

まず、従来技術として、図７（Ａ）に示すように、前記インナーマグネットａ及び前記アウターマグネットｂを、マグネットカップリングとして、それぞれの重心Ｇａ，Ｇｂが一致するようにセットし［図７（Ｂ）の正面的斜視図参照］、そして、この状態で、前記アウターマグネットｂに対して前記インナーマグネットａをスラスト方向に適宜なオフセット寸法Δｔをスライド（位置ずらし）させると［図７（Ｃ）の正面的斜視図参照］、このスライドにてスラスト力は図５の従来技術のようにＦなる力が得られる。このときに、図７（Ｃ）の状態を展開して模式図的にしたのが図７（Ｄ）であり、適宜のオフセット寸法の場合のときに、左右側位置に、面積Ｘの磁力に相当するスラスト力が得られる。

同様にして、本発明の場合を図３に基づいて説明する。前記インナーマグネット１１及び前記アウターマグネット６１の重心且つ磁力センターを、それぞれＭａ，Ｍｂとする。斜方形の磁極パターンを形成した前記インナーマグネット１１及び前記アウターマグネット６１を、図３（Ｂ）に示すように、重心且つ磁力センターＭａ，Ｍｂが一致するようにしてセットする。この状態で、前記アウターマグネットｂに対して前記インナーマグネットａをスラスト方向に適宜なオフセット寸法Δｔをスライドさせると［図３（Ｃ）の正面的斜視図参照］、このオフセット寸法Δｔにて、スライドした左右側に、面積Ｘと面積Ｙの磁力に相当するスラスト力が得られる。つまり、面積Ｙがプラスαとして増加する。この面積Ｙは、図３（Ｄ）の隣接するインナーマグネット１１及び前記アウターマグネット６１のＮ−Ｎ極又はＳ−Ｓ極同士の反発力（旧位置に戻ろうとする力）が作用するためである。すなわち、オフセット寸法Δｔが、図７（Ｃ）と同一であるにもかかわらず、そのスラスト力は、プラスαが加えられる構成にできる。このことは、同じオフセット寸法Δｔであっても、スラスト力（スラスト保持力）は、斜方形パターン（本発明：図３参照）＞直線形パターン（従来：図７参照）となる。

また、図４に示すように、前記インナーマグネット１１及び前記アウターマグネット６１の斜方形の１つを取り出し、力学的作用関係を説明する。アウターマグネット６１の回転力が作用すると、流体の抗力によりインペラ３に反力が生ずる。そのアウターマグネット６１の回転にてインナーマグネット１１が回転しつつ、インペラ３の推力にてインナーマグネット１１が位置ずれ（スラスト方向）を発生させる。このとき、磁極パターンは斜方形ゆえに、その斜面に垂直な力として左右側に互いに向き合うように傾斜して作用すると共に、スラスト力Ｆｓが対称的に作用する。この力は互いに反対方向に働くが、互いに旧位置（重心且つ磁力センターＭａ，Ｍｂが一致する箇所）に復帰するように作用する。すなわち、前記インナーマグネット１１を中央位置（重心且つ磁力センターＭｂ位置）に保持するようなスラスト力Ｆｓが作用する。該力は、図５のプラスαに相当する。

以上のように、前記アウターマグネット６１とインナーマグネット１１の磁力パターンを斜方形にすることにより、磁石同士のスラスト力（スラスト抵抗力）を増加させ、磁石のスラスト方向吸引力をインペラ３の推力よりも大きくする。それによってインペラ３のスラスト方向への移動を抑制し、よって加工費用の高いインペラ軸４のスラスト方向の軸受け面（鍔状部）を廃止でき、コストを低減化できる。またインペラ３のスラスト方向移動による吐出流量変動も抑制できる。特に、斜方形に磁力パターンを変えるのみであり、安価且つ簡易な構成であるにもかかわらず、ポンプ寿命を長期にできる。

また、前記磁極パターンは、斜方形に形成されているが、図６（Ａ）に示すように、円弧状に形成されたり、図６（Ｂ）に示すように、台形状に形成されることがある。この場合の効果としては、斜方形と同様である。

また、図示しないが、前記インナーマグネット１１及びアウターマグネット６１のそれぞれの重心且つ磁力センターＭａ，Ｍｂそれぞれがスラスト力の最大限となる手前（図５のグラフの本発明の山の頂きの手前のオフセット寸法）の適宜の位置にて位置ズレして設けられてなるウォーターポンプにおけるマグネット構造も存在する。かかる場合には、本発明と同等の効果を奏し得る。

（Ａ）は本発明の断面図、（Ｂ）は本発明の主要部のインナーマグネット及びアウターマグネットの斜視図である。 （Ａ）は本発明の別の実施形態の要部断面図、（Ｂ）は（Ａ）の要部拡大断面図である。 （Ａ）は本発明の主要部のインナーマグネット及びアウターマグネットの斜視図、（Ｂ）はインナーマグネット及びアウターマグネットをセットした状態の正面的斜視図、（Ｃ）はインナーマグネット及びアウターマグネットをオフセット状態にした正面的斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）を展開した略図である。 インナーマグネット及びアウターマグネットの単位体の作用状態図である。 インナーマグネットとアウターマグネットとのオフセット寸法とスラスト力との関係グラフである。 （Ａ）及び（Ｂ）はインナーマグネットの別の実施形態の斜視図である。 （Ａ）は従来技術のインナーマグネット及びアウターマグネットの斜視図、（Ｂ）はインナーマグネット及びアウターマグネットをセットした状態の正面的斜視図、（Ｃ）はインナーマグネット及びアウターマグネットをオフセット状態にした正面的斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）を展開した略図である。 （Ａ）は従来技術のウォーターポンプの要部断面図、（Ｂ）はインペラが停止状態の要部断面図、（Ｃ）はインペラが回転状態の要部拡大断面図である。

符号の説明

Ａ…インナーロータ、Ｂ…アウターロータ、３…インペラ、１１…インナーマグネット、６１…アウターマグネット、Ｍａ，Ｍｂ…重心且つ磁力センター。

Claims (3)

1. インナーロータと該インナーロータに対応するアウターロータをマグネットカップリング構成にてインペラを駆動可能としたウォーターポンプにおいて、前記インナーロータ及びアウターロータのインナーマグネットの外周面及び前記アウターマグネットの内周面それぞれの磁極パターンが斜方形として形成されると共に、前記インナーマグネットの外周面の斜方形と前記アウターマグネットの内周面の斜方形とはそれぞれが対応してなることを特徴とするウォーターポンプにおけるマグネット構造。
2. 請求項１において、前記磁極パターンは、前記斜方形に換えて円弧状、台形状等としてなることを特徴とするウォーターポンプにおけるマグネット構造。
3. 請求項１又は２において、前記インナーロータ及びアウターロータのそれぞれの重心且つ磁力センターそれぞれが一致してなることを特徴とするウォーターポンプにおけるマグネット構造。
   

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