JP2010048162A - モータポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】羽根車のふらつきを抑えて、安定した始動を可能とするモータポンプを提供する。
【解決手段】本発明に係るモータポンプは、複数の永久磁石５が埋設された羽根車１と、複数の永久磁石５に作用する磁界を発生するモータ固定子６と、吸込口１３及び吐出口１２を有し、羽根車１及びモータ固定子６を収容するケーシング２と、羽根車１を支持する球面軸受１０とを備える。モータ固定子６は、羽根車１の吸込側に配置され、球面軸受１０は、羽根車１に形成された液体入口１ａに接続される液体流路１１を有し、吸込口１３と羽根車１の液体入口１ａとは液体流路１１を通じて連通しており、羽根車１の前面とケーシング２との最小隙間は、羽根車１の背面とケーシング２との最小隙間よりも大きく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石が埋設された羽根車を、モータ固定子が発生する磁界により回転させるモータポンプに関する。

永久磁石が埋設された羽根車を、モータ固定子が発生する磁界により回転させるモータポンプの従来例として、特許文献１に記載されているポンプが知られている。この特許文献１に記載のモータポンプは、永久磁石が埋設された羽根車と、羽根車に対向して配置されたモータ固定子とを有し、モータ固定子が発生する磁界により羽根車が回転するようになっている。羽根車はケーシングに収容され、球面軸受により回転自在に支持されている。この球面軸受はいわゆる動圧軸受であり、羽根車を回転自在に支持しつつ、傾動自在に支持することが可能となっている。

しかしながら、上述の構成では、羽根車の回転が不安定になりやすいという問題がある。
その第１の原因は、モータ固定子の固定子巻線の通電により固定子鉄心の磁極が断続的に切り替わるため、羽根車に埋設された永久磁石と固定子鉄心とが吸引及び反発を繰り返すからである。
第２の原因は、永久磁石と固定子鉄心との間に生じる吸引力は、それらの間隔が小さくなるほど強くなるため、羽根車の傾きが助長されやすいことにある。すなわち、球面軸受に支持されている羽根車は傾動自在であるので、羽根車の傾き角が大きくなるにつれて永久磁石と固定子鉄心との吸引力が強まり、ついには羽根車とケーシングとが接触してしまう。羽根車がケーシングに接触した状態で回転すると、転がり摩擦によりケーシングが摩耗し、やがてケーシング内のモータ固定子が露出して液体と接触してしまう。

羽根車の回転速度が速くなればなるほど、羽根車のジャイロモーメントが大きくなり、羽根車の回転が安定し、結果として羽根車がケーシングに接触することはなくなる。つまり、羽根車の回転が不安定になるのは主に始動時である。したがって、始動時での羽根車のふらつきを抑えることが要望されていた。

特許第２５４４８２５号

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、羽根車のふらつきを抑えて、安定した始動を可能とするモータポンプを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、複数の永久磁石が埋設された羽根車と、前記複数の永久磁石に作用する磁界を発生するモータ固定子と、吸込口及び吐出口を有し、前記羽根車及び前記モータ固定子を収容するケーシングと、前記羽根車を支持する球面軸受とを備えたモータポンプであって、前記モータ固定子は、前記羽根車の吸込側に配置され、前記球面軸受は、前記羽根車に形成された液体入口に接続される液体流路を有し、前記吸込口と前記羽根車の液体入口とは前記液体流路を通じて連通しており、前記羽根車の前面と前記ケーシングとの最小隙間は、前記羽根車の背面と前記ケーシングとの最小隙間よりも大きいことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記羽根車の背面の中央部には凹部が形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記羽根車はプラスチック材料から形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記プラスチック材料は、フッ素樹脂であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の永久磁石の磁極中心を結んで形成される円の直径は、前記モータ固定子の磁極中心を結んで形成される円の直径よりも小さいことを特徴とする。

上述した本発明によれば、羽根車の前面がケーシングに接触する前に、羽根車の背面がケーシングに接触するので、永久磁石とモータ固定子との吸引力がある大きさ以下に制限される。したがって、羽根車の傾きは助長されず、安定した始動が可能となる。また、羽根車の前面によってケーシングが削られることないので、ケーシングに収容されているモータ固定子に液体が浸入することがない。したがって、接液を原因とするモータ固定子の故障が防止され、長寿命のモータポンプを実現することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るモータポンプを示す断面図であり、図２は図１に示すモータポンプを矢印II方向から観た図である。このモータポンプは、複数の永久磁石５が埋設された羽根車１と、これらの永久磁石５に作用する磁力を発生させるモータ固定子６と、羽根車１及びモータ固定子６を収容するケーシング２とを備えている。ケーシング２は、羽根車１を収容するポンプケーシング２Ａと、モータ固定子６を収容するモータケーシング２Ｂとから基本的に構成されている。ポンプケーシング２Ａとモータケーシング２Ｂとは、図２に示す複数の連結ボルト８によって互いに固定されている。ポンプケーシング２Ａとモータケーシング２Ｂとの間にはシール部材としてのＯリング９が設けられている。

羽根車１は球面軸受１０によって回転自在かつ傾動自在に支持されている。この球面軸受１０は、羽根車１に固定された回転側摺動部材１０Ａと、モータケーシング２Ｂに固定された固定側摺動部材１０Ｂとを備えている。回転側摺動部材１０Ａ及び固定側摺動部材１０Ｂはいずれもセラミックから形成されている。回転側摺動部材１０Ａと固定側摺動部材１０Ｂとは互いに摺動し、それらの摺動面は球面となっている。回転側摺動部材１０Ａの摺動面にはスパイラル溝が形成されており、羽根車１と共に回転側摺動部材１０Ａが回転すると摺動面間に動圧が発生し、これにより羽根車１及び回転側摺動部材１０Ａが固定側摺動部材１０Ｂに非接触で支持される。回転側摺動部材１０Ａと固定側摺動部材１０Ｂの摺動面は球面であるので、回転側摺動部材１０Ａは固定側摺動部材１０Ｂに対してある程度傾動自在となっている。また、摺動面を球面とすることにより、球面軸受１０はスラスト荷重のみならずラジアル荷重を受けることが可能となっている。

ポンプケーシング２Ａには吐出口１２が形成され、モータケーシング２Ｂには吸込口１３が形成されている。球面軸受１０には、その軸心に沿って貫通する液体流路１１が形成されている。この液体流路１１の一端は、羽根車１の中央に形成された液体入口１ａに接続されており、他端は吸込口１３に接続されている。すなわち、吸込口１３と羽根車１の液体入口１ａとは液体流路１１を通じて連通している。羽根車１、球面軸受１０、及び吸込口１３は、同心上に配列されている。

図３は羽根車１に埋設されている永久磁石５を示す平面図である。図３に示すように、複数の永久磁石５は環状に配列されており、Ｓ極とＮ極とが交互に配置されている。本実施形態では、それぞれの永久磁石５は扇形の形状を有しており、永久磁石５の数は８つ（すなわち８極）である。図１に示すように、羽根車１には複数の永久磁石５に隣接して環状のマグネットヨーク（磁性体）１５が埋設されている。永久磁石５はマグネットヨーク１５の吸込側に配置されている。永久磁石５とモータ固定子６とは互いに対向するように配置されている。モータ固定子６はモータケーシング２Ｂ内に配置されており、モータ固定子６が収容される空間はモータカバー１６によって塞がれている。

図４は、モータ固定子６を示す平面図である。図４に示すように、モータ固定子６は、複数の歯６ａを有する固定子鉄心６Ａと、これらの歯６ａにそれぞれ巻回された固定子巻線６Ｂとを有している。歯６ａ及び固定子巻線６Ｂは環状に配列されている。本実施形態では、６つの歯６ａにそれぞれ固定子巻線６Ｂが巻かれており、磁極数は６となっている。環状に配列された永久磁石５の中心と、環状に配列された歯６ａ及び固定子巻線６Ｂの中心とは互いに一致している。さらに、永久磁石５およびモータ固定子６は、羽根車１、球面軸受１０、及び吸込口１３と同心上に配列されている。

固定子巻線６Ｂには、３本のリード線１７（図２参照）が接続されており、そのリード線１７の端子は図示しない駆動回路に接続される。この駆動回路は、スイッチング素子を用いて各固定子巻線６Ｂに供給する電流のタイミングを制御する機器である。より具体的には、駆動回路は、回転する永久磁石５の位置に基づいて各固定子巻線６Ｂに供給する電流のタイミングを制御する。永久磁石５の位置を検出する方法としては、ホール素子などの位置センサを用いる方法や、位置センサを用いずに固定子巻線６Ｂに発生する逆起電力を利用した方法などが挙げられる。本実施形態に係るモータポンプは、位置センサを用いたセンサ駆動方式または位置センサを用いないセンサレス駆動方式のいずれを採用してもよい。

上述した駆動回路は、永久磁石５の位置に基づいて固定子巻線６Ｂへの直流電流の通電を適宜切り替え、これによって永久磁石５、すなわち羽根車１が回転する。羽根車１が回転すると、液体は吸込口１３から液体流路１１を通って羽根車１の液体入口１ａに導入される。液体は羽根車１の回転によって昇圧され、吐出口１２から吐出される。羽根車１が液体を移送している間、羽根車１の背面は昇圧された液体によって吸込側に（すなわち吸込口１３に向かって）押圧される。球面軸受１０は、羽根車１の吸込側に配置されているので、羽根車１のスラスト荷重を吸込側から支持する。本実施形態に係る構成によれば、１つの球面軸受１０により羽根車１を非接触で支持することができるので、パーティクルを発生させることのないコンパクトなモータポンプを実現することができる。

羽根車１の前面とケーシング２との最小隙間δ１は、羽根車１の背面とケーシング２との最小隙間δ２よりも大きく設定されている。より具体的には、羽根車１の前面の外周端とモータケーシング２Ｂとの隙間δ１は、羽根車１の背面の外周端１ｂとポンプケーシング２Ａとの隙間δ２よりも大きく設定されている。ここで、羽根車１の前面とは、羽根車１の吸込側の面、すなわち液体入口１ａが設けられている側の面であり、羽根車１の背面とは、羽根車１の前面とは反対側の面、すなわち、羽根車１の吐出側の面をいう。

このような構成によれば、羽根車１が傾いたときに、羽根車１の背面（背面の外周端１ｂ）がポンプケーシング２Ａと接触し、羽根車１の前面はモータケーシング２Ｂには接触しない。この場合、隙間δ２を小さくすることによって、羽根車１の傾き角を小さくすることができる。羽根車１は、滑りやすく、かつ摩耗しにくい材料から形成されることが好ましい。例えば、テフロン（登録商標）に代表されるフッ素樹脂などのプラスチック材料が好適に使用される。ポンプケーシング２Ａ及びモータケーシング２Ｂも羽根車１と同じ材料から形成することができる。

羽根車１の前面がモータケーシング２Ｂに接触する前に羽根車１の背面がポンプケーシング２Ａに接触するので、永久磁石５とモータ固定子６との吸引力がある大きさ以下に制限されることとなる。したがって、羽根車１の傾きは助長されず、安定した始動が可能となる。また、羽根車１の前面がモータケーシング２Ｂに接触することないので、モータケーシング２Ｂが破壊されず、モータケーシング２Ｂに収容されているモータ固定子６に液体が浸入することがない。したがって、接液を原因とするモータ固定子６の故障が防止され、長寿命のモータポンプを実現することができる。

羽根車１の背面とポンプケーシング２Ａとの最小隙間δ２を小さくするほど、羽根車１の傾きが抑制されるが、その一方で、羽根車１の背面とポンプケーシング２Ａとの間に存在する液体の粘性により羽根車１の回転が抵抗を受ける。そこで、図１に示すように、液体が羽根車１の回転を阻害しないように、羽根車１の背面に凹部２０を設けることが好ましい。図１に示す例では、凹部２０は円形であり、羽根車１の背面の中央部に形成されている。凹部２０は、羽根車１の背面の外周端１ｂの径方向内側に位置している。なお、ポンプケーシング２Ａに凹部を形成することもできる。すなわち、羽根車１の背面に対向する、ポンプケーシング２Ａの部位に該背面の直径よりも小さい径を有する凹部を形成してもよい。この場合、羽根車１の背面とポンプケーシング２Ａの両方に凹部を形成することもできる。

図１に示すように、羽根車１に埋設されている永久磁石５の磁極中心を結んで形成される円の直径Φ１は、モータ固定子６の磁極中心を結んで形成される円の直径Φ２よりも小さく設定されている（Φ１＜Φ２）。この理由は、羽根車１が傾いたときに、永久磁石５の磁極中心はモータ固定子６の磁極中心から外れる方向に移動するからである。これに対し、直径Φ１が直径Φ２よりも大きいと（Φ１＞Φ２）、羽根車１が傾いたときに、永久磁石５の磁極中心はモータ固定子６の磁極中心に近づく方向に移動する。その結果、吸引力が大きくなり、羽根車１の傾きを助長してしまう。したがって、直径Φ１を直径Φ２よりも小さくすることにより、より安定した羽根車１の回転を可能とすることができる。

以上述べた実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

本発明の一実施形態に係るモータポンプを示す断面図である。 図１に示すモータポンプを矢印II方向から観た図である。 羽根車に埋設されている永久磁石を示す平面図である。 モータ固定子を示す平面図である。

符号の説明

１ 羽根車
２ ケーシング
５ 永久磁石
６ モータ固定子
８ 連結ボルト
９ Ｏリング
１０ 球面軸受
１１ 液体流路
１２ 吐出口
１３ 吸込口
１５ マグネットヨーク
１６ モータカバー
１７ リード線
２０ 凹部

Claims (5)

1. 複数の永久磁石が埋設された羽根車と、
   前記複数の永久磁石に作用する磁界を発生するモータ固定子と、
   吸込口及び吐出口を有し、前記羽根車及び前記モータ固定子を収容するケーシングと、
   前記羽根車を支持する球面軸受とを備えたモータポンプであって、
   前記モータ固定子は、前記羽根車の吸込側に配置され、
   前記球面軸受は、前記羽根車に形成された液体入口に接続される液体流路を有し、
   前記吸込口と前記羽根車の液体入口とは前記液体流路を通じて連通しており、
   前記羽根車の前面と前記ケーシングとの最小隙間は、前記羽根車の背面と前記ケーシングとの最小隙間よりも大きいことを特徴とするモータポンプ。
2. 前記羽根車の背面の中央部には凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のモータポンプ。
3. 前記羽根車はプラスチック材料から形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータポンプ。
4. 前記プラスチック材料は、フッ素樹脂であることを特徴とする請求項３に記載のモータポンプ。
5. 前記複数の永久磁石の磁極中心を結んで形成される円の直径は、前記モータ固定子の磁極中心を結んで形成される円の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモータポンプ。

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