JP2016151245A - 電動ウォータポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】高信頼かつ小型な電動ウォータポンプを提供することである。
【解決手段】モータ部２００を、固定子２４０及び回転子２３０、２３５からなるアキシャルギャップ型モータとし、モータ部２００と非磁性部材の隔壁１０を挟んでポンプ部３００を設け、モータ部２００で発生するトルクを軸方向の非接触磁気カップリングでポンプ部３００に伝達する。隔壁１０は、有底円筒形状に形成され、モータ部２００及びポンプ部３００には、隔壁１０の円筒部を挟んで互いに対向する駆動マグネット及び受動マグネットが設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動ウォータポンプに関し、特にポンプ本体部とモータ部とが磁気カップリングで接続される電動ウォータポンプに関する。

近年、産業用機器や家電品，自動車部品などにおいて、省エネルギー化の必要性が重要視されるようになってきた。現在、国内で使用される電力使用量のうちの半分以上は、回転電機の駆動によって消費されている。このうち、電動化などの用途で、電動で駆動するポンプや送風ファンなど、羽根車を有するシステム用途が７割以上を占める。また、発電用途においても水車発電機など、羽根車を利用するシステムが利用されている。電動で駆動される一般的なポンプは、モータ部とポンプ部は軸で結合され、駆動源としてモータが利用される構造となっている。この場合、軸方向には、軸継ぎ手などの結合部品を構成しなければならないので、軸方向の寸法が長くなる構造となってしまう問題がある。この軸方向の寸法を短くしようとする場合には、モータの軸を羽根車に直結して構成するポンプ一体型などの構成も製品化されている。しかし、ポンプ部は、水などの液体が充填されるため、羽根車が回転するポンプ室は、外部に液体が漏れださないように封止する必要がある。ポンプ一体型でも、この封止をポンプ室とモータの間のスペースで行う構造となる。液体が漏れださないように封印する構造として、ゴム状部材のＯリングやオイルシールを配置する構造などが採用されるが、軸などの回転体物を介してシールする構造は、定期メンテナンスが必要になるといった欠点を持っている。

ここで特許文献１には、内部に回転体を備え、該回転体の回転により内部の被送液体の送液を行うポンプ本体と、該ポンプ本体の外部に設けられ、ロータの回転を磁気カップリングにより前記回転体に伝達するモータとを備える液体ポンプ装置において、前記ロータは、前記磁気カップリングを構成する駆動側マグネットであって前記モータのロータマグネットを兼ねる第１のマグネットを有し、前記回転体は、前記磁気カップリングを構成する従動側マグネットであって前記第１のマグネットの磁界により回転駆動される第２のマグネットを有することを特徴とする液体ポンプ装置が開示されている。

特開平６−２８０７７９号公報

上記特許文献１に開示されているような構造のポンプシステムでは、アキシャル型モータ構造と推察できるモータマグネットを磁気カップリングの駆動マグネットを共有する構成であり、伝達トルクを大きくすることができない。大トルクのポンプシステムに適用する場合には、モータ部が大型化してしまう。

本発明の目的は、高信頼かつ小型な電動ウォータポンプを提供することである。

そこで本発明は、アキシャルギャップモータと駆動マグネットを有するモータ部と、前記駆動マグネットと径方向に磁気結合する受動マグネットを有するポンプ部と、を備えた電動ウォータポンプの構成を採用する。

本発明によれば、高信頼かつ小型な電動ウォータポンプを提供することができる。

電動ウォータポンプ１００の断面図である。 電動ウォータポンプ１００の要部分解斜視図である。 モータ部２００の断面図である。 モータ部２００の要部分解斜視図である。 出力側回転子２３０の斜視図である。 出力側回転子２３０の斜視図である。 隔壁１０の断面図である。 アキシャルギャップ型モータの鉄心構造を示す斜視図である。 他の実施例に係る出力側回転子２３０の断面模式図である。 他の実施例に係る出力側回転子２３０の断面模式図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

以下、第１の実施例について、図１ないし図６を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る電動ウォータポンプ１００の主要部品の分解斜視図である。電動ウォータポンプ１００は、大きく分けて、モータ部２００とポンプ部３００とからなる。モータ部２００とポンプ部３００は、隔壁１０を間に挟んで隔てられている。図２は、電動ウォータポンプ１００の断面図である。モータ部２００及びポンプ部３００は、筐体２０に収納されている。

本実施形態に係る電動ウォータポンプ１００は、モータ部２００にアキシャルギャップ型のモータを備え、モータ部２００とポンプ部３００の間の動力伝達として、隔壁１０を介したラジアル型磁気カップリングを採用した点に特徴を有する。以下、その構成について詳しく説明をしていく。

図３は、図２におけるモータ部２００の拡大断面図である。モータ部２００は、モータ固定子２４０と、モータ回転子２３０及び２３１と、モータ側軸２２０と、を有する。本実施形態のモータ部２００は、モータ固定子２４０とモータ回転子２３０、２３１が軸方向に所定のギャップを隔てて配置される、アキシャルギャップ型モータである。

アキシャルギャップ型モータは、モータ側軸２２０の周方向に沿って複数のモータ固定子鉄心２４１を有する。モータ固定子鉄心２４１の周囲には、モータ固定子コイル２４２が巻回され、モータ固定子２４０を構成する。モータ固定子２４０は、モータ側軸２２０の軸方向略中央に配置される。

モータ固定子２４０の軸方向両側には、出力側回転子２３０及び反出力側回転子２３５が配置される。出力側回転子２３０が図中左方に配置され、反出力側回転子２３５が図中右方に配置される。モータ部２００を構成する固定子２４０と回転子２３０、２３５の間のギャップは、効率を最大に得るために適正な寸法関係として設計、構成される。

図４は、モータ部２００を構成する部品のうち、出力側回転子２３０、反出力側回転子２３５、モータ固定子２４０の分解斜視図である。

反出力側回転子２３５は、略円盤状の反出力側回転子ヨーク２３８の一方の主面上に、反出力側回転子継鉄２３７を介して反出力側回転子磁石２３６が保持される構造である。本実施例においては、反出力側回転子磁石２３６は、周方向に分割して複数配置される。複数配置された反出力側回転子磁石２３６の各々の間には、反出力側磁石位置決め部材２３９が配置される。反出力側回転子ヨーク２３８の中心には、モータ側軸２２０が挿入固定される軸挿入孔２２５が設けられる。

モータ固定子２４０は、前述の通り、モータ固定子コイル２４２が巻回された複数のモータ固定子鉄心２４１を有する。本実施例では、９組のモータ固定子鉄心２４１及びモータ固定子コイル２４２が、モータ側軸２２０の周方向に沿って配置されている。モータ固定子２４０の中心には、モータ側軸受保持部２２２が形成される。モータ側軸受保持部２２２には、モータ側軸受２２１が配置される
出力側回転子２３０は、反出力側回転子２３５とおよそ同様な構成となっている。出力側回転子２３０は、略円盤状の出力側回転子ヨーク２３３の一方の主面上に、出力側回転子継鉄２３２を介して出力側回転子磁石２３１が保持される構造である。周方向に分割して複数配置された出力側回転子磁石２３１の各々の間には、出力側磁石位置決め部材２３４が配置される。出力側回転子ヨーク２３３は、モータ固定子２４０が配置される側の面に、出力側回転子磁石２３１を保持している。さらに、出力側回転子ヨーク２３３は、モータ固定子２４０が配置される側とは反対側の面に、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すような筒状ヨークを形成している。

図５（ａ）及び図５（ｂ）を用いて、本実施形態の電動ウォータポンプにおける出力側回転子２３０の構成について説明する。図５（ａ）は、出力側回転子２３０をポンプ部３００側から見た斜視図である。図５（ｂ）は、出力側回転子２３０をモータ固定子２４０側から見た斜視図である。

本実施例の出力側回転子ヨーク２３３は、裏面に出力側回転子磁石２３１が保持される部分を底部とした有底円筒型形状に形成される。すなわち、出力側回転子ヨーク２３３は、出力側回転子ヨーク底部２３３ａと、出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂと、により構成される。出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂは、出力側回転子ヨーク底部２３３ａを挟んで出力側回転子磁石２３１とは反対側に形成される。出力側回転子ヨーク底部２３３ａと出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂは、ほぼ同じ外径で形成される。本実施例では、出力側回転子ヨーク底部２３３ａ及び出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂは、鉄、アルミ、ステンレスなどの材料から、一体に形成される。

出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂの内周面上には、複数極に着磁されたモータ側磁石２５０が保持される。モータ側磁石２５０は、出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂの内周面に沿った円弧状に形成される。本実施例では、モータ側磁石２５０は、隣り合う磁石同士の極が逆となるように、合計８個が周方向に沿って配置される。ここでは、モータ側軸２２０に沿ってポンプ３００側から見たときに、反時計周りに、モータ側磁石２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃ、２５０ｄ、２５０ｅ、２５０ｆ、２５０ｇ、２５０ｈがこの順に配置される。

出力側回転子磁石２３１は、図５（ｂ）に示すように、ドーナツ状のリング磁石で構成すること構成としてもよい。この場合、出力側回転子磁石２３１は、周方向に複数の磁極が交互に形成される。このようなリング磁石においては、複数の極性を、一体に同時着磁することが可能であり、誤差の少ない高精度の出力側回転子磁石２３１を得ることができる。このとき、出力側回転子磁石２３１の着磁方向は、モータ側磁石２５０の着磁方向と直交するため、着磁に伴う互いの影響が小さい。また、図４に示されるような磁石位置決め部材が不要となり、部品点数を削減することができる。

なお、本実施例は磁極数が８極の場合を示しているが、極対（Ｎ、Ｓ）の整数倍であれば極数は問わない。このように、本実施例に係る電動ウォータポンプは、アキシャルギャップモータを構成する回転子磁石の極数と、モータ部とポンプ部の磁気カップリングを構成する駆動マグネット及び受動マグネットの極数と、を独立して設計することができる。

図２に戻って、モータ部２００とポンプ部３００の関係について説明する。前述したとおり、モータ部２００とポンプ部３００は、筐体２０内の隔壁１０によって隔てて配置される。隔壁１０は、非導電体であり、非磁性材料で構成されることが好ましい。ただし、隔壁１０をプラスチック等の樹脂材料で形成する場合、隔壁１０の厚さによっては所望の強度が確保できないため、ステンレス等の非磁性金属で構成するなどしても良い。

図６は、図２に図示される隔壁１０を取り出した部分断面図である。図６には、モータ側磁石２５０及び後述するポンプ側磁石３５０の配置位置も破線で示している。

隔壁１０は、有底円筒形状に形成された出力側回転子ヨーク２３３の内面に沿うような、有底円筒形状部１３を有する。隔壁１０の有底円筒形状部１３により形成される空間には、ポンプ部３００が配置される。

また、隔壁１０は、有底円筒形状部１３の底部中央から、モータ側軸２２０の軸方向と平行な方向に延出するポンプ側軸３２０を有する。ポンプ側軸３２０は、モータ側軸２２０と同軸上に配置される。

また、隔壁１０は、有底円筒形状部１３の径方向外側において、モータ部２００の配置方向に向かって開口する有底環状部１２を有する。隔壁１０の有底環状部１２により形成される空間には、出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂ及び出力側回転子磁石２３１が配置される。

図２に示されるように、有底円筒形状部１３には、ポンプ側回転子３３０が配置される。ポンプ側回転子３３０は、当該ポンプ側回転子３３０の中心に配置されたポンプ側軸受３２１により、ポンプ側軸３２０に対して回転可能に保持される。ポンプ側回転子３３０の径方向外周面には、ポンプ側磁石３５０が配置される。ポンプ側磁石３５０は、モータ側磁石２５０の極数と同じ極数が設けられ、本実施例では８個のポンプ側磁石３５０が設けられる（図１参照）。

これにより、モータ側磁石２５０とポンプ側磁石３５０が磁気的に結合し、隔壁１０を挟んで非接触でトルクが伝達される。永久磁石同士が径方向（ラジアル方向）に対向してギャップ磁束を大きくすることができるため、磁気カップリングにより大きなトルクを伝達することができる。このため、隔壁１０を介してのギャップを有する構造であっても、モータ部２００で発生したトルクを一面で伝達することが可能となる。また、非接触トルク伝達面の外径を必要に応じて小さくすることも可能となる。

また、受動マグネットと磁気カップリングする駆動マグネットが、モータ部の駆動軸との間に結合部なく設けられるため、信頼性高くポンプシステムを構成することができる。

また、ポンプ側回転子３３０と同様に、羽根車部３１０がポンプ側軸３２０に対して回転可能に設けられる。羽根車部３１０は、図示されない羽根車締結部座金、羽根車締結用ナット等を用いて、ポンプ側軸３２０の先端に設けられた螺子部とスラスト方向に固定される。

本実施例では、ポンプ側磁石３５０の外径は、羽根車部３１０の外径よりも小さい径に形成されている（図１を参照）。これにより、羽根車部３１０を流れる水、油、空気等の流体がスムースになり、乱流などによる羽根車部３１０の破損防止や騒音低減効果が得られる。

また、ポンプ部とモータ部との磁気カップリングがラジアル構造であるため、ポンプ部の内圧の変化によって、受動マグネットであるモータ側磁石２５０と隔壁１０が接触することがなく、信頼性が向上する。

図７は、モータ部２００のモータ固定子鉄心２４１の別の構造例について示す。図７（ａ）は、電磁鋼板、または鉄基アモルファス、ファインメット、ナノクリスタル材料などの箔帯を周方向に積層した構造の鉄心である。図７（ｂ）は、圧粉磁心、フェライトなどの粉末を圧縮成形した鉄心を利用する例である。図７（ｃ）は、電磁鋼板、または鉄基アモルファス、ファインメット、ナノクリスタル材料などの箔帯を周方向に積層した構造の鉄心を長方形断面として構成する例を示している。図７（ｄ）は、図７（ａ）から図７（ｃ）に示した軟磁性材料の鉄心に方向性を付与した鉄心である。アキシャルギャップ型モータにおいては、磁束が軸方向に流れるため、当該磁束方向に異方性をつける構造としたものである。

このように、本実施例に係る電動ウォータポンプは、アキシャルギャップモータの鉄心に特殊な磁性材料を用いることができるため、モータ部の効率を極めて高く設計することができる。

図８は、第２の実施例に係る電動ウォータポンプの出力側回転子２３０の断面図である。

第１の実施例では、出力側回転子ヨーク底部２３３ａの外径Ｄｍと、出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂの外径Ｄｃとは、ほぼ同一の径で構成されていた。本実施例における出力側回転子ヨーク２３３は、出力側回転子ヨーク底部２３３ａの外径Ｄｍに対して、出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂの外径Ｄｃが小さくなるように形成される。

磁気カップリングによる伝達トルクの大きさは、軸長が同じ場合、磁気カップリングの磁極数と外径の大きさで選択することができる。そのため、本実施例のような構成とすることで、慣性の小さい磁気カップリング一体型電動ウォータポンプを提供することができる。

図９は、第３の実施例に係る電動ウォータポンプの出力側回転子２３０の断面図である。

第１の実施例では、出力側回転子磁石２３１を軸方向に保持する出力側回転子ヨーク底部２３３ａと、モータ側磁石２５０を径方向に保持する出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂとは、同一部材（２３３）として一体に構成されている。本実施例の出力側回転子ヨークは、出力側回転子磁石２３１を軸方向に保持する出力側回転子ヨーク底部２３３ａと、モータ側磁石２５０を径方向に保持する出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂとは、別部材として構成される。例えば本実施例では、出力側回転子ヨーク底部２３３ａを鉄とし、出力側回転子ヨーク筒部２３３ｂをアルミとしている。この場合、回転部の慣性を低減することができる。

以上示したような実施例に係る電動ウォータポンプは、小型・高効率を目的とした幅広い用途に応用することができる。例えば、産業用ポンプ、圧縮機、産業用ファン、小水力用途水車発電システム、車載用電動ウォータポンプ、車載用電動オイルポンプ、家電用ポンプ、家電用送風機など、一般的な回転機システム、および、羽根車を用いた駆動，発電システムに幅広く応用することが可能である。

１０：隔壁
１２：有底環状部
１３：有底円筒形状部
２０：筐体
１００：電動ウォータポンプ
２００：モータ部
２２０：モータ側軸
２２１：モータ側軸受
２２２：モータ側軸受保持部
２２５：軸挿入孔
２３０：出力側回転子
２３１：出力側回転子磁石
２３２：出力側回転子継鉄
２３３：出力側回転子ヨーク
２３３ａ：出力側回転子ヨーク底部
２３３ｂ：出力側回転子ヨーク筒部
２３４：出力側磁石位置決め部材
２３５：反出力側回転子
２３６：反出力側回転子磁石
２３７：反出力側回転子継鉄
２３８：反出力側回転子ヨーク
２３９：反出力側磁石位置決め部材
２４０：モータ固定子
２４１：モータ固定子鉄心
２４２：モータ固定子コイル
２４５：モータ固定子保持部
２５０：モータ側磁石
３００：ポンプ部
３１０：羽根車部
３２０：ポンプ側軸
３２１：ポンプ側軸受
３３０：ポンプ側回転子
３５０：ポンプ側磁石

Claims (10)

1. アキシャルギャップモータと駆動側磁石を有するモータ部と、
   前記駆動側磁石と径方向に磁気結合する受動側磁石を有するポンプ部と、を備えた電動ウォータポンプ。
2. 請求項１に記載の電動ウォータポンプであって、
   前記モータ部の前記駆動側磁石と、前記ポンプ部の前記受動側磁石との間に配置される隔壁をさらに備えた電動ウォータポンプ。
3. 請求項２に記載の電動ウォータポンプであって、
   前記隔壁は、非磁性材料で形成される電動ウォータポンプ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電動ウォータポンプであって、
   前記駆動側磁石は、環状に形成され、
   前記受動側磁石は、前記駆動側磁石の内径側に配置される電動ウォータポンプ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電動ウォータポンプであって、
   前記モータ部は、固定子と、前記固定子と軸方向に対向して配置される回転子と、を有し、
   前記回転子は、複数の磁極を有する回転子磁石と、前記回転子磁石を保持する回転子ヨークと、を有し、
   前記駆動側磁石は、前記回転子ヨークに保持される電動ウォータポンプ。
6. 請求項５に記載の電動ウォータポンプであって、
   前記回転子ヨークは、有底円筒形状に形成され、
   前記回転子磁石は、前記回転子ヨークの底部に保持され、
   前記駆動側磁石は、前記回転子ヨークの円筒形状部の内径側に保持される電動ウォータポンプ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の電動ウォータポンプであって、
   前記モータ部を構成する回転子の磁極数は、前記駆動側磁石の磁極数とは異なる電動ウォータポンプ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の電動ウォータポンプであって、
   前記駆動側磁石又は前記受動側磁石は、分割された複数の磁石により構成される電動ウォータポンプ。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の電動ウォータポンプであって、
   前記駆動側磁石又は前記受動側磁石は、リング状磁石により構成される電動ウォータポンプ。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の電動ウォータポンプであって、
    前記モータ部は、前記駆動側磁石を保持する筒状の駆動側磁石ヨーク部を有し、
    前記駆動側磁石ヨーク部は、当該駆動側磁石ヨーク部の外径が前記アキシャルギャップモータの外径よりも小さくなるように、形成される電動ウォータポンプ。