JP2017101594A - 先行待機ポンプ用軸受、先行待機ポンプおよび先行待機ポンプの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造を単純化しつつ信頼性を確保することが可能な先行待機ポンプ用軸受、先行待機ポンプおよび先行待機ポンプの運転方法を提供する。
【解決手段】磁気軸受６Ａと水中軸受５とを備えた軸受装置４Ａであって、磁気軸受６Ａは、ポンプ軸２に設けられる永久磁石７と、この永久磁石７の外周に対向して配置されて当該永久磁石７との間で反発力を発生させる電磁石８と、を備える。また、電磁石８は、制御装置によってＯＮ−ＯＦＦ制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、先行待機ポンプ用軸受、先行待機ポンプおよび先行待機ポンプの運転方法に関する。

都市部では路面が舗装されているため、集中豪雨時には、雨水が地面に浸透することなく排水ポンプ機場に一挙に流入してくる。一方、エンジンやモータで駆動されるポンプは、運転開始操作から始動までに時間を要するので、排水ポンプ機場の吸込水位が上昇してからポンプの運転を開始する操作をしていたのでは排水が間に合わない。このため、排水ポンプ機場では降水と同時にポンプを始動して、軸受部がドライ状態の空転運転が行われ、その後流入してくる水を待つ先行待機ポンプが採用されている。

現在の先行待機ポンプでは、１時間程度の空転運転が必要とされているが、最近の頻繁な集中豪雨による浸水被害を無くすため、運用者より早めのポンプ起動の要望があり空転運転時間が延びることが予測される。このため、今後は長時間の先行待機運転に対応する先行待機ポンプが要求されるので、信頼性の高い先行待機ポンプ用の軸受が必要とされる。

この改善技術として、例えば、磁気軸受に流体潤滑すべり軸受けの軸受特性を持たせ、磁気軸受を水中軸受として使用可能とする技術が提案されている（特許文献１参照）。また、水中軸受と磁気軸受の両方を搭載して、ポンプのドライ運転時に磁気軸受を主軸受として使用し、排水運転時に水中軸受を主軸受として使用する方法が提案されている（特許文献２参照）。

特開平５−１８７３９３号公報 特開２００２−２１３３８４号公報

しかしながら、従来の技術では、軸側に電磁石を使用するとともに変位センサによって軸受の隙間制御を行うため、システムが複雑で高価になり、ポンプ軸に電磁石を搭載しているため、電磁石のコイルのリード線の取り出しが複雑になるという課題がある。

本発明の目的は、構造を単純化しつつ信頼性を確保することが可能な先行待機ポンプ用軸受、先行待機ポンプおよび先行待機ポンプの運転方法を提供することを目的とする。

本発明の先行待機ポンプ用軸受は、磁気軸受と水中軸受とを備えた先行待機ポンプ用軸受であって、前記磁気軸受は、ポンプ軸に設けられる永久磁石と、前記永久磁石に対向して配置されて当該永久磁石との間で反発力を発生させる電磁石と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の先行待機ポンプの運転方法は、ポンプ軸に設けられる永久磁石と前記永久磁石に対向して配置されて当該永久磁石との間で反発力を発生させる電磁石とを備えた磁気軸受、および水中軸受と、を備えた先行待機ポンプの運転方法であって、制御装置は、排水運転開始水位となった場合に前記電磁石を消磁し、前記排水運転開始水位よりも低い排水運転停止水位であるエアーロック運転開始水位となった場合に前記電磁石を励磁することを特徴とする。

本発明によれば、構造を単純化しつつ信頼性を確保することが可能な先行待機ポンプ用軸受、先行待機ポンプおよび先行待機ポンプの運転方法を提供できる。

また、本発明によれば、空転運転を１時間以上の長時間行うことが可能である。

第１実施形態の先行待機ポンプを示す縦断面図である。 第１実施形態の先行待機ポンプに用いられる軸受装置を示す断面図である。 （ａ）はポンプ軸に組み込むリング型の永久磁石の分解斜視図、（ｂ）はヘテロポーラ型の電磁石の１／４を軸方向に切り欠いた断面斜視図である。 第１実施形態の先行待機ポンプにおける運転方法を示すタイミングチャートである。 図４の各動作における水位と圧力スイッチの状態を示す説明図である。 第２実施形態の先行待機ポンプに用いられる軸受装置を示す断面図である。 第２実施形態の軸受装置の電磁石を示す断面斜視図である。 第３実施形態の先行待機ポンプに用いられる軸受装置を示す断面図である。 （ａ）はバー型永久磁石を示す斜視図、（ｂ）はバー型永久磁石のポンプ軸への取付状態を示す横断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。 第４実施形態の先行待機ポンプに用いられる軸受装置を示す断面図である。

以下、本実施形態に係る先行待機ポンプ１００について、図１ないし図１０を参照して説明する。なお、各実施形態において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の先行待機ポンプを示す縦断面図である。
図１に示すように、先行待機ポンプ１００は、先端（下端）に羽根車１が固定されたポンプ軸２と、羽根車１及びポンプ軸２が収容されるケーシング３と、ポンプ軸２を回転可能に支持する軸受装置（先行待機ポンプ用軸受）４Ａ，４Ａと、制御装置５０と、を備えて構成されている。ポンプ軸２の上端部には、先行待機ポンプ１００を駆動する原動機２００（図５参照）が接続されている。

ケーシング３は、羽根車１の上流側に設けられる吸込ケーシング３１と、羽根車１の周囲に設けられるケーシングライナ３２と、羽根車１の下流側に設けられるボウルケーシング３３と、ボウルケーシング３３の下流側に設けられる揚水管３４と、揚水管３４の下流側に設けられる吐出しエルボ３５と、を有して構成されている。

吐出しエルボ３５は、ポンプ設置床３０よりも上側に配置されている。また、吸込ケーシング３１の先端にはベルマウス３１ａが形成され、ベルマウス３１ａと羽根車１との間には吸気管３６が複数接続されている。吸気管３６の先端は、図示省略しているが、ポンプ設置床３０より上側の空間（大気）と連通している。

軸受装置４Ａは、ポンプ軸２の先端部と、ポンプ軸２の中間部の２箇所に設けられている。なお、いずれの軸受装置４Ａも同様の構成である。また、軸受装置４Ａは、２箇所に限定されるものではなく、ポンプ軸２の長さなどに応じて１箇所であってもよく、３箇所以上であってもよい。

ボウルケーシング３３内には、軸受装置４Ａを保持する保持体３３ａが設けられている。この保持体３３ａは、上流側から下流側に向けて縮径する形状である。また、保持体３３ａは、複数枚の案内羽根３３ｂによってボウルケーシング３３の内壁面と固定されている。また、保持体３３ａには、ポンプ軸２に延びるステー３３ｃ，３３ｃが設けられ、このステー３３ｃによって軸受装置４Ａが支持されている。また、もう一方の軸受装置４Ａは、揚水管３４から延びるステー３４ａ，３４ａによって支持されている。

また、ポンプ設置床３０の吐出しエルボ３５には、圧力センサ４１が設けられている。この圧力センサ４１は、例えば、吐出しエルボ３５の側面に接続される配管４２と、この配管４２の先に接続される圧力スイッチ（ＰＳＷ）４３と、によって構成されている。圧力スイッチ４３は、例えば、ダイヤフラム式のものであり、配管４２を介して排水の圧力を受けることにより、スイッチがＯＮする構成のものである。圧力スイッチ４３を吐出しエルボ３５、つまりポンプ設置床３０の上方（床上）に設けることにより、圧力スイッチ４３のメンテナンス性を向上できる。

図２は、第１実施形態の先行待機ポンプに用いられる軸受装置を示す断面図、図３（ａ）はポンプ軸に組み込むリング型の永久磁石の分解斜視図、（ｂ）はヘテロポーラ型の電磁石の１／４を軸方向に切り欠いた断面斜視図である。
図２に示すように、軸受装置４Ａは、水中軸受５と磁気軸受６Ａとを備えて構成され、水中軸受５の下部（下側、上流側）に磁気軸受６Ａが設けられたものである。

また、磁気軸受６Ａの回転体（永久磁石７）との軸受ギャップ（隙間）は、水中軸受５の軸受本体５３とスリーブ５１とのギャップ（隙間）よりも広く形成されている。これにより、ポンプ運転中に磁気軸受６Ａの電磁石８と永久磁石７とが当たることや摺動することが無い。

水中軸受５は、スリーブ５１、スリーブ固定部材５２、軸受本体５３、軸受保持部材５４、軸受ホルダ５５などで構成されている。

スリーブ５１は、ポンプ軸２の外周面に設けられる円筒形状のものであり、超硬合金の材料などで構成されている。スリーブ固定部材５２は、スリーブ５１を固定するものであり、ステンレス合金などの材料で構成されている。スリーブ５１およびスリーブ固定部材５２は、ポンプ軸２と共に回転するように構成されている。

軸受本体５３は、スリーブ５１の外周面と対向して配置されるすべり軸受である。また、軸受本体５３は、摺動性の良好な合成樹脂材料を円筒状にしたものである。軸受保持部材５４は、軸受本体５３を保持するものである。軸受ホルダ５５は、ステー３４ａに固定されるとともに、軸受保持部材５４を保持するものである。

磁気軸受６Ａは、回転側のポンプ軸２に組み込まれるリング型の永久磁石７と、ヘテロポーラ型の電磁石８と、を備えて構成されている。また、磁気軸受６Ａの電磁石８は、水中軸受５のステー３４ａ側に取り付けられている。

図３（ａ）に示すように、永久磁石７は、軸方向の一方にＮ極、他方にＳ極が形成されたリング形状のものであり、フェライト磁石やネオジム磁石などによって構成されている。また、永久磁石７は、４個の永久磁石部７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄを組み合わせて構成され、Ｎ極とＮ極、Ｓ極とＳ極とがそれぞれ対向するように軸方向に重ねられた構造を有している。このように、永久磁石７の形状がリング状であるため、ポンプ軸２に容易に組み込むことができる。

図３（ｂ）に示すように、電磁石８は、４個の電磁石部８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄと鉄芯部８Ｅとを組み合わせた構造を有している。各電磁石部８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄは、鉄芯９とコイル１０とを組み合わせて構成されている。

鉄芯９は、リング形状を呈し、内周壁面の一部と下面の一部が切り欠かれることで断面視矩形状の切欠部９ａが形成されている。この切欠部９ａ内には、周方向にリード線１１を巻回して円環状に構成されたコイル１０が設けられている。また、鉄芯９には、切欠部９ａと外周面とを連通される連通孔９ｂが形成され、この連通孔９ｂを介してリード線１１が引き出されている。

また、鉄芯９の上面外周縁には、凹み形状の段差部９ｃが円環状に形成されている。また、鉄芯９の下面外周縁には、下向きに凸形状の段差部９ｄが円環状に形成されている。この段差部９ｄは、その下段に位置する電磁石部８Ｂ（８Ｃ，８Ｄ）の段差部９ｃと嵌合するようになっている。これにより、各電磁石部８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄが軸方向に密着して積層されるとともに、径方向に位置ずれしないようになっている。

鉄芯部８Ｅは、電磁石部８Ｄの下側に配置されている。また、鉄芯部８Ｅの上面外周縁には、電磁石部８Ｄの段差部９ｄが嵌合する凹み形状の段差部９ｅが形成されている。また、鉄芯部８Ｅの下面は、水平な平坦面を有するように構成されている。

図２に戻って、永久磁石部７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄは、軸方向の長さが同じに形成されている。一方、電磁石部８Ａは、電磁石部８Ｂ，８Ｃ，８Ｄよりも高さが低く（軸方向の長さが短く）形成されている。電磁石部８Ｂ，８Ｃ，８Ｄは、互いに同じ高さ（軸方向の長さが同じ）に形成されている。これにより、永久磁石部７ＡのＳ極が電磁石部８ＢのＳ極と対向し、永久磁石部７ＢのＮ極が電磁石部８ＣのＮ極と対向し、永久磁石部７ＣのＳ極が電磁石部８ＤのＳ極と対向し、永久磁石部７ＤのＮ極が鉄芯部８ＥのＮ極と対向している。

また、永久磁石７（永久磁石部７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ）は、水中軸受５の下側に位置するポンプ軸２に上方（流体の下流側）、または下方（流体の上流側）から挿入されることで取り付けられている。ポンプ軸２には、最上段の永久磁石部７Ａの上側に円環状の溝２ａが形成されている。この溝２ａは、スリーブ５１が取り付けられる位置のポンプ軸２の表面よりも深く形成されている。また、溝２ａには、半割形状（リングを２分割）に形成した抑え部材１２が組み合わされて嵌合するように取り付けられる。これにより、永久磁石部７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ同士を互いに密着させた状態で固定することができる。また、ポンプ軸２には、抑え部材１２を固定するためのリング形状の固定部材１３が上方から挿入されて取り付けられている。

前記したスリーブ５１、スリーブ固定部材５２、永久磁石７、抑え部材１２、固定部材１３、および永久磁石部７Ｄより下側に位置するポンプ軸２の、各外周面が、すべて面一になるように構成されている。

永久磁石７に対向して配置された電磁石８は、鉄芯部８Ｅ側からボルトＢが挿通されて電磁石部８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄおよび鉄芯部８Ｅが密着した状態で固定される。また、電磁石８は、ケース１４内に収容され、ケース１４が水中軸受５の軸受ホルダ５５にボルト（図示せず）によって固定されている。

ケース１４は、電磁石８が収容される収容部１４ａと、収容部１４ａに蓋をする蓋部材１４ｂとによって構成されている。収容部１４ａの下端には、電磁石８が挿入される挿入口１４ｃが形成されている。蓋部材１４ｂは、電磁石８が収容部１４ａに収容された後、収容部１４ａにボルト（図示せず）を介して固定される。

なお、回転側の永久磁石７とともに固定側の電磁石８を永久磁石にすることで安価で扱い易い磁気軸受を構成することができるが、磁気軸受６Ａの組立てが永久磁石同士の反発力によって困難になる。そこで、ポンプ軸２側の磁石を永久磁石７とし、固定側の磁石を電磁石８とすることで、ポンプ組み立て時に電磁石８を消磁状態（通電をＯＦＦ）にすることで、永久磁石７と電磁石８との反発力を無くし、ポンプの組み立てが容易になる。

制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ、インターフェース回路等を搭載して構成されている。また、制御装置５０は、圧力センサ４１の検出値に基づいて、磁気軸受６ＡをＯＮ−ＯＦＦ制御する。すなわち、制御装置５０は、圧力センサ４１の圧力スイッチ４３がＯＦＦからＯＮに切り替わったと判定した場合に磁気軸受６Ａの電磁石８を励磁から消磁（通電をＯＮからＯＦＦ）に切り替え、圧力スイッチ４３がＯＮからＯＦＦに切り替わったと判定した場合に電磁石８を消磁から励磁（通電をＯＦＦからＯＮ）に切り替える。

このように構成された磁気軸受６Ａでは、電磁石部８Ａのコイル１０に図２の向き（図示右側では紙面垂直方向奥側から手前側、図示左側では紙面垂直方向手前側から奥側）に電流を流すことで、軸方向の上側にＮ極、下側にＳ極が発生し、永久磁石部７Ａと電磁石部８Ａ，８Ｂとの間において反発力が発生する。

また、電磁石部８Ｂのコイル１０に電磁石部８Ａとは逆向き（図示右側では紙面垂直方向手前側から奥側、図示左側では紙面垂直方向奥側から手前側）に電流を流すことで、軸方向の上側にＳ極、下側にＮ極が発生し、永久磁石部７Ｂと電磁石部８Ｂ，８Ｃとの間において反発力が発生する。

また、電磁石部８Ｃのコイル１０に電磁石部８Ｂとは逆向き（図示右側では紙面垂直方向奥側から手前側、図示左側では紙面垂直方向手前側から奥側）に電流を流すことで、軸方向の上側にＮ極、下側にＳ極が発生し、永久磁石部７Ｃと電磁石部８Ｃ，８Ｄとの間において反発力が発生する。

また、電磁石部８Ｄのコイル１０に電磁石部８Ｃとは逆向き（図示右側では紙面垂直方向手前側から奥側、図示左側では紙面垂直方向奥側から手前側）に電流を流すことで、軸方向の上側にＳ極、下側にＮ極が発生し、永久磁石部７Ｄと電磁石部８Ｄおよび鉄芯部８Ｅとの間において反発力が発生する。

このように、電磁石８を通電することによって、ポンプ軸２を電磁石８から離間した状態で支持することができる。また、複数の鉄芯９に分割して、コイル１０を組み込むことにより、構造がシンプルになり、製作が容易で安価になる。

なお、磁気軸受６Ａでは、永久磁石７のＳ極とＮ極の磁界の繋がりを回避することが必要であり、そのために永久磁石７を取り付けるポンプ軸２の材質は、非磁性材料を用いることが好ましい。非磁性材料としては、例えば、アルミニウム合金やオースティナイト系のステンレス合金を適用することができる。

次に、軸受装置４Ａを備えた先行待機ポンプ１００の動作（運転方法）について図４および図５を参照して説明する。図４は、第１実施形態の先行待機ポンプにおける運転方法を示すタイミングチャート、図５は、図４の各動作における水位と圧力スイッチの状態を示す説明図である。なお、図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に対応している。また、図５（ａ）〜（ｅ）の括弧内のＯＮ，ＯＦＦは、磁気軸受６Ａの励磁（ＯＮ）、消磁（ＯＦＦ）の状態を示している。

図４には、ポンプ井Ｓ１の水位（吸込水槽の水位）、ポンプ起動（停止）スイッチ（以下、起動ＳＷとする）、ポンプ運転状態、磁気軸受６Ａの制御（電磁石８の励磁（ＯＮ）と消磁（ＯＦＦ））、圧力スイッチ（ＰＳＷ）４３の各状態が図示されている。図４に示すように、時刻ｔ０の運転開始前（ポンプ起動スイッチがＯＦＦ）においては、電磁石８が消磁状態（通電ＯＦＦ）であり、圧力センサ４１の圧力スイッチ４３は、ポンプ運転状態が停止しているため、ポンプ内圧力が所定圧力以下となり、ＯＦＦである。

そして、ポンプ機場の上流側で天候が降雨になり、気象情報や気象観測等によって豪雨となることが予想される場合、ポンプ井Ｓ１（図５参照）に排水運転水位未満の水位状態において、運転員が手動操作で起動ＳＷをＯＮにする。時刻ｔ１における起動ＳＷのＯＮに連動して、磁気軸受６Ａの通電を行い、電磁石８が励磁（通電ＯＮ）することで、磁気軸受６Ａが機能する。この場合、ポンプは排水しない状態であるため、空転運転である。

このときのポンプ井Ｓ１の水位は、図５（ａ）に示すように、先行待機ポンプ１００の下端よりも低い状態である。なお、吐出しエルボ３５の下流側には吐出管６１が接続され、この吐出管６１がポンプ井Ｓ１よりも上側に位置する吐出水槽Ｓ２と連通している。また、吐出管６１には、吐出水槽Ｓ２側から吸込水槽Ｑ１側への逆流を防止する逆止弁６２が設けられている。また、運転開始前においては、先行待機ポンプ１００の下流に配置された吐出水槽Ｓ２の吐出水位も低い状態である。

その後、雨水がポンプ井Ｓ１に流れ込み、ポンプ井Ｓ１の水位が上昇して、図４の時刻ｔ２の排水運転開始水位に達すると、ポンプ井Ｓ１の水が吸い上げられ、空転運転から自動的に排水運転となる。このときの水位は、図５（ｂ）に示すように、水位が羽根車１（図１参照）の位置に達したときである。このときの排水は、給気管３６より空気を吸込み、水と空気が混合した気水混合の排水運転（気水混合運転）であり、水位上昇に伴い吸気管３６からの吸気量が減少して、排水量が増加する。

また、図４の時刻ｔ２において、ポンプ（先行待機ポンプ１００）内の圧力が排水の圧力によって所定値以上になり空転運転から気水混合運転に移行することで、圧力スイッチ４３がＯＦＦからＯＮに切り替わる。この圧力スイッチ４３の切替動作に連動して、磁気軸受６Ａの電磁石８が消磁することで磁気軸受６Ａの機能が停止し、水中軸受５によってポンプ軸２が支持される。なお、排水運転中は、揚水による軸受潤滑水が確保できるので、磁気軸受６ＡをＯＦＦにしても、水中軸受５でポンプ軸２を支持できる。

排水運転水位（図５（ｃ）参照）以上で所定の排水量（仕様排水流量）を排水する運転となり、その後、降雨が無くなり、ポンプ井Ｓ１の水位が低下し、吸気開始水位（水位が下降時は排水運転水位以下）まで低下すると、吸気が始まり、空気と水とが混合した気水混合の排水運転（気水混合運転）に移行する。気水混合の排水運転は、水位が下がるのに伴い、吸気管３６からの吸気量が増加して、ポンプ井Ｓ１の水位が、吸気管３６の水平配管レベル付近まで低下したときに排水が停止する。

排水が停止した時刻ｔ３において、水位が図５（ｄ）に示す排水運転停止水位まで低下すると、ポンプ内の圧力が所定値以下になり、圧力スイッチ４３がＯＮからＯＦＦに切り替わり、ポンプ内に揚水は存在するが、排水が停止状態で、羽根車１の下にエアーが存在するエアーロック運転状態に移行する。なお、排水運転停止水位とは、排水運転開始水位よりも低い水位で、吸気管３６から空気を吸い込み、羽根車１の下がエアーポケットとなり、排水が停止するエアーロック状態の高さ位置である。この圧力スイッチ４３の切替動作に連動して、磁気軸受６Ａの電磁石８が励磁状態（ＯＮ）となり、磁気軸受６Ａが機能する。そして、エアーロック状態から、ポンプ内の揚水がケーシングライナ３２に設けられたドレン穴（不図示）より排出（ドレン）される状態を経て、空転運転（図５（ｅ）参照）に移行する。このように、排水運転停止水位を排水運転開始水位よりも低くして、磁気軸受６Ａを遅らせて作動させることで、磁気軸受６ＡのＯＦＦからＯＮへの作動時間を伸ばすことができる。また、排水運転停止水位、つまりエアーロック運転開始水位において磁気軸受６Ａを励磁することで、水中軸受５の劣化を抑制して、軸受装置４Ａとしての信頼性を向上できる。

空転運転に移行後、ポンプ井Ｓ１の水位が低となり、所定時間経過後の時刻ｔ４において、制御装置５０が起動ＳＷをＯＦＦにする。所定時間は、適宜設定されるものであり、例えば１時間に設定される。これにより、磁気軸受６Ａの電磁石８が消磁状態となり、磁気軸受６Ａの機能が停止する。なお、電磁石８を消磁するタイミングとしては、流域の降雨状況に応じて（雨が増水しないと判断したら）、運転管理者が起動ＳＷをＯＦＦにするようにしてもよい。

以上説明したように、第１実施形態の軸受装置４Ａ（先行待機ポンプ用軸受）では、水中軸受５と磁気軸受６Ａを備え、磁気軸受６Ａが、ポンプ軸２側に永久磁石７と、この永久磁石７の周囲に対向して配置される電磁石８とによって構成することで、電磁石８のリード線１１の取り出しを固定側のみにすることができるので、従来技術のようにポンプ軸２側からコイルのリード線を取り出す必要がなくなり、構造を単純化できる。

また、第１実施形態では、永久磁石７と対向する位置に電磁石８を配置し、電磁石８を励磁する（通電をＯＮする）ことで、ポンプ軸２を電磁石８から離間した状態で支持する磁気軸受６Ａとして機能させることができる。これにより、ポンプの空転運転中において、水中軸受５の接触面圧を低減することができ、軸受装置４Ａ（先行待機ポンプ１００）の信頼性を向上できる。

また、第１実施形態では、電磁石８の通電制御をＯＮ−ＯＦＦ制御（ＯＮ制御とＯＦＦ制御のみ）にすることで、磁気軸受６Ａの制御が簡素化され、機器（ポンプ）の信頼性を確保することができる。また、ポンプ軸２側を永久磁石７にしたことで、軸受装置４Ａ（先行待機ポンプ１００）の構造を簡単でき、しかも製造コストを安価にすることができる。

また、第１実施形態では、水中軸受５の下側（排水の流れ方向の上流側）に磁気軸受６Ａを取り付けて軸受装置４Ａを一体化することで、軸受装置４Ａを小型化することができる。

また、第１実施形態では、軸受装置４Ａ（先行待機ポンプ用軸受）を備えることで、構造が単純で信頼性を確保でき、空転運転を１時間以上の長時間行うことが可能な先行待機ポンプ１００を実現できる。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の先行待機ポンプに用いられる軸受装置を示す断面図、図７は、第２実施形態の軸受装置の電磁石を示す断面斜視図である。第２実施形態の軸受装置４Ｂは、第１実施形態の磁気軸受６Ｂの電磁石８に替えて電磁石８０にした構成である。その他の構成は、第１実施形態と同様であり、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図６に示すように、電磁石８０は、ホモポーラ型の電磁石であり、電磁石部８０Ａ，８０Ｂと鉄芯部８０Ｃとを組み合わせて構成されている。電磁石部８０Ａ，８０Ｂは、それぞれ鉄芯９０とコイル１０１とを組み合わせ、上下２段になるように構成されている。このように、電磁石部８０Ａ，８０Ｂを分割して構成することで、鉄芯９０にコイル１０１を取り付けやすくなり、電磁石８０の製造が容易になる。

図７に示すように、鉄芯９０は、リング形状を呈し、上部を除く内周壁面に凹み部９１が形成されている。この凹み部９１は、断面視矩形状に形成され、内周壁面に径方向中心側に向けて突出するボビン９２，９２が形成されている。このボビン９２は、周方向に細長い略矩形状に形成され、周方向に間隔を空けて複数箇所（本実施形態では、４箇所）に形成されている。ボビンの個数は、４箇所に限定されるものではなく、４個以上の偶数箇所にすることで、ポンプ軸２の支持がアンバランスになるのを抑制できる。

また、鉄芯９０の内周壁面９０ａと、ボビン９２の内周壁面９２ａとは、ポンプ軸２（図６参照）の中心からの距離が同じになるように、同一の曲率で形成されている。また、鉄芯９０には、ボビン９２の近傍に、径方向に貫通する貫通孔９３が形成されている。

コイル１０１は、ボビン９２にリード線１０２を巻回することで構成されている。また、コイル１０１から引き出されるリード線１０２は、貫通孔９３を介して鉄芯９０の外部に引き出されている。

また、鉄芯９０の上面外周縁には、第１実施形態と同様に、１段低くなった段差部９０ｃが円環状に形成されている。また、鉄芯９０の下面外周縁には、下方に凸形状の段差部９０ｄが円環状に形成されている。この段差部９０ｄは、その下段に位置する電磁石部８０Ｂの段差部９０ｃと嵌合するようになっている。また、電磁石部８０Ｂの段差部９０ｄは、その下段に位置する鉄芯部８０Ｃの段差部９０ｅに嵌合するようになっている。また、鉄芯部８０Ｃの下面は、第１実施形態と同様に、水平な平坦面を有するように構成されている。これにより、電磁石部８０Ａ，８０Ｂおよび鉄芯部８０Ｃが径方向に位置ずれすることなく、上下方向に密着した状態で重ねることができる。

図６に戻って、このように構成された磁気軸受６Ｂでは、電磁石部８０Ａの各コイル１０１において図６の向きに電流を流すことで、上側に位置するコイル１０１ａの上下にＮ極とＳ極が発生し、下側に位置するコイル１０１ｂの上下にＳ極とＮ極が発生し、永久磁石部７Ａ，７Ｂと電磁石部８０Ａとの間において反発力が発生する。また、電磁石部８０Ｂの各コイル１０１において電磁石部８０Ａと同じ向きに電流を流すことで、上側に位置するコイル１０１ａの上下にＮ極とＳ極が発生し、下側に位置するコイル１０１ｂの上下にＳ極とＮ極が発生し、永久磁石部７Ｃ，７Ｄと電磁石部８０Ｂおよび鉄芯部８０Ｃとの間において反発力が発生する。このように、電磁石８０に通電することによって、第１実施形態と同様に、ポンプ軸２を電磁石８０から離間した状態で支持することができる。また、電磁石部８０Ａ，８０Ｂのように電磁石８を２分割にして構成することで、鉄芯９０にコイル１０１を取り付け易くなり、電磁石８０の製造が容易になる。

このように、第２実施形態の軸受装置４Ｂでは、永久磁石７と対向する位置に電磁石８０を配置し、電磁石８０に通電することで、ポンプ軸２を電磁石８０から離間した状態で支持する磁気軸受６Ｂとして機能させることができる。これにより、第１実施形態と同様に、ポンプの空転運転中において、水中軸受５の接触面圧を低減することができ、軸受装置４Ｂ（先行待機ポンプ１００）の信頼性を確保できる。

また、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、ポンプ軸２側に永久磁石７、この永久磁石７の周囲に電磁石８０を配置した磁気軸受６Ｂを備えている。これにより、電磁石８０のリード線１０２の取り出しを固定側のみにすることができ、ポンプ軸２側からコイルのリード線を取り出す構成が不要になるので、軸受装置４Ｂの構造を単純化できる。

また、第２実施形態では、電磁石８０の通電制御をＯＮ−ＯＦＦ制御にすることで、磁気軸受６Ｂとして機能させることができるので、制御を簡素化しつつ先行待機ポンプ１００の信頼性を確保することができる。また、ポンプ軸２側を永久磁石７にしたことで、先行待機ポンプ１００の製造コストを安価にすることができる。

また、第２実施形態では、水中軸受５の下側に磁気軸受６Ｂを組み込むことで、先行待機ポンプ１００の小型化が図れる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る軸受装置を示す断面図、図９は、（ａ）はバー型永久磁石を示す斜視図、（ｂ）はバー型永久磁石のポンプ軸への取付状態を示す横断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
図８に示すように、第３実施形態の軸受装置４Ｃは、水中軸受５と、この水中軸受５の下部に、ヘテロポーラ型の電磁石８と、ポンプ軸２にバー型の永久磁石７０と、を備えた磁気軸受６Ｃを取り付けて構成したものである。

ポンプ軸２には、永久磁石７０が、複数箇所に設けられている。また、ポンプ軸２には、永久磁石７０の周囲を覆うように円筒状の磁石固定カバー７１が設けられている。

図９（ａ）に示すように、永久磁石７０は、四角柱形状の永久磁石部７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄが軸方向に４段重ねて構成されている。また、永久磁石部７０Ａ，７０ＢのＳ極同士が対向し、永久磁石部７０Ｂ，７０ＣのＮ極同士が対向し、永久磁石部７０Ｃ，７０ＤのＳ極同士が対向するように重ねられている。なお、本実施形態では、４段の永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄを例に挙げて説明しているが、４段に限定されるものではなく、発生させる反発力の大きさに応じて適宜変更されるものであり、３段以下であってもよく、５段以上であってもよい。また、永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄは、四角柱状に限定されるものではなく、円柱状、多角注状など他の形状であってもよい。

図９（ｂ）に示すように、ポンプ軸２の外周面には、永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄが嵌合して取り付けられる溝２ｂが形成されている。この溝２ｂは、周方向に間隔を空けて複数箇所に形成され、それぞれの溝２ｂに永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄが取り付けられている。なお、永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄの組数は、１２組に限定されるものではなく、発生させる反発力の大きさに応じて適宜変更でき、１１組以下であってもよく、１３組以上であってもよい。また、永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄが、周方向に間隔を空けずに密に配置される構成であってもよい。

また、永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄが取り付けられたポンプ軸２の外周面には、円筒状の磁石固定カバー（キャンともいう）７１が取り付けられる。この磁石固定カバー７１は、非磁性材料で形成され、アルミニウム合金やオースティナイト系のステンレスなどである。これにより、ポンプ軸２から永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄが脱落するのを防止できる。

図９（ｃ）に示すように、永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄは、ポンプ軸２と平行に配置されている。また、溝２ｂは、永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄの径方向の厚みよりも深く形成されており、磁石固定カバー７１を取り付けたときに、磁石固定カバー７１の外表面７１ａとポンプ軸２の外表面２ｃとが面一となるように構成されている。

このように、第３実施形態では、ポンプ軸２に取り付ける永久磁石７０を、バー状（棒状）の永久磁石部７０Ａ〜７０Ｄによって構成したものである。これによれば、第１実施形態や第２実施形態における永久磁石７と同様に、電磁石８のリード線１１の取り出しを固定側のみにすることができるので、構造を簡素化できる。

また、第３実施形態では、永久磁石７０と対向する位置にヘテロポーラ型の電磁石８を配置し、通電することで、ポンプ軸２を電磁石８から離間した状態で支持する磁気軸受６Ｃして機能させることができる。これにより、ポンプの空転運転中において、水中軸受５の接触面圧を低減することができ、軸受装置４Ｃ（先行待機ポンプ１００）の信頼性を確保できる。

また、第３実施形態では、電磁石８の通電制御をＯＮ−ＯＦＦ制御（ＯＮ制御とＯＦＦ制御のみ）にすることで、磁気軸受６Ａの制御を簡素化しつつ軸受装置４Ｃの信頼性を確保することができる。また、ポンプ軸２側を永久磁石７にしたことで、軸受装置４Ｃ（先行待機ポンプ１００）の構造を簡単でき、しかも製造コストを安価にすることができる。

また、第３実施形態では、水中軸受５の下側に磁気軸受６Ｃを取り付けることで、軸受装置４Ｃを小型化することができる。

（第４実施形態）
図１０は、第４実施形態の先行待機ポンプに用いられる軸受装置を示す断面図である。第４実施形態の軸受装置４Ｄは、水中軸受５の上側（排水の流れ方向の下流側）に磁気軸受６Ａを取り付けたものである。

第４実施形態によれば、磁気軸受６Ａを水中軸受５の上に配置することで磁気軸受６Ａとポンプ軸２との間の隙間への異物侵入量を低減出来る。

なお、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更することができる。例えば、第２実施形態におけるホモポーラ型の電磁石８０と第３実施形態におけるバー型の永久磁石７０とを組み合わせた構成であってもよい。

１ 羽根車
２ ポンプ軸
３ ケーシング
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ 軸受装置（先行待機ポンプ用軸受）
５ 水中軸受
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 磁気軸受
７ 永久磁石
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ 永久磁石部
８ 電磁石
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ 電磁石部
８Ｅ 鉄芯部
９ 鉄芯
１０ コイル
１１ リード線
３１ 吸込ケーシング
３１ａ ベルマウス
３２ ケーシングライナ
３３ ボウルケーシング
３３ｃ ステー
３４ 揚水管
３４ａ ステー
３５ 吐出しエルボ
３６ 吸気管
４１ 圧力センサ
４２ 配管
４３ 圧力スイッチ
５０ 制御装置
５１ スリーブ
５２ スリーブ固定部材
５３ 軸受本体
５４ 軸受保持部材
５５ 軸受ホルダ
７０ 永久磁石
７１ 磁石固定カバー
８０ 電磁石
８０Ａ，８０Ｂ 電磁石部
８０Ｃ 鉄芯部
９０ 鉄芯
１００ 先行待機ポンプ
１０１ コイル
１０２ リード線
２００ 原動機

Claims (8)

1. 磁気軸受と水中軸受とを備えた先行待機ポンプ用軸受であって、
   前記磁気軸受は、ポンプ軸に設けられる永久磁石と、前記永久磁石に対向して配置されて当該永久磁石との間で反発力を発生させる電磁石と、を備えることを特徴とする先行待機ポンプ用軸受。
2. 前記磁気軸受は、前記水中軸受に取り付けられ、
   前記磁気軸受は、排水の流れ方向の下流側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の先行待機ポンプ用軸受。
3. 前記電磁石は、前記水中軸受に取り付けられ、
   前記磁気軸受は、排水の流れ方向の上流側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の先行待機ポンプ用軸受。
4. 前記永久磁石は棒状のものであって、前記ポンプ軸と平行または略平行、かつ、前記ポンプ軸の外周面に複数配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の先行待機ポンプ用軸受。
5. 前記電磁石を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記電磁石の励磁と消磁を切替制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の先行待機ポンプ用軸受。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の先行待機ポンプ用軸受を備えたことを特徴とする先行待機ポンプ。
7. ポンプ軸に設けられる永久磁石と前記永久磁石に対向して配置されて当該永久磁石との間で反発力を発生させる電磁石とを備えた磁気軸受、および水中軸受と、を備えた先行待機ポンプの運転方法であって、制御装置は、排水運転開始水位となった場合に前記電磁石を消磁し、前記排水運転開始水位よりも低い排水運転停止水位となった場合に前記電磁石を励磁することを特徴とする先行待機ポンプの運転方法。
8. 前記排水運転停止水位は、エアーロック運転開始水位であることを特徴とする請求項７に記載の先行待機ポンプの運転方法。

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