JP2854589B2 - 遠心ポンプのモータユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は遠心ポンプのモータユニットに関する。よ
り特定的には、この発明は、被駆動ロータと駆動ステー
タまたは駆動外方磁気リングとの間の球面状の磁気空隙
を有する、モータまたはモータによって駆動される磁気
軸継手のロータのためのベアリングに関する。

〔従来技術〕

最近のポンプの設計において、このような球面状のモ
ータまたは球面状の磁気軸継手が益々重要になってきて
いる。球面状のモータまたは軸継手のロータは、そのロ
ータを固定的に設けられたボールに対して押しつける磁
力によって所定の位置に保持される。ポンプのインペラ
が、磁気スラストに対して反対に作用する水スラストを
生じる被駆動ロータを備えるユニットを形成する。

電気が遮断さたとき、駆動ステータの磁力は即座にや
む。これに対して、インペラの吸引側とその後側との間
の圧力差によって生じる水スラストは、インペラの回転
の減少に伴ってゆっくりと減じられる。この結果、電気
を遮断した後、水力がロータを含むインペラをステップ
ベアリングから離すように押し上げようとする。もし、
水力が動作中の磁力を超えることができれば、磁気軸継
手においても軸スラストの方向において同じ変化が生じ
る。したがって、ロータを定常運転中の磁力の方向に支
持する必要があるばかりでなく、リング形状の環状回転
部材によってロータが反対方向に動くのを防止する必要
がある。

金属からなるキャップとボールとによって構成される
球面状のベアリングが知られている。金属ボールは支柱
の先端にろう付けされ得る。残念なことに、金属ベアリ
ングは、乾燥摩擦が表面の非常に小さい分級物を生じて
金属の溶融温度に達すると、キャップおよびボールを融
着させるので、焼き付く傾向にある。

円筒状のベアリングは潤滑液の膜を生じ、その膜は、
同圧潤滑の原理によって、ベアリングの２つの部材間に
おける接触を防ぐ高い動力を生じる。球面状のベアリン
グはそのような液膜を生じないので、乾燥または半乾燥
状態で動作する。したがって、円筒状のベアリングに比
べて、球面状のベアリングにおいてはその焼き付きの可
能性が非常に大きい。このことが、酸化アルミニウム，
酸化ジルコニウムあるいは炭化シリコンのようなセラミ
ック材料からなるボールによって金属ボールを置き換え
た理由である。これら酸化物の融点は非常に高いの、摩
擦熱がそこまで達することはない。同じことが炭化シリ
コンについても適用でき、さらに炭化シリコンは昇華す
るので融点を全くもたない。

〔発明が解決しようとする課題〕

セラミックボールの不利な点は、ボールを支柱上に溶
接したりろう付けしたりすることができないということ
である。したがって、この技術分野においては、ボール
の半径より僅かに深い穴にボールを押し込むことによっ
て、中空の支柱にボールを圧入することが知られてい
る。しかしながら、利用可能表面は半球より小さくな
る。また、セラミックボールを有するこれらのベアリン
グは、一方方向における軸力を支えることができるだけ
であるので、ステップベアリングとしてのみ作用する。
このことが、環境水力が任意の環境下での磁力を超えな
い条件下での応用における、セラミックボールを備える
ベアリングの球面状のロータへの適用を制限するのであ
る。

それゆえに、この発明の主たる目的は、セラミックボ
ールのこのような応用における制限を克服し得る、遠心
ポンプのモータユニットを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明は、ロータおよびそれに結合されたインペ
ラを有するロータ−インペラユニット，ステップベアリ
ングに向かう軸方向に磁力を有しロータに作用する回転
磁界を発生する駆動ユニット，および駆動ユニットから
ロータを隔てる透磁性隔壁を備える遠心ポンプのモータ
ユニットにおいて、ステップベアリングは、少なくとも
一部がセラミック材料からなるかつ支柱によって支持さ
れるボールと、ロータ−インペラユニットに取り付けら
れるかつボール上を滑動する金属シェルとを含み、金属
シェルはボールの表面の半分以上を囲繞することを特徴
とする、遠心ポンプのモータユニットである。

第２の発明は、ロータとともにユニットを形成するイ
ンペラを備え、ユニットはステップベアリングに向かう
軸方向に磁力を有しロータに作用する回転磁界を発生す
る駆動部によって駆動され、ユニットはステップベアリ
ングによって支持された遠心ポンプのモータユニットに
おいて、ステップベアリングはセラミックボール、座部
上にセラミックボールを固定的に支持する固定支柱、ユ
ニットに取り付けられかつセラミックボール上を滑動す
るとき第１方向に作用する軸力を支えるベアリングキャ
ップ、セラミックボールの一端に取り付けられる棒状部
材、棒状部材の他端に取り付けられるかつ固定支柱によ
って保持されるばね部材、およびセラミックボールの直
径より小さくかつ座部より大きい孔を有し、かつユニッ
トに取り付けられるベアリングリングを備え、ベアリン
グリングは第１方向と反対の方向に作用する軸力を支え
ることを特徴とする、遠心ポンプのモータユニットであ
る。

〔作用および効果〕

第１の発明では、ボールが金属シェルの縁によってク
ランプされるように、シェルの縁がボールの赤道を僅か
に越える。つまり、金属シェルがボールの表面の半分以
上を囲繞する。したがって、ボールから金属シェルが脱
落することがない。

第２の発明では、セラミックボールの一端に棒状部材
が取り付けられ、棒状部材には固定支柱によって保持さ
れるばね部材が取り付けられる。したがって、セラミッ
クボールに加わる過酷な衝撃がばね部材によって和らげ
られる。

〔実施例〕

第１図は、出口開口２および入口開口３を有するハウ
ジング１を備える遠心ポンプを通る断面を図解する。ダ
クト４は流体をインペラの目玉（eye）領域５に導く。
インペラ６は、ベーン７および凸磁石８とともに、ロー
タユニットを形成する。このロータユニットは、モータ
11のシャフト10上に設けられた凹磁石９によって駆動さ
れる。凸磁石８および凹磁石９の間には隔壁12が設けら
れ、この隔壁12は湿気のある室13を乾燥した室14から分
離ないし離隔する。ロータインペラ磁石ユニット6,7,8
は磁力によって矢印15の方向に吸引される。ステップベ
アリングは回転キャップ16と固定ボール17とによって形
成される。キャップはロータインペラ磁石ユニットの一
部である。ボールは隔壁の一部を形成する支柱18上に固
着される。僅かに弾性のある材料からなる環状ベアリン
グ部材19は、矢印15とは反対方向にロータユニットが移
動するのを防止する。回転凹磁石９に代えて、巻線を有
する固定ステータもまた回転磁界を発生することができ
る。そのときには、凸磁石８が凹アーマチュアに置き換
えられるであろう。

第２図は第１図における円IIによって囲まれる領域の
拡大図を示す。ボール17はシェル20によって囲繞され
る。シェルの縁21は僅かに赤道22とオーバラップする。
ボール17の球面状のリング部分23は、キャップ24の凹領
域とともに、滑動表面を形成する。シェル20は、環状ベ
アリング部材19とともに狭いクリアランス26を形成す球
面状の表面25を有する。ロータユニット6,7,8が矢印15
の方向に動き始めると、環状ベアリング部材19はシェル
20の球面状外表面と滑り接触する。シェル20はスナップ
アクションまたはろう付けによって支柱に固着された突
起28を有する。なお、突起28それ自身が支柱を構成して
もよい。

第３図は球体を形成するシェル30を示し、この球体は
ろう材29によって支柱18′に固着される。

第４図は球面状のポンプモータユニットを示し、その
ユニットは入口開口40および出口開口43を備え、それら
が空間42とともにポンプモータユニットの湿った部分を
形成する。磁気透過性隔壁44が、その湿った室をフラン
ジ部分45およびポンプハウジング46と一緒に囲繞する。
ベーン48を有するインペラ47およびアーマチュア49がロ
ータユニットを形成する。インペラ47のハブ部分50はベ
アリングキャップ51を包含する。このキャップおよび固
定ボール52がステップベアリングを構成する。ボール52
は円状の溝53を有する。固定的に設けられたシェル55の
縁54は溝53に入り込むように僅かに折り曲げられる。シ
ェル55は支柱57上に装着される。キャップ51は赤道56を
越えて達する。

第５図はステンレススチールのシートメタルで作られ
た中空対からなる支柱58の端部を示す。この支柱58は、
研磨によって作られたボール61の環状軸表面60の座部を
規定するカラー59を有する。グラウンド部分の内部はス
テム62を形成する。支柱の内径63は、環状ショルダ64の
領域においては別だが、ステム62より僅かに大きい。こ
のショルダ64は圧入によってステム62を保持する。カラ
ー59の周縁はボール61の球面に整合する球面形状を有す
る。表面60が赤道66から僅かな軸方向の距離65を有する
ように、カラー59のより大きな直径、ボール61の直径と
一致するか、あるいは好ましくは、僅かに小さい。カラ
ー59のより小さい直径が、第１図および第２図に示す環
状部材19の内径に整合する。

このような装置は以下の各工程を経て製造される： （ａ）研磨工程によって、ボール61の一方の半球上に凹
窩部が形成され、同じ工程によって、ステム62が形成さ
れ、このステム62の長さはボールの半径より短くされ
る； （ｂ）中空円筒端部を有する回転体の形状を有する支柱
58が深絞り工程によって形成され、それによって上述の
端部の内径がステム62の直径より僅かに小さくされる； （ｃ）前述の端部の縁が外方に折り曲げられてフランジ
67aを形成する； （ｄ）端部の内径は環状ショルダ64の両側において僅か
に大きくされ； （ｅ）ボール61のステム62は、ボール61の平坦な環状表
面60上にフランジ67aの軸方向表が座るまで、ショルダ6
4を通して駆動される；そして （ｆ）角を除去するための機械工作によって、カラー67
aの外表面59が球面形状にされ、それによってその球面
がボール61の球面と整合する。

第６図は同じボール形状を示すが、支柱58aとボール6
1aとの間には回転体68が配置されていて、この回転体68
は圧入によって支柱58aの穴に保持される。ボール61aの
ステム62aは圧入によって回転体68の穴64aに保持され
る。

第７図は座ぐり穴（blind end bore）77を有するボー
ル71を示す。その座ぐり穴77の周りのベースは支柱72の
上端縁74上に載る。ねじ73が固定手段として用いられ
る。このねじ73の外径は穴の直径より僅かに大きい。こ
の結果、高い摩擦力を得る。ねじ73は、好ましくは、粘
性潤滑剤で潤滑される。組立後その潤滑剤は高温処理に
よって蒸発する。硬化しかつ高いせん断力を提供するエ
ポキシのような２成分樹脂が前もって用いられてもよ
い。そのエポキシと伝えられるべき潤滑液との間の接触
を防止するために、Ｏリング75が溝の中に配置される。

第8A図は軸方向環状溝97を有するボール91を示す。支
柱92の端部93が、ステム98の表面上において高い摩擦を
提供する６角として形成される。

第8B図は第8A図の平面Ｃ−Ｃを通る断面を示す。

第９図は僅かなアンダーカットを有する座ぐりするボ
ール111を示し、その座ぐり穴は領域117において開口11
9より広くされる。この穴はホットメタルで充填され
る。ホットメタル118は、そして、支柱112の端部にろう
付けされる。

第10図は座ぐり穴とねじ頭のために広くされたリセッ
トを有するボール132を示す。支柱81は、正接角83に整
合する角度82に対する余角と等しいかそれより小さい開
口角を有する円錐端部を有する。ねじ66はねじ穴85に入
り、ボール132は縁84に対して圧接される。

第11A図は第10図実施例における設計の変形を示し、
ナット88aが、ねじ86bを保持するために、穴100に押入
される。

第11B図は支柱を上からみた図である。

第12A図はスロット87を有する支柱を示し、このスロ
ットの幅はねじ86aを保持するナット88の幅に整合す
る。

第12B図は第12A図の線Ａ−Ａにおける断面を示す。

第13A図はナット88bが穴89の内側に配置された同様の
設計を示す。ねじ頭は環状平面113上に載る。

第13B図は第13a図の線Ｂ−Ｂを通る断面を示す。

第14図はテーパ端部116を有する支柱115を通る断面を
示す。ボール117は縁118上に載る。ボールは初期応力の
あるばねワッシャ119の力によって縁118に対して圧接さ
れ、この力はねじ120およびナット121によってボール17
に伝達される。ねじ120を締着する回転方向は、ベアリ
ングリング123によって所定の位置に保持されるベアリ
ングキャップ122の回転方向と同じである。

ポンプが停止するときなどに生じるようなボール117
に過大な力が作用した場合、ボールは縁118から離れる
ように移動し、ばねワッシャ119は崩れる。その直後に
ボールは動作位置に戻（snap back）され、縁118によっ
て中心が合わされる。

第15図は第14図実施例と同様な設計を示し、特にテー
パ縁部126を有する円筒支柱125に適する。ばね127はね
じ型（コイル）ばねとして形成され、内方に折り曲げら
れた３つのひも128（lash）によって支持される。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁気軸継手を有するポンプの断面図である。 第２図はシェルを有するベアリングの拡大図である。 第３図はシェルを支柱に固定する別の方法を示す図解図
である。 第４図はボールが溝を有するポンプの断面図である。 第５図および第６図は、それぞれ、ステムを有するボー
ルを示す図解図である。 第７図は穴を有するボールを備える実施例を示す図解図
である。 第8A図および第8B図は軸方向溝を有するボールを示す図
解図である。 第９図は僅かなアンダカットを形成する穴を有するボー
ルを示す図解図である。 第10図は支柱にねじ止めされたボールを示す図解図であ
る。 第11A図および第11B図は穴にナットが入れられた第10図
実施例の変形例を示す図解図である。 第12A図および第12B図はスロットに位置決めされたナッ
トを有する第10図実施例の変形例を示す。 第13A図および第13B図は穴に入れられたナットを有する
第10図実施例の変形例を示す図解図である。 第14図はばねワッシャによって偏奇されたボールを有す
る別の実施例を示す図解図である。 第15図はねじ型ばねを有する第14図実施例の変形例を示
す図解図である。 図において、17,52,61,61a,71,91,101,111,117,130,132
はボール、18,18′,57,58,58a,72,81,92,112,115,125は
支柱、20,30,55はシェル、24,51,122はキャップ、62,62
aはステム、66,73,86a,86b,120,131はねじ、88,88a,88
b,121はナット、119はワッシャ、127はねじ型ばねを示
す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カーステン・アー・ラング アメリカ合衆国、カリフォルニア州サン ジェゴ、ハニーカットストリート3970 (72)発明者 ルードウィグ・ルーディン スイス、アングリコン、5611 ツェーハ ー、ケセラクストラーセ23 (72)発明者 ヨハーネス・エヌ・ラング アメリカ合衆国、カリフォルニア州サン ジェゴ、ハニーカットストリート3970 (56)参考文献 特開 昭50−48504（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−45904（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−170492（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F04D 13/02 F04D 29/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータおよびそれに結合されたインペラを
   有するロータ−インペラユニット，ステップベアリング
   に向かう軸方向に磁力を有し前記ロータに作用する回転
   磁界を発生する駆動ユニット，および前記駆動ユニット
   から前記ロータを隔てる透磁性隔壁を備える遠心ポンプ
   のモータユニットにおいて、 前記ステップベアリングは、少なくとも一部がセラミッ
   ク材料からなるかつ支柱によって支持されるボールと、
   前記ロータ−インペラユニットに取り付けられるかつ前
   記ボール上を滑動する金属シェルとを含み、 前記金属シェルは前記ボールの表面の半分以上を囲繞す
   ることを特徴とする、遠心ポンプのモータユニット。
2. 【請求項２】ロータとともにユニットを形成するインペ
   ラを備え、前記ユニットはステップベアリングに向かう
   軸方向に磁力を有し前記ロータに作用する回転磁界を発
   生する駆動部によって駆動され、前記ユニットは前記ス
   テップベアリングによって支持された遠心ポンプのモー
   タユニットにおいて、 前記ステップベアリングは セラミックボール、 座部上に前記セラミックボールを固定的に支持する固定
   支柱、 前記ユニットに取り付けられるかつ前記セラミックボー
   ル上を滑動するとき第１方向に作用する軸力を支えるベ
   アリングキャップ、 前記セラミックボールの一端に取り付けられる棒状部
   材、 前記棒状部材の他端に取り付けられかつ前記固定支柱に
   よって保持されるばね部材、および 前記セラミックボールの直径より小さくかつ前記座部よ
   り大きい孔を有し、かつ前記ユニットに取り付けられる
   ベアリングリングを備え、前記ベアリングリングは前記
   第１方向と反対の方向に作用する軸力を支えることを特
   徴とする、遠心ポンプのモータユニット。