JP3622131B2 - 磁気結合ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用のウオータポンプ等に適用されるモータ駆動式の磁気結合ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の磁気結合ポンプとして、従来、ポンプハウジング内に隔壁を介してポンプ室とモータ室が形成され、モータ室にアキシャルエアギャップ形モータのステータが配設されると共に、ステータの中心位置に回転軸が軸支され、ポンプ室側に突出した回転軸先端に羽根車が固定され、その羽根車の隔壁側つまりステータ側に、周方向にＮＳ極を交互に着磁した環状の永久磁石が取付けられた構成のポンプ装置が知られている。
【０００３】
この磁気結合ポンプは、ステータの円周上に設けられた複数のステータコイルに励磁電流を供給して複数のステータコアの端面に回転磁界を発生させ、これによって、羽根車側の環状の永久磁石との間に磁気吸引力を作用させ、羽根車を回転駆動するように動作する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、ロータとなる永久磁石付きの羽根車は、片持ち式の回転軸を有し、回転軸と軸受間に多少のクリアランスがあり、回転軸は軸受内で僅かではあるが、スラスト方向に移動可能に支持されている。
【０００５】
また、この種の磁気結合ポンプでは、運転時、羽根車の永久磁石からステータコア側に向うスラスト方向の吸引力成分が大きく生じるため、通常、羽根車は回転軸の軸受側に押付けられて回転する。
【０００６】
しかし、ポンプの吐出量が増大すると、羽根車に被圧送流体の背圧がかかり、その背圧により、羽根車がその回転軸の反軸収納部側に引出されて回転するようになる。このような場合、羽根車のスラスト方向への移動を押さえる部材が摩耗して、羽根車がハウジングと接触するようになると、羽根車が摩耗するだけではなく、ポンプロックを生じさせる恐れがある。
【０００７】
また、この種の磁気結合ポンプには、特開昭５８−８２０９２号公報等に記載されるように、ホール素子等を用いた回転検出器がモータ室側に設けられ、羽根車の回転速度を検出しているが、その回転速度の検出のみでは、上記のようなポンプの吐出量と羽根車の背圧の増大に伴うなう羽根車とハウジングの接触を有効に検出することができず、羽根車の浮き上がりを抑制しポンプロックを防止することができにくい問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、羽根車の浮き上がりを抑制し、ポンプロックを防止することができる磁気結合ポンプを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の磁気結合ポンプは、隔壁部を介してポンプ室とモータ室を内部に設けたハウジングと、隔壁部に設けた軸収納部内に挿入され支持される回転軸と、回転軸の先端に固定されてポンプ室内に配設された羽根車と、モータ室内に配設されたモータのステータと、羽根車の隔壁部側に固定され、モータのロータの一部を形成する永久磁石と、モータ室内に配設され、永久磁石の特定の磁極の磁気を検出し、羽根車の回転に応じた信号を出力する磁気検出器と、を備え、運転中に羽根車が反軸収納部側に浮き上がるように移動したとき、磁気検出器による永久磁石の磁気の検出動作が不能となるように、磁気検出器の位置が設定されていることを特徴とする。
【００１０】
ここで、羽根車が浮き上がり方向に移動した時、回転軸の先端に当接してその移動を抑えるための突起部を、ポンプ室内に配設するとよい。
【００１１】
また、磁気検出器は、モータ室内に配設された制御回路用の回路基板の裏面に取り付けることができる。
【００１２】
【作用・効果】
このような構成の磁気結合ポンプは、ステータに通電して回転磁界を発生させると、永久磁石がこの回転磁界に追従して回転することで羽根車が回転し、この羽根車の回転により流体が吸込口からポンプ室内に吸い込まれ、吐出口から吐き出される。
【００１３】
通常運転時、羽根車の永久磁石からステータ側に向うスラスト方向の吸引力成分が大きく生じるため、羽根車は回転軸の軸収納部側に押付けられて回転する。このような回転時、磁気検出器は、永久磁石の特定磁極の磁気を検出し、羽根車の回転角度（回転数）に応じて変化する周波数の信号を出力する。
【００１４】
しかし、このような羽根車の回転時、ポンプの吐出量が増大すると、羽根車に被圧送流体の背圧がかかり、その背圧により、羽根車が反軸収納部側に引出されて浮き上った状態で回転する。
【００１５】
このような場合、磁気検出器は、永久磁石の磁気の検出動作が不能となるように、その位置が設定されているため、磁気検出器から出力される信号は回転速度に対応したものではなく、例えば一定レベルの信号となり、回転数を示す信号が出力されない検出不能の状態となる。
【００１６】
モータの制御回路は、磁気検出器からのこのような検出不能の信号を入力すると、減速制御を行うように動作し、これによって、羽根車の回転速度が低下し、ポンプの吐出量が減少する。よって、羽根車にかかっていた被圧送流体の背圧は低下し、羽根車の永久磁石からステータ側に向うスラスト方向の吸引力成分が背圧に打ち勝つようになり、羽根車は回転軸の軸収納部側に押付けられて、通常の回転状態に戻る。
【００１７】
これによって、羽根車の浮き上がりが解消され、通常の回転状態に戻れば、磁気検出器は正常に永久磁石の特定磁極の磁気を検出し、羽根車の回転角度（回転数）に応じて変化する周波数のパルス信号を出力するようになり、制御回路は羽根車を所定速度に制御する。
【００１８】
このように、ポンプの吐出量の増大により、羽根車が浮き上がった状態になると、それが検出されて羽根車の回転が減速制御され、これによって吐出量が低下し、浮き上がっていた羽根車は回転軸の軸受部側に引き戻され、通常の回転状態に戻るため、羽根車が浮き上がった状態のまま運転が継続されることはないから、羽根車がハウジング内面に接触して摩耗したり、ポンプロックが発生する不具合を防止することができる。
【００１９】
また、既存の磁気検出器の取付け位置、つまり永久磁石との距離を所定の値に設定するだけで、上記のような運転ができるため、特別な検出器を設ける必要がなく、また、ポンプの制御回路においても、磁気検出器からの検出不能信号入力時には、減速制御を行うだけでよいため、複雑な制御を行わず、簡単な回路構成と動作で、上記のような不具合を解消することができる。
【００２０】
なお、羽根車が浮き上がり方向に移動した時、回転軸の先端に当接してその移動を抑えるための突起部を、ポンプ室内に配設すれば、羽根車の浮き上がりを抑制し、羽根車の摩耗やポンプロックの発生を抑制することができる。
【００２１】
また、磁気検出器は、モータ室内に配設された制御回路用の回路基板の裏面に取り付ければ、取付けや配線が容易である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は磁気結合ポンプの断面図を示している。この磁気結合ポンプは、流体の吸込口１と吐出口２とを有するハウジング３を備える。このハウジング３は、Ｏリングで気密性を保持された隔壁部４より、吸込口１、吐出口２側に位置するポンプ室５とモータ室６とに仕切られている。ポンプ室５には羽根車７が配されている。
【００２３】
羽根車７は、円盤状の本体部７ａの前面に、複数の羽根７ｂを同一円周上に等間隔で設けて形成される。羽根車７の中央部には回転軸８の拡径先端部８ａが固定される。さらに、羽根車７には、円周方向にＮＳ着磁面を有する環状の永久磁石９及び円環状の磁気プレート１０が、本体部７ａの隔壁部側に拡径先端部８ａを取り囲むように固定される。永久磁石９はフェライト等の強磁性体によりリング状に形成され、その周方向にＮ極とＳ極が交互に配置される。
【００２４】
回転軸８は、拡径先端部８ａと中間部８ｂと末端の細径部８ｃとから構成される。中間部８ｂと細径部８ｃは、隔壁部４の中央に設けられた有底筒形の軸収納部１１に収容される。軸収納部１１内には軸受部が設けられ、軸受部は内径の相違する２つの軸受面を有し、中間部８ｂと細径部８ｃは各軸受面により回転可能に支持される。この軸収納部１１は隔壁部４と共に硬質合成樹脂で一体成形され、金属製の軸受を省略し部品点数を削減することができる。
【００２５】
軸収納部１１つまり軸受部の前端はポンプ室５側に少し突出して環状の突出部１１ａが形成され、突出部１１ａ上にスラスト軸受面が形成される。このスラスト軸受面は回転軸８の拡径先端部８ａの後面に接触し支持する。
【００２６】
軸収納部１１内の中間部８ｂと細径部８ｃとの間には、空間が形成され、また、軸収納部１１の側部には、ポンプ室５側と軸収納部１１内の空間とを連通する連通孔１１ｂが形成される。この連通孔１１ｂは、流体の流路を形成するが、ポンプの起動時、軸収納部１１内の空気を抜く際の空気抜き孔ともなるものである。
【００２７】
さらに、軸収納部１１内の底部には、突起部１１ｃが形成され、この突起部１１ｃと回転軸８の後端面の間には僅かな間隙が設定され、軸収納部前端側の突出部１１ａのスラスト軸受面が摩耗したとき、回転軸８の後端面と突起部１１ｃは接触を開始し、接触開始後は、突出部１１ａのスラスト軸受面と共同してスラスト軸受として機能し、スラスト軸受面の摩耗を遅らせることができる。
【００２８】
ハウジング３の吸込口１には、回転軸８の拡径先端部８ａの尖頭部に向かって突出する棒状の突起部１ａが設けられており、この突起部１ａは吸込口１側への羽根車７の移動を制限し、羽根車７が浮き上がり時にハウジング３の内面に接触することを防止する。すなわち、図１に示すように、回転軸８の尖頭部と突起部１ａとの間隙Ａは、羽根車７とハウジング内面との間隙Ｂより小さく設定され、羽根車７の浮き上がり時に、回転軸８の尖頭部を突起部１ａに当接させ、羽根車７のハウジング３内面との接触を防止する。
【００２９】
一方、モータ室６には羽根車７を回転させるモータのステータ１２が配される。ステータ１２は、隔壁部４中央の軸収納部１１を取り巻くように同一円周上に等間隔で配置された複数のステータコア１３と、その外周のボビン１４に巻装されたステータコイル１５と、複数のステータコア１３の末端を連結するように配設された円環状の磁気プレート１６と、から構成される。このようなステータ１２は、ハウジング３内のモータ室６を閉塞する蓋体１８内に収容され、蓋体１８とステータ１２との間にはコイルばね１７が介装される。各ステータコア１３の前端面は永久磁石９の後面と対向して位置する。
【００３０】
また、モータ室６には回路基板１９が配されている。この回路基板１９には、ステータ１２の複数のステータコイル１５への通電を制御して回転磁界を発生させるための制御回路が実装されており、更に、回路基板１９の裏面（ステータ側）の所定位置には、モータの回転数を検出するため、及び羽根車７の浮き上がりを検出するために、磁気検出器２０が配設される。
【００３１】
磁気検出器２０は、図３のブロック図に示すように、ホール素子２１を有し、ホール素子２１の出力側にアンプ２２及びシュミット回路２３を接続し、さらにその出力側にスイッチングトランジスタ２４を接続して構成される。この磁気検出器２０は、特定の磁極（例えばＳ極）が接近し所定値以上の磁束密度が発生している時、トランジスタ２４をオフからオンさせるように動作する。
【００３２】
すなわち、ポンプモータの運転によって羽根車７が回転し、羽根車７の背面側に配設された複数の永久磁石９が、モータ室６側の配設された磁気検出器２０に接近し、Ｓ極の磁束密度が所定値以上に上昇した時、図４に示すように、出力側のトランジスタ２４がオンして検出器２０が出力電圧が低下し、低レベル信号が出力される。その後、羽根車７の回転と共に、永久磁石９が磁気検出器２０から離れ、磁束密度がヒステリシス含む所定値まで低下した時、出力側のトランジスタ２４がオフして検出器２０が出力電圧が上昇し、高レベル信号が発生する。
【００３３】
従って、磁気検出器２０は上記の如く動作することによって、羽根車７の回転角度（回転数）に応じて変化する周波数のパルス状信号が、磁気検出器２０から出力される。
【００３４】
更に、この磁気検出器２０の位置は、図１に示すように、羽根車７が浮き上がらない状態で、羽根車７の永久磁石９が磁気検出器２０の真上位置に達した時、永久磁石９と磁気検出器２０間の距離が所定の距離Ｃとなり、羽根車７が回転中に浮き上がると、永久磁石９との距離が（距離Ｃ＋間隙Ａ）となるように設定される。この距離Ｃは、羽根車７の永久磁石９が磁気検出器２０の真上位置に達した時、図５に示すように、磁気検出器２０が永久磁石９の磁極を検出し、その出力をオフからオンする動作点付近となるように設定され、そして、永久磁石９と磁気検出器２０との距離が（距離Ｃ＋間隙Ａ）になると、磁気検出器２０が検出する磁束密度が所定値以下へ低下することにより、磁気検出器２０の出力がオンからオフするように設定される。
【００３５】
つまり、ポンプモータが運転中、羽根車７が浮き上がり、永久磁石９と磁気検出器２０との距離が（距離Ｃ＋間隙Ａ）になると、羽根車７の永久磁石９が磁気検出器２０の真上位置に達した時でも、磁気検出器２０の出力トランジスタ２４はオフしたままとなって、高レベル信号が継続し、回転数を示すパルス信号が出力されない検出不能の状態となる。
【００３６】
磁気検出器２０の出力側はモータの制御回路に接続され、制御回路はこの磁気検出器２０からのパルス信号を入力して回転速度を算出し、羽根車７つまりポンプモータの回転速度が所定値となるようにステータ１２の励磁を制御するが、磁気検出器２０の出力信号が回転速度を算出できない検出不能の信号になると、モータを減速制御するように構成される。
【００３７】
次に、上記構成の磁気結合ポンプの動作を説明する。ステータ１２に通電して回転磁界を発生させると、永久磁石９がこの回転磁界に追従して回転することで羽根車７が回転し、この羽根車７の回転により流体が吸込口１からポンプ室５内に吸い込まれ、吐出口２から吐き出される。
【００３８】
通常運転時、羽根車７の永久磁石９からステータ１２側に向うスラスト方向の吸引力成分が大きく生じるため、羽根車７は回転軸８の軸受側に押付けられて、図１に示す状態で回転する。
【００３９】
このような回転時、羽根車７の永久磁石９の特定磁極が磁気検出器２０の真上位置に達した時、永久磁石９と磁気検出器２０間の距離が所定の距離Ｃとなるから、磁気検出器２０は正常に永久磁石９の磁極の磁気を検出し、羽根車７の回転角度（回転数）に応じて変化する周波数のパルス信号が、磁気検出器２０から出力される。
【００４０】
しかし、このような羽根車７の回転時、ポンプの吐出量が増大すると、羽根車７に被圧送流体の背圧がかかり、その背圧により、羽根車７がその回転軸８の反軸収納部側に引出されて浮き上がり、つまり羽根車７が図１の左側に移動して、図２に示すように、回転軸８の尖頭部とハウジング側の突起部１ａの間隙Ａがゼロの状態となる。
【００４１】
このとき、永久磁石９と磁気検出器２０との距離は（距離Ｃ＋間隙Ａ）となり、羽根車７の永久磁石９の特定磁極が磁気検出器２０の真上位置に達した時でも、磁気検出器２０の出力トランジスタ２４はオフしたままとなって、高レベル信号が継続し、回転数を示すパルス信号が出力されない検出不能の状態となる。
【００４２】
このとき、モータの制御回路は、減速制御を行うため、羽根車７の回転速度が低下し、これにより、ポンプの吐出量が減少する。すると、羽根車７にかかっていた被圧送流体の背圧が低下し、羽根車７の永久磁石９からステータ１２側に向うスラスト方向の吸引力成分が背圧に打ち勝つようになり、羽根車７は回転軸８の軸受側に押付けられて、図１のように、通常の回転状態に戻る。
【００４３】
これによって、羽根車７の浮き上がりが解消され、通常の回転状態に戻れば、永久磁石９と磁気検出器２０間の距離が所定の距離Ｃとなるから、磁気検出器２０は正常に永久磁石の特定磁極の磁気を検出し、羽根車７の回転角度（回転数）に応じて変化する周波数のパルス信号を出力するようになり、制御回路はモータつまり羽根車を所定速度に制御する。
【００４４】
このように、ポンプの吐出量が増大し、羽根車７に被圧送流体の背圧がかかり、羽根車７がその背圧により回転軸８の反軸収納部側に引出されて浮き上がった場合、磁気検出器２０の出力信号（回転数に応じた周波数のパルス信号）は一定レベルの信号、つまり回転速度検出の不能信号となる。
【００４５】
したがって、この信号を入力した制御回路は、ポンプを減速制御することにより、吐出量が減少し、浮き上がっていた羽根車７は回転軸８の軸受部側に引き戻され、通常の回転状態に戻る。このため、羽根車７が浮き上がった状態のまま運転が継続されることはないから、浮き上がり防止用の回転軸８を押さえる突起部１ａの摩耗により、羽根７ｂがハウジング３内面に接触して摩耗したり、ポンプロックが発生する不具合を防止することができる。
【００４６】
また、既存の磁気検出器２０の取付け位置、つまり永久磁石９との距離を所定の値に設定するだけで、上記のような運転ができるため、特別な検出器を設ける必要がなく、さらに、ポンプの制御回路においても、磁気検出器２０からの検出不能信号入力時には、減速制御を行うだけでよいため、複雑な制御を行わず、簡単な回路構成と動作で、上記のような不具合を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の磁気結合ポンプを示す断面図である。
【図２】同磁気結合ポンプの運転時における羽根車が浮き上がった状態の断面図である。
【図３】磁気検出器のブロック図である。
【図４】磁気検出器に与えられる磁極の磁束密度とその出力電圧のグラフである。
【図５】永久磁石・磁気検出器間の距離と磁気検出器の出力電圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
３−ハウジング
４−隔壁部
５−ポンプ室
６−モータ室
７−羽根車
８−回転軸
９−永久磁石
１２−ステータ
２０−磁気検出器

Claims (3)

1. 隔壁部を介してポンプ室とモータ室を内部に設けたハウジングと、
   該隔壁部に設けた軸収納部内に挿入され支持される回転軸と、
   該回転軸の先端に固定されて該ポンプ室内に配設された羽根車と、
   該モータ室内に配設されたモータのステータと、
   該羽根車の隔壁部側に固定され、該モータのロータの一部を形成する永久磁石と、
   該モータ室内に配設され、該永久磁石の特定の磁極の磁気を検出し、該羽根車の回転に応じた信号を出力する磁気検出器と、
   を備え、運転中に該羽根車が反軸収納部側に浮き上がるように移動したとき、該磁気検出器による永久磁石の磁気の検出動作が不能となるように、該磁気検出器の位置が設定されていることを特徴とする磁気結合ポンプ。
2. 前記羽根車が浮き上がり方向に移動した時、前記回転軸の先端に当接してその移動を抑えるための突起部が該ポンプ室内に配設されている請求項１記載の磁気結合ポンプ。
3. 前記磁気検出器は前記モータ室内に配設された制御回路用の回路基板の裏面に取り付けられている請求項１記載の磁気結合ポンプ。

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