JP3904470B2 - 磁気カップリング装置及びこれを用いた流体機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動側マグネットロータと従動側マグネットロータとの間に隔壁を有する磁気カップリング技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気カップリング装置は、マグネットポンプなどの流体機内に装着されたときにも、流体による腐食や汚染などを防止できるようになっている。従動側マグネットロータは、金属材料や樹脂で封止された構成や、インペラーと一体成形された構成を有し、また、駆動側マグネットロータと従動側マグネットロータとの間には円筒状の隔壁が挿入され、流体を遮断するようになっている。隔壁の材質には、金属材や樹脂が用いられるが、樹脂で構成された場合は、金属材と比べて剛性や耐浸透性が劣るため、これらを補うためには、隔壁の肉厚を厚くする必要がある。隔壁の厚さが増えることによって、駆動側マグネットロータと従動側マグネットロータとの間の磁気空隙が大きくなってしまい、磁気抵抗が増大し、磁束量が減少して、伝達トルクの低下や、装置の大型化を招く。従って、小型の装置で所定のトルクを効率良く伝達するためには、隔壁の材質には金属材が用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、隔壁を金属材で構成した場合には、マグネットロータの回転による交番磁束によって交流電圧が誘起され、その結果、渦電流が流れ、渦電流損が発生して、磁気カップリング装置の動力伝達効率を低下させる。
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、磁気カップリング装置において、マグネットロータの回転による渦電流損を抑え、所定のトルクを小型の装置でも効率良く伝達できるようにすることである。
本発明の目的は、かかる課題点を解決できる技術の提供にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題点を解決するために、本発明では、磁気カップリング装置として、基本的に、駆動側マグネットロータと従動側マグネットロータが、それぞれのマグネットの磁極が該両マグネットロータの回転方向に配列された構成とし、該両マグネットロータ間に設ける隔壁が、金属材で形成されかつ該両マグネットロータのマグネットの磁極の配列方向に伸びた溝を備える構成とする。また、流体機械としては、かかる構成の磁気カップリング装置を用い、これと、上記従動側マグネットロータに結合され回転によって流体移動を行うインペラーなどの流体処理部材とを組合わせて成る構成とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
図１〜図４は、本発明の第１の実施例の説明図である。図１はマグネットポンプの構成例図、図２は磁気カップリング装置の隔壁の外観図、図３、図４は、隔壁の表面展開図と断面図である。本第１の実施例は円筒状の駆動側マグネットロータと従動側マグネットロータとを用いる場合の例である。
図１において、１はモータ、２は取付けフレーム、３は駆動側マグネットロータ、４は、該駆動側マグネットロータ３を構成する駆動側マグネット、５は、例えば非磁性ステンレス等の金属材から成る隔壁、６はポンプフレーム、７はシャフト、８はインペラー、９はポンプ室、１０は従動側マグネットロータ、１１は、該従動側マグネットロータ１０を構成する従動側マグネットである。隔壁５は、駆動側マグネットロータ３の配置された領域と、従動側マグネットロータ１０の配置された領域とを分ける。モータ１は、出力軸が駆動側マグネットロータ３に接続されている。駆動側マグネット４と従動側マグネット１１はそれぞれ、回転方向に複数の磁極が配列され、隔壁５を介して互いに、Ｎ極とＳ極の磁極が対向（周面対向）するようにされた構成を有し、互いに磁気力によって結合（カップリング）されている。取付けフレーム２'は、モータ１と、隔壁５と、ポンプ本体とを結合する。流体の吸込口と吐出口を備えたポンプフレーム６はその内部において、ポンプ室９内にシャフト７と回転自在なインペラー８とが配されている。インペラー８には従動側マグネット１１が取付けられている。駆動側マグネット４を含む駆動側マグネットロータ３、従動側マグネット１１を含む従動側マグネットロータ１０、隔壁５及びインペラー８は磁気カップリング装置を構成する。かかる構成において、モータ１によって駆動側マグネットロータ３が回転駆動されると、該駆動側マグネットロータ３に磁気カップリングされた従動側マグネットロータ１０が従動的に回転する。従動側マグネットロータ１０が回転すると、該従動側マグネットロータ１０に結合されたインペラー８が回転する。該インペラー８の回転によって、ポンプフレーム６の吸込口から流体が吸込まれ、該吸込まれた流体はポンプ室９内において増圧された後、吐出口へと進む。隔壁５は、取付けフレーム２とポンプフレーム６との間に固定されているため、駆動側マグネットロータ３と従動側マグネットロータ１０が上記のように回転したとき、該隔壁５には、その厚さ方向に、駆動側マグネット４と従動側マグネット１１の対向磁極による磁束が交番状に変化した状態で通る。
【０００６】
図３は、図１中における磁気カップリング装置の円筒状の金属材から成る隔壁５の表面展開図（（ａ））と断面図（（ｂ））である。図３において、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２'ａ、１２'ｂ、１２'ｃ、１２'ｄ、１２'ｅはそれぞれ、隔壁５の外周面と内周面の磁極対向領域に設けられた互いに平行な溝である。該溝１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅは、隔壁５の外周面において、駆動側マグネットロータ３と従動側マグネットロータ１０の回転方向、すなわち駆動側マグネット４、従動側マグネット１１のそれぞれの磁極の配列方向に沿って伸びた構成であり、また、該溝１２'ａ、１２'ｂ、１２'ｃ、１２'ｄ、１２'ｅは、隔壁５の内周面において、駆動側マグネットロータ３と従動側マグネットロータ１０の回転方向、すなわち駆動側マグネット４、従動側マグネット１１のそれぞれの磁極の配列方向に沿って伸びた構成である。駆動側マグネットロータ３と従動側マグネットロータ１０が回転すると、該隔壁５内の該磁極対向領域には磁束変化が発生し、該磁束変化を妨げるように渦電流が流れる。上記隔壁５がもしも、図４のように溝をもたない平坦な表面の金属材で構成される場合には、該渦電流は、同図４のように、上記磁極対向領域のほぼ全体にわたるループ規模の電流路を構成して流れる。該渦電流の大きさは、磁束量の２乗と磁束変化速度の２乗との積に比例し、電流路内の抵抗に反比例する。磁気カップリング装置においてカップリング力（結合力）を上げるには、磁極対向部の磁束量を増大させることになるため、該渦電流が増大することになる。上記図３の構成の場合、上記溝１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２'ａ、１２'ｂ、１２'ｃ、１２'ｄ、１２'ｅがそれぞれ、渦電流の電流路を該溝部において分離して小ループに分割し、該電流路の電気抵抗を増大させ、磁束量が増大した場合においても渦電流の増大を抑える。
上記溝は、上記円筒状の隔壁５の外周面または内周面のいずれか一方に設けてもよい。また、上記溝は、上記円筒状の隔壁５の外周面、内周面のいずれか一方または両方に、例えば螺旋状にして設けてもよい。また、溝の断面形状は矩形状に限定されない。
【０００７】
上記第１の実施例によれば、磁気カップリング装置における隔壁５における渦電流を抑え、渦電流損を抑えて、モータの負荷を低減することができる。この結果、渦電流損を抑えた状態で、駆動側マグネット４、従動側マグネット１１のそれぞれによる磁束量の増大や、磁束変化速度の増大を図ることができる。該磁束量の増大は、隔壁５の、少なくとも上記両マグネット４、１１の磁極対向領域の部分を薄肉化して磁気ギャップを縮小し磁気抵抗を低減したり、該両マグネット４、１１に、例えばネオジウム磁石などの高性能磁石を用い磁極の発生磁束を増大すること等によって可能である。また、磁束変化速度の増大は、例えば、上記両マグネット４、１１の回転方向の配列磁極数を増やすことによって可能である。磁束量の増大によっては、磁気カップリング装置のカップリング力（結合力）を上げて伝達力の増大が可能となるし、磁束変化速度の増大によっては、回転速度を上げて、マグネットポンプにおける流体の流量を増やすことができる。また、隔壁を金属材で構成するため、隔壁の剛性や、扱う流体に対する耐浸透性、密封性等を高めることも可能である。
【０００８】
図５、図６は本発明の第２の実施例の説明図である。図５はマグネットポンプの構成例図、図６は隔壁の表面展開図と断面図である。本第２の実施例は回転軸方向に磁極面を有する円板状の駆動側マグネットと従動側マグネットとを用いる場合の例である。
図５において、１はモータ、２'は取付けフレーム、３'は駆動側マグネットロータ、４'は、該駆動側マグネットロータ３'を構成する駆動側マグネット、５'は、金属材から成る隔壁、６はポンプフレーム、７はシャフト、８はインペラー、９はポンプ室、１０'は従動側マグネットロータ、１１'は、該従動側マグネットロータ１０'を構成する従動側マグネットである。隔壁５'は、駆動側マグネットロータ３'の配置された領域と、従動側マグネットロータ１０'の配置された領域とを分ける。モータ１は、出力軸が駆動側マグネットロータ３'に接続されている。駆動側マグネット４'と従動側マグネット１１'はそれぞれ、円板状の平面内において回転軸周りに複数の磁極が配列され、隔壁５'を介して互いに、Ｎ極とＳ極の磁極が対向（面対向）するようにされた構成を有し、互いに磁気力によって結合（カップリング）されている。取付けフレーム２'は、モータ１と、隔壁５'と、ポンプ本体とを結合する。ポンプフレーム６は、流体の吸込口と吐出口を備え、ポンプ室９内にシャフト７とインペラー８とが配されている。インペラー８には従動側マグネット１１'が取付けられている。駆動側マグネット４'を含む駆動側マグネットロータ３'、従動側マグネット１１'を含む従動側マグネットロータ１０'、隔壁５'及びインペラー８は磁気カップリング装置を構成する。かかる構成において、モータ１によって駆動側マグネットロータ３'が回転駆動されると、該駆動側マグネットロータ３'に磁気カップリングされた従動側マグネットロータ１０'が従動的に回転する。従動側マグネットロータ１０'が回転すると、該従動側マグネットロータ１０'に結合されたインペラー８が回転する。該インペラー８の回転によって、ポンプフレーム６の吸込口から流体が吸込まれ、該吸込まれた流体はポンプ室９内において増圧された後、吐出口へと進む。隔壁５'は、取付けフレーム２とポンプフレーム６との間に固定されているため、駆動側マグネットロータ３'と従動側マグネットロータ１０'が上記のように回転したとき、該隔壁５'には、その厚さ方向に、駆動側マグネット４'と従動側マグネット１１'の対向磁極による磁束が、交番状に変化した状態で通る。
【０００９】
図６は、図５中における磁気カップリング装置の平板状の金属材から成る隔壁５'の表面展開図（（ａ））と断面図（（ｂ））である。図６において、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄはそれぞれ、隔壁５'の両平面の磁極対向領域に互いに平行に設けられた溝である。該溝１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３'ａ、１３'ｂ、１３'ｃ、１３'ｄはそれぞれ、隔壁５'の両側の平面において、駆動側マグネットロータ３'と従動側マグネットロータ１０'の回転方向、すなわち駆動側マグネット４'、従動側マグネット１１'のそれぞれの磁極の配列方向に沿って伸びた構成である。駆動側マグネットロータ３'と従動側マグネットロータ１０'が回転すると、該隔壁５'内の該磁極対向領域には磁束変化が発生し、該磁束変化を妨げるように渦電流が流れる。上記溝１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３'ａ、１３'ｂ、１３'ｃ、１３'ｄはそれぞれ、渦電流の電流路の電気抵抗を増大させ、磁束量が増大した場合においても渦電流が増大しないようにしている。
上記溝は、上記円板状の隔壁５'の一方の平面に設けてもよい。また、上記溝は、上記円板状の隔壁５'のいずれか一方の平面または両方の平面に、例えば渦巻状にして設けてもよい。また、溝の断面形状は矩形状に限定されない。
【００１０】
上記第２の実施例によれば、上記第１の実施例の場合と同様、磁気カップリング装置における隔壁５'における渦電流を抑え、渦電流損を抑えて、モータの負荷を低減することができる。この結果、渦電流損を抑えた状態で、駆動側マグネット４'、従動側マグネット１１'のそれぞれによる磁束量の増大や、磁束変化速度の増大を図ることができる。該磁束量の増大は、隔壁５'を薄肉化して磁気ギャップを縮小し磁気抵抗を低減したり、駆動側マグネット４'、従動側マグネット１１'に、例えばネオジウム磁石などの高性能磁石を用い磁極の発生磁束を増大すること等によって可能である。また、磁束変化速度の増大は、例えば、駆動側マグネット４'、従動側マグネット１１'の配列磁極数を増やすことによって可能である。磁束量の増大によっては、磁気カップリング装置のカップリング力（結合力）を上げて伝達力の増大が可能となるし、磁束変化速度の増大によっては、回転速度を上げて、マグネットポンプにおける流体の流量を増やすことができる。また、隔壁を金属材で構成するため、隔壁の剛性や、扱う流体に対する耐浸透性、密封性等を高めることも可能である。
【００１１】
上記各実施例における上記溝は、切削加工、エッチング加工、レーザー加工、ローレット加工、プレス加工等種々の加工方法によって製作可能である。溝の断面形状を、半円形や半楕円形などとした場合は、応力集中部分をなくして機械的な強度を向上させることができる。
【００１２】
なお、隔壁の両面に溝を設ける構成では、一方の面側に設ける溝と他方の面側に設ける溝とで、互いに、位置をずらせたり、溝数、溝形状、深さなどを異ならせるようにしてもよい。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、磁気カップリング装置の隔壁における渦電流を抑え、渦電流損を抑えて、駆動負荷を低減することができる。また、渦電流損を抑えた状態で、磁気カップリング装置のカップリング力（結合力）を上げ、伝達力を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の説明図であって、マグネットポンプの構成例図である。
【図２】磁気カップリング装置の隔壁の外観を示す図である。
【図３】図１の構成の磁気カップリング装置に用いる隔壁の構成例を示す図である。
【図４】溝のない隔壁の表面展開と断面を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例の説明図であって、マグネットポンプの構成例図である。
【図６】図５の構成の磁気カップリング装置に用いる隔壁の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１…モータ、 ２、２'…取付けフレーム、 ３、３'…駆動側マグネットロータ、 ４、４'…駆動側マグネット、 ５、５'…隔壁、 ６…ポンプフレーム、７…シャフト、８…インペラー、 ９…ポンプ室、 １０、１０'…従動側マグネットロータ、 １１、１１'…従動側マグネット、 １２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２'ａ、１２'ｂ、１２'ｃ、１２'ｄ、１２'ｅ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３'ａ、１３'ｂ、１３'ｃ、１３'ｄ…溝。

Claims (5)

1. 隔壁で仕切られ互いに磁気的に結合された駆動側マグネットロータと従動側マグネットロータとの間で動力伝達を行う磁気カップリング装置であって、
   上記駆動側マグネットロータと従動側マグネットロータは、それぞれのマグネットの磁極が該両マグネットロータの回転方向に配列され、
   上記隔壁は、金属材で形成され、上記両マグネットロータ間の磁極対向領域に、上記両マグネットの磁極の配列方向に伸びた溝を有する構成である、
   ことを特徴とする磁気カップリング装置。
2. 上記隔壁は、上記溝が、複数個互いに平行に形成された構成である請求項１に記載の磁気カップリング装置。
3. 上記隔壁は、上記溝が、螺旋状または渦巻状に形成された構成である請求項１に記載の磁気カップリング装置。
4. 上記隔壁は、円筒状部分を有し、上記溝が該円筒状部分の外周面と内周面とに形成された構成である請求項１から３のいずれかに記載の磁気カップリング装置。
5. 駆動側マグネットロータと従動側マグネットロータとの間で動力伝達を行う磁気カップリング装置を備えた流体機械であって、
   上記駆動側マグネットロータと上記従動側マグネットロータは、それぞれのマグネットの磁極が該両マグネットロータの回転方向に配列され、該両マグネットロータの間の磁極対向領域に、金属材で形成されかつ該両マグネットの磁極の配列方向に伸びた溝を有する隔壁を備えた磁気カップリング装置と、
   上記従動側マグネットロータに結合され、回転によって流体移動を行う流体処理部材と、
   を備えた構成を特徴とする流体機械。

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