JP4206734B2 - Ｄｃポンプ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長寿命で効率の高いＤＣブラシレスモータを用いたＤＣポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半径方向から吸込み、半径方向に吐き出す構造の薄型化に適した渦流ポンプ（摩擦ポンプ）は公知である。図８は、従来の渦流ポンプを示す図である（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図８の渦流ポンプにおいて、ポンプ軸受１０５がインサートされ、ポンプ軸１０４が装着されている。ポンプ軸受１０５の外周に被駆動マグネット１０６、最外周には羽根１０７がリング状に形成されている。この被駆動マグネット１０６と羽根１０７とは磁性樹脂材で一体成形されている。モータの回転動力が被駆動マグネット１０６に伝達され、被駆動マグネット１０６に伝達された回転動力により羽根１０７が回転し、吸込口１０１より半径方向に流入した液体は、通水路１０３を矢印の方向に流れ、吐出口１０２から流れ出る。
【０００４】
図８の渦流ポンプは、ポンプの吸込口１０１及び吐出口１０２の圧力差により発生するモータのラジアル方向に対する力１０９は、駆動源であるポンプ軸１０４とポンプ軸受け１０５及びシール材との摺動に対する荷重となって釣り合っていた。これによりポンプの羽根１０７がポンプケーシング１０８等に接触することを防いでいた。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５８−９１３９３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の渦流ポンプの構成では、ポンプの圧力差を軸荷重と釣り合わせているため、機械損失が増大するという課題を有していた。さらに、動圧型の流体軸受けを使い、ポンプの取扱い液である水による動圧でバランスをとる場合、ポンプの流入路と流出路の圧力差により発生するモータのラジアル方向に発生する力を打ち消すような動圧を発生させるための溝加工は、ポンプの大きさにもよるが、非常に微細な加工が必要で数μｍオーダの精密加工を必要とする場合も少なくなかった。
【０００７】
そこで、本発明は上記従来の問題点を解決するもので、機械損失を低減でき、ポンプの長寿命化、低コスト化が行え、動圧でバランスをとる場合には精密加工が不要なＤＣポンプを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のＤＣポンプは、磁性体がマグネットロータの外周側及び／または内周側の位置で吐出口と該回転中心とを結ぶ線上に配置されたことを特徴とする。
【０００９】
これにより、機械損失を低減でき、ポンプの長寿命化、低コスト化が行え、動圧でバランスをとる場合には精密加工が不要にすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するためになされた請求項１の発明は、先端に突極が形成された複数のティースに巻線された電機子と、突極に対向しその周囲を回転するリング状のマグネットロータと、マグネットロータと一体化され周囲に羽根が形成された羽根車と、羽根車を収容し、ポンプ室内に流体を吸込む吸込口と該流体を吐出する吐出口とが該ポンプ室の周囲に設けられたポンプケーシングを備え、磁性体がマグネットロータの外周側及び／または内周側の位置で吐出口と該回転中心とを結ぶ線上に配置されたことを特徴とするＤＣポンプであるから、吐出口で発生する圧力差によるラジアル方向の力と釣り合うようにマグネットロータのバランスを磁性体でとることができ、機械損失の低減が可能になる。
【００１１】
請求項２の発明は、ポンプの吐出流量を検出する吐出流量検出手段を設け、吐出流量検出手段において吐出流量が最大になるときのマグネットロータと磁性体の最適距離を演算し、磁性体の位置を決定する制御部が設けられたことを特徴とする請求項１のＤＣポンプであるから、磁性体を最適位置にすることができ、吐出口で発生する圧力差によるラジアル方向の力と釣り合うようにマグネットロータのバランスがとれ、機械損失の低減が可能になる。
【００１２】
請求項３の発明は、マグネットロータの回転数を検出する回転数検出手段を設け、回転数検出手段において回転数が最大になるときのマグネットロータと磁性体の最適距離を演算し、磁性体の位置を決定する制御部が設けられたことを特徴とする請求項１のＤＣポンプであるから、磁性体を最適位置にすることができ、吐出口で発生する圧力差によるラジアル方向の力と釣り合うようにマグネットロータのバランスがとれ、機械損失の低減が可能になる。
【００１３】
請求項４の発明は、マグネットロータのマグネットの磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、磁極位置手段の出力信号からマグネットロータの回転数を算出する回転数変換部と、回転数変換部の出力信号からマグネットロータと磁性体の位置を決定する制御部が設けられたことを特徴とする請求項１のＤＣポンプであるから、マグネットロータと磁性体を最適位置にすることができ、吐出口で発生する圧力差によるラジアル方向の力と釣り合うようにマグネットロータのバランスがとれ、機械損失の低減が可能になる。
【００１４】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について図１（ａ）（ｂ），図２，図３に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるＤＣポンプの断面図、図１（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるＤＣポンプの制御構成図、図２は図１のＤＣポンプの構成を示す説明図、図３は本発明の実施の形態１におけるポンプケーシングとケーシングカーバーを示す説明図である。
【００１５】
図１〜３において、１は実施の形態１のＤＣポンプを構成する渦流型の羽根車であり、外周に所定ピッチで刻設された溝によって形成された多数の羽根が形成され、内周にはマグネットロータ２が設けられている。なお、本発明のＤＣポンプはＤＣブラシレスモータを駆動部にもつターボ型ポンプであって、このうちラジアル方向の力を流体から受けるどの型式のポンプであってもよいが、渦流ポンプがその典型である。ここで羽根車１は、羽根とマグネットロータ２とを違う材料で構成して嵌め合わせて一体化してもよいし、磁性樹脂材で構成して羽根とマグネットロータ２とを同一材料で一体化させてもよい。
【００１６】
３はマグネットロータ２の内周側に設けられ回転磁界を形成するためのステータコア、３ａは突極、３ｂはティース、３ｃはティース３ｂに巻回され電機子を構成するための巻線である。４は羽根車１を収容すると同時に羽根車１が流体に与えた運動エネルギーを圧力回復して吐出口８へと導くためのポンプ室を有するポンプケーシング、５は羽根車１を収納した後ポンプ室を密閉するためのケーシングカバーである。ケーシングカバー５はポンプケーシング４とともに、本発明のポンプケーシングを構成する。６はポンプケーシング４に固定されている軸（本発明の回転中心）であり、羽根車１の中心の貫通孔に挿入され、羽根車１が回転自在になっている。軸６は、別部品として圧入やインサート成形によりポンプケーシング４に固定されてもよく、ポンプケーシング４と同一材料で一体成形によって形成されてもよい。また、軸６は固定されるのではなく、ポンプケーシング４と摺動可能に設けられてもよい。
【００１７】
７は吸込口、８は吐出口であり、それぞれ羽根車１の回転の半径方向から流体が流入、流出される。９はマグネットロータ２の外周側の外周磁性体を示し、ポンプの吐出口８の周りに配置されている。１０はマグネットロータの内周側の内周磁性体であり、外周磁性体９、内周磁性体１０がマグネットロータ２を挟んで、吐出口８と回転中心とを結ぶ線上に配置される。外周磁性体９、内周磁性体１０は、いずれか一方にだけ設けてもよく、両方を設けてもよい。またポンプケーシング４とケーシングカバー５のいずれか一方にだけ設けてもよく、図２〜４に示すように双方に配置されていてもよい。そして、外周磁性体９、内周磁性体１０はマグネットロータ２との間で磁化され、距離に応じてそれぞれ磁力をマグネットロータ２に及ぼす。なお、以下、外周磁性体９、内周磁性体１０をあわせて磁性体という。
【００１８】
図１（ｂ）において、１１ａは吐出流量検出センサ、１１ｂは回転数検出センサ、１１ｃは磁極位置検出センサ、１２は制御部である。制御部１２は中央処理装置（ＣＰＵ）に制御プログラムをロードさせて機能する機能実現手段として構成される。そして制御部１２は、吐出流量センサ１１ａや回転数検出センサ１１ｂ、磁極位置検出センサ１１ｃからの検出信号に基づいて吐出流量制御やバランス調整を行なう。なお、これらの吐出流量センサ１１ａや回転数検出センサ１１ｂ、磁極位置検出センサ１１ｃを用いた制御の詳細については、実施の形態３，４において詳述する。
【００１９】
本実施の形態１のＤＣポンプは、外部電源から電力を供給されると、ポンプに設けられた電気回路により制御された電流がステータコア３のコイルに流れ、回転磁界が発生する。この回転磁界がマグネットロータ２に作用するとマグネットロータ２に物理力が発生する。ところで、このマグネットロータ２はリング羽根車１と一体化されているため、羽根車１に回転トルクが作用し、この回転トルクにより羽根車１が回転を始める。羽根車１の外周に設けられた羽根は羽根車１の回転によって吸込口７から流入した流体に運動エネルギーを与え、その運動エネルギーによりポンプケーシング４内の流体の圧力が徐々に高められ吐出口８から吐き出される。吐出口８の高い圧力は吐出口付近から軸方向への力となり、それと相反する力と釣り合うようにマグネットロータ２のバランスを外周磁性体９、内周磁性体１０でとることにより、軸６への荷重をなくす。
【００２０】
以上説明したように本実施の形態によれば、ポンプの圧力差により発生させるラジアル方向に対する力と相反する力と釣り合うようにマグネットロータ２のバランスを外周磁性体９、内周磁性体１０でとることで、軸６への荷重をなくすことが実現できる。
【００２１】
本実施の形態１のＤＣポンプは軸に対する荷重がバランスよく釣り合っており、軸の寿命を長くすることができ、羽根車の回転が安定したものにできる。また、騒音、振動を低減できる。
【００２２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について図４に基づいて説明する。実施の形態２のＤＣポンプは、実施の形態１の軸６をなくし、羽根車１をリング状にし羽根車１の内側に溝１*を加工したものである。羽根車１の回転する中心が軸６に相当する回転中心となる。図４は本発明の実施の形態２における軸レスのＤＣポンプの構成を示す説明図である。
【００２３】
本実施の形態２のＤＣポンプは、外周磁性体９と内周磁性体１０とがマグネットロータ２へ及ぼす合力と、ポンプの圧力差により発生するラジアル方向の力とがバランスよく釣り合うことにより、軸６を廃止した軸レスポンプである。ラジアル方向の力がバランスよく釣り合っていることから、動圧を発生させるための羽根車の溝１*のみを考えることができ、余計な圧力バランスを考慮しなくてすみ、溝１*の加工がしやすくなる。
【００２４】
本実施の形態２のＤＣポンプは、羽根車１のラジアル方向のバランスがよいので、軸６を廃止した軸レスポンプとすることができるため、低コスト化ができる。そして、羽根車がケーシング等にあたることを防ぐため、長寿命のポンプを提供することができ、振動、騒音を低減できる。さらに、ラジアル方向のバランスがよいため、動圧を発生させるための羽根車の溝１*の余計な圧力バランスを考慮した加工を不要とすることができる。
【００２５】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、図１（ａ）（ｂ）、図５に基づいて説明する。図５（ａ）は吐出流量検出センサからマグネットロータと磁性体の最適距離を演算する説明図、図５（ｂ）は本発明の実施の形態３におけるＤＣポンプの最適距離に制御するアクチュエータの説明図である。図５において、１３ａ，１３ｂはピエゾ素子等の圧電素子である。
【００２６】
実施の形態３のＤＣポンプは、吐出流量が最大になる場合のマグネットロータと磁性体の最適距離を演算されたものである。図１（ｂ）に示す吐出流量検出センサ１１ａより吐出流量を検出し、その流量の最大になるマグネットロータと磁性体の最適距離を制御部１２によって演算し、吐出圧に応じた最適距離を演算する。このとき、吐出流量が最大になったＱmaxに対応するｄ１が、マグネットロータと磁性体の最適距離となる。制御部１２は最適距離調整のアクチュエータである。制御部１２は圧電素子１３ａ，１３ｂに通電して、外周磁性体９，内周磁性体１０の位置をそれぞれ調整できる。従って、マグネットロータ２と外周磁性体９、内周磁性体１０との間の距離が最適距離ｄ１に保持できるものである。
【００２７】
以上のように、ポンプの圧力差により発生させるラジアル方向に対する力と相反する力と釣り合うようにマグネットロータのバランスを外周磁性体９、内周磁性体１０でとることで、軸６への荷重をなくすことが実現できる。また、吐出流量により、最適なバランスを求めることができるため、軸６への荷重負担が少なくなる。
【００２８】
本実施の形態３のＤＣポンプは、軸６に対する荷重がバランスよく釣り合っており、軸６の寿命を長くすることができ、羽根車１の回転が安定したものにできる。また、騒音、振動を低減できる。また、羽根車１のラジアル方向のバランスがよいので、軸６を廃止した軸レスポンプとすることもできるため、低コスト化ができる。そして、羽根車１がケーシング等にあたることを防ぐため、長寿命のポンプを提供することができ、振動、騒音を低減できる。さらに、ラジアル方向のバランスがよいため、動圧を発生させるための羽根車の溝１*の余計な圧力バランスを考慮した加工を不要とすることができる。
【００２９】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について、図１（ａ）（ｂ）、図６に基づいて説明する。図６は回転数検出センサからマグネットロータと磁性体の最適距離を演算する説明図である。
【００３０】
実施の形態４のＤＣポンプは、回転数が最大になる場合のマグネットロータと磁性体の最適距離を演算されたものである。図１（ｂ）に示す回転数検出センサ１１ｂより回転数を検出し、その回転数の最大になるマグネットロータ２の磁性体の最適距離を制御部１２によって演算し、回転数に応じた最適距離を演算する。このとき、回転数が最大になったＮmaxに対応するｄ１が、マグネットロータ２と磁性体の最適距離となる。制御部１２はアクチュエータとしての圧電素子１３ａ，１３ｂに通電して、外周磁性体９，内周磁性体１０の位置をそれぞれ調整できる。従って、マグネットロータ２と外周磁性体９、内周磁性体１０との間の距離が最適距離ｄ１に保持できるものである。
【００３１】
以上のように、ポンプの圧力差により発生させるラジアル方向に対する力と相反する力と釣り合うようにマグネットロータのバランスを外周磁性体９、内周磁性体１０でとることで、軸への荷重をなくすことが実現できる。また、回転数検出センサにより、最適なバランスを求めることができるため、軸への荷重負担が少なくなる。
【００３２】
本実施の形態４のＤＣポンプは、軸に対する荷重がバランスよく釣り合っており、軸の寿命を長くすることができ、羽根車の回転が安定したものにできる。また、騒音、振動を低減できる。また、羽根車のラジアル方向のバランスがよいので、軸を廃止した軸レスポンプとすることもできるため、低コスト化ができる。そして、羽根車がケーシング等にあたることを防ぐため、長寿命のポンプを提供することができ、振動、騒音を低減できる。更に、ラジアル方向のバランスがよいため、動圧を発生させるための羽根車溝１*の余計な圧力バランスを考慮した加工を不要とすることができる。
【００３３】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５について図７に基づいて説明する。図７（ａ）は突極がマグネットロータへ及ぼす力のグラフ、図７（ｂ）は（ａ）のＤＣポンプの制御回路図である。実施の形態５のＤＣポンプは、図７（ｂ）において、１４はマグネットの極が変わるタイミングを磁極位置検出センサ１１ｃの出力信号とし、その信号からマグネットロータ２の回転数に変換する回転数変換部である。
【００３４】
図７（ｂ）に示すように、マグネットの磁極位置を検出する磁極位置検出センサ１１ｃと、磁極位置検出センサ１１ｃの出力信号からマグネットロータの回転数に変換する回転数変換装置と、回転数変換部の出力信号からマグネットロータと磁性体の最適距離を決定する制御装置を有するものである。ステータコアの突極によりマグネットロータへ力が発生するが、突極と突極の間にマグネットロータの極の変わり目が来る場合には力が働くなる。
【００３５】
また、図７（ａ）において、１３はコギングが発生する領域である。領域１３の部分は突極から発生するマグネットロータ２への力がなくなるところであり、コギングが発生するところである。そこで、ステータコアの突極と突極の間に磁極位置検出センサ１１ｃを配置し、マグネットの極が変わるタイミングを磁極位置検出センサ１１ｃの出力信号として、その信号からマグネットロータ２の回転数に変換する回転数変換部１４を設ける。さらに、磁極位置検出センサ１１ｃからの信号をマグネットロータ２と磁性体の最適距離を決定する制御部１２を設ける。以上のように、回転数変換部１４とマグネットロータ２と磁性体の最適距離を決定する制御部１２とを設けることで、滑らかな回転をすることができる。
【００３６】
以上のように、ポンプの圧力差により発生させるラジアル方向に対する力と相反する力と釣り合うようにマグネットロータのバランスを外周磁性体９、内周磁性体１０でとることで、軸への荷重をなくすことが実現できる。さらに、回転数変換装置とマグネットロータと磁性体の最適距離を決定する制御装置を用いることで回転が滑らかになる。
【００３７】
本実施の形態５のＤＣポンプは、羽根車がケーシング等にあたることを防ぎ、滑らかに回転するため、長寿命のポンプを提供することができ、振動、騒音を低減できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＤＣポンプは、ポンプの圧力差により発生させるラジアル方向に対する力と相反する力と釣り合うようにマグネットロータのバランスをとるため、機械損失を低減でき、軸にかかる荷重を軽減できるし、あるいは軸及び軸受け等を廃止し、ポンプの長寿命化、低コスト化、騒音・振動の低減ができる。
【００３９】
また、動圧型の流体軸受けを使用する際、ポンプの取扱い液である水による動圧でバランスをとる場合、ポンプの流入路と流出路の圧力差により発生するモータのラジアル方向に発生する力も考慮した動圧を発生させるための高度な機械加工を不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるＤＣポンプの断面図
（ｂ）本発明の実施の形態１におけるＤＣポンプの制御構成図
【図２】図１のＤＣポンプの構成を示す説明図
【図３】本発明の実施の形態１におけるポンプケーシングとケーシングカーバーを示す説明図
【図４】本発明の実施の形態２における軸レスのＤＣポンプの構成を示す説明図
【図５】（ａ）吐出流量検出センサからマグネットロータと磁性体の最適距離を演算する説明図
（ｂ）本発明の実施の形態３におけるＤＣポンプの最適距離に制御するアクチュエータの説明図
【図６】回転数検出センサからマグネットロータと磁性体の最適距離を演算する説明図
【図７】（ａ）突極がマグネットロータへ及ぼす力のグラフ
（ｂ）（ａ）のＤＣポンプの制御回路図
【図８】従来の渦流ポンプを示す図
【符号の説明】
１ 羽根車
１* 溝
２ マグネットロータ
３ ステータコア
３ａ 突極
３ｂ ティース
３ｃ 巻線
４ ポンプケーシング
５ ケーシングカバー
６ 軸
７ 吸込口
８ 吐出口
９ 外周磁性体
１０ 内周磁性体
１１ａ 吐出流量検出センサ
１１ｂ 回転数検出センサ
１１ｃ 磁極位置検出センサ
１２ 制御部
１３ コギングが発生する領域
１３ａ 圧電素子
１３ｂ 圧電素子
１４ 回転数変換部
１０１ 吸込口
１０２ 吐出口
１０３ 通水路
１０４ ポンプ軸
１０５ ポンプ軸受
１０６ 被駆動マグネット
１０７ 羽根
１０８ ポンプケーシング
１０９ 力
【発明の属する技術分野】
本発明は、長寿命で効率の高いＤＣブラシレスモータを用いたＤＣポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半径方向から吸込み、半径方向に吐き出す構造の薄型化に適した渦流ポンプ（摩擦ポンプ）は公知である。図８は、従来の渦流ポンプを示す図である（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図８の渦流ポンプにおいて、ポンプ軸受１０５がインサートされ、ポンプ軸１０４が装着されている。ポンプ軸受１０５の外周に被駆動マグネット１０６、最外周には羽根１０７がリング状に形成されている。この被駆動マグネット１０６と羽根１０７とは磁性樹脂材で一体成形されている。モータの回転動力が被駆動マグネット１０６に伝達され、被駆動マグネット１０６に伝達された回転動力により羽根１０７が回転し、吸込口１０１より半径方向に流入した液体は、通水路１０３を矢印の方向に流れ、吐出口１０２から流れ出る。
【０００４】
図８の渦流ポンプは、ポンプの吸込口１０１及び吐出口１０２の圧力差により発生するモータのラジアル方向に対する力１０９は、駆動源であるポンプ軸１０４とポンプ軸受け１０５及びシール材との摺動に対する荷重となって釣り合っていた。これによりポンプの羽根１０７がポンプケーシング１０８等に接触することを防いでいた。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５８−９１３９３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の渦流ポンプの構成では、ポンプの圧力差を軸荷重と釣り合わせているため、機械損失が増大するという課題を有していた。さらに、動圧型の流体軸受けを使い、ポンプの取扱い液である水による動圧でバランスをとる場合、ポンプの流入路と流出路の圧力差により発生するモータのラジアル方向に発生する力を打ち消すような動圧を発生させるための溝加工は、ポンプの大きさにもよるが、非常に微細な加工が必要で数μｍオーダの精密加工を必要とする場合も少なくなかった。
【０００７】
そこで、本発明は上記従来の問題点を解決するもので、機械損失を低減でき、ポンプの長寿命化、低コスト化が行え、動圧でバランスをとる場合には精密加工が不要なＤＣポンプを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のＤＣポンプは、磁性体がマグネットロータの外周側及び／または内周側の位置で吐出口と該回転中心とを結ぶ線上に配置されたことを特徴とする。
【０００９】
これにより、機械損失を低減でき、ポンプの長寿命化、低コスト化が行え、動圧でバランスをとる場合には精密加工が不要にすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するためになされた請求項１の発明は、先端に突極が形成された複数のティースに巻線された電機子と、突極に対向しその周囲を回転するリング状のマグネットロータと、マグネットロータと一体化され周囲に羽根が形成された羽根車と、羽根車を収容し、ポンプ室内に流体を吸込む吸込口と該流体を吐出する吐出口とが該ポンプ室の周囲に設けられたポンプケーシングを備え、磁性体がマグネットロータの外周側及び／または内周側の位置で吐出口と該回転中心とを結ぶ線上に配置されたことを特徴とするＤＣポンプであるから、吐出口で発生する圧力差によるラジアル方向の力と釣り合うようにマグネットロータのバランスを磁性体でとることができ、機械損失の低減が可能になる。
【００１１】
請求項２の発明は、ポンプの吐出流量を検出する吐出流量検出手段を設け、吐出流量検出手段において吐出流量が最大になるときのマグネットロータと磁性体の最適距離を演算し、磁性体の位置を決定する制御部が設けられたことを特徴とする請求項１のＤＣポンプであるから、磁性体を最適位置にすることができ、吐出口で発生する圧力差によるラジアル方向の力と釣り合うようにマグネットロータのバランスがとれ、機械損失の低減が可能になる。
【００１２】
請求項３の発明は、マグネットロータの回転数を検出する回転数検出手段を設け、回転数検出手段において回転数が最大になるときのマグネットロータと磁性体の最適距離を演算し、磁性体の位置を決定する制御部が設けられたことを特徴とする請求項１のＤＣポンプであるから、磁性体を最適位置にすることができ、吐出口で発生する圧力差によるラジアル方向の力と釣り合うようにマグネットロータのバランスがとれ、機械損失の低減が可能になる。
【００１３】
請求項４の発明は、マグネットロータのマグネットの磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、磁極位置手段の出力信号からマグネットロータの回転数を算出する回転数変換部と、回転数変換部の出力信号からマグネットロータと磁性体の位置を決定する制御部が設けられたことを特徴とする請求項１のＤＣポンプであるから、マグネットロータと磁性体を最適位置にすることができ、吐出口で発生する圧力差によるラジアル方向の力と釣り合うようにマグネットロータのバランスがとれ、機械損失の低減が可能になる。
【００１４】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について図１（ａ）（ｂ），図２，図３に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるＤＣポンプの断面図、図１（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるＤＣポンプの制御構成図、図２は図１のＤＣポンプの構成を示す説明図、図３は本発明の実施の形態１におけるポンプケーシングとケーシングカーバーを示す説明図である。
【００１５】
図１〜３において、１は実施の形態１のＤＣポンプを構成する渦流型の羽根車であり、外周に所定ピッチで刻設された溝によって形成された多数の羽根が形成され、内周にはマグネットロータ２が設けられている。なお、本発明のＤＣポンプはＤＣブラシレスモータを駆動部にもつターボ型ポンプであって、このうちラジアル方向の力を流体から受けるどの型式のポンプであってもよいが、渦流ポンプがその典型である。ここで羽根車１は、羽根とマグネットロータ２とを違う材料で構成して嵌め合わせて一体化してもよいし、磁性樹脂材で構成して羽根とマグネットロータ２とを同一材料で一体化させてもよい。
【００１６】
３はマグネットロータ２の内周側に設けられ回転磁界を形成するためのステータコア、３ａは突極、３ｂはティース、３ｃはティース３ｂに巻回され電機子を構成するための巻線である。４は羽根車１を収容すると同時に羽根車１が流体に与えた運動エネルギーを圧力回復して吐出口８へと導くためのポンプ室を有するポンプケーシング、５は羽根車１を収納した後ポンプ室を密閉するためのケーシングカバーである。ケーシングカバー５はポンプケーシング４とともに、本発明のポンプケーシングを構成する。６はポンプケーシング４に固定されている軸（本発明の回転中心）であり、羽根車１の中心の貫通孔に挿入され、羽根車１が回転自在になっている。軸６は、別部品として圧入やインサート成形によりポンプケーシング４に固定されてもよく、ポンプケーシング４と同一材料で一体成形によって形成されてもよい。また、軸６は固定されるのではなく、ポンプケーシング４と摺動可能に設けられてもよい。
【００１７】
７は吸込口、８は吐出口であり、それぞれ羽根車１の回転の半径方向から流体が流入、流出される。９はマグネットロータ２の外周側の外周磁性体を示し、ポンプの吐出口８の周りに配置されている。１０はマグネットロータの内周側の内周磁性体であり、外周磁性体９、内周磁性体１０がマグネットロータ２を挟んで、吐出口８と回転中心とを結ぶ線上に配置される。外周磁性体９、内周磁性体１０は、いずれか一方にだけ設けてもよく、両方を設けてもよい。またポンプケーシング４とケーシングカバー５のいずれか一方にだけ設けてもよく、図２〜４に示すように双方に配置されていてもよい。そして、外周磁性体９、内周磁性体１０はマグネットロータ２との間で磁化され、距離に応じてそれぞれ磁力をマグネットロータ２に及ぼす。なお、以下、外周磁性体９、内周磁性体１０をあわせて磁性体という。
【００１８】
図１（ｂ）において、１１ａは吐出流量検出センサ、１１ｂは回転数検出センサ、１１ｃは磁極位置検出センサ、１２は制御部である。制御部１２は中央処理装置（ＣＰＵ）に制御プログラムをロードさせて機能する機能実現手段として構成される。そして制御部１２は、吐出流量センサ１１ａや回転数検出センサ１１ｂ、磁極位置検出センサ１１ｃからの検出信号に基づいて吐出流量制御やバランス調整を行なう。なお、これらの吐出流量センサ１１ａや回転数検出センサ１１ｂ、磁極位置検出センサ１１ｃを用いた制御の詳細については、実施の形態３，４において詳述する。
【００１９】
本実施の形態１のＤＣポンプは、外部電源から電力を供給されると、ポンプに設けられた電気回路により制御された電流がステータコア３のコイルに流れ、回転磁界が発生する。この回転磁界がマグネットロータ２に作用するとマグネットロータ２に物理力が発生する。ところで、このマグネットロータ２はリング羽根車１と一体化されているため、羽根車１に回転トルクが作用し、この回転トルクにより羽根車１が回転を始める。羽根車１の外周に設けられた羽根は羽根車１の回転によって吸込口７から流入した流体に運動エネルギーを与え、その運動エネルギーによりポンプケーシング４内の流体の圧力が徐々に高められ吐出口８から吐き出される。吐出口８の高い圧力は吐出口付近から軸方向への力となり、それと相反する力と釣り合うようにマグネットロータ２のバランスを外周磁性体９、内周磁性体１０でとることにより、軸６への荷重をなくす。
【００２０】
以上説明したように本実施の形態によれば、ポンプの圧力差により発生させるラジアル方向に対する力と相反する力と釣り合うようにマグネットロータ２のバランスを外周磁性体９、内周磁性体１０でとることで、軸６への荷重をなくすことが実現できる。
【００２１】
本実施の形態１のＤＣポンプは軸に対する荷重がバランスよく釣り合っており、軸の寿命を長くすることができ、羽根車の回転が安定したものにできる。また、騒音、振動を低減できる。
【００２２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について図４に基づいて説明する。実施の形態２のＤＣポンプは、実施の形態１の軸６をなくし、羽根車１をリング状にし羽根車１の内側に溝１*を加工したものである。羽根車１の回転する中心が軸６に相当する回転中心となる。図４は本発明の実施の形態２における軸レスのＤＣポンプの構成を示す説明図である。
【００２３】
本実施の形態２のＤＣポンプは、外周磁性体９と内周磁性体１０とがマグネットロータ２へ及ぼす合力と、ポンプの圧力差により発生するラジアル方向の力とがバランスよく釣り合うことにより、軸６を廃止した軸レスポンプである。ラジアル方向の力がバランスよく釣り合っていることから、動圧を発生させるための羽根車の溝１*のみを考えることができ、余計な圧力バランスを考慮しなくてすみ、溝１*の加工がしやすくなる。
【００２４】
本実施の形態２のＤＣポンプは、羽根車１のラジアル方向のバランスがよいので、軸６を廃止した軸レスポンプとすることができるため、低コスト化ができる。そして、羽根車がケーシング等にあたることを防ぐため、長寿命のポンプを提供することができ、振動、騒音を低減できる。さらに、ラジアル方向のバランスがよいため、動圧を発生させるための羽根車の溝１*の余計な圧力バランスを考慮した加工を不要とすることができる。
【００２５】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、図１（ａ）（ｂ）、図５に基づいて説明する。図５（ａ）は吐出流量検出センサからマグネットロータと磁性体の最適距離を演算する説明図、図５（ｂ）は本発明の実施の形態３におけるＤＣポンプの最適距離に制御するアクチュエータの説明図である。図５において、１３ａ，１３ｂはピエゾ素子等の圧電素子である。
【００２６】
実施の形態３のＤＣポンプは、吐出流量が最大になる場合のマグネットロータと磁性体の最適距離を演算されたものである。図１（ｂ）に示す吐出流量検出センサ１１ａより吐出流量を検出し、その流量の最大になるマグネットロータと磁性体の最適距離を制御部１２によって演算し、吐出圧に応じた最適距離を演算する。このとき、吐出流量が最大になったＱmaxに対応するｄ１が、マグネットロータと磁性体の最適距離となる。制御部１２は最適距離調整のアクチュエータである。制御部１２は圧電素子１３ａ，１３ｂに通電して、外周磁性体９，内周磁性体１０の位置をそれぞれ調整できる。従って、マグネットロータ２と外周磁性体９、内周磁性体１０との間の距離が最適距離ｄ１に保持できるものである。
【００２７】
以上のように、ポンプの圧力差により発生させるラジアル方向に対する力と相反する力と釣り合うようにマグネットロータのバランスを外周磁性体９、内周磁性体１０でとることで、軸６への荷重をなくすことが実現できる。また、吐出流量により、最適なバランスを求めることができるため、軸６への荷重負担が少なくなる。
【００２８】
本実施の形態３のＤＣポンプは、軸６に対する荷重がバランスよく釣り合っており、軸６の寿命を長くすることができ、羽根車１の回転が安定したものにできる。また、騒音、振動を低減できる。また、羽根車１のラジアル方向のバランスがよいので、軸６を廃止した軸レスポンプとすることもできるため、低コスト化ができる。そして、羽根車１がケーシング等にあたることを防ぐため、長寿命のポンプを提供することができ、振動、騒音を低減できる。さらに、ラジアル方向のバランスがよいため、動圧を発生させるための羽根車の溝１*の余計な圧力バランスを考慮した加工を不要とすることができる。
【００２９】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について、図１（ａ）（ｂ）、図６に基づいて説明する。図６は回転数検出センサからマグネットロータと磁性体の最適距離を演算する説明図である。
【００３０】
実施の形態４のＤＣポンプは、回転数が最大になる場合のマグネットロータと磁性体の最適距離を演算されたものである。図１（ｂ）に示す回転数検出センサ１１ｂより回転数を検出し、その回転数の最大になるマグネットロータ２の磁性体の最適距離を制御部１２によって演算し、回転数に応じた最適距離を演算する。このとき、回転数が最大になったＮmaxに対応するｄ１が、マグネットロータ２と磁性体の最適距離となる。制御部１２はアクチュエータとしての圧電素子１３ａ，１３ｂに通電して、外周磁性体９，内周磁性体１０の位置をそれぞれ調整できる。従って、マグネットロータ２と外周磁性体９、内周磁性体１０との間の距離が最適距離ｄ１に保持できるものである。
【００３１】
以上のように、ポンプの圧力差により発生させるラジアル方向に対する力と相反する力と釣り合うようにマグネットロータのバランスを外周磁性体９、内周磁性体１０でとることで、軸への荷重をなくすことが実現できる。また、回転数検出センサにより、最適なバランスを求めることができるため、軸への荷重負担が少なくなる。
【００３２】
本実施の形態４のＤＣポンプは、軸に対する荷重がバランスよく釣り合っており、軸の寿命を長くすることができ、羽根車の回転が安定したものにできる。また、騒音、振動を低減できる。また、羽根車のラジアル方向のバランスがよいので、軸を廃止した軸レスポンプとすることもできるため、低コスト化ができる。そして、羽根車がケーシング等にあたることを防ぐため、長寿命のポンプを提供することができ、振動、騒音を低減できる。更に、ラジアル方向のバランスがよいため、動圧を発生させるための羽根車溝１*の余計な圧力バランスを考慮した加工を不要とすることができる。
【００３３】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５について図７に基づいて説明する。図７（ａ）は突極がマグネットロータへ及ぼす力のグラフ、図７（ｂ）は（ａ）のＤＣポンプの制御回路図である。実施の形態５のＤＣポンプは、図７（ｂ）において、１４はマグネットの極が変わるタイミングを磁極位置検出センサ１１ｃの出力信号とし、その信号からマグネットロータ２の回転数に変換する回転数変換部である。
【００３４】
図７（ｂ）に示すように、マグネットの磁極位置を検出する磁極位置検出センサ１１ｃと、磁極位置検出センサ１１ｃの出力信号からマグネットロータの回転数に変換する回転数変換装置と、回転数変換部の出力信号からマグネットロータと磁性体の最適距離を決定する制御装置を有するものである。ステータコアの突極によりマグネットロータへ力が発生するが、突極と突極の間にマグネットロータの極の変わり目が来る場合には力が働くなる。
【００３５】
また、図７（ａ）において、１３はコギングが発生する領域である。領域１３の部分は突極から発生するマグネットロータ２への力がなくなるところであり、コギングが発生するところである。そこで、ステータコアの突極と突極の間に磁極位置検出センサ１１ｃを配置し、マグネットの極が変わるタイミングを磁極位置検出センサ１１ｃの出力信号として、その信号からマグネットロータ２の回転数に変換する回転数変換部１４を設ける。さらに、磁極位置検出センサ１１ｃからの信号をマグネットロータ２と磁性体の最適距離を決定する制御部１２を設ける。以上のように、回転数変換部１４とマグネットロータ２と磁性体の最適距離を決定する制御部１２とを設けることで、滑らかな回転をすることができる。
【００３６】
以上のように、ポンプの圧力差により発生させるラジアル方向に対する力と相反する力と釣り合うようにマグネットロータのバランスを外周磁性体９、内周磁性体１０でとることで、軸への荷重をなくすことが実現できる。さらに、回転数変換装置とマグネットロータと磁性体の最適距離を決定する制御装置を用いることで回転が滑らかになる。
【００３７】
本実施の形態５のＤＣポンプは、羽根車がケーシング等にあたることを防ぎ、滑らかに回転するため、長寿命のポンプを提供することができ、振動、騒音を低減できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＤＣポンプは、ポンプの圧力差により発生させるラジアル方向に対する力と相反する力と釣り合うようにマグネットロータのバランスをとるため、機械損失を低減でき、軸にかかる荷重を軽減できるし、あるいは軸及び軸受け等を廃止し、ポンプの長寿命化、低コスト化、騒音・振動の低減ができる。
【００３９】
また、動圧型の流体軸受けを使用する際、ポンプの取扱い液である水による動圧でバランスをとる場合、ポンプの流入路と流出路の圧力差により発生するモータのラジアル方向に発生する力も考慮した動圧を発生させるための高度な機械加工を不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるＤＣポンプの断面図
（ｂ）本発明の実施の形態１におけるＤＣポンプの制御構成図
【図２】図１のＤＣポンプの構成を示す説明図
【図３】本発明の実施の形態１におけるポンプケーシングとケーシングカーバーを示す説明図
【図４】本発明の実施の形態２における軸レスのＤＣポンプの構成を示す説明図
【図５】（ａ）吐出流量検出センサからマグネットロータと磁性体の最適距離を演算する説明図
（ｂ）本発明の実施の形態３におけるＤＣポンプの最適距離に制御するアクチュエータの説明図
【図６】回転数検出センサからマグネットロータと磁性体の最適距離を演算する説明図
【図７】（ａ）突極がマグネットロータへ及ぼす力のグラフ
（ｂ）（ａ）のＤＣポンプの制御回路図
【図８】従来の渦流ポンプを示す図
【符号の説明】
１ 羽根車
１* 溝
２ マグネットロータ
３ ステータコア
３ａ 突極
３ｂ ティース
３ｃ 巻線
４ ポンプケーシング
５ ケーシングカバー
６ 軸
７ 吸込口
８ 吐出口
９ 外周磁性体
１０ 内周磁性体
１１ａ 吐出流量検出センサ
１１ｂ 回転数検出センサ
１１ｃ 磁極位置検出センサ
１２ 制御部
１３ コギングが発生する領域
１３ａ 圧電素子
１３ｂ 圧電素子
１４ 回転数変換部
１０１ 吸込口
１０２ 吐出口
１０３ 通水路
１０４ ポンプ軸
１０５ ポンプ軸受
１０６ 被駆動マグネット
１０７ 羽根
１０８ ポンプケーシング
１０９ 力
Claims (4)
- 先端に突極が形成された複数のティースに巻線された電機子と、前記突極に対向しその周囲を回転するリング状のマグネットロータと、前記マグネットロータと一体化され周囲に羽根が形成された羽根車と、前記羽根車を収容し、ポンプ室内に流体を吸込む吸込口と該流体を吐出する吐出口とが該ポンプ室の周囲に設けられたポンプケーシングを備え、磁性体が前記マグネットロータの外周側及び／または内周側の位置で前記吐出口と該回転中心とを結ぶ線上に配置されたことを特徴とするＤＣポンプ。
- ポンプの吐出流量を検出する吐出流量検出手段を設け、前記吐出流量検出手段において吐出流量が最大になるときのマグネットロータと前記磁性体の最適距離を演算し、前記磁性体の位置を決定する制御部が設けられたことを特徴とする請求項１のＤＣポンプ。
- マグネットロータの回転数を検出する回転数検出手段を設け、前記回転数検出手段において回転数が最大になるときのマグネットロータと前記磁性体の最適距離を演算し、前記磁性体の位置を決定する制御部が設けられたことを特徴とする請求項１のＤＣポンプ。
- マグネットロータのマグネットの磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、前記磁極位置手段の出力信号から前記マグネットロータの回転数を算出する回転数変換部と、前記回転数変換部の出力信号からマグネットロータと磁性体の位置を決定する制御部が設けられたことを特徴とする請求項１のＤＣポンプ。
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