JP4679261B2 - 磁気結合ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気結合力を利用してインペラの動力を伝達する磁気結合ポンプ装置に関するものである。

磁気結合ポンプ装置では、隔壁を介して仕切られたモータ室およびポンプ室のうち、モータ室にモータを構成する一方、ポンプ室にインペラを配置し、磁気結合力を利用してモータの動力をインペラに伝達する。ここで、従来の磁気結合ポンプ装置は、マグネットの配置によって、図３および図４に示す２種類の構造が採用されている。

まず、図３に示すような、いわゆる周対向構造と呼ばれるタイプの磁気結合ポンプ装置４０１では、モータ回転軸４２４の上端部に対してカップ状のヨーク４２２が開口をポンプ室４０４に向けて連結されている一方、隔壁４３０には、ヨーク４２２のカップ形状に倣って、モータ室４０２側に凹んだ有底筒状の円筒部４３０ｂが形成されている。モータ室４０２側では、ヨーク４２２の円筒部４２２ｂの内周面に駆動マグネット４０８が固定されている一方、ポンプ室４０４側では、隔壁４３０の円筒部４３０ｂ内に、インペラ４１０と一体の従動マグネット４０９が配置され、従動マグネット４０９は、駆動マグネット４０８に対して半径方向内側で対向することになる。ここで、回転軸４２４には、ヨーク４２２とは別体のカップ状のロータ４２１が下向きに連結されているとともに、ロータ４２１の円筒状側面部４２１ｂの内周面にはロータマグネット４２５が固定され、ロータマグネット４２５は、ステータ４２３の外周面に対して半径方向外側で対向している（例えば、特許文献１参照）。

これに対して、図４に示すような、いわゆる面対向構造と呼ばれるタイプの磁気結合ポンプ装置５０１では、カップ状のロータ５２１が回転軸５２４に対して下向きに連結され、隔壁５３０には、ロータ５２１の上底部５２１ａにモータ軸線方向で対向する円板部５３０ａが形成されている。モータ室５０２側では、ロータ５２１の上底部５２１ａの上面に駆動マグネット５０８が固定される一方、ポンプ室５０４側では、隔壁５３０の円板部５３０ａにモータ軸線方向で対向するようにインペラ５１０と一体の従動マグネット５０９が配置され、駆動マグネット５０８と従動マグネット５０９はモータ軸線方向で対向することになる。ここで、ロータ５２１の円筒状側面部５２１ｂの内周面にはロータマグネット５２５が固定され、ロータマグネット５２５は、ステータ５２３の外周面に対して半径方向外側で対向している（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−３０３９８５号公報 特開平６−７４１８４号公報

従来の磁気結合ポンプ装置４０１、５０１のうち、図３に示す磁気結合ポンプ装置４０１は、以下に示す構成
モータ部分 ：周対向
磁気結合部分：周対向（駆動マグネットが外周／従動マグネットが内周）
になっているため、モータ軸線方向にロータ４２１とヨーク４２２とを積み上げる必要がある。このため、モータ部分が周対向になっているので装置全体の外径寸法が大きい割には、縦長になってしまい、磁気結合ポンプ装置４０１を小型化、薄型化できないという問題点がある。

また、図４に示す磁気結合ポンプ装置５０１は、以下に示す構成
モータ部分 ：周対向
磁気結合部分：面対向
になっているため、磁気結合部分が面対向になっている割には、磁気結合ポンプ装置５０１の外径寸法が大きくなってしまい、磁気結合ポンプ装置５０１を小型化できないという問題点がある。

また、図４に示すような面対向構造の磁気結合ポンプ装置５０１では、駆動マグネット５０８と従動マグネット５０９との間に発生する磁気的吸引力によって、インペラ５１０には、大きなモータ軸線方向のスラスト負荷が加わる。このため、インペラ５１０におけるスラスト軸受５６１、５６２が変形または損傷してしまい、ポンプ効率が低下してしまうという問題点がある。このような問題点は特殊なスラスト軸受５６１、５６２を用いればある程度、解消できるが、かかるスラスト軸受５６１、５６２は極めて高価であるため、コストが増大してしまう。

以上の問題に鑑みて、本発明の課題は、小型化を図ることのできる磁気結合ポンプ装置を提供することにある。

また、本発明の課題は、薄型化を実現でき、かつ、磁気的吸引力によるインペラのスラスト負荷を軽減することのできる磁気結合ポンプ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、モータ室と、隔壁を介して前記モータ室に対向するポンプ室とを有し、前記モータ室内には、ステータ、モータ回転軸、該モータ回転軸に保持されたロータ、前記ステータに対向するように前記ロータに保持されたロータマグネット、および前記ロータに保持された駆動マグネットを備えたモータが配置され、前記ポンプ室内には、前記隔壁を介して前記駆動マグネットに対向する従動マグネットと、該従動マグネットと一体に回転可能なインペラとが配置された磁気結合ポンプ装置において、前記ロータマグネットは、前記ステータに対して半径方向外側位置で対向し、前記隔壁は、前記ロータに対して半径方向外側位置で当該ロータの周りを囲む円筒部を備え、前記従動マグネットは、前記隔壁の前記円筒部を介して前記駆動マグネットに対して半径方向外側位置で対向していることを特徴とする。

すなわち、本発明において、モータ部では、ロータマグネットがステータの外周側に位置する「周対向構造」を備え、かつ、磁気結合部では、従動マグネットが駆動マグネットの外周側に位置する「周対向構造」を備えている。このため、本発明によれば、ロータマグネット、駆動マグネット、および従動マグネットが一方方向にこの順に並んでいるため、構造を簡素化できる。従って、本発明によれば、従来の磁気結合ポンプ装置と比較して、高さ方向の小型化を図ることができる。

本発明において、モータ部では、ロータマグネットがステータの外周側に位置する「周対向構造」を備え、かつ、磁気結合部では、従動マグネットが駆動マグネットの外周側に位置する「周対向構造」を備えている。このような構成の場合においては、前記隔壁は、前記ロータに対して半径方向外側位置で当該ロータの周りを囲む円筒部を備え、前記従動マグネットは、前記隔壁の前記円筒部を介して前記駆動マグネットに対して半径方向外側位置で対向している。このため、駆動マグネットを専用に取り付けるためのヨークを必要としない。従って、周対向構造の磁気結合ポンプ装置でありながら、モータ軸線方向の寸法を大幅に縮小することができる。また、従動マグネットは、隔壁の前記円筒部を介して駆動マグネットに対して半径方向外側位置で対向する周対向構造になっているため、駆動マグネットと従動マグネットとの間に発生する磁気的吸引力によるインペラへのスラスト負荷を軽減することができる。このため、インペラにおける軸受の変形や損傷を防止することができるので、長期間にわたってポンプ効率を高いレベルに維持できるなど、ポンプの寿命を延ばすことができる。また、インペラに対するスラスト軸受として高価なものを用いる必要がないため、ポンプのコストを低減することができる。さらに、アウターロータ型であれば、インナーロータ型と比較してイナーシャが大きいので、急な立ち上げの際、インペラが同期回転しないという現象（脱調現象）が発生しない。それ故、駆動マグネットと従動マグネットとのカップリングトルクを大きくしなくてもよいので、コストダウンを図ることができる。

本発明において、前記ロータは、上底部および該上底部の外周縁からモータ軸方向に延びた円筒状側面部を備えたカップ形状を備え、前記ロータマグネットは、前記円筒状側面部の内周面に固定され、前記駆動マグネットは、前記円筒状側面部の外周面に固定されていることが好ましい。

本発明において、前記駆動マグネットと前記従動マグネット各々の磁気中心位置が、軸線方向において互いに一致していることが好ましい。このように構成すると、モータスイッチングノイズの発生を防止することができる。

本発明において、前記モータ室の前記ポンプ室側とは反対側は開口部になっているとともに、当該開口部には、端板が着脱自在に取り付けられ、前記端板には、前記モータ回転軸および前記ステータが搭載されていることが好ましい。このように構成すると、モータ室においてポンプ室側とは反対側に肉厚の壁面を設ける必要がないので、磁気結合ポンプ装置の薄型化を図ることができる。しかも、端板は着脱自在に取り付けられ、かつ、端板には、モータ回転軸およびステータが搭載されているため、モータ回転軸やステータを端板に全て搭載した後、端板をハウジングに取り付けるだけで磁気結合ポンプ装置のモータ部が完成するので、組み立ての作業効率が高い。しかも、端板を外せば、モータ回転軸、ロータ、ステータが全て取り外すことができるので、メンテナンスが容易である。

本発明において、前記ロータは、磁性体から構成されて前記駆動マグネットのヨークとしての機能を担っていることが好ましい。このように構成すると、ヨークを別途、搭載する必要がないので、部品点数の削減を図ることができる。

本発明に係る磁気結合ポンプ装置において、モータ部では、ロータマグネットがステータの外周側に位置する「周対向構造」を備え、かつ、磁気結合部では、従動マグネットが駆動マグネットの外周側に位置する「周対向構造」を備えている。このため、本発明によれば、ロータマグネット、駆動マグネット、および従動マグネットが一方方向に並んでいるため、構造を簡素化できる。従って、本発明によれば、従来の磁気結合ポンプ装置と比較して、高さ方向の小型化を図ることができる。

本発明において、モータ部では、ロータマグネットがステータの外周側に位置する「周対向構造」を備え、かつ、磁気結合部では、従動マグネットが駆動マグネットの外周側に位置する「周対向構造」を備えているため、駆動マグネットを専用に取り付けるためのヨークを必要としない。従って、周対向構造の磁気結合ポンプ装置でありながら、モータ軸線方向の寸法を大幅に縮小することができる。また、駆動マグネットと従動マグネットとの間に発生する磁気的吸引力によるインペラへのスラスト負荷を軽減することができる。このため、インペラにおける軸受の変形や損傷を防止することができるので、長期間にわたってポンプ効率を高いレベルに維持できるなど、ポンプの寿命を延ばすことができる。また、インペラに対するスラスト軸受として高価なものを用いる必要がないため、ポンプのコストを低減することができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した磁気結合ポンプ装置を説明する。

（全体構成）
図１は、本発明を適用した磁気結合ポンプ装置の断面図である。図１において、本形態の磁気結合ポンプ装置１は、下面が開口するカップ状のケース３１、このケース３１の内側に装着されたカップ状の隔壁３０、および隔壁３０の下方開口を塞ぐ端板３２からなるハウジング３を有しており、隔壁３０の端面と端板３２とはボルト１１１によって固定されている。また、ケース３１の端面と隔壁３０のフランジ部３０ｄとは、間にＯリング１２を挟んだ状態でボルト１１２によって固定されている。ケース３１には、流入管部３１ａが上方に開口し、流出管部３１ｂが側方に開口している。

このように構成したハウジング３において、その内側は、隔壁３０によって、モータ室２と、このモータ室２に対して隔壁３０を介して対向するポンプ室４とに区画形成されている。隔壁３０は、カップ形状における上底部分を構成する円板部３０ａと、円板部３０ａの外周縁からモータ軸線方向に沿って延びた円筒部３０ｂとを備えており、モータ室２は、隔壁３０と端板３２とに囲まれた略円柱状の空間である。ポンプ室４は、隔壁３０とケース３１とに囲まれた空間であり、隔壁３０の円板部３０ａとケース３１の上底部分３１ｃとの間に挟まれた略円柱状の空間と、隔壁３０の円筒部３０ｂとケース３１の外周側面部３１ｄとの間に挟まれた円筒状の空間とを備えている。

（モータ室内の詳細構成）
モータ室２において、端板３２には、その中央に円形の穴３２０が形成されており、この穴３２０を利用して、端板３２には円筒状のホルダ１４が直立した状態で固定されている。ホルダ１４の外周面には、コア位置決め用環状段部が形成されており、このコア位置決め用段部を利用してステータコア２３０が軸線方向および半径方向に位置決めされ、かつ、ボルト１１３によって、ステータコア２３０、ホルダ１４および端板３２が固定されている。ステータコア２３０にはコイル２３１が巻回され、ステータコア２３０およびコイル２３１によって構成されたステータ２３は、ホルダ１４を介して端板３２上に搭載されている。

ホルダ１４には、モータ軸線方向に貫通する孔が形成され、この孔を貫通するように、モータ回転軸２４が配置されている。ホルダ１４の内周面には、環状突部が形成されており、この環状突部に対してポンプ室４の側とは反対側には、モータ回転軸２４のポンプ室４側とは反対側に位置する第１の軸端部を回転可能に支持する第１のベアリング軸受２６の外輪が装着されている。また、ホルダ１４の内側において、環状突部に対してポンプ室４の側にはコイルバネ５１が装着され、かつ、コイルバネ５１に対してポンプ室４の側には、モータ回転軸２４のポンプ室４側に位置する第２の軸端部を回転可能に支持する第２のベアリング軸受２８の外輪が装着されている。第１のベアリング軸受２６においてモータ回転軸２４に装着された内輪は、第１の軸端部で止め輪５２によって軸線方向で位置決めされ、第２のベアリング軸受２８においてモータ回転軸２４に装着された内輪は、ボス２７の環状突起によって軸線方向で位置決めされている。従って、コイルバネ５１および第２のベアリング軸受２８をホルダ１４に装着した後、ボス２７を取り付けたモータ回転軸２４を第１の軸端部の側から第２のベアリング軸受２８の内側に挿入した後、第１の軸端部に第１のベアリング軸受２６を装着し、しかる後に、モータ回転軸２４に止め輪５２を装着すると、モータ回転軸２４は、ホルダ１４を介して端板３２に搭載された状態となる。また、第１のベアリング軸受２６および第２のベアリング軸受２８において、外輪と内輪との間に軸線方向の与圧が付与されることになる。

このように構成した磁気結合ポンプ装置１において、ボス２７は、環状の樹脂成形品あるいは金属製であり、ボス２７の中央穴にモータ回転軸２４に嵌め込まれている。ボス２７は、ポンプ室４の側に位置する大径部と、ポンプ室４の側とは反対側に位置する小径部とが形成されており、大径部と小径部とによってモータ回転軸２４に対して同心状のロータ位置決め用環状段部が形成されている。

本形態において、ロータ２１は、カップ形状を備えており、その上底部分を構成する円板部２１ａと、この円板部２１ａの外周縁からモータ軸線方向に延びた円筒状側面部２１ｂとを備えている。ロータ２１において、円板部２１ａの中央穴はボス２７の小径部に嵌っており、ロータ２１は、ロータ位置決め用環状段部によって軸線方向および半径方向に位置決めされ、かつ、ボス２７に対する加締によりボス２７に固定されている。

ここで、ロータ２１の円筒状側面部２１ｂの内周面には、環状のロータマグネット２５が固定されており、ロータマグネット２５は、ステータ２３に対して半径方向外側位置でステータ２３の外周面に対向している。このようにして、アウターロータ型のモータ２０が構成されている。

本形態において、ロータ２１の円筒状側面部２１ｂの外周面には、環状の駆動マグネット８が固定されており、駆動マグネット８は、隔壁３０の円筒部３０ｂの内周面に対向している。ここで、ロータ２１は、磁性板をカップ状に成形したものであり、駆動マグネット８のヨークとしての機能を担っている。

（ポンプ室内の詳細構成）
ポンプ室４において、隔壁３０には支軸４０の基端部が保持されている一方、流入管部３１ａ側に形成された支軸保持部３１ｅには支軸４０の先端部が保持されている。支軸４０に、インペラ１０の円筒状のスリーブ１１が嵌っており、インペラ１０は、支軸４０の外周面とスリーブ１１の内周面とを摺動面として支軸４０周りに回転可能である。インペラ１０の軸線方向の両側にインペラ１０に対するスラスト軸受としてのスラストプレート６１、６２が支軸４０に固定されている。なお、支軸保持部３１ｅには、流入管部３１ａからポンプ室４内への液体の流入を可能とする通路３１ｆが確保されている。

インペラ１０は、環状の従動マグネット９および環状のバックヨーク９１と一体にカップ状に成形された樹脂成形品であり、その上面には羽根部１０ｃを備えている。ここで、インペラ１０は、羽根部１０ｃが形成された上底部分としての円板部１０ａと、この円板部１０ａの外周縁からモータ軸線方向に延びた円筒状側面部１０ｂとを備えており、円筒状側面部１０ｂは、隔壁３０の円筒部３０ｂとケース３１の外周側面部３１ｄとの間に挟まれた円筒状の空間内に位置している。インペラ１０において、円筒状側面部１０ｂの内周面には環状の従動マグネット９が保持され、この従動マグネット９の外周側を囲むようにバックヨーク９１が保持されている。このため、従動マグネット９は、駆動マグネット８の半径方向外側位置で隔壁３０の円筒部３０ｂを介して駆動マグネット８に対向している。

ここで、駆動マグネット８と従動マグネット９は各々の磁気中心位置が、モータ軸線方向において互いに一致しており、そのため、モータスイッチングノイズの発生を防止することができる。

（動作）
本形態の磁気結合ポンプ装置１において、モータ２０を動作させ、モータ回転軸２４を回転させると、モータ回転軸２４の回転は、駆動マグネット８および従動マグネット９を介してインペラ１０に伝達される結果、インペラ１０が支軸４０周りに回転し、矢印Ａで示すように、流入管部３１ａからポンプ室４に流体を流入させるとともに、ポンプ室４に流入してきた流体を、矢印Ｂに示すように、流出管部３１ｂを介して送り出すことができる。その際、流体は、モータ２０を構成する部材に一切接触しないので、磁気結合ポンプ装置１は、例えば、給湯器用の循環ポンプなどとして用いた場合、液温が９５℃の熱水を循環させたときでも信頼性が高く、かつ、十分な揚程を確保できる。

（本形態による効果）
以上説明したように、本形態の磁気結合ポンプ装置１において、モータ２０は、ロータマグネット２５がステータ２３の外周側に位置する「周対向構造」を備え、かつ、磁気結合部では、従動マグネット９が駆動マグネット８の外周側に位置する「周対向構造」を備えており、ロータマグネット２５、駆動マグネット８、および従動マグネット９が半径方向内側から半径方向外側に向かって一方方向に並んでいる。このため、磁気結合ポンプ装置１の構造を簡素化できるので、高さ方向の小型化を図ることができる。さらに、アウターロータ型であるため、インナーロータ型と比較してイナーシャが大きいので、急な立ち上げの際、インペラ１０が同期回転しないという現象（脱調現象）が発生しない。それ故、駆動マグネット８と従動マグネット９とのカップリングトルクを大きくしなくてもよいので、コストダウンを図ることができる。

また、駆動マグネット８がロータ２１の円筒状側面部２１ｂの外周面に配置されているため、駆動マグネット８を専用に取り付けるためのヨークを必要としない。従って、周対向構造の磁気結合ポンプ装置１でありながら、軸線方向の寸法を大幅に縮小することができる。

また、従動マグネット９は、駆動マグネット８に対して半径方向外側位置で対向している。このように構成すると、駆動マグネット８と従動マグネット９との間に発生する磁気的吸引力によるインペラ１０へのスラスト負荷を軽減することができる。このため、インペラ１０におけるスラストプレート６１、６２の変形や損傷を防止することができるので、長期間にわたってポンプ効率を高いレベルに維持できるなど、ポンプの寿命を延ばすことができる。また、インペラ１０に対するスラスト軸受として高価なものを用いる必要がなく、スラストプレート６１、６２の材質は、例えばステンレス鋼などで十分であるため、ポンプのコストを低減することができる。

また、本形態では、ロータ２１が駆動マグネット８およびロータマグネット２５のヨークとしての機能を担っているため、ヨークを別途、搭載する必要がない。それ故、部品点数の削減を図ることができる。

さらに、モータ室２においてポンプ室４側とは反対側は開口部になっているが、この開口部には、端板３２が取り付けられているため、モータ室２においてポンプ室４側とは反対側に肉厚の壁面を設ける必要がない。それ故、磁気結合ポンプ装置１の薄型化を図ることができる。しかも、端板３２はボルト１１１によって着脱自在に取り付けられ、かつ、端板３２には、モータ回転軸２４およびステータ２３がホルダ１４を介して搭載されている。このため、モータ回転軸２４やステータ２３を端板３２に全て搭載した後、端板３２をハウジング３に取り付けるだけで磁気結合ポンプ装置１のモータ部が完成するので、組み立ての作業効率が高い。しかも、端板３２を外せば、モータ回転軸２４、ロータ２１、ステータ２３を全て取り外すことができるので、部品交換やモータ特性測定等のメンテナンスが容易である。

（参考例）
上記実施の形態では、モータ部では、ロータマグネット２５がステータ２３の外周側に位置する「周対向構造」を備え、かつ、磁気結合部では、従動マグネット９が駆動マグネット８の外周側に位置する「周対向構造」を備えていたが、ロータマグネット２５、駆動マグネット８、および従動マグネット９を一方方向に並べて構造を簡素化するという観点からすれば、図２に示す構造を採用してもよい。

図２に示す磁気結合ポンプ装置１０１も、モータ室１０２と、隔壁１３０を介してモータ室１０２に対向するポンプ室１０４とを有し、モータ室１０２内には、ステータ１２３、モータ回転軸１２４、このモータ回転軸１２４に保持されたロータ１２１、ステータ１２３に対向するようにロータ１２１に保持されたロータマグネット１２５、およびロータ１２１に保持された駆動マグネット１０８を備えたモータ１２０が配置されている。ポンプ室１０４内には、隔壁１３０を介して駆動マグネット１０８に対向する従動マグネット１０９と、この従動マグネット１０９と一体に回転可能なインペラ１１０とが配置されている。ここで、モータ部では、ロータマグネット１２５がステータ１２３に対してモータ軸線方向に位置する「面対向構造」を備え、かつ、磁気結合部では、従動マグネット１０９が駆動マグネット１０８に対してモータ軸線方向に位置する「面対向構造」を備えている。

このように構成すると、ロータマグネット１２５、駆動マグネット１０８、および従動マグネット１０９がモータ軸線方向に並んでいるため、従来の磁気結合ポンプ装置と比較して、径方向の小型化を図ることができる。

本発明を適用した磁気結合ポンプ装置の断面図である。 本発明の参考例に係る磁気結合ポンプ装置の断面図である。 従来の磁気結合ポンプ装置の断面図である。 従来の別の磁気結合ポンプ装置の断面図である。

符号の説明

１ 磁気結合ポンプ装置
２ モータ室
４ ポンプ室
８ 駆動マグネット
９ 従動マグネット
１０ インペラ
２１ ロータ
２３ ステータ
２４ モータ回転軸
２５ ロータマグネット
３０ 隔壁
３２ 端板

Claims (5)

1. モータ室と、隔壁を介して前記モータ室に対向するポンプ室とを有し、
   前記モータ室内には、ステータ、モータ回転軸、該モータ回転軸に保持されたロータ、前記ステータに対向するように前記ロータに保持されたロータマグネット、および前記ロータに保持された駆動マグネットを備えたモータが配置され、
   前記ポンプ室内には、前記隔壁を介して前記駆動マグネットに対向する従動マグネットと、該従動マグネットと一体に回転可能なインペラとが配置された磁気結合ポンプ装置において、
   前記ロータマグネットは、前記ステータに対して半径方向外側位置で対向し、
   前記隔壁は、前記ロータに対して半径方向外側位置で当該ロータの周りを囲む円筒部を備え、
   前記従動マグネットは、前記隔壁の前記円筒部を介して前記駆動マグネットに対して半径方向外側位置で対向していることを特徴とする磁気結合ポンプ装置。
2. 請求項１において、前記ロータは、上底部および該上底部の外周縁からモータ軸方向に延びた円筒状側面部を備えたカップ形状を備え、
   前記ロータマグネットは、前記円筒状側面部の内周面に固定され、
   前記駆動マグネットは、前記円筒状側面部の外周面に固定されていることを特徴とする磁気結合ポンプ装置。
3. 請求項１または２において、前記駆動マグネットと前記従動マグネット各々の磁気中心位置が、モータ軸線方向において互いに一致していることを特徴とする磁気結合ポンプ装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記モータ室の前記ポンプ室側とは反対側は開口部になっているとともに、当該開口部には端板が着脱自在に取り付けられ、
   前記端板には、前記モータ回転軸および前記ステータが搭載されていることを特徴とする磁気結合ポンプ装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記ロータは、磁性体から構成されて前記駆動マグネットのヨークとしての機能を担っていることを特徴とする磁気結合ポンプ装置。

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