JP5039439B2 - 電動ポンプ用ロータ - Google Patents

Description

本発明は、リング状に形成されてＮ極とＳ極とが周方向に交互に現出するように極異方配向された磁石部を設けた電動ポンプ用ロータに関する。

上記のような電動ポンプ用ロータは、回転軸に外嵌するリング状の回転部とその回転部に外嵌するリング状の磁石部とから形成してあり、回転軸と一体的に回転するように設けられている。磁石部は、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に現出して磁気が外周部から入り外周部に抜ける円弧状になるように極異方配向されている。

従来の電動ポンプ用ロータでは、磁石部が、その内周部及び外周部の夫々を円形とする円筒状に形成してある（例えば、特許文献１参照。）。
そして、円筒状に形成した磁石部において、その内周部が、Ｎ極とＳ極との中間部に対応する円弧部分を内方側に膨出させた形状（湾曲形状又は平面形状）に形成してあるものもある（例えば、特許文献２参照。）。
また、別の従来の電動ポンプ用ロータでは、内周部と外周部とを異なる半径の円弧状に形成した複数の永久磁石を設け、それら複数の永久磁石の夫々をその内周部を回転軸に接触させて周方向に並べることにより磁石部を形成している（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００７−３２３７０号公報 特開２００５−２３７０４７号公報 特開２００３−１２４０１９号公報

上記のような電動ポンプ用ロータでは、吸引部である磁石部の容積割合がロータの全容積に対し多いと、電動ポンプ用ロータの軽量化及びコストの低減を図り難いものとなる。特に、電動ポンプ用ロータでは、磁石部の材料コストが占める割合が高く、磁石部の重量を低減することが求められており、吸引部（磁石部）以外のロータの部分（例えば、軸受け部、インペラ部）を吸引部（磁石部）と異なる材料で形成する手法が提案されている。

上記特許文献１に記載の電動ポンプ用ロータは、磁石部を円筒状に形成しているので、内径をより大きくして径方向において薄くすることにより、磁石部の重量を低減できる。しかしながら、径方向に薄くするとそれだけ磁束量が低下してしまい、電動用ポンプ用ロータとして必要な磁気の強さを確保できなくなってしまう虞がある。したがって、上記特許文献１に記載のものは、磁石部の重量を低減し難いものであった。

上記特許文献２に記載の電動ポンプ用ロータは、円筒状に形成した磁石部の内周部において、Ｎ極とＳ極との中間部に対応する円弧部分を内方側に膨出させた形状としている。したがって、円筒状に形成した上記特許文献１に記載の磁石部と比べると、その内方側に膨出させた部分における径方向の厚みが増す。そのために、上記特許文献２に記載のものは、上記特許文献１に記載のものよりも磁石部の重量が増加することになる。

上記特許文献３に記載の電動ポンプ用ロータは、複数の永久磁石を周方向に並べて磁石部を形成しているので、永久磁石同士の間や永久磁石と回転軸との間に隙間を設け易く、特許文献１に記載のものと比べると、磁石部の重量を低減できる。しかしながら、複数の永久磁石を周方向に並べて磁石部を形成しているので、複数の永久磁石の夫々と回転軸とを固定する作業に加え、永久磁石同士を固定する作業をも行わなければならない。しかも、それらの固定作業の夫々について精度よく行うことが求められる。したがって、上記特許文献３に記載のものは、磁石部を形成するのが難しく大きな労力を要するので、生産性が悪化する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁石部を容易に形成しながら、磁石部の重量を低減できる電動ポンプ用ロータを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る電動ポンプ用ロータの特徴構成は、リング状に形成されてＮ極とＳ極とが周方向に交互に現出するように極異方配向された磁石部を設けた電動ポンプ用ロータにおいて、前記磁石部の内周部が、前記磁石部の周方向において磁気が集中する磁気集中部位に角部を位置させた多角形に形成してある点にある。

磁石部は、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に現出するように極異方配向されているので、磁気の配向は、磁石部の外周部におけるＮ極から周方向に隣接する磁石部の外周部におけるＳ極に向う円弧状となる。磁石部の周方向においてＮ極及びＳ極の中心が磁気集中部位となり、この磁気集中部位では、磁石部の内周部側で磁束量が少なく、磁石部の外周部側で磁束量が多くなる。そこで、磁石部の内周部を、磁気集中部位において磁束量の少ない部分に角部を位置させた多角形とすることにより、磁束量の少ない部分を削ることができる。したがって、磁束量の低下を抑えながら、磁石部の重量を低減することができる。磁石部の形成については、単に、内周部を磁気集中部位に角部を位置させた多角形に形成するだけでよく、磁石部を容易に形成できる。
このようにして、磁石部を容易に形成しながら、磁石部の重量を低減できる電動ポンプ用ロータを提供できるに至った。

本発明は、樹脂に磁粉を含む材料により形成してある前記磁石部に、射出成形法によって樹脂により前記磁石部に内嵌する回転部を形成し、前記多角形の各角部が、前記磁石部の内方側を中心として前記多角形の２辺に接する円弧状に形成してあると好適である。

このように、電動ポンプ用ロータの磁石部及び回転部の夫々を樹脂により形成する場合、樹脂の二色成形の射出成形法により電動ポンプ用ロータを形成でき、生産性の向上を図ることができる。
磁石部及び回転部の夫々を樹脂により形成する場合、樹脂の溶着により磁石部と回転部とを固定することになり、その締結力が弱くなる虞がある。そこで、磁石部の内周部を多角形とするとともに、磁石部に内嵌する回転部の外周部も多角形とすることにより、回転部の外周部と磁石部の内周部とが係合する。したがって、その係合によって回転方向での回転部に対する磁石部の回り止めを行うことができ、磁石部と回転部との締結力の低減を抑制できる。

磁石部の内周部を多角形とするとともに、磁石部に内嵌する回転部の外周部も多角形とすると、回転部は、多角形の角部に対応する箇所がその他の箇所よりも肉厚が厚くなる。磁石部及び回転部を樹脂にて形成するので、回転部が多角形の角部に対応する箇所とその他の箇所とで肉厚が大きく異なると、樹脂肉厚の違いによる成形時の冷却速度の差異から樹脂ひけの影響を受けて、回転部を精度よく作ることが難しくなる。回転部の内周部を正確な円形に形成できなくなると、回転部が回転するときに、回転部の内周部と回転軸の外周部との間にガタが生じてしまう。その結果、音や振動が発生するだけでなく、回転軸の偏磨耗の要因ともなりうる虞がある。
そこで、本発明は、磁石部の内周部において多角形の各角部を多角形の２辺に接する円弧状としている。このようにして、磁石部及び回転部を樹脂にて形成する場合に、回転部が多角形の角部に対応する箇所とその他の箇所とで肉厚が大きく異なり冷却条件に起因するひけの発生を抑制している。したがって、磁石部及び回転部を樹脂にて形成することによる軽量化の利点を得ながら、磁石部及び回転部を樹脂にて形成するが故の不都合の発生を抑制している。

本発明は、前記多角形が、その重心から各辺の中央部までの距離が５ｍｍよりも大きくなるように形成してあり、前記多角形の各角部が、半径を５ｍｍ以下とする円弧状に形成してあると好適である。

多角形の各角部を、重心から各辺の中央部までの距離である５ｍｍ以下を半径とする円弧状に形成することにより、磁石部及び回転部の夫々が周方向において厚みが大きく異なることを防止しながら、磁石部の重量を的確に低減することができ、さらに磁石部と回転部との間の回り止め強度を確保することができる。

本発明は、前記磁石部の内周部が、前記磁気集中部位の数と同数の角部を有する多角形に形成してあると好適である。

磁気集中部位の夫々に角部が存在するので、磁気集中部位の夫々において磁束量の少ない部分を削ることができる。したがって、磁石部において削ることができる部分を極力大きくすることができ、磁束量の低下を抑えながら、磁石部の重量の低減をより効果的に図ることができる。

本発明に係る電動ポンプ用ロータを流体ポンプに適応した実施形態を図面に基づいて説明する。
この流体ポンプは、図１に示すように、ハウジング１の内部に吸入口２と吐出口３とに連通する流体室４が設けられている。流体室４の内部には、回転軸５と一体的に回転するインペラ部６を配置している。流体ポンプは、インペラ部６の回転によって吸入口２から流体室４に吸入した流体を吐出口３から吐出するように構成してある。

ハウジング１は、例えば、３つの部材をボルト等により連結して形成している。
回転軸５は、ロータ７の中央部を挿通して、その両端部の夫々をハウジング１に回転可能に支持してある。ロータ７は、回転軸５と一体的に回転するように設けてあり、このロータ７が本発明に係る電動ポンプ用ロータである。

ロータ７は、図２に示すように、回転軸５に外嵌するリング状の回転部８と、その回転部８に外嵌するリング状の磁石部９と、インペラ部６とから構成してある。回転部８と磁石部９とインペラ部６とを一体的に形成してロータ７を形成している。
ハウジング１の磁石部９に対向する位置には、磁界を発生させて回転軸５を回転させる駆動コイル１０が設けられている。駆動コイル１０は、図示は省略するが、インペラ部６の回転方向に設定角度（例えば、１２０度）を隔てて４つ配置している。４つの駆動コイル１０を順次ＯＮ／ＯＦＦ制御することによって回転軸５を回転させている。

以下、ロータ７について説明を加える。
ロータ７は、樹脂に磁粉を含む材料により磁石部９を形成し、その磁石部９に樹脂により回転部８及びインペラ部６を形成する。例えば極異方磁場を形成するように永久磁石を組み込んだ金型により磁石部９を射出成形し、その磁石部９を一方の金型に保持させて型を開き、他方の金型を他の金型に変えて再度型閉じすることにより回転部８及びインペラ部６を射出形成する。このようにして、ロータ７は二色成形により形成している。

磁石部９は、図３に示すように、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に現出して磁気が外周部から入り外周部に抜ける円弧状になるように極異方配向（図中矢印）されている。
磁石部９の外周部は、円形に形成している。磁石部９の内周部は、磁石部９の周方向において磁気が集中する磁気集中部位１１に角部１２を位置させた四角形に形成している。磁石部９は、周方向に磁気集中部位１１が４つ存在するように極異方配向されているので、その内周部を磁気集中部位１１の数と同数の角部１２を有する四角形としている。

磁石部９において、磁気の配向は、磁石部９の外周部におけるＮ極から周方向に隣接する磁石部９の外周部におけるＳ極に向う円弧状となる。磁石部９の周方向においてＮ極及びＳ極の中心が磁気集中部位１１となる。磁気集中部位１１では、磁石部９の内周部側で磁束量が少なく、磁石部９の外周部側で磁束量が多くなる。そこで、磁石部９の内周部を、磁気集中部位１１において磁束量の少ない部分に角部１２を位置させた四角形とすることにより、磁束量の少ない部分を削ることができる。したがって、磁束量の低下を抑えながら、磁石部９の重量を低減することができる。

回転部８は、その外周部を磁石部９の内周部に合わせた多角形としており、その内周部を円形状に形成している。回転部８の外周部と磁石部９の内周部とが係合することにより、回転方向での回転部８に対する磁石部９の回り止めを行うことができる。
回転部８は、磁石部９の内周部における四角形の角部１２に対応する箇所がその他の箇所よりも肉厚が厚くなる。このとき、回転部８が、磁石部９の内周部における四角形の角部１２に対応する箇所とその他の箇所とで肉厚が大きく異なると、樹脂肉厚の違いによる成形後の樹脂ひけの影響を受け易くなる。具体的には、角部１２付近では磁石部９の外周との距離が短く、この角部１２付近の樹脂は角部１２の間に位置する辺部の樹脂に比べて外部から早期に冷却されるため、樹脂ひけの影響が大きくなる。この結果、この樹脂ひけが大きい程、回転部８の内周部の真円度を悪化させることとなる。真円度とは、円形部分の幾何学的円からの狂いの大きさをいい、円形部分を二つの同心の幾何学的円で挟んだとき両円の間隔が最小となる場合の両円の半径の差に応じた値である。

そこで、本発明では、磁石部９の内周部を単なる四角形に形成するのではなく、図４に示すように、当該四角形の各角部１２を、磁石部９の内方側を中心として四角形の２辺に接する円弧状に形成している。このようにして、回転部８が、磁石部９の内周部における四角形の角部１２に対応する箇所とその他の箇所とで肉厚が大きく異なるのを抑制して、樹脂肉厚の違いによる成形時の冷却条件に起因する樹脂ひけの影響を受け難くしている。
四角形の各角部１２を円弧状に形成するに当り、四角形をその重心から各辺の中央部までの距離が５ｍｍよりも大きくなるように形成し、四角形の各角部１２を半径を５ｍｍ以下とする円弧状に形成してあると好適である。

以下、本発明に係る電動ポンプ用ロータの効果について実験結果に基づいて説明する。
図６は、本発明の磁石部（図中□）と従来の磁石部（図中○）との夫々について、磁石重量と総磁束量との関係を示す実験結果である。本発明の磁石部は、図５（ａ）に示すように、磁石部の内周部を磁気集中部位に角部を位置させた四角形としている。従来の磁石部は、図５（ｂ）に示すように、磁石部の内周部を円形に形成している。
図６から、本発明の磁石部（図中□）は、従来の磁石部（図中○）に対して磁石重量当りでの総磁束量が増加していることがわかる。本発明の磁石部は、磁石重量を減らしても従来の磁石部と同じだけの総磁束量を得ることができる。したがって、磁束量の低下を抑えながら、磁石部の重量を低減することができる。

図７は、本発明の磁石部（図中△）と従来の磁石部（図中○）と比較例の磁石部（図中□）との夫々について、磁石重量と総磁束量との関係を示す実験結果である。図６における実験と同様に、本発明の磁石部は図５（ａ）に示すものとし、従来の磁石部は図５（ｂ）に示すものとしている。比較例の磁石部は、図５（ｃ）に示すように、磁石部の内周部を磁気集中部位とは異なる位置に角部を位置させた四角形としている。
通常、磁石重量が減少するとそれに伴って総磁束量も減少することから、図７において、従来の磁石部（図中○）について磁石重量を変化させたときの総磁束量を実線にて示す。図７から、比較例の磁石部（図中□）は、磁石重量当りでの総磁束量が従来の磁石部（図中点線）とほとんど変らない。それに対して、本発明の磁石部（図中△）は、従来の磁石部（図中点線）に対して磁石重量当りでの総磁束量が増加していることがわかる。したがって、磁石部の内周部を多角形にするだけでなく、磁石部の内周部を磁気集中部位に角部を位置させた多角形とすることにより、磁束量の低下を抑えながら、磁石部の重量を低減することができる。

本発明では、磁石部の内周部を四角形にすることに加え、その四角形の各角部を四角形の２辺に接する円弧状としている。そこで、円弧状とする各角部の半径をどれぐらいにすると好適であるかについて検討する。

図８は、本発明の磁石部において、円弧状とする各角部の半径を変化させたときの磁石１ｇ当りの磁束量（図中◇）と磁石部の内周部の真円度（図中□）との夫々を示すグラフである。図９は、本発明の磁石部において、円弧状とする各角部の半径を変化させたときの回転部の肉厚比（図中△）と磁石部の内周部の真円度（図中□）との夫々を示すグラフである。回転部の肉厚比は、図３及び図４に示すように、角部１２に対応する箇所の肉厚ａと角部１２同士の間に対応する箇所の肉厚ｂとの肉厚比（ｂ／ａ）である。
このときの本発明の磁石部は、外径の直径を２６ｍｍ、内径の直径を１６ｍｍ、軸心方向の長さ（高さ）を１３ｍｍとした円筒状のものにおいて、その内周部を１辺１５．６ｍｍとする正方形としている。

図８から明らかなように、角部１２の半径を大きくすると、磁石部９において磁束の流れに対し不効率な部分が増加するため磁石１ｇ当りの磁束量（Ｗｂ／ｇ）が低下することがわかる。一方、角部１２の半径を大きくすると、回転部８の内周部の真円度の値が小さくなり真円度が向上する。これは角部１２の半径を大きくすることが、回転部８において角部とそれ以外の部分との射出成形時の樹脂ひけの差を小さくすることに貢献していると考えられる。したがって、回転部８の内周部の真円度を向上させることにより、射出成形時の樹脂ひけの影響を受け難くなると考えられる。
図８及び図９に示すように、角部１２の半径を５ｍｍより大きくすると、回転部８の肉厚比が形状に起因して減少し、磁石部９と回転部８との相対の回り止め強度が低下するのみで、回転部８の内周部の向上はあまり見られなくなることがわかる。したがって、回転部８の内周部の真円度及び磁石部９と回転部８との相対の回り止め強度の両方を重視する場合、角部１２の半径の大きさは５ｍｍ程度が好適であることがわかる。さらに、磁石部９と回転部８との相対の回り止め強度のみを重視する場合、角部１２の半径の大きさは５ｍｍ以下とすることが好適であるといえる。

そこで、磁石部として、外径の直径を２６ｍｍ、内径の直径を１６ｍｍ、軸心方向の長さ（高さ）を１３ｍｍとした円筒状のものにおいて、その内周部を１辺１５．６ｍｍとする正方形に形成したものを製作した場合、各角部の半径を５ｍｍ程度又は５ｍｍ以下とすることにより、磁石部の重量の低減を図りながら、回転方向での回転部に対する磁石部の回り止めを確実に行うようにしている。このとき、磁石部の内周部は、１辺１５．６ｍｍとする正方形に形成した四角形であるので、重心から各辺の中央部までの距離を５ｍｍよりも大きくなるように形成した四角形となる。このようにして、重心から各辺の中央部までの距離を５ｍｍよりも大きくなるように形成した四角形において、四角形の各角部を半径５ｍｍ程度又は５ｍｍ以下とする円弧状に形成すると好適なものとなる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、磁石部９の内周部を四角形にすることに加え、その四角形の各角部１２を円弧状としているが、磁石部９の内周部を四角形にするだけでもよい。

（２）上記実施形態では、磁石部９の内周部を磁気集中部位１１の数と同数の角部１２を有する多角形としているが、磁気集中部位１１の数よりも少ない角部を有する多角形とすることもできる。

（３）上記実施形態では、本発明に係る電動ポンプ用ロータを流体ポンプに適応した例を示したが、流体ポンプに限らず、その他各種の電動ポンプに適応することができる。

以上の如く、本発明は、リング状に形成されてＮ極とＳ極とが周方向に交互に現出するように極異方配向された磁石部を設け、磁石部を容易に形成できながら、磁石部の重量を低減できる各種の電動ポンプ用ロータに適応可能である。

流体ポンプの断面図 ロータの断面図 磁石部及び回転部の平面図 磁石部及び回転部の平面図 磁石部の平面図 本発明の磁石部と従来の磁石部との夫々について、磁石重量と総磁束量との関係を示すグラフ 本発明の磁石部と従来の磁石部と比較例の磁石部との夫々について、磁石重量と総磁束量との関係を示すグラフ 円弧状とする各角部の半径を変化させたときの磁石１ｇ当りの磁束量と磁石部の内周部の真円度との夫々を示すグラフ 円弧状とする各角部の半径を変化させたときの回転部の肉厚比と磁石部の内周部の真円度との夫々を示すグラフ

符号の説明

８ 回転部
９ 磁石部
１１ 磁気集中部位
１２ 角部

Claims (3)

1. リング状に形成されてＮ極とＳ極とが周方向に交互に現出するように極異方配向された磁石部を設けた電動ポンプ用ロータであって、
   前記磁石部の内周部が、前記磁石部の周方向において磁気が集中する磁気集中部位に角部を位置させた多角形に形成してあり、
   樹脂に磁粉を含む材料により形成してある前記磁石部に、射出成形法によって樹脂により前記磁石部に内嵌する回転部を形成し、前記多角形の各角部が、前記磁石部の内方側を中心として前記多角形の２辺に接する円弧状に形成してある電動ポンプ用ロータ。
2. 前記多角形が、その重心から各辺の中央部までの距離が５ｍｍよりも大きくなるように形成してあり、前記多角形の各角部が、半径を５ｍｍ以下とする円弧状に形成してある請求項１に記載の電動ポンプ用ロータ。
3. 前記磁石部の内周部が、前記磁気集中部位の数と同数の角部を有する多角形に形成してある請求項１又は２に記載の電動ポンプ用ロータ。
   
   

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