JP5979747B2

JP5979747B2 - 流体移送装置

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Publication number: JP5979747B2
Application number: JP2012103466A
Authority: JP
Inventors: 竹本　真紹; 真紹竹本; 真男平櫛
Original assignee: Hokkaido University NUC; Seikow Chemical Engr and Machinery Ltd
Current assignee: Hokkaido University NUC; Seikow Chemical Engr and Machinery Ltd
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: JP2013231471A

Description

本発明は、液体および気体等の流体を移送する流体移送装置に関する。

従来の流体移送装置として、ベアリングをなくしたベアリングレスポンプが知られている。一般的なベアリングレスポンプは、ポンプ部とモータ部とを有しており、ポンプ部の回転軸とモータ部の回転軸とが軸方向に連続して一体的に形成されている。モータ部は、ハウジングに設けられた固定子と、回転軸に設けられた回転子とを有しており、回転子が固定子に対して非接触な状態で磁力によって支持されている。固定子および回転子の表面には、流体による腐食を防止するために、フッ素樹脂等からなる耐薬品性の被覆層が形成されている。ベアリングレスポンプによれば、固定子と回転子とが機械的に接触しないので、部品の消耗や異物の発生を抑制することができる。しかし、回転子を支持する磁力を得るためには、固定子と回転子との間のギャップ長を短く抑える必要があるため、被覆層を厚くして耐薬品性を高めることが困難であった。そこで、本件の発明者の一人は、他の発明者と共に、ギャップ長が長い場合でも、十分な軸支持力を得ることのできるベアリングレスモータおよびポンプを提案している（特許文献１参照）。

特許文献１に記載されたベアリングレスモータおよびポンプは、回転軸に対して直交する２軸における軸支持制御を行う２つのベアリングレスモータユニットと、回転軸に対して平行な１軸における軸支持制御を行う１つのスラスト磁気軸受ユニットとを備えている。スラスト磁気軸受ユニットは、回転軸周りに捲回されたスラスト軸支持巻線を有しており、スラスト軸支持巻線の軸方向両側には、バイアス磁束を発生させるスラスト永久磁石が配置されている。スラスト軸支持巻線に直流電流を流すとスラスト軸支持磁束が発生し、一方のバイアス磁束にスラスト軸支持磁束が重畳されるとともに、他方のバイアス磁束がスラスト軸支持磁束で相殺される。その結果、磁界に磁束密度が疎の部分と密の部分とが発生し、疎の部分から密の部分に向かう方向のスラスト軸支持力が回転子に作用する。

特許第４６１６４０５号公報

特許文献１に記載されたベアリングレスモータおよびポンプによれば、２つのベアリングレスモータユニットによって、回転子を支持するラジアル軸支持力を確保することができる。しかし、未だ十分なスラスト軸支持力を確保することが困難であり、スラスト軸支持力については改善の余地があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、スラスト軸支持力をより大きくすることができる、流体移送装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る流体移送装置は、ハウジングと、前記ハウジングの内部に配置され、回転軸を中心に回転される回転部と、前記回転部の軸方向端部に設けられ、流体を移送する移送力を流体に作用させる作用部と、前記ハウジングに設けられた固定子と、前記回転軸に対して直交方向において前記固定子から離間して前記回転部に設けられた回転子とを有し、前記回転部に回転力を付与するモータ部と、前記回転軸に対して平行方向において前記モータ部から離間して配置され、前記回転軸に対して直交方向において前記回転部を非接触で支持するラジアル軸支持部と、前記ハウジングに設けられた第１永久磁石と前記回転部に設けられた第２永久磁石とを有し、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間に生じる第１磁束によって、前記作用部に作用する外力の方向とは反対の方向のスラスト軸支持力を前記回転部に作用させるスラスト軸支持部と、前記第１磁束に重畳させる第２磁束を生じさせるスラスト軸支持コイルと、前記スラスト軸支持コイルに付与される直流電流の大きさを制御する制御部とを備えることを特徴とする。

この構成では、スラスト軸支持部が生じさせる第１磁束によって、作用部に作用する外力の方向とは反対の方向のスラスト軸支持力を回転部に作用させることができる。また、スラスト軸支持コイルが生じさせる第２磁束を第１磁束に重畳させることによって、より大きなスラスト軸支持力を簡単に得ることができる。そして、スラスト軸支持コイルに付与される直流電流の大きさを制御部で制御して第２磁束の大きさを調整することによって、スラスト軸支持力の大きさを適宜調整することができる。

前記スラスト軸支持部は、前記ハウジングに設けられ、前記第１磁束の流れを２つに分流させる磁束分流部と、前記ハウジングに設けられ、分流された一方の前記第１磁束を導く第１固定磁性部と、前記ハウジングに設けられ、分流された他方の前記第１磁束を導く第２固定磁性部とを有しており、前記第１固定磁性部および前記第２固定磁性部は、前記回転軸に対して平行方向に間隔を隔てて、前記第１磁束の磁束密度に差が生じるように構成されており、前記スラスト軸支持コイルは、前記第１固定磁性部および前記第２固定磁性部のいずれか一方を流れる前記第１磁束に前記第２磁束を重畳可能なように前記第１固定磁性部と前記第２固定磁性部との間に配置されており、前記第１固定磁性部および前記第２固定磁性部のいずれか一方を流れる前記第１磁束に前記第２磁束が重畳されたとき、他方を流れる前記第１磁束が前記第２磁束で相殺されるものであってもよい。

この構成では、第１固定磁性部および第２固定磁性部は、回転軸に対して平行方向に間隔を隔てて、第１磁束の磁束密度に差が生じるように構成されているので、第１固定磁性部および第２固定磁性部のうち、磁束密度が疎である一方から密である他方に向かう方向のスラスト軸支持力を回転部に作用させることができる。また、第１固定磁性部および第２固定磁性部のいずれか一方を流れる第１磁束に第２磁束が重畳されたとき、他方を流れる第１磁束が第２磁束で相殺されるので、直流電流の方向および大きさを制御することによって、スラスト軸支持力の方向および大きさを適宜調整することができる。

前記第１永久磁石および前記第２永久磁石が前記第１磁束を放射状に生じさせるように前記回転軸の周囲に配置されており、前記ラジアル軸支持部は、前記第１磁束に重畳させる第３磁束を生じさせるラジアル軸支持巻線を有しており、放射状の前記第１磁束の所定の第１部分に前記第３磁束が重畳され、前記回転軸を挟んで前記第１部分の反対側に位置する第２部分が前記第３磁束で相殺されるものであってもよい。

放射状の第１磁束の所定の第１部分に第３磁束を重畳させ、第２部分を第３磁束で相殺すると、磁束密度が疎である第２部分から磁束密度が密である第１部分に向かう方向にラジアル軸支持力が発生する。上記構成では、スラスト軸支持部とラジアル軸支持部との間で永久磁石を共有しているので、スラスト軸支持部およびラジアル軸支持部のいずれか一方において永久磁石を省略することができる。

前記ハウジングに設けられた第３永久磁石と前記回転部に設けられた第４永久磁石とを備え、前記第３永久磁石および前記第４永久磁石は、前記回転軸に対して平行方向において前記モータ部から前記作用部側に離間して配置されており、前記第３永久磁石と前記第４永久磁石との間に生じる磁束によって、前記作用部に作用する外力の方向とは反対の放射状放射状方向のスラスト軸支持力を前記回転部に作用させるものであってもよい。

この構成では、モータ部から作用部側に離間した位置において、作用部に作用する外力の方向とは反対の方向のスラスト軸支持力を回転部に作用させることができるので、さらに大きなスラスト軸支持力を得ることができる。

前記回転部に設けられた磁性体からなるセンサターゲットと、前記センサターゲットの前記回転軸に対する平行方向の変位を検知する変位センサと、前記ハウジングに設けられ、前記作用部に作用する外力の方向とは反対の方向のスラスト軸支持力を前記センサターゲットに作用させる第５永久磁石とを備えており、前記回転部の中心部には、流体が流れる貫通孔が軸方向に延びて形成されており、前記センサターゲットは、前記貫通孔の周囲に配置されており、前記変位センサは、前記回転軸の延長線上から外れた位置に配置されているものであってもよい。

この構成では、センサターゲットに第５永久磁石の磁力を作用させることによってスラスト軸支持力を得るようにしているので、センサターゲットとは別に磁性部を設ける必要がなく、コストの低減および軽量化を図ることができる。センサターゲットは、貫通孔の周囲に配置されており、変位センサは、回転軸の延長線上から外れた位置に配置されているので、センサターゲットおよび変位センサが貫通孔を流れる流体の流れを妨げることを抑制できる。

本発明によれば、上記の構成によって、スラスト軸支持コイルに付与する電流を小さく抑えつつ、スラスト軸支持力をより大きくすることができる。

実施形態に係る遠心ポンプ（流体移送装置）の全体構成を示す断面図である。実施形態に係る遠心ポンプ（流体移送装置）の主要部の構成を示す斜視図である。ラジアル軸支持力の発生原理を示す図である。第１ラジアル軸支持部における磁力線の分布を示す図である。第１スラスト軸支持部における磁力線の分布を示す図であり、（Ａ）は、第１固定磁性部において第１磁束に第２磁束を重畳させた状態を示す図、（Ｂ）は、第２固定磁性部において第１磁束に第２磁束を重畳させた状態を示す図である。第２スラスト軸支持部における磁力線の分布を示す図である。

以下に、本発明に係る流体移送装置の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態では、本発明に係る「流体移送装置」が液体を移送する遠心ポンプに適用されている。

図１は、実施形態に係る遠心ポンプ１０の全体構成を示す断面図であり、図２は、遠心ポンプ１０の主要部の構成を示す斜視図である。図３は、ラジアル軸支持力Ｆβの発生原理を示す図である。

図１に示すように、遠心ポンプ１０は、ハウジング１２と、回転部１４と、インペラ１６と、モータ部１８と、第１ラジアル軸支持部２０と、第２ラジアル軸支持部２２と、第１スラスト軸支持部２３と、第２スラスト軸支持部２４と、スラスト軸支持コイル２６と、第３スラスト軸支持部２８とを備えている。また、遠心ポンプ１０は、モータ部１８、第１ラジアル軸支持部２０、第２ラジアル軸支持部２２およびスラスト軸支持コイル２６のそれぞれに電流を供給する電源部２９と、電源部２９を制御する制御部３０とを備えている。

図１に示すように、ハウジング１２は、略有底円筒状のモーターハウジング３２と、略円錐状のポンプハウジング３４とを有しており、モーターハウジング３２の開口部にポンプハウジング３４の基端部が接続されている。ポンプハウジング３４の軸方向端部には、吸込み口３４ａが形成されており、ポンプハウジング３４の側部には、吐出口３４ｂが形成されている。吸込み口３４ａと吐出口３４ｂとは、ポンプハウジング３４の内部空間を介して連通されている。

回転部１４は、ハウジング１２の内部に略水平方向に延びて配置され、その回転軸Ｌを中心に回転される部分であり、モーターハウジング３２の軸方向長さとほぼ同じ長さを有する略棒状またはパイプ状の軸部３６を有している。回転部１４およびインペラ１６の中心部（すなわち軸部３６の中心部）には、ハウジング１２の内部で流体を循環させるための貫通孔１５が軸方向に延びて形成されている。

インペラ１６は、液体を移送する移送力を液体に作用させる「作用部」として機能する部分であり、回転部１４の軸方向端部に取り付けられた状態で、ポンプハウジング３４の内部に配置されている。回転部１４の回転に伴ってインペラ１６が回転されると、ポンプハウジング３４の内部の液体に遠心力が作用し、当該液体がインペラ１６の中心部から径方向の外側に向けて移送され、その後、吐出口３４ｂから排出される。これにより、ポンプハウジング３４の内部空間における吸込み口３４ａの近傍部分が負圧となり、当該負圧によって吸込み口３４ａからポンプハウジング３４に新たな液体が取り込まれる。図１では、白抜き矢印が液体の流れを示している。

インペラ１６が回転されたとき、インペラ１６には、上記負圧によって吸込み口３４ａ側に向かう外力が作用する。このとき、当該外力は、スラスト軸支持部２３，２４，２８等で生じる逆方向のスラスト軸支持力Ｆγ（Ｆγ＝Ｆ1p＋Ｆ2p＋Ｆ2a＋Ｆ3p、図２）によって相殺されるので、インペラ１６がポンプハウジング３４の内面に接触することはない。なお、本実施形態では、説明の便宜上、スラスト軸支持力Ｆγの方向をスラスト方向γ、スラスト方向γに対して直交する上下方向を鉛直ラジアル方向β、スラスト方向γに対して直交する水平方向を水平ラジアル方向αとしている。また、図１における右方向を正のスラスト方向γ、左方向を負のスラスト方向γとし、図１における上方向を正の鉛直ラジアル方向β、下方向を負の鉛直ラジアル方向βとし、図１における手前方向を正の水平ラジアル方向α、奥行方向を負の水平ラジアル方向αとしている。

図１に示すように、モータ部１８は、回転部１４に回転力を付与する部分であり、ハウジング１２に設けられた固定子４０と回転軸Ｌに対して直交方向において固定子４０から離間して回転部１４に設けられた回転子４２とを有している。固定子４０は、鉄等の磁性体からなる固定磁性部４４と、固定磁性部４４に巻回された電動機巻線４６とを有しており、電動機巻線４６が電源部２９に対して電気的に接続されている。一方、回転子４２は、回転軸Ｌの周囲に配置された複数の永久磁石４８を有している。モータ部１８は、回転部１４の軸方向中央部に配置されており、モータ部１８を挟んだ軸方向両側に、第１ラジアル軸支持部２０および第２ラジアル軸支持部２２が配置されている。

図１に示すように、第１ラジアル軸支持部２０は、回転軸Ｌに対して直交する２軸（すなわち鉛直ラジアル方向βおよび水平ラジアル方向α）において回転部１４を非接触で支持する部分であり、モータ部１８から負のスラスト方向γ（すなわちインペラ１６側）に離間して配置されている。第１ラジアル軸支持部２０は、ハウジング１２に設けられた固定子５０と、回転軸Ｌに対して直交方向において固定子５０から離間して回転部１４に設けられた回転子５２とを有している。固定子５０は、鉄等の磁性体からなる２つの固定磁性部５４，５６と、一方の固定磁性部５４に巻回されたラジアル軸支持巻線５８と、２つの固定磁性部５４，５６の両方に異なる磁極で接続された永久磁石６０とを有している。本実施形態では、永久磁石６０のＳ極が一方の固定磁性部５４に接続されており、Ｎ極が他方の固定磁性部５６に接続されている。そして、ラジアル軸支持巻線５８が電源部２９に対して電気的に接続されている。一方、回転子５２は、２つの固定磁性部５４，５６に対してギャップを隔てて対向する鉄等の磁性体からなる２つの回転磁性部６２，６４と、２つの回転磁性部６２，６４の両方に異なる磁極で接続された永久磁石６６とを有している。本実施形態では、永久磁石６６のＮ極が一方の回転磁性部６２に接続されており、Ｓ極が他方の回転磁性部６４に接続されている。

図１に示すように、２つの永久磁石６０，６６は、固定子５０と回転子５２との間に放射状のバイアス磁束Ψs1を生じさせるように回転軸Ｌの周囲に配置されており、ラジアル軸支持巻線５８は、放射状のバイアス磁束Ψs1（図３）の所定の第１部分にラジアル軸支持磁束Ψs2β，Ψs2α（図３）を重畳させ、かつ、回転軸Ｌを挟んで第１部分の反対側に位置する第２部分をラジアル軸支持磁束Ψs2β，Ψs2α（図３）で相殺するように配置されている。図３に示すように、ラジアル軸支持巻線５８に直流電流を付与して２極のラジアル軸支持磁束Ψs2βを発生させると、放射状のバイアス磁束Ψs1の上部にラジアル軸支持磁束Ψs2βが重畳され、かつ、放射状のバイアス磁束Ψs1の下部がラジアル軸支持磁束Ψs2βで相殺される。つまり、鉛直ラジアル方向βにおいては、放射状のバイアス磁束Ψs1の上部が、磁束が密となる「第１部分」となり、下部が、磁束が疎となる「第２部分」となる。これにより、正の鉛直ラジアル方向β（上方向）のラジアル軸支持力Ｆβが回転部１４に作用する。一方、水平ラジアル方向αにおいては、他のラジアル軸支持巻線５８が発生させる２極のラジアル軸支持磁束Ψs2αによって、正の水平ラジアル方向αのラジアル軸支持力が回転部１４に作用する。

図１に示すように、第１ラジアル軸支持部２０の近傍に位置する回転部１４の軸方向端部には、鉄等の磁性体からなる略円筒状のセンサターゲット６７が回転軸Ｌを中心として設けられている。一方、ハウジング１２には、鉛直ラジアル方向βにおけるセンサターゲット６７の変位を検知する変位センサ６８がセンサターゲット６７の上部に対向して設けられている。そして、変位センサ６８が制御部３０に対して電気的に接続されている。したがって、変位センサ６８でセンサターゲット６７の変位を検知することによって、鉛直ラジアル方向βにおける回転部１４の変位を検知することが可能である。制御部３０は、回転部１４の変位が所定値となるように、電源部２９の動作を制御してラジアル軸支持巻線５８に付与される直流電流の大きさを制御する。

図４に示すように、固定子５０の固定磁性部５６は、それに対応する回転子５２の回転磁性部６４よりも正のスラスト方向γにずれて配置されている。したがって、固定磁性部５６と回転磁性部６４とを流れるバイアス磁束Ψs1は、これらの間のギャップＧを回転軸Ｌ（図２）に直交する方向に対して傾斜して流れ、これにより、正のスラスト方向γの受動的な第１スラスト軸支持力Ｆ1p（図２）が回転部１４に作用する。つまり、本実施形態では、ハウジング１２に設けられた永久磁石６０（すなわち第３永久磁石）と、回転部１４に設けられた永久磁石６６（すなわち第４永久磁石）と、固定磁性部５６と、回転磁性部６４とによって第１スラスト軸支持部２３が構成されている。そして、永久磁石６０と永久磁石６６との間（すなわち第３永久磁石と第４永久磁石との間）に生じるバイアス磁束Ψs1によって、インペラ１６（図１）に作用する外力の方向とは反対の方向の第１スラスト軸支持力Ｆ1p（図２）が回転部１４に作用する。

図１に示すように、第２ラジアル軸支持部２２は、回転軸Ｌに対して直交する２軸（すなわち鉛直ラジアル方向βおよび水平ラジアル方向α）において回転部１４を非接触で支持する部分であり、モータ部１８から正のスラスト方向γに離間して、第２スラスト軸支持部２４と一体的に設けられている。第２ラジアル軸支持部２２は、ハウジング１２に設けられた固定子７０と、回転軸Ｌに対して直交方向において固定子７０から離間して回転部１４に設けられた回転子７２とを有している。固定子７０は、スラスト方向γにおいて互いに間隔を隔てて配置された鉄等の磁性体からなる２つの固定磁性部７４，７６と、一方の固定磁性部７４に巻回されたラジアル軸支持巻線７８と、２つの固定磁性部７４，７６の両方に異なる磁極で接続された永久磁石８０とを有している。本実施形態では、永久磁石８０のＳ極が一方の固定磁性部７４に接続されており、Ｎ極が他方の固定磁性部７６に接続されている。そして、ラジアル軸支持巻線７８が電源部２９に対して電気的に接続されている。一方、回転子７２は、固定磁性部７４に対してギャップを隔てて対向する鉄等の磁性体からなる回転磁性部８２と、回転磁性部８２に接続された永久磁石８４とを有している。本実施形態では、永久磁石８４のＮ極が回転磁性部８２に接続されており、Ｓ極が固定磁性部７６に対してギャップを隔てて対向している。

永久磁石８０，８４は、固定子７０と回転子７２との間に放射状のバイアス磁束Ψs2（図２）を生じさせるように回転軸Ｌの周囲に配置されており、ラジアル軸支持巻線７８は、放射状のバイアス磁束Ψs2（図２）の所定の第１部分にラジアル軸支持磁束（すなわち第３磁束。以下、同じ。）を重畳させ、かつ、回転軸Ｌを挟んで第１部分の反対側に位置する第２部分をラジアル軸支持磁束で相殺するように配置されている。第２ラジアル軸支持部２２におけるラジアル軸支持力Ｆβの発生原理は、第１ラジアル軸支持部２０におけるラジアル軸支持力Ｆβの発生原理と同様である（図３）。鉛直ラジアル方向βにおいては、放射状のバイアス磁束Ψs2（図２）の上部が磁束が密となる「第１部分」となり、下部が、磁束が疎となる「第２部分」となる。これにより、正の鉛直ラジアル方向β（上方向）のラジアル軸支持力Ｆβが回転部１４に作用する。一方、水平ラジアル方向αにおいては、他のラジアル軸支持巻線５８が発生させる２極のラジアル軸支持磁束によって、正の水平ラジアル方向αのラジアル軸支持力が回転部１４に作用する。

図１に示すように、第２ラジアル軸支持部２２の近傍に位置する回転部１４の軸方向端部には、鉄等の磁性体からなる略円筒状のセンサターゲット８７が、回転軸Ｌを中心として貫通孔１５の周囲に配置されている。一方、ハウジング１２には、鉛直ラジアル方向βにおけるセンサターゲット８７の鉛直ラジアル方向βの変位を検知する変位センサ８８がセンサターゲット８７の上部に対向して設けられている。そして、変位センサ８８が制御部３０に対して電気的に接続されている。したがって、変位センサ８８でセンサターゲット８７の変位を検知することによって、鉛直ラジアル方向βにおける回転部１４の変位を検知することが可能である。制御部３０は、回転部１４の変位が所定値となるように、電源部２９の動作を制御してラジアル軸支持巻線７８に付与される直流電流の大きさを制御する。

図１に示すように、第２スラスト軸支持部２４は、「作用部」としてのインペラ１６に作用する外力の方向とは反対の方向（正のスラスト方向γ）の第２スラスト軸支持力Ｆ2p（図２）を回転部１４に作用させる部分であり、ハウジング１２に設けられた永久磁石８０（すなわち第１永久磁石）、磁束分流部９０、固定磁性部７６および固定磁性部９２と、回転部１４に設けられた永久磁石８４（すなわち第２永久磁石）および回転磁性部９４とを有している。第２スラスト軸支持部２４においては、説明の便宜上、ハウジング１２に設けられた永久磁石８０を「第１永久磁石８０」と称し、回転部１４に設けられた永久磁石８４を「第２永久磁石８４」と称する。また、一方の固定磁性部７６を「第１固定磁性部７６」と称し、他方の固定磁性部９２を「第２固定磁性部９２」と称する。そして、「バイアス磁束Ψs2」を「第１磁束Ψs2」と称する。

図２に示すように、第１永久磁石８０および第２永久磁石８４は、第２スラスト軸支持力Ｆ2pを発生させるための第１磁束Ψs2を生じさせるものであり、磁束分流部９０は第１永久磁石８０のＮ極から与えられた第１磁束Ψs2の流れを２つに分流させる部分である。第１固定磁性部７６は分流された一方の第１磁束Ψs2を回転磁性部９４に導く部分であり、第２固定磁性部９２は分流された他方の第１磁束Ψs2を回転磁性部９４に導く部分である。回転磁性部９４は、第１固定磁性部７６および第２固定磁性部９２のそれぞれから与えられた第１磁束Ψs2を合流させて第２永久磁石８４のＳ極に導く部分である。磁束分流部９０、第１固定磁性部７６、第２固定磁性部９２および回転磁性部９４のそれぞれは、鉄等の磁性体によって形成されている。

図１に示すように、第１固定磁性部７６および第２固定磁性部９２は、回転軸Ｌに対して平行方向に間隔を隔てて配置されており、第１固定磁性部７６と第２固定磁性部９２とは、回転軸Ｌに対して直交する方向における回転軸Ｌから離間した側の端部において磁束分流部９０を介して連結されている。したがって、第１固定磁性部７６、第２固定磁性部９２および磁束分流部９０の全体の断面形状は、回転軸Ｌ側に開いた略溝形（略コ字形）である。そして、第１永久磁石８０のＮ極が第１固定磁性部７６に接続されており、第２永久磁石８４のＳ極が回転磁性部９４に接続されている。本実施形態では、回転軸Ｌに対して平行方向における第１固定磁性部７６と第２固定磁性部９２との中間位置に回転磁性部９４が配置されており、第１永久磁石８０から第１固定磁性部７６を経て回転磁性部９４に至る第１磁路Ｒ１の長さが、第１永久磁石８０から磁束分流部９０および第２固定磁性部９２を経て回転磁性部９４に至る第２磁路Ｒ２の長さよりも短くされている。これにより第１磁路Ｒ１の磁気抵抗が第２磁路Ｒ２の磁気抵抗よりも小さくなっている。したがって、第１固定磁性部７６における第１磁束Ψs2の磁束密度は、第２固定磁性部９２における第１磁束Ψs2の磁束密度よりも大きくなっており、磁束密度が疎の部分から密の部分に向かう方向、すなわち正のスラスト方向γの受動的な第２スラスト軸支持力Ｆ2p（図２）が回転部１４に作用する。なお、磁気抵抗は、磁路Ｒ１，Ｒ２の断面積や透磁率を変えることによって適宜調整されてもよい。

図２に示すように、スラスト軸支持コイル２６は、第１磁束Ψs2に重畳させる第２磁束Ψtγ（すなわちスラスト軸支持磁束）を生じさせるものであり、第１固定磁性部７６および第２固定磁性部９２のいずれか一方を流れる第１磁束Ψs2に第２磁束Ψtγを重畳可能なように、回転軸Ｌの周囲に巻回された状態で第１固定磁性部７６と第２固定磁性部９２との間に配置されている。そして、スラスト軸支持コイル２６が電源部２９に対して電気的に接続されている。スラスト軸支持コイル２６に直流電流を付与すると、直流電流の方向に応じて、第１固定磁性部７６および第２固定磁性部９２のいずれか一方を流れる第１磁束Ψs2に第２磁束Ψtγが重畳される。

図５（Ａ）に示すように、第１固定磁性部７６を流れる第１磁束Ψs2に第２磁束Ψtγが重畳されると、第２固定磁性部９２を流れる第１磁束Ψs2が第２磁束Ψtγで相殺される。すると、第１固定磁性部７６における磁束の磁束密度と第２固定磁性部９２における磁束の磁束密度との差が大きくなり、正のスラスト方向γの第２スラスト軸支持力Ｆ2p（図２）に対して同じ方向の能動的なスラスト軸支持力Ｆ2a（図２）が加算される。一方、図５（Ｂ）に示すように、第２固定磁性部９２を流れる第１磁束Ψs2に第２磁束Ψtγが重畳されると、第１固定磁性部７６を流れる第１磁束Ψs2が第２磁束Ψtγで相殺される。すると、第１固定磁性部７６における磁束の磁束密度と第２固定磁性部９２における磁束の磁束密度との差が小さくなり、或いは、第２固定磁性部９２における磁束の磁束密度が第１固定磁性部７６における磁束の磁束密度より大きくなる。これにより、第２スラスト軸支持力Ｆ2p（図２）に加算されるスラスト軸支持力Ｆ2a（図２）が小さくなり、或いは、第２スラスト軸支持力Ｆ2p（図２）に加算されるスラスト軸支持力Ｆ2a（図２）が負の値となる。図２に示すように、通常運転では、第１固定磁性部７６を流れる第１磁束Ψs2に第２磁束Ψtγが重畳され、正のスラスト方向γの第２スラスト軸支持力Ｆ2pに対して同じ方向のスラスト軸支持力Ｆ2aが加算され、より大きなスラスト軸支持力Ｆ2p＋Ｆ2aが得られる。

図１に示すように、第３スラスト軸支持部２８は、「作用部」としてのインペラ１６に作用する外力の方向とは反対の方向（正のスラスト方向γ）の第３スラスト軸支持力Ｆ3p（図２）を回転部１４に作用させる部分であり、正のスラスト方向γにおけるハウジング１２の端部に設けられた固定部１００を備えている。固定部１００は、その中心軸が回転軸Ｌと一致する鉄等の磁性体からなる略円盤状の固定磁性部１０２と、固定磁性部１０２におけるセンサターゲット８７に対向する面の中央部に設けられた略円盤状の永久磁石１０４（すなわち第５永久磁石）と、当該面の外周部に設けられた略円環状の永久磁石１０６（すなわち第５永久磁石）とを有している。本実施形態では、永久磁石１０４のＮ極が固定磁性部１０２に接続されており、永久磁石１０６のＳ極が固定磁性部１０２に接続されている。そして、図６に示すように、永久磁石１０４，１０６（すなわち第５永久磁石）で発生した磁束Ψs3がセンサターゲット８７に作用し、これにより正のスラスト方向γの第３スラスト軸支持力Ｆ3p（図２）が回転部１４に作用する。

図１に示すように、センサターゲット８７の端面８７ａは、回転軸Ｌに対して直交して配置されており、一つの磁気回路を形成する２つの永久磁石１０４，１０６の間には、スラスト方向γにおけるセンサターゲット８７の変位を検知する変位センサ１０８がセンサターゲット８７の端面８７ａに対向して、回転軸Ｌの延長線上から外れた位置に配置されている。そして、変位センサ１０８が制御部３０に対して電気的に接続されている。したがって、変位センサ１０８でセンサターゲット８７の変位を検知することによって、スラスト方向γにおける回転部１４の変位を検知することが可能である。制御部３０は、回転部１４の変位が所定値となるように、電源部２９の動作を制御してスラスト軸支持コイル２６に付与する直流電流の方向および大きさを制御する。

第１ラジアル軸支持部２０におけるバイアス磁束Ψs1（図２）の磁路および第２ラジアル軸支持部２２におけるバイアス磁束Ψs2（図２）の磁路のそれぞれの断面積は、これらの磁路が常に磁気飽和を起こすように小さめに設計されている。したがって、回転部１４の位置がスラスト方向γにおいて変動した場合でも、第１ラジアル軸支持部２０のバイアス磁束Ψs1（図２）および第２ラジアル軸支持部２２のバイアス磁束Ψs2（図２）の両方について、磁束密度の変動を抑制することが可能であり、ラジアル軸支持力Ｆβを安定させることができる。図１に示すように、回転部１４に設けられた各種の部品およびハウジング１２に設けられた各種の部品は、フッ素樹脂等からなる耐薬品性の被覆層１１０によって被覆されている。

本実施形態によれば、上記構成により、以下の効果を奏することができる。すなわち、図２に示すように、スラスト軸支持コイル２６が生じさせる第２磁束Ψtγを第１磁束Ψs2に重畳させることによって、受動的な第２スラスト軸支持力Ｆ2pに能動的なスラスト軸支持力Ｆ2aを加算することが可能であり、これにより、第２スラスト軸支持力Ｆ2pよりもさらに大きなスラスト軸支持力Ｆ2p＋Ｆ2aを簡単に得ることができる。

スラスト軸支持コイル２６に付与される直流電流の大きさを制御部３０（図１）で制御して第２磁束Ψtγ（図２）の大きさを調整することによって、スラスト軸支持力Ｆ2p＋Ｆ2a（図２）の大きさを適宜調整することができる。

図２に示すように、第１スラスト軸支持部２３において正のスラスト方向γの受動的な第１スラスト軸支持力Ｆ1pを得ることができ、第２スラスト軸支持部２４およびスラスト軸支持コイル２６において正のスラスト方向γの受動的な第２スラスト軸支持力Ｆ2pと能動的なスラスト軸支持力Ｆ2aとを得ることができ、第３スラスト軸支持部２８において正のスラスト方向γの受動的な第３スラスト軸支持力Ｆ3pを得ることができるので、全体として十分な大きさ（本実施形態では７１８Ｎ以上）のスラスト軸支持力Ｆγ（Ｆγ＝Ｆ1p＋Ｆ2p＋Ｆ2a＋Ｆ3p）を簡単に得ることができる。

図１に示すように、第２スラスト軸支持部２４と第２ラジアル軸支持部２２との間で永久磁石８０，８４を共有しており、鉛直ラジアル方向βの変位センサ８８とスラスト方向γの変位センサ１０８との間でセンサターゲット８７を共有しているので、部品点数を削減してコストを低減することができる。

図１に示すように、センサターゲット８７は、貫通孔１５の周囲に配置されており、変位センサ１０８は、回転軸Ｌの延長線上から外れた位置に配置されているので、センサターゲット８７および変位センサ１０８が貫通孔１５を流れる流体の流れを妨げることがない。これにより、ハウジング１２の内部における流体の循環を促すことができ、回転部１４の軸方向両側における圧力差を小さくすることができる。

図１に示すように、スラスト方向γにおけるモータ部１８を挟んだ両側に第１ラジアル軸支持部２０および第２ラジアル軸支持部２２が離れて配置されているので、ラジアル位置制御のロバスト性を向上することができる。

なお、上述の実施形態では、本発明が液体を移送する遠心ポンプに適用されているが、他の実施形態では、気体を移送する送風機等に適用されてもよい。

また、上述の実施形態では、「作用部」としてのインペラ１６に負のスラスト方向γの外力が作用しているが、他の実施形態では、インペラ等に正のスラスト方向γの外力が作用してもよく、この場合には、当該外力を、スラスト軸支持部２３，２４，２８等で生じる負のスラスト方向γのスラスト軸支持力Ｆγ（Ｆγ＝Ｆ1p＋Ｆ2p＋Ｆ2a＋Ｆ3p）によって相殺してもよい。

Ｌ… 回転軸
１０… 遠心ポンプ（流体移送装置）
１２… ハウジング
１４… 回転部
１６… インペラ
１８… モータ部
２０… 第１ラジアル軸支持部
２２… 第２ラジアル軸支持部
２３… 第１スラスト軸支持部
２４… 第２スラスト軸支持部
２６… スラスト軸支持コイル
２８… 第３スラスト軸支持部
２９… 電源部
３０… 制御部
８０… 第１永久磁石
８４… 第２永久磁石

Claims

ハウジングと、
前記ハウジングの内部に配置され、回転軸を中心に回転される回転部と、
前記回転部の軸方向端部に設けられ、流体を移送する移送力を流体に作用させる作用部と、
前記ハウジングに設けられた固定子と、前記回転軸に対して直交方向において前記固定子から離間して前記回転部に設けられた回転子とを有し、前記回転部に回転力を付与するモータ部と、
前記回転軸に対して平行方向において前記モータ部から離間して配置され、前記回転軸に対して直交方向において前記回転部を非接触で支持するラジアル軸支持部と、
前記ハウジングに設けられた第１永久磁石と前記回転部に設けられた第２永久磁石とを有し、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間に生じる第１磁束によって、前記作用部に作用する外力の方向とは反対の方向のスラスト軸支持力を前記回転部に作用させるスラスト軸支持部と、
前記第１磁束に重畳させる第２磁束を生じさせるスラスト軸支持コイルと、
前記スラスト軸支持コイルに付与される直流電流の大きさを制御する制御部とを備え、
前記スラスト軸支持部は、
前記ハウジングに設けられ、前記第１磁束の流れを２つに分流させる磁束分流部と、
前記ハウジングに設けられ、分流された一方の前記第１磁束を導く第１固定磁性部と、
前記ハウジングに設けられ、分流された他方の前記第１磁束を導く第２固定磁性部とを
有しており、
前記第１固定磁性部および前記第２固定磁性部は、前記回転軸に対して平行方向に間隔を隔てて、前記第１磁束の磁束密度に差が生じるように構成されており、
前記スラスト軸支持コイルは、前記第１固定磁性部および前記第２固定磁性部のいずれか一方を流れる前記第１磁束に前記第２磁束を重畳可能なように前記第１固定磁性部と前記第２固定磁性部との間に配置されており、
前記第１固定磁性部および前記第２固定磁性部のいずれか一方を流れる前記第１磁束に前記第２磁束が重畳されたとき、他方を流れる前記第１磁束が前記第２磁束で相殺される、流体移送装置。
前記第１永久磁石および前記第２永久磁石が前記第１磁束を放射状に生じさせるように前記回転軸の周囲に配置されており、
前記ラジアル軸支持部は、前記第１磁束に重畳させる第３磁束を生じさせるラジアル軸支持巻線を有しており、
放射状の前記第１磁束の所定の第１部分に前記第３磁束が重畳され、前記回転軸を挟んで前記第１部分の反対側に位置する第２部分が前記第３磁束で相殺される、請求項１に記載の流体移送装置。
前記ハウジングに設けられた第３永久磁石と前記回転部に設けられた第４永久磁石とを備えており、
前記第３永久磁石および前記第４永久磁石は、前記回転軸に対して平行方向において前記モータ部から前記作用部側に離間して配置されており、
前記第３永久磁石と前記第４永久磁石との間に生じる磁束によって、前記作用部に作用する外力の方向とは反対の方向のスラスト軸支持力を前記回転部に作用させる、請求項１又は２に記載の流体移送装置。
前記回転部に設けられた磁性体からなるセンサターゲットと、
前記センサターゲットの前記回転軸に対する平行方向の変位を検知する変位センサと、
前記ハウジングに設けられ、前記作用部に作用する外力の方向とは反対の方向のスラスト軸支持力を前記センサターゲットに作用させる第５永久磁石とを備えており、
前記回転部の中心部には、前記ハウジングの内部で流体を循環させるための貫通孔が軸方向に延びて形成されており、
前記センサターゲットは、前記貫通孔の周囲に配置されており、
前記変位センサは、前記回転軸の延長線上から外れた位置に配置されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の流体移送装置。