JP7458284B2 - ポンプ用電動機およびポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプの駆動に使用される電動機に関し、特に回転軸およびモータロータを含む回転体が液体に接触した状態で該回転体が回転するように構成された電動機に関する。また、本発明は、そのような電動機を備えたポンプ装置に関する。

深井戸用ポンプ装置など、液体の移送に用いられるポンプ装置は、１つまたは複数の羽根車を有するポンプと、羽根車を回転させる駆動源として電動機を備えている。ポンプ装置の運転中、羽根車の回転によって昇圧された液体の圧力は、羽根車に作用する。その結果、羽根車の吸込み側と吐出し側との差圧に起因してスラスト荷重が発生する。このスラスト荷重は、ポンプの吸込み側に向かう方向に作用する。ポンプ装置は、通常、このスラスト荷重を支持するためのスラスト軸受を備えている。

ポンプ装置の運転中は、上述したように、ポンプの吸込み側に向かう方向にスラスト荷重が発生するが、ポンプ装置の起動時や揚程が低いとき、または大流量で運転するとき、ポンプの吐出し側に向かう方向にスラスト荷重（以下、逆スラスト荷重という）が発生することがある。この逆スラスト荷重は、一時的に発生する力であるため、簡易的なシート状の支持部材を使用して逆スラスト荷重を受けるのが一般的である。

実開昭５９－１２１５１９号公報

しかしながら、揚程が低い状態または流量が大きい状態が長く続くと、逆スラスト荷重が長時間に亘って発生する。従来の支持部材は、そのような逆スラスト荷重に耐えることができなく、支持部材が破損することがあった。

そこで、本発明は、ポンプの吸込み側から吐出し側に向かう方向に作用するスラスト荷重（逆スラスト荷重）を長時間に亘って支持することができる構造を備えた電動機を提供する。また、本発明は、そのような電動機を備えたポンプ装置を提供する。

一態様では、内部に液体が存在した状態で運転するように構成された、ポンプ用の電動機であって、回転軸と、前記回転軸に固定されたモータロータと、前記モータロータの周囲に配置されたモータステータと、前記モータロータおよび前記モータステータを囲むモータハウジングと、前記ポンプの吐出し側から吸込み側に向かう第１の方向に作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受と、前記第１の方向とは反対の第２の方向に作用するスラスト荷重を支持する逆スラスト支持部材を備えており、前記逆スラスト支持部材は、溝が形成された荷重支持面を有している、電動機が提供される。

一態様では、前記逆スラスト支持部材は、前記モータハウジングに連結された静止部材に保持されている。
一態様では、前記逆スラスト支持部材は、カーボンから構成されている。
一態様では、前記逆スラスト支持部材を前記静止部材に着脱可能に固定する固定具をさらに備えている。
一態様では、前記溝は、前記荷重支持面に形成された複数の放射溝である。
一態様では、前記溝は、前記荷重支持面に形成された複数の螺旋溝である。
一態様では、前記荷重支持面は、前記スラスト軸受のスラストディスクに対向している。
一態様では、前記逆スラスト支持部材は、前記回転軸に支持されている。
一態様では、前記逆スラスト支持部材は、充填材とポリテトラフルオロエチレンとの混合体から構成されている。
一態様では、前記荷重支持面は、第１荷重支持面と、前記第１荷重支持面とは反対側にある第２荷重支持面であり、前記溝は、前記第１荷重支持面に形成された第１溝と、前記第２荷重支持面に形成された第２溝である。
一態様では、前記逆スラスト支持部材は、前記回転軸の外周面を囲む内周面と、前記内周面に形成され、かつ前記第１溝および前記第２溝に連通する複数の流体流路をさらに備えている。
一態様では、前記電動機は、前記回転軸のラジアル荷重を支持するラジアル軸受をさらに備えており、前記第１荷重支持面は、前記ラジアル軸受に対向している。

一態様では、羽根車を有するポンプと、前記ポンプを駆動する上記電動機を備えている、ポンプ装置が提供される。

溝が形成された荷重支持面を有する逆スラスト支持部材は、ポンプの吸込み側から吐出し側に向かう方向に作用する逆スラスト荷重を長時間に亘って支持することができる。

ポンプ装置の一実施形態を示す図である。 図１に示す電動機の一実施形態の断面図である。 図２に示す逆スラスト支持部材をその中心軸線の方向から見た図である。 図３のＡ－Ａ線断面図である。 逆スラスト支持部材の他の実施形態を示す図である。 電動機の他の実施形態を示す拡大断面図である。 電動機のさらに他の実施形態を示す拡大断面図である。 電動機のさらに他の実施形態を示す拡大断面図である。 図８に示す逆スラスト支持部材をその中心軸線の方向から見た図である。 図９のＢ－Ｂ線断面図である。 図９のＣ－Ｃ線断面図である。 電動機のさらに他の実施形態を示す拡大断面図である。 電動機のさらに他の実施形態を示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、ポンプ装置の一実施形態を示す図である。図１に示すように、ポンプ装置は、複数の羽根車２を有するポンプ１と、ポンプ１を駆動する電動機３を備えている。ポンプ１は、連結部材４によって電動機３に連結されている。羽根車２はポンプ軸５に固定されており、羽根車２とポンプ軸５は一体に回転可能に構成されている。ポンプ軸５は、電動機３に軸カップリング６によって連結されており、電動機３によって羽根車２およびポンプ１が回転する。羽根車２は、ポンプケーシング７内に配置されている。

ポンプケーシング７は、液体の吸込み口８と、液体の吐出し口９を有している。羽根車２が電動機３によって回転されると、液体は吸込み口８からポンプ１内に流入する。液体は羽根車２の回転に伴って昇圧される。そして、昇圧された液体は、吐出し口９から吐き出される。図１に示す実施形態では、複数の羽根車２が設けられているが、羽根車２の数は、必要とされる揚程に基づいて決定される。羽根車２の数は、図１に示す実施形態に限定されない。一実施形態では、単一の羽根車が設けられてもよい。

図１に示すポンプ装置は、縦置きタイプであるが、斜め置き、または横置きでも使用することができる。本実施形態では、ポンプ１の吸込み口８は、電動機３と羽根車２との間に位置しており、ポンプ１の吐出し口９は、羽根車２を挟んで吸込み口８とは反対側に位置している。一実施形態では、ポンプ１の吐出し口９は、電動機３と羽根車２との間に位置し、ポンプ１の吸込み口８は、羽根車２を挟んで吐出し口９とは反対側に位置してもよい。

図２は、図１に示す電動機３の一実施形態の断面図である。図２に示すように、電動機３は、回転軸１１と、回転軸１１に固定されたモータロータ１５と、モータロータ１５の周囲に配置されたモータステータ１６と、モータロータ１５およびモータステータ１６を囲むモータハウジング１８を備えている。回転軸１１は、図１に示すポンプ軸５に連結される。モータステータ１６は、図示しない電力線に接続されており、電力線を通じて電力がモータステータ１６に供給される。モータロータ１５は回転軸１１と一体に回転可能である。

電動機３は、回転軸１１およびモータロータ１５を含む回転体が液体に接触した状態で該回転体が回転するように構成されている。より具体的には、モータハウジング１８内には、液体が予め封入されている。モータステータ１６は、隔壁２０とモータハウジング１８との間に形成されている密閉空間２１内に配置されており、液体はモータステータ１６には接触しないようになっている。一実施形態では、電動機３は、ポリエチレンなどの耐水性樹脂で覆われた電線（耐水電線）をモータステータ１６のコイルに使用した耐水構造を有してもよい。この場合は、隔壁２０は設けられず、液体はモータステータ１６に接触する。電動機３は、回転軸１１とモータハウジング１８との間の隙間を封止する軸封装置２５をさらに備えている。軸封装置２５は、グランドパッキン、オイルシール、メカニカルシールなどから構成されている。

このように、本実施形態では、電動機３の全体が液密構造を有しており、モータハウジング１８の内部は液体で満たされている。液体の例としては、水、不凍液などが挙げられる。一実施形態では、ポンプ１が汲み上げる対象の液体（例えば、井戸水）がモータハウジング１８の内部に導入され、回転体に接触するように構成されてもよい。

電動機３は、回転軸１１のラジアル荷重を支持する複数のラジアル軸受２７，２８を備えている。これらラジアル軸受２７，２８は、軸方向においてモータロータ１５の両側に配置されている。本実施形態のラジアル軸受２７，２８は、回転軸１１を回転可能に支持するように構成された滑り軸受である。ラジアル軸受２７，２８は、モータハウジング１８に支持されたラジアル軸受保持部３１，３２によってそれぞれ保持されている。

電動機３は、ポンプ１の吐出し側から吸込み側に向かう第１の方向に作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受４１と、第１の方向とは反対の第２の方向に作用するスラスト荷重を支持する逆スラスト支持部材４６をさらに備えている。スラスト軸受４１は、回転軸１１に連結されたスラストディスク４２と、モータハウジング１８に連結されたスラストパッド４３を有している。スラストディスク４２は、スラストパッド４３に接触している。

第１の方向のスラスト荷重は、ポンプ装置の運転中に、ポンプ１の羽根車２の吸込み側と吐出し側との間の差圧に起因して発生する荷重である。これに対し、第２の方向のスラスト荷重（以下、逆スラスト荷重という）は、ポンプ装置の起動時や揚程が低いとき、または大流量で運転するときに発生する荷重である。

逆スラスト支持部材４６は、軸方向においてラジアル軸受２８の外側であって、かつスラスト軸受４１の内側に配置されている。すなわち、逆スラスト支持部材４６は、ラジアル軸受２８とスラスト軸受４１との間に位置し、かつ電動機３の反ポンプ側に位置している。逆スラスト支持部材４６は、逆スラスト荷重を受けるための荷重支持面４８を有している。この荷重支持面４８は、スラスト軸受４１のスラストディスク４２の背面に対向している。

逆スラスト支持部材４６は、ラジアル軸受２８を保持するラジアル軸受保持部３２に固定されている。このラジアル軸受保持部３２は、モータハウジング１８に連結された静止部材である。逆スラスト支持部材４６をラジアル軸受保持部（静止部材）３２に固定する態様は特に限定されないが、本実施形態では、逆スラスト支持部材４６は接着剤によりラジアル軸受保持部３２に固定されている。また、逆スラスト支持部材４６が固定される静止部材は、ラジアル軸受保持部３２に限定されず、モータハウジング１８に連結された他の静止部材であってもよい。

電動機３の運転中、スラストディスク４２は回転するのに対して、逆スラスト支持部材４６は静止している。したがって、逆スラスト支持部材４６が逆スラスト荷重を受けるとき、スラストディスク４２は、逆スラスト支持部材４６の荷重支持面４８に摺接する。逆スラスト支持部材４６がスラストディスク４２とともに回転してしまうことを防止するために、逆スラスト支持部材４６とラジアル軸受保持部（静止部材）３２との間には、廻り止めピン５１が設けられている。

逆スラスト支持部材４６は、カーボンから構成されている。カーボンは、耐摩耗性に優れている観点から使用されている。一実施形態では、逆スラスト支持部材４６は、カーボンよりも耐摩耗性に優れた、充填材とポリテトラフルオロエチレンとの混合体から構成されてもよい。ただし、充填材とポリテトラフルオロエチレンとの混合体は、一般に、カーボンよりも高価であるので、荷重支持面４８が逆スラスト荷重を長時間受けることができるのに十分に広いのであれば、カーボンを用いることが好ましい。逆スラスト荷重が逆スラスト支持部材４６に加わる時間が短いことが想定される場合には、逆スラスト支持部材４６は、砲金から構成されてもよい。モータハウジング１８内に存在する上記液体は、ラジアル軸受２７，２８、スラスト軸受４１、および逆スラスト支持部材４６の潤滑剤として機能する。

図３は、図２に示す逆スラスト支持部材４６をその中心軸線の方向から見た図であり、図４は、図３のＡ－Ａ線断面図である。逆スラスト支持部材４６は、全体として、回転軸１１を囲む環状（またはリング状）の形状を有している。逆スラスト支持部材４６は、荷重支持面４８に形成された複数の溝５４を有している。これらの溝５４は、放射状に延びている。各溝５４は、逆スラスト支持部材４６の内周面４６ａから外周面４６ｂまで延びている。溝５４は、荷重支持面４８の、スラストディスク４２の背面（図２参照）への貼り付きを防止し、さらに液体を荷重支持面４８とスラストディスク４２の背面との間に導入して荷重支持面４８を潤滑させるために設けられている。図５に示すように、一実施形態では、螺旋状に延びる複数の溝５４が設けられてもよい。

図３乃至図５に示す溝５４は、電動機３内の液体を荷重支持面４８に導き、荷重支持面４８を潤滑させることができる。したがって、逆スラスト支持部材４６は、ポンプ１の吸込み側から吐出し側に向かう方向に作用する逆スラスト荷重を長時間に亘って支持することができる。

図６は、電動機３の他の実施形態を示す拡大断面図である。図６に示す実施形態では、逆スラスト支持部材４６は、ラジアル軸受保持部（静止部材）３２に着脱可能に取り付けられている。より具体的には、接着剤に代えて、金属製の留め具６０が使用されている。この留め具６０は、逆スラスト支持部材４６の溝５４と、ラジアル軸受保持部（静止部材）３２の外面の両方に係止するフック６０ａを有している。この留め具６０のフック６０ａを、逆スラスト支持部材４６の溝５４と、ラジアル軸受保持部３２の外面の両方に係止すると、逆スラスト支持部材４６は、ラジアル軸受保持部３２に取り付けられる。また、留め具６０を外すと、逆スラスト支持部材４６をラジアル軸受保持部３２から外すことができる。図６では１つの留め具６０が描かれているが、複数の留め具６０によって逆スラスト支持部材４６がラジアル軸受保持部３２に取り付けられる。

図７は、電動機３のさらに他の実施形態を示す拡大断面図である。図７に示す実施形態でも、逆スラスト支持部材４６は、ラジアル軸受保持部（静止部材）３２に着脱可能に取り付けられている。より具体的には、接着剤または留め具６０に代えて、ねじ６２が使用されている。ねじ６２は、ラジアル軸受保持部（静止部材）３２に形成されたねじ穴６３に螺合される。さらに、ねじ６２の先端は、逆スラスト支持部材４６の外周面に形成された位置決め穴６４内に挿入される。この実施形態では、図２に示す廻り止めピン５１は設けられていない。本実施形態で使用されているねじ６２は、端部に六角穴が形成されたセットねじ（またはいもねじ）であるが、ねじ６２のタイプは特に限定されない。

図７に示す実施形態によれば、ねじ６２をねじ穴６３に螺合し、ねじ６２の先端を位置決め穴６４内に挿入することで、逆スラスト支持部材４６をラジアル軸受保持部３２に取り付けることができる。また、ねじ６２を外すと、逆スラスト支持部材４６をラジアル軸受保持部３２から外すことができる。図７では１つのねじ６２が描かれているが、複数のねじ６２によって逆スラスト支持部材４６がラジアル軸受保持部３２に取り付けられる。

図８は、電動機３のさらに他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図２を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。また、図２に示す構成要素に対応する構成要素には、同一の符号が付されている。

図８に示す電動機３は、図１に示すポンプ１よりも揚程の低いポンプに使用され、図２に示す電動機３よりも小型である。したがって、第１の方向のスラスト荷重および逆スラスト荷重も、上述した実施形態よりも小さい。図８に示すように、第１の方向のスラスト荷重を支持するためのスラスト軸受４１は、モータステータ１６の径方向内側に位置しており、スラスト軸受４１の直径は、モータロータ１５とほぼ同じである。ラジアル軸受２８は、軸方向においてスラスト軸受４１の外側に位置している。

逆スラスト支持部材４６は、電動機３のポンプ側に配置されている。より具体的には、逆スラスト支持部材４６は、モータロータ１５を挟んでスラスト軸受４１とは反対側に配置されている。逆スラスト支持部材４６は、ラジアル軸受２７と、回転軸１１に固定されたスラストディスク６９との間に配置されている。スラストディスク６９は、モータロータ１５を挟んでスラスト軸受４１とは反対側に配置されている。逆スラスト支持部材４６は、回転軸１１に支持されており、回転軸１１に対して相対的に回転可能である。逆スラスト支持部材４６は、第１荷重支持面４８Ａと、第１荷重支持面４８Ａとは反対側にある第２荷重支持面４８Ｂを有している。第１荷重支持面４８Ａはラジアル軸受２７の端面に対向し、第２荷重支持面４８Ｂはスラストディスク６９に対向している。

図９は、図８に示す逆スラスト支持部材４６をその中心軸線の方向から見た図であり、図１０は、図９のＢ－Ｂ線断面図であり、図１１は、図９のＣ－Ｃ線断面図である。逆スラスト支持部材４６は、全体として、回転軸１１を囲む環状（またはリング状）の形状を有している。逆スラスト支持部材４６は、回転軸１１（図８参照）の外周面に対向する内周面４６ａを有している。この内周面４６ａの直径は、回転軸１１の外周面の直径よりも大きい。第１荷重支持面４８Ａは、逆スラスト支持部材４６の一方側の面であり、第２荷重支持面４８Ｂは、逆スラスト支持部材４６の反対側の面である。

逆スラスト支持部材４６は、第１荷重支持面４８Ａに形成された複数の第１溝５４Ａと、第２荷重支持面４８Ｂに形成された複数の第２溝５４Ｂを有する。本実施形態では、２つの第１溝５４Ａが第１荷重支持面４８Ａに形成され、２つの第２溝５４Ｂが第２荷重支持面４８Ｂに形成されている。３つ以上の第１溝５４Ａおよび３つ以上の第２溝５４Ｂが形成されてもよい。第１溝５４Ａおよび第２溝５４Ｂは、逆スラスト支持部材４６の半径方向に延びている。第１溝５４Ａおよび第２溝５４Ｂの位置は、逆スラスト支持部材４６の周方向において異なっている。

逆スラスト支持部材４６は、その内周面４６ａに形成され、かつ第１溝５４Ａおよび第２溝５４Ｂに連通する複数の流体流路７１をさらに備えている。流体流路７１は、内周面４６ａに形成された溝から構成されている。各流体流路７１は、逆スラスト支持部材４６の中心軸心に沿って延び、第１溝５４Ａまたは第２溝５４Ｂに接続されている。第１溝５４Ａは、流体流路７１から逆スラスト支持部材４６の外周面４６ｂまで延び、第２溝５４Ｂも、流体流路７１から逆スラスト支持部材４６の外周面４６ｂまで延びている。

第１溝５４Ａおよび第２溝５４Ｂは、液体を第１荷重支持面４８Ａおよび第２荷重支持面４８Ｂにそれぞれ導く役割を有し、流体流路７１は、第１溝５４Ａおよび第２溝５４Ｂ内の液体を内周面４６ａに導く役割を有する。液体は、第１荷重支持面４８Ａおよび第２荷重支持面４８Ｂの両方に供給され、これらを潤滑することができる。

逆スラスト支持部材４６は、充填材とポリテトラフルオロエチレンとの混合体から構成されている。充填材とポリテトラフルオロエチレンとの混合体は、耐摩耗性に優れており、第１荷重支持面４８Ａおよび第２荷重支持面４８Ｂが比較的小さくても、逆スラスト支持部材４６は逆スラスト荷重を長時間に亘って支持することが可能である。

図１２は、電動機３のさらに他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図８に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図１２に示す実施形態では、逆スラスト支持部材４６は、回転軸１１を囲む円筒形状を有している。逆スラスト支持部材４６は、回転軸１１に支持されており、回転軸１１に対して相対的に回転可能である。逆スラスト支持部材４６は、回転軸１１に固定されてもよい。

逆スラスト支持部材４６は、ラジアル軸受２７の端面に対向する第１荷重支持面４８Ａと、モータロータ１５に対向する第２荷重支持面４８Ｂを有している。第１荷重支持面４８Ａには、逆スラスト支持部材４６の半径方向に延びる複数の溝（図示せず）が形成されている。これらの溝は、図３を参照して説明した溝５４と概ね同じ形状を有している。一実施形態では、図５に示すような螺旋状の溝が設けられてもよい。溝は、第１荷重支持面４８Ａとラジアル軸受２７の端面との間に液体を導き、第１荷重支持面４８Ａを潤滑することができる。第２荷重支持面４８Ｂにも、逆スラスト支持部材４６の半径方向に延びる複数の溝または螺旋状の溝が形成されてもよい。

図１３は、電動機３のさらに他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図８に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図１３に示す実施形態では、逆スラスト支持部材４６は、ラジアル軸受２７と円筒部材７４との間に配置されている。円筒部材７４は、回転軸１１を囲むように配置され、回転軸１１に固定されている。一実施形態では、円筒部材７４は、回転軸１１に支持され、回転軸１１に対して相対的に回転可能であってもよい。第１荷重支持面４８Ａはラジアル軸受２７の端面に対向し、第２荷重支持面４８Ｂは円筒部材７４の端面に対向している。逆スラスト支持部材４６の構成は、図９乃至図１１を参照して説明した実施形態と同じである。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ ポンプ
２ 羽根車
３ 電動機
５ ポンプ軸
６ 軸カップリング
７ ポンプケーシング
８ 吸込み口
９ 吐出し口
１１ 回転軸
１５ モータロータ
１６ モータステータ
１８ モータハウジング
２０ 隔壁
２１ 密閉空間
２５ 軸封装置
２７，２８ ラジアル軸受
３１，３２ ラジアル軸受保持部
４１ スラスト軸受
４２ スラストディスク
４３ スラストパッド
４６ 逆スラスト支持部材
４８ 荷重支持面
４８Ａ 第１荷重支持面
４８Ｂ 第２荷重支持面
５１ 廻り止めピン
５４ 溝
５４Ａ 第１溝
５４Ｂ 第２溝
６０ 留め具
６２ ねじ
６３ ねじ穴
６４ 位置決め穴
６９ スラストディスク
７１ 流体流路
７４ 円筒部材

Claims (7)

1. 内部に液体が存在した状態で運転するように構成された、ポンプ用の電動機であって、
   回転軸と、
   前記回転軸に固定されたモータロータと、
   前記モータロータの周囲に配置されたモータステータと、
   前記モータロータおよび前記モータステータを囲むモータハウジングと、
   前記ポンプの吐出し側から吸込み側に向かう第１の方向に作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受と、
   前記第１の方向とは反対の第２の方向に作用するスラスト荷重を支持する逆スラスト支持部材を備えており、
   前記逆スラスト支持部材は、溝が形成された荷重支持面を有しており、
   前記逆スラスト支持部材は、前記回転軸に支持されており、かつ前記回転軸に対して相対的に回転可能である、電動機。
2. 前記逆スラスト支持部材は、前記モータロータを挟んで前記スラスト軸受とは反対側に配置されている、請求項１に記載の電動機。
3. 前記逆スラスト支持部材は、充填材とポリテトラフルオロエチレンとの混合体から構成されている、請求項１または２に記載の電動機。
4. 前記荷重支持面は、第１荷重支持面と、前記第１荷重支持面とは反対側にある第２荷重支持面であり、
   前記溝は、前記第１荷重支持面に形成された第１溝と、前記第２荷重支持面に形成された第２溝である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電動機。
5. 前記逆スラスト支持部材は、前記回転軸の外周面を囲む内周面と、前記内周面に形成され、かつ前記第１溝および前記第２溝に連通する複数の流体流路をさらに備えている、請求項４に記載の電動機。
6. 前記電動機は、前記回転軸のラジアル荷重を支持するラジアル軸受をさらに備えており、
   前記第１荷重支持面は、前記ラジアル軸受に対向している、請求項４に記載の電動機。
7. 羽根車を有するポンプと、
   前記ポンプを駆動する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電動機を備えている、ポンプ装置。

Images