JPH09209973A - 水中モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】固定子をモータハウジング内に圧入する場合
に、その圧入力にバラツキがあっても、これを容易に定
位置にセットすることができ、製品の組立作業性を向上
させることのできる水中モータの提供。 【解決手段】固定子と、この固定子の内側に配置される
回転子と、前記固定子の外周に嵌合し、かつその外周を
囲う筒状のモータハウジング３とを有し、前記固定子を
モータハウジング３に押し込むように圧入する水中モー
タにおいて、前記押込み固定子を所定の位置で受け止め
る固定子位置決め突起３ｃをモータハウジング３の内周
より突き出すように前記モータハウジング３に形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水中モータに係り、
例えば汚水処理用として利用される縦形水中ポンプに組
み込んで使用される水中モータの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に用いられる汚水処理システムは、
貯水槽と、曝気槽と、沈殿槽と、消毒槽とからなり、水
中ポンプは汚水処理の初段に位置している。

【０００３】水中ポンプは、外部に設置した３つのフロ
ートスイッチ（高水位検知用、中水位検知用、低水位検
知用）を使用し、その動作方法は、貯水槽に汚水が流入
し水位が上昇して、低水位検知フロートスイッチがオン
し、さらに水位が上昇して、中水位検知フロートスイッ
チがオンした時点でポンプモータが起動する。その際ポ
ンプモータは一定回転数で制御される。

【０００４】そして水位が下がり、中水位検知フロート
スイッチがオフした時点で増速回転制御を行う。

【０００５】なお、増速回転制御によりさらに水位が下
がり、揚程高が高くなるが、この問題に対しては、ポン
プの回転数を上げることにより一定排水量の汚水を次の
曝気槽に供給することができる。

【０００６】またモータの停止タイミングは、水位が下
がって中水位検知フロートスイッチがオフし、さらに水
位が低下して低水位検知フロートスイッチがオフした時
点である。

【０００７】また高水位検知フロートスイッチは、モー
タが回転しているにもかかわらず汚水の流入量が多い場
合、逆にモータ回転数を下げて排水量を抑える。

【０００８】従来の縦形水中ポンプとしては、例えば実
開平５−１４５９１号に示されるように、単相あるいは
三相ＡＣ電源による、誘導モータが一般的である。

【０００９】しかし、誘導モータの場合、ＡＣ電源の電
源周波数の相違による、モータ回転数の変化が生じるこ
とは避けられない。

【００１０】ＡＣ電源の周波数に左右されない回転数の
任意設定、起動トルクの向上、回転数変更等は、従来の
誘導モータにインバータ制御等の制御回路を追加するこ
とにより可能となるが、これによれば、従来の水中ポン
プの誘導モータの外に、制御部を新たに追加するため、
水中ポンプを大形化することになり、また誘導モータの
場合、起動時大トルクを発生することはできない。

【００１１】また、ＡＣ電源の場合、周波数によって回
転数が決まるため、同一機種で同一性能を得るために
は、周波数毎のポンプランナーおよびポンプケーシング
を持たねばならない。

【００１２】一方、ブラシレスモータ形水中ポンプとし
ては、従来、深井戸用水中ポンプが提案されているが、
ＤＣ電源によるブラシレスモータの場合、直接ＡＣ電源
を使用することはできず、ＡＣ電源で運転する場合、電
源切換装置を新たに必要とし、使い勝手上問題となる。

【００１３】これに対し、本発明者等は、モータをＤＣ
ブラシレスモータとし、回転数制御のための回転数検出
部、回転数を任意に設定するための制御部、さらにＡＣ
電源よりＤＣ電源変換の回路部を内蔵した水中ポンプを
先に提案し、これによれば、従来提案されている深井戸
用の水中ポンプのように、電源切換装置を新たに必要と
するものではなく、またブラシレスモータは誘導モータ
に比較して効率が高く、しかも起動時大トルクを発生す
ることから粘性の高い液体の使用下において有利であ
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
固定子をモータハウジング内に圧入する場合に、その圧
入力にバラツキがあると、１回の圧入操作で固定子を定
位置にセットするのはなかなか難しい。

【００１５】本発明の目的は、固定子をモータハウジン
グ内に圧入する場合に、その圧入力にバラツキがあって
も、これを容易に定位置にセットすることができ、製品
の組立作業性を向上させることのできる、改良された水
中ポンプを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記目的は、固定子と、
この固定子の内側に配置される回転子と、前記固定子の
外周に嵌合し、かつその外周を囲う筒状のモータハウジ
ングとを有し、前記固定子をモータハウジングに押し込
むように圧入する水中モータにおいて、前記押込み固定
子を所定の位置で受け止める固定子位置決め突起をモー
タハウジングの内周より突き出すように前記モータハウ
ジングに形成することによって達成される。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面により説明
する。

【００１８】まず、ブラシレスモータの構成を図１、図
２、および図５を参照して説明する。

【００１９】ブラシレスモータの固定子部は、固定子鉄
心１の内周に形成されたスロット内に、固定子巻線２
を、電気絶縁物を介して巻線機により直接巻き込んで構
成され、さらにモータハウジング３に圧入して締結され
ている。

【００２０】ブラシレスモータの回転子部は、モータ回
転軸４にロータヨーク５を圧入して締結し、モータとし
ての磁界を作るためのメインマグネット６を、ロータヨ
ーク５に接着剤等により固定すると共に、ＦＧセンサと
しての磁界を形成するＦＧマグネット７を、接着剤等で
ＦＧヨーク８に固定し、ＦＧヨーク８は、モータ回転軸
４にロックナット９により固定することにより、軸受１
０ａ，１０ｂによって回転自在に上側エンドブラケット
１１および下側エンドブラケット１２に支持されてい
る。

【００２１】なおモータハウジング３は、機械的強度と
耐食性、および固定子巻線２の熱放散等を考慮してステ
ンレス鋼板とすると良い。

【００２２】次に、固定子巻線２への給電の位相の切り
換えを行うためのホール素子１３（図６参照）による回
転数検出手段と、回転数制御のための回転数検出を行う
ＦＧセンサについて説明する。

【００２３】図６において、銅箔と紙フェノール等の複
合材で構成したモータ回路基板１４上には、ＦＧコイル
パターン１４ａと、ホール素子１３ａ〜１３ｃにハンダ
接合されるリードパターン１４ｂとが銅箔によりそれぞ
れ形成され、これらにモータケーブル１５が接続され
る。

【００２４】モータ回路基板１４は、ネジ１６で上側エ
ンドブラケット１１に固定される。固定子部と回転子部
とを組み合わせた状態において、ＦＧコイルパターン１
４ａは、図５に示すように、回転子部におけるＦＧマグ
ネット７の磁界が作用すべく、このＦＧマグネット７と
微小隙間を介して対向し、回転子部の回転時にＦＧマグ
ネット７の磁界が回転することにより、回転速度に応じ
てＦＧコイルパターン１４ａに誘起する電圧を回転信号
として出力する。

【００２５】そして、ホール素子１３ａ〜１３ｃは、回
転子部におけるＦＧマグネット７の磁界が作用するよう
に、このＦＧマグネット７と微小隙間を介して対向し、
ホール素子１３ａ〜１３ｃの磁極位置検出信号にもとづ
いて固定子巻線２の給電相切換えを制御することによ
り、回転トルクを発生する。

【００２６】次にＡＣ電源からＤＣ電源を生成し、ブラ
シレスモータの固定子巻線２に流す駆動電流の給電相切
換えと、回転数制御を行う回路構成について、図１およ
び図４を参照して説明する。

【００２７】この回路構成は、基本的には、固定子巻線
２の給電相切換制御用トランジスタ、回転数制御、およ
び過負荷保護等を行うモータ制御回路１７と、ＡＣ電源
をＤＣ電源に変換するＤＣ電源変換回路１８とを備えて
いる。

【００２８】給電相切換制御用トランジスタ（モータド
ライバー）１９を有するモータ制御回路基板２０は、放
熱のためにアルミニウム放熱板２１に取り付けられてい
る。上側エンドブラケット１１の詳細を、図７〜図１２
を参照して説明する。

【００２９】上側エンドブラケット１１は、ブラシレス
モータを定位置に固定して縦置きに設置するために、モ
ータハウジング３との位置合わせのための芯出し突起部
１１ａ、および締付ボルト（図２の符号４４を参照）に
よりモータハウジジング３を固定するための複数個のモ
ータ固定ネジ穴１１ｂを備える。

【００３０】また、このエンドブラケット１１は、後述
するように、回路保護カバー２２を突き合わせてネジ締
め固定したときに接合面の水密性を確保するための水密
保持用ゴムリング（図１の符号２３参照）のゴムリング
装着溝１１ｃを備える。

【００３１】次に回路保護カバー２２について図１２〜
図１４を参照して説明する。

【００３２】回路保護カバー２２は上側エンドブラケッ
ト１１上に載置され、ケース結合ボルト２４とケース結
合ナット２５とでネジ締め結合することにより、水密保
持用ゴムリング２３によって上側エンドブラケット１１
との間が水密状態に結合される。

【００３３】また回路保護カバー２２は、水中ポンプを
運搬および設置するときの把手２２ａと、図１および図
３に示すフロートスイッチ用支柱２６を取り付けるため
の支柱ネジ２２ｂと、ＤＣ電源変換回路１８が外部ＡＣ
電源を受電するための電源ケーブル（図１および図２の
符号２７参照）を水密性を維持した状態で回路保護カバ
ー２２を貫通させて外部に引き出すためのケーブル貫通
穴２２ｃと、モータ制御回路１７が水位検出フロートス
イッチケーブル（図２および図３の符号２８参照）を水
密性を維持した状態で回路保護カバー２２を貫通させて
外部に引き出すためのケーブル貫通穴２２ｄとを備え
る。

【００３４】ケーブル口出し部の詳細な構成を図３を参
照して説明する。

【００３５】ゴム材質で電源ケーブル２７およびフロー
トスイッチケーブル２８とそれぞれ一体的に成形した鍔
付き口出し用リング２９，３０は、回路保護カバー２２
のケーブル貫通穴２２ｃ，２２ｄに挿入された状態で鍔
３１ａ，３１ｂによって押さえられ、鍔３１ａ，３１ｂ
の外側に当接した金属製の封止キャップ３２ａ，３２
ｂ、回路保護カバー２２の口出し部止めネジ穴２２ｅ，
２２ｆに螺合したネジ３３ａ，３３ｂで締め付けること
により、鍔３１ａ，３１ｂをゴムの弾性で密着させて水
密性を得る。

【００３６】図１において、中間ケーシング３４は、メ
カニカルシール３５を介在させた状態で、モー回転軸９
を貫通させるように、ネジ３６によって下側エンドブラ
ケット１２の底部に固定し、その結合面をＯリング３７
によって水密構造とする。

【００３７】ポンプ部はボルテックス方式のポンプであ
って、ポンプランナー３８は、中間ケーシング３４を貫
通したモータ回転軸４の軸端にネジ３９によって固定さ
れる。

【００３８】ポンプ上ケーシング４０とポンプ下ケーシ
ング４１とは、その両者を結合してポンプランナー３８
を収容するポンプ室を形成する。

【００３９】ポンプ下ケーシング４１には、吸込穴４１
ａが形成され、ポンプ上ケーシング３１には、配管接続
用の雄ネジ部を有するフランジ４２が設けられている。

【００４０】なお、前記した回路保護カバー２２、上側
エンドグラケット１１、下側エンドブラケット１２、中
間ケーシング３４、ポンプ上ケーシング４０、ポンプ下
ケーシング４１は合成樹脂材により成形されている。

【００４１】図中、符号１１ｄは上側エンドグラケット
１１の下側に設けられたパッキング装着溝、１２ａは下
側エンドグラケット１２の上側に設けられたパッキング
装着溝を示している。

【００４２】ここで、ブラシレスモータと誘導モータと
のモータ特性を比較して図１５に示す。

【００４３】ブラシレスモータの特徴は、回転数非制御
時（回転数を制御しない状態のとき）にはトルクと回転
数は直線的に変化し、回転数が０のとき、すなわち起動
時のトルクが最大となる。

【００４４】またブラシレスモータは、誘導モータと異
なり、マグネットの磁束とコイル巻線仕様を変えること
により、最大回転数を任意に設定することができ、かつ
ＡＣ電源の周波数に左右されずに所望の回転数を得るこ
とができる。

【００４５】さらにブラシレスモータは、起動時の高ト
ルク化により起動性能の向上化を図ることもできる。

【００４６】以上のように構成された水中ポンプは、フ
ランジ４２に配水管を接続して水中に設置される。

【００４７】ＤＣ電源変換回路１８は、電源ケーブル２
７を介して受電したＡＣ電源をＤＣ電源に変換する。モ
ータ制御回路１７は、このＤＣ電源を使用して、水位検
出フロートスイッチ（図３の符号４３ａ〜４３ｃ）から
の水位検出信号を参照してブラシレスモータへの給電を
オン・オフしてポンプの運転および停止を行う。

【００４８】そして、ＦＧセンサからの回転検出信号を
使用して回転数制御を実行すれば、或る範囲での負荷ト
ルクに対して回転数を一定に制御することができる。こ
れは、ポンプ揚程等の負荷の変化に対して回転数を一定
速度にすることにより、ポンプ吐出流量の変化量を少な
くすることを意味する。

【００４９】またポンプ吐出流量を一定にするような帰
還制御を行えば、揚程の工程に拘らず一定の吐出量を安
定的に得ることができる。

【００５０】さらにモータ制御回路１７に電流リミッタ
等の保護回路を設けることにより、過負荷時にモータを
停止させる等の安全保護動作を行うこともできる。

【００５１】ここで、本実施例で特徴とする構成を下記
する。

【００５２】まず第１に、本実施例では、モータハウジ
ング３の内側に固定子位置決め突起３ｃを設けたもので
あって、この構成によれば、固定子をモータハウジング
３内に圧入する場合に、その圧入力にバラツキがあって
も、これを容易に定位置にセットすることができ、水中
モータの組立作業性を向上させることができる。

【００５３】第２に、本実施例では、図２に示すよう
に、上側エンドブラケット１１と下側エンドブラケット
１２間に位置するモータハウジング３に、外側に膨出す
る膨出部（隆起部）３ａを設け、この膨出部３ａの内側
に、上側エンドブラケット１１と下側エンドブラケット
１２間でモータハウジング３を結合する締付ボルト４４
を配置し、複数本からなる前記締付ボルト４４の外側に
位置して、上側エンドブラケット１１とモータハウジン
グ３間を水密にシールする、例えばゴム材からなるパッ
キング４５、およびモータハウジング３と下側エンドブ
ラケット１１間を水密にシールするパッキング４６を配
置したものであって、この構成によれば、複数本からな
る締付ボルト１本１本の全周囲の、上側エンドブラケッ
ト１１とモータハウジング３間、さらにはモータハウジ
ング３と下側エンドブラケット１１間を１つ１つパッキ
ングでシールする必要がなくなり、その分水中ポンプの
組立工程を少なくすることができ、ひいては製品コスト
の低減化を図ることができる。

【００５４】これに対し、図２の状態において、前記し
たごとき膨出部３ａがなく、単なる筒状のモータハウジ
ングの場合、上側エンドブラケットとモータハウジング
間、およびモータハウジングと下側エンドブラケット間
を結合する締付ボルトはモータハウジングの外側に出る
ことになるが、この構成によれば、前記したパッキング
４５，４６以外に、さらに複数本からなる締付ボルト１
本１本の全周囲の、上側エンドブラケットとモータハウ
ジング間、さらにはモータハウジングと下側エンドブラ
ケット間を１つ１つパッキングでシールする必要があ
る。

【００５５】また、締付ボルトがモータハウジングの外
側にあると、不慮の外力が加わった場合の衝撃によって
締付ボルトが曲げられ、上側エンドブラケットあるいは
下側エンドブラケットとモータハウジング間のシール効
果が損なわれ、モータハウジング内に水が浸入する虞れ
がある。

【００５６】なお、前記に代えて、上側エンドブラケッ
トおよび下側エンドブラケットの横方向の寸法を大きく
し、上側エンドブラケットと下側エンドブラケット間の
水密シールに関与しない部分で上側エンドブラケットと
下側エンドブラケットとを締付ボルトにより結合して、
その両エンドブラケット間でモータハウジングを締付挾
持することも考えられるが、この構成によれば、装置が
大形化することは避けられず、例えば製品輸送の点、さ
らには材料、つまりコストの点で不利となる。一方、装
置の大形化を避けるべく、モータハウジングの外側に、
上側エンドブラケットと下側エンドブラケット間を結合
する締付ボルトを通す切欠を設けるようにした場合は、
この切欠によって固定子側の磁気通路が一部遮られるこ
とになり、有効磁束が得られず、固定子鉄心の磁気回路
特性が損なわれ、その結果、モータとしては磁気変化を
生じるので回転変動が発生する等の問題が考えられ、採
用することはできない。

【００５７】第３に、本実施例では、モータハウジング
３を、筒形に絞りプレスしたステンレス鋼板製のモータ
ハウジングとしたものであって、ステンレス鋼板を筒形
に絞りプレスしたものは、モータハウジングを溶接によ
って成形したもののように、水中での経年使用によって
溶接部分から腐食割れが入ることがなく、水密性に優
れ、寿命劣化がない。また、絞り加工は、溶接加工に比
べて寸法精度が良いことに加えて、多くの手間を要する
溶接加工に比べてコストの低減化をも図り得、本発明者
等の試作によれば、溶接加工して得られたモータハウジ
ングに比べて絞り加工して得られたモータハウジングの
コストを１０％程度低減することができた。 第４
に、本実施例では、図１８〜図１９に示すように、モー
タハウジング３の固定子入口を大径とし、奥側に向かう
テーパ部３ｂを形成したものであって、この構成によれ
ば、モータハウジング３のテーパ部３ｂに沿って固定子
を徐々に圧入して定位置にセットするに先立ち、前記大
径部が固定子をスムーズに導入するためのガイドとして
機能し、固定子のセット作業に際し、固定子鉄心１や固
定子巻線２がモータハウジング３に無駄にぶつかって変
形したり損傷する不具合をなくすことができる。

【００５８】なお、その際、モータハウジング３の内側
にのみテーパを設け、モータハウジング３の外周は全て
同一の外径寸法とすれば、モータハウジング３と上側エ
ンドブラケット１１間をシールするパッキング４５、お
よびモータハウジング３と下側エンドブラケット１２間
をシールするパッキング４６との部品の共用化を図るこ
とができ、経済的である。

【００５９】第５に、本実施例では、モータ制御回路基
板２０等の電気回路基板を、この電気回路基板と一体に
取り付けた放熱板２１共々、上側エンドブラケット１１
の側方に設けたポケット部１１ｅに装着したものであっ
て、この構成によれば、水中モータの高さ方向の寸法を
抑えられることに加えて、電気回路基板の周囲を、水中
モータを設置した槽内の液体によって効率良く冷却する
ことができ、電気回路基板の熱的影響によるトラブル発
生の頻度を少なくすることができる。

【００６０】なお、その際、電気回路基板装着ポケット
部１１ｅの側壁に、電気回路基板・放熱板組込ユニット
をポケット部底部の固定溝４７にガイドする勾配１１ｆ
をつけておけば、狭いポケット部１１ｅ内での電気回路
基板・放熱板組込ユニットの位置決め作業を良好ならし
めることができる。

【００６１】第６に、本実施例では、モータ回転軸４の
上側寄りを支持する軸受１０ａの下側を、上側エンドブ
ラケット１１にボルト４８によって固定した押さえ板で
あるインサート（なお、このインサートは、鉄材あるい
は合成樹脂材、その他適宜の材料によって構成すること
ができる）４９により支持したものである。

【００６２】すなわち、モータ回転軸４の上側寄りを支
持するためこのモータ回転軸４に圧入された軸受１０ａ
は、モータ回転軸４の回転による影響を受けて少しずつ
回転し、経年使用によって軸受１０ａとその外周の上側
エンドブラケット１１との間に摩擦を生じ、軸受１０ａ
に外輪クリープを生じて、この軸受１０ａと上側エンド
ブラケット１１との間に隙間を生じる。

【００６３】なお、モータ回転軸４は、このモータ回転
軸４の下側寄りを支持する軸受１０ｂの下方の板バネ５
０によって上方向の予圧を受けているものの、モータ回
転軸４の上側寄りを支持する軸受１０ａと上側エンドブ
ラケット１１との間に隙間を生じると、モータ回転軸４
の回転が微視的にみて「すりこぎ」状となり、その運動
は、モータ回転軸４に取り付けられているＦＧヨーク８
と、上側エンドブラケット１１に取り付けられているモ
ータ回転基板１４間の間隔のバラツキに繋がり、モータ
回転検出系の制御にパルス抜けを生じる等の不具合を生
じる。

【００６４】これに対し、本実施例によれば、モータ回
転軸４の上側寄りを支持する軸受１０ａの下側をインサ
ート５０によって支持することにより、前記した現象に
よって軸受１０ａとその外周の上側エンドブラケット１
１との間に摩擦を生じ、軸受１０ａに外輪クリープを生
じても、モータ回転軸４の回転に前記したごとき「すり
こぎ」状の回転運動を生じることはなく、モータ回転検
出系の制御にパルス抜けを生じるといった不具合をなく
し、製品の信頼性を向上させることができる。

【００６５】

【発明の効果】以上本発明は、固定子と、この固定子の
内側に配置される回転子と、前記固定子の外周に嵌合
し、かつその外周を囲う筒状のモータハウジングとを有
し、前記固定子をモータハウジングに押し込むように圧
入する水中モータにおいて、前記押込み固定子を所定の
位置で受け止める固定子位置決め突起をモータハウジン
グの内周より突き出すように前記モータハウジングに形
成したものであて、この構成によれば、固定子をモータ
ハウジング内に圧入する場合に、その圧入力にバラツキ
があっても、これを容易に定位置にセットすることがで
き、水中ポンプの組立作業性を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水中モータを組み込んだポンプの
内部構造を示す縦断面図である。

【図２】図１の一部分解斜視図である。

【図３】図１の横方向の部分断面図である。

【図４】モータを含めたポンプ駆動ユニットのブロック
図である。

【図５】図１において水中モータのみを取り出して示す
内部構造説明図である。

【図６】モータ回路基板１４の平面図である。

【図７】上側エンドブラケット１１の平面図である。

【図８】図７の縦断面図である。

【図９】図７の底面図である。

【図１０】上側エンドブラケット１１の斜視図である。

【図１１】上側エンドブラケット１１の底側の斜視図で
ある。

【図１２】上側エンドブラケット１１と回路保護カバー
２２とモータ制御回路基板（２０）・放熱板（５１）組
込ユニットの分解斜視図である。

【図１３】回路保護カバー２２の平面図である。

【図１４】回路保護カバー２２の内部構造説明図であ
る。

【図１５】ブラシレスモータと誘導モータとの特性比較
線図である。

【図１６】本発明の第２の実施例を示すモータハウジン
グ３の斜視図である。

【図１７】図１６の平面図である。

【図１８】図１７のＡ−Ａ断面図である。

【図１９】モータハウジング３の固定子を圧入した状態
を示す、図１８に相当する図である。

【符号の説明】

１…固定子鉄心、２…固定子巻線、３…モータハウジン
グ、３ａ…膨出部（隆起部）、３ｂ…テーパ部、３ｃ…
固定子位置決め突起、４…モータ回転軸、５…ロータヨ
ーク、６…メインマグネット、１０ａおよび１０ｂ…軸
受、１１…上側エンドブラケット、１１ｄ…パッキング
装着溝、１１ｅ…ポケット部、１１ｆ…勾配、１２…下
側エンドブラケット、２０…モータ制御回路基板、２１
…アルミニウム放熱板、４３ａ〜４３ｃ…水位検出フロ
ートスイッチ、４４…締付ボルト、４５および４６…パ
ッキング、４９…インサート（押さえ板）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子と、この固定子の内側に配置され
   る回転子と、前記固定子の外周に嵌合し、かつその外周
   を囲う筒状のモータハウジングとを有し、前記固定子を
   モータハウジングに押し込むように圧入する水中モータ
   において、 前記押込み固定子を所定の位置で受け止める固定子位置
   決め突起をモータハウジングの内周より突き出すように
   前記モータハウジングに形成したことを特徴とする水中
   モータ。