JP2006144607A - 無整流子直流電動機型ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】配管中を流れる流体を圧送する無整流子直流電動機型ポンプを提供する。
【解決手段】周方向に多数の固定子巻線５が配列された長筒状固定部材１と、この固定部材に対向支持板３介して回転自在に支承され、かつ、前記固定子巻線に対して空隙を介して交差方向に横切る環状の永久磁石１４を備えた軸なし中空回転子とから成り、前記中空回転子１１は、内壁に長手方向の外端部が気密状に固定され、かつ、一端面から他端面にかけてねじれた複数枚の長板状羽根１５を有し、これらのねじれ羽根は、中空回転子の内周壁から延在して複数枚配設され、かつ、流体に回転と方向性を与えながら送り出す区画流路及び中心部の流路を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無整流子直流電動機型ポンプに関し、特に配管中を流れる流体を圧送するのに利用される。

特許文献１乃至３には、ポンプケースの中に回転軸（シャフト、或いは主軸）を有する回転軸型ポンプが記載されている。すなわち、回転軸型循環ポンプ装置は、流体の入口及び出口を有するポンプケースと、このポンプケースの中に軸受け手段を介して回転自在に設けられ、かつ、一端部に回転羽根車を有する回転軸とから成り、前記ポンプケースの内壁面には巻線を有する筒状のステータコアが配設され、一方、前記回転軸の外周面には、前記ステータコアと対向するようにロータベースを介して永久磁石が環状に配設されている。

上記構成の循環ポンプ装置は、ステータコアに発生する磁界によって回転軸が回転すると、回転軸と一体の羽根車も回転する。その結果、羽根車の回転で発生する圧力によって流体（水）が配管を介して被供給物へと圧送される。

次に特許文献４に記載の発明は、本願発明と同様の「シャフトレスポンプ」といえる。しかしながら、特許文献４に記載の回転羽の羽本体は、回転筒の内周壁にそれぞれ周方向に所定間隔離間して放射状に配設されていると共に、その内端部は半径方向内側（軸なし中心部）に延設するにしたがって次第に細幅に形成されていることから、羽本体が破損し易い、十分な加速力を得ることができない、組み立てが面倒である等の問題点がある。
実公昭４９−１１８５５号公報 特開平２−９１４９８号公報 特開平９−３１７６８２号公報 特開平９−１７５４８６号公報

本発明の第１の目的は、構造をシンプルにし、製作が容易であると共に、分解や組立が簡単であることである。第２の目的は、流体に回転力と共に方向性を付与しながら効率的に圧送することである。第３の目的は、流体に異物が混入しないこと。その他の目的は、トルクの偏向の回避、磁気吸引力によって発生するコギンク現象の回避、回転子の高速回転化、検出手段の耐久性をそれぞれ図ることである。

本発明の無整流子直流電動機型ポンプは、周方向に多数の固定子巻線が配列された長筒状固定部材と、この固定部材に対向支持板を介して回転自在に支承され、かつ、前記固定子巻線に対して空隙を介して交差方向に横切る環状の永久磁石を備えた軸なし中空回転子とから成り、前記中空回転子は、内壁に長手方向の外端部が気密状に固定され、かつ、一端面から他端面にかけてねじれた複数枚の長板状羽根を有し、これらのねじれ羽根は、中空回転子の内周壁から延在して複数枚配設され、かつ、流体に回転と方向性を与えながら送り出す区画流路及び中心部の流路を形成することを特徴とする。本発明のその他の特徴は、従属項に記載されている。

（１）中空回転子の構造がシンプルである。したがって、製作が容易であると共に、分解や組立が簡単である。
（２）また、中空回転子は、流体に回転力と共に方向性を付与しながら効率的に圧送することができる。
（３）流体の接触は筒状体内の羽根部に限定されるので、例えばサニタリー（食品・衛生）ポンプとして使用する場合には、流体に異物（部品など）が入らない（食品に異物が混入しない）。
（４）その他、従属項によっては、トルクの偏向の回避、磁気吸引力によって発生するコギンク現象の回避、回転子の回転速度化、検出手段の耐久性をそれぞれ図ることができる。

（ａ）基本的構成
Ｘは新規な回転子を備えた無整流子直流電動機型ポンプである。ポンプＸは、基本的には、内部に周方向に多数の固定子巻線５が配列された長筒状固定部材１と、この固定部材に回転自在に設けられ、かつ、前記固定子巻線に交差方向に横切る環状の永久磁石１４を備えていると共に、内部に放射状に設けられた複数枚の軸なしねじれ羽根１５を備えた中空回転子１１とから成る。

ところで、このポンプＸは、無整流子直流電動機の原理を利用している。「無整流子直流電動機」は、円周状に等間隔に配列された取付け部分（磁極テイース）を有する固定子と、前記取付け部分に巻回された固定子巻線と、該固定子巻線を交差方向に横切る環状の永久磁石を備える回転子とを備え、供給された直流電流は、外部に設けた制御部の回転子駆動用回路（回転子の回転角度を検知する検出手段、半導体スイッチ，電源等）によって、前記固定子巻線に交番電流が供給され、固定子の電流と回転子の磁極が交番同期し合い、回転子が高速回転する。

本発明では、図１乃至図１０を参照にして、以下、本発明の特定要件について順次説明するが、細部的な事項は図面及びその説明を割愛する。また、図面は概略的である。

（ｂ）固定部材１
図１、図２及び図３で示すように、本実施例では、長筒状固定部材１は、長筒状ケース２と、このケース２の両端部の開口に固定的に設けられた左右一対の対向支持板３，３と、前記ケース２の内周壁に突設された多数の導体用取付け部分４と、これらの取付け部分４にそれぞれボビン状に巻き付けられた多数の固定子巻線５とから成る。前記取付け部分４は、一般に「電機子鉄心」と称されている。またケース２には、図示しない基台が設けられている。

本実施例では、長筒状のケースの内周壁に、周方向に所定間隔離間して多数の取付け部分４を形成している。また各取付け部分４は、ケース２の一端部寄りの部位２ａから他端部寄りの部位２ｂまで長手方向にそれぞれ突設されている。

したがって、取付け部分４に固定子巻線５がボビン状に巻き付けられている。もちろん、取付け部分４にトラック状の環状溝を形成し、該環状溝にボビンレス状の固定子巻線５を組み込んでも良い。したがって、固定子巻線５の固定態様は限定するものではない。

図４は固定子の取付け部分４の一例を示す。また、図５は取付け部分４と固定子巻線との関係を示す。取付け部分４は、例えば円形状の薄板を一体でプレス打ち抜きして形成され、又は、周方向に適当な数に分割モジュール化して円筒状に組み立てる。固定子巻線５は、取付け部分４に対して、３相接続、６相接続等に接続することが可能であるから、取付け部分４の大きさは、固定子巻線５の接続態様によって変わる。トルクの偏向、磁気吸引力によって発生するコギンク現象、回転子の回転速度等を考慮して取付け部分４の数、固定子巻線５を接続態様及び回転子の永久磁石の大きさや数が任意に設定される。例えば回転子１１の永久磁石１４を８極にし、一方、固定子を６相にする考え方は公知である。

そこで、本実施例では、モータ磁路の最適化を図る為に、図４で示すように、周状に等間隔に配列された取付け部分４を合計「１８以上」にし、また、これらの取付け部分４にそれぞれ集中的に巻回される固定子巻線５を「３相」接続し、さらに、回転子１１の永久磁石１４を「１６以上」としている。もちろん、これに限定されるものではない。

付言すると、固定子の取付け部分４は、屈曲可能な連結片によって連結される。また取付け部分４は板状のコア部材を積層して一体化される。また、取付け部分４の内壁側には、固定子巻線５をボビン状に巻くことができるように多数の突起部が周方向に等間隔に設けられる。

さらに、取付け部分４を「３相３組」、「３相４組」などとし、固定子巻線５は、対向する位置の両磁極取付け部分４に巻回された巻線同士５，５を「同相」とする。そして、巻線５の巻き方は、同相同組の連続する３個の取付け部分４のうち２番目の取付け部分４への巻き方向が１番目及び３番目の取付け部分４への巻き方向と逆になるようにして連続的に巻回する。

次に、６はケース２の外周壁に設けられた複数枚の冷却フィン、７は支持板３の中心孔の縁部に設けられた玉軸を有する軸受け、８は支持板３の外壁に設けられた回転子用位置又は／及び速度検出手段である。

ここで、検出手段８について説明する。例えばプリント基板も含む支持板３の単数又は複数個の回転子用位置検出手段８は、後述する中空回転子１１の外筒体１２の端部に固定された扇状或いは環状突片２１に設けられた信号出力部と対向して回転子の位置を検出する（速度検出手段も含む場合には、回転子の速度も検出する）。

本実施例の検出手段８は、いわゆる非接触型のスイッチである。したがって、プリント基板を有する支持板３には、「ホールＩＣの原理」を利用した磁気式検知手段が設けられ、一方、中空回転子１１の環状突片には、薄い永久磁石２２が組み込まれている。

なお、磁気式検知手段８は、環状突片の磁石の磁界（Ｓ極）の強弱に対してＯＮ／ＯＦする。日本国の浜松光電株式会社が低磁界で高感度の機能を有する磁気式検知センサ（商品名ＭＲセンサ，型式ＫＧ１００１−５１など）を製造販売している。検出手段８の確実性、耐久性等の観点から、本実施例ではホール素子を用いている。

（ｃ）中空回転子１１
中空回転子１１は、固定部材１の対向支持板３，３に周方向の空隙１０を介して回転自在に支承され、かつ、固定子巻線５を交差方向に横切る環状の永久磁石１４を備えた軸なし長筒体を備えている。また、中空回転子１１は、長筒体の内壁に長手方向の外端部が気密状に固定され、かつ、一端面から他端面にかけてスクリュー機能を発揮することができるようにねじれた複数枚の長板状羽根１５を備えている。

第１実施例の中空回転子１１は、外周壁の周方向に永久磁石を備えた外筒体１２と、この外筒体１２内に固定的に嵌入され、かつ、長板状羽根を有する内筒体１３とから構成されている。

前記永久磁石１４のＢＨｍａｘは、例えば４１．１ＭＧＯｅのネオジウム系磁石が用いられている。永久磁石１４は、外筒体１２の外周壁にフイットするように湾曲状に形成され、所定の間隙を有し、又は間隙を有さないで「Ｎ極」と「Ｓ極」が交互になるように環状的に組み合わせられている。

外筒体１２及び内筒体１３は、共に長筒状に形成され、かつ、図８で示すように長手方向の凸部と凹部との係合関係、対向する凹所と係合板との係合関係等により合体している。したがって、外筒体１２又は内筒体１３はそれぞれ単独には回転しない。
外筒体１２及び内筒体１３は、略同一の長さである。例えば内筒体１３の長さは、その直径に対して４倍程度である。

ねじれ羽根１５は、回転子を構成する内筒体１３の内周壁から延在し、かつ、一端面又は他端面から見ると、放射状に配設されている。また、ねじれ羽根１５は長板状に形成され、流体が入り込む一端面１５ａから流体が流れ出る他端面１５ｂにかけて鈍角にねじれている。羽根１５の横（長手）方向の端面（外端面１５ｃ又は内端面１５ｄ）長さは、羽根１５の縦（短い）方向の端面（一端面１５ａ又は他端面１５ｂ）に対して相当長い。

なお、羽根の縦方向は、内筒体１３の直径方向に相当する。本実施例では、内筒体１３の内径寸法に対して羽根の横の長さは、「１対４」の割合である。

長板状のねじれ羽根１５は、前述したように、一端面１５ａから他端面１５ｂにかけてスクリュー機能を発揮することができるようにねじれ、このねじれの角度は、前記端面１５ａ，１５ｂの長さに対する長手方向の端面１５ｃ，１５ｄの長さによって相対的に決定される。ねじれの角度は、ねじれ羽根１５の長さに対応して「１８０度〜２７０度」の範囲内に設定すべきである。

ところで、本実施例では、内筒体１３と端面放射状に配列されたねじれ羽根１５は、同一の材質で一体成形されている。前述したように、本発明のポンプＸは、トルクの偏向の回避、磁気吸引力によって発生するコギンク現象の回避、回転子の回転速度の効率化、回転子の軽量化等を考慮していることから、外筒体１２及び内筒体１３は非磁性の合成樹脂材で形成されている。

ここで、「非磁性」とは、コギンク現象の回避及び回転子の軽量化との関係で、弱磁性体も含み、鉄よりも軽い材料をいう。ねじれ羽根１５は、本実施例では、「８枚」である。

ところで、所定角度にねじれたねじれ羽根１５は、各羽根の間にそれぞれ流体用の区画流路１６を形成する。また、各羽根の長手方向の内端面１５ｄは、前記区画流路１６と連通する中心部の流路１７を形成する。

したがって、流体１８は各羽根の間にそれぞれ形成された区画流路１６および該区画流路１６と連通する中心部の流路１７を通過する。そして、中空回転子１１が回転すると、内筒体１３のねじれ羽根１５は、流体１８を送り出すスクリューの機能を発揮する。

（ｄ）作用
上記構成に於いて、供給された直流電流は、外部に設けた制御部の回転子駆動用回路（回転子の回転角度を検知する検出手段、半導体スイッチ，電源等）によって、前記固定子巻線に交番電流が供給され、固定子の電流と回転子の磁極が交番同期し合い、回転子が高速回転する。

付言すると、固定子巻線５に所定方向の電流が流れると、永久磁石１４の磁束と固定子巻線５の電流との相互作用で、フレミングの法則に従い、固定子巻線５は所定の方向に向かう力を受け、一方、中空回転子１１は、この反作用を受ける。この時、固定子の磁極に対して回転子の磁極が相対した瞬間、回転子位置検出手段を介して固定子巻線の電流を反転する。

そこで、中空回転子１１は、図９で示す矢印Ａ方向（例えば時計方向）へと回転する。そして、図１０で示すうに中空回転子１１が回転すると、ねじれ羽根１５も同方向に回転するから、流体１８は、矢印Ｂで示すように、ねじれ羽根１５の一端面１５ａから区画流路１６及び中心部の流路１７に流れ込む。

しかして、流路１６，１７に流れ込んだ流体１８は、ねじれ羽根１５が回転することから、スクリューのような回転力と方向性を受けながら、流路１６，１７を通過し、他端面１５ｂから圧送される。

発明の実施の形態で示した実施例に於いて、固定部材１の取付け部分４の数及び中空回転子１１，１１Ａの永久磁石１４の数は限定するものではない。また、固定部材１の対向支持板３，３は、固定部材の筒状ケース２と一体又は別体でも良い。また、ねじれ羽根１５は「８枚」であるが、もちろん、８枚に限定されるものではない。２枚、３枚、４枚、５枚、１０枚、図１１で示すように「６枚」でも良い。望ましくは、ねじれ羽根１５の枚数は、「３枚〜８枚」である。また、望ましくは、内筒体１３の内径寸法に対して羽根の横の長さは、「１対３」〜「１対６」の割合である。さらに、望ましくは羽根１５のねじれの角度は、「１５０度〜３００度」である。

なお、図１２で示すように、中空回転子１１Ａは、一つの長筒体１３Ａと、該長筒体の外周壁に環状的に配設された永久磁石１４で構成しても良い。

本発明は、主にポンプの業界で製造、販売される。本発明は、動産、不動産を問わず、また、気体、液体を問わず、流体の配管ラインに設けられるシャフトレスポンプとして利用される。また、船の推進装置等の各種分野で利用される。

図１乃至図１０は本発明の一実施例であり、図１は一部概略断面説明。 左側面から見た概略説明図（冷却フィンを省略，矢印は羽根のねじれ方向を示す）。 固定部材（検出手段も含む）の概略断面説明図。 固定部材の主要部分を示す概略説明図。 固定部材の取付け部分と固定子巻線との関係を示す概略説明図（４つに分割）。 中空回転子の分解斜視図。 中空回転子の内筒体とねじれ羽根の分解斜視図。 中空回転子の外筒体と内筒体との固定構造を示す概略説明図。 中空回転子の回転を示す説明図。 図９に於いて、流体の流れを示す説明図。 中空回転子の他の実施例（ねじれ羽根の数，冷却フィンを省略，矢印は羽根のねじれ方向を示す）。 中空回転子の他の実施例（シンプルな構造）。

符号の説明

Ｘ…ポンプ、1…固定部材（固定子）、２…ケース、３…支持板、４…取付け部分、５…固定子巻線、６…冷却フィン、７…軸受け、８…検出手段、１０…空隙、１１，１１Ａ…中空回転子、１２…外筒体、１３…内筒体、１３Ａ…長筒体、１４…永久磁石、１５…ねじれ羽根、１５ａ…一端面、１５ｂ…他端面、１５ｃ…外端面、１５ｄ…内端面、１６…区画流路、１７…中心部の流路、１８…流体、２１…突片、２２…磁石。

Claims (10)

1. 周方向に多数の固定子巻線が配列された長筒状固定部材と、この固定部材に対向支持板を介して回転自在に支承され、かつ、前記固定子巻線に対して空隙を介して交差方向に横切る環状の永久磁石を備えた軸なし中空回転子とから成り、前記中空回転子は、内壁に長手方向の外端部が気密状に固定され、かつ、一端面から他端面にかけてねじれた複数枚の長板状羽根を有し、これらのねじれ羽根は、中空回転子の内周壁から延在して複数枚配設され、かつ、流体に回転と方向性を与えながら送り出す区画流路及び中心部の流路を形成することを特徴とする無整流子直流電動機型ポンプ。
2. 請求項１に於いて、ねじれ羽根は、一端面から見ると放射状に配設され、かつ、一端面から他端面にかけて鈍角にねじれていることを特徴とする無整流子直流電動機型ポンプ。
3. 請求項１に於いて、中空回転子の内周壁と羽根は、同一の材質で一体成形されていることを特徴とする無整流子直流電動機型ポンプ。
4. 請求項１に於いて、中空回転子は、外周壁に永久磁石を備えた外筒体と、この外筒体内に固定的に嵌入され、かつ、ねじれ羽根を有する内筒体とから構成されていることを特徴とする無整流子直流電動機型ポンプ。
5. 請求項１又は請求項４に於いて、内筒体の内径寸法に対して羽根の横の長さは、「１対３」〜「１対６」の割合であることを特徴とする無整流子直流電動機型ポンプ。
6. 請求項１に於いて、羽根のねじれの角度範囲は、「１５０度〜３００度」であることを特徴とする無整流子直流電動機型ポンプ。
7. 請求項１に於いて、中空回転子は、一つの長筒体と、該長筒体の外周壁に環状的に配設された永久磁石とから成ることを特徴とする無整流子直流電動機型ポンプ。
8. 請求項１に於いて、固定子巻線は、対向する位置の両磁極取付け部分に巻回された巻線同士を同相とし、かつ、同相同組の連続する３個の取付け部分のうち２番目の取付け部分への巻き方向が１番目及び３番目の取付け部分への巻き方向と逆になるようにして連続的に巻回されていることを特徴とする無整流子直流電動機型ポンプ。
9. 請求項１に於いて、中空回転子の端部の突片に信号出力部が設けられ、該信号出力部と対向可能な非接触型のスイッチが固定部材の支持板に配設されていることを特徴とする無整流子直流電動機型ポンプ。
10. 請求項９に於いて、非接触型のスイッチは、ホールＩＣの原理を利用したホール素子であることを特徴とする無整流子直流電動機型ポンプ。

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