JP6452518B2 - 遠心式ポンプ装置 - Google Patents

Description

この発明は遠心式ポンプ装置に関し、特に、回転時の遠心力によって液体を送るインペラを備えた遠心式ポンプ装置に関する。

近年、隔壁によってモータ駆動室とロータ室とに分離した構造のキャンドモータが多く用いられている。このようなモータは、たとえば、粉塵をきらう環境下で使用される半導体製造ラインの純水輸送用ポンプや、生体液を輸送するポンプに使用されている。

特開２０１０−２６１３９４号公報（特許文献１）には、流体動圧軸受によるインペラの非接触浮上と、キャンドモータ構造を特徴とするアキシアルギャップ型の遠心式ポンプが記載されている。流体動圧軸受によるインペラの非接触浮上を特徴とするアキシアルギャップ型の遠心式ポンプでは、インペラとモータとの間に働くアキシアル方向吸引力を相殺するように、インペラを挟んだ反対側でリング状永久磁石等によりアキシアル方向の吸引力バランスをとっている。

しかし、これらの永久磁石等による吸引力は、インペラが一方向へ近づくとよりその方向へ近づこうとする負剛性（不安定要素）の成分である。また、例えば流量が多い場合では、流体出口の位置の影響で周方向に圧力差が生じ、インペラがモータの回転中心からラジアル方向へ偏心してしまう。このため、この遠心式ポンプは、駆動モータ側のアキシアル方向吸引力や、それを相殺するためのリング磁石側のアキシアル方向吸引力の相互バランスにより、外乱や流体力によってインペラが定常浮上位置からずれてしまう場合がある。

このように、インペラの偏心により変化したアキシアル吸引力を制御する方法として、特開２０１０−２６１３９４号公報（特許文献１）では、モータ側吸引力がリング状磁石部の吸引力変化と釣合うように、モータ電流位相を調整することで対応していた。これにより、外乱や動作条件によりインペラがラジアル方向へ偏心しても、インペラのアキシアル方向の浮上位置を変化させずに安定回転を維持することが可能であった。

特開２０１０−２６１３９４号公報

上述のように、特開２０１０−２６１３９４号公報に記載されたような遠心式ポンプでは、外乱や動作条件によりインペラがラジアル方向へ偏心しても、インペラのアキシアル方向の浮上位置を変化させずに安定回転を維持するために、モータ側吸引力がリング状永久磁石部の吸引力変化と釣合うようにモータ電流位相を調整する等の対策が行なわれている。

しかしモータ電流位相を変化させるということは、種々の問題が生じるおそれがある。例えばモータを最大効率点で動作させていた状況から電流位相が変化してしまうと、モータ効率の低下を招く可能性がある。また例えば、最大トルク点で動作させていた状況から電流位相を変化させると、発生トルクが低下しポンプ出力の低下やモータの脱調の可能性があった。

クリーン状態が必須であるポンプ用途では、インペラとポンプ室の内壁との接触等による汚染物質の発生、およびその混入は確実に防ぐ必要がある。その一方で、モータの効率低下やポンプ出力低下はできる限り避けることが望ましい。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、汚染防止と効率や性能の低下の防止とを両立することができる遠心式ポンプ装置を提供することである。

この発明は要約すると、遠心式ポンプ装置であって、ハウジングと、インペラと、駆動部と、複数の第１の永久磁石と、リング形状をした第２〜第５の永久磁石とを備える。ハウジングは、隔壁で仕切られた第１および第２の室を含む。インペラは、第１の室内において隔壁に交差する軸を回転軸として回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送る。

駆動部は、第２の室内に設けられ、隔壁を介してインペラを回転駆動させる。複数の第１の永久磁石は、隔壁に沿うインペラの一方面に設けられ、同一の円に沿って配置される。駆動部は、複数の第１の永久磁石に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数の空芯コイルを含む。インペラの一方面と反対側の他方面またはそれに対向する第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成される。インペラの一方面またはそれに対向する隔壁に第２の動圧溝が形成される。リング形状をした第２の永久磁石は、インペラの一方面に配置される。リング形状をした第３の永久磁石は、インペラの他方面に配置される。リング形状をした第４の永久磁石は、隔壁に設けられ第２の永久磁石に対向する。リング形状をした第５の永久磁石は、第１の室の内壁に設けられ第３の永久磁石に対向する。第２の永久磁石と第４の永久磁石とは、対向する面の磁極が異なるように配置される。第３の永久磁石と第５の永久磁石とは、対向する面の磁極が異なるように配置される。

上記に示したように、駆動部のコイルはコアレス構造とすることでアキシアル吸引力が働かない構成とした。そして、従来インペラとモータとの間に働くアキシアル方向吸引力を相殺するように配置していたリング状永久磁石をインペラの両面に配置できる構成を実現し、ラジアル方向の支持力が向上したのでラジアル方向の耐外乱性を高めることができる。

好ましくは、駆動部は、複数の空芯コイルの隔壁と反対側に配置され、複数の空芯コイルと磁気的に結合される磁性体をさらに含む。

好ましくは、第２および第３の永久磁石は、それぞれインペラの一方面および他方面の外周部に設けられる。第４の永久磁石は、隔壁の外周部に設けられ、第５の永久磁石は、第１の室の内壁の外周部に設けられる。

好ましくは、第２および第３の永久磁石は、それぞれインペラの一方面および他方面の内周部に設けられる。第４の永久磁石は、隔壁の内周部に設けられ、第５の永久磁石は、第１の室の内壁の内周部に設けられる。

好ましくは、インペラの外周面もしくはそれに対向する第１の室の外周面、またはインペラの内周面もしくはそれに対向する第１の室の内周面に第３の動圧溝が形成される。

さらに、インペラの内外周面、或いはそれに対向するポンプ室内壁面に新たなラジアル動圧溝を追加することで、ラジアル方向の支持力を高めることができる 好ましくは、複数の第１の永久磁石は、隣接する磁極が互いに異なるように同一の円に沿って配置される。

従来の構成では、駆動モータ側の吸引力や、それを相殺するためのリング磁石側の吸引力のアキシアル方向の負剛性成分が、インペラ挙動の不安定の原因となっていた。これに対し、本発明では駆動部のコイルは空芯コイルとすることで駆動部からのアキシアル吸引力がインペラに働かない構成とした。これによって、従来の構造でアキシアル吸引力を相殺するために配置していたリング状永久磁石はラジアル方向の支持力を強化する専用の配置とすることで、インペラの安定浮上回転を可能とする構造である。これにより、モータのコギングトルクを低減したことでインペラのスムーズな起動および回転が可能となり、さらにラジアル方向の復元力も増加したことでインペラの耐外乱性を強化することが可能となる。

本発明の実施の形態の遠心式ポンプ装置のポンプ部１の外観を示す正面図である。 図１に示したポンプ部１の側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 インペラ１０のシュラウドに埋設された磁石の詳細な配置を示す図である。 図３のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図３のリング状磁石の配置を示した部分拡大図である。 図４からインペラ１０を取り外した状態を示す断面図である。 図３のＩＸ−ＩＸ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。 図５に示した永久磁石の配置の第１変形例である。 図５に示した永久磁石の配置の第２変形例である。 図５に示した永久磁石の配置の第３変形例である。 図５に示した永久磁石の配置の第４変形例である。 図５に示した永久磁石の配置の第５変形例である。 リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部１の第１変形例の要部を示す断面図である。 リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部１の第２変形例の要部を示す断面図である。 リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部１の第３変形例の要部を示す断面図である。 リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部１の第４変形例の要部を示す断面図である。 シュラウドの外周面に形成された動圧溝の第１例を示す図である。 シュラウドの外周面に形成された動圧溝の第２例を示す図である。 ポンプ室の壁面に形成された動圧溝の第１例を示す図である。 ポンプ室の壁面に形成された動圧溝の第２例を示す図である。 リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部１の第５変形例の要部を示す断面図である。 リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部１の第６変形例の要部を示す断面図である。 リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部１の第７変形例の要部を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［ポンプ部の基本構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態の遠心式ポンプ装置のポンプ部１の外観を示す正面図である。図２は、図１に示したポンプ部１の側面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

図１〜図４を参照して、この遠心式ポンプ装置のポンプ部１は、非磁性材料で形成されたハウジング２を備える。ハウジング２は、円柱状の本体部３と、本体部３の一方の端面の中央に立設された円筒状の流入ポート４と、本体部３の外周面に設けられた円筒状の流出ポート５とを含む。流出ポート５は、本体部３の外周面の接線方向に延在している。

ハウジング２内には、図３に示すように、隔壁６によって仕切られたポンプ室７およびモータ室８が設けられている。ポンプ室７内には、図３および図４に示すように、中央に貫通孔１０ａを有する円板状のインペラ１０が回転可能に設けられている。インペラ１０は、ドーナツ板状の２枚のシュラウド１１，１２と、２枚のシュラウド１１，１２間に形成された複数（たとえば６つ）のベーン１３とを含む。シュラウド１１は流入ポート４側に配置され、シュラウド１２は隔壁６側に配置される。シュラウド１１，１２およびベーン１３は、非磁性材料で形成されている。

２枚のシュラウド１１，１２の間には、複数のベーン１３で仕切られた複数（この場合は６つ）の通路１４が形成されている。通路１４は、図４に示すように、インペラ１０の中央の貫通孔１０ａと連通しており、インペラ１０の貫通孔１０ａを始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。換言すれば、隣接する２つの通路１４間にベーン１３が形成されている。なお、本実施の形態では、複数のベーン１３は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。したがって、複数の通路１４は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。

インペラ１０が回転駆動されると、流入ポート４から流入した液体は、遠心力によって貫通孔１０ａから通路１４を介してインペラ１０の外周部に送られ、流出ポート５から流出する。

［回転駆動用のインペラの永久磁石の配置の説明］
図５は、インペラ１０のシュラウドに埋設された磁石の詳細な配置を示す図である。図４および図５を参照して、シュラウド１２には複数（たとえば８個）の永久磁石１７が埋設されている。複数の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置される。換言すれば、モータ室８側にＮ極を向けた永久磁石１７と、モータ室８側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。

図６は、図３のＶＩ−ＶＩ線断面図である。図３および図６を参照して、モータ室８内には、複数（たとえば９個）の空芯コイル２０が設けられている。複数の空芯コイル２０は、インペラ１０の複数の永久磁石１７に隔壁を挟み対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。空芯コイル２０は、磁性体などが配置されていない空芯部１８の周りにコイル配線が巻回されている。

複数の空芯コイルの隔壁と反対側にはバックヨークとなる磁性体１９を配置し、空芯コイル２０の磁束を強めている。なお、バックヨークは無くてもよい。

９個の空芯コイル２０には、たとえば１２０度通電方式で電圧が印加される。すなわち、９個の空芯コイル２０は、３個ずつグループ化される。各グループの第１〜第３の空芯コイル２０には、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが印加される。第１の空芯コイル２０には、０〜１２０度の期間に正電圧が印加され、１２０〜１８０度の期間に０Ｖが印加され、１８０〜３００度の期間に負電圧が印加され、３００〜３６０度の期間に０Ｖが印加される。したがって、第１の空芯コイル２０の先端面（インペラ１０側の端面）は、０〜１２０度の期間にＮ極になり、１８０〜３００度の期間にＳ極になる。電圧ＶＶの位相は電圧ＶＵよりも１２０度遅れており、電圧ＶＷの位相は電圧ＶＶよりも１２０度遅れている。したがって、第１〜第３の空芯コイル２０にそれぞれ電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加することにより、回転磁界を形成することができ、複数の空芯コイル２０とインペラ１０の複数の永久磁石１７との吸引力および反発力により、インペラ１０を回転させることができる。

［リング状永久磁石の配置の説明］
本実施の形態では、駆動部９に空芯コイル２０を採用することに加え、従来インペラとモータとの間に働くアキシアル方向吸引力を相殺するように配置していたリング状永久磁石をインペラの両面に配置する構成を採用した。

図７は、図３のリング状磁石の配置を示した部分拡大図である。図７を参照して、ポンプ部１は、リング状永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂを含む。

インペラ１０のラジアル方向の支持力を上げるため、インペラ１０内部にリング状永久磁石１５ａ，１５ｂを埋設し、これらにそれぞれ対向するようにハウジング２内部にリング状永久磁石１６ａ，１６ｂを埋設している。

図７の部分拡大部に示すようにインペラ１０の両面（シュラウド１１，１２）に埋設されたリング状永久磁石１５ａ，１５ｂによって、インペラ１０が支持される。互いに対向するリング状永久磁石１５ａ，１５ｂとリング状永久磁石１６ａ，１６ｂとは、軸方向吸引力が互いに働くような磁極の向きで配置する。一例では図７に示すように、リング状永久磁石１５ａは、Ｎ極がリング状永久磁石１６ａ側となるように配置し、リング状永久磁石１６ａは、Ｓ極がリング状永久磁石１５ａ側となるように配置する。また、リング状永久磁石１５ｂは、Ｓ極がリング状永久磁石１６ｂ側となるように配置し、リング状永久磁石１６ｂは、Ｎ極がリング状永久磁石１５ａ側となるように配置する。なお、各磁極は適宜逆転して配置しても良い。

インペラ１０を挟んだ両側のリング磁石ペア（１５ａ，１６ａ）とリング磁石ペア（１５ｂ，１６ｂ）とは、それぞれの軸方向吸引力が同じ（インペラ１０の中央浮上位置で吸引力差がゼロ）になるように設定することによって、インペラ１０の安定回転が可能となる。さらに流体力や外乱等によりインペラがラジアル方向へ偏心すると、リング状永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂによりインペラ１０をポンプ室７の中心位置へ戻す復元力が強くなる。

空芯コイル２０を採用したことによりインペラ１０に働くアキシアル方向の吸引力が弱まったので、従来の構成のようにアキシアル方向吸引力を相殺するためにリング状永久磁石を使用する必要がなくなった。そこで、リング状永久磁石をインペラ１０の両面に配置し、両者で吸引力を相殺するように配置できるようになる。リング状永久磁石はインペラ１０のラジアル方向を支持する役目があり、リング状永久磁石をインペラ１０の両面に配置したことによってラジアル方向の支持力を高めることができる。

リング状永久磁石をラジアル方向の支持力を強化する専用の配置とすることで、インペラの安定浮上回転を可能とした。これにより、モータのコギングトルクが低減し、インペラのスムーズな起動および回転が可能となった。さらにラジアル方向の復元力も増加したことでインペラの耐外乱性が増加する。

［動圧溝の説明］
図８は、図４からインペラを取り外した状態を示す断面図である。図９は、図３のＩＸ−ＩＸ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。

図８、図９に示すように、インペラ１０のシュラウド１２に対向する隔壁６の表面には複数の動圧溝２１が形成され、シュラウド１１に対向するポンプ室７の内壁には複数の動圧溝２２が形成されている。インペラ１０の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝２１，２２の各々とインペラ１０との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝２１，２２の各々からインペラ１０に対して抗力が発生し、インペラ１０はポンプ室７内で非接触状態で回転する。すなわち、動圧溝２１と動圧溝２２によりインペラ１０のアキシアル方向が支持される。

詳しく説明すると、複数の動圧溝２１は、図８に示すように、インペラ１０のシュラウド１２に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２１は、隔壁６の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）隔壁６の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２１は略同じ形状であり、かつ略同じ間隔に配置されている。動圧溝２１は凹部であり、動圧溝２１の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度であることが好ましい。動圧溝２１の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。

図８では、１０個の動圧溝２１がインペラ１０の中心軸に対して等角度で配置されている。動圧溝２１は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっているので、インペラ１０が時計方向に回転すると、動圧溝２１の外径部から内径部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と隔壁６の間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

このように、インペラ１０と複数の動圧溝２１の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は隔壁６から離れ、非接触状態で回転する。このため、インペラ１０と隔壁６の間に液体流路が確保される。さらに、通常状態において、動圧溝２１によるインペラ１０と隔壁６の間の撹拌作用とポンプ動作で生じたインペラの内外径部の圧力差による液体の流れ（漏れ流量）とによって、両者間における部分的な液体滞留の発生を防止することができる。

また、動圧溝２１の角の部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。

また、複数の動圧溝２２は、図９に示すように、複数の動圧溝２１と同様、インペラ１０のシュラウド１１に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２２は、ポンプ室７の内壁の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）ポンプ室７の内壁の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２２は、略同じ形状であり、かつ略同じ間隔で配置されている。動圧溝２２は凹部であり、動圧溝２２の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度があることが好ましい。動圧溝２２の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。図９では、１０個の動圧溝２２がインペラ１０の中心軸に対して等角度に配置されている。

なお、動圧溝２２の角となる部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。

このように、インペラ１０と複数の動圧溝２２の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０はポンプ室７の内壁から離れ、非接触状態で回転する。また、ポンプ部１が外的衝撃を受けたときや、動圧溝２１による動圧力が過剰となったときに、インペラ１０のポンプ室７の内壁への密着を防止することができる。動圧溝２１によって発生する動圧力と動圧溝２２によって発生する動圧力は異なるものとなっていてもよい。

ただし、インペラ１０のシュラウド１２と隔壁６との隙間と、インペラ１０のシュラウド１１とポンプ室７の内壁との隙間とが略同じ状態でインペラ１０が回転することが好ましい。インペラ１０に作用する流体力などの外乱が大きく、一方の隙間が狭くなる場合には、その狭くなる側の動圧溝による動圧力を他方の動圧溝による動圧力よりも大きくし、両隙間を略同じにするため、動圧溝２１と２２の形状を異ならせることが好ましい。

なお、図８および図９では、動圧溝２１，２２の各々を内向スパイラル溝形状としたが、他の形状の動圧溝２１，２２を使用することも可能である。ただし、液体を循環させる場合は、液体をスムーズに流すことが可能な内向スパイラル溝形状の動圧溝２１，２２を採用することが好ましい。

［インペラの回転駆動用永久磁石の配置の変形例］
図５では、複数の永久磁石１７が、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置された例を示した。

図１０〜図１４は、図５に示した永久磁石の配置の変形例である。
図１０（ａ）（ｂ）の変形例では、インペラ１０に複数の永久磁石１７と複数の永久磁石６７とが設けられている。永久磁石６７の数は、永久磁石１７の数と同じである。永久磁石６７は、円周方向（インペラ１０の回転方向）に着磁されている。複数の永久磁石１７と複数の永久磁石６７とは、１つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。換言すると、隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７と、隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石６７のＮ極は隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７に向けて配置され、各永久磁石６７のＳ極は隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７に向けて配置される。複数の永久磁石１７同士の形状は同じであり、複数の永久磁石６７同士の形状は同じである。永久磁石１７の形状と永久磁石６７の形状は、同じでもよいし、異なっていてもよい。この変形例では、永久磁石１７と空芯コイル２０との吸引力を抑制するとともに、トルクの起因となる磁束を強めることができるので、最も永久磁石を小型化することができる。つまり、インペラ１０を最も軽量化することができ、かつモータギャップが広い場合でもエネルギ効率を高めることができる。

図１１に示した他の変形例では、回転子（インペラ１０のシュラウド１２）は回転軸方向に着磁された永久磁石１７Ａと、周方向に着磁された永久磁石６７Ａと磁性体７０Ａを含んでいる。永久磁石１７Ａは隣り合う磁石の磁極の向きが異なるように配置され、さらに永久磁石１７Ａの隔壁６側端面に永久磁石６７Ａが永久磁石１７Ａと同じ磁極同士が近づくように配置される。

永久磁石１７Ａと永久磁石６７Ａは同じ数である。永久磁石６７Ａの着磁方向長さは、永久磁石１７Ａの幅より短く、永久磁石６７Ａの着磁方向長さの中央を永久磁石１７Ａの隣り合う磁石同士の境界と一致させると周方向に隙間ができ、その隙間に磁性体７０Ａを配置する。この場合、磁性体７０Ａに磁束が集束し、磁性体が無い場合や通常のハルバッハ配列の構成（図１０）の構成と比べ、より強い界磁磁束が得られ高トルク化を図ることができる。さらに図１１の配置では、永久磁石１７Ａ，６７Ａのパーミアンス係数の低下を抑制することができる。

図１２は、図１１の構成において、永久磁石１７Ａの隔壁６と反対側の端面に磁性体７２を配置している。磁性体７２の効果でさらに磁束を強めることができる。

図１３は別の磁石配置を示す。固定子と回転子の間に隔壁６を備えたキャンドモータにおいて、回転子は回転軸方向に着磁された永久磁石１７Ｂと、周方向に着磁された永久磁石６７Ｂと磁性体７０Ｂから成り、永久磁石１７Ｂは隣り合う磁石の磁極の向きが異なり、隙間を設けて配置され、永久磁石６７Ｂがその隙間に隔壁６側に突出して配置される。限られたスペースで磁石を配置する場合、この構成は永久磁石１７Ｂの扁平率が小さくなるためパーミアンス係数を図１１より大きくすることができる。永久磁石１７Ｂと永久磁石６７Ｂは同じ数である。永久磁石６７Ｂは、円周方向（ロータの回転方向）に着磁されている。複数の永久磁石１７Ｂと複数の永久磁石６７Ｂとは、１つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。換言すると、隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７Ｂと、隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７Ｂとが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石６７ＢのＮ極は隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７Ｂに向けて配置され、各永久磁石６７ＢのＳ極は隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７Ｂに向けて配置される。複数の永久磁石１７Ｂ同士の形状は同じであり、複数の永久磁石６７Ｂ同士の形状は同じである。永久磁石１７Ｂの軸方向長さは永久磁石６７Ｂの幅より短く、配置したとき、隔壁６側に段差ができるようにし、その段差部に磁性体７０Ｂを配置する。この場合も磁性体７０Ｂに磁束が集束し、磁性体が無い場合や通常のハルバッハ配列の構成（図１０）と比べ、より強い界磁磁束が得られ高トルク化を図ることができる。さらに永久磁石１７Ｂ，６７Ｂのパーミアンス係数の低下を抑制することができる。

図１４に示した構成は、図１３の構成において、永久磁石１７Ｂの隔壁６と反対側の端面に磁性体７２を配置している。磁性体７２の効果でさらに磁束を強めることができる。

また、シュラウド１２に埋設されている複数の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けず配置されてもよい。

［リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置の変形例］
図１５〜図１７は、リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部１の第１〜第３変形例の要部を示す断面図である。

図１５に示すように、図３に示した構成において、動圧溝２１を隔壁６に設ける代わりに、動圧溝１２１をインペラ１０のシュラウド１２の表面に設けてもよい。また、動圧溝２２をポンプ室７の内壁側に設ける代わりに、動圧溝１２２をインペラ１０のシュラウド１１の表面に設けてもよい。図１５の他の構成については、図３と同じであるので、説明は繰り返さない。

また図１６に示すように、図３に示した構成において、インペラ１０の外周側に設けたリング状永久磁石１５ａ，１５ｂに代えて、インペラ１０の内周側に設けたリング状永久磁石１５ｃ，１５ｄを設け、リング状永久磁石１６ａ，１６ｂに代えてリング状永久磁石１５ｃ，１５ｄにそれぞれ対向するリング状永久磁石１６ｃ，１６ｄを隔壁６およびポンプ室７の壁に設けても良い。図１６の他の構成については、図３と同じであるので、説明は繰り返さない。

さらに図１７に示すように、図１６に示した構成において、動圧溝２１を隔壁６に設ける代わりに、動圧溝１２１をインペラ１０のシュラウド１２の表面に設けてもよい。また、動圧溝２２をポンプ室７の内壁側に設ける代わりに、動圧溝１２２をインペラ１０のシュラウド１１の表面に設けてもよい。図１７の他の構成については、図１６と同じであるので、説明は繰り返さない。

図１８は、リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部１の第４変形例の要部を示す断面図である。図１８では、図３の構成に加えて、シュラウドの外周面に動圧溝６１，６２が形成されている。図１８の他の構成は図３と同じである。

図１９は、シュラウドの外周面に形成された動圧溝の第１例を示す図である。図２０は、シュラウドの外周面に形成された動圧溝の第２例を示す図である。

図１９を参照して、動圧溝６１，６２は、それぞれシュラウド１１，１２の外周面に形成される。動圧溝６１，６２の先端は、インペラ１０の回転方向と逆の方向に向けられている。インペラ１０が矢印の方向に回転すると、動圧溝６１，６２の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０とポンプ室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

図２０に示した第２例では、動圧溝６１，６２に代えて動圧溝６４，６５が、それぞれシュラウド１１，１２の外周面に形成される。動圧溝６４，６５の各々の深さは、インペラ１０の回転方向と逆の方向に向かって徐々に浅くなっている。この変形例でも、インペラ１０が矢印の方向に回転すると、動圧溝６４，６５の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０とポンプ室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

なお動圧溝をシュラウド１１，１２の外周面に設ける代わりに、シュラウド１１，１２に対向するポンプ室７の壁面に設けても良い。

図２１は、ポンプ室の壁面に形成された動圧溝の第１例を示す図である。図２２は、ポンプ室の壁面に形成された動圧溝の第２例を示す図である。図２１では、図１９に示した動圧溝６１，６２と同様な形状の動圧溝１６１，１６２が、シュラウド１１，１２の外周面にそれぞれ対向するポンプ室７の壁面に形成されている。図２２では、図２０に示した動圧溝６４，６５と同様な形状の動圧溝１６４，１６５が、シュラウド１１，１２の外周面にそれぞれ対向するポンプ室７の壁面に形成されている。このようにポンプ室７の壁面に動圧溝を設けても、インペラ１０とポンプ室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

図２３〜図２５は、リング状磁石の配置と動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部１の第５〜第７変形例の要部をそれぞれ示す断面図である。

図２３に示す構成は、図１８に示した構成において、動圧溝６１，６２に代えて動圧溝２６１，２６２が形成されている。図２３の他の部分の構成は、図１８と同じである。図２３に示すように、動圧溝６１，６２をインペラのシュラウド１１，１２の外周面に設ける代わりに、動圧溝２６１，２６２をインペラ１０のシュラウド１１，１２の内周面表面に設けてもよい。

図２４に示す構成は、図１８に示した構成において、リング状永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂに代えてリング状永久磁石１５ｃ，１５ｄ，１６ｃ，１６ｄが配置されている。図２４の他の部分の構成は、図１８と同じである。図２４に示すように、リング状磁石を配置する位置をインペラのシュラウド１１，１２の外周側に設ける代わりに、インペラ１０のシュラウド１１，１２の内周側に変更しても良い。

図２５に示す構成は、図２４に示した構成において、動圧溝６１，６２に代えて動圧溝２６１，２６２が形成されている。図２５の他の部分の構成は、図２４と同じである。図２５に示すように、動圧溝６１，６２をインペラのシュラウド１１，１２の外周面に設ける代わりに、動圧溝２６１，２６２をインペラ１０のシュラウド１１，１２の内周面表面に設けてもよい。

なお、動圧溝をインペラ１０に設けるか、ポンプ室７の壁面に設けるかはいずれであってもよい。また、リング状磁石をインペラの外周側に設けるか、外周側に設けるかについてもいずれであっても良い。動圧溝の位置と、リング状磁石の位置の組み合わせは、図示していない組み合わせについてもポンプ部１に適用しても良い。

以上説明したように、従来の構造では、駆動部の吸引力や、それを相殺するためのリング状磁石の吸引力のアキシアル方向の負剛性成分が、インペラ挙動の不安定の原因となっていた。また、従来の構造では、リング状永久磁石を駆動部からの吸引力を相殺するために配置していた。

これに対し、本実施の形態では駆動部のコイルはコアレス構造とすることで駆動部からのアキシアル吸引力が働かない構成とし、リング状永久磁石はラジアル方向の支持力を強化する専用の配置とすることで、インペラの安定浮上回転が可能となる。これにより、モータのコギングトルクを低減したことでインペラのスムーズな起動および回転が可能となり、さらにラジアル方向の復元力も増加し、インペラの耐外乱性を向上させることができる。

最後に、再び図３、図１５〜図１８、図２３〜図２５を参照して、本実施の形態を総括する。本実施の形態の遠心ポンプ装置は、ハウジング２と、インペラ１０と、駆動部９と、複数の第１の永久磁石１７と、リング形状をした第２〜第５の永久磁石１５ａ〜１５ｄ，１６ａ〜１６ｄとを備える。

ハウジング２は、隔壁６で仕切られたポンプ室７およびモータ室８を含む。インペラ１０は、ポンプ室７内において隔壁６に交差する軸を回転軸として回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送る。

駆動部９は、モータ室８内に設けられ、隔壁６を介してインペラ１０を回転駆動させる。複数の第１の永久磁石１７は、隔壁６に沿うインペラ１０の一方面に設けられ、同一の円に沿って配置される。駆動部９は、複数の第１の永久磁石１７に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数の空芯コイル２０を含む。インペラ１０の一方面と反対側の他方面またはそれに対向するポンプ室７の内壁に第１の動圧溝２２，１２２が形成される。インペラ１０の一方面またはそれに対向する隔壁６に第２の動圧溝２１，１２１が形成される。リング形状をした第２の永久磁石１５ａは、インペラ１０の一方面に配置される。リング形状をした第３の永久磁石１５ｂは、インペラ１０の他方面に配置される。リング形状をした第４の永久磁石１６ａは、隔壁６に設けられ第２の永久磁石１５ａに対向する。リング形状をした第５の永久磁石１６ｂは、ポンプ室７の内壁に設けられ第３の永久磁石１５ｂに対向する。

図７に示されるように、第２の永久磁石１５ａと第４の永久磁石１６ａとは、対向する面の磁極が異なるように（一方がＮ極で他方がＳ極となるように）配置される。第３の永久磁石１５ｂと第５の永久磁石１６ｂとは、対向する面の磁極が異なるように（一方がＮ極で他方がＳ極となるように）配置される。

好ましくは、駆動部９は、複数の空芯コイル２０の隔壁６と反対側に配置され、複数の空芯コイル２０と磁気的に結合される磁性体１９をさらに含む。

好ましくは、図３、図１５に示すように、第２および第３の永久磁石１５ａ，１５ｂは、それぞれインペラ１０の一方面および他方面の外周部に設けられる。第４の永久磁石１６ａは、隔壁６の外周部に設けられ、第５の永久磁石１６ｂは、ポンプ室７の内壁の外周部に設けられる。

好ましくは、図１６、図１７に示すように、第２および第３の永久磁石１５ｃ，１５ｃは、それぞれインペラ１０の一方面および他方面の内周部に設けられる。第４の永久磁石１６ｃは、隔壁６の内周部に設けられ、第５の永久磁石１６ｄは、ポンプ室７の内壁の内周部に設けられる。

好ましくは、インペラ１０の外周面もしくはそれに対向するポンプ室７の外周面、またはインペラ１０の内周面もしくはそれに対向するポンプ室７の内周面に第３の動圧溝６１，６２，１６１，１６２，２６１，２６２が形成される。

好ましくは、複数の第１の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるように同一の円に沿って配置される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ポンプ部、２ ハウジング、３ 本体部、４ 流入ポート、５ 流出ポート、６ 隔壁、７ ポンプ室、８ モータ室、９ 駆動部、１０ インペラ、１０ａ 貫通孔、１１，１２ シュラウド、１３ ベーン、１４ 通路、１５ａ〜１５ｄ，１６ａ〜１６ｄ リング状永久磁石、１７，１７Ａ，１７Ｂ，６７，６７Ａ，６７Ｂ 永久磁石、１８ 空芯部、１９，７０Ａ，７０Ｂ，７２ 磁性体、２０ 空芯コイル、２１，２２，６１，６２，６４，６５，１２１，１２２，１６１，１６２，１６４，１６５，２６１，２６２ 動圧溝。

Claims (6)

1. 隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、
   前記第１の室内において前記隔壁に交差する軸を回転軸として回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、
   前記第２の室内に設けられ、前記隔壁を介して前記インペラを回転駆動させる駆動部と、
   前記隔壁に沿う前記インペラの一方面に設けられ、同一の円に沿って配置された複数の第１の永久磁石とを備え、
   前記駆動部は、前記複数の第１の永久磁石に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数の空芯コイルを含み、
   前記インペラの前記一方面と反対側の他方面またはそれに対向する前記第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成され、前記インペラの前記一方面またはそれに対向する前記隔壁に第２の動圧溝が形成され、
   前記インペラの前記一方面に配置され、リング形状をした第２の永久磁石と、
   前記インペラの前記他方面に配置され、リング形状をした第３の永久磁石と、
   前記隔壁に設けられ前記第２の永久磁石に対向するリング形状をした第４の永久磁石と、
   前記第１の室の内壁に設けられ前記第３の永久磁石に対向するリング形状をした第５の永久磁石とをさらに備え、
   前記第２の永久磁石と前記第４の永久磁石とは、対向する面の磁極が異なるように配置され、
   前記第３の永久磁石と前記第５の永久磁石とは、対向する面の磁極が異なるように配置される、遠心式ポンプ装置。
2. 前記駆動部は、前記複数の空芯コイルの前記隔壁と反対側に配置され、前記複数の空芯コイルと磁気的に結合される磁性体をさらに含む、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
3. 前記第２および第３の永久磁石は、それぞれ前記インペラの前記一方面および前記他方面の外周部に設けられ、
   前記第４の永久磁石は、前記隔壁の外周部に設けられ、前記第５の永久磁石は、前記第１の室の内壁の外周部に設けられる、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
4. 前記第２および第３の永久磁石は、それぞれ前記インペラの前記一方面および前記他方面の内周部に設けられ、
   前記第４の永久磁石は、前記隔壁の内周部に設けられ、前記第５の永久磁石は、前記第１の室の内壁の内周部に設けられる、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
5. 前記インペラの外周面もしくはそれに対向する前記第１の室の外周面、または前記インペラの内周面もしくはそれに対向する前記第１の室の内周面に第３の動圧溝が形成された、請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心式ポンプ装置。
6. 前記複数の第１の永久磁石は、隣接する磁極が互いに異なるように同一の円に沿って配置される、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。

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