JP2012139070A - 樹脂モールドロータ、キャンドモータ、及びキャンドモータポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成、低コストで且つ確実に気密性を保持できる樹脂モールドロータ、該樹脂モールドロータを用いたキャンドモータ、及び該キャンドモータとポンプを一体化したキャンドモータポンプを提供すること。
【解決手段】磁石（永久磁石９）と、複数の鋼板を積層して構成され磁石を備えたロータ１０と、ロータ１０を装着し外部へ動力を伝達する主軸７とを備え、主軸７のロータ端面から軸方向所定寸法離れた位置の外周に溝を形成して負荷側溝部７−１、反負荷側溝部７−２を設け、ロータ１０の外周及び該ロータから溝部までの主軸７の外周に樹脂モールド１１を形成して樹脂モールドロータとした。
【選択図】図５

Description

本発明は、ロータコア及び磁石と主軸とを樹脂で一体モールドした構成の樹脂モールドロータ、該樹脂モールドロータを用いたキャンドモータ、及び該キャンドモータとポンプを一体化したキャンドモータポンプに関する。
に関する。

キャンドモータポンプのキャンドモータはロータに備えられた回転軸をメカニカルシールでシールすることなく、ロータを収納したロータ室をステータキャンにより隔離した構成であり、ポンプ取扱液のステータへの漏洩の心配が無く安全で且つ長寿命であるという特徴を有している。

一方で、モータロータはポンプ取扱い液に曝されるので、ポンプ取扱い液に腐食性がある場合、モータロータを構成する主軸、ロータコア、永久磁石等は耐食性を考慮しなくてはならない。図１は従来のモータロータの構成例を示す図であり、図１（ａ）は正面断面、図１（ｂ）は左側面図である。モータロータの主軸１０１等には耐食性の材料を使用することができるが、ロータコア１０２は一般に電磁鋼板、また永久磁石１０３は希土類元素等で構成され、耐食性が低いため、これらの部材が直接接液しないよう、図示するように、主軸１０１の材料と同等の材料、例えばステンレス材からなるロータキャン１０４、負荷側ロータキャン側板１０６−１、及び反負荷側ロータキャン側板１０６−２にてロータコア１０２や永久磁石１０３を覆い、ロータキャン１０４と負荷側ロータキャン側板１０６−１の接合部１０５−１、ロータキャン１０４と反負荷側ロータキャン側板１０６−２の接合部１０５−２、主軸１０１と負荷側ロータキャン側板１０６−１の接合部１０７−１、及び主軸１０１と反負荷側ロータキャン側板１０６−２の接合部１０７−２を溶接して密封していた。なお、主軸１０１の中心部には貫通穴１０１ａが形成されている。

上記従来のモータロータの製造工程は下記のようである。
（１）主軸１０１にロータコア１０２を嵌入する（焼嵌め、圧入等）。
（２）永久磁石１０３をロータコア１０２に挿入し、接着固定する。
（３）主軸１０１と同じステンレス製の負荷側ロータキャン側板１０６−１、及び反負荷側ロータキャン側板１０６−２をロータコア１０２の両側面に突き当て、それぞれ主軸７と周溶接する。
（４）ステンレス材からなるロータキャン１０４をロータコア１０２に被せ、両端面を負荷側ロータキャン側板１０６−１、及び反負荷側ロータキャン側板１０６−２とそれぞれ周溶接する。
（５）完成したモータロータを着磁ヨークに挿入し、着磁する。

上記の従来のモータロータの構成及び製造工程には下記（ａ）〜（ｄ）に示すような問題があった。
（ａ）ロータキャン１０４、負荷側ロータキャン側板１０６−１、及び反負荷側ロータキャン側板１０６−２に高価な部材を必要とした。
（ｂ）部品の固定に接着や溶接を多用するため、製造工程に非常に時間を要し、製造コストが高くなる。
（ｃ）溶接時の入熱により上記製造工程（２）の永久磁石１０３とロータコア１０２との接着固定に使用した接着剤が気化し、接着の健全性、及びガス発生によりロータキャン１０４の膨れ等が発生しやすい。
（ｄ）ロータキャン１０４を構成する材料が金属材料であるので永久磁石が発生する磁界の通過及び回転時の磁束の変化に伴う渦電流が発生し、該渦電流が流れることによる熱の発生により、モータ効率を低下させていた。

上記問題を解決するため、永久磁石を備えたロータと軸材とを樹脂モールとにより一体に主軸として構成したものが知られている（特許文献１参照）。

特開平７−３１２８５２号公報

しかしながら、図２、図３に示すように、永久磁石１０３を備えたロータコア１０２と主軸１０１とを樹脂モールド層１１０で一体化し、主軸１０１として構成した従来例にあっては、高速時の遠心力や高トルク時のトルクに耐えうる強固な機械的強度を得ることができるが、気密性、特に樹脂硬化時の樹脂収縮によって、線膨張係数の異なる金属部材と樹脂との間に生じる隙間からの漏洩に関して何ら考慮されていない。特に主軸１０１を構成する金属材料と樹脂モールド層１１０を構成する樹脂材料との間の隙間への漏洩、取扱液の熱による膨張等の原因で樹脂モールド層１１０が破壊され、ついにはロータ部材・永久磁石１０３が接液することになり、モータ破損に至るという問題がある。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、簡単な構成、低コストで且つ確実に気密性を保持できる樹脂モールドロータ、該樹脂モールドロータを用いたキャンドモータ、及び該キャンドモータとポンプを一体化したキャンドモータポンプを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、磁石と、複数の鋼板を積層して構成され前記磁石を備えたロータと、前記ロータを装着し外部へ動力を伝達する主軸とを備え、前記主軸の前記ロータ端面から軸方向所定寸法離れた位置の外周に溝を形成し、前記ロータの外周及び該ロータから前記溝が形成された部分までの前記主軸外周に樹脂モールドを形成したことを特徴とする樹脂モールドロータにある。

上記のように、ロータの外周及び該ロータから溝が形成された部分までの主軸外周に樹脂モールドを形成したことで、高速時の遠心力や高トルク時のトルクに耐えうる強固な強度を得ると共に、樹脂モールドのみの一体構成の樹脂モールドロータであっても、低コストで且つ確実に気密性を保持することができる。

また、本発明は、上記樹脂モールドロータにおいて、前記溝は前記主軸の前記ロータより負荷側、及び反負荷側の両側にそれぞれ１以上設けたことを特徴とする。

上記のように、主軸のロータより負荷側、及び反負荷側の両側にそれぞれ１以上の溝を設けたので、樹脂モールドと主軸の密着性が向上すると共に、溝部間における「ひけ」による変形を相殺し、安定した樹脂成形形状を得ることができる。

また、本発明は、上記樹脂モールドロータにおいて、前記溝の少なくとも前記ロータに近い側の面は、前記主軸に直交する面から傾斜していることを特徴とする。

また、本発明は、上記樹脂モールドロータと、前記樹脂モールドロータの主軸を回転支持する軸受と、前記ロータを取囲み、前記ロータに回転磁界を作用させるキャンド構造のステータとを備えたことを特徴とするキャンドモータにある。

また、本発明は、上記キャンドモータと、主軸に固定された羽根車と、羽根車を取り囲むポンプケーシングとを備えたことを特徴とするキャンドモータポンプにある。

本発明は、主軸のロータ端面から軸方向所定寸法離れた位置の外周に溝を形成し、ロータの外周及び該ロータから溝が形成された部分までの主軸外周に樹脂モールドを形成したことにより、簡単な構成で樹脂モールドとロータ及び主軸の間に良好な密封状態を保つことができる樹脂モールドロータを提供することができる。

また、キャンドモータにこの樹脂モールドロータを用いてキャンドモータを構成することより、長寿命のキャンドモータを簡便な構成で且つ低コストで提供できる。

また、キャンドモータと、主軸に固定された羽根車と、羽根車を取り囲むポンプケーシングとでキャンドモータポンプを構成することにより、長寿命のキャンドモータポンプを簡単な構成で且つ低コストで提供できる。

従来のキャンドモータのキャンドロータの概要構造を示す図である。 従来の一般的な樹脂モールドロータの概要構造を示す図である。 従来の一般的な樹脂モールドロータの概要構造を示す図である。 本発明に係るキャンドモータポンプの概要構造を示す断面図である。 本発明に係る樹脂モールドロータの概要構造を示す図である。 本発明に係る樹脂モールドロータの一部概要構造例を示す図である。 本発明に係る樹脂モールドロータの一部概要構造例を示す図である。 本発明に係る樹脂モールドロータの一部概要構造例を示す図である。 本発明に係る樹脂モールドロータの一部概要構造例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面において同一又は相当する部材には同一符号を付す。

図４は本発明に係るキャンドモータポンプの概要構造を示す断面図である。図示するように本キャンドモータポンプは、モータフレーム１３の内周面に焼嵌め等で固定したステータ１４と、該ステータ１４内に回転自在に配置したロータ１０と、該ロータ１０の主軸７の先端部分に装着固定された羽根車１とを備えた構成である。ステータ１４は、中央部に円形状の穴が形成された磁性板材を積層し内部に内周が略円筒状の貫通空間が形成されたステータコア１５と、該ステータコア１５に巻回した導体（巻線）１６と、該ステータコア１５の内周面に固着した例えばステンレス鋼等からなる略円筒状のステータキャン１８を有する構成である。ロータ１０は、内部に永久磁石９を埋設したロータコア１２と、該ロータコア１２の外周面と主軸７のロータコア１２の装着範囲外の両軸端側外周に溝を形成した部分である負荷側溝部７−１と反負荷側溝部７−２までをロータ樹脂モールド１１で覆った構成である。ロータコア１２の外周に形成されたロータ樹脂モールド１１の表面とステータキャン１８の内周の間は均一の空隙δとなっている。

なお、本実施形態例では、ロータ１０の内部に永久磁石９を有するＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）をモータに適用した例を示しているが、ロータ１０の表面に永久磁石を有するＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）を適用したモータやロータに電磁石を有するモータにも適用できることは勿論である。

ステータキャン１８の反負荷側（図１の左側）の端部１８−２はモータフレーム１３に当接させ、両者の当接部を溶接することによって固着している。また、ステータキャン１８の負荷側（図１の右側）の端部１８−１には、円板状の板材の中心に貫通穴を設けた負荷側ステータキャン側板１９が、該負荷側ステータキャン側板１９の貫通穴の内部にステータキャン１８の端部１８−１を嵌入し、両者の当接部を端面側から溶接することによって固着している。

モータフレーム１３は、反負荷側端部を反負荷側軸受ブラケット４で閉塞し、負荷側端部を開放する有底円筒状に形成されており、反負荷側軸受ブラケット４には、主軸７の軸方向に沿って内方に円筒状に突出した円筒状突出部４ａを設け、該円筒状突出部４ａに主軸７を回転自在に支持する反負荷側軸受６を設けている。モータフレーム１３と反負荷側軸受ブラケット４との間を密閉する、例えばゴム製のＯリング等からなる密閉部材２０−３を介装しポンプ取扱液が外部へ漏れることを防ぐと共に、反負荷側軸受ブラケット４はボルト２２を締め付けることで、モータフレーム１３へ固定する構成となっている。更に反負荷側軸受６とロータ１０との間に反負荷側スラストディスク８−２が主軸７に固定されて配置されている。

一方、モータフレーム１３の負荷側端部には、負荷側軸受ブラケット３が配置され、この負荷側軸受ブラケット３に、主軸７の出力側（図１の右側）に配置されて該主軸７を回転自在に支持する負荷側軸受５が固定されている。更に負荷側軸受５とロータ１０との間に負荷側スラストディスク８−１が主軸７に固定されて配置されている。

モータフレーム１３と負荷側軸受ブラケット３との間には空間が形成され、この空間内に負荷側ステーキャン側板１９の外周部を挟み込み、ポンプケーシング２を固定するボルト２１を締め付けることで、負荷側ステータキャン側板１９がその外周部をモータフレーム１３と負荷側軸受ブラケット３とで挟持して固定するように構成している。更に、負荷側軸受ブラケット３はその外周部をモータフレーム１３とポンプケーシング２で挟持して固定するように構成している。

負荷側軸受ブラケット３と負荷側ステータキャン側板１９との間には、例えばゴム製のＯリング等からなる密閉部材２０−２を介装し、負荷側軸受ブラケット３と負荷側ステータキャン側板１９との間を密閉する、負荷側軸受ブラケット３とポンプケーシング２との間には、例えばゴム製のＯリング等からなる密閉部材２０−１が介装を介装し、負荷側軸受ブラケット３とポンプケーシング２の間を密閉する。

上記のように負荷側ステータキャン側板１９と負荷側軸受ブラケット３の間及び負荷側軸受ブラケット３とポンプケーシング２の間にそれぞれ間密閉部材２０−２、２０−１を介装させることにより、ポンプ取扱液が外部に漏洩することを防ぐことができる。

図５はロータ樹脂モールド１１を形成した樹脂モールドロータの全体構成を示す図で、図５（ａ）は正面断面図、図５（ｂ）は左側面図である。また、図６はロータ１０と主軸の一部拡大断面図である。上記のようにステータキャン１８の内周面と外周面の間に均一の空隙δ（図４参照）を設けて配置されているロータ１０は図示するように、内部に永久磁石９を埋設したロータコア１２と、該ロータコア１２の外周面と主軸７のロータ１０の装着範囲外の両軸端側外周に設けた負荷側溝部７−１と反負荷側溝部７−２までをロータ樹脂モールド１１で覆った構成となっている。

ロータ樹脂モールド１１には、耐食性の高い材料（ＰＰＳ材、フッ素樹脂ＰＦＡ等）を用いる。ロータキャンに相当するロータ樹脂モールド１１の樹脂膜厚さは、おおよそ０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とすることで、機械的強度ならびに耐食性・耐液性を向上させることは可能であるが、必要以上に材料を使うことによる経済性の低下や材料の「ひけ」等による形状変化が発生し易くなり、生産性を損なう等の別の視点からの問題が生じる。

また、従来のロータキャン側板部（図１の負荷側ロータスキャン側板１０６−１及び反負荷側ロータスキャン側板１０６−２を参照）に相当するロータ樹脂モールド１１の両軸端側１１−１、１１−２の厚みは軸方向の位置決め精度等を考慮して約２〜３ｍｍの厚みとするのが適している。これは、ロータキャンに相当するロータ樹脂モールド１１の樹脂膜厚さの機械的強度ならびに耐食性、耐液性に関する仕様寸法に加え、主軸７にロータコア１２を装着する時のロータコア１２の軸方向位置決め精度寸法公差等を考慮して決定する。

更に、主軸７はロータ１０の装着範囲外の両軸端側外周に溝を形成した負荷側溝部７−１と反負荷側溝部７−２を設けており、ロータ樹脂モールド１１は、ロータ１０の装着範囲外の両軸端側に設けた負荷側溝部７−１と反負荷側溝部７−２までを覆った構成となっている。溝部７−１、７−２は、それぞれが主軸７の外周面を円周方向に一周するように設けられた環状の溝である。

上記のようにロータ樹脂モールド１１を負荷側溝部７−１と反負荷側溝部７−２まで覆った構成とすることで、ロータ樹脂モールド１１は確実に主軸７に密着し、樹脂モールド成形後の自然冷却後も密着・密閉作用を持続することができる。また、主軸７の外周に設ける負荷側溝部７−１と反負荷側溝部７−２の溝の断面形状については、図７に示すようにクサビ形状、図８に示すように傾斜溝形状にしたり、図９に示すように溝の本数を複数本とすることにより、密着・密閉作用を向上させることができる。

図２、図３に示す従来の樹脂モールドロータには図７、図８、図９に示す構造の負荷側溝部７−１及び反負荷側溝部７−２、若しくは相当する溝部は形成されていない。そのため、溶融樹脂材を射出して形成した樹脂モールド層１１０は、金属材料からなるロータコア１０２や主軸１０１よりも線膨張係数が大きく、射出成形後自然冷却去される過程において、ロータコア１０２を基準とし、ロータコア１０２の外径側へ収縮する。そのため、樹脂モールド層１１０の主軸１０１への密着部分も外径側に収縮する力が作用し、密着力が低下することになる。その結果、ロータコア１０２の内径側の露出や主軸１０１との間に隙間を生じる等、密閉効果を十分に得ることができない。

本発明に係る樹脂モールドロータでは、図７、図８、図９に示すように負荷側溝部７−１及び反負荷側溝部７−２を有するので、型内に射出成形されたロータ樹脂モールド１１は、金属材料からなるロータコア１２や主軸７よりも線膨張係数が大きく、射出後自然冷却される過程において、負荷側溝部７−１と反負荷側溝部７−２によって、長手方向の収縮を利用し、ロータ樹脂モールド１１を溝の側面に密着させることで、ロータコア１２の外径及び永久磁石９は外部に露出することなく密閉されるのである。具体的には下記（１）乃至（４）に示すことができる。

（１）１本溝の場合：図６に示すように、負荷側溝部７−１及び反負荷側溝部７−２に１本の溝を形成した場合、矢印Ａに示すようにロータ樹脂モールド１１の長手方向への収縮変化を利用して、ロータ樹脂モールド１１を溝側面に押し付けることで密閉性を向上させている。

（２）クサビ形状溝の場合：図７に示すように、負荷側溝部７−１及び反負荷側溝部７−２に形成した溝の断面形状がクサビ型である場合、矢印Ａに示すようにロータ樹脂モールド１１の長手方向への収縮変化だけでなく矢印Ｂに示すように外径方向への収縮変化も利用してロータ樹脂モールド１１が溝側面のテーパ形状面に押し付けられることで密閉性を向上させることができる。

（３）傾斜溝形状の場合：図８に示すように、負荷側溝部７−１及び反負荷側溝部７−２に形成する溝をクサビ型にする溝加工が複雑であることから、刃物に角度をつけて主軸７を加工することにより、傾斜した溝形状とした場合、（２）と同様にロータ樹脂モールド１１の長手方向への収縮変化と外径方向への収縮変化も利用してロータ樹脂モールド１１を溝側面のテーパ形状面に押し付けることで密閉性を向上させている。

（４）複数本溝の場合：図９に示すように、負荷側溝部７−１及び反負荷側溝部７−２に複数本の溝（図では２本の溝）形成した場合、矢印Ｃ、Ｄに示すように隣り合った溝の間を繋ぐロータ樹脂モールド１１の樹脂の長手方向の収縮を利用して、ロータ樹脂モールド１１を溝側面に押し付けることで密閉性を向上させている。この場合、樹脂を押え付ける溝側面の数が増加することにより密閉性の信頼性が向上する。

なお、図示は省略するが、上記（１）乃至（４）の各々の組合せた構成としてもよいことは勿論である。

樹脂モールドロータに上記構成を採用することにより、図１に示す従来構成の樹脂モールドロータにより下記のように製造工程も簡略化できる。
（ａ）主軸７にロータコア１０を嵌入する。
（ｂ）上記製造工程（ａ）で得られたロータを主軸を案内にして射出成形型内に位置決めする。
（ｃ）永久磁石９をロータコア１０に装着する。
（ｄ）ロータコア１０及び永久磁石９が露出しないように樹脂材をモールド（射出成形）する。
（ｅ）出来上がったモータロータを着磁ヨークに挿入し、着磁する。

本実施形態では、温度管理は下記の温度で実施した。
・樹脂の溶融温度：約３００℃
・成形型 ：約１００〜２００℃

上記のように、キャンドモータにおいて、ロータキャン材にステンレス材等の金属材料を用いず、耐食性のよい樹脂材にてロータ樹脂モールドとすることにより、本来の目的であるロータコアや磁石材を防食することができる。また、安価であるばかりか、従来の金属材からキャンのように運転中の渦電流の発生を防止することができ、効率のよいキャンドモータを提供できる。

次に、図４に示すキャンドモータポンプの動作を説明する。出口線１７に三相交流電源を接続し、ステータ１４の導体（巻線）１６に三相交流を通電することにより、発生する回転磁界がロータ１０に作用し、羽根車１が回転する。羽根車１の回転によりポンプケーシング２の吸込口２ａから吸い込まれたポンプ取扱液はポンプケーシング２内に流入し、吐出ボリュート２４を通って吐出口（図示せず）から吐き出されると共に、一部は負荷側軸受ブラケット３に設けた穴３ａを通ってステータキャン１８で囲まれたロータ室内に流入する。ロータ室内に流入したポンプ取扱液はロータ樹脂モールド１１とステータキャン１８の間の隙間δを通って、反負荷側軸受ブラケット４の有底円筒状の円筒状突出部４ａ内に流入し、ここから主軸７の中心部に設けられた貫通穴７ａを通って、羽根車１内に流れ込み、吸い込んだポンプ取扱液に合流する。

上記のようにポンプ取扱液はステータキャン１８で囲まれたロータ室内に流入し、ロータ樹脂モールド１１とステータキャン１８の間の隙間δを通って流れるが、ロータ１０の外周及び主軸７のロータ１０端面から負荷側溝部７−１及び反負荷側溝部７−２にロータ樹脂モールド１１を形成しているから、ロータ樹脂モールド１１とロータ１０及び主軸７の間が良好な密封状態に保たれ、ロータ１０にポンプ取扱液に接触することがない。よって、樹脂モールドロータの長寿命化が図れる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明は、磁石と、複数の鋼板を積層して構成され磁石を備えたロータと、ロータを装着し外部へ動力を伝達する主軸とを備え、主軸のロータ端面から軸方向所定寸法離れた位置の外周に溝を形成し、ロータの外周及び該ロータから溝が形成された部分までの主軸外周に樹脂モールドを形成したことにより、簡単な構成で樹脂モールとロータの外周及び主軸外周の間に良好な密封状態を保つことができる長寿命の樹脂モールドロータとして、キャンモータやキャンドモータポンプのモータロータとして利用できる。

１ 羽根車
２ ポンプケーシング
３ 負荷側軸受ブラケット
４ 反負荷側軸受ブラケット
５ 負荷側軸受
６ 反負荷側軸受
７ 主軸
７−１ 負荷側溝部
７−２ 反負荷側溝部
８−１ 負荷側スライドディスク
８−２ 反負荷側スライドディスク
９ 永久磁石
１０ ロータ
１１ ロータ樹脂モールド
１２ ロータコア
１３ モータフレーム
１４ ステータ
１５ ステータコア
１６ 導体（巻線）
１７ 出口線
１８ ステータキャン
１９ 負荷側ステータキャン側板
２０−１ 密閉部材
２０−２ 密閉部材
２０−３ 密閉部材
２１ ボルト
２２ ボルト
２３ 羽根止ナット
δ 隙間

Claims (5)

1. 磁石と、
   複数の鋼板を積層して構成され前記磁石を備えたロータと、
   前記ロータを装着し外部へ動力を伝達する主軸とを備え、
   前記主軸の前記ロータ端面から軸方向所定寸法離れた位置の外周に溝を形成し、
   前記ロータの外周及び該ロータから前記溝が形成された部分までの前記主軸外周に樹脂モールドを形成したことを特徴とする樹脂モールドロータ。
2. 請求項１に記載の樹脂モールドロータにおいて、
   前記溝は前記主軸の前記ロータより負荷側、及び反負荷側の両側にそれぞれ１以上設けたことを特徴とする樹脂モールドロータ。
3. 請求項１又は２に記載の樹脂モールドロータにおいて、
   前記溝の少なくとも前記ロータに近い側の面は、前記主軸に直交する面から傾斜していることを特徴とする樹脂モールドロータ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の樹脂モールドロータと、
   前記樹脂モールドロータの主軸を回転支持する軸受と、
   前記ロータを取囲み、前記ロータに回転磁界を作用させるキャンド構造のステータとを備えたことを特徴とするキャンドモータ。
5. 請求項４に記載のキャンドモータと、
   前記主軸に固定された羽根車と、
   前記羽根車を取り囲むポンプケーシングとを備えたことを特徴とするキャンドモータポンプ。

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