JPH09137794A - 水中ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外観形状の大形化を抑制しつつ高効率且つ高
起動トルクを発生するＤＣブラシレスモータを使用して
安定した吐出量が得られる水中ポンプを得る。 【解決手段】 ポンプランナー４６を駆動するＤＣブラ
シレスモータ１をＡＣ電源で運転するためのＡＣ−ＤＣ
電源変換回路２１とモータ制御回路２０をエンドブラケ
ット８と回路保護カバー３０によってＤＣブラシレスモ
ータ１の頭上に形成した空間と該ＤＣブラシレスモータ
の側部に沿って形成した空間に分割して配置することに
より形状の大形化を抑制した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、汚水処理等に使用
するのに好適なＡＣ電源で運転する縦形の水中ポンプに
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般の縦形の水中ポンプは、実開平５−
１４５９１号公報に開示されているように、単相または
三相のＡＣ電源で運転する誘導モータを使用している。
誘導モータを使用した水中ポンプは、ＡＣ電源の周波数
が異なることにより回転速度特性に変化が生じることが
避けられず、電源周波数に対応したポンプランナー及び
ポンプケーシングを使用することが必要であり、また、
揚程の変化等による負荷変動によって誘導モータの回転
速度が変化するためにポンプ流量（吐出量）の変動が大
きくなる等の問題点がある。

【０００３】一方、深井戸用水中ポンプにＤＣブラシレ
スモータを使用することが提案されているが、この井戸
用水中ポンプはＤＣ電源駆動方式の構成であるので、Ａ
Ｃ電源しか得られない環境で運転する場合には、ＡＣ−
ＤＣ電源変換装置を準備することが必要であり、使い勝
手の面で問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】誘導モータは、インバ
ータ制御等の制御回路を追加してフィードバック制御す
ることにより、ＡＣ電源の周波数に左右されない任意の
回転速度で運転することが可能となるが、制御回路の付
加により水中ポンプが大形化してしまう問題がある。し
かも、誘導モータは、高い起動トルクを得ることができ
ないという問題もある。

【０００５】高効率で大きな起動トルクを発生できるＤ
Ｃブラシレスモータを使用する水中ポンプをＡＣ電源を
使用して運転できるようにするためには、ＡＣ−ＤＣ電
源変換装置を内蔵させなければならず、やはり大形化し
てしまう問題がある。

【０００６】本発明は、外観形状の大形化を抑制しつつ
高効率且つ高起動トルクを発生するＤＣブラシレスモー
タを使用して安定した吐出量が得られる水中ポンプを実
現すること目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、大きな起動ト
ルクを発生することができるＤＣブラシレスモータを使
用し、このＤＣブラシレスモータをＡＣ電源で運転する
ためのＡＣ−ＤＣ電源変換回路とモータ制御回路を内蔵
し、且つ、前記ＡＣ−ＤＣ電源変換回路とモータ制御回
路を効率良く内蔵して形状の大形化を抑制するために、
前記ＡＣ−ＤＣ電源変換回路とモータ制御回路をＤＣブ
ラシレスモータの頭上に形成した空間と該ＤＣブラシレ
スモータの側部に沿って形成した空間に分割して配置す
ることを特徴とする。

【０００８】ＤＣブラシレスモータは放熱し易い内転形
を使用し、且つ固定子鉄心を内装する鋼板製のモータケ
ースを水中に曝して冷却するようにする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態を図面を使
用して説明する。

【００１０】本発明になる水中ポンプは、図１に示すよ
うに、モータ部１１０を中心にして、その下側にポンプ
部１２０を、その上側に制御部１３０を結合して構成さ
れる。

【００１１】モータ部１１０は、図２及び図３に詳述す
るように、内転形のＤＣブラシレスモータにより構成さ
れる。図２に示すように、この内転形ＤＣブラシレスモ
ータ１の固定子部は、固定子鉄心２の内周に形成された
スロット内に電気絶縁物を介して固定子巻線３を巻線機
により直接巻き込んで構成され、更に、前記固定子鉄心
２は、機械的強度，耐水性及び放熱性を考慮したステン
レス鋼板製のモータフレーム４に圧入して締結される。
回転子部は、モータ回転軸５にロータヨーク６を圧入し
て締結せしめ、磁界を発生するメインマグネット７を接
着剤等により該ロータヨーク６に接着固定して構成す
る。合成樹脂で成形したエンドブラケット８，９は、前
記モータフレーム４の両端を挟むように通しボルト１０
によって締結され、前記モータ回転軸５を玉軸受１１
ａ，１１ｂによって回転自在に支持する。周波数発電機
（ＦＧ）を構成するための磁界を発生するＦＧマグネッ
ト１２を接着剤等で接着したＦＧヨーク１３は、ロック
ナット１４によって前記モータ回転軸５の端部に締結さ
れる。

【００１２】次に、このＤＣブラシレスモータ１におけ
るメインマグネット７の磁極の回転位置に応じて固定子
巻線３への給電の相の切換え制御を行なうためのホール
素子による回転位置検出手段と、回転速度制御のための
回転速度検出を行なう前記ＦＧについて説明する。

【００１３】図３に示すように、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１５上には、ＦＧコ
イルパターン１６ａと、ホール素子１７ａ〜１７ｃにハ
ンダ接合されるリードパターン１６ｂ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１８が接続さ
れる。このモータ回路基板１５は、取付け穴１５ａをを
貫通して前記エンドブラケット８に螺合する固定ねじ１
９により該エンドブラケット８に固定される。

【００１４】固定子部と回転子部を組み合わせた状態に
おいて、ＦＧコイルパターン１６ａは、前記ＦＧマグネ
ット１２の磁界が作用するように該ＦＧマグネット１２
と微小隙間（ＦＧギャップ）を介して対向し、モータ回
転軸５の回転に伴って前記ＦＧマグネット１２の磁界が
回転することにより回転速度に応じた周波数の電圧を誘
起して回転速度信号として出力する。前記ホール素子１
７ａ〜１７ｃも同様に、回転子部のＦＧマグネット１２
の磁界が作用するように該ＦＧマグネット１２と微小隙
間を介して対向し、メインマグネット７の磁極が固定子
巻線３の所定の相に対向するときに磁極の位置検出信号
を発生し、固定子巻線３の給電相切換えを制御して回転
トルクを継続的に発生するための制御タイミング信号と
して供給する。

【００１５】次に、ＡＣ電源からＤＣ電源を生成し、Ｄ
Ｃブラシレスモータ１の固定子巻線３に流す駆動電流の
給電相切換えと回転速度制御等を行なう制御部１３０の
電気回路構成を図４を参照して説明する。

【００１６】電気回路は、基本的には、ＤＣブラシレス
モータ１における固定子巻線３の給電相切換え制御，回
転速度制御及び過負荷保護等を行なうモータ制御回路部
２０と、ＡＣ電源をＤＣ電源に変換するＡＣ−ＤＣ電源
変換回路部２１とを備え、電源ケーブル２２を介してＡ
Ｃ電源２３に接続され、フロートスイッチケーブル２４
を介してフロートスイッチ２５ａ〜２５ｃに接続され、
更に、水中ポンプ内では、前記モータケーブル１８を介
してＤＣブラシレスモータ１に接続される。

【００１７】前記モータ制御回路部２０は、負荷状態を
監視して過負荷状態になることを防止する過負荷保護回
路２０ａと、専用ＩＣ及びマイクロコンピュータを含ん
で構成されて固定子巻線３に対する給電相切換え制御及
び回転速度制御を行なう制御用ＩＣ２０ｂと、巻線電流
を断続するモータドライバー２０ｃを備える。そして、
ＡＣ−ＤＣ電源変換回路部２１は、ＡＣ電圧を整流する
整流部２１ａと、整流して得た脈流を平滑にする平滑回
路２１ｂと、スイッチングレギュレータ２１ｃを備え
る。

【００１８】前記ＡＣ−ＤＣ電源変換回路部２１は電源
回路基板２６ａ，２６ｂに実装され、モータ制御回路部
２０は制御回路基板２７に実装される。モータ制御回路
部２０における給電相切換え制御用トランジスタ（モー
タドライバー）２０ｃは放熱のためにアルミニウム放熱
板２８に取り付けられて前記制御回路基板２７に接続さ
れる。アルミニウム放熱板２８は、水平板と垂直板を結
合して断面略Ｔ字形状に形成し、前記電源回路基板２６
ａ，２６ｂは水平板部に載置し、垂直板部には制御回路
基板２７を載置する。そして、ＡＣ−ＤＣ電源変換回路
部２１を実装した電源回路基板２６ａ，２６ｂがＤＣブ
ラシレスモータ１の頭上に水平状態に位置し、モータ制
御回路部２０を実装した制御回路基板２７がＤＣブラシ
レスモータ１の側面に沿って垂直状態に位置するよう
に、前記アルミニウム放熱板２８を固定ねじ２９によっ
てエンドブラケット８に固定する。なを、モータ制御回
路部２０とＡＣ−ＤＣ電源変換回路部２１は、その一部
を共通の回路基板に実装することも可能である。

【００１９】次に、これらのモータ部及び回路部を水中
ポンプとして水中下で正常に運転，機能性を保持せしめ
る外郭構造について説明する。水中ポンプは、ポンプ性
能の改善と共に軽量化，水密性（気密性）も製品構造上
の重要事項である。モータフレーム４を除く外郭構成部
品は、各種の水質に耐えるような合成樹脂を成形して構
成される。

【００２０】エンドブラケット８は、図５及び図６に示
すように、前記モータフレーム４との位置合わせのため
の芯出し突起部８ａ，前記玉軸受１１ａを装着する軸受
装着部８ｂ，前記通しボルト１０を貫通させるための貫
通穴８ｃ，モータ回路基板１５を固定するためのねじ穴
８ｄ，前記アルミニウム放熱板２８を取り付けるための
ねじ穴付き突起部８ｅ，後述する回路保護カバー３０と
の接合面を水密状態にする水密確保ゴムリングを装着す
るゴムリング装着溝８ｆ，該エンドブラケット８と回路
保護カバー３０を結合する結合ボルトを貫通させる貫通
穴８ｇ及び前記アルミニウム放熱板２８の垂直板及び該
部に載置された制御回路基板２７（モータ制御回路部２
０）を収容するようにＤＣブラシレスモータ１の外側の
側部に沿って伸びるモータ制御回路部収容空間部８ｈを
備える。

【００２１】回路保護カバー３０は、図１に示すよう
に、前記エンドブラケット８に組み合わせて結合ボルト
３１と結合ナット３２で締結することにより水密保持用
ゴムリング３３に支援されて前記エドブラケット８に水
密状態に結合する。

【００２２】この回路保護カバー３０は、図７及び図８
に詳述するように、水中ポンプを運搬及び設置するとき
の取っ手３０ａと、フロートスイッチ用支柱を取り付け
るための支柱ねじ穴３０ｂと、前記ＡＣ−ＤＣ電源変換
回路部２１が外部のＡＣ電源から受電するための電源ケ
ーブル２２とモーター制御回路部２０が前記水位検出フ
ロートスイッチ２５ａ〜２５ｃから水位検出信号を入力
するためのフロートスイッチケーブル２４を水密性を維
持した状態で該回路保護カバー３０を貫通させるための
ケーブル貫通穴３０ｃ，３０ｄと止めねじ穴３０ｅ，３
０ｆを備える。

【００２３】ケーブル口出し部の詳細な構成を図９を参
照して説明する。回路保護カバー３０を貫通する電源ケ
ーブル２２及びフロートスイッチケーブル２４の貫通部
は、ゴム材質で該電源ケーブル２２及びフロートスイッ
チケーブル２４とそれぞれ一体的に成形した鍔付き口出
し用リング３４，３５を備え、この各口出し用リング３
４，３５を回路保護カバー３０の貫通穴３０ｃ，３０ｄ
に挿入してその鍔３４ａ，３５ａを該回路保護カバー３
０の外面に当接し、それぞれその外側に当接した金属製
の封止キャップ３６，３７を該回路保護カバー３０の口
出し部に設けた口出し部止めねじ穴３０ｅ，３０ｆに螺
合した固定ねじ３８，３９で締め付けて該鍔３４ａ，３
５ａをゴムの弾性で密着させて水密性を得る構成であ
る。なお、支柱４０は、前記支柱ねじ穴３０ｂに嵌着し
て回路保護カバー３０から起立し、前記フロートスイッ
チ２５ａ〜２５ｃを支持する。

【００２４】中間ケーシング４１は、図１に示すよう
に、メカニカルシール４２を介在させて前記モータ回転
軸５を貫通させるように固定ねじ４３によって前記エン
ドブラケット９の底部に結合され、結合面をＯリング４
４によって水密構造とすることによって、前記メカニカ
ルシール４２の周りに密閉状態のメカニカルシール保護
油室４５を形成する。

【００２５】ポンプ部１２０は、ボルテックス方式のポ
ンプである。ポンプランナー４６は、前記中間ケーシン
グ４１を貫通したモータ回転軸５の軸端に固定ねじ４７
によって固定される。ポンプ上ケーシング４８とポンプ
下ケーシング４９は、前記中間ケーシング４１の下側に
ケーシング結合ねじ５０，５１で結合され、前記ポンプ
ランナー４６を収容するポンプ室を形成する。前記ポン
プ下ケーシング４９には吸い込み穴４９ａが形成され、
ポンプ上ケーシング４８には配管接続用の雄ねじ部を有
するフランジ５２が設けられる。

【００２６】なお、これらを構成する部品も先のエンド
ブラケット８や回路保護カバー３０と同様の合成樹脂に
より成形して作られる。

【００２７】このように構成される水中ポンプは、フラ
ンジ５２に配水管を接続して排水すべき水中に投入（設
置）される。ＡＣ−ＤＣ電源変換回路部２１は、電源ケ
ーブル２２を介して受電したＡＣ電源をＤＣ電源に変換
する。そして、モータ制御回路２０は、このＤＣ電源を
使用して、水位検出用フロートスイッチ２５ａ〜２５ｃ
からの水位検出信号を参照してＤＣブラシレスモータ１
ヘの給電をオン・オフ（運転及び停止）して排水運転を
実行する。

【００２８】この水中ポンプにおけるＤＣブラシレスモ
ータ１と従来の水中ポンプにおける誘導モータのモータ
特性を図１０に比較して示す。ＤＣブラシレスモータ１
の特徴は、回転速度非制御（回転速度を制御しない状
態）時にはトルクと回転速度は直線的に変化し、回転速
度が「０」のとき、すなわち起動時のトルクが最大とな
ることである。従って、起動時の高トルク化により起動
性能の向上を図ることができる。また、誘導モータと異
なり、メインマグネット７の磁束と固定子巻線３の仕様
によって最高回転速度を任意に設定することができ、且
つ、ＡＣ電源の周波数に左右されずに所望の回転速度を
得ることができる。

【００２９】従って、モータ制御回路部２０の制御用Ｉ
Ｃ２０ｂが、ＦＧからの回転検出信号を使用してＤＣブ
ラシレスモータ１の回転を定速度制御すれば、ある範囲
での負荷トルクの変化に対して回転速度を一定に維持す
ることができる。そして、定速度制御を行なえば、揚程
の変化等に伴う負荷の変化に対して回転速度を一定速度
に維持してポンプ吐出流量の変化量を少なくすることが
可能となる。また、ポンプ吐出流量を一定にするような
帰還制御を行なえば、揚程の高低に拘らず一定の吐出量
を安定的に得ることができる。更に、過負荷保護回路２
０ａに電流リミッタ等の保護制御機能をもたせることに
より過負荷時にはモータを停止させる等の安全保護動作
を行なうことができる。

【００３０】内転形のＤＣブラシレスモータ１は、発熱
量の多い固定子巻線３を巻き込んだ固定子鉄心２を圧入
したステンレス鋼板製のモータフレーム４が水中に曝さ
れて効率良く放熱するので、温度上昇を抑制することが
できる。

【００３１】また、内転形ＤＣブラシレスモータ１を使
用することによる軸方向長さの増加に伴う水中ポンプの
長身化は、モータ制御回路部２０を該ＤＣブラシレスモ
ータ１の側部に伸びるモータ制御回路部収容空間部８ｈ
に設置して抑制している。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明の水中ポンプは、駆
動モータにＤＣブラシレスモータを使用したことによ
り、高効率且つ高起動トルクであって揚程の高低に拘ら
ず一定の吐出量を安定に得られる。

【００３３】また、ＡＣ電源を使用して運転できるよう
にするためにＡＣ−ＤＣ電源変換回路部を内蔵させるこ
とによる電気回路規模の増大及び内転形ＤＣブラシレス
モータを使用することによる長身化を、電気回路の一部
を該ＤＣブラシレスモータの側部に伸びるモータ制御回
路部収容空間部に設置して吸収しているので、高さ方向
に対する大形化を抑制することができる。

【００３４】更に、発熱量の多い固定子巻線を巻き込ん
だ固定子鉄心を鋼板製のモータフレームを水中に曝して
効率良く放熱するので、温度上昇を抑制することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＤＣブラシレスモータを使用した本発明になる
水中ポンプの縦断側面図である。

【図２】図１に示す水中ポンプにおけるモータ部の縦断
側面図である。

【図３】図２に示すモータ部におけるモータ回路基板の
平面図である。

【図４】図１に示す水中ポンプにおけるＤＣブラシレス
モータを含めた制御部のブロックである

【図５】図１及び図２に示す水中ポンプのモータ部のエ
ンドブラケットの平面図である。

【図６】図５に示すエンドブラケットの縦断側面図であ
る。

【図７】図１に示す水中ポンプにおける回路保護カバー
の平面図である。

【図８】図７に示す回路保護カバーの縦断側面図であ
る。

【図９】図１に示す水中ポンプにおける回路保護カバー
ケーブル口出し部の詳細な構成を示す縦断側面図である

【図１０】ＤＣブラシレスモータと誘導モータの特性比
較図である。

【符号の説明】

１ 内転形ＤＣブラシレスモータ ２ 固定子鉄心 ３ 固定子巻線 ４ モータフレーム ５ モータ回転軸 ７ メインマグネット ８，９ エンドブラケット ２０ モータ制御回路部 ２１ ＡＣ−ＤＣ電源変換回路部 ３０ 回路保護カバー ４６ ポンプランナー ４８ ポンプ上ケーシング ４９ ポンプ下ケーシング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大平 房徳 茨城県日立市東多賀町一丁目１番１号 日 立多賀エンジニアリング株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡＣ−ＤＣ電源変換回路とモータ制御回
   路を内蔵し、ポンプ部をＤＣブラシレスモ−タによって
   駆動するようにした水中ポンプにおいて、 前記ＡＣ−ＤＣ電源変換回路とモータ制御回路を前記Ｄ
   Ｃブラシレスモータの頭上に形成した空間と該ＤＣブラ
   シレスモータの側部に沿って形成した空間に分割して配
   置したことを特徴とする水中ポンプ。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記ＤＣブラシレス
   モータは内転形のものを使用し、その固定子鉄心は水中
   に曝される鋼板製のモータフレームに内装したことを特
   徴とする水中ポンプ。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記ＡＣ−ＤＣ電源
   変換回路と前記モータ制御回路を収容する空間は、前記
   ＤＣブラシレスモータにおけるモータフレームの端に結
   合する合成樹脂を成形したエンドブラケットと回路保護
   カバーによって形成することを特徴とする水中ポンプ。