TW201634816A - 磁浮型泵 - Google Patents

Abstract

本發明之課題在於提供一種能夠不產生輸送液的脈動地抑制由滑動部的接觸而引起的顆粒的產生的磁浮型泵。本發明提供一種磁浮型泵，藉由磁力使收容於泵殼體內的葉輪(4)上浮，其中，將使葉輪(4)旋轉的電動機(9)和藉由磁力支撐葉輪(4)的電磁體(6)隔著葉輪(4)相對地配置，將電動機(9)配置在泵殼體的吸入口(1s)的相反側。

Description

磁浮型泵

本發明關於磁浮型泵，尤其是關於如下之磁浮型泵：具備能夠藉由以非接觸方式使葉輪旋轉來抑制由旋轉部的接觸而引起的顆粒的產生的構造，能夠防止純水、藥液等輸送液被顆粒污染。

以往，作為純水、藥液的送液用的泵，已知有一種設為使用往復移動的隔膜板等將液體一邊以預定的壓力壓縮、一邊間歇地送出的容積式泵。另外，也會使用一種在泵殼體內具備由主軸支撐的葉輪，且主軸由軸承旋轉自如地支撐的離心式泵來輸送純水、藥液。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平3-88996號公報

但是，在使用了容積式泵的情況下，存在液體的輸送無法變得連續且平順而產生脈動這一問題。另 一方面，在使用了離心式泵的情況下，因為無法避免與軸封部或者軸承等滑動部的接觸，所以會因該接觸而伴隨顆粒的產生。因而，存在顆粒混入純水、藥液等輸送液中而導致輸送液污染這一問題。

本發明是鑒於上述情況而完成的發明，其目的在於提供一種能夠不產生輸送液的脈動地抑制由滑動部的接觸而引起的顆粒的產生的磁浮型泵。

為了達成上述的目的，本發明的磁浮型泵藉由磁力使收容於泵殼體內的葉輪上浮，其中，將使葉輪旋轉的電動機和藉由磁力支撐葉輪的電磁體隔著前述葉輪相對地配置，將前述電動機配置在前述泵殼體的吸入口的相反側。

根據本發明，在泵運轉期間，因泵殼體內與吸入口的壓力差而使軸推力作用並將葉輪按向吸入口側，但是藉由配置在吸入口的相反側的電動機，能夠對葉輪作用向吸入口側的相反側拉回的吸引力，所以能夠抵消因泵的差壓而產生的軸推力。因此，在泵運轉期間，葉輪的推力方向上的由電磁體進行的控制能夠成為零功率(無電力)控制。

根據本發明較佳的方式，其中，前述電動機是在葉輪側具備永久磁鐵的永久磁鐵型電動機。

根據本發明，電動機是在葉輪側具備永久磁鐵的永久磁鐵型電動機，所以始終從電動機對葉輪作用吸引力，能夠對因軸推力而被按向吸入口側的葉輪作用向相反側拉回 的力。

根據本發明較佳的方式，其中，在前述葉輪的軸向的端部設置環狀的永久磁鐵，對於前述泵殼體，在與前述葉輪的軸向的端部在半徑方向上相對的位置設置環狀的永久磁鐵，且使葉輪側的永久磁鐵和泵殼體側的永久磁鐵在半徑方向上相對而構成永久磁鐵徑向排斥軸承。此處，葉輪的軸向是指葉輪的旋轉軸的軸線的方向亦即推力方向。

根據本發明，在徑向剛性為僅藉由被動穩定化力就會成為剛性不足的情況下，能夠藉由永久磁鐵徑向排斥軸承來補強徑向剛性。因此，能夠藉由磁斥力以非接觸方式穩定地支撐葉輪的軸端部。

根據本發明較佳的方式，其中，前述葉輪側的永久磁鐵和前述泵殼體側的永久磁鐵在軸向上彼此偏離地配置。

根據本發明，藉由將葉輪側的永久磁鐵和泵殼體側的永久磁鐵在軸向上偏離地配置，能夠產生與電動機吸引葉輪的吸引力的方向相反的力，也就是將葉輪按向吸入口側的力。藉由將該葉輪按向吸入口側的力，能夠減少電動機吸引葉輪的吸引力，所以在泵起動時，在進行藉由電磁體的電磁力將被拉向電動機側的葉輪從電動機拉離的控制時，能夠降低電磁體的電磁力。因此，能夠降低泵起動時的電磁體的電力。

根據本發明較佳的方式，其中，在前述葉 輪的軸向的端部、與在前述泵殼體中和前述葉輪的軸向的端部在半徑方向上相對的部分之間，設置有滑動軸承。

根據本發明，在徑向剛性僅藉由被動穩定化力就會成為剛性不足的情況下，能夠藉由滑動軸承來補充徑向剛性。因此，能夠穩定地支撐葉輪的軸端部。

根據本發明較佳的方式，其中，前述葉輪的軸向的端部構成葉輪的吸入口，或者前述葉輪的軸向的端部由從葉輪的背面突出的部分構成。

根據本發明較佳的方式，其中，基於前述電磁體的阻抗來檢測前述葉輪的位移。

根據本發明，無需設置檢測作為旋轉體的葉輪的位置的感測器，能夠無感測器地進行電磁體的控制。

根據本發明較佳的方式，其中，在前述泵殼體內與輸送液接觸的液體接觸部係由樹脂材料構成。

根據本發明，泵殼體的內表面、葉輪等與輸送液接觸的液體接觸部塗覆有PTFE、PFA等樹脂材料，或者液體接觸部的構成零件整體由樹脂材料構成。因此，不會從液體接觸部產生金屬離子。

本發明可達成以下列舉的效果。

(1)藉由以非接觸方式使葉輪旋轉，能夠抑制由旋轉部、滑動部的接觸引起的顆粒的產生。因此，能夠消除顆粒混入純水、藥液等輸送液中而導致輸送液污染這一問題。

(2)藉由由離心式泵構成磁浮型泵，能夠將純水、藥液等 輸送液連續且平順地輸送，不會產生輸送液的脈動。

(3)在泵運轉期間，因泵殼體內與吸入口的壓力差使軸推力作用並將葉輪按向吸入口側，但是藉由配置在吸入口的相反側的電動機，能夠對葉輪作用向吸入口側的相反側拉回的吸引力，所以能夠抵消因泵的差壓而產生的軸推力。因此，在泵運轉期間，葉輪的推力方向上的由電磁體進行的控制能夠成為零功率(無電力)控制。

(4)在泵殼體內與輸送液接觸的液體接觸部由PTFE、PFA等的樹脂材料構成，所以不會從液體接觸部產生金屬離子。

1‧‧‧磁浮型離心泵

1d‧‧‧排出口

1s‧‧‧吸入口

2‧‧‧殼體

3‧‧‧殼體蓋

4‧‧‧葉輪

4e‧‧‧端部

4s‧‧‧葉輪的吸入口

5‧‧‧轉子磁極

6‧‧‧電磁體

6a‧‧‧電磁體芯

6b‧‧‧線圈

8、10、11‧‧‧永久磁鐵

9‧‧‧電動機

9a‧‧‧電動機芯

9b‧‧‧線圈

12‧‧‧滑動軸承

第1圖是表示本發明的磁浮型泵的一實施方式的磁浮型離心泵的縱剖視圖。

第2圖是表示本發明的磁浮型泵的其他實施方式的縱剖視圖。

第3圖是表示控制磁極的配置例(8極)的圖。

第4圖是表示控制磁極的配置例(6極)的圖。

第5圖是表示永久磁鐵徑向排斥軸承的第1實施例的圖。

第6圖是表示永久磁鐵徑向排斥軸承的第2實施例的圖。

第7圖(a)及(b)是表示第1圖和第2圖所示的磁浮型離心泵的外觀的圖，第7圖(a)是磁浮型離心泵的前視圖，第7圖(b)是磁浮型離心泵的側視圖。

以下，參照第1圖至第7圖對本發明的磁浮型泵的實施方式進行說明。在第1圖至第7圖中，對於相同或者相當的構成要素，附上相同的符號並省略重複的說明。

第1圖是表示本發明的磁浮型泵的一實施方式的磁浮型離心泵的縱剖視圖。如第1圖所示，磁浮型離心泵1具備：具有吸入口1s和排出口1d的大致圓筒容器狀的殼體2；覆蓋殼體2的前表面開口部的殼體蓋3；以及收容於藉由殼體2和殼體蓋3構成的泵殼體內的葉輪4。由殼體2和殼體蓋3構成的泵殼體的內表面等的液體接觸部係由PTFE、PFA等樹脂罩構造形成。泵殼體的內表面由平(平坦)的兩端面和圓筒狀的內周面構成，在泵殼體內沒有凹部，以不會存留氣體(air)的方式精心設計。

在殼體2內設置有用於吸引埋設於葉輪4的前表面的由矽鋼板等磁性材料構成的轉子磁極5而藉由磁力支撐葉輪4的電磁體6。電磁體6具備電磁體芯6a和線圈6b。另外，在殼體蓋3內，配置有一邊吸引埋設於葉輪4的背面的永久磁鐵8一邊使葉輪4旋轉的電動機9。電動機9具備電動機芯9a和線圈9b。藉由將電磁體6和電動機9分別設為6極類型，能夠謀求芯的共通化，實現成本降低。

第1圖所示的磁浮型離心泵1係成為使電磁體6和電動機9隔著葉輪4而相對地配置的簡單的構造。 在泵運轉期間，因泵殼體內與吸入口的壓力差而使軸推力作用並將葉輪4按向吸入口側。但是，電動機9是在葉輪側具備永久磁鐵8的永久磁鐵型電動機，所以吸引力始終作用於葉輪4，能夠對因軸推力而被按向吸入口側的葉輪4作用向相反側拉回的力。亦即，電動機9設為配置在與吸入口13相反側的構造，以使永久磁鐵型電動機的吸引力和由泵的差壓引起的軸推力平衡。

另一方面，配置在葉輪4的前表面側的電磁體6構成為磁軸承，該磁軸承產生與電動機吸引力相匹配的Z軸控制力(推力方向的控制力)和修正被定義為相對於與Z軸正交的軸線亦即X軸以及Y軸的傾斜度(旋轉)的θ x(繞X軸)和θ y(繞Y軸)的傾斜度的控制力，且構成為在泵殼體內以非接觸方式支撐葉輪4。另外，由於構成為基於電磁體6的阻抗檢測作為旋轉體的葉輪4的位移，由此來檢測葉輪4的位置，因此設為不需要設置位置感測器的無感測器構造。為了檢測控制力作用的位置，採用所謂共置(colocation)條件成立，且電磁體6的控制容易進行的構造。

如第1圖所示，藉由與葉輪4相對地配置電動機9和電磁體6，在徑向上成為緊湊的構造。如此，為了使徑向設為緊湊而選擇軸類型的電動機，為了高效地獲得大的轉矩，選擇永久磁鐵類型的電動機。如此一來，作為旋轉體的葉輪4一定向電動機側被吸引，所以與其相對抗地在相反側配置有電磁體。通過該配置，成為能夠以單 側電磁體控制3個自由度(Z，θ x，θ y)的構造。

第2圖是表示本發明的磁浮型泵的其他實施方式的縱剖視圖。第2圖所示的磁浮型泵與第1圖同樣是磁浮型離心泵。在第2圖所示的磁浮型離心泵1中，在葉輪4的軸向的端部4e設置環狀的永久磁鐵10，在殼體蓋3中與葉輪4的軸向的端部4e在半徑方向上相對的部分設置環狀的永久磁鐵11，且使葉輪側的永久磁鐵10和殼體蓋側的永久磁鐵11在半徑方向上相對而構成永久磁鐵徑向排斥軸承。

在第1圖所示的實施方式中，是藉由由電磁體6和電動機9的吸引力產生的被動穩定化力而獲得徑向剛性，但是根據第2圖所示的實施方式，在徑向剛性僅藉由被動穩定化力就會成為剛性不足的情況下，能夠藉由由葉輪側的永久磁鐵10和殼體蓋側的永久磁鐵11構成的永久磁鐵徑向排斥軸承來補充徑向剛性。因此，能夠藉由磁斥力以非接觸方式穩定地支撐葉輪4的軸端部。

另外，葉輪側的永久磁鐵10和殼體蓋側的永久磁鐵11在軸向上稍稍偏離地配置。構成為藉由將葉輪側的永久磁鐵10和殼體蓋側的永久磁鐵11在軸向上些微偏離地配置，來產生與電動機9吸引葉輪4的吸引力的方向相反的力，也就是將葉輪4向吸入口側按壓的力。藉由將該葉輪按向吸入口側的力，能夠減少電動機9吸引葉輪4的吸引力，所以在泵起動時，在進行藉由電磁體6的電磁力將被拉向電動機側的葉輪4從電動機9拉離的控制 時，能夠降低電磁體6的電磁力。因此，能夠降低泵起動時的電磁體6的電力。

另外，如第2圖所示，在葉輪4的吸入口4s的外周面、與在殼體2中和葉輪4的吸入口4s的外周面在半徑方向上相對的部分之間，設置有滑動軸承12。滑動軸承12能夠由嵌入於殼體2的內周面的環狀的陶瓷構成，另外，也能夠藉由由PTFE、PFA等樹脂材料形成殼體2的內周面，來構成滑動軸承12。

在第2圖中，雖然圖示了在葉輪4的兩軸端部分別設置永久磁鐵徑向排斥軸承和滑動軸承的例子，但也能夠在葉輪的兩軸端部分別設置永久磁鐵徑向排斥軸承，還能夠在葉輪的兩軸端部分別設置滑動軸承。另外，也能夠構成為僅在葉輪的吸入口側等的一端部側設置永久磁鐵徑向排斥軸承或者滑動軸承。第2圖所示的磁浮型離心泵1的其他的構成與第1圖所示的磁浮型離心泵1是同樣的。

接著，對如第1圖和第2圖所示而構成的磁浮型離心泵1的控制電路進行說明。

如第3圖所示，基本上控制磁極具有8極，相鄰的2極作為1對使用，若使(1)(2)(3)(4)全部動作，則能夠在Z方向上產生控制力，若使(1)(2)和(3)(4)差動地動作，則能夠產生θ y的控制力，若使(1)(4)和(2)(3)差動地動作，則能夠產生θ x的控制力。

如第4圖所示，理想上，藉由將控制磁極設為6極， 能夠形成更加緊湊的構造。亦即，存在有可減少電磁體線圈的數量、電流驅動器的數量等優點。在該情況下，也將相鄰的2極作為1對而使用。若使(1)(2)(3)全部動作，則能夠在Z方向上產生控制力，若使(1)與(2)(3)差動地動作，則能夠產生θ x的控制力，若使(2)和(3)差動地動作，則能夠產生θ y的控制力。

為了控制3個自由度(Z，θ x，θ y)，需要複數個位移感測器。位移感測器也基本上設置4個，藉由運算單元對各自的輸出進行模式輸出地運算。具體而言，根據(1)(2)(3)(4)的合計算出Z方向的位移，根據((1)+(2))-((3)+(4))算出θ y，根據((1)+(4))-((2)+(3))算出θ x。

理想上，感測器也能夠減少成3個，而運算各自的輸出，求出Z、θ x、θ y。

對於這樣求出的各個Z、θ x、θ y的3個模式，根據各自的固有頻率應用最佳的控制規則，分別計算各自的模式下的控制輸出。由運算單元運算所計算出的控制輸出，向3對或者4對的電磁體線圈分配各自的電流，由此能夠控制作為旋轉體的葉輪4的Z、θ x、θ y的動作，並藉由電動機使其穩定地旋轉(θ z)。

進而，因為在泵動作期間產生差壓而產生將葉輪4向吸入口側按壓的力，所以若進行將該力和電動機的吸引力相匹配的控制，則能夠減小控制電流。

亦即，基本上若以Z方向來說，則構成為電動機吸引 力≧泵差壓力，且以電動機吸引力=泵差壓力+電磁體力的方式控制電磁體的力。理想上能夠將電磁體的力設為0(零功率控制)。

更為理想地，藉由應用基於控制線圈的阻抗來推定空隙(gap)的位置的無感測器磁軸承(自感測磁軸承)的技術，能夠不設置位移感測器地使泵主體進一步小型化，且降低成本。

6自由度中剩下的2個自由度(X，Y)，係藉由作用於電動機的永久磁鐵與定子側磁軛之間的吸引力、以及作用於控制電磁體的固定側磁軛與旋轉體側磁極之間的吸引力而被動地穩定化。

由於該被動穩定化力會根據電動機的大小、間隙而變小，所以主動地如在第2圖中說明那樣增加利用永久磁鐵的斥力的徑向排斥軸承是有效的。該徑向排斥軸承層疊複數個環狀的永久磁鐵，且在外側配置同樣結構的永久磁鐵，由此在半徑方向上產生復原力。

如第5圖所示，這樣的軸承係藉由將在軸向上磁化的永久磁鐵以磁化方向成為相反的方式層疊而構成。理想上，如第6圖所示，藉由組合軸向磁化和徑向磁化的永久磁鐵，能夠得到更大的徑向剛性。

該徑向軸承在軸向上具有不穩定的剛性，會作用向某一個方向脫離的力。因而，預先以對旋轉體(葉輪4)向吸入口側作用力的方式將固定側和旋轉體側的永久磁鐵錯開，能夠減輕由電動機的永久磁鐵產生的吸引力。

第7圖(a)、(b)是表示第1圖和第2圖所示的磁浮型離心泵1的外觀的圖，第7圖(a)是磁浮型離心泵1的前視圖，第7圖(b)是磁浮型離心泵1的側視圖， 如第7圖(a)、(b)所示，磁浮型離心泵1呈具有兩端面和圓周面的短的圓柱形狀，在一端面形成有吸入口1s，在圓周面形成有排出口1d。如第7圖(a)、(b)所示，磁浮型離心泵1成為非常簡單的構造。

到此為止對本發明的實施方式進行了說明，但本發明不限定於上述的實施方式，當然也可以在其技術思想的範圍內，以各種不同的方式來實施。

1‧‧‧磁浮型離心泵

1d‧‧‧排出口

1s‧‧‧吸入口

2‧‧‧殼體

3‧‧‧殼體蓋

4‧‧‧葉輪

5‧‧‧轉子磁極

6‧‧‧電磁體

6a‧‧‧電磁體芯

6b‧‧‧線圈

8‧‧‧永久磁鐵

9‧‧‧電動機

9a‧‧‧電動機芯

9b‧‧‧線圈

Claims (9)

1. 一種磁浮型泵，藉由磁力使收容於泵殼體內的葉輪上浮，其中，將使葉輪旋轉的電動機和藉由磁力支撐葉輪的電磁體隔著前述葉輪相對地配置，將前述電動機配置在前述泵殼體的吸入口的相反側。
2. 如申請專利範圍第1項所述的磁浮型泵，其中，前述電動機是在葉輪側具備永久磁鐵的永久磁鐵型電動機。
3. 如申請專利範圍第1項所述的磁浮型泵，其中，在前述葉輪的軸向的端部設置環狀的永久磁鐵，對於前述泵殼體，在與前述葉輪的軸向的端部在半徑方向上相對的位置設置環狀的永久磁鐵，且使葉輪側的永久磁鐵和泵殼體側的永久磁鐵在半徑方向上相對而構成永久磁鐵徑向排斥軸承。
4. 如申請專利範圍第3項所述的磁浮型泵，其中，前述葉輪側的永久磁鐵和前述泵殼體側的永久磁鐵在軸向上彼此偏離地配置。
5. 如申請專利範圍第1項所述的磁浮型泵，其中，在前述葉輪的軸向的端部、與在前述泵殼體中和前述葉輪的軸向的端部在半徑方向上相對的部分之間，設置有滑動軸承。
6. 如申請專利範圍第3項所述的磁浮型泵，其中， 前述葉輪的軸向的端部構成葉輪的吸入口，或者前述葉輪的軸向的端部由從葉輪的背面突出的部分構成。
7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述的磁浮型泵，其中，基於前述電磁體的阻抗來檢測前述葉輪的位移。
8. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述的磁浮型泵，其中，在前述泵殼體內與輸送液接觸的液體接觸部係由樹脂材料構成。
9. 如申請專利範圍第7項所述的磁浮型泵，其中，在前述泵殼體內與輸送液接觸的液體接觸部係由樹脂材料構成。