(57)【要約】【課題】磁気カップリングを小型化することが可能なカップリング構造を提供する。【解決手段】磁気カップリング２は、モータ軸２１ａの先端部、および、回転軸２２ａの先端部にそれぞれ取り付けられ、互いに対向する一対の磁石（第１磁石１３、第２磁石１４）を有する。スクリュー圧縮機２２を収容するとともに、モータ軸２１ａと回転軸２２ａとを隔てる隔壁３と、隔壁３内を、スクリュー圧縮機２２が収容された第１収容空間３１と、第２磁石１４が収容された第２収容空間３２とに隔てるシール部材４と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気カップリングを介して、駆動装置の出力軸の回転を被駆動装置の入力軸に伝達するカップリング構造であって、
前記磁気カップリングは、
前記出力軸の先端部、および、前記入力軸の先端部にそれぞれ取り付けられ、互いに対向する一対の磁石を有し、
前記駆動装置および前記被駆動装置の一方を収容するとともに、前記出力軸と前記入力軸とを隔てる隔壁と、
前記隔壁内を、前記一方が収容された第１収容空間と、前記一対の磁石の一方が収容された第２収容空間とに隔てるシール部材と、
を有することを特徴とするカップリング構造。
【請求項２】
前記第２収容空間内の油を外部に排出するドレイン管をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のカップリング構造。
【請求項３】
前記第２収容空間内に空気を供給する供給配管をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載のカップリング構造。
【請求項４】
前記一対の磁石の各々が、ハルバッハ配列された複数の磁石からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のカップリング構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気カップリングを介して、駆動装置の出力軸の回転を被駆動装置の入力軸に伝達するカップリング構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、モータ部で発生するトルクを軸方向の非接触磁気カップリングでポンプ部に伝達する電動ウォーターポンプが開示されている。ポンプ部とモータ部とを隔壁で隔てることで、モータ部への水の浸入が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１５１２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、隔壁の内部が外部に比べて高圧になる場合、隔壁の肉厚を厚くする必要がある。しかし、隔壁の肉厚を厚くすると、磁気カップリングが備える一対の磁石間の磁気的なエアギャップが大きくなり、伝達トルクが減少する。そこで、伝達トルクを確保するために磁石量を増やすと、磁気カップリングが大型化してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、磁気カップリングを小型化することが可能なカップリング構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、磁気カップリングを介して、駆動装置の出力軸の回転を被駆動装置の入力軸に伝達するカップリング構造であって、前記磁気カップリングは、前記出力軸の先端部、および、前記入力軸の先端部にそれぞれ取り付けられ、互いに対向する一対の磁石を有し、前記駆動装置および前記被駆動装置の一方を収容するとともに、前記出力軸と前記入力軸とを隔てる隔壁と、前記隔壁内を、前記一方が収容された第１収容空間と、前記一対の磁石の一方が収容された第２収容空間とに隔てるシール部材と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、シール部材によって、隔壁内が、駆動装置および被駆動装置の一方が収容された第１収容空間と、一対の磁石の一方が収容された第２収容空間とに隔てられている。これにより、第２収容空間内の圧力を、大気圧と同程度にすることができる。その結果、隔壁の肉厚を薄くすることができるので、隔壁の肉厚が厚い場合に比べて、磁気的なエアギャップを小さくすることができる。これにより、隔壁の肉厚が厚い場合に比べて、磁石量を抑えることができるので、磁気カップリングを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態におけるカップリング構造の断面図である。
【図２】従来のカップリング構造の断面図である。
【図３】伝達トルクの評価結果を示す図である。
【図４】第２実施形態におけるカップリング構造の断面図である。
【図５】第３実施形態における磁気カップリングの断面の１／４モデルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
（カップリング構造の構成）
本実施形態によるカップリング構造は、磁気カップリングを介して、駆動装置の出力軸の回転を被駆動装置の入力軸に伝達するものである。本実施形態において、駆動装置はモータであり、被駆動装置はスクリュー圧縮機であるが、これに限定されず、例えば、被駆動装置はポンプであってもよい。
【００１１】
カップリング構造１は、断面図である図１に示すように、磁気カップリング２と、隔壁３と、を有している。
【００１２】
磁気カップリング２は、外側部材１１と、内側部材１２と、一対の磁石と、を有している。外側部材１１は、モータ２１のモータ軸（出力軸）２１ａの先端に取り付けられている。内側部材１２は、スクリュー圧縮機２２の回転軸（入力軸）２２ａの先端に取り付けられており、外側部材１１の内側に配置されている。
【００１３】
一対の磁石は、第１磁石１３と、第２磁石１４とからなる。第１磁石１３は、外側部材１１の内周面に取り付けられている。第２磁石１４は、内側部材１２の外周面に取り付けられている。第１磁石１３および第２磁石１４は、互いに対向している。第１磁石１３および第２磁石１４の各々は、周方向に並んだ複数の磁石からなり、隣り合う磁石同士は、その極が逆になるように配置されている。
【００１４】
隔壁３は、スクリュー圧縮機２２を収容している。また、隔壁３は、モータ軸２１ａと回転軸２２ａとを隔てている。つまり、第１磁石１３と第２磁石１４とは、隔壁３によって隔てられている。
【００１５】
ここで、従来のカップリング構造４１の断面図を図２に示す。本実施形態のカップリング構造１と同じ部材には、図１と同じ符号を付している。
【００１６】
スクリュー圧縮機２２により、隔壁３の内部が外部に比べて高圧（１０ＭＰａ程度）になる。そこで、隔壁３の肉厚を厚くする必要がある。しかし、隔壁３の肉厚を厚くすると、磁気カップリング２が備える一対の磁石（第１磁石１３および第２磁石１４）間の磁気的なエアギャップが大きくなり、伝達トルクが減少する。そこで、伝達トルクを確保するために磁石量を増やすと、磁気カップリング２が大型化してしまうという問題がある。
【００１７】
そこで、図１に示すように、本実施形態のカップリング構造１は、シール部材４を有している。本実施形態において、シール部材４はメカニカルシールである。シール部材４は、隔壁３内を、スクリュー圧縮機２２が収容された第１収容空間３１と、第２磁石１４が収容された第２収容空間３２とに隔てている。
【００１８】
隔壁３内を、第１収容空間３１と第２収容空間３２とに隔てることで、第２収容空間３２内の圧力を、大気圧（０．１ＭＰａ）と同程度にすることができる。その結果、隔壁３の肉厚を薄くすることができるので、隔壁３の肉厚が厚い場合に比べて、磁気的なエアギャップを小さくすることができる。これにより、隔壁３の肉厚が厚い場合に比べて、磁石量を抑えることができるので、磁気カップリング２を小型化することができる。
【００１９】
また、本実施形態のカップリング構造１は、ドレイン管５を有している。ドレイン管５は、第２収容空間３２の底部に接続され、第２収容空間３２内の油をその自重により外部に排出する。
【００２０】
第１収容空間３１から第２収容空間３２内に漏れた油により、第２収容空間３２内の圧力が上がる恐れがある。そこで、ドレイン管５を設けて、第２収容空間３２内の油を外部に排出することで、第２収容空間３２内の圧力が上がるのを抑制することができる。
【００２１】
（評価）
次に、本実施形態のカップリング構造１（図１参照）と、従来のカップリング構造４１（図２参照）とで、伝達トルクを評価した。
【００２２】
図１，２に示すように、内側部材１２が外側部材１１の内側に配置されている形状の磁気カップリング２を用い、磁気カップリング２の最外径を２２０ｍｍ、磁気カップリング２の軸方向の長さを２００ｍｍとした。また、隔壁３の材質をＳＵＳ３０４とし、第２収容空間３２を覆う隔壁３の外径を１６０ｍｍとした。
【００２３】
また、第１磁石１３および第２磁石１４の材質をＮ４２ＳＨとし、第１磁石１３および第２磁石１４をそれぞれ８極とした。つまり、第１磁石１３および第２磁石１４をそれぞれ８個の磁石で構成した。また、第１磁石１３および第２磁石１４と隔壁３との距離をそれぞれ１ｍｍとした。よって、第１磁石１３と第２磁石１４との距離は、隔壁３の肉厚に２ｍｍを加えたものである。
【００２４】
隔壁３の材質をＳＵＳ３０４とし、隔壁３内の圧力が１０ＭＰａの場合、従来のカップリング構造４１では、隔壁３の肉厚を７．５ｍｍにする必要がある。一方、本実施形態のカップリング構造１では、第２収容空間３２内の圧力は大気圧となるため、隔壁３の肉厚に制限はないが、今回は２ｍｍとした。
【００２５】
上記の条件で、株式会社ＪＳＯＬ製の解析ソフトＪＭＡＧを用いて、伝達トルクをそれぞれ評価した。その結果を図３に示す。
【００２６】
図３において、横軸は、磁気カップリング２の内側部材１２が外側部材１１に対して相対的にずれた角度を表し、縦軸は、伝達トルクを表している。伝達トルクの最大値（伝達トルクの向きが負になっているので、図３では最小値）は、それぞれ２０度付近となっており、この値が伝達することができる最大トルクとなる。図３から、同じ寸法制約で設計した場合、本実施形態のカップリング構造１の方が、従来のカップリング構造４１よりも１．５倍程度大きな伝達トルクを出力できることがわかる。
【００２７】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るカップリング構造１によると、シール部材４によって、隔壁３内が、スクリュー圧縮機２２が収容された第１収容空間３１と、第２磁石１４が収容された第２収容空間３２とに隔てられている。これにより、第２収容空間３２内の圧力を、大気圧と同程度にすることができる。その結果、隔壁３の肉厚を薄くすることができるので、隔壁３の肉厚が厚い場合に比べて、磁気的なエアギャップを小さくすることができる。これにより、隔壁３の肉厚が厚い場合に比べて、磁石量を抑えることができるので、磁気カップリング２を小型化することができる。
【００２８】
また、第２収容空間３２内の油をドレイン管５から外部に排出する。シール部材４に異常が生じた場合、第１収容空間３１から第２収容空間３２内に漏れた油により、第２収容空間３２内の圧力が上がる恐れがある。そこで、ドレイン管５を設けて、第２収容空間３２内の油を外部に排出することで、第２収容空間３２内の圧力が上がるのを抑制することができる。
【００２９】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態のカップリング構造について、図面を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と共通する構成およびそれにより奏される効果については説明を省略し、主に、第１実施形態と異なる点について説明する。なお、第１実施形態と同じ部材については、第１実施形態と同じ符号を付している。
【００３０】
（カップリング構造の構成）
本実施形態のカップリング構造１０１は、断面図である図４に示すように、第２収容空間３２内に、空気を供給する供給配管６を有している。
【００３１】
第２収容空間３２内に空気を供給することで、第２収容空間３２内の圧力が、第１収容空間３１内の圧力よりも小さくなるように、第２収容空間３２内の圧力を調整することができる。第１収容空間３１内と第２収容空間３２内との圧力差が２ＭＰａ以下となれば、特殊設計が必要なメカニカルシールではなく、汎用品のオイルシールをシール部材１０４として用いることができる。
【００３２】
上述のように、隔壁３内の圧力が１０ＭＰａ程度である場合、隔壁３の肉厚を７．５ｍｍにする必要があるが、本実施形態のカップリング構造１０１では、第２収容空間３２を覆う隔壁３の肉厚を６ｍｍにすることができる。
【００３３】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るカップリング構造１０１によると、第２収容空間３２内に空気を供給する。これにより、第２収容空間３２内の圧力が、第１収容空間３１内の圧力よりも小さくなるように、第２収容空間３２内の圧力を調整することができる。その結果、特殊設計が必要なメカニカルシールではなく、汎用品のオイルシールをシール部材１０４として用いることができる。
【００３４】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態のカップリング構造について、図面を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と共通する構成およびそれにより奏される効果については説明を省略し、主に、第１実施形態と異なる点について説明する。なお、第１実施形態と同じ部材については、第１実施形態と同じ符号を付している。
【００３５】
（カップリング構造の構成）
本実施形態のカップリング構造２０１は、磁気カップリング２０２の断面の１／４モデルを示す図である図５に示すように、一対の磁石（第１磁石２１３および第２磁石２１４）の各々が、ハルバッハ配列された複数の磁石からなっている。図５において、各磁石における矢印は、Ｓ極からＮ極への向きを示している。
【００３６】
一対の磁石の各々を、ハルバッハ配列された複数の磁石で構成することで、特定方向の磁場強度を増大させることができる。これにより、一対の磁石の各々を、ハルバッハ配列されていない複数の磁石で構成する場合に比べて、さらに磁石量を抑えることができるので、磁気カップリング２０２をさらに小型化することができる。
【００３７】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るカップリング構造２０１によると、一対の磁石の各々を、ハルバッハ配列された複数の磁石で構成することで、特定方向の磁場強度を増大させることができる。これにより、一対の磁石の各々を、ハルバッハ配列されていない複数の磁石で構成する場合に比べて、さらに磁石量を抑えることができるので、磁気カップリング２０２をさらに小型化することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【００３９】
例えば、第１〜第３実施形態では、スクリュー圧縮機２２等の被駆動装置が隔壁３内に収容された構成にされているが、モータ２１等の駆動装置が隔壁３内に収容された構成であってもよい。この場合、磁気カップリング２を介して、隔壁３内から隔壁３外に回転が伝達されることになる。
【００４０】
また、第１〜第３実施形態では、磁気カップリング２が、外側部材１１の内側に内側部材１２が配置され、一対の磁石が径方向に対向するイン・アウトタイプの構成にされているが、この構成に限定されず、駆動装置の出力軸の先端部、および、被駆動装置の入力軸の先端部に円盤がそれぞれ取り付けられ、これら円盤にそれぞれ取り付けられた一対の磁石が軸方向に対向するディスクタイプの構成にされていてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１，１０１，２０１  カップリング構造
２，２０２  磁気カップリング
３  隔壁
４，１０４  シール部材
５  ドレイン管
６  供給配管
１１  外側部材
１２  内側部材
１３，２１３  第１磁石
１４，２１４  第２磁石
２１  モータ
２１ａ  モータ軸（出力軸）
２２  スクリュー圧縮機
２２ａ  回転軸（入力軸）
３１  第１収容空間
３２  第２収容空間
４１  カップリング構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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