アキシャル磁気浮上回転モータ及びアキシャル磁気浮上回転モータを用いたターボ形ポンプ
【課題】薄型化及び小型化を図ったアキシャル磁気浮上回転モータを提供する。
【解決手段】本発明に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１は、中央部にロータ位置調整用永久磁石１６を備えると共に、径方向の外周側にロータ回転用永久磁石１２を備えたロータ３と、中央部にロータ位置調整用電磁石１１を備えると共に、径方向の外周側に駆動用電磁石９を備えたステータ５と、を有し、ロータ位置調整用電磁石１１の出力を調整することによって、ロータ位置調整用永久磁石１６との軸方向の距離を制御し、ロータ３を所定の浮遊位置に維持することができる。このとき、駆動用電磁石９に供給される誘起電圧と駆動電流及びロータ３の回転数から算出したロータ３の軸方向に加わる応力に応じて、ロータ位置調整用電磁石１１の出力を調整してロータ３を所定の浮遊位置に維持する。
【解決手段】本発明に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１は、中央部にロータ位置調整用永久磁石１６を備えると共に、径方向の外周側にロータ回転用永久磁石１２を備えたロータ３と、中央部にロータ位置調整用電磁石１１を備えると共に、径方向の外周側に駆動用電磁石９を備えたステータ５と、を有し、ロータ位置調整用電磁石１１の出力を調整することによって、ロータ位置調整用永久磁石１６との軸方向の距離を制御し、ロータ３を所定の浮遊位置に維持することができる。このとき、駆動用電磁石９に供給される誘起電圧と駆動電流及びロータ３の回転数から算出したロータ３の軸方向に加わる応力に応じて、ロータ位置調整用電磁石１１の出力を調整してロータ３を所定の浮遊位置に維持する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アキシャル磁気浮上回転モータ及びターボ形ポンプに係り、特に、コンパクトなアキシャル磁気浮上回転モータ及びこのアキシャル磁気浮上回転モータを用いたターボ形ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受けによるシャフトの支持などの機械的接触部分を、電磁力を利用した軸受けを用いることで非接触な構造とした磁気浮上回転モータは、機械的摩擦や摩耗の影響が極めて小さいため高い耐久性を有している。この磁気浮上回転モータの１つとして、ロータの軸方向に電磁力を作用させることによってロータを浮上させるアキシャル磁気浮上回転モータが知られている。
【０００３】
アキシャル磁気浮上回転モータは、ロータがステータに対して機械的に非接触な構造であることから長期間の連続使用に適している。また、ロータ側にインペラを設けてターボ形ポンプとして構成した場合、流量の確保と小型化が比較的容易であることから、近年、このアキシャル磁気浮上回転モータを用いて構成されたターボ形ポンプを、人工心臓の血液ポンプとして適用する提案例が紹介されている（特許文献１，２及び非特許文献１参照）。
特許文献１，２及び非特許文献１に開示された技術によれば、アキシャル磁気浮上回転モータを用い、埋め込み型の人工心臓として体内に埋め込むことが可能なサイズの血液ポンプとして構成された例が開示されており、その優れた特性が注目されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−２８４８７０号公報
【特許文献２】特許第３８０８８１１号公報
【非特許文献１】ＮＴＮテクニカルレビュー Ｎｏ．６８（２０００） ｐ７６−８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記特許文献１，２及び非特許文献１のいずれの技術においても、複数のギャップセンサを用いてロータの浮上状態を検出する構成であるため部品点数が多く複雑な構造を有している。また、ロータを浮上制御するための電磁石が、ロータを回転制御するための電磁石の外径側に配置される構造であるため、ロータを浮上制御するための電磁石は大きなサイズとなる一方、ステータの中央部分には磁石が配置されず中空構造となっている。そのため、このようなアキシャル磁気浮上回転モータを使用して構成された血液ポンプはサイズが大きくなるという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、一層の小型化且つ効率化を図ったアキシャル磁気浮上回転モータ及びターボ形ポンプを提供することである。
また、本発明の他の目的は、血液ポンプとしての使用に適したターボ形ポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
磁気浮上したロータを回転駆動する駆動用電磁石を備えるステータと、浮遊状態で維持可能なロータと、を備えたアキシャル磁気浮上回転モータにおいて、前記ロータは、回転中心部に前記ステータに対向して配設されたロータ位置調整用永久磁石と、径方向の外周側に前記ステータに対向して配設されたロータ回転用永久磁石と、を備え、前記ステータは、前記ロータ側の中央部にロータ位置調整用永久磁石と対向して配設されたロータ位置調整用電磁石と、前記ロータ側の径方向の外周側にロータ回転用永久磁石と対向して配設された駆動用電磁石と、を備え、前記ロータ位置調整用電磁石の出力を調整することによって前記ロータを所定位置に維持するように構成されることにより解決される。
【０００８】
上記構成によって、駆動用電磁石とロータ位置調整用電磁石を、径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成することができるため薄型化を図ることができると共に、従来中空部であった領域にロータ位置調整用電磁石を配設する構造であるため小型化を図ったアキシャル磁気浮上回転モータが得られる。また、ロータ位置調整用永久磁石とロータ位置調整用電磁石をロータの回転軸線上に配置することにより、ロータの浮遊位置を調整する際に、ロータの回転に与える影響が少ない高効率なアキシャル磁気浮上回転モータが得られる。
【０００９】
また、請求項２のように、アキシャル磁気浮上回転モータは、前記駆動用電磁石を制御することで前記ロータの回転を制御する回転制御装置と、前記ロータ位置調整用電磁石に供給する電力を制御することで前記ロータの位置を制御するロータ位置制御装置と、前記駆動用電磁石に供給される誘起電圧を検出可能な誘起電圧検出装置と、前記駆動用電磁石に供給される駆動電流を検出可能な駆動電流検出装置と、前記ロータの回転数を検出可能な回転数検出装置と、を備え、前記誘起電圧検出装置と前記駆動電流検出装置と前記回転数検出装置は、いずれも前記ロータ位置制御装置に接続され、前記ロータ位置制御装置は、前記誘起電圧検出装置によって検出された誘起電圧と、前記駆動電流検出装置によって検出された駆動電流と、前記回転数検出装置によって検出された回転数とから、前記ロータに加わる軸方向の応力を算出すると共に、算出した前記応力の値に基づいて、前記ロータ位置調整用電磁石に供給される電力を制御して、前記ロータを所定位置に維持するように構成されると好適である。
【００１０】
上記構成によって、誘起電圧、駆動電流、回転数からロータの軸方向に加わる応力を算出する機構であることからギャップセンサを用いる必要がなく、一層の小型化を図ったアキシャル磁気浮上回転モータを得ることができる。
【００１１】
前記課題は、請求項３に係るターボ形ポンプは、吸入口と排出口と両者を連通する流体通路とが形成された筒状のポンプケーシングと、前記ポンプケーシング内に浮遊状態で維持可能なロータと、前記ロータ側に固定されフィンを有するインペラと、前記ロータの軸方向の排出口側に配設され前記ロータを回転駆動する駆動用電磁石を有するステータと、を備え、前記ロータの回転により前記インペラが回転することで、前記吸入口から吸い込まれた流体が前記排出口へ移送されるターボ形ポンプであって、前記ロータは、回転中心部に前記ステータに対向して配設されたロータ位置調整用永久磁石と、径方向の外周側に前記ステータに対向して配設されたロータ回転用永久磁石と、を備え、前記ステータは、前記ロータ側の中央部にロータ位置調整用永久磁石と対向して配設されたロータ位置調整用電磁石と、前記ロータ側の径方向の外周側にロータ回転用永久磁石と対向して配設された駆動用電磁石と、を備え、前記ロータ位置調整用電磁石の出力を調整することによって前記ロータを所定位置に維持するように構成されることにより解決される。
【００１２】
上記構成によって、駆動用電磁石とロータ位置調整用電磁石を、径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成することができるため薄型化を図ることができると共に、従来中空部であった領域にロータ位置調整用電磁石を配設する構造であるため小型化を図ったターボ形ポンプが得られる。また、ロータ位置調整用永久磁石とロータ位置調整用電磁石をロータの回転軸線上に配置することにより、ロータの浮遊位置を調整する際にロータの回転に与える影響が少ない高効率なターボ形ポンプが得られる。
【００１３】
さらに、請求項４のように、ターボ形ポンプは、前記駆動用電磁石を制御することで前記ロータの回転を制御する回転制御装置と、前記ロータ位置調整用電磁石に供給する電力を制御することで前記ロータの位置を制御するロータ位置制御装置と、前記駆動用電磁石に供給される誘起電圧を検出可能な誘起電圧検出装置と、前記駆動用電磁石に供給される駆動電流を検出可能な駆動電流検出装置と、前記ロータの回転数を検出可能な回転数検出装置と、を備え、前記誘起電圧検出装置と前記駆動電流検出装置と前記回転数検出装置は、いずれも前記ロータ位置制御装置に接続され、前記ロータ位置制御装置は、前記誘起電圧検出装置によって検出された誘起電圧と、前記駆動電流検出装置によって検出された駆動電流と、前記回転数検出装置によって検出された回転数とから、前記ロータに加わる軸方向の応力を算出すると共に、算出された前記応力の値に基づいて、前記ロータ位置調整用電磁石に供給される電力を制御して、前記ロータを所定位置に維持するように構成されると好適である。
【００１４】
上記構成によって、誘起電圧、駆動電流、回転数からロータの軸方向に加わる応力を算出する機構であることからギャップセンサを用いる必要がないため、一層の小型化を図ったターボ形ポンプが得られる。また、ロータが機械的に非接触な構造であることから摩耗による汚れを発生せず、摩耗により流体を汚染する心配がないため安全性を確保することができると共に、メンテナンスフリーを実現することができるため長期間の連続使用が可能でることから、血液ポンプとしての使用に適したターボ形ポンプが得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、ロータの浮遊位置を調整する際にロータの回転に与える影響が少なく高効率な回転特性が得られると共に、従来中空部であった領域にロータ位置調整用電磁石を配設し、駆動用電磁石とロータ位置調整用電磁石を、ロータの径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成する構造とすることにより一層の小型化を図ったアキシャル磁気浮上回転モータ及びターボ形ポンプが得られる。さらに、ギャップセンサを用いる必要がなく、一層の小型化が可能なアキシャル磁気浮上回転モータ及びターボ形ポンプが得られる。
また、ロータを軸支するベアリングがないことにより長寿命化とベアリング摺動ロスがないことによる低イナーシャ化を図ることができ、ロータが機械的に非接触な構造であることから摩耗による汚れを発生せず、摩耗により流体を汚染する心配がないため安全性を確保することができると共に、メンテナンスフリーを実現することができるため長期間の連続使用が可能な血液ポンプとしての使用に適したターボ形ポンプが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する部材，配置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができることは勿論である。
【００１７】
図１乃至３は本発明に係る一実施形態を示し、図１はアキシャル磁気浮上回転モータの断面説明図、図２はアキシャル磁気浮上回転モータのシステム構成図、図３はアキシャル磁気浮上回転モータのターボ形ポンプ（斜流ポンプ）への応用例である。
【００１８】
先ず、図１に基づき、本発明の実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１の構成を説明する。
本実施形態におけるアキシャル磁気浮上回転モータ１は、ロータ３とステータ５とこれらを収納するハウジング４とを備え、電磁力によってロータ３を浮上させた状態で回転させることができるディスクロータ型ブラシレスモータとして構成されている。
【００１９】
ロータ３は、出力軸としてのシャフト８と、シャフト８の一端部側に固定されたロータバックヨーク１０と、ロータバックヨーク１０に取り付けられたロータ回転用永久磁石１２と、ロータバックヨーク１０の中央部に非磁性体１４を介して取り付けられたロータ位置調整用永久磁石１６と、からなる。
【００２０】
ロータバックヨーク１０は、略円板状の部材であり、上述のように中心部にシャフト８の一端部側が固定されている。
ロータ回転用永久磁石１２は、ロータバックヨーク１０のシャフト８が固定された面とは逆側の面に固着されており、極性の異なる複数個の永久磁石が径方向の外周側にリング状に等間隔に並んで固定されている。ロータ回転用永久磁石１２を構成する永久磁石の数は任意であるが、ロータ３の径方向のブレをなくすために４極以上の永久磁石から構成されることが望ましい。
【００２１】
ロータ位置調整用永久磁石１６は、円板状の永久磁石であり、ロータバックヨーク１０の、シャフト８が固定された面とは逆側の中心部に非磁性体１４を介して固定されている。本実施形態においては、一方向にのみ着磁された１つの永久磁石から構成されている。なお、オーステナイト系ステンレス鋼などからなる非磁性体１４を介してロータバックヨーク１０に取り付けられることによって、ロータバックヨーク１０内に形成される磁路に悪影響を与えないように構成されている。
【００２２】
ステータ５は、ステータコア７と、ステータコア７に巻回された駆動用電磁石９と、ステータ中央部に巻回されたロータ位置調整用電磁石１１とから構成されている。なお、本実施形態において、ステータ５はハウジング４と一体に形成されている。
駆動用電磁石９は、複数のステータコア７のそれぞれに導線が巻回されて形成され、ロータ側のロータ回転用永久磁石１２と対向して配設されている。本実施形態においては、駆動用電磁石９は２相８極として構成されているが、駆動用電磁石９を構成するステータコア７の数は任意である。
ロータ位置調整用電磁石１１は、ステータ５の中心部に形成されたロータ位置調整用電磁石コア１３に導線が巻回されて形成されており、ロータバックヨーク１０の中心部に固定されたロータ位置調整用永久磁石１６と対向して配設されている。
【００２３】
駆動用電磁石９とロータ位置調整用電磁石１１は、磁束の発生する方向が同じであるため、径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成することができる。このため、駆動用電磁石９とロータ位置調整用電磁石１１を隙間なく配設することが可能であり、アキシャル磁気浮上回転モータ１を薄型化しコンパクトな構造にすることが可能になる。
【００２４】
なお、アキシャル磁気浮上回転モータ１は、駆動用電磁石９に連続的な回転磁界を発生させる回転制御装置２１と、ロータ位置調整用電磁石１１に供給する電力値を制御するロータ位置制御装置２３と、に接続されている。また、回転制御装置２１には、アキシャル磁気浮上回転モータ１に供給される誘起電圧と駆動電流及びロータ３の回転数を検出する検出装置に接続されている。さらに、ロータ３の磁極位置を検出するためのホール素子２５がステータ５側の任意の位置に取り付けられている。
【００２５】
次に、図２に基づき、本発明の実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１の制御内容について説明する。
アキシャル磁気浮上回転モータ１の制御システムは、ロータ３の磁極位置を検知するためのホール素子２５と、駆動用電磁石９に連続的な回転磁界を発生させる回転制御装置２１と、ロータ３の浮上させる磁界を発生させるロータ位置制御装置２３とを有して構成されている。
また、ロータ位置制御装置２３は、駆動用電磁石９に供給される誘起電圧と駆動電流をそれぞれ検出する誘起電圧検知装置２７ａと駆動電流検知装置２７ｂ、及び、ホール素子２５に接続された回転数検出装置２７ｃとに接続されている。
【００２６】
回転制御装置２１は、駆動用電磁石９に供給する電力（誘起電圧と駆動電流）を制御して、ロータ３を回転させる連続的な回転磁界を発生させる制御装置であり、ホール素子２５によって検知されたロータ３の磁極位置に対応した位置の電磁石を適宜励磁しながら必要な回転力を与える。
また、誘起電圧検知装置２７ａ及び駆動電流検知装置２７ｂは、ロータ位置制御装置２３に誘起電圧及び駆動電流を出力するセンサーであり、本実施形態においては回転制御装置２１に接続されて、駆動用電磁石９に供給される誘起電圧と駆動電流を読み取っている。同様に、回転数検出装置２７ｃはホール素子２５に接続されており、ホール素子によって検出されたロータ３の磁極位置をロータ位置制御装置２３に出力している。ロータ３の磁極位置の検出結果に基づいて、ロータ位置制御装置２３内で回転数が算出される。
【００２７】
ロータ位置制御装置２３は、誘起電圧検知装置２７ａと駆動電流検知装置２７ｂ及び回転数検出装置２７ｃによって検知された誘起電圧、駆動電流、回転数に基づいてロータ３の軸方向に加わる応力（浮力）の推定値を算出し、ロータ位置調整用電磁石１１に供給する電力値を制御してロータ３が適切な浮遊位置で回転するように調整している。
ここで、ロータ３の浮力は、アキシャル磁気浮上回転モータ１の構成と取付け状態が定まれば、誘起電圧、駆動電流、回転数によって決定される値である。このため、予めこれらの値からロータ３の浮力を算出するプログラムを作製し、ロータ位置制御装置２３に格納することでロータ位置調整用電磁石１１に供給する電力値のリアルタイムの制御を可能としている。
【００２８】
なお、回転数検出装置２７ｃは、回転制御装置２１に入力されたホール素子２５の検出値を読み取る構成としてもよく、また、回転制御装置２１がロータ３を回転制御する際に駆動用電磁石９に出力する制御信号から回転数を読み取る構成としてもよい。さらに、回転制御装置２１とロータ位置制御装置２３を一体化して、その内部に、誘起電圧検知装置２７ａ、駆動電流検知装置２７ｂ、回転数検出装置２７ｃに相当するセンサーや回路を組み込んでもよい。いずれの場合も同様の効果を発揮することができる。
【００２９】
このような構成のアキシャル磁気浮上回転モータ１の動作を説明する。
まず、動作していないときは、ロータ回転用永久磁石１２及び、ロータ位置調整用永久磁石１６の磁力によって、ロータ３はステータ５側に吸引されている。
動作時は、ロータ位置調整用電磁石１１に電力を供給してロータ３を所定量浮上させた後、回転駆動装置２１によって駆動用電磁石９に電力を供給してロータ３を回転させる。このとき、検知された誘起電圧、駆動電流、回転数からロータ３の浮力を算出して、ロータ位置調整用電磁石１１に供給する電力値を制御してロータ３が適切な浮遊位置になるように適宜調整している。
【００３０】
なお、ロータ３を回転させるために駆動用電磁石９から発生させる磁界は、ロータ３に回転力を与えると共にロータ位置調整用永久磁石１６を駆動用電磁石９に吸引するため、ロータ３が径方向に移動することはない。
もちろん、ロータ３の径方向の浮遊位置を、より精密に制御するための制御機構を別途取付けてもよい。例えば、ロータ３の所定位置をステータ側の所定位置に吸引し続けるための磁石（位置決め用磁石）を配置する構成とすることが考えられる。
【００３１】
本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１によれば、ロータ位置調整用永久磁石１６とロータ位置調整用電磁石１１を中心部（回転中心部）に配置することにより、これらがステータ径方向の外周側に配置された場合と比べて、ロータ３を浮上させるための磁界が回転させるための磁界に悪影響を及ぼすことがなく、ロータ３の回転への影響を軽減でき、高効率且つ安定した回転特性が得られる。また、駆動用電磁石９とロータ位置調整用電磁石１１を、径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成することができるため薄型化を図ることができると共に、従来は部品を配置しない領域であるステータ５の中央部に電磁石から構成されたロータ位置調整用電磁石１１を配設する機構であるため従来よりも高い密度で巻線などの部品を配設することができることから一層の小型化が可能である。
さらに、誘起電圧、駆動電流、回転数からロータ３の軸方向に加わる応力（浮力）を算出する機構であることにより、ギャップセンサを用いる必要がなく構造を比較的簡単にすることができる。
【００３２】
本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１によれば、ロータ３を軸支するベアリングがないことにより長寿命化と、ベアリング摺動ロスがないことによる低イナーシャ化と、を図ることができる。また、ロータ３が機械的に非接触な構造であることから機械的な摩耗及び摩耗による汚れを発生せず、長期間に及ぶメンテナンスフリーを実現することができる。
【００３３】
次に、本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１の応用例を示す。なお、以下の例において、上述した実施の形態と同様部材、配置等には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
図３は、本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１を斜流ポンプ２に応用した例である。斜流ポンプ２は、吸込口と排出口が同一線上に配置され、筒状のポンプケーシングの外周面に流体の連通路が形成された全周流インライン型のポンプとして構成されている。
【００３４】
斜流ポンプ２は、インペラ３２を構成する複数のフィンが取り付けられたロータ３３と、ステータ３５と、ロータ３及びステータ３５を収納するケース３４と、からなっている。
ロータ３３は、円板状のロータバックヨーク１０の一方の面にインペラ３２が取り付けられており、他方の面（ステータ５側の面）には、ロータバックヨーク１０の周方向の外周側にロータ回転用永久磁石１２が取り付けられると共に、中央部には非磁性体１４を介してロータ位置調整用永久磁石１６が取り付けられている。
【００３５】
インペラ３２は、ロータバックヨーク１０側に放射状に起立して固着された複数のフィンからなり、ロータ３３の回転に伴ってインペラ３３の中心部の流体を遠心方向に加圧する。なお、本実施形態においては、インペラ３２を構成する各フィンは直線状に形成されているが、回転方向に対して傾斜角度及び湾曲形状を有した構成であってもよい。
【００３６】
ステータ３５は、上述したアキシャル磁気浮上回転モータ１と同様に、ステータコア７と、ステータコア７に巻回された駆動用電磁石９と、ステータ中央部に巻回されたロータ位置調整用電磁石１１とから構成されている。
ステータ３５の外周部分には流体通路３９ａが形成されており、後述するケース３４に形成された流体通路３９ｂ，３９ｂと連結される。このステータ３５の外周部分とケース３４とを組み合わせることで、斜流ポンプ２の外殻を構成する略筒状のポンプケーシングが形成される。
【００３７】
また、回転制御装置２１及びロータ位置制御装置２３などの制御装置が、ステータ３５のロータ３３とは逆側に形成された回路配置スペース４３内に配設されて、ケース３４内に制御装置が格納可能な構成とされている。回路配置スペース４３は、カバー４１とステータ３５で囲まれて流体が内部に侵入しないように構成されると共に、電源を供給するケーブル４４が斜流ポンプ２の外部まで取り回されている。また、駆動用電磁石９と位置調整用電磁石１１も樹脂などからなる不図示の充填剤により直接流体に接触しないように構成されている。
【００３８】
ケース３４，３４は、ステータ３５の両側に取り付けられることで流体の通路が形成されると共に、ステータ３５との間でインペラ３２を収納するポンプケーシングの一部をなす部材であり、ポンプ内に水や血液などの流体を流入させる吸入口３６と、流体を排出する排出口３７と、吸入口３６に連結された遠心加圧室３８と、遠心加圧室３８と排出口３７との間で流体を移動可能な流体通路３９ｂ，３９ｂと、を備えている。
【００３９】
吸入口３６は、斜流ポンプ２により移送される流体をインペラ３２の中心部に流入させるための開口部であり、流体を導く管体を連結するためケース３４から外側に突出した管状に形成されている。なお、本実施形態においては、吸入口３６の内側に、流体の流れる方向を揃えるための整流板３６ａを備える構成とされているが、整流板３６ａがない構成としてもよい。また、排出口３７は、吸入口３６とは逆側に形成されており、吸入口３６と同様に、流体を導く管体を連結するためケース３４から外側に突出した管状に形成されている。排出口３７と吸入口３６とをステータ３５を挟んでケース３４の両側に配置した構成としたことにより流体の通路の一部に斜流ポンプ２を配設することができ、使い勝手が向上する。もちろん、排出口３７をケース３４の側面部分に形成するなど用途に応じて変更することができる。
【００４０】
遠心加圧室３８は、吸入口３６に連結されており、ロータ３３と一体に形成されたインペラ３２が格納される部分であり、流体ポンプ２の駆動時にはロータ３３は遠心加圧室の内壁面と所定のクリアランスを有する位置（所定位置）に浮遊状態で維持される。吸入口３６から流入した流体は、インペラ３２の吸入口３６側の中央部に導かれ、インペラ３２の回転に伴い遠心力が加わることによりインペラ３２の外周方向に加圧される。
流体通路３９ｂは、遠心加圧室３８の側面側と排出口３７との間を、ステータ３５に形成された流体通路３９ａを介して流体を移送可能に形成された通路であり、インペラ３２の外周方向に加圧された流体は、この流体通路３９ｂ，３９ａ，３９ｂを通り排出口３７に向けて移送される。
【００４１】
なお、遠心加圧室３８の内壁面の一部には、インペラ３２を構成するフィンの端面との摩擦抵抗が低くなるように形成された低摩擦部材（不図示）が配設されると好適である。低摩擦部材が配設されることで、フィンの端面が低摩擦部材と接触した状態であってもスムーズに回転できるため、斜流ポンプ２に振動や衝撃が加わったとしてもロータ３３の回転に影響しにくくなる。また、インペラ３２から流体に与えられる圧力エネルギーのロスを低減してポンプ効率を向上できる。
低摩擦部材としては、フッ素系樹脂，ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ），および親水性ポリマーからなる群から選択される１または２種類以上の材料が用いられると好適である。また、低摩擦部材としては、このような低摩擦材料を使用するものに限定されず、例えば、内壁面と同一の材料であっても、研磨処理などによって表面の摩擦抵抗を低下させたものであってもよい。
【００４２】
このような構成の斜流ポンプ２の動作を説明する。
吸入口３６からインペラ３２の中心部に導かれた流体は、インペラ３２の回転に伴い遠心方向に移動する。同時に、インペラ３２の中心部が減圧になるため新たな流体が吸入口３６から導入される。遠心力により遠心加圧室３８の外周方向に移動した流体は、流体通路３９を通って排出口３７から排出される。
【００４３】
斜流ポンプ２において、ロータ３３とインペラ３４を一体として構成することにより、ポンプ作動時にインペラ３４が浮上する力（吸入口３６側に引かれる応力）と、ロータ３３が磁力によりステータ３５側に引かれる力とが、インペラ３２とロータ３３とに対してそれぞれ働く際にも、ロータ３３に対して径方向や傾き方向の力が加わることがない。そのため、ロータ３３の動きが安定しやすく、ロータ位置調整用電磁石１１の電磁力での制御によりロータ３３の浮遊位置を制御することが容易となる。
【００４４】
ここで、斜流ポンプ２は、インペラ３４の回転に伴う流体の移送量に応じて吸入口３６側が減圧となるため、インペラ３４と一体に形成されたロータ３３は、吸入口３６側（ステータ５と離間する方向）に移動することになる。すなわち、ロータ位置調整用電磁石１１に電力を供給していない状態での、ロータ３３の軸方向に加わる応力（浮力）は、ロータ３３の回転数と回転トルクから算出することができる。
【００４５】
ロータ３３の回転数は回転数検出装置２７ｃから、回転トルクは誘起電圧検知装置２７ａと駆動電流検知装置２７ｂにより検出される誘起電圧と駆動電流から算出することができる。そのため、ロータ位置制御装置２３は、誘起電圧と駆動電流及び回転数から、ロータ３３の軸方向に加わる応力（浮力）を算出して、ロータ３３が所定位置に留まるようにロータ位置調整用電磁石１１に適切な電力を供給している。
【００４６】
斜流ポンプ２は、本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１と同様の構成を有するモータを適用することにより、以下に挙げる点においてアキシャル磁気浮上回転モータ１の特徴を備えたものとすることができる。
すなわち、ロータ位置調整用永久磁石１６とロータ位置調整用電磁石１１を回転中心部（中央部）に配置することにより、ステータ径方向の外周側に形成された場合と比べて、ロータ３３の回転への影響を軽減できる。
【００４７】
駆動用電磁石９とロータ位置調整用電磁石１１を、径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成することができるため薄型化を図ることができると共に、従来中空部であった領域に電磁石から構成されたロータ位置調整用電磁石１１を配設する機構であるため斜流ポンプ２の小型化を図ることができる。また、回転制御装置２１及びロータ位置制御装置２３などの制御装置を、ステータ３５のロータ３３とは逆側の回路配置スペース４３に配置することで、斜流ポンプ２の一層の小型化を図ることができる。
【００４８】
さらに、誘起電圧、駆動電流、回転数からロータ３３の軸方向に加わる応力を算出する機構であることから、ギャップセンサを用いる必要がなく構造を比較的簡単にすることができる。
また、ロータ３３を軸支するベアリングがないことにより長寿命化とベアリング摺動ロスがないことによる低イナーシャ化を図ることができる。
もちろん、本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１と同様の構成を遠心ポンプなどの他のターボ形ポンプに適用した場合にも、上述したアキシャル磁気浮上回転モータ１の特徴を備えたものとすることができる。
【００４９】
特に、本発明に係る斜流ポンプ２を人工心臓に適用した場合には、ロータ３３が機械的に非接触な構造であることから摩耗による汚れを発生せず、摩耗により血液を汚染する心配がないため安全性を確保することができると共に、メンテナンスフリーを実現することができるため、長期間の連続使用に適している。
もちろん、血液ポンプ以外にも、ラジエータの冷却液を循環させるためのウォータポンプなどとしても好適に用いることができる。
なお、遠心加圧室３８の内壁面の一部に低摩擦部材を配設することで、斜流ポンプ２に振動や衝撃が加わったとしてもロータ３３の回転に影響しにくくなり、また、インペラ３２から流体に与えられる圧力エネルギーのロスを低減してポンプ効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータの断面説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータのシステム構成である。
【図３】本発明の一実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータのターボ形ポンプへの応用例である。
【符号の説明】
【００５１】
１ アキシャル磁気浮上回転モータ、２ 斜流ポンプ、３，３３ ロータ、４ ハウジング、５，３５ ステータ、７ ステータコア、８ シャフト、９ 駆動用電磁石、１０ ロータバックヨーク、１１ ロータ位置調整用電磁石、１２ ロータ回転用永久磁石、１３ ロータ位置調整用電磁石コア、１４ 非磁性体、１６ ロータ位置調整用永久磁石、２１ 回転制御装置、２３ ロータ位置制御装置、２５ ホール素子、２７ａ 誘起電圧検知装置、２７ｂ 駆動電流検知装置、２７ｃ 回転数検出装置、３２ インペラ、３６ 吸入口、３６ａ 整流板、３７ 排出口、３８ 遠心加圧室、３９，３９ａ，３９ｂ 流体通路、４１ カバー、４３ 回路配置スペース、４４ ケーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アキシャル磁気浮上回転モータ及びターボ形ポンプに係り、特に、コンパクトなアキシャル磁気浮上回転モータ及びこのアキシャル磁気浮上回転モータを用いたターボ形ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受けによるシャフトの支持などの機械的接触部分を、電磁力を利用した軸受けを用いることで非接触な構造とした磁気浮上回転モータは、機械的摩擦や摩耗の影響が極めて小さいため高い耐久性を有している。この磁気浮上回転モータの１つとして、ロータの軸方向に電磁力を作用させることによってロータを浮上させるアキシャル磁気浮上回転モータが知られている。
【０００３】
アキシャル磁気浮上回転モータは、ロータがステータに対して機械的に非接触な構造であることから長期間の連続使用に適している。また、ロータ側にインペラを設けてターボ形ポンプとして構成した場合、流量の確保と小型化が比較的容易であることから、近年、このアキシャル磁気浮上回転モータを用いて構成されたターボ形ポンプを、人工心臓の血液ポンプとして適用する提案例が紹介されている（特許文献１，２及び非特許文献１参照）。
特許文献１，２及び非特許文献１に開示された技術によれば、アキシャル磁気浮上回転モータを用い、埋め込み型の人工心臓として体内に埋め込むことが可能なサイズの血液ポンプとして構成された例が開示されており、その優れた特性が注目されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−２８４８７０号公報
【特許文献２】特許第３８０８８１１号公報
【非特許文献１】ＮＴＮテクニカルレビュー Ｎｏ．６８（２０００） ｐ７６−８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記特許文献１，２及び非特許文献１のいずれの技術においても、複数のギャップセンサを用いてロータの浮上状態を検出する構成であるため部品点数が多く複雑な構造を有している。また、ロータを浮上制御するための電磁石が、ロータを回転制御するための電磁石の外径側に配置される構造であるため、ロータを浮上制御するための電磁石は大きなサイズとなる一方、ステータの中央部分には磁石が配置されず中空構造となっている。そのため、このようなアキシャル磁気浮上回転モータを使用して構成された血液ポンプはサイズが大きくなるという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、一層の小型化且つ効率化を図ったアキシャル磁気浮上回転モータ及びターボ形ポンプを提供することである。
また、本発明の他の目的は、血液ポンプとしての使用に適したターボ形ポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
磁気浮上したロータを回転駆動する駆動用電磁石を備えるステータと、浮遊状態で維持可能なロータと、を備えたアキシャル磁気浮上回転モータにおいて、前記ロータは、回転中心部に前記ステータに対向して配設されたロータ位置調整用永久磁石と、径方向の外周側に前記ステータに対向して配設されたロータ回転用永久磁石と、を備え、前記ステータは、前記ロータ側の中央部にロータ位置調整用永久磁石と対向して配設されたロータ位置調整用電磁石と、前記ロータ側の径方向の外周側にロータ回転用永久磁石と対向して配設された駆動用電磁石と、を備え、前記ロータ位置調整用電磁石の出力を調整することによって前記ロータを所定位置に維持するように構成されることにより解決される。
【０００８】
上記構成によって、駆動用電磁石とロータ位置調整用電磁石を、径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成することができるため薄型化を図ることができると共に、従来中空部であった領域にロータ位置調整用電磁石を配設する構造であるため小型化を図ったアキシャル磁気浮上回転モータが得られる。また、ロータ位置調整用永久磁石とロータ位置調整用電磁石をロータの回転軸線上に配置することにより、ロータの浮遊位置を調整する際に、ロータの回転に与える影響が少ない高効率なアキシャル磁気浮上回転モータが得られる。
【０００９】
また、請求項２のように、アキシャル磁気浮上回転モータは、前記駆動用電磁石を制御することで前記ロータの回転を制御する回転制御装置と、前記ロータ位置調整用電磁石に供給する電力を制御することで前記ロータの位置を制御するロータ位置制御装置と、前記駆動用電磁石に供給される誘起電圧を検出可能な誘起電圧検出装置と、前記駆動用電磁石に供給される駆動電流を検出可能な駆動電流検出装置と、前記ロータの回転数を検出可能な回転数検出装置と、を備え、前記誘起電圧検出装置と前記駆動電流検出装置と前記回転数検出装置は、いずれも前記ロータ位置制御装置に接続され、前記ロータ位置制御装置は、前記誘起電圧検出装置によって検出された誘起電圧と、前記駆動電流検出装置によって検出された駆動電流と、前記回転数検出装置によって検出された回転数とから、前記ロータに加わる軸方向の応力を算出すると共に、算出した前記応力の値に基づいて、前記ロータ位置調整用電磁石に供給される電力を制御して、前記ロータを所定位置に維持するように構成されると好適である。
【００１０】
上記構成によって、誘起電圧、駆動電流、回転数からロータの軸方向に加わる応力を算出する機構であることからギャップセンサを用いる必要がなく、一層の小型化を図ったアキシャル磁気浮上回転モータを得ることができる。
【００１１】
前記課題は、請求項３に係るターボ形ポンプは、吸入口と排出口と両者を連通する流体通路とが形成された筒状のポンプケーシングと、前記ポンプケーシング内に浮遊状態で維持可能なロータと、前記ロータ側に固定されフィンを有するインペラと、前記ロータの軸方向の排出口側に配設され前記ロータを回転駆動する駆動用電磁石を有するステータと、を備え、前記ロータの回転により前記インペラが回転することで、前記吸入口から吸い込まれた流体が前記排出口へ移送されるターボ形ポンプであって、前記ロータは、回転中心部に前記ステータに対向して配設されたロータ位置調整用永久磁石と、径方向の外周側に前記ステータに対向して配設されたロータ回転用永久磁石と、を備え、前記ステータは、前記ロータ側の中央部にロータ位置調整用永久磁石と対向して配設されたロータ位置調整用電磁石と、前記ロータ側の径方向の外周側にロータ回転用永久磁石と対向して配設された駆動用電磁石と、を備え、前記ロータ位置調整用電磁石の出力を調整することによって前記ロータを所定位置に維持するように構成されることにより解決される。
【００１２】
上記構成によって、駆動用電磁石とロータ位置調整用電磁石を、径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成することができるため薄型化を図ることができると共に、従来中空部であった領域にロータ位置調整用電磁石を配設する構造であるため小型化を図ったターボ形ポンプが得られる。また、ロータ位置調整用永久磁石とロータ位置調整用電磁石をロータの回転軸線上に配置することにより、ロータの浮遊位置を調整する際にロータの回転に与える影響が少ない高効率なターボ形ポンプが得られる。
【００１３】
さらに、請求項４のように、ターボ形ポンプは、前記駆動用電磁石を制御することで前記ロータの回転を制御する回転制御装置と、前記ロータ位置調整用電磁石に供給する電力を制御することで前記ロータの位置を制御するロータ位置制御装置と、前記駆動用電磁石に供給される誘起電圧を検出可能な誘起電圧検出装置と、前記駆動用電磁石に供給される駆動電流を検出可能な駆動電流検出装置と、前記ロータの回転数を検出可能な回転数検出装置と、を備え、前記誘起電圧検出装置と前記駆動電流検出装置と前記回転数検出装置は、いずれも前記ロータ位置制御装置に接続され、前記ロータ位置制御装置は、前記誘起電圧検出装置によって検出された誘起電圧と、前記駆動電流検出装置によって検出された駆動電流と、前記回転数検出装置によって検出された回転数とから、前記ロータに加わる軸方向の応力を算出すると共に、算出された前記応力の値に基づいて、前記ロータ位置調整用電磁石に供給される電力を制御して、前記ロータを所定位置に維持するように構成されると好適である。
【００１４】
上記構成によって、誘起電圧、駆動電流、回転数からロータの軸方向に加わる応力を算出する機構であることからギャップセンサを用いる必要がないため、一層の小型化を図ったターボ形ポンプが得られる。また、ロータが機械的に非接触な構造であることから摩耗による汚れを発生せず、摩耗により流体を汚染する心配がないため安全性を確保することができると共に、メンテナンスフリーを実現することができるため長期間の連続使用が可能でることから、血液ポンプとしての使用に適したターボ形ポンプが得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、ロータの浮遊位置を調整する際にロータの回転に与える影響が少なく高効率な回転特性が得られると共に、従来中空部であった領域にロータ位置調整用電磁石を配設し、駆動用電磁石とロータ位置調整用電磁石を、ロータの径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成する構造とすることにより一層の小型化を図ったアキシャル磁気浮上回転モータ及びターボ形ポンプが得られる。さらに、ギャップセンサを用いる必要がなく、一層の小型化が可能なアキシャル磁気浮上回転モータ及びターボ形ポンプが得られる。
また、ロータを軸支するベアリングがないことにより長寿命化とベアリング摺動ロスがないことによる低イナーシャ化を図ることができ、ロータが機械的に非接触な構造であることから摩耗による汚れを発生せず、摩耗により流体を汚染する心配がないため安全性を確保することができると共に、メンテナンスフリーを実現することができるため長期間の連続使用が可能な血液ポンプとしての使用に適したターボ形ポンプが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する部材，配置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができることは勿論である。
【００１７】
図１乃至３は本発明に係る一実施形態を示し、図１はアキシャル磁気浮上回転モータの断面説明図、図２はアキシャル磁気浮上回転モータのシステム構成図、図３はアキシャル磁気浮上回転モータのターボ形ポンプ（斜流ポンプ）への応用例である。
【００１８】
先ず、図１に基づき、本発明の実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１の構成を説明する。
本実施形態におけるアキシャル磁気浮上回転モータ１は、ロータ３とステータ５とこれらを収納するハウジング４とを備え、電磁力によってロータ３を浮上させた状態で回転させることができるディスクロータ型ブラシレスモータとして構成されている。
【００１９】
ロータ３は、出力軸としてのシャフト８と、シャフト８の一端部側に固定されたロータバックヨーク１０と、ロータバックヨーク１０に取り付けられたロータ回転用永久磁石１２と、ロータバックヨーク１０の中央部に非磁性体１４を介して取り付けられたロータ位置調整用永久磁石１６と、からなる。
【００２０】
ロータバックヨーク１０は、略円板状の部材であり、上述のように中心部にシャフト８の一端部側が固定されている。
ロータ回転用永久磁石１２は、ロータバックヨーク１０のシャフト８が固定された面とは逆側の面に固着されており、極性の異なる複数個の永久磁石が径方向の外周側にリング状に等間隔に並んで固定されている。ロータ回転用永久磁石１２を構成する永久磁石の数は任意であるが、ロータ３の径方向のブレをなくすために４極以上の永久磁石から構成されることが望ましい。
【００２１】
ロータ位置調整用永久磁石１６は、円板状の永久磁石であり、ロータバックヨーク１０の、シャフト８が固定された面とは逆側の中心部に非磁性体１４を介して固定されている。本実施形態においては、一方向にのみ着磁された１つの永久磁石から構成されている。なお、オーステナイト系ステンレス鋼などからなる非磁性体１４を介してロータバックヨーク１０に取り付けられることによって、ロータバックヨーク１０内に形成される磁路に悪影響を与えないように構成されている。
【００２２】
ステータ５は、ステータコア７と、ステータコア７に巻回された駆動用電磁石９と、ステータ中央部に巻回されたロータ位置調整用電磁石１１とから構成されている。なお、本実施形態において、ステータ５はハウジング４と一体に形成されている。
駆動用電磁石９は、複数のステータコア７のそれぞれに導線が巻回されて形成され、ロータ側のロータ回転用永久磁石１２と対向して配設されている。本実施形態においては、駆動用電磁石９は２相８極として構成されているが、駆動用電磁石９を構成するステータコア７の数は任意である。
ロータ位置調整用電磁石１１は、ステータ５の中心部に形成されたロータ位置調整用電磁石コア１３に導線が巻回されて形成されており、ロータバックヨーク１０の中心部に固定されたロータ位置調整用永久磁石１６と対向して配設されている。
【００２３】
駆動用電磁石９とロータ位置調整用電磁石１１は、磁束の発生する方向が同じであるため、径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成することができる。このため、駆動用電磁石９とロータ位置調整用電磁石１１を隙間なく配設することが可能であり、アキシャル磁気浮上回転モータ１を薄型化しコンパクトな構造にすることが可能になる。
【００２４】
なお、アキシャル磁気浮上回転モータ１は、駆動用電磁石９に連続的な回転磁界を発生させる回転制御装置２１と、ロータ位置調整用電磁石１１に供給する電力値を制御するロータ位置制御装置２３と、に接続されている。また、回転制御装置２１には、アキシャル磁気浮上回転モータ１に供給される誘起電圧と駆動電流及びロータ３の回転数を検出する検出装置に接続されている。さらに、ロータ３の磁極位置を検出するためのホール素子２５がステータ５側の任意の位置に取り付けられている。
【００２５】
次に、図２に基づき、本発明の実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１の制御内容について説明する。
アキシャル磁気浮上回転モータ１の制御システムは、ロータ３の磁極位置を検知するためのホール素子２５と、駆動用電磁石９に連続的な回転磁界を発生させる回転制御装置２１と、ロータ３の浮上させる磁界を発生させるロータ位置制御装置２３とを有して構成されている。
また、ロータ位置制御装置２３は、駆動用電磁石９に供給される誘起電圧と駆動電流をそれぞれ検出する誘起電圧検知装置２７ａと駆動電流検知装置２７ｂ、及び、ホール素子２５に接続された回転数検出装置２７ｃとに接続されている。
【００２６】
回転制御装置２１は、駆動用電磁石９に供給する電力（誘起電圧と駆動電流）を制御して、ロータ３を回転させる連続的な回転磁界を発生させる制御装置であり、ホール素子２５によって検知されたロータ３の磁極位置に対応した位置の電磁石を適宜励磁しながら必要な回転力を与える。
また、誘起電圧検知装置２７ａ及び駆動電流検知装置２７ｂは、ロータ位置制御装置２３に誘起電圧及び駆動電流を出力するセンサーであり、本実施形態においては回転制御装置２１に接続されて、駆動用電磁石９に供給される誘起電圧と駆動電流を読み取っている。同様に、回転数検出装置２７ｃはホール素子２５に接続されており、ホール素子によって検出されたロータ３の磁極位置をロータ位置制御装置２３に出力している。ロータ３の磁極位置の検出結果に基づいて、ロータ位置制御装置２３内で回転数が算出される。
【００２７】
ロータ位置制御装置２３は、誘起電圧検知装置２７ａと駆動電流検知装置２７ｂ及び回転数検出装置２７ｃによって検知された誘起電圧、駆動電流、回転数に基づいてロータ３の軸方向に加わる応力（浮力）の推定値を算出し、ロータ位置調整用電磁石１１に供給する電力値を制御してロータ３が適切な浮遊位置で回転するように調整している。
ここで、ロータ３の浮力は、アキシャル磁気浮上回転モータ１の構成と取付け状態が定まれば、誘起電圧、駆動電流、回転数によって決定される値である。このため、予めこれらの値からロータ３の浮力を算出するプログラムを作製し、ロータ位置制御装置２３に格納することでロータ位置調整用電磁石１１に供給する電力値のリアルタイムの制御を可能としている。
【００２８】
なお、回転数検出装置２７ｃは、回転制御装置２１に入力されたホール素子２５の検出値を読み取る構成としてもよく、また、回転制御装置２１がロータ３を回転制御する際に駆動用電磁石９に出力する制御信号から回転数を読み取る構成としてもよい。さらに、回転制御装置２１とロータ位置制御装置２３を一体化して、その内部に、誘起電圧検知装置２７ａ、駆動電流検知装置２７ｂ、回転数検出装置２７ｃに相当するセンサーや回路を組み込んでもよい。いずれの場合も同様の効果を発揮することができる。
【００２９】
このような構成のアキシャル磁気浮上回転モータ１の動作を説明する。
まず、動作していないときは、ロータ回転用永久磁石１２及び、ロータ位置調整用永久磁石１６の磁力によって、ロータ３はステータ５側に吸引されている。
動作時は、ロータ位置調整用電磁石１１に電力を供給してロータ３を所定量浮上させた後、回転駆動装置２１によって駆動用電磁石９に電力を供給してロータ３を回転させる。このとき、検知された誘起電圧、駆動電流、回転数からロータ３の浮力を算出して、ロータ位置調整用電磁石１１に供給する電力値を制御してロータ３が適切な浮遊位置になるように適宜調整している。
【００３０】
なお、ロータ３を回転させるために駆動用電磁石９から発生させる磁界は、ロータ３に回転力を与えると共にロータ位置調整用永久磁石１６を駆動用電磁石９に吸引するため、ロータ３が径方向に移動することはない。
もちろん、ロータ３の径方向の浮遊位置を、より精密に制御するための制御機構を別途取付けてもよい。例えば、ロータ３の所定位置をステータ側の所定位置に吸引し続けるための磁石（位置決め用磁石）を配置する構成とすることが考えられる。
【００３１】
本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１によれば、ロータ位置調整用永久磁石１６とロータ位置調整用電磁石１１を中心部（回転中心部）に配置することにより、これらがステータ径方向の外周側に配置された場合と比べて、ロータ３を浮上させるための磁界が回転させるための磁界に悪影響を及ぼすことがなく、ロータ３の回転への影響を軽減でき、高効率且つ安定した回転特性が得られる。また、駆動用電磁石９とロータ位置調整用電磁石１１を、径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成することができるため薄型化を図ることができると共に、従来は部品を配置しない領域であるステータ５の中央部に電磁石から構成されたロータ位置調整用電磁石１１を配設する機構であるため従来よりも高い密度で巻線などの部品を配設することができることから一層の小型化が可能である。
さらに、誘起電圧、駆動電流、回転数からロータ３の軸方向に加わる応力（浮力）を算出する機構であることにより、ギャップセンサを用いる必要がなく構造を比較的簡単にすることができる。
【００３２】
本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１によれば、ロータ３を軸支するベアリングがないことにより長寿命化と、ベアリング摺動ロスがないことによる低イナーシャ化と、を図ることができる。また、ロータ３が機械的に非接触な構造であることから機械的な摩耗及び摩耗による汚れを発生せず、長期間に及ぶメンテナンスフリーを実現することができる。
【００３３】
次に、本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１の応用例を示す。なお、以下の例において、上述した実施の形態と同様部材、配置等には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
図３は、本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１を斜流ポンプ２に応用した例である。斜流ポンプ２は、吸込口と排出口が同一線上に配置され、筒状のポンプケーシングの外周面に流体の連通路が形成された全周流インライン型のポンプとして構成されている。
【００３４】
斜流ポンプ２は、インペラ３２を構成する複数のフィンが取り付けられたロータ３３と、ステータ３５と、ロータ３及びステータ３５を収納するケース３４と、からなっている。
ロータ３３は、円板状のロータバックヨーク１０の一方の面にインペラ３２が取り付けられており、他方の面（ステータ５側の面）には、ロータバックヨーク１０の周方向の外周側にロータ回転用永久磁石１２が取り付けられると共に、中央部には非磁性体１４を介してロータ位置調整用永久磁石１６が取り付けられている。
【００３５】
インペラ３２は、ロータバックヨーク１０側に放射状に起立して固着された複数のフィンからなり、ロータ３３の回転に伴ってインペラ３３の中心部の流体を遠心方向に加圧する。なお、本実施形態においては、インペラ３２を構成する各フィンは直線状に形成されているが、回転方向に対して傾斜角度及び湾曲形状を有した構成であってもよい。
【００３６】
ステータ３５は、上述したアキシャル磁気浮上回転モータ１と同様に、ステータコア７と、ステータコア７に巻回された駆動用電磁石９と、ステータ中央部に巻回されたロータ位置調整用電磁石１１とから構成されている。
ステータ３５の外周部分には流体通路３９ａが形成されており、後述するケース３４に形成された流体通路３９ｂ，３９ｂと連結される。このステータ３５の外周部分とケース３４とを組み合わせることで、斜流ポンプ２の外殻を構成する略筒状のポンプケーシングが形成される。
【００３７】
また、回転制御装置２１及びロータ位置制御装置２３などの制御装置が、ステータ３５のロータ３３とは逆側に形成された回路配置スペース４３内に配設されて、ケース３４内に制御装置が格納可能な構成とされている。回路配置スペース４３は、カバー４１とステータ３５で囲まれて流体が内部に侵入しないように構成されると共に、電源を供給するケーブル４４が斜流ポンプ２の外部まで取り回されている。また、駆動用電磁石９と位置調整用電磁石１１も樹脂などからなる不図示の充填剤により直接流体に接触しないように構成されている。
【００３８】
ケース３４，３４は、ステータ３５の両側に取り付けられることで流体の通路が形成されると共に、ステータ３５との間でインペラ３２を収納するポンプケーシングの一部をなす部材であり、ポンプ内に水や血液などの流体を流入させる吸入口３６と、流体を排出する排出口３７と、吸入口３６に連結された遠心加圧室３８と、遠心加圧室３８と排出口３７との間で流体を移動可能な流体通路３９ｂ，３９ｂと、を備えている。
【００３９】
吸入口３６は、斜流ポンプ２により移送される流体をインペラ３２の中心部に流入させるための開口部であり、流体を導く管体を連結するためケース３４から外側に突出した管状に形成されている。なお、本実施形態においては、吸入口３６の内側に、流体の流れる方向を揃えるための整流板３６ａを備える構成とされているが、整流板３６ａがない構成としてもよい。また、排出口３７は、吸入口３６とは逆側に形成されており、吸入口３６と同様に、流体を導く管体を連結するためケース３４から外側に突出した管状に形成されている。排出口３７と吸入口３６とをステータ３５を挟んでケース３４の両側に配置した構成としたことにより流体の通路の一部に斜流ポンプ２を配設することができ、使い勝手が向上する。もちろん、排出口３７をケース３４の側面部分に形成するなど用途に応じて変更することができる。
【００４０】
遠心加圧室３８は、吸入口３６に連結されており、ロータ３３と一体に形成されたインペラ３２が格納される部分であり、流体ポンプ２の駆動時にはロータ３３は遠心加圧室の内壁面と所定のクリアランスを有する位置（所定位置）に浮遊状態で維持される。吸入口３６から流入した流体は、インペラ３２の吸入口３６側の中央部に導かれ、インペラ３２の回転に伴い遠心力が加わることによりインペラ３２の外周方向に加圧される。
流体通路３９ｂは、遠心加圧室３８の側面側と排出口３７との間を、ステータ３５に形成された流体通路３９ａを介して流体を移送可能に形成された通路であり、インペラ３２の外周方向に加圧された流体は、この流体通路３９ｂ，３９ａ，３９ｂを通り排出口３７に向けて移送される。
【００４１】
なお、遠心加圧室３８の内壁面の一部には、インペラ３２を構成するフィンの端面との摩擦抵抗が低くなるように形成された低摩擦部材（不図示）が配設されると好適である。低摩擦部材が配設されることで、フィンの端面が低摩擦部材と接触した状態であってもスムーズに回転できるため、斜流ポンプ２に振動や衝撃が加わったとしてもロータ３３の回転に影響しにくくなる。また、インペラ３２から流体に与えられる圧力エネルギーのロスを低減してポンプ効率を向上できる。
低摩擦部材としては、フッ素系樹脂，ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ），および親水性ポリマーからなる群から選択される１または２種類以上の材料が用いられると好適である。また、低摩擦部材としては、このような低摩擦材料を使用するものに限定されず、例えば、内壁面と同一の材料であっても、研磨処理などによって表面の摩擦抵抗を低下させたものであってもよい。
【００４２】
このような構成の斜流ポンプ２の動作を説明する。
吸入口３６からインペラ３２の中心部に導かれた流体は、インペラ３２の回転に伴い遠心方向に移動する。同時に、インペラ３２の中心部が減圧になるため新たな流体が吸入口３６から導入される。遠心力により遠心加圧室３８の外周方向に移動した流体は、流体通路３９を通って排出口３７から排出される。
【００４３】
斜流ポンプ２において、ロータ３３とインペラ３４を一体として構成することにより、ポンプ作動時にインペラ３４が浮上する力（吸入口３６側に引かれる応力）と、ロータ３３が磁力によりステータ３５側に引かれる力とが、インペラ３２とロータ３３とに対してそれぞれ働く際にも、ロータ３３に対して径方向や傾き方向の力が加わることがない。そのため、ロータ３３の動きが安定しやすく、ロータ位置調整用電磁石１１の電磁力での制御によりロータ３３の浮遊位置を制御することが容易となる。
【００４４】
ここで、斜流ポンプ２は、インペラ３４の回転に伴う流体の移送量に応じて吸入口３６側が減圧となるため、インペラ３４と一体に形成されたロータ３３は、吸入口３６側（ステータ５と離間する方向）に移動することになる。すなわち、ロータ位置調整用電磁石１１に電力を供給していない状態での、ロータ３３の軸方向に加わる応力（浮力）は、ロータ３３の回転数と回転トルクから算出することができる。
【００４５】
ロータ３３の回転数は回転数検出装置２７ｃから、回転トルクは誘起電圧検知装置２７ａと駆動電流検知装置２７ｂにより検出される誘起電圧と駆動電流から算出することができる。そのため、ロータ位置制御装置２３は、誘起電圧と駆動電流及び回転数から、ロータ３３の軸方向に加わる応力（浮力）を算出して、ロータ３３が所定位置に留まるようにロータ位置調整用電磁石１１に適切な電力を供給している。
【００４６】
斜流ポンプ２は、本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１と同様の構成を有するモータを適用することにより、以下に挙げる点においてアキシャル磁気浮上回転モータ１の特徴を備えたものとすることができる。
すなわち、ロータ位置調整用永久磁石１６とロータ位置調整用電磁石１１を回転中心部（中央部）に配置することにより、ステータ径方向の外周側に形成された場合と比べて、ロータ３３の回転への影響を軽減できる。
【００４７】
駆動用電磁石９とロータ位置調整用電磁石１１を、径方向に沿って、ほぼ同一面上に形成することができるため薄型化を図ることができると共に、従来中空部であった領域に電磁石から構成されたロータ位置調整用電磁石１１を配設する機構であるため斜流ポンプ２の小型化を図ることができる。また、回転制御装置２１及びロータ位置制御装置２３などの制御装置を、ステータ３５のロータ３３とは逆側の回路配置スペース４３に配置することで、斜流ポンプ２の一層の小型化を図ることができる。
【００４８】
さらに、誘起電圧、駆動電流、回転数からロータ３３の軸方向に加わる応力を算出する機構であることから、ギャップセンサを用いる必要がなく構造を比較的簡単にすることができる。
また、ロータ３３を軸支するベアリングがないことにより長寿命化とベアリング摺動ロスがないことによる低イナーシャ化を図ることができる。
もちろん、本実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータ１と同様の構成を遠心ポンプなどの他のターボ形ポンプに適用した場合にも、上述したアキシャル磁気浮上回転モータ１の特徴を備えたものとすることができる。
【００４９】
特に、本発明に係る斜流ポンプ２を人工心臓に適用した場合には、ロータ３３が機械的に非接触な構造であることから摩耗による汚れを発生せず、摩耗により血液を汚染する心配がないため安全性を確保することができると共に、メンテナンスフリーを実現することができるため、長期間の連続使用に適している。
もちろん、血液ポンプ以外にも、ラジエータの冷却液を循環させるためのウォータポンプなどとしても好適に用いることができる。
なお、遠心加圧室３８の内壁面の一部に低摩擦部材を配設することで、斜流ポンプ２に振動や衝撃が加わったとしてもロータ３３の回転に影響しにくくなり、また、インペラ３２から流体に与えられる圧力エネルギーのロスを低減してポンプ効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータの断面説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータのシステム構成である。
【図３】本発明の一実施形態に係るアキシャル磁気浮上回転モータのターボ形ポンプへの応用例である。
【符号の説明】
【００５１】
１ アキシャル磁気浮上回転モータ、２ 斜流ポンプ、３，３３ ロータ、４ ハウジング、５，３５ ステータ、７ ステータコア、８ シャフト、９ 駆動用電磁石、１０ ロータバックヨーク、１１ ロータ位置調整用電磁石、１２ ロータ回転用永久磁石、１３ ロータ位置調整用電磁石コア、１４ 非磁性体、１６ ロータ位置調整用永久磁石、２１ 回転制御装置、２３ ロータ位置制御装置、２５ ホール素子、２７ａ 誘起電圧検知装置、２７ｂ 駆動電流検知装置、２７ｃ 回転数検出装置、３２ インペラ、３６ 吸入口、３６ａ 整流板、３７ 排出口、３８ 遠心加圧室、３９，３９ａ，３９ｂ 流体通路、４１ カバー、４３ 回路配置スペース、４４ ケーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気浮上したロータを回転駆動する駆動用電磁石を備えるステータと、浮遊状態で維持可能なロータと、を備えたアキシャル磁気浮上回転モータにおいて、
前記ロータは、回転中心部に前記ステータに対向して配設されたロータ位置調整用永久磁石と、径方向の外周側に前記ステータに対向して配設されたロータ回転用永久磁石と、を備え、
前記ステータは、前記ロータ側の中央部にロータ位置調整用永久磁石と対向して配設されたロータ位置調整用電磁石と、前記ロータ側の径方向の外周側にロータ回転用永久磁石と対向して配設された駆動用電磁石と、を備え、
前記ロータ位置調整用電磁石の出力を調整することによって前記ロータを所定位置に維持することを特徴とするアキシャル磁気浮上回転モータ。
【請求項２】
前記駆動用電磁石を制御することで前記ロータの回転を制御する回転制御装置と、
前記ロータ位置調整用電磁石に供給する電力を制御することで前記ロータの位置を制御するロータ位置制御装置と、
前記駆動用電磁石に供給される誘起電圧を検出可能な誘起電圧検出装置と、
前記駆動用電磁石に供給される駆動電流を検出可能な駆動電流検出装置と、
前記ロータの回転数を検出可能な回転数検出装置と、を備え、
前記誘起電圧検出装置と前記駆動電流検出装置と前記回転数検出装置は、いずれも前記ロータ位置制御装置に接続され、
前記ロータ位置制御装置は、前記誘起電圧検出装置によって検出された誘起電圧と、前記駆動電流検出装置によって検出された駆動電流と、前記回転数検出装置によって検出された回転数とから、前記ロータに加わる軸方向の応力を算出すると共に、算出した前記応力の値に基づいて、前記ロータ位置調整用電磁石に供給される電力を制御して、前記ロータを所定位置に維持することを特徴とする請求項１に記載のアキシャル磁気浮上回転モータ。
【請求項３】
吸入口と排出口と両者を連通する流体通路とが形成された筒状のポンプケーシングと、
前記ポンプケーシング内に浮遊状態で維持可能なロータと、
前記ロータ側に固定されフィンを有するインペラと、
前記ロータの軸方向の排出口側に配設され前記ロータを回転駆動する駆動用電磁石を有するステータと、を備え、前記ロータの回転により前記インペラが回転することで、前記吸入口から吸い込まれた流体が前記排出口へ移送されるアキシャル磁気浮上回転モータを用いたターボ形ポンプであって、
前記ロータは、回転中心部に前記ステータに対向して配設されたロータ位置調整用永久磁石と、径方向の外周側に前記ステータに対向して配設されたロータ回転用永久磁石と、を備え、
前記ステータは、前記ロータ側の中央部にロータ位置調整用永久磁石と対向して配設されたロータ位置調整用電磁石と、前記ロータ側の径方向の外周側にロータ回転用永久磁石と対向して配設された駆動用電磁石と、を備え、
前記ロータ位置調整用電磁石の出力を調整することによって前記ロータを所定位置に維持することを特徴とするアキシャル磁気浮上回転モータを用いたターボ形ポンプ。
【請求項４】
前記駆動用電磁石を制御することで前記ロータの回転を制御する回転制御装置と、
前記ロータ位置調整用電磁石に供給する電力を制御することで前記ロータの位置を制御するロータ位置制御装置と、
前記駆動用電磁石に供給される誘起電圧を検出可能な誘起電圧検出装置と、
前記駆動用電磁石に供給される駆動電流を検出可能な駆動電流検出装置と、
前記ロータの回転数を検出可能な回転数検出装置と、を備え、
前記誘起電圧検出装置と前記駆動電流検出装置と前記回転数検出装置は、いずれも前記ロータ位置制御装置に接続され、
前記ロータ位置制御装置は、前記誘起電圧検出装置によって検出された誘起電圧と、前記駆動電流検出装置によって検出された駆動電流と、前記回転数検出装置によって検出された回転数とから、前記ロータに加わる軸方向の応力を算出すると共に、算出された前記応力の値に基づいて、前記ロータ位置調整用電磁石に供給される電力を制御して、前記ロータを所定位置に維持することを特徴とする請求項３に記載のアキシャル磁気浮上回転モータを用いたターボ形ポンプ。
【請求項１】
磁気浮上したロータを回転駆動する駆動用電磁石を備えるステータと、浮遊状態で維持可能なロータと、を備えたアキシャル磁気浮上回転モータにおいて、
前記ロータは、回転中心部に前記ステータに対向して配設されたロータ位置調整用永久磁石と、径方向の外周側に前記ステータに対向して配設されたロータ回転用永久磁石と、を備え、
前記ステータは、前記ロータ側の中央部にロータ位置調整用永久磁石と対向して配設されたロータ位置調整用電磁石と、前記ロータ側の径方向の外周側にロータ回転用永久磁石と対向して配設された駆動用電磁石と、を備え、
前記ロータ位置調整用電磁石の出力を調整することによって前記ロータを所定位置に維持することを特徴とするアキシャル磁気浮上回転モータ。
【請求項２】
前記駆動用電磁石を制御することで前記ロータの回転を制御する回転制御装置と、
前記ロータ位置調整用電磁石に供給する電力を制御することで前記ロータの位置を制御するロータ位置制御装置と、
前記駆動用電磁石に供給される誘起電圧を検出可能な誘起電圧検出装置と、
前記駆動用電磁石に供給される駆動電流を検出可能な駆動電流検出装置と、
前記ロータの回転数を検出可能な回転数検出装置と、を備え、
前記誘起電圧検出装置と前記駆動電流検出装置と前記回転数検出装置は、いずれも前記ロータ位置制御装置に接続され、
前記ロータ位置制御装置は、前記誘起電圧検出装置によって検出された誘起電圧と、前記駆動電流検出装置によって検出された駆動電流と、前記回転数検出装置によって検出された回転数とから、前記ロータに加わる軸方向の応力を算出すると共に、算出した前記応力の値に基づいて、前記ロータ位置調整用電磁石に供給される電力を制御して、前記ロータを所定位置に維持することを特徴とする請求項１に記載のアキシャル磁気浮上回転モータ。
【請求項３】
吸入口と排出口と両者を連通する流体通路とが形成された筒状のポンプケーシングと、
前記ポンプケーシング内に浮遊状態で維持可能なロータと、
前記ロータ側に固定されフィンを有するインペラと、
前記ロータの軸方向の排出口側に配設され前記ロータを回転駆動する駆動用電磁石を有するステータと、を備え、前記ロータの回転により前記インペラが回転することで、前記吸入口から吸い込まれた流体が前記排出口へ移送されるアキシャル磁気浮上回転モータを用いたターボ形ポンプであって、
前記ロータは、回転中心部に前記ステータに対向して配設されたロータ位置調整用永久磁石と、径方向の外周側に前記ステータに対向して配設されたロータ回転用永久磁石と、を備え、
前記ステータは、前記ロータ側の中央部にロータ位置調整用永久磁石と対向して配設されたロータ位置調整用電磁石と、前記ロータ側の径方向の外周側にロータ回転用永久磁石と対向して配設された駆動用電磁石と、を備え、
前記ロータ位置調整用電磁石の出力を調整することによって前記ロータを所定位置に維持することを特徴とするアキシャル磁気浮上回転モータを用いたターボ形ポンプ。
【請求項４】
前記駆動用電磁石を制御することで前記ロータの回転を制御する回転制御装置と、
前記ロータ位置調整用電磁石に供給する電力を制御することで前記ロータの位置を制御するロータ位置制御装置と、
前記駆動用電磁石に供給される誘起電圧を検出可能な誘起電圧検出装置と、
前記駆動用電磁石に供給される駆動電流を検出可能な駆動電流検出装置と、
前記ロータの回転数を検出可能な回転数検出装置と、を備え、
前記誘起電圧検出装置と前記駆動電流検出装置と前記回転数検出装置は、いずれも前記ロータ位置制御装置に接続され、
前記ロータ位置制御装置は、前記誘起電圧検出装置によって検出された誘起電圧と、前記駆動電流検出装置によって検出された駆動電流と、前記回転数検出装置によって検出された回転数とから、前記ロータに加わる軸方向の応力を算出すると共に、算出された前記応力の値に基づいて、前記ロータ位置調整用電磁石に供給される電力を制御して、前記ロータを所定位置に維持することを特徴とする請求項３に記載のアキシャル磁気浮上回転モータを用いたターボ形ポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−４１７４２（Ｐ２０１０−４１７４２Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９８１１６（Ｐ２００８−１９８１１６）
【出願日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【出願人】（０００１０１３５２）アスモ株式会社 (1,622)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【出願人】（０００１０１３５２）アスモ株式会社 (1,622)
【Ｆターム（参考）】
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