JP2001336528A - 磁気浮上装置 - Google Patents

磁気浮上装置

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JP2001336528A
JP2001336528A JP2000154769A JP2000154769A JP2001336528A JP 2001336528 A JP2001336528 A JP 2001336528A JP 2000154769 A JP2000154769 A JP 2000154769A JP 2000154769 A JP2000154769 A JP 2000154769A JP 2001336528 A JP2001336528 A JP 2001336528A
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levitation
impeller
sensor
electromagnet
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Takami Ozaki
孝美 尾崎
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NTN Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波ノイズを除去して安定な制御が可能な
磁気軸受装置を提供する。 【解決手段】 インペラ３１の一方側を電磁石２３によ
って支持し、他方側を永久磁石３２とモータロータ４６
の永久磁石４５とを吸引させて支持して磁気浮上させ、
モータロータ４６をモータステータ４７で回転すること
によりインペラ３１を回転させる磁気浮上装置におい
て、磁気軸受センサ２４の出力を整流してシフトし、ゲ
インを調整した後、ノッチフイルタ６４によって搬送波
信号の中心周波数成分を除去し、ＰＩＤ補償器６５が高
周波ノイズによって電圧飽和を引き起こすのを防止す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は磁気浮上装置に関
し、特に、インペラを磁気浮上させて血液などの液体を
排出する磁気浮上装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図７は従来の磁気浮上装置の一例の磁気
浮上式液体ポンプ装置の縦断面図とコントローラのブロ
ック図である。図７磁気浮上式液体ポンプ装置１００
は、ハウジング１０１内に電磁石部１２０とポンプ部１
３０とモータ部１４０とが内蔵されて構成されている。
電磁石部１２０には電磁石１２１と磁気軸受用センサ１
２２とが内蔵されている。ハウジング１０１の一方側面
の中心部には液体が流入する流入口１０２が形成されて
おり、電磁石１２１と磁気軸受用センサ１２２は流入口
１０２のまわりにそれぞれ少なくとも３個ずつ配置され
ている。これらの電磁石１２１と磁気軸受用センサ１２
２は電磁石部１２０とポンプ部１３０とを仕切る隔壁１
０３に取付けられている。
【０００３】ポンプ部1３０内にはインペラ（羽根車）
１３１が回転可能に収納されており、インペラ１３１の
電磁石部１２０側（一方側）は隔壁１０３を介して電磁
石１２１によって非接触で支持され、磁気軸受用センサ
１２２によってインペラ１３１の一方側との間の距離が
検出される。インペラ１３１の他方側には永久磁石１３
２が埋込まれている。モータ部１４０にはモータ１４１
とロータ１４２とが収納されている。ロータ１４２のポ
ンプ部１３０に対向する面にはインペラ１３１に埋込ま
れた永久磁石１３２に隔壁１０４を介して対向するよう
に永久磁石１４３が埋込まれている。
【０００４】上述のごとく構成された液体ポンプ装置に
おいて、磁気軸受センサ１２２のセンサ出力は、コント
ローラ２００に含まれるセンサ回路２０１に与えられ、
センサ回路２０１によってインペラ１３１の一方側と磁
気軸受センサ１２２との間隔が検出される。センサ回路
２０１の出力は、ＰＩＤ補償器２０２に与えられてＰＩ
Ｄ補償が行われ、ＰＩＤ補償器２０２の出力はパワーア
ンプ２０３で増幅されて電磁石１２１に与えられる。し
たがって、電磁石１２１によってインペラ１３１の対向
する面への吸引力が制御される。
【０００５】一方、インペラ１３１のモータ部１４０側
には、永久磁石１３２と１４３とからなる吸引力が働
き、インペラ１３１は永久磁石１３２と１４３とによる
非制御式軸受と、電磁石１２１による制御式軸受とによ
ってが磁気浮上する。そして、モータ制御回路２０５か
らの制御信号がパワーアンプ２０４に与えられ、パワー
アンプ２０４によりモータ１４１が駆動され、モータ１
４１の駆動力によってインペラ１３１が回転し、流入口
１０２に流入した血液などの液体がポンプ部１３０に形
成された吐出口（図示せず）から流出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】図７に示した磁気軸受
センサ１２２は、搬送波を利用したリラクタンス型セン
サが用いられる。このリラクタンス型センサは、図７に
示した隔壁１０３を介してインペラ１３１と対向してお
り、隔壁として導電性材料が用いられている。特に、血
液ポンプでは血液との適合性から一般にチタンが用いら
れている。このため、リラクタンス型センサから生じる
磁気力によって導電性を示すチタン内に渦電流が発生し
てセンサ感度が低下してしまう。
【０００７】これを避けるために、搬送波周波数として
は低周波数域が用いられるが、磁気軸受の制御に影響を
及ぼす可能性が高くなる。すなわち、搬送波を利用した
リラクタンス型センサは、その搬送波周波数の約２デカ
ード低い周波数、たとえば搬送周波数が１０ｋＨｚであ
れば１００Ｈｚまでその検出に位相遅れを生じる。この
ため安定した磁気軸受制御のためにはこれを補償するた
めに、高周波域まで位相を進ませるようにＰＩＤ補償器
２０２を構築する必要がある。その結果、ＰＩＤ補償器
２０２のゲインが上がり、搬送周波数の成分でＰＩＤ補
償器２０２内の回路部で電圧飽和を起こし、安定した制
御ができないという問題がある。
【０００８】それゆえに、この発明の主たる目的は、搬
送波の周波数成分を除去して安定な制御が可能な磁気軸
受装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明は、浮上して駆
動される浮上体を有し、この浮上体を駆動する駆動手段
と、浮上体の浮上位置を検出する磁気式位置検出手段
と、磁気浮上式位置検出手段の出力に基づいて、浮上体
を非接触で支持する制御式磁気軸受部とを有し、磁気式
位置検出手段は、浮上体との間に導電性材料からなる隔
壁を介して配置されている磁気浮上装置において、磁気
式位置検出手段と制御式磁気軸受部の制御部との間に接
続され、磁気式位置検出手段の搬送波を除去するフイル
タを備えたことを特徴とする。
【００１０】したがって、この発明では、フイルタによ
って搬送波の中心周波数を除去した後増幅することがで
きるので、電圧飽和を起こすことなく安定した制御が可
能となる。
【００１１】好ましくは、磁気式位置検出手段は、浮上
体に近接して設けられ、浮上体との間の距離の変化に応
じてインダクタンスが変化するリラクタンス型センサ
と、リラクタンス型センサの出力に基づいて、インダク
タンスの変化に応じた信号を出力するセンサ回路とを含
むことを特徴とする。
【００１２】より好ましくは、フイルタは、帯域除去型
フイルタであって、センサ回路の直後に配置されること
を特徴とする。
【００１３】さらに、よりこのましくは、浮上体は回転
することによって液体を排出するためのインペラであっ
て、磁気浮上装置は磁気式浮上ポンプを構成することを
特徴とする。
【００１４】さらに、より好ましくは、インペラを磁気
カップリングによって回転駆動する回転駆動手段を備え
たことを特徴とする。
【００１５】さらに、より好ましくは、インペラは血液
を排出するものであって、磁気浮上装置は血液ポンプ装
置を構成することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１の実施形態
の磁気浮上装置としての液体ポンプ装置を示す図であ
り、特に、図１（ａ）は縦断面図を示し、図１（ｂ）は
図１（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。図２は図１
の線Ｂ−Ｂに沿う断面矢視図であり、図３は図１の線Ｃ
−Ｃに沿う断面矢視図である。なお、図２ではセンサ部
を簡略的に、また図３ではセンサ部を省略して記載され
ている。
【００１７】図１において、液体ポンプ装置は、ケーシ
ング１が隔壁１１と１２と１３と１４とによって区切ら
れ、各区域に磁気軸受部２０と、ポンプ部３０と、モー
タ部４０とが設けられる。ケーシング１はプラスチッ
ク，セラミック，金属などから形成されるが、ケーシン
グ１のうち電磁石部２０とポンプ部３０との間の隔壁１
２およびポンプ部３０とモータ部４０との間の隔壁１３
には磁性材料を使用することができないので非磁性材料
で構成される。
【００１８】ポンプ部３０のケーシング１内にはポンプ
室３３が設けられていて、このポンプ室３３内でインペ
ラ３１が回転し、流入口１５から流入した流体を図1
（ｂ）に示す吐出口１６から排出する。インペラ３１は
複数の羽根３４を有しており、羽根３４は図１（ｂ）に
示すように渦巻型に形成されている。インペラ３１は非
制御式磁気軸受を構成する永久磁石３２を有する非磁性
部材３５と、制御式磁気軸受のロータに相当する軟質磁
性部材３６とを含む。永久磁石３２はインペラ３１の円
周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石は互いに
反対方向の磁極に着磁されている。
【００１９】なお、ポンプ室３３内全体に抗凝固剤であ
るヘパリンをコーティングすることによって、これらの
部分での血栓形成を防ぎ、血液輸送用ポンプとして利用
することができる。この場合、ヘパリングコーティング
は、凝固系活性化抑制，血小板保護、活性化抑制，炎症
系活性抑制，線溶系活性化抑制，感染抑制などの効果を
もたらす。
【００２０】また、図１において、インペラ３１の斑点
部分は軟質磁性材料を示し、その他の部分は非磁性材料
を示している。血液のような腐食性の流体を搬送する用
途に用いる場合には、軟質磁性材料としては高耐食性フ
ェライト系ステンレススチール（ＳＵＳ４４７Ｊ、ＳＵ
Ｓ４４４等）、非磁性材料としては高耐食性オーステナ
イト系ステンレススチール（ＳＵＳ３１６Ｌ等）、もし
くはチタン合金、純チタン等が好ましい。
【００２１】インペラ３１の永久磁石３２を有する側に
対向するようにして、モータ部４０には隔壁１３の中心
部から隔壁１４側に伸びる円柱部４８が形成されてい
る。この円柱部４８の外周面には転がり軸受からなるモ
ータ軸受４９が設けられ、このモータ軸受４９に軸支さ
れて、モータロータ４６が回転可能に設けられ、円柱部
４８の先端部にはモータステータ４７が取付けられる。
モータロータ４６はモータステータ４７によって駆動さ
れて回転する。モータロータ４６にはインペラ３１の永
久磁石３２に対向しかつ吸引力が作用するようにインペ
ラ３１側と同数の永久磁石４５が設けられる。この永久
磁石４５も互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極
に着磁されている。
【００２２】なお、モータとしては、ＤＣブラシレスモ
ータを含む同期モータや、インダクションモータを含む
非同期モータなどが使用されるが、モータの種類は問わ
ない。
【００２３】電磁石部２０には、電磁石部２０とポンプ
部３０とを仕切る隔壁１２の内壁に、インペラ３１の軟
質磁性部材３６を有する側に対向するようにして、電磁
石２３と磁気軸受センサ２４とが取り付けられる。この
電磁石２３と磁気軸受センサ２４によりポンプ室３３に
おいて永久磁石３２と４５の吸引力に釣り合ってインペ
ラ３１を、ポンプ室３３の中心に保持することができ
る。
【００２４】このように構成することによって、電磁石
２３で生じた熱を隔壁１２に伝達してポンプ部３０内の
液体によって冷却することができる。同様にして、モー
タステータ４７で生じた熱も円柱部４８から隔壁１３に
伝達され、モータ部３０内の液体によって冷却される。
その結果、ケーシング１の外側に熱が伝わるのを減少で
きる。また、磁気軸受用センサ２４に伝わる熱も少なく
でき、センシングを安定化できる。さらに、隔壁１２と
１３の厚みをある程度厚くして電磁石２３と磁気軸受用
センサ２４とモータステータ４７を取付けるだけの強度
を持たせれば、ハウジング１の外径部分の厚みを薄くで
きるという利点がある。
【００２５】電磁石２３と磁気軸受センサ２４は、図２
および図３に示すように配置される。すなわち、各対を
なす電磁石２３の磁極５１と５２との間にはセンサ２４
１が配置され、磁極５３と５４との間にはセンサ２４２
が配置され、磁極５５と５６との間にはセンサ２４３が
配置されている。これらのセンサ２４１ないし２４３と
しては、リラクタンス式センサなどの磁気式センサが用
いられる。
【００２６】さらに、図３に示すように、各電磁石２３
のヨーク７１〜７６は円柱形状で形成されていて、各電
磁石ヨーク７１〜７６には電磁石コイル８１〜８６がそ
れぞれ巻回されている。
【００２７】このように、磁極５１ないし５６を円周方
向に配置することで、電磁石部２０内に収納できる電磁
石コイル８１〜８６の収納スペースを増加でき、ポンプ
サイズを大きくすることなく、コイルの巻スペースを広
く確保できる。このようにコイル収納スペースを広げる
ことにより、電磁石コイルの巻数を増加させたり、コイ
ルの線径を太くすることも可能となった結果、電磁石の
省電力化を図ることができる。
【００２８】また、電磁石ヨーク７１〜７６の形状を円
柱形状とすることにより、各電磁石ヨーク７１〜７６へ
の電磁石コイル８１〜８６の巻付作業が容易となる。さ
らに、各電磁石ヨーク７１〜７６の形状が単純であるた
め、電磁石コイル８１〜８６との絶縁が確実となる。な
お、電磁石ヨーク７１〜７６は円柱にしているが、これ
は角柱であってもよく、それによって、コイルの巻き作
業が容易となり、その結果コイルとヨークとの間の絶縁
耐圧を確保しやすくなる。
【００２９】さらに、図２および図３ではすべての電磁
石ヨーク７１〜７６と電磁石コイル８１〜８６を同一円
周上に配置しているが、収納スペースを有効に確保する
ために、各電磁石ヨーク７１〜７６および電磁石コイル
８１〜８６は同一円周上になくてもよい。
【００３０】磁気軸受の各電磁石の磁極とヨークを円周
方向に配置することにより、磁気軸受部のスペースを増
やすことなく、すなわち電磁石のヨークを円柱もしくは
角柱にすることが可能になる。
【００３１】図４はこの発明の第１の実施形態の磁気浮
上装置としての液体ポンプを制御するコントローラの例
を示すブロック図である。
【００３２】図４において、図１に示した磁気軸受セン
サ２４は、インダクタンスＬを有しており、搬送波発生
回路６０からたとえば１００ｋＨｚの搬送波信号が容量
Ｃ２を介して磁気軸受センサ２４に与えられる。磁気軸
受センサ２４は図１に示したインペラ３１との間の間隔
に応じて搬送波の振幅が変化した検出信号を出力して、
容量Ｃ３を介して整流回路６１に与える。整流回路６１
はその検出信号を整流した直流信号を出力してシフト回
路６２、さらにゲイン調整回路６３に与える。
【００３３】シフト回路６２とゲイン調整回路６３とに
よってセンサ出力のゼロ点調整およびゲインの調整され
たセンサ信号は、ノッチフイルタ６４に与えられて搬送
波の中心周波数成分が除去される。
【００３４】図５は図４に示したノッチフイルタ６４の
周波数遮断特性を示す図である。図５に示すように、ノ
ッチフイルタ６４は搬送波の中心周波数ｆ0を急峻に減
衰させる帯域減衰フイルタである。このようにノッチフ
イルタ６４を設けることにより、センサの出力成分から
搬送波の周波数成分を除去することができる。その結
果、後段に接続されているＰＩＤ補償器６５のゲインを
上げてもＰＩＤ補償器６５内の回路部で電圧飽和を起こ
すことがなく、安定した制御を実現できる。ＰＩＤ補償
器６５の出力はパワーアンプ６６に与えられて電磁石２
３が駆動される。
【００３５】なお、ノッチフイルタ６４はＰＩＤ補償器
６５の前段に接続しているが、さらに磁気軸受センサ２
４の出力の近い方に接続してもよい。
【００３６】図６はこの発明の第２の実施形態の磁気浮
上装置としてのターボ分子ポンプ用スピンドルの断面図
である。図６において、回転軸１５１は上下に設けられ
たラジアル磁気軸受１５２，１５３によってラジアル方
向が支持され、スラスト磁気軸受１５４によってスラス
ト方向が支持されている。ラジアル磁気軸受１５２、１
５３の上下にはラジアル位置センサ１５５，１５６が配
置されている。これらのラジアル位置センサ１５５，１
５６は回転軸１５１との間の隙間を検出するものであ
り、磁気式センサであるリラクタンス型センサが用いら
れている。
【００３７】ラジアル磁気軸受１５２と１５３との間に
は回転軸１５１を回転駆動するためのモータ１５７が設
けられている。ラジアル磁気軸受１５２の下部およびラ
ジアル位置センサ１５６の下部には保護用転がり軸受１
５８，１５９が配置されている。これらの保護用転がり
軸受１５８，１５９は電源が遮断されたときなどにおい
て、ラジアル磁気軸受１５２，１５３によって支持され
なくなった回転軸１５１を支持するために設けられてい
る。回転軸１５１の下部には、回転軸１５１のスラスト
位置を検出するスラスト位置センサ１６０が設けられ
る。このスラスト位置センサ１６０も磁気式センサであ
るリラクタンス型センサが用いられる。
【００３８】このように構成されたターボ分子ポンプ用
スピンドルにおいて、ラジアル位置センサ１５５，１５
６とスラスト位置センサ１６０はいずれもリラクタンス
型センサが用いられているので、従来例の説明と同様な
問題が発生する。
【００３９】そこで、図４に示したコントローラを各セ
ンサごとに配置し、ラジアル位置センサ１５５，１５６
とスラスト位置センサ１６０の各出力をＰＩＤ補償器の
前段に設けたノッチフイルタに接続すれば、搬送波周波
数の成分を除去することができ、ノッチフイルタの出力
に基づいて、対応のラジアル磁気軸受１５２，１５３お
よびスラスト磁気軸受１５３を制御するようにすれば、
安定した制御を実現できる。
【００４０】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
【００４１】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、磁気
式位置検出手段と磁気式軸受部の制御部との間に搬送波
を除去するためのフイルタを接続するようにしたので、
フイルタの後段に接続される回路がセンサ回路に使用さ
れる搬送波成分によって電圧飽和を引き起こすことがな
く、安定した制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の実施形態を示す図であり、
（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は図１の線Ａ−Ａに沿
う断面図である。
【図２】 図１の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。
【図３】 図１の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。
【図４】 この発明の磁気浮上装置を制御するコントロ
ーラの概略ブロック図である。
【図５】 図４に示したノッチフイルタの周波数遮断特
性を示す図である。
【図６】 この発明の第２の実施形態のターボ分子ポン
プ用スピンドルの縦断面図である。
【図７】 従来の磁気浮上式液体ポンプ装置の縦断面図
とコントローラのブロック図である。
【符号の説明】
１ ケーシング、１１，１２，１３，１４ 隔壁、１５
流入口、１６ 吐出口、２０ 電磁石部、２３ 電磁
石、２４ 磁気軸受センサ、３０ ポンプ部、３１ イ
ンペラ、３２，４５ 永久磁石、３３ ポンプ室、３４
羽根、３５非磁性部材、３６ 軟質磁性部材、４０
モータ部、４７ モータステータ、４６ モータロー
タ、４８ 円柱部、４９ モータ軸受、６０ 搬送波発
生回路、６１ 整流回路、６２ シフト回路、６３ ゲ
イン調整回路、６４ ノッチフイルタ、６５ ＰＩＤ補
償器、６６ パワーアンプ。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０２Ｋ 7/09 Ｈ０２Ｋ 7/09 7/14 7/14 Ｂ Ｆターム(参考） 3H020 AA01 AA07 BA10 CA08 DA24 3J102 AA01 BA03 BA19 CA10 DA02 DA07 DA09 DA12 DB01 DB05 DB24 DB27 DB32 DB37 GA06 4C077 DD08 5H607 AA12 BB01 BB06 BB07 BB09 BB14 BB17 CC01 CC05 DD19 GG07 GG19 GG21

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 浮上して駆動される浮上体を有し、該浮
    上体を駆動する駆動手段と、 前記浮上体の浮上位置を検出する磁気式位置検出手段
    と、 前記磁気浮上式位置検出手段の出力に基づいて、前記浮
    上体を非接触で支持する制御式磁気軸受部とを有し、 前記磁気式位置検出手段は、前記浮上体との間に導電性
    材料からなる隔壁を介して配置されている磁気浮上装置
    において、 前記磁気式位置検出手段と前記制御式磁気軸受部の制御
    部との間に接続され、該磁気式位置検出手段の搬送波を
    除去するフイルタを備えたことを特徴とする、磁気浮上
    装置。
  2. 【請求項２】 前記磁気式位置検出手段は、 前記浮上体に近接して設けられ、該浮上体との間の距離
    の変化に応じてインダクタンスが変化するリラクタンス
    型センサと、 前記リラクタンス型センサの出力に基づいて、前記イン
    ダクタンスの変化に応じた信号を出力するセンサ回路と
    を含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気浮上装
    置。
  3. 【請求項３】 前記フイルタは、帯域除去型フイルタで
    あって、前記センサ回路の直後に配置されることを特徴
    とする、請求項２に記載の磁気浮上装置。
  4. 【請求項４】 前記浮上体は、回転することによって液
    体を排出するためのインペラであって、前記磁気浮上装
    置は磁気式浮上ポンプを構成することを特徴とする、請
    求項１に記載の磁気浮上装置。
  5. 【請求項５】 さらに、前記インペラを磁気カップリン
    グによって回転駆動する回転駆動手段を備えたことを特
    徴とする、請求項４に記載の磁気浮上装置。
  6. 【請求項６】 前記インペラは、血液を排出するもので
    あって、前記磁気浮上装置は血液ポンプ装置を構成する
    ことを特徴とする、請求項４または５に記載の磁気浮上
    装置。
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