JP2005121157A - 人工心臓用の磁気軸受およびモータ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 小型化と低消費電力化と５自由度での高剛性化とを実現できる人工心臓用の磁気軸受およびモータ装置を提供する。
【解決手段】 円筒状の磁性材料部(１１〜１３)を含み、該磁性材料部の外周面の一端側に配置され且つ外周面の周方向に沿ってリング状に成形された第１磁極面１２ａと、外周面の他端側に配置され且つ外周面の周方向に沿ってリング状に成形された第２磁極面１３ａとの間に、定常的な磁場を発生するロータ部材(１１〜１４)と、ロータ部材の周りに９０°間隔で配置された４つの電磁石１６,１７からなるステータ部材とを備える。各々の電磁石は、第１磁極面の部分領域に対向配置され且つ該部分領域に沿った形状の第３磁極面１２ｂと、第２磁極面の部分領域に対向配置され且つ該部分領域に沿った形状の第４磁極面１３ｂとを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、遠心ポンプ型の人工心臓に用いられる磁気軸受およびモータ装置に関する。
遠心ポンプ型の人工心臓に組み込まれるインペラ(羽根車)の荷重を磁気力によって非接触で支持する磁気軸受が検討されている（例えば非特許文献１,２参照）。非特許文献１の磁気軸受は、５自由度制御型であり、多数の電磁石を独立制御して所望の磁気力を発生させるものであり、安定したシステムを構築できる。また、非特許文献２の磁気軸受は、小型化を図るために電磁石の数を低減し、２自由度制御型としたものである。
P.E.Allaire, H.C.Kim, E.H.Malsen, D.B.Olsen, and G.B.Bearnson, Prototype Continuous Flow Ventricular Assist Device Supported on Magnetic Bearings, Artificial Organs, Vol.20(6), 1996, pp.582-590. H.Onuma, T.Masuzawa, K.Matsuda, and Y.Okada, Magnetically Levitated Centrifugal Blood Pump with Radially Suspended Self-Bearing Motor, Proceedings of the 8th International Symposium on Magnetic Bearing, Mito, Japan, August 2002, pp.3-8.
しかしながら、５自由度制御型の磁気軸受（非特許文献１）には、システム全体が複雑で体積や重量が大きく、消費電力が大きいという問題がある。さらに、２自由度制御型の磁気軸受（非特許文献２）には、非制御方向の剛性が低いという問題がある。
本発明の目的は、小型化と低消費電力化と５自由度での高剛性化とを実現できる人工心臓用の磁気軸受およびモータ装置を提供することにある
請求項１に記載した人工心臓用の磁気軸受は、円筒状の磁性材料部を含み、該磁性材料部の外周面の一端側に配置され且つ前記外周面の周方向に沿ってリング状に成形された第１磁極面と、前記外周面の他端側に配置され且つ前記外周面の周方向に沿ってリング状に成形された第２磁極面とを有し、前記第１磁極面と前記第２磁極面との間に定常的な磁場を発生するロータ部材と、前記ロータ部材の周りに９０°間隔で配置された４つの電磁石からなるステータ部材とを備え、前記４つの電磁石の各々は、前記ロータ部材の前記第１磁極面の部分領域に対向配置され且つ該部分領域に沿った形状の第３磁極面と、前記ロータ部材の前記第２磁極面の部分領域に対向配置され且つ該部分領域に沿った形状の第４磁極面とを有するものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載した人工心臓用の磁気軸受において、前記ロータ部材は、リング状の永久磁石を含み、該永久磁石によって前記第１磁極面と前記第２磁極面との間に定常的な磁場を発生するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載した人工心臓用の磁気軸受において、前記永久磁石の外周面は、前記ロータ部材のラジアル方向の変位を計測するセンサ部のターゲットである。
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載した人工心臓用の磁気軸受と、前記ロータ部材に固定されたハルバッハ型の永久磁石アレイと、前記ハルバッハ型の永久磁石アレイに対向配置された空芯コイルアレイとを備えたものである。
本発明の人工心臓用の磁気軸受およびモータ装置によれば、小型化と低消費電力化と５自由度での高剛性化とを実現することができる。
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の磁気軸受１０は、図１に示すように、遠心ポンプ型の人工心臓に組み込まれるインペラ１０ａの荷重を磁気力によって非接触で支持する軸受であり、インペラ１０ａのスラスト方向(Ｚ方向)を中心とした回転方向(Ψ方向)を除く５自由度での剛性が正となる軸受である。５自由度とは、スラスト方向(Ｚ方向)の１自由度と、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の２自由度と、傾き方向(Θ方向,Φ方向)の２自由度とである。スラスト方向はインペラ１０ａの回転軸方向に対応し、ラジアル方向は回転軸方向に垂直な方向に対応し、傾き方向はラジアル方向を中心とした微小回転の方向に対応する。
さらに、本実施形態の磁気軸受１０は、２自由度制御型の磁気軸受であり、上記した５自由度のうち、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の２自由度のみを制御対象とする。つまり、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)のみが能動型であり、他のスラスト方向(Ｚ方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)の３自由度に関しては受動型となっている。
また、本実施形態の磁気軸受１０には、インペラ１０ａにΨ方向の回転トルクを与えるための駆動機構（つまりハルバッハ(Halbach)型の永久磁石アレイ２１および空芯コイルアレイ２２）が組み込まれ、モータ装置を構成している。磁気軸受１０と永久磁石アレイ２１と空芯コイルアレイ２２を含めた全体の質量は、１７２ｇである。磁気軸受１０の外形寸法は、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)に関して７０ｍｍ、スラスト方向(Ｚ方向)に関して１６ｍｍである。
次に、本実施形態の磁気軸受１０と永久磁石アレイ２１と空芯コイルアレイ２２について順に説明する。
磁気軸受１０は、インペラ１０ａに固定されたロータ部材(１１〜１４)と、ハウジング部材１５に固定されたステータ部材(１６,１７)とで構成される。なお、後述の永久磁石アレイ２１は、ロータ部材(１１〜１４)の内側に固定され、空芯コイルアレイ２２はハウジング部材１５に固定される。また、ハウジング部材１５には、ロータ部材(１１〜１４)のラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の変位を計測する渦電流式の変位センサ１８も配置されている。
ロータ部材(１１〜１４)は、リング状で厚さ４ｍｍのネオジム永久磁石１１と、厚さ２ｍｍの電磁軟鉄リング１２,１３と、アルミ部材１４とで構成されている。このうち、ネオジム永久磁石１１と電磁軟鉄リング１２,１３は、ネオジム永久磁石１１を電磁軟鉄リング１２,１３の間に挟んだ状態で一体化され、円筒状の磁性材料部(１１〜１３)を構成する。この磁性材料部(１１〜１３)はアルミ部材１４の外側に固定されている。なお、アルミ部材１４の内側には後述の永久磁石アレイ２１が固定される。アルミ部材１４の外周面１４ａは、変位センサ１８のターゲットである。
また、一方の電磁軟鉄リング１２の外周面（つまり磁性材料部(１１〜１３)の外周面の一端側）は、この外周面の周方向に沿ってリング状に成形された磁極面１２ａ（請求項の「第１磁極面」）となっている。他方の電磁軟鉄リング１３の外周面（つまり磁性材料部(１１〜１３)の外周面の他端側）は、この外周面の周方向に沿ってリング状に成形された磁極面１３ａ（請求項の「第２磁極面」）となっている。そして、２つの磁極面１２ａ,１３ａの間には、ネオジム永久磁石１１によって定常的な磁場が発生する。
ステータ部材(１６,１７)は、ｘ方向制御用の２つの電磁石１６ｘ,１７ｘと、ｙ方向制御用の２つの電磁石１６ｙ,１７ｙとで構成される。ｘ方向制御用の電磁石１６ｘ,１７ｘは、ロータ部材(１１〜１４)を挟んでｘ方向に対向配置され、ｙ方向制御用の電磁石１６ｙ,１７ｙは、ロータ部材(１１〜１４)挟んでｙ方向に対向配置される。これら４つの電磁石１６ｘ,１７ｘ,１６ｙ,１７ｙは、ロータ部材(１１〜１４)の周りに９０°間隔で配置されたことになる。
電磁石１６ｘ,１７ｘ,１６ｙ,１７ｙの構成は全て同じである。電磁石１６ｘを例に構成を説明する。電磁石１６ｘは、横断面がコの字型を成す電磁軟鉄コア３１の中央に、コイル３２を巻き付けたものである。コイル３２の巻き数は例えば７８回である。
電磁軟鉄コア３１には、２つの磁極面１２ｂ,１３ｂ（請求項の「第３磁極面」,「第４磁極面」）が設けられ、上記したロータ部材(１１〜１４)の磁極面１２ａ,１３ａの各々の部分領域に対向配置されている。電磁軟鉄コア３１の磁極面１２ｂ,１３ｂの形状は、ロータ部材(１１〜１４)の磁極面１２ａ,１３ａの部分領域に沿った形状である（図２参照）。なお、磁極面１２ａ,１２ｂのギャップは１ｍｍ程度、磁極面１３ａ,１３ｂのギャップも１ｍｍ程度である。
このように、ロータ部材(１１〜１４)とステータ部材(１６,１７)は、磁極面１２ａ,１２ｂどうしが対向配置され、磁極面１３ａ,１３ｂどうしが対向配置される。このため、ロータ部材(１１〜１４)のネオジム永久磁石１１によって磁極面１２ａ,１３ａの間に発生した定常的な磁場は、ステータ部材(１６,１７)の磁極面１２ｂ,１３ｂを介して内部を通過することになる。
つまり、ネオジム永久磁石１１のＮ極側から出て、電磁軟鉄リング１３→磁極面１３ａ→ギャップ→磁極面１３ｂ→電磁軟鉄コア３１→磁極面１２ｂ→ギャップ→磁極面１２ａ→電磁軟鉄リング１２を順に経た後、ネオジム永久磁石１１のＳ極に戻る磁束φの通路、つまり閉じた磁気回路（閉磁路）が形成される。
また、ロータ部材(１１〜１４)とステータ部材(１６,１７)による磁気回路は、磁極面１２ａ,１２ｂのギャップと磁極面１３ａ,１３ｂのギャップ以外で連続しているため、ネオジム永久磁石１１からの磁束φの漏れはほとんどないと言える。つまり、ネオジム永久磁石１１からの磁束φを効率良く利用できる。
さらに、ネオジム永久磁石１１からの磁束φのループは、磁極面１２ａ,１２ｂのギャップを横切ると共に、磁極面１３ａ,１３ｂのギャップを横切っている。このため、ロータ部材(１１〜１４)とステータ部材(１６,１７)は、磁束φのループにより、仮想的なバネによって連結された状態と考えられる（磁気カップリング）。
ここで、仮想的なバネの剛性の符号は、スラスト方向(Ｚ方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)とを合わせた３自由度に関して「正」になる。つまり、スラスト方向(Ｚ方向)の１自由度においてロータ部材(１１〜１４)が理想的な位置から変位すると（図３の状態）、ロータ部材(１１〜１４)には磁束φのループによる復元力Ｆ1が働く。また、傾き方向(Θ方向,Φ方向)の２自由度においてロータ部材(１１〜１４)が理想的な位置から傾くと（図４の状態）、ロータ部材(１１〜１４)には磁束φのループによる復元トルクＦ2が働く。
何れの場合にも、ロータ部材(１１〜１４)は、復元力Ｆ1（または復元トルクＦ2）により、図１に示すように、一方の磁極面１２ａがステータ部材(１６,１７)の磁極面１２ｂに対向し、他方の磁極面１３ａがステータ部材(１６,１７)の磁極面１３ｂに対向する状態（つまり理想的な位置に整列した状態）へ向けて動くことになる。
その結果、ロータ部材(１１〜１４)は、磁極面１２ａ,１３ａの各々が磁極面１２ｂ,１３ｂに対向する整列状態に安定して保持される。つまり、スラスト方向(Ｚ方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)とを合わせた非制御方向の３自由度に関しては、ネオジム永久磁石１１からの磁束φのループによって、ロータ部材(１１〜１４)の剛性を充分に確保することができる。
これに対し、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の２自由度に関しては、ネオジム永久磁石１１からの磁束φのループによる仮想的なバネの剛性が「負」になってしまう。このため、本実施形態の磁気軸受１０では、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の仮想的なバネの剛性を補正して「正」にする目的で、ｘ方向制御用の電磁石１６ｘ,１７ｘおよびｙ方向制御用の２つの電磁石１６ｙ,１７ｙの各々のコイル３２に励磁電流を供給する。
また、各々のコイル３２に対する励磁電流の向きと強さは、変位センサ１８からの出力信号に基づいてフィードバック制御される。ここで、変位センサ１８は、ロータ部材(１１〜１４)のラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の変位、具体的にはアルミ部材１４の外周面１４ａ（ターゲット）の変位を計測する。磁気軸受１０の制御装置は、変位センサ１８からの出力信号と、ロータ部材(１１〜１４)のラジアル方向の目標位置信号とを比較し、ロータ部材(１１〜１４)が目標位置に戻るようにフィードバック制御する。
例えば、Ｘ方向の１自由度においてロータ部材(１１〜１４)が理想的な位置から変位すると（図５の状態）、磁気軸受１０の制御装置は、変位方向とは逆向きの制御力Ｆ3を発生させるために、ｘ方向制御用の電磁石１６ｘ,１７ｘのコイル３２に供給する励磁電流の向きと強さをフィードバック制御する。
図５のように、ロータ部材(１１〜１４)が電磁石１７ｘの方へ変位した場合、この電磁石１７ｘによって磁束φとは逆向きの磁束ψ1を発生させ、他方の電磁石１６ｘによって磁束φと同じ向きの磁束ψ2を発生させる。このとき、電磁石１７ｘの電磁軟鉄コア３１を含む磁気回路では磁束が弱められ、電磁石１６ｘの電磁軟鉄コア３１を含む磁気回路では磁束が強められる。その結果、ロータ部材(１１〜１４)を電磁石１６ｘの方へ引き戻すような制御力Ｆ3が発生する。
したがって、ロータ部材(１１〜１４)は、電磁石１６ｘ側でのギャップと電磁石１７ｘ側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。ｙ方向制御用の電磁石１６ｙ,１７ｙについても同様のフィードバック制御が行われ、ロータ部材(１１〜１４)は、電磁石１６ｙ側でのギャップと電磁石１７ｙ側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。
つまり、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の２自由度に関しては、ネオジム永久磁石１１からの磁束φのループと電磁石１６ｘ,１７ｘ,１６ｙ,１７ｙからの磁束ψ1,ψ2のループとの合成によって、仮想的なバネの剛性が「正」になり、ロータ部材(１１〜１４)の剛性を充分に確保することができる。
上記のように、本実施形態の磁気軸受１０では、ロータ部材(１１〜１４)のスラスト方向(Ｚ方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)とを合わせた非制御方向の３自由度に関し、ネオジム永久磁石１１からの磁束φのループによって十分な剛性を確保でき、さらに、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の２自由度に関し、電磁石１６ｘ,１７ｘ,１６ｙ,１７ｙからの磁束ψ1,ψ2のループとの合成によって十分な剛性を確保できる。すなわち、５自由度での高剛性化が実現する。さらに、本実施形態の磁気軸受１０は、２自由度制御型であり、電磁石と永久磁石とを併用するため、小型化と低消費電力化も実現する。
ここで、本実施形態の磁気軸受１０の非制御方向に関する剛性の実験結果（図６）を説明する。この実験結果は、ロータ部材(１１〜１４)の上に分銅を載せたときの変位を測定し、多数の測定値から静剛性を求めたものである。図６の“実験”の欄が本実施形態の磁気軸受１０の結果である。“比較例”は、上記した非特許文献２に記載された従来の磁気軸受の静剛性である。両者の比較から、本実施形態の磁気軸受１０の静剛性は格段に高いと分かる。
また、ロータ部材(１１〜１４)を停止させた状態での軸受精度は、制御方向であるラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)に関して、約２μｍであり、ギャップ（１ｍｍ）と比較して非常に小さいことが分かった。さらに、非制御方向であるスラスト方向(Ｚ方向)に関しては約１μｍ、傾き方向(Θ方向,Φ方向)に関しては約０.４ｍradと、非常に小さいことが分かった。
したがって、次に説明する駆動機構（つまりハルバッハ型の永久磁石アレイ２１および空芯コイルアレイ２２）によるロータ部材(１１〜１４)のΨ方向の回転運動を自由にした状態で、ロータ部材(１１〜１４)に固定されたインペラ１０ａの５自由度の荷重を非接触で安定して支持することが可能となる。
永久磁石アレイ２１（図１）について説明する。永久磁石アレイ２１は、既に説明した通り、ロータ部材(１１〜１４)のアルミ部材１４の内側に固定される。また、永久磁石アレイ２１は、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)に平行な面内において、図７に示すような構造となっている。つまり、着磁方向が９０°ずつ異なる４種類の永久磁石３３〜３６を、周方向に沿って順に繰り返し配列したものである（合計１６個）。このようなハルバッハ型の永久磁石アレイ２１では、外周部に磁束漏れが少なく、半径方向の強い磁束Ｍ1が内側に発生する。
そして、永久磁石アレイ２１の内側（磁束Ｍ1の発生領域）に、空芯コイルアレイ２２（図１,図２）が対向配置される。既に説明した通り、空芯コイルアレイ２２は、ハウジング部材１５に固定されている。また、空芯コイルアレイ２２は、２相８極（合計１６個）の構成である。具体的には、図８に示すように、Ａ相の４個のコイル４１とＢ相の４個のコイル４２とを交互に重ねてアクリル板(不図示)の上に配置し、このコイル列の両端部４１ａ,４２ａを繋いで円筒状とし、その開口部分（図８の部分４３,４４に相当）を図９(ａ)のように内側に折り返したものである。図９(ａ)は空芯コイルアレイ２２を上から見た外観図である。
したがって、空芯コイルアレイ２２は、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)に平行な面内において、図９(ｂ)のような断面構造となる。つまり、Ａ相のコイル４１とＢ相のコイル４２が周方向に沿って交互に配列された構造となる。このような空芯コイルアレイ２２では、紙面に垂直な方向（つまりスラスト方向(Ｚ方向)）に沿って電流が流れる。また、Ａ相の４個のコイル４１とＢ相の４個のコイル４２は、それぞれ直列に接続される。このため、空芯コイルアレイ２２における電流の向きは、図１０のようになる。
そして、図１１に示すように、ハルバッハ型の永久磁石アレイ２１による半径方向の磁束Ｍ1により、空芯コイルアレイ２２におけるスラスト方向(Ｚ方向)の電流には、Ψ方向のローレンツ力ＦLが作用する。しかし、空芯コイルアレイ２２はハウジング部材１５に固定されているため、ローレンツ力ＦLの反作用力ＦRを受けて、永久磁石アレイ２１がΨ方向に回転し、ロータ部材(１１〜１４)もΨ方向に回転する。
なお、上記したローレンツ力ＦLによる回転を維持するためには、例えばホール素子などによって永久磁石アレイ２１の回転角度を計測し、その角度に応じて空芯コイルアレイ２２のコイル４１,４２に供給する電流の向きを反転させる必要がある。具体的には、永久磁石アレイ２１がπ/８だけ回転するごとに、Ａ相のコイル４１の電流とＢ相のコイル４２の電流とを交互に反転させればよい。
このように、ハルバッハ型の永久磁石アレイ２１と空芯コイルアレイ２２とからなる駆動機構によれば、ロータ部材(１１〜１４)に対してローレンツ力ＦLによるΨ方向の回転トルクのみを作用させることができる。つまり、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の電磁力が発生することはない。したがって、磁気軸受１０の消費電力を抑えることができる。
さらに、空芯（コアレス）コイルを用いたため、ロータ部材(１１〜１４)の偏心時に、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の電磁不平衡力が発生することはない。したがって、磁気軸受１０の消費電力を抑えることができる。
ここで、ロータ部材(１１〜１４)にΨ方向の回転トルクを与えて１０００ｒｐｍで回転させたときの軸受精度は、制御方向であるラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)に関して、約６μｍであり、ギャップ（１ｍｍ）と比較して非常に小さいことが分かった。さらに、非制御方向であるスラスト方向(Ｚ方向)に関しては約６μｍ、傾き方向(Θ方向,Φ方向)に関しては約１ｍradと、非常に小さいことが分かった。また、この回転状態での消費電力は、磁気軸受１０が１.６２Ｗ、駆動機構(２１,２２)が１.３９Ｗであった。さらに、駆動機構(２１,２２)の最大発生トルクは０.０２７Ｎｍであった。また、磁気軸受１０の閉磁路を電磁軟鉄(１２,１３,３１)により構成したが、回転減衰係数は十分小さいことも分かった(９.３６×１０-5Ｎｓ)。これらのことから、人工心臓用の磁気軸受およびモータ装置として実用的に十分な性能を得ることができたと言える。
このように、本実施形態では、ロータ部材(１１〜１４)とインペラ１０ａとを、磁気軸受１０によりハウジング部材１５に対して完全に非接触な状態で浮上させ、内部に組み込まれた駆動機構(２１,２２)により安定してΨ方向に回転させることができる。その結果、信頼性が向上する。また、駆動機構(２１,２２)を内蔵型としたため、システム全体を小型化できる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、ロータ部材(１１〜１４)のアルミ部材１４の外周面１４ａ（図１参照）を変位センサ１８のターゲットとしたが、本発明はこれに限定されない。図１２に示すように、ロータ部材(１１〜１４)のネオジム永久磁石１１の外周面１１ａを変位センサ１８のターゲットとしても構わない。この場合、アルミ部材１４の高さを低くすることができ、さらに小型化が図られる。
さらに、上記した実施形態では、図７に示す永久磁石アレイ２１のように、永久磁石３３〜３６の着磁方向がラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)に平行な面内で９０°ずつ異なる例を説明したが、本発明はこれに限定されない。図１３(上面図)および図１４(展開図）に示す永久磁石アレイ５１のように、４種類の永久磁石の着磁方向が円筒面内で９０°ずつ異なる場合（合計１６個）にも、本発明を適用できる。このようなハルバッハ型の永久磁石アレイ５１では、スラスト方向(Ｚ方向)の強い磁場Ｍ2が下側に発生する。
また、永久磁石アレイ５１と組み合わせて用いる空芯コイルアレイ５２は、図１５に示すように２相８極（合計１６個）の構成であり、図１６に示すように永久磁石アレイ５１の下側（磁場Ｍ2の発生領域）に配置される。このとき、空芯コイルアレイ５２の各々のコイルのうち、ラジアル方向(Ｘ方向,Ｙ方向)に平行な面内を流れる放射状の電流部分が、磁場Ｍ2の発生領域内に位置する。
そして、ハルバッハ型の永久磁石アレイ５１からのスラスト方向の磁束Ｍ2により、空芯コイルアレイ５２におけるラジアル方向の電流には、Ψ方向のローレンツ力ＦLが作用する。しかし、空芯コイルアレイ５２はハウジング部材(不図示)に固定されているため、ローレンツ力ＦLの反作用力ＦRを受けて、永久磁石アレイ５１がΨ方向に回転し、ロータ部材(１１〜１４)もΨ方向に回転する。
なお、上記したローレンツ力ＦLによる回転を維持するためには、例えばホール素子などによって永久磁石アレイ５１の回転角度を計測し、その角度に応じて空芯コイルアレイ５２のコイルに供給する電流の向きを反転させる必要がある。具体的には、永久磁石アレイ５１がπ/８だけ回転するごとに、Ａ相のコイルの電流とＢ相のコイルの電流とを交互に反転させればよい。この構成によれば、空芯コイルアレイ５２を簡単に構成できるという利点がある。
また、永久磁石アレイ５１と空芯コイルアレイ５２とからなる駆動機構を人工心臓用の磁気軸受１０に組み込む場合には、磁気軸受１０のネオジム永久磁石１１と永久磁石アレイ５１との磁気干渉に起因してコギングトルクが発生する可能性がある。コギングトルクとは、回転角度に依存した復元トルクである。しかし、磁気軸受１０を構成する４つの電磁石のうち、隣り合う電磁石どうしのギャップを小さくすることで、コギングトルクの発生を抑えることができる。例えば、ネオジム永久磁石１１の外周面の長さを１５０ｍｍとした場合、電磁石どうしのギャップが０.８４ｍｍ（合計３.３６ｍｍ）であれば、コギングトルクを１Ｎｍｍ以下に抑えることができる。
本実施形態の磁気軸受１０の全体構成を示す断面図である。 磁気軸受１０の全体構成を示す上面図である。 非制御方向(Ｚ方向)の剛性を説明する図である。 非制御方向(Θ方向,Φ方向)の剛性を説明する図である。 制御方向(Ｘ方向,Ｙ方向)の剛性を説明する図である。 非制御方向に関する剛性の実験結果を説明する図である。 永久磁石アレイ２１の構成を説明する上面図である。 空芯コイルアレイ２２の構成を説明する展開図である。 空芯コイルアレイ２２の構成を説明する上面図(ａ)と断面図(ｂ)である。 空芯コイルアレイ２２における電流の向きを説明する模式図である。 永久磁石アレイ２１と空芯コイルアレイ２２によるローレンツ力ＦLを説明する図である。 変形例の磁気軸受の断面図である。 変形例の永久磁石アレイ５１の構成を説明する上面図である。 変形例の永久磁石アレイ５１の構成を説明する展開図である。 変形例の空芯コイルアレイ５２の構成を説明する上面図である。 変形例の永久磁石アレイ５１と空芯コイルアレイ５２によるローレンツ力ＦLを説明する図である。
符号の説明
１０ 磁気軸受
１１ ネオジム永久磁石
１２，１３ 電磁軟鉄リング
１４ アルミ部材
１５ ハウジング部材
１６ｘ,１６ｙ，１７ｘ,１７ｙ 電磁石
１８ 変位センサ
２１，５１ ハルバッハ型の永久磁石アレイ
２２，５２ 空芯コイルアレイ
３１ 電磁軟鉄コア
３２ コイル
３３，３４，３５，３６ 永久磁石
４１，４２ コイル

Claims (4)

  1. 円筒状の磁性材料部を含み、該磁性材料部の外周面の一端側に配置され且つ前記外周面の周方向に沿ってリング状に成形された第１磁極面と、前記外周面の他端側に配置され且つ前記外周面の周方向に沿ってリング状に成形された第２磁極面とを有し、前記第１磁極面と前記第２磁極面との間に定常的な磁場を発生するロータ部材と、
    前記ロータ部材の周りに９０°間隔で配置された４つの電磁石からなるステータ部材とを備え、
    前記４つの電磁石の各々は、前記ロータ部材の前記第１磁極面の部分領域に対向配置され且つ該部分領域に沿った形状の第３磁極面と、前記ロータ部材の前記第２磁極面の部分領域に対向配置され且つ該部分領域に沿った形状の第４磁極面とを有する
    ことを特徴とする人工心臓用の磁気軸受。
  2. 請求項１に記載した人工心臓用の磁気軸受において、
    前記ロータ部材は、リング状の永久磁石を含み、該永久磁石によって前記第１磁極面と前記第２磁極面との間に定常的な磁場を発生する
    ことを特徴とする人工心臓用の磁気軸受。
  3. 請求項２に記載した人工心臓用の磁気軸受において、
    前記永久磁石の外周面は、前記ロータ部材のラジアル方向の変位を計測するセンサ部のターゲットである
    ことを特徴とする人工心臓用の磁気軸受。
  4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載した人工心臓用の磁気軸受と、
    前記ロータ部材に固定されたハルバッハ型の永久磁石アレイと、
    前記ハルバッハ型の永久磁石アレイに対向配置された空芯コイルアレイとを備えた
    ことを特徴とするモータ装置。
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