JP2014135876A - モータ用制御装置、制御機能付きモータ、モータシステム及びポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回転軸をギアを用いないで制御可能なモータ用制御装置及び制御機能付きモータ、消費電力を小さくするモータシステム及びポンプシステムとを提供する。
【解決手段】制御機能付きモータ１０が、回転軸１１ａを有するモータ１１と、回転軸１１ａに装着された磁石１２と、磁石１２が発生する磁界と交差するように配置された巻線コイル１３と、巻線コイル１３に接続された負荷１４と、負荷１４の値を調整する調整部１５ａと、を備え、調整部１５ａが負荷１４の可変抵抗の値を調整することにより、巻線コイル１３に流れる電流を制御してモータ１１の回転数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの回転速度を制御するモータ用制御装置、そのモータ用制御装置を用いた制御機能付きモータ、その制御機能付きモータを用いたモータシステム及びポンプシステムに関する。

従来、モータの回転数を制御するためには、モータの回転軸にギアを装着して回転スピードを制御する手法、モータに流す駆動信号を制御する手法などがある。例えば、モータを直流駆動する場合、ＰＷＭ（pulse width modulation）制御をすることにより、回転数を制御することができる。

一方、本発明者らはワイヤレスで駆動することができる磁気ポンプを開発してきた（特許文献１）。

ＷＯ２０１２／００８３８３ Ａ１

モータの回転軸にギアを装着すると、モータが大きくなるという問題がある。また、ＤＣモータをＰＷＭ制御して高速回転すると、消費電力が大きくなるという問題がある。

上記課題に鑑み、本発明の第１の目的は、モータの回転軸をギアを用いないで制御する、モータ用制御装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、上記モータ用制御装置を用いた制御機能付きモータを提供することにある。
本発明の第３の目的は、消費電力を小さくするモータシステムを提供することにある。
本発明の第４の目的は、消費電力を小さくするポンプシステムを提供することにある。

本発明の第１の目的を達成するために、本発明の第１の構成に係るモータ用制御装置は、磁石と、磁石が発生する磁界と交差するように配置される巻線コイルと、巻線コイルに接続される負荷と、負荷の値を調整する制御系と、を備え、磁石がモータの回転軸に装着されて、制御系が負荷の値を調整することにより、巻線コイルに流れる電流を制御してモータの回転数を制御する。

本発明の第１の目的を達成するために、本発明の第２の構成に係るモータ用制御装置は、磁石と、磁石が発生する磁界と交差するように配置された巻線コイルと、磁石と巻線コイルとの相対的な位置関係を調整する制御系と、を備え、磁石がモータの回転軸に装着されて、制御系が磁石と巻線コイルとの相対的な位置関係を調整することにより、巻線コイルに流れる電流を制御してモータの回転数を制御する。

本発明の第２の目的を達成するために、本発明の制御機能付きモータの構成は、本発明のモータ用制御装置と、モータと、を備え、磁石は、異極が回転軸の回りに沿って並ぶように配置されている。

本発明の第３の目的を達成するために、本発明の第１の構成に係るモータシステムは、本発明の制御機能付きモータと、モータを駆動制御する駆動部と、を備え、制御系が、さらに、負荷の調整による制御、駆動部によるＰＷＭ制御の何れかを、モータの回転速度に応じて選択する選択部を備える。

本発明の第３の目的を達成するために、本発明の第２の構成に係るモータシステムは、本発明の制御機能付きモータと、モータを駆動制御する駆動部と、を備え、制御系が、さらに、磁石と巻線コイルとの相対的な位置関係の調整による制御、駆動部によるＰＷＭ制御の何れかを、モータの回転速度に応じて選択する選択部を備える。

本発明の第４の目的を達成するために、本発明のポンプシステムは、ポンプケース内にインペラーを回転自在に収容してなる磁気ポンプと、本発明の制御機能付きモータと、を備え、インペラーの一部又は全部が磁性体で構成されて、磁石が発生する磁界によりインペラーが回転する。

本発明の第１の構成に係るモータ用制御装置によれば、モータの回転軸に磁石を装着してモータを回転させると、磁石の回転により巻線コイルに変動磁界が生じてそれにより巻線コイルに電流が流れる。制御系が負荷を調整することにより、巻線コイルに流れる電流が増減し、巻線コイルから磁石に生じる力が増減し、モータの回転を制御することができる。よって、現に回転している回転軸を、機械的なギアを用いないで、電磁気的なギアを用いて制御することができる。

本発明の第２の構成に係るモータ用制御装置によれば、モータの回転軸に磁石を装着してモータを回転させると、磁石の回転により巻線コイルに変動磁界が生じ、それにより巻線コイルに電流が流れる。制御系が磁石と巻線コイルとの相対的な位置関係を調整することにより、巻線コイルに流れる電流が増減し、巻線コイルから磁石に生じる力が増減し、モータの回転を制御することができる。よって、現に回転している回転軸を、機械的なギアを用いないで、電磁気的なギアを用いて制御することができる。

本発明の制御機能付きモータによれば、本発明の第１、第２の構成に係るモータ用制御装置により、モータの回転軸にギアを装着せず、磁石と巻線コイルとに生じる力により、モータの回転を制御することができる。

本発明の第１の構成に係るモータシステムによれば、選択部が、負荷の調整による制御と駆動部によるＰＷＭ制御とをモータの回転速度に応じて選択する。モータの回転軸の回転が速い場合には、駆動部は、モータに一定の信号を印加することによりモータを駆動しながら、制御系により負荷を調整してモータの回転速度を調整する一方、モータの回転軸の回転が遅い場合には、駆動部はモータをＰＷＭ制御で駆動する。これにより、消費電力を抑えることができる。

本発明の第２の構成に係るモータシステムによれば、選択部が、磁石と巻線コイルとの相対的な位置関係の調整による制御と駆動部によるＰＷＭ制御とをモータの回転速度に応じて選択する。モータの回転軸の回転が速い場合には、駆動部が、モータに一定の信号を印加することによりモータを駆動しながら、制御系により巻線コイルと磁石との軸方向の相対位置関係を変化させてモータの回転速度を調整する一方、モータの回転軸の回転が遅い場合には、駆動部はモータをＰＷＭ制御で駆動する。これにより、消費電力を抑えることができる。

本発明のポンプシステムによれば、磁気ポンプを物理的に分離して配置した制御機能付きモータにより駆動することができる。インペラーの回転軸とモータの回転軸とが未接続でワイヤレスで駆動する。よって、ワイヤレスでかつ回転軸のシールが不要となるため、例えば、例えば海底、放射能施設等特殊な環境下においても、磁気ポンプを用いることにより、流体を流すことができる。また、閉塞空間に磁気ポンプを収容しても、外部から磁気ポンプを駆動することができるため、例えば、細い管内、動物体内、人体などの非常に狭い空間内に磁気ポンプだけを収容することも可能である。

本発明の第１実施形態に係るモータ用制御装置を用いた制御機能付きモータのブロック構成図である。 図１に示す制御機能付きモータのうち、調整部及び駆動部を除いたコンポーネントを模式的に示す図である。 図１に示す磁石についての説明図である。 図２に示す制御機能付きモータの実装例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るモータ用制御装置を用いた制御機能付きモータの構成図であり、（ａ）（ｂ）は巻線コイルと磁石との相対的な位置関係がそれぞれ異なっているときを示している。 本発明の第３実施形態に係るモータシステムのブロック構成図である。 モータの回転駆動とＥＭ制御とのハイブリッドの効果を説明するためのグラフである。 モータの回転数に対する電圧のピークｔｏピークの値の関係を示すグラフである。 本発明の第４実施形態に係るモータシステムの構成図である。 本発明の第５実施形態に係るポンプシステムの模式図である。 ポンプケースに収容されるロータの具体的な構成を示し、（ａ）はロータの斜視図、（ｂ）はロータを構成する一つのインペラーの斜視図、（ｃ）はインペラーの平面図、（ｄ）はインペラーの正面図である。 （ａ）及び（ｂ）は別のインペラーの斜視図である。 磁気ポンプを心臓ポンプとして用いた場合において、モータの回転駆動とＥＭ制御とのハイブリッドの効果を説明するためのグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。なお、本発明の実施形態は、下記した事項に限られることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲において、発明を適用する場面に応じて適宜変更することができる。

〔第１実施形態に係るモータ用制御装置及び制御機能付きモータ〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ用制御装置を用いた制御機能付きモータのブロック構成図であり、図２が図１に示す制御機能付きモータのうち、制御系１５及び駆動部１６を除いたコンポーネントを模式的に示す図である。

本発明の第１実施形態に係るモータ用制御装置１は、モータ１１に取り付けられて制御機能付きモータ１０を構成するものであり、モータ１１の回転軸１１ａに装着される磁石１２と、磁石１２が発生する磁界と交差するように配置される巻線コイル１３と、巻線コイル１３に直列接続される負荷１４と、負荷１４の値を調整する制御系１５と、を備える。制御系１５には調整部１５ａが設けられており、調整部１５ａが負荷１４の値を調整することにより、巻線コイル１３に流れる電流を制御してモータ１１の回転数を制御する。

モータ１１は、駆動部１６から直流が印加されることで回転軸１１ａ，１１ｂが回転する、いわゆる電動機であれば、いかなるものであってもよい。モータ１１は回転軸１１ａ，１１ｂを有しており、回転軸１１ａ及び１１ｂは連動して回転する。磁石１２が回転軸１１ａの一端部に装着されている。図示しない被回転物が回転軸１１ｂに装着されていてもよい。磁石１２は回転軸１１ａを貫通するように装着され、回転軸１１ａの先端部に被回転物が装着されてもよい。

磁石１２は、永久磁石であり、異極が回転軸１１ａの回りに沿って並ぶように配置できるものであればよい。磁石１２は、例えば図３（ａ）に示すような棒磁石で、回転軸１１ａの回りにＮ極とＳ極とが少なくとも一つずつ存在すればよい。また図３（ｂ）に示すような円盤状の磁石で、直径を挟んでＮ極とＳ極とが分離されていてもよい。しかしながら、図３（ｃ）に示すように、回転軸１１ａの一端側と他端側とにＮ極とＳ極とが配置されているものは適用できない。回転軸１１ａが回転しても磁界分布の変化が殆どなく、巻線コイル１３に電流が流れないからである。

巻線コイル１３は、磁石１２が発生する磁界と交差するように配置されていれば良い。つまり、巻線コイル１３は、磁石１２により発生する磁界を検知可能な位置に配置される。巻線コイル１３の形状は任意である。また、巻数についても一巻き以上であればよく、磁石１２の強さ、制御すべきモータ１１の回転速度等により設定される。

図１、図２に示すように、負荷１４は巻線コイル１３の両端に電気的に直列接続されている。これにより、負荷１４と巻線コイル１３とがループを形成する。負荷１４は、可変抵抗成分を備えていれば、インダクタンス成分、キャパシタンス成分の何れか一方又は双方も備えていてもよく、可変抵抗成分が巻線コイル１３に対して電気的な負荷となる。インダクタンス成分、キャパシタンス成分を含んでいることにより、負荷１４が変動磁界に対してインピーダンス整合をとることができ、負荷１４の小型化を図ることができる。また、インダクタンス成分及びキャパシタンス成分の何れか一方又は双方についても調整可能とすれば、モータ１１の回転数に応じて整合をとることができる。

制御系１５において、調整部１５ａは、負荷１４の少なくとも抵抗成分の大きさを調整するものである。

負荷１４及び調整部１５ａは、電子部品等で構成してもよい。つまり、接合型トランジスタ、ＦＥＴトランジスタなどの電子デバイスを用いて、調整部１５としてゲート電極などの制御電極に、電圧を調整して印加することで実現できる。また、電子部品のみならず機械的なスイッチとスイッチを動作させるもので構成してもよい。

本発明の第１実施形態に係る制御機能付きモータ１０は、駆動部１６により回転軸１１ａ，１１ｂが回転するところ、磁石１２が回転軸１１ａに装着されていることにより、磁石１２の周囲の磁界が刻々変化する。巻線コイル１３はこの磁界の変化を受けて、負荷１４及び巻線コイル１３に電流が流れる。この電流により磁石１２にも減速の回転力を与えることになる。一方、調整部１５ａで負荷１４の抵抗成分を調整することにより、巻線コイル１３及び負荷１４からなる回路のインピーダンスが変化する。よって、負荷１４が調整されることにより、回転軸を加減速することができ、モータの回転を制御することができる。

図４は、図２に示す制御機能付きモータ１０の実装例を示す図である。図４に示すように、回転軸１１ａが鉛直方向に沿って配置されており、モータ１１の上端に円筒状のハウジング１７が配置されている。回転軸１１ａ及び磁石１２はハウジング１７内に収容されている。巻線コイル１３として、図４に示すように鞍型のコイルがハウジング１７の外周に装着されている。

巻線コイル１３としての鞍型コイルは、軸回りに湾曲した第１湾曲部１３ａ及び第２湾曲部１３ｂと，軸方向に沿って延びる第１連結部１３ｃ及び第２連結部１３ｄとを備えている。巻線が第１連結部１３ｃ，第１湾曲部１３ａ，第２連結部１３ｄ，第２湾曲部１３ｂを順に形成するように巻かれて、その巻きが繰り返されることで、鞍型コイルが形成される。鞍型コイルのうち主に第１連結部１３ｃ及び第２連結部１３ｄには、磁石１２の回転により誘導電流が流れる。第１連結部１３ｃ及び第２連結部１３ｄは、回転軸に沿うような直線状、屈曲した形状、その他の形状であってもよい。

〔第２実施形態に係るモータ用制御装置及び制御機能付きモータ〕
図５は、本発明の第２実施形態に係るモータ用制御装置を用いた制御機能付きモータの概念図である。本発明の第２実施形態に係るモータ用制御装置２は、モータ２１に取り付けられて制御機能付きモータ２０を構成するものであり、モータ２１の回転軸２１ａに装着される磁石２２と、磁石２２が発生する磁界と交差するように配置される巻線コイル２３と、磁石２２、巻線コイル２３の何れか一方又は双方をモータ２１の回転軸２１ａの軸方向に沿って移動させる制御系２４と、を備える。磁石２２が回転軸２１ａに装着されているので、モータ２１と巻線コイル２３との軸方向の相対的な位置関係を制御することにより、磁石２２と巻線コイル２３との軸方向の相対的な位置関係が調整される。

制御系２４は、巻線コイル２３を回転軸方向に移動させるための移動機構２４ａと、移動機構２４ａを調整するための調整部２４ｂと、を備える。移動機構２４ａはアクチュエータを用いて構成することができる。例えば図５に示すように、巻線コイル２３を保持する枠体２５にアクチュエータが取り付けられる。例えば巻線コイル２３の両端が接続されて巻線コイル２３は無端のループ回路を構成しており、このループ回路に流れる電流を電流検出器２４ｃで検出する。検出信号が調整部２４ｂに入力されることで調整部２４ａが移動機構２４ａを制御する。

よって、調整部２４ｂからの信号が移動機構２４ａとしてのアクチュエータに入力され、アクチュエータが枠体２５と共に巻線コイル２３を移動する。これに伴って図５（ａ）から図５（ｂ）へ又はその逆に、モータ２１と巻線コイル２３との相対的な位置関係が変化することにより、巻線コイル２３と交差する磁石２２の磁界が変化する。よって、第１実施形態に示す負荷を変化させることと同様の効果を得ることができる。つまり、制御系２４は、モータ２１と巻線コイル２３との相対位置の変化により、巻線コイル２３に流れる電流を制御してモータ５１の回転数を制御することができる。

図５（ａ）に示す状態では、巻線コイル２３と鎖交する磁束量が大きくなり、図５（ｂ）に示す状態では、巻線コイル２３と鎖交する磁束量が小さくなる。よって、図５（ａ）の状態に比べて、図５（ｂ）の状態の方が、モータ２１の回転にブレーキをかけないことになる。

ここで、図５に示すように、移動機構２４ａが枠体２５と共に巻線コイル２３を回転軸２１ａに沿って移動させる場合を示しているが、別にこれに限定されることはなく、モータ２１に移動機構２４ａを取り付けて、モータ２１を回転軸２１ａに沿って移動させてもよい。

〔第３実施形態に係るモータシステム〕
次に、第１実施形態に係るモータ用制御装置及び制御機能付きモータを使用したモータシステムについて説明する。図６は、本発明の第３実施形態に係るモータシステムのブロック構成図である。本発明の第３実施形態に係るモータシステム３は、図１に示す制御機能付きモータ１０と、モータを駆動制御する駆動部３１と、制御系３２とを備える。制御系３２は、図１に示す調整部１５ａと、調整部１５ａ及び駆動部３１にそれぞれ接続される制御部３３とを備える。

駆動部３１は、モータ１１に直流電圧を印加することにより、モータ１１を駆動する。駆動部３１は、モータ１１に印加する直流電圧のデューティ比を制御する所謂ＰＷＭ駆動制御と、モータ１１に一定電圧を印加する制御と、を切り換えてモータ１１を駆動することができる。

制御部３３は選択部３３ａを備えており、選択部３３ａがモータ１１の回転軸１１ａ，１１ｂの回転速度に応じて、負荷１４による制御と、駆動部３１によるＰＷＭ（pulse width modulation）制御と、を選択する。前者の負荷１４による制御を便宜上、ＥＭ（Electromagnetic）制御と呼ぶことにする。

制御部３３の選択部３３ａがＥＭ制御を選択すると、駆動部３１からは一定の電圧をモータ１１に印加すると同時に、調整部１５により負荷１４の値を調整する。

制御部３３の選択部３３ａがＰＷＭ制御を選択すると、駆動部３１はＰＷＭ制御によりモータ１１にＰＷＭ制御された電圧信号が印加される。このとき、巻線コイル１３と負荷１４とは接続しないか、又は、負荷１４の抵抗成分を最大値（無限大）に調整する。

このような制御を行う理由について説明する。図７は、モータの回転駆動とＥＭ制御とのハイブリッドの効果を説明するためのグラフである。図７（ａ）は、ＥＭ制御の場合において一定電圧の負荷抵抗に対する消費電力及び回転速度の関係を示し、図７（ｂ）はＰＷＭ制御において一定負荷の回転速度に対する消費電力の関係を示し、図７（ｃ）は、回転速度に対する消費電力の関係を示す。

ＥＭ制御では、図７（ａ）に示すように、横軸に示す一定電圧における負荷抵抗が大きくなると、左縦軸に示す消費電力が小さくなり、右縦軸に示す回転速度が大きくなる。一方、ＰＷＭ制御では、図７（ｂ）に示すように、横軸に示す負荷一定での回転速度が大きくなると、縦軸に示す消費電力が大きくなる。そこで、図７（ｃ）に示すように、回転速度が大きい場合には、消費電力が右下がりのＥＭ制御を行う一方、回転速度が小さい場合には、消費電力が右上がりのＰＷＭ制御を行う。そうすることにより、回転速度の大小を問わず、消費電力を一定以下に抑えることができる。

制御部３３において、モータ１１の回転速度をモニターする際、回転センサを用いてそのセンサの検出信号が選択部３３ａに入力されることにより、選択部３３ａが回転センサによる検出信号に基づいてＥＭ制御とＰＷＭ制御とを切り替えてもよい。

別の手法として、図６に示すように、巻線コイル１３に信号検出器３４を接続し、信号検出器３４が巻線コイル１３の両端に生じる電圧を検出してもよい。巻線コイル１３に生じる電圧は、モータ１１の回転数に依存する。図８は、モータ１１の回転数に対する電圧のピークｔｏピークの値の関係を示すグラフである。例えば、モータ１１の回転数が大きくなると、巻線コイル１３に生じる電圧のピークｔｏピークの値が比例して大きくなる。信号検出器３４の検出信号、つまり電圧値に応じてモータ１１の回転数が１対１に対応するからである。制御部３３が信号検出器３４から検出信号を入力し、信号検出器３４の検出信号からモータ１１の回転速度をモニタリングして、制御部３３の選択部３３ａにより回転速度に応じてＥＭ制御とＰＷＭ制御とを切り替えてもよい。そうすれば、別途、回転センサを設ける必要がない。

さらに、第１実施形態に係るモータ用制御装置及び制御機能付きモータを用いたモータシステム３では、図６に示すように、整流器３５と変換器３６とバッテリー３７とを備える。整流器３５は、負荷１４の後段に接続され、負荷１４に加わる電圧を整流する。変換器３６は、整流器３５の後段に接続され、ＤＣ／ＤＣ変換により値の調整を行う。この整流器３５と変換器３６を纏めて整流及び変換を行う変換部と呼んでもよい。

制御部３３には、充電回路を含む充電部３３ｂを備えることにより、この充電部３３ｂによって変換部から、負荷１４の抵抗成分で取り出した電気を再利用することができる。また、充電部３３ｂは、バッテリー３６から充電される。図示しないが、コンセントからＡＣを受けて、ＡＣ／ＤＣ変換を受けて、充電部３３ｂが充電されてもよい。

このような構成を採用することにより、駆動部３１により回転軸１１ａ，１１ｂに伝えられたエネルギーのうち、負荷１４側に伝達されるエネルギーを再度充電部３３ｂにチャージすることができる。すると、バッテリー３６の容量を必要以上に大きくする必要がなく、省エネにもつながる。

このようなモータシステム３を、後述するように、完全埋め込み型の心臓補助ポンプの駆動系として利用する場合、バッテリー３６に一回の充電で貯えられるエネルギー量が少ない方が好ましい。

〔第４実施形態に係るモータシステム〕
第４実施形態に係るモータ用制御装置及び制御機能付きモータの場合でも同様に、モータシステムを構成することができる。図９は、本発明の第４実施形態に係るモータシステムのブロック構成図である。本発明の第４実施形態に係るモータシステム４は、図２に示す制御機能付きモータ２０と、モータを駆動制御する駆動部４１と、制御系４２とを備える。制御系４２は、図１に示す移動機構２４ａ及び調整部２４ｂと、調整部２４ｂ及び駆動部４１にそれぞれ接続される制御部４３とを備える。

駆動部４１は、第３実施形態の場合と同様、モータ２１に直流電圧を印加することにより、モータ２１を駆動する。駆動部４１は、モータ２１に印加する直流電圧のデューティ比を制御する所謂ＰＷＭ駆動制御と、モータ２１に一定電圧を印加する制御と、を切り換えてモータ２１を駆動することができる。

制御部４３は選択部４３ａを備えており、選択部４３ａがモータ２１の回転軸２１ａの回転速度に応じて、磁石２２と巻線コイル２３との相対的な位置関係の調整による制御、駆動部によるＰＷＭ制御の何れかを、モータ２１の回転速度に応じて選択する。前者の相対的な位置関係の調整による制御を便宜上、ＥＭ（Electromagnetic）制御と呼ぶことにする。

選択部４３ａがＥＭ制御を選択すると、駆動部４１からは一定の電圧をモータ２１に印加すると同時に、調整部２４ｂにより移動機構２４ａを駆動して、磁石２２と巻線コイル２３との位置関係を調整する。図５（ａ）に示すように磁石２１と巻線コイル２３との軸方向の相対距離を短くすると、回転数を減少させることができ、図５（ｂ）に示すように磁石２１と巻線コイル２３との軸方向の相対距離を長くすると、回転数を増加させることができる。

選択部４３ａがＰＷＭ制御を選択すると、駆動部４１はＰＷＭ制御によりモータ２１にＰＷＭ制御された電圧信号が印加される。このとき、移動機構２４により巻線コイル２３を移動させない。

第４実施形態においても、第３実施形態で図７を参照して説明したように、ＥＭ制御では、図５（ｂ）に示すように磁石２１と巻線コイル２３との軸方向の相対距離を長くすると、回転速度を大きくすることができ、消費電力が小さくなる。一方、ＰＷＭ制御では、回転速度が大きくなると、消費電力が大きくなる。よって、回転速度が大きい場合には、消費電力が右下がりのＥＭ制御を行う一方、回転速度が小さい場合には、消費電力が右上がりのＰＷＭ制御を行う。そうすることにより、回転速度の大小を問わず、消費電力を一定以下に抑えることができる。

制御系４２に、モータ２１の回転速度をモニターする際、回転センサを用いてそのセンサの検出信号が選択部４３ａに入力されることにより、選択部４３ａが回転センサによる検出に基づいてＥＭ制御とＰＷＭ制御とを切り替えてもよい。

なお、図９に示すシステムにおいても、充電回路を含む充電部４３ｂと、バッテリー４４を設けるなどしてもよい。

〔第５実施形態に係るポンプシステム〕
本発明の第５実施形態に係るポンプシステムについて図１０を用いて説明する。ポンプシステム５は、図１に示す制御機能付きモータ１０又は図２に示す制御機能付きモータ２０を用いたシステムである。以下では、制御機能付きモータ１０の場合を例に説明をするが、制御機能付きモータ２０の場合も同様である。図１０は、本発明の第５実施形態に係るポンプシステムの模式図である。ポンプシステム５は、図１０に示すように、制御機能付きモータ１０と磁気ポンプ５０とを備えて構成される。

磁気ポンプ５０は、例えば、インレット５１ａとアウトレット５１ｂを設けたポンプケース５１と、このポンプケース５１内に回転自在に収容したインペラー５２とを備える。このタイプの磁気ポンプ５０は、本発明者らが既に設計開発したものを用いてもよく、その内容については特許文献１に開示している。

ポンプケース５１として円筒形の容器を用い、上面にはインレット５１ａを設け、側面にはアウトレット５１ｂを設け、その容器内に一又は複数のインペラー５２を収容する。アウトレット５１ｂは、インペラー５２の高さの半分の位置に設けるとよい。インペラー５２は例えば磁性体材料を用いて所定の羽形状に成形したものを用いてもよいし、所定の羽形状の成形体の一部に磁性体を含ませるように成形したものを用いてもよいし、成形体の羽の表面に磁性体をコーティング等したものを用いてもよい。

図１１は、ポンプケースに収容されるロータの具体的な構成を示し、（ａ）はロータの斜視図、（ｂ）はロータを構成する一つのインペラーの斜視図、（ｃ）はインペラーの平面図、（ｄ）はインペラーの正面図である。図１１（ａ）に示すロータ６０は、複数のインペラー６１を重ね、上下の円筒体６２ａ，６２ｂで挟んで構成される。各インペラー６１は、貫通穴６１ａを有する円盤部６１ｂの上面に仕切り部６１ｃを複数配置して構成されている。図１１（ｃ）に示すように、仕切り部６１ｃは、貫通穴６１ａの接線方向に沿って互いに９０度をなすように配置される。仕切り部６１ｃと貫通穴６１ａの接線方向とのなす角は、仕切り部６１ｃの数に応じて適宜設定される。よって、貫通穴６１ａ側から見て仕切り部６１ｃ同士でスリットを形成しており、インペラー６１が回転することにより、貫通穴６１ａから流入した液体をスリットの外側に吐き出すことができる。

図１１に示すロータ６０は一つの例であり、流体の性質、流速、流量に応じて適宜設計変更することができる。図１２（ａ）及び（ｂ）は別のインペラー６３の斜視図である。図１２では、インペラー６３は、貫通穴６３ａを有する円盤部６３ｂの上面に仕切り部６３ｃを複数配置して構成されている。仕切り部６３ｃの内側端部６３ｄは、円盤部６３ｂの貫通穴６３ａに部分的に沿って配置され、仕切り部６３ｃの外側端部６３ｅは円盤部６３ｂの外周に至っており、仕切り部６３ｃの中間部６３ｆは肉厚となっている。そして、仕切り部６３ｃ同士が、内側端部６３ｄ側では幅の狭いスリットを形成し、外側端部６３ｅ側では間隔を広くして、外側端部６３ｅでは流体を外側に押し出すようにフィンの機能を持たせている。このような形状のインペラー６３を採用することにより、貫通穴６３ａから流れ込んだ流体をより外側に強く押し出すことができる。

図１０に示すように、この例では、磁石１２の周りに配置した巻線コイル１３で遮断されないで、磁石１２による磁界が届く位置に、インペラー５２を配置することでシステムが構成される。

制御機能付きモータ１０を前述したように制御し、磁石１２の回転速度を制御する。すると、この磁石１２の回転によりインペラー５２に変動磁界が印加され、インペラー５２が回転する。それにより、インレット５１ａからポンプケース５１に流入した流体を加速しアウトレット５１ｂから吐き出すことができる。

このように、磁気ポンプ５０と制御機能付きモータ１０とを物理的に分離し、制御機能付きモータ１０により磁気ポンプ５０をワイヤレスで駆動する。このような形態であれば、インペラー５２には物理的に回転軸を設ける必要がなく、また、モータ１１の回転軸１１ａの回転をインペラー５２に機械的に連結させる必要がない。そのため、通常、回転軸をシールするための工夫が不要となり、性能が向上する。よって、流体として温度の低い冷媒を流すことができたり、放射能制御のための各種液体を流したりすることができる。このような各種ウォータポンプとして磁気ポンプ５０を用いることができる。

磁気ポンプ５０は、ポンプケース５１とインペラー５２とで構成することができ、必要に応じてインペラー５２の回転を検知するためのセンサを設けてもよいが、機械的な伝達系がないため小型化できる。よって、人為的なメインテナンスを行うことが難しい環境下、例えば特殊環境下や、動物体内、人体などの閉塞空間などに磁気ポンプを設置して、外部から遠隔操作をすることもできる。

例えば、磁気ポンプを埋め込み型心臓補助ポンプとして人体の肋骨に固定させて、心臓を補助するような場合には、僅かなスペースに磁気ポンプを配置する必要があるため、特に有効である。

また、磁気ポンプを補助ポンプとして用いる場合には、心臓が正常に機能しているときには、磁気ポンプによる補助は不要であるが、心臓の機能が一時的に低下しているようなときには、補助ポンプを積極的に使用する必要がある。

磁気ポンプをＰＷＭ制御のみで駆動させようとすると、比較的大きなサイズにしなければならない。しかしながら、上述したように、心臓補助ポンプは小さいことが望ましい。そのため、例えば図１３に示すような性能を有する磁気ポンプを使用することになる。例えば、磁気ポンプの寸法としては、５ｍｍ〜１５ｍｍ程度の半径で、１０ｍｍ〜４０ｍｍ程度の高さであるので、肋骨と肺の間に収めることができる。

図１３は磁気ポンプを心臓ポンプとして用いた場合において、モータの回転駆動とＥＭ制御とのハイブリッドの効果を説明するためのグラフである。磁気ポンプをＰＷＭ制御のみで駆動すると、大きなサイズとしなければならないが、インペラーの回転数を高くすることでサイズダウンによる性能を補うことができる。

図１３に示すように、ＰＷＭ制御を行ったときの曲線Ｃ１とＥＭ制御を行ったときの曲線Ｃ２との交点の駆動速度をＶ１とする。駆動速度がＶ１より高い場合、すなわち、Ｚｏｎｅ１では、図６に示す制御系３２によりＥＭ制御を行うように各コンポーネントを制御する。これにより、心臓が正常に機能していないときには心臓の機能を補助することができる。一方、駆動速度がＶ１よりも低い場合、すなわち、Ｚｏｎｅ２では、図６に示す制御系３２により、ＰＷＭ制御を行うように各コンポーネントを制御する。これにより、心臓が正常に機能しているときには、必要最小限に心臓の機能を補助することができる。

本発明の実施形態に係るポンプシステム５は、図１及び図１０に示すように、ポンプケース５１内にインペラー５２を回転自在に収容してなる磁気ポンプ５０と、モータ１１の回転軸１１ａに磁石１２を装着してなる駆動系と、磁石１２が発生する磁界と交差するように配置された巻線コイル１３に負荷１４を取り付けてなり、上記駆動系からの磁界を上記インペラー５２に及ぼす伝達系と、を備えて構成され、負荷１４を調整することにより巻線コイル１３に流れる電流を調整し、モータ１１及びインペラー５２の双方を回転制御する。

本発明の実施形態に係るポンプシステムにあっては、本発明の第２の実施形態に係る制御機能付きモータ５０を用いてもよく、ポンプシステムは、ポンプケース５１内にインペラー５２を回転自在に収容してなる磁気ポンプ５０と、モータ２１の回転軸２１ａに磁石２２を装着してなる駆動系と、磁石２２が発生する磁界と交差するように配置された巻線コイル２３と磁石２２との相対的な位置関係を変化させて、上記駆動系からの磁界をインペラー５２に及ぼす伝達系と、を備えて構成され、磁石２２と巻線コイル２３との位置関係を変化させることにより巻線コイル２３に流れる電流を調整し、モータ２１及びインペラー５２の双方を回転制御する。

これらのようなポンプシステムはモータシステム３及び４で説明した各種の制御手法を採用することができる。

その際の制御手法は、回転軸１１ａ，１１ｂ，２１aを回転させながら、回転数を制御するため、回転軸の回転の加速と減速とを同時に行っており、加速だけの制御と減速だけの制御に時間的に分けているわけではない。また、所定の回転速度で回転制御することもできるため、外部環境が異なっても構わない。なお、外部環境により変動磁界が生じているような環境下で使用する場合には、適宜磁気シールドなどを施せばよい。

１，２：モータ用制御装置
３，４：モータシステム
５：ポンプシステム
１０，２０：制御機能付きモータ
１１，２１：モータ
１１ａ，１１ｂ，２１ａ：回転軸
１２，２２：磁石
１３，２３：巻線コイル
１３ａ，１３ｂ：湾曲部
１３ｃ，１３ｄ：連結部
１４：負荷
１５：制御系
１５ａ：調整部
１６：駆動部
１７：ハウジング
２４：制御系
２４ａ：移動機構
２４ｂ：調整部
２４ｃ：電流検出器
２５：枠体
３１：駆動部
３２：制御系
３３：制御部
３３ａ：選択部
３３ｂ：充電部
３４：信号検出器
３５：整流器
３６：変換器
３７：バッテリー
４１：駆動部
４２：制御系
４３：制御部
４３ａ：選択部
４３ｂ：充電部
４４：バッテリー
５０：磁気ポンプ
５１：ポンプケース
５１ａ：インレット
５１ｂ：アウトレット
５２：インペラー
６０：ロータ
６１，６３：インペラー
６１ａ，６３ａ：貫通穴
６１ｂ，６３ｂ：円盤部
６１ｃ，６３ｃ：仕切り部
６２ａ，６２ｂ：円筒体
６３ｄ：内側端部
６３ｅ：外側端部
６３ｆ：中間部

Claims (10)

1. 磁石と、
   上記磁石が発生する磁界と交差するように配置される巻線コイルと、
   上記巻線コイルに接続される負荷と、
   上記負荷の値を調整する制御系と、
   を備え、
   上記磁石がモータの回転軸に装着されて、上記制御系が上記負荷の値を調整することにより、上記巻線コイルに流れる電流を制御して上記モータの回転数を制御する、モータ用制御装置。
2. 磁石と、
   上記磁石が発生する磁界と交差するように配置された巻線コイルと、
   上記磁石と上記巻線コイルとの相対的な位置関係を調整する制御系と、
   を備え、
   上記磁石がモータの回転軸に装着されて、上記制御系が上記磁石と上記巻線コイルとの相対的な位置関係を調整することにより、上記巻線コイルに流れる電流を制御して上記モータの回転数を制御する、モータ用制御装置。
3. 請求項１に記載のモータ用制御装置と、前記モータと、を備え、
   前記磁石は、異極が前記回転軸の回りに沿って並ぶように配置されている、制御機能付きモータ。
4. 請求項２に記載のモータ用制御装置と、前記モータと、を備え、
   前記磁石は、異極が前記回転軸の回りに沿って並ぶように配置されている、制御機能付きモータ。
5. さらに、前記回転軸及び前記磁石を収容するハウジングを備え、
   前記巻線コイルが上記ハウジングに配置される、請求項１に記載のモータ用制御装置。
6. 請求項３に記載の制御機能付きモータと、前記モータを駆動制御する駆動部と、を備え、
   前記制御系が、さらに、前記負荷の調整による制御、前記駆動部によるＰＷＭ（pulse width modulation）制御の何れかを、前記モータの回転速度に応じて選択する選択部を備える、モータシステム。
7. 前記制御系が、さらに、前記巻線コイルと前記負荷との間に流れる信号を検出する信号検出器を備え、上記信号検出器による検出信号から前記モータの回転速度をモニタリングする、請求項６に記載のモータシステム。
8. 前記制御系は、さらに充電回路を備えており、
   上記充電回路が、前記負荷に接続されて整流及び変換を行う変換部からの電気エネルギー供給を受ける、請求項６に記載のモータシステム。
9. 請求項４に記載の制御機能付きモータと、前記モータを駆動制御する駆動部と、を備え、 前記制御系が、さらに、前記磁石と前記巻線コイルとの相対的な位置関係の調整による制御、前記駆動部によるＰＷＭ（pulse width modulation）制御の何れかを、前記モータの回転速度に応じて選択する選択部を備える、モータシステム。
10. ポンプケース内にインペラーを回転自在に収容してなる磁気ポンプと、請求項３又は４に記載の制御機能付きモータと、を備え、
    前記インペラーの一部又は全部が磁性体で構成されて、前記磁石が発生する磁界により前記インペラーが回転する、ポンプシステム。

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