JP2022168834A - 電磁回転駆動装置、遠心ポンプ、及びポンプ・ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】非接触で磁気的に浮上することができる回転子を備える、小型に設計され得る電磁回転駆動装置を提供する。【解決手段】電磁回転駆動装置１は、６つのコイル・コア２５である、複数のコイル・コア２５を有する固定子２を備え、コイル・コア２５のそれぞれが、軸方向Ａに延在する長手方向リム２６と、長手方向リム２６に垂直に配置され、径方向に延在し、端面２１１によって境界を画された横方向リム２７とを備える。コイル・コア２５は、端面２１１が電磁回転駆動装置１の回転子３を取り囲むように、円形の線上に等距離に配置されている。コイル・コア２５の各長手方向リム２６は、第１の部分２６１及び第２の部分２６２を有し、第１の部分２６１及び第２の部分２６２は、長手方向リム２６ごとに互いに平行に配置され、対応する端面２１１からの径方向の距離が、第１の距離から第２の距離に変化する遷移領域２６３によって、互いに連結されている。【選択図】図３

Description

本発明は、それぞれの範疇の独立特許請求項のプリアンブルによる、電磁回転駆動装置、かかる電磁回転駆動装置を有する遠心ポンプ、及びかかる遠心ポンプ用ポンプ・ユニットに関する。

ベアリングレス・モータの原理に従って設計及び作動される、電磁回転駆動装置が知られている。ベアリングレス・モータという用語は、回転子が固定子に対して完全に磁気的に浮上し、別個の磁気ベアリングが設けられていない電磁回転駆動装置を意味する。この目的のために、固定子は、電気駆動の固定子であり、磁気浮上の固定子でもある、支持及び駆動用固定子として設計されている。回転磁場は、固定子の電気巻線によって生成することができ、一方では回転子にトルクを加え、所望の回転軸を中心とする回転子の回転を生み出し、他方では所望通りに設定できる剪断力を回転子に加えるため、回転子の径方向の位置が、能動的に制御又は調節され得る。したがって、回転子の３自由度、すなわち回転子の回転及び径方向の位置（２自由度）が、能動的に調節され得る。別の３自由度、すなわち回転子の軸方向の位置及び所望の回転軸に垂直な径方向の平面に対する傾斜（２自由度）に関して、回転子は、磁気抵抗力によって受動的に磁気浮上又は安定化される。すなわち、回転子は制御され得ない。回転子の完全な磁気浮上によって、別個の磁気ベアリングがないことが特質であり、これによりベアリングレス・モータの名前が与えられている。支持及び駆動用固定子において、支持機能は、駆動機能からは分離され得ない。

かかるベアリングレス・モータは、多くの用途で実証されている。ベアリングレス・モータは、機械式ベアリングがないため、非常に影響を受けやすい物質が搬送されるポンプ移送、混合、若しくは攪拌デバイス（たとえば血液ポンプ）、純度に関して非常に要求が高い、たとえば製薬業界又は生物工学業界におけるポンプ移送、混合、若しくは攪拌デバイス、又は機械式ベアリングを非常に早く破壊することになる研磨性若しくは浸食性物質が搬送されるポンプ移送、混合、若しくは攪拌デバイス、たとえば半導体業界におけるスラリ用ポンプ若しくはミキサに、特に好適である。

ベアリングレス・モータの原理のさらなる利点は、電磁回転駆動装置の回転子であり、ポンプの回転子でもある、一体型回転子としての回転子の設計である。ここでの利点は、非接触の磁気浮上に加えて、非常に小型で省スペースの設計である。

加えて、ベアリングレス・モータの原理により、たとえば、回転子が固定子から非常に簡単に分離され得る遠心ポンプの設計も可能になる。これは、非常に大きな利点である。というのは、たとえば、このようにして、回転子又は回転子を備えるポンプ・ユニットが、１回だけ使用する使い捨て部品として設計され得るからである。今日、かかる使い捨て用途は、非常に高い純度要件のために、以前のプロセスにおいて、処理されるべき物質と接触するすべてのそうした構成要素を、入念なやり方で、たとえば蒸気滅菌を用いて、洗浄及び滅菌する必要があったプロセスに取って代わることが多い。１回だけ使用するよう設計されている場合、処理されるべき物質と接触するそうした構成要素は、まさに１回しか使用されず、次いで、次の使用のために新しい、すなわち未使用の使い捨て部品と交換される。

この点では、製薬業界及び生物工学業界を、実例として挙げることができる。ここでは、物質の注意深く穏やかな搬送を必要とする溶液及び懸濁液が、頻繁に生産されている。

製薬業界では、たとえば薬学的に活性な物質の生産において、純度に対する要求が非常に高く、しかも物質と接触する成分は、多くの場合、無菌でなければならない。たとえば生体物質、細胞、又は微生物の生産、処理、又は培養における生物工学にも、同様の要求があり、生産された製品の有用性を損なわないように、非常に高い純度を確保する必要がある。さらなる実例として、ここでは、たとえば組織若しくは特殊な細胞、又は他の非常に影響を受けやすい物質の生物学的代替物が培養される、バイオリアクタを挙げることができる。ここでは、たとえば、混合タンク内で栄養液を確実に連続的に混ぜるか又は連続的に循環させるために、遠心ポンプも必要である。この点に関して、物質又は生産された製品を汚染から保護するために、非常に高い純度を確保する必要がある。別の用途の実例は、もちろん純度、さらには特に赤血球を穏やかに処理することに関して非常に高い要求がある、血液ポンプである。

遠心ポンプが１回だけ使用するよう設計されている、かかる用途では、遠心ポンプは通常、使い捨てデバイス及び再利用可能デバイスで構成されている。使い捨てデバイスは、物質と接触する構成要素を備え、１回だけ使用する使い捨て部品として構成されている。使い捨て部品は、たとえば、ポンプの筐体及び筐体内に配置された回転子を備えるポンプ・ユニットであり、遠心ポンプの羽根車を形成する。再利用可能デバイスは、恒久的に、すなわち複数回使用される構成要素、たとえば、電磁回転駆動装置の固定子を備える。

ベアリングレス・モータの原理に従って設計され得る、本来電磁回転駆動装置として知られている有益な設計は、たとえば、欧州特許第３２３２５４９Ａ号に開示されている、テンプル・モータの設計である。本発明もまた、テンプル・モータの設計に関する。図１では、現況技術で知られているテンプル・モータの設計が、斜視図で確認できる。理解をより深めるために、軸方向の断面におけるテンプル・モータのより概略的な図が、図２に示されている。図２において追加で、磁束の力線が破線で示されている。さらに、図２ａは、回転子が軸方向に対して偏っている場合のテンプル・モータを、図２と類似の図で示している。

図１、図２、及び図２ａにおける図は、現況技術のデバイスであることを示すために、ここではいずれも、逆コンマ又はダッシュ付きで、参照符号が与えられている。テンプル・モータは、全体として参照符号１’で表されている。

テンプル・モータの特徴は、固定子２’が複数のコイル・コア２５’を有し、それぞれが軸方向Ａ’に平行に延在する長手方向リム２６’を備えていることである。軸方向Ａ’は、回転子３’の所望の回転軸、すなわち回転子３’が動作状態で、軸方向Ａ’に垂直である径方向の平面Ｅ’において、固定子２’に対して中心且つ傾斜していない位置にあるときの、回転子３’が回転する回転軸によって画定される方向を指す。棒状の長手方向リム２６’のそれぞれが、図による軸方向Ａ’における下部の第１の端部から、図による上部の第２の端部まで延在している。それぞれのコイル・コア２５’は、長手方向リム２６’に加えて、長手方向リム２６’の第２の端部にそれぞれ設けられ、且つ径方向内側に向かって、すなわち長手方向リム２６’に対して実質的に直角に延在する、横方向リム２７’を備える。コイル・コア２５’はそれぞれ、Ｌ字形状を有し、横方向リム２７’は、Ｌ字の短いリムを形成する。回転子３’は、この場合、横方向リム２７’間に配置される。図１及び図２において、ここでは回転子３’について、円盤状の永久磁石として設計されている、回転子３’の磁気的に有効なコア３１’だけが示されている。永久磁石の磁化は、参照符号のない矢印で表されている。

軸方向Ａ’に延在し、寺院の柱を連想させる複数の長手方向リム２６’が、テンプル・モータの名前の由来である。

図１及び図２に示されているベアリングレス・モータであるテンプル・モータ１’の設計では、ここではたとえば６つのコイル・コア２５’である、コイル・コア２５’が、長手方向リム２６’及び横方向リム２７’を備え、円形に、回転子３’（内側の回転子）の周りに等距離に配置されている。長手方向リム２６’の第１の端部は、磁束を誘導するよう機能する、戻り部（ｒｅｔｕｒｎ）２２’によって径方向に連結されている。永久磁石の円盤状回転子３’は、横方向リム２７’の径方向内側にある端部間に配置され、動作状態で軸方向Ａ’を中心に回転し、回転子３’は、非接触で磁気的に駆動され、固定子２’に対して非接触で磁気的に浮上し、回転子３’の径方向の位置は、回転子３’が横方向リム２７’間の中心位置になるよう調節される。

長手方向リム２６’は、回転子３’の磁気駆動及び磁気浮上に必要な電磁回転場を生成するために、巻線を支持している。巻線は、たとえば、集中巻線６１’が各長手方向リム２６’の周りに巻かれるように、すなわち、各集中巻線６１’のコイル軸が、いずれも軸方向Ａ’に延在するように、設計されている。テンプル・モータでは、典型的には、集中巻線６１’のコイル軸が所望の回転軸と平行に延在し、また集中巻線６１’が、径方向の平面Ｅ’に配置されていない。径方向の平面Ｅ’は、回転子３’又は回転子３’の磁気的に有効なコア３１’が動作状態で浮上する、軸方向Ａ’に垂直な平面である。

テンプル・モータとしての設計の利点の１つは、固定子の巻線又は巻線ヘッドが径方向の平面Ｅ’に存在しないことである。これにより、たとえば、遠心ポンプ内のテンプル・モータの用途において、遠心ポンプの出口を、ポンプ回転子の羽根車が回転する平面に設けることができる。すなわち出口は、ポンプ回転子のベーンと軸方向Ａ’に同じレベルにあり、この点に関して固定子の巻線が邪魔することはない。ポンプ出口をこの中心部に、すなわち中央に配置することは、流体力学的観点に基づき、具体的には、傾斜に抗する回転子の受動的浮上及び安定化に関して、特に好都合である。

血液ポンプでも必要とされるような、テンプル・モータ１’の可能な限り最も小型で強力な設計に関しては、様々な手段が検討され得るが、こうした手段は部分的に互いに妨害するので、同時に実現することは、妥協又は最適化によってのみ可能である。最も小型の設計に関しては、たとえば、長手方向リム２６’を、可能な限り小さい半径に配置するよう、取組みがなされている。一方では、回転子３’に加えることができるトルク、したがってたとえば、遠心ポンプの性能が、磁気的に有効なコア３１’の直径の２乗に実質的に比例するので、回転子３’の磁気的に有効なコア３１’を可能な限り大きな直径で設計するよう、取組みがなされている。しかしこの場合、磁気的に有効なコア３１’の直径がより大きいことにより、回転子３’がコイル・コア２５’の横方向リム２７’間にそれでもなお配置され得るように、長手方向リム２６’をより大きな半径で配置する必要がある。

加えて、特に回転子３’の受動的磁気安定化に関しては、磁気的に有効なコア３１’の直径と、軸方向Ａ’で測定した高さとの比が一定範囲内にある場合、有利である。ここで、磁気的に有効なコア３１’の直径を増やす場合、コア３１’の高さもまた、直径対高さの比が少なくともほぼ一定のままとなるように増やす必要がある。しかし、磁気的に有効なコア３１’の高さがより高いことは、回転子３’の磁気的に有効なコア３１’からの磁束が、もはや完全には横方向リム２７’（図２に示されている）に誘導されず、図２ａに示されているように、磁気的に有効なコア３１’から直接、すなわち横方向リム２７’を介さずに、コイル・コア２５’の長手方向リム２６’に部分的に誘導されるという事実をもたらす可能性がある。これは、全体として、磁気的に有効なコア３１’が、径方向の平面Ｅ’にもはや適切に維持されなくなり、示されているように（図２ａ）、下方に偏るという事実を引き起こす。これは、次に、たとえば、ポンプ内のベアリングレス・モータ用途において、磁気的に有効なコア３１’を備える、回転子３’を備える羽根車が、部分的に固定子２’内に引き込まれ、したがって部分的にモータ１’の固定子２’内に姿を消し、もはや出口又は出口の流路と整列しておらず、出口又は出口の流路に対して軸方向にずれるという結果をもたらす。加えて、受動的磁気浮上の最大軸力は、回転子３’が下方へ偏ることよって減少する。

欧州特許第３２３２５４９Ａ号

したがって、本発明の目的は、この現況技術から始めて、テンプル・モータとして設計され、非接触で磁気的に駆動することができ、且つ非接触で磁気的に浮上することができる回転子を備える、電磁回転駆動装置を提案することであり、電磁回転駆動装置は、回転子に加えられ得るトルク又は回転子の磁気浮上の質に対してどんな譲歩を必要とすることもなく、非常に小型に設計され得る。加えて、本発明の目的は、かかる回転駆動装置を備えた遠心ポンプを提案することである。さらに、本発明を用いた、特に１回だけ使用するために設計することもできる、かかる遠心ポンプ用のポンプ・ユニットを提案することである。

この目的を満たす本発明の主題は、それぞれの範疇の独立特許請求項の特徴によって、特徴付けられる。

本発明によれば、テンプル・モータとして設計される電磁回転駆動装置がこのように提案されており、この電磁回転駆動装置は、環状又は円盤状の磁気的に有効なコアを備える回転子と、支持及び駆動用固定子として設計される固定子とを備え、回転子が、動作状態において非接触で、軸方向を画定する所望の回転軸を中心として磁気的に駆動され得ることにより、且つ回転子が、固定子に対して非接触で、磁気的に浮上することができることにより、回転子が、軸方向に垂直な径方向の平面で能動的に磁気浮上し、且つ軸方向で、傾斜に抗して受動的に磁気安定化され、固定子が、複数のコイル・コアを有し、コイル・コアのそれぞれが、軸方向に延在する長手方向リムと、径方向の平面に配置され、長手方向リムから径方向に延在し、回転子の磁気的に有効なコアに面する端面によって境界を画された横方向リムとを備え、少なくとも１つの集中巻線が、それぞれの長手方向リムを取り囲んで、各長手方向リム上に配置されている。各長手方向リムが、軸方向に対して互いに隣接して配置された、第１の部分及び第２の部分を備え、横方向リムが、第２の部分に配置され、横方向リムの端面が、対応する長手方向リムの第１の部分から径方向に第１の距離を、また第２の部分から径方向に第２の距離を有し、第２の距離が、第１の距離よりも長い。

コイル・コアは、この設計により、横方向リムとは反対側に向くコイル・コアの端部で、半径がより小さい円上に配置することができ、これにより、固定子の非常に小型の設計が可能になる。同時に、長手方向リムは、長手方向リムの第２の部分で、互いにより長い直径距離を有するので、回転子からの磁束がコイル・コアの長手方向リムに直接流れるリスクなしに、磁気的に有効なコアの直径を増やすことができる。特に、回転子の磁気的に有効なコアの直径の増加により、結果的に回転子に作用するトルクを増加させることができるので、電磁回転駆動装置の性能に有益な効果をもたらす。

好ましい実施例では、長手方向リムごとに、第１の部分及び第２の部分が互いに平行に配置され、対応する端面からの径方向の距離が第１の距離から第２の距離に変化する遷移領域によって、互いに連結されている。これは、たとえばコイル・コアをクランク状に曲げる設計によって実現され得る。

さらに、回転子の磁気的に有効なコアが、磁気的に有効なコアの軸方向の最大の広がりである回転子の高さを有し、回転子の高さが、横方向リムの端面の、軸方向の最大の広がりによって画定される固定子極の高さよりも大きい場合、有益である。

回転子の磁気的に有効なコアは永久磁石の設計であること、すなわち、コアは、少なくとも１つの永久磁石を含むか、又は永久磁石材料で構成されることが特に好ましい。さらに、横方向リムそれぞれの軸方向の広がりが、端面ごとに、固定子極の高さに等しくなるように、横方向リムの各端面が軸方向に同じ広がりを有することが好ましい。

回転子の磁気的に有効なコアが、固定子極の高さよりも大きい回転子の高さを有するという事実により、端面と回転子の磁気的に有効なコアとの間の空隙における磁束の集中が生じる。すなわち、空隙において、磁束密度が増加する。回転子の磁気安定化の軸方向の剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）は、空隙での磁束密度につれて少なくともほぼ２次関数的に増加するので、軸方向の剛性は、回転子の高さにつれて飛躍的に増加する。したがって、回転子の高さが固定子極の高さよりも大きいという事実は、磁気浮上の軸方向の剛性の増加又は回転子の安定化をもたらす。

回転子の傾斜剛性、すなわち、軸方向に垂直な径方向の平面に対する傾斜への回転子の耐性をあまり低下させないために、回転子の磁気的に有効なコアの外径と回転子の高さとの比は、値２．８を下回らないことが好ましい。

さらに、第２の距離を、横方向リムの軸方向の端面の最大の広がりによって画定される、固定子極の高さの半分より長くすることが、好ましい手段である。このようにして、回転子の磁気的に有効なコアからの磁束が、コイル・コアの長手方向リムに直接流れること、及びその逆を、特に効率的に回避することができる。

好ましい実施例では、磁気的に有効なコアが、軸方向に対して、第１の縁部領域と第２の縁部領域との間に配置され、回転子の直径を有する中央領域を備え、第１の縁部領域が、第１の縁部の直径を有する磁気的に有効なコアの第１の軸方向境界面を形成し、第２の縁部領域が、第２の縁部の直径を有する磁気的に有効なコアの第２の軸方向境界面を形成し、各縁部の直径が、回転子の直径よりも短い。

したがって、この実施例では、回転子の磁気コアの径方向外側の領域は、軸方向に測定される高さが、第１の軸方向境界面と第２の軸方向境界面との間の領域よりも小さくなるよう設計され得る。これには、磁気安定化の軸方向の剛性の増加ももたらし、傾斜剛性の減少は大幅により小さくなるという利点がある。

好ましくは、中央領域が、軸方向の中央領域の広がりである中央の高さを有し、中央の高さが、固定子極の高さと同じサイズである。これには、回転子の磁気的に有効なコアの径方向外側の領域、すなわち、横方向リムの端面と直接向かい合って位置する領域が、横方向リムの端面と軸方向に同じ広がりを有し、その結果、回転子の回転を駆動するトルクに関しても有益である、非常に高い磁束密度を空隙中にもたらすという利点がある。

さらに好ましい手段は、磁気的に有効なコアが、中央領域と第１の軸方向境界面との間も、中央領域と第２の軸方向境界面との間も、軸方向に平行でない外面を有することである。このようにして、中央領域と２つの軸方向境界面との間の磁束の力線が、軸方向に垂直な回転子の磁気的に有効なコアから出てくるのではなく、９０未満の角度で出てくる状況が実現され得る。したがって、力線は、コイル・コアの横方向リムの、径方向に対してさらに外に入り、これにより、回転子の磁気浮上又は安定化が改善される。

第１及び第２の縁部領域の少なくとも一方は、円錐台の形、球形の円盤の形、又は放物体の円盤の形で設計されることが特に好ましい。かかる実施例により、特に、回転子の磁気的に有効なコアの境界を形成する外面が、中央領域と第１の軸方向境界面との間、並びに中央領域と第２の軸方向境界面との間の両方で、軸方向に平行に広がらず、したがってこの場合、磁束の力線が、９０°ではない角度で回転子の磁気的に有効なコアから出てくるか又はコアに入る状況が実現され得る。

第１及び第２の縁部領域は、相異なって設計されてもよい。したがって、たとえば、第１の縁部領域は円錐台の形状で、且つ第２の縁部領域は球形の円盤の形状で設計され得る。もちろん、第１及び第２の縁部領域が同様に設計されることも可能である。

第２の好ましい実施例によれば、２種類の集中巻線が、各長手方向リム上に設けられ、集中巻線のそれぞれが、それぞれの長手方向リムを取り囲み、軸方向に対して互いに隣接して配置されている。これにより、集中巻線のうちの一方を駆動コイルとして使用し、２種類の集中巻線のうちの他方を制御コイルとして使用することが可能となり、この場合、すべての駆動コイル及びすべての制御コイルによって生成される電磁場の重ね合わせが、回転子の駆動及び非接触での磁気浮上をもたらす。

同じ長手方向リム上に互いに軸方向に隣接して配置された２種類の集中巻線は、互いに接触してはならない。これは、有利なことには、制御デバイス又は制御デバイスの一部が、電磁回転駆動装置を制御及び調節するために、軸方向に対して、これら２種類の集中巻線間に配置されるように実現され得る。この制御デバイスはまた、たとえば、集中巻線用パワー・エレクトロニクスを備えることもできる。２種類の集中巻線間に配置される制御デバイスは、好ましくは、基板又はＰＣＢ（プリント回路基板：ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）として設計される。

さらに、流体を搬送する遠心ポンプが本発明で提案され、遠心ポンプは、本発明に従って設計された電磁回転駆動装置を備え、電磁回転駆動装置の回転子が、遠心ポンプの回転子として設計されていることを特徴とする。

遠心ポンプは、好ましくは、搬送されるべき流体用の入口と出口とを備える、ポンプ筐体を備えるポンプ・ユニットを備え、回転子が、ポンプ筐体内に配置され、また流体を搬送する複数のベーンを備え、ポンプ・ユニットが、回転子の磁気的に有効なコアが横方向リムの端面によって取り囲まれるように、ポンプ・ユニットが固定子内に挿入され得るように設計されている。

さらに、遠心ポンプ用ポンプ・ユニットが本発明で提案され、ポンプ・ユニットは、本発明に従って設計された遠心ポンプ用に設計されていることを特徴とする。

好ましい実施例によれば、ポンプ筐体は、密封式に互いに連結された基部及びカバーを備え、ポンプ筐体の出口は、完全に基部内に配置されている。

回転子が、ベーンによって生成される軸方向の推力を少なくとも部分的に補うように、回転子を軸方向に完全に貫いて延在する中央穴を有することも、好ましい手段である。

本発明によれば、ポンプ・ユニットは、好ましくは、遠心ポンプの固定子へ着脱可能に連結されるよう設計されている。

好ましい実施例によれば、ポンプ・ユニットは、１回だけ使用するための使い捨てデバイスとして設計されている。

本発明のさらに有益な手段及び実施例は、従属請求項から得られる。

本発明は、以下において、実施例に基づいて、また図面に基づいて、より詳細に説明される。部分的概略図において、以下が示される。

現況技術による、テンプル・モータの斜視図である。 軸方向の断面における、図１のテンプル・モータの概略図である。 図２と同様であるが、回転子が軸方向に対して偏っている図である。 軸方向の断面における、本発明による電磁回転駆動装置の第１の実施例の図である。 第１の実施例の、軸方向からの平面図である。 単一のコイル・コアの図である。 コイル・コアの斜視図である。 コイル・コアの板金要素の斜視図である。 図３と同様であるが、回転子の磁気的に有効なコアの第１の変形例を含む図である。 図８の回転子の磁気的に有効なコアの図である。 回転子の磁気的に有効なコアの、第２の変形例の図である。 軸方向の断面における、回転子の磁気的に有効なコアの第３の変形例の図である。 回転子の磁気的に有効なコアの、第４の変形例の図である。 回転子の磁気的に有効なコアの、第５の変形例の図である。 本発明による電磁回転駆動装置の第２の実施例の斜視図である。 軸方向の断面における、本発明による電磁回転駆動装置の第２の実施例の図である。 軸方向の断面における、本発明による遠心ポンプの実施例の図である。 図１８の断面線ＸＶＩＩ～ＸＶＩＩに沿った軸方向の断面における、図１２の遠心ポンプのポンプ・ユニットの図である。 図１７のポンプ・ユニットの、軸方向からの平面図である。

既に言及され、説明されたように、現況技術で知られている、テンプル・モータとして設計された電磁回転装置が、図１及び図２に示されている。

図３は、全体として参照符号１で示される、本発明による回転駆動装置の第１の実施例を軸方向に貫く断面を示している。理解をより深めるために、図４はやはり第１の実施例の、軸方向からの平面図を示している。

電磁回転駆動装置１は、テンプル・モータとして設計され、ここでは６つのコイル・コア２５である、複数のコイル・コア２５を有する固定子２を備え、コイル・コア２５のそれぞれが、軸方向Ａに延在する長手方向リム２６と、長手方向リム２６に垂直に配置され、径方向に延在し、端面２１１によって境界を画された横方向リム２７とを備える。コイル・コア２５は、端面２１１が電磁回転駆動装置１の回転子３を取り囲むように、円形の線上に等距離に配置されている。集中巻線６１は、各長手方向リム２６上に配置され、それぞれの長手方向リム２６を取り囲んでいる。

回転子３は、固定子２に対して非接触で、磁気的に浮上する。さらに回転子３は、固定子２によって、所望の回転軸を中心にして、非接触で磁気的に駆動され得る。所望の回転軸とは、回転子３が動作状態で、固定子２に対して中心にあり、且つ傾斜していない位置にあるときの、回転子３が回転する軸を指す。この所望の回転軸は、軸方向Ａを画定する。通常、軸方向Ａを画定する所望の回転軸は、固定子２の中心軸に相当する。

以下において、径方向とは、軸方向Ａに対して垂直に立つ方向を指す。

回転子３は、環状又は円盤状に設計された、磁気的に有効なコア３１を備える。図３の図によれば、磁気的に有効なコア３１は円盤として設計され、磁気中心平面Ｃを画定する。回転子３の磁気的に有効なコア３１の磁気中心平面Ｃは、回転子３の磁気的に有効なコア３１が動作状態で、回転子３が傾斜しておらず、且つ軸方向Ａにおいて偏っていないときに回転子３の磁気的に有効なコア３１が浮上する、軸方向Ａに垂直な平面を指す。原則として、円盤状又は環状の磁気有効コア３１では、磁気中心平面Ｃは、軸方向Ａに垂直である、回転子３の磁気的に有効なコア３１の幾何学的中心平面である。回転子３の磁気的に有効なコア３１が動作状態で、固定子２の端面２１１間で浮上するこの平面はまた、径方向の平面Ｅとも呼ばれる。径方向の平面は、ｚ軸が軸方向Ａに延びる直交座標系のｘ－ｙ平面を画定する。回転子３の磁気的に有効なコア３１が、傾斜しておらず、且つ軸方向（Ａ）について偏っていない場合、径方向の平面Ｅは、磁気中心平面Ｃと一致している。

磁気的に有効なコア３１又は回転子３の径方向位置は、径方向の平面Ｅにおける回転子３の位置を指す。

本発明を理解するのに十分であるため、図面、たとえば図３、図４、及び図８から図１５の回転子３において、いずれも、磁気的に有効なコア３１しか示していない。回転子３は、もちろん、好ましくはプラスチック、金属、金属合金、セラミック、又はセラミック材料でできている、ジャケット又は封止物などの他の構成要素を備えることができることを理解されたい。さらに、回転子３はまた、流体を混合、かき混ぜ、又はポンプ移送するためのベーン（たとえば、図１６参照）又は他の構成要素も備えることができる。

回転子３、及び特に回転子３の磁気的に有効なコア３１は、径方向外側に配置された、固定子２のコイル・コア２５の横方向リム２７に取り囲まれている。したがって、横方向リム２７は、複数の固定子の突極（ｐｒｏｎｏｕｎｃｅｄ ｓｔａｔｏｒ ｐｏｌｅ）、ここでは６つの固定子極を形成する。コイル・コア２５の長手方向リム２６はそれぞれ、軸方向Ａに、図によると下端である第１の端部から、図によると上端である第２の端部まで延在する。横方向リム２７は、長手方向リム２６の上端に配置されている。各横方向リム２７は、径方向に、回転子３に向かって延在する。

回転子３の磁気的に有効なコア３１が、動作中に、所望の位置にあるとき、磁気的に有効なコア３１は、横方向リム２７の端面２１１間の中心に位置し、したがって横方向リム２７はそれぞれ、磁気中心平面Ｃ及び径方向の平面Ｅ（この場合、これら２つの平面は同じである）に配置されている。集中巻線は、図によれば、径方向の平面Ｅより下に配置され、集中巻線のコイル軸が軸方向Ａに延在するよう整列されている。

長手方向リム２６のすべての第１の端部、すなわち、図によると下端が、戻り部２２によって互いに連結されている。戻り部２２は、好ましくは環状に設計されている。戻り部２２が、長手方向リム２６のすべての第１の端部に沿って、径方向内側に延在するような実施例が可能である（図３参照）。しかし、戻り部２２が戻り部２２の円周に沿って複数の窪みを有し、窪みのそれぞれが第１の端部のうちの１つを受容することも可能である。他の実施例の場合、戻り部はまた、複数の環状セグメントを備えることもでき、環状セグメントのそれぞれが、いずれも、２つの周方向に隣接するコイル・コア２５間の第１の端部の領域に配置される。

第１の実施例において、コイル・コア２５の長手方向リム２６は、回転子３の磁気駆動及び磁気浮上に必要な電磁回転場を生成するために、集中巻線６１として設計された巻線を担持し、きっちり１つの集中巻線６１が、いずれも、各長手方向リム２６の周囲に配置されている。電磁回転場は、動作状態において、これらの集中巻線６１によって生成され、これにより回転子３にトルクが生み出され、またこれにより、回転子３の径方向位置、すなわち軸方向Ａに垂直な径方向の平面Ｅにおける回転子３の位置が、能動的に制御又は調節され得るように、任意の調整可能な横方向の力が径方向に、回転子３に加えられ得る。

回転子３の「磁気的に有効なコア３１」とは、トルク生成及び磁気浮上力生成のために、固定子２と磁気的に相互作用する回転子３の領域を指す。

既に言及されたように、磁気的に有効なコア３１は、円盤状に設計されている。さらに、磁気的に有効なコア３１は、永久磁石的に設計されている。磁気的に有効なコア３１は、この目的のために、少なくとも１つの永久磁石を備えることができるが、いくつかの永久磁石を備えることもでき、又はここで説明されている実施例と同様に、磁気的に有効なコア３１が永久磁石になるように、もっぱら永久磁性材料で構成され得る。回転子３の磁気的に有効なコアの磁化は、図３及び図４において、いずれも、磁気的に有効なコア３１内の参照符号のない矢印で表されている。したがって、磁気的に有効なコア３１は、径方向に磁化される。

磁気的に硬い、すなわち保磁力が大きい強磁性材料又はフェリ磁性材料は、通常、永久磁石と呼ばれる。保磁力とは、材料を消磁するのに必要な磁場の強さである。永久磁石は、この適用例の枠組みの範囲内では、１０，０００Ａ／ｍ超まで達する保磁力、より正確には磁気分極の保磁力を有する、構成要素又は材料と理解されたい。

固定子２の環状戻り部２２とコイル・コア２５との両方が、磁束を誘導する磁束伝導要素として機能するので、それぞれ軟磁性材料でできている。

理解をより深めるために、図５は、単一のコイル・コア２５の図を示し、図６は、コイル・コア２５の斜視図を示している。

コイル・コア２５及び戻り部２２に好適な軟磁性材料は、たとえば、強磁性材料又はフェリ磁性材料、すなわち、特に鉄、ニッケル鉄、コバルト鉄、シリコン鉄、又はミューメタルである。この場合、固定子２については、コイル・コア２５及び戻り部２２が、板金で設計されている、すなわち、コイル・コア２５及び戻り部２２が、数枚の積み重ねられた薄い板金要素で構成される、固定子のシート積層体として設計されることが好ましい。

図７は、コイル・コア２５用のかかる板金要素２５１の斜視図を示している。この場合、複数枚のかかる板金要素２５１が積み重ねられ、コイル・コア２５が生産される。強磁性コイル・コア２５の単一の板金要素２５１は、典型的には、０．２ｍｍから０．５ｍｍのシート厚ｄを有する。通常、板金要素２５１がより薄いほど、すなわち、シート厚ｄがより小さいほど、渦電流損失は一層小さくなる。

さらに、コイル・コア２５及び戻り部２２は、前述の材料の、プレスされ、続いて焼結された粒で構成されることが可能である。金属粒は、好ましくは、金属粒が互いに少なくとも部分的に絶縁されるようにプラスチック母材に埋め込まれ、これによって渦電流損失を最小限に抑えることができる。したがって、電気的に絶縁され、圧縮された金属粒子で構成される軟磁性複合材料も、固定子に好適である。特に、ＳＭＣ（軟磁性複合材料：Ｓｏｆｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）とも称されるこうした軟磁性複合材料は、電気絶縁層でコーティングされた鉄粉粒子で構成され得る。こうしたＳＭＣは、次いで、粉末冶金工程によって所望の形状に成形される。

回転子３が、固定子２に対して非接触で磁気的に駆動することができ、また非接触で磁気的に浮上することができる、上記のベアリングレス・モータの原理に従って、電磁回転駆動装置１の動作中に、回転子３の磁気的に有効なコア３１が、固定子２と相互作用する。この目的のために、固定子２が、支持及び駆動用固定子として設計されており、これにより回転子３は、動作状態で、所望の回転軸を中心にして固定子２に対して非接触で磁気的に駆動することができ、すなわち回転状態に設定することができ、また非接触で磁気的に浮上することができる。回転子３の３自由度、すなわち、回転子３の径方向の平面における位置及び回転を、能動的に調節することができる。回転子３の磁気的に有効なコア３１は、軸方向Ａにおける径方向の平面Ｅからのコア３１の軸方向の偏りについて、磁気抵抗力によって受動的に磁気安定化される。すなわち、コア３１の軸方向の偏りを制御することはできない。また、残りの２自由度、すなわち、所望の回転軸に垂直な径方向の平面Ｅに対する傾斜について、回転子３の磁気的に有効なコア３１はやはり、受動的に磁気安定化される。したがって、磁気的に有効なコア３１とコイル・コア２５との相互作用によって、回転子３は、軸方向Ａにおいて、また傾斜に抗して（３自由度の全体）、受動的に磁気浮上するか、又は受動的に磁気安定化され、且つ径方向の平面Ｅで、能動的に磁気浮上する（２自由度）。

能動的な磁気浮上は、一般的にそうであるように、この出願の枠組みにおいても、たとえば集中巻線６１によって生成される電磁回転場によって、能動的に制御又は調節され得るものと呼ばれる。受動的磁気浮上又は受動的磁気安定化は、制御又は調節され得ないものである。受動的磁気浮上又は受動的磁気安定化は、たとえば、回転子３が回転子３の所望の位置から偏った場合、たとえば、回転子３が軸方向Ａにおいてずれているか若しくは偏っている場合、又は回転子３が傾斜している場合に、回転子３を再び回転子３の所望の位置に戻す磁気抵抗力に基づく。

径方向の浮上又は径方向における浮上とは、回転子３の径方向の位置を安定させることができる回転子３の浮上、すなわち、径方向の平面Ｅに、したがって回転子３の径方向の位置に対して回転子３を浮上させるような、浮上を指す。

軸方向の浮上又は軸方向における浮上、及び軸方向の安定化又は軸方向における安定化とは、それぞれ、一方ではこれによって、回転子３の位置が軸方向Ａについて安定化され、他方ではこれによって、回転子３が傾斜に抗して安定化される、回転子３の浮上又は安定化を指す。かかる傾斜は、２自由度を表し、回転子３の瞬間的な回転軸が、もはや軸方向Ａに正確には向いておらず、所望の回転軸との間でゼロではない角度をなす、偏りを示す。したがって磁気中心平面Ｃは、傾斜している場合、もはや径方向の平面Ｅにないか、又は径方向の平面Ｅに平行ではなく、磁気中心平面Ｃは、径方向の平面Ｅとの間でゼロではない角度をなす。

ベアリングレス・モータの場合、モータの磁気浮上及び磁気駆動は、従来の磁気ベアリングとは対照的に、電磁回転場によって実現される。ベアリングレス・モータでは、磁気駆動及び磁気浮上の機能は、典型的には、通常は駆動場及び制御場と称される、２つの磁気回転場の重ね合わせによって生成される。固定子２の巻線によって生成されるこれらの２つの回転場は、通常、１だけ異なる極対番号を有する。たとえば、駆動場が極対番号ｐを有する場合、制御場は極対番号ｐ＋１又はｐ－１を有する。この場合、径方向の平面での磁気的に有効なコア３１に作用する接線力が、駆動場によって生成され、トルクを引き起こし、軸方向Ａを中心とする回転を引き起こす。駆動場と制御場との重ね合わせにより、径方向の平面で磁気的に有効なコア３１に対して、必要に応じて調整することができ、径方向の平面で磁気的に有効なコア３１の位置を調節することができる、横方向の力を発生させることも可能である。したがって、集中巻線６１によって生成された電磁束を、回転を駆動するためだけに供給する（電）磁束と、磁気浮上を実現するだけの（電）磁束とに分割することは不可能である。

駆動場及び制御場を生成するために、一方では、２種類の相異なる巻線システムを使用すること、すなわち、一方が駆動場を生成し、もう一方が制御場を生成することが可能である。この場合、駆動場を生成するコイルは、通常、駆動コイルと示され、制御場を生成するコイルは、制御コイルと示されている（これについては、図１４及び図１５に示される、本発明による回転駆動装置１の第２の実施例参照）。この場合、これらのコイルに印加される電流は、駆動電流又は制御電流と示されている。他方では、ここで説明されている第１の実施例のように、ただ１種類だけの単一巻線システムを用いて駆動及び浮上機能を生成することも可能であり、したがって、駆動コイルと制御コイルとの区別はない。これは、いずれも制御デバイスによって決定された駆動電流及び制御電流の値が、計算によって（たとえばソフトウェアによって）加算又は重ね合わされ、結果として得られた総電流がそれぞれの集中巻線６１に印加されるようにして、実現され得る。もちろん、この場合、制御コイルと駆動コイルとを区別することは、もはや不可能である。ここで説明されている第１の実施例では、最後に言及した変形例が実現されている。すなわち、固定子２の駆動コイルと制御コイルとの区別はなく、いずれについてもただ１種類だけの巻線システムがあり、巻線システムの６つの集中巻線６１に、計算された駆動電流と制御電流との合計が印加される。しかし、もちろん、固定子２に２種類の別個の巻線システム、すなわち、一方で別個の駆動コイルが、もう一方で別個の制御コイルが設けられるように、本発明による電磁回転駆動装置１を設計することも可能である。この場合、たとえば、第２の実施例の文脈で説明されるように、２種類の集中巻線６１ａ、６１ｂ（図１４、図１５）が、いずれもそれぞれの長手方向リム２６上に設けられ、集中巻線の一方は駆動コイルとして機能し、集中巻線のもう一方は制御コイルとして機能する。

たとえば、回転子３の磁気的に有効なコア３１は、特に図３で認識できるように、磁気的に有効なコア３１の軸方向Ａの最大の広がりによって与えられる、回転子の高さＨＲを有するように設計されている。ここで、磁気的に有効なコア３１は、全体にわたって、軸方向Ａの高さが回転子の高さＨＲに等しくなるよう設計されている。この実施例では、磁気的に有効なコアは、円形の円盤又は円柱の円盤として設計されており、この円盤は、回転子の高さＨＲである軸方向Ａの高さを有する。さらに、磁気的に有効なコア３１は、磁気的に有効なコア３１の軸方向の広がり全体にわたって一定である、回転子の直径ＲＺを有する。したがって、図３に示されている軸方向の断面において、磁気的に有効なコア３１は、長方形の外形を有し、長方形の２つの辺の長さは、回転子の高さＨＲ及び回転子の直径ＲＺである。磁気的に有効なコア３１は、もちろん、環状の円盤として設計されてもよい。

コイル・コア２５の横方向リム２７は、横方向リム２７の軸方向Ａの端面２１１の最大の広がりによって画定される、固定子極の高さＨＳを有する。すべての端面２１１が、好ましくは、軸方向Ａに同じ広がりを有し、したがって各端面２１１が、軸方向Ａに同じ最大の広がり、すなわち固定子極の高さＨＳを有する。さらに、各端面２１１は、周方向に見たときに、各端面２１１の軸方向の高さが一定になるよう設計されていることが好ましい。この場合、各端面２１１の軸方向の高さは、固定子極の高さＨＳに等しい。

図３に示されている実施例では、固定子極の高さＨＳは、回転子の高さＨＲと同じサイズである。

本発明によれば、コイル・コア２５の各長手方向リム２６は、第１の部分２６１（特に図５参照）及び第２の部分２６２を有し、第１の部分２６１及び第２の部分２６２は、軸方向Ａに対して互いに隣接して配置されている。横方向リム２７は、第２の部分２６２に配置されている。コイル・コア２５ごとに、横方向リム２７の端面２１１は、対応する長手方向リム２６の第１の部分２６１から径方向に第１の距離Ａ１を有し、また第２の部分２６２から径方向に第２の距離Ａ２を有し、第２の距離Ａ２は、第１の距離Ａ１よりも長い。これは、各長手方向リム２６が、第２の部分２６２が第１の部分２６１に対して径方向外向きにずれるように設計され、したがって、長手方向リム２６と回転子３の磁気的に有効なコア３１との間で磁束が直接伝達されるリスクなしに、端面２１１間で回転子３が使用可能な空間が増加することを意味する。第２の部分２６２が、径方向について、第１の部分２６１に対して径方向外向きにはみ出ているという事実により、距離、すなわち第２の距離Ａ２が、第２の部分２６２の領域内の長手方向リム２６と端面２１１との間で増加する。結果的に、回転子の磁気的に有効なコア３１と長手方向リム２６との間の距離もまた、特に第２の部分２６２の領域において増加する。

したがって、第２の部分２６２の領域において、コイル・コア２５によって囲まれる空間を拡大することにより、第１の端部の領域、すなわち戻り部２２の領域における、２つのコイル・コア２５間の直径距離を増加させる必要なしに、より大きい回転子の直径ＲＺを有する、磁気的に有効なコア３１を使用することが可能である。回転子３に印加され得るトルクは、回転子の直径ＲＺにつれて２次関数的に増加するので、本発明による実施例は、非常に著しい改善を示す。

特に図３、図５及び図６で認識され得る好ましい実施例によれば、第１の部分２６１及び第２の部分２６２は、長手方向リム２６ごとに互いに平行に配置され、対応する端面２１１からの径方向の距離が、第１の距離Ａ１から第２の距離Ａ２に変化する遷移領域２６３によって、互いに連結されている。この遷移領域２６３は、好ましくは、第１の部分２６１及び第２の部分２６２のように、長方形の外形を有するよう設計され、遷移領域２６３の長手方向軸は、径方向Ａとゼロではない角度をなす。

第２の距離Ａ２（図５）は、好ましくは、固定子極の高さＨＳの半分よりも長い、すなわち、Ａ２＞ＨＳである。第２の距離Ａ２が、第１の距離Ａ１の１．１倍よりも長い、すなわち、Ａ２＞１．１Ａ２である場合が、特に好ましい。第２の距離Ａ２が、固定子極の高さＨＳの０．７倍よりも長い、すなわち、Ａ２＞０．７ＨＳであることが好ましい。

第２の距離Ａ２が、第１の距離Ａ１の１．２倍よりも長い、すなわち、Ａ２＞１．２・Ａ２である場合が、特に好ましい。第２の距離Ａ２が、固定子極の高さＨＳの０．８倍よりも長い、すなわち、Ａ２＞０．８・ＨＳであることが好ましい。

第２の距離Ａ２が、第１の距離Ａ１の１．２５倍よりも長い、すなわち、Ａ２＞１．２５・Ａ２である場合がとりわけ好ましい。第２の距離Ａ２が、固定子極の高さＨＳよりも長い、すなわち、Ａ２＞ＨＳであることが好ましい。

以下において、回転子３又は回転子３の磁気的に有効なコア３１の実施例の様々な変形例が、図８から図１３に基づいて説明される。以前の説明との違いについてのみ、論じることとする。それ以外は、以前の説明が、同じ又は類似的に同じ形で、実施例の変形例にも当てはまる。さらに、変形例に基づいて説明された手段を組み合わせることも可能である。

図８は、図３に相当する図における、回転子３又は回転子３の磁気的に有効なコア３１の第１の変形例を含む、本発明による回転駆動装置１の第１の実施例を示している。理解をより深めるために、図９はやはり、磁気的に有効なコア３１のこの第１の変形例を示している。

回転子３の磁気的に有効なコア３１は、第１の変形例において、特に回転子３の受動的磁気安定化をさらに改善するために、固定子極の高さＨＳよりも大きい回転子の高さＨＲを有するよう設計されている。

磁気的に有効なコア３１は、軸方向Ａについて、第１の軸方向境界面３１１及び第２の軸方向境界面３１２によって境界を画され、この両方が、軸方向Ａに垂直であり、したがって互いに平行である。この実施例では、第１の軸方向境界面３１１と第２の軸方向境界面３１２との間の垂直距離は、回転子の高さＨＲである。

固定子極の高さＨＳよりも大きい回転子の高さＨＲを有する、回転子３の磁気的に有効なコア３１の設計により、回転子３の磁気浮上の軸方向の剛性又は磁気安定化を大幅に改善することができる。というのは、磁気的に有効なコア３１を、軸方向Ａに対してより大きく設計することで、横方向リム２７の端面２１１と回転子３の磁気的に有効なコア３１との間の空隙において、磁束密度の集中が生じるからである。空隙での磁束密度のこの集中に起因して、磁束密度の著しくより強い勾配が、端面２１１と磁気的に有効なコア３１との間の（少なくともほぼ）均一場から、軸方向Ａに対して、横方向リム２７の上又は下へ広がる漂遊場の領域への遷移部にも生じる。図８では、磁束の力線は、横方向リム２７と磁気的に有効なコア３１との間で、それぞれ破線によって表されており、直線の平行な力線は均一場の領域を示し、曲線の力線は漂遊場の領域を示している。

磁気浮上の軸方向の剛性は、磁束密度につれて２次関数的に、したがって回転子の高さＨＲにつれて飛躍的に増加するので、磁気的に有効なコア３１をより高く設計することにより、磁気浮上の軸方向の剛性の大幅な改善を実現することができる。さらにこの実施例では、回転子３の回転を駆動するトルクも、磁束を空隙に集中させることにより、増加させることができる。

ここで説明されている実施例（図９参照）では、磁気的に有効なコア３１は、軸方向Ａに対して、第１の縁部領域３３と第２の縁部領域３４との間に配置された中央領域３２を有し、両方の縁部領域３３、３４が、中央領域３２に直接隣接している。中央領域３２は、回転子の直径ＲＺである、直径を有する。中央領域３２は、軸方向Ａに、回転子の高さＨＲよりも小さい中央の高さＨＺを有する。

第１の縁部領域３３は、磁気的に有効なコア３１の第１の軸方向境界面３１１を形成し、第１の軸方向境界面３１１は、第１の軸方向境界面３１１の外径である、第１の縁部の直径Ｒ１を有する。第２の縁部領域３４は、磁気的に有効なコア３１の第２の軸方向境界面３１２を形成し、第２の軸方向境界面３１２は、第２の軸方向境界面３１２の外径である、第２の縁部の直径Ｒ２を有する。縁部の直径Ｒ１及びＲ２のそれぞれは、回転子の直径ＲＺよりも小さい。図９に示されているように、第１の縁部の直径Ｒ１と第２の縁部の直径Ｒ２とは、同じサイズにすることができる。他の実施例では、第１の縁部の直径と第２の縁部の直径とは、相異なるサイズであってもよい。

図９に示されている磁気的に有効なコア３１の実施例では、中央領域３２は、軸方向の断面において、長方形の外形を有し、高さとして中央の高さＨＺを、幅として回転子の直径ＲＺを有している。

磁気的に有効なコア３１の中央領域３２は、特に好ましくは、中央の高さＨＺが固定子極の高さＨＳと同じになるように設計されている。

第１の縁部領域３３及び第２の縁部領域３４はそれぞれ、円錐台の形で設計され、円錐台は、いずれも、円錐台の底面において回転子の直径ＲＺに相当する直径を、また底面とは反対側に向く円錐台の軸方向境界面３１１、３１２において、それぞれ第１の縁部の直径Ｒ１及び第２の縁部の直径Ｒ２に相当する、より小さい直径を有する。

第１の縁部領域３１１及び第２の縁部領域３１２は、同様に設計されることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。

第１の縁部領域３３及び／又は第２の縁部領域３４が、第１の縁部の直径Ｒ１又は第２の縁部の直径Ｒ２に相当する直径を有する円形の円盤の形状に設計され、したがってこの場合、第１の縁部領域３３及び／又は第２の縁部領域３４が、軸方向の断面において長方形の外形を有するような実施例もまた可能である。

しかし、磁気的に有効なコア３１が、中央領域３２と第１の軸方向境界面３１１との間も、中央領域３２と第２の軸方向境界面３１２との間も、軸方向Ａに平行でない外面を有するような、磁気的に有効なコア３１の実施例が好ましい。したがって、第１の軸方向境界面３１１及び第２の軸方向境界面の両方が、軸方向Ａに対して斜めであるか又は湾曲している遷移部３５によって中央領域３２に連結されているような実施例が好ましい。

この手段により、回転子３の傾斜剛性、すなわち、傾斜に対する耐性、又は傾斜した位置から所望の位置に戻る回転子の能力が、大幅に改善される。

既に言及されたように、図９に示されている実施例では、第１の縁部領域３３及び第２の縁部領域３４は、それぞれ円錐台の形で設計されている。円錐台の傾きは、遷移部３５と軸方向Ａとの間の鋭角で与えられる、円錐台の角度αで表されている。

実際には、幾何学的寸法の特定の組合せが、特に有利であることが証明されている。

回転子の高さＨＲと中央の高さＨＺとの高さの比については、１．２から１．６の範囲、すなわち、１．２≦ＨＲ／ＨＺ≦１．６が好ましく、ここで円錐台の角度αは、１５度から６０度の間、すなわち１５°≦α≦６０°である。円錐台の角度αがより大きい場合に、高さの比ＨＲ／ＨＺがより大きくなるほど有利であることが示されている。

さらに、回転子の直径ＲＺと回転子の高さＨＲとの比が２から３の間、すなわち２≦ＲＺ／ＨＲ≦３であり、この比が、好ましくは、より小さく選択することができる場合に、円錐台の角度αがより大きくなるほど有利であることが示されている。

特に好ましくは、回転子の高さＨＲと中央の高さＨＺとの高さの比は、１．３から１．５の範囲、すなわち、１．３≦ＨＲ／ＨＺ≦１．５であり、ここで円錐台の角度αは、２０度から３０度の間、すなわち、２０°≦α≦３０°である。回転子の直径ＲＺと回転子の高さＨＲとの比については、２．３から２．７の範囲、すなわち、２．３≦ＲＺ／ＨＲ≦２．７が特に好ましい。

とりわけ好ましくは、回転子の高さＨＲと中央の高さＨＺとの高さの比は、約１．４６、すなわち、ＨＲ／ＨＺ＝１．４６であり、ここで円錐台の角度αは、約２２．５度、すなわち、α＝２２．５°である。

回転子３の磁気的に有効なコア３１は、磁気中心平面Ｃが軸方向Ａとゼロでない角度をなす傾斜位置になると、たとえば、図（図８）によれば左の端面２１１と向かい合う磁気的に有効なコア３１の領域で、力成分が軸方向Ａに作用し、その力成分は、図によれば右の端面２１１と向かい合う磁気的に有効なコア３１の領域で作用する、軸方向Ａにおける力成分と反対方向に向けられる。したがって、軸方向Ａのこれら２つの力成分は、磁気的に有効なコア３１にトルクを加え、コア３１をコア３１の所望の位置、すなわち、磁気中心平面Ｃが軸方向Ａに対して垂直である、傾斜していない位置に戻す。

回転子３の磁気的に有効なコア３１が、軸方向Ａについてずれた又は偏った位置になると、磁気中心平面Ｃは、依然として軸方向Ａに垂直であるが、径方向の平面Ｅに対して（図示されている）下方又は上方に平行にずれる。この位置では、図によれば左の端面２１１と向かい合う磁気的に有効なコア３１の領域で、力成分が軸方向Ａに作用し、その力成分は、図によれば右の端面２１１と向かい合う磁気的に有効なコア３１の領域で作用する、軸方向Ａにおける力成分と同じ方向を有する。したがって、これらの２つの力成分は、磁気的に有効なコア３１に力を加え、コア３１を、磁気中心平面Ｃが径方向の平面Ｅにある、コア３１の所望の位置に戻す。

図１０は、回転子３の磁気的に有効なコア３１の第２の変形例を示している。この第１の変形例では、磁気的に有効なコア３１は、コア３１の全体にわたって、回転子の高さＨＲに等しい軸方向Ａの高さで設計されている。この場合も、回転子の高さＨＲは固定子極の高さＨＳよりも大きい。図１０によるこの実施例では、第１の変形例とは対照的に、磁気的に有効なコア３１が、中央領域と区別され得るどんな明確な縁部領域も有していない。磁気的に有効なコア３１は、円形の円盤又は円柱の円盤として設計されており、この円盤は、回転子の直径ＲＺである直径、及び回転子の高さＨＲである軸方向の高さを有する。磁気的に有効なコア３１は、もちろん、環状の円盤として設計されてもよい。

図１１は、軸方向の断面における、磁気的に有効なコア３１の第３の変形例を示している。第３の変形例は、図９に示されている第１の変形例にほぼ相当するが、第１の軸方向境界面３１１から第２の軸方向境界面３１２まで、磁気的に有効なコア３１全体を貫いて軸方向Ａに延在する中央穴３６を有する。

図１２は、磁気的に有効なコア３１の第４の変形例を示している。第４の変形例は、図９に示されている第１の変形例にほぼ相当するが、第１の縁部領域３３及び第２の縁部領域３４の設計が相異なる。第３の変形例では、両方の縁部領域３３、３４は、それぞれ球形の円盤の形又は放物体の円盤の形で設計されている。すなわち、遷移部３５がそれぞれ、たとえば球殻の一部として、又は放物体の一部として、湾曲して設計されている。遷移部３５の傾きは、たとえば、傾き角度βによって説明することができ、円錐台の角度αと類似的に同じように画定され得る。したがって、傾き角度βは、たとえば、遷移部３５の接線が軸方向Ａとなす鋭角である。円錐台の角度αと同じ説明が、傾き角度βにも類似的に当てはまる。

図１３は、磁気的に有効なコア３１の第５の変形例を示している。第５の変形例は、図９に示されている第１の変形例にほぼ相当するが、第１の縁部領域３３の設計が異なる。第４の変形例では、第２の縁部領域３４だけが円錐台の形で設計され、一方第１の縁部領域は、球形の円盤の形又は放物体の円盤の形で設計されている。

図１４は、本発明による電磁回転駆動装置１の第２の実施例の斜視図を示す。理解をより深めるために、図１５は、やはり軸方向Ａの断面における、第２の実施例を示している。

以下において、第１の実施例との違いについてのみ、論じることとする。第２の実施例と同じ部品又は機能が同等の部品は、第１の実施例又は第１の実施例の変形例と同じ参照記号で示されている。参照記号は、特に、第１の実施例に関連して既に説明されたのと同じ意味を有する。第１の実施例及び第１の実施例の変形例の、以前のすべての説明はまた、同じように又は類似的に同じように、第２の実施例にも当てはまることを理解されたい。

第２の実施例では、電磁回転駆動装置１の固定子２は、２種類の集中巻線６１ａ、６１ｂが、各長手方向リム２６上に設けられ、集中巻線６１ａ、６１ｂのそれぞれが、それぞれの長手方向リム２６を取り囲み、軸方向Ａに対して互いに隣接して配置されるように設計されている。

この実施例は、ベアリングレス・モータの原理に従った設計に特に好適であり、駆動場及び制御場を生成するために、別個の巻線システムが設けられている。したがって、一方の集中巻線６１ａは、たとえば、駆動コイル６１ａとして使用することができ、他方の集中巻線６１ｂは、制御コイル６１ｂとして使用することができる。この場合、電磁回転場である駆動場が、すべての駆動コイル６１ａ全体によって生成され、一方、やはり電磁回転場である制御場が、制御コイル６１ｂ全体によって生成され、駆動場に重ね合わされる。この場合、駆動場と制御場との重ね合わせにより、回転子３に、回転を駆動するためのトルクを生成する接線力ばかりでなく、径方向の平面における磁気的に有効なコア３１の位置を能動的に調節することができる、径方向の平面Ｅで任意に調整可能な横方向の力も生成することができる。

別個の駆動コイル６１ａ及び別個の制御コイル６１ｂを備える実施例は、用途に応じて、電磁回転駆動装置の制御又は調節を簡素化することができる。

同じ長手方向リム２６上に互いに軸方向に隣接して配置された２種類の集中巻線、すなわち駆動コイル６１ａ及び制御コイル６１ｂは、互いに接触してはならない。これは、有利なことには、制御デバイス６２又は制御デバイス６２の一部が、電磁回転駆動装置１を制御及び調節するために、軸方向Ａに対して、駆動コイル６１ａと制御コイル６１ｂとの間に配置されるように実現され得る。たとえば、この制御デバイス６２はまた、集中巻線６１ａ、６１ｂ用パワー・エレクトロニクスを備えることもできる。この制御デバイス６２は、特に、制御コイル６１ｂを制御及び調節するよう機能することができる。２種類の集中巻線間に配置される制御デバイスは、好ましくは、基板又はＰＣＢ（プリント回路基板）として設計される。

さらに、流体を搬送する遠心ポンプ１００が本発明で提案され、遠心ポンプ１００は、本発明に従って設計された電磁回転駆動装置１を備え、電磁回転駆動装置１の回転子３が、遠心ポンプ１００の回転子３として設計されていることを特徴とする。

図１６は、軸方向Ａの断面における、本発明による遠心ポンプの実施例を示しており、遠心ポンプは全体にわたり、参照記号１００で示されている。

遠心ポンプ１００は、搬送されるべき流体用入口５２及び出口５３を備えるポンプ筐体５１を備えた、ポンプ・ユニット５０を備え、回転子３は、ポンプ筐体５１内に配置され、流体を搬送するための複数のベーン５４を備える。ポンプ・ユニット５０は、回転子３１の磁気的に有効なコアが横方向リム２７の端面２１１によって取り囲まれるように、ポンプ・ユニット５０を固定子２内に挿入することができるように設計されている。

回転子３が一体型回転子として設計されていることは、有利な側面である。というのは、回転子３が、電磁回転駆動装置１の回転子３であり、且つ流体が搬送される遠心ポンプ１００の回転子３でもあるからである。したがって回転子３は、１つで以下の合計３つの機能を果たす。回転子３は、電磁駆動装置１の回転子３であり、磁気浮上の回転子３であり、また１種類又は複数種類の流体に作用する羽根車である。一体型回転子であるこの実施例は、非常に小型で省スペースの設計の利点を提供する。

理解をより深めるために、図１７はやはり、遠心ポンプ１００のポンプ・ユニット５０の、図１８の断面線ＸＶＩＩ～ＸＶＩＩに沿った断面における、わずかにより詳細な図を示している。図１８は、軸方向Ａからのポンプ・ユニット５０の平面図を示している。

ポンプ・ユニットのポンプ筐体５１は、密封式に互いに連結された、基部５１２及びカバー５１１を備え、ポンプ筐体５１の出口５３は、完全に基部５１２内に配置されている。カバー５１１は、流体が軸方向Ａから回転子３に流れるように、軸方向Ａに延在する、入口５２を備える。

この点に関連して、出口５３が完全に基部５１２内に配置され、したがって出口５３が、どんな分割線、溶接線、又は同様の接合部を有していないことも、価値のある側面である。

カバー５１１及び基部５１２を密封式に連結するのに好適な、任意の方法自体が知られている。したがって、基部５１２及びカバー５１１は、たとえば、ねじ式連結によって、クリック式連結によって、スナップイン式連結によって、接着によって、又は様々な種類の溶接、たとえば赤外線溶接によって、互いに連結され得る。連結の種類に応じて、基部５１２とカバー５１１との間に密封要素５１３、たとえばＯリングを設けることが有利であり得る。

回転子３は、流体を搬送するための複数のベーン５４を備える。ここで説明されている実施例の場合、合計４つのベーン５４が設けられており、この数は例示的な性質のものである。回転子３は、回転子３の磁気的に有効なコア３１を密閉し、好ましくは、回転子３の磁気的に有効なコア３１を、搬送されるべき流体と接触しないように封入する、ジャケット３８をさらに備える。すべてのベーン５４は、ジャケット３８に配置され、回転子３の周方向に対して等距離に配置されている。各ベーン５４は、径方向外向きに延在し、耐トルク式にジャケット３８に連結されている。ベーン５４は、この場合、ジャケット３８に固定される別個の構成要素であり得る。もちろん、すべてのベーン５４がジャケット３８の一体部分であること、すなわち、ジャケット３８が、すべてのベーン５４と共に単一の部品として設計されることも可能である。ベーン５４を備えた回転子３は、１種類若しくは複数種類の流体に作用する、羽根車又は遠心ポンプ１００の羽根車を形成する。

回転子３は、好ましくは、軸方向Ａに回転子３を完全に貫いて延在する中央穴３６を備える。この中央穴３６は、回転子３の軸方向の受動的な磁気浮上が楽になるように、少なくとも部分的な軸方向の推力を確実に補うことができる。

用途に応じて、たとえば、遠心ポンプが血液ポンプとして使用される場合、ポンプ・ユニット５０のポンプ筐体５１ばかりでなくジャケット３８及びベーン５４が、１種類又は複数種類のプラスチックでできていることが好ましい。好適なプラスチックは、以下である。すなわち、ポリエチレン（ＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、超低密度ポリエチレン（ＵＬＤＰＥ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリアクリル、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、又はシリコーンである。多くの用途では、テフロンの商標名で知られている材料である、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びパーフルオロアルコキシポリマー（ＰＦＡ）も、好適なプラスチックである。

ポンプ・ユニット５０は、好ましくは、遠心ポンプ１００の固定子２へ着脱可能に連結されるよう設計されている。この目的のために、たとえば、差込み式連結の形で固定子２と協働することができる、いくつかのラグ５７がポンプ筐体５１に設けられ得る。

特に好ましい実施例では、ポンプ・ユニット５０は、再利用可能なデバイスとして設計された固定子２内に挿入され得る、１回だけ使用するための使い捨てデバイスとして設計されている。遠心ポンプ１００は、この場合、１回だけ使用するための使い捨てデバイスとして設計されたポンプ・ユニット５０と、複数回使用するよう設計された再利用可能なデバイスとして設計された固定子２とで構成される。固定子２は、典型的には、電磁回転駆動装置１の制御、調節、及び電源ユニットも備える。

「使い捨てデバイス」という用語及び「使い捨て」の構成要素を備える他の構成物は、使い捨てるよう設計された、すなわち、これらの意図する目的に従って一度だけ使用することができ、次いで廃棄されるような、構成要素又は部品を指す。以前に使用されなかった新しい使い捨て部品は、次いで、新しい用途に使用されなければならない。したがって、使い捨てデバイスの構想又は設計において、使い捨てデバイスを再利用可能なデバイスと組み合わせて、可能な限り最も簡単なやり方で遠心ポンプを形成することができることは、価値のある側面である。したがって、使い捨てデバイスは、高度な組立て作業を必要とせずに、非常に簡単なやり方で交換できるべきである。使い捨てデバイスは、特に好ましくは、工具を使用せずに、再利用可能なデバイスと組み合わされ、また再利用可能なデバイスから分離され得るべきである。ポンプ・ユニット５０は、かかる使い捨てデバイスとして設計され得る。

遠心ポンプ１００は、たとえば、医療業界で血液ポンプとして使用され得るか、又は製薬業界若しくは生物工学業界において使用され得る。遠心ポンプ１００は、混合されるべき物質と接触する構成要素の非常に高度な純度又は無菌性に価値があるような用途に、とりわけ好適である。

Claims (15)

1. テンプル・モータとして設計される電磁回転駆動装置であって、前記回転駆動装置が、環状又は円盤状の磁気的に有効なコア（３１）を備える回転子（３）と、支持及び駆動用固定子として設計される固定子（２）とを備え、前記回転子（３）が、動作状態において非接触で、軸方向（Ａ）を画定する所望の回転軸を中心として磁気的に駆動され得ることにより、且つ前記回転子（３）が、前記固定子（２）に対して非接触で、磁気的に浮上することができることにより、前記回転子（３）が、前記軸方向（Ａ）に垂直な径方向の平面（Ｅ）で能動的に磁気浮上し、且つ前記軸方向（Ａ）で、傾斜に抗して受動的に磁気安定化され、前記固定子（２）が、複数のコイル・コア（２５）を有し、前記コイル・コア（２５）のそれぞれが、前記軸方向（Ａ）に延在する長手方向リム（２６）と、前記径方向の平面（Ｅ）に配置され、前記長手方向リム（２６）から径方向に延在し、前記回転子（３）の前記磁気的に有効なコア（３１）に面する端面（２１１）によって境界を画された横方向リム（２７）とを備え、少なくとも１つの集中巻線（６１）が、前記それぞれの長手方向リム（２６）を取り囲んで、各長手方向リム（２６）上に配置され、各長手方向リム（２６）が、前記軸方向（Ａ）に対して互いに隣接して配置された、第１の部分（２６１）及び第２の部分（２６２）を備え、前記横方向リム（２７）が、前記第２の部分（２６２）に配置され、前記横方向リム（２７）の前記端面（２１１）が、前記対応する長手方向リム（２６）の前記第１の部分（２６１）から前記径方向に第１の距離（Ａ）を、また前記第２の部分（２６２）から前記径方向に第２の距離（Ａ２）を有し、前記第２の距離（Ａ２）が、前記第１の距離（Ａ１）よりも長いことを特徴とする、電磁回転駆動装置。
2. 前記第１の部分（２６１）及び前記第２の部分（２６２）が、長手方向リム（２６）ごとに、互いに平行に配置され、前記対応する端面（２１１）からの前記径方向の距離が、前記第１の距離（Ａ１）から前記第２の距離（Ａ２）に変化する遷移領域（２６３）によって、互いに連結されている、請求項１に記載の回転駆動装置。
3. 前記回転子（３）の前記磁気的に有効なコア（３１）が、前記磁気的に有効なコア（３１）の前記軸方向（Ａ）の最大の広がりである回転子の高さ（ＨＲ）を有し、前記回転子の高さ（ＨＲ）が、前記横方向リムの前記端面（２１１）の、前記軸方向（Ａ）の最大の広がりによって画定される固定子極の高さ（ＨＳ）よりも大きい、請求項１又は２に記載の回転駆動装置。
4. 前記第２の距離（Ａ２）が、前記横方向リム（２７）の前記端面（２１１）の、前記軸方向（Ａ）の前記最大の広がりによって画定される、固定子極の高さ（ＨＳ）の半分より長い、請求項１から３までのいずれか一項に記載の回転駆動装置。
5. 前記磁気的に有効なコア（３１）が、前記軸方向（Ａ）に対して、第１の縁部領域（３３）と第２の縁部領域（３４）との間に配置され、回転子の直径（ＲＺ）を有する中央領域（３２）を備え、前記第１の縁部領域（３３）が、第１の縁部の直径（Ｒ１）を有する前記磁気的に有効なコア（３１）の第１の軸方向境界面（３１１）を形成し、前記第２の縁部領域（３４）が、第２の縁部の直径（Ｒ２）を有する前記磁気的に有効なコア（３１）の第２の軸方向境界面（３１２）を形成し、各縁部の直径（Ｒ１、Ｒ２）が、前記回転子の直径（ＲＺ）よりも短い、請求項３から５までのいずれか一項に記載の回転駆動装置。
6. 前記中央領域（３２）が、前記軸方向（Ａ）の前記中央領域（３２）の広がりである中央の高さ（ＨＺ）を有し、前記中央の高さ（ＨＺ）が、前記固定子極の高さ（ＨＳ）と同じサイズである、請求項５に記載の回転駆動装置。
7. 前記磁気的に有効なコア（３１）が、前記中央領域（３２）と前記第１の軸方向境界面（３１１）との間も、前記中央領域（３２）と前記第２の軸方向境界面（３１２）との間も、前記軸方向（Ａ）に平行でない外面を有する、請求項５又は６に記載の回転駆動装置。
8. ２種類の集中巻線（６１ａ、６１ｂ）が、各長手方向リム上に設けられ、前記集中巻線（６１ａ、６１ｂ）のそれぞれが、前記それぞれの長手方向リム（２６）を取り囲み、前記軸方向（Ａ）に対して互いに隣接して配置されている、請求項１から７までのいずれか一項に記載の回転駆動装置。
9. 流体を搬送する遠心ポンプであって、前記遠心ポンプが、請求項１から８までのいずれか一項に従って設計された電磁回転駆動装置（１）を備え、前記電磁回転駆動装置（１）の前記回転子（３）が、前記遠心ポンプの前記回転子（３）として設計されていることを特徴とする、遠心ポンプ。
10. 搬送されるべき前記流体用の入口（５２）と出口（５３）とを備える、ポンプ筐体（５１）を備えるポンプ・ユニット（５０）を備え、前記回転子（３）が、前記ポンプ筐体（５１）内に配置され、前記流体を搬送する複数のベーン（５４）を備え、前記ポンプ・ユニット（５０）が、前記回転子（３）の前記磁気的に有効なコア（３１）が前記横方向リム（２７）の前記端面（２１１）によって取り囲まれるように、前記ポンプ・ユニット（５０）が前記固定子（２）内に挿入され得るように設計されている、請求項９に記載の遠心ポンプ。
11. 遠心ポンプ用のポンプ・ユニットであって、前記ポンプ・ユニット（５０）が、請求項１０に従って設計された遠心ポンプ（１００）用に設計されていることを特徴とする、ポンプ・ユニット。
12. 前記ポンプ筐体（５１）が、密封式に互いに連結された、基部（５１２）及びカバー（５１１）を備え、前記ポンプ筐体（５１）の前記出口（５３）が、完全に前記基部（５１２）内に配置されている、請求項１１に記載のポンプ・ユニット。
13. 前記回転子（３）が、前記軸方向（Ａ）に前記回転子（３）を完全に貫いて延在する中央穴（３６）を有する、請求項１１又は１２に記載のポンプ・ユニット。
14. 請求項９に記載の前記遠心ポンプ（１００）の、前記固定子（２）へ着脱可能に連結するよう設計されている、請求項１１から１３までのいずれか一項に記載のポンプ・ユニット。
15. 前記ポンプ・ユニット（５０）が、１回だけ使用するための使い捨てデバイスとして設計されている、請求項１１から１４までのいずれか一項に記載のポンプ・ユニット。

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