JP3930834B2

JP3930834B2 - アキシャル型磁気浮上回転機器及び遠心ポンプ

Info

Publication number: JP3930834B2
Application number: JP2003184874A
Authority: JP
Inventors: 徹増澤; 養二岡田
Original assignee: Iwaki Co Ltd
Current assignee: Iwaki Co Ltd
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: JP2005016677A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータと、その軸線方向に沿って、その上部に配置された上部ステータ及び下部に配置された下部ステータとを備え、前記ロータをその軸線方向に沿ってアキシャル磁気浮上させながら、軸線のまわりに非接触状態で回転させるアキシャル型磁気浮上回転機器及びそれを用いたアキシャル型磁気浮上遠心ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロータを磁気の作用によって非接触状態で回転させる構成の回転機器として、例えば磁気浮上回転モータ、高速回転機、工作機械用の高速スピンドル、更にはその応用例としての医療分野における人工心臓や遠心ポンプへの適用がある。磁気浮上の方式として、ロータのラジアル方向からの制御を行なうラジアル型のもの（例えば、特許文献１及び２参照）及びロータの軸線方向に沿ってロータの軸方向の位置ならびに回転の制御を行なうアキシャル型のもの（例えば、特許文献３参照）がある。
【０００３】
【特許文献１】
特表平１１−５０３２１０号公報
【特許文献２】
特開平４−２３６１８８号公報
【特許文献３】
特許第２８６０３９８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１及び２に開示されたラジアル式の場合には、ロータの外周に離間配置したステータに、ロータ回転駆動のための電磁石の巻線に加えてロータの浮上状態を制御する電磁石の巻線を設ける必要があるために、構造、特に横方向の寸法が大となり、大型化ならびに重量増大といった問題、更には制御系が複雑になるといった問題があった。
【０００５】
又、アキシャル型のものとして提案されている特許文献３に開示のものでは、上部ステータに回転・浮上を兼用する巻線を有する電磁石を設け、下部ステータには吸引用磁石を設けて、これを位置コントローラを介してロータの軸方向の位置の制御ならびに回転制御を行なう構成となっている。しかし、ロータの横方向、すなわちラジアル方向の位置の変動ないし振動を抑制する構成がないので、ロータ回転の安定化の構成が不十分であるとともに上部ステータに設けた電磁石がロータの回転と浮上の両方の制御を行なうために、ここにおいても制御系が複雑になるといった問題があった。
【０００６】
従って、本発明は、上記従来の磁気浮上回転機器における諸問題に鑑みなされたもので、その目的は、ロータのラジアル方向の変動ないし振動を抑制して、より安定したロータ回転を可能とするとともに制御構成が簡単で、小型化設計も容易なアキシャル型磁気浮上回転機器ならびにその具体例としてのアキシャル型磁気浮上遠心ポンプを提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ロータと、該ロータの軸線方向に沿ってその上部に配置された上部ステータ及び下部に配置された下部ステータとを備え、前記ロータを該軸線方向に沿ってアキシャル磁気浮上させながら該軸線のまわりに非接触状態で回転させる構成のものにおいて、前記ロータの上面に円形状上側永久磁石を設けるとともに前記上部ステータには該円形状上側永久磁石と共働して該ロータに対して軸線方向の吸引力を発生させる吸引用電磁石手段を設け、前記ロータの下面には該ロータの回転用の複数個の下側永久磁石を設けるとともに前記下部ステータには該回転用永久磁石と共働して該ロータの回転駆動を行なう回転用電磁石手段を設け、前記ロータの周面にリング状内側永久磁石を設けるとともに該リング状内側永久磁石と共働して該ロータのラジアル方向の反発力を生じさせるために該ロータの周囲にこれと離間した状態で固定のリング状外側永久磁石を配置し、前記上部ステータの吸引用電磁石手段によって該ロータとの間にギャップを保持してロータの軸方向の位置を制御するとともに前記下部ステータの回転用電磁石手段によって該ロータの回転制御を行ない、前記内側及び外側永久磁石の相互の反発力によって該ロータのラジアル方向の位置制御を行なう構成のアキシャル型磁気浮上回転機器を提案するものである。
【０００８】
上記構成のごとく、本発明においては、上部ステータの電磁石手段はロータに対して吸引力を作用させてロータの軸方向の位置制御を担当するが、ロータの回転制御は兼用せず、これは下部ステータの電磁石手段が担当する構成とし、かつ、ロータの横方向の変動ないし振動に対してはロータ側に設けたリング状内側永久磁石と、ロータの周囲に離間して配置した固定のリング状外側永久磁石の相互の反発力を用いて受動的ないしパッシブ（passive）に抑制するようにしたものである。
【０００９】
従って、上部ステータにおいてロータの軸方向に着磁したバイアス磁束発生用としてロータの軸方向の位置を制御するが、ロータの回転については、下部ステータが担当するので、制御構成が簡単になり、又、ラジアル方向についてもロータの変動ないし振動を受動安定性をもって抑制してロータを支持するようにしたので、より安定したロータの回転動作を得ることができる。
【００１０】
又、本発明においては、吸引用電磁石手段は、ロータの上側永久磁石と共働してロータ軸線方向位置と傾きを制御する吸引力を発生させるように機能させることも提案するものである。これによって、ロータの回転の安定性を一層、向上させることができる。
【００１１】
更に、本発明においては、このようなアキシャル型磁気浮上回転機器を用いて遠心ポンプを構成することも提案するものである。これによって、構造が簡単で小型のポンプを提供でき、しかも、非接触状態でロータが回転するので、軸受部分を一切不要とし、吐出液中に軸受の潤滑用グリースが入って汚染されたり摩耗クズ等の混入の恐れがないので、高純度の液のポンプ給送が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は本発明に係るアキシャル型磁気浮上回転機器の原理構成を示す。１はロータ、２はその軸線Ｚに沿って、その上部に配置された上部ステータ、３はロータ１の下部に配置された下部ステータである。ロータ１の上面には円形状上側永久磁石４が設けられるとともに上部ステータ２には、この上側永久磁石４と共働する４つの電磁石５が設けられている。他方、ロータ１の下面には８個の下側永久磁石６が設けられるとともに下部ステータ３には１２突極３相８極よりなる電磁石７が設けられている。又、ロータ１の周面にはリング状内側永久磁石８が設けられるとともに、このリング状内側永久磁石と共働する固定のリング状外側永久磁石９がロータ１の周面から離間した状態で同心状態で配置されている。上部ステータ２及び下部ステータ３に設けられた電磁石５及び７の巻線は図において省略してある。
【００１３】
上記構成において、ロータ１の軸線Ｚ方向におけるアキシャル制御は上部ステータ２が行ない、ロータ１の軸線Ｚのまわりの回転駆動の制御は下部ステータ３が行なう。又、ロータ１のラジアル方向（Ｘ軸，Ｙ軸）の位置変動ないし振動に対しては、リング状外側永久磁石９とロータ１側にあるリング状内側永久磁石８の間で発生する相互の反発力によって受動的な制御、すなわちパッシブ（passive）方式の制御を行なう構成である。
【００１４】
又、上部ステータ２は後述のようにロータ１が軸線Ｚに対して偏位した傾きに対する制御も担当する。すなわち、上部ステータ２に設けた４つの電磁石５がロータ１側の内側永久磁石４と共働してロータのアキシャル制御を行うとともに、この４つの電磁石が相互に対角方向に対向するものどうしの２対の電磁石を構成して傾き制御をも行なう。ロータ１の上面の上側永久磁石４は軸方向に着磁したバイアス磁束発生用とし、従って、そのバイアス磁束は軸線Ｚの一方向にのみ発生させ、磁気浮上制御はロータ１の回転に影響を与えない構成としてある。すなわち、４つの電磁石５は、ロータ１との間にギャップを保持しつつロータ１を軸方向に吸引して浮上させる吸引用電磁石手段及びロータ１の傾き制御用電磁石手段を構成する。
【００１５】
下部ステータ３においては、１２突極３相８極の電磁石７がロータ１に設けた８個の薄型永久磁石より構成した下側永久磁石６と、この間にギャップを保持した状態で共働してロータ１を軸線Ｚのまわりに回転駆動する回転制御手段を構成するが、ここではロータ１の浮上制御は行なわない。なお、上記電磁石７は、回転用電磁石であれば、６突極３相４極あるいは４突極２相４極など、突極数、相数、極数は実施形態のものに限定されない。同様に、永久磁石６の個数も下部ステータ３の電磁石７に応じて変化するので、実施形態に限定されるものではない。
【００１６】
ロータ１のラジアル方向の位置制御は、前述の通り、ロータ１の周面に配置したリング状内側永久磁石８とロータ１の外周に固定状態に配置したリング状外側永久磁石９による相互の反発力を用いることでパッシイブに行ない、ロータ１のラジアル方向の変動ないし振動を抑制する。内側永久磁石８と外側永久磁石９は径の異なる同心円をなす。
【００１７】
図１は本発明に係るアキシャル型磁気浮上回転機器の原理構成を示すが、具体的構成においては、上部ステータ１、下部ステータ３及びリング状外側永久磁石９は回転機器のハウジング等に取付け固定される。
【００１８】
上部ステータ２によるロータ１のアキシャル制御、すなわち、ロータ１の軸方向の位置制御において、ロータ１側に設置した上側永久磁石４に対し、上部ステータ２の電磁石５の突極で磁束を増加、若しくは減少する方向に磁束を発生させて吸引力を調整する。以下に、電磁石５に付与される制御電流と吸引力との関係を示す。電磁石５によって発生する磁束をφ_ｃ、コイルの巻き数をＮ、電流をＩとし、又、磁気抵抗Ｒが４つの電磁石について全て等しいと仮定すると、φ_ｃは、以下の式が得られる。
φ_ｃ＝ＮＩ／Ｒ
電磁石５による磁束と永久磁石４によって発生する磁束φｍの和及び差が、ロータ上面との間のギャップの断面積Ｓに通る軸方向の磁束Ｂｚとなるので、その一方を示すと以下の式となる。
Ｂ₁＝（φ_ｍ＋φ_ｃ）／Ｓ
よって、４個の突極で発生する吸引力Ｆ1，Ｆ2は、その一方を示すと
Ｆ_１＝（φ_ｃ＋φ_ｍ）²／２Ｓμ_ｏ
となり、コイル電流の２乗に比例したアキシャル方向の吸引力を発生させることができる。尚、μ_ｏは真空の透磁率である。
【００１９】
従って、後述の通り、各電磁石５に供給するコイル電流の入力値を制御することによって、吸引力を変化させロータ１の軸方向の位置の制御が可能となる。
【００２０】
上部ステータ２によるロータ１の傾き制御において、図２についてロータ１の傾きの検出構成を説明する。図２に示すように、ロータ１の上部には渦電流センサよりなるセンサ１０を設置し、このセンサ１０からの変位の差を取ることにより、ロータ１の傾きを検出する。図において、破線で示した水平状態のロータ１が実線で示したように角度θだけ傾いた場合、ロータ１の上方に軸線Ｚの左右対称位置におかれた各センサ１０とロータ１との距離をそれぞれｄ₁，ｄ₂として、両センサの距離ｒとしたとき、以下の式が得られる。
θ＝tan^-1（ｄ₁−ｄ₂）／ｒ
【００２１】
傾き制御は、バイアス磁束に電磁石５から発生する磁束によって、ロータ１の突極間のギャップの磁束に強弱をつけることにより行なう。ロータ１の傾きを検出した後、対をなす左右の電磁石５にロータ１を中心位置の水平状態に戻すための制御電流を流す。図２ではロータ１が左回りに傾いた例を示すが、これに対して、電磁石５から発生させる磁束の流れを変えることにより、磁束を左側で強め合い、右側で弱め合うようにして、ロータ１に右回りのトルクを与える。このようにして、ロータの傾き制御を行なう。すなわち、この場合、４つの電磁石５の内、軸線Ｚを挟んで対角方向に向き合う２つの電磁石を一対として制御するので、ここでは２対の電磁石が傾き制御の役目を果たす。
【００２２】
以下に、制御電流と復元トルクの関係を示す。電磁石５によって発生する磁束をφ_ｃ、コイルの巻き数をＮ、電流をＩとし、又、磁気抵抗Ｒが左右とも等しいと仮定すると、φ_ｃの値は、左右とも以下の式で得られる。
φ_ｃ＝ＮＩ／Ｒ
一対の電磁石５による磁束と上側永久磁石４によって発生する磁束φ_ｍの和及び差がギャップの断面積Ｓに通る磁束Ｂｚとなるので、左右の磁束Ｂ₁，Ｂ₂は以下の式で得られる。
Ｂ₁＝（φ_ｍ＋φ_ｃ）／Ｓ
Ｂ₂＝（φ_ｍ−φ_ｃ）／Ｓ
よって、左右の電磁石の突極で発生する吸引力Ｆ1，Ｆ2は以下の式で得られる。
Ｆ₁＝（φｃ²＋２φ_ｃ＋φ_ｍ ^２）／２Ｓμ_ｏ
Ｆ₂＝（φｃ²＋２φ_ｃ＋φ_ｍ ^２）／２Ｓμ_ｏ
ここで、μ_ｏは真空の透磁率である。このような一対の電磁石２つの吸引力から、例えばロータ中心から距離Ｌのところにそれぞれ力がかかるとすると、実際にロータ１にかかるトルクＴは以下の式で得られる。
Ｔ＝Ｆ₁Ｌ−Ｆ₂Ｌ＝（２φ_ｃφ_ｍ／Ｓμ_ｏ）×Ｌ
上記より、コイル電流に比例した復元トルクを発生させることができる。
【００２３】
以上のように、上部ステータ２の各電磁石５に供給されるコイル電流の入力値を後述のように制御することにより、ロータ１の傾き制御がなされる。上記電磁石７及び永久磁石６の個数は、前述の通りこの実施形態のものに限定されるものではない。
【００２４】
下部ステータ３によるロータ１の回転制御においては、下部ステータ３側の１２突極３相８極の電磁石７に対して所定のコイル電流を入力することによりロータ１側の８個の永久磁石６との共働作用によりロータ１に軸線Ｚまわりの回転トルクを付与する。下部ステータ側の電磁石７に供給される電流により磁気エネルギが発生し、これによって、ロータ１に対する回転トルクが生じるが、この供給される入力電流値を変化させることによりロータ１の回転制御がなされる。上記電磁石７及び永久磁石６の個数は、前述の通り、この実施形態のものに限定されるものではない。
【００２５】
なお、下部ステータ３において発生する磁気エネルギはロータ１の回転トルクを発生させるとともにロータ１を軸方向に浮上させる浮上力成分も発生させるが、下部ステータ３では、もっぱら回転制御を行ない、ロータ１の軸方向の位置制御は上述の通り、上部ステータ２が担当する。
【００２６】
図３に示す本発明のアキシャル型磁気浮上回転機器の制御システムについて以下説明する。上部ステータ２の各電磁石５に対応して設けた渦電流センサ１０よりロータ１の軸方向位置及び傾きの変位を表わす検出信号がＡ／Ｄコンバータ１１を介して制御部１２に送られると、該制御部１２に設けた軸方向制御手段１３、傾き制御手段１４及び回転制御手段１５において、上部ステータ２及び下部ステータ３の各電磁石５，７に流すべきコイル電流値が算出され、これが電源１６に接続されたアンプ１７に出力される。このアンプ１７より矢印で示すように、上部ステータ２の吸引用及び傾き制御用の各電磁石５及び下部ステータ３の回転制御用の電磁石７にそれぞれ供給される。
【００２７】
これによって、吸引用及び傾き制御用の上部ステータ２の電磁石５により、ロータ１に対して所要の吸引力が付与されて浮上状態における軸方向の位置が設定されるとともに傾き制御が行なわれる。他方、下部ステータ３の回転制御用の電磁石７によって所定のトルクが付与され、回転制御が行なわれる。
【００２８】
上記制御システムの構成において、例えばアンプ１７としてはパワーオペアンプが使用され、制御部１２における制御にはＰＩＤ制御が用いられ、又、高速なデジタル信号処理のためにＤＳＰ(Digital Signal Processor)が用いられ、その具体例として例えばｄSPACE（商品名）が用いられる。Ａ／Ｄコンバータ１１を介してセンサ１０からの検出信号はｄSPACE内に取り込まれ、ここで各電磁石のコイルに流す電流が計算される。又、制御部１２の制御プログラムはＣ言語などを用いて作成され、その具体例として例えばMATLAB５．３simulik（商品名）が用いられる。
【００２９】
ロータ１の軸方向制御、傾き制御及び回転制御は上述のシステムによって遂行されるが、ロータ１の横方向ないしラジアル方向の制御は、ロータ１に設けたリング状の内側永久磁石８とこれと同心配置のリング状外側永久磁石９の相互反発力によって受動的ないしパッシブ（passive）に行なわれる。
【００３０】
図４には、上述した本発明のアキシャル型磁気浮上回転機器を用いた具体例として、アキシャル型磁気浮上遠心ポンプが示されている。上述した回転機器と対応する部分には同一の参照番号を付して説明すると、２０はポンプの固定フレームをなすハウジング、２１はそのハウジング２０内に区画して形成されたポンプ室、２２は吸込口、２３は吐出口である。
【００３１】
ロータ１は、ポンプ室２１内に配置されるとともに遠心型のインペラ２４を一体に備え、軸線Ｚのまわりに回転可能に、かつ、その軸線に沿って上下動可能になっている。このロータ１の上面に設けた円形状の上側永久磁石４の上方には、上部ステータ２がハウジング２０内に設置され、その各電磁石５が上側永久磁石４と対向している。２５は各電磁石５のコイルを示す。
【００３２】
ロータ１の下面に設けた永久磁石６の下方には、下部ステータ３がハウジング２０内に設置され、その各電磁石７が永久磁石６と対向している。２６は各電磁石７のコイルを示す。
【００３３】
吸込口２２はロータ１の軸線Ｚ方向に沿ってハウジング２０に形成され、その内奥端はポンプ室２１に連通している。吐出口２３はロータ１のラジアル方向に沿ってハウジング２０に形成され、その内奥端はポンプ室２１に連通している。
【００３４】
ロータ１の周面に設けられたリング状内側永久磁石８に対向してリング状外側永久磁石９がハウジング２０に固定状態で取付けられている。
【００３５】
上述のように構成された遠心ポンプにおいて、ロータ１が上部ステータ２及び下部ステータ３のそれぞれの電磁石５，７により磁気浮上状態で回転駆動され、これによってインペラ２４が回転して、吸込口２２よりポンプ室２１内に流入したポンプ給送流体が遠心作用を受けて吐出口２３より外部へ給送され、ポンプ動作が遂行される。
【００３６】
上記遠心ポンプは、ロータ１を回転支持する軸受を不要とした無接触状態で回転駆動されるので、潤滑用グリースによる吐出液の汚染や機械的接触による摩耗くずの混入の恐れがないので、高純度の液の給送に適している。又、人工心臓などの医療分野の小型ポンプとしても望ましい。
【００３７】
以上、本発明に係るアキシャル型磁気浮上回転機器ならびにそれを用いた具体例として遠心ポンプを説明したが、回転機器としては、磁気浮上回転モータや各分野における高速回転機や工作機械用の高速スピンドル等、種々の分野において利用し得るものである。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明におけるアキシャル型磁気浮上回転機器は、上部ステータに設けた電磁石と、これと対向してロータ上面に設けた上側永久磁石との共働によりロータに対して吸引力を付与してロータの軸方向の位置を制御し、他方、下部ステータに設けた電磁石と、これに対向してロータ下面に設けた下側永久磁石との共働によりロータの回転を制御し、更にロータのラジアル方向についてはロータ周面に設けたリング状内側永久磁石と、これと同心をなすリング状外側永久磁石との相互反発力により受動安定をはかるように構成したので、制御構成が簡単で、小型化設計が容易であり、より安定したロータの動作を得ることができる。
【００３９】
又、上部ステータの電磁石とロータ上面の上側永久磁石との共働により、ロータの傾き制御も可能であり、これによって、より一層安定したロータの動作を得ることができる。
【００４０】
更に、このように構成されたアキシャル型磁気浮上回転機器の具体例として、遠心ポンプを提供でき、ロータが非接触状態で回転するので、軸受部に用いる潤滑用グリースによる吐出液の汚染や摩耗クズの混入等の不具合がなく、より高純度の液のポンプ給送が可能であり、医療用の人工心臓への適用、あるいはその他、高純度の液給送を要する種々の分野におけるポンプとして、高い利用価値を得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアキシャル型磁気浮上回転機器の原理構成を示す外観斜視図である。
【図２】図１に示す回転機器におけるロータの傾き制御の態様を説明する概要図である。
【図３】図１に示す回転機器の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係るアキシャル型磁気浮上回転機器の具体例として構成したアキシャル型磁気浮上遠心ポンプの概略縦断面図である。
【符号の説明】
１ロータ
２上部ステータ
３下部ステータ
４上側永久磁石
５電磁石
６下側永久磁石
７電磁石
８リング状内側永久磁石
９リング状外側永久磁石

Claims

ロータと、該ロータの軸線方向に沿って、その上部に離間配置された上部ステータ及び下部に離間配置された下部ステータとを備え、前記ロータを該軸線方向に沿ってアキシャル磁気浮上させながら該軸線のまわりに非接触状態で回転させるアキシャル型磁気浮上回転機器であって、
前記ロータの上面に円形状上側永久磁石を設けるとともに前記上部ステータには該円形状上側永久磁石と共働して該ロータに対して軸線方向の吸引力を発生させる吸引用電磁石手段を設け、
前記ロータの下面には該ロータの回転用の複数個の下側永久磁石を設けるとともに前記下部ステータには該回転用永久磁石と共働して該ロータの回転駆動を行なう回転用電磁石手段を設け、
前記ロータの周面にリング状内側永久磁石を設けるとともに該リング状内側永久磁石と共働して該ロータのラジアル方向の反発力を生じさせるために該ロータの周囲にこれと離間した状態で固定のリング状外側永久磁石を配置し、
前記上部ステータの吸引用電磁石手段によって該ロータとの間にギャップを保持してロータの軸方向の位置を制御するとともに前記下部ステータの回転用電磁石手段によって該ロータの回転制御を行ない、前記内側及び外側永久磁石の相互の反発力によって該ロータのラジアル方向の位置制御を行なうことを特徴とするアキシャル型磁気浮上回転機器。
前記吸引用電磁石手段は、前記ロータの上側永久磁石と共働して該ロータ軸線方向位置と傾きを制御する吸引力を発生させるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のアキシャル型磁気浮上回転機器。
前記吸引用電磁石手段は、２対の電磁石により構成されてなる請求項２に記載のアキシャル型磁気浮上回転機器。
ハウジングと、該ハウジングに形成されたポンプ室とを備え、前記ポンプ室内にロータを配置するとともに該ロータの上下に上部ステータ及び下部ステータを該ハウジングに設置し、該ロータの軸線方向に沿って該ハウジングに前記ポンプ室に連通する吸込口を設けるとともに該ロータのラジアル方向に沿って該ハウジングに前記ポンプ室に連通する吐出口を設け、前記ロータに遠心型のインペラを設けてなる請求項１乃至３のいずれか１に記載のアキシャル型磁気浮上回転機器を備えたアキシャル型磁気浮上遠心ポンプ。