JP3994343B2 - 永久磁石支持回転部材の位置制御方法 - Google Patents

永久磁石支持回転部材の位置制御方法 Download PDF

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Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、永久磁石により支持された回転部材、例えばブラシ有しない同期モータのロータの位置を制御するための方法であって、位置感知分析並びに制御電流コイルにより上記回転部材の位置を判定することにより上記制御を行う方法に関する。ここで、上記制御電流コイルは上記永久磁石支持体の磁界に影響を与え、その電流値は上記回転部材の位置により決定されるようになっている。更に上記同期モータは例えば軸流送出ポンプの駆動のために用いられる。
【０００２】
多相流体、例えば安定性に乏しいエマルジョンおよび分散液は、対応する送出システムにおける流体送出の際に不安定な領域に容易に到達することができる。
【０００３】
特に敏感な流体は血液である。血液は自然の循環システムにおいては、周囲環境から気密に密封された状態にあり、従って異物からの干渉に曝されることはない。しかし、心臓を人工血液ポンプにより置換する場合、血液の循環を付加的心臓ポンプにより循環させる場合などにおいて、血液がこの技術システムと反応せざるを得ない場合が存在する。そのような場合、血液は容易に溶血又は血栓を引起し易く、それに対応する不利益が患者にもたらされる。したがって、最近、血液又は他の敏感な流体ができる限り機械的影響に曝されないよう流体送出ポンプを作成するため、多大の努力がなされている。このための1つの可能性として、ポンプ駆動の回転部材を磁気的に支持することが挙げられる。この磁気的支持の利点は、機械的に摩擦を生じさせる部材が最早存在しないこと、並びにこの回転部材の達成可能な回転加速を増大することができること、回転速度および体積流量の制御性が改善されることである。
【０００４】
このような流体ポンプは公知の方法でブラシなしの同期モータ内に一体化することができる。この流体ポンプは、国際公開WO 00/64030によれば、筒状チューブを具備し、これがその両端で流体システムに接続させることができる。このチューブは、金属パケットからなるステータ、巻き線および鉄製磁束戻しフードにより囲まれている。このロータは永久磁界励磁機を具備してなり、外側カバーに流体のための送出装置が設けられていて、上記チューブとロータとの間の環状空間を介して流体が軸方向に送出されるようになっている。
【０００５】
このロータは磁気的に支持されている。又、その目的のため、その末端両側に、筒状又は環状永久磁石が取り付けられており、これらは軸方向に磁化されている。このロータの永久磁石に対向して反対に磁化された永久磁石が設けられ、これらは案内装置の両側端に設けることができ、これら案内装置自体は筒状チューブ内に装着されている。
【０００６】
双方の磁石対は、互いに引き付けられるよう配向されたとき、半径方向に安定化されるよう作用する。すなわち、半径方向の支持は受動的に安定となっている。しかし、このロータは軸方向では不安定である。
【０００７】
安定化を別途、図ることなく、ロータはこの2対の永久磁石の一方により引き寄せられることになる。従って、制御コイルがそれぞれステータ側に配置されていて、この直列に接続された制御コイルにより、2対の永久磁石の一方の磁界が弱められ、永久磁石の他方の磁界が強められるようになっている。この制御電流は実際の軸方向のロータの位置に応じて調整されなければならない。このため、このロータ位置は位置センサーにより決定されなければならない。
【０００８】
この位置センサーは例えば、２つのセンサーコイルからなり、これらは案内装置の両末端側に配置させることができる。上記センサーコイルに対向するようにして、ロータの両端にアルミニウム体が設けられ、交流電流が上記センサーコイルに加えられたとき、これに渦電流が形成されるようになっている。ロータの軸方向の動きにより、上記センサーコイルのインダクタンスに変化が生じるようになっていて、これをブリッジ接続の配置において、ロータ位置についての測定信号として評価することができる。
【０００９】
特にポンプを介しての脈動流において、外乱応力がロータに対し連続的に作用するため、ロータの軸方向位置の変化を、位置制御により迅速に調整できるようにしなければならない。他方、制御電流の消費が小さいことが必要である。これは特に血液ポンプの場合に重要である。なぜならば、生成される熱エネルギーはできるだけ小さくすべきであるからである。更に、駆動エネルギーは移植されたバッテリーから得なければならなく、かつ、その動作時間をできるだけ長くする必要があるからである。
【００１０】
本発明の目的は、磁気的に支持された部材の位置を制御するための方法を提供し、それにより位置の制御の消失を小さくすることができるようにすることである。
【００１１】
この目的は請求の範囲１の特徴により本発明に従って解決することができる。好ましい態様が従属する請求の範囲の要旨となっている。
【００１２】
本発明によれば、制御電流コイルを通る電流はパルス幅が、位置感知分析機構の背後に配置されたコントローラに設定された所望の値に従って変調され、ここで、所望の高い値にて、より高い電圧への切換えが行われる。これは、調整時間を非常に小さく保つことができること、および必要な電力も低く保つことができるという点で有利である。
【００１３】
位置感知分析の実際の値が、規定された時間帯で記憶され、これが夫々制御電流のパルス先端で最新のもので始められ、位置感知分析はこの時間帯において中止される。
【００１４】
ブラシ無しの同期モータにおける位置制御の使用において、位置感知分析の実際の値が、モータコイルのゲートインパルスを参照して規定された時間帯、一時的に記憶され、これがゲートインパルスのパルス先端で最新のもので始められ、位置感知分析はこの時間帯において中止される。
【００１５】
位置決定に関するタイミングにより生じる干渉は、これらの時間の間において測定の中断および測定値の記憶により制御される。
【００１６】
或る特定の用途において、位置感知分析機構の背後に配置されたコントローラの所望値のスクエア（square）をとること、およびこの値の閾値の時間平均オーバーシュートでの位置調整を、閾値の次のアンダーシュートまで停止することが好ましい。このように、制御コイルの温度上昇が再現され、従って、過熱を防止することができる。
【００１７】
好ましくは、Ｉ２−成分を有するPID−コントローラが位置感知分析機構の背後に配置されたコントローラのために使用される。
【００１８】
以下、本発明を、図面を参照して説明する。
図1は本発明の方法を実施するのに適した軸流ポンプを示している。血液ポンプの駆動が電子整流同期モータの原理に従って稼動されるようになっている。このモータは、金属シートパケット３１と巻き線３３から構成されたステータと、鉄製磁束戻しフード２，２aと、永久磁石コア３２を備えたロータ５とを具備してなる。このステータは筒状中空体１を囲繞し、この筒状中空体１内に流体(この場合は血液)が軸方向に送出されるようになっている。このロータ５は接触することなく磁気的に支持されている。
【００１９】
この磁気的支持部(ベアリング)は、ロータの両末端側に設けられた永久磁石４２，４２aと、案内装置６，７の両側端に設けられた永久磁石４１，４１aとからなっている。この案内装置６，７は筒状中空体１の内壁面に装着されている。
【００２０】
この磁気的支持部には、更に制御コイル１２，１２aが伴設されている。案内装置６，７内のセンサーコイル４３，４３aおよびこれに対向して配置された短絡リング８０，８０aは実際のロータ位置を測定するのに用いられる。
【００２１】
複数対の永久磁石４１，４２；４１a、４２aは、それぞれ互いに引き合うように分極されている。これら磁石対は磁気的に直列に配置されている。
【００２２】
しかし、ロータ５は、別途安定化が施されることなく、一方の側に引き寄せられるようになる。軸方向には不安定な平衡が存在する。半径方向において、双方の磁石対は自己‐センタリングがなされるよう作用する。従って、半径方向位置は受動的に安定となっている。
【００２３】
制御コイル１２，１２aは、電気的に直列で接続され、磁気的には、電流により一方の磁石対の磁界が弱められ、他方の磁石対の磁界が強められるように配置されている。磁束戻し路が鉄製磁束戻しフード２，２aおよびステータの金属シートパケット３１を介して生じるようになっている。
【００２４】
ロータ５の軸方向位置はセンサーコイル４３，４３aにより判定することができる。これらセンサーコイル４３，４３aは、より高い周波数電圧により負荷される。ロータ５の軸方向の移動により、センサーコイル４３，４３aの誘導性に変化が生じる。センサーコイル４３，４３aをブリッジ接続に配置することにより、ロータ５の軸方向位置についての測定信号が得られる。
【００２５】
図２に示すように、位置感知分析機構の背後に配置されたコントローラの出口で、制御電流の操作値が制御コイル１２，１２aにより生じることになる。この制御電流は電流コントローラにより制御コイル１２，１２aに伝達される。この電流コントローラは閉じた制御サークルとして作用する。すなわち、それは制御コイル１２，１２aにより電流を測定し、この結果が位置コントローラのデフォルト値(所望電流)と比較される。電力ステージのパルス幅変調により、実際の電流が所望の電流に調整される。このプロセスは特定の時間を必要とし、これは所望の電流と実際の電流との差に依存することになる。電力ステージが操作される電圧が高ければ高いほど、電流コントローラの調整時間がより短くなる。他方、電力ステージの消費は、電圧と共に増大する。電流コントローラの迅速な反応と、より低い消費を達成できるようにするため、所望の電流と実際の電流との差が大きいときのみ、より高い電圧が更に印加され、さもなければ、より低い電圧で操作される。
【００２６】
パルス電力ステージによる制御コイル１２，１２aの励起により、ロータ５の位置判定を混乱させる干渉がセンサーコイル４３，４３a内に生じる。これらの干渉は、制御コイル１２，１２a上の各パルス先端と共にセンサーコイル４３，４３aと結合し、規定された時間の経過後消えてしまう。従って、これらの干渉の予想される時間帯の間、直前に得られた位置信号が一時的に記憶され、位置の判定は中断される。この時間帯において、位置コントローラはこの記憶された値で稼動されることになる。この干渉が消失したとき、センサーコイル４３，４３aにより位置が再び判定される。同様の干渉が巻き線３３の励起によっても生じる。これらについても、一時的に記憶することが行われる。干渉抑制の電子機構がこの干渉の予想される開始点の正確な時間を、電流コントローラおよびモータの励起電子機構から受理し、それにより位置信号を記憶することができるようになっている。
【００２７】
図３は、磁気的支持の位置制御のための回路を示している。通路２１に負荷をかけるロータの測定された位置から、全操作状態を通してロータ５の確実なホバリングにつながる制御コイル１２，１２aのための設定電流が決定され、位置コントローラの出口２２へ伝達される。この位置コントローラはPID-コントローラからなり、これはインテグレータTiおよびデファレンシエータTdの時定数により、更には可変利得増幅器の増倍率krにより特徴づけられる。制御コイル１２，１２aを熱の過負荷から保護するため、予測される消失が電流スクエア(current square)から判定される。低域フィルター(low-pass)を通して平均化された閾値オーバーシュート時間の間、閾値がアンダーシュートになるまで、位置制御がオフに切り替えられる。この位置コントローラは、更なる機能として、制御コイル１２，１２aを通過する電流をできるだけ低く保つようにしなければならない。インテグレータ(Ｉ２−成分)により、設定電流がコントローラの入口に戻され、つながれる。その結果、ロータ５は常にポンプの軸心位置に配置されることになり、この場合に、極めて僅かな電流が制御コイル１２，１２aを流れることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法を実施するのに適した流体送出ポンプを示す断面図。
【図２】 本発明による流量制御を備えた位置制御の原理を示すブロック図。
【図３】 位置コントローラの回路を示すブロック図。
【符号の説明】
１ 筒状中空体
２ 鉄製磁束戻しフード
２a 鉄製磁束戻しフード
５ ローター
６ 案内装置
７ 案内装置
１２ 制御コイル
１２a 制御コイル
３１ 金属シートパケット
３２ 永久磁石コア
３３ 巻き線
４１ 永久磁石
４１a 永久磁石
４２ 永久磁石
４２a 永久磁石
４３ センサーコイル
４３a センサーコイル
２１ 通路
２２ 出口
８０ 短絡リング
８０a 短絡リング
Ｔｉ インテグレータ
Ｔｄ デファレンシエータ
ｋｒ 増倍率

Claims (3)

  1. 永久磁石により支持された回転部材の位置制御のための方法であって、これを位置感知分析機構と、永久磁石支持体の磁界に影響を与え制御電流値が上記回転部材の位置により決定されるようにした制御コイルと、により上記回転部材の位置を決定することにより行うようにしたものであって；
    上記制御コイルを通る制御電流はパルス幅が、前記位置感知分析機構に接続された電流コントローラに設定された所望の設定電流値に従って変調されるとともに、制御コイルに印加される電圧は高低に切り替えられるように電力ステージが構成されており、上記位置感知分析機構における検出値が、規定された時間帯において記憶され、該記憶が、夫々制御電流のパルス先端のタイミングで行われ、上記位置感知分析機構による検出が、前記時間帯の間において中止される回転部材の位置制御方法において、
    前記所望の設定電流値が大きいときのみ、より高い電圧が前記制御コイルに印加され、さもなければ、より低い電圧が前記制御コイルに印加されるように前記電力ステージが操作され、
    電流コントローラはＰＩＤコントローラを含み、また、その出力は積分器を介して入力側に戻されていることを特徴とする回転部材の位置制御方法。
  2. ブラシレス同期モータでの使用において、上記位置感知分析機構の検出値が、巻き線の励起インパルスに関連して、励起インパルスのパルス先端のタイミングで規定された時間帯だけ一時的に記憶され、上記位置感知分析機構による検出がこの時間帯において中断されることを特徴とする請求項１に記載の回転部材の位置制御方法。
  3. 上記位置感知分析機構に接続された前記電流コントローラの所望の設定電流のスクエアをとり、この値が閾値を越えた時、閾値以下になるまで前記制御コイルに通電することによる位置調整を停止することを特徴とする請求項１又は２記載の回転部材の位置制御方法。
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