JP4685227B2

JP4685227B2 - 磁気浮上型ポンプ

Info

Publication number: JP4685227B2
Application number: JP2000330409A
Authority: JP
Inventors: 孝美尾崎
Original assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA; NTN Corp
Current assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA; NTN Corp
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2020-10-30
Also published as: JP2002130177A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は磁気浮上型ポンプに関し、特に、磁気軸受を利用したクリーンポンプであって、たとえば人工心臓のような医療機器に用いられる磁気浮上型ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の磁気浮上型ポンプを示す図であり、特に、図５（ａ）は縦断面図を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【０００３】
まず、図５を参照して、従来の磁気浮上型ポンプについて説明する。図５（ａ）に示すように、磁気浮上型ポンプ１はモータ部１０とポンプ部２０と磁気軸受部３０とから構成される。ポンプ部２０のケーシング２１内にはポンプ室２２が設けられていて、このポンプ室２２内でインペラ２３が回転する。インペラ２３は図５（ｂ）に示すように、複数の羽根２７を有しており、渦巻型に形成されている。
【０００４】
ケーシング２１は非磁性部材からなり、インペラ２３は非制御式磁気軸受を構成する永久磁石２４を有する非磁性部材２５と、制御式磁気軸受のロータに相当する軟質磁性部材２６とを含む。永久磁石２４はインペラ２３の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。インペラ２３の永久磁石２４を有する側に対向するようにして、ポンプ室２２外部には軸受１７に軸支されたロータ１２が設けられる。ロータ１２はモータ１３によって駆動されて回転する。ロータ１２にはインペラ２３の永久磁石２４に対向しかつ吸引力が作用するようにインペラ２３側と同数の永久磁石１４が設けられている。この永久磁石１４も互いに隣接する磁石が互いに反対方向の磁極に着磁されている。
【０００５】
一方、インペラ２３の軟質磁性部材２６を有する側に対向するようにして、ポンプ室２２において永久磁石２４と１４の吸引力に釣り合い、インペラ２３をケーシング２１の中心に保持できるように、円周上に３個以上の電磁石３１および位置センサ３２とが磁気軸受部３０に設けられている。電磁石３１の形状はＣ形であり、位置センサ３２は磁気式センサが用いられている。
【０００６】
上述のごとく構成された磁気浮上型ポンプ１において、ロータ１２に埋込まれている永久磁石１４とインペラ２３に設けられている永久磁石２４との間に軸方向の吸収力が働く。この吸引力を利用した磁気カップリングによってインペラ２３を回転駆動させたり、半径方向の支持剛性を得ている。この吸引力と釣り合うようにＣ形の電磁石３１のコイルに電流が流され、インペラ２３が浮上する。そして、ロータ１２がモータロータ１５とモータステータ１６とから構成されるモータ１３の駆動力によって回転すると、永久磁石１４と２４とが磁極カップリングを構成し、インペラ２３が回転して流体が吸入口６０から吸い込まれ、出口７０から排出される。インペラ２３はケーシング２１によってロータ１２から隔離されておりかつ電磁石３１からの汚染を受けることはないので、磁気浮上型ポンプ１から吐出された流体（血液ポンプとして使用した場合は血液）はクリーンな状態を保持する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した磁気浮上型ポンプ１では、磁気軸受部３０の電磁石３１の軸方向長さが長く、ポンプ全体の軸方向サイズが大きくなるという問題があった。特に、このポンプを体内埋込用血液ポンプに使用する場合には、極力小型であることが要求される。
【０００８】
さらに、図５に示した磁気浮上型ポンプ１では、インペラ２３の半径方向の支持はロータ１２に埋込まれている永久磁石１４とインペラ２３に設けられている永久磁石２４との間の吸引力が働き、この吸引力を利用した磁気カップリングによって行なわれる非制御型磁気軸受で構成されており、電磁石の吸引力制御で支持しているインペラ回転軸方向と比べその支持剛性が低く、耐外乱性能を考慮するとその支持剛性を向上することが望ましい。
【０００９】
それゆえに、この発明の主たる目的は、ポンプの軸方向長さのコンパクト化を図ると同時に、永久磁石の吸引力を利用した半径方向のインペラ支持部を追加して配置することにより、インペラの支持剛性を向上し得る磁気浮上型ポンプを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る磁気浮上型ポンプは、液体を送るための円板状のインペラを磁気浮上させて回転させる磁気浮上型ポンプであって、インペラの一方面には第１の強磁性体が設けられており、他方面には周方向に第２の強磁性体が設けられていて、インペラの一方側に第１の強磁性体に対向して配置され、該インペラを一方側に吸引する電磁石と、インペラの他方側に第２の強磁性体に対向するように周方向に配置される第１の永久磁石と、インペラの一方側に配置され、該インペラに対して非接触で回転駆動力を伝達する回転力伝達手段を備え、第１の永久磁石によるインペラへの吸引力と、電磁石および回転力伝達手段によるインペラへの吸引力とが釣り合うように電磁石に流れる電流を制御してインペラを磁気浮上させることを特徴とする。
【００１１】
このように磁気軸受の電磁石を回転力伝達手段側に配置することにより、ポンプ軸方向の長さを短くすることができ、小型化を図ることができる。また、永久磁石による非制御式磁気軸受を追加したことにより、インペラの半径方向剛性を向上できる。
【００１２】
また、インペラの一方面に周方向に第２の永久磁石が設けられていて、回転力伝達手段は、その他方面にインペラの第２の永久磁石に対向して周方向に第３の永久磁石が設けられ、一方面がモータロータとなるロータと、モータロータの一方側に対向して設けられるモータステータとを含むことを特徴とする。
【００１３】
このように、電磁石をモータ側に配置することにより磁気軸受部の軸方向長さを短くできる。
【００１４】
さらに、インペラの第１の強磁性体は、その内径側に電磁石に対向して設けられ、インペラの第２の永久磁石は、その外径側に周方向に設けられ、電磁石は内径側に設けられ、モータロータは外径側に設けられることを特徴とする。
【００１５】
さらに、インペラの第２の永久磁石は、その内径側に周方向に設けられ、インペラの第１の強磁性体は、その外径側に電磁石に対向して設けられ、モータロータは内径側に設けられ、電磁石は外径側に設けられることを特徴とする。
【００１６】
このように電磁石を外径側に配置することにより、電磁石の巻き線スペースを増やすことができる。
【００１７】
また、この発明に係る他の磁気浮上型ポンプは、液体を送るための円板状のインペラを磁気浮上させて回転させる磁気浮上型ポンプであって、インペラの一方面には第１の強磁性体が設けられており、他方面には周方向に第２の強磁性体が設けられていて、インペラの一方側に第１の強磁性体に対向して配置され、該インペラを一方側に吸引する電磁石、インペラの他方側に第２の強磁性体に対向するように周方向に配置され、該インペラを他方側に吸引する第１の永久磁石、およびインペラを非接触で回転させる回転力発生手段を備え、回転力発生手段は、インペラの一方面に周方向に設けられる第２の永久磁石と、インペラの第２の永久磁石に対向して配置され、回転磁界を発生してインペラを回転させるモータステータを含み、第１の永久磁石によるインペラへの吸引力と、電磁石およびモータステータによるインペラへの吸引力とが釣り合うように電磁石に流れる電流を制御してインペラを磁気浮上させることを特徴とする。
【００１８】
これにより、ロータやこれを支持するためのモータ軸受を不要にできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを示す縦断面図である。図１を参照して、磁気浮上型ポンプはモータ部１１０とポンプ部１２０と反モータ部１３０とから構成される。ポンプ部１２０のケーシング１２１内にはポンプ室１２２が設けられていて、このポンプ室１２２内でインペラ１２３が回転する。
【００２０】
ケーシング１２１はプラスチック，セラミックあるいは金属などから形成されるが、ケーシング１２１のうちモータ部１１０とインペラ１２３との間の隔壁部分および反モータ部１３０とインペラ１２３との間の隔壁部分には磁性材料を使用することができないので、非磁性材料で構成される。インペラ１２３の一方端（図１では左側）には非制御式磁気軸受を構成する永久磁石１２４を有する非磁性部材１２５と、制御式磁気軸受のロータに相当する軟質磁性部材１２６とが設けられている。永久磁石１２４はインペラ１２３の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。インペラ１２３の他方端（図１では右側）には、非制御式磁極軸受を構成するリング形状を有する強磁性体（永久磁石，軟質磁性材料を含む）１４４とセンサターゲットである軟質磁性材料１４５とを含む非磁性部材１４６が設けられる。
【００２１】
インペラ１２３の永久磁石１２４を有する側に対向するようにして、ポンプ室１２２外部には転がり軸受や動圧軸受などで構成されるモータ軸受１１１で支持されたロータ１１２が設けられる。ロータ１１２はモータステータ１５１とモータロータ１５２とがアキシアル方向に対向して形成されるアキシアルギャップモータによって駆動されて回転する。ロータ１１２にはインペラ１２３の永久磁石１２４に対向しかつ吸引力が作用するようにインペラ１２３側と同数の永久磁石１１４が設けられている。この永久磁石１１４も互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。
【００２２】
モータロータ１５２とモータステータ１５１で構成されるモータ部１５０は、ＤＣブラシレスモータを含む同期モータや、インダクションモータを含む非同期モータなどが使用されるが、モータの種類は問わない。
【００２３】
インペラ１２３の軟質磁性部材１２６に対向するようにして電磁石１４１が設けられる。一方、インペラ１２３の軟質磁性材料１４５に対向するようにして、位置センサ１４７が配置され、また強磁性体１４４に対向するようにしてリング状永久磁石１４８が配置される。
【００２４】
図１では、強磁性体１４４と対向する永久磁石１４８とはインペラ１２３の内径側に配置されているが、これは両部材間で作用する吸引力によるインペラ１２３へのピッチングおよびヨーイングに対する外乱を小さくするためである。
【００２５】
さらに、インペラ１２３はポンプ室１２２内で軸方向に移動できるが、この可動範囲内で永久磁石１２４と１１４との間に作用する吸引力よりも永久磁石１４８と強磁性体１４４との間に作用する吸引力が常に大きくなるように永久磁石１４８と強磁性体１４４の各材質，形状および永久磁石１４８の配置する位置が設定される。
【００２６】
位置センサ１４７と電磁石１４１とにより、ポンプ室１２２において永久磁石１２４と１１４の吸引力および強磁性体１４４と永久磁石１４８との吸引力に釣り合ってインペラ１２３をポンプ室１２２の中心に保持できる。また、ここでは、追加した非制御式磁気軸受部のロータ側に強磁性体（永久磁石，軟質磁性材料を含む）を配置するようにしたが、この強磁性体に永久磁石を使用した場合には、対向する永久磁石１４８の代わりに軟質磁性材料を使用してもよい。
【００２７】
上述のごとく、図１に示した実施形態では、電磁石１４１をモータ部１１０側に配置するようにしたため、従来例の図５に示した磁気軸受部３０あるいは図１に示した反モータ部１３０の軸方向長さを短くでき、さらにインペラ１２３の強磁性体１４４とこれに対向する永久磁石１４８で構成する非制御式磁気軸受を追加することにより、インペラ１２３の半径方向剛性を向上できる。
【００２８】
また、図１では位置センサ１４７を反モータ部１３０に配置するようにしたが、図５に示した従来例のように電磁石の近傍に配置するようにしてもよい。
【００２９】
図２はこの発明の他の実施形態の磁気浮上型ポンプの縦断面図である。この図２は図１に示した磁気浮上型ポンプと同様にして構成されるが、インペラ１２３を回転駆動させる方式が異なる。図１では、ロータ１１２を回転させることによって内部の永久磁石１１４とインペラ１２３側の永久磁石１２４との磁気カップリングによってインペラ１２３を回転させるようにしたが、図２に示した実施形態では、インペラ１２３の内部にモータロータ１５２を配置してポンプ室外部のモータステータ１５１から直接回転磁界を与えてインペラ１２３を回転させる。
【００３０】
この場合、モータロータ１５２とモータステータ１５１との間に作用する吸引力，電磁石１４１の電磁吸引力および非制御式磁気軸受である強磁性体１４４と永久磁石１４８との間に作用する吸引力を釣り合わせるように電磁吸引力を制御することによりインペラ１２３を非接触で磁気浮上できる。すなわち、非制御磁気軸受である強磁性体１４４と永久磁石１４８との間に作用する吸引力は、ポンプ室１２２内でのインペラ稼働範囲内でモータステータ１５１とモータロータ１５２間に作用する吸引力よりも大きく、さらにモータ負荷によって変動するモータステータ１５１とモータロータ１５２との間に作用する吸引力の最大値よりも永久磁石１４８と強磁性体１４４との間に作用する吸引力が常に大きくなるように、永久磁石１４８と強磁性体１４４の各材質，形状および永久磁石１４８の配置する位置を選定する。
【００３１】
これにより、ロータ１２１やこれを支持するためのモータ軸受が不必要になるので、その構造を簡単にできる利点がある。また、ここでは追加した非制御磁気軸受部のロータ側に強磁性体（永久磁石，軟質磁性材料を含む）を配置するようにしたが、この強磁性体に永久磁石を使用した場合には、対向する永久磁石１４８の代わりに軟質磁性材料を使用するようにしてもよい。
【００３２】
図３はこの発明のさらに他の実施形態の磁気浮上型ポンプの縦断面図である。この図３で示した磁気浮上型ポンプは図１とほぼ同様にして構成されているが、モータ１５０を内径側に配置し、電磁石１４１を外径側に配置している点において異なっている。このため、インペラ１２３の軟質磁性材料１２６も外径側に配置され、永久磁石１２４は内径側に配置されている。図３に示すように、電磁石１４１を外径側に配置することにより、電磁石１４１の巻線スペースを増やすことができる結果、電磁石コイル部での消費（動損）を軽減でき、さらに電磁石１４１によるインペラ１２３への作用力（吸引力）の作用半径を大きくとることができ、インペラ１２３のピッチングおよびヨーイング制御などを、磁気軸受制御に関して有利となる。
【００３３】
図４はこの発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを駆動するためのコントローラを示すブロック図である。図４において、コントローラ１００は、インペラ位置制御機能とインペラ回転トルク制御機能とインペラ位置制御機能とを用いてポンプ室１２２内におけるインペラ１２３の浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制御機能を備えている。
【００３４】
より具体的には、コントローラ１００はコントローラ本体部１０１とモータドライバ１０２とインペラ位置制御用コントローラ１０３とを含む。モータドライバ１０２はコントローラ本体部１０１より出力されたモータの回転数に対応する電圧を出力し、モータ１５０を回転させるためのドライバである。また、インペラ位置制御用コントローラ１０３はコントローラ本体部１０１より出力されたインペラ浮上位置を維持するために電磁石１４１に流れる電流または電圧もしくは電流および電圧を制御する。位置センサ１４７による検出出力はインペラ位置制御用コントローラ１０３に入力され、インペラ１２３の中心軸（ｚ軸）方向の並進運動、かつ中心軸（ｚ軸）に直交するｘ軸およびｙ軸まわりの回転運動を制御するように電磁石１４１に流れる電流をコントロールする。なお、位置センサ１４７による検出出力をコントローラ本体部１０１に入力し、コントローラ本体部１０１より電磁石１４１に与える電圧値もしくは電流値を出力するようにしてもよい。
【００３５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、磁気軸受の電磁石を回転力伝達手段側に配置することにより、ポンプ軸方向の長さを短くすることができ、小型化を図ることができる。その結果、この発明の磁気浮上型ポンプを体内埋込用の血液ポンプに使用した場合に、体内への埋込みが容易になる。また、非制御型磁気軸受を追加することにより、インペラ半径方向の剛性を向上させることができ、ポンプの許容外乱値を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプの縦断面図である。
【図２】この発明の他の実施形態の磁気浮上型ポンプの縦断面図である。
【図３】この発明のさらに他の実施形態の磁気浮上型ポンプの縦断面図である。
【図４】この発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを駆動するコントローラの概略ブロック図である。
【図５】従来の磁気浮上型ポンプを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１００コントローラ、１０１コントローラ本体部、１０２モータドライバ、１０３インペラ位置制御用コントローラ、１１０モータ部、１１１モータ軸受、１１２ロータ、１１４，１２４，１４８永久磁石、１２０モータ部、１２１ケーシング、１２２ポンプ室、１２３インペラ、１２５非磁性部材、１２６軟質磁性部材、１３０反モータ部、１４４強磁性体、１４５軟質磁性材料、１４６非磁性部材、１４７位置センサ、１４８リング状永久磁石、１５０モータ、１５１モータステータ、１５２モータロータ。

Claims

液体を送るための円板状のインペラを磁気浮上させて回転させる磁気浮上型ポンプであって、
前記インペラの一方面には第１の強磁性体が設けられており、他方面には周方向に第２の強磁性体が設けられていて、
前記インペラの一方側に前記第１の強磁性体に対向して配置され、該インペラを一方側に吸引する電磁石、
前記インペラの他方側に前記第２の強磁性体に対向するように周方向に配置され、該インペラを他方側に吸引する第１の永久磁石、および
前記インペラの一方側に配置され、該インペラに対して非接触で回転駆動力を伝達する回転力伝達手段を備え、
前記第１の永久磁石による前記インペラへの吸引力と、前記電磁石および前記回転力伝達手段による前記インペラへの吸引力とが釣り合うように前記電磁石に流れる電流を制御して前記インペラを磁気浮上させることを特徴とする、磁気浮上型ポンプ。
前記インペラの一方面には周方向に第２の永久磁石が設けられていて、
前記回転力伝達手段は、
その他方面に前記インペラの前記第２の永久磁石に対向して周方向に第３の永久磁石が設けられ、一方面がモータロータとなるロータと、
前記モータロータの一方側に対向して設けられるモータステータとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気浮上型ポンプ。
前記インペラの前記第１の強磁性体は、前記電磁石に対向して設けられ、前記インペラの前記第２の永久磁石は、その外径側に周方向に設けられ、
前記電磁石は内径側に設けられ、前記モータロータは外径側に設けられることを特徴とする、請求項２に記載の磁気浮上型ポンプ。
前記インペラの前記第２の永久磁石は、その内径側に周方向に設けられ、前記インペラの前記第１の強磁性体は、その外径側に前記電磁石に対向して設けられ、
前記モータロータは内径側に設けられ、前記電磁石は外径側に設けられることを特徴とする、請求項２に記載の磁気浮上型ポンプ。
液体を送るための円板状のインペラを磁気浮上させて回転させる磁気浮上型ポンプであって、
前記インペラの一方面には第１の強磁性体が設けられており、他方面には周方向に第２の強磁性体が設けられていて、
前記インペラの一方側に前記第１の強磁性体に対向して配置され、該インペラを一方側に吸引する電磁石、
前記インペラの他方側に前記第２の強磁性体に対向するように周方向に配置され、該インペラを他方側に吸引する第１の永久磁石、および
前記インペラを非接触で回転させる回転力発生手段を備え、
前記回転力発生手段は、
前記インペラの一方面に周方向に設けられる第２の永久磁石と、
前記インペラの前記第２の永久磁石に対向して配置され、回転磁界を発生して前記インペラを回転させるモータステータを含み、
前記第１の永久磁石による前記インペラへの吸引力と、前記電磁石および前記モータステータによる前記インペラへの吸引力とが釣り合うように前記電磁石に流れる電流を制御して前記インペラを磁気浮上させることを特徴とする、磁気浮上型ポンプ。
前記インペラの前記第１の強磁性体は、前記電磁石に対向して設けられ、前記インペラの前記第２の永久磁石は、その外径側に周方向に設けられ、
前記電磁石は内径側に設けられ、前記モータステータは外径側に設けられることを特徴とする、請求項５に記載の磁気浮上型ポンプ。
前記インペラの前記第２の永久磁石は、その内径側に周方向に設けられ、前記インペラの前記第１の強磁性体は、その外径側に前記電磁石に対向して設けられ、
前記モータステータは内径側に設けられ、前記電磁石は外径側に設けられることを特徴とする、請求項５に記載の磁気浮上型ポンプ。