KR20220030269A - 다층 코어리스 코일을 갖는 혈관내 혈액 펌프 - Google Patents

다층 코어리스 코일을 갖는 혈관내 혈액 펌프 Download PDF

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KR20220030269A
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Abstract

본원은 환자의 심장에 삽입할 수 있는 혈관내 혈액 펌프를 제공하는 것이다. 혈액 펌프는 하우징에 내장된 무슬롯 영구자석 모터를 포함하며, 상기 모터는 p개 자극 쌍과 n개 위상을 가지며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고, n은 ≥ 3 의 정수이다. 모터는 고정자를 포함하며, 상기 고정자는 하우징의 종축을 따라 연장되고 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하게 감겨진 2np 코일을 갖는다. 고정자는 코일을 통해 흐르는 전류가 동일한 방향으로 되도록 전기적으로 연결된 np 코일을 각각 구비하는 내부 및 외부 권선을 포함하고, 외부 권선의 코일은 내부 권선의 코일의 외부 표면에 배열된다.

Description

다층 코어리스 코일을 갖는 혈관내 혈액 펌프
본 출원은 2019년 6월 28일에 출원된 미국 가출원 번호 62/868,530호를 우선권으로 주장하며, 그 기술내용은 본원에 참조로서 포함되었다.
본원의 기술은 영구자석 모터 및 코일을 갖는 고정자를 구비한 혈관내 혈액 펌프 시스템에 관한 것이다.
미국 매사추세츠 댄버스에 소재한 Abiomed, Inc.의 등록상표 Impella® 의 펌프와 같은 혈관내 혈액 펌프(intravascular blood pumps)는 현재 심실 보조 장치에 대한 표준으로 빠르게 자리잡고 있다. Impella® 펌프 제품군은 현재 Impella 2.5® 펌프, Impella 5.0® 펌프, Impella CP® 펌프 및 Impella LD® 펌프로 구성된다. 이러한 펌프는 오직 1개의 접근 지점(예: 요골 접근, 대퇴 접근, 겨드랑이 접근)을 통해 경피적으로 환자에게 삽입되어, 펌프 헤드가 작은 직경(6-7Fr)의 카테터를 통해 환자 심장의 좌심실에 배치될 수 있다. 펌프 헤드는 회전자를 통해서 회전자 그리고 그에 따른 환자의 심장을 통해서 혈액의 체적 흐름을 초래하는 회전을 하기 위한 회전자와 자기적으로 상호작용하도록 구성된 고정자 권선을 구비하는 전기 모터를 포함한다.
현재 Impella® 펌프는 분당 약 1.0 내지 6.0 lpm(liters per minute)의 유속으로 혈액을 전달할 수 있다. 그러나 점점 더 많은 수술 과정에서 Impella®의 사용이 증가함에 따라, 이러한 레벨 이상으로 생성되는 혈류 속도를 증가시킬 필요성에 대한 요구가 매우 증가하고 있다. 이것은 본질적으로 전기 모터에서 더 높은 회전자 속도가 필요함을 의미하는 것이다. 그러나 갖고 있는 작은 기하학적 구조로 인해 회전자 속도를 높이는 것은, 이러한 소형 펌프의 작동에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 의미있는 주의할 것이 있다. 예를 들어, 회전자 속도를 높이면, 전기 모터 내에서 열 발생(줄(joule) 가열)이 증가할 수 있다. 장치가 심장에 경피적으로 삽입되기 때문에, 열 발생이 증가하면 주변 조직에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 다른 고려 사항은, 더 높은 유속을 달성하기 위해 전기 모터를 개조하면, 더 높은 저항 손실로 이어질 수 있는 장치에 가해지는 저항 부하(resistive load)가 있다.
토크 상수 및/또는 모터의 효율을 증가시키기 위해 권선 권수(the number of winding turns) 및 모터 내 코일의 패킹 밀도 증가를 포함하는 다양한 기술이 사용되었습니다. 그러나 이러한 위상 배치(topologies)는 모터 크기(예: 직경 및/또는 길이)와 같이 모터에 가해지는 제한 조건으로 인해 제약된다. 이로 인해 모터 치수의 제약을 준수하기 위해 코일의 기계적 압착과 같은 후 처리 방법이 구현되었지만 이러한 방법은 예를 들어 코일을 형성하는 와이어의 절연 손상과 같은 모터의 신뢰성을 손상시키며, 단락으로 이어지기도 한다.
위에서 확인된 바와 같은 최신 기술의 결점을 감안할 때, 모터의 효율을 유지하거나 증가시키면서 전기 모터에 의해 생성된 유량을 증가시킬 필요성이 크게 있다.
간단한 요약
본 명세서에는 위에서 확인된 바와 같이 최신 기술의 다양한 문제 및 결점을 해결하기 위한 장치가 개시되어 있다. 구체적으로, 환자의 심장에 삽입하기 위한 혈관내 혈액 펌프(intravascular blood pumps)가 본원에 개시되어 있다. 혈액 펌프는 카테터에 연결된 근위 단부와 펌프에 연결된 원위 단부를 갖는 기다란 하우징을 포함하며, 하우징은 종축을 갖는다. 혈액 펌프는 또한 하우징 내에 구비된 무슬롯 영구자석 모터를 포함하며, 모터는 p개 자극 쌍(magnet pole pairs)과 n개 위상(phases)을 가지며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고, n은 ≥ 3 의 정수이다. 모터는 하우징의 종축을 따라 연장되며 2np 코일을 가진 고정자를 포함하며, 상기 2np 코일은 영구자석 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일(two coils per phase per permanent magnet pole pair)을 형성하도록 감겨진다. 고정자는 np 코일을 구비하는 내부 권선을 포함하며, 여기서 각 위상의 하나의 코일은 다른 위상의 코일 바로 옆에 자극 쌍 당 위상의 순차적인 순서로 배열되며, 이러한 배열은 내부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도로 걸쳐 있도록 모든 자극 쌍에 대해 고정자의 원주 둘레에 반복되어 있으며, 내부 권선은 외부 표면을 가지고 있다. 고정자는 또한 내부 권선의 외부 표면에 배열된 np 코일도 구비하는 외부 권선을 포함하며, 외부 권선의 각 위상의 코일은, 외부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 자극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선의 코일과 원주방향으로 정렬 배치된다. 고정자에는 코일에 흐르는 전류가 동일한 방향이 되도록 자극 쌍 당 동일한 위상의 코일이 연결된다. 여기에 설명된 코일 권선은 자석 와이어로 형성된다. 자석 와이어는 당업자에게 잘 알려져 있는 것이므로, 여기에서 자세히 설명하지는 않는다. 추가로, 모터는 고정자와 자기적 상호작용(magnetic interaction) 시 회전을 하기위해 지원된 자석을 포함하여, 펌프를 통한 혈액의 흐름을 용이하게 한다.
다른 실시예에서, p개 자극 쌍 및 n개 위상을 갖는 무슬롯 영구 자석 전기 모터가 제공되며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고, n은 ≥ 3 의 정수이며, 모터는 종축을 갖는다. 모터는 하우징의 길이방향 축을 따라 연장되고 영구자석 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하도록 감겨진 2np 코일을 갖는 고정자를 포함한다. 고정자는 np 코일을 구비하는 내부 권선을 포함하며, 여기서 각 위상의 하나의 코일은 다른 위상의 코일 옆에 자극 쌍 당 위상의 순차적인 순서로 배열되며, 이러한 배열은 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 모든 자극 쌍에 대해 고정자의 원주 둘레에 대해서 반복되어 있으며, 내부 권선은 외부 표면을 갖고 있다. 고정자는 또한 내부 권선의 외부 표면에 배열된 np 코일을 또한 구비하는 외부 권선을 포함하며, 외부 권선의 각 위상의 코일은 외부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 자극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선의 코일과 원주방향으로 정렬되어 있다. 고정자에는 코일에 흐르는 전류가 같은 방향이 되도록 자극 쌍 당 동일한 위상의 코일이 연결된다. 추가적으로, 모터는 고정자와 자기적 상호작용시 회전을 하기위해 지원된 자석을 포함하여, 회전자의 회전이 용이하게 이루어 진다.
일부 구현예에서, 외부 권선은 내부 권선과 적어도 동일한 수의 권선 권수(winding turns)를 포함한다. 특정 구현예에서, 각각의 코일은 고정자의 길이를 따라 종방향으로 각각 연장되는 2개의 자석 와이어 층을 포함한다. 일부 구현예에서, 각 코일의 자석 와이어는 코일의 스팬을 따라 순차적인 순서로 서로 이웃하여 배열된다. 추가 구현예에서, 코일의 내부 권선은 코일의 외부 권선이 중첩되는 균일한 기초부를 형성한다. 다른 구현예에서, 위상의 코일은 스타 또는 델타 구성으로 다른 위상의 코일에 연결된다. 일부 구현예에서, 각 위상의 코일은 직렬 또는 병렬로 연결된다.
특정 구현예에서, 2np 코일은 나선형 권선, 마름모형 권선, 기존 권선 및 하이브리드 권선 중 임의의 하나를 포함한다. 추가 구현예에서, 모터는 3상 단극 쌍 머신을 포함한다. 다른 구현예에서, 모터는 6-코일 2극 머신을 포함하고, 각각의 코일은 고정자의 단면에 대해 120 기계적 각도에 걸쳐 있다. 일부 구현예에서, 회전자는 약 1.0 lpm 내지 약 6.0 lpm 의 속도로 혈액을 펌핑한다. 다른 구현예에서, 펌프는 환자 심장의 우심실에 삽입될 수 있다. 추가 구현예에서 펌프는 환자 심장의 좌심실에 삽입될 수 있다.
내부 권선의 np 코일과 외부 권선의 np 코일로 구성된 이중 권선에서 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하도록 2np 코일을 권선 배치함으로써, 전기 모터 내에서 사용 가능한 공간 내에서 더 많은 와이어를 사용할 수 있으므로, 모터 공간 설계시에 매우 바람직한 활용을 할 수 있게 한다. 이것은 단일 권선 고정자를 사용하는 모터에 비해 모터 효율을 향상시킨다.
추가 실시예에서, 무슬롯 영구자석 모터에 사용하기 위한 고정자를 형성하는 방법이 제공되며, 모터는 p개 자극 쌍 및 n개 위상을 가지며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고, n은 ≥ 3 의 정수이고, 고정자는 길이방향으로 연장되고 그리고 영구자석 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하도록 감겨진 2np 코일을 포함한다. 상기 방법은 np 코일을 구비하는 내부 권선을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 각 위상의 하나의 코일은 다른 위상의 코일 옆에 자극 쌍 당 위상의 순차적인 순서로 배열되고, 상기 배열은 내부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 모든 자극 쌍에 대해 고정자의 둘레에 대해 반복되어 있고, 내부 권선은 외부 표면을 갖는다. 그 다음, 상기 방법은 내부 권선의 외부 표면에 배열된 np 코일을 또한 구비하는 외부 권선을 형성하는 단계를 포함하며, 외부 권선의 각 위상으로부터의 코일은, 외부 권선의 각 코일도 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 자극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선으로부터의 코일과 원주방향으로 정렬되어 있다. 다음, 상기 방법은 전류가 동일한 방향으로 코일을 통해 흐르도록 자극 쌍 당 동일한 위상의 코일을 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
일부 구현예에서, 방법은 외부 권선이 내부 권선과 적어도 동일한 수의 권선 권수를 포함하도록 외부 권선을 형성하는 단계를 더 포함한다. 특정 구현예에서, 방법은 또한 각각의 코일이 고정자의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 2개 층의 자석 와이어를 포함하도록 코일을 형성하는 단계를 포함한다. 다른 구현예에서, 각각의 코일의 자석 와이어는 각각의 코일의 스팬을 따라 순차적인 순서로 서로 이웃하여 배열된다. 이것은 전기 모터의 요크에 맞도록 기계적 압착을 필요로 하지 않는 최소 코일 두께로 이어지는 고정자의 코일에 있는 자석 와이어에 대해, 정밀하게 정렬되면서 조밀한 배열을 제공할 수 있게 한다. 고정자는 코일과 요크의 조합체 이다. 고정자 두께는 코일 두께와 요크 두께를 합한 두께 이다. 여기에 설명된 코일 두께는 요크 두께를 제외 한다. 코일에 대해 정밀하게 정렬되고 조밀한 배열은 권선을 형성하는 와이어 주변의 절연 무결성에 대한 위험이 없기 때문에, 이중 권선 고정자의 신뢰성을 향상시킨다. 이 최소 코일 두께는 또한 전기 모터에서 더 큰 회전자 자석 및/또는 더 두꺼운 자기 강철 요크를 사용할 수 있게 하여, 다층 자석 와이어가 무작위로 감긴 고정자를 사용하는 모터에 비해 모터가 더 높은 효율을 달성할 수 있게 한다.
일부 구현예에서, 방법은 스타 또는 델타 구성에서 위상의 코일을 다른 위상의 코일과 연결하는 단계를 포함한다. 특정 구현예에서, 방법은 직렬 또는 병렬로 각 위상의 코일을 연결하는 단계를 포함한다. 다른 구현예에서, 방법은 나선형, 마름모형, 종래 형태 및 하이브리드 중 어느 하나로부터 선택된 코일 권선 패턴을 사용하여 2np 코일을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 고정자는 3상 및 1극 쌍을 갖는 모터에 사용하기에 적합한 것이다. 특정 구현예에서, 고정자는 6-코일 1극 쌍 모터에 사용하기에 적합하며, 각 코일은 고정자의 단면에 대해 120 기계적 각도에 걸쳐 있다.
전술한 목적 및 다른 목적 및 이점이 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명을 통해서 명백하게 이해될 수 있을 것이며, 여기서 유사한 참조 부호는 전체에 걸쳐 유사한 부분을 지칭한다.
도 1은 본원 개시내용의 실시예에 따른, 혈관내 혈액 펌프의 예시적인 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 혈액 펌프에 사용될 수 있는 관련 기술분야에서 공지된 코일의 개별 권수에 대한 예시적인 코일 권선 패턴을 도시한다.
도 2e 내지 도 2h는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 개별 권수를 갖는 코일에 의해 형성된 예시적인 완전한 코일 권선 패턴을 도시한다.
도 3은 도 1의 혈액 펌프에 사용하기 위한 3상 단일 권선 고정자의 예시적인 단면도이며, 각 위상은 단일 나선형 코일로 구현된다.
도 4는 도 1의 혈액 펌프에 사용하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 나선형 코일로 각 위상이 구현된 3상 이중 권선 고정자의 예시적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 혈액 펌프에 사용된 도 4의 고정자의 예시적인 단면도이다.
도 6a는 도 3의 단일 권선 고정자의 리드 와이어 연결을 도시하는 예시적인 회로도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 동일 위상의 코일들이 직렬로 연결된, 도 4의 이중 권선 고정자의 리드 와이어 연결을 도시하는 예시적인 회로도이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 동일 위상의 코일들이 병렬로 연결된, 도 4의 이중 권선 고정자의 리드 와이어 연결을 도시하는 예시적인 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 3상 및 2극 쌍을 갖는 전기 모터용 이중 권선 고정자를 사용한 도 1의 혈액 펌프의 예시적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 5상 및 1극 쌍을 갖는 전기 모터용 이중 권선 고정자를 사용하는 도 1의 혈액 펌프의 예시적인 단면도이다.
도 9a는 그 형성에 와이어 권선 시퀀스를 사용한 예시적인 무작위적으로 감긴 다층 고정자를 도시한다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 그 형성에 와이어 권선 시퀀스를 사용한, 도 4의 예시적인 이중 권선 고정자를 도시한다.
도 10a는 도 9a의 와이어 권선 시퀀스를 사용하여 형성된 무작위적으로 감긴 다층 고정자의 이미지를 도시한다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 9b의 와이어 권선 시퀀스를 사용하여 형성된 이중 권선 고정자의 이미지를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 4 및 도 9b의 이중 권선 고정자를 형성하는 방법의 예시적인 흐름도이다.
상세한 설명
본 개시내용의 실시예는 유사한 참조 번호가 유사하거나 동일한 요소를 식별하게 도시한 도면을 참조하여 상세하게 설명된다. 개시된 실시예는 다양한 형태로 구현될 수 있는 개시내용의 실시예일 뿐인 것으로 이해해야 한다. 본 발명을 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 하지 않했다. 따라서, 여기에 개시된 특정 구조적 및 기능적 세부사항은 그 내용으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 오로지 청구범위에 대한 기초로서 그리고 실질적으로 임의의 적절하게 기재한 상세한 구조에서 본 개시내용을 다양하게 사용할 수 있도록 당업자에게 교시하기 위한 목적으로 예시한 기초사항으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 설명된 장치의 전반적인 이해를 제공하기 위해 특정한 예시적인 실시예를 설명한다. 본 명세서에 설명된 실시예 및 특징은 혈관내 혈액 펌프와 관련하여 사용하기 위해 구체적으로 설명되지만, 아래에 요약된 모든 구성요소 및 기타 특징들이 임의의 적절한 방식으로 서로 조합될 수 있고, 효율적인 전기 모터가 필요한 다른 유형의 수술에 채택 및 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에 기재된 장치 및 방법은 환자의 심장에 삽입하기 위한 혈관내 혈액 펌프에 관한 것이다. 혈액 펌프는 카테터에 연결된 근위 단부와 펌프에 결합된 원위 단부를 갖는 기다란 하우징을 포함하며, 하우징은 종축을 갖는다. 혈액 펌프는 또한 하우징 내에 구비된 무슬롯 영구자석 모터를 포함하며, 모터는 p개 자극 쌍과 n개 위상을 가지며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고, n은 ≥ 3 의 정수이다. 모터는 하우징의 길이방향 축을 따라 연장되며 2np 코일을 갖는 고정자를 포함하며, 상기 2np 코일은 영구자석 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하도록 감겨 있다. 고정자는 np개의 코일을 구비하는 내부 권선을 포함하며, 여기서 각 위상의 하나의 코일은 다른 위상의 코일에 이웃하여 자극 쌍 당 위상의 순차적인 순서로 배열되며, 이러한 배열은 내부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 모든 자극 쌍에 대해 고정자의 둘레에 대해 반복되어 있고, 내부 권선은 외부 표면을 가지고 있다. 고정자는 또한 내부 권선의 외부 표면에 배열된 np 코일을 또한 구비하는 외부 권선을 포함하며, 외부 권선의 각 위상의 코일은, 외부 권선의 각 코일이 또한 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 자극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선의 코일과 원주 방향으로 정렬되어 있다. 고정자에서 자극 쌍 당 동일한 위상의 코일은 코일에 흐르는 전류가 같은 방향이 되도록 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 추가로, 모터는 고정자와 자기적 상호작용 시 회전을 하기위해 지원된 자석을 포함하여, 펌프를 통한 혈액의 흐름이 용이하게 이루어지게 한다.
본 발명의 혈관내 혈액 펌프는 특징적인 고정자를 갖는 전기 모터를 사용한다. 이러한 고정자는 모터 설계 공간의 활용도를 높이는 이중 권선(또는 4층) 코일을 포함한다. 이것은 단일 권선(또는 2층) 코일을 포함하는 고정자와 비교하여 모터가 구리 와이어를 사용하는 이득을 제공하여, 모터의 토크 성능을 상당히 향상시킨다. 고정자는 또한 모터가 매우 높은 모터 상수와 매우 높은 모터 효율을 달성할 수 있도록 한다. 모터의 고정된 기하학적 구조로 인해, 단일 권선 고정자 대신 이중 권선 고정자가 구현되는 경우, 더 두꺼운 고정자 코일로 인해 더 작은 자석 및/또는 더 얇은 요크를 사용해야 한다는 사실에 유의한다. 따라서, 이중 권선 고정자에서 자석 와이어의 수를 늘리는 것은 회전자에 사용되는 더 작은 자석 및/또는 요크 두께의 감소와 타협하게 된다. 이것은 더 낮은 자속 밀도로 이어진다. 그러나 더 많은 자석 와이어의 효과는 더 작은 회전자 자석과 더 얇은 자기 요크에서 감소된 자속 밀도를 상쇄하게 된다. 일부 구현예에서, 단일 권선 고정자와 유사한 코일 저항을 유지하기 위해, 더 두꺼운 자석 와이어가 이중 권선 고정자에 사용될 수 있다. 이러한 이중 권선 고정자는 위에서 언급한 구성으로 연결된 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 포함한다. 이것은 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일이 있는 단일 권선 고정자를 사용하는 혈액 펌프에 비해, 모터 토크 상수를 약 20% 내지 약 50% 증가시킨다. 특정 구현예에서 모터 토크 상수는 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40% 또는 약 45% 증가될 수 있다.
또한, 전기 모터의 고정자에서 자석 와이어의 수를 늘리려는 기존의 시도는 불균일한 다층 고정자를 초래했다. 이러한 고정자에서의 와이어의 불규칙한 배열은 특히 두께가 너무 크게 있는 무작위로 감긴 고정자를 만든다. 이러한 무작위로 감긴 고정자는, 전기 모터에 사용되기 전에 코일의 직경을 줄이거나 및/또는 코일의 내부 직경을 증가시켜서, 코일의 두께를 줄이기 위한 기계적 압착이 종종 필요하게 된다. 대조적으로, 본 발명의 실시예에 따른 이중 권선 고정자는 고정자의 각 코일에 자석 와이어의 순차적인 배열을 제공함으로써, 더 콤팩트한 코일을 갖는 고정자를 생성한다. 무작위로 감긴 다층 고정자와 비교하여 코일이 상대적으로 가늘기 때문에, 이중 권선 고정자는 모터의 신뢰성을 향상시키기 위한 와이어 절연의 무결성을 보존하는 사용하기 전, 기계적 압착이 필요하지 않거나 최소한으로 필요하게 한다.
고정자에 대한 설명을 다음과 같은 용어를 사용하여 기술한다. 고정자는 전기적으로 함께 연결된, 예를 들어 내부 권선 및 외부 권선과 같은 적어도 하나의 권선을 포함한다. 각각의 권선은 고정자의 단면에 대해 360°에 걸쳐 있다. 추가로, 각각의 권선은 고정자의 전체 360°스팬 주위에 원주방향으로 동일하게 배열된, 예를 들어 3상 전기 모터용 코일(A, B, C)과 같은 복수의 코일을 포함한다. 예를 들어, 코일(A, B, C)은 각각 고정자의 단면에 대해 120°에 걸쳐 있을 수 있다. 각각의 코일은 복수의 권선 턴(N)을 포함한다. 예를 들어, 각각의 코일은 65개의 권선 턴을 포함할 수 있다. N개의 권선 턴(turns)에서 각각의 턴은, 권선의 근위 단부로부터 원위 단부까지 길이방향으로 연장되는 전방 부분, 및 원위 단부로부터 근위 단부로 연장되는 복귀 부분을 갖는 자석 와이어를 포함한다. 코일(A, B, C)로 구성된 각 권선(내부 또는 외부 권선)이 완성되면, 그것은 2층 코일을 형성한다. 따라서 전체적으로는, 이중 권선 고정자가 4층 코일을 형성하다.
도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 환자의 심장에 삽입하기 위한 예시적인 혈관내 혈액 펌프(100)를 도시한다. 혈액 펌프(100)는 모터 유닛(110) 및 종축(105)을 따라 배열된 펌프 유닛(120)을 포함한다. 모터 유닛(110)은 하우징(112) 내에 포함된 고정자(140) 및 회전자(150)를 구비하는 전기 모터를 포함한다. 고정자(140)는 근위 단부(142)로부터 원위 단부(143)까지의 모터 유닛(110)의 길이를 따라 연장되며, 특정 패턴으로 감긴 와이어(144)를 포함하며, 이에 대한 세부 사항은 아래에서 제공될 것이다. 고정자(140)는 회전자(150)가 위치하는 중심 루멘(145)을 형성한다. 고정자(140)는 무슬롯이어서, 와이어(144)가 적층된 고정자 코어가 아닌, 자체적으로 감겨지는 권선으로 된다. 공급 라인(146, 147)은 모터 유닛(110)을 작동하기 위해 펌프(100)로부터 고정자(140)로 외부적으로 필요한 전기 공급이 이루어지게 연결 시킨다. 각각의 와이어(144)는 절연 코팅(도시하지 않음)을 할 수 있고, 그리고 선택적으로 고정자(140)는 합성 에폭사이드 수지(도시하지 않음)로 성형될 수 있다.
도 1에서, 고정자(140) 및 하우징(112)은 별개의 구성요소로 도시되어 있지만, 고정자(140)는 단일 구성요소를 형성하기 위해 하우징(112) 내에 캡슐화 될 수 있는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 하우징(112)은 근위 단부(114) 및 원위 단부(116)를 포함한다. 하우징(112)의 근위 단부(114)는 가요성 튜브를 포함할 수 있는 카테터(130)의 원위 단부(134)에 결합된다. 카테터(130)는 혈액 펌프(100)의 제어 및 작동을 하기위해 의사쪽으로(즉, 근위쪽으로) 연장되는 루멘(132)을 포함한다.
회전자(150)는 고정자(140)의 루멘(145) 내에서 샤프트(153)를 중심으로 회전 가능하게 지지되는 영구 자석(152)을 포함한다. 자석(152)은 모터 유닛(110) 내에서 샤프트(153)를 둘러싸는 원통형 영구 자석(152)을 포함할 수 있다. 샤프트(153)는 모터 유닛(110)에서 펌프 유닛(12)으로 연장되며, 혈액을 펌핑하기 위한 임펠러(160)의 회전이 용이하게 이루어지게 한다. 특정 구현예에서, 회전자(150)는 샤프트(153)에 부착된 여러 개의 영구 자석, 또는 자체 회전자 권선을 갖는 전자기 자석을 포함할 수 있다. 또한, 도 1은 고정자(140) 내에서 회전 가능한 것으로서 회전자(150)를 도시하지만, 전기 모터(110)는 고정자(140)가 샤프트(153)에 대해 고정되어 유지되고, 회전자(150)가 고정자(140) 주위를 회전하는 실린더로서 구성되도록 이루어질 수 있다. 샤프트(153)는 모터 유닛(110)의 길이를 따라 연장되어, 펌프 유닛(120)의 원통형 하우징(122) 내로 연장된다. 일부 구현예에서, 샤프트(153)는 중공일 수 있고, 예를 들어 가이드 와이어가 통과하기 위한 루멘(154)을 포함할 수 있다.
샤프트(153)의 원위 단부는 펌프 하우징(122) 내에 위치한 임펠러(160)에 결합된다. 모터 유닛(110)의 고정자(140)와 회전자(150) 사이의 상호작용은 회전자(150)에 토크를 생성하여, 샤프트(153)가 회전하도록 하고, 차례로, 임펠러(160)가 원통형 펌프 하우징(122)에서 회전하도록 한다. 이러한 동작이 발생하면, 혈액은 축 방향으로의 이송을 위해 축 방향 흡입 개구(124)를 통해 펌프로 흡입되고, 혈액은 개구(126)에서 측방향으로 배출되어 하우징을 따라 축방향으로 흐른다. 이러한 방식으로 펌프(100)는 환자의 심장 내에서 혈액의 흐름을 생성한다.
전기 모터는 또한 하우징(112) 내에 구비한 요크(113)를 포함한다. 요크(113)는 회전자(150)의 영구 자석 극에 의해 생성된 자속을 전달한다. 일부 경우에는, 하우징(112)이 요크(113)로서의 역할을 할 수 있다. 요크(113)는 전기 모터의 최외측 구성요소이고, 그 내경은 고정자(140)의 크기를 제한한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 개시내용의 실시예에 따른 예시적인 권선 패턴(210-213)을 도시한다. 도 2a 내지 도 2d에는 도 1의 와이어(142)와 같은 상이한 권선 패턴으로 개별 권선 턴 구조가 도시되어 있으나, 그러나 도 1의 고정자(140)와 같은 완전한 고정자가, 도 1에 도시된 종축(105)과 같은 모터 유닛의 종축을 중심으로 회전하는 복수의 와이어의 축방향 및 각도 배열에 의해 얻어질 수 있는 것이다. 도 2e 내지 도 2h는 도 2a 내지 도 2d의 코일 권선 유형 각각에 대한 완전한 고정자에 대한 코일 권선 패턴을 도시한다. 도 2e 내지 도 2h의 플롯 각각의 수평 축은 각각의 고정자의 원주를 따라 위치한 각도 위치를 나타내고 그리고 수직 축은 고정자의 원위 단부로부터 근위 단부로 이동하는 각각의 고정자의 길이방향 길이를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2d는 전기 머신에 사용되는 코일의 개별 권선 턴에 대한 예시적인 권선 패턴을 도시한다. 도 2a 내지 도 2d에 도시된 권선 패턴은 도 1의 모터 유닛(110)의 고정자(140)를 형성하는 데 사용될 수 있다. 도 2a는 코일의 각각의 와이어(214)가 코일의 길이를 따라 근위 단부(221)로부터 원위 단부(225)까지 연장되는 개별 코일 권선 패턴(210)을 도시한다. 원위 단부(225)에서, 와이어(214)는 180 기계적 각도로 고정자의 외부 둘레를 따라 이어져서, 근위 단부(221)로 돌아온다. 와이어(214)의 종점이 모두 근위 단부(221)에서 끝나기 때문에, 코일 권선 패턴(210)은 각각의 끝단 전환 적층 문제에 직면할 수 있고, 여기서 코일 권선(210)의 근위 단부(221)에서의 복수의 리드 와이어 각각은 고정자 공급 라인(들)에 전기적으로 연결되어야 하며, 이 것은 차례로 밀집 및 연결 문제를 일으킬 수 있다. 도 2a에 도시된 턴(turns) 부분을 갖는 코일로 형성된 완전한 코일 권선 패턴이 도 2e에 도시되어 있다. 도 2b는 각각의 와이어(215)가 구부러진 구성으로 배열된 개별 마름모형 코일 권선 패턴(211)을 도시한다. 도 2a의 코일 권선 패턴(210)과 달리, 마름모형 코일 권선 패턴은 여러 번 감겨진 하나의 연속한 와이어를 포함하며, 각각의 완전한 턴은 도 2f에 도시된 바와 같은 완전한 코일 권선 패턴을 형성하도록 각을 이루며 이동된다. 고정자에 채택된 마름모형 코일 권선 패턴의 구부러진 구성은, 각 개별 위상의 코일을 후(post) 조립으로 해야 할 수 있을 것이다.
도 2c는 각각의 와이어(216)가 타원형 구성으로 배열된 개별 나선형 코일 권선 패턴(212)을 도시한다. 나선형 코일 권선 패턴(212)은 도 2b의 마름모형 코일 권선 패턴(211)과 유사하지만, 코일 권선 공정을 단순화하는 굽힘이 없어진 것이다. 나선형 코일 권선 공정은 후 조립 단계가 필요하지 않고, 쉽게 형성될 수 있는 1단계 권선 공정이다. 도 2c에 도시된 나선형 코일 권선 패턴을 갖는 완전한 코일 권선 패턴은 도 2g에 도시되어 있다. 도 2d는 도 2a에 도시된 바와 같은 코일 권선과 도 2b에 도시된 바와 같은 마름모형 코일 권선과의 혼합물인 코일 권선을 포함하는 개별 하이브리드 코일 권선 패턴(213)을 도시한다. 이러한 하이브리드 코일 권선은 코일의 수평 대 수직 종횡비를 조정하여, 저항에 대한 토크의 최적 비율이 이루어지게 한다. 도 2d에 도시된 하이브리드 코일 권선 패턴을 포함하는 완전한 코일 권선이 도 2h에 도시되어 있다.
다음의 개시는 각각의 고정자에서, 도 2c의 개별 나선형 코일 권선 패턴 및 도 2g의 연관된 완전한 코일 권선 패턴을 사용하는 것이다. 그러나, 본 개시내용의 고정자는 도 2a 내지 도 2d와 관련하여 설명된 바와 같은 임의의 권선 패턴을 사용할 수 있는 것임을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 개시내용의 일부 구현예에서는, 임의의 다른 권선 패턴이 사용될 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 1의 모터 유닛(110)의 고정자(140)와 같은, 전기 모터에 사용하기 위한 예시적인 고정자의 단면을 도시한다. 도 3 및 도 4에 도시된 고정자의 단면은 도 1에 도시된 X-X'선에 대해 절취된 것이다. 도 3은 하나의 극 쌍을 갖는 3상 전기 모터에 사용하기 위한 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 포함하는 고정자(300)를 도시한다. 이러한 배열에서, 고정자(300)는 단일 권선 고정자(또는 2층 코일 고정자)이다. 본 개시에서, 전기 모터의 3상은 위상(A, B, C)으로 지칭된다. 단일 권선 고정자(300)에서, 각 위상은 하나의 코일을 - 위상(A)에 대해 코일(310)('A'로 표기됨), 위상(B)에 대해 코일(311)('B'로 표시됨), 위상(C)에 대해 코일(312)('C'로 표시됨) - 포함한다. 코일(310-312) 각각은 복수의 N 권수를 갖는 권선을 포함하며, 여기서 N은 정수이고, N > 1 이며, 여기서 각 코일은 동일한 개수의 권수를 갖는다. 권선은 도 2a 내지 도 2d에 관련하여 설명된 것과 같은 특정 방식으로 감겨진 와이어로 형성되어서, 도 3a의 리드 와이어(320 내지 325)로 지시된 바와 같이, 각각의 코일이 시점 및 종점을 갖게 된다. 일부 구현예에서는 권선이 절연된 자석 와이어로 형성된다. 본 개시내용의 실시예는 도 2c 및 도 2g에 예시된 바와 같은 나선형 코일을 갖는 고정자와 관련하여 설명되지만, 임의의 권선 유형이 사용될 수 있는 것으로 이해 할 수 있을 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 코일(310-312)의 각도 분포는 고정자(300)에 대해 균등하게 분포되도록 이루어져 있으며, 여기서 각 코일은 120 기계적 각도로 고정자(300)의 단면 원주 둘레에 대해 걸쳐 있다. 고정자(300)는 자극 쌍 당 하나의 코일을 갖는 3상 전기 모터에 사용되는 반면, n개 위상 및 p개 자극 쌍을 갖는 일반 전기 모터의 경우에는 단일 권선 고정자(300)의 각 코일이 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 갖고, 고정자의 단면의 원주둘레에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있다. 단일 권선 고정자(300)의 종축에 대한 코일의 축방향으로의 분포와 관련하여, 코일(310-312)의 권선은 이들 각각이 고정자(300)의 근위 단부(도 1에서의 고정자(140)의 근위 단부(142)와 같은)로부터, 원위 단부(도 1의 고정자(140)의 원위 단부(143)와 같은)쪽으로 길이방향으로 연장하여, 근위 단부로 다시 귀환하여 감기도록 구성된다. 이러한 방식으로, 고정자(300)의 각각의 코일(310-312)은 단일 권선을 효과적으로 포함하고 있다. 도 3에 도시된 구조에서는, 코일(310-312) 각각에 대한 리드 와이어가 도 1에 도시된 바와 같은 공급 라인(146, 147)과 같이 전기 모터에 대한 공급 라인과의 연결을 위해 고정자(300)의 근위 단부에 위치하게 된다.
각 코일(310-312)에 대한 리드 와이어(320-325)는 단일 권선 고정자가 형성되는 방식으로 인해 각 코일에서의 스팬의 양 단부에 위치된다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 코일(A)은 제1 단부(320)로부터, 자석 와이어가 제2 단부(321)를 형성하는 코일의 스팬 단부까지 제1 방향(예를 들어, 반시계 방향)으로 코일의 120°스팬에 대한 고정자의 둘레를 따라 와이어를 감음으로써 형성된다. 또한, 단일 권선 고정자(300)에서는 코일(B 및 C)이 형성되기 전에 코일(A)이 전체적으로 형성된다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 하나의 극 쌍을 갖는 3상 전기 모터에 사용하기 위한 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 포함하는 고정자(400)를 도시한다. 이러한 배열에서는, 고정자(400)가 이중 권선 고정자(또는 4층 코일 고정자)이고, 그리고 도 2c에 도시된 바와 같은 개별적인 나선형 코일 권선 패턴으로 구현될 때, 고정자(400)는 도 2g에 예시된 완전한 권선과 유사한 이중 나선형 권선 고정자이다. 고정자(400)에서, 3상 전기 모터의 각각의 위상(A, B, C)은 2개의 코일을 포함한다. 따라서, 위상(A)은 코일(410)('A1'로 표시됨)과 코일(411)('A2'로 표시됨)을 포함하고, 위상(B)은 코일(412)('B1'로 표시됨)과 코일(413)('B2'로 표시됨)을 포함하고, 위상(C)은 코일(414)('C1'로 표시됨) 및 코일(415)('C2'로 표시됨)을 포함한다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 고정자(400)는 코일(A1, B1, C1)을 구비하는 내부 권선 및 코일(A2, B2, C2)을 구비하는 외부 권선을 갖는다.
도 3의 단일 권선 고정자(300)를 참조하면, 본 발명의 이중 권선 고정자(400)는 단일 권선 고정자(300)보다 더 작은 내경 및/또는 더 큰 외경을 가질 수 있는 더 두꺼운 코일이다. 특정 구현예에서는, 더 두꺼운 자석 와이어가 유사한 코일 저항을 유지하기 위해 단일 권선 고정자(300)에 사용되는 와이어와 비교되는 이중 권선 고정자(400)에 사용된다. 따라서, 단일 권선 고정자(300)의 각 코일(310-312)이 N 권수를 갖는 권선을 포함하는 경우, 여기서 N은 정수이고 그리고 N ≥ 1 이고, 이중 권선 고정자(400)의 각 위상(A, B, C)에 대한 코일은, 약 1.5N 권수 내지 약 2N 권수를 갖는 권선을 포함하며, 내부 권선의 각 코일(A1, B1, C1)은 동일한 권수를 가지며, 외부 권선의 각 코일(A2, B2, C2)은 동일한 권수를 갖는다. 그러나, 이중 권선 고정자(400)의 직경 증가로 인해, 외부 권선의 코일(A2, B2, C2) 각각은 내부 권선의 코일(A1, B1, C1)의 각각보다 더 많은 권수를 갖는다는 점에 유의해야 한다. 이중 권선 고정자(400)는 코일 저항을 낮추기 위해 더 두꺼운 자석 와이어로 구현되어서, 약 1.5N 권수 내지 약 2N 권수를 갖는 이중 권선 고정자가 생성된다는 점에 유의 한다. 전술한 바와 같이, 코일(410-415)은 각각, 도 4에서 리드 와이어(420-431)로 표시된 바와 같이, 시점과 종점을 갖는 나선형 권선으로 형성된다.
코일(410-415)의 각도 분포는, 각 코일이 고정자(400)의 단면 둘레에 대해 120 기계적 각도에 걸쳐 있는 고정자(400)에 대해 균등하게 분포되도록 되어 있다. 고정자(400)가 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 갖는 3상 전기 모터에 사용되는 반면에, n 위상 및 p 자극 쌍을 갖는 일반 전기 모터의 경우, 고정자(400)는 내부 권선 및 외부 권선을 포함한다. 내부 권선은 각 위상의 하나의 코일이 극 쌍 당 위상의 순차적인 순서로 다른 위상의 코일에 이웃하여 배열된 np 코일을 포함하며, 배열은 내부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 모든 극 쌍에 대해 고정자의 둘레에 대해 반복되어 있다. 내부 권선은 외부 권선의 코일이 형성되는 외부 표면을 제공한다. 외부 권선은 또한 내부 권선의 외부 표면에 배열된 np 코일을 포함하며, 외부 권선의 각 위상의 코일은, 외부 권선의 각 코일이 또한 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선의 코일과 원주방향으로 정렬된다.
이중 권선 고정자(400)의 개별 코일(A1, B1, C1)의 권선 패턴은 단일 권선 고정자(300)의 개별 코일(A, B, C)과 동일하다. 그러나, 이중 권선 고정자(400)에서는, 내부 권선이 형성된 후, 외부 권선을 형성하는 코일(411, 413, 415)의 권선은 고정자(400)의 근위 단부로부터 원위 단부쪽으로 길이방향으로 연장되어, 근위 단부로 되돌아 오는, 내부 권선을 형성하는 코일(410, 412, 414)의 외부 표면에 각각 감겨진다. 이러한 방식으로 내부 권선과 외부 권선이 각각 2층의 와이어를 효과적으로 포함하여, 4층 코일 고정자라고 칭해 진다. 코일(410-415) 각각에 대한 리드 와이어는 도 1에 도시된 바와 같은 공급 라인(146, 147)과 같은 전기 모터에 대한 공급 라인과의 연결을 위해 고정자(400)의 근위 단부에 위치하게 된다.
내부 권선의 코일(410, 412, 414)에 대한 리드 와이어(420-421, 424-425, 428-429), 및 외부 권선의 코일(411, 413, 415)에 대한 리드 와이어(422-423, 426-427, 430-431)는, 이중 권선 고정자(400)가 형성되는 방식으로 인해, 각 코일의 스팬 양단에 각각 위치하게 된다. 예를 들어, 코일(A1)은 제1 단부(420)로부터, 자석 와이어가 제2 단부(421)를 형성하는 코일의 스팬 단부까지 제1 방향(예: 반시계 방향)으로 고정자의 둘레를 따라 코일의 120도 스팬에 대해 코일을 감아서 형성된다. 코일(A1)을 형성한 후에, 내부 권선의 나머지를 포함하는 코일(즉, 코일(B1, C1))이 형성된다. 내부 권선이 완전히 형성되었을 때에만, 외부 권선을 구성하는 코일 형성을 시작한다. 따라서, 코일(A1, B1, C1)이 형성된 후, 코일(A2, B2, C2)이 형성된다. 코일(A2)은 제1 단부(422)로부터, 자석 와이어가 제2 단부(423)를 형성하는 코일의 스팬 단부까지 제1 방향(예를 들어, 반시계 방향)으로 코일의 120도 스팬으로 고정자의 둘레를 따라 코일을 감아서 형성된다. 코일(A2)이 형성된 후, 나머지 외부 권선을 포함하는 코일이 형성된다. 본 발명의 권선 시퀀스는 가능한 한 콤팩트한 4층 코일 고정자를 달성하기 위해서 와이어가 정밀하게 정렬된 권선으로 이어진다. 이것은 각각의 코일을 형성하는 와이어의 무결성을 보존하게 되는데, 이러한 사항은 도 9a 및 도 9b와 관련하여 다음 섹션에서 상세히 설명한다.
이중 권선 고정자(400)는 단일 권선 고정자(300)의 두께의 적어도 두 배라는 점에 유의해야 한다. 이는 이중 권선 고정자(400)가 단일 권선 고정자(300)보다 더 작은 내경 및/또는 더 큰 외경을 가질 수 있음을 의미하다. 이중 권선 고정자(400)가 전기 모터에 사용되는 경우, 전기 모터 내의 정해진 치수로 인해 더 작은 자석 및/또는 더 얇은 요크가 필요할 것이다. 더 작은 자석 및/또는 더 얇은 요크는 모두 자속 밀도를 낮추고, 따라서 모터 토크 상수와 모터 효율을 손상시킨다. 그러나, 단일 권선 고정자(300)와 비교하여 이중 권선 고정자(400) 내의 증가된 코일 권선 권수로부터의 이점은, 더 작은 자석 및/또는 더 얇은 요크보다 훨씬 더 크고, 그에 따라 모터 토크 상수 및 모터 능률의 상당한 증가를 초래한다.
도 5는 3상 2극 전기 모터에 이중 권선 고정자(400)를 사용하는 도 1의 혈액 펌프(100)에 있는 전기 모터(110)의 예시적인 단면(500)을 도시한다. 명료하게 나타내기 위해서 코일(410-415)을 형성하는 권선은 도 5에서 생략했다. 도 5를 참조하여 작동 중에 고정자(400)의 코일에 흐르는 전류와 2극 회전자의 자속 밀도와의 상호작용에 대해 설명한다. 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이, 회전자(150)는 사용 시에 일정한 회전을 한다. 도 5는 도시된 바와 같이 회전자가 위치한 순간의 회전자(150)의 포지션을 예시한 도면이다. 예시된 포지션에서, 영구 자석 회전자(150)는 자속 밀도(B)를 생성하고, 코일(410-415) 각각은 길이방향으로(페이지 안으로 또는 페이지 밖으로) 지향될 수 있는 전류를 전달한다. 로렌츠 힘 법칙(Lorentz force law)에 따르면, 자속 밀도(B)와 자속 밀도(B)에 수직인 방향으로의 전류 전달 와이어의 길이방향 길이(L)와의 사이의 상호 작용은 회전을 위해 회전자(150) 내에서 토크(T)를 생성하며, 그 방정식은 다음과 같다.
Figure pct00001
(1)
여기서 z는 회전자(150)의 종축(105)과 평행한 방향이고, r은 회전자(150)의 종축(105)에 수직인 자속 밀도(B)의 반경 방향이며, x는 벡터 외적을 나타낸다. 따라서, 고정자(400)의 전류 흐름은 종축(105)을 중심으로 회전자(150)의 회전을 야기하고, 이는 차례로 회전자 샤프트(153)의 원위 단부에 결합된 임펠러(160)의 대응하는 회전을 야기한다. 자속 밀도(B)의 미미한 감소로, 본원에서 설명된 고정자(400)는 모터에서 토크 생성을 증가시키기 위해 L 값을 상당히 증가시키려고 시도한다.
본 발명의 이중 권선 고정자(400)는 위상 당 코일의 수를 2배로 증가시켜 단일 권선 고정자에 비해 전기 모터의 권선 권수를 증가시킨다. 그러나, 도 9a 및 도 9b와 관련하여 논의될 바와 같이, 본 발명의 이중 권선 고정자는 위상 당 코일의 수를 2배로 늘리는 것과 관련이 있는 것 뿐만이 아니다. 오히려, 본 발명의 이중 권선 고정자(400)는 내부 권선의 코일을 형성하는 와이어를 먼저 순차적으로 형성하고, 그 후, 내부 권선의 외부 표면에 순차적으로 외부 권선의 코일을 형성하는 와이어가 형성되는 특별한 권선 시퀀스를 사용하여 형성되는 것이다. 이러한 권선 시퀀스는 회전자(150)의 외경과 요크(113)의 내경 사이에서 코일의 패킹 밀도를 증가시킨다. 따라서, 본 발명의 이중 권선 고정자(400)는 고정자(400)의 전류 전달 와이어의 수가 증가함에 따라 식(1)의 L 성분을 상당히 증가시키며, 자석 크기 및 자석 요크 두께의 감소는 필요하지 않다.
도 1과 관련하여 간략하게 논의된 바와 같이, 펌프(100)의 외경은 환자의 심장 내에 펌프를 위치시키기 위해 사용되는 카테터의 내경에 의해 제한된다. 현재 Impella® 펌프에 사용되는 카테터의 최대 내경은 약 14 Fr 이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전기 모터의 치수 x + y + z 는, 여기서 x는 회전자(150)의 반경이고, y는 고정자 코일의 두께이며, z는 요크(113)의 두께이므로, 카테터의 내경에 의해 제한된다. 모터의 자속 밀도(B)를 증가시키기 위해서는 (i) 더 큰 영구 자석을 사용할 수 있고(즉, 더 큰 x값), (ii) 코일을 더 얇게 만들 수 있고(즉, 더 작은 y값), (iii) 더 두꺼운 요크를 사용할 수 있다(즉, 더 큰 z값).
이중 권선 고정자(400)의 설계와 관련하여, 단일 권선 고정자(300)와 비교할 때, 모터의 자속 밀도(B)는, 카테터 내에서의 공간 제한으로 인해 필요한 더 두꺼운 이중 권선 고정자 코일(더 큰 y값) 및 결과적으로 더 작은 영구 자석(더 작은 x값) 및/또는 더 얇은 요크(더 작은 z값)로 인해 감소한다. 이것은 식(1)에서 B 성분을 감소시킨다. 그러나 코일의 권수 증가에 따른 L의 증가가 전술한 이유로 B의 감소보다 더 크다. 순 효과는 회전자(150)에서 생성된 토크가 증가한 것이다.
본 발명의 단일 권선 고정자(300)의 코일(310-312) 및 이중 권선 고정자(400)의 코일(410-415)은 예를 들어 스타 연결 또는 델타 연결과 같은 전기 모터에 대한 임의의 구성으로 전기적으로 연결될 수 있다. 도 6a는 예시적인 스타 구성(600)으로 연결된 도 3의 단일 권선 고정자(300)의 코일(310-312)을 도시한다. 코일(310-312)은 각각 저항(RA, RB, RC)으로 표시된다. 도 6a(및 뒤따르는 도 6b 및 도 6c)에서, 's'는 코일의 시작 리드 와이어를 나타내고, 'e'는 코일의 종결 리드 와이어를 나타낸다. 스타 구성(600)에서, 코일(310)의 종점 'Ae', 코일(311)의 종점 'Be' 및 코일(330)의 종점 'Ce'가 함께 연결된다. 코일(310)의 시점 'As', 코일(311)의 시점 'Bs' 및 코일(312)의 시점 'Cs'는 도 1에서 혈액 펌프(100)의 공급 라인(146, 147)과 같은 공급 라인에 연결된다. 이러한 방식으로, 스타 구성(600)의 각 분기는 단일 권선 고정자(300)의 각 위상에 대한 코일에 대응하는 단일 부하를 포함한다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 권선 고정자(400)에서 코일의 예시적인 전기적 연결을 도시한다. 도 6b는 각각의 위상(A, B, C)에 대한 코일이 직렬로 연결된 스타 구성으로 연결된 고정자(400)의 코일을 나타낸다. 여기에서 코일(410-411)은 각각 위상(A)에 대한 저항(RA1 및 RA2)으로 표시되고, 코일(412-413)은 위상(B)에 대한 저항(RB1 및 RB2)으로 표시되며, 코일(414-415)는 위상(C)에 대한 저항(RC1 및 RC2)으로 표시된다. 전술한 바와 같이, 고정자(400)는 내부 권선 및 외부 권선에 배열된 코일을 포함한다. 내부 권선의 코일(410, 412, 414)은 각각 N개의 권선 권수를 포함하는 반면, 외부 권선의 코일(411, 413, 415)은 각각 적어도 N개의 권선 권수를 포함하며, 여기서 N은 고정자(300)의 각 코일의 권선 권수이고, 이중 권선 고정자(400)의 위상 당 총 권선 권수는 단일 권선 고정자(300)의 수의 1.5배 내지 2.0배 일 수 있다. 따라서 이중 권선 고정자(400)의 위상 당 전기저항은 단일 권선 고정자(300)의 것보다 높다. 일부 구현예에서는, 단일 권선 고정자(300)와 비교하여, 유사한 저항을 달성하기 위해 더 두꺼운 자석 와이어가 이중 권선 고정자(400)에 사용된다는 점에 유의해야 한다.
모터 효율은 다음과 같이 정의되는 모터 상수 Km 에 의해 나타낼 수 있는 것으로 알려져 있다.
Figure pct00002
(2)
여기서 kT는 토크 상수이고, R은 코일 저항이다. 또한, 토크 상수 kT는 단위 전류(I)당 토크(T)인 것으로 알려져 있으므로, 토크 상수를 다음의 관계식을 사용하여 구할 수 있다.
Figure pct00003
, (3)
여기서 B는 자속 밀도이고, L은 자속 밀도에 수직인 방향으로 전류가 흐르는 와이어의 길이이다.
도 5에 대해 논의된 바와 같이, 본 발명의 이중 권선 고정자(400)는 L의 기여도를 약 1.5 내지 약 2배 증가시키면서, 단일 권선 고정자(300)와 비교할 때, 보다 큰 y값(코일의 두께가 두꺼워짐), 보다 작은 x값(더 작은 자석) 및/또는 더 작은 z값(더 얇은 요크)으로 인해서 회전자(150)에서 발생되는 토크(T)에 대한 B의 기여도를 약간 감소시키게 된다. 식(1) 및 식(3)에 따르면, 이것은 모터 토크 정수(kT)를 약 20% 내지 약 50% 증가시킨다. 다른 구현예에서는, 모터 토크 정수가 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40% 또는 약 45% 증가할 수 있다. 또한, 이중 권선 고정자(400)에서 위상 당 권수가 단일 권선 고정자(300)에 비해 증가함에 따라, 더 두꺼운 와이어가 단일 권선 고정자(300)와 유사한 코일 저항을 달성하는 데 사용된다. 따라서, 식(2)으로부터, 본 발명의 이중 권선 고정자(400)는 단일 권선 고정자(300)보다 모터 상수(Km)를 증가시킬 것으로 예상된다. 이것은 모터 효율의 향상으로 이어진다.
도 6b의 연결 다이어그램으로 도시된 바와 같이, 스타 구성(650)의 각 분기는 동일한 위상의 코일을 통해 흐르는 전류가 동일한 방향이 되도록 직렬로 연결된 2개의 코일을 포함한다. 즉, 2개의 코일은 1개의 코일의 종점이 다른 1개의 코일의 시점에 연결되는 방식으로 연결된다. 예를 들어, 위상(A)의 경우, 각각 저항(RA1 및 RA2)로 표시되는 코일(410-411)은 종점 'A1e'이 시점 'A2s'에 연결되도록 연결된다. 유사하게, 각각 저항(RB1 및 RB2)으로 표시되는 위상(B)의 코일(413)의 종점 'B1e' 및 코일(414)의 시점'B2s'가 함께 연결되고, 그리고 저항 부하(RC1 및 RC2)로 각각 표시되는 위상(C)의 코일(414)의 종점 'C1e' 및 코일(415)의 시점 'C2s'가 함께 연결된다. 위상(A)에 대한 코일(410)의 저항(RA1)의 시점 'A1s', 위상(B)에 대한 코일(412)의 저항(RB1)의 시점 'B1s', 및 위상(C)에 대한 코일(414)의 저항(RC1)의 시점 'C1s'은, 도 1의 혈액 펌프(100)의 공급 라인(146, 147)과 같은 공급 라인에 연결된다. 또한, 위상(A)에 대한 코일(411)의 저항(RA2)의 종점 'A2e', 위상(B)에 대한 코일(413)의 저항(RB2)의 종점 'B2e', 위상(C)에 대한 코일(415)의 저항(RC2)의 종점 'C2e' 도 함께 연결된다.
본 발명의 이중 권선 고정자(400)의 코일(410-415)이 연결되는 방식은 코일(410-415)이 전기 모터가 작동하는 중에 회전자(150)에 의해 생성된 자속 밀도와 상호 작용하는 방식을 결정하기 때문에 중요하다. 도 6b에 도시된 바와 같은 스타 구성(650)으로, 고정자(400)의 코일(A1)에 흐르는 전류의 방향은 코일(A2)에 흐르는 전류의 방향과 같다. 마찬가지로, 고정자(400)의 코일(B1)에 흐르는 전류의 방향은 코일(B2)에 흐르는 전류의 방향과 같고, 그리고 고정자(400)의 코일(C1)에 흐르는 전류의 방향은 코일(C2)에 흐르는 전류의 방향과 같다. 이것은 동일한 방향의 전류가 흐르는 코일(A1, A2)이 회전자의 동일한 극과 상호작용함을 의미한다. 또한, 동일한 방향의 전류가 흐르는 코일(B1, B2)은 회전자의 동일한 극과 상호작용함을 의미한다. 또한, 동일한 방향의 전류가 흐르는 코일(C1, C2)은 모두 회전자의 동일한 극과 상호작용하는 것을 의미한다. 사실상, 본 발명의 이중 권선 고정자(400)에서 각 위상의 코일은 회전자의 극 쌍 당 자석의 동일한 극성을 나타낸다.
도 6c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 이중 권선 고정자(400)에서 코일의 추가적인 전기적 연결의 예를 도시한다. 도 6c에서는 고정자(400)의 코일이, 각각의 위상(A, B, C)에 대한 코일이 코일을 통해 흐르는 전류가 동일한 방향이 되도록 병렬로 연결되는 스타 구성(660)으로 연결된다. 이것은 도 6c에 도시된 바와 같이, 위상(A)의 경우, 각각 저항(RA1 및 RA2)으로 표시된 코일(410-411)이 종점 'A1e' 및 'A2e'가 중앙 기준 단자에 연결되고, 시점 'A1s' 및 'A2s'가 공급 라인에 연결된다. 유사하게, 위상(B)의 경우, 각각 저항(RB1 및 RB2)으로 표시되는 코일(412-413)은 종점 'B1e' 및 'B2e'가 중앙 기준 단자에 연결되고, 시점 'B1s' 및 'B2s'가 공급 라인에 연결되고, 그리고 위상(C)의 경우, 각각 저항(RC1 및 RC2)으로 표시되는 코일(414-415)은 종점 'C1e' 및 'C2e'가 중앙 기준 단자에 연결되고, 시점 'C1s' 및 'C2s'는 공급 라인에 연결된다.
도 6b의 구성(650)과 유사하게, 도 6c에 도시된 스타 구성(660)에서는 고정자(400)의 코일(A1)을 흐르는 전류의 방향은 코일(A2)을 흐르는 전류의 방향과 동일하다. 마찬가지로, 고정자(400)의 코일(B1)을 흐르는 전류의 방향은 코일(B2)을 흐르는 전류의 방향과 동일하고, 그리고 고정자(400)의 코일(C1)을 흐르는 전류의 방향은 코일(C2)을 흐르는 전류의 방향과 동일하다. 이것은 흐르는 전류의 방향이 동일한 코일(A1 및 A2)이 모두 회전자의 동일한 극과 상호 작용한다는 것을 의미한다. 또한, 흐르는 전류의 방향이 동일한 코일(B1 및 B2)은 회전자의 동일한 극과 상호 작용한다. 더욱이, 코일(C1 및 C2)은 흐르는 전류의 방향이 동일하고, 회전자의 동일한 극과 상호 작용한다. 사실상, 본원 개시내용의 이중 권선 고정자(400)의 각 위상의 코일은 회전자의 극 쌍 당 자석의 동일한 극성을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3개의 위상(A, B, C) 및 2개의 영구자석 자극 쌍(N1-S1 및 N2-S2)을 갖는 전기 모터에 사용하기 위한 이중 권선 고정자(700)의 단면의 다른 예를 도시한다. 전술한 일반적인 정의에 따르면, 고정자(700)를 사용하는 전기 모터는 n=3 및 p=2 를 갖는다. 도 4의 고정자(400)와 관련하여 논의된 바와 같이, 고정자(700)는 또한 각 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 포함하여, 총 12개의 코일(710-721)을 제공한다. 고정자(700)에서, 전기 모터에 2개의 자극 쌍이 존재하기 때문에, 3상 전기 모터의 각각의 위상(A, B, C)이 2개의 코일을 포함한다. 따라서, 위상(A)은 코일(710-73)(각각 'A1', 'A2', 'A3', 'A4'로 표시됨)을 포함하고, 위상(B)은 코일(714-717)(각각 'B1', 'B2', 'B3', 'B4'로 표시됨) 및 위상(C)은 코일(718-721)(각각 'C1', 'C2', 'C3', 'C4'로 표시됨)을 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 고정자(700)는 코일의 내부 권선과 코일의 외부 권선을 포함한다. 내부 권선은 6개의 코일로 구성되며, 각 위상의 하나의 코일은 서로 다른 위상의 코일에 이웃하여 극 쌍 당 위상의 순서로 배치되고, 이 배열은 모든 극 쌍에 대한 고정자의 원주 둘레에서 반복되어, 내부 권선의 각각의 코일이 고정자(700)의 단면에 대해 360°/(np)=360°/(3)(2)=60°에 걸쳐 있고, 상기 내부 권선은 외부 표면을 갖는다. 외부 권선은 내부 권선의 외부 표면에 배치된 6개의 코일을 포함하며, 외부 권선의 각 위상으로부터의 코일은 극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선으로부터의 코일과 원주 방향으로 정렬되어 외부 권선의 각 코일은 또한 고정자(700)의 단면에 대해 60°에 걸쳐 있다. 또한, 극 쌍 당 동일한 위상의 코일이 코일을 흐르는 전류가 동일한 방향이 되도록 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
고정자(400)의 코일과 마찬가지로, 코일(710-721)은 스타 또는 델타형 구성으로 전기적으로 연결될 수 있고, (i) 위상(A)의 코일(710-713)은 스타 연결 또는 델타 연결의 위상(A)에 대한 분기(branch)를 따라 다음 코일의 종료 단자에 연결된 하나의 코일의 개시 단자와 직렬 또는 병렬로 연결되며, (ii) 위상(B)에 대한 코일(714-717)은 스타 연결 또는 델타 연결의 위상(B)의 분기를 따라 다음 코일의 종료 단자에 연결된 하나의 코일의 개시 단자와 직렬 또는 병렬로 연결되며, (iii) 위상(C)에 대한 코일(718-721)은 스타 연결 또는 델타 연결의 위상(C)에 대한 분기를 따라 다음 코일의 종료 단자에 연결된 하나의 코일의 개시 단자와 직렬 또는 병렬로 연결된다. 이러한 전기 접속으로, (i) 코일(A1 및 A3)을 흐르는 전류의 방향은 코일(A2 및 A4)을 흐르는 전류의 방향과 동일하고, (ii) 코일(B1 및 B3)을 흐르는 전류의 방향은 코일(B2 및 B4)을 흐르는 전류의 방향과 동일하고, (iii) 코일(C1 및 C3)을 흐르는 전류의 방향은 코일(C2 및 C4)을 흐르는 전류의 방향과 동일하다. 즉, 동일한 위상의 코일에 흐르는 전류는 동일한 위상의 코일이 직렬로 연결되거나 병렬로 연결되어 있어도 동일한 방향으로 흐른다.
이러한 배열에서는, 코일(A1-A4)이 이를 통해 흐르는 동일한 방향의 전류를 가지며, 여기서 코일(A1 및 A3)은 예를 들어 극(S1)과 상호 작용하고, 코일(A2 및 A4)은 예를 들어 극(S1)과 동일한 극성의 대응하는 극(S2)과 상호 작용하여, 회전자를 회전시킨다. 유사하게, 코일(B1-B4)은 이를 통해 흐르는 동일한 방향의 전류를 가지며, 여기서 코일(B1 및 B3)은 예를 들어 극(N1)과 상호 작용하고, 코일(A2 및 A4)은 예를 들어 극(N1)과 동일한 극성의 대응하는 극(N2)과 상호 작용하여, 회전자를 회전시킨다. 또한, 코일(C1-C4)은 이를 통해 흐르는 동일한 방향의 전류를 가지며, 여기서 코일(C1 및 C3)은 예를 들어 극(S2)과 상호 작용하고, 코일(C2 및 C4)은 예를 들어 극(S2)과 동일한 극성의 대응하는 극(S1)과 상호 작용하여, 회전자를 회전시킨다. 코일(710-721)은 예를 들어, 코일(710-721)에 전류를 한 번에 2개 위상의 쌍으로 교대로 제공하는 6단계 직류 제어기에 의해 구동될 수 있다는 점에 유의 한다. 따라서 각 위상의 코일은 회전자에 차례로 토크를 발생시켜, 회전자의 지속적인 회전을 유발한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 5개의 위상(A, B, C, D, E)과 하나의 영구자석 자극 쌍(N-S)을 갖는 전기 모터에 사용하기 위한 이중 권선 고정자(800)의 단면의 다른 예를 도시한다. 전술한 일반 정의에 따르면, 고정자(800)를 사용하는 전기 모터는 n=5 및 p=1 을 갖는다. 고정자(400 및 700)와 관련하여 논의된 바와 같이, 고정자(800)는 또한 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 포함하여, 총 10개의 코일(810-819)을 생성한다. 위상(A)은 코일(810-811)(각각 'A1' 및 'A2'로 표시됨)을 포함하고, 위상(B)은 코일(812-813)(각각 'B1' 및 'B2'로 표시됨)을 포함하고, 위상(C)은 코일(814-815)(각각 'C1' 및 'C2'로 표시됨)을 포함하고, 위상(D)은 코일(816-817)(각각 'D1' 및 'D2'로 표시됨)을 포함하고, 위상(E)은 코일(818-819)(각각 'E1' 및 'E2'로 표시됨)를 포함한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 고정자(800)는 코일의 내부 권선 및 코일의 외부 권선을 포함한다. 내부 권선은 각 위상의 하나의 코일이 극 쌍 당 위상의 순차적인 순서로 다른 위상의 코일에 이웃하여 배열된 5개의 코일을 포함하며, 상기 배열은 내부 권선의 각 코일이 고정자(800)의 단면에 대해 360°/(np)=360°/(5)(1)=72°에 걸쳐 있도록 모든 극 쌍에 대한 고정자의 원주 둘레에 대해 반복되어 있고, 내부 권선은 외부 표면을 갖는다. 외부 권선은 또한 내부 권선의 외부 표면에 배치된 5개의 코일도 포함하며, 외측 권선의 각 위상으로부터의 코일은, 외부 권선의 각 코일이 고정자(800)의 단면에 대해 72°에 걸쳐 있도록 극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선으로부터의 코일과 원주 방향으로 정렬되어 있다. 또한, 극 쌍 당 동일한 위상의 코일은 직렬 또는 병렬로 연결되어 코일을 흐르는 전류가 같은 방향이 되도록 한다.
고정자 권선(400, 700)의 코일과 마찬가지로, 코일(810-819)은 스타 또는 델타형 구성으로 전기적으로 연결될 수 있고, (i) 위상(A)의 코일(810-811)은 스타 연결 또는 델타 연결의 위상(A)에 대한 분기를 따라 다음 코일의 종료 단자에 연결된 하나의 코일의 개시 단자와 직렬 또는 병렬로 연결되고, (ii) 위상의 코일(812-813)은 스타 연결 또는 델타 연결의 위상(B)에 대한 분기를 따라 다음 코일의 종료 단자에 연결된 하나의 코일의 개시 단자와 직렬 또는 병렬로 연결되고, (iii) 위상(C)의 코일(814-815)은 스타 연결 또는 델타 연결에 대한 위상(C)의 분기를 따라 다음 코일의 종료 단자에 연결된 하나의 코일의 개시 단자와 직렬 또는 병렬로 연결되고, (iv) 위상(D)의 코일(816-817)은 스타 연결 또는 델타 연결의 위상(D)의 분기를 따라 다음 코일의 종료 단자에 연결된 하나의 코일의 개시 단자와 직렬 또는 병렬로 연결되고, (v) 위상(E)의 코일(818-819)은 스타 연결 또는 델타 연결의 위상(E)의 분기를 따라 다음 코일의 종료 단자에 연결된 하나의 코일의 개시 단자와 직렬 또는 병렬로 연결된다. 이러한 전기적 연결에서는, (i) 코일(A1)을 흐르는 전류의 방향이 코일(A2)을 흐르는 전류의 방향과 동일하고, (ii) 코일(B1)을 흐르는 전류의 방향이 코일(B2)을 흐르는 전류의 방향과 동일하고, (iii) 코일(C1)을 흐르는 전류의 방향이 코일(C2)을 흐르는 전류의 방향과 동일하고, (iv) 코일(D1)을 흐르는 전류의 방향이 코일(D2)을 흐르는 전류의 방향과 동일하고, (v) 코일(E1)을 흐르는 전류의 방향이 코일(E2)을 흐르는 전류의 방향과 동일하다.
이러한 배열에서, 코일(A1-A2)은 이를 통해 흐르는 동일한 방향의 전류를 가지며, 여기서 코일(A1-A2)은 예를 들어 한 순간에 극(N)과 상호작용 한다. 유사하게, 각각의 다른 위상(B-E)에 대한 코일은 임의의 시점에서 회전자로부터의 동일한 극성의 자속과 상호 작용하며, 각 위상에 대한 코일은 상기 시점에서 동일한 방향으로 흐르는 전류를 갖는다. 코일(810-819)은 한 번에 여러 위상의 코일에 전류를 제공하는 모터 컨트롤러에 의해 구동된다. 따라서 각 위상의 코일은 회전자에 차례로 토크를 발생시켜, 회전자의 지속적인 회전을 유발한다.
표 1은 각각 단일 나선형 권선과 이중 나선형 권선 고정자를 가진 전기 모터가 장착된 2개의 혈액 펌프에 대한 대표적인 데이터를 나타낸 것이다. 구체적으로 설명하면, 단일 나선형 권선 고정자는 전술한 단일 권선 고정자(300)와 유사한 것이며, 도 2c에 도시한 바와 같이 나선형 권선 유형으로 구현된다. 이중 나선형 권선 고정자는 전술한 이중 나선 고정자(400)와 유사한 것이며, 도 2c에 도시된 바와 같이 나선형 권선 유형으로 구현된다. 나타낸 바와 같이, 이중 나선형 권선 고정자는 단일 나선 권선 고정자의 코일 저항에 비해 5.40 Ω/위상 의 증가된 코일 저항을 갖고 그리고 1.236 x 10-3 N
Figure pct00004
m/A 의 증가된 토크 정수를 갖는, 즉 단일 나선형 고정자의 것보다 40.5 % 증가한 전기 모터를 제공할 수 있다. 표 1의 결과는 본 발명의 실시예에 따른 이중 권선 고정자가 코일의 줄 열(joule heat)을 40% 감소시키는 반면에, 이러한 이중 권선 고정자를 사용하는 모터는 단일 권선 고정자를 사용하는 모터와 비교하여, 펌프를 구동하기 위해 동일한 토크를 생성한다. 주의해야 할 사항은 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 포함하는 상기 고정자를 사용하는 혈액 펌프는, 약 1.0 lpm 및 약 6.0 lpm의 유속으로 작동하도록 구성하는 것이다. 여기서 'lpm'은 분당 리터 수(liters per minute)를 나타낸다.
고정자 코일 유형 2층 나선형 구조 4층 나선형 구조
토크 정수(N
Figure pct00005
m/A)x10-3 		0.88 1.236
위상 당 코일 저항(Ω) 4.60 5.40
평균 전류(mA) 898 639
코일 열(W) 7.42 4.41
표 1 다양한 고정자 코일 구성에 따른 혈액 펌프의 성능.
앞서 언급했듯이, 단일 권선 고정자에서 이중 권선 고정자로의 자석 와이어의 수를 늘리면, 동일한 출력 토크에서 코일 줄 열이 감소하여, 모터의 전반적인 효율은 향상된다. 그러나, 권선의 권수를 증가시키는 종래의 구현예를 도 9a와 관련하여 설명할 것이다. 도 9a는 고정자(900) 내의 도체의 양이 2층 고정자로부터 증가되는 다층의 자석 와이어를 갖는 예시적인 고정자(900)를 도시한다. 고정자(900)는 위상(A, B, C)의 3상 전기 모터에 사용하기에 적합한 것이다. 전술한 고정자와 유사하게, 위상(A)은 코일 'A'을 포함하고, 위상(B)은 코일 'B'를 포함하고, 위상(C)은 코일 'C'를 포함한다. 도시된 바와 같이, 고정자의 각 코일의 도체의 양은 각 코일의 자석 와이어의 권선 수를 무작위적으로 단순하게 증가시킴으로써 늘어난다. 여기서 와이어는 정확성이나 규칙성 없이 감겨져 있다. 예를 들어, 도 9a에 도시된 바와 같이, 코일(A, B, C) 각각은 턴(1)에서 시작하여 턴(65)으로 끝나는 번호에 따라 자석 와이어의 턴을 무작위적으로 배치하여 형성된 것이다. 각 코일 내에 특정 수의 자석 와이어를 채울 목적으로 각 코일 내에 권선 턴들이 순서없이 무작위적으로 배치된다. 예를 들어, 권선 턴(1-4)은 이들이 각각의 코일을 형성하도록 배치되기 때문에, 서로 이격되어 간격을 두고 있다. 이것은 예를 들어, 코일이 형성될 때 형성되는 큰 갭(910)이 무작위적인 배치로 발생하기 때문에 공간 사용을 좋지 않게 하는 각 코일에 자석 와이어의 무작위적인 수집으로 이어지며, 이는 나중에 권선 시퀀스에서 감겨지는 권선 턴에 의해 점유될 수 있는 것이다. 각 코일 내의 공간의 이러한 비효율적인 사용으로 인해 고정자(900)가 두껍고 크기가 커지게 된다.
도 10a는 도 9a와 관련하여 설명된 권선 시퀀스를 사용하여 형성된 예시적인 무작위적으로 감긴 다층 고정자(900)를 도시한다. 고정자(900)를 형성하는 와이어의 무작위적인 배열은 도 10a에서 볼 수 있으며, 여기서 자석 와이어는 불규칙하고 과도하게 겹쳐져 있다. 이것은 도 10a에 도시된 고정자의 외부 표면의 자연적인 모습에서 볼 수 있는 바와 같이 고정자 외부 표면의 불규칙한 권선 패턴으로 이루어지게 한다.
과도하게 크게 무작위적으로 감겨진 다층 고정자(900)는 몇 가지 문제를 야기한다. 첫째, 고정자는 모터 고정자의 크기 제한을 충족시키기 위해 기계적으로 압착되어야 할 것이다. 기계적 압착은 고정자(900)의 두께를 감소시켜, 고정된 내경을 갖는 모터의 요크에 맞도록 고정자(900)의 두께를 감소시킬 수 있다. 이러한 기계적 압착은 다층 고정자(900)를 형성한 후에 필요한 추가적인 후처리 공정이다. 둘째, 기계적 압착은 고정자(900)의 각각의 코일 내에서 자석 와이어의 전기 절연에 대한 무결성을 위험하게 하다. 이것은 다층 고정자를 기계적으로 압착하기 위해 가해지는 힘으로 인해, 각 자석 와이어 주변의 절연체가 손상될 수 있기 때문이다. 자석 와이어의 절연이 손상되면, 작동 중에 코일 내부 및/또는 코일 사이에서 단락이 발생할 수 있다. 무작위적으로 감긴 다층 고정자(900)를 압착하지 않고, 자석의 크기 및/또는 요크의 두께가 감소되어야 하므로, 전기 모터를 통한 자속 밀도(B)가 감소해야 한다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따라 균일하게 감겨진 코일로 형성된 4개의 자석 와이어 층을 갖는 예시적인 고정자(950)를 도시한다. 4층 코일 고정자(950)는 도 4 및 도 5의 이중 권선 고정자(400)와 유사하다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 고정자는 내부 권선(960)과 외부 권선(965)을 포함한다. 또한, 각각의 내부 및 외부 권선은 도 4 및 도 5에 도시된 코일을 포함한다. 또한, 각각의 내부 및 외부 권선은 코일로 형성된 2층의 자석 와이어를 포함한다. 여기서, 도 9b에 도시된 바와 같이 각각의 코일(A1, A2, B1, B2, C1, C2)은 근위 단부 사이의 고정자의 단면을 중심으로 각 코일의 120도 스팬을 따라 정렬된 순서로 자석 와이어를 권선하여서 형성되고, 고정자의 자석 와이어는 원위 단부를 향해 길이방향으로 연장되고, 도 2e 내지 도 2h에 도시된 코일 권선 패턴 중 임의의 것을 사용하여, 다시 근위 단부로 복귀한다.
고정자의 근위 단부로부터 원위 단부까지의 내부 권선의 각 코일에 제1 권선 턴(예: '1'로 표시된 권선 턴)을 형성하기 위해 자석 와이어가 감겨지는 경우, 권선 턴(1)의 자석 와이어의 전방 부분은 제1 층에 형성되고, 자석 와이어가 감겨져서 원위 단부에서 근위 단부로 복귀하는 경우, 턴(1)의 자석 와이어의 복귀 부분('X'로 표시됨)은 제1 층에 인접하여 반경 방향 외측으로 제2 층에 형성된다. 여기서 인접은 "반경방향으로 바로 옆"(즉, 그 사이에 아무 것도 없음)에 있는 것을 의미한다. 따라서, 제1 턴은 고정자의 근위 단부로부터 고정자의 원위 단부(제1 층에 배열된 전방 와이어 부분)까지, 그리고 고정자의 원위 단부로부터 고정자의 근위 단부까지 권선된 연속한 구리 와이어로 형성된다(제2 층에 배열된 'X'로 표시된 리턴 와이어 부분). 이것은 도 9b의 단면도에 도시되어 있으며, 여기서 턴(1)의 전방 와이어 부분은 전방 와이어 부분으로부터 반경방향 외측으로 바로 배열된 대응하는 리턴 와이어 부분(X)을 갖는다. 이것은 도 9b의 단면도에 도시된 바와 같이 고정자(950)의 내부 권선(960) 및 외부 권선(965) 각각에 제1 층 및 제2 층을 갖는 코일을 형성한다. 자석 와이어의 이러한 배열은 도 9b의 고정자(950)의 단면도에서 볼 수 있고, 내부 권선(960)의 턴은 코일(A1, B1, C1) 각각에 대해 0°에서 120°까지 각 코일의 스팬을 따라 반시계 방향으로 턴(1)에서 턴(31)까지 순차적인 순서로 정확하게 배치된다. 각 턴의 순방향 와이어 부분이 제1 층에 배치되므로, 대응하는 리턴 와이어 부분은 순방향 와이어 부분으로부터 반경방향 외측으로 바로 제2 층에 자동적으로 배치된다. 따라서, 각 턴에 대해, 코일의 나머지 부분의 후속 턴이 형성되기 전에, 순방향 와이어 부분(제1 층에 있음)과 대응하는 리턴 와이어 부분(제2 층에 있음)이 형성된다. 각 코일의 각 턴은 이전에 형성된 턴에 바로 인접하여 형성된다. 즉, 각 턴은 사이에 아무 것도 없이, 이전 턴 바로 옆에 형성된다.
고정자(950)의 턴의 정확한 배열은 내부 권선(960)이 외부 권선(965)의 와이어가 배열되는 균일한 외부 표면을 형성하게 한다. 따라서, 내부 권선의 모든 코일(A1, B1, C1)이 모두 형성된 후, 외부 권선의 코일(A2, B2, C2)은 내부 권선이 형성되는 것과 유사한 방식으로 내부 권선의 균일한 외부 표면에 형성된다. 외부 권선의 코일 각각에 대해, 고정자의 근위 단부로부터 원위 단부까지의 제1 턴(예: '32'로 표시된 턴)이 형성되며, 여기서 제1 턴(32)의 자석 와이어의 전방 부분은 제3 층에 형성되고, 그리고 자석 와이어가 감겨져서 원위 단부에서 근위 단부로 복귀하는 경우, 제1 턴(32)의 자석 와이어의 복귀 부분('Y'로 표시됨)은 제3 층에 인접하여 반경방향 외측으로 제4 층에 형성된다. 따라서 외부 권선의 제1 턴(32)은 고정자의 근위 단부로부터 고정자의 원위 단부(제3 층에 배열된 전방 와이어 부분)까지, 그리고 고정자의 원위 단부로부터 고정자의 근위 단부까지 감겨진 연속적인 자석 와이어에 의해 형성된다(제4 층에 배열된 'Y'로 표시된 리턴 와이어 부분).
이 자석 와이어의 배열은 도 9b의 고정자(950)의 단면도에서 볼 수 있으며, 여기서, 외부 권선(965)의 턴은 코일(A2, B2, C2) 각각에 대한 각각의 코일의 120° 스팬을 따라 반시계 방향으로 순차적으로 턴(32) 내지 턴(65)의 순서로 정확하게 배치된다. 이러한 방식으로, 외부 권선의 턴(32)은 내부 권선의 턴(1)과 반경방향으로 정렬되고, 그리고 와이어 권선의 턴(65)은 내부 권선의 턴(31)과 반경방향으로 정렬된다. 내부 권선에 비해 외부 권선의 직경이 크기 때문에, 본 발명의 고정자는 내부 권선보다 권수가 많은 외부 권선을 갖는다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 도 9b의 이중 권선 고정자(950)에서, 외부 권선은 34 턴이고, 내부 권선은 31 턴이다. 이는 무작위로 감겨진 다층 권선 고정자(900) 내의 자석 와이어의 불규칙한 배열과 비교하여, 밀집 팩킹된 배열로 정렬된 자석 와이어를 포함하는 고정자(950)를 초래한다. 이중 권선 고정자(950)는 무작위로 감긴 다층 고정자(900)에 비해 보다 콤팩트하며, 따라서 더 얇은 두께를 갖는다.
고정자(950)를 형성하기 위한 예시적인 권선 시퀀스는 다음과 같은 순서를 가질 수 있다: (1) 코일(A1)에 대한 턴(1-31) 형성, (2) 코일(B1)에 대한 턴(1-31) 형성, (3) 코일(C1)에 대한 턴(1-31) 형성, (4) 코일(A1)의 외부 표면에 코일(A2)에 대한 턴(32-65) 형성, (5) 코일(B1)의 외부 표면에 코일(B2)에 대한 턴(32-65) 형성, (6) 코일(C1)의 외부 표면에 코일(C2)에 대한 턴(32-65) 형성. 전술한 바와 같이, 각각의 턴은 순방향 와이어 부분 및 상기 순방향 와이어 부분에 반경방향으로 인접하게 자동적으로 배열된 리턴 와이어 부분을 포함한다.
서보 모터는 각 고정자의 스팬을 따라 권선 턴의 정확한 순차적 배치를 보장하는 데 사용된다. 고정자(950)의 내부 권선 및 외부 권선에 있는 각 코일은 전기 모터(100)의 공급 라인(146-147)에 연결되는 도 4의 코일(A1)에 대한 리드 와이어(420-421)와 같은 1쌍의 리드 와이어를 갖는 다는 사실에 유념한다.
일부 구현예에서, 단일 권선 고정자와 비교하여 이중 권선 고정자의 코일 저항의 증가를 최소화하기 위해서, 단일 권선 고정자과 유사한 저항을 달성하기 위해 내부 및 외부 권선을 형성하는 코일에 더 두꺼운 와이어가 사용될 수 있다.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따라 도 9b와 관련하여 설명된 권선 시퀀스를 사용하여 형성된 예시적인 고정자를 도시한다. 도시된 바와 같이 도 10b의 고정자는 고정자의 길이를 따라 균일한 외경을 구할 수 있도록 정밀하게 배열된 와이어를 포함한다. 도 9b의 4층 코일 고정자를 사용하여 전기 모터를 조립하는 경우, 고정자의 기계적 압착을 최소화 해야 한다. 최소한의 기계적 압착이 필요하기 때문에, 코일(A1, A2, B1, B2, C1, C2)을 형성하는 와이어의 절연에 대한 손상 위험을 최소화하여 이중 권선 고정자(950)의 신뢰성이 증가하다.
또한, 도 9a의 무작위로 감긴 다층 고정자(900)와 관련하여, 기계적 압착은 고정자의 두께를 제한된 범위에서만 감소시킬 수 있다는 사실에 유념한다. 따라서, 기계적 압착 후, 무작위로 감겨진 다층 고정자(900)는 이중 권선 고정자(950)와 비교하여 전기 모터에 사용되는 요크에 대해 여전히 너무 두꺼울 수 있다. 이 문제를 줄이기 위해 일부 실시예에서는 이중 권선 고정자(950)와 비교하여, 무작위로 감긴 다층 고정자(900)에, 예를 들어 그를 통해서 Impella®가 이동하는 14 Fr 카테터와 같은 모터를 작동하는 다른 구성요소와 통합하기 위해 모터의 외경을 유지하기 위해서, 더 얇은 요크가 사용된다. 더욱이, 더 작은 자석을 갖는 회전자는 이중 권선 고정자(950)와 비교하여 무작위로 감긴 다층 고정자(900)가 사용할 필요가 있다.
더 얇은 요크 및/또는 더 작은 자석은 이중 권선 고정자(950)를 갖는 전기 모터와 비교하여, 무작위로 감긴 다층 고정자(900)를 갖는 전기 모터 내의 자속 밀도(B)를 감소시킨다. 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 무작위로 감겨진 다층 고정자(900) 및 이중 권선 고정자(950)는 모두 동일한 권선 권수를 갖는다. 이는 식(1)에 따라 2개의 고정자(900, 950)가 모터 토크(T)에 대해 동일한 L 기여도를 갖는다는 것을 의미한다. 동일한 길이의 전류 전달 와이어(L)를 사용하지만 자속 밀도(B)가 낮으면, 이중 권선 고정자(950)를 갖는 전기 모터와 비교하여 무작위로 감겨진 다층 고정자(900)를 갖는 전기 모터에서는 모터 토크가 더 낮아지고, 모터 효율이 더 낮아지게 된다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른, 전술한 설명에서 설명된 고정자(400)와 같은 이중 권선 고정자를 형성하는 예시적인 방법(1100)을 도시한다. 방법(1100)은 p개의 자극 쌍 및 n개의 위상을 갖는 무슬롯 영구자석 모터에 사용하기 위한 이중 권선 고정자의 형성에 적합한 것이며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고, n은 ≥ 3 의 정수이다. 방법(1100)은 np 코일을 포함하는 내부 권선(예를 들어, 도 9b의 내부 권선(960) 등)이 형성되는 단계(1110)에서 시작한다. 내부 권선에서, 각 위상의 하나의 코일은 자극 쌍 당 위상의 순차적인 순서로 다른 위상의 코일 옆에 배열되며, 상기 배열은, 내부 권선의 각 코일이 이중 권선 고정자의 단면에 대해 360/(np) 의 기계적 각도에 걸쳐 있도록 모든 극 쌍에 대해 고정자의 원주 둘레에 대해 반복된다. 일부 구현예에서, 각각의 권선은 고정자의 길이를 따라 길이방향으로 각각 연장하는 2층의 와이어를 포함하고, 여기서 각 권선의 와이어는 각 권선의 스팬을 따라 순차적인 순서로 서로 이웃하여 인접하게 배열된다. 완성되었으면, 내부 권선에는 외부 표면이 있다.
내부 권선이 완성된 후, 방법은 예를 들어 도 9b의 외부 권선(965)과 같이 외부 권선을 감는 단계(1120)로 진행한다. 내부 권선과 마찬가지로, 외부 권선도 내부 권선의 외부 표면에 배열된 np개의 코일을 포함하며, 외부 권선의 각 위상으로부터의 코일이 극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선의 코일과 원주 방향으로 정렬되어서, 외부 권선의 각 코일이 또한 이중 권선 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있다. 내부 권선에서와 같이, 일부 구현예에서 각각의 권선은 각각이 고정자의 길이를 따라 길이방향으로 연장된 2층 와이어를 포함하며, 여기서 각 권선의 와이어는 각 코일의 스팬을 따라 순차적인 순서로 서로 바로 옆에 인접하여 배열된다. 전술한 바와 같은 배열에서, 이중 권선 고정자(950)의 내부 및 외부 권선은 동일한 각도 경계를 공유한다.
내부 및 외부 권선이 완성되었으면, 단계(1130)에서, 동일한 위상의 코일을 통해 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 극 쌍 당 동일한 위상의 코일이 전기적으로 연결한다.
요약하면, 본 발명의 이중 권선 고정자(예: 고정자(400))는, 회전자 자석의 크기, 요크(Yoke)의 두께 및 각각의 고정자의 권선 권수 간의 절충 교환으로, 단일 권선 고정자(예: 고정자(300))와 비교했을 때, 모터의 효율을 향상시킨 것이다. 모터 효율의 이러한 향상은 동등한 고정자 저항을 달성하면서 약 20% 내지 약 50% 범위에서 모터 토크 상수를 증가시킴으로써 달성된다. 본 개시의 특정 실시예에서, 모터 토크 상수는 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40% 또는 약 45% 증가될 수 있다. 또한, 본 발명의 이중 권선 고정자(예: 고정자(950))는, 이중 권선 고정자에 와이어가 콤팩트하게 배치되어 후 처리공정이 최소한의 기계적 압착만을 필요로 하기 때문에, 무작위로 감긴 다층 고정자(예: 고정자(900))와 비교하여 모터의 신뢰성을 향상시킨다. 최소한의 기계적 압착이 필요하기 때문에, 과도한 기계적 압착이 필요한 무작위로 감긴 다층 고정자와 달리, 이중 권선 고정자에는 결과적인 와이어 절연 손상은 없다
전술한 내용으로부터 그리고 다양한 도면을 참조하여, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명에 대한 특정한 변경을 할 수도 있다는 것을 또한 이해할 수 있을 것이다. 본원에 기재된 장치는 혈액 펌프용 전기 모터의 이중 권선 고정자와 관련하여 도시되어 있지만, 증가된 토크 및 높은 모터 효율을 갖는 전기 모터를 필요로 하는 다른 시스템에 적용될 수 있는 것임을 이해해야 하다. 본 발명의 여러 실시예가 도면에 도시되었지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 당업계가 허용하는 한 넓은 범위이며, 명세서도 이와 같은 의도를 갖고 기재한 것이므로, 상술한 설명은 제한적으로 해석되어서는 안 되고, 단지 특정 실시예를 예시하는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 본 명세서에 첨부된 청구범위의 범위 및 정신 내에서 다른 변형을 고려해 볼 수 있을 것이다.
상기 개시내용에서, 용어 '약'은 명시된 값의 ± 20% 를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, '전기 모터' 용어는 관련 기술분야에서 널리 알려진 바와 같이 '전기 머신' 용어와 동의어로 간주되어야 한다. 또한 '인접'이라는 용어는 중간에 아무 것도 없이 바로 옆에 있는 것을 의미하는 표현으로 이해 한다. 예를 들어, 객체/특징부(P)가 객체/특징부(Q)와 인접해 있다는 것은, P와 Q 사이에는 중간 객체가 없을 때 이다. 달리 명시되지 않는 한 모든 측정 각도(단위 °포함)는 기계적 각도로 취해져야 한다. 전술한 실시예에서, 고정자의 권선에 사용되는 와이어는 예를 들어 구리와 같은 임의의 재료를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서 와이어는 절연될 수 있다.
본 개시내용을 검토한 후 관련 기술분야의 기술자에 의해 변형 및 수정이 일어날 수 있을 것이다. 개시된 특징들은 본 명세서에 설명된 하나 이상의 다른 특징과 함께 임의의 조합 및 하위 조합(복수의 종속 조합 및 하위 조합 포함)으로 구현될 수 있는 것이다. 임의의 구성요소를 포함하여 위에서 설명되거나 예시된 다양한 특징은 다른 시스템에 결합되거나 통합될 수 있다. 또한 일부 특징부는 생략되거나 구현되지 않을 수 있다.
변경, 대체 및 대안의 예들은 관련 기술분야의 기술자에 의해 확인 가능하며, 여기에 개시된 정보의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있을 것이다. 여기에 인용된 모든 참고 문헌은 그 전체가 참고로 포함된 것이며, 본 출원의 일부가 된다.

Claims (28)

  1. 환자의 심장에 삽입하기 위한 혈관내 혈액 펌프로서, 상기 펌프는:
    카테터에 연결된 근위 단부와 펌프에 결합된 원위 단부를 구비하고, 종축을 갖는 기다란 하우징; 및
    하우징 내에 내장되고, p개의 자극 쌍 및 n개의 위상을 가지며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고 그리고 n은 ≥ 3의 정수인, 무슬롯 영구자석 모터를 포함하며; 상기 모터는:
    하우징의 종축을 따라 연장되고, 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하도록 감겨진 2np 코일을 갖는 고정자를 구비하고; 상기 고정자는:
    각 위상의 하나의 코일이 다른 위상의 코일 옆에 극 쌍 당 위상의 순차적인 순서로 배열되는, np 코일을 구비하는 내부 권선 - 상기 배열은 내부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 모든 극 쌍에 대해 고정자의 원주둘레에 대해 반복되고, 내부 권선은 외부 표면을 가짐 -; 및
    내부 권선의 외부 표면에 배열된 np 코일을 구비하는 외부 권선 - 상기 외부 권선의 각 위상의 코일은 외부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선의 코일과 원주 방향으로 정렬되어 있음 -; 을 포함하며;
    극 쌍 당 동일한 위상의 코일은, 코일에 흐르는 전류가 동일한 방향이 되도록 전기적으로 연결되고; 그리고 부가로:
    고정자와 자기적으로 상호 작용할 때 회전을 위해 지원된 자석을 포함하는, 혈관내 혈액 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 내부 권선의 각 코일 및 외부 권선의 각 코일은 2층의 자석 와이어를 포함하며, 그 각각은 고정자의 길이를 따라 길이방향으로 연장되는, 혈관내 혈액 펌프.
  3. 제2항에 있어서, 각 코일의 자석 와이어는 상기 코일의 스팬을 따라 순차적인 순서로 서로 이웃하여 옆에 배열되는, 혈관내 혈액 펌프.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코일의 내부 권선은 코일의 외부 권선이 그 위에 중첩되는 균일한 표면을 형성하는, 혈관내 혈액 펌프.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 위상의 코일은 스타 또는 델타 구성으로 다른 위상의 코일에 전기적으로 연결되는, 혈관내 혈액 펌프.
  6. 제5항에 있어서, 각 위상의 코일은 직렬 또는 병렬로 연결되는, 혈관내 혈액 펌프.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 2np 코일의 각 코일은 나선형 권선 패턴, 마름모형 권선 패턴 및 하이브리드 권선 패턴으로 구성된 그룹에서 선택되는 코일 권선 패턴을 갖는, 혈관내 혈액 펌프.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터는 3상 1극 쌍 머신을 포함하는, 혈관내 혈액 펌프.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 모터는 6-코일 2-극 머신을 포함하며, 각각의 코일은 고정자의 단면에 대해 120 기계적 각도에 걸쳐 있는, 혈관내 혈액 펌프.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자는 약 1 lpm 내지 약 6 lpm의 속도로 혈액을 펌핑하는, 혈관내 혈액 펌프.
  11. p개의 자극 쌍 및 n개의 위상을 가지며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고 그리고 n은 ≥ 3의 정수인, 무슬롯 영구자석 전기 모터로서, 종축을 가진 상기 전기 모터는:
    하우징의 종축을 따라 연장되고, 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하도록 감겨진 2np 코일을 갖는 고정자를 포함하고; 상기 고정자는:
    각 위상의 하나의 코일이 다른 위상의 코일 옆에 극 쌍 당 위상의 순차적인 순서로 배열되는, np 코일을 구비하는 내부 권선 - 상기 배열은 내부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 모든 극 쌍에 대해 고정자의 원주둘레에 대해 반복되고, 내부 권선은 외부 표면을 가짐 -; 및
    내부 권선의 외부 표면에 배열된 np 코일을 구비하는 외부 권선 - 상기 외부 권선의 각 위상의 코일은 외부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선의 코일과 원주 방향으로 정렬되어 있음 -; 을 포함하며;
    극 쌍 당 동일한 위상의 코일은, 코일에 흐르는 전류가 동일한 방향이 되도록 전기적으로 연결되고; 그리고 부가로:
    고정자와 자기적으로 상호 작용할 때 회전을 위해 지원된 자석을 포함하는, 전기 모터.
  12. 제11항에 있어서, 내부 권선의 각 코일 및 외부 권선의 각 코일은, 각각이 고정자의 길이를 따라 길이방향으로 연장되는 2층의 자석 와이어를 포함하는, 전기 모터.
  13. 제11항 또는 제12항 있어서, 각 코일의 자석 와이어는 코일의 스팬을 따라 순차적인 순서로 서로 이웃하여 옆에 배열되는, 전기 모터.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 코일의 내부 권선은 코일의 외부 권선이 그 위에 중첩되는 균일한 기초부를 형성하는, 전기 모터.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 위상의 코일은 스타 또는 델타 구성으로 다른 위상의 코일에 전기적으로 연결되는, 전기 모터.
  16. 제15항에 있어서, 위상 당 2개의 코일이 직렬 또는 병렬로 연결되는, 전기 모터.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 2np 코일의 각각의 코일은 나선형 권선 패턴, 마름모형 권선 패턴 및 하이브리드 권선 패턴으로 구성된 그룹에서 선택되는 코일 권선 패턴을 갖는, 전기 모터.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 모터는 3상 2극 머신을 포함하는, 전기 모터.
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 모터는 6-코일 2극 머신을 포함하고, 각각의 코일은 고정자의 단면에 대해 120 기계적 각도에 걸쳐 있는, 전기 모터.
  20. 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자는 약 1 lpm 내지 약 6 lpm의 속도로 혈액을 펌핑하는, 전기 모터.
  21. 모터가 p개의 자극 쌍 및 n개의 위상을 가지며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고 그리고 n은 ≥ 3 의 정수이고; 고정자가 길이방향으로 연장되고, 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하도록 감겨진 2np 코일을 갖는; 무슬롯 영구자석 모터에 사용하기 위한 고정자를 형성하는 방법으로, 상기 방법은:
    각 위상의 하나의 코일이 다른 위상의 코일 옆에 극 쌍 당 위상의 순차적인 순서로 배열되는, np 코일을 구비하는 내부 권선을 형성하는 단계 - 상기 배열은 내부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 모든 극 쌍에 대해 고정자의 원주둘레에 대해 반복되고, 내부 권선은 외부 표면을 가짐 -;
    내부 권선의 외부 표면에 배열된 np 코일을 구비하는 외부 권선을 형성하는 단계 - 상기 외부 권선의 각 위상의 코일은 외부 권선의 각 코일이 고정자의 단면에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 극 쌍 당 동일한 위상을 갖는 내부 권선의 코일과 원주 방향으로 정렬되어 있음 -; 및
    극 쌍 당 동일한 위상의 코일을, 코일에 흐르는 전류가 동일한 방향이 되도록 전기적으로 연결하는 단계; 를 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 각각의 코일이 고정자의 길이를 따라 길이방향으로 연장되는 2층의 자석 와이어를 구비하도록, 내부 권선 및 외부 권선 상에 코일을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서, 각 코일의 자석 와이어는 코일의 스팬을 따라 순차적인 순서로 바로 옆에 배열되는, 방법.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 스타 또는 델타 구성에서 위상의 코일을 다른 위상의 코일에 연결하는, 방법.
  25. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 각 위상의 코일을 직렬 또는 병렬로 연결하는, 방법.
  26. 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 나선형 권선 패턴, 마름모형 권선 패턴 및 하이브리드 권선 패턴으로 구성된 그룹에서 선택된 코일 권선 패턴을 사용하여 각각의 2np 코일을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 고정자는 3상 및 1극 쌍을 갖는 모터에 사용하기에 적합한 것인, 방법.
  28. 제21항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 고정자는 6-코일 1극 쌍 모터에 사용하기에 적합하고, 각각의 코일은 고정자의 단면에 대해 120 기계적 각도에 걸쳐 있게 하는, 방법.
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