(57)【要約】【課題】  制御性に優れ、より一層の小型化及び軽量化が図れる磁気浮上型モータを提供する。【解決手段】  ロータ１は、回転軸方向の両端に配置された各４つの電磁石からなる磁気軸受２，３によって、回転軸方向及び径方向に磁気力によって非接触で支承される。これら磁気軸受２，３間にロータ１の回転軸方向の中央部を取り囲むように、ロータ１に回転駆動力を付与するステータ４が配置される。磁気軸受２，３とステータ４との間には、磁気軸受にバイアス磁束を供給する永久磁石５，６が挿入されている。ステータ４によって回転駆動力を付与されるロータ１の中央部１６ｃの径は、磁気軸受２，３に支承されるロータ１の両端部１６ａ，１６ｂの径よりも小さく設定されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、
このロータの回転軸方向の両端に配置されて前記ロータを回転軸方向及び径方向に磁気力によって非接触で支承する電磁石からなる磁気軸受と、
これら磁気軸受間に前記ロータの回転軸方向の中央部を取り囲むように配置されて前記ロータに回転駆動力を付与するステータと、
前記磁気軸受と前記ステータとの間に挿入されて前記磁気軸受にバイアス磁束を供給する永久磁石と
を有する磁気浮上型モータにおいて、
前記ステータによって回転駆動力を付与される前記ロータの中央部の径が前記磁気軸受に支承される前記ロータの両端部の径よりも小さく設定されている
ことを特徴とする磁気浮上型モータ。
【請求項２】
ロータと、
このロータの回転軸方向の両端に配置されて前記ロータを回転軸方向及び径方向に磁気力によって非接触で支承する電磁石からなる磁気軸受と、
これら磁気軸受間に前記ロータの回転軸方向の中央部を取り囲むように配置されて前記ロータに回転駆動力を付与するステータと、
前記磁気軸受と前記ステータとの間に挿入されて前記磁気軸受にバイアス磁束を供給する永久磁石と
を有する磁気浮上型モータにおいて、
前記ステータと前記ロータとの磁気吸引力は、前記磁気軸受と前記ロータとの磁気吸引力よりも小さく設定されている
ことを特徴とする磁気浮上型モータ。
【請求項３】
前記ステータは、前記磁気軸受のバイアス磁束の磁路を形成していることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気浮上型モータ。
【請求項４】
前記磁気軸受は、
一端が前記ロータの回転軸方向両端部に向けて回転軸方向に突設されて前記ロータに対して所定のギャップを介して対向するアキシャル突極を形成すると共に、他端が前記ロータに向けて径方向に突設されて前記ロータに対して所定のギャップを介して対向するラジアル突極を形成する電磁石コアと、
この電磁石コアに巻回された電磁石コイルと
を有するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気浮上型モータ。
【請求項５】
前記ロータは、回転軸方向の中央部に径方向に着磁されたロータ用永久磁石を含み、
前記ステータは、
前記ロータに向かって突出する複数のモータ突極を内周に突設した環状のステータコアと、
前記モータ突極にそれぞれ巻回されたモータコイルとを含む
ものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気浮上型モータ。
【請求項６】
中央部の径が両端部の径よりも小さく設定され前記中央部の外周面にインペラが形成されたロータと、
このロータを内部に非接触で回転可能に収容すると共に一方の端部に移送流体の導入口、他方の端部に前記移送流体の排出口が形成された円筒状のケーシングと、
前記ロータの回転軸方向の両端に配置されて前記ロータを回転軸方向及び径方向に磁気力によって非接触で支承する電磁石からなる磁気軸受と、
これら磁気軸受間に前記ロータの回転軸方向の中央部を取り囲むように配置されて前記ロータに回転駆動力を付与するステータと、
前記磁気軸受と前記ステータとの間に挿入されて前記磁気軸受にバイアス磁束を供給する永久磁石と
を備えたことを特徴とするターボポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気力によってロータを非接触状態で支持しつつ回転させる磁気浮上型モータに関し、特に小型化に適した磁気浮上型モータ及びそれを用いたターボポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気浮上型モータは、ロータを磁気軸受で非接触に支承した状態で回転駆動するため、軸受部での摩耗がないという利点を有する。しかし、磁気軸受に電磁石を使用する磁気浮上型モータでは、ロータを浮上させるために大きな電流を必要とする。また、少ない電流で磁気力を大きくするためには、ロータとステータとの間のギャップが小さいことが要求され、高い工作精度が必要になる。
【０００３】
これらの問題を解決する有力な方法として、永久磁石から生じる磁束を磁気軸受のバイアス磁束として利用したハイブリッド型の磁気浮上型モータが使用されるようになってきた（特許文献１）。このハイブリッド型の磁気浮上型モータとして最も普及しているものは、ロータの回転軸方向に隔てて配置された２つのラジアル磁気軸受の間に軸方向に着磁された永久磁石を挟み、一方のラジアル軸受をＮ極に、他方のラジアル軸受をＳ極にバイアス磁化し、このバイアス磁束を励磁コイルによってラジアル方向の一方では強め、他方では弱めることによってラジアル吸引力を制御するようにしたものである。
【０００４】
また、本発明者等は、このような磁気浮上型モータを応用した人工心臓などに用いられる小型の軸流ポンプを提案している（非特許文献１）。この軸流ポンプでは、２つの磁気軸受をロータの軸方向両端に配置する。各磁気軸受は、それぞれ４つの電磁石により構成され、両端の各４つの電磁石で、ロータの径方向、軸方向及び傾き方向の位置を制御する。これら磁気軸受間には、ロータの軸方向中央部を取り囲むようにモータ用のステータが配置され、このステータからの回転磁界によってロータを回転駆動する。
【特許文献１】特開２００３−０２１１４０公報（段落００５３〜００５６、図６）
【非特許文献１】「軸流ポンプ用磁気浮上システムの開発」（児島他、平成１５年５月１６日、生活支援工学系学会連合大会、p29）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の磁気浮上型モータでは、ロータが中心からずれたとき、ロータの回転用永久磁石によって磁気浮上を破綻させる方向に吸引力が働く。このため、ロータを磁気軸受の間に配置するタイプの磁気浮上モータでは、ロータの位置制御が難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、制御性に優れ、より一層の小型化及び軽量化を図ることができる磁気浮上型モータ及びターボポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る第１の磁気浮上型モータは、ロータと、このロータの回転軸方向の両端に配置されて前記ロータを回転軸方向及び径方向に磁気力によって非接触で支承する電磁石からなる磁気軸受と、これら磁気軸受間に前記ロータの回転軸方向の中央部を取り囲むように配置されて前記ロータに回転駆動力を付与するステータと、前記磁気軸受と前記ステータとの間に挿入されて前記磁気軸受にバイアス磁束を供給する永久磁石とを有する磁気浮上型モータにおいて、前記ステータによって回転駆動力を付与される前記ロータの中央部の径が前記磁気軸受に支承される前記ロータの両端部の径よりも小さく設定されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る第２の磁気浮上型モータは、ロータと、このロータの回転軸方向の両端に配置されて前記ロータを回転軸方向及び径磨き方向に磁気力によって非接触で支承する電磁石からなる磁気軸受と、これら磁気軸受間に前記ロータの回転軸方向の中央部を取り囲むように配置されて前記ロータに回転駆動力を付与するステータと、前記磁気軸受と前記ステータとの間に挿入されて前記磁気軸受にバイアス磁束を供給する永久磁石とを有する磁気浮上型モータにおいて、前記ステータと前記ロータとの磁気吸引力が、前記磁気軸受と前記ロータとの磁気吸引力よりも小さく設定されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るターボポンプは、中央部の径が両端部の径よりも小さく設定され前記中央部の外周面にインペラが形成されたロータと、このロータを内部に非接触で回転可能に収容すると共に一方の端部に移送流体の導入口、他方の端部に前記移送流体の排出口が形成された円筒状のケーシングと、前記ロータの回転軸方向の両端に配置されて前記ロータを回転軸方向及び径方向に磁気力によって非接触で支承する電磁石からなる磁気軸受と、これら磁気軸受間に前記ロータの回転軸方向の中央部を取り囲むように配置されて前記ロータに回転駆動力を付与するステータと、前記磁気軸受と前記ステータとの間に挿入されて前記磁気軸受にバイアス磁束を供給する永久磁石とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ステータとロータとの磁気吸引力が、磁気軸受とロータとの磁気吸引力よりも小さくなるように設定されているので、ロータがずれたときでも磁気軸受によるロータの位置制御に影響を及ぼすことは殆どなく、制御性が良好で、より一層の小型化及び軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気浮上型モータの一部を切り欠いた斜視図、図２は回転軸に沿って切断した断面図、図３は図２におけるＡ−Ａ′断面図である。
【００１３】
この磁気浮上型モータは、円筒状のロータ１と、このロータ１の回転軸方向（Ｚ軸方向）の両端を非接触で支承する磁気軸受２，３と、これら磁気軸受２，３の間の位置に配置されてロータ１の回転軸方向の中央部に回転駆動力を付与する環状のステータ４と、磁気軸受２，３とステータ４の間の周方向４箇所にそれぞれ配置されてバイアス磁束を供給するバイアス用永久磁石５，６と、ロータ１の一端側でロータ１の回転軸方向（Ｚ軸方向）及び径方向（Ｘ，Ｙ軸方向）の変位をそれぞれ検出する渦電流センサ等のギャップセンサ７，８，９及びロータ１の他端側でロータ１の径方向（Ｘ，Ｙ軸方向）の変位を検出する渦電流センサ等のギャップセンサ１０，１１と、磁気軸受２，３及びステータ４の外周をそれぞれ覆うケース１２，１３，１４とを備えて構成されている。
【００１４】
ロータ１は、例えば磁性ステンレス等の強磁性体からなり、両端部を磁気軸受２，３に支承される大径部１６ａ、１６ｂ、ステータ４と対向する軸方向中央部を両端部よりも小径の小径部１６ｃとしたロータ本体１６と、このロータ本体１６の小径部１６ｃに外装された４つのロータ用永久磁石１７とを備えて構成されている。永久磁石１７は、円筒体を周方向に４分割した外形を有し、厚み方向に着時され、Ｓ極とＮ極とが周方向に交互に並ぶようにロータ１に装着されている。
【００１５】
磁気軸受２，３は、例えば磁性ステンレス等の強磁性体からなる電磁石コア２１，３１と、これら電磁石コア２１，３１に巻回された４つの電磁石コイル２２，３２とを備えて構成されている。電磁石コア２１，３１は、ロータ１の回転軸方向に延び、一端がロータ１の回転軸方向（Ｚ軸方向）両端部と所定のギャップを介して対向する円筒状のアキシャル突極２１ａ，３１ａと、このアキシャル突極２１ａ，３１ａの基端側の周方向の４箇所から径方向に放射状に延びる４つの第１継鉄２１ｂ，３１ｂと、これら第１継鉄２１ｂ，３１ｂの各先端から軸方向にそれぞれバイアス用永久磁石５，６まで延びる４つの第２継鉄２１ｃ，３１ｃと、これら第２継鉄２１ｃ，３１ｃの各先端からロータ１の大径部１６ａ，１６ｂに向けて径方向に突設されてロータ１に対して所定のギャップを介して対向する４つのラジアル突極２１ｄ，３１ｄとを備えて形成されている。電磁石コイル２２，３２は、電磁石コア２１，３１の４つの第２継鉄２１ｃ，３１ｃにそれぞれ巻回されている。また、アキシャル突極２１ａ，３１ａには、中心孔が形成されており、少なくとも一方のアキシャル突極２１ａの中心孔に、ロータ１の回転軸方向（Ｚ軸方向）の変位を検出するギャップセンサ７が装着されている。
【００１６】
ステータ４は、図３にも示すように、例えば３相駆動される６突極型のステータで、渦電流の発生を防ぐため積層珪素鋼板等の強磁性体の積層体からなる環状のステータコア４１と、このステータコア４１に巻回された６つのステータコイル４２とを備えて構成されている。ステータコア４１は、極毎に６つに分割されるもので、環状継鉄４１ａと、この環状継鉄４１ａの６０°毎に内周から径方向に延び、先端がロータ１の周面に沿って拡幅する６つの突極４１ｂとを有する。
【００１７】
図４は、この磁気浮上型モータの磁気軸受制御回路を示す回路図である。
【００１８】
ロータ１の回転軸方向の変位を検出するギャップセンサ７の出力は、アキシャル方向コントローラ５１に入力され、ギャップセンサ８，９の出力は、第１のラジアル方向コントローラ５２に入力され、ギャップセンサ１０，１１の出力は、第２のラジアル方向コントローラ５３に入力される。アキシャル方向コントローラ５１は、ロータ１の回転軸方向の変位を検出するギャップセンサ７の出力に基づいて、軸方向の目標ギャップとの差分を修正するためのＰＩＤ制御信号を出力する。第１のラジアル方向コントローラ５２は、ロータ１の大径部１６ａ側の径方向のギャップを検出するギャップセンサ８，９の出力に基づいて、大径部１６ａ側の径方向の目標ギャップとの差分を修正するためのＰＩＤ制御信号を出力する。更に、第２のラジアル方向コントローラ５３は、ロータ１の大径部１６ｂ側の径方向のギャップを検出するギャップセンサ８，９の出力に基づいて、大径部１６ｂ側の径方向の目標ギャップとの差分を修正するためのＰＩＤ制御信号を出力する。これらコントローラ５１，５２，５３から出力されるＰＩＤ制御信号は、加算器５４ａ〜５４ｄ，５５ａ〜５５ｄで適宜加減算され、アンプ５６ａ〜５６ｄ，５７ａ〜５７ｄを介して電磁石コイル２２ａ〜２２ｄ，３２ａ〜３２ｄを駆動する。
【００１９】
次に、このように構成された本実施形態に係る磁気浮上型モータの動作について説明する。
【００２０】
図５は、本モータの磁気回路に形成される磁束とその向きを示している。図中点線矢印は、バイアス用永久磁石５，６によって生成されるバイアス磁束Ｂを、また実線矢印は電磁石コイル２２，３２で生成される制御磁束Ｃ１，Ｃ２を示している。バイアス磁束Ｂは、永久磁石５，６のＮ極側からＳ極側に至るように形成され、ロータ１の内部では、磁気軸受３側から磁気軸受２側へと流れ、第２継鉄２１ｃ，３１ｃ及びステータ４で形成される外周側では、磁気軸受２側から磁気軸受３側へと流れている。途中、ラジアル突極２１ｄ，３１ｄを経由するバイパス路も存在する。バイアス磁束Ｂが形成されている結果、電磁石コイル２２，３２は、ロータ１の位置補正分の磁束のみを供給すれば良く、消費電力の削減を図ることかできる。
【００２１】
いま、ロータ１とアキシャル突極２１ａの間の軸方向のギャップが増大したとすると、コントローラ５１は、図５に示すように、磁気軸受２側の軸方向磁束を強め、磁気軸受３側の軸方向磁束を弱めるように、制御磁束Ｃ１，Ｃ２をコントロールする。制御磁束Ｃ１，Ｃ２は、ラジアル方向に関しては均等に作用するので、結局、ロータ１は、全体的に軸方向に沿って磁気軸受２のアキシャル突極２１ａ側に移動し、ロータ１を正規の軸方向位置に復帰させることが可能になる。
【００２２】
また、ロータ１がラジアル方向に変位した場合には、第１及び第２のラジアル方向コントローラ５２，５３が、ギャップセンサ８〜１１の出力に基づき、磁気軸受２，３内で、ラジアル方向の一方の制御磁束Ｃ１，Ｃ２を径方向に関して強め、ラジアル方向の他方の制御磁束Ｃ１，Ｃ２を径方向に関して弱めるように、電磁石コイル２２，３２を制御する。これにより、ロータ１は、磁束が強められた方のラジアル方向に移動し、ロータ１を正規のラジアル方向位置に復帰させることができる。
【００２３】
ロータ１が中心軸に対して傾いた場合には、磁気軸受２，３で、ラジアル方向の異なる向きにロータ１を移動させれば、ロータ１をいずれかの方向に傾かせることもでき、ロータ１の傾き補正も可能になる。
【００２４】
このように磁気軸受２，３によって非接触支持されたロータ１は、ステータ４から供給される３相交流回転磁界にロータ１側のモータ用永久磁石１７が追従して回転する同期モータを構成する。ロータ１が回転中にラジアル方向にずれると、ロータ１の小径部１６ｃに装着されているモータ用永久磁石１７とステータ４との間の磁気吸引力が増加する。このため、磁気軸受２，３におけるロータ１の姿勢制御に影響を及ぼすことになる。
【００２５】
そこで、本実施形態においては、磁気軸受２，３に非接触支持されるロータ１の両端部を大径部１６ａ，１６ｂとし、回転磁界が与えられるロータ１の中央部を小径部１６ｃとすることにより、ラジアル突極２１ｄ，３１ｄと大径部１６ａ，１６ｂとの間のギャップを、ロータ１のモータ用永久磁石１７とステータ４の突極４１ｂとの間のギャップよりも小さくしている。
【００２６】
図６は、実験機Ｉ，ＩＩについて、ロータ１のラジアル方向のずれに対する磁気軸受及びモータでの磁気吸引力の変化を示すグラフでする。
【００２７】
実験機Ｉ，ＩＩ共に、磁気軸受２，３のラジアル突極２１ｄ，３１ｄの径をφ２２ｍｍ、ステータ４の突極４１ｂの径をφ２２ｍｍに設定した。
【００２８】
実験機Ｉのロータは、大径部１６ａ，１６ｂの径をφ２０ｍｍ、永久磁石１７の表面の径をφ１５ｍｍとした。
【００２９】
また、実験機ＩＩのロータ（１）は、大径部１６ａ，１６ｂの径をφ２０ｍｍ、永久磁石１７の表面の径をφ１４ｍｍとした。
【００３０】
また、実験機ＩＩのロータ（２）は、大径部１６ａ，１６ｂの径をφ２０ｍｍ、永久磁石１７の表面の径をφ１３ｍｍとした。
【００３１】
図６からも明らかなように、実験機Ｉ，ＩＩは、いずれもロータ１の径方向の変位が０．５ｍｍに達しても、磁気軸受２，３とロータ１との間のラジアル方向の磁気吸引力（図中点線）が、ステータ４とロータ１との間のラジアル方向の磁気吸引力（図中実線）を上回ることから、モータによる磁気吸引力にあまり影響されることなくロータの磁気浮上制御を行うことができた。
【００３２】
図７は、本発明の他の実施形態に係る磁気浮上型モータを示す断面図である。
【００３３】
先の実施形態では、磁気軸受２，３の第２継鉄２１ｃ，３１ｃの外径とステータ４の外径がほぼ一致していたが、この実施形態では、磁気軸受２，３の第２継鉄２１ｃ，３１ｃの外径よりも、ステータ６１の外径を大きくしている。このため、第２継鉄２１ｃ，３１ｃとステータ６１との間に挿入されるバイアス用永久磁石６２の幅も大きくなっている。
【００３４】
この実施形態によれば、ステータ６１の径を大きくした分だけステータコイル６３の巻き数を増やすことができるので、発生トルクの上昇を図ることができる。
【００３５】
図８は、本発明を適用したターボポンプの一例として軸流ポンプの実施形態を示す断面図である。
【００３６】
ロータ７１には、両端の大径部７１ａ，７１ｂに周方向の複数箇所に軸方向に貫通する複数の孔７１ｃ，７１ｄが形成され、真ん中の小径部７１ｅのロータ用永久磁石７２の上にインペラ７３が形成されている。このロータ７１は、非磁性体の円筒状のケーシング７４の内部に収容されている。ケーシング７４の磁気軸受２側には、４つの空きスペースを利用して４つのインレット７５が接続されている。また、ケーシング７４の磁気軸受３側にも、４つの空きスペースを利用して４つのアウトレット７６が接続されている。
【００３７】
この軸流ポンプによれば、インレット７５からケーシング７４に導入された移送流体は、ロータ７１の孔７１ｃを介してインペラ７３側に導入され、インペラ７３が装着されたロータ７１の回転により運動エネルギが付与された後、孔７１ｄを介して排出され、更にアウトレット７６から外部に排出される。
【００３８】
この実施形態によれば、小径部７１ｅにインペラ７３を設けているので、ロータ７１の径が大きくなることはなく、小型の軸流ポンプを実現することができる。この軸流ポンプは、特に人工心臓用のポンプとして好適である。すなわち、本発明のターボポンプは、浮上ロータを使用しているため、軸受部の耐久性が良好で、血栓形成等の問題も生じさせない。
【００３９】
なお、本発明は、ステータとロータとの磁気吸引力を、磁気軸受とロータとの磁気吸引力よりも小さく設定したものであり、その具体的手段として、モータを構成するロータ１，７１の中央部の径を、磁気軸受を構成する両端の径よりも小さくした。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、幾何学形状による吸引力調整としては，その他にモータ用磁石そのものを小さくして吸引力を低下させる、モータステータの内径を大きくして，モータ用磁石との距離を取ることにより吸引力を低下させる等の方法が考えられる。また、幾何学形状のみならず、永久磁石１７の磁気特性そのものを適切なものに設定して上述した関係を満たすようにしても良い。
【００４０】
なお、以上の実施形態では、ターボポンプの一例として軸流ポンプを例示したが、この他にも遠心ポンプ、斜流ポンプ等のターボポンプにも本発明を適用可能であることは言うまでもない。また、モータのステータに関しては、コイルが巻回されるコア（突極４１ｂ）を持たないタイプのステータを用いたモータにも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気浮上型モータの一部を切欠した斜視図である。
【図２】同磁気浮上型モータの縦断面図である。
【図３】同磁気浮上型モータの図２におけるＡ−Ａ′断面図である。
【図４】同磁気浮上型モータの軸受の制御回路を示す回路図である。
【図５】同磁気浮上型モータの形成される磁気軸受のための磁束を説明するための斜視図である。
【図６】同磁気浮上型モータのロータの径方向変位と磁気軸受及びモータにおける磁気吸引力変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る磁気浮上型モータの断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る軸流ポンプの断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１，７１…ロータ、２，３…磁気軸受、４，６１…ステータ、５，６，６２…バイアス用永久磁石、７〜１１…ギャップセンサ、１２〜１４…ケース、１６…ロータ本体、１６ａ，１６ｂ…大径部、１６ｃ…小径部、１７，７２…ロータ用永久磁石、２１，３１…電磁石コア、２２，３２…電磁石コイル、４１…ステータコア、４２，６３…ステータコイル、５１…アキシャル方向コントローラ、５２…第１のラジアル方向コントローラ、５３…第２のラジアル方向コントローラ、７３…インペラ、７４…ケーシング、７５…インレット、７６…アウトレット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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