(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被動ロータ（２）と電気モータ（４，１４）とを有する回転装置において、前記電気モータは単一のステータ（４）と、駆動ロータ（１４）とを備え、ステータ（４）は電磁気軸受（４，１４）として駆動ロータ（１４）のために構成され、電気モータ（４，１４）の駆動ロータ（１４）は回転装置の被動ロータ（２）を用いてロータユニットとしての一体型ロータ（２、１４）を構成し、前記ステータ（４）は、前記一体型ロータ（２，１４）を磁気軸受けし且つ前記一体型ロータ（２，１４）を駆動する部分（６）とを備え、
駆動ロータの回転軸方向寸法は駆動ロータの半径以下であり、一体型ロータがステータ平面に対して傾かないように磁気抵抗力によって一体型ロータを安定化させることを特徴とする回転装置。
【請求項２】
一体型ロータの駆動部分が板形状又はリング形状を有する吊り鐘形状を構成する請求項１に記載の回転装置。
【請求項３】
ステータおよび駆動ロータは、アウターロータを有するモータを構成する請求項１又は２に記載の回転装置。
【請求項４】
一体型ロータは装置全体の一部と共にユニットとして組み込まれ、ステータから取り外し可能である請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項５】
回転平面内において、被動ロータの径方向の位置を規制し、能動的に安定させるために、駆動磁界を形成するため及び回転軸の周りに被動ロータの回転数を制御するための極対数ｐを有する駆動巻線と、駆動磁界に重畳される制御磁界の一つを生成するための極対数ｐ＋１又はｐ−１を有する制御巻線とを有する回転装置であって、
ステータは、それぞれ棒形状を有してロータの周りに径方向に設けられる巻線から構成され、それぞれの巻線は駆動巻線束及び制御巻線束の部分巻線を有する請求項１又は２に記載の回転装置。
【請求項６】
回転平面内において、被動ロータの径方向の位置を規制し、能動的に安定させるために、駆動磁界を形成するため及び回転軸の周りに被動ロータの回転数を制御するための極対数ｐを有する駆動巻線と、駆動磁界に重畳される制御磁界の一つを生成するための極対数ｐ＋１又はｐ−１を有する制御巻線とを有する回転装置であって、
回転装置の共通の磁化されたヨークを用いるテンペルモータのステータは、ロータの回転軸方向に寺院の柱形状に配置される巻線から構成され、その際磁束は巻線端にて磁化されたヨークからロータに向かってコアのＬ形状を示す延長部分によって径方向に導かれ、それぞれのコアの有する巻線は、駆動巻線及び制御巻線のそれぞれの巻線束の部分巻線を有し、その際個々の巻線は巻数０を有することも可能であり、少なくとも正弦形状に近似される駆動磁束及び制御磁束の分布が、巻線数に比例して個々の巻線間に構成される請求項１又は２に記載の回転装置。
【請求項７】
渦電流式距離測定センサが個々のスロット又はステータの個々のコアの間に設けられ、前記渦電流式距離測定センサがロータ平面内（ｘｙ平面）の駆動ロータの導電性の層までの距離を測定する請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項８】
ｘ軸方向及びｙ軸方向のそれぞれにおいて、２つの向かい合う距離センサが設けられ、駆動ロータの位置座標はロータ平面（ｘｙ平面）において、互いに向かい合うセンサ信号の差から測定される請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項９】
センサ巻線がステータ内に駆動巻線及び制御巻線に追加して設けられる請求項５又は６に記載の回転装置。
【請求項１０】
ロータの回転軸上の位置は、駆動巻線に電流を流すことによって、又はロータの一方の側に回転軸方向に巻線を追加して制御され、安定化される請求項５，６及び９のうちいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項１１】
スプリットチューブがステータと一体型ロータとの間に設けられる請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項１２】
回転式ポンプとして構成される回転装置であって、該回転装置は密閉されたポンプハウジングを有し、ポンプハウジングは一体型ロータを包囲し、一体型ロータはモータの駆動ロータ及びポンプの被動ロータを有する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項１３】
回転式ポンプとして構成される回転装置であって、該回転装置は密閉されたポンプハウジングを有し、該ポンプハウジングは回転軸方向の少なくとも一方の側において、ステータから取り外し可能に設けられる請求項１〜１２のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項１４】
軸流ポンプとして構成される回転装置であって、該回転装置はリング形状の被動ロータを有し、該ロータは軸流ポンプの羽根車をリング形状に包囲する中空軸ロータである請求項１〜１３のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項１５】
軸流ポンプとして構成される回転装置であって、ポンプハウジングは、一方の側において流入口部を有するとともに、他方の側において流出口部を有し、ポンプは、流入口部及び流出口部それぞれの連結部を介して搬送経路に組み込まれ、羽根車を有するポンプハウジングは、ホース形状を有する前記連結部の脱着によりステータから取り外し可能である請求項１〜１４のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項１６】
遠心ポンプとして構成される回転装置であって、リング形状又は板形状を有する駆動ロータは羽根車内に化学合成樹脂を用いて構成されるか、又は羽根車に取り付けられる請求項１〜１３のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項１７】
回転式ポンプとして構成される回転装置であって、回転軸方向のロータ位置信号又は制御装置の制御信号はロータの回転軸方向の安定化を行うために必要であり、ポンプの圧力を測定するために利用される請求項１〜１６のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項１８】
回転式ポンプとして構成される回転装置であって、回転軸方向のロータ位置信号、ロータの回転数及び駆動電流から、ポンプを通過する液体の流量を測定するための手段を備える請求項１〜１７のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項１９】
電気モータ内において、一方向の磁束を生成する手段をステータ内に有することと、
ステータは双方向の駆動巻線を有して、この駆動巻線を介してロータを径方向の磁力によって制御することと、
ステータは、更に極対数ｐが２以上の駆動巻線を追加されて、ロータを駆動するための回転磁界を生成することと
を特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項２０】
前記ステータは更に永久磁石を備え、該永久磁石は、電気モータ内に一方向の磁束を生成する請求項１〜１９のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項２１】
回転平面内において、被動ロータの径方向の位置を規制し、能動的に安定させるために、駆動磁界を形成するための、及び回転軸の周りに被動ロータの回転数を制御するための極対数ｐを有する駆動巻線と、駆動磁界に重畳される制御磁界の一つを生成するための極対数ｐ＋１又はｐ−１を有する制御巻線とを有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項２２】
部分巻線の巻線数は、駆動磁束及び制御磁束の分布が少なくとも正弦形状に近似するように選ばれる請求項５，６および２１のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項２３】
２つの位相を有する巻線を用いて、第１の位相の部分巻線の巻数は与えられた巻線数Ｎ1又はＮ2に巻線位置の電気角ａｌｐｈａと極対数ｐの積の余弦を掛けたもの、即ちそれは駆動巻線に対しては（Ｎ1×ＣＯＳ（ｐ ａｌｐｈａ））であって、制御巻線に対しては（Ｎ1×ＣＯＳ（（ｐ±１）ａｌｐｈａ））であり、また第２位相のそれぞれの部分巻線の巻数は与えられた巻線数Ｎ1又はＮ2に巻線位置の電気角ａｌｐｈａと極対数ｐの積の正弦を掛けたもの、即ちそれは駆動巻線に対しては（Ｎ2×ＳＩＮ（ｐ ａｌｐｈａ））であって、制御巻線に対しては（Ｎ2×ＳＩＮ（（ｐ±１）ａｌｐｈａ））であるか、又はこれらの逆である請求項５，６及び２１のいずれか１項に記載の回転装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、請求項１の前提部分に記載した概念に基づく電磁式回転駆動を用いる回転機器に関する。更に、本発明はその種の回転駆動装置を用いて駆動されるポンプ及び攪拌装置に関する。
搬送されるべき液体が周囲の物質から完全に隔離されることを要求される場合に、従来、ポンプハウジングによって完全に密閉された回転式ポンプが使用されていた。この要求は、回転式ポンプを用いる場合、スクィーズチューブポンプ、所謂蠕動ポンプによって実現されるが、これは特有の構造による箭断力により液体に悪影響を及ぼし、液体の分子構造は損傷を受けるため、頻繁には使用されない。特に、薬学及び医学の領域、即ち大きい分子構造又は繊細な細胞壁を備える細胞を有する構造的に繊細な液体が搬送される領域において、回転式ポンプを使用する必要性が生じる。例えば、輸血において、箭断力によって溶血が発生して、その血液が使用不能となる危険性がある。ピストンポンプ以外の回転式ポンプを使用する場合、液体は殆ど箭断されないため、搬送において、繊細な細胞は保護される。
搬送すべき液体の厳密な隔離は２つの理由から必要である。即ち、一方は汚染物質が搬送される場合に、周囲に流れ出ることによる液体自体の減少を阻止するためであり、他方は、特に化学、薬学又は医学の分野において、液体が高い純度を満足する必要がある場合に、何か他の物質が液体に侵入することを阻止するためである。特に、この領域における搬送すべき物質の隔離は、周囲の空気の侵入を阻止することだけにあるのではない。軸受装置、パッキング装置、化粧品材料又は相対運動する部品を有し、摩擦が生じる装置からの摩擦粒子が液体に侵入することを阻止するためである。心臓を切開する手術中に、ポンプは血液の流れを維持すべく、冒頭に記載した方法で使用され、その際搬送すべき液体は、患者の血液である。搬送すべき血液を純粋な状態に保つ高い要求があることは明らかである。
従来の駆動装置、軸受装置及びスライディングリングパッキングを使用して、ポンプハウジングが完全に周囲から隔離されると共に、互いに相対運動する部品による摩擦粒子の発生を阻止したり、その粒子や化粧品材料の液本へ侵入を阻止することは不可能だった。
従来の回転軸受又は滑り軸受は以前から周知の磁気軸受によって、置き換えられることが可能となり、これは非接触構造の軸受であるだけでなく、例えば浮力滑り軸受技術を用いて無給油軸受を可能にする。
更に、この種の発展的な技術の方向としては、ステータ及びロータを非接触にする、所謂スプリットチューブモータ（Spaltrohrmotor）と言われる三相交流モータの開発をすることである。
欧州特許出願公開ＥＰ−０５５１  ４３５において、密閉されたモータハウジングを用いた回転式ポンプのための電磁式回転駆動装置が開示されており、これは非接触構造の軸受手段を有する軸受を用いたスプリットチューブモータを介して駆動される。
このポンプに利用される電磁式回転駆動装置は、構造が複雑にして、コストが高く、相当な大きさを有し、特に軸方向に面積が大きい。この磁気軸受は広範囲な取り付け場所を必要とする。
本発明の課題は小型にして構成の簡単な回転式ポンプ、ミキサ、攪拌機及び他の装置のための改良された電磁式回転駆動装置を提供することである。
この課題は請求項１に特徴付けられる本発明に基づく電磁式回転駆動装置を用いることにより解決される。従属請求項は本発明の効果的な形態に関する。
本発明に基づく回転式ポンプなどの装置のための電磁式回転駆動装置の場合、非接触構造の軸受を有するモータの原理に基づく軸受装置及び駆動装置は、組み合わせによる非接触構造及び無給油の軸受／駆動装置を構成する。即ち、組み合わせによる軸受／駆動ロータは、例えばポンプ用モータ、ミキサ用モータ又は攪拌機用モータとしての電気モータの機能及び装置全体のロータとしての機能を有して構成される。これらのロータは一体型ロータと呼ばれる。
非接触構造の軸受を有するモータの原理として、回転磁界式装置のロータ及び軸受される回転軸は上記した組み合わせによる軸受／駆動ロータを示す一方、回転磁界式装置のステータ及び軸受装置の非回転部は軸受／駆動ステータを示すことが挙げられる。回転式ポンプの軸受／駆動装置としての非接触構造の軸受を有するモータの場合に、軸受／駆動ロータ及びポンプロータは２個の回転可能な部品であり、本発明に基づく一体型ロータを構成する一方、ポンプハウジング及び軸受／駆動ステータは運転中において、固定される。
本発明に基づく回転磁界式モータは極対数ｐを備える駆動巻線及び極対数p+1又は極対数p-1を備える制御巻線を有する。一体型ロータの回転軸を中心とする回転は制御巻線を介して能動的に制御される。一体型ロータの位置は回転軸に対して垂直に延びる平面内に制御巻線を介して能動的に制御される。一体型ロータの回転軸方向の位置及び前記平面に対する傾きは、磁気抵抗力により受動的に安定される。
本発明に基づく構成を用いて、回転式ポンプのための非接触式構造の軸受を有するモータの特別な形態が、一体型モータの製作を通して示され、極めて小型の回転式ポンプを製作することが可能となる。
この種の電磁式駆動装置、例えば心臓を切開する手術中の血液など極端に汚染しやすい液体を搬送する回転式ポンプの使用において、次に行われる手術に回転式ポンプが使用される前に、血液と接触した全ての部品を使用後に完全に消毒、又は付着した全ての血液を取り除くことが必要である。最初の患者の血液が血液循環経路を通して次の患者に達し得る全ての可能性を排除する必要があるからである。これは、他人の血液が予期せぬ、しかも生命に危険を及ぼす影響をもたらし得ることによる。ポンプの完全な消毒は不可能であるため、患者に対する危険を回避する手段は、使用後に回転式ポンプ又は回転式ポンプの血液と接触した部品を交換する以外にない。この種の手術が頻繁に行われると、このことは回転式ポンプ自体に対してもかなりの費用が発生することを意味する。一体型ロータを有するポンプハウジングに外部から接触でき、容易に取り外しできる構成が採用された本発明に基づく新規の一体型ロータを有する回転式ポンプの使用を通してかなりの費用の節約が実現される。これら２つの部品のみが搬送される液体に接触して、汚染されるため、手術の後で、交換される必要がある。従って、その他の部品は交換されずに、数多くの手術において使用でき、これらの２つ部品は使い捨てユニットとして構成される。
軸受／駆動ロータの電磁誘導部品及び被動ロータから構成される一体型ロータは、リング形状のロータ盤を有しており、電磁誘導部品がその中に収容され、ロータベーンがその表面に取り付けられるように構成される。
上記した一体型ロータのロータ盤に設けられる電磁誘導部品は、リング形状の磁石、平板形状の磁石又は皿形状の磁石及び回転磁界式モータの種類に応じてヨーク又は十字形状の鉄板及び巻線を有する。それらは溶接されたロータ盤内に埋め込まれるが、又は吹き付け材料を用いて完全に被覆される。
前述したように、一体型ロータ及びロータハウジングが使い捨てユニットとして構成され、且つ安価に製造され得るような特定の場合において、液体に触れる全ての部品を化学合成樹脂材料によって構成することが効果的である。それ以外の場合は、高価な材料が使用されるであろう。これは化学反応がその材料及び液体との間で行われないことに考慮し、駆動及び制御のために必要な電磁場への妨害を回避するためである。
ポンプハウジングは、更に上記した回転軸方向の流入口に加えて、液体のための流入口を最初の流入口に対向するように有する。その構造が圧力及び一体型ロータの位置の制御方法に与える影響は詳しく後述する。
従って、ポンプハウジングが、上記した径方向の流出口に加えて、少なくとも、もう１つの流出口を有するように構成することが可能である。この流出口は最初の流出口に対して点対称に配置される。圧力及び一体型ロータの位置の制御方法に与える影響も後に詳述する。
本発明に基づく回転式ポンプは軸流ポンプとして構成される。ロータベーンは羽根車の羽根によって構成されており、これは、効果的には一体型ロータのロータ盤の内側に固定される。しかし、高ポンプ圧が必要な場合は、遠心ポンプが使用される。例えば、ポンプ用ロータの組み合わせ軸受及びその装置の駆動原理は、サイドチャネルポンプ（Seitenkanalpumpen）、ペリフェラルポンプ又はテスラポンプ（Teslapumpen）のような全ての回転式ポンプ或いは液体リング式ポンプ、ミキサ又は他の装置に用いることができ、それらを回転駆動することができる。
ロータベーンは遠心ポンプの最も簡単な型において、単に一体型ロータのリング形状を有するロータ盤の平面に設けられる。
また、ロータベーンを一体型ロータの両平面に、又は回転板に設けることも可能である。
軸受／駆動ロータは極対数ｐの駆動巻線及び極対数p+1又は極対数p-1の制御巻線を備える回転軸方向に短く構成される従来の三相交流ステータとして実現され得る。自身の直径に比べてステータの回転軸方向に短い構造において、巻線の一部のみがスロットの中に入るため、かかるステータ構造は相当不利な点を有する。そのような構造を備えるステータは漏れ磁束が多大であるだけでなく効率も悪い。更に、例えば遠心ポンプにおいて、巻線区間に巻線端子を設けることも困難であろう。
一般に、軸受／駆動ステータは一体型ロータに設けられる複数の細長い共通の磁化されたヨークを用いたコアを有する。それぞれのコアは極対数ｐを有する駆動巻線のそれぞれ巻線束である部分巻線及び極対数p+1又は極対数p-1を有する制御巻線のそれぞれの巻線束である部分巻線を有する。駆動磁束及び制御磁束の正弦形状を有する磁束分布は、それぞれの巻線束である部分巻線数によって近似される。非常に短い巻線端間距離を有する構成も可能である。少なくとも巻線数が零である部分巻線を有することもできる。
通常の実施例において、上記したコアは一体型ロータの回転軸に対して径方向に配置される。コア及びヨークは一つのユニットを構成し、例えば長い溝を有する金属板を用いて層状に形成され得る。
更に効果的な実施例において、コアは“Ｌ”形状を有する。その際、一体型ロータに対して磁束を径方向に導くために、“Ｌ”形状を有するコアの一辺は、一体型ロータの回転軸に対して平行に配置され、そのコアの他辺はこの回転軸に向かって指向する。そのようなロータ形状を有する回転磁界式モータをテンペルモータと呼ぶ。このテンペルモータは、特にポンプハウジング及び一体型ロータから成る交換可能な使い捨てユニットとして構想される装置への採用に適している。
軸受／駆動装置の駆動部は同期モータ及びインダクションモータの原理により構成され得る。一般に、同期モータは高効率及び、特に低ロータ損失をもたらす。特に、この同期モータのための構成はリラクタンスモータ又は永久磁石励磁式同期モータの原理に基づいてなされる。
非接触構造の軸受を有するモータの駆動制御に必要な駆動磁束角を測定するために、この新規の回転式ポンプの制御装置の部品としてそれに対応する装置が設けられる。
この装置は、例えば一つ又は複数の磁束センサを有する。この新規の回転式ポンプは、更に一体型ロータの位置を測定するための検出装置を制御装置の一部として備え得る。その検出装置は、一般にＸ−Ｙ検出器を有しており、これによって、一体型ロータの位置は回転軸に垂直な平面において測定可能となる。このＸ−Ｙ検出器は少なくとも１個の磁束センサを有する。
効果的なＸ−Ｙ検出器は個々の位置おいて、部分磁束を測定するために、複数の対称な位置に設けられる磁束センサを有する。更に、一体型ロータの位置を示すＸ座標及びＹ座標は、部分磁束から駆動磁束角に対する回転磁界式モータの回転角を介して測定される。これは、Ｘ軸の正方向及び負方向におけるそれぞれ半分の領域、同様にＹ軸の正方向及び負方向におけるそれぞれ半分の領域での部分磁束の総和から、即ちＸ軸の正方向及び負方向、同様にＹ軸の正方向及び負方向の磁束成分の検出された和及び差を通して得られる。
一体型ロータの駆動制御又はＸ−Ｙ平面内における位置制御に使用される磁束センサは、例えばポンプハウジング及び軸受／駆動ステータとの間の空間に配置される。磁束センサは、また長い巻線を有するコア内に設けることも可能である。この磁束センサは、例えばホール素子又は磁気抵抗を有する磁束センサであり得る。磁束センサの固定は回転磁界式モータのステータの歯部に、例えば接着材を用いて取り付けられ得る。磁束センサを固定する他の可能性は、ステータの切り欠き内に埋め込むことである。
Ｘ−Ｙ検出器は一体型ロータの回転軸に対して垂直に広がる平面内において、一体型ロータ内に設けられる伝導性の層までの距離を測定するために、渦電流式検出器を有して構成され得る。この伝導性の層は、例えば金属リング、薄い金属層又は、例えばネオジウム鉄のような導電性金属材料から製造されるロータ磁石自身により構成される。１個の渦電流式検出器に代えてＸ軸及びＹ軸方向にそれぞれ２個の向かい合って配置される渦電流式検出器も配置され得、検出信号を出力する。この方法によって、一体型ロータの位置を示すＸ座標及びＹ座標は、回転軸に対して垂直に広がるＸ−Ｙ平面内において測定され得る。
Ｘ−Ｙ検出器はセンサ巻線を有するように構成される。このセンサ巻線は回転軸に対して垂直に広がるＸ−Ｙ平面内に位置する一体型ロータの位置をこのセンサ巻線の電気的なインピーダンスを利用して測定するために、回転磁界式モータのステータ内の駆動巻線及び制御巻線に更に追加して設けられる。
更に、Ｘ−Ｙ検出器の他の可能性としては、光学的な装置を設けることである。回転軸に対して垂直に広がるＸ−Ｙ平面内に存在する一体型ロータの位置は、光を利用して測定されることができ、この光の波長は液体を透過する領域のものを使用する。
上記した検出装置はＸ−Ｙ検出器以外にも種々の形態において実現されている。例えば、それは一体型ロータの回転軸方向の位置を検出するＺ検出器を有し、相当するＺ位置信号を検出する。
その際、検出されるＺ位置信号は、一体型ロータの回転軸方向の位置を制御技術上安定させる制御信号ための測定値である。一体型ロータの回転軸方向の位置を制御技術上安定させるために、磁化電流が軸受／駆動部の駆動磁束方向に電流要素を用いてもたらされ得る。
この新規の回転式ポンプは、効果的には圧力測定装置を有し、これによって、ポンプ圧力はＺ位置信号又は検出された制御信号を通して測定可能である。
一般に、この新規の回転式ポンプは流量測定装置を備えており、これは一体型ロータのＺ位置信号、一体型ロータの回転数及び駆動電流により回転モーメントを作る成分を通して時間的に液体の流量を測定する。
以下に、本発明に基づく電磁式駆動装置の効果的な点を回転式ポンプ、攪拌機及び個々の装置の実施形態を挙げて説明する。
図１は本発明に基づく回転式ポンプの斜視図である。
図２は第１実施形態における一体型ロータを有するポンプハウジングの斜視図である。
図３は第２実施形態における一体型ロータを有するポンプハウジングの斜視図である。
図４は回転軸方向に位置センサが追加された回転式ポンプの断面図である。
図５は回転軸方向に位置センサ及び巻線が追加された回転式ポンプの断面図である。
図６は軸流ポンプの一体型ロータの斜視図である。
図７は遠心ポンプの一体型ロータの斜視図である。
図８はリラクタンスモータの原理に基づく駆動装置を用いた遠心ポンプの一体型ロータの斜視図である。
図９は軸流ポンプとして構成された回転式ポンプの斜視図である。
図１０は遠心ポンプとして構成された回転式ポンプの斜視図である。
図１１は一体型ロータための軸受／駆動ステータの斜視図である。
図１２はテンペルモータとして構成された軸受／駆動装置を用いた回転式ポンプの斜視図である。
図１３は角度を測定するための磁束センサを備える一体型ロータを有する軸受／駆動ステータの動作を説明する図である。
図１４は一体型ロータの位置が図１３と異なり、磁束センサを有する図１１の軸受／駆動ステータの動作を説明する図である。
図１５は渦電流式距離センサを備える一体型ロータを有する軸受／駆動ステータの図である。
図１６は位置センサを通して得られる信号Ｕ１及びＵ２の差による位置信号を得るためのダイアグラムである。Ｘ軸方向における一体型ロータの位置に依存する制御磁束の図である。
図１７は駆動磁束及び制御磁束の分布が正弦形状を形成するように構成された巻数を備える駆動巻線及び制御巻線を有するステータの平面図である。
図１８はテスラポンプロータ内に横向きに一体型ロータに設けられた駆動ロータを有するテスラポンプの斜視図である。
図１９はテスラポンプロータの内部において、一体型ロータに設けられた駆動ロータを有するテスラポンプの斜視図である。
図２０はスプリットチューブ内に磁気軸受を有する攪拌用一体型ロータを備えるスプリットチューブ攪拌機の断面図である。
図２１はスプリットチューブ内に磁気軸受を有する攪拌用一体型ロータ及び一体型ロータのための電磁アクシャル軸受を有するスプリットチューブ攪拌機である。
図２２はステータ内に永久磁石を有する軸受／駆動装置の効果的な別の実施形態の斜視図である。
図１に示す回転軸３を有する回転式ポンプ２は、軸受／駆動ステータ４及び非接触構造の軸受を有するモータの原理に基づいて動作可能な軸受／駆動装置を有する。非接触構造の軸受を有するモータは回転磁界式モータの原理に従って動作する。軸受／駆動ステータ４は電磁誘導作用を備える構成要素６を有する。これは後に詳しく説明する。回転軸方向における流入口１０及び径方向における流出口１２を有するポンプハウジング８は、液体を搬送するために軸受／駆動ステータ４内に配置される。流入口１０及び流出口１２は回転式ポンプ２に図示されていない配管網を連結するために存在する。第１の矢印Ａは液体の流入方向を示し、第２の矢印Ｚは液住の流出方向を示す。軸受／駆動ステータ４及びポンプハウジング８は配置場所を固定されている、即ちポンプ動作において、回転式ポンプ２の回転しない構成要素である。一体型ロータ１４はポンプハウジング８の内部に配置され、ロータ盤１６及びロータベーン１８より構成される。図示されていないが、電磁誘導作用を有する回転磁界式モータの構成要素がロータ盤１６に取り付けられている。一体型ロータ１４は、同時に軸受／駆動ロータと同様にポンプロータとして動作し、回転式ポンプの唯一の回転構成要素である。
図２に示すポンプハウジング８は回転軸方向の流入口１０及び径方向の流出口１２を有し、且つ円錐形状を有する壁２０及びほぼ平らな壁２２を有する。一体型ロータ１４はポンプハウジング８内において、リング形状を有するロータ盤１６及びロータベーン１８と共に配置され、このロータベーン１８はロータ盤１６の上部平面に固定されている。このような一体型ロータは遠心ポンプとして構成される回転式ポンプに使用される。
冒頭に記載したように、流入口及び流出口の数量及び配置は圧力及びポンプハウジング内の一体型ロータの配置に影響を及ぼす。Ｘ−Ｙ平面において、この影響を最小にするために、遠心ポンプとしての回転式ポンプの構成の場合に、流出口を互いに向かい合う位置に設けることは効果的である。これに関連して、多数の流出口を設けることは効果的であるが構成は極めて複雑となる。
図３に示すポンプハウジング８は、更に回転軸方向の流入口１１及び径方向の流出口１３を有し、その際、流入口１０、１１及び流出口１２，１３はそれぞれ互いに対向して配置される。このポンプハウジング８は上部の円錐形状を有する壁２０及び下部の円錐形状を有する壁２３３を備えており、一体型ロータ１４のロータ盤１６はその上部の面内又は下部の面内にロータベーン１８，１９を有する。
回転軸方向の流入口を有する軸流ポンプ及び遠心ポンプとしての回転式ポンプの構成において、圧力差によって回転軸方向の力が一体型ロータに加わる。図４及び図５は軸巻線８０，９が追加されることによって、回転軸方向の力が如何に補償されるかを遠心ポンプを例にとって示す。
図６に示す一体型ロータ１４は軸流ポンプの原理に基づいて動作する回転式ポンプのためのものである。一体型ロータ１４は実質的にリング形状を有するロータ盤１６及びロータ盤１６の中心における空間に配置される羽根車２４から構成されており、この翼はロータベーン１８を構成する。ロータ盤１６は図に示すように、同期ロータとして動作する回転磁界式モータを有する軸受／駆動装置のための電磁誘導を行う構成要素を有する。即ち、それらはヨーク２６、磁石２８および導電性の層３０である。この導電性の層３０は金属から成るリング又は薄い金属の層から成る。磁石２８が導電性の金属から構成されている場合に、それ自身導電性の層として使用され得る。それは測定ユニットとして、径方向に位置するロータ位置を渦電流式距離測定センサの手段を用いて測定のために利用される。
図７は図３における遠心ポンプ又はサイドチャネルポンプに使用される一体型ロータ１４を再度示すものである。一体型ロータ１４は上部ロータベーン１８及び下部ロータベーン１９を有すると共に、断面が表示されているロータ盤１６を有する。ロータ盤１６内部において、ヨーク２６はステータ側に設けられ、且つ磁石２８、導電性の層３０が設けられている。これらの構成要素は同期ロータの回転部品として扱われる。
図８に示すリング形状のロータ盤１６を有する一体型ロータ１４は、遠心ポンプとして構想された回転式ポンプのための役割を果たす。この軸受／駆動装置はリラクタンスモータの原理に基づいて動作する回転磁界式モータを有する。ロータベーン１８がロータ盤１６の上部平面のみに挿入されて設けられる。十字形状を有する鉄板２３が、通常リラクタンスモータにおいて行われるようにロータ盤内部に埋め込まれている。
図９は軸流ポンプとして構成される回転式ポンプ２を明瞭に示す。断面が示されるポンプハウジング８は回転軸方向の流入口１０及び同様に回転軸方向の流出口１２を有しており、矢印Ａ及びＺは搬送される液体の流れる方向を示す。一体型ロータ１４はポンプハウジング８内に配置され、前述したロータ盤１６及びロータベーン１８として動作する翼を有する羽根車２４から構成される。更に、図９において、軸受／駆動ステータ４が示される。これはスロットを有するステータ部、歯部、ヨーク及びステータ部のスロット内に設けられる巻線から構成される。この巻線は極対数ｐを有する部分巻線及び極数ｐ＋１又は極数ｐ−１を有する部分巻線から構成される。
軸受／駆動ステータ４は、ポンプハウジング８の周りに対称、且つ径方向に配置される棒形状のコア３４及び巻線３６及びステータ側にヨーク３８を有する。これらは固定されており、回転式ポンプ２のための軸受／駆動装置の電気的作用を有する構成要素６である。
図１０は遠心ポンプとして構成される回転式ポンプ２の実施例を示す。回転軸方向に流入口１０及び径方向に流出口１２をそれぞれ有するポンプハウジング８と、リング形状を有するロータ盤１６と、ロータベーン１８を有する一体型ロータ１４とが示される。更に、径方向に配置されるコア３４、巻線３６及びロータとは反対側にヨーク３８が簡単に示される。
図１１はロータ側及びステータ側に電磁誘導作用を有する構成要素を明瞭に示す。電磁誘導作用を有しない構成要素であるポンプハウジングは省略されている。ロータ盤１６を有する一体型ロータ１４は断面を示されており、中央に配置されている。ロータ盤１６はロータベーン１８、１９を有している。ヨーク２６、永久磁石２８及び導電性の層３０がロータ盤１６内に埋め込まれている。一体型ロータ１４は軸受／駆動ステータによりその周囲を囲まれており、また軸受／駆動ステータはコア３４、巻線３６及びロータとは反対側にヨーク３８を有する。
図１２において、回転磁界式モータがテンペルモータである軸受／駆動装置が示される。図を明確にするために、ポンプハウジング８は通常の完全な状態でなく、その上部のみを示す。既に記載したように、ポンプハウジング８は回転軸方向の流入口１０及び径方向の流出口１２を有する。ポンプハウジング８はリング形状を有するロータ盤１６を有しており、ロータベーン１８がそのロータ盤１６の上部平面に設けられている。図７，図８及び図９に示したように、テンペルモータは径方向に延びるコア３４に代えて対称的に分割されて配置されるコア３５を有する。これらのコア３５はそれぞれ‘Ｌ′形状を有する。その‘Ｌ′形状の長辺３５ａは垂直に延びる、即ち回転軸３に対して平行に延びており、‘Ｌ′形状を有するコアの短辺３５ｂは回転軸３に向かって放射状に内部に指向している。テンペルモータは電気的な動作方式において、図１１に示す回転磁界式モータと同等である。また、テンペルモータのポンプハウジング８は取り付け状態において、軸受／駆動ステータ内に埋没させられ、そのため空間が節約できて、簡単に取り外されるように配置される。更に、巻線３６及びヨーク３８が設けられる。
上記の事項は軸受／駆動装置及び制御装置を有する回転式ポンプの本質的な構造に関する。以下に、回転式ポンプの制御技術を構成するための可能な方法を示す。
非接触構造の軸受を有するモータの駆動制御のために必要な駆動磁束角を測定するために、少なくとも１つの磁束センサが設けられ得る。駆動磁束角は部分磁束を介して測定可能である。同様に、ロータの回転数は同じ装置を介して測定可能である。この装置及び磁束センサの構成は後述する。
一体型ロータの位置制御の技術上の安定を図るために、それぞれの実際の位置又は理論上の位置からの変位を検出する必要がある。更に、検出装置が設けられ、Ｘ−Ｙ検出器及びＺ検出器を有する。Ｘ−Ｙ検出器は回転軸に対して垂直に延びるＸ−Ｙ平面内における一体型ロータの位置を検出するために動作し、Ｚ検出器は一体型ロータの回転軸方向の一体型ロータの位置を検出するために動作する。
Ｘ−Ｙ検出器は第１実施例において、複数の磁束センサを有しており、これらのセンサは駆動装置の制御のためにも使用される。その際、磁束センサはホール素子又は磁気抵抗を有する磁束センサであり得る。磁束センサは、例えばステータの歯部に接着材で固定されるが、又はステータのスロットに埋め込まれる。
図１３はポンプハウジング８及びその内部に配置される一体型ロータ１４を示しており、一体型ロータ１４は正確に中央の位置を占める。点にて示される回転軸３はＸ軸及びＹ軸の交点である。ポンプハウジング８はコア３４又はステータの歯部により囲まれている。複数の磁束センサ５０ｘ，５０ｙ，５１ｘ，５１ｙがロータハウジング８及びコア３４の間の空間内に配置されるか、又はロータハウジング８及びステータの歯部の間の空間内に配置されており、これらはＸ軸及びＹ軸により定義される回転軸３に対して垂直なＸ−Ｙ平面内において、磁化方向（一体型ロータ１４の角度ａｌｐｈａ）を測定するための検出装置の検出部である。これらの角度は一体型ロータ１４に対する相対角度として簡単に示される。中心からのロータの変位による磁束は、それぞれ２個ずつ互いに向かい合って配置される磁束センサによって一体型ロータの角度を測定する上で補正され得る。
図１４に同様の装置が示され、ポンプハウジング８及びその内部に配置される一体型ロータ１４を有する。一体型ロータ１４は不正確に中心から離れた位置にあるのではなく、回転軸がＸ軸及びＹ軸上において、ｘ及びｙだけＸ軸及びＹ軸の交点から移動した位置にある。この装置の場合、８個の磁束センサ５０ａ〜５０ｉはロータハウジング８とそれぞれの８個のコア３４との間の空間内に配置される。
磁束センサは一体型ロータの角度を検出するだけでなく、同時にＸ−Ｙ−位置の測定も行う。これは、磁束センサを介してｘ軸方向及びｙ軸方向のそれぞれの半分の領域及びそれぞれの反対方向のそれぞれの領域において測定された部分磁束の和、即ち（ｘ軸の正方向及びその反対方向の磁束成分、同様にｙ軸の正方向及びその反対方向の磁束成分の）和及び差を通して得られる。
Ｘ−Ｙ検出器は別の実施例において、渦電流式距離センサとしても構成され得る。Ｘ−Ｙ平面内の一体型ロータのロータ盤内の既に記載した導電性の層までの距離はこの渦電流式距離センサによって測定される。
図１５に示す別の実施例において、Ｘ−Ｙ検出器はセンサ巻線６０ｘ，６０ｙ、６１ｘ，６１ｙを有する。図１５に示される残りの要素は、図１２に示したそれぞれの要素に相当する。センサ巻線は自身の電気的インピーダンスを利用して一体型ロータ１４の位置を検出する。
図１６は電圧Ｕ及びｘ軸方向の理論位置からの一体型ロータの変位ｘとの関係を示す。線形な測定領域を有する２個の互いに向かい合う磁束センサからセンサ信号が得られ、その差をとると、関係Ｕ／ｘは中央の標準的な制御領域において、要求されるような線形であるということは明らかである。
更に、Ｘ−Ｙ検出器の別の実施例において、光学的装置が使用されることを述べる。その際、搬送される液体を透過する波長領域の光が使用される。
既に記載したように、検出装置はＸ−Ｙ検出器を有するだけでなく、Ｚ検出器をも有しており、これに対して通常の検出装置として、例えば渦電流式距離センサが使用される。Ｘ−Ｙ検出器は回転軸方向の一体型ロータの位置を測定し、Ｚ位置信号として検出する。このＺ位置信号は回転軸方向において、一体型ロータの制御技術を安定させるための測定値として使用される。この制御を安定させるために、例えば磁化電流が流され、駆動方向の磁化電流は磁束方向に電流要素を用いて流される。記載したＺ位置信号又は検出された制御信号は、圧力検出装置を介してポンプの圧力を検出するために使われる。
同様に、時間的な液体の流量は一体型ロータの回転数及び駆動電流の回転モーメントを作る成分に基づくＺ位置信号から測定され得る。
図１７に駆動巻線及び制御巻線の例を示す。これらを用いて少なくとも正弦形状に近似した駆動磁束及び制御磁束の分布が達成される。巻線数は磁極の位置の電気角の余弦又は正弦に依存している。
図１８に示すテスラポンプにおいて、板形状を有する駆動ロータ１６はロータ盤２６、磁石２８、ヨーク２６及び導電性の層３０から構成される。この駆動ロータ２６はポンプロータ盤２９を用いて一体型テスラポンプロータに取り付けられる。この駆動ロータはポンプロータ盤２９と共に一体型テスラポンプロータに横向きに取り付けられ、流入口１０及び流出口１２を有するポンプハウジング８の内部に組み込まれる。
図１９に示すテスラポンプの一体型ロータにおいて、図１８に示す構成に対する違いは、駆動ロータ２６がポンプロータ盤２９の間に組み込まれることである。
図２０に示すスプリットチューブ攪拌装置において、スプリットチューブのハウジング３２の内部にヨーク３８及び巻線３６を有するステータが組み込まれている。一体型ロータ３１は、本来の攪拌機を有しており、リング形状の磁石２８、ヨーク２６及び導電性の層３０を有する駆動ロータがその中に組み込まれている。このスプリットチューブのハウジング３２は攪拌機のタンク３３内の開口部に案内され、座金を用いて外部の空間との間の間隙が取り除かれる。攪拌される物質は攪拌漕の内部に存在する。
図２１に示すスプリットチューブ攪拌機において、ステータ４１及びステータ巻線４２を備える電磁気軸受が追加され、組み込まれている。ステータ４１を有するこの磁気軸受のヨーク４３は、同様に攪拌機３１の内部に組み込まれる。
リラクタンスモータ（図８）又はインダクションモータの原理に基づく軸受／駆動装置の利点は、永久磁石により励磁される同期モータと異なり、一体型ロータが高価な部品を有しないということである。これは一体型ロータが、例えば一方向血液ポンプにおいて、廃棄部品として扱われる場合に、重要な意味を持つ。
同期モータと同様に不利な点は、駆動磁界を励磁するための巻線が、駆動巻線内の磁化電流成分を介してもたらされる必要があるということである。磁化は大きなエアギャップにおいて、多大な磁化電流を必要とし、この電流は駆動巻線内にて大きな損失の原因となる。それ故、インダクションモータ及びリラクタンスモータに許されるエアギャップは２、３mmまでに制限される。例外としては、非常に大きなモータである。
この問題の解決は軸受／駆動装置のステータに永久磁石を設けることによる。
この永久磁石は一方向の磁束を生成する（磁束は全体の磁界において、ロータからステータの方向へ又はその逆の方向へ生成される）。力は双方向に電流を流せる駆動巻線を利用して、一体型ロータ上において、径方向に生成される。回転磁界成分は極対数ｐ＞２を有する更に別の駆動巻線を用いて生成され、これはかご型ロータ又はリラクタンスモータのロータとして構成される一体型ロータに適し、一方向の磁束又は双方向の磁束を利用して、径方向の力を妨害されないようにする。そのような回転装置の効果的な実施例は図２２に示される。この図はステータ（３）及び軸受／駆動装置の一体型ロータ（１４）を示す。磁力線（５２，５３，５４、５５）で示される一方向の磁束及び名付けられていない他の磁力線は、リング形状に横方向に磁化され、ステータの両側に配置された２個の永久磁石（５０，５１）によって生成される。当然、複数の小磁石がリング形状を有するこれらの永久磁石に代えて置き換えられ得る。更に、この永久磁石は巻線の外部に配置されることも可能である。永久磁石を両側に配置することは、永久磁石がロータ内において、対称に配置され、漏洩磁束によって回転軸方向の引張り力が生じないため効果的である。ステータ巻線（４）は双方向の磁束を生成する駆動巻線及び多極数の駆動巻線を有する。効果的には極対数３を有することである。
駆動ロータ及び電気モータを備える回転装置は、更にステータ及び駆動ロータを有する。ステータは駆動ロータに対する磁気軸受として構成され、電気モータの駆動ロータは回転装置の被動ロータと共にロータユニットを構成する。
これは、即ち一体型ロータである。
この回転装置は回転磁界を生成したり、回転軸を中心に被動ロータの回転を制御するために、極対数ｐを有する駆動巻線を有すると共に、駆動磁界に作用する制御磁界を生成するための極対数ｐ＋１又は極対数ｐ−１の制御巻線を有し、これは被動ロータの径方向の位置（自由度２）を制御、即ち能動的に安定させる。
回転装置において、一体型ロータの駆動部分は板形状又はリング形状を有する吊り鐘形状をもって構成されており、ロータは回転軸方向において、ステータ平面に対する傾きに対してリラクタンス力を受けて安定でき得る。
回転装置はロータの動的な安定していない自由度の１つは流体力学上の力、空気力学の力又は重力によってロータを受動的に安定させる機能を有する。
この種の回転装置において、ステータは駆動ロータと共に、永久磁石により励起される同期モータ又はリラクタンスモータを構成する。また、ステータは駆動ロータと共に、アウターロータを有するモータを構成する。
永久磁石により被動ロータは、リング形状磁石、板形状磁石又は皿形状磁石として構成され得、一体型ロータのヨーク又は十字形状の鉄板である。
一体型ロータはこの種の回転装置において、ユニットとして構成され、駆動ステータから取り外し可能である。
回転装置の駆動ステータは棒形状であり、ロータの周囲に径方向に配置される個々の巻線から構成され、共通のヨークを備える。それぞれの巻線は駆動巻線及び制御巻線のそれぞれの巻線束のためのそれぞれの部分巻線を有する。
回転装置において、部分巻線の巻線数は駆動磁束及び制御磁束の磁束分布が、少なくとも正弦形状に近似するように選ばれる。
２つの位相を有する軸受駆動装置のために、第１の位相の部分巻線の巻数は与えられた巻線数Ｎ1又はＮ2に巻線位置の電気角ａｌｐｈａと極対数ｐの積の余弦を掛けたもの、即ちそれは駆動巻線に対しては（Ｎ1×ＣＯＳ（ｐ ａｌｐｈａ）であり、制御巻線に対しては（Ｎ1×ＣＯＳ（（ｐ±１）ａｌｐｈａ）であり、第２位相のそれぞれの部分巻線の巻数は与えられた巻線数Ｎ1又はＮ2に巻線位置の電気角ａｌｐｈａと極対数ｐの積の正弦を掛けたもの、即ちそれは駆動巻線に対しては（Ｎ2×ＳＩＮ（ｐ ａｌｐｈａ）であり、制御巻線に対しては（Ｎ2×ＳＩＮ（（ｐ±１）ａｌｐｈａ）である。
回転装置の共通の磁化されたヨークを用いるテンペルモータの駆動ステータは、ロータの回転軸方向に寺院の柱形状に配置される巻線から構成され、その際磁束は巻線端にて磁化されたヨークからロータに向かってコアのＬ形状を示す延長部分によって径方向に導かれる。それぞれのコアの有する巻線は、駆動巻線及び制御巻線のそれぞれの巻線束の部分巻線を有し、その際個々の巻線は巻数０を有することも可能であり、少なくとも正弦形状に近似される駆動磁束及び制御磁束の分布が、巻線数に比例して個々の巻線間に構成される。
複数の磁束を測定するために、磁束センサは回転装置において、ステータ及びロータとの間のエアギャップ内又は巻線コア内に設けられる。これらの磁束は非接触構造の軸受を有するモータの駆動装置及び位置制御装置に被測定磁束を伝達する手段を用いて伝達される。
回転装置において、ロータ位置は磁束センサを介して駆動ロータの回転平面におけるｘ軸方向及びｙ軸方向のそれぞれの半分の領域及びそれぞれの反対方向のそれぞれの領域において、測定された部分磁束の和、即ちｘ軸の正方向及びその反対方向の磁束成分、同様にｙ軸の正方向及びその反対方向の磁束成分の和及び差を通して測定される。駆動ロータの角度及び駆動磁束角のいずれか一方は部分磁束から測定され得る。回転装置において、渦電流式距離測定センサは個々スロットの中に又は駆動ステータのコアの間に設けられ、駆動ロータ内の導電性の層までの距離をロータ平面内（ｘｙ−平面）において測定する。
その種の渦電流式距離測定センサは金属リング、薄い金属層又は駆動ロータ磁石である導電性の磁石材料から構成される。
ｘ軸方向及びｙ軸方向において、それぞれ２個の対向して配置される距離測定センサが使用され、駆動ロータの位置座標はロータ平面（ＸＹ−平面）において、対向位置にあるセンサの出力信号の差から測定され得る。センサ巻線が回転装置の駆動ステータに駆動巻線及び制御巻線に更に追加される。
回転装置の駆動ロータ及び被動ロータ、即ち一体型ロータは回転軸方向の位置は、回転軸方向の追加巻線内に磁化電流を流すことによって安定して制御される。回転装置において、駆動ステータ及び一体型ロータとの間にスプリットチューブが設けられる。
回転装置を有する装置は、例えば回転式ポンプであり、特に血液を送るためのポンプ、攪拌機、ターボ装置、回転軸、遠心分離器又はギャレット（Ｇａｌｅｔｔｅ）であり得る。回転式ポンプは、例えば軸流ポンプ、遠心ポンプ、サイドチャネルポンプ、ペリフェラルポンプ又はテスラポンプであり得る。回転式ポンプとして構成される回転装置は、密閉されたポンプハウジングを有し、これは一体型ロータを含む。一体型ロータはモータの駆動ロータ及びポンプの被動ロータを有する。ポンプハウジングは、効果的には回転軸方向の少なくとも一方の側において駆動ステータの周囲に、ロータを取り外すための空間を有する。
その種の軸流ポンプとして構成される回転装置は、リング形状を有する駆動ロータを有し、駆動ロータは軸流ポンプの羽根車をリング形状に包囲する（中空軸ロータ）。
その種の軸流ポンプとして構成される回転装置において、ポンプハウジングは一方の側において流入口、また他方の側において流出口を有する。これらの出入り口を介してポンプは搬送経路内に配置され、ポンプベーンを備えるポンプハウジングが、効果的にはホース形状を有する連結機構によってステータから取り外し可能となる利点を有する。
回転装置は遠心ポンプとしても構成され、羽根車の内部にリング形状又は板形状を有する駆動ロータを設け、効果的には化学合成樹脂を用いて組み込まれるか、又は羽根車に取り付けられる。
回転式ポンプとして構成される回転装置において、回転軸方向のロータ位置信号又は制御装置の制御信号はロータを安定させるために、及びポンプ圧を測定するための利用される。
回転式ポンプとして構成される回転装置において、液体のポンプからの流量を測定するための手段は、回転軸方向のロータ位置信号、ロータの回転数及び駆動電流による回転モーメント（Ｑ−成分）を作る成分からなる。
遠心ポンプとして構成される回転装置において、ポンプハウジングは回転軸方向の両側にそれぞれ１個の流入口及び２個の流出口を有する。
本発明に基づく回転装置において、駆動ロータの回転軸方向の長さは、効果的にはこのロータの直径より短いか、又は直径の半分であり得る。
本発明は液体を搬送するための回転式ポンプに関する。このポンプは密閉されたポンプハウジングと、流体のための少なくとも１つの流入口、流出口及びポンプロータを有する。このポンプロータは磁気軸受及び非接触構造を有する電気駆動装置によって駆動され、磁気軸受け及び非接触構造を有する電気駆動装置は、共通の軸受／駆動ロータを備える非接触構造の軸受を有する回転磁界式モータを構成する。この非接触構造の軸受を有する回転磁界式モータは、一体型ロータ（１４）としてのポンプロータを用いて実現されている。非接触構造の軸受を有する回転磁界式モータは、極対数ｐを有する駆動巻線及び極対数ｐ＋１又は極対数ｐ−１を有する制御巻線を有する。従って、一体型ロータ（１４）の回転は駆動巻線を用いて回転軸の周りに制御され、一体型ロータ（１４）の位置は回転軸（３）に対して垂直に延びる平面（Ｘ−Ｙ）内にて制御巻線を用いて制御される。また、一体型ロータ（１４）の位置は回転軸（Ｚ）に沿って安定しており、前記平面（Ｘ−Ｙ）に対する傾きは磁気抵抗力によって安定している。回転式ポンプはポンプハウジング８及びその内部に一体型ロータ（１４）を有する。一体型ロータ（１４）は外部から容易に取り付け及び取り外し可能である。
回転式ポンプの一体型ロータ１４はリング形状を有するロータ盤１６を備え、この内部に電磁誘導作用を有する構成要素２６、２８、３０が含まれる。ロータベーン１８、１９はこれらの構成要素に固定される。ポンプロータ及び電磁誘導作用を有する構成要素２６、２８、３０は、ロータ盤１６の内部の互いに溶接された構成要素内に埋め込まれるか、又は係合される。搬送される液体によって接触するポンプハウジング８及び一体型ロータ１４の面は、化学合成樹脂から構成される。
ポンプハウジング８は、更に回転軸方向の流入口１１を有し、第１の流入口１０に対して向かい合っている。ポンプハウジング８は、更に近くに径方向の流出口１３を有する。この流出口１３は第１の流出口１２に対してポンプハウジングの中心に対して対称に配置される。回転式ポンプは軸流ポンプとしても構成され得る（図９）。ロータベーン１８は羽根車２４の翼として構成され、羽根車はリング形状を有するロータ盤１６の中心の空間に配置される。
図１１に示す回転式ポンプは遠心ポンプとしても構成される。ロータベーン１８は、回転式ポンプの場合に、ロータ盤１６の平面に取り付けられる。このロータベーン１８、１９はロータ盤１６の上下両面に設けられる。
回転式ポンプにおける回転磁界式モータの軸受／駆動ステータは、一体型ロータ１４の周りに配置され、共通のヨークを備える複数の縦長のコア３４を有する。その際、それぞれのコア３４は極対数ｐを備える駆動巻線である巻線束の部分巻線及び極対数ｐ＋１又は極対数ｐ−１を備える制御巻線である巻線束の部分巻線を有する。駆動磁束及び制御磁束の正弦形状を有する分布は、巻線数に比例して近似される。その際、部分巻線の１つは巻線数０を有することも可能である。
回転式ポンプのコア３４は一体型ロータの回転軸３に対して径方向に設けられ、コア３４及びヨークは一つのユニットを構成し、このユニットは細長い溝を有する個々の金属板を積み重ねて構成されている。コア３５はＬ形状を有し、その一辺３５ａは一体型ロータ１４の回転軸３に対して平行に設けられ、他辺３５ｂは一体型ロータ１４に磁束を放射状に案内するために、一体型ロータ１４の回転軸３に対して内部へ放射状に指向している。
回転磁界式モータは同期モータでもあり得、これらはリラクタンスモータ又は永久磁石同期モータである。
回転式ポンプにおいて、磁束を伝達するために、少なくとも１個の装置が設けられ、これを通して非接触構造の軸受を有するモータの駆動制御のために必要な駆動磁束角が測定可能である。この装置は少なくとも１個の磁束センサ５０ｘ，５０ｙ，５１ｘ，５１ｙ，５０ａ〜５０ｉを有する。更に、回転式ポンプは一体型ロータ１４の位置を測定する検出装置も有し得る。この検出装置は一体型ロータ（１４）の位置をＸ軸及びＹ軸に沿って測定するためにＸ−Ｙ検出装置を有する。Ｘ−Ｙ検出装置は少なくとも１個の磁束センサ５０ｘ，５０ｙ，５１ｘ，５１ｙ，５０ａ〜５０ｉを有する。
複数の対称に配置される磁束センサ５０ｘ，５０ｙ，５１ｘ，５１ｙ，５０ａ〜５０ｉが個々の位置にて部分磁束を測定するために設けられる。一体型ロータ（１４）のＸ座標及びＹ座標が、磁束センサを介して駆動ロータの回転平面におけるＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの半分の領域及びそれぞれの反対方向のそれぞれの順域において測定された部分磁束の和、即ちＸ軸の正方向及びその反対方向の磁束成分、同様にＹ軸の正方向及びその反対方向の磁束成分の和及び差を通して測定される。
少なくとも１個の磁束センサ５０ｘ，５０ｙ，５１ｘ，５１ｙ，５０ａ〜５０ｉはモータハウジング８及び軸受／駆動ステータとの間に設けられ、その際少なくとも１個の磁束センサ５０ｘ，５０ｙ，５１ｘ，５１ｙ，５０ａ〜５０ｉはコア３４，３５の内部に設けられる。少なくとも１個の磁束センサはホール素子を有する。少なくとも１個の磁束センサは磁気抵抗を有する磁束センサでもあり得る。
少なくとも１個の磁束センサは回転式モータのステータの歯部上に固定される。少なくとも１個の磁束センサは回転式モータのステータの歯部の延長上に埋め込まれる。Ｘ−Ｙ検出器は少なくとも渦電流式距離センサを有し、Ｘ−Ｙ平面内に位置する一体型ロータ内の導電性の層までの距離を測定する。
導電性の層３０は金属リング、薄い金属層又は導電性の金属、例えばネオジウム鉄を用いて製造された永久磁石２８から構成される。
回転式ポンプにおいて、Ｘ−Ｙロータ平面内の一体型ロータの位置座標を対向して配置される渦電流式距離測定センサのセンサ信号の差から得るために、Ｘ軸及びＹ軸方向にそれぞれ互いに向かい合い、センサ信号を伝達する渦電流式距離測定センサが設けられる。
Ｘ−Ｙ検出器はセンサ巻線を有し、センサ巻線はセンサ巻線の電気的インピーダンスを測定することによって一体型ロータ１４の位置を得るために、回転磁界式モータのステータ内の駆動巻線及び制御巻線に追加される。
Ｘ−Ｙ検出器は光学的装置をも含み得、光を用いて一体型ロータの位置を得る。
この光の波長は液体を透過する領域ものを使用する。この検出装置は一体型ロータの回転軸方向の位置を測定し、Ｚ位置信号を伝達するためのＺ検出器をも有する。
Ｚ位置信号は一体型ロータの回転軸方向の位置を制御技術を安定させるための制御信号を伝達するための測定値である。一体型ロータの回転軸方向の位置を制御技術上安定させるために、磁化電流が磁束方向に電流要素を用いて駆動巻線内に流される。
更に、一体型ロータのＺ位置信号及び回転数、駆動電流による回転モーメントを作る成分から流量を測定するための流量測定装置が設けられる。
磁気軸受を有する電磁式回転装置において、回転駆動装置のステータは装置全体に対するロータの磁気軸受としても構成され、ロータを駆動するための駆動回転磁界を生成するために、極対数ｐを備える駆動巻線を有するステータ部を有する。更に、回転駆動装置は極対数ｐ＋１又は極対数ｐ−１を有する軸受磁界を生成するために、及び一つの平面内にて軸受磁界を制御するために軸受巻線を有する。また、これらは回転軸に垂直な平面内において、ロータの位置を測定するために使用される。このステータ及びロータはロータが復元力及び磁気抵抗力によって任意の位置で安定するように構成される。
電磁式回転駆動装置において、ステータは駆動されるべき装置の一部分を用いて永久磁石同期モータ又はリラクタンスモータを構成する。
電磁誘導を用いる回転駆動装置は極対数２ｐを有しても構成され得、ロータは例えばリング形状、板形状、皿形状を有する永久磁石として構成され、またヨーク及び回転部分としての十字形状の鉄板を用いて、又はそれらを用いないでも構成され得る。その種の電磁誘導を用いる回転駆動装置において、ロータを有する駆動されるべき装置は、ユニットとして構成され、このユニットはステータから取り外し可能である。
電磁誘導を用いる回転駆動装置において、駆動磁束及び軸受磁束の分布は個々の部分巻線の巻線数に比例して近似され得る。
ステータはロータの周りに径方向に設けられ、共通のヨークを備える巻線から構成され、コアは駆動巻線及び制御巻線のそれぞれの巻線に設けられる。
ステータは回転軸方向のロータと関連して、共通の磁化されたヨークを有する寺院の柱形状をなして設けられる巻線から構成され、そのコアはＬ字形状を有し、ロータに向かって径方向に指向しており、その際寺院の柱形状を成して設けられる巻線は、駆動巻線及び制御巻線の部分巻線である。
電磁誘導を用いる回転駆動装置において、ホール素子又は磁気抵抗素子のような１個又は複数のセンサがステータ及びロータとの間のエアギャップ内に磁束又は部分磁束を測定するために設けられるか、又は渦電流式距離測定センサが設けられる。従って、非接触構造の軸受を有するモータの駆動磁束角を測定し、駆動制御及び位置制御のための測定値がそれらから供給される。
ロータの位置は、その種の電磁誘導を用いる回転装置において、ステータ内のセンサ巻線のインピーダンスを測定することを利用して超音波エコグラフィを用いて、又は光学的に測定され得る。
回転駆動装置のロータの回転軸方向の位置は駆動巻線内に磁化電流を流すことによって、又はロータの片側に回転軸方向に巻線を追加することによって制御され、安定化される。
電磁誘導を用いる回転駆動装置は、ラジアルポンプ、軸流ポンプ、遠心ポンプ、テスラポンプ、ミキサ又は攪拌機のための駆動装置として適する。その際、ポンプロータ、ミキサ又は攪拌機及びモータのロータは化学合成樹脂を用いて被覆される。
電磁誘導を用いる回転駆動装置が、ポンプの駆動装置として使用される場合、ポンプ圧力は回転軸方向のロータ位置信号又は回転軸方向の安定化に必要な制御信号から測定される。回転軸方向のロータ位置信号又はロータの回転信号及び駆動電流の回転モーメントを作る成分（Ｑ−成分）からポンプの流量は測定される。
この種の電磁誘導を用いる回転駆動装置は、血液をポンピングするための回転式ポンプを駆動するために適する。そのような血液ポンプは、例えば手術に使用される。本発明に基づく電磁誘導を用いる回転装置において、駆動ロータの回転軸方向の長さは、効果的にはロータの直径より短いか、又は半分の長さに等しい。
本発明に基づく回転装置は小型化が可能であり、例えば動物又は人間のための移植可能な血液ポンプとして実現される。
回転装置は被動ロータ２及びステータ４を備える電気モータ４，１４及び駆動ロータを有する。ステータ４は駆動ロータ１４のための磁気軸受４，１４としても構成される。電気モータ４，１４の駆動ロータ１４は回転装置の駆動ロータを用いてロータユニット２，１４を構成する。即ち、この両ロータ２，１４は一体型ロータ２，１４を構成する。この回転装置は例えば回転式ポンプ、遠心ポンプ、遠心分離器又は攪拌機である。ロータ２，１４はステータ４から容易に取り外し可能に構成される。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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