(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベアリングレス・モータを有するロータリー・ポンプであって、
入口、出口、及びそれらの間に設けられ、前記入口から供給された流体を前記出口へと排出するための通路を形成するハウジング（９）と、
前記ハウジング（９）の外周に沿って設けられ、電気巻線（８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈ）により巻き付けられる複数の磁性体からなる歯（７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈ）を有する固定子（７）と、
前記通路において前記ハウジング（９）の内側に収容され、前記通路内で回転軸（Ａ）を中心に回転すると共に、前記入口から供給された流体を前記出口へと排出する流体ブレード（１ｂ）を含む回転子（２）と、
前記回転子（２）は、磁気的に有効な受動回転子部（１）を有することと、
前記回転子（２）を回転させる回転磁界と、前記回転軸（Ａ）に対する基準面において前記固定子（７）に対する前記受動回転子部（１）の位置を制御する制御磁界とを形成する前記電気巻線用の制御機器とを備え、
前記回転子（２）が前記回転軸（Ａ）に沿って変位したり、同回転軸（Ａ）の基準面に対し傾斜したりしないように、前記受動回転子部（１）は、磁気伝導性である前記固定子（７）の歯に対し受動的に作用する磁気誘引力を有するロータリー・ポンプにおいて、
そのポンプは、前記回転子を回転させる回転磁界と、前記回転軸に対する基準面において前記固定子に対する前記受動回転子部の位置を制御する制御磁界とを形成するため、前記電気巻線を有する固定子を一つだけ備えているロータリー・ポンプ。
【請求項２】
前記回転子部（１）は高さ（ＨＲ）を有し、前記固定子の歯（７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈ）は前記回転軸（Ａ）の軸線に沿って延びる高さを有し、前記回転子部（１）の高さは、前記歯（７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈ）の高さに等しいかまたはほぼ等しく、前記回転子部（１）の直径は、同回転子部（１）の高さの少なくとも２倍の大きさを有する請求項１に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項３】
前記回転子部（１）は円盤体または環状体として形成されている請求項１または２に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項４】
前記回転子部（１）は星形体として形成されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項５】
前記回転子部（１）は永久磁石からなるか、または永久磁石を含む請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項６】
前記回転子部（１）は短絡巻線またはケージ型回転子を含む請求項１乃至５のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項７】
前記回転子部（１）は回転子ジャケット（１ａ）によって取り囲まれ、前記回転子ジャケット（１ａ）は非強磁性体材料、特に、プラスチック、金属、セラミックまたは生体適合材料からなる請求項１乃至６のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項８】
前記制御機器は、リラクタンス・モータ、シンクロナス・モータまたはインダクション・モータの回転のため、前記固定子（７）の複数の歯の内側で回転磁界を形成するため、複数の電気巻線（８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈ）を制御する請求項１乃至７のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項９】
前記固定子（７）は極対数ｐの駆動巻線（ＷＡ）と、極対数ｐ＋１またはｐ−１の制御巻線（ＷＳ）とを有する請求項８に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項１０】
軸線方向（Ａ）に沿って前記回転子（２）の少なくとも一方の側面に続いて設けられた緊急ベアリング位置（９ｂ）を有する請求項１乃至９のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項１１】
前記回転子（２）と前記ハウジング（９）とにより通路を形成し、その通路は、前記回転子（２）に流体圧を作用させる流体力学的ベアリングを形成する請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項１２】
前記回転子（２）は、段差を含むステップ軸受を形成する少なくとも１つの螺旋溝を、前記ハウジング（９）へ配向されたその表面上に有する請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項１３】
前記ロータリー・ポンプ（３）は軸流ポンプ（３ａ）として形成され、前記回転子部（１）は凹部をその回転中心に有し、軸流型インペラー（２ａ）として形成された回転子（２）の複数のブレード（１ｂ）を前記凹部内に配置した請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項１４】
前記複数のブレード（１ｂ）は軸線方向（Ａ）に沿って回転子ジャケット（１ａ）を超えて延出している請求項１３に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項１５】
前記ロータリー・ポンプ（３）は軸流ポンプ（３ａ）として形成され、前記回転子（２）は回転子部（１）のみによって構成され、前記回転子部（１）は軸流型インペラー（２ａ）の複数のブレード（１ｂ）をさらに形成している請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項１６】
前記ロータリー・ポンプ（３）は遠心ポンプ（３ｂ）として形成され、前記回転子（２）は遠心インペラー（２ｂ）として形成され、かつ軸線方向（Ａ）に沿って延出する複数のブレード（１ｂ）をその少なくとも一方の側面に有する請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項１７】
実質的に前記回転軸（Ａ）の軸線に沿って作用する力をポンプ駆動中に遠心インペラー（２ｂ）上に形成すべく、前記ハウジング（９）の内壁及び遠心インペラー（２ｂ）の少なくともいずれか一方は、前記流体の流れに影響を及ぼす構成要素（１００ａ，１００ｂ，１０４，１０５，１０３ｆ，１１，１ｋ）を有する請求項１６に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項１８】
内部遠心インペラー（２ｂ）を備えたハウジング（９）は固定子（７）内へ少なくとも部分的に挿入可能であって、かつ再び取外し得る請求項１６または１７に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項１９】
前記ロータリー・ポンプ（３）は、固定された少なくとも１つの別の永久磁石（８０ａ，８０ｄ）を有し、それらは、前記回転子部（１）に作用する反発力を形成すべく、前記回転子部（１）の少なくとも１つの永久磁石（８０ｂ，８０ｃ）に対し分極されている請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のロータリー・ポンプ。
【請求項２０】
ベアリングレス・モータを有するロータリー・ポンプの制御方法であって、
入口、出口、及びそれらの間に設けられ、前記入口から供給された流体を前記出口へと排出するための通路を形成するハウジング（９）を提供するステップと、
前記ハウジング（９）の外周に沿って固定子（７）を一つだけ提供するステップであって、前記固定子（７）は、電気巻線（８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈ）により巻き付けられる複数の磁性体からなる歯（７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈ）を有するステップと、
前記通路において前記ハウジング（９）の内側に収容され、前記通路内で回転軸（Ａ）を中心に回転すると共に、前記入口から供給された流体を前記出口へと排出する流体ブレード（１ｂ）を含む回転子（２）を提供するステップと、
前記回転子（２）は、磁気的に有効な受動回転子部（１）を有することと、
前記回転子（２）を回転させる回転磁界を形成するため、前記電気巻線を制御するステップと、
前記回転軸（Ａ）に対する基準面において前記固定子（７）に対する前記受動回転子部（１）の位置を制御する制御磁界を形成するため、前記電気巻線を制御するステップと、
前記回転子（２）が前記回転軸（Ａ）に沿って変位したり、同回転軸（Ａ）の基準面に対し傾斜したりしないように、前記受動回転子部（１）に対し、磁気伝導性である前記固定子（７）の歯に対し受動的に作用する磁気誘引力を提供するステップと
を備えるロータリー・ポンプの制御方法。
【請求項２１】
前記回転子（２）を毎分回転数で駆動し、前記毎分回転数は予め設定可能であって、かつ一定または経時変化可能であり、特に、同経時変化は流体を律動で圧出すべく実施される請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
値、特に血圧等の生物学的値をセンサ（１５ａ）で検出し、予め設定可能な毎分回転数または予め設定可能な毎分回転数曲線を使用することによって、ロータリー・ポンプ（３，３ａ，３ｂ）の毎分回転数を前記検出された値に基づいて制御する請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ロータリー・ポンプ（３，３ａ，３ｂ）を血液ポンプとして駆動し、単位時間あたりに圧出する血液の体積は、予め設定可能な曲線、特に、心臓によって単位時間あたりに自然に圧出される血液の体積を示す曲線に従う請求項２０乃至２２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は請求項１の前提部分に開示するロータリー・ポンプと、請求項２２の前提部分に開示するロータリー・ポンプの駆動方法とに関する。
軸流ポンプまたは遠心ポンプ等の従来の複数のロータリー・ポンプは回転子を有し、同回転子は機械的ベアリング装置内に回転可能に装着されている。この種のロータリー・ポンプは問題点を有し、同問題点は潤滑剤による圧出流体の汚染、またはベアリング装置若しくは回転子の機械的摩耗を含む。従って、この種のポンプは汚染の許されない流体の圧出には不適切である。例えば、この種の流体は超純水または血液を含む。更に、この種のロータリー・ポンプは攻撃性の高い流体の圧出には不適切である。これは同流体がベアリング装置を短時間で破壊し得ることに起因する。
本発明の目的は更に経済性の高いロータリー・ポンプを提供することにある。
本発明の目的は請求項１の特徴部分に開示するロータリー・ポンプによって達成される。従属請求項２乃至１９はロータリー・ポンプの別の効果的なデザインに関する。更に、本発明の目的は請求項２０に開示するロータリー・ポンプのためのロータリー・ポンプ部によって達成される。本発明の目的は請求項２２の特徴部分に開示する本発明のロータリー・ポンプの駆動方法によって達成される。従属請求項２３乃至２５はロータリー・ポンプを駆動するための別の効果的な方法の工程に関する。
本発明の目的は回転子を有するロータリー・ポンプによって達成され、同回転子は磁気的に作用する力によってロータリー・ポンプのハウジング内に無接触で装着され、かつ駆動される。本発明の１つの効果としては、ハウジングが同ハウジングの外側に位置する制御可能な電磁石と、ハウジング内を流動する流体とを密閉性を維持した状態で分離できる点が挙げられる。ハウジングは開口を有さない。更に、回転子はハウジング内に無接触で装着されている。従って、潤滑剤を必要とせず、かつベアリング装置による摩損が生じない。
本発明はハウジングと、同ハウジング内に配置された回転軸を有するインペラーとを含むロータリー・ポンプによって特に実現され、インペラーは磁気的に有効な受動回転子部を有し、ハウジングは固定子によって取り囲まれ、同固定子は複数の電気コイル及び歯を有し、同複数の電気コイル及び歯は固定子及び回転子部がベアリングレス・モータとして互いに協働するように配置及び形成され、かつ制御される。
ベアリングレス・モータの使用は３自由度での回転子部の能動的制御を可能にし、かつ回転子部の位置を回転軸に直交する平面内においてｘ方向及びｙ方向にそれぞれ決定することを可能にする。更に、同ベアリングレス・モータの使用は回転子部に対して周方向に作用するトルクを対応する電気コイルの制御を通じて予め決定可能にする。
本発明の特に効果的な実施の形態では、回転子を駆動可能な安定した無接触の浮動状態でハウジング内に装着する。これを実現するために、受動的に作用する磁気抵抗力によって、回転子部を非能動的制御可能な別の３自由度で固定子内に保持可能にすべく、回転子部及び固定子の複数の歯は互いに幾何学的に適合する形状を有し、かつ配置されている。この構成の１つの効果としては、回転軸に直交する平面に対する回転子の位置を能動的に制御し得る点と、制御可能なトルクが回転子に作用し得る点と、前記の別の３自由度での回転子の位置が受動的に作用する磁力によって固定子内の安定位置に維持される点とが挙げられる。
本発明のロータリー・ポンプは軸流ポンプまたは遠心ポンプとして形成することが好ましく、回転子は軸流ポンプの軸流型インペラーまたは遠心ポンプの遠心インペラーとして形成されている。
軸流型インペラーとして形成された回転子は、圧出する流体に対して軸線方向に作用するスラストを形成する。遠心インペラーとして形成された回転子はポンプ駆動中に軸線方向に作用する力を同様に形成する。軸流型インペラーまたは遠心インペラーの部品である磁気的に有効な回転子部は、受動的に作用する磁力のみによって回転軸の方向、即ち軸線方向に保持されている。
従って、ロータリー・ポンプを駆動する十分な大きさを有する受動的に作用する磁力を回転子に作用させるべく、固定子及び回転子部はそれぞれ形成されている。これは回転子部及び固定子部の磁気的に有効な部品の適切なデザイン及び幾何学的配置によって達成可能である。例えば、固定子部の複数の歯の軸線方向における高さを回転子部の軸線方向における高さとほぼ同じとし、回転子部の直径を軸線方向における同回転子部の高さの少なくとも２倍の大きさとする。軸線方向に受動的に作用する磁力は永久磁石による固定子及び回転子部のプレテンショニングによって増大し得る。軸線方向におけるベアリング力は流体力学的に作用するベアリング等の別のベアリング装置によって増大し得る。更に、軸線方向に作用する機械的ベアリング装置を提供することは効果的である。同機械的ベアリング装置は非常に大きな軸方向の力が作用した際に回転子部を特定の位置へ保持する緊急ベアリング装置として機能する。
“ベアリングレス・モータ”という用語は電気制御可能なベアリング及び駆動装置を意味し、同装置は回転子と、複数の電磁コイルを有する固定子とを含む。ベアリングレス・モータの回転子はシンクロナス・モータ、リラクタンス・モータまたはインダクション・モータの駆動原理などの従来の電気機械の原理に基づいて駆動可能である。磁気的に作用する力によって、ベアリングレス・モータの回転子は固定子内に配置され、かつその回転軸に直交する平面内において無接触で保持される。回転子の回転軸に直交する平面内における同回転子の位置を能動的に変更すべく、複数の電磁コイルを制御できる。回転子の位置はセンサによって監視され、電磁コイルは適切な制御装置によって調整可能に制御される。同制御は固定子内の回転子をその回転軸に直交する平面内に無接触で保持すべく実施される。更に、回転子をその回転軸の周りで回転させるべく、固定子の電磁コイルを適切に制御することにより、回転子に作用するトルクを形成し得る。従って、この種のベアリングレス・モータは回転子を３自由度で能動的に制御する。換言するならば、同ベアリングレス・モータは回転子のｘ方向の位置、ｙ方向の位置及びその軸線の周方向の位置を能動的に制御する。これらの特徴を有するベアリングレス・モータは各種の形態で形成し得る。
例えば、ベアリングレス・モータはリラクタンス・モータとして形成可能である。この場合、例えば、回転子は十字状をなし、固定子はそれぞれ独立した電気的制御が可能な複数のコイルを有する。同複数のコイルは半径方向に沿って延び、かつ周方向に沿って回転子の周りに取付けられている。回転子を回転軸に直交する平面に対して懸架すべく複数のコイルを制御し得る。更に、複数のコイルによって形成された回転磁界を使用することによって、回転子をその回転軸の周りで回転させるべく同回転子を駆動できる。
例えば、ベアリングレス・モータはシンクロナス・モータ同様に形成可能である。更に、同ベアリングレス・モータは半径方向に沿って延びる永久磁石を有する回転子と、回転子を駆動する回転磁界を形成するための回転磁界巻線（駆動巻線とも称される）を備えた固定子とを有する。これにより、回転子はその回転軸の周りで回転する。更に、回転軸に直交する平面内における回転子の位置を制御すべく、固定子は制御巻線を有する。回転子または磁束の位置はセンサによって検出され、制御巻線は制御装置によって制御される。回転子を固定子内において同固定子の軸線に直交する平面内に無接触で保持するように前記の制御は実施される。１つの実施の形態において、この種のベアリングレス・モータは極対数ｐの駆動巻線と、極対数ｐ＋１またはｐ−１の制御巻線とを有する。
軸流ポンプまたは遠心ポンプとして形成された本発明のロータリー・ポンプは高純度の攻撃性または爆発性を有する有害流体及び液体の圧出に特に適する。本発明のロータリー・ポンプは人体の外側または内側で動作する血液ポンプとしても適する。
本発明のロータリー・ポンプの１つの効果としては、無接触での装着により、回転子を非常に高い毎分回転数（ｒｐｍ）で駆動できる点が挙げられる。この結果、ロータリー・ポンプは非常に小さなサイズであっても高い圧出能力を有する。本発明のロータリー・ポンプの別の効果としては、回転子を経時変化する毎分回転数で駆動でき、かつ流体を律動で圧出できる点が挙げられる。回転子の毎分回転数は停止位置及び非常に高い毎分回転数の間で自由に制御できる。この結果、ロータリー・ポンプは圧出量に関する高いダイナミクスを示し、少量または大量の流体を圧出でき、流体を所定の単位時間流量にて特に律動で圧出できる。
本発明を複数の実施の形態に関連して以下に詳述する。
図１は軸流ポンプの縦断面図である。
図１ａは軸流ポンプまたは遠心ポンプの固定子と、磁気的に有効な回転子部とを破断して示す部分斜視図である。
図１ｂ、図１ｃ及び図１ｄは軸流ポンプまたは遠心ポンプの固定子に対する磁気的に有効な回転子部の複数の位置を示す縦断面図である。
図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図２ｄ、図２ｅ、図２ｆ、図２ｇ及び図２ｈは異なる複数の磁気的に活性な回転子部を示す図である。
図３ａは図３ｂのＡ−Ａ線における軸流型インペラーの断面図である。
図３ｂは図３ａに示す軸流型インペラーの平面図である。
図３ｃは図３ａのＢ−Ｂ線における軸流型インペラーの横断面図である。
図４ａ、図４ｂ、図４ｄ及び図４ｅは軸流ポンプまたは遠心ポンプのための固定子の複数の例を示す図である。
図４ｆ及び図４ｇは単極ベアリング（Unipolarlager）を有する固定子のための回転子の複数の例を示す図である。
図４ｈ及び図４ｉは３相の駆動巻線または制御巻線のワインディング図である。
図５ａは軸流ポンプの流体力学的に作用するベアリング装置と、制御装置とを示す図である。
図６ａはリラクタンス・ロータとして形成された軸流型インペラーの斜視図である。
図６ｂはリラクタンス・モータを有する軸流ポンプの縦断面図である。
図６ｃは図６ｂのＣ−Ｃ線におけるリラクタンス・モータの断面図である。
図６ｄ、図６ｅ、図６ｆ、図６ｇ及び図６ｈは軸流型インペラー及びリラクタンス・ロータの複数の例を示す横断面図である。
図７は軸流ポンプまたは遠心ポンプの固定子の平面図である。
図７ａ、図７ｂ及び図７ｃは図７の固定子のコイルの制御の例を示す図である。
図８ａは図８ｂのＢ−Ｂ線における遠心ポンプの縦断面図である。
図８ｂは図８ａのＡ−Ａ線における遠心ポンプの横断面図である。
図８ｉはハウジング及び回転子の間で形成される流体圧力のプロフィールを示すグラフである。
図８ｃ〜図８ｈは別の実施の形態に基づく遠心ポンプ部を示す図である。
図８ｋはテンプル・モータ（Tempelmotor）として形成された固定子を有する遠心ポンプを示す斜視図である。
図９は磁気的に有効な回転子部の縦断面図である。
図１０ａ、図１０ｂ、図１１ａ、図１１ｂ、図１３ａ及び図１３ｂは円盤状に形成された回転子部の平面図及び側面図である。
図１４ａは永久磁石を使用した軸方向スラストの磁気的に有効な補償を実施するための遠心ポンプの縦断面図である。
図１４ｂは永久磁石を使用した軸方向スラストの磁気的に有効な補償を実施する軸流ポンプの縦断面図である。
図１は複数のくびれ９ａ，９ｂを有するハウジング部９を備えた軸流ポンプ３ａとして形成された本発明のロータリー・ポンプ３の縦断面図である。ハウジング９を周方向に沿って取り囲む固定子７はハウジング９の外側に配置されている。そして、固定子７は半径方向に沿って延びる複数の歯７ｂ，７ｆを有する。ハウジング９の一部を複数の歯７ｂ，７ｆの先端と、ハウジング９の内部空間との間に配置すべく、複数の歯７ｂ，７ｆの先端はハウジング９のジャケットの内部に配置されている。この結果、ハウジング９の内部空間は固定子７から完全に分離されている。複数の歯７ｂ，７ｆを有する固定子７は強磁性体材料から形成されている。複数のコイル８ｂが複数の歯７ｂ，７ｆの周囲に巻付けられており、巻線８の概略のみを図示する。軸流型ホイール（軸流型インペラーとも称する）２ａとして形成された回転子２がハウジング９の内部に配置されている。本実施の形態における軸流型インペラー２ａは半径方向へ磁化された環状永久磁石１からなる。環状永久磁石１はプラスチックからなる回転子ジャケット１ａによって取り囲まれている。流体力学的に活性な複数のブレード１ｂと、軸流型インペラー２ａに対して軸線方向Ａに沿って延びる中央部１ｃとが磁気的に有効な回転子部１の環状凹部内に設けられている。複数のブレード１ｂは軸線方向Ａに沿って回転子ジャケット１ａを超えて延出し、さらには固定子７に面する回転子ジャケット１ａの外面まで延びている。複数のブレード１ｂは中央部１ｃと協働して軸流の形成に効果的なインペラーを形成している。高いポンピング・パワーを形成すべく、同インペラーは可能な限り大きい直径を有する。複数のブレード１ｂは回転子部１の内径部内を通り、かつ図１に示すように軸線方向Ａに沿ってハウジング９の壁付近まで回転子ジャケット１ａを超えて延びている。この結果、ハウジング９の内径部のほぼ全ては、インペラーの配置及び流体の圧出の少なくともいずれか一方に使用される。回転子ジャケット１ａ、複数のブレード１ｂ、中央部１ｃ及びハウジング９はプラスチック、金属（例：チタン）、セラミックまたは生体適合材料（例：ポリカーボネート）等の非強磁性体材料から形成されている。軸流型インペラー２ａは磁気的に活性な回転子部１によってハウジング９内に無接触で保持されており、同保持は固定子７の磁気的に活性な力によって実現される。更に、インペラー２ａを駆動すべく回転子部１に作用するトルクは回転軸Ａの周りにおける回転子部１の回転を招来する。軸流型インペラー２ａ及び回転子部１の少なくともいずれか一方の位置を検出するための複数のセンサ１５（図１における図示略）が設けられている。無接触状態における回転子部１の位置または磁束を検出すべく、複数のセンサ１５をハウジング９の外側と、ハウジング９のジャケットの内側とのいずれか一方へ配置することが好ましい。渦電流センサと、誘電性センサと、永久磁石を有するホール素子（Hallelement）とはセンサ１５に適する。固定子７に設けられた複数の巻線８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆの適切な制御によって、軸流型インペラー２ａの位置は回転軸Ａにほぼ直交する平面内において無接触で制御できる。複数の巻線は極対数ｐの駆動巻���ＷＡと、極対数ｐ＋１またはｐ−１の制御巻線ＷＳとを含む。
図１ａは軸流ポンプ３ａまたは遠心ポンプ３ｂとして形成されたロータリー・ポンプ３の固定子７と、磁気的に活性な回転子部とを示す斜視図である。ハウジング９、回転子ジャケット１ａ及びブレード１ｂ等のロータリー・ポンプ３の磁気的に無効な部分は構成を理解し易くすべく図示していない。固定子７はアイロン・リターン（Rueckschlusseisen）７ｚとして形成された環状部を有する。半径方向に沿って延びる複数の歯７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆがアイロン・リターン７ｚに結合されている。アイロン・リターン７ｚ及び複数の歯７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆは強磁性体金属からなる。図２ａ及び図２ｂに示す磁気的に有効な回転子部１は半径方向へ分極された環状永久磁石からなる。複数のコイル８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆは互いに独立して制御し得る２つの部分巻線をそれぞれ有する。一方の部分巻線は極対数ｐの駆動巻線ＷＡとして形成され、他方の部分巻線は極対数ｐ＋１またはｐ−１の制御巻線ＷＳとして形成されている。図４ｂはこの種の巻線の詳細な構成を示す。駆動巻線ＷＡと、回転子１の磁気的に有効な部分とはシンクロナス機械と同様に互いに協働する。そして、回転磁界は固定子７内の２相をなす駆動巻線ＷＡによって形成され、回転子１は同回転磁界に追随する。従って、回転子１はその軸線Ａの周りで回転すべく駆動される。回転子１の位置はセンサ１５（図示略）によって検出される。駆動巻線ＷＡによって形成された磁界に関する３相の制御巻線ＷＳの制御は、回転子１を固定子７内において軸線Ａに直交する平面内においてｘ方向及びｙ方向に無接触で保持すべく実施される。従って、回転子１は３自由度で能動的に制御できる。換言するならば、回転子１のｘ方向の位置、ｙ方向の位置及びその軸線Ａの周方向の位置を能動的に制御できる。
図１ａを側面から見た図１ｂは複数の固定子歯７ｂ，７ｆ間の通常位置に配置された回転子１を示す。回転子部１は直径ＤＲ及び高さＨＲを有する。固定子歯７ｆ，７ｂは高さＨＳを回転子部１に面する側面上に有する。固定子歯７ｆ，７ｂ及び回転子１間の間隙は距離ＤＬを有する。図１ｃは通常位置からｚ方向へずれた回転子１を示す。永久磁石回転子１は磁界を形成し、同磁界は回転子１の内部から空隙を通って固定子歯７ｂまで延び、さらにはアイロン・リターン７ｚ、固定子歯７ｆ及び空隙を通って回転子１へ戻る。更に、全磁束の一部は複数の固定子歯７ｃ，７ｄ，７ｅを通過する。回転子１が通常位置からｚ方向へずれた際、永久磁石によるプレテンションが加わった磁束サーキットは受動的に作用する復元磁気抵抗力Ｆｔｏｔを形成する。復元磁気抵抗力Ｆｔｏｔはｚ方向に延びる成分Ｆｚと、ｘ方向に延びる成分Ｆｘとを有する。回転子１がｚ方向へずれた際、力成分Ｆｚはずれの方向とは反対方向へ作用し、かつ回転子１を通常位置へ戻す。このため、力成分Ｆｚは回転子１の位置を安定化する作用を有する。
図１ｄはｙ軸に対して傾斜した位置にある回転子１を示す。この位置において、受動的に作用する復元磁気抵抗力Ｆｔｏｔは傾斜方向とは反対方向へ作用するトルクを回転子１に対して加える。従って、復元力成分Ｆｚは回転子１の位置を安定化させる作用を有し、かつ回転子１を通常位置へ戻す。回転子１がｘ軸の周囲で傾斜した際、同様の復元作用が回転子１に加えられる。従って、受動的に作用する磁気抵抗力によって、回転子１の位置は３自由度、即ちｚ方向への平行移動と、ｘ軸及びｙ軸の周囲での傾斜とに関して安定化される。従って、回転子１は磁気的に作用する力によって固定子７内に無接触で装着され、かつモータによって軸線Ａの周りで駆動される。回転子１の位置の３自由度は制御可能であり、回転子１の位置の別の３自由度は受動的に作用する磁気抵抗力によって安定位置に維持される。これらの受動的に作用する磁気抵抗力を形成すべく、回転子部１と、固定子７の複数の歯７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆとを対応する幾何学パターンで相対的に形成し、かつ配置する必要がある。回転子１に面する複数の歯７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆの側面は高さＨＳをそれぞれ有し、同高さＨＳは好ましくは回転子部１の高さＨＲに等しいか、またはほぼ等しい。回転子部１の直径ＤＲは同回転子部１の高さＨＲの２倍を越す大きさを有する。固定子７及び回転子１の互いに適合した幾何学形状及び配置により、復元を招来する受動的に作用する磁気抵抗力の形成が可能である。これらの受動的に作用する磁気抵抗力は短い距離ＤＬによって増大可能であり、同距離ＤＬは図１に示すハウジング壁９及び回転子ジャケット１ａの厚さによって決定される。受動的に作用する磁気抵抗力は磁気サーキットの永久磁石によるプレテンショニングによっても増大できる。例えば、これは回転子部１を貫通する磁束を増大すべく固定子７内に配置された別のコイルまたは別の永久磁石を使用して実現し得る。
本発明の軸流ポンプ３ａでは、軸線方向、即ちｚ方向へ作用するスラストはフロー方向Ｆへ圧出される流体に作用する。軸流型インペラー２ａに対してｚ方向に加わるスラストは反対方向に作用する受動磁気抵抗力によって補償する必要がある。従って、ｚ方向に最大限で作用する受動磁気抵抗力Ｆｚを超す力が回転子部１へ加わった場合、同回転子部１は固定子７内での平衡状態を打ち破るため、同最大限の力Ｆｚは軸流ポンプ３ａの運転に重要である。回転子部１の平衡状態が打ち破られることを防止すべく、図１の実施の形態に示すハウジング９は軸線方向Ａにおける軸流型インペラー２ａの移動の自由を制限する複数のくびれ９ａ，９ｂを有する。軸流型インペラーがｚ方向へ大きくずれた場合、軸流型インペラー２ａは複数のくびれ９ａ，９ｂ付近でハウジング９に当接し得る。この結果、最大のずれは制限される。磁気的に有効な回転子部１は固定子７の磁気的に有効な範囲内に維持される。従って、軸流型インペラー２ａを磁気的に作用する力によって通常位置へ戻し得る。
平面図である図２ｅは２つの極対、即ち２つの南極Ｓ及び２つの北極Ｎを有する別の環状回転子部１を示す。図１ｆは２つの極対及び４つの極Ｓ，Ｎを有する図２ｅの回転子部の側面図である。図２ｃは環状アイロン・リターン１ｅに結合された４つのシェル・マグネット１ｄを有する回転子部１の別例を示し、回転子部１の外面、即ち４つのシェル・マグネット１ｄの外面は南極Ｓ及び北極Ｎを交番で形成している。図２ｄはシェル・マグネット１ｄ及びアイロン・リターン１ｅを有する図２ｃの回転子部１の中心付近における縦断面図である。
図３ａは図１の実施の形態に使用する軸流型インペラー２ａの縦断面図である。磁気的に有効な回転子部１は図２ａ及び図２ｂに示す永久磁石と同様の永久磁石として形成されている。回転子部１はジャケット１ａによって取り囲まれており、かつ中央部１ｃとともに複数のブレード１ｂを有する。複数のブレード１ｂは回転子部１に固着されている。複数のブレード１ｂは流体に対して軸線方向Ａに作用するスラストを形成すべく流体力学的に設計されている。図３ｂは図３ａの軸流型インペラー２ａの平面図であり、回転子ジャケット１ａと、複数のブレード１ｂの通路と、中央部１ｃとを視認できる。図３ｃは図３ａのＢ−Ｂ線における断面図である。磁気的に活性な回転子部１の環状通路と、リングの内側へ延びる複数のブレード１ｂと、中央部１ｃとを図３ｃにおいて確認可能である。
図４ｂは図１の実施の形態に基づく固定子７の巻線８の詳細を示す。回転磁界を形成する極対数１の２相の駆動巻線ＷＡ（巻線Ｗ１及びＷ２）と、ｘ方向及びｙ方向における回転子２の位置をそれぞれ制御するための極対数２の２相の制御巻線ＷＳ（巻線Ｗ３及びＷ４）とが固定子７の複数の歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈの表面に沿って配置されている。駆動巻線ＷＡは極対数ｐ＝１を有し、制御巻線ＷＳは極対数ｐ＝２を有する。Ｎｘｘは１つの実施の形態における各巻線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４の巻数を示し、Ｎ１１，Ｎ１２及びＮ１３並びにＮ１ｘは歯７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇまたは７ｈの周囲における巻線Ｗ１の巻数を示す。更に、Ｎ２ｘ、Ｎ３ｘ及びＮ４ｘは対応する歯の周囲における巻線Ｗ２、Ｗ３及びＷ４の巻数をそれぞれ示す。
図５ａの上部は図１及び図５ａの実施の形態に示す軸流ポンプ３ａとして形成されたロータリー・ポンプ３を制御するための制御装置６を示す。軸流型インペラー２ａの位置は歯７ｆの表面に配置したセンサ１５によって検出する。同センサ１５の信号は信号線４５ａを通じて信号評価装置４５へ供給される。信号評価装置４５は軸流型インペラー２を監視すべく別の複数のセンサ（図示略）からの信号を評価する。同別の複数のセンサ（図示略）からの信号はハウジング９内における軸流型インペラー２の位置及び毎分回転数を決定すべく複数の信号線４５ｂ，４５ｃ，４５ｄを通じて信号評価装置４５へ供給される。複数の値はマイクロコンピュータを有する制御装置４０へ供給され、同制御装置４０は駆動巻線及び制御巻線の設定値を算出し、かつ同設定値を制御巻線ＷＳの電流コントローラ４２と、駆動巻線ＷＡの電流コントローラ４３とへそれぞれ供給する。制御巻線ＷＳは導電線４２ａを通じて電流コントローラ４２へ接続されており、駆動巻線ＷＡは導電線４３ａを通じて電流コントローラ４３へ接続されている。
図４ａは別の実施の形態に基づく半径方向に沿って延びる６つの歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅを備えた固定子７を示す。６つの歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅは個々に制御できるコイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅ，Ｌｆをそれぞれ有する。図２ａに基づいて形成された磁気的に有効な回転子部１（図示略）はハウジング９の内部に配置されている。各コイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅ，Ｌｆは調整装置に接続され、複数のコイルは上位の制御装置４０によって制御される。同制御は回転子１を回転軸Ａに直交する平面に対して無接触で保持すべく実施され、さらに駆動トルクが回転子１に加えられる。
図１ａに示す固定子７同様に図４ａに示す固定子７はリラクタンス・モータとして機能すべく駆動できる。更に、図２ｇに基づいて形成された回転子１を固定子７内に使用可能である。複数の部分セクション１ｆを有し、かつ磁気的に有効な十字突起状回転子部１は強磁性体からなる一方で、永久磁化されていない。適切な時間で順次制御される複数のコイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅ，Ｌｆを使用することにより、回転軸Ａの周りでの回転子１の回転を磁気抵抗力によって形成する。複数のコイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅ，Ｌｆの対応した制御により、回転子１は無接触で懸架される。図２ｈは図２ｇに示す十字状回転子１の縦断面図である。
図４ｄは別の実施の形態に基づく回転子部１を示し、同回転子部１は磁気的に有効であり、かつ固定子７によって無接触で駆動可能に保持されている。回転子部１は図２ｇまたは図６ｆに示すシンクロナス・リラクタンス回転子として形成されている。環状をなし、かつ軸線方向Ａへ分極された複数の永久磁石１０ａ，１０ｂが、複数の歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆの先端部の両側にそれぞれ配置されている。これらの永久磁石１０ａ，１０ｂは磁界線１０ｃによって示す単極磁束（Unipolarfluss）を形成する。単極磁束は回転子１と、半径方向に外側へ延びる複数の歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆを透過している。
この単極磁束により、図１ｃ及び図１ｄに示す受動的に作用する磁気抵抗力、即ち復元力Ｆｔｏｔが増大する。この結果、回転子１は固定子７内に更に安定して装着される。即ち、軸線方向Ａに作用する更に大きなスラストを軸流型インペラー２ａによって形成し得る。この場合、制御巻線ＷＳは２つの極を有し得る。更に、駆動巻線ＷＡは４つまたは６つの極を有し得る。更に、複数の巻線を通過するフローは一定に維持され、更に大きなトルク及びラジアル・ベアリング・フォースを形成可能である。
図４ｅは別の実施の形態に基づく固定子７を示し、同固定子７は更に安定した回転子２の装着を実現する別の単極磁束を有する。固定子７は巻線をそれぞれ備えた複数の歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆを有する第１の固定子部７ｍと、巻線をそれぞれ備えた複数の歯７ａ’，７ｂ’，７ｃ’，７ｄ’，７ｅ’，７ｆ’を有する第２の固定子部７ｎと、軸線方向Ａへ分極された永久磁石７ｐとを有する。永久磁石７ｐは環状をなし、かつ２つの固定子部７ｍ，７ｎ間に配置されている。平面図４ｆと、Ｄ−Ｄ線における断面図４ｇとは図４ｅに示す固定子７のための回転子部１の例を示す。回転子部１は十字状の突起を形成する複数の部分１ｆを備えた円筒アイロン部を有する。従って、図４ｇに示すように、固定子７の複数の歯へ配向されたＵ字型をなす強磁性体回転子部１が提供される。形成された溝内に挿設されたセンサ・リングｎは非強磁性体金属からなる。単極磁束は図４ｅに示す固定子７内へ挿入された回転子部１内に形成され、同単極磁束は永久磁石７ｐから複数の歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇを通って回転子部１まで延び、さらに同回転子部１から別の複数の歯７ａ’，７ｂ’，７ｃ’，７ｄ’，７ｅ’，７ｆ’，７ｇ’を通って永久磁石７ｐへ戻る。この単極磁束は軸線方向Ａにおける回転子部１のずれに対する安定化作用を形成する。極対数１の巻線及び制御装置との組合わせにより、回転子の半径方向の位置を安定化できる。第１の固定子部７ｍ及び第２の固定子部７ｎへそれぞれ配置された極対１の複数の巻線を同複数の巻線の適切な制御によって個々に制御できる場合、回転子１の傾斜を能動的、即ち制御された状態で安定化できる。トルクは回転子と同じ極対数を備えた１つの巻線によって形成可能である。回転子１の位置を検出するための複数のセンサ１５を配置可能であり、同複数のセンサ１５は軸線方向に沿って２つの固定子部７ｎ，７ｍ間へ配置される。
図５ａは軸流型インペラー２ａのスラストを増大するための構成を示す。左側に位置するハウジング９は回転子ジャケット１ａの幾何学的形状に整合すべく形成された部分領域１１ａを有する。部分領域１１ａ及び回転子ジャケット１ａは軸線方向Ａに作用する流体力学的軸方向ベアリングを形成する。軸流ポンプ３の右側に位置する高圧流体、特に液体の一部は軸流型インペラー２ａ及びハウジング９の間を流動する部分フローｆとして逆流する。同部分フローｆは吸込側である軸流ポンプ３の左側へ向かってフロー方向ｆへ流動し、流体力学的軸方向ベアリングが少なくとも部分領域１１ａ内に形成される。更に、固定子７に隣接したハウジング９及び軸流型インペラー２ａの間に形成された間隙は、軸流型インペラー２の流体力学的ラジアル・ベアリングのベアリング・ギャップを同領域内に形成するための十分な広さを有し得る。図５ａに示す流体力学的ベアリングは軸流型インペラー２ａを安定させる別の作用を実現する。この結果、比較的大きな力が軸流型インペラー２ａに作用する場合にも、同軸流型インペラー２ａはハウジング９に対して無接触で安全に装着される。
ハウジング９の内側における流体力学に基づく磁気的支持を提供する軸流型インペラー２の別のベアリングを各種の実施の形態で実現し得る。例えば、回転子ジャケット２は螺旋溝を固定子７に配向されたその外面上に有し得る。この結果、流体力学的に作用する段差を含むステップ軸受が形成される。これによって、加圧側から吸込側へ流動する流体のフローｆを増大、減少、抑制または偏向可能である。これは間隙内の流体が螺旋溝のピッチと、回転子の回転方向及び毎分回転数とに基づいて供給されることに起因する。回転子の前面に設けられた類似する複数の溝を使用することにより、軸線方向に作用する流体力学的ベアリングの作用を同様に改善し得る。
図６ａはリラクタンス・モータの原理に基づいて動作する固定子７のための軸流型インペラー２ａを示す。磁気的に活性な回転子部１は軸流型インペラー２ａを形成している。回転子部１は強磁性体材料から形成されているが、永久磁化はされていない。更に、十字状の突起をなす回転子部１のセクション１ｆは捻れを軸線方向Ａに沿って有し、同捻れは複数のセクション１ｆが軸流型インペラー２ａの複数のブレード１ｂを形成するように設計されている。複数のセクション１ｆの通路は流体力学的に最適化されている。従って、流体に対して軸線方向に作用するスラストを複数のセクション１ｆによって形成できる。軸流型インペラー２ａの直径ＤＲは同軸流型インペラー２ａの軸方向高さＨＲの少なくとも２倍の大きさを有する。磁気的に作用する力により、軸流型インペラー２ａは固定子７内において無接触で駆動可能に保持されている。更に、緊急ベアリング装置５が軸流型インペラー２ａの両側にそれぞれ軸線方向Ａに離間して設けられている。磁気ベアリングの故障が発生した場合、または大きなスラスト荷重が軸線方向に生じた場合、軸流型インペラー２ａは軸線方向に突出する緊急ベアリング部品１ｇによって緊急ベアリング位置５ａで保持される。緊急ベアリング装置５は十字状をなす複数のリブ５ｂまたはガイド・ブレード２ｂを有する。ガイド・ブレード２ｂはハウジング壁９と能動的関係を有し、かつ同ハウジング壁９によって保持される。複数のリブ５ｂはポンプ固定子またはガイド・ブレードを形成する。図６ｂは図６ａに示す軸流型インペラー２ａを有する軸流ポンプ３の縦断面図である。軸流ポンプ３は複数のコイル８を有する固定子７によって取り囲まれたハウジング９を有する。複数のブレード１ｂ及び中央部１ｃを有する磁気的に活性な回転子部１はハウジング９内において無接触で駆動可能に装着されている。更に、２つの緊急ベアリング装置５は回転子部１、即ち軸流型インペラー２ａから軸線方向Ａへ離間した位置に配置されている。磁気的に活性な回転子部１の直径ＤＲは同回転子部１の高さＨＲの２倍を越す大きさを有する。図６ｃは図６ｂの軸流ポンプ３のＣ−Ｃ線における断面図である。固定子７内において、軸線方向Ａに沿って延びる複数の固定子溝は複数の巻線８を有する。複数の巻線８は個々に制御できる複数の巻線８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆを有し、同複数の巻線はさらに回転磁界を形成すべく制御可能である。図４ｈ及び図４ｉに示す複数の巻線８は極対数ｐの３相駆動巻線ＷＡと、極対数ｐ＋１またはｐ−１の３相コイル巻線ＷＳとして形成可能である。非強磁性体ハウジング９は固定子７及び軸流型インペラー２ａの間に配置されている。本実施の形態では、中央部１ｃと、半径方向へ星状に突出する複数の部分１ｆとを有する磁気的に活性な回転子部１が設けられている。図６ｄ、図６ｅ、図６ｆ及び図６ｇは磁気的に有効な回転子部１の各種の例をそれぞれ示す。図６ｄ、図６ｅ、図６ｆ及び図６ｇにおいて、複数のブレード１ｂの軸方向通路は示していない。図６ｄ、図６ｅ、図６ｆ及び図６ｇにそれぞれ示す複数のブレード１ｂは軸線方向Ａに沿って延びる流体力学的に有効な通路を有する。更に、複数のブレード１ｂは対応する捻れをそれぞれ有する。
図６ｈは軸流型インペラー２ａの形態をなす磁気的に有効な回転子部１の別例を示す。回転子部１は十字状のボディ１ｆを有し、同ボディ１ｆは強磁性体であって、かつ永久磁化されていない金属からなる。ボディ１ｆは永久磁石１ｈを先端に有する。ボディ１ｆ及び永久磁石１ｈは共通ジャケット１ｉによって取り囲まれ、同共通ジャケット１ｉは金属（例：チタン）またはプラスチック（特に、ポリカーボネート等の生物学的適合性を有するプラスチック）等の非強磁性体からなる。軸流型インペラー２ａは図６ｃまたは図４ａに示す実施の形態に基づく固定子７等によって駆動できる。
図８ａは遠心ポンプ３ｂとして形成されたロータリー・ポンプ３の縦断面図である。遠心ポンプ３ｂは遠心ポンプ部９９からなる。遠心ポンプ部９９は内部遠心回転子２ｂを備えたハウジング９と、固定子７の複数の歯７ｂ，７ｆによって示す駆動及びベアリング装置とを有する。固定子７は図１ａまたは図４ａに示す実施の形態に基づく固定子７のように形成し得る。ハウジング９は駆動装置に対して固着するか、または着脱可能に取付け得る。効果的な実施の形態に基づく遠心ポンプ３ｂおいて、図８ａに示すハウジング９は固定子７の複数の歯７ｂ，７ｆの間に部分的に挿設し、かつ駆動装置上で緩く支持し得る。従って、ハウジング９は固定子７から簡単に取り外し、さらには交換等が可能である。例えば、遠心ポンプ部９９を血液ポンプとして使用する場合、遠心ポンプ部９９は使い捨て品として形成できる。遠心ポンプ部９９を各使用後に交換できる一方、駆動装置は遠心ポンプ部９９内に位置する遠心インペラー２ｂを駆動すべく所望の回数使用できる。遠心ポンプ部９９を固定子７内へ配置した直後、図１ｂ、図１ｃ及び図１ｄに示す遠心インペラー２ｂは固定子７及び磁気的に作用する力によって無接触で懸架される。回転子２を位置決めするための受動的な安定化力及び／または復元力によって、回転子を全ての６自由度において無接触で固定子７またはハウジング９内に装着できる。回転子部１の位置を安定化する受動的に有効な磁力、特に軸線方向ｚに作用する力が比較的小さいことを考慮することは重要である。遠心インペラー２ｂに対してｚ方向に加わる大きな力の場合、インペラーが固定子７に対して持ち上げられるか、または回転子２が遠心ポンプ部９９のハウジング９に当接し得る。図８ａ〜図８ｈは複数の実施の形態に基づく遠心ポンプ部９９をそれぞれ示す。流体の圧出中も、回転子２をハウジング９内において無接触で支持するベアリングを提供すべく、回転子２に対してｚ方向に作用する力を減少するよう遠心ポンプ９９は形成されている。
回転子１は図２ａ、図２ｃ及び図２ｅに示す実施の形態における環状体として形成するか、または図１０ａ、図１０ｂ、図１１ａ、図１１ｂ、図１３ａ、図１３ｂに示す実施の形態における円盤体として形成し得る。図１３ａに示す実施の形態に基づく回転子は強磁性体材料１ｑ間に設けられた永久磁石１ｒを有する。図９は回転子部１と、同回転子部１に隣接する複数の固定子歯７ｂ，７ｆとを示す縦断面図である。回転子部１が軸線方向Ａへ偏向した際に、受動的に作用する更に大きな磁気抵抗力を反対方向へ加えるために、磁気的に有効であって、かつ互いに対向する複数の表面は溝状の複数の凹部を有する。
図８ａはｚ方向に沿って延びるポンプ入口開口１０１を備えた遠心ポンプ部９９のＢ−Ｂ線における縦断面図である。遠心ポンプ部９９は回転子２を内部に有するハウジング９を含む。ハウジング９は液密及び気密にシールされ、かつポンプ入口開口１０１と、回転子２の半径方向に沿って延びるポンプ出口開口１０２とを有する。回転子２は図２ａに示す永久磁化された環状の回転子部１と、同回転子部１を取り囲む回転子ジャケット１ａと、回転子２の周縁に沿って等間隔で配置された複数のブレード１ｂとを有する。そして、複数のブレード１ｂはインペラーを形成している。
ポンプ入口開口１０１付近において方向Ｆ１へ流入する流体は圧力ｐ１を有する。ノズルとして作用するくびれ１０４がポンプ入口開口１０１に隣接して設けられている。従って、流体はノズルを通過した後、更に高い流体速度を有する。流体はポンプ出口開口１０２を通り、かつ下流案内手段（図示略）内へ向かって方向Ｆ２へ圧力ｐ３で圧出される。図８ｉのグラフでは、ハウジング９及び環状体１ａの間の流体の圧力ｐを示す。圧力は回転子２に対してｚ方向へ作用する力を形成し、同力は可能な限り小さく維持する必要がある。図８ａに示す実施の形態では、ｚ方向へ作用する力は環状体として形成された回転子２によって小さく維持されている。従って、回転子２に対してｚ方向へ作用する力は環状体の開口付近において形成されない。これによって、ポンプ駆動中、回転子２に対してｚ方向へ作用する僅かな力が形成されるのみである。図８ｂは図８ａのＡ−Ａ線における断面図であり、ハウジング９、回転子２ｂ、環状体１ａ並びにブレード１ｂ及び／または羽根１ｂを示す。遠心回転子２ｂは環状に形成されている。
図８ｃ及び図８ｄは別の実施の形態に基づく遠心ポンプ部９９の縦断面図及び横断面図をそれぞれ示す。図８ａに示す構成の他に、遠心回転子２は円形衝撃板１ｋを有する。円形衝撃板１ｋは半径方向に沿って延びる複数のリブ１１を介して環状体１ａに結合されている。衝撃板１ｋはポンプ入口開口１０１の長手方向に直交する方向に沿って延びている。この結果、方向Ｆ１へ流動する流体の多くは方向Ｆ３へ流動し、かつ衝撃板１ｋに衝突し、さらには複数の部分流Ｆ４へ分割される。特に高い流体供給体積では、衝撃板１ｋは回転子２に対して方向Ｆ１に作用する力を形成する。
図８ｅ及び図８ｆは別の実施の形態に基づく遠心ポンプ部９９の縦断面図及び横断面図をそれぞれ示す。図８ａに示す構成の他に、遠心ポンプ部９９は中空シリンダの形態をなす管状突起１０５を有し、同管状突起１０５は軸線方向及び／またはｚ方向へ延びている。更に、管状突起１０５はポンプ入口開口１０１に対して連通すべく取付けられている。この結果、方向Ｆ１へ流動する流体は環状体１ａの中心へ直接案内される。管状突起１０５は各種の長さに形成可能である。環状体１ａの中心に位置する円形開口付近における流体の静圧は管状突起１０５の出口開口の位置に依存している。従って、Ｆ１方向へ流入流体を介して回転子２に作用する力は管状突起１０５の長さに基づいて決定できる。この結果、遠心ポンプ部９９を流体で充填した際、気泡が形成されない。これは管状突起１０５が複数の開口１０５ａを有することに起因する。ポンプ出口開口１０２を通じて流体を充填する間、流体レベルがハウジング９の内部で上昇する。そして、入口開口１０１をポンピングすべく回転子の内部で形成される全ての気泡は複数の開口１０５ａを通じて漏出する。図８ｆは図８ｅのＤ−Ｄ線における断面図であり、環状回転子２は中心に位置する管状突起１０５を有する。
図８ｇは別の実施の形態に基づく遠心ポンプ部９９の縦断面図である。図８ｃに詳細を示す回転子２は複数のリブ１１を介して環状体１ａに結合された衝撃板１ｋを有する。更に、図８ｅにおいて詳述したように、遠心ポンプ部９９は中空シリンダの形態をなす管状突起１０５を有する。流体の圧出中、これら２つの手段は回転子２に対してフロー方向Ｆ１に作用する力を形成する。回転子２に対して軸線方向に作用する力を形成すべく流体の作用に影響を及ぼすために、対応するフロー決定素子を備えた別の複数の手段によって、この力を形成できる。従って、例えば、ハウジング９の底部及び回転子２の間の流体の圧力を低減すべく、周縁全体に沿って延びる突起部１００ａをハウジング９の内壁に設け得る。詳細を示す図８ｈは同圧力を低減する別の手段を示し、同手段はハウジング９の底部の周縁全体に沿って延びる凹部１００ｂと、同凹部１００ｂに整合し、かつ周縁全体に沿って延びる突起部１０３ｆを有する環状体１ａとを含む。ハウジング９内の凹部１００ｂと、回転子２の突起部１０３ｆとの間のシーリング・ギャップ１０３ｇは回転子２の周囲を流動する流体に対する抵抗を形成する。流体抵抗はシーリング・ギャップ１０３ｇの幅にほぼ比例して変化する。回転子が上方へずれた場合、流体抵抗が低減し、かつ回転子の下側の圧力を低減し、かつ回転子をその初期位置へ戻す。従って、軸線方向における位置決めを行う自己制御式回転子が実現される。
流体フローを決定する遠心ポンプ部９９の構成部品は軸線方向に沿って遠心回転子２ｂに作用する力を流体フロー中に形成すべく設計する必要がある。この基本概念は複数の流体力学的手段によって実現できる。従って、図８ａ〜図８ｉに示す実施の形態は多数の実現可能な実施の形態のうちの一部を示すのみである。
図８ｋは固定子７内に配置された遠心ポンプ部９９を有する遠心ポンプ３ｂの概略を示す斜視図である。本実施の形態における固定子７はテンプル・モータとして形成されている。同テンプル・モータでは、複数の歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈを形成するフラックス・アイロン（Flusseisen）７ｙはＬ字型に形成されている。そして、複数のコイル８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈは垂直方向に沿って延びるフラックス・アイロン７ｙの部分に配置されている。全ての歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈは円盤状アイロン・リターン７ｚを介して互いに磁気的に接続されている。図１ａ及び図８ｋにそれぞれ示す複数の実施の形態は同様の制御が可能であって、かつ同一の作用を磁気的に有効な回転子部１に対して有する。図８ｋに示す実施の形態における固定子７の１つの効果としては、交換可能な部品の形態をなす遠心ポンプ部９９を固定子７内へ簡単に挿入し、かつ簡単に取出せる点が挙げられる。固定子７の複数の歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈと、対応する複数の巻線８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈとは各種の構成が可能である。例えば、マグネティック・リターンを円盤状アイロン・リターンを通じて常に形成する図４ａ、図４ｂ、図４ｄ及び図７に示すような構成とし得る。複数の巻線はフラックス・アイロン７ｙの水平方向または垂直方向に沿って延びるセクションへ配置可能である。
図１ａに示す固定子７、回転子部１ｍ及び複数の巻線８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆを有するベアリングレス・モータは図６ｃの実施の形態に基づく固定子７を有し得る。図６ｃに示す固定子は半径方向Ａに沿って延びる複数の固定子溝と、同複数の固定子溝内に挿入された複数の巻線８とを有する。複数の歯７ａ，７ｂ，…は複数の固定子溝の間を通るべく配置されている。図１ａに基づく固定子７を図６ｃに基づく固定子７と置換した場合、この固定子７は例えば図４ｈに示す駆動巻線ＷＡと、図４ｉに示す制御巻線ＷＳとを有し得る。図４ｈは３６個の溝を有する固定子７内に挿設された駆動巻線ＷＡのワインディング図であり、同駆動巻線ＷＡは３相、２極及び単層をなす。図４ｉは同一固定子７の３６個の溝内に挿設された制御巻線ＷＳのワインディング図であり、同制御巻線ＷＳは３相、４極及び単層をなす。図１ａに基づく回転子をともなう前記の種類の固定子７は、２つの３相交流パワー・コントローラによって駆動でき、同２つの３相交流パワー・コントローラは駆動巻線ＷＡ及び制御巻線ＷＳをそれぞれ制御する。固定子７内に配置された回転子部１は永久磁化されていないケージ型回転子として形成するか、または短絡巻線を有し得る。回転子部１を駆動すべく、電流の流れは固定子７内で形成された回転磁界によって誘起される。従って、回転子部１に作用する駆動トルクはインダクション・モータの駆動原理に匹敵する。
図７は別の実施の形態に基づく固定子７を示す。固定子７は１２個の歯を有し、同１２個の歯は半径方向に沿って延び、かつハウジング９の周囲に沿って配置されている。制御巻線ＷＳは互いに直交する４つの巻線Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４からなる。駆動巻線ＷＡは複数の巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７，Ａ８からなる。この固定子７は図２ａ〜図２ｈと、図１０ａ、図１０ｂ、図１１ａ、図１１ｂ、図１３ａ及び図１３ｂとのうちのいずれか一方に示す実施の形態に基づく磁気的に有効な回転子部１を駆動し、かつ無接触で装着するのに適している。図７ａはｘ方向における回転子２の位置を制御する図７に基づく固定子７の制御装置の例を示す。回転子１の現在位置ｘｉｓｔは位置検出センサ１５によって検出される。現在位置ｘｉｓｔは設定値ｘｓｏｌｌと比較され、両者の差は制御装置２０へ入力される。制御装置２０は調整値Ｉｒｘを算出する。基本電流Ｉｏを有する電力を増幅器２１を通じて２つのコイルＳ１，Ｓ２へ供給する。調整値Ｉｒｘを基本電流Ｉｏへ重ね合わせ、全電流に関する和がコイルＳ２内で形成され、全電流に関する差がコイルＳ４内で形成される。この結果、ｘ方向に作用する対応した力が回転子２に加えられる。図７ｂはｙ方向における回転子２の位置を制御するための同一の制御装置を示す。ｙｓｏｌｌからｙｉｓｔを差し引いた調整のための差は制御装置２０へ供給される。制御装置２０は調整値Ｉｒｙを算出し、同調整値Ｉｒｙは回転子２に対してｙ方向へ作用する対応した力を形成すべく２つのコイルＳ１，Ｓ３へ供給される。図７ｃはトルクを回転子２上に形成する、即ち回転磁界を形成する複数のコイルＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７，Ａ８の制御を示す。複数のコイルは３相システムのうちの２相に対して接続され、このうちの第１の相は電圧ｓｉｎ（ωｔ）を形成し、第２の相は電圧ｓｉｎ（ωｔ＋１２０度）を形成する。換言するならば、第２の相は第１の相に対して１２０度の位相差を有する電圧を形成する。４つのコイルＡ４，Ａ２，Ａ８，Ａ６は直列に接続され、かつ共通増幅器２１によって第１の相の電圧ｓｉｎ（ωｔ）で制御される。別の４つのコイルＡ３，Ａ１，Ａ７，Ａ５は同様に直列に接続され、かつ共通増幅器２１によって第２の相の電圧ｓｉｎ（ωｔ＋１２０度）で制御される。この制御によって、回転磁界が固定子７内で形成される。回転磁界は回転子２を駆動すべく同回転子２に対して周方向に作用するトルクを形成する。
図１４ａは別の実施の形態に基づく遠心ポンプ部９９の縦断面図である。遠心ポンプ部９９は図８ａに示す実施の形態同様に形成され、かつ複数の環状永久磁石８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄをさらに有する。同複数の環状永久磁石８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄは軸線Ａの方向へ作用する軸線方向スラストを補償する。これにより、回転子部１は永久磁石８０ｃを固着したカバー・プレート８１をさらに有する。複数の歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈを有する固定子７を含む駆動装置内には、軸線方向へ分極された環状永久磁石８０ａがさらに設けられている。遠心ポンプ９９を固定子７内へ挿入した後、ハウジング９は永久磁石８０ａの上方または同永久磁石８０ａ上に配置される。遠心ポンプ部９９の回転子部１は軸線方向Ａへ分極された環状永久磁石８０ｂをさらに有し、同環状永久磁石８０ｂは永久磁石８０ａとは逆方向へ分極されている。この結果、永久磁石によって形成される反発力は２つの永久磁石８０ａ，８０ｂ間に発生する。遠心ポンプ部９９を挿入した状態において、２つの永久磁石８０ａ，８０ｂの磁気的に有効な前面が互いに上下に重なるように同２つの永久磁石８０ａ，８０ｂの直径は互いに適合している。同様に、カバー・プレート８１によって回転子部１の上部に固着された永久磁石８０ｃは対応する永久磁石リング８０ｄを有する。永久磁石リング８０ｄは遠心ポンプ部９９の外側に配置され、かつ同遠心ポンプ部９９上で支持されている。両環状永久磁石８０ｃ，８０ｄは互いに相反する方向へそれぞれ分極されている。この結果、永久磁石による反発力は両環状永久磁石８０ｃ，８０ｄ上にそれぞれ作用する。効果的な実施の形態において、遠心ポンプ部９９の内部に配置された２つの永久磁石８０ｂ，８０ｃは遠心ポンプ９９の外側に配置された２つの永久磁石８０ａ，８０ｄより小さいか、または実質的に小さく形成されている。１回使用した後で破壊する血液ポンプなどの使い捨て品として、遠心ポンプ部９９を形成する場合、この構成は特に効果的である。
図１４ｂは別の実施の形態に基づく軸流ポンプ３ａの縦断面図である。軸流ポンプ３ａは軸線Ａの方向に作用する軸線方向スラスト補償を実現する複数の環状永久磁石８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄ，８０ｅ，８０ｆを更に有する以外は図５ａに基づく実施の形態同様に形成されている。回転子２の両端には、一体鋳造された環状永久磁石８０ｂ，８０ｃがそれぞれ配置されており、同環状永久磁石８０ｂ，８０ｃは軸線方向Ａに分極されている。固定配置されたハウジング９内には、別の複数の環状永久磁石８０ａ，８０ｄ，８０ｅ，８０ｆが配置されている。同複数の環状永久磁石８０ａ，８０ｄ，８０ｅ，８０ｆは永久磁石による反発力を軸線方向に沿って回転子２の両側にそれぞれ形成するように配置され、かつ分極されている。この複数の永久磁石８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄ，８０ｅ，８０ｆの構成により、軸線方向Ａに作用するスラスト補償が実現される。図１４ａ及び図１４ｂにそれぞれ示す両実施の形態において、永久磁力による軸線方向スラスト補償を実現する複数の永久磁石８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄ，８０ｅ，８０ｆの効果的な構成が複数存在する。例えば、軸線方向Ａに作用するスラスト補償を形成すべく、軸流ポンプ３ａは左側に配置された永久磁石８０ａ，８０ｂのみを有し得る。更に、軸線方向に作用するスラスト補償を実現すべく、図１４ａに示す構成は下部に配置された永久磁石８０ａ，８０ｂのみを有し得る。例えば、環状永久磁石８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄ，８０ｅ，８０ｆを複数の独立したセグメントから構成し得る。更に、永久磁石によって軸線方向へ作用する力を形成すべく、複数の環状永久磁石８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄ，８０ｅ，８０ｆを半径方向へ分極し、かつ僅かに向きを変えて上下に配置できる。特定の永久磁石８０，８０ｂを半径方向へ磁化し、残りの永久磁石８０ｃ，８０ｄ，８０ｅ，８０ｆを軸線方向へ分極し得る。この結果、軸線方向へ作用する力を形成すべく、複数の永久磁石は互いに作用する配置となる。
【図１】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図２ｆ】
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【図２ｇ】
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【図２ｈ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
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【図４ｇ】
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【図４ｄ】
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【図４ｈ】
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【図４ｉ】
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【図５ａ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図６ｇ】
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【図６ｈ】
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【図７】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｉ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図８ｆ】
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【図８ｇ】
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【図８ｈ】
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【図８ｋ】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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