(57)【要約】【課題】軸方向の高さの短縮化を図ったベアリングレスモータ及び該ベアリングレスモータを搭載した人工心臓、血液ポンプ、人工心肺、ポンプ、ファン、ブロワ、コンプレッサ、アクチュエータ、リアクションホイール、フライホイール、揺動ステージを提供する。【解決手段】コの字形の固定子鉄心片１５０に軸支持巻線１６１と電動機巻線を施すことで、コイル端が半径方向に広がるため、極薄構造が可能となった。固定子鉄心片１５０と回転子鉄心１１４、１２４間を通る永久磁石１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄ、永久磁石１３０及び永久磁石１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄのバイアス磁束と、軸支持巻線１６１により発生する磁束の干渉により、軸支持力の発生を可能にし、ベアリングレスモータを実現する。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、
該回転子の内周もしくは外周に、所定のエアギャップを隔てて対峙し、
上側固定子歯と下側固定子歯を有する固定子鉄心片が周方向に分割されて複数個配設され、
該固定子鉄心片に捲回された電動機巻線及び／又は軸支持巻線とを備えたことを特徴とするベアリングレスモータ。
【請求項２】
前記回転子が、前記上側固定子歯に対峙する上側磁性板と、
前記下側固定子歯に対峙する下側磁性板と、
該下側磁性板と前記上側磁性板の間に挟まれ軸方向に着磁された永久磁石とを備えたことを特徴とする請求項１記載のベアリングレスモータ。
【請求項３】
前記回転子が、前記上側固定子歯に対峙し、径方向に着磁された上側永久磁石を有する上側磁性板と、
前記下側固定子歯に対峙し、径方向に着磁された下側永久磁石を有する下側磁性板とを備えたことを特徴とする請求項１記載のベアリングレスモータ。
【請求項４】
前記回転子が、前記上側固定子歯に対峙し、径方向に着磁された上側永久磁石を有する上側磁性板と、
前記下側固定子歯に対峙し、径方向に着磁された下側永久磁石を有する下側磁性板と、
該下側磁性板と前記上側磁性板の間に挟まれ軸方向に着磁された永久磁石とを備えたことを特徴とする請求項１記載のベアリングレスモータ。
【請求項５】
前記軸支持巻線により生成される起磁力分布が前記回転子回りに正弦曲線近似となるように各相毎に前記固定子鉄心片の１個に巻線が捲回され、及び／又は複数個にまたがり巻線が捲回され、かつ／あるいは、該巻線のターン数が調整されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のベアリングレスモータ。
【請求項６】
前記上側固定子歯に対し前記下側固定子歯が回転方向に所定角度分移動して配設され、又は、前記上側磁性板の突極もしくは永久磁石に対し前記下側磁性板の突極もしくは永久磁石が回転方向に所定角度分移動して配設されたこと、又は、前記上下の固定子歯が連続的にスキューされていること、又は、前記上下の回転子突極が連続的にスキューされていること、を特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のベアリングレスモータ。
【請求項７】
前記上側固定子歯同士を連接する上側環状鉄心と前記下側固定子歯同士を連接する下側環状鉄心とを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のベアリングレスモータ。
【請求項８】
前記固定子鉄心片には電動機、軸支持の両者を兼用する巻線を施した請求項１〜７のいずれか１項に記載のベアリングレスモータ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のベアリングレスモータを搭載した人工心臓、血液ポンプ、人工心肺、ポンプ、ファン、ブロワ、コンプレッサ、アクチュエータ、リアクションホイール、フライホイール、揺動ステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はベアリングレスモータ及び該ベアリングレスモータを搭載した人工心臓、血液ポンプ、人工心肺、ポンプ、ファン、ブロワ、コンプレッサ、アクチュエータ、リアクションホイール、フライホイール、揺動ステージに係わり、特に軸方向の高さの短縮化を図ったベアリングレスモータ及び該ベアリングレスモータを搭載した人工心臓、血液ポンプ、人工心肺、ポンプ、ファン、ブロワ、コンプレッサ、アクチュエータ、リアクションホイール、フライホイール、揺動ステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
ベアリングレスモータは、主軸が磁気浮上しながら、非接触で回転が可能なモータである（例えば、非特許文献１参照）。一般的なモータでは、固定子に回転用の巻線（電動機巻線）が施されているが、ベアリングレスモータでは、更に、磁気浮上用の巻線（軸支持巻線）が追加で施されている。
【０００３】
この軸支持巻線に電流を流すと、回転子の半径方向には磁気力が作用する。回転子の半径方向の変位を計測し、この磁気力を調整することで、回転子の半径方向２自由度運動を能動的に制御し、非接触磁気浮上支持を可能にする。
【０００４】
一般的なベアリングレスモータの簡略縦断面図を図１４と図１５に示す。図１４のベアリングレスモータ１０は、回転子１が固定子２の内側に配置するインナーロータ形である。固定子２の鉄心３には周状に図示しないスロットが配設され、このスロットには電動機巻線及び軸支持巻線が捲回され、コイル端部４が鉄心３より軸方向に突設されている。
【０００５】
図１５のベアリングレスモータ２０は、回転子２１が固定子２２の外側に配置するアウターロータ形である。固定子２２の鉄心２３には周状に図示しないスロットが配設され、このスロットには電動機巻線及び軸支持巻線が捲回され、コイル端部２４が鉄心２３より軸方向に突設されている。これらのベアリングレスモータ１０、２０は、半径方向２自由度運動を能動的に制御し、軸方向と傾き方向の３自由度は磁気カップリングにより受動的に支持される。
【０００６】
従来、この２自由度制御型のベアリングレスモータが報告されている（例えば、非特許文献２、非特許文献３参照）。これらのベアリングレスモータは、図１５のようなアウターロータ形である。また、従来、図１４とは異なる構造を有するインナーロータ形のベアリングレスモータも報告されている（例えば、特許文献１参照）。このベアリングレスモータ３０の簡略縦断面図を図１６に示す。
【０００７】
図１６において、固定子３２は、円板状底部３２ａの外縁より円筒部３２ｂが立設され、かつその円筒部３２ｂの上端において、歯部３２ｃが所定のエアギャップを隔てて回転子１の周壁と対峙するように内側に向け水平に突設されている。そして、この円筒部３２ｂには図示しないスロットが形成され、このスロットに電動機巻線及び軸支持巻線が捲回され、コイル端部２４が円筒部３２ｂより径方向に突設されている。
【０００８】
現在、この２自由度制御型ベアリングレスモータの遠心ポンプ型補助人工心臓への応用が検討されている。この場合、回転子の上側に羽根を取り付け、一体化した羽根車をポンプ室内に閉じ込める必要がある。羽根車が非接触で回転するため、恒久的に駆動可能、摩耗粉が血液に混入しない、摩擦熱による血液凝固の抑制等のメリットがある。この時以下の２点を考慮する必要がある。
【０００９】
（１）２自由度制御型の場合、羽根車の高さが高いと、アクチュエータでの力の作用点の中心と、羽根車重心の位置の差が大きくなる。この場合、並進方向に力を作用させようとすると、羽根車にモーメントがかかり、羽根車が傾いてしまう。この結果、磁気浮上が不安定となるため、羽根車高さをなるべく低く設計する必要がある。
【００１０】
（２）補助人工心臓は、患者の脇腹に縦にして埋め込まれることが多いため、補助人工心臓の高さを低く設計する必要がある。
【００１１】
なお、２自由度制御型磁気軸受とダイレクトドライブ型モータを組み合わせた構造（特許文献２）が報告されているが、ベアリングレスモータではなく、回転子が歯車形状ではなくリング形状のため、ベアリングレスモータには適用できない。
【００１２】
【非特許文献１】A. Chibaら著、「Magnetic Bearings and Bearingless Drives」、Elsevier Newnes Press出版、２００５年、ｐ．１２−３４
【非特許文献２】T. Masuzawaら著、「Magnetically Suspended Centrifugal Blood Pump with a Self Bearing Motor」、ASAIO Journal、 vol.48、 pp.437-442、 2002.
【非特許文献３】中野由紀子ら著、「コの字型受動磁気軸受を備えたベアリングレスモータのアキシャル・コニカル特性の測定」、平成１９年電気学会産業応用部門大会、ヤングエンジニアポスターコンペティション講演論文集、Y-127、2006.
【特許文献１】特開２００１−０１６８８７「電気式回転駆動装置」
【特許文献２】特開２００５−１２１１５７「人工心臓用の磁気軸受及びモータ装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、図１４と図１５に示すベアリングレスモータ１０、２０では、固定子３、２３に捲回されたコイルの端部が軸方向に広がってしまう。コイル端部が軸方向に広がると、ポンプ室の吐出口をより高い位置に設定する必要がある。羽根の位置も同時に高い位置に設定する必要がある。この間の事情を図１７のアウターロータ形を例に用いて説明すると、コイル端部２４の高さ分、インペラ２５の高さが高くなり、制御が不安定となるおそれがあった。
【００１４】
また、図１６に示すベアリングレスモータを遠心ポンプ型補助人工心臓に適用した場合、コイル端部３４が軸方向に広がらない一方、固定子３２の一部円板状底部３２ａ及び円筒部３２ｂが羽根車の下側に配置するため、全体の高さが高くなるという問題があった。
【００１５】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、軸方向の高さの短縮化を図ったベアリングレスモータ又は該ベアリングレスモータを搭載した人工心臓、血液ポンプ、人工心肺、ポンプ、ファン、ブロワ、コンプレッサ、アクチュエータ、リアクションホイール、フライホイール、揺動ステージ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】
【００１６】
上記課題を解決するため本発明（請求項１）のベアリングレスモータは、回転子と、該回転子の内周もしくは外周に、所定のエアギャップを隔てて対峙し、上側固定子歯と下側固定子歯を有する固定子鉄心片が周方向に分割されて複数個配設され、該固定子鉄心片に捲回された電動機巻線及び／又は軸支持巻線とを備えたことを特徴とする。
上側固定子歯と下側固定子歯とは軸方向に所定距離隔てて配設され、軸支持巻線に電流を流すと上側固定子歯と下側固定子歯が異なる極に励磁されることも特徴とする。
【００１７】
このことにより、回転子、上側固定子歯、固定子鉄心片、下側固定子歯を通る支持磁束を生成することができる。
【００１８】
また、本発明（請求項２）のベアリングレスモータは、前記回転子が、前記上側固定子歯に対峙する上側磁性板と、前記下側固定子歯に対峙する下側磁性板と、該下側磁性板と前記上側磁性板の間に挟まれ軸方向に着磁された永久磁石とを備えて構成した。
【００１９】
更に、本発明（請求項３）のベアリングレスモータは、前記回転子が、前記上側固定子歯に対峙し、径方向に着磁された上側永久磁石を有する上側磁性板と、前記下側固定子歯に対峙し、径方向に着磁された下側永久磁石を有する下側磁性板とを備えて構成した。
【００２０】
更に、本発明（請求項４）のベアリングレスモータは、前記回転子が、前記上側固定子歯に対峙し、径方向に着磁された上側永久磁石を有する上側磁性板と、前記下側固定子歯に対峙し、径方向に着磁された下側永久磁石を有する下側磁性板と、該下側磁性板と前記上側磁性板の間に挟まれ軸方向に着磁された永久磁石とを備えて構成した。
【００２１】
本発明のベアリングレスモータのエアギャップ部にて、上記永久磁石のバイアス磁束と、固定子に捲回された軸支持巻線により発生する支持磁束が干渉し、該エアギャップ部にて磁束密度が不平衡となり、回転子に磁気力が作用する。回転子の半径方向変位を測定し、磁気力を調整することで、回転子の半径方向の運動を能動的に制御可能にする。永久磁石のバイアス磁束によって形成される固定子・回転子間の磁気カップリングにより、回転子が軸方向に変位、もしくは傾き方向に回転しても、自動的に復元力、復元トルクが作用する。このため、回転子の軸方向と傾き方向の３自由度は制御する必要は無い。
【００２２】
更に、本発明（請求項５）のベアリングレスモータは、前記軸支持巻線により生成される起磁力分布が前記回転子回りに正弦曲線近似となるように各相毎に前記固定子鉄心片の１個に巻線が捲回され、及び／又は複数個にまたがり巻線が捲回され、かつ／あるいは、該巻線のターン数が調整されたことを特徴とする。
【００２３】
エアギャップ部の周状に観測したときの起磁力分布が正弦波に近い分布となり、角度誤差が小さくなり、回転子の浮上が安定する。
【００２４】
更に、本発明（請求項６）のベアリングレスモータは、前記上側固定子歯に対し前記下側固定子歯が回転方向に所定角度分移動して配設され、又は、前記上側磁性板の突極もしくは永久磁石に対し前記下側磁性板の突極もしくは永久磁石が回転方向に所定角度分移動して配設されたこと、又は、前記上下の固定子歯が連続的にスキューされていること、又は、前記上下の回転子突極が連続的にスキューされていることを特徴とする。
【００２５】
このことにより、各磁極から隣接の磁極に移動するまでのトルク変動が小さくなりコギングトルクの発生を抑制することができる。
【００２６】
更に、本発明（請求項７）のベアリングレスモータは、前記上側固定子歯同士を連接する上側環状鉄心と前記下側固定子歯同士を連接する下側環状鉄心とを備えて構成した。
【００２７】
このことにより、各磁極から隣接の磁極に移動するまでのトルク変動が小さくなりコギングトルクの発生を抑制することができる。
【００２８】
更に、本発明（請求項８）のベアリングレスモータは、前記固定子鉄心片には電動機、軸支持の両者を兼用する巻線を施したことを特徴とする。
請求項１−７では固定子鉄心には電動機巻線と支持巻線が別々に巻回されるように記載されているが、一つの巻線として、電動機の電流成分、支持巻線の電流成分を重畳して供給してもよい。すなわち、電動機、支持の両者を兼用する巻線を施したベアリングレスモータが構成できる。
【００２９】
更に、本発明（請求項９）の人工心臓、血液ポンプ、人工心肺、ポンプ、ファン、ブロワ、コンプレッサ、アクチュエータ、リアクションホイール、フライホイール、揺動ステージは、請求項１〜８のいずれか１項に記載のベアリングレスモータを搭載して構成した。
このことにより、軸方向の高さを低く抑えた人工心臓とすることができるため、患者への負担を少なくできる。
【００３０】
なお、本発明のベアリングレスモータは、人工心臓の他、血液ポンプ、人工心肺、ポンプ、ファン、ブロワ、コンプレッサ、アクチュエータ、リアクションホイール、フライホイール、揺動ステージ、純水ポンプ、薬液ポンプ、非接触回転ステージ等にも適用可能である。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように本発明によれば、固定子鉄心片に捲回されたコイルは半径方向に広がるので、ポンプ室高さを極小にすることができる。また、固定子が羽根車の下側に配置されないため、ベアリングレスモータの高さを低減することができる。以上により、極薄型の補助人工心臓が実現できる。具体的には、従来報告されている補助人工心臓の高さが３０〜３５ｍｍであり、これよりも３０〜５０％程度に低減可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態であるディスク型ベアリングレスモータの分解斜視図と外観斜視図をそれぞれ図１、図２に示す。図１において、回転子１００は、上側中空ディスク１１０と下側中空ディスク１２０の間に環状永久磁石１３０を備えている。なお、応用によっては中空でなくてもよい。
【００３３】
上側中空ディスク１１０の磁性コア１１４の周縁の４箇所には、中心回りに９０度ずつ隔てた位置に溝１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄが刻設されている。そして、この溝１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄにはそれぞれ永久磁石１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄが配置されており、この溝同士の間は突極構造になっている。
【００３４】
また、下側中空ディスク１２０は、上側中空ディスク１１０とは対称に位置を合わせて構成され、磁性コア１２４の溝１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃ、１２１Ｄにはそれぞれ永久磁石１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄが配置されており、この溝同士の間は突極構造になっている。
【００３５】
永久磁石１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄは径方向（上側中空ディスク１１０の中心に向かう方向）もしくは平行（例えば図１中のＸ軸若しくはＹ軸に対して平行）に着磁され、たとえばＮ極が内側に向くように構成されている。一方、下側中空ディスク１２０の永久磁石１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄも同様に径方向（下側中空ディスク１２０の中心に向かう方向）もしくは平行（例えば図１中のＸ軸若しくはＹ軸に対して平行）に着磁されているが、Ｓ極が内側に向くように構成されている点で上側中空ディスク１１０とは異なっている。
【００３６】
また、環状永久磁石１３０は軸方向に着磁されＮ極が上方向に向くように構成されている。なお、応用によっては環状でなくても円筒、直方体、多面体などであってもよい。磁性コア１１４、磁性コア１２４と環状永久磁石１３０とは磁力により吸着されることで固着されているが、接着剤等で固定されてもよい。磁性コア１１４の中央に開けられた穴１１３と磁性コア１２４の中央に開けられた穴１２３及び環状永久磁石１３０により通孔１４０が形成され、吸引された流体である例えば血液が回転子１００の底部に行き場が無くなり長時間よどむことが無いようにしてもよい。
【００３７】
回転子１００の外周には、１２枚のそれぞれ独立した固定子鉄心片１５０が周状に均等に配置されている。なお、均等でなくてもよく、また、数も３，４，５などの整数であればよい。固定子鉄心片１５０の角状鉄心部１５０ａの上端には、上側中空ディスク１１０の周壁と所定のエアギャップを隔てて対峙するように内側に向けてほぼ台形状もしくは方形波状に拡開された上側固定子歯１５０ｂが突設されている。
【００３８】
同様に、角状鉄心部１５０ａの下端には、下側中空ディスク１２０の周壁と所定のエアギャップを隔てて対峙するように上側固定子歯１５０ｂと対称に内側に向けてほぼ台形状に拡開された下側固定子歯１５０ｃが突設されている。そして、角状鉄心部１５０ａには、図示しない電動機巻線と軸支持巻線が捲回されるようになっている。但し、軸支持巻線は上側固定子歯１５０ｂと下側固定子歯１５０ｃとにそれぞれ分離して捲回されてもよい。
【００３９】
次に、本発明の実施形態の動作を、図３を用いて説明する。
図３の下側に記載した断面図は上側に記載した平面図におけるＡ−Ａ矢視線断面図を示している。環状永久磁石１３０は図中上側がＮ極、下側がＳ極に着磁されている。
【００４０】
更に、永久磁石１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄは全て外側がＳ極、内側がＮ極である。同様に、永久磁石１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄは、全て外側がＮ極、内側がＳ極に着磁されている。上述した全ての永久磁石のバイアス磁束により、磁性コア１１４は外側がＮ極着磁、磁性コア１２４は外側がＳ極着磁とみなすことができる。したがって、本実施形態の場合、固定子鉄心片１５０に８極の電動機巻線を施すことで、ベアリングレスモータは、８極のモータとして動作する。なお、ＮＳはおのおの反転してもよい。
【００４１】
回転子鉄心・固定子鉄心間のエアギャップ１６３ａ、エアギャップ１６３ｂに作用するバイアス磁束の向きは、環状永久磁石１３０、磁性コア１１４、固定子鉄心片１５０、磁性コア１２４を通って実線の矢印で示すように、図面において左右対称である。
【００４２】
ここで、固定子鉄心片１５０Ａ、１５０Ｇに捲回された軸支持巻線１６１Ａ、１６１Ｇに対し互いに反対向きで図中に示す方向の電流を流すと、固定子鉄心・回転子鉄心間にて、磁性コア１１４、固定子鉄心片１５０Ａ、磁性コア１２４、固定子鉄心片１５０Ｇを通って点線の矢印で示す向きに支持磁束が発生する。これにより、図面右側のエアギャップ１６３ａでは磁束密度が増加し、左側のエアギャップ１６３ｂでは減少する。なお、エアギャップ１６３ａ、１６３ｂ近傍の上側固定子歯１５０ｂ、下側固定子歯１５０ｃ、磁性コア１１４、１２４はエアギャップ１６３ａ、１６３ｂに近づくほど次第に軸方向の厚みが薄くなるようにテーパーを施してもよい。更に、固定子鉄心片１５０の形状は縦断面がコの字型でなくてもＣ型などでもよい。更に、角状鉄心部１５０ａは直方体状でなくても円筒状でもよい。
【００４３】
この磁束密度の不平衡により、回転子１００には右側に磁気力が作用する。この磁気力は、電流の大きさに依存する。したがって、回転子１００の半径方向の変位を計測し、電流量を調整することで、回転子１００の半径方向の位置を能動的に制御する。回転子１００が軸方向に変位、もしくは傾き方向に回転しても、自動的に復元力、復元トルクが作用する。このため、回転子１００の軸方向と傾き方向の３自由度は制御する必要は無い。また、Ａ−Ａ矢視線に直交する方向であるＹ軸についても同様である。以上により、回転子１００は非接触に支持・回転可能である。
【００４４】
ここに、永久磁石１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄ及び永久磁石１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄは無くても誘導機、ホモポーラ機の原理が作用するため浮上と回転は可能である。更に、環状永久磁石１３０が無くても、永久磁石１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄ及び永久磁石１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄの作用によりエアギャップ１６３ａ、エアギャップ１６３ｂには、図３と同様のバイアス磁束が発生するため、浮上と回転は可能である。
【００４５】
なお、軸支持巻線１６１は、２極を形成するように、図示しない電動機巻線とは別に固定子鉄心片１５０に施す。軸支持巻線１６１の制御に３相インバータを用いる場合、例えば図４のような巻き方が考えられる。図４（Ａ）において、固定子鉄心片１５０の隣り合う２個をまたぐように軸支持巻線１６１を捲回し、対向する１組でＵ相を形成する。同様に、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示すように、Ｖ相、Ｗ相を形成し、それぞれ軸支持巻線１６１は１２０度ずつずれて配設される。
【００４６】
ところで、ベアリングレスモータでは、Ｘ軸に電流を流したにもかかわらず、実際にはＸ軸方向に対してある角度ずれた方向に力が発生することがある。回転子の回転角度が軸対称の位置にある場合、つまり、回転角度が４５度の倍数の場合、力の発生方向とＸ軸方向は一致するが、それ以外の角度では、力の発生方向とＸ軸方向とに差が生じる。
【００４７】
この力の発生方向とＸ軸のなす誤差角度は、磁気浮上の安定性上なるべく小さいほうが望ましい。図４の巻き方の場合、エアギャップ部の周状に観測したときの起磁力分布が方形波に近い分布となり、角度誤差が比較的大きくなり、浮上安定性上問題となる可能性がある。
【００４８】
これに対し、図５では、軸支持巻線１６１よりも巻数の少ない軸支持巻線１６３Ａ、１６３Ｂが、軸支持巻線１６１の両側の固定子鉄心片１５０に施されている。この場合、エアギャップ部の周状に観測したときの起磁力分布が正弦波に近い分布となる。図６は、回転子角度に対する、力の発生方向とＸ軸のなす誤差角度の、図４と図５の巻き方の違いによる比較を示す。これより、図５の巻き方の場合、最大誤差角度が小さく、有効である。
【００４９】
なお、本実施形態では、１２個の固定子鉄心片１５０を配設したが、これに限定されるものではなく、３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１３，１４，あるいはそれ以上の整数であればよい。３相巻線だけでなく、４相、５相、６相など多相交流巻線を構成してもよい。軸支持巻線の磁極も２極について説明したが、２ｎ（ｎは自然数）で可能である。回転子もコンシクエントポール構造としているが、永久磁石表面貼り付け型、内蔵型、ハイブリッド型、ホモポーラ型、櫛形、トランスバーサル型、誘導機型、リラクタンス型などを適用できる。
【００５０】
本実施形態を人工心臓に適用した例を図７に示す。図７に示すように、回転子１００の上面には羽根１７１が取り付けられて羽根車が形成され、この羽根車がハウジング１７３の内部に封入されている。そして、ハウジング１７３の上面中央には血液吸入口１７５が設けられ、一方、羽根１７１の側部には血液吐出口１７７が配設されている。固定子鉄心片１５０は、回転子１００とハウジング１７３を隔てて対峙されている。
【００５１】
かかる構成において、血液吸入口１７５から吸入された血液は、血液吐出口１７７から円滑に吐出される。
【００５２】
なお、本実施形態のベアリングレスモータは、真空チャンバ内などクリーンな環境で使用する非接触回転ステージにも適用できる。更に、図示は省略するが、ベアリングレスモータを軸方向に複数タンデムに並べて多自由度制御が可能なベアリングレス電磁回転機にも適用できる。
【００５３】
また、回転子１が回転駆動する際は、各磁極から隣接の磁極に移動するまでの行程において生じるトルク変動等に起因するコギングトルクによって回転方向の振動を生じる。このコギングトルクを抑止するため、図８及び図９に示すように、固定子鉄心片１８０の上下の固定子歯の間に対し所定回転角度分のスキューを施すようにしてもよい。図８にはスキューを施した固定子鉄心片の平面図を示し、図９にはこの固定子鉄心片の斜視構成図を示す。
【００５４】
この場合、固定子鉄心片１８０の角状鉄心部１８０ａの上端には、Ｌ字状に回転方向に向けて屈曲された上板片１８０ｄが突設され、その上板片１８０ｄより更に上側固定子歯１８０ｂがＬ字状に屈曲されている。そして、この上側固定子歯１８０ｂは、上側中空ディスク１１０の周壁と所定のエアギャップを隔てて対峙するように内側に向けてほぼ台形状に拡開するように突設されている。
【００５５】
同様に、角状鉄心部１８０ａの下端には、Ｌ字状に逆回転方向に向けて屈曲された下板片１８０ｅが突設され、その下板片１６０ｅより更に下側固定子歯１８０ｃがＬ字状に屈曲されている。そして、この下側固定子歯１８０ｃは、下側中空ディスク１２０の周壁と所定のエアギャップを隔てて対峙するように内側に向けてほぼ台形状に拡開するように突設されている。
【００５６】
そして、角状鉄心部１８０ａには、図示しない電動機巻線と軸支持巻線が捲回されるようになっている。このことにより、各磁極から隣接の磁極に移動するまでのトルク変動が小さくなりコギングトルクの発生を抑制することができる。
【００５７】
一方、スキューは図１０、図１１に示すように、固定子側に形成するのではなく、回転子側に施してもよい。図１０にはスキューを施した回転子鉄心片の平面図を示し、図１１にはこの回転子鉄心片を含むベアリングレスモータの斜視構成図を示す。この場合、例えば、上側中空ディスク１１０に配設された永久磁石１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄに対し下側中空ディスク１２０に配設された永久磁石１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄは４５度ずつ互いにずれている。なお、このように大きく４５度スキューする場合だけでなく、数度など適切な角度でスキューすればよい。
上下の回転子、固定子の角度位置を調整するだけではコギングトルクを大きく減衰することは容易ではない。そこで、上の回転子自体をスキューすれば、一般の電動機と同様にコギングトルクを効果的に減少することができる。薄ケイ素鋼板等を複数段積層して磁性コアを構成すれば、ほぼ連続的にスキューできる。あるいは、パウダーコアなどで構成すれば連続的にスキューできる。
一方、固定子の場合にも、同様に薄ケイ素鋼板等を複数段積層構成すれば、ほぼ連続的にスキューできる。あるいは、パウダーコアなどで構成すれば連続的にスキューできる。
かかるスキューは、上側の固定子及び／又は回転子のみに適用してもよいし、上側と下側の両者をスキューしてもよい。
【００５８】
また、コギングトルクの発生を抑制する別例を図１２及び図１３に示す。図１２にはベアリングレスモータの分解斜視図を、また図１３には斜視外観図をそれぞれ示す。
【００５９】
図１２及び図１３において、上記では、固定子鉄心片１５０はそれぞれ独立しているとして説明したが、上側中空ディスク１１０の外周に所定のエアギャップを隔てて配置した上側環状鉄心１８１、及び下側中空ディスク１２０の外周に所定のエアギャップを隔てて配置した下側環状鉄心１８３を備え、この上側環状鉄心１８１に対し１２枚の上側固定子歯１５０ｂを取り付け、下側環状鉄心１８３に対し１２枚の下側固定子歯１５０ｃをそれぞれ取り付けるようにしてもよい。
【００６０】
この場合であっても、各磁極から隣接の磁極に移動するまでのトルク変動を小さくできるため、コギングトルクの発生を有効に抑制することができる。なお、角状鉄心部１５０ａの外側若しくは内側、上側固定子歯１５０ｂの上面、下側固定子歯１５０ｃの下面などの部分に環状鉄心あるいは非磁性ステンレスなどの材料を用いて固定してもよい。
また、今回の実施形態の回転子、固定子を軸方向に重ね、多段化することもできる。
なお、一般にベアリングレスモータでは、電動機巻線と支持巻線を別々に施すことにより、より小さい電力容量で支持側を構成できるメリットがある。しかし、出力が小さい応用では、むしろ、別々に施すよりも、一つのコイルに供給する電流を調整する方が電流ドライバを簡単化できる。そこで、本発明においても、図示はしないが、供給する電流のトルクを発生する成分と磁気支持を実現する成分を重畳して流せば、コイルは別々に巻回しなくて済む。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明のベアリングレスモータは人工心臓のほか、純水ポンプ、薬液ポンプ、ブロアー、非接触回転ステージ等に適用可能である。血液ポンプ、人工心肺は手術中に患者の体外で動作するポンプであるが、図７の構成にすることができる。また、血液以外の液体を移送することも可能であり、汎用、特殊液体、高温、低温のポンプに図７の構成あるいはその変形が適用できる。羽根車の形状を改造すれば、液体以外にも空気などの気体を搬送することができ、ファン、ブロワ、コンプレッサに適用できる。また、羽根車、カバーをつけずにアクチュエータ、揺動ステージとして利用でき、人工衛星などの姿勢制御を行うリアクションホイールに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施形態であるディスク型ベアリングレスモータの分解斜視構成図
【図２】同上外観斜視図
【図３】本発明のベアリングレスモータの磁束線図と軸支持力発生原理図
【図４】２極軸支持巻線の巻き方を示す例
【図５】エアギャップ部の周状に観測したときの起磁力分布を正弦波に近づける巻き方の例
【図６】支持巻線構造の違いによる支持力方向とＸ軸の誤差角度の比較
【図７】本実施形態を人工心臓に適用した例
【図８】スキューを施した固定子鉄心片の平面図
【図９】スキューを施した固定子鉄心片の斜視構成図
【図１０】スキューを施した回転子鉄心片の平面図
【図１１】スキューを施した回転子鉄心片を含むベアリングレスモータの分解斜視構成図
【図１２】環状鉄心を配設したベアリングレスモータの分解斜視構成図
【図１３】同上斜視外観図
【図１４】一般的なインナーロータ型ベアリングレスモータの断面構成図
【図１５】一般的なアウターロータ型ベアリングレスモータの断面構成図
【図１６】特許文献１でのベアリングレス回転機の断面構成図
【図１７】アウターロータ型ベアリングレスモータを人工心臓に適用した場合の断面図
【符号の説明】
【００６３】
１００  回転子
１１０  上側中空ディスク
１１１、１２１  溝
１１２、１２２  永久磁石
１１３、１２３  穴
１１４、１２４  磁性コア
１２０  下側中空ディスク
１３０  環状永久磁石
１４０  通孔
１５０、１８０  固定子鉄心片
１５０ｂ、１８０ｂ  上側固定子歯  
１５０ｃ、１８０ｃ  下側固定子歯
１６１、１６３  軸支持巻線
１６３ａ、１６３ｂ  エアギャップ
１７１  羽根
１７３  ハウジング
１７５  血液吸入口
１７７  血液吐出口
１８１  上側環状鉄心
１８３  下側環状鉄心
【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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