立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

5 自由度能動制御型磁気浮上モータを用いた全人工心臓の開発
Artificial heart by use of a 5 DOF active controlled maglev motor
2151012

研究代表者

群馬大学大学院
電子情報部門理工学府准教授

栗田伸

幸

流量を自動調整可能な TAH の開発に取り組ん[研 究 の 目 的]でおり，現在までに複数回の動物実験に成功し重度の心疾患患者の救命を目的に，様々な心た。し か し，磁 気 ベ ア リ ン グ と ア キ シ ャ ル

臓補助装置 (Ventricular Assist Device : VAD)

ギャップモータの吸引力の平衡点とロータの定が使用され始めている。国内外において臨床応常浮上位置を完全に一致させることが非常に困用されている VAD のほとんどは左心室補助を難であり，消費電力が増加するという問題が目的にした左心室補助装置 (Left VAD, LVAD)あった。

である。しかしながら，LVAD を適用した患そこで，上下のステータ形状を同一とするこ者の約 20% が後に右心室不全を患うという報とで低消費電力な磁気浮上型血液ポンプの開発告がなされている。この様な状況においても，を目的として研究に取り組んだ。

両心室を補助・置換可能な人工心臓は臨床的に[研究の内容，成果］はまだ存在していないため開発が求められている。
上記の問題に対し，国内外で完全置換型人工本申請課題では，全人工心臓を実現するため心臓 (Total Artificial Heart : TAH)，または両の方法として 5 自由度能動制御型磁気浮上モー心室補助人工心臓 (Bi-VAD) の研究が行われタを適用すること前提に研究を進めていた。している。Hassan らは 2 つの独立した血液ポンかし，軸方向と傾き方向を能動的に制御し，径プを用いている。しかし，両 VAD からの流量方向は受動的に制御するタイプの磁気浮上モーを常に調整しなければならず，ポンプの回転速タでも全人工心臓に適用可能な性能を満たすこ度調節のために手動での調整，または複雑な制とがわかってきたため，1. 5 自由度能動制御型御システムが必要になる。Kiyotake らはロー磁気浮上モータと 2. ダブルステータ型アキタの半径方向を動圧軸受で制御し，軸方向を受シャル磁気浮上モータの 2 種類の磁気浮上モー動的に制御している。しかし，ロータの軸方向タの開発に取り組み，それぞれを人工心臓用血

位置は循環系によって生成された圧力に依存し液ポンプに適用することを検討した。て受動的に変位するため，左右心室に必要な血1．5 自由度能動制御型磁気浮上モータ流量補償が難しい。
申請者らは，ロータの制御に磁気ベアリング提案する 5 自由度能動制御型磁気浮上モータを用いることで，両方のアウトレットからの血のロータは上下 2 枚のロータディスクとそれら― 1 ―立石科学技術振興財団を連結するロータシャフトによって構成する。
ロータディスクの内側表面にはバイアス磁束を発生させるリング状永久磁石を上下で 2 枚，ロータシャフト表面には永久磁石を 4 枚配置し，4 極の磁界を発生する。ステータはアキシャル
磁気ベアリング用ステータと，セルフベアリングモータ用ステータを組み合わせることで構成
図2する。内部スペースには，軸方向と径方向の変軸方向力の磁場解析結果位を読み取るセンサを配置し，ロータの回転角度検出は，下部ロータディスクに円形に配置する永久磁石とホールセンサによって行う。
1. 1

磁場解析による制御性能の確認

磁場解析モデルを図 1，解析条件を表 1 に示す。解析モデルは，ロータとステータを含む装置 全 体 で あ る。ロ ー タ と ス テ ー タ 間 の エ ア
ギャップは軸方向・径方向共に片側 2.0 mm である。
ロータの変位は，可動範囲である 0 mm から±1.8 mm まで 0.9 mm 刻み，また，制御電流

図3製作した 5 自由度能動制御型磁気浮上モータの試作機は 0 A から ±3.0 A まで 1.0 A 刻みで解析を

気支持力の解析結果を図 2 に示す。ロータ変位行った。アキシャル磁気ベアリングの軸方向磁0 mm 時に 17.6 N/A，変位 ±1.8 mm 時に 27.5N/A の力係数が得られた。これは，ロータが中心位置から変位すると上下どちらか一方のエアギャップが小さくなり力係数が増加するためである。そして，変位 +1.8 mm 時に −2.80 A，また，変位 −1.8 mm 時に 2.88 A の制御電流を用いることで負バネ力を相殺し，逆方向の磁気支持力を発生できることが分かった。ラジアル方向の支持力と回転トルクについても同様に解析を行い，十分な結果が得られたが，ここには記載しない。

図1

5 自由度能動制御型磁気浮上モータの有限要素法磁場解析モデル

表1

解析モデルの主要パラメータ

Material of rotor and stator
Permanent magnet
AMB coil
RMB coilMotor coil
Max mesh size
Outer diameter of rotor
Height of rotor

SUY-1N48Hϕ 0.4 mm×325 turnϕ 0.25 mm×200 turnϕ 0.25 mm×256 turn
1.0 mm
ϕ 60 mm70.8 mm

1. 2

製作した実験装置

磁場解析結果に基づき，実験装置を製作した。
製作した実験装置の写真を図 3 に示す。今後，
本実験装置を浮上回転制御し，動特性を明らかにする。さらに，血液ポンプに応用する。
2．ダブルステータ型アキシャル磁気浮上モータ
提案するダブルステータ型アキシャル磁気浮上モータを用いた磁気浮上ポンプの概略図を図― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

4 に示す。また，主要なパラメータを表 2 に示型ながらも高い制御性能と回転トルクを得るこす。ポンプケーシングは右心と左心用に，インとができる。扁平なロータディスクを二つのスレットとアウトレットを 2 組配置する。上下のテータの間に位置し，ロータには上下に永久磁

ロータディスクはシャフトで接続されており，石を 8 枚ずつ配置する。ステータは 12 極の突内側にインペラを配置する。ロータは仕切り板極を有し，それぞれの突極には 2 種類 (ロータを挟んで接続することで，右心用インレットの傾き制御用コイル，回転制御及びアキシャル(RVAD Inlet) と 左 心 用 イ ン レ ッ ト (LVAD軸方向変位制御用コイル) の集中巻コイルを施Inlet) から流入した血液が容易には混ざり合している。下側のコイルはロータの傾き制御用わない構造となっている。ステータに電流を流コイル，上側のコイルは回転制御及びアキシャすことでケーシング内のロータインペラが浮上

ル軸方向変位制御用コイルである。ロータは，回転し，ポンプとして動作する。磁気浮上モー

上部ステータおよび下部ステータにより発生すタはダブルステータ型の構造とすることで，小るアキシャル方向吸引力を釣り合わせることにより支持される。ロータの軸方向位置，回転および径方向軸まわりの傾きを能動的に制御し，径方向位置は受動的に支持する。
2. 1

試作機の浮上性能評価

製作した実験装置の磁気浮上制御性能を明らかにするために空気中でインパルス応答の確認を行った。ロータを上下ステータの中央位置で安定に磁気浮上制御した状態でロータが約 0.1mm 変位するインパルス外乱を印加したとき，軸方向変位 z と傾き θx, θy をそれぞれ測定しプロットした。測定結果を図 5 に示す。ロータの変位が最大値の ± 5 % 以内に収束するまでに
図4

ダブルステータ型磁気浮上モータを用いた血液ポン
プの概略図

要した時間は約 0.0142 sec と短く，高い速応性を有することを明らかにした。また，軸方向に

表 2 ダブルステータ型アキシャル磁気浮上モデルの主な寸法
Rotor
Outer diameter (Rotor disk, PM)
Inner diameter (Rotor disk, PM)
Rotor disk thickness
PM thickness
PM grade
Sensor target outer diameter
Sensor target inner diameter
Sensor target thickness

ϕ 45 mm
ϕ 27 mm
2 mm
1 mm
N48Hϕ 67 mm
ϕ 50 mm
1 mm

StatorStator outer diameter
Stator inner diameter
Stator pole height
Stator base height
Number of winding A
Number of winding B

ϕ 45 mm
ϕ 27 mm
16 mm
3 mm
50 turns/pole
100 turns/pole

図 5 ダブルステータ型アキシャル磁気浮上モータのインパルス応答測定結果― 3 ―立石科学技術振興財団化のために，モータ形状・インペラ・ハウジング形状の最適化を行う。さらに，両磁気浮上ポンプのハウジングとインペラ等血液に触れる部分をチタン合金で製作し，血液適合試験を行う。
［成果の発表，論文等］
国内会議論文集図6

ダブルステータ型アキシャル磁気浮上モータを用いた磁気浮上ポンプの流量特性

外乱が印加されたときに半径方向の傾き，には1．齊藤直希，栗田伸幸，石川赴夫，“ダブルステータ型アキシャルセルフベアリングモータを用いたク
ローズドインペラ型磁気浮上ポンプ ,”第 14 回「運動 と 振 動 の 制 御」シ ン ポ ジ ウ ム 論 文 集，pp. 293296 (2015)

ほとんど影響を与えていないことを確認した。

2．齊藤直希，栗田伸幸，石川赴夫，“両心室補助人工結果は省略するが，同様に傾き方向に外乱を心臓用巻線分割型アキシャル磁気浮上モータの浮上印加した場合の応答も測定した。良好な速応性と傾き制御の独立性を確認した。
2. 2

特性 ,”第 25 回 MAGDA コンファレンス論文集，
Paper No. OS-02-7 (2016)
3．鎌田隼人，栗田伸幸，石川赴夫，“5 自由度能動制御型セルフベアリングモータの提案”，第 28 回「電ポンプ試験結果

ダブルステータ型アキシャル磁気浮上モータを血液ポンプに応用し，そのポンプ特性を確認

磁力関連のダイナミクス」シンポジウム講演論文集，
Paper No. 20A5-4 (2016) 他 6 件した結果を図 6 に示す。一方のポンプを完全に国際会議プロシーディングス開放した状態で，もう片方のポンプの特性を調

1．Nobuyuki Kurita, Takeo Ishikawa, and Hayato

べた。回転数 1800 min −1 のときに 100 mmHg，5.5 L/min を達成し，本血液ポンプが両心室補Kamata, “Magnetically Levitated Motor with Five
Actively Controlled Degrees of Freedom,” Proceedings of ICEMS2016, Paper No. DS6G-3-4 (2016)
2．Nobuyuki Kurita, Takeo Ishikawa, Naoki Saito, Toru

助可能な性能を有することを明らかにした。
しかしながら，体内埋め込みを考慮した場合，モータの消費電力が大きいことが問題となる。
今後，モータの低消費電力化に取り組む。

Masuzawa, “Basic design of the maglev pump for
total artificial heart by using double stator type axial
self-bearing motor,” Proceedings of the 15th ISMB,
pp. 509-514 (2016) 他 5 件
査読付き論文[今後の研究の方向，課題］

1．Nobuyuki Kurita, Takeo Ishikawa, Naoki Saito, ToruMasuzawa, “A double sided stator type axial self-

今後は，5 自由度能動制御型磁気浮上モータ

bearing motor development for left ventricular

を磁気浮上制御し，磁気浮上モータとしての性

assist devices,” Int. of AEM, Vol. 52, pp. 199-206(2016)

能を評価する。その後，ポンプハウジングを製

2．Nobuyuki Kurita, Takeo Ishikawa, Genri Suzuki,作し，磁気浮上ポンプを製作する。そして，ポ“Development of the two-pole type shaded pole

ンプ試験を行い，磁気浮上ポンプとしての性能

self-bearing motor,” Materials Science Forum, Vol.

を評価する。一方，ダブルステータ型アキシャ
ル磁気浮上モータについては，さらなる高性能― 4 ―856, pp. 196-201 (2016) 他 1 件