CN102549269B - 可更换型磁悬浮式离心泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可更换型磁悬浮式离心泵，能够不在可更换部分上使用永磁铁。该可更换型磁悬浮式离心泵包括泵头部与泵体部，所述泵体部包括：定子，在其一端部侧设有马达***部，该马达***部的深度比不使用永磁铁的转子收装部的突出长度大，用于供所述转子收装部***或从其中拔出，此外，在定子上等间隔地配置有能够与所述转子之间产生磁性结合的3个以上的磁力轴承用电磁铁；扭矩传递盘，该扭矩传递盘是将环状部件配置在多个环状的永磁铁间结合而形成的，并且多个永磁铁中的位于最上方的那一个的上面载置有所述环状部件，其中，所述环形部件在与所述转子的凸部相对着的位置处具有凸部，所述永磁铁的NS极方向与厚度方向一致，并且，所述多个永磁铁是按照相同的极相对着的方式配置的，所述扭矩传递盘配置在所述转子***部内，能够与所述转子之间产生磁性结合；马达，其与从所述定子的另一端部侧***到所述一端部侧的转轴连接，通过该转轴驱动所述扭矩传递盘旋转；位移检测器，其配置在所述定子上，用于检测所述转子在径向上的位移；泵体外壳，用于安装所述定子、所述扭矩传递盘、所述马达以及所述位移检测器，所述泵头部能够***泵体外壳从而安装在其上并且能够从其上拔出。

Description

可更换型磁悬浮式离心泵

技术领域

本发明涉及一种例如体外血液循环用的磁悬浮式血液泵或封闭循环型电泵(canned motor pumps)等的使用完叶轮部之后将其扔掉的磁悬浮式离心泵。

背景技术

现在人们希望有一种能够使用两周到一个月左右的离心血液泵来作为长期的PCPS、ECMO等的经皮心肺辅助装置。为了降低血栓与溶血，对支承叶轮的轴承采用磁悬浮技术的离心泵，在市场上有销售，不过对其的研究与开发还在进行中(例如，参照专利文献1、非专利文献1～3)。

为了使磁力轴承具有很高的非接触支承刚性，这些离心泵都是在可更换型的叶轮部上使用钕磁铁等的高性能磁铁。另外，在很多的使用机械式轴承的可更换型离心泵上也使用了钕磁铁以磁性结合(通过磁场传递力)的方式而将马达的扭矩传递给叶轮。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：WO2007/029623A1

非专利文献

非专利文献1：Reto Schob，Centrifugalpump without bearings orseals，World Pumps，July 2002.

非专利文献2：CentriMag Left Ventricular Assist System Catalogue，Levitronix.

非专利文献3：H.Hoshi，K.Kataoka，K.Ohuchi，J.Asama，T.Shinshi，A.Shimokohbe and S.Takatani，Magnetically Suspended Blood Pumpwith a RadialMagnetic Driver，ASIO journal，pp.60-64，(2005).

发明内容

发明所要解决的技术问题

上述的离心泵中，部件永磁铁本身的价格较高，而且，作为主要原料的金属钕，几乎只有中国一个国家生产，其价格较高，供应量也有限。

另外，若是用注射成型的方法来成形叶轮，由于注射的树脂的温度较高，但钕的消磁温度较低，因而难以将其置入树脂中而进行一体成形。这样的话不利于制造出便宜的可更换型离心泵。

另外，在专利文献1的图8中公开了可以在转子上仅使用磁性材料这样的方案，然而，在其结构中，由于是将很小的扇形磁铁配置于扭矩传递盘的圆周上，因而制作起来较困难。

并且，专利文献1的图8所公开的在转子上仅使用磁性材料的方案与在转子上使用永磁铁的方案相比，其所获得的对叶轮的支承刚性较低。

鉴于上述问题，作出了本发明，本发明的目的在于提供一种不在可更换部分上使用永磁铁的磁悬浮式离心泵。

解决技术问题的技术方案

本发明的可更换型磁悬浮式离心泵包括泵头部与泵体部。

所述泵头部包括：转子，其呈圆筒状，由磁性材料形成，具有凸部，凸部从环状的转子主体的内周面的上部与下部以一定的宽度向内侧凸出；叶轮，其随着所述转子的旋转而旋转；泵头外壳，其设有液体流入口与液体流出口，并且设有用于配置能够旋转的所述叶轮的空间部，从所述空间部的底面突出地形成有转子收装部，转子收装部用于配置在磁力作用下能够旋转的所述转子。

所述泵体部包括：定子，在其一端部侧设有马达***部，该马达***部的深度比所述转子收装部的突出长度大，用于供所述转子收装部***或从其中拔出，此外，在定子上等间隔地配置有能够与所述转子之间产生磁性结合的3个以上的磁力轴承用电磁铁；扭矩传递盘，该扭矩传递盘是将环状部件配置在多个环状的永磁铁间结合而形成的，并且多个永磁铁中的位于最上方的那一个的上面载置有所述环状部件，其中，所述环形部件在与所述转子的凸部相对着的位置处具有凸部，所述永磁铁的NS极方向与厚度方向一致，并且，所述多个永磁铁是按照相同的极相对着的方式配置的，所述扭矩传递盘配置在所述转子***部内，与所述转子之间产生磁性结合；马达，其与从所述定子的另一端部侧***到所述一端部侧的转轴连接，通过该转轴驱动所述扭矩传递盘旋转；位移检测器，其配置在所述定子上，用于检测所述转子在径向上的位移；泵体外壳，用于安装所述定子、所述扭矩传递盘、所述马达以及所述位移检测器，所述泵头部能够***泵体外壳从而安装在其上并且能够从其上拔出。

所述定子包括：电磁铁芯，其具有底板部、安装部以及突出部，其中，所述底板部的中心部设有轴孔，该轴孔供所述转轴穿过，安装部从所述底板部的端缘部沿与所述轴孔的轴向相同的方向立起，突出部位于所述安装部的上部侧且向所述轴孔的中心轴突出；所述轴承用电磁铁，其通过在所述电磁铁芯上缠绕线圈而形成。

所述扭矩传递盘固定在所述转轴上，并且，该扭矩传递盘的所述多个环状的永磁铁位于所述突出部与所述底板部之间，且与所述转子***部中的所述转子相对着。

在本发明的可更换型磁悬浮式离心泵中，所述叶轮可以通过注射成型与所述转子结合成一体。

本发明的效果

本发明中，在转子上不使用永磁铁，仅有磁性材料，因而能够获得成本较低的可更换部分。

另外，由于转子是通过在环状部件的内周面上进行开槽加工而形成磁极面这样的简单结构，因而能够提高加工精度，能够以较低的成本制造转子。

另外，由于在转子上不使用永磁铁，在利用注射成型来形成转子时，成型时的热量不会成为问题，因而能够利用注射成型制造转子，成本较低。

附图说明

图1的立体剖视图所示为将本发明的可更换型磁悬浮式离心泵应用为可更换型磁悬浮式血液泵的一个实施方式；

图2的立体剖视图所示为将图1中的泵头部10从泵体部20上分离的状态；

图3为表示图1的泵体部20的局部的立体剖视图；

图4为表示图1中的磁力轴承30的俯视说明图；

图5为表示图1中的磁力轴承30的磁力线回路的说明图；

图6为表示将图1中的扭矩传递盘31安装到定子21上的说明图；

图7为表示图1中的磁力轴承30的磁力线回路的说明图；

图8为表示图1中的磁力轴承30的钕永磁铁产生的磁力线回路的说明图；

图9为表示图1中的磁力轴承30上的回复力F1的说明图；

图10为表示图1中的磁力轴承30上的磁力矩F2的说明图；

图11为表示在图1的转子11向磁极面105y一侧产生位移时控制装置的反馈控制的说明图；

图12的说明图用于表示，在将图1的可更换型磁悬浮式血液泵与专利文献1的可更换型磁悬浮式血液泵进行比较时，图1中的可更换型磁悬浮式血液泵1的转子11与各电磁铁25x、26x、25y、26y之间的间隙、转子11与扭矩传递盘31之间的间隙、转子11以及扭矩传递盘31的齿槽的角度。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1～图12所示为将本发明的可更换型磁悬浮式离心泵应用为可更换型磁悬浮式血液泵的一个具体实施方式。

如图1～图3所示，本实施方式的可更换型磁悬浮式血液泵1由泵头部10、泵体部20、控制装置50构成，其中，泵头部10是可在使用后更换的，该泵头部10能够***泵体部20中并且能够从其中拔出从而实现相对于泵体部20的装拆，从而使该泵体部20能够被再利用。

下面首先对泵头部10进行说明。

泵头部10由转子11、叶轮12、泵头外壳13构成，其中，转子11呈环状，由例如电磁软铁等的磁性材料构成，叶轮12一体形成在转子11上，泵头外壳13用于收装转子11与叶轮12。

转子11呈环状，其截面呈日文片假名“コ”形，在环状的转子主体11a的内周面的上部与下部通过齿槽加工形成具有一定宽度(圆周方向的尺寸)的向内侧凸出的凸部11b、11c。转子主体11a、凸部11b、凸部11c上分别形成磁极面100、101、102。设置具有磁极面101、102的凸部11b、11c是为了，将马达的扭矩通过下述的扭矩传递盘31的磁极面103、104传递至转子11上。

叶轮12由叶轮主体12a、多个叶片12b、清洗孔12c构成，其中，叶轮主体12a连接在转子11的上端面之上，多个叶片12b相隔规定的间隔设置以将血液向外压送，清洗孔12c在轴向上贯穿在叶轮主体12a的中心部。叶轮12例如由聚甲基丙烯酸甲酯等的较轻的合成树脂材料形成。在本实施方式中，利用注射成型加工将转子11与叶轮12一体形成。此时，叶轮主体12a的外径与转子11的外径相等，叶轮主体12a与转子11的接合部12d上形成与转子11的上端面的形状相同的圆筒状的立起部12e。

泵头外壳13由第1壳体14与第2壳体15通过粘接剂等接合在一起而形成，其中，第1壳体14大致呈茶杯状，第2壳体15配置在第1壳体14的开口侧而封闭第1壳体14的开口侧。与叶轮12相同，泵头外壳13例如由聚甲基丙烯酸甲酯等的较轻的合成树脂材料形成。

在第1壳体14的顶壁部设有血液流入口14a，在其侧面设有血液流出口14b，此外，第1壳体14上设有凹部14c，由该凹部14c形成用于配置可自由转动的叶轮12的空间部13a。

第2壳体15上形成有与第1壳体14的凹部14c相对着的圆筒状的转子收装部15a，该转子收装部15a向第1壳体14的相反侧突出，用于配置能够在磁力作用下旋转的转子11。

在本实施方式中，与专利文献1(WO 2007/029623A1)相同，从泵头外壳13的转子收装部15a的底部15a′到叶轮12的上部的高度尺寸设定为39.5mm，转子11的高度设定为10mm，叶轮12与转子11的外径设定为50mm，泵头外壳13的转子收装部15a的外径设定为53mm。

下面对泵体部20进行说明。

泵体部20由定子21、扭矩传递盘31、马达41、第1位移检测器44a与第2位移检测器44b、泵体外壳45构成，其中，定子21例如由电磁软铁等的磁性材料形成，其上配置着电磁铁25x、26x、25y、26y，这些电磁铁25x、26x、25y、26y用于构成与转子11之间产生磁性结合的磁力轴承；扭矩传递盘31会与转子11之间产生磁性结合；马达41用于驱动扭矩传递盘31而使其旋转；第1位移检测器44a与第2位移检测器44b用于检测转子11在径向上的位移(变位)；泵体外壳45用于安装定子21、扭矩传递盘31、马达41、第1位移检测器44a与第2位移检测器44b。

定子21由底板部22、安装部24b、电磁铁芯24构成，其中，底板部22大致呈十字状，其中心部设有轴孔23，该轴孔23供下述的用于安装扭矩传递盘31的转轴28穿过；安装部24b从底板部22的各端缘部沿轴孔23的轴向向上延伸(立起)；电磁铁芯24具有突出部24a，该突出部24a位于安装部24b的各上端侧且向着轴孔23的中心轴线突出(向径向内侧突出)。

轴孔23也形成在向与安装部24b相反的方向突出于底板部22的底面的圆筒部23a上。在圆筒部23a内安装着轴承29从而能够支持转轴28并使其能够旋转。

电磁铁芯24由用纯铁制作的电磁软铁铁芯形成，或者由将纯铁的微小颗粒压缩并用粘接剂固化而形成的粉状体材料铁芯所形成的电磁软铁铁芯形成，在该电磁软铁铁芯上通过缠绕线圈而形成4个用于形成磁力轴承的电磁铁25x、26x、25y、26y，这些电磁铁25x、26x、25y、26y相隔90°的间隔配置。由，这些电磁铁25x、26x、25y、26y与转子11构成了通过磁力以非接触的方式支承叶轮12的重量的磁力轴承30。即，具有用于控制x方向的磁极面105x、106x的突出部24a在x方向上隔着转子11相对着地配置，具有用于控制y方向的磁极面105y、106y的突出部24a在y方向上隔着转子11相对着地配置。另外，安装部24b位于各突出部24a的下部以能够更多地缠绕线圈。对4个用于形成磁力轴承的电磁铁25x、26x、25y、26y的供电按照通常的方法进行即可，在此省略了其说明。

这里，将电磁铁芯24的底板部22的长度设定为82mm，从电磁铁芯24的底板部22的下表面到电磁铁芯24的突出部24a的高度设定为28mm。

在4个用于形成磁力轴承的电磁铁25x、26x、25y、26y的作用下，分别向轴孔23的中心轴突出的各突出部24a上分别形成了磁极面105x、106x、105y、106y。并且，磁极面105x、106x、105y、106y分别沿着转子11的磁极面100的一部分区域形成，它们之间的间隙仅为一点点。由4个用于形成磁力轴承的电磁铁25x、26x、25y、26y上分别形成的磁极面105x、106x、105y、106y构成了转子***部27，该转子***部27供泵头外壳13的转子收装部15a***，并且该收装部15a能够拔出。这里，形成转子***部27的突出部24a的上端到底板部22的深度比转子收装部15a的突出尺寸大。

扭矩传递盘31配置于转子11的内周侧且位于电磁铁芯24的底板部22的上侧。该扭矩传递盘31由环状部件34、永磁铁32、环状部件35、永磁铁33从上至下顺序重叠而构成，其中，环状部件34与35例如由电磁软铁等的磁性材料形成，永磁铁32与33例如为钕磁铁。在各环状部件34、35上被施以齿槽加工从而在与转子11的凸部11b、11c相对着的位置形成了同样的凸部34a、35a。具体而言，由凸部34a形成的磁极面103与由转子11的凸部11b形成的磁极面101相对着，由凸部35a形成的磁极面104与转子11的凸部11c相对着。

永磁铁32与33的NS极方向与轴向(z向)一致，二者可以同向，也可以反向。以图5为例进行说明的话，从永磁铁32的N极出来的磁力线111经由环状部件35→磁极面104间隙→磁极面102→转子11→磁极面101→间隙→磁极面103→环状部件34返回至永磁铁32的S极，从而形成了磁力线111的闭合回路，产生恒定磁场。同样地，从永磁铁33的N极出来的磁力线112经由环状部件35→磁极面104间隙→磁极面102→转子11→磁极面100间隙→磁极面105y→定子21→间隙而返回至永磁铁33的S极，从而形成了磁力线112的闭合回路，产生恒定磁场。

下面对在转子11与扭矩传递盘31上设置凸部34a、35a、11b、11c的理由进行说明。

如图4所示，在扭矩传递盘31旋转时，凸部34a、35a与11b、11c之间产生不对齐。此时，由两个永磁铁32、33的磁力线111使转子11上产生使凸部34a、35a与11b、11c之间的不对齐恢复到之前状态的扭矩(传递扭矩)，从而，使扭矩传递盘31发生旋转的扭矩被传递至转子11上。

若没有了任何一方的凸部34a、35a与11b、11c，都不能形成图4所示的不对齐结构，因而，为了传递马达的扭矩，必需要在扭矩传递盘31与转子11这二者上形成凸部34a、35a与11b、11c。

下面对扭矩传递盘31的形成凸部34a、35a的槽34b、35b进行说明。

通过数值分析可知，减小槽34b、35b所占的角度，增大扭矩传递盘31与转子11的凸部11b、11c的相对着部分的面积，则图9与图10所示的与轴向相倾斜的方向上的回复力F1、回复力矩F2也显示出增大的倾向。另一方面，通过数值分析可知，若使槽34b、35b所占的角度过小或者过大的话，则图4所示的传递扭矩会变小。因而，可以用数值分析方法等来确定能够实现理想的回复力F1、回复力矩F2与传递扭矩的适当的槽角度(槽所占的角度)。

槽34b、35b的深度主要影响传递扭矩的大小，也可以用数值分析方法等来确定适当的槽深度。槽的数量并不必需是上述的4个。从原理上讲，用0个以上的槽就能够产生图9与图10所示的回复力F1与回复力矩F2，用1个以上的槽就能够产生图4所示的传递扭矩。

下面对在扭矩传递盘31上相面对着地配置两个永磁铁32、33的理由进行说明。

通过数值分析可知，与仅使用一个永磁铁相比，通过相面对着地配置两个永磁铁32、33，能够增大在轴向与斜向上对转子11进行支承的支承刚性(即，使磁悬浮状态更加稳定)，因而采用了本实施方式的上述结构。

即使永磁铁32、33的磁力线方向不相对着，而是相同，也能够形成磁力轴承30。然而，通过磁场分析可知，相同时比相对着时对转子11的轴向与斜向上的支承刚性要小。

从原理上讲，永磁铁并不必需为两级，也可以构成为其间夹着铁制环形件的3级以上的结构。

然而，在本实施方式中，由于受到转子11的高度设定为10mm这样的设计上的制约，因而使用了两个钕永磁铁32、33。

夹在永磁铁32、33之间的环状部件35，其厚度越小，越容易产生环状部件35的磁饱和，磁阻越大。因而，在本实施方式中，利用磁场分析方法求得环状部件35的使磁力线密度正好达到饱和或者正好不饱和这样的程度的厚度。

在采用三级以上的结构时，在设计上必需要注意：在使环状部件35减薄时的磁力线密度的饱和情况。

扭矩传递盘31如图6中(a)到(c)所示地被组装在定子21上。

首先，如图6中(a)所示，将4个磁力轴承用的电磁铁25x、26x、25y、26y以90°的间隔配置在定子21的电磁铁芯24的安装部24b上。

接下来，如图6中(b)所示地通过轴承29将转轴28安装在轴孔23内。

之后，如图6中(c)所示地，将垫圈36安装在从电磁铁芯24的底板部22伸出的转轴28上，使转轴28***扭矩传递盘31的轴孔31a而将扭矩传递盘31设置在垫圈36的上方，使电磁铁芯24的底板部22与扭矩传递盘31之间具有0.5mm的间隙37，从扭矩传递盘31的轴孔31a安装上调整铁芯38，用螺丝39将调整铁芯38固定在转轴28上。此处，间隙37的大小为0.5mm，然而，只要是能够保证扭矩传递盘31在旋转时使其不会接触到电磁铁芯24的底板部22这样的程度的间隙即可，并不限于上述尺寸。

马达41的驱动轴42通过联轴器43连接在转轴28上而能够驱动扭矩传递盘31使其旋转。在马达41与安装着扭矩传递盘31的定子21之间配置用塑料制的隔挡件40，由该塑料制的隔挡件40隔离马达41的驱动轴42、联轴器43、转轴28以及轴承29。对马达41的供电按照通常的方法进行即可，此处省略了其说明。

用于检测转子11的径向位移的第1位移检测器44a、第2位移检测器44b按照在例如聚醚酰亚胺树脂等的合成树脂制的元器件保持件44c上，且位于定子21的突出部24a之间，而使第1位移检测器44a、第2位移检测器44b不会与定子发生反应。第1位移检测器44a与第2位移检测器44b以转子11的外侧表面为检测目标(检测对象)。对第1位移检测器44a、第2位移检测器44b的供电按照通常的方法进行即可，在此省略对其的说明。

定子21、扭矩传递盘31、马达41以及第1位移检测器44a、第2位移检测器44b安装在泵体外壳45中。

泵体外壳45由顶部壳45a与底部壳45b构成，其中，顶部壳45a例如为硬铝制，呈圆环状；在底部壳45b的侧表面设有散热板。在顶部壳45a与底部壳45b之间设有实现防水与隔热的目的的橡胶片47。

顶部壳45a通过螺丝固定在电磁铁芯24的突出部24a上。在本实施方式中，如图2所示，泵头部10构成为，在将圆筒状的转子收装部15a***泵体部20的转子***部27中时，该转子收装部15a与扭矩传递盘31相对着，并且，第2壳体15的底部15a′被置于泵体部20的顶部壳45a之上。泵头部10利用其与定子21之间的摩擦实现固定。

底部壳45b通过例如硬铝制的马达固定架46将马达41固定在底部。在硬铝制的马达固定架46上载置着例如聚碳酸酯等的合成树脂制的隔挡件40，且该隔挡件40位于马达41与定子21之间。马达41的发热通过硬铝制的马达固定架46传递到侧表面设有散热板的底部壳45b上，而被排放至大气中。由于隔挡件40为合成树脂制，因而马达41的发热不易传递到电磁铁以及泵头部10中的血液中，抑制了由受热引起的血球破坏与血液凝固。

在具有上述结构的泵体部20中，于顶部壳45a侧，由电磁铁芯24的突出部24a形成转子***部27，由扭矩传递盘31形成(限定出)供泵头部10的圆筒状的转子收装部15a***或拔出的开口。

下面对控制装置50进行说明。

在本实施方式的可更换型磁悬浮式血液泵1上，设置控制装置50是为了进行反馈控制以对包含下述四种力在内的干扰进行补偿而使转子11在X与Y方向上被以非接触的方式保持，该四种力为：(1)由X、Y方向的磁力线111、112引起的磁性吸引力；(2)转子11旋转时“由旋转中心与惯性中心的不一致引起的不平衡力”；(3)血液循环时产生的流体力；泵41翻转时或者救护车等收到冲击、产生振动而引起的各种外力。

控制装置50具有输入部、运算部、供电部，其中，输入部接收用于检测转子11的侧表面(目标对象)的径向(X、Y)上的位移的第1位移检测器44a、第2位移检测器44b发出的检测数据；运算部将所输入的检测值与目标位置(值)相比较而计算出位移；供电部用于对电磁铁25x、26x、25y、26y进行相应的供电以使目标对象返回目标位置。

通过该控制装置50所进行的反馈控制，使电磁铁25x、26x、25y、26y被供电从而产生磁力线113，使转子11产生位移。

下面对本实施方式的磁力轴承30进行说明。

磁力轴承30在除了以叶轮12的轴向(Z方向)为中心的旋转方向(Ψ方向)外的5个自由度上的支持刚性系数为正(即，叶轮12只可以在Ψ方向旋转)。

这5个自由度为，轴向(Z方向)上的1个自由度、径向(X、Y方向)上的2个自由度、倾斜方向(Θ方向，Φ方向)上的2个自由度，轴向对应于叶轮9的旋转轴方向，径向对应于垂直于旋转轴方向的方向，倾斜方向对应于以径向为中心产生微小转动的方向。

此处，假设由磁性结合产生的支持刚性系数的符号为，轴向(Z方向)与倾斜方向(Θ方向，Φ方向)上的总计3个自由度上为“正”。即，关于轴向(Z方向)上的1个自由度，若转子11如图9所示地从理想位置产生位移的话，则由磁力线111的回路产生的回复力F1会对转子11产生回复作用。

另外，如图10所示，关于、倾斜方向)上的2个自由度，若转子11从理想位置发生倾斜的话，由磁力线111与112的回路产生的回复力矩F2会对转子11产生回复作用。

无论哪一种情况，在回复力F1或者回复力矩F2的作用下，转子11都会向、磁极面101与扭矩传递盘31的磁极面103相对着、磁极面102与扭矩传递盘31的磁极面104相对着、磁极面100与电磁铁25y的磁极面105y以及106y相对着这样的状态(即，理想的位置对准状态)回复。

从而，转子11被稳定地保持在磁极面101、102分别面对着磁极面103、104，磁极面100面对着磁极面105x、106x、105y、106y这样的对准状态。即，关于轴向与倾斜方向这三个非控制方向上的三个自由度，能够由来自于永磁铁32、33的磁力线111、112的回路保证对转子11具有充分的支持刚性。

与此相对，关于径向上的2个自由度，假设其有弹性支持刚性，由来自于永磁铁32、33的磁力线111、112的磁路产生的刚性系数为“负”(即，仅用永磁铁32、33不能实现对转子11的径向支承)。

因此，在本实施方式中，为了使径向上的磁性结合的刚性系数变为“正”，由控制装置50对用于控制X、Y方向的电磁铁25x、25y、26x、26y的各线圈供应励磁电流。并且，根据来自于第1位移检测器44a、第2位移检测器44b的输出信号，对施加在各线圈上的励磁电流的方向与强度进行反馈控制。

如图3、图5所示，用元器件固定件44c来设置第1位移检测器44a与第2位移检测器44b，使二者相隔90°地位于电磁铁25x、26y以及25x、25y之间且朝向转子11的中心，由第1位移检测器44a与第2位移检测器44b对转子11的径向上的位移，具体而言是对转子11的外周侧表面的磁极面100的位移进行检测。

如上所述，控制装置50进行反馈控制，从而将来自于第1位移检测器44a与第2位移检测器44b的输出信号以及转子11在径向上的目标位置(信号)进行比较，使转子11返回目标位置。

例如，虽然图中未示出，关于Y方向的1个自由度，若转子11从理想的位置产生位移，则控制装置进行反馈控制以控制施加给Y方向控制用的电磁铁25y、26y的线圈的励磁电流的方向与强度，从而产生与位移方向相反的控制作用力。

因此，如图11所示，如果转子11向磁极面105y一侧移动，则由电磁铁产生在磁极面105y一侧与磁力线112方向相反、在磁极面106y一侧与磁力线112方向相同的磁力线113。此时，通过磁极面105y一侧的磁场回路中，磁力线112被减弱，在通过磁极面106y一侧的磁场回路中，磁力线112被增强。

从而，产生了使转子11向磁极面106y一侧回复的控制作用力。

因而，转子11被稳定地保持在磁极面105y侧的间隙与磁极面106y侧的间隙相等的目标位置。

即，关于径向上的2个自由度，由来自于永磁铁32、33的磁力线111、112的回路与来自于电磁铁25x、26x、25y、26y的磁力线113的回路这二者的合成使假设的弹性支持刚性系数为“正”，保证对转子11具有足够的支承刚性。

如此，采用本实施方式的磁力轴承30，关于转子11的轴向与倾斜方向这些非控制方向上的3个自由度，由来自于永磁铁32、33的磁力线111、112的回路能够保证充分的刚性，关于径向上的2个自由度，由上述回路与来自于电磁铁的磁力线113的回路的合成能够保证具有充分的刚性，即，实现了5个自由度上的高刚性化。

下面对本实施方式的可更换型磁悬浮式血液泵1的作用进行说明。

首先，如图2所示，将泵头部10的圆筒状的转子收装部15a***泵体部20的转子***部27中而使泵头部10与扭矩传递盘31相面对，并且，使第2壳体15的底部被置于泵体部20的顶部壳45a之上。

之后，由转子11与扭矩传递盘31之间产生的磁性结合力与电磁铁25x、26x、26x、26y与转子11之间产生的磁性结合力使转子11与叶轮12完全不接触泵头外壳13而呈磁悬浮状态，并在此非接触状态下被支承。

在此状态下使马达41进行驱动，如图4所示，扭矩传递盘31向箭头所示方向(Ψ方向)旋转，于是，由扭矩传递盘31与转子11之间产生的磁性结合使扭矩被传递到转子11上，而使转子11向相同方向旋转，叶轮12也向相同方向旋转。

因而，从泵头外壳13的顶部的血液流入口14a流入的血液被旋转的叶轮12带动而从侧面的血液流出口14b流出。并且，如上所述，在叶轮12旋转时，磁力轴承30会使转子11向轴向(Z方向)与倾斜方向(Θ方向，Φ方向)位移与倾斜回复至理想位置，另外，控制装置50进行反馈控制而通过磁力轴承30使转子11在径向(X、Y方向)上的位移回复至理想位置，因而，转子11与叶轮12能够稳定地在Ψ方向旋转。

另外，与马达41的驱动相伴，由磁场变化引起的铜损耗与铁损耗会使马达41发热，上述的本实施方式中，马达41的发热会通过硬铝制的马达固定架46传递至侧面设有散热板的底部壳45b上，而被排放至大气中。由于隔挡件40为合成树脂制，因而马达41的发热不易传递到电磁铁以及泵头部10中的血液中，抑制了由受热引起的血球破坏与血液凝固。并且，由于扭矩传递盘31与转子11同步旋转，因而在泵头外壳13的附近不会产生磁场变化。在更换由泵头外壳13与安装在其内部的转子11、叶轮12等构成的与血液接触的血液接触部时，将泵头部10从泵体部20上取下而将新的泵头部10安装在泵体部20上即可。

如此，在本实施方式的可更换型磁悬浮式血液泵1上，组装在泵头部10内的叶轮12被磁力轴承30以非接触的方式支承，与用接触式的轴承支承叶轮的现有技术方案相比，使用寿命更长，能够飞跃性地延长可更换部分的使用期限，另外，还能够解决轴承周围产生血栓以及由轴承产生的溶血这样的上述现有技术方案中存在的问题。

另外，在本实施方式中，马达41远离泵头部10而配置在定子21的下部，并且，用热传导性较低的材料形成动力传递用的转轴28，使马达41的热量不易传递到流动在泵头部10中的血液中，因而能够可靠地防止由受热引起的血液凝固。

再者，如上所述，若由经过退火处理的纯铁形成电磁铁25x、26x、25y、26y的电磁软铁铁芯的话，则可降低磁力轴承30的磁滞损耗而使电磁铁25x、26x、25y、26y产生的热量较少，因而能够可靠地防止流动在泵头部10内的血液的凝固，另外，若用粉状体材料铁芯形成电磁软铁铁芯的话，能够降低涡流损耗而使电磁铁25x、26x、25y、26y产生的热量较少，因而可扩大磁力轴承30产生作用的电磁力的上限范围，从而降低转子11的振动而有利于防止溶血与血液凝固。

并且，磁回路的磁阻也较小，从而有利于降低磁力轴承所消耗的电力。

另外，在本实施方式中，由于在可更换部分的泵头部10内的转子11中不使用钕永磁铁，因而，与上述的专利文献1、非专利文献1～3所记载的现有技术方案例相比，能够以简单的结构来实现所需的功能从而有利于降低可更换部分的制造成本。

再者，采用本实施方式，利用泵头部10的底部的外周面与泵体部20的顶部壳45a的内周面之间的摩擦可以实现防止可更换部分的泵头部10的脱落，不必担心在进行心脏手术过程中或进行完手术后泵头部10脱落而造成不可预测的后果。

如上所述，采用本实施方式，在转子11上不使用永磁铁，并且，与对比文件1的泵相比，不改变支承刚性、支承力、由磁性结合力产生的旋转所对应的扭矩，并且，不改变叶轮的直径、内径、间隙就能够实现能够使叶轮呈悬浮状态的磁悬浮式离心泵。

还有，采用本实施方式，包括叶轮12在内的转子11上完全不使用永磁铁，仅仅是磁性材料(例如纯铁)作成的一个部件，因而可以减少部件的数量。由于不使用昂贵的钕永磁铁因而能够降低成本。

另外，钕永磁铁的加工是很困难的，在本实施方式中，由容易加工的铁等材料构成转子11，仅仅是针对零件的形状，在环状的转子主体11a的内周在周向形成1个槽、在轴向形成4个槽即可，结构很简单，因而能够提高加工精度，从而能够提高转子11的转动动作精度。

而且，由于在转子11上不使用钕永磁铁，因而可以利用注射成型一体形成转子11与叶轮12，从而有利于制造出便宜的可更换部件即泵头部10。与此相对，专利文献1中，在转子上使用钕永磁铁时，由于钕永磁铁的消磁温度较低，因而难以在注射成形叶轮时将钕永磁铁置入其中而一体形成，因而，现有技术的叶轮都不是通过注射成形与转子一体形成，因而会有可更换部分的成本较高这样的缺点。

另外，本实施方式提供了现有技术中的磁悬浮式离心泵所不具有的磁力轴承用的电磁铁、扭矩传递盘的形状与结构，以实现在使转子11呈磁悬浮状态的同时，来自于外部马达41的扭矩被传递至其上而进行旋转。

表1所示为将本实施方式的可更换磁悬浮式血液泵1所获得的轴向支承刚性、倾斜方向支承刚性与专利文献1记载的可更换磁悬浮式血液泵相比较的具体情况。

此处，材料的物理特性如下：

在磁场分析中使用：

永磁铁，为剩余磁通密度1.2T、顽磁力890kA/m的钕永磁铁；

使用纯铁(或者与纯铁具有相同磁特性的材料)的磁性材料部件(转子11、电磁铁芯、产生磁性结合的环状部件)。

另外，会对磁特性有很大影响的尺寸参数如图12所示。

转子11与各磁力轴承用的电磁铁25x、26x、25y、26y之间的间隙为1.5mm；

转子11与扭矩传递盘31之间的间隙为1.8mm；

转子11与扭矩传递盘31之间的齿槽的角度为30°。

表1

由表1可知，采用本实施方式的可更换型磁悬浮式血液泵1，虽然没有在转子11上使用永磁铁，但所获得的轴向上的支承刚性、倾斜方向上的支承刚性是专利文献1中记载的没有使用磁铁的可更换型磁悬浮式血液泵的10～20倍，达到了专利文献1中所记载的使用了磁铁的可更换型磁悬浮式血液泵同等的程度。

在专利文献1的图8中记载了在转子上不使用永磁铁，磁力轴承仅由磁性体环形成这样的技术方案。本实施方式的可更换型磁悬浮式血液泵1与专利文献1的图8所记载的不使用磁铁的可更换型磁悬浮式血液泵的相同之处在于，在转子上仅使用磁性材料，不同之处在于，本实施方式的可更换型磁悬浮式血液泵具有能够获得较高支承刚性的形状结构。在本实施方式中能够获得是专利文献1的图8所记载的可更换型磁悬浮式血液泵的20倍左右的支承刚性。

如上所述，由于专利文献1的图8中记载的不使用磁铁的可更换型磁悬浮式血液泵为，将很小的扇形磁铁配置于扭矩传递盘的圆周上，因而该扭矩盘制作起来较困难。

与此相对，本实施方式的可更换型磁悬浮式血液泵1的扭矩传递盘31，仅仅是将圆筒状的永磁铁32、33与磁性的环状部件34、35重叠起来即可获得，其形状简单，制造也简单。

下面，对本实施方式的可更换型磁悬浮式血液泵1与专利文献1的图8所记载的无磁铁的可更换型磁悬浮式血液泵所获得的刚性有所不同的原因进行分析与说明。

这是由于扭矩传递盘的永磁铁的大小不同，本实施方式的磁动势大，即，本实施方式的磁回路的磁力线密度大。在转子的高度固定为10mm时，在专利文献1的图8的方案中，扭矩传递盘上所使用的磁铁的高度只能达到10mm的程度。如果扭矩传递盘的磁铁比转子高时(例如，取15mm或20mm)，则在转子在Z方向上产生位移时，不能够在Z方向上产生足够的使转子回复的回复力。

与此相对，在本实施方式中，例如，如图7所示，相对于高度为10mm的转子11，虽然与专利文献1的图8的情况相同，永磁铁32的高度也受到限制，但是永磁铁33的高度却是怎样都可以。极端一点说，若使永磁铁33的高度增大，体积增大，达到产生磁性材料的磁饱和的程度的话，能够获得较强的磁回路。在本实施方式中，由于从形成转子***部27的突出部24a的上端到底板部22的深度比转子收装部15a的突出尺寸大，因而能够保证永磁铁33具有足够的高度。

另外，在上述实施方式中，在定子21上设置4个磁力轴承用的电磁铁25x、26x、25y、26y，然而本发明并不仅限于此，只要是能够形成磁回路，电磁铁的数量可以随意。例如，在磁力轴承用的电磁铁为3个或5个时，将这些电磁铁以等间隔配置在转子11的外周上，用两个第1位移检测器44a、第2位移检测器44b计算出转子11在X方向、Y方向上的位移，由控制转子计算磁悬浮所需要的X方向、Y方向上的力，对各电磁铁供给适当的电流而产生通过该计算所得到的X方向、Y方向上的力，从而使X、Y方向上的支承刚性系数为“正”。

另外，在上述实施方式中，在电磁铁芯24的大致呈十字形的底板部22上设置4个安装部24b，然而本发明并不限于此，底板部22的形状可以随意。

另外，在上述实施方式中，在电磁铁芯24的4个安装部24b上分别缠绕线圈而形成4个磁力轴承用的电磁铁25x、26x、25y、26y，然而本发明并不仅限于此，将电磁铁设置在电磁铁芯24的突出部24a或底板部22上也可以。

另外，在上述实施方式中，以将本发明应用于可更换型磁悬浮式血液泵为例进行说明，然而本发明并不仅限于此，例如，也可以应用于密封循环电泵等的叶轮部可更换的磁悬浮式离心泵上。

Claims (2)

1.一种可更换型磁悬浮式离心泵，包括泵头部与泵体部，其特征在于，

所述泵头部包括：

转子，其呈圆筒状，由磁性材料形成，具有凸部，凸部从环状的转子主体的内周面的上部与下部以一定的宽度向内侧凸出；

叶轮，其随着所述转子的旋转而旋转；

泵头外壳，其设有液体流入口与液体流出口，并且设有用于配置能够旋转的所述叶轮的空间部，从所述空间部的底面突出地形成有转子收装部，转子收装部用于配置在磁力作用下能够旋转的所述转子，

所述泵体部包括：

定子，在其一端部侧设有马达***部，该马达***部的深度比所述转子收装部的突出长度大，用于供所述转子收装部***或从其中拔出，此外，在定子上等间隔地配置有能够与所述转子之间产生磁性结合的3个以上的磁力轴承用电磁铁；

扭矩传递盘，该扭矩传递盘是将环状部件配置在多个环状的永磁铁间结合而形成的，并且多个永磁铁中的位于最上方的那一个的上面载置有所述环状部件，其中，所述环状部件在与所述转子的凸部相对着的位置处具有凸部，所述永磁铁的NS极方向与厚度方向一致，并且，所述多个永磁铁是按照相同的极相对着的方式配置的，所述扭矩传递盘配置在所述转子***部内，与所述转子之间产生磁性结合；

马达，其与从所述定子的另一端部侧***到所述一端部侧的转轴连接，通过该转轴驱动所述扭矩传递盘旋转；

位移检测器，其配置在所述定子上，用于检测所述转子在径向上的位移；

泵体外壳，用于安装所述定子、所述扭矩传递盘、所述马达以及所述位移检测器，所述泵头部能够***泵体外壳从而安装在其上并且能够从其上拔出，

所述定子包括：

电磁铁芯，其具有底板部、安装部以及突出部，其中，所述底板部的中心部设有轴孔，该轴孔供所述转轴穿过，安装部从所述底板部的端缘部沿与所述轴孔的轴向相同的方向立起，突出部位于所述安装部的上部侧且向所述轴孔的中心轴突出；

所述轴承用电磁铁，其通过在所述电磁铁芯上缠绕线圈而形成，

所述扭矩传递盘固定在所述转轴上，并且，该扭矩传递盘的所述多个环状的永磁铁位于所述突出部与所述底板部之间，且与所述转子***部中的所述转子相对着。

2.根据权利要求1所述的可更换型磁悬浮式离心泵，其特征在于，所述叶轮通过注射成型与所述转子结合成一体。