JP2001336528A - 磁気浮上装置 - Google Patents
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Abstract
磁気軸受装置を提供する。 【解決手段】 インペラ31の一方側を電磁石23によ
って支持し、他方側を永久磁石32とモータロータ46
の永久磁石45とを吸引させて支持して磁気浮上させ、
モータロータ46をモータステータ47で回転すること
によりインペラ31を回転させる磁気浮上装置におい
て、磁気軸受センサ24の出力を整流してシフトし、ゲ
インを調整した後、ノッチフイルタ64によって搬送波
信号の中心周波数成分を除去し、PID補償器65が高
周波ノイズによって電圧飽和を引き起こすのを防止す
る。
Description
し、特に、インペラを磁気浮上させて血液などの液体を
排出する磁気浮上装置に関する。
浮上式液体ポンプ装置の縦断面図とコントローラのブロ
ック図である。図7磁気浮上式液体ポンプ装置100
は、ハウジング101内に電磁石部120とポンプ部1
30とモータ部140とが内蔵されて構成されている。
電磁石部120には電磁石121と磁気軸受用センサ1
22とが内蔵されている。ハウジング101の一方側面
の中心部には液体が流入する流入口102が形成されて
おり、電磁石121と磁気軸受用センサ122は流入口
102のまわりにそれぞれ少なくとも3個ずつ配置され
ている。これらの電磁石121と磁気軸受用センサ12
2は電磁石部120とポンプ部130とを仕切る隔壁1
03に取付けられている。
131が回転可能に収納されており、インペラ131の
電磁石部120側(一方側)は隔壁103を介して電磁
石121によって非接触で支持され、磁気軸受用センサ
122によってインペラ131の一方側との間の距離が
検出される。インペラ131の他方側には永久磁石13
2が埋込まれている。モータ部140にはモータ141
とロータ142とが収納されている。ロータ142のポ
ンプ部130に対向する面にはインペラ131に埋込ま
れた永久磁石132に隔壁104を介して対向するよう
に永久磁石143が埋込まれている。
おいて、磁気軸受センサ122のセンサ出力は、コント
ローラ200に含まれるセンサ回路201に与えられ、
センサ回路201によってインペラ131の一方側と磁
気軸受センサ122との間隔が検出される。センサ回路
201の出力は、PID補償器202に与えられてPI
D補償が行われ、PID補償器202の出力はパワーア
ンプ203で増幅されて電磁石121に与えられる。し
たがって、電磁石121によってインペラ131の対向
する面への吸引力が制御される。
には、永久磁石132と143とからなる吸引力が働
き、インペラ131は永久磁石132と143とによる
非制御式軸受と、電磁石121による制御式軸受とによ
ってが磁気浮上する。そして、モータ制御回路205か
らの制御信号がパワーアンプ204に与えられ、パワー
アンプ204によりモータ141が駆動され、モータ1
41の駆動力によってインペラ131が回転し、流入口
102に流入した血液などの液体がポンプ部130に形
成された吐出口(図示せず)から流出される。
センサ122は、搬送波を利用したリラクタンス型セン
サが用いられる。このリラクタンス型センサは、図7に
示した隔壁103を介してインペラ131と対向してお
り、隔壁として導電性材料が用いられている。特に、血
液ポンプでは血液との適合性から一般にチタンが用いら
れている。このため、リラクタンス型センサから生じる
磁気力によって導電性を示すチタン内に渦電流が発生し
てセンサ感度が低下してしまう。
は低周波数域が用いられるが、磁気軸受の制御に影響を
及ぼす可能性が高くなる。すなわち、搬送波を利用した
リラクタンス型センサは、その搬送波周波数の約2デカ
ード低い周波数、たとえば搬送周波数が10kHzであ
れば100Hzまでその検出に位相遅れを生じる。この
ため安定した磁気軸受制御のためにはこれを補償するた
めに、高周波域まで位相を進ませるようにPID補償器
202を構築する必要がある。その結果、PID補償器
202のゲインが上がり、搬送周波数の成分でPID補
償器202内の回路部で電圧飽和を起こし、安定した制
御ができないという問題がある。
送波の周波数成分を除去して安定な制御が可能な磁気軸
受装置を提供することである。
動される浮上体を有し、この浮上体を駆動する駆動手段
と、浮上体の浮上位置を検出する磁気式位置検出手段
と、磁気浮上式位置検出手段の出力に基づいて、浮上体
を非接触で支持する制御式磁気軸受部とを有し、磁気式
位置検出手段は、浮上体との間に導電性材料からなる隔
壁を介して配置されている磁気浮上装置において、磁気
式位置検出手段と制御式磁気軸受部の制御部との間に接
続され、磁気式位置検出手段の搬送波を除去するフイル
タを備えたことを特徴とする。
って搬送波の中心周波数を除去した後増幅することがで
きるので、電圧飽和を起こすことなく安定した制御が可
能となる。
体に近接して設けられ、浮上体との間の距離の変化に応
じてインダクタンスが変化するリラクタンス型センサ
と、リラクタンス型センサの出力に基づいて、インダク
タンスの変化に応じた信号を出力するセンサ回路とを含
むことを特徴とする。
フイルタであって、センサ回路の直後に配置されること
を特徴とする。
することによって液体を排出するためのインペラであっ
て、磁気浮上装置は磁気式浮上ポンプを構成することを
特徴とする。
カップリングによって回転駆動する回転駆動手段を備え
たことを特徴とする。
を排出するものであって、磁気浮上装置は血液ポンプ装
置を構成することを特徴とする。
の磁気浮上装置としての液体ポンプ装置を示す図であ
り、特に、図1(a)は縦断面図を示し、図1(b)は
図1(a)の線A−Aに沿う断面図である。図2は図1
の線B−Bに沿う断面矢視図であり、図3は図1の線C
−Cに沿う断面矢視図である。なお、図2ではセンサ部
を簡略的に、また図3ではセンサ部を省略して記載され
ている。
ング1が隔壁11と12と13と14とによって区切ら
れ、各区域に磁気軸受部20と、ポンプ部30と、モー
タ部40とが設けられる。ケーシング1はプラスチッ
ク,セラミック,金属などから形成されるが、ケーシン
グ1のうち電磁石部20とポンプ部30との間の隔壁1
2およびポンプ部30とモータ部40との間の隔壁13
には磁性材料を使用することができないので非磁性材料
で構成される。
室33が設けられていて、このポンプ室33内でインペ
ラ31が回転し、流入口15から流入した流体を図1
(b)に示す吐出口16から排出する。インペラ31は
複数の羽根34を有しており、羽根34は図1(b)に
示すように渦巻型に形成されている。インペラ31は非
制御式磁気軸受を構成する永久磁石32を有する非磁性
部材35と、制御式磁気軸受のロータに相当する軟質磁
性部材36とを含む。永久磁石32はインペラ31の円
周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石は互いに
反対方向の磁極に着磁されている。
るヘパリンをコーティングすることによって、これらの
部分での血栓形成を防ぎ、血液輸送用ポンプとして利用
することができる。この場合、ヘパリングコーティング
は、凝固系活性化抑制,血小板保護、活性化抑制,炎症
系活性抑制,線溶系活性化抑制,感染抑制などの効果を
もたらす。
部分は軟質磁性材料を示し、その他の部分は非磁性材料
を示している。血液のような腐食性の流体を搬送する用
途に用いる場合には、軟質磁性材料としては高耐食性フ
ェライト系ステンレススチール(SUS447J、SU
S444等)、非磁性材料としては高耐食性オーステナ
イト系ステンレススチール(SUS316L等)、もし
くはチタン合金、純チタン等が好ましい。
対向するようにして、モータ部40には隔壁13の中心
部から隔壁14側に伸びる円柱部48が形成されてい
る。この円柱部48の外周面には転がり軸受からなるモ
ータ軸受49が設けられ、このモータ軸受49に軸支さ
れて、モータロータ46が回転可能に設けられ、円柱部
48の先端部にはモータステータ47が取付けられる。
モータロータ46はモータステータ47によって駆動さ
れて回転する。モータロータ46にはインペラ31の永
久磁石32に対向しかつ吸引力が作用するようにインペ
ラ31側と同数の永久磁石45が設けられる。この永久
磁石45も互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極
に着磁されている。
ータを含む同期モータや、インダクションモータを含む
非同期モータなどが使用されるが、モータの種類は問わ
ない。
部30とを仕切る隔壁12の内壁に、インペラ31の軟
質磁性部材36を有する側に対向するようにして、電磁
石23と磁気軸受センサ24とが取り付けられる。この
電磁石23と磁気軸受センサ24によりポンプ室33に
おいて永久磁石32と45の吸引力に釣り合ってインペ
ラ31を、ポンプ室33の中心に保持することができ
る。
23で生じた熱を隔壁12に伝達してポンプ部30内の
液体によって冷却することができる。同様にして、モー
タステータ47で生じた熱も円柱部48から隔壁13に
伝達され、モータ部30内の液体によって冷却される。
その結果、ケーシング1の外側に熱が伝わるのを減少で
きる。また、磁気軸受用センサ24に伝わる熱も少なく
でき、センシングを安定化できる。さらに、隔壁12と
13の厚みをある程度厚くして電磁石23と磁気軸受用
センサ24とモータステータ47を取付けるだけの強度
を持たせれば、ハウジング1の外径部分の厚みを薄くで
きるという利点がある。
および図3に示すように配置される。すなわち、各対を
なす電磁石23の磁極51と52との間にはセンサ24
1が配置され、磁極53と54との間にはセンサ242
が配置され、磁極55と56との間にはセンサ243が
配置されている。これらのセンサ241ないし243と
しては、リラクタンス式センサなどの磁気式センサが用
いられる。
のヨーク71〜76は円柱形状で形成されていて、各電
磁石ヨーク71〜76には電磁石コイル81〜86がそ
れぞれ巻回されている。
向に配置することで、電磁石部20内に収納できる電磁
石コイル81〜86の収納スペースを増加でき、ポンプ
サイズを大きくすることなく、コイルの巻スペースを広
く確保できる。このようにコイル収納スペースを広げる
ことにより、電磁石コイルの巻数を増加させたり、コイ
ルの線径を太くすることも可能となった結果、電磁石の
省電力化を図ることができる。
柱形状とすることにより、各電磁石ヨーク71〜76へ
の電磁石コイル81〜86の巻付作業が容易となる。さ
らに、各電磁石ヨーク71〜76の形状が単純であるた
め、電磁石コイル81〜86との絶縁が確実となる。な
お、電磁石ヨーク71〜76は円柱にしているが、これ
は角柱であってもよく、それによって、コイルの巻き作
業が容易となり、その結果コイルとヨークとの間の絶縁
耐圧を確保しやすくなる。
石ヨーク71〜76と電磁石コイル81〜86を同一円
周上に配置しているが、収納スペースを有効に確保する
ために、各電磁石ヨーク71〜76および電磁石コイル
81〜86は同一円周上になくてもよい。
方向に配置することにより、磁気軸受部のスペースを増
やすことなく、すなわち電磁石のヨークを円柱もしくは
角柱にすることが可能になる。
上装置としての液体ポンプを制御するコントローラの例
を示すブロック図である。
サ24は、インダクタンスLを有しており、搬送波発生
回路60からたとえば100kHzの搬送波信号が容量
C2を介して磁気軸受センサ24に与えられる。磁気軸
受センサ24は図1に示したインペラ31との間の間隔
に応じて搬送波の振幅が変化した検出信号を出力して、
容量C3を介して整流回路61に与える。整流回路61
はその検出信号を整流した直流信号を出力してシフト回
路62、さらにゲイン調整回路63に与える。
よってセンサ出力のゼロ点調整およびゲインの調整され
たセンサ信号は、ノッチフイルタ64に与えられて搬送
波の中心周波数成分が除去される。
周波数遮断特性を示す図である。図5に示すように、ノ
ッチフイルタ64は搬送波の中心周波数f0を急峻に減
衰させる帯域減衰フイルタである。このようにノッチフ
イルタ64を設けることにより、センサの出力成分から
搬送波の周波数成分を除去することができる。その結
果、後段に接続されているPID補償器65のゲインを
上げてもPID補償器65内の回路部で電圧飽和を起こ
すことがなく、安定した制御を実現できる。PID補償
器65の出力はパワーアンプ66に与えられて電磁石2
3が駆動される。
65の前段に接続しているが、さらに磁気軸受センサ2
4の出力の近い方に接続してもよい。
上装置としてのターボ分子ポンプ用スピンドルの断面図
である。図6において、回転軸151は上下に設けられ
たラジアル磁気軸受152,153によってラジアル方
向が支持され、スラスト磁気軸受154によってスラス
ト方向が支持されている。ラジアル磁気軸受152、1
53の上下にはラジアル位置センサ155,156が配
置されている。これらのラジアル位置センサ155,1
56は回転軸151との間の隙間を検出するものであ
り、磁気式センサであるリラクタンス型センサが用いら
れている。
は回転軸151を回転駆動するためのモータ157が設
けられている。ラジアル磁気軸受152の下部およびラ
ジアル位置センサ156の下部には保護用転がり軸受1
58,159が配置されている。これらの保護用転がり
軸受158,159は電源が遮断されたときなどにおい
て、ラジアル磁気軸受152,153によって支持され
なくなった回転軸151を支持するために設けられてい
る。回転軸151の下部には、回転軸151のスラスト
位置を検出するスラスト位置センサ160が設けられ
る。このスラスト位置センサ160も磁気式センサであ
るリラクタンス型センサが用いられる。
スピンドルにおいて、ラジアル位置センサ155,15
6とスラスト位置センサ160はいずれもリラクタンス
型センサが用いられているので、従来例の説明と同様な
問題が発生する。
ンサごとに配置し、ラジアル位置センサ155,156
とスラスト位置センサ160の各出力をPID補償器の
前段に設けたノッチフイルタに接続すれば、搬送波周波
数の成分を除去することができ、ノッチフイルタの出力
に基づいて、対応のラジアル磁気軸受152,153お
よびスラスト磁気軸受153を制御するようにすれば、
安定した制御を実現できる。
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
式位置検出手段と磁気式軸受部の制御部との間に搬送波
を除去するためのフイルタを接続するようにしたので、
フイルタの後段に接続される回路がセンサ回路に使用さ
れる搬送波成分によって電圧飽和を引き起こすことがな
く、安定した制御を実現できる。
(a)は縦断面図であり、(b)は図1の線A−Aに沿
う断面図である。
ーラの概略ブロック図である。
性を示す図である。
プ用スピンドルの縦断面図である。
とコントローラのブロック図である。
流入口、16 吐出口、20 電磁石部、23 電磁
石、24 磁気軸受センサ、30 ポンプ部、31 イ
ンペラ、32,45 永久磁石、33 ポンプ室、34
羽根、35非磁性部材、36 軟質磁性部材、40
モータ部、47 モータステータ、46 モータロー
タ、48 円柱部、49 モータ軸受、60 搬送波発
生回路、61 整流回路、62 シフト回路、63 ゲ
イン調整回路、64 ノッチフイルタ、65 PID補
償器、66 パワーアンプ。
Claims (6)
- 【請求項1】 浮上して駆動される浮上体を有し、該浮
上体を駆動する駆動手段と、 前記浮上体の浮上位置を検出する磁気式位置検出手段
と、 前記磁気浮上式位置検出手段の出力に基づいて、前記浮
上体を非接触で支持する制御式磁気軸受部とを有し、 前記磁気式位置検出手段は、前記浮上体との間に導電性
材料からなる隔壁を介して配置されている磁気浮上装置
において、 前記磁気式位置検出手段と前記制御式磁気軸受部の制御
部との間に接続され、該磁気式位置検出手段の搬送波を
除去するフイルタを備えたことを特徴とする、磁気浮上
装置。 - 【請求項2】 前記磁気式位置検出手段は、 前記浮上体に近接して設けられ、該浮上体との間の距離
の変化に応じてインダクタンスが変化するリラクタンス
型センサと、 前記リラクタンス型センサの出力に基づいて、前記イン
ダクタンスの変化に応じた信号を出力するセンサ回路と
を含むことを特徴とする、請求項1に記載の磁気浮上装
置。 - 【請求項3】 前記フイルタは、帯域除去型フイルタで
あって、前記センサ回路の直後に配置されることを特徴
とする、請求項2に記載の磁気浮上装置。 - 【請求項4】 前記浮上体は、回転することによって液
体を排出するためのインペラであって、前記磁気浮上装
置は磁気式浮上ポンプを構成することを特徴とする、請
求項1に記載の磁気浮上装置。 - 【請求項5】 さらに、前記インペラを磁気カップリン
グによって回転駆動する回転駆動手段を備えたことを特
徴とする、請求項4に記載の磁気浮上装置。 - 【請求項6】 前記インペラは、血液を排出するもので
あって、前記磁気浮上装置は血液ポンプ装置を構成する
ことを特徴とする、請求項4または5に記載の磁気浮上
装置。
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