JP2009273214A - Bearingless motor and artificial heart mounted with the bearingless motor, blood pump, artificial heart-lung machine, pump, fan, blower, compressor, actuator, reaction wheel, flywheel, and oscillating stage - Google Patents

Bearingless motor and artificial heart mounted with the bearingless motor, blood pump, artificial heart-lung machine, pump, fan, blower, compressor, actuator, reaction wheel, flywheel, and oscillating stage Download PDF

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淳一 朝間
Akira Chiba
明 千葉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bearingless motor reduced in axial height and an artificial heart mounted with the bearingless motor, a blood pump, an artificial heart-lung machine, a pump, a fan, a blower, a compressor, an actuator, a reaction wheel, a flywheel, and an oscillating stage. <P>SOLUTION: An extremely-thin structure is achieved owing to an effect that a coil end is radially extended by applying a shaft supporting winding 161 and an electric-motor winding to a U-shaped stator core piece 150. An axial supporting force can be generated by the interference of the bias magnetic flux of permanent magnets 112A, 112B, 112C and 112D which pass through a clearance between the stator core piece 150 and stator cores 114, 124, the bias magnetic flux of a permanent magnet 130 and permanent magnets 122A, 122B, 122C and 122D, and the magnetic flux generated by the shaft supporting winding 161, thus achieving the bearingless motor. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a bearingless motor and an artificial heart, blood pump, heart-lung machine, pump, fan, blower, compressor, actuator, reaction wheel, flywheel, swing stage equipped with the bearingless motor, The present invention relates to a bearingless motor that is shortened, and an artificial heart, blood pump, heart-lung machine, pump, fan, blower, compressor, actuator, reaction wheel, flywheel, and swing stage equipped with the bearingless motor.

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。   The bearingless motor is a motor that can rotate without contact while the main shaft is magnetically levitated (see, for example, Non-Patent Document 1). In general motors, the stator is provided with rotating windings (motor windings). However, in bearingless motors, magnetic levitation windings (shaft supporting windings) are additionally provided. ing.

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。   When a current is passed through this shaft support winding, a magnetic force acts in the radial direction of the rotor. By measuring the displacement of the rotor in the radial direction and adjusting this magnetic force, the two-degree-of-freedom motion of the rotor in the radial direction is actively controlled to enable non-contact magnetic levitation support.

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。   A simplified longitudinal sectional view of a general bearingless motor is shown in FIGS. The bearingless motor 10 of FIG. 14 is an inner rotor type in which the rotor 1 is disposed inside the stator 2. The iron core 3 of the stator 2 is circumferentially provided with a slot (not shown). The motor winding and the shaft support winding are wound around the slot, and the coil end 4 projects from the iron core 3 in the axial direction. ing.

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。   The bearingless motor 20 of FIG. 15 is an outer rotor type in which the rotor 21 is disposed outside the stator 22. The iron core 23 of the stator 22 is circumferentially provided with a slot (not shown). The motor winding and the shaft supporting winding are wound around the slot, and the coil end portion 24 projects from the iron core 23 in the axial direction. ing. These bearingless motors 10 and 20 actively control the two-degree-of-freedom motion in the radial direction, and the three degrees of freedom in the axial direction and the tilt direction are passively supported by the magnetic coupling.

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。   Conventionally, this two-degree-of-freedom control type bearingless motor has been reported (see, for example, Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3). These bearingless motors are of the outer rotor type as shown in FIG. Conventionally, an inner rotor type bearingless motor having a structure different from that of FIG. 14 has also been reported (see, for example, Patent Document 1). A simplified longitudinal sectional view of the bearingless motor 30 is shown in FIG.

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。   In FIG. 16, the stator 32 has a cylindrical portion 32 b erected from the outer edge of the disc-shaped bottom portion 32 a, and a tooth portion 32 c is separated from the peripheral wall of the rotor 1 by a predetermined air gap at the upper end of the cylindrical portion 32 b. It protrudes horizontally toward the inside so as to face. A slot (not shown) is formed in the cylindrical portion 32b. An electric motor winding and a shaft supporting winding are wound around the slot, and the coil end portion 24 projects in the radial direction from the cylindrical portion 32b.

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。   Currently, the application of this two-degree-of-freedom control type bearingless motor to a centrifugal pump type auxiliary artificial heart is being studied. In this case, it is necessary to attach a blade to the upper side of the rotor and confine the integrated impeller in the pump chamber. Since the impeller rotates in a non-contact manner, there are merits such as being able to be driven permanently, no wear powder being mixed into blood, and suppression of blood coagulation due to frictional heat. At this time, it is necessary to consider the following two points.

（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。   (1) In the case of the two-degree-of-freedom control type, if the height of the impeller is high, the difference between the center of the point of action of the force on the actuator and the position of the impeller center of gravity becomes large. In this case, if a force is applied in the translation direction, a moment is applied to the impeller and the impeller is inclined. As a result, since the magnetic levitation becomes unstable, it is necessary to design the impeller height as low as possible.

（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。   (2) Since the auxiliary artificial heart is often implanted vertically in the patient's flank, the height of the auxiliary artificial heart needs to be designed to be low.

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。   In addition, a structure (Patent Document 2) in which a two-degree-of-freedom control type magnetic bearing and a direct drive type motor are combined has been reported. However, since the rotor is not a gear shape but a ring shape, it is not bearingless. Not applicable to motors.

A. Chibaら著、「Magnetic Bearings and Bearingless Drives」、Elsevier Newnes Press出版、２００５年、ｐ．１２−３４A. Chiba et al., “Magnetic Bearings and Bearingless Drives”, published by Elsevier Newnes Press, 2005, p. 12-34 T. Masuzawaら著、「Magnetically Suspended Centrifugal Blood Pump with a Self Bearing Motor」、ASAIO Journal、 vol.48、 pp.437-442、 2002.T. Masuzawa et al., `` Magnetically Suspended Centrifugal Blood Pump with a Self Bearing Motor '', ASAIO Journal, vol.48, pp.437-442, 2002. 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.Yukiko Nakano et al., “Measurement of axial and conical characteristics of a bearingless motor with a U-shaped passive magnetic bearing”, 2007 IEEJ Industrial Application Conference, Young Engineer Poster Competition Proceedings, Y-127, 2006. 特開２００１−０１６８８７「電気式回転駆動装置」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-016687 “Electric Rotation Drive Device” 特開２００５−１２１１５７「人工心臓用の磁気軸受及びモータ装置」JP-A-2005-121157 “Magnetic Bearing and Motor Device for Artificial Heart”

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。   By the way, in the bearingless motors 10 and 20 shown in FIGS. 14 and 15, the ends of the coils wound around the stators 3 and 23 spread in the axial direction. When the coil end portion extends in the axial direction, it is necessary to set the discharge port of the pump chamber to a higher position. It is necessary to set the blade position at a high position at the same time. The situation during this time will be described using the outer rotor type of FIG. 17 as an example. The height of the impeller 25 is increased by the height of the coil end portion 24, and the control may become unstable.

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。   In addition, when the bearingless motor shown in FIG. 16 is applied to a centrifugal pump type auxiliary artificial heart, the coil end portion 34 does not expand in the axial direction, while the partly disk-shaped bottom portion 32a and the cylindrical portion 32b of the stator 32 have blades. Since it is arranged under the car, there is a problem that the overall height becomes high.

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。   The present invention has been made in view of such a conventional problem, and a bearingless motor in which the height in the axial direction is shortened, or an artificial heart, blood pump, artificial heart lung, pump equipped with the bearingless motor, An object is to provide a fan, a blower, a compressor, an actuator, a reaction wheel, a flywheel, and a swing stage.

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。 In order to solve the above-mentioned problems, the bearingless motor of the present invention (Claim 1) is configured such that a rotor and an inner circumference or an outer circumference of the rotor face each other with a predetermined air gap therebetween, and an upper stator tooth and a lower side A plurality of stator core pieces having stator teeth are arranged in the circumferential direction and are provided with a motor winding and / or a shaft support winding wound around the stator core pieces. To do.
The upper stator tooth and the lower stator tooth are arranged at a predetermined distance in the axial direction, and when an electric current is passed through the shaft support winding, the upper stator tooth and the lower stator tooth are excited to different poles. Also features.

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。   Thereby, it is possible to generate a support magnetic flux that passes through the rotor, the upper stator teeth, the stator core pieces, and the lower stator teeth.

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。   In the bearingless motor of the present invention (claim 2), the rotor includes an upper magnetic plate facing the upper stator tooth, a lower magnetic plate facing the lower stator tooth, A permanent magnet that is sandwiched between a side magnetic plate and the upper magnetic plate and is magnetized in the axial direction is provided.

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。   Furthermore, in the bearingless motor of the present invention (invention 3), the rotor is opposed to the upper stator teeth and has an upper magnetic plate having an upper permanent magnet magnetized in the radial direction, and the lower fixed And a lower magnetic plate having a lower permanent magnet that is magnetized in the radial direction so as to face the child teeth.

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。   Furthermore, in the bearingless motor of the present invention (Claim 4), the rotor is opposed to the upper stator teeth and has an upper magnetic plate having an upper permanent magnet magnetized in the radial direction, and the lower fixed A lower magnetic plate having a lower permanent magnet that is magnetized in the radial direction opposite to the slave teeth, and a permanent magnet that is sandwiched between the lower magnetic plate and the upper magnetic plate and is magnetized in the axial direction Configured.

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。   In the air gap portion of the bearingless motor of the present invention, the bias magnetic flux of the permanent magnet interferes with the support magnetic flux generated by the shaft support winding wound around the stator, and the magnetic flux density is reduced in the air gap portion. Unbalanced, magnetic force acts on the rotor. By measuring the radial displacement of the rotor and adjusting the magnetic force, the radial movement of the rotor can be actively controlled. Due to the magnetic coupling between the stator and the rotor formed by the bias magnetic flux of the permanent magnet, a restoring force and a restoring torque are automatically applied even if the rotor is displaced in the axial direction or rotated in the tilt direction. For this reason, it is not necessary to control the three degrees of freedom in the axial direction and the tilt direction of the rotor.

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。   Furthermore, in the bearingless motor of the present invention (Claim 5), the stator core piece for each phase so that the magnetomotive force distribution generated by the shaft support winding is a sinusoidal approximation around the rotor. One winding is wound and / or a plurality of windings are wound and / or the number of turns of the winding is adjusted.

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。   The magnetomotive force distribution when observed around the air gap portion becomes a distribution close to a sine wave, the angle error is reduced, and the levitation of the rotor is stabilized.

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。   Furthermore, in the bearingless motor of the present invention (Claim 6), the lower stator teeth are arranged to move by a predetermined angle in the rotation direction with respect to the upper stator teeth, or the upper magnetic plate protrudes. The salient poles or permanent magnets of the lower magnetic plate are arranged to move by a predetermined angle in the rotational direction with respect to the poles or permanent magnets, or the upper and lower stator teeth are continuously skewed. Alternatively, the upper and lower rotor salient poles are continuously skewed.

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。   As a result, torque fluctuations from moving from each magnetic pole to the adjacent magnetic pole are reduced, and generation of cogging torque can be suppressed.

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。   Furthermore, the bearingless motor of the present invention (invention 7) includes an upper annular core that connects the upper stator teeth and a lower annular core that connects the lower stator teeth.

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。   As a result, torque fluctuations from moving from each magnetic pole to the adjacent magnetic pole are reduced, and generation of cogging torque can be suppressed.

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。 Furthermore, the bearingless motor of the present invention (invention 8) is characterized in that the stator core piece is provided with a winding that serves both as an electric motor and a shaft support.
In Claim 1-7, it is described that the motor winding and the support winding are wound separately on the stator core, but as one winding, the current component of the motor, the current component of the support winding May be supplied in a superimposed manner. That is, it is possible to configure a bearingless motor having a winding that serves both as an electric motor and a support.

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。 Furthermore, the artificial heart, blood pump, heart-lung machine, pump, fan, blower, compressor, actuator, reaction wheel, flywheel, swing stage of the present invention (Claim 9) is any one of Claims 1-8. It was constructed with the bearingless motor described in 1.
As a result, an artificial heart with a reduced axial height can be obtained, and the burden on the patient can be reduced.

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。   The bearingless motor of the present invention includes an artificial heart, blood pump, heart-lung machine, pump, fan, blower, compressor, actuator, reaction wheel, flywheel, swing stage, pure water pump, chemical pump, non-contact It can also be applied to a rotary stage.

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。   As described above, according to the present invention, the coil wound around the stator core piece spreads in the radial direction, so that the height of the pump chamber can be minimized. Further, since the stator is not disposed below the impeller, the height of the bearingless motor can be reduced. As described above, an ultrathin auxiliary artificial heart can be realized. Specifically, the height of the auxiliary artificial heart reported so far is 30 to 35 mm, which can be reduced to about 30 to 50%.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. An exploded perspective view and an external perspective view of a disk-type bearingless motor according to an embodiment of the present invention are shown in FIGS. 1 and 2, respectively. In FIG. 1, the rotor 100 includes an annular permanent magnet 130 between an upper hollow disk 110 and a lower hollow disk 120. Depending on the application, it may not be hollow.

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。   Grooves 111 </ b> A, 111 </ b> B, 111 </ b> C, and 111 </ b> D are formed at four positions on the periphery of the magnetic core 114 of the upper hollow disk 110 at positions separated by 90 degrees around the center. Permanent magnets 112A, 112B, 112C, and 112D are disposed in the grooves 111A, 111B, 111C, and 111D, respectively, and a salient pole structure is formed between the grooves.

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。   In addition, the lower hollow disk 120 is configured to be aligned symmetrically with the upper hollow disk 110, and permanent magnets 122A, 122B, 122C, 122D are arranged in the grooves 121A, 121B, 121C, 121D of the magnetic core 124, respectively. The salient pole structure is formed between the grooves.

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。   The permanent magnets 112A, 112B, 112C, and 112D are magnetized in the radial direction (direction toward the center of the upper hollow disk 110) or in parallel (for example, parallel to the X axis or Y axis in FIG. 1), for example, the N pole It is configured to face inward. On the other hand, the permanent magnets 122A, 122B, 122C, 122D of the lower hollow disk 120 are also in the radial direction (direction toward the center of the lower hollow disk 120) or parallel (for example, with respect to the X axis or Y axis in FIG. 1). Is different from the upper hollow disk 110 in that the south pole faces inward.

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。   The annular permanent magnet 130 is magnetized in the axial direction so that the north pole faces upward. Depending on the application, it may be a cylinder, a rectangular parallelepiped, a polyhedron, or the like, without being annular. The magnetic core 114, the magnetic core 124, and the annular permanent magnet 130 are fixed by being attracted by a magnetic force, but may be fixed by an adhesive or the like. A through hole 140 is formed by a hole 113 formed in the center of the magnetic core 114, a hole 123 formed in the center of the magnetic core 124, and the annular permanent magnet 130. There may be no place to go and no stagnation for a long time.

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。   On the outer periphery of the rotor 100, twelve independent stator core pieces 150 are equally arranged in a circumferential shape. The number may not be equal, and the number may be an integer such as 3, 4, 5. At the upper end of the square core portion 150a of the stator core piece 150, the upper side expanded in a substantially trapezoidal or square wave shape toward the inside so as to face the peripheral wall of the upper hollow disk 110 with a predetermined air gap therebetween. Stator teeth 150b are projected.

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。   Similarly, at the lower end of the rectangular iron core portion 150a, it expands in a substantially trapezoidal shape toward the inside symmetrically with the upper stator teeth 150b so as to face the peripheral wall of the lower hollow disk 120 with a predetermined air gap therebetween. The lower stator teeth 150c thus formed are projected. An electric motor winding and a shaft support winding (not shown) are wound around the rectangular iron core portion 150a. However, the shaft support winding may be wound separately on the upper stator teeth 150b and the lower stator teeth 150c.

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。 Next, the operation of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
3 shows a cross-sectional view taken along line AA in the plan view shown on the upper side. The annular permanent magnet 130 is magnetized with an N pole on the upper side and an S pole on the lower side in the figure.

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。   Further, the permanent magnets 112A, 112B, 112C, and 112D all have an S pole on the outside and an N pole on the inside. Similarly, the permanent magnets 122A, 122B, 122C, 122D are all magnetized with the N pole on the outside and the S pole on the inside. Due to the bias magnetic fluxes of all the permanent magnets described above, the outer side of the magnetic core 114 can be regarded as N-pole magnetization, and the outer side of the magnetic core 124 can be regarded as S-pole magnetization. Therefore, in the case of the present embodiment, the bearingless motor operates as an 8-pole motor by providing the stator core piece 150 with an 8-pole motor winding. Note that NS may be inverted.

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。   The direction of the bias magnetic flux acting on the air gap 163a and the air gap 163b between the rotor core and the stator core is indicated by solid arrows passing through the annular permanent magnet 130, the magnetic core 114, the stator core piece 150, and the magnetic core 124. As shown, it is bilaterally symmetric in the drawing.

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。   Here, when currents in directions shown in the figure are passed in opposite directions to the shaft support windings 161A and 161G wound around the stator core pieces 150A and 150G, between the stator core and the rotor core, A supporting magnetic flux is generated in the direction indicated by the dotted arrow through the magnetic core 114, the stator core piece 150A, the magnetic core 124, and the stator core piece 150G. Thereby, the magnetic flux density increases in the air gap 163a on the right side of the drawing, and decreases in the air gap 163b on the left side. The upper stator teeth 150b, the lower stator teeth 150c, and the magnetic cores 114 and 124 in the vicinity of the air gaps 163a and 163b are tapered so that the axial thickness gradually decreases as the air gaps 163a and 163b are approached. Also good. Furthermore, the shape of the stator core piece 150 may not be a U-shaped longitudinal section, but may be a C shape. Furthermore, the rectangular iron core portion 150a may not be a rectangular parallelepiped shape but may be a cylindrical shape.

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。   Due to this imbalance of magnetic flux density, a magnetic force acts on the rotor 100 on the right side. This magnetic force depends on the magnitude of the current. Therefore, the radial position of the rotor 100 is actively controlled by measuring the radial displacement of the rotor 100 and adjusting the amount of current. Even if the rotor 100 is displaced in the axial direction or rotated in the tilt direction, a restoring force and a restoring torque are automatically applied. For this reason, it is not necessary to control the three degrees of freedom in the axial direction and the tilt direction of the rotor 100. The same applies to the Y axis, which is the direction orthogonal to the line AA. As described above, the rotor 100 can be supported and rotated in a non-contact manner.

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。   Here, even if the permanent magnets 112A, 112B, 112C, 112D and the permanent magnets 122A, 122B, 122C, 122D are not provided, the principle of the induction machine and the homopolar machine works, so that the floating and rotation are possible. Further, even if the annular permanent magnet 130 is not provided, the bias magnetic flux similar to that shown in FIG. 3 is applied to the air gap 163a and the air gap 163b by the action of the permanent magnets 112A, 112B, 112C, and 112D and the permanent magnets 122A, 122B, 122C, and 122D. As a result, levitation and rotation are possible.

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。   The shaft support winding 161 is applied to the stator core piece 150 separately from the motor winding (not shown) so as to form two poles. When a three-phase inverter is used for controlling the shaft support winding 161, for example, a winding method as shown in FIG. In FIG. 4A, the shaft support winding 161 is wound so as to straddle two adjacent stator core pieces 150, and a U-phase is formed by a pair facing each other. Similarly, as shown in FIGS. 4B and 4C, a V-phase and a W-phase are formed, and the shaft support windings 161 are arranged so as to be shifted by 120 degrees.

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。   By the way, in a bearingless motor, a force may be actually generated in a direction deviated by a certain angle with respect to the X-axis direction even though a current is passed through the X-axis. When the rotation angle of the rotor is in an axially symmetric position, that is, when the rotation angle is a multiple of 45 degrees, the force generation direction coincides with the X axis direction, but at other angles, the force generation direction is the same. A difference occurs in the X-axis direction.

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。   It is desirable that the error angle formed by the force generation direction and the X axis is as small as possible in terms of the stability of magnetic levitation. In the case of the winding method of FIG. 4, the magnetomotive force distribution when observed around the air gap portion becomes a distribution close to a square wave, and the angle error becomes relatively large, which may cause a problem in levitation stability.

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。   In contrast, in FIG. 5, shaft support windings 163 </ b> A and 163 </ b> B having a smaller number of turns than the shaft support winding 161 are applied to the stator core pieces 150 on both sides of the shaft support winding 161. In this case, the magnetomotive force distribution when observed around the air gap portion is a distribution close to a sine wave. FIG. 6 shows a comparison of the error generation angle between the direction of force generation and the X axis with respect to the rotor angle due to the difference in winding method between FIGS. Accordingly, in the case of the winding method of FIG. 5, the maximum error angle is small and effective.

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。   In the present embodiment, the twelve stator core pieces 150 are disposed, but the present invention is not limited to this, and is not limited to this, but is 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, It may be an integer of 14 or more. In addition to the three-phase winding, a multi-phase AC winding such as a four-phase, five-phase, and six-phase winding may be configured. Although two poles of the shaft support winding have been described, 2n (n is a natural number) is possible. The rotor also has a consequent pole structure, but a permanent magnet surface pasting type, built-in type, hybrid type, homopolar type, comb type, transversal type, induction machine type, reluctance type, etc. can be applied.

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。   An example in which this embodiment is applied to an artificial heart is shown in FIG. As shown in FIG. 7, a blade 171 is attached to the upper surface of the rotor 100 to form an impeller, and this impeller is enclosed in a housing 173. A blood suction port 175 is provided at the center of the upper surface of the housing 173, while a blood discharge port 177 is disposed on the side of the blade 171. The stator core piece 150 is opposed to the rotor 100 with the housing 173 therebetween.

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。   In such a configuration, blood drawn from the blood inlet 175 is smoothly discharged from the blood outlet 177.

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。   Note that the bearingless motor of the present embodiment can also be applied to a non-contact rotary stage used in a clean environment such as in a vacuum chamber. Furthermore, although not shown in the drawings, the present invention can also be applied to a bearingless electromagnetic rotating machine capable of controlling multiple degrees of freedom by arranging a plurality of bearingless motors in the axial direction in a plurality of tandems.

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。   Further, when the rotor 1 is driven to rotate, vibrations in the rotational direction are generated by cogging torque caused by torque fluctuations and the like that occur in the process from moving from each magnetic pole to the adjacent magnetic pole. In order to suppress this cogging torque, as shown in FIGS. 8 and 9, a skew corresponding to a predetermined rotation angle may be applied between the upper and lower stator teeth of the stator core piece 180. FIG. 8 is a plan view of a skewed stator core piece, and FIG. 9 is a perspective configuration diagram of the stator core piece.

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。   In this case, an upper plate piece 180d that is bent in the L-shape toward the rotation direction protrudes from the upper end of the square iron core portion 180a of the stator core piece 180, and is further fixed to the upper stator from the upper plate piece 180d. The teeth 180b are bent in an L shape. The upper stator teeth 180b are provided so as to expand in a substantially trapezoidal shape toward the inside so as to face the peripheral wall of the upper hollow disk 110 with a predetermined air gap therebetween.

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。   Similarly, a lower plate piece 180e bent in an L-shape in the reverse rotation direction protrudes from the lower end of the rectangular iron core portion 180a, and the lower stator teeth 180c are further provided to the lower plate teeth 160c from the lower plate piece 160e. It is bent in a letter shape. The lower stator teeth 180c project so as to expand in a substantially trapezoidal shape toward the inside so as to face the peripheral wall of the lower hollow disk 120 with a predetermined air gap therebetween.

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。   An electric motor winding and a shaft support winding (not shown) are wound around the rectangular iron core portion 180a. As a result, torque fluctuations from moving from each magnetic pole to the adjacent magnetic pole are reduced, and generation of cogging torque can be suppressed.

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。 On the other hand, as shown in FIGS. 10 and 11, the skew may be applied to the rotor side instead of being formed on the stator side. FIG. 10 shows a plan view of a skewed rotor core piece, and FIG. 11 shows a perspective configuration diagram of a bearingless motor including the rotor core piece. In this case, for example, the permanent magnets 122A, 122B, 122C, and 122D disposed on the lower hollow disk 120 are shifted from each other by 45 degrees with respect to the permanent magnets 112A, 112B, 112C, and 112D disposed on the upper hollow disk 110. ing. In addition to the case of skewing 45 degrees in this way, it is only necessary to skew at an appropriate angle such as several degrees.
It is not easy to greatly attenuate the cogging torque only by adjusting the angular positions of the upper and lower rotors and stators. Therefore, if the upper rotor itself is skewed, the cogging torque can be effectively reduced as in the case of a general electric motor. If a magnetic core is formed by laminating a plurality of thin silicon steel plates or the like, skewing can be performed almost continuously. Or if it comprises a powder core etc., it can skew continuously.
On the other hand, even in the case of a stator, if a plurality of thin silicon steel plates are similarly laminated, skew can be made almost continuously. Or if it comprises a powder core etc., it can skew continuously.
Such skew may be applied only to the upper stator and / or rotor, or both the upper and lower sides may be skewed.

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。   Another example for suppressing the generation of cogging torque is shown in FIGS. FIG. 12 is an exploded perspective view of the bearingless motor, and FIG. 13 is a perspective external view.

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。   12 and 13, the stator core pieces 150 have been described as independent from each other. However, the upper annular core 181 disposed on the outer periphery of the upper hollow disk 110 with a predetermined air gap therebetween, and the lower side A lower annular iron core 183 is provided on the outer periphery of the hollow disk 120 with a predetermined air gap therebetween, and twelve upper stator teeth 150b are attached to the upper annular iron core 181 and twelve of the lower annular iron core 183 are attached. The lower stator teeth 150c may be attached respectively.

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。 Even in this case, the torque fluctuation until moving from each magnetic pole to the adjacent magnetic pole can be reduced, so that the generation of cogging torque can be effectively suppressed. In addition, you may fix to parts, such as the outer side or inner side of the square core part 150a, the upper surface of the upper stator tooth 150b, and the lower surface of the lower stator tooth 150c, using materials, such as a cyclic | annular iron core or nonmagnetic stainless steel.
Also, the rotor and stator of the present embodiment can be stacked in the axial direction to be multistaged.
In general, a bearingless motor has an advantage that the support side can be configured with a smaller power capacity by separately providing the motor winding and the support winding. However, in applications where the output is small, the current driver can be simplified by adjusting the current supplied to one coil rather than by applying it separately. Therefore, in the present invention, although not shown, if the component for generating the torque of the current to be supplied and the component for realizing the magnetic support are superimposed and flowed, the coil does not have to be wound separately.

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。   The bearingless motor of the present invention can be applied to a pure water pump, a chemical pump, a blower, a non-contact rotary stage, etc. in addition to an artificial heart. The blood pump and heart-lung machine are pumps that operate outside the patient's body during the operation, but can be configured as shown in FIG. It is also possible to transfer liquids other than blood, and the configuration shown in FIG. 7 or a modification thereof can be applied to general-purpose, special liquid, high-temperature and low-temperature pumps. If the shape of the impeller is modified, a gas such as air can be transported in addition to the liquid, and it can be applied to fans, blowers, and compressors. In addition, it can be used as an actuator or swing stage without an impeller or cover, and can be applied to a reaction wheel for controlling the attitude of an artificial satellite or the like.

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1 is an exploded perspective view of a disk-type bearingless motor according to an embodiment of the present invention. 同上外観斜視図External perspective view 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Magnetic flux diagram and shaft support force generation principle diagram of bearingless motor of the present invention ２極軸支持巻線の巻き方を示す例Example showing how to wind a 2-pole shaft support winding 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An example of winding to make the magnetomotive force distribution close to a sine wave when observed around the air gap 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Comparison of bearing force direction and X-axis error angle due to differences in support winding structure 本実施形態を人工心臓に適用した例Example of applying this embodiment to an artificial heart スキューを施した固定子鉄心片の平面図Top view of a skewed stator core piece スキューを施した固定子鉄心片の斜視構成図Perspective configuration diagram of skewed stator core pieces スキューを施した回転子鉄心片の平面図Top view of a skewed rotor core piece 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Exploded perspective view of bearingless motor including skewed rotor core pieces 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Exploded perspective view of a bearingless motor with an annular core 同上斜視外観図Same perspective view 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Cross section of a typical inner rotor type bearingless motor 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Cross section of a typical outer rotor type bearingless motor 特許文献１でのベアリングレス回転機の断面構成図Cross-sectional configuration diagram of bearingless rotating machine in Patent Document 1 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Sectional view when an outer rotor type bearingless motor is applied to an artificial heart

符号の説明Explanation of symbols

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 100 Rotor 110 Upper hollow disk 111, 121 Groove 112, 122 Permanent magnet 113, 123 Hole 114, 124 Magnetic core 120 Lower hollow disk 130 Annular permanent magnet 140 Through hole 150, 180 Stator core pieces 150b, 180b Upper stator tooth
150c, 180c Lower stator teeth 161, 163 Shaft support windings 163a, 163b Air gap 171 Blade 173 Housing 175 Blood inlet 177 Blood outlet 181 Upper annular core 183 Lower annular core

Claims (9)

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。 A rotor,
Facing the inner or outer periphery of the rotor across a predetermined air gap,
A plurality of stator core pieces each having an upper stator tooth and a lower stator tooth are divided in the circumferential direction.
A bearingless motor comprising an electric motor winding and / or a shaft support winding wound around the stator core piece. 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。 The rotor is an upper magnetic plate facing the upper stator teeth;
A lower magnetic plate facing the lower stator teeth;
2. The bearingless motor according to claim 1, further comprising a permanent magnet sandwiched between the lower magnetic plate and the upper magnetic plate and magnetized in the axial direction. 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。 The rotor is opposed to the upper stator teeth and has an upper magnetic plate having an upper permanent magnet magnetized in the radial direction;
The bearingless motor according to claim 1, further comprising a lower magnetic plate having a lower permanent magnet that is opposed to the lower stator teeth and is radially magnetized. 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。 The rotor is opposed to the upper stator teeth and has an upper magnetic plate having an upper permanent magnet magnetized in the radial direction;
A lower magnetic plate having a lower permanent magnet opposed to the lower stator teeth and radially magnetized;
2. The bearingless motor according to claim 1, further comprising a permanent magnet sandwiched between the lower magnetic plate and the upper magnetic plate and magnetized in the axial direction. 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。 Windings are wound around one of the stator core pieces for each phase so that the magnetomotive force distribution generated by the shaft support windings is a sinusoidal approximation around the rotor, and / or The bearingless motor according to any one of claims 1 to 4, wherein the winding is wound and / or the number of turns of the winding is adjusted. 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。 The lower stator teeth are arranged to move by a predetermined angle in the rotational direction with respect to the upper stator teeth, or the salient poles of the lower magnetic plate with respect to the salient poles of the upper magnetic plate or permanent magnets, or The permanent magnet has been moved by a predetermined angle in the rotational direction, or the upper and lower stator teeth are continuously skewed, or the upper and lower rotor salient poles are continuously skewed. The bearingless motor according to claim 3, wherein the bearingless motor is provided. 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。 The bearing according to claim 1, comprising an upper annular core that connects the upper stator teeth and a lower annular core that connects the lower stator teeth. Less motor. 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。 The bearingless motor according to any one of claims 1 to 7, wherein the stator core piece is provided with a winding that serves both as an electric motor and a shaft support. 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。 An artificial heart, a blood pump, an artificial heart lung, a pump, a fan, a blower, a compressor, an actuator, a reaction wheel, a flywheel, and an oscillating stage equipped with the bearingless motor according to claim 1.
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012217312A (en) * 2011-03-30 2012-11-08 Toshiba Corp Transverse flux type rotary electric machine and vehicle
JP2013179774A (en) * 2012-02-28 2013-09-09 Asmo Co Ltd Rotor and motor
JP2014084846A (en) * 2012-10-26 2014-05-12 Asmo Co Ltd Electric pump
JP2014121098A (en) * 2012-12-12 2014-06-30 Tokyo Institute Of Technology Bearingless motor, rotary machine and non-contact magnetic force support pump
WO2016176597A1 (en) * 2015-04-29 2016-11-03 Active Power, Inc. Integrated motor generator flywheel with rotating permanent magnet
CN108225444A (en) * 2018-01-08 2018-06-29 武汉理工大学 A kind of shaftless liquid turbine flowmeter with self-powered gauge outfit
US10722631B2 (en) 2018-02-01 2020-07-28 Shifamed Holdings, Llc Intravascular blood pumps and methods of use and manufacture
RU201748U1 (en) * 2020-07-06 2020-12-31 Общество с ограниченной ответственностью "АДАНТИС" Blood pump
US11185677B2 (en) 2017-06-07 2021-11-30 Shifamed Holdings, Llc Intravascular fluid movement devices, systems, and methods of use
US11511103B2 (en) 2017-11-13 2022-11-29 Shifamed Holdings, Llc Intravascular fluid movement devices, systems, and methods of use
US11654275B2 (en) 2019-07-22 2023-05-23 Shifamed Holdings, Llc Intravascular blood pumps with struts and methods of use and manufacture
US11724089B2 (en) 2019-09-25 2023-08-15 Shifamed Holdings, Llc Intravascular blood pump systems and methods of use and control thereof
US11964145B2 (en) 2019-07-12 2024-04-23 Shifamed Holdings, Llc Intravascular blood pumps and methods of manufacture and use

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04107318A (en) * 1990-08-28 1992-04-08 Mitsubishi Electric Corp Magnetic bearing device
JPH09247910A (en) * 1996-03-08 1997-09-19 Akira Chiba Rotary machine with winding for controlling position in radial direction and turning device
JPH10150755A (en) * 1996-11-19 1998-06-02 Nikkiso Co Ltd Radial force generator, rotary machine with winding, and turning equipment
JPH11285201A (en) * 1998-03-30 1999-10-15 Cimeo Precision Co Ltd Subminiature dynamic pressure bearing spindle motor
JP2002199630A (en) * 2000-12-25 2002-07-12 Asmo Co Ltd Brushless motor
JP2005121157A (en) * 2003-10-17 2005-05-12 Rikogaku Shinkokai Magnetic bearing and motor device for artificial heart

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04107318A (en) * 1990-08-28 1992-04-08 Mitsubishi Electric Corp Magnetic bearing device
JPH09247910A (en) * 1996-03-08 1997-09-19 Akira Chiba Rotary machine with winding for controlling position in radial direction and turning device
JPH10150755A (en) * 1996-11-19 1998-06-02 Nikkiso Co Ltd Radial force generator, rotary machine with winding, and turning equipment
JPH11285201A (en) * 1998-03-30 1999-10-15 Cimeo Precision Co Ltd Subminiature dynamic pressure bearing spindle motor
JP2002199630A (en) * 2000-12-25 2002-07-12 Asmo Co Ltd Brushless motor
JP2005121157A (en) * 2003-10-17 2005-05-12 Rikogaku Shinkokai Magnetic bearing and motor device for artificial heart

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012217312A (en) * 2011-03-30 2012-11-08 Toshiba Corp Transverse flux type rotary electric machine and vehicle
US8860270B2 (en) 2011-03-30 2014-10-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Transverse flux machine and vehicle
JP2013179774A (en) * 2012-02-28 2013-09-09 Asmo Co Ltd Rotor and motor
JP2014084846A (en) * 2012-10-26 2014-05-12 Asmo Co Ltd Electric pump
JP2014121098A (en) * 2012-12-12 2014-06-30 Tokyo Institute Of Technology Bearingless motor, rotary machine and non-contact magnetic force support pump
WO2016176597A1 (en) * 2015-04-29 2016-11-03 Active Power, Inc. Integrated motor generator flywheel with rotating permanent magnet
US11185677B2 (en) 2017-06-07 2021-11-30 Shifamed Holdings, Llc Intravascular fluid movement devices, systems, and methods of use
US11717670B2 (en) 2017-06-07 2023-08-08 Shifamed Holdings, LLP Intravascular fluid movement devices, systems, and methods of use
US11511103B2 (en) 2017-11-13 2022-11-29 Shifamed Holdings, Llc Intravascular fluid movement devices, systems, and methods of use
CN108225444A (en) * 2018-01-08 2018-06-29 武汉理工大学 A kind of shaftless liquid turbine flowmeter with self-powered gauge outfit
US10722631B2 (en) 2018-02-01 2020-07-28 Shifamed Holdings, Llc Intravascular blood pumps and methods of use and manufacture
US11229784B2 (en) 2018-02-01 2022-01-25 Shifamed Holdings, Llc Intravascular blood pumps and methods of use and manufacture
US11964145B2 (en) 2019-07-12 2024-04-23 Shifamed Holdings, Llc Intravascular blood pumps and methods of manufacture and use
US11654275B2 (en) 2019-07-22 2023-05-23 Shifamed Holdings, Llc Intravascular blood pumps with struts and methods of use and manufacture
US11724089B2 (en) 2019-09-25 2023-08-15 Shifamed Holdings, Llc Intravascular blood pump systems and methods of use and control thereof
RU201748U1 (en) * 2020-07-06 2020-12-31 Общество с ограниченной ответственностью "АДАНТИС" Blood pump

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