JP2021121760A - 磁気浮上インペラを備える小型遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】血液等の流体を取り扱うためのポンプにおいて、デバイスのパッケージングサイズ、システムの単純さおよび信頼性、浮上の剛性および他の動的性能、電力効率、他を含む決定的に重要な性能を高めること。【解決手段】本発明によれば、血液をポンピングする際の血液適合性を改善するための、完全磁気浮上型回転子を備える遠心流体ポンプが開示される。本ポンプは、円板状回転子の半径方向変位を、別々の電気モータおよび磁気ベアリングを介する能動的制御によって安定させる。【選択図】図３

Description

本発明は、機械的応力に対して高感受性である血液等の流体を取り扱うためのポンプに関する。より具体的には、本発明は、内部でインペラが浮上され、これが、インペラとポンプハウジングとの機械的接触なしに磁場を用いて回転される遠心ポンプに関する。

回転式血液ポンプは、臨床用途用に埋込み型デバイスまたは体外デバイスとして様々なタイプが開発されてきた。補助人工心臓としても知られる埋込み型血液ポンプは、心不全患者の命を救うために使用されている。体外血液ポンプの中には、一時的な心室補助のために使用されるものもあれば、開心術中の心肺系の一体部分、または心肺機能不全の患者の生命を維持するものとなる体外式膜型人工肺（ＥＣＭＯ）の一部であるものもある。これらのポンプの設計における１つの具体的な課題は、血液細胞および血中タンパク質が、ポンプ内の非生理的な流れに起因して傷つきやすく、溶血（赤血球細胞の破壊）および血栓症（血液凝固）を含む血液適合性問題が生じる、という事実に関する。加えて、埋込み型血液ポンプは、埋込み手術の侵襲性を低減するために小型化されることがある。これらのポンプは、それが救命デバイスであることから高信頼性でなければならず、しかも、内蔵電池の交換時間間隔を延ばすための高い電力効率を必要とする。

血液または他の応力感受性流体の取り扱いにおいては、ポンプインペラの浮上方法がポンプの性能に大きな影響を与え得る。インペラの浮上タイプは、機械的、流体力学的および磁気浮上を含む３つが知られている。機械的な浮上は、ポンプハウジング内の回転子と固定部分との間の物理的接触に依存する。機械的浮上インペラの典型的な設計は、血液中に一対の機械的ベアリングを浸漬して組み込むものであって、米国特許第８，０８８，０５９号明細書に見出すことができる。別の設計は、米国特許第６，１５５，９６９号明細書に書かれていて、浮上は、全体として、機械的ベアリング（ピボットベアリング）と、永久磁石を備える磁気ベアリングとから成る。構造は単純であるが、機械的浮上では、ベアリング付近の流れ場における過度の剪断応力およびベアリング表面上での発熱に起因して血液損傷が生じる。機械的に浮上されるインペラは、ベアリング表面の機械的摩耗に起因して耐久性にも問題がある。

機械的浮上とは別に、流体力学的浮上は、ベアリングカップルを分離して保つ、血液ポンプの場合は血液塗抹標本である流体膜の薄層における局所圧力に依存する。ベアリングカップルの表面は、回転子がしきい値を超える速度に移ると、ベアリングカップル間を満たす流体内に局所的な高圧が生じるように特別に設計されている。流体力学的浮上を用いる典型的な血液ポンプは、米国特許第７，９７６，２７１号明細書に記載されていて、この場合、流体力学的浮上は、全ての自由度で完全な安定性を達成するために一組の永久磁気浮上を伴っている。流体力学的浮上は、直接的な物理的接触を回避するものの、十分に高い局所圧力を保持するためには、浮上間隙が極めて小さいものでなければならない。これは、間隙内の流れ場に過度の剪断応力を誘発し、これにより、間隙内の血液または他の応力感受性流体に損傷が、機械的ベアリングの場合に劣らぬ度合いで生じ得る。

磁気浮上は、元来非接触である磁力を使用し、ポンプインペラを浮上させる媒体としての流体の必要性をなくすことにおいて、機械式または流体力学的浮上とは異なる。能動的に制御される電磁石を単独で、または永久磁石と組み合わせて用いることにより、回転子を全ての自由度において所望される剛性で完全に浮上させ得ることは、実証されている。流体力学的浮上とは異なり、磁気浮上は、遙かに大きい浮上間隙を許容し、よって、間隙において血液が受ける剪断応力が低減し、血液適合性の向上が促進される。磁気浮上の別の利点は、コンポーネント間に物理的接触がないことにあり、浮上部品の機械的摩耗がなくなる。

応力感受性流体を機械的摩耗なしに取り扱うことができるポンプは、血液のポンピング以外の他の用途でも実装され得る。例えば、精細粒子のスラリを用いる化学機械的平坦化（ＣＭＰ）は、集積回路産業においてウェーハの表面を研磨する一般的な方法である。輸送中のスラリ混合物における過度の応力は、懸濁粒子の凝集を引き起こし、大きくなり過ぎた粒子は、ウェーハ表面に欠陥性のかき傷をつけることが観察されている。この問題には、従来プロセスにおけるダイアフラムポンプを、スラリ内の過度の応力を回避できる完全に磁気的に浮上されるポンプと交換することにより、対処することができる。他の適用分野は、超高純度流体、例えば超小型電子部品を製造するための超純水の輸送に関連する。完全磁気浮上を用いれば、ポンプ内部の機械的摩耗を減らすことができ、よって、摩耗デブリが純粋流体に入る汚染を回避することができる。

磁気浮上ポンプにおける回転子は、シャフト状と円板状のタイプに分類することができる。シャフト状の回転子は、半径方向より軸方向の寸法が大きく、通常、回転子の回転軸に沿って明確に分離される２組のラジアル／ジャーナルベアリングによって浮上される。円板状の回転子は、軸方向より半径方向の寸法が大きく、または、略類似する軸方向寸法および半径方向寸法を有することがあり、通常、一組のラジアルベアリングによって浮上される。シャフト状回転子の傾斜は、通常、シャフト軸に沿って互いに離れているラジアル軸受力の差から生じるトルクによって安定化される。逆に、円板状回転子の傾斜は、通常、結果的に傾斜軸の周りの正味トルクとなる、回転子上で分散される力の全体的効果によって安定化される。分散される力は、回転子の周りに配置される特別な傾斜のベアリングユニットによってもたらされることもあれば、半径方向および傾斜浮上の２つの機能を提供する単一の磁気ベアリングユニットによってもたらされることもある。

米国特許第８，０８８，０５９号明細書 米国特許第６，１５５，９６９号明細書 米国特許第７，９７６，２７１号明細書

本発明の実施形態は、血液または類似の流体力学的特性を有する他の流体をポンピングする際に血液適合性を向上させるための、完全磁気浮上型回転子を備えるポンプを含む。具体的には、デバイスのパッケージングサイズ、システムの単純さおよび信頼性、浮上の剛性および他の動的性能、電力効率、他を含むポンプの決定的に重要な性能を高めるために、円板状回転子の半径方向変位を、別々の電気モータおよび磁気ベアリングを介する能動制御によって安定させるようなポンプを有することが望ましい。

本発明の一実施形態は、各々流体を受け入れかつ放出するための入口および出口を有するハウジングと、中心軸とを有するポンプ装置を含む。回転子は、ハウジングの内部に、中心軸を中心として回転可能であるように配置されてもよい。回転子は、入口と出口との間で流体をポンピングするためのインペラを有してもよく、かつ回転子とハウジングとの間に流路を保持するように磁気浮上されてもよい。電気モータは、回転子を、中心軸に略一致する回転軸を中心に駆動するように適合されてもよい。電気モータは、回転子内に配置されるモータ回転子アセンブリと、ハウジング内に配置されるモータ固定子アセンブリとを含んでもよい。ポンプ装置は、さらに、回転子内に回転軸と同軸に取り付けられる環状の回転子主極片を含む磁気浮上デバイスを含んでもよい。環状の回転子主極片は、磁束を導くための強磁性体を含んでもよく、かつ第１の端面と、第２の端面と、回転子極面として機能するように構成される円筒側面とを有してもよい。ハウジング内には、複数の電磁石ユニットが取り付けられ、中心軸の周りに等間隔で周方向に分散される。各電磁石ユニットは、第１の端面と、第２の端面と、ケーシング極面として機能するように構成される円筒側面とを有する極片を含んでもよい。極片からは、鉄心が延びてもよく、異なる電磁石ユニットの鉄心のうちの２つ以上は、バックヨークによって互いに連結されてもよい。鉄心の回りには、電流を通すためのコイルが巻かれてもよい。極片、鉄心およびバックヨークは、磁束を導くための強磁性体を含んでもよく、回転子主極片の第１の端面および全ての極片の第１の端面は、軸方向に沿った同一側面上にある。回転子極面と各ケーシング極面とは、互いに対向し、かつ間に主浮上間隙を画定してもよい。主浮上間隙は、互いに軸方向に位置合わせされ、かつ周方向に互いから分離されてもよい。

少なくとも１つの永久磁石は、複数のバイアス磁束を発生してもよい。各バイアス磁束は、主浮上間隙のうちの１つを半径方向に通過し、かつ回転子主極片および電磁石ユニットの極片の内部を通過してもよい。この少なくとも１つの永久磁石は、全てのバイアス磁束が主浮上間隙を同じ極性方向に通過するような方向に磁化されてもよい。回転子極面の半径方向位置を検出するために、複数の位置センサが回転子を中心にして周方向に配置され、かつハウジング内に取り付けられてもよい。

ポンプ装置は、さらに、位置センサのリアルタイム出力に従って電流を生成し、かつこれを複数の電磁石ユニットのコイルに送出するためのフィードバック制御システムを含んでもよい。フィードバック制御システムは、回転子の半径方向ポジショニングの安定性を達成するように適合される制御戦略を含んでもよい。複数の電磁石ユニットは、直交する２つの半径方向軸のうちの何れか一方に沿って回転子の位置を能動的に制御するための変調磁束を共同で生成するように、電気的かつ磁気的に連結されてもよい。第１の半径方向軸は、第２の半径方向軸によって分割される第１の側面と第２の側面とを有してもよい。変調磁束は、半径方向軸の第１の側面に位置決めされる主浮上間隙内のバイアス磁束を増強させ、かつ半径方向軸の第２の側面に位置決めされる主浮上間隙内のバイアス磁束を弱めるために、複数の主浮上間隙を半径方向に通過してバイアス磁束を重畳してもよい。

保護を求める主題の理解を容易にすることを目的に、添付の図面にその実施形態が示されているが、これらを検討し、以下の説明に関連して考察すれば、保護を求める主題、その構成および動作、およびその利点の多くは、容易に理解されかつ認識されるべきものである。

本発明の一実施形態による、ポンプの平面正面斜視図である。 図１のポンプの分解図であり、本発明の一実施形態によるポンプを通って流体が流れるポンプの内部構造を示す。 本発明の一実施形態による、図１のポンプの正面断面図である。 本発明の一実施形態による、図１のポンプ内の磁気浮上と電気モータとのアセンブリを示す組立分解等角図である。 本発明の一実施形態による、図１のポンプの水平断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、本発明の一実施形態による、回転子内の磁気結合型環状部材とケーシングとから成る基本受動浮上ユニットを示す。 磁束が回転子部材とケーシング部材とを連結しない基本受動浮上ユニットを示す。 本発明の一実施形態による、例示的な受動浮上ユニットの正面断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図３〜５のポンプ内の磁気浮上アセンブリの断面図である。 本発明の一実施形態による、能動浮上制御のためのフィードバック制御ループを示す略図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明の一実施形態による、ポンプに使用することができる基本磁気浮上ユニットの断面図である。 本発明の一実施形態による、ポンプの磁気浮上アセンブリの断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態による、ポンプの磁気浮上アセンブリの一実施形態の断面図である。 本発明の一実施形態による、ポンプの磁気浮上アセンブリの一実施形態の断面図である。 本発明の一実施形態による、ポンプの磁気浮上アセンブリの断面図である。 本発明の一実施形態による、ポンプの磁気浮上アセンブリの断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明の一実施形態による、ポンプの磁気浮上アセンブリの断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態による、ポンプの磁気浮上アセンブリの断面図である。 本発明の一実施形態による、図１８の電磁石ユニットの磁気回路である。 本発明の一実施形態による、別のポンプの平面正面斜視図である。 図２０のポンプの分解図であり、ポンプを通って流体が流れるポンプの内部構造を示す。 図２０のポンプの正面断面図であり、回転子とハウジングの構造を、磁気浮上と電気モータとを強調して示している。 図２０のポンプ内の磁気浮上と電気モータとのアセンブリを部分断面図で示す組立分解等角図である。 図２０〜２３のポンプ内の磁気浮上アセンブリを示す。

本開示は、多くの異なる形の実施形態を許容するものであり、本開示は、本開示の原理の例示と見なされるべきであり、本開示の広義の態様を例示の実施形態に限定することを意図するものではないという理解に基づき、所定の実施形態が諸図に示され、かつ本明細書で詳述される。

図１〜３を参照すると、本開示の一実施形態によるポンプ装置１０は、作動流体を受け入れるための入口１１と、作動流体を放出するための出口１３とを有するハウジング１２を含む。ハウジング１２は、内部チャンバ２０を縁取る連続的な内壁から成り、内部チャンバ２０の内部に、一体型のインペラ３２を有する回転子３０が取り付けられる。ハウジング１２は、ハウジングの内壁と共に磁気浮上および電気モータの構造コンポーネントを包含するためのかなりの容積の空間を形成する外壁からも成る。出口１３は、ハウジングのチャンバ２０内へ延び、かつ効果的には流体の運動エネルギーから圧力上昇を得るように構成されるポンプボリュート２２と連通する。

回転子３０は、図２に示すように、ハウジング１２の中心軸ｚを中心にして回転するように配置される。インペラ３２は、インペラ３２が回転すると作動流体にエネルギーを伝達する複数のブレード３３で構成される。回転子３０は、ハウジング１２内の対応するコンポーネントと相互作用して回転子３０を浮上させかつ回転させるために必要な力およびトルクを提供する、磁気浮上および電気モータのコンポーネントを含む。

本開示の一実施形態によれば、回転子３０は、環状形状をとってもよく、かつハウジングの内部チャンバ２０は、環状の回転子３０を収容する対応する環状チャネル２４を有してもよい。環状チャネル２４の内壁は、環状チャネル２４の底面から突き出す中央柱１５を形成する。環状チャネル１４の外壁は、ハウジング１２の内壁と外壁との間の空間の一部である外部ケーシング１６に付着する。中央柱１５または外部ケーシング１６の何れか、あるいは双方は、磁気浮上および／または電気モータのコンポーネントを含んでもよい。

図２〜５に示すように、ハウジング１２上には、ｘｙｚ座標系が表されている。ｚ軸は、中央柱１５の円筒面の中心軸と重なる。ｘ−ｙ平面は、電磁石極片８３ａ〜ｄの中間の高さを通る（図３、４、９）。

環状チャネル２４内に回転子３０が配置されてポンプ１０が組み立てられ、磁気浮上が適正に効力を発すると、回転子は、正常動作において回転子３０の如何なるパーツもハウジング面と物理的に接触しないように、磁力によって完全に浮上される。このようにして、回転子３０の表面および環状チャネル２４の対応する表面は、間にＵ字形の浮上間隙２５（図３）を画定する。また、回転子３０が適正に浮上されるにつれて、（ブレード３３を有する）インペラ３２の通路は、ボリュート２２の通路と位置合わせされた状態になる。したがって、回転子３０が回転すると、入口１１からポンプ１０に入る作動流体は、インペラブレード３３により押されてインペラ通路を通り、半径方向の外側へ流れてボリュート２２へ入る。流体は、ボリュート２２によって集められ、出口１３からポンプ１０の外へ放出される。

圧力差に起因して、流体量の一部は、Ｕ字形の浮上間隙２５を通って流れ、回転子３０の周りに二次流れを形成する。Ｕ字形の浮上間隙２５の外側の開口における圧力は、「Ｕ」の内側の開口における圧力より大きいことから、この二次流れは、間隙の外側の開口に入り、回転子３０の外側の側面上を下へ、回転子３０の底部で内側へかつ回転子３０の内側の側面上を上へ流れ、かつ内側の開口からＵ字形の浮上間隙２５を出る流体によって生み出される。このような二次流路が、本発明の一実施形態によれば、真っ直ぐに進むものであり、そうでなければ流れを停滞させる、または流れを著しく妨げると思われる、ジグザグ構造等の閉塞性の物体または構造がないことは、認識することができる。結果的に、二次流れは、回転子の表面全体に妨げるもののない洗い流しをもたらし、これが、応力感受性流体の取り扱いにおける他の利点の中でもとりわけ、血液の凝固を防ぐことに寄与する。

本発明の一実施形態によれば、回転子３０およびハウジング１２内のパーツが作動流体と直接接触しないようにするために、回転子の表面およびハウジングの内面に、ポンプが取り扱う流体と適合性のあるチタン合金等の任意の適切な材料の薄壁ジャケット、または適切なコーティングが塗布されてもよい。しかしながら、明確さのために、本明細書の図面にはこうしたジャケットまたはコーティングを示していない。さらに、モータおよび磁気浮上の作動原理について述べる場合、本明細書で使用する「空隙」という用語は、磁気パーツ間の間隙を指すが、実践におけるこのような空隙は、空気ではなく、流体および／または他の非磁性体、あるいは真空によっても充填され得る。

次に、図３〜５を参照すると、電気モータ４０および磁気浮上６０による一実施形態が示されている。好ましくは、モータ４０は、ブラシレスＤＣまたはブラシレスＡＣ型であるが、当業者であれば、本明細書に開示される一般的な原理に基づいて、誘導モータ等の他の様々なタイプを用いることができる。図３および４に示すように、ブラシレスモータ４０は、ハウジング１２内に取り付けられる固定子アセンブリ４１と、回転子３０内に取り付けられる回転子アセンブリ４２とから成る。この実施形態では、固定子アセンブリ４１が中央柱１５内に位置決めされているが、これは、代替として、例えば外側ケーシング１６等のハウジング１２の別の部分に配置されてもよい。

モータ固定子アセンブリ４１は、電力効率を高めるために空隙４３に近接して配置される。モータ固定子アセンブリ４１は、当業者には周知であるように、多相、例えば３相の巻線に纏められる複数のコイル４６を含む。本開示の一実施形態によれば、モータコイル４６は、軟鉄またはシリコーン鋼等の強磁性体で製造される積層構造または非積層構造のモータ固定子コア４７の歯の回りに巻かれる。しかしながら、モータ固定子コア４７は、回転子３０上での不均衡な磁気引っ張りを低減する、またはなくすために、部分的または全体的に任意の非磁性体で製造されてもよい。不均衡な磁気引っ張りは、回転子と固定子とが半径方向へ幾何学的かつ磁気的に完全に位置合わせされていない場合に回転子磁石と固定子磁性体との間で誘導される磁力である。このような力は、磁気浮上によって相殺されなければならない負の剛性を引き起こすことから、特に磁気浮上を用いる設計では概して望ましくない。したがって、強磁性コアを有するモータ固定子は、電力効率の向上に寄与し得るものの、こうしたコア構造は、装置の全体性能の最適化にとって不要である場合があり、つまりは、コアレスのモータ構造が使用されてもよい。

モータ回転子アセンブリ４２は、回転子３０の内周に沿って空隙４３に隣接して設置される複数の永久磁石セグメント４８を含む。これらの永久磁石セグメント４８は、周方向へ１つずつ取り付けられ、かつ交互分極により構成されてモータ回転子の磁極を形成し、当業者には周知であるように、これにより、空隙４３内に周方向に交番磁場が発生される。好ましくは、ハルバッハ配列を用いて、空隙４３へ向かって集中磁場を形成することができる。また、組立てを効果的に容易にしかつ磁気性能を高めるために、永久磁石４８の裏側に磁気ヨークが使用されてもよい。しかしながら、回転子のサイズ縮小等の他の観点からすると、これは、不要であり得る。本開示の一実施形態によれば、磁気浮上アセンブリ６０の構造部分である環状の極部材または極片７３が、モータ永久磁石４８のバックヨークとしても作用する。

図３〜５は、ポンプ１０の内側部分に配置されたモータ４０を示しているが、モータ４０は、その構造を裏返しにすることにより、ポンプ１０の外側部分に配置されることが可能である。この方法では、モータ固定子アセンブリ４１は、ポンプハウジング１２の外部ケーシング１６内に、もしあれば固定子コア４７を伴って、かつモータコイル４６が空隙６３に隣接して存在するように巻線コイル４６を反転させて取り付けられる。したがって、モータ回転子アセンブリ４２は、回転子３０の外周へ、磁極が空隙６３内に形成されるように永久磁石４８およびもしあればバックヨークを裏返して移される。

別の代替実施形態において、モータ４０は、ハウジング１２のベース部分内の、Ｕ字形の空隙２５（図３）の底部に相当する空隙６２の下に配置されてもよい。こうした構成では、当業者により、本開示の原理に従って、本明細書の図２２および２３に説明されているものに類似する軸方向磁束モータが構築されるであろう。

次に、ポンプ１０における磁気浮上の原理および構成について検討し、先に述べたように、安定化されるべき回転子３０の５つの自由度（ＤＯＦ）を、座標系ｘｙｚを用いて参照する。これらの５つのＤＯＦには、ｚ軸に沿った１つの軸方向変位と、各々ｘ軸およびｙ軸に沿った２つの半径方向変位と、各々ｘ軸およびｙ軸を中心とする２つの傾斜変位（角変位）とが含まれる。半径方向変位は、電磁石および永久磁石によるハイブリッド構造の電磁コイルに給電する電流のフィードバック制御によって安定化される。他のＤＯＦは、受動浮上により、または永久磁石の利用によって安定化される。

本開示の一実施形態によれば、受動浮上は、各々が回転子３０および固定ケーシング（ポンプハウジング１２内）に設置される同軸環状部材を個々に含む１つまたは幾つかの基本ユニットで構成される。回転子３０とケーシング部材とは、半径方向の空隙によって分離され、または言い換えれば、これらは、半径方向の空隙を挟んで互いに対向する。以下、一般性を失うことなく、ケーシング上の外側部材を詳述する概念について説明する。

基本受動浮上ユニットの一実施形態を、図６に示す。本例において、効果的には、回転子部材およびケーシング部材の双方が略同一の厚さに形成されるが、これは、本発明を首尾良く実施するために必要ではない。さらに、好ましくは、部材１０１、１０２は、共に永久磁石であるが、これらの何れかは、本明細書に開示している一般的原理を逸脱することなく、軟鉄部品に交換されてもよい。しかしながら、永久磁石を用いれば、より強い磁束を生成することができ、よって、同量の空間においてより高い浮上剛性を得ることができる。また、永久磁石を用いれば、半径方向の負の剛性を減らすこともでき、よって、性能を高めるための半径方向浮上設計が促進される。

本明細書で使用する「永久磁石」または「磁石」という用語は、当業者には周知であるように、大きい残留磁気および大きい保磁力を有しかつ磁化されてＮｅＦｅＢ等の磁場ソースとして働く強磁性体で製造されるパーツを指す。本明細書で使用する「軟鉄」という用語は、当業者には周知であるように、小さい残留磁気および小さい保磁力を有しかつ磁束を導くために使用される、純鉄、シリコーン鋼またはＨｉｐｅｒｃｏ合金等の積層または非積層強磁性体で製造されるパーツを指す。

図６の固定ケーシング上には、座標系ｘｙｚが表されている。図６（ａ）〜６（ｃ）に示すように、空隙１０４により分離される環状部材１０１、１０２は、共にｚ軸に沿って、但し反対方向に磁化される。文字「Ｎ」および「Ｓ」は各々、Ｎ極およびＳ極を示す。したがって、これらの磁石は、子午線平面内に存在しかつ環状部材１０１、１０２双方の内部を通過する、またはこれらの部材を連結する作用磁束の一連のループ１０３を生成する。本明細書で使用する「作用磁束」という用語は、漏れ磁束に対して、浮上のための主たる力に寄与する磁束を表すことに留意されたい。

受動安定性は、磁束ループにその全磁気抵抗を最小限に抑える傾向があるという原理に基づいて認識されることが可能である。したがって、環状部材１０１、１０２は、図６（ａ）に示すように、（ｚ軸に沿った）厚さの中心をもとに互いに位置合わせする傾向がある。環状部材１０２が図６（ｂ）に示すように上方へ変位されると、環状部材１０２の左右の断面積に対するケーシング部材１０１からの正味引力、各々ｆ_１およびｆ_２、は、ｘ−ｙ平面に対して傾斜された状態になる。これらの力の合計は、環状部材１０２を下方へ引っ張る正味の力Ｆを形成し、部材１０１との位置合わせを復元する。この機構により、回転子は、軸方向に安定される。

図６（ｃ）に示すように、環状部材１０２がｘ軸を中心にして角変位（傾斜）されると、環状部材１０１から環状部材１０２上へ引力の分散が誘発される。右側（正のｙ）の断面積にかかる正味の力ｆ_２は、ｘ−ｙ平面から負のｚ方向へ向かって傾斜し、一方で、左側（負のｙ）の断面積にかかる正味の力ｆ_１は、ｘ−ｙ平面から正のｚ方向へ向かって傾斜する。環状部材１０１、１０２の厚さが空隙１０４の直径よりかなり小さく、かつ傾斜角度が十分に小さければ、力ｆ_２の作用点は、力ｆ_１の作用点より上に位置する。したがって、これにより、環状部材１０２上に、回転子部材とケーシング部材とを再び位置合わせさせようとする正味のトルクＴが発生する。この機構は、受動浮上による回転子の傾斜安定性を提供する。

上述の浮上は、本質的に半径方向に不安定である。環状部材１０２のケーシング部材１０３に対する位置合わせが図６（ａ）の半径方向にずれると、環状部材１０２に対しこれを中心からさらに押しのける正味の引力が誘発されることがあり、心狂いが増して環状部材１０２がケーシング部材１０３の内面に接触するに至る。実際に、本発明の実施形態の受動浮上は、半径方向の反発力または軸方向の引力ではなく、回転子部材とケーシング部材との間に分散される半径方向の引力を特徴とする。そうではなく、図７に示すように、２つの同心環状部材１１１、１１２が同じ方向に磁化されれば、環状部材１１１、１１２間に分散される半径方向の反発力が生じる。したがって、図７の環状部材１１１、１１２の何れかの作用磁束は、単にその磁石部材自体（環状部材１１２）の内部を通過して他の部材（環状部材１１１）を通らないループ（例えば、磁束ループ１１４）を完成する。他の個々の環状部材でも、同様の効果が生じ得る（例えば、磁束ループ１１３）。言い換えれば、磁束は、互いに対向する回転子部材とケーシング部材とを半径方向の空隙１１５を挟んで連結しない。このような構成は、本発明の受動浮上に役立たない。

したがって、本発明の一実施形態によれば、受動浮上は、互いに対向する回転子部材とケーシング部材とを半径方向空隙を挟んで連結する作用磁束ループによって達成される。浮上ユニットの全厚が空隙の直径に比べてかなり小さい限り、軸方向変位および傾斜変位における受動安定性を達成することができる。この原理は、磁束ループ鎖交の原理と呼ばれ、本開示における受動浮上を達成するための十分な基準である。例えば、図６（ａ）〜（ｃ）の部材１０１、１０２の一方を軟鉄に置き換えれば、磁束ループがなおも双方の部材の内部を通過することから、浮上は、有効であり続ける。

図６（ａ）の磁石は軸方向に分極されるが、当業者は、本明細書に開示している原理に基づいて他の様々な配置を使用し、同じ効果の受動浮上を生成してもよい。例えば、図６（ｄ）に示すように、環状部材の磁石１０５、１０６が半径方向に分極されれば、磁石１０５、１０６を連結する作用磁束ループ１０７が生成される。この構造は、軸方向変位および傾斜の場合の受動浮上と略同じ機能を果たすことができる。磁石の分極の他の組合せ、例えば一方が軸方向分極、他方が半径方向分極、も使用され得る。また、このような実施可能な例としては、ｚ軸に対して傾斜された方向に分極される磁石も含まれる。

上述の基本的な浮上ユニットは、図６（ａ）〜（ｃ）の何れかの軸方向に磁化される永久磁石の一方の端または両端に、軟鉄製の環状プレートを追加することによって強化されることが可能である。このようなプレート、すなわち端部極片は、磁束を軟鉄内へ集中させる働きをして、空隙における磁束密度の強化をもたらす。透磁率の高い磁性体の表面に印加される磁力は、表面全体の合計磁束だけでなく、表面上の磁束密度にも依存する。表面を出入りする合計磁束が同じであれば、表面上の磁束密度が高いほど、表面が受ける磁力は大きくなる。したがって、図６（ａ）〜（ｃ）の基本的な浮上ユニットにおける永久磁石の端部に端部極片を追加すれば、同じ体積の永久磁石で、高められた浮上剛性を得ることができる。

本発明の実施形態の磁気浮上アセンブリの回転子における永久磁石または軟鉄製の環状部材は、好ましくは、幾何学的形状および外周付近の磁気特性が略均一である完全な環である。そうでなく、回転子の外周付近に著しい可変磁場を生成する他の不連続構造は、回転子が回転すると望ましくない結果をもたらす可能性がある。例えば、磁場の変動は、回転子の回転に伴って、浮上力および剛性を不安定にすることがあり、これにより、振動および他の望ましくない動的効果が生じる可能性がある。また、これは、ケーシングの導電材料内における渦電流を誘発し、これにより、エネルギー損失および加熱が生じる可能性がある。

逆に、本発明の実施形態の磁気浮上アセンブリのケーシングにおける環状部材のうちの幾つかまたは全ては、幾何学的または磁気的に不均一な、または中断された構造で形成されてもよい。これは、このような代替構造自体が、回転子の回転に伴う浮上力の変動または渦電流を引き起こさないことによる。例えば、円に沿って均等に分散される永久磁石または軟鉄製の一連の弓形セグメントは、特にこれらのセグメントが纏まって円の大部分を覆っていれば、本発明の実施形態の磁気浮上に適切に貢献することができる。

先に論じた基本受動浮上ユニットは、独立した構造体として、または隣接するユニット間の交互的磁気分極の配置において複数のユニットによる積層を形成することによって、使用されてもよい。図８は、この原理によるこうした積層構造の一実施形態を示す。先に論じたように、基本受動浮上ユニットの傾斜安定性は、図６（ａ）〜（ｄ）のそれのように、環状磁気部材の厚さが空隙の直径に比べて十分に薄いことを必要とする。同じ原理に従って、積層構造体の傾斜安定性を達成するために、積層の全厚は、空隙の直径に対して十分に小さくされる。

図８に示すように、受動浮上アセンブリ１６０は、対称性の上側部分および下側部分から成る。上側部分は、ケーシング内に配置される環状永久磁石１８４と、回転子内の環状永久磁石１７４とを含む。これらの磁石は、好ましくは、略同一の厚さであって、半径方向の空隙１６３を挟んで互いに向き合う。磁石１８４の上端には、軟鉄製の環状端部極片１８５が付着される。この端部極片１８５は、設計最適化の分析に依存して、磁石１８４の円筒内面から空隙１６３へ向かって突き出す場合も、突き出さない場合もある。相応に、磁石１７４の上端には軟鉄製の環状端部極片１７５が付着され、磁石１７４の円筒外面から空隙１６３へ向かって突き出す場合もあれば、突き出さない場合もある。端部極片１７５、１８５は、好ましくは、略同一の厚さであって、空隙１６３を挟んで互いに対向する。さらに、磁石１８４の底端には、環状軟鉄製の極部材１８３が付着される。極部材１８３は、効果的には、円筒内面に環状溝を切られて、各々極部材１８３の上端および下端に、共に空隙１６３へ向かって突き出す歯１８８および歯１８７が形成されてもよい。相応に、磁石１７４の底端には環状軟鉄製の別の極部材または極片１７３が付着され、その円筒外面に環状溝が切られて、空隙１６３へ向かって突き出す歯１７８、１７７が形成されてもよい。極部材１８３、１７３は、好ましくは、略同一の厚さであり、各歯対１８８、１７８、１８７、１７７の厚さも同様に、端部極片対１８５、１７５の同じ特徴に一致する。

環状永久磁石１８４、１７４は、共に（軸ｚに沿って）厚さ方向へ磁化されるが、方向は反対である。これらの磁石を挟む軟鉄部材は、磁束を磁性体および空隙を通して導く働きをする。したがって、環状永久磁石１８４、１７４は、環状永久磁石１７４、端部極片１７５、空隙１６３、端部極片１８５、環状永久磁石１８４、極部材１８３、空隙１６３および極部材１７３を通る一群の磁束ループ１５３を生成する。したがって、一群の回転子部材１７３、１７４、１７５および一群のケーシング部材１８５、１８４、１８３は、作用磁束ループ１５３によって連結される。

アセンブリ１６０の下側部分の構造は、極部材１８３、１７３の厚さの真ん中を通って延びるｘ−ｙ平面を中心に上側の構造をミラーリングすることによって形成されることが可能である。したがって、磁石１８２、１７２、端部極片１８１、１７１、歯１８７、１７７の各対部材が形成される。磁束ループ１５４は、回転子内の磁気部材とケーシング内の磁気部材とを連結する。極部材１８３、１７３を挟む磁石は、作用磁束ループ１５３および１５４が反対方向へ回るように、反対方向に磁化される。

したがって、積層構造体１６０の回転子部材とケーシング部材とは、一群の磁束ループ１５３、１５４によって連結される。さらに、アセンブリ１６０の全体厚さは、空隙１６３の直径に対して十分に小さくされる。したがって、磁束ループ鎖交の上述の原理により、磁束ループ１５３、１５４を特徴とするアセンブリ１６０は、軸方向および傾斜方向の安定性のための受動浮上に貢献することができる。

極部材１８３、１７３は、限定された空隙エリアに磁束を集束させるという、端部極片１８５、１７５のそれと同じ役割を果たす。これらの極部材の歯１８８、１７８、１８７、１７７は、磁束を対向する歯の間の、極部材全体の間の空隙よりも狭い空隙へとさらに集中させることに寄与し得る。しかしながら、アプリケーションによっては、歯構造の一部または全ては、設計の最適化に依存して必要でなく、これは、極部材１８３、１７３上の溝の何れかまたは双方が必要とされ得ないことを意味する。

図８のコンポーネントは、外周に沿って連続する環状片である場合も、そうでない場合もあることは、留意されるべきである。例えば、ケーシングの極片１８３等の任意の部材は、環状片１８３の元の空間に配置される複数の弓状セグメントで置き換えられることが可能である。この変更は、本明細書に開示する磁気浮上の原理を逸脱するものではないが、所定の浮上性能に影響が出る場合もある。具体的には、回転子部材が中断された構造体で作られれば、回転子が回転すると、不安定な浮上力および渦電流が誘起されることがあり、これにより、電力効率、動的性能およびおそらくは他の性能が損なわれ得る。

アセンブリ１６０が単に受動浮上用に使用される場合、極部材１８３、１７３は、端部極片１８５、１７５と同じに作られることが可能である。しかしながら、より厚い極部材１８３、１７３を用いる構造は、半径方向安定性のための能動浮上という追加の機能を提供する図３〜５のハイブリッド磁気浮上を形成するように適合されることが可能である。図３〜５に戻ると、浮上アセンブリ６０は、図８のアセンブリ１６０と略同じ構造を有し得る。実際に、図８の各コンポーネントの参照数字は、末尾に０が付いている（すなわち、６０が１６０に変わっている）ものの、図３〜５の数字に対応している。図３には、図８の各参照数字（末尾に０を有する）に類似する数字が、極部材１８３を除き、互いに一致する関連の構造部材に付されて存在する。図８の極部材１８３は、後述する電磁石機能を果たすために、空隙６３を囲んで周方向に分散される複数の電磁石極片８３ａ〜ｄ（図５）に置き換えられている。この極片群は、連続する環状極部材１８３の周囲に沿って幾つかの部分を切り離すことにより作られていると見なすことができる。連続するリングから断続的な環状セグメントへのこのような置き換えは、周方向空間の大部分がなおも軟鉄で占有されることから、受動浮上の原理を変えるものではなく、よって浮上性能が大きく変わることはない。したがって、ポンプ１０内の受動浮上アセンブリは、本発明の一実施形態に従って、上述の例により構成される。

ここで、図１のポンプ１０における能動浮上の原理および構成を参照すると、この能動浮上は、バイアス磁束に対する磁束変調の原理を基礎とする。バイアス磁束は、永久磁石によって確立され、かつ変調磁束は、電磁石によって生成される。

図３〜５を参照すると、磁気浮上アセンブリ６０は、空隙６３により分離される回転子アセンブリ６２と、ケーシングアセンブリ６１とを含む。回転子アセンブリ６２は、とりわけ、反対の分極を有する永久磁石７２、７４によって挟まれる主極片７３を含む。ケーシングアセンブリ６１は、とりわけ、反対の分極を有する永久磁石８２、８４によって挟まれる一群の極片８３ａ〜８３ｄを含む。さらに、ケーシングアセンブリ６１は、ケーシングアセンブリ６１の周囲に沿って均等に配置される一群の電磁石ユニット９０ａ〜ｄから成る。各電磁石ユニットは、略同じ構造を有する。したがって、説明は単に、数字から接尾辞のアルファベットを外したこれらを代表するユニットについて行う。例えば、ユニット９０は、４つのユニット９０ａ〜ｄのうちの全てを代表する。この決まりを、本明細書を通して適用する。

したがって、電磁石ユニット９０は、主に、コイル９１と、鉄心９２と、極片８３と、電磁石ユニットのセットにより共有されるバックヨーク９５とで構成される。鉄心９２は、軟鉄製の立方体片であり、円形、角が丸い長方形、または電磁石コアの構成に適することが当業者に知られている他のもの等の断面形状を有する。鉄心９２は、効果的には、アセンブリ６１内へホイールのスポークのように、その長手方向軸を半径方向に位置合わせすることによって取り付けられる。鉄心９２の回りには、通電用のコイル９１が巻かれる。極片８３は、鉄心９２の空隙６３側の一端に付着される。バックヨーク９５は、鉄心９２の他端に付着される。

極片８３ａ〜８３ｄは、空隙６３の周りに周方向へ均等に分散される。各極片は、回転子主極片７３と結合して空隙を通る集中磁束を形成する働きをする。したがって、歯８８、８７は、極片８３の内面に構築され、主極片７３の、もしあれば各々歯７８、７７に対向する。能動浮上を最適に設計するために、隣接する極片間の周方向間隙は、空隙を介して作用磁束を最良に導くべく各極片の内面を最大にしながら極片間の漏れ磁束を最小限に抑えるように決定される。磁石８４の上端には、軟鉄製の環状端部極片８５が付着される。この端部極片８５は、設計最適化の分析に依存して、磁石８４の円筒内面から空隙６３へ向かって突き出す場合も、突き出さない場合もある。相応に、磁石７４の上端には軟鉄製の環状端部極片７５が付着され、磁石７４の円筒外面から空隙６３へ向かって突き出す場合もあれば、突き出さない場合もある。端部極片７５、８５は、好ましくは、略同一の厚さであって、空隙６３を挟んで互いに対向する。

図３〜５を参照すると、本開示の一実施形態に従って、バックヨーク９５は、共同して１つのＤＯＦを制御する働きをする複数の電磁石ユニットを連結するように構成される。具体的には、電磁石ユニット９０ａ、９０ｂは、バックヨーク９５により、ｙ軸に沿った回転子の半径方向位置を共同して制御するために連結され、かつ電磁ユニット９０ｃ、９０ｄは、ｘ軸に沿って回転子を制御するために連結される。図３〜５では、１つのバックヨーク９５が全ての電磁石ユニットを連結しているが、これは、他の利点の中でも特に、単純さおよび小型性に照らして効果的である。しかしながら、アプリケーションによっては、異なる電磁石ユニットセットからの磁束間の結合は、ｘ軸制御およびｙ軸制御間の干渉を抑制するために厳密に制限されるべきものである。その場合、バックヨークは、各バックヨークが単に（ｘ軸またはｙ軸に沿った）１つの特別な半径方向変位を制御するために働く電磁ユニットだけを連結するように、別々に構成されてもよい。本明細書に開示している原理に照らせば、このような代替構造は、当業者により容易に想到され得る。

回転子の半径方向位置の能動制御は、ケーシングから回転子への磁力、主に電磁石極片８３ａ〜８３ｄから主極片７３への磁力のリアルタイム調整により達成される。図３〜５の実施形態では、ｘ方向またはｙ方向の半径方向変位が独立して、ｙ軸制御を担当する２つの電磁石９０ａ、９０ｂと、ｘ軸制御を担当する２つの電磁石９０ｃ、９０ｄとにより制御される。各軸に対する制御の基本原理は同じであることから、以下、ｙ軸制御についてのみ詳述する。本発明の実施形態における能動浮上は、空隙内のバイアス磁束のプッシュ−プル変調と称するメカニズムを基礎とする。図９に示すように、図９（ａ）の対称構造の上側部分において、永久磁石８４、７４は、回転子主極片７３と電磁石極片８３ａ〜８３ｄとの間の空隙５１ａ〜５１ｄを通過する一群の磁束ループ５３ａ〜５３ｄを生成する。浮上のための空隙におけるこのような作用磁束を、バイアス磁束と称する。磁束ループ５３ａ、５３ｂの長さは、図９（ａ）の空隙５１ａ、５１ｂを通る切断面Ａ−Ａに沿った断面図である図９（ｂ）に見ることができる。円内の点は、こちらへ出る磁束を示し、円内の「ｘ」は、向こう側へ入る磁束を示す。極部材７３、８３上の歯は、バイアス磁束を空隙５１内の限定された領域内に集束させる効果を有する。同様にして、図９（ａ）の対称構造の下側部分に、バイアス磁束ループ５４ａ、５４ｂの別のセットが確立される。双方のバイアス磁束セットは、略対称性であって、同じメカニズムで能動制御力を生成することから、以下、磁束ループ５３ａ、５３ｂによる能動制御についてのみさらに詳述する。回転子に対する合計能動制御力は、これらの２ソースからの力の合計であることに留意されたい。

ケーシングの歯８８ａから回転子の歯７８へかかる磁力は、回転子を負のｙ方向へ引っ張り、かつケーシングの歯８８ｂからの磁力は、回転子を正のｙ方向へ引っ張る。図９の磁気浮上アセンブリ６０は、ｘ−ｚ平面を中心とする対称構造を有することから、回転子がケーシングと同心円状に配置されると、空隙５１ａ、５１ｂ内のバイアス磁束の大きさが略同一になる。したがって、空隙５１ａ、５１ｂ内のバイアス磁束に起因する磁力は、互いに略平衡し、結果として実質ゼロの正味力をもたらす。

ここで、コイル９１ａ、９１ｂに、電流ｉが図９に示すような方向で流れるものとする。但し、円内の点は、こちら向きに流れる電流を示し、円内の「ｘ」は、向こう側へ流れる電流を示す。コイル９１ａ、９１ｂは、共に同じ電流と作用して、鉄心９２ａ、９２ｂ内に各々略同量の磁束を生成するように、直列に接続される。電磁石により生成される浮上のためのこのような作用磁束を、本明細書では変調磁束と称する。図９に示すように、浮上アセンブリ６０全体は、ｙ−ｚ平面およびｘ−ｙ平面を中心とする対称性であることから、電磁石９０ａ、９０ｂにより生成される変調磁束は、アセンブリ６０の上側部分における変調磁束ループ５５、またはアセンブリ６０の下側部分における磁束ループ５６の何れかを作成する。磁束ループ５５、５６は、上述のバイアス磁束ループ５３、５４の場合と同じ理由で略同一であり、よって、以下、変調磁束ループ５５のみを分析する。変調磁束ループ５５は、電磁石鉄心９２ａ、極片８３ａの歯８８ａ、空隙５１ａを通り、回転子主極片７３の歯７８の負のｙ座標側へ入る。これは、次に、回転子主極片７３の周囲に沿って正のｙ座標側へ進み、歯７８を出て、空隙５１ｂ、極片８３ｂの歯８８ｂ、鉄心９２ｂを通り、バックヨーク９５へ入って、最後にバックヨーク９５の周囲に沿って負のｙ座標側へ進み、ループを完成させる。鉄心９２ａ、９２ｂを通過する磁束は、大きさが略同一であることから、空隙５１ｃ、５１ｄを介してｘ方向に他の鉄心へ入る磁束、すなわち磁束漏れ、は無視し得る。

変調磁束５５は、空隙５１ａ、５１ｂにおけるバイアス磁束５３ａ、５３ｂを重畳する。図９に示す磁束ループの特定の方向の場合、一般性を失うことなく、変調磁束５５は、空隙５１ａ内のバイアス磁束５３ａと同じ方向に進むが、空隙５１ｂ内のバイアス磁束５３ｂとは反対方向に進む。したがって、空隙５１ａ内の磁束は、バイアス磁束より高く増強され、よって、極片歯８８ａと回転子の極片歯７８との間の磁力が増大される。一方で、空隙５１ｂ内の磁束は、バイアス磁束から低減され、よって、極片歯８８ｂと回転子の極片歯７８との間の磁力が低下される。これらの効果は、回転子に対して負のｙ座標方向へ向かう正味の磁力が生じるように、プッシュ−プル方式で組み合わされる。電流が増加すれば、回転子に加わる合力の大きさが増加する。また、電流が反転すれば、合成磁力は、反対方向へ変わる。したがって、空隙内のバイアス磁束に対の対向する変調磁束を加えて制御可能な正味の磁力を生成するための機構、所謂プッシュ−プル変調、が実証される。

バイアス磁束および変調磁束の空隙磁束密度を、各々ＢおよびΔＢであるものとする。空隙５１ａ、５１ｂ内の磁束密度は、各々Ｂ＋ΔＢおよびＢ−ΔＢとなる。磁気理論によれば、透磁率の高い磁性体の表面に加わる磁力は、表面上の磁束密度の二乗と表面積との積に略比例する。したがって、上記解析から、次のような正味の磁力が得られる。

ここで、Ｓは、電磁石極片の歯８８（８８ａ、８８ｂ）の内面の表面積であり、ｋは、定数である。

さらに、電磁石ユニットにより生成される空隙磁束密度ΔＢは、対応する磁気回路が飽和していない限り、電磁石内の電流ｉに比例する。したがって、式（１）は、

と書き直すことができる。ここで、ｃは、定数である。

永久磁石により生成される空隙磁束密度Ｂは、電流ｉによって変化しない。したがって、式（２）は、正味の磁力が電磁石電流に正比例することを示している。すなわち、能動制御力と制御電流との間には、直線関係がある。プッシュ−プル変調のこの属性は、これが、他の利点の中でも特に、好ましい能動制御性能を達成するための線形制御戦略の適用を可能にすることから、効果的である。

本発明の実施形態によれば、バイアス磁束ループと変調磁束ループとが、能動浮上制御のために空隙の近傍でのみ重なるように、三次元構成において異なる経路をとることは、認識され得る。非限定的な例では、図９に示すように、バイアス磁束ループ５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂは、子午線平面内にあり、かつ変調磁束ループ５５、５６は、赤道平面に平行な平面内にある。これらは、単に、空隙５１内と、回転子主極片７３および電磁石極片８３を含む近傍の極片において重なる。概して、本開示の実施形態によれば、バイアス磁束ループ５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂは、電磁石の鉄心を通過せず、変調磁束ループ５５、５６は、永久磁石を通過しない。本発明のこの態様は、効果的には、米国特許第８，２８８，９０６号明細書および同第８，５９６，９９９号明細書に記載されているもの等の従来設計とは異なる。永久磁石は、外部磁束に対する透磁率が極めて低く（真空に近い）、よって、電磁石により励磁される磁気回路において高い磁気抵抗を示す。したがって、電磁石の作用磁束ループが永久磁石を通過する構成は、何れも、電力効率を阻害し、または、コイルサイズを著しく増大させることになる。一方で、永久磁石により生成される作用磁束が電磁石の鉄心を通過するように構成されれば、飽和を避けるために鉄心の断面積を大きくしなければならない。変調磁束に比べて、バイアス磁束の大きさは、動作中の変調磁束の変動域全体をカバーするために、より大きい、多くの場合著しく大きい、ものでなければならない。したがって、永久磁石回路にその鉄心を包含することに起因する電磁石のサイズ増加は、かなりのものとなる可能性があり、よって回避されるべきである。

ｘ軸およびｙ軸に沿った半径方向変位に対する能動浮上は、フィードバック制御システムにより、本明細書に開示しているバイアス磁束変調の原理に基づいて達成される。本発明の一実施形態では、ｘ軸またはｙ軸に沿った変位が独立して制御され、よって、略同一の２つの制御システムを採用することができる。図１０に略示しているように、このような制御システム２００は、ｘ軸またはｙ軸に沿った回転子のリアルタイム変位を検出するための位置センサ２０１を含む。コントローラ２０２は、センサ２０１から到来する変位信号を適切な制御戦略を用いて処理し、かつ制御のコマンドを出す。制御戦略としては、磁気浮上分野の当業者には周知である、比例微分（ＰＤ）制御等の種々なものを採用することができる。制御コマンドは、電流増幅器２０３に供給され、電磁石を作動させるに足る電力ケイパビリティを有する時変電流が生成される。この電流は、電磁石２０４のコイルに流れ込んで変調磁束が生成され、よって能動浮上制御の目的が達成される。回転子位置センサ２０１は、回転子の位置の非接触測定に適する、磁気浮上分野の当業者には周知である渦電流変位センサまたはホール効果センサ等の任意のタイプであってもよい。例えば、図５は、空隙６３の直近で電磁石極片８３ａ〜８３ｄ間の間隙に分散される、高周波励起電流で動作するためのコイルを伴って構成される幾つかの渦電流センサプローブ９８を示している。これに対応して、回転子の外面溝には、銅等の導電体製の環状片９７が、渦電流センサプローブ９８のターゲットとして機能するように、図３および図５では空隙６３のすぐ隣で渦電流プローブ９８に直面して設置される。センサプローブ９８を指す軸に沿った回転子の半径方向変位は、ｘ軸およびｙ軸に沿った変位を生じるように変換される。必要な変位信号を得るために、２つ以上のセンサプローブ９８が使用される。

本発明の実施形態によれば、バイアス磁束が、能動浮上の基礎となるだけでなく、それ自体で受動浮上にも役立ち得ることは、認識することができる。これは、バイアス磁束ループが、半径方向の空隙を挟んで互いに対向する回転子およびケーシング内の部材を連結することに起因する。図６に関して先に論じた磁束鎖交の原理によれば、このような磁束ループは、軸方向および傾斜方向の安定性のための受動浮上機能を果たすことができる。したがって、包含する受動浮上に役立つ部材の数を少なくすれば、図９のハイブリッド磁気浮上構造を効果的に単純化することができる。概して、本開示の一態様による基本的なハイブリッド浮上ユニットは、単に、環状の回転子主極片と電磁石ユニットの周方向に分散される複数の極片とによって画定される空隙における、バイアス磁束および変調磁束の生成を含んでもよい。したがって、様々な代替実施形態を想到することができる。このような例のうちの幾つかを、図１１に示す。

図１１（ａ）は、図９から単純化され、なおも本発明の実施形態による完全磁気浮上の基本機能を保持する例示的なハイブリッド磁気浮上アセンブリ３１０を示している。回転子アセンブリは、図９の回転子主極片７３と同じ機能を果たす単一片の環状軟鉄３１４へと大幅に単純化されている。ケーシングアセンブリは、図９と同じ基本概念に従って構成されているが、永久磁石の端上の端部極片は、構造を単純にするために省かれている。空隙３２６の周りには、幾つかの電磁石が分散され、各々が極片３１３ａ、３１３ｂと、鉄心３１５ａ、３１５ｂと、コイル３１７ａ、３１７ｂと、バックヨーク３１６とを含む。図１１（ａ）の断面図は、２つの電磁石を示しているが、説明するこの実施形態に追加の電磁石が企図されてもよく、断面図であるために図示されていないことは、認識されるであろう。好ましくは連続するリングである環状永久磁石３１１および３１２は、反対の磁気分極を有する極片３１３ａ、３１３ｂを挟む。したがって、極片３１３ａ、３１３ｂの両端に、２つの略対称のバイアス磁束ループ３２４、３２５が生成される。これらの磁束ループは、回転子部材３１４と、一群のケーシング部材３１１、３１３ａ、３１３ｂ、および３１２とを連結する。

図１１（ｂ）は、ケーシング内に１つの永久磁石３３１を包含することによって図１１（ａ）からさらに単純化された基本ハイブリッド浮上ユニットを示す。この磁石は、回転子主極片３３４と、永久磁石３３１および電磁石極片３３３ａ、３３３ｂを含むケーシング部材とを連結するバイアス磁束３４１を生成する。空隙３４３の周りには、幾つかの電磁石が分散され、各々が極片３３７ａ、３３７ｂと、鉄心３３５ａ、３３５ｂと、コイル３３７ａ、３３７ｂと、バックヨーク３３６とを含む。図１１（ｂ）の断面図は、２つの電磁石を示しているが、説明するこの実施形態に追加の電磁石が企図されてもよく、断面図であるために図示されていないことは、認識されるであろう。図１１（ｂ）の構成は、本発明における磁気浮上の基本的機能を満たすものであるが、小型性、動力学および電力効率等の多くの追加的な浮上性能は、異なることがある。図１１（ｂ）のケーシングは、軸方向における受動浮上によって、ｘ−ｙ平面を中心とする対称性ではないことから、回転子主極片３３４の平衡位置は、極片３３３との位置合わせからの距離を永久磁石３３１へ向かってオフセットすることにより見出される。したがって、空隙３４５内の変調磁束線３４３は、ｘ−ｙ平面に対して傾斜され、磁束線３４３に沿って向く能動制御力もまた同様である。したがって、能動制御力は、回転子主極片３３４を軸方向へ極片３３３ａ、３３３ｂに向かって引っ張る軸方向成分を得る。適切な設計が適合化されていれば、この軸方向力は、受動浮上により平衡されることが可能である。しかしながら、ポンプが動作する間、能動制御力は、浮上安定性を保持するようにリアルタイムで調整される。よって、能動制御は、回転子上に、受動浮上に対する内的な乱れである時変軸力を誘起する。受動浮上は、振動を適切に減衰させる能動的メカニズムを持たないことから、この乱れは、他の望ましくない動的問題の中でもとりわけ、軸方向振動または回転子の共振をも刺激し得る。したがって、図１１（ｂ）の非対称構造は、受動浮上に対する能動制御の乱れの観点から、図１１（ａ）のそれらの対称構造より好ましくない場合がある。

図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）の永久磁石をケーシングから回転子へ移すことにより構成される、別の基本ハイブリッド磁気浮上ユニットを示す。空隙３６５の周りには、幾つかの電磁石が分散され、各々が極片３５３ａ、３５３ｂと、鉄心３５５ａ、３５５ｂと、コイル３５７ａ、３５７ｂと、バックヨーク３５６とを含む。図１１（ｃ）の断面図は、２つの電磁石を示しているが、説明するこの実施形態に追加の電磁石が企図されてもよく、断面図であるために図示されていないことは、認識されるであろう。磁石３５８により生成されるバイアス磁束３６１は、ケーシング部材３５３ａ、３５３ｂと、磁石３５８および主極片３５４を含む回転子部材とを連結する。図１１（ｂ）と同様に、回転子の軸方向平衡位置は、極片３５３との位置合わせから回転子磁石３５８の反対側へ向かって移されている。受動安定性に対しては、図１１（ｂ）の場合と同じ能動浮上制御による乱れの影響が生じるものと予想され、これは、図１１（ａ）のもののような対称構造より好ましくないと見なされることがある。

図１１（ｂ）および１１（ｃ）の構成は、とりわけ、単純さおよび費用対効果において利点を有する。受動安定性に対する能動制御力の乱れを改善するためには、これらの基本的な浮上ユニットを組み合わせて、能動制御力を純然たる事実上の半径方向に生成する対称構造を形成することができる。この原理による例示的な実施形態を、図１２に示す。磁気浮上アセンブリ４１０は、軸方向に沿って配置される一対の略同一の基本浮上ユニットを備える。上側ユニットおよび下側ユニットは、各々、回転子内の環状主極片４２２、４２３と、ケーシング内の一群の電磁石ユニット４０３ａ、４０３ｂ、４０４ａ、４０４ｂとを備える。空隙４２６の周りには、複数の電磁石が分散され、各々が鉄心４１４ａ、４１４ｂ、４１６ａ、４１６ｂと、コイル４１５ａ、４１５ｂ、４１７ａ、４１７ｂと、バックヨーク４１８、４１９とを含む。図１２の断面図は、２つの電磁石を示しているが、説明するこの実施形態に追加の電磁石が企図されてもよく、断面図であるために図示されていないことは、認識されるであろう。各主極片４２２、４２３は、その外面に、前記表面上に１つまたは複数の環状溝を切り取ることによって形成される複数の歯（不図示）を有する場合も、有していない場合もある。各電磁石ユニットは、図９および図１１の場合と同じく、極片と、鉄心と、コイルと、バックヨークとを含む。各極片は、好ましくは、回転子主極片と略同じ厚さを有し、かつ内面に、もしあれば対応する回転子主極片４２２、４２３の外面上の歯構造と同じ歯構造を有する。

上側および下側の基本ハイブリッド磁気浮上ユニットは、環状永久磁石４１１、４２１によって互いに連結される。永久磁石４１１は、上側の極片４１２ａ、４１２ｂと、下側の極片４１３ａ、４１３ｂとの間に挟まれる。これらの極片は、効果的には、磁石４１１の内面から空隙４２６へ向かって突き出す内面を有してもよい。他方の永久磁石４２１は、回転子主極片４２２、４２３間に挟まれる。これは、効果的には、その円筒外面に、これらの主極片の外面から窪みをつけてもよい。磁石４１１および４２１は、上側および下側の極片４１２ａ、４１２ｂおよび４１３ａ、４１３ｂが各々回転子主極片４２２および４２３と位置合わせされるように、略同じ厚さを有する。このような構成は、磁束を空隙４２６に隣接する突き出した構造体内に集束させ、よって図６に関して先に論じたように、強化された磁力を得るために役立つ。

永久磁石４１１、４２１は、互いに反対向きの軸方向に磁化される。したがって、これらは、共同して、アセンブリの子午線平面に存在するバイアス磁束ループ４２７を生成する。磁束ループ４２７は、上側および下側の基本ハイブリッド磁気浮上ユニット双方のバイアス磁束として機能する。さらに、主極片４２２の上端面から主極片４２３の下端面までを測定した回転子アセンブリの全厚は、空隙４２６の直径に比べて十分に小さくされる。したがって、上述の磁束ループ鎖交の原理により、軸方向変位および傾斜における受動浮上が達成される。

図１２に示す４つの電磁石ユニット４０３ａ、４０３ｂ、４０４ａ、４０４ｂは、共同で動作してｙ方向の半径方向変位の能動制御を提供するように、直列に連結される。コイル４１５ａ、４１５ｂ、４１７ａ、４１７ｂには、変調磁束ループ４２８、４２９が生成されるように、同一の電流が供給される。回転子主極片４２２、４２３およびバックヨーク４１８、４１９の断面上にある円内に点および円内に「ｘ」を有する記号は、各々、その断面エリアを出入りする変調磁束を示す。一方の断面エリアから出るこれらの磁束は、主極片またはバックヨークの周囲に沿ってその経路を延ばし、ｚ軸を中心とする反対側のもう一方の断面エリアに到達する。図１２から分かるように、正のｙ座標側の空隙４２６におけるバイアス磁束４２７と変調磁束４２８とは、反対方向に進み、一方で、負のｙ座標側の空隙４２６におけるこれらの磁束は、同じ方向に進む。これにより、回転子主極片４２２において、負のｙ座標方向の正味の磁力がもたらされる。バイアス磁束４２７および変調磁束４２９の効果に関する同様の分析は、回転子主極片４２３上にやはり負のｙ座標方向の正味の磁力をもたらす。したがって、空隙におけるバイアス磁束のプッシュ−プル変調メカニズムによる半径方向磁力の能動制御は、図１２の構造によって達成される。

図１２の回転子部材４２１、４２２、４２３を、図１３の単一の軟鉄製環状部材４４１で置き換えれば、基本ハイブリッド磁気浮上ユニットの積層構造を有する代替実施形態を作ることができる。回転子部材４４１は、磁束が、回転子磁石４２１を通過する図１２の磁束の場合と同様に、軸方向に沿って通過することを許容する。また、回転子部材４４１は、各々外面の上端および下端部分に配置される２つの区別的な極縁部４４２、４４３を有する。これらの極縁部４４２、４４３は、単に、回転子部材４４１の外面中央部分に環状の溝を切り取ることによって形成されてもよい。極縁部４４２、４４３は、各々、基本的には、図１２の主極片４２２、４２３の場合と同じく、磁束を導くという機能を果たす。

図１３のケーシングアセンブリは、図１２のそれと同様の構造を有する。空隙４４６の周りには、幾つかの電磁石が分散され、各々が鉄心４３４ａ、４３４ｂ、４３６ａ、４３６ｂと、コイル４３５ａ、４３５ｂ、４３７ａ、４３７ｂと、バックヨーク４３８、４３９とを含む。図１３の断面図は、４つの電磁石を示しているが、説明するこの実施形態に追加の電磁石が企図されてもよく、断面図であるために図示されていないことは、認識されるであろう。図１３（ａ）に示す４つの電磁石ユニット４０５ａ、４０５ｂ、４０６ａ、４０６ｂは、共同で動作してｙ方向の半径方向変位の能動制御を提供するように、直列に連結される。コイル４３５ａ、４３５ｂ、４３７ａ、４３７ｂには、変調磁束ループ４４８、４４９が生成されるように、同一の電流が供給される。回転子４４１およびバックヨーク４３８、４３９の断面上にある円内に点および円内に「ｘ」を有する記号は、各々、その断面エリアを出入りする変調磁束を示す。したがって、永久磁石４３１は、永久磁石４１１、４２１（図１２）により共同で生成されるバイアス磁束４２７（図１２）の場合と略同じループを形成するバイアス磁束４４７を生成する。一方で、電磁石４０５ａ、４０５ｂ、４０６ａ、４０６ｂは、回転子部材４４１の中央部分がバイアス磁束４４７により内部に十分な飽和が生じるように設計されることを条件として、各々変調磁束４２８、４２９（図１２）の場合と略同じループを形成する変調磁束４４８、４４９を生成する。回転子部材４４１の中央部分がそこまで飽和されなければ、これは、回転子部材４４１の中央部分を介する変調磁束４４８、４４９の交差を許容する。その結果、図１３（ａ）の変調磁束４４８、４４９は、図１３（ｂ）の磁束４４５によって置き換えられてもよい。変調磁束４４５は、周方向に沿って同じ極縁部のもう一方の側へ延びる代わりに、同じ子午線平面内で軸方向沿いに、回転子部材４４１の一方の極縁部４４２、４４３からもう一方の極縁部まで流れる。しかしながら、変調磁束が図１３（ａ）の経路で延びるか、図１３（ｂ）の経路で延びるかに関わらず、ハイブリッド磁気浮上デバイス４３０は、本明細書に開示しているバイアス磁束のプッシュ−プル変調の同じメカニズムに従って、半径方向に能動制御を提供することができる。

単一の軟鉄製回転子部材を用いる図１３の構成は、図１２に比べて、とりわけ費用対効果の面で効果的である。しかしながら、回転子磁石が省かれていることから、生成されるバイアス磁束の強度が低下し、よって、図１３の構成では、他の問題の中でもとりわけ、受動浮上の浮上剛性が低下し、能動浮上の単位電流当たりの磁力低下によって電力効率が低下することがある。

図１１、１２または１３に示されるもの、但しこれらに限定されないものを含むハイブリッド磁気浮上アセンブリは、向上した浮上剛性および他の要求される性能を得るために、本明細書に記述している１つまたは複数の基本受動浮上ユニットを追加して強化されることが可能である。このような実施形態を、一例として図１４に示す。ここには、図１２から採用したハイブリッド磁気浮上ユニットが描かれている。さらに、ハイブリッド磁気浮上ユニットの上端では、一対の環状永久磁石４６３、４５３が各々、回転子主極片および電磁石ユニットの極片の端面に付着されている。また、磁石４６３、４５３の他方の端面には、各々、一対の軟鉄製環状端部極片４６４、４５４が付着されている。効果的には、これらの磁石および端部極片は、本発明の典型的な基本受動浮上ユニットである図８の上側部分における対応する部材と同様にして構成されてもよい。さらに、図１４のハイブリッド磁気浮上ユニットの下端には、効果的には図８の下側部分と同様にして構成され得る、磁石４６２、４５２および端部極片４６１、４５１を含む別の基本受動浮上ユニットが設置される。

図１２に比較すると、図１４は、アセンブリ４５０の両端に対称的に配置される２つの追加的なバイアス磁束ループ４５７、４５８を含んでいる。これらの磁束ループは、受動浮上に追加的な剛性を与えることができる。さらに、これらは、変調磁束も通る空隙内の磁場を増強し、よって効果的には、能動浮上の単位電流当たりの磁力増加に寄与することができる。しかしながら、構造は、より複雑になる。さらに、空隙直径に対する図１４の回転子アセンブリ４５０の全厚は、傾斜の受動安定性を保証するに足る小さいものでなければならない。

図１４では、追加の受動浮上ユニットが基本ハイブリッド浮上ユニットの外向きの端に取り付けられているが、受動浮上ユニットは、効果的には、基本ハイブリッド浮上ユニットの積層構造の真ん中に組み込まれることも可能である。この原理によれば、本発明の実施形態を他に様々に作ることができ、このような一例を図１５に示す。図１５の構造には、図１２の上側および下側の基本ハイブリッド浮上ユニットが採用されているが、これらのユニット間の連結は、基本受動浮上を設置できるように変更されている。図１５に示すように、磁気浮上デバイス４７０は、各々デバイスの上側部分および下側部分に配置される一対の基本ハイブリッド浮上ユニット４８８、４８９を備える。上側ユニット４８８は、ｙ軸に沿った能動制御のために、環状の回転子主極片４８２と、電磁石ユニットの複数の極片４７２ａ、４７２ｂとを備える。下側ユニット４８９は、ｙ軸に沿った能動制御のために、環状の回転子主極片４８３と、電磁石ユニットの複数の極片４７３ａ、４７３ｂとを備える。図１５の断面図は、４つの電磁石を示しているが、説明するこの実施形態に追加の電磁石が企図されてもよく、断面図であるために図示されていないことは、認識されるであろう。さらに、デバイス４７０の真ん中に配置されている受動浮上ユニットは、回転子内の第１の環状極部材４８１と、ケーシング内の第２の環状極部材４７１とを備える。部材４７１および４８１の双方は、軟鉄から作られ、かつ好ましくは、略同一の厚さを有する。第１の極４８１の円筒外面および第２の極４７１の円筒内面は、互いに対向して、二次受動浮上のための環状空隙４７８を画定する。したがって、一次ハイブリッド浮上および追加の受動浮上のための３層の極が構成される。

環状永久磁石４８４は、回転子主極片４８２と第１の極部材４８１との間に挟まれる。好ましくは、磁石４８４の円筒外面は、極の周りに磁場集中を形成するために、極部材４８２、４８１の外面から窪みをつけられる。別の環状永久磁石４７４は、極片４７２と第２の極部材４７１との間に挟まれる。好ましくは、環状永久磁石４７４の円筒内面は、磁場集中という同じ目的のために、極部材４７２、４７１の内面から窪みをつけられる。環状永久磁石４８４および４７４は、軸方向に沿って互いに反対に磁化される。したがって、これらは、ハイブリッド浮上ユニット４８８のバイアス磁束に役立つ磁束４７６を共同で生成する。この同じ磁束４７６はまた、二次浮上間隙４７８を介する追加的な受動浮上の作用磁束にも役立つ。デバイス４７０の下側部分は、極部材４７１、４８１の真ん中を通るｘ−ｙ平面を中心にして上側部分と対称に構成される。したがって、別の磁束ループ４７７は、環状永久磁石４８５、４７５によって生成され、かつハイブリッド浮上ユニット４８９のバイアス磁束および追加の受動浮上ユニットの作用磁束の双方に役立つ。

変調磁束４８６、４８７は、各々、上側および下側のハイブリッド浮上ユニット内の電磁石ユニットにより生成される。図１２に示す構成の変調磁束４２８、４２９は、子午線平面内で反対方向に流れるのに対して、図１５に示す構成では、変調磁束４８６、４８７が同じ方向に流れることは、認識され得る。

極部材４７１、４８１の厚さは、好ましくは、二次受動浮上間隙４７８内に高度に集中された磁場を生成するに足る薄いものにされてもよい。この方式では、二次受動浮上は、軸方向および傾斜安定性のための受動浮上において、ハイブリッド浮上ユニットの受動浮上の機能よりも主たる役割を果たすことができる。一方で、ハイブリッド浮上ユニットは、半径方向の安定性のための能動制御の役割に関しては、受動浮上性能の制約を少なくして最適化されることが可能である。したがって、図１５に示す構成は、小型磁気浮上型遠心ポンプの設計最適化という具体的な目的の達成にとって好ましいものであり得る。

図１２〜１３に示す構成の変形と同様に、図１５の回転子部材の全てを図１６の単一の回転子部材４９５で置き換えれば、本発明の代替実施形態を作ることができる。回転子部材４９５は、軟鉄から製造されてもよく、かつ円筒外面上に形成される３つの極縁部４９１、４９２、４９３を有する。極縁部４９２、４９３は、ハイブリッド浮上用の電磁石ユニットの対応する極片と結合する、図１５に示す構成の回転子主極片４８２、４８３と同じ役割を果たす。さらに、極縁部４９１は、極部材４９８と結合して追加の受動浮上間隙を画定する。したがって、一次ハイブリッド浮上および追加の受動浮上のための３層の極は、図１５のそれと同様に構成される。磁束ループ４９６、４９７は、専らケーシング内の永久磁石によって生成されるが、ハイブリッド浮上のバイアス磁束および追加的受動浮上の作用磁束の同じ機能を果たす。

図１６に示す実施形態によれば、上側および下側のハイブリッド浮上ユニットからの変調磁束は、回転子部材４９５を並行して通過することから、事実上交差することはない。これは、デバイスの異なる層からの変調磁束が図１３（ｂ）に示すように交差し得る、図１３に示す構成とは対照的である。この意味では、特に追加の受動浮上が受動浮上性能の主たる要因として設計されている場合、二次浮上間隙内の磁束が大方の場合変調磁束によって妨げられず、つまりは、受動浮上が能動浮上によって妨げられない、という理由で、図１６に示す構成は好ましい。

図１２〜１６に示す本発明の実施形態は、異なるレベルで能動制御力が生成されるように、２層の電磁石ユニットによる積層構造を有する。これらの力は、合計されて最終的に回転子に対する正味の半径方向力となるが、２つの力の大きさが異なれば、トルクも誘起され、これにより、回転子が傾くことになりやすい。材料の不完全性、寸法公差、動作環境および実際のアプリケーションに包含される他のファクタに起因して、これらの力の違いを完全に回避することはできない。したがって、このような積層構造は、所定のアプリケーションでは好ましいものの、半径方向変位の能動制御により傾斜安定性のための受動浮上が乱れるという問題を付随させ得る。この問題は、適切な距離で層を分離する等の適切な設計上の検討事項、または図１７のそれらの代替設計によって解決され得る。

本発明によるハイブリッド磁気浮上アセンブリの代替実施形態５００を、図１７に示す。これは、図１２に示す構成に類似する２層による積層構造を含むが、その構成とは対照的に、ハイブリッド磁気浮上の各層が含む電磁石ユニットは、２つのみであって、異なる層の電磁石ユニットが周方向へ９０度ずらされて、半径方向変位の異なる軸を独立して制御する。

図１７（ｂ）および１７（ｃ）は、各々、図１７（ａ）の積層構造の上層および下層の断面図である。２つの電磁石ユニット５１０ａ、５１０ｂは、積層構造の上層に位置づけられ、各ユニットは、鉄心５１１ａ、５１１ｂと、極片５１２ａ、５１２ｂと、コイル５１３ａ、５１３ｂと、バックヨーク５１４とから成る。これらのユニットは、ｙ軸に沿って対称的に配置され、互いに対向する。環状の連続する軟鉄製のバックヨーク５１４は、これらの電磁石の鉄心５１１ａ、５１１ｂを連結する。極片５１２ａ、５１２ｂは、環状の連続する軟鉄製の回転子主極片５１５に面する。２つの電磁石ユニット５１０ｃ、５１０ｄによる他のグループは、図１７の積層構造の下層に位置づけられてｘ軸沿いに配置され、各ユニットは、鉄心５１１ｃ、５１１ｄと、極片５１２ｃ、５１２ｄと、コイル５１３ｄ、５１３ｄと、バックヨーク５１７とから成る。環状の軟鉄製バックヨーク５１７は、鉄心５１１ｃ、５１１ｄを連結する。極片５１２ｃ、５１２ｄは、環状軟鉄製の回転子主極片５１８に面する。

バイアス磁束ループ５２２は、環状永久磁石により環状の回転子主極片を用いて、図１２に示す構成のそれと同じ方法で生成される。図１７（ｂ）に示すコイル５１３ａ、５１３ｂに電流が送られると、変調磁束ループ５２４が生成される。この磁束ループ５２４は、第１の電磁石ユニット５１０ａ、空隙５２７ａ、回転子主極片５１５、空隙５２７ｂ、第２の電磁石５１０ｂを通過し、バックヨーク５１４を通過することによりループを閉じる。２つの空隙５２７ａ、５２７ｂにおけるｙ軸に沿った変調磁束とバイアス磁束との組合せは、バイアス磁束のプッシュ−プル変調を構成する。したがって、上層における電磁石ユニットのグループは、ｙ軸における回転子の半径方向変位を能動制御する機能を果たす。図１７（ｃ）に示すように、同様の分析がアセンブリ５００の下層にも当てはまり、よって、下層における電磁石グループは、ｘ軸における回転子の半径方向変位を能動制御する機能を果たすことが容易に分かる。図１７（ｃ）に示すコイル５１３ｃ、５１３ｄに電流が送られると、変調磁束ループ５２５が生成される。この磁束ループ５２５は、第１の電磁石ユニット５１０ｃ、空隙５２８ｃ、回転子主極片５１８、空隙５２８ｄ、第２の電磁石５１０ｄを通過し、バックヨーク５１７を通過することによりループを閉じる。２つの空隙５２８ｃ、５２８ｄにおけるｘ軸に沿った変調磁束とバイアス磁束との組合せは、バイアス磁束のプッシュ−プル変調を構成する。したがって、下層における電磁石ユニットのグループは、ｘ軸における回転子の半径方向変位を能動制御する機能を果たす。

図９に示す実施形態では、ｘ軸またはｙ軸に沿った能動制御のための変調磁束が同じバックヨークおよび同じ回転子主極片を通過するのに対して、図１７に示す実施形態は、異なる制御軸のために異なるバックヨークおよび異なる回転子主極片を通過する別々の変調磁束によって動作する。図９の回転子が理想の平衡中心から任意の半径方向へ反れると、ある軸（例えば、ｙ軸）を制御するための電磁石により生成される変調磁束が、多かれ少なかれ、他の軸（例えば、ｘ軸）を制御するための電磁石に進入し得ることは、認識され得る。これにより、異なる軸の制御間に望ましくない結合が生じることがある。さらに、隣接する電磁石ユニットの極片は、同一平面内に位置し、よって互いに比較的近いことから、これらの極片間の磁束漏れによってもまた、異なる軸の制御間に許容できない干渉が生じることがある。一方で、図１７の構成では、１つの軸を制御するための変調磁束および対応する極片と、他の軸を制御するためのこれらとが、かなりの距離で分離される異なる平面内に位置づけられている。したがって、図１７の構成は、異なる軸の制御間の結合および干渉を効果的に回避し、よって各軸に沿った半径方向変位の独立制御をよりよく達成することができる。

さらに、１つの半径方向軸の能動制御が、各々積層構造の上層および下層に位置決めされる２つの半径方向力に依存していて、これにより傾斜トルクが誘発され得る図１２〜図１６に示すもの等の積層構造とは異なり、図１７の構成は、１つの半径方向軸を制御するために単一の半径方向力を用いる。例えば、ｙ軸における半径方向変位は、単に、積層構造の上層における１つの力によって制御される。したがって、図１７の構成も、傾斜安定性に対する能動制御の乱れの問題を効果的に解決することができる。

本開示の一実施形態によれば、ハイブリッド磁気浮上アセンブリは、３つの電磁石ユニットを用いて、半径方向変位の能動浮上を達成することができる。このような構成の一例は、図１８に示すように、図９（図３〜５も）の４つの電磁石ユニットを３つのユニットで置き換えることによって作製されることが可能である。当業者には、簡潔さのためにここでは論じない代替構成を生み出すために、図１１〜１７および図２２〜２４に示すもの等の他の実施形態を同様にして改変できることが理解されるであろう。

図１８に示すように、３つの電磁石ユニット５５１Ａ、５５１Ｂ、５５１Ｃは、環状の空隙の周りに均一に分散される。各電磁石ユニット５５１は、鉄心５６１と、極片５６２と、コイル５６３とから成り、軟鉄製の環状バックヨーク５６４が３つの鉄心を連結する。３つの軸α、β、γは、図１８（ｂ）に示すように、各々、ｘ−ｙ−ｚ座標系の原点から外向きに電磁石５５１Ａ、５５１Ｂ、５５１Ｃの鉄心を通って延びる。これらの軸は各々、極片表面の周方向中心を通って、対応する電磁石の鉄心の中心軸に一致する。したがって、任意の電磁石と回転子との間の磁力は、対応する軸α、βまたはγの方向にある。図１８の特定の構成では、これらの軸が互いから等しく１２０度で離れているが、本開示の原理に従って、様々な代替構成を作ることができる。軟鉄製の環状主極片５６５は、回転子内に配置されて、各々空隙５５６Ａ、５５６Ｂ、５５６Ｃを挟んで電磁石５５１Ａ、５５１Ｂ、５５１Ｃの極片に対向する。図１８のその他の構成は、基本的に図９のそれと同じである。図１８（ａ）の上側部分と下側部分では、永久磁石によって２連のバイアス磁束ループ５５２、５５３が生成され、対称的に位置づけられる。アセンブリの上側部分または下側部分は、対称性の構造であることから略同一の磁力をもたらし、力の合計が回転子に対する全体的な力を生み出す。以下、上側部分の力についてのみ説明する。

電磁石の３つのコイルは、これらのコイルに流れ込む電流が平衡されるようにして連結される。例えば、三相電気機械で一般的に使用されるＹ結線またはデルタ結線が使用されてもよい。相応して、コイル内の電流の符号は、正の電流が、コイルのコアを通って座標系の原点から外向きに進む磁束を生成するように定義される。ここで、電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃは、各々コイル５６３Ａ、５６３Ｂ、５６３Ｃに供給され、これらの電流が次式を満たすものとする。

コイル５６３Ａを流れる電流Ｉ_Ａは、図１８に示すように、対称的な２群の磁束５５４ＡＢおよび５５４ＡＣを生成する。磁束５５４ＡＢは、基準磁位を有する回転子主極片５６５から出て、空隙５５６Ａを介して外向きに進む（正の電流Ｉ_Ａに対応）。磁束５５４ＡＢは、外向きに流れ続けて電磁石５５１Ａの極片５６２Ａおよび鉄心５６１Ａを通り、外周に渡って略均一な磁位を有するバックヨーク５６４に入る。磁束は、次に、バックヨーク５６４の外周に沿って進み、電磁石５５１Ｂの一端に達する。これは、次に、電磁石５５１Ｂの鉄心５６１Ｂおよび極片５６２Ｂを介して内向きに、次いで空隙５５６Ｂを介して進む。これは、最終的に回転子極片５６５に入り、ループを完成する。コイル５６３Ａを流れる電流Ｉ_Ａにより生成されるもう１つの磁束５５４ＡＣもまた、電磁石５５１Ａを介して外向きに進むが、これは、電磁石５５１Ｃを通過してループを完成させる。同様にして、他の２つの電磁石ユニットにおける電流Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃも各々、各々が一対の電磁石を連結する一対の磁束ループを生成する。このような磁束ループは、合計６グループ生成される。これらの磁束ループは、２つの接尾アルファベットを伴う数字５５４で示され、第１のアルファベットは、磁束ループを励磁する電磁石を表し、第２のアルファベットは、その磁束ループが同じく通過する、すなわち連結相手である電磁石を表す。例えば、磁束ループ５５４ＡＢは、電磁石５５１Ａによって励磁され、かつ電磁石５５１Ｂも繋ぐ。別の例として、磁束ループ５５４ＢＡは、電磁石５５１Ｂによって励磁され、かつ電磁石５５１Ａも繋ぐ。磁束ループ５５４ＡＢおよびと５５４ＢＡは、重なり合うが反対方向に流れる。これらは、符号付きの数字として合計され、結果として、その共通経路に沿った正味の磁束となる。

図１８における上述の磁束ループおよび関連する磁気コンポーネントは、図１９の磁気回路によりモデル化されることが可能である。軟鉄の磁気抵抗を無視できるものとすれば、回転子主極片５６５およびバックヨーク５６４を単一の点としてモデル化することができる。Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂ、Ｒ_Ｃは、各々、空隙５５６Ａ、５５６Ｂ、５５６Ｃの磁気抵抗を表す。ＮＩ_Ａ、ＮＩ_Ｂ、ＮＩ_Ｃは、各々、電磁石５５１Ａ、５５１Ｂ、５５１Ｃの起磁力を表し、ここで、Ｎは、コイルの巻き数であり、Ｉは、コイル内の電流である。Φ_Ａ、Φ_Ｂ、Φ_Ｃは、電磁石によって生成される、回路内の対応する空隙を通る磁束である。この磁気回路は、次式に繋がる。

また、磁気回路の各分岐の起磁力を解析すると、電磁石における起磁力の上昇は、対応する空隙に渡る起磁力の低下に等しく、例えば、ＮＩ_Ａ＝Φ_ＡＲ_Ａであることが分かる。また、３つの空隙は、大きさが同じであり、よって、Ｒ_Ａ＝Ｒ_Ｂ＝Ｒ_Ｃであることにも留意されたい。したがって、式（４）は、式（３）と一致している。

バイアス磁束ループ５５２は、各々空隙５５６Ａ、５５６Ｂ、５５６Ｃを通過する３つのグループ５５２Ａ、５５２Ｂ、５５２Ｃを含む。これらは、図１８に示す構成の構造的対称性に起因して、これらの空隙において同じ磁束密度を生じる。したがって、何れの空隙においても、バイアス磁束密度をＢで示す。

変調磁束Φ_Ａ、Φ_Ｂ、Φ_Ｃに起因する空隙５５６Ａ、５５６Ｂ、５５６Ｃ内の磁束密度を、各々ΔＢ_Ａ、ΔＢ_Ｂ、ΔＢ_Ｃであるものとする。磁束密度は、磁束に比例することから、式（４）より次の関係式を得ることができる。

磁気理論によれば、透磁率の高い磁性体の表面に加わる磁力は、表面上の磁束密度の二乗と表面積との積に比例する。したがって、空隙５５６Ａ、５５６Ｂ、５５６Ｃにおいて、電磁石ユニット５５１Ａ、５５１Ｂ、５５１Ｃから回転子に加わる磁力Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、Ｆ_Ｃは、各々、

となる。ここで、Ｓは電磁石極片の内面の表面積であり、ｋは、定数である。

これらの力は、各々、図１８（ｂ）に示すα、β、γ軸に沿って導かれ、正の力は、アセンブリの中心から外向きの方向を指す。

α軸における正味の符号付きの力は、

である。

式（５）〜（９）から、この力を、

で表すことができる。

バイアス磁束は、永久磁石によって生成され、かつ変調磁束は、電磁石によって生成される。永久磁石は、電磁石の場合より遙かに高い起磁力上昇を引き起こす。したがって、バイアス磁束密度Ｂは、通常、変調磁束密度ΔＢ_Ａ、ΔＢ_ＢまたはΔＢ_Ｃのどれよりも遙かに大きい。式（１０）は、次式によって近似されることが可能である。

電磁石ユニット５５１Ａにより生成される空隙磁束密度ΔＢ_Ａは、対応する磁気回路が飽和されない限り、その電磁石内の電流ｉ_Ａに比例する。したがって、（１１）は、

と書き換えることができる。
ここで、ｃは、定数である。

これは、α軸に沿った磁力と、α軸上に存在する電磁石ユニットに流れ込む電流との間の、式（２）の直線式と同様の直線関係を示す。さらに、この直線関係は、正のα軸へ向かう力Ｆ_Ａと、負のα軸へ向かう力Ｆ_Ｂ、Ｆ_Ｃの射影から結果的に生じる。式（１）に関与するものと同様のプッシュ−プル機構を観察することができる。

対称性に起因して、β軸およびγ軸に沿った磁力についても、次のように、同様の式が得られる。

図１８のｘ軸およびｙ軸に沿った磁力Ｆ_ｘおよびＦ_ｙは、各々、式（１２）〜（１４）からの線形変換によって得ることができる。したがって、バイアス磁束密度が変調磁束密度より遙かに大きい図１８の構成では、２つの半径方向変位の何れの能動制御のための磁力も、電磁石ユニット内の電流と直線関係にある。能動制御力のこの属性は、他の多くの潜在的な利点の中でもとりわけ、線形制御アルゴリズムの適用を容易にするという理由で、４つの電磁石ユニットが使用される図９等の実施形態の場合と同じく、極めて望ましい。また、直線関係は、空隙内のバイアス磁束のプッシュ−プル変調の結果であって、これは、基本的に、本発明に開示しているハイブリッド磁気浮上の他の実施形態に含まれるものと同じメカニズムである。

上述の論考は、４つまたは３つの電磁石ユニットを備えるハイブリッド磁気浮上アセンブリの一般的な原理および構成を例示したものである。当業者であれば、同じ基本原理に従って、様々な代替設計を生み出すために、空隙の周りに均一に、または不均一に配置される他の数の電磁石ユニットを用いることができる。また、上述の論考は、能動制御力の式を、電流およびバイアス磁束密度に関して導出するための方法も示している。この方法および結果としての式を用いれば、本発明による磁束変調のメカニズムを理解することができ、よって、当業者は、様々な設計構成、特に能動制御に関する効果的な直線関係を用いる設計構成を、容易に想到することができる。

図１〜３のポンプ１０は、図３〜５に示すように、ハウジング１２の外部ケーシング１６内に取り付けられるケーシングアセンブリ６１から成る磁気浮上アセンブリ６０を用いて例示されている。ある代替実施形態は、磁気浮上アセンブリ６０をポンプの内側部分に構成してもよく、よって、ケーシングアセンブリ６１が中央柱１５内に取り付けられ、かつ回転子アセンブリ６２が回転子３０の内側へと反転されて、ケーシングアセンブリ６１と回転子アセンブリ６２とが図３の空隙４３を挟んで互いに対向する。このような構成は、本発明における磁気浮上の同じ基本的機能を達成するように、単に、元の構成を、空隙を中心に逆にすることによって作ることができる。具体的には、この代替構成において、電磁石の極片８３上の歯８７、８８は、空隙４３に隣接して配置され、かつ鉄心９２は、極片から内向きに延びて、磁気浮上アセンブリの最も内側の部材を構成するバックヨーク９５に連結する。ケーシングアセンブリ６１ならびに回転子アセンブリ６２内の他のコンポーネントも、同様にして裏返しにされる。また、磁気浮上ユニットをポンプの内側部分に構成するこの方法は、図１１〜１８のもの等の他の実施形態の何れにも等しく適用されて、本開示のさらなる代替実施形態をもたらすことができる。

本明細書におけるポンプの構造的および液圧的特徴の開示は、限定的な意味で解釈されるべきものではなく、これらは、単に、本発明に包含される、特に磁気浮上に関連する一般的な原理および構造を説明する目的で行うものである。例えば、図１〜３に示す構成の外部ケーシング１６のチャンバは、上述のように磁気浮上ユニットがポンプの内側部分に配置されれば必要がない場合もある。一方で、中央柱１５は、磁気浮上およびモータのコンポーネントをハウジングの他の部分内に配置することができる限り、本発明の良好な実施にとって不要である場合もある。さらに、回転子３０は、その内面および／または外面を、図２に示すような真っ直ぐな円筒面ではなく円錐形等の他の形状にしてもよい。

図２０〜２２は、本開示の一実施形態による代替ポンプ６１０を示す。これは、作動流体をポンプに受け入れるための入口６１１と、加圧された流体をポンプから放出するための出口６１３とを有するハウジング６１２を含む。本明細書では、入口６１１に向かう側をポンプ６１０の前側と呼び、反対側を後側と呼ぶ。ハウジング６１２は、内部チャンバ６２０を縁取る連続的な内壁を有し、内部チャンバ６２０は、入口６１１および出口６１３と連通する。チャンバ６２０は、円筒側面と、ポンプ６１０の前側の略平坦な端面と、ポンプ後端からポンプ入口６１１へ向かって突き出すノーズコーン構造体６１５に対応する、ポンプ６１０の後側の湾曲した端面とによって囲まれる。ハウジング６１２は、外壁も有し、これは、ハウジング内壁と共に両者間に、電気モータおよび磁気浮上の静止コンポーネントを取り付けるための空間を形成する。具体的には、チャンバ６２０の円筒面とハウジング６１２の円筒外壁との間に外部ケーシング６１６が形成され、かつチャンバ６２０の端面とハウジング６１２の前端外壁との間に端部ケーシング６１７が形成される。内部チャンバ６２０の周囲には、ポンプインペラ６３２から放出される流体を集め、かつポンプ出口６１３と連通するためのボリュート６２２が構築される。

回転子６３０は、ポンプ内部チャンバ６２０内に配置され、チャンバ６２０の表面と全く物理的に接触することなく完全に磁気的に浮上される。回転子６３０上には、エネルギーを作動流体へ伝達するために、複数のブレードから成るインペラ６３２が取り付けられる。インペラが回転子の前端に付着される図２および３の構成とは異なり、インペラ６３２は、回転子６３０の後端に付着され、これを従来、反転インペラと呼ぶことがある。ノーズコーン６１５は、ポンプ内部チャンバ６２０の背面と共に、作動流体がインペラブレード６３２を半径方向の外向きに進むための流線形流路を形成するように構成される。回転子は、「Ｌ」字形のフロー間隙６２５が、「Ｌ」の片方の腕を回転子６３０の前端面とポンプ内部チャンバ６２０との間に、かつ「Ｌ」のもう片方の腕を回転子６３０の円筒外面とポンプ内部チャンバ６２０の円筒内面との間にして形成されるように、磁気浮上される。流体の流れの主流は、入口チュービング６１１からインペラ６３２を通ってボリュート６２２に入る。その間、「Ｌ」字形の間隙６２５を介して、圧力勾配に起因する二次流れが生成される。二次流れの流体は、外側の円筒形の間隙に入って前端へと進み、次いで環状の端部間隙を内側へ流れ、最後に入口チュービング内部の主流と合流する。二次流れは、主流の量の僅かな部分であるが、応力感受性流体の取り扱いにおける他の利点の中でもとりわけ、浮上間隙６２５における血液接触面を洗って血液凝固を防ぐという重要な役割を果たす。この二次流路は、図３の二次流路と同様に真っ直ぐ進むものであって、流路内にジグザグ構造または他の如何なる閉塞性の特徴もなく、よって、回転子の表面全体に妨げるもののない洗い流しを達成できることは、認識され得る。

本発明の一実施形態によれば、図２２および２３に示すように、ポンプの前端部分内に、固定子アセンブリ６４１と回転子アセンブリ６４２とを含む電気モータ６４０が配置される。半径方向の磁束により作動する図３のポンプ１０内のモータ４０とは異なり、モータ６４０は、略軸方向の磁束で作動する軸方向磁束モータである。回転子アセンブリ６４２は、回転子６３０の前端の環状空間内に均一に分散される複数の永久磁石片６４８から成る。各磁石片は、好ましくは、これらの磁石片を周方向に並べて組み立てて回転子６３０の回転軸を中心とする中実リングを形成できるように、扇のような形状に作られる。これらの磁石片は、規則的に変わる極性で磁化されて軸方向に磁極を形成し、これにより、空隙を軸方向に通過する作用磁束が生成される。極性の変化は、当業者に知られる任意のパターン、例えば、効果的には空隙側に増強された磁場を作り出すことができるハルバッハ配列構成、に従ってもよい。磁石リングの後端には、好ましくは、磁石片を定位置に固定しかつ磁極の磁束ループを完成もさせるための地鉄として機能するための、軟鉄製環状片６４９が配置されてもよい。しかしながら、これは、本発明の一般原理から逸脱することなく、非磁性体で置き換えることができ、あるいは必要とされないこともある。

モータ固定子６４１は、ハウジング６１２の端部ケーシング６１７内に、空隙６４３に近接して取り付けられる。これは、回転子磁石リングに対向する環状空間内で周方向へ均一に分散される複数のモータコイル６４６を含む。コイル軸は、回転子の磁束が、コイル巻線で囲まれる端面エリアを通過する、または磁束がコイルに連結するように、回転子の回転軸と略平行に配向される。コイル６４６は、当業者に周知の方法で、多相の、例えば３相の巻線グループに連結される。コイル６４６は、モータの電力効率を高めるために、軟鉄製のコア６４５上に巻かれてもよい。しかしながら、これらは、固定子鉄と回転子磁石との間の磁気引力を回避または軽減するために、代わりに非磁性体のコア上に、またはコアなしで巻かれてもよい。引力は、軸方向に、磁気浮上により提供される正の剛性によって補償されなければならない負の剛性を生み出し、よってこれにより、他の潜在的な問題の中でもとりわけ、磁気浮上アセンブリの追加的な容量および重量が必要とされることから、このことは、特に磁気浮上型回転子にとって有利である。図２２および２３に示すコイル６４６は、明らかにコア６４５の回りに巻かれているが、代わりに、これらは、コアなしで構成されて、あるコイルの片側が別のコイルのコアエリアに存在する状態で重なり合って配置されることが可能である。これにより、コンパクトな装置のためのスペースを利用する柔軟さがさらに増す。軟鉄製の環状プレートである、固定子バックヨーク６４７は、コイル巻線を結ぶ磁束を増加させるために固定子コイル６４６の裏側に配置されてもよい。さらに、磁束鎖交をさらに増大させて効率向上をもたらすために、バックヨーク６４７の端面に、コイルコア空間の厚さの一部分だけを埋める部分的鉄心の構造が作られてもよい。しかしながら、これらの構造的特徴は、特にそれがモータの固定子と回転子との間に容認し難い磁気引力を生じさせる場合には、必要とされない場合がある。

本明細書に開示している半径方向磁束モータおよび軸方向磁束モータの一般的原理および構造的特徴が、本発明の電気モータの他の好ましい構成へと導き得ることは留意されるべきである。例えば、モータは、真っ直ぐな円錐形または曲がった円錐形の空隙を有してもよく、よって、空隙を通過する作用磁束は、回転子の回転軸に対してある角度を形成する。このようにして、上述の電気モータは、当業者により、応力感受性流体を取り扱うための様々な構成の流体経路および磁気浮上に容易に適合されることが可能である。

図２２〜２４に示すように、磁気浮上アセンブリ６６０は、本開示の一態様に従って、回転子アセンブリ６６２とケーシングアセンブリ６６１とを含む。ケーシングアセンブリ６６１は、ポンプハウジング６１２の外部ケーシング６１６内に取り付けられる。回転子アセンブリ６６２は、ポンプ回転子６３０の外側に取り付けられる。磁気浮上アセンブリ６６０は、本開示において、例えば図９に記載される原理による、受動浮上および能動浮上のための永久磁石および電磁石のハイブリッド構造である。

回転子アセンブリ６６２は、空隙６６３に対向する円筒外面を有する軟鉄製の環状プレートである主極片６７３から成る。主極片６７３の後端面には、その厚さ方向に磁化される環状の永久磁石６７４が取り付けられる。ある代替構成（不図示）では、主極片の前端面に別の環状磁石が取り付けられて、図９の磁気浮上構造に類似する対称構造を形成する。この場合は、ポンプの容積増加と引き換えにバイアス磁束が増強され得る。永久磁石６７４の他方の端面には、軟鉄製の環状プレートである端部極片６７５が付着され、空隙内の限定されたエリアに磁束を集中させる働きをする。しかしながら、例えば十分な浮上剛性を得ることができる限り、端部極片６７５は必要でない場合がある。

ケーシングアセンブリ６６１は、アセンブリの外周に沿って均一に分散される４つの略同一の電磁石ユニット６９０ａ〜ｄから成る。各電磁石６９０ａ〜ｄは、主として環状軟鉄製の周方向セグメントである極片６８３ａ〜ｄを含む。４つの極片６８３ａ〜ｄは、環状空間の周りに、隣接する極片間の間隙により隔てられて配置される。極片６８３ａ〜ｄは、回転子主極片６７３に対向する、好ましくはこれと略等価の厚さを有する円筒内面を有する。極片６８３ａ〜ｄの後端面には、厚さ方向に磁化された環状永久磁石６８４が設置される。永久磁石６８４の後端には、環状軟鉄製の端部極片６８５が取り付けられる。磁石６８４および端部極片６８５の厚さは、好ましくは、各々対向する部材６７４、６７５のそれと略同一である。本発明の代替実施形態として、同じく極片６８３ａ〜ｄの前端面に取り付けられた永久磁石および／または端部極片を含む、上述の代替の回転子構造に対応する対称構造（不図示）が使用されてもよい。

各電磁石ユニット６９０ａ〜ｄは、鉄心６９２ａ〜ｄ、鉄心６９２ａ〜ｄの回りに巻かれるコイル６９１ａ〜ｄ、および全ての電磁石ユニットにより共有されるバックヨーク６９５も含む。鉄心６９２ａ〜ｄは、主として軟鉄製の立方体片であって、断面形状は、円形、角が丸い長方形、または当業者には周知の他の適切な任意の形状である。鉄心６９２ａ〜ｄの一端は、極片６８３ａ〜ｄの端面へ付着され、かつ鉄心６９２ａ〜ｄの他端は、軟鉄製の環状プレートでありかつ全ての電磁石ユニットを互いに構造的に連結するための基円として機能するバックヨーク６９５の端面へ付着される。ホイールのスポークのように半径方向へ延びる図９の鉄心９２ａ〜ｄとは異なり、鉄心６９２ａ〜ｄは、軸方向へ基円と頂部部材（極片）とを連結する脚のように延びる。磁気的には、バックヨーク６９５は、１つの電磁石を、同じ半径方向軸上に対向して存在する電磁石に連結し（例えば、ｙ軸上の６９０ａと６９０ｂ）、よって、一対の電磁石がその軸内の変位を制御するために共同して動作する。ポンプ６１０（図２２）のための図２４の電磁石６９０の構造、およびポンプ１０（図３）のための図９の電磁石ユニット９０の構造は、互いに異なるように見えるが、一般的なトポロジーおよび磁気回路が略類似したままであることは、認識されるべきである。双方の電磁石は、極片と、鉄心と、バックヨークとを含む同じ基本的構成ブロックを用いて、これらの構成ブロックを連結して磁気回路を形成する基本的に同じ方法で構築される。一方の構造は、もう一方の構造を、磁気回路構成を変えることなく曲げ伸ばしした結果と見ることができる。しかしながら、このような異なる構成からは、アセンブリ６０が図３のポンプ１０に最もよく嵌まり、かつアセンブリ６６０が図２２のポンプ６１０に最もよく嵌まるような、磁気浮上アセンブリの異なるアスペクト比が得られる。このように、個々のポンプは各々、ポンプの最小の全体サイズに合わせて最適化されることが可能である。この論考に基づけば、ポンプハウジング内の利用可能空間を最もよく利用して最もコンパクトなポンプを作製するために、当業者により、本発明の一般原理に従って、磁気浮上の他の様々な実施形態を想到することができる。

磁気浮上アセンブリ６１０は、本発明の他の実施形態と同じ磁束鎖交の原理に従って受動浮上の機能を果たす。図２４を参照すると、永久磁石６７４および６８４は、共同して一群の磁束ループ６５３ａ〜ｂを生成する。各磁束ループ６５３ａ〜ｂは、永久磁石６７４と、端部極片６７５と、主極片６７３とを含む回転子部材を、永久磁石６８４と、端部極片６８５と、電磁石極片６８３ａ〜ｂとを含むケーシング部材に連結する。これらの回転子部材およびケーシング部材は、半径方向空隙６６３を挟んで互いに対向する。さらに、部材６７３、６７４および６７５を含む回転子アセンブリの全体厚さは、空隙６６３の直径より十分に小さい。したがって、磁束ループ６５３は、本明細書において定義する磁束ループ鎖交の属性を有し、よって軸方向および傾斜安定性をもたらすことができる。なお、図２４は、断面図であるために磁束ループ６５３ａ〜ｂおよび極片６８３ａ〜ｂを示しているが、当業者には、この実施形態に追加的な２つの磁束ループおよび極片が存在し、本断面図には示されていないことが認識されるであろう。

能動浮上は、本発明の他の実施形態と同じ、空隙内のバイアス磁束のプッシュ−プル変調メカニズムによって達成される。図２４に示すように、一群のバイアス磁束ループ６５３ａ〜ｂは、永久磁石６７４、６８４により生成される。２つの電磁石ユニット６９０ａ、６９０ｂは、ｙ軸における能動制御のために共働し、かつ他の２つの電磁石ユニット６９０ｃ、６９０ｄは、ｘ軸における能動制御のために共働する。以下、一般性を失うことなく、ｙ軸における制御についてのみ論じる。コイル６９１ａ、６９１ｂは、直列に接続され、よって、電流が供給されると、これらは、共同して磁束ループ６５５、すなわち変調磁束、を生成する。磁束ループ６５５は、回転子主極片６７３およびバックヨーク６９５の周囲、加えて電磁石ユニット６９０ａの鉄心６９２ａおよび極片６８３ａ、電磁石ユニット６９０ｂの鉄心６９２ｂおよび極片６８３ｂ、およびｙ軸の正側および負側双方の空隙６６３を通って完成される。したがって、バイアス磁束と変調磁束とは、回転子主極片６７３とケーシング極片６８３ａ、６８３ｂとの間の空隙において重なり合う。これらの磁束は、ｙ軸の正側において、主極片６７３と極片６８３ｂとの間の空隙内で合算する。バイアス磁束は、ｙ軸の負側において、主極片６７３と極片６８３ａとの間の空隙内で変調磁束により差し引かれる。したがって、ｙ軸の正方向を指して、回転子主極片６７３上に不均衡な磁力が生じる。この磁力は、コイル対６９１ａ、６９１ｂ内の電流を調整すれば制御することができる。これは、バイアス磁束のプッシュ−プル変調メカニズムを示し、回転子は、これを用いて、電磁石内電流のリアルタイム調整により能動的に制御されることが可能である。さらに、プッシュプル効果は、本発明の他の好ましい実施形態に関して先に説明したように、制御電流に対する制御力の線形性をもたらす。

バイアス磁束ループ６５３および変調磁束ループ６５５は、それらが空隙６６３およびその周囲の極部材においてのみ重なり合うように、３次元空間内で異なる経路を辿る。変調磁束は、どの永久磁石も通過せず、かつバイアス磁束は、電磁石のどの鉄心も通過しない。

これまでに論じた本発明の様々な態様は、血液等の応力感受性流体を取り扱うための完全磁気浮上型ポンプの設計最適化に最もよく対処すべく、独立して、または共同で用いることができる。具体的には、これらは、電気モータおよび磁気浮上が、流体内の機械的応力を軽減し、流れの停滞を回避しかつ流体接触面の洗い流しを促進するように構成される流路に適合されることを可能にすべく提示されている。さらに、電気モータおよび磁気浮上は、とりわけポンプの小型性、電力効率、信頼性、浮上剛性および浮上の他の動的性能を含むポンプ性能の最適化を可能にするように様々に構成される。この文脈において、最適化は、コンポーネントレベルではなくシステムレベルで行われる。したがって、本発明は、ポンプ全体のより優れた性能が達成されるように統合的に構成されかつ一体化される、流路、電気モータおよび磁気浮上を有する新規ポンプと見なされるべきである。

したがって、本発明の一態様によれば、電気モータおよび磁気浮上ユニットは、ベアリングレスモータまたはモータとベアリングとの組合せが使用される一部の従来的な磁気浮上ポンプとは対照的に、ポンプの別々のコンポーネントとして構成される。所謂ベアリングレスモータまたはモータとベアリングとの組合せは、様々な形式を取り得るが、基本的には、電気モータおよび磁気浮上の双方に役立つ単一の回転子アセンブリを特徴とする。これは、回転子の１つの磁場と、固定子内の２つのコイルグループとが相互作用して、各々モータの回転トルクおよび磁気浮上の並進力を作り出すことにより達成される。このような回転子磁場は、回転子内の複数の永久磁石により生成されてもよく、かつ複数の極を有してもよい。あるいは、これは、固定子内の永久磁石または電磁石により励磁される磁気回路の可変磁気抵抗を円形周囲に沿って有するリラクタンス回転子上に構築される単極磁場であってもよい。概して、ベアリングレスモータの回転子は、周方向に規則的なパターンで空間的に変化する磁場を帯びる。回転子が回転すると、空隙内の任意の点における回転子磁場は、経時的に変化する。回転子磁場のこうした変動は、ベアリングレスモータ固有の特性であるが、これは、回避されるべきものである。本発明の一実施形態に従って形成される磁気浮上構造では、回転子の回転時に空隙内の回転子磁場が変動すると、磁気浮上の磁力およびトルクの変動が引き起こされる可能性があり、これが、浮上に対する内的乱れとして作用し、ひいては振動誘起等で動的性能を損なう。さらに、本発明の実施形態の能動浮上は、バイアス磁束変調のメカニズムに基づくものであることから、回転子の回転角度によるバイアス磁束の変動が、制御力と電流との間の不安定な関係をもたらす可能性があり、これにより、安定性のロバスト性、外的乱れに対する応答、浮上剛性、減衰、等々を含む制御性能が著しく劣化する可能性がある。さらに、こうした回転子磁場は、回転子が回転すると、導電体製の固定子部材内に渦電流を誘発する可能性があり、ポンプ全体の電力効率を妨げる。

したがって、ベアリングレスモータとは対照的に、本発明の一実施形態による磁気浮上アセンブリの回転子は、周方向に規則的に変化する磁界を生成するためのものではない。代わりに、磁気浮上のための略均一な回転子磁場が好ましい。さらに、電気モータと磁気浮上とを分離することにより、本発明は、本発明の特定流路の周りのポンプハウジング内の利用可能空間をより有効に利用することができ、よって、電力効率および浮上動力学等の他のシステム性能を損なうことなく、ポンプの全体寸法を最小化することができる。

本明細書に提示している本発明の実施形態は、永久磁石を環状またはリング形状として説明する場合があるが、当業者には、所望される効果を達成するために、他の形状および構成の永久磁石も実装され得ることが認識されるであろう。例えば、永久磁石は、環状のセグメント磁石の形式であってもよい。

これまでの説明および添付の図面に記載されている事項は、限定ではなく、単に例示として提供したものである。特定の実施形態を示しかつ説明してきたが、当業者には、出願人の寄稿になるより広範な態様から逸脱することなく、変更および改変が行われ得ることが明らかであろう。求めている実際の保護範囲は、先行技術に基づいて適正な視点で捉えた場合の添付の特許請求の範囲において定義されるべきものである。

Claims (27)

1. ポンプ装置であって、
   １）中心軸を有し、かつ、それぞれ流体を受け入れおよび放出するように適合された入口および出口を有するハウジングと、
   ２）前記ハウジング内に磁気的に浮上される、前記中心軸を中心として回転可能な回転子であって、流体をポンピングするように適合されたインペラを有する回転子と、
   ３）前記中心軸と実質的に一致する回転軸を中心として前記回転子を駆動するように適合されたモータと、
   ４）磁気浮上デバイスであって、
   ａ）前記回転子内に前記回転軸と同軸に配置される環状の回転子主極片であって、前記環状の回転子主極片は、磁束を導くように適合された強磁性体を含み、かつ第１の端面と、第２の端面と、回転子極面として機能するように適合された円筒側面とを有している、環状の回転子主極片と、
   ｂ）前記ハウジング内に配置され、かつ前記中心軸の周りに等間隔で周方向に分布された複数の電磁石ユニットであって、各電磁石ユニットが、
   第１の極片端面と、第２の極片端面と、ケーシング極面として機能するように適合された側部極片円筒面とを有する極片と、
   前記極片から延びるコアと、
   異なる電磁石ユニットの２つの前記コアを互いに連結するバックヨークと、
   電流を通すように適合され、かつ前記コアの回りに巻かれたコイルであって、前記極片、コアおよびバックヨークのそれぞれが、磁束を導くように適合された強磁性体を含む、コイルと
   を有し、
   前記回転子主極片の前記第１の端面、および前記極片の前記第１の極片端面は、軸方向に沿って第１の側にあり、
   前記回転子極面と各前記ケーシング極面とは、互いに対向し、かつ間に主浮上間隙を画定し、前記主浮上間隙は、互いに軸方向に位置合わせされ、かつ周方向に互いから分離されている
   複数の電磁石ユニットと、
   ｃ）複数のバイアス磁束を生成するように適合された永久磁石であって、各前記バイアス磁束は、前記主浮上間隙のうちの１つを半径方向に通過し、かつ前記回転子主極片および前記電磁石ユニットの極片を通過し、また前記少なくとも１つの永久磁石は、全ての前記バイアス磁束が前記主浮上間隙を同じ極性方向に通過するような方向に磁化されている、少なくとも１つの永久磁石と
   を有する磁気浮上デバイスと
   を有するホンプ装置において、
   前記複数の電磁石ユニットは、直交する２つの半径方向軸のうちの何れか一方に沿って前記回転子の位置を能動的に制御するための変調磁束を共同で生成するように、電気的かつ磁気的に連結されており、第１の半径方向軸は、第２の半径方向軸によって分割される第１の側と第２の側とを有し、前記変調磁束は、前記半径方向軸の第１の側で主浮上間隙内のバイアス磁束を増強させるため、および前記半径方向軸の第２の側で主浮上間隙内のバイアス磁束を弱めるために、複数の前記主浮上間隙を半径方向に通過して前記バイアス磁束を重畳させる、ポンプ装置。
2. 前記バイアス磁束の何れかの閉磁気回路が、電磁石ユニットの何れかの前記コアの外側を通る、請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記変調磁束の何れかの閉磁気回路が、前記バイアス磁束を生成する働きをする何れかの永久磁石の外側を通る、請求項１に記載のポンプ装置。
4. 前記主浮上間隙内の全ての前記バイアス磁束は、前記回転子の回転時に実質的に一定のままである、請求項１に記載のポンプ装置。
5. 前記回転子と前記ハウジングの間の流路は、実質的にスムースな流れが前記流路の境界面を洗い流すことを可能にする、請求項１に記載のポンプ装置。
6. 前記永久磁石は、前記回転子主極片の一方の端面に取り付けられた環状永久磁石、またはそれぞれ前記回転子主極片の両端面に配置された一対の環状永久磁石の一方を有する、請求項１に記載のポンプ装置。
7. 前記永久磁石は、前記極片の第１の端面に配置された環状永久磁石、またはそれぞれ前記極片の両端面に配置された一対の環状永久磁石の一方を有する、請求項１に記載のポンプ装置。
8. 前記永久磁石は、前記極片の前記第１の端面または前記両端面に配置された複数の環状セグメント永久磁石を有する、請求項１に記載のポンプ装置。
9. 前記永久磁石は、前記極片の第１の端面に配置された環状永久磁石、またはそれぞれ前記極片の両端面に配置された一対の環状永久磁石の一方をさらに有する、請求項６に記載のポンプ装置。
10. 前記永久磁石は、前記極片の前記第１の端面または前記両端面に配置された複数の環状セグメント永久磁石をさらに有する、請求項６に記載のポンプ装置。
11. 前記回転子の軸方向変位および傾斜に対する受動的な浮上を提供するように適合された追加のコンポーネントをさらに有し、
    前記追加のコンポーネントは、
    第１の環状極片、または、前記回転子内に配置され、かつその前記回転軸を中心にして周方向に規則的な間隔で分布される複数の第１の環状セグメント極片の一方を有する第１の極片と、
    第２の環状極片、または、前記ハウジング内に配置され、かつその前記中心軸を中心にして周方向に規則的な間隔で分布される複数の第２の環状セグメント極片の一方を有する第２の極片と、
    を有し、
    前記第１および第２の極片は、永久磁石、または磁束を導くように適合された強磁性体の一方を有し、前記第１および第２の極片は、半径方向に沿って互いに対向し、また
    前記磁気浮上デバイスの前記バイアス磁束のうちの少なくとも１つは、前記第１の極片および前記第２の極片を通過する、請求項１に記載のポンプ装置。
12. 前記磁気浮上デバイスは、２グループの前記変調磁束を生成するように適合された少なくとも３つの電磁石ユニットを有し、各グループは、直交する２つの半径方向軸の各々に沿って前記回転子の位置を能動的に制御するようにそれぞれ働く、請求項１に記載のポンプ装置。
13. 前記磁気浮上デバイスは、１つの半径方向での能動制御のために前記電磁石ユニットのグループへ供給される電流と、前記同じ電流に起因して前記回転子主極片に印加される正味磁力との間に、実質的に直線関係を達成するように適合されている、請求項１２に記載のポンプ装置。
14. 前記磁気浮上デバイスは、軸方向に沿って別々に配置される第１の磁気浮上デバイスおよび第２の磁気浮上デバイスを含み、
    前記ポンプ装置は、
    磁束を導くように適合された強磁性体を有する環状回転子部材であって、前記環状回転子部材は、前記第１の磁気浮上デバイスの前記回転子主極片と前記第２の磁気浮上デバイスの回転子主極片とを連結する、環状回転子部材と、
    環状永久磁石、または複数の環状セグメント永久磁石の一方であって、前記環状永久磁石または前記複数の環状セグメント永久磁石は、前記第１の磁気浮上デバイスの前記極片の前記端面と、前記第２の磁気浮上デバイスの前記極片の前記端面との間に配置され、また前記永久磁石は、前記第１および第２の磁気浮上デバイス内に前記バイアス磁束を生成する、環状永久磁石、または複数の環状セグメント永久磁石の一方と
    をさらに有する、請求項１に記載のポンプ装置。
15. 前記磁気浮上デバイスは、軸方向に沿って別々に配置される第１の磁気浮上デバイスおよび第２の磁気浮上デバイスを含み、
    前記ポンプ装置は、
    前記第１の磁気浮上デバイスの前記回転子主極片の前記端面と、前記第２の磁気浮上デバイスの前記回転子主極片の前記端面との間に配置される第１の環状永久磁石を有する第１の永久磁石と、
    第２の環状永久磁石、または複数の第２の環状セグメント永久磁石の一方であって、前記第２の永久磁石は、前記第１の磁気浮上デバイスの前記極片の前記端面と、前記第２の磁気浮上デバイスの前記極片の前記端面との間に配置される、第２の環状永久磁石、または複数の第２の環状セグメント永久磁石の一方を有する第２の永久磁石と
    をさらに有し、
    前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石は、前記第１および前記第２の磁気浮上デバイス内に前記バイアス磁束を生成する、請求項１に記載のポンプ装置。
16. 前記磁気浮上デバイスは、軸方向に沿って別々に配置される第１の磁気浮上デバイスおよび第２の磁気浮上デバイスを含み、前記ポンプ装置は、前記回転子の軸方向変位および傾斜に対する受動的な浮上を提供するように適合された追加のコンポーネントをさらに有し、
    前記追加のコンポーネントは、
    第１の環状極片、または、前記回転子内に配置され、かつその前記回転軸を中心にして周方向に規則的な間隔で分布される複数の第１の環状セグメント極片の一方を有する第１の極片と、
    第２の環状極片、または、前記ハウジング内に配置され、かつその前記中心軸を中心にして周方向に規則的な間隔で分布される複数の第２の環状セグメント極片の一方を有する第２の極片と
    をさらに有し、
    前記第１および第２の極片は、磁束を導くように適合された強磁性体を含み、前記第１および第２の極片は、半径方向に沿って互いに対向し、かつ両者間に二次浮上間隙を画定し、前記二次浮上間隙は、軸方向に沿って、前記第１の磁気浮上デバイスと、前記第２の磁気浮上デバイスとの間に配置され、また
    前記第１の磁気浮上デバイスまたは前記第２の磁気浮上デバイスの前記バイアス磁束のうちの少なくとも１つは、前記第１の極片および前記第２の極片を通過する、請求項１に記載のポンプ装置。
17. 前記磁気浮上デバイスは、軸方向に沿って別々に配置される第１の磁気浮上デバイスおよび第２の磁気浮上デバイスを含み、
    前記第１および第２の磁気浮上デバイスは、各々、第１および第２の半径方向軸に沿って個々に前記回転子の位置を能動的に制御するように適合された前記電磁石ユニットのうちの少なくとも２つを有し、前記第１および第２の軸は、互いに直交している、請求項１に記載のポンプ装置。
18. 前記第１および第２の磁気浮上デバイスの前記回転子主極片は、磁束に対する十分に大きい磁気抵抗を構成する非磁性体または永久磁石の一方によって軸方向に分離され、前記変調磁束間の交差は実質的にゼロである、請求項１７に記載のポンプ装置。
19. 前記電磁石ユニットの前記コアは、前記極片と前記バックヨークとが軸方向に位置合わせされるように、前記極片から半径方向に沿って延びている、請求項１に記載のポンプ装置。
20. 前記電磁石ユニットの前記コアは、前記極片と前記バックヨークとが軸方向に沿って異なる平面上に互いから離れて位置決めされるように、前記極片から軸方向に沿って延びている、請求項１に記載のポンプ装置。
21. 前記回転子と前記ハウジングの間の流路は、「Ｕ」字形の形状に互いに接合された複数の部分を含む、請求項１に記載のポンプ装置。
22. 前記回転子と前記ハウジングの間の流路は、「Ｌ」字形の形状に互いに接合された複数の部分を含む、請求項１に記載のポンプ装置。
23. 前記モータは、前記回転子の軸方向端の側面に配置される、軸方向磁束モータ、または円錐形の空隙と共働するように適合されたモータの一方を有する、請求項１に記載のポンプ装置。
24. 前記モータおよび前記磁気浮上デバイスは、半径方向に沿って前記回転子の内側および外側に別々に配置される、請求項１に記載のポンプ装置。
25. 前記モータは、非強磁性コアの回りに巻かれた巻線を有する電気モータである、請求項１に記載のポンプ装置。
26. 磁束を導くように適合された強磁性体を含む第１の回転子部材であって、前記第１の磁気浮上デバイスの前記第１の極片と前記回転子主極片とを連結する、第１の回転子部材と、
    磁束を導くように適合された強磁性体を含む第２の回転子部材であって、前記第２の磁気浮上デバイスの前記第１の極片と前記回転子主極片とを連結する、第２の回転子部材と
    をさらに有する、請求項１６に記載のポンプ装置。
27. 前記第１の磁気浮上デバイスの前記第１の極片と前記回転子主極片とを連結する第１の永久磁石と、
    前記第２の磁気浮上デバイスの前記第１の極片と前記回転子主極片とを連結する第２の永久磁石と
    をさらに有する、請求項１６に記載のポンプ装置。

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