JP6698278B2 - 遠心式ポンプ装置 - Google Patents

Description

この発明は遠心式ポンプ装置に関し、特に、回転時の遠心力によって液体を送るインペラを備えた遠心式ポンプ装置に関する。

近年、隔壁によってモータ駆動室とロータ室とに分離した構造のキャンドモータが多く用いられている。このようなモータは、たとえば、粉塵をきらう環境下で使用される半導体製造ラインの化学液や純水の輸送用ポンプや、生体液を輸送するポンプに使用されている。

特開２０１０−２６１３９４号公報（特許文献１）には、流体動圧軸受によるインペラの非接触浮上と、キャンドモータ構造を特徴とするアキシアルギャップ型の遠心式ポンプが記載されている。流体動圧軸受によるインペラの非接触浮上を特徴とするアキシアルギャップ型の遠心式ポンプでは、インペラとモータとの間に働くアキシアル方向吸引力を相殺するように、インペラを挟んで反対側に配置されたリング状永久磁石等によりアキシアル方向の吸引力のバランスをとっている。

しかし、これらの永久磁石等による吸引力は、インペラが一方向へ近づくと、よりその方向へ近づこうとする負剛性（不安定要素）の成分である。

また、例えば流量が多い場合では、インペラは流体出口の位置の影響で周方向に圧力差が生じ、ラジアル方向へ偏心する。その結果、リング状磁石側の吸引力低下分とモータ側の吸引力低下分とに差が発生するため、アキシアル方向吸引力のバランスが変化し、インペラのアキシアル方向の浮上位置が中央からずれてしまう問題があった。

さらに、遠心ポンプでは流体入口がインペラ中心付近の一方側に設置されることが多い。この場合も流体力でインペラの浮上位置が定常浮上位置からずれてしまう問題があった。

このように、インペラの偏心により変化したアキシアル吸引力を制御する方法として、特開２０１０−２６１３９４号公報（特許文献１）では、モータ側吸引力がリング状磁石部の吸引力変化と釣合うように、モータ電流位相を調整することで対応していた。これにより、外乱や動作条件によりインペラがラジアル方向へ偏心しても、インペラのアキシアル方向の浮上位置を変化させずに安定回転を維持することが可能であった。

特開２０１０−２６１３９４号公報

上述のように、特開２０１０−２６１３９４号公報に記載されたような遠心式ポンプでは、外乱や動作条件によりインペラがラジアル方向へ偏心しても、インペラのアキシアル方向の浮上位置を変化させずに安定回転を維持するために、モータ側吸引力がリング状永久磁石部の吸引力変化と釣合うようにモータ電流位相を調整する等の対策が行なわれている。

しかしモータ電流位相を変化させるということは、種々の問題が生じるおそれがある。例えばモータを最大効率点で動作させていた状況から電流位相が変化してしまうと、モータ効率の低下を招く可能性がある。また例えば、最大トルク点で動作させていた状況から電流位相を変化させると、発生トルクが低下しポンプ出力の低下やモータの脱調の可能性があった。

クリーン状態が必須であるポンプ用途では、インペラとポンプ室の内壁との接触等による汚染物質の発生、およびその混入は確実に防ぐ必要がある。その一方で、モータの効率低下やポンプ出力低下はできる限り避けることが望ましい。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、汚染防止と効率や性能の低下の防止とを両立することができる遠心式ポンプ装置を提供することである。

この発明は、要約すると、遠心式ポンプ装置であって、第１〜第３の室を含むハウジングを備える。第２の室は、第１の室および第３の室に挟まれて設けられる。第１の室および第２の室は第１の隔壁で仕切られる。第２の室および第３の室は第２の隔壁で仕切られる。

遠心式ポンプ装置は、さらに、第２の室内において第１および第２の隔壁に交差する軸を回転軸として回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、第１の室内に設けられ、第１の隔壁を介してインペラを回転駆動させる第１の駆動部と、第３の室内に設けられ、第２の隔壁を介してインペラを回転駆動させる第２の駆動部と、第１の隔壁と対向するインペラの一方面に設けられた第１の磁性体と、第２の隔壁と対向するインペラの他方面に設けられた第２の磁性体とを備える。インペラの一方面またはそれに対向する第１の隔壁の壁面に第１の動圧溝が形成される。インペラの他方面またはそれに対向する第２の隔壁の壁面に第２の動圧溝が形成される。第１の駆動部および第２の駆動部の少なくとも一方は、ベクトル制御により、第１の磁性体および第２の磁性体のうち対応する磁性体に作用する吸引力調整することによって、インペラの位置を第２の室内における回転軸に沿う方向のインペラの可動範囲の中央に維持する。

好ましくは、第１の駆動部は、インペラの位置が第１の隔壁から遠ざかる方向に可動範囲の中央から変化した場合には、ベクトル制御における磁束電流を増加させる。

より好ましくは、第２の駆動部は、インペラの位置が第２の隔壁から遠ざかる方向に可動範囲の中央から変化した場合には、ベクトル制御における磁束電流を増加させる。

好ましくは、インペラの定常回転中において、第１の磁性体と第１の駆動部との間に作用する第１の吸引力と、第２の磁性体と第２の駆動部との間に作用する第２の吸引力とは、第２の室内におけるインペラの可動範囲の中央にインペラが位置するときに釣り合う。

好ましくは、遠心式ポンプ装置は、ベクトル制御に使用するためにインペラの回転角度を推定するための位相推定器をさらに備える。

より好ましくは、遠心式ポンプ装置は、インペラに作用する流体力を、インペラの回転速度、流量、吐出圧力、および流体の物性値のうちの少なくとも１つ以上をパラメータとして使用して予め測定し記憶する記憶部と、記憶部が記憶する値に応じて第１の吸引力を制御する駆動制御部とをさらに備える。

好ましくは、遠心式ポンプ装置は、ベクトル制御に使用するためにインペラの回転角度を検出するための回転検出器をさらに備える。

より好ましくは、回転検出器は、磁気センサであり、磁気センサによってインペラの浮上位置を検出する。

好ましくは、インペラの外周側の側面に第３の動圧溝が形成される。
好ましくは、第２の室の壁面であって、インペラの外周側の側面と対向する壁面に第３の動圧溝が形成される。

好ましくは、遠心式ポンプ装置は、食品を循環させるために使用される。
好ましくは、遠心式ポンプ装置は、医薬品を循環させるために使用される。

従来の構成では、駆動モータ側の吸引力や、それを相殺するためのリング磁石側の吸引力のアキシアル方向の負剛性成分が、インペラ挙動の不安定の原因となっていた。

本発明では、モータで発生する電磁力をトルク電流成分（Ｉｑ成分）と界磁電流成分（Ｉｄ成分）とに分離（ベクトル制御）し、Ｉｄ成分を積極的に変化させることで、インペラに働くアキシアル方向吸引力を制御することを可能とし、インペラの浮上回転時の安定性を高めることができる。

本実施の形態に係る遠心式ポンプ装置のモータ駆動システムの電気回路図である。 ＰＷＭドライバからインバータに出力される出力信号を説明するための波形図である。 モータ駆動システムにおけるモータコントロール部３２４とその周辺構成を示した制御ブロック図である。 図３の変形例であって、モータ駆動にセンサレス角度検出処理を使用した場合のモータ駆動システムにおけるモータコントロール部３２４Ａとその周辺構成を示した制御ブロック図である。 モータの電圧方程式のブロック図である。 モータ制御のベクトル図である。 本発明の実施の形態の遠心式ポンプ装置のポンプ部１の外観を示す正面図である。 図７に示したポンプ部１の側面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。 図９のＸ−Ｘ線断面図である。 図１０からインペラを取り外した状態を示す断面図である。 図９のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。 図９のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。 永久磁石１７Ｄおよび磁性体１８Ｄ間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０のポンプ室７内の可動範囲の中央位置以外の位置Ｐ１でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。 永久磁石１７Ｄおよび磁性体１８Ｄ間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０のポンプ室７内の可動範囲の中央位置Ｐ０でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。 図１３に示した断面図中に回転速度を検出するための磁気センサＳの配置を示した図である。 図１６で示した磁気センサの出力信号を示すタイムチャートである。 磁気センサの配置の変更例を示した図である。 磁気センサの出力をコイルの電流にフィードバックする制御を説明するための図である。 磁気センサ出力から角度の推測を行なう処理を説明するための波形図である。 センサレス制御をモータ駆動部で行なう場合の処理を説明するための概略ブロック図である。 インペラの回転中において流量と浮上位置との関係を示した図である。 インペラの回転中において吐出圧力と浮上位置との関係を示した図である。 回転数と浮上位置との関係を示した図である。 電流Ｉｄと吸引力との関係を示す図である。 図９に示した構成の変更例を示す図である。 図２６のＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩにおける断面図である。 インペラ１０の外周面にさらにラジアル動圧溝を設けた変形例を示す図である。 ポンプ室内周面にさらにラジアル動圧溝を設けた変形例を示す図である。 シュラウドの外周面に形成された動圧溝の第１例を示す図である。 シュラウドの外周面に形成された動圧溝の第２例を示す図である。 ポンプ室内周面に形成されたラジアル動圧溝の具体的構成の第１例を示した図である。 ポンプ室内周面に形成されたラジアル動圧溝の具体的構成の第２例を示した図である。 インペラ１０のシュラウドに埋設された磁石の詳細な配置を示す図である。 図３４に示した永久磁石の配置の第１変形例である。 図３４に示した永久磁石の配置の第２変形例である。 図３４に示した永久磁石の配置の第３変形例である。 図３４に示した永久磁石の配置の第４変形例である。 図３４に示した永久磁石の配置の第５変形例である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［モータ制御回路の概要］
図１は、本実施の形態に係る遠心式ポンプ装置のモータ駆動システムの電気回路図である。図１を参照して、モータ駆動システム３００は、バッテリ部３１０と、インバータ装置３２０と、モータ部３３１とを含む。

モータ部３３１は、３相の同期モータ、例えばＳＰＭ型（表面磁石型）同期モータ等であり、永久磁石を含むロータ３３２と、３相のステータコイルを含むステータとからなる。ロータ３３２の回転角は、角度検出器３３４によって検出される。

インバータ装置３２０は、バッテリ部３１０から与えられる直流電圧を平滑する平滑部３２８と、３相インバータ３３０と、演算部３２２とを含む。演算部３２２は、モータコントロール部３２４と、ＰＷＭドライバ３２６とを含む。

３相インバータ３３０は、半導体スイッチング素子である６つの駆動素子で構成され、モータの３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の各相の駆動電流をパルス波形で出力する。

図２は、ＰＷＭドライバからインバータに出力される出力信号を説明するための波形図である。例えば図２に示すように、ＰＷＭドライバ３２６は、３相インバータ３３０を正弦波駆動する電流出力が得られるように、入力された電流指令をパルス幅変調し、６つの駆動素子にオンオフ指令を与える。

図１に示す、ＰＷＭドライバ３２６とモータコントロール部３２４とで、インバータ装置３２０の弱電回路部分である演算部３２２が構成される。演算部３２２は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、および電子回路により構成される。

図３は、モータ駆動システムにおけるモータコントロール部３２４とその周辺構成を示した制御ブロック図である。図３を参照して、モータコントロール部３２４は、電流指令演算部３４０と、トルク電流制御部３４１と、磁束電流制御部３４３と、αβ座標変換部３５０と、２相／３相変換部３５２と、検出側の３相／２相変換部３５４と、回転座標変換部３５６とを含む。

電流指令演算部３４０は、トルク電流指令部３６２と、磁束電流設定部３６４とを含む。トルク電流指令部３６２は、上位制御手段から与えられたトルク指令に従い、トルク電流の指令値Ｉqrefを出力する。トルク指令は、外部からの回転数もしくはトルク指令等により演算される。磁束電流設定部３６４は、磁束電流の定められた指令値Ｉdrefを出力する。磁束電流の指令値Ｉdrefは、モータの特性等に応じて適宜設定され、通常は「０」とされる。

トルク電流を、以下「ｑ軸電流」と称す。また、磁束電流を、以下「ｄ軸電流」と称す。磁束電流は、励磁電流または界磁電流とも呼ばれる。電圧についても、トルク電圧を「ｑ軸電圧」と称し、磁束電圧を「ｄ軸電圧」と称す。なお、ｑ軸とはモータ回転方向の成分を示す軸であり、ｄ軸はｑ軸に直交する方向の軸である。

トルク電流制御部３４１は、ｑ軸電流指令値Ｉqrefからｑ軸電流検出値Ｉｑを減算する減算部３４２と、減算部３４２の出力に対して定められた演算処理を行う演算処理部３４６を含む。演算処理部３４６は、図３に示す例では比例積分処理を行う。

トルク電流制御部３４１は、電流指令演算部３４０のトルク電流指令部３６２から与えられるｑ軸電流指令値Ｉqrefに対して、ｑ軸電流検出値Ｉｑが追随するように制御する。ｑ軸電流検出値Ｉｑは、モータの駆動電流を検出する電流検出器３３６，３３７の検出値Ｉｕ，Ｉｖから、３相／２相変換部３５４および回転座標変換部３５６を介して得られる。トルク電流制御部３４１は、ｑ軸電圧指令値Ｖｑを出力する。

磁束電流制御部３４３は、ｄ軸電流指令値Ｉdrefからｄ軸電流検出値Ｉｄを減算する減算部３４４と、減算部３４４の出力に対して定められた演算処理を行う演算処理部３４８とを含む。演算処理部３４８は、図３に示す例では比例積分処理を行う。

磁束電流制御部３４３は、電流指令演算部３４０の磁束電流設定部３６４から与えられるｄ軸電流指令値Ｉdrefに対して、ｄ軸電流検出値Ｉｄが追随するように制御する。ｄ軸電流検出値Ｉｄは、モータの駆動電流を検出する電流検出器３３６，３３７の検出値Ｉｕ，Ｉｖから、３相／２相変換部３５４および回転座標変換部３５６を介して得られる。磁束電流制御部３４３は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄを出力する。

３相／２相変換部３５４は、モータのＵ相，Ｖ相，Ｗ相を流れる電流のうち、２つ、または３つの相の電流、例えばＵ相の電流Ｉｕと、Ｖ相の電流Ｉｖの検出値を、静止直交２相座標成分の実電流（α軸上の実電流、およびβ軸上の実電流）の検出値Ｉα，Ｉβに変換する。

回転座標変換部３５６は、角度検出器３３４で検出されたモータロータ角度θｍｅａに基づき、前記静止直交２相座標成分の実電流の検出値Ｉα，Ｉβを、ｑ，ｄ軸上の検出値Ｉｑ，Ｉｄに変換する。

αβ座標変換部３５０は、ｑ軸電圧指令値Ｖｑおよびｄ軸電圧指令値Ｖｄを、モータ角度検出器で検出されたモータロータ角度θ、つまりモータロータ位相に基づき、固定２相座標成分の実電圧の指令値Ｖα，Ｖβに変換する。

２相／３相座標変換部３５２は、αβ座標変換部３５０の出力する実電圧の指令値Ｖα，Ｖβを、モータのＵ相，Ｖ相，Ｗ相を制御する３相交流の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。

ＰＷＭドライバ３２６および３相インバータ３３０は、上記のようにして２相／３相座標変換部３５２から出力される電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを電力変換してモータ駆動電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを出力する。

図４は、図３の変形例であって、モータ駆動にセンサレス角度検出処理を使用した場合のモータ駆動システムにおけるモータコントロール部３２４Ａとその周辺構成を示した制御ブロック図である。

図４には、位相推定器３５８が出力するモータロータ角度θｅｓｔを用いて制御を行う様子が示されている。

以下に、位相推定器３５８が角度を推定する式の説明を行なう。
下記の（数１）に示すモータ等価回路方程式は、ｄ-ｑ座標系では、（数２）に示す式で表される。（数２）に示す式を更にα-β座標系に変換すると（数３）に示す式が得られる。

ここで、（数３）に示す式をＩｑを用いて表すと以下の（数４）に示す式が得られる。この式に基づいて位相推定器３５８は、モータロータの角度（位相θ）の推定を行う。

上記の式において、Ｒは電気子巻線抵抗値、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ＫＥは誘起電圧定数を示す。Ｒ、Ｌｄ、Ｌｑ、ＫＥは既知の値であり、Ｉα、Ｉβは検出値であり、Ｖα、Ｖβはベクトル制御時の演算値であり位置推定時は既知である。したがって、モータロータの角度（位相）の推定が可能である。

ここで（数１）の式について、ブロック図とベクトル図とを示す。図５は、モータの電圧方程式のブロック図である。図６は、モータ制御のベクトル図である。

図６において、ｄ軸およびｑ軸は永久磁石の磁極方向を示している。電気子鎖交磁束φａは、ｄ軸上にある。また、ＬdidとＬqiqは各軸の鎖交磁束成分で、モータの総鎖交磁束は図６からφ０になることが分かる。ここで、入力電流ｉａはｉｄとｉｑの合成電流である。また、入力電流ｉａのｑ軸との位相角をβで表す。βは無負荷時の誘起電圧ωφａを基準にした電流位相差を示す。

端子電圧Ｖaは、Ｖ０に電気子巻線抵抗Ｒaとの電圧降下Ｒaiaを加えた電圧になる。Ｖ０は各軸の電気反作用電圧ωＬdid、ωＬqiqを誘起電圧ωφaに加えた電圧である。電圧Ｖ０とφ０との位相差は、９０度である。

図６のベクトル図から、電気子鎖交磁束φaが永久磁石の界磁磁束であり、界磁磁束の大きさに影響を与える電機子反作用の磁束はＬdidであることがわかる。ｄ軸成分が吸引力に影響を与えるので、ｉｄをゼロに制御することは、吸引力の変化を抑制することになる。βがゼロでは、各相の電流位相を無負荷時の誘起電圧ωφaと一致させることになる。この場合、電流ベクトルｉａは負荷状態に応じてｑ軸上を移動することになる。

ｄ軸成分を変化させることによって吸引力を変化させることができることが分かる。ここではあえてｄ軸成分を制御し、アキシアル方向の吸引力をコントロールする。

この吸引力の制御の詳細を説明する前に、以下にポンプ部の基本構成について説明しておく。

［ポンプ部の基本構成の説明］
図１〜図６によって、本実施の形態の遠心式ポンプ装置のモータ制御について説明した。次に、本実施の形態の遠心式ポンプ装置のポンプ部の基本構成について説明する。ポンプ部は、以下に説明するように、２つのモータを搭載しているので、少なくとも１つのモータには、図１〜図６によって説明したモータのベクトル制御が適用される。

図７は、本発明の実施の形態の遠心式ポンプ装置のポンプ部１の外観を示す正面図である。図８は、図７に示したポンプ部１の側面図である。図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。図１０は、図９のＸ−Ｘ線断面図である。

図７〜図１０を参照して、この遠心式ポンプ装置のポンプ部１は、非磁性材料で形成されたハウジング２を備える。ハウジング２は、円柱状の本体部３と、本体部３の一方の端面の中央に立設された円筒状の流入ポート４と、本体部３の外周面に設けられた円筒状の流出ポート５とを含む。流出ポート５は、本体部３の外周面の接線方向に延在している。

ハウジング２内には、図９に示すように、隔壁６および６Ｄによって仕切られたポンプ室７およびモータ室８および８Ｄが設けられている。ポンプ室７内には、図９および図１０に示すように、中央に貫通孔１０ａを有する円板状のインペラ１０が回転可能に設けられている。

インペラ１０は、ドーナツ板状の２枚のシュラウド１１，１２と、２枚のシュラウド１１，１２間に形成された複数（たとえば６つ）のベーン１３とを含む。シュラウド１１は流入ポート４が形成された隔壁６Ｄ側に配置され、シュラウド１２は隔壁６側に配置される。シュラウド１１，１２およびベーン１３は、非磁性材料で形成されている。

２枚のシュラウド１１，１２の間には、複数のベーン１３で仕切られた複数（この場合は６つ）の液体通路１４が形成されている。液体通路１４は、図１０に示すように、インペラ１０の中央の貫通孔１０ａと連通しており、インペラ１０の貫通孔１０ａを始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。換言すれば、隣接する２つの液体通路１４間にベーン１３が形成されている。なお、本実施の形態では、複数のベーン１３は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。したがって、複数の液体通路１４は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。

インペラ１０が回転駆動されると、流入ポート４から流入した液体は、遠心力によって貫通孔１０ａから液体通路１４を介してインペラ１０の外周部に送られ、流出ポート５から流出する。

＜動圧溝の説明＞
図１１は、図１０からインペラを取り外した状態を示す断面図である。図１２は、図９のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。

図１１、図１２に示すように、インペラ１０のシュラウド１２に対向する隔壁６の表面には複数の動圧溝２１が形成され、シュラウド１１に対向する隔壁６Ｄの表面には複数の動圧溝２２が形成されている。インペラ１０の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝２１，２２の各々とインペラ１０との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝２１，２２の各々からインペラ１０に対して抗力が発生し、インペラ１０はポンプ室７内で非接触状態で回転する。すなわち、動圧溝２１と動圧溝２２によりインペラ１０のアキシアル方向の位置が支持される。

詳しく説明すると、複数の動圧溝２１は、図１１に示すように、インペラ１０のシュラウド１２に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２１は、隔壁６の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）隔壁６の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２１は略同じ形状であり、かつ略同じ間隔に配置されている。動圧溝２１は凹部であり、動圧溝２１の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度であることが好ましい。動圧溝２１の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。

図１１では、１０個の動圧溝２１がインペラ１０の中心軸に対して等角度で配置されている。動圧溝２１は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっているので、インペラ１０が時計方向に回転すると、動圧溝２１の外径部から内径部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と隔壁６の間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

このように、インペラ１０と複数の動圧溝２１の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は隔壁６から離れ、非接触状態で回転する。このため、インペラ１０と隔壁６の間に液体流路が確保される。さらに、通常状態において、動圧溝２１によるインペラ１０と隔壁６の間の撹拌作用とポンプ動作で生じたインペラ内外径部の圧力差による液体の流れ（漏れ流量）とによって、両者間における部分的な液体滞留の発生を防止することができる。

また、動圧溝２１の角の部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。

また、複数の動圧溝２２は、図１２に示すように、複数の動圧溝２１と同様、インペラ１０のシュラウド１１に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２２は、ポンプ室７の内壁の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）ポンプ室７の内壁の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２２は、略同じ形状であり、かつ略同じ間隔で配置されている。動圧溝２２は凹部であり、動圧溝２２の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度があることが好ましい。動圧溝２２の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。図１２では、１０個の動圧溝２２がインペラ１０の中心軸に対して等角度に配置されている。

なお、動圧溝２２の角となる部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。

このように、インペラ１０と複数の動圧溝２２の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０はポンプ室７の内壁から離れ、非接触状態で回転する。また、ポンプ部１が外的衝撃を受けたときや、動圧溝２１による動圧力が過剰となったときに、インペラ１０のポンプ室７の内壁への密着を防止することができる。動圧溝２１によって発生する動圧力と動圧溝２２によって発生する動圧力は異なるものとなっていてもよい。

ただし、インペラ１０のシュラウド１２と隔壁６との隙間と、インペラ１０のシュラウド１１と隔壁６Ｄとの隙間とが略同じ状態でインペラ１０が回転することが好ましい。インペラ１０に作用する流体力などの外乱が大きく、一方の隙間が狭くなる場合には、その狭くなる側の動圧溝による動圧力を他方の動圧溝による動圧力よりも大きくし、両隙間を略同じにするため、動圧溝２１と２２の形状を異ならせることが好ましい。

なお、図１１および図１２では、動圧溝２１，２２の各々を内向スパイラル溝形状としたが、他の形状の動圧溝２１，２２を使用することも可能である。

＜永久磁石およびコイルの配置の説明＞
再び図９および図１０を参照して、シュラウド１２には複数（たとえば８個）の永久磁石１７が埋設されている。複数の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置される。換言すれば、モータ室８側にＮ極を向けた永久磁石１７と、モータ室８側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。

図１３は、図９のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。図９および図１３を参照して、モータ室８内には、複数（たとえば９個）のコイル２０が設けられている。複数のコイル２０は、インペラ１０の複数の永久磁石１７に隔壁を挟み対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。コイル２０は、磁性体などが配置されているコア部（磁性体１８）の周りにコイル配線が巻回されている。

ただし、図１３のコイル内部の磁性体は、積層鋼板であってもよいし、圧粉磁心やその他の磁性体であってもよい。

また、図示はしていないが、コア部が空芯であってもよい。
複数のコイル２０の隔壁６の反対側にはバックヨークとなる磁性体１９を配置し、コイル２０の磁束を強めている。なお、バックヨークは無くてもよい。

９個のコイル２０には、たとえば１２０度通電方式で電圧が印加される。すなわち、９個のコイル２０は、３個ずつグループ化される。各グループの第１〜第３のコイル２０には、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが印加される。第１のコイル２０には、０〜１２０度の期間に正電圧が印加され、１２０〜１８０度の期間に０Ｖが印加され、１８０〜３００度の期間に負電圧が印加され、３００〜３６０度の期間に０Ｖが印加される。したがって、第１のコイル２０の端面（インペラ１０側の端面）は、０〜１２０度の期間にＮ極になり、１８０〜３００度の期間にＳ極になる。電圧ＶＶの位相は電圧ＶＵよりも１２０度遅れており、電圧ＶＷの位相は電圧ＶＶよりも１２０度遅れている。したがって、第１〜第３のコイル２０にそれぞれ電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加することにより、回転磁界を形成することができ、複数のコイル２０とインペラ１０の複数の永久磁石１７との吸引力および反発力により、インペラ１０を回転させることができる。

なお、シュラウド１１にも複数の永久磁石１７Ｄが設けられ、ハウジング２内のシュラウド１１側にもモータ室８Ｄが設けられる。モータ室８Ｄとポンプ室７は、隔壁６Ｄで仕切られている。モータ室８Ｄ内には、複数の永久磁石１７Ｄに対向して複数のコイル２０Ｄが設けられる。複数のコイル２０Ｄは、各々が磁性体１８Ｄの周りに巻回されている。複数のコイル２０Ｄの隔壁６Ｄと反対側にはバックヨークとなる磁性体１９Ｄを配置し、コイル２０Ｄの磁束を強めている。なお、バックヨークは無くてもよい。

なお、複数の永久磁石１７Ｄの配置および複数のコイル２０Ｄの配置は、基本的には図９および図１０で示した永久磁石１７およびコイル２０の配置と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。

図１４は、永久磁石１７Ｄおよび磁性体１８Ｄ間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０のポンプ室７内の可動範囲の中央位置以外の位置Ｐ１でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。ただし、インペラ１０の回転数は定格値に保たれている。

図１４の横軸はインペラ１０の位置（図中の左側が隔壁６側）を示し、縦軸はインペラ１０に対する作用力を示している。インペラ１０への作用力が隔壁６側に働くとき、その作用力をマイナスとしている。インペラ１０に対する作用力としては、永久磁石１７Ｄおよび磁性体１８Ｄ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２と、動圧溝２１の動圧力Ｆ３と、動圧溝２２の動圧力Ｆ４と、それらの合力である「インペラに作用する正味の力Ｆ５」を示した。

永久磁石１７Ｄおよび磁性体１８Ｄ間の吸引力Ｆ１が永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２よりも小さく設定され、それらの合力がゼロとなるインペラ１０の浮上位置はインペラ可動範囲の中間よりも隔壁６側にあるものとする。動圧溝２１，２２の形状は同じである。

図１４から分かるように、インペラ１０に作用する正味の力Ｆ５がゼロとなる位置で、インペラ１０の浮上位置はインペラ１０の可動範囲の中央位置から大きくずれている。その結果、回転中のインペラ１０と隔壁６の間の距離は狭まり、インペラ１０に対して小さな外乱力が作用してもインペラ１０は隔壁６に接触してしまう。

これに対して図１５は、永久磁石１７Ｄおよび磁性体１８Ｄ間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０のポンプ室７内の可動範囲の中央位置Ｐ０でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。この場合も、インペラ１０の回転数は定格値に保たれている。

すなわち、永久磁石１７Ｄおよび磁性体１８Ｄ間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とは略同じに設定されている。また、動圧溝２１，２２の形状は同じにされている。図１５に示した場合は、図１４の場合と比較して、インペラ１０の浮上位置に対する支持剛性が高くなる。また、インペラ１０に作用する正味の力Ｆ５は可動範囲の中央でゼロとなっているので、インペラ１０に対し外乱力が作用しない場合にはインペラ１０は中央位置で浮上する。

このように、インペラ１０の浮上位置は、永久磁石１７Ｄおよび磁性体１８Ｄ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２と、インペラ１０の回転時に動圧溝２１，２２で発生する動圧力Ｆ３，Ｆ４との釣り合いで決まる。Ｆ１とＦ２を略同じにし、動圧溝２１，２２の形状を同じにすることにより、インペラ１０の回転時にインペラ１０をポンプ室７の略中央部で浮上させることが可能となる。図９および図１０に示すように、インペラ１０は２つのディスク間に羽根を形成した形状を有するので、ハウジング２の内壁に対向する２つの面を同一形状および同一寸法にすることができる。したがって、略同一の動圧性能を有する動圧溝２１，２２をインペラ１０の両側に設けることは可能である。

この場合、インペラ１０はポンプ室７の中央位置で浮上するので、インペラ１０はハウジング２のポンプ室７の隔壁６および６Ｄから均等に離れた位置に保持される。その結果、インペラ１０の浮上時にインペラ１０に外乱力が印加されて、インペラ１０の浮上位置が変化しても、インペラ１０とハウジング２の内壁とが接触する可能性が小さくなる。

［ポンプ部のインペラ位置の制御］
次に、上記のような構造を有し、ポンプ室の内壁に動圧溝が形成されたポンプのインペラのアキシアル方向の位置を調整するためにベクトル制御を適用することを説明する。

図１６は、図１３に示した断面図中に回転速度を検出するための磁気センサＳの配置を示した図である。図１７は、図１６で示した磁気センサの出力信号を示すタイムチャートである。

図１６を参照して、３つの磁気センサＳが９個の磁性体１８のうちの隣接する４個の磁性体１８の３つの間に設けられている。３つの磁気センサＳは、インペラ１０の複数の永久磁石１７の通過経路に対向して配置されている。インペラ１０が回転して複数の永久磁石１７のＳ極とＮ極が交互に磁気センサＳの近傍を通過すると、磁気センサＳの出力信号のレベルは、図１７に示すように、正弦波状に変化する。したがって、磁気センサＳの出力信号の時間変化を検出することにより、複数の永久磁石１７と複数の磁性体１８との位置関係を検出することができ、複数のコイル２０に電流を流すタイミングと、インペラ１０の回転数を求めることができる。

また、インペラ１０と隔壁６の間のギャップが広い場合は、磁気センサＳの近傍の磁界が弱くなって磁気センサＳの出力信号の振幅Ａ１は小さくなる。インペラ１０と隔壁６の間のギャップが狭い場合は、磁気センサＳの近傍の磁界が強くなって磁気センサＳの出力信号の振幅Ａ２は大きくなる。

したがって、磁気センサＳの出力信号の振幅を検出することにより、インペラ１０のアキシアル方向の可動範囲内におけるインペラ１０の位置を検出することができる。

図１８は、磁気センサの配置の変更例を示した図である。この変更例では、９個のコイル２０が３個ずつ３グループに分割され、３つの磁気センサＳは３つのグループの３つの間にそれぞれ配置される。したがって、３つの磁気センサＳの間の機械角は、それぞれ１２０度となるので、回転中のインペラ１０の浮上姿勢を容易に演算することができる。９個のコイル２０に電流を流すタイミングは、３つの磁気センサＳのうちのいずれか１つの磁気センサＳの出力信号に基づいて演算される。

図１８のように磁気センサを配置することによって、インペラの回転（傾斜）と並進（並行移動）を分離し、より正確に浮上位置を検出することができる。

図１９は、磁気センサの出力をコイルの電流にフィードバックする制御を説明するための図である。理解の簡単のため、図３を簡略化して図１９においてポンプの断面図に併記している。コントローラ４２は、位置演算器４９と、回転数演算器５０と、位置判定器５１と、回転角度推定器４８と、モータ制御回路４３，４３Ｄと、パワーアンプ４４，４４Ｄとを含む。回転数演算器５０は、３つの磁気センサＳの出力信号に基づいてインペラ１０の回転数を求め、その回転数を示す信号φＲを出力する。位置判定器５１は、位置演算器４９で生成されたインペラ１０の位置を示す信号φＰと、回転数演算器５０で生成されたインペラ１０の回転数を示す信号φＲとに基づき、インペラ１０の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号φＤを出力する。判定時にインペラ１０の回転数を参照するのは、インペラ１０の回転数によって動圧溝２１，２２の動圧軸受効果が変化し、インペラ１０の位置が変化し、かつ、回転数によってインペラに発生する流体力が変化するからである。なお、回転数が固定されている場合は、回転数演算器５０を除去してもよい。

また、インペラ１０の位置が正常範囲内か否かを判定する際に、インペラ１０の回転数の代わりに、あるいはインペラ１０の回転数に加え、液体の粘度情報を参照してもよい。これは、液体の粘度によって動圧溝２１，２２の動圧軸受効果が変化し、インペラ１０の位置が変化するからである。

また、この遠心式ポンプ装置では、インペラ１０が回転していない場合は動圧溝２１，２２の動圧軸受効果は発生しないので、永久磁石１７Ｄおよび磁性体１８Ｄ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とによってインペラ１０とハウジング２の内壁とは接触している。したがって、回転開始時および低速回転時では、インペラ１０は正常なアキシアル位置で回転していない。したがって、回転数を示す信号φＲを位置判定に使用しない場合は、回転開始から定格回転数に達するまでのある一定時間、位置判定器５１の出力信号φＤを強制的にインペラ１０の位置が正常であることを示す信号にしてもよい。

図２０は、磁気センサ出力から角度の推測を行なう処理を説明するための波形図である。図１９に示す回転角度推定器４８は、具体的には逓倍処理部を有し、磁気センサの少なくとも１つ以上の出力信号を使用し、例えば磁気センサ出力信号のゼロクロス位置を基準にして図２０の回転同期パルスを生成し、それを逓倍して逓倍パルスを生成してモータロータの角度の推測を行なう。

そして、図１７に示した関係に基づいて、磁気センサ出力信号の振幅からインペラ１０のアキシアル位置を推定し、このアキシアル位置に応じて、モータ制御回路４３またはモータ制御回路４３Ｄを用いて吸引力を調整する。なお吸引力の調整は、以下の３パターンの制御が考えられる。

第１は、モータ制御回路４３，４３Ｄのいずれか一方のみのＩｄ成分を変化させて吸引力を下げる制御である。第２は、モータ制御回路４３，４３Ｄのいずれか一方のみのＩｄ成分を変化させて吸引力を上げる制御である。第３は、モータ制御回路４３，４３Ｄのいずれか一方のＩｄ成分を変化させて吸引力を下げるとともに、モータ制御回路４３，４３Ｄの他方のＩｄ成分を変化させて吸引力を上げる制御である。

図２１は、センサレス制御をモータ駆動部で行なう場合の処理を説明するための概略ブロック図である。理解の簡単のため、図４を簡略化して図２１においてポンプの断面図に併記している。図２１を参照して、コントローラ４２Ａのインペラ姿勢判別部７０に回転数Ｎ、流量Ｊ、吐出圧力Ｐ、および流体情報（物性値）Ｙの少なくとも１つ以上の情報を入力する。記憶部７１には、予め各条件で測定されたインペラ挙動が記憶されている。記憶部７１に記憶された情報に基づいて、インペラを略中央位置に浮上させ回転させるようにモータ駆動電流のＩｄ成分を制御する。

ポンプ動作を開始するとインペラには流体力が働く。図７〜図９に示す構成では、インレット（入口）が軸方向に対し、片側１箇所であることによる形状の非対称性で、流量、回転数が増加するとインペラはインレット側に移動する。

図１０のようにアウトレット（開口部７ａ）が周方向に１箇所である形状の非対称性によるインペラ周囲の圧力バランスによって、インペラ１０はアウトレット（開口部７ａ）側に移動する。この際、軸方向の吸引力がインペラ１０の偏心によって異なる場合は、インペラは軸方向に変位する。

図２２は、インペラの回転中において流量と浮上位置との関係を示した図である。予め、このような関係を調べておけば、流量Ｊ１がわかれば浮上位置のずれ量ｄ１を得ることができる。図２３は、インペラの回転中において吐出圧力と浮上位置との関係を示した図である。予め、このような関係を調べておけば、吐出圧力Ｐ２がわかれば浮上位置のずれ量ｄ２を得ることができる。なお経験上、流量に対する影響が吐出圧力に対する影響より大きい。図２４は、回転数と浮上位置との関係を示した図である。回転停止時には、動圧力が発生せず、インペラは隔壁のどちらか一方に接触しているが、インペラが回転を開始すると上下の動圧力と磁気吸引力のバランスによってインペラは中央位置に浮上する。この場合も回転数増加により、流量もしくは吐出圧力が大きくなるとインペラは軸方向に変位する。予め、このような関係を調べておけば、回転数Ｎ３がわかれば浮上位置のずれ量ｄ３を得ることができる。

図２５は電流Ｉｄと吸引力との関係を示す図である。本実施の形態のポンプ装置では、低流量時はＩｄ成分がゼロの時、上下の力バランスがとれインペラは中央位置に浮上する。Ｉｄ成分がゼロの状態でも、モータ駆動部は磁気吸引力を発生している。流量増加に伴い、インペラ浮上位置がずれた場合、Ｉｄ成分を増減させることで、モータ駆動部の吸引力を変化させることができる。図２２〜図２４の関係から、インペラ浮上位置のずれ量を推定し、これに対応するように吸引力を変化させるように、図２５の関係に従ってＩｄ成分を増減させればよい。

［種々の変形例］
図２６は、図９に示した構成の変更例を示す図である。図２７は、図２６のＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩにおける断面図である。この変形例では、コア（磁性体１８，１８Ｄ）の先端にティース１８Ａ，１８Ｂが配置される。図２６には、図９の固定子において回転子と対向する側へ、更に面積を広げた磁性体を配置した構成が示されている。これにより回転子の永久磁石との対向面積を広く確保できるため、モータ出力、モータ効率の向上が図れる。

図２８、図２９にさらなる変形例を示す（ラジアル動圧溝を追加）。図２８は、インペラ１０の外周面にさらにラジアル動圧溝を設けた変形例を示す図である。図２９は、ポンプ室内周面にさらにラジアル動圧溝を設けた変形例を示す図である。これにより、耐外乱性をより確保することができ、インペラの安定回転が可能となる。図２８に示すようにインペラ１０の外周面に動圧溝６１，６２を形成することは図２９のようにポンプ室７の内周面に動圧溝１６１，１６２を形成する加工より加工性がよい。図２８に示した例は、図２９に示した例と同様に耐外乱性をより確保することができ、インペラの安定回転が可能となる。

＜インペラのシュラウド外周面に設けたラジアル動圧溝の構成例＞
図３０は、シュラウドの外周面に形成された動圧溝の第１例を示す図である。図３１は、シュラウドの外周面に形成された動圧溝の第２例を示す図である。

図３０を参照して、動圧溝６１，６２は、それぞれシュラウド１１，１２の外周面に形成される。動圧溝６１，６２の先端は、インペラ１０の回転方向と逆の方向に向けられている。インペラ１０が矢印の方向に回転すると、動圧溝６１，６２の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０とポンプ室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

図３１に示した第２例でも、動圧溝６４，６５がポンプ室７の内周面側ではなく、それぞれシュラウド１１，１２の外周面に形成される。動圧溝６４，６５の各々の深さは、インペラ１０の回転方向と逆の方向に向かって徐々に浅くなっている。この変形例でも、インペラ１０が矢印の方向に回転すると、動圧溝６４，６５の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０とポンプ室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

＜ポンプ室内周面に設けたラジアル動圧溝の構成例＞
図３２は、ポンプ室内周面に形成されたラジアル動圧溝の具体的構成の第１例を示した図である。図３２において、ポンプ室７の内周面のうちのシュラウド１１の外周面に対向する領域には、Ｖ字型の動圧溝１６１がインペラ１０の回転方向に所定のピッチで形成されている。Ｖ字型の動圧溝１６１の先端（鋭角部）はインペラ１０の回転方向に向けられている。同様に、ポンプ室７の内周面のうちのシュラウド１２の外周面に対向する領域には、Ｖ字型の動圧溝１６２がインペラ１０の回転方向に所定のピッチで形成されている。Ｖ字型の動圧溝１６２の先端（鋭角部）はインペラ１０の回転方向に向けられている。ポンプ室７の内周面のうちのシュラウド１１，１２の隙間に対向する領域には、所定深さの溝６３がリング状に形成されている。インペラ１０が矢印の方向に回転すると、動圧溝１６１，１６２の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０とポンプ室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

図３３は、ポンプ室内周面に形成されたラジアル動圧溝の具体的構成の第２例を示した図である。図３３に示した変形例では、動圧溝１６１，１６２がそれぞれ動圧溝１６４，１６５で置換されている。動圧溝１６４，１６５の各々は、帯状に形成され、インペラ１０の回転方向に延在している。動圧溝１６４，１６５の各々の深さは、インペラ１０の回転方向に向かって徐々に浅くなっている。この変形例でも、インペラ１０が矢印の方向に回転すると、動圧溝１６４，１６５の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０とポンプ室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

最後に、本実施の形態について再び図面を参照しながら総括する。主に図９を参照して、本実施の形態に係る遠心式ポンプ装置は、ポンプ室７およびモータ室８、８Ｄを含むハウジングを備える。ポンプ室７は、モータ室８とモータ室８Ｄとに挟まれて設けられる。モータ室８およびポンプ室７は隔壁６で仕切られる。ポンプ室７およびモータ室８Ｄは隔壁６Ｄで仕切られる。

遠心式ポンプ装置は、さらに、ポンプ室７内において第１および隔壁６Ｄに交差する軸を回転軸として回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラ１０と、モータ室８内に設けられ、隔壁６を介してインペラ１０を回転駆動させる第１の駆動部（コイル２０）と、モータ室８Ｄ内に設けられ、隔壁６Ｄを介してインペラ１０を回転駆動させる第２の駆動部（コイル２０Ｄ）と、隔壁６と対向するインペラ１０の一方面に設けられた永久磁石１７と、隔壁６Ｄと対向するインペラ１０の他方面に設けられた永久磁石１７Ｄとを備える。

インペラ１０の一方面またはそれに対向する隔壁６の壁面に第１の動圧溝（動圧溝２１）が形成される。インペラ１０の他方面またはそれに対向する隔壁６Ｄの壁面に第２の動圧溝（動圧溝２２）が形成される。

第１の駆動部および第２の駆動部の少なくとも一方は、ベクトル制御により、永久磁石１７および永久磁石１７Ｄのうち対応する磁性体に作用する吸引力（たとえば図１５のＦ２）を調整することによって、インペラ１０の位置をポンプ室７内における回転軸に沿う方向のインペラ１０の可動範囲の中央に維持する。これにより、流速、回転数、圧力などが変化した場合でも、モータの回転トルクの変化を抑えつつ、インペラ１０のアキシアル方向の位置を調整することができる。

好ましくは、図２２〜図２５で説明したように、第１の駆動部は、インペラ１０の位置が隔壁６から遠ざかる方向に可動範囲の中央から変化した場合には、ベクトル制御における磁束電流Ｉｄを増加させる。

より好ましくは、第２の駆動部は、インペラ１０の位置が隔壁６Ｄから遠ざかる方向に可動範囲の中央から変化した場合には、ベクトル制御における磁束電流Ｉｄを増加させる。

なお、第１の駆動部で磁束電流Ｉｄを増加させるときには、第２の駆動部で磁束電流Ｉｄを減少させるなど、第１の駆動部と第２の駆動部に対して相補的な制御を行なっても良い。

これにより、駆動部の吸引力が増加するのでインペラ１０のアキシアル方向の位置が中央に戻る。

好ましくは、図１５に示したように、インペラ１０の定常回転中において、駆動部が高効率駆動をしている場合には、永久磁石１７Ｄと第２の駆動部との間に作用する第１の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７と第１の駆動部との間に作用する第２の吸引力Ｆ２とは、ポンプ室７内におけるインペラ１０の可動範囲の中央（点Ｐ０）にインペラ１０が位置するときに釣り合う。

好ましくは、図４に示すように、遠心式ポンプ装置は、ベクトル制御に使用するためにインペラ１０の回転角度を推定するための位相推定器３５８をさらに備える。

好ましくは、図２１に示すように、遠心式ポンプ装置は、インペラ１０に作用する流体力を、インペラ１０の回転数Ｎ、流量Ｊ、吐出圧力Ｐ、および流体の物性値などの流体情報Ｙのうちの少なくとも１つ以上をパラメータとして使用して予め測定した結果を記憶する記憶部７１と、記憶部７１が記憶する値に応じて第２の吸引力を制御する駆動制御部（Ｉｄ成分指令生成部７４）とをさらに備える。

好ましくは、遠心式ポンプ装置は、ベクトル制御に使用するためにインペラ１０の回転角度を検出するための回転検出器をさらに備える。図１６〜図１８に示したように、より好ましくは、回転検出器は、磁気センサＳであり、磁気センサによってインペラ１０の浮上位置を検出する。

好ましくは、図２８〜図２９に示したように、インペラ１０の外周側の側面には、動圧溝６１，６２または動圧溝６４，６５が形成される。

好ましくは、図３０、図３２、図３３に示すように、ポンプ室７の壁面であって、インペラ１０の外周側の側面と対向する壁面には、動圧溝１６１，１６２または動圧溝１６４，１６５が形成される。

＜永久磁石の配置の構成例＞
図３６は、永久磁石の配置の具体的構成の第１例を示した図である。図３６を参照して、シュラウド１２には複数（たとえば８個）の永久磁石１７が埋設されている。複数の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置される。換言すれば、モータ室８側にＮ極を向けた永久磁石１７と、モータ室８側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。

図３７（ａ）（ｂ）の変形例では、インペラ１０に複数の永久磁石１７と複数の永久磁石６７とが設けられている。永久磁石６７の数は、永久磁石１７の数と同じである。永久磁石６７は、円周方向（インペラ１０の回転方向）に着磁されている。複数の永久磁石１７と複数の永久磁石６７とは、１つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。換言すると、隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７と、隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石６７のＮ極は隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７に向けて配置され、各永久磁石６７のＳ極は隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７に向けて配置される。複数の永久磁石１７同士の形状は同じであり、複数の永久磁石６７同士の形状は同じである。永久磁石１７の形状と永久磁石６７の形状は、同じでもよいし、異なっていてもよい。この変形例では、永久磁石１７とコイル２０との吸引力を抑制するとともに、トルクの起因となる磁束を強めることができるので、最も永久磁石を小型化することができる。つまり、インペラ１０を最も軽量化することができ、かつモータギャップが広い場合でもエネルギ効率を高めることができる。

図３８に示した他の変形例では、回転子（インペラ１０のシュラウド１２）は回転軸方向に着磁された永久磁石１７Ａと、周方向に着磁された永久磁石６７Ａと磁性体７０Ａを含んでいる。永久磁石１７Ａは隣り合う磁石の磁極の向きが異なるように配置され、さらに永久磁石１７Ａの隔壁６側端面に永久磁石６７Ａが永久磁石１７Ａと同じ磁極同士が近づくように配置される。

永久磁石１７Ａと永久磁石６７Ａは同じ数である。永久磁石６７Ａの着磁方向長さは、永久磁石１７Ａの幅より短く、永久磁石６７Ａの着磁方向長さの中央を永久磁石１７Ａの隣り合う磁石同士の境界と一致させると周方向に隙間ができ、その隙間に磁性体７０Ａを配置する。この場合、磁性体７０Ａに磁束が集束し、磁性体が無い場合や通常のハルバッハ配列の構成（図３７）の構成と比べ、より強い界磁磁束が得られ高トルク化を図ることができる。さらに図３８の配置では、永久磁石１７Ａ，６７Ａのパーミアンス係数の低下を抑制することができる。

図３９は、図３８の構成において、永久磁石１７Ａの隔壁６と反対側の端面に磁性体７２を配置している。磁性体７２の効果でさらに磁束を強めることができる。

図４０は別の磁石配置を示す。固定子と回転子の間に隔壁６を備えたキャンドモータにおいて、回転子は回転軸方向に着磁された永久磁石１７Ｂと、周方向に着磁された永久磁石６７Ｂと磁性体７０Ｂから成り、永久磁石１７Ｂは隣り合う磁石の磁極の向きが異なり、隙間を設けて配置され、永久磁石６７Ｂがその隙間に隔壁６側配置される。限られたスペースで磁石を配置する場合、この構成は永久磁石１７Ｂの扁平率が小さくなるためパーミアンス係数を図３８より大きくすることができる。永久磁石１７Ｂと永久磁石６７Ｂは同じ数である。永久磁石６７Ｂは、円周方向（ロータの回転方向）に着磁されている。複数の永久磁石１７Ｂと複数の永久磁石６７Ｂとは、１つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。換言すると、隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７Ｂと、隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７Ｂとが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石６７ＢのＮ極は隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７Ｂに向けて配置され、各永久磁石６７ＢのＳ極は隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７Ｂに向けて配置される。複数の永久磁石１７Ｂ同士の形状は同じであり、複数の永久磁石６７Ｂ同士の形状は同じである。永久磁石１７Ｂの軸方向長さは永久磁石６７Ｂの幅より短く、配置したとき、隔壁６側に段差ができるようにし、その段差部に磁性体７０Ｂを配置する。この場合も磁性体７０Ｂに磁束が集束し、磁性体が無い場合や通常のハルバッハ配列の構成（図３６）と比べ、より強い界磁磁束が得られ高トルク化を図ることができる。さらに永久磁石１７Ｂ，６７Ｂのパーミアンス係数の低下を抑制することができる。

図４１に示した構成は、図４０の構成において、永久磁石１７Ｂの隔壁６と反対側の端面に磁性体７２を配置している。磁性体７２の効果でさらに磁束を強めることができる。

また、シュラウド１２に埋設されている複数の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けず配置されてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、流体動圧軸受によるインペラの非接触浮上を特徴とするアキシアルギャップ型の遠心式ポンプにおいて、モータ駆動方法としてベクトル制御を用いることで、トルク電流成分（Ｉｑ成分）と界磁電流成分（Ｉｄ成分）とに分離した。

そして、モータの回転トルクを維持したまま界磁電流成分（Ｉｄ成分）のみを積極的に変化させ、インペラに働くアキシアル方向吸引力を制御する。これにより、インペラの浮上位置を制御することができ、常に可動範囲の中央付近で安定浮上させることができる。

また、上記実施の形態では、２つの駆動部がインペラをはさむように配置されているので、駆動部が１つしかないものと比べると、より大きな回転トルクを発生することができる。また、第１の駆動部と第２の駆動部およびそれぞれに対向する磁性体（永久磁石）の構成を同じにすることによって、磁気吸引力のバランス調整が容易になる。

なお、上記実施の形態の遠心式ポンプ装置は、食品を循環させるために使用されてもよい。また、上記実施の形態の遠心式ポンプ装置は、医薬品を循環させるために使用されてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ポンプ部、２ ハウジング、３ 本体部、４ 流入ポート、５ 流出ポート、６，６Ｄ 隔壁、７ ポンプ室、７ａ 開口部、８，８Ｄ モータ室、１０ インペラ、１０ａ 貫通孔、１１，１２ シュラウド、１３ ベーン、１４ 液体通路、１７，１７Ｄ 永久磁石、１８，１８Ｄ，１９，１９Ｄ 磁性体、１８Ａ，１８Ｂ ティース、２０，２０Ｄ コイル、２１，２２，６１，６２，６４，６５，１６１，１６２，１６４，１６５ 動圧溝、４２，４２Ａ コントローラ、４３，４３Ｄ モータ制御回路、４４，４４Ｄ パワーアンプ、４８ 回転角度推定器、４９ 位置演算器、５０ 回転数演算器、５１ 位置判定器、６３ 溝、７０ インペラ姿勢判別部、７１ 記憶部、７４ 成分指令生成部、３００ モータ駆動システム、３１０ バッテリ部、３２０ インバータ装置、３２２ 演算部、３２４ モータコントロール部、３２６ ＰＷＭドライバ、３２８ 平滑部、３３０ インバータ、３３１ モータ部、３３２ ロータ、３３４ 角度検出器、３３６，３３７ 電流検出器、３４０ 電流指令演算部、３４１ トルク電流制御部、３４２，３４４ 減算部、３４３ 磁束電流制御部、３４６，３４８ 演算処理部、３５０ 座標変換部、３５２，３５４ 変換部、３５６ 回転座標変換部、３５８ 位相推定器、３６２ トルク電流指令部、３６４ 磁束電流設定部、Ｓ 磁気センサ。

Claims (13)

1. 第１〜第３の室を含むハウジングを備え、前記第２の室は、前記第１の室および前記第３の室に挟まれて設けられ、前記第１の室および前記第２の室は第１の隔壁で仕切られ、前記第２の室および前記第３の室は第２の隔壁で仕切られ、
   前記第２の室内において前記第１および第２の隔壁に交差する軸を回転軸として回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、
   前記第１の室内に設けられ、前記第１の隔壁を介して前記インペラを回転駆動させる第１の駆動部と、
   前記第３の室内に設けられ、前記第２の隔壁を介して前記インペラを回転駆動させる第２の駆動部と、
   前記第１の隔壁と対向する前記インペラの一方面に設けられた第１の磁性体と、
   前記第２の隔壁と対向する前記インペラの他方面に設けられた第２の磁性体とを備え、
   前記第１の駆動部は、
   前記第１の磁性体と対向する複数の第３の磁性体と、
   前記複数の第３の磁性体の周りにそれぞれ巻回された複数の第１のコイルとを含み、
   前記第２の駆動部は、
   前記第２の磁性体に対向する複数の第４の磁性体と、
   前記複数の第４の磁性体の周りにそれぞれ巻回された複数の第２のコイルとを含み、
   前記インペラの前記一方面またはそれに対向する前記第１の隔壁の壁面に第１の動圧溝が形成され、前記インペラの前記他方面またはそれに対向する前記第２の隔壁の壁面に第２の動圧溝が形成され、
   前記第１の駆動部および前記第２の駆動部の少なくとも一方は、ベクトル制御により、前記第１の磁性体および前記第２の磁性体のうち対応する磁性体に作用する吸引力を調整する吸引力制御によって、前記インペラの位置を前記第２の室内における前記回転軸に沿う方向の前記インペラの可動範囲の中央に維持し、
   前記吸引力制御は、
   前記第１の駆動部、前記第２の駆動部のいずれか一方の界磁電流成分を変化させて吸引力を下げるとともに、前記第１の駆動部、前記第２の駆動部のいずれか他方の界磁電流成分を変化させて吸引力を上げる制御である、遠心式ポンプ装置。
2. 前記複数の第３の磁性体の各々は、
   前記複数の第１のコイルのうちの対応する第１のコイルが巻回される第１のコア部と、
   前記第１のコア部の先端に設けられ、前記第１の磁性体と対向する面積が前記第１のコア部よりも広げられた第１のティースとを含み、
   前記複数の第４の磁性体の各々は、
   前記複数の第２のコイルのうちの対応する第２のコイルが巻回される第２のコア部と、
   前記第２のコア部の先端に設けられ、前記第２の磁性体と対向する面積が前記第２のコア部よりも広げられた第２のティースとを含む、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
3. 前記第１の駆動部は、前記インペラの位置が前記第１の隔壁から遠ざかる方向に前記可動範囲の中央から変化した場合には、前記ベクトル制御における磁束電流を増加させる、請求項１または２に記載の遠心式ポンプ装置。
4. 前記第２の駆動部は、前記インペラの位置が前記第２の隔壁から遠ざかる方向に前記可動範囲の中央から変化した場合には、前記ベクトル制御における磁束電流を増加させる、
   請求項３に記載の遠心式ポンプ装置。
5. 前記インペラの定常回転中において、前記第１の磁性体と前記第１の駆動部との間に作用する第１の吸引力と、前記第２の磁性体と前記第２の駆動部との間に作用する第２の吸引力とは、前記第２の室内における前記インペラの可動範囲の中央に前記インペラが位置するときに釣り合う、請求項１または２に記載の遠心式ポンプ装置。
6. 前記ベクトル制御に使用するために前記インペラの回転角度を推定するための位相推定器をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の遠心式ポンプ装置。
7. 前記インペラに作用する流体力を、前記インペラの回転速度、流量、吐出圧力、および流体の物性値のうちの少なくとも１つ以上をパラメータとして使用して予め測定し記憶する記憶部と、
   前記記憶部が記憶する値に応じて前記第１の吸引力を制御する駆動制御部とをさらに備える、請求項５に記載の遠心式ポンプ装置。
8. 前記ベクトル制御に使用するために前記インペラの回転角度を検出するための回転検出器をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の遠心式ポンプ装置。
9. 前記回転検出器は、磁気センサであり、前記磁気センサによって前記インペラの浮上位置を検出する、請求項８に記載の遠心式ポンプ装置。
10. 前記インペラの外周側の側面に第３の動圧溝が形成された、請求項１〜９のいずれか１項に記載の遠心式ポンプ装置。
11. 前記第２の室の壁面であって、前記インペラの外周側の側面と対向する壁面に第３の動圧溝が形成された、請求項１〜９のいずれか１項に記載の遠心式ポンプ装置。
12. 前記遠心式ポンプ装置は、食品を循環させるために使用される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の遠心式ポンプ装置。
13. 前記遠心式ポンプ装置は、医薬品を循環させるために使用される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の遠心式ポンプ装置。

Images