特許 7469291 磁気軸受、これを備えた駆動装置及びポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-08

(45)【発行日】2024-04-16

(54)【発明の名称】磁気軸受、これを備えた駆動装置及びポンプ

(51)【国際特許分類】

   F16C 32/04 20060101AFI20240409BHJP

   F04D 29/048 20060101ALI20240409BHJP

   H02K 7/09 20060101ALI20240409BHJP

【ＦＩ】

F16C32/04 A

F16C32/04 B

F04D29/048

H02K7/09

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021505543

(86)(22)【出願日】2020-01-10

(86)【国際出願番号】 JP2020000656

(87)【国際公開番号】W WO2020183884

(87)【国際公開日】2020-09-17

【審査請求日】2022-11-21

(31)【優先権主張番号】P 2019046982

(32)【優先日】2019-03-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2019151775

(32)【優先日】2019-08-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000127352

【氏名又は名称】株式会社イワキ

(74)【代理人】

【識別番号】110001612

【氏名又は名称】弁理士法人きさらぎ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鬼塚 敏樹

(72)【発明者】

【氏名】是枝 進一郎

(72)【発明者】

【氏名】亀井 利晃

(72)【発明者】

【氏名】関 拓哉

【審査官】中野 裕之

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１２１１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－３２５０７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０４３２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－０７３９２９（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｃ ３２／０４

Ｆ０４Ｄ ２９／０４８

Ｈ０２Ｋ ７／０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータを磁気力によって非接触で支持する磁気軸受であって、
前記ロータに設けられた磁性材料からなる軸受ロータ部材と、
前記軸受ロータ部材の周囲に配置された軸受ステータ部材と
を備え、
前記軸受ステータ部材は、磁性材料からなるコアと、前記コアに巻回されたコイルとを有し、
前記コアの縦断面形状は、
前記軸受ロータ部材との対向方向と直交する第１方向に延び前記コイルが巻回される第１部分と、
前記第１部分の前記第１方向の両端部から前記軸受ロータ部材側に延びたのち、前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第２部分と、
前記一対の第２部分の各先端部から前記軸受ロータ部材側に向けて延びる一対の第３部分と
を有し、
前記軸受ロータ部材は、前記軸受ロータ部材及び前記コアで形成される磁気回路にバイアス磁束を供給する永久磁石を含み、
前記第１部分に巻き付けられた前記コイルの前記第１方向の長さは、前記一対の第３部分の前記第１方向の対向面間の距離よりも大きい
ことを特徴とする磁気軸受。

【請求項2】

前記一対の第３部分の前記第１方向の対向面と反対側の面間の距離は、前記第１部分の前記第１方向の長さよりも小さい
ことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。

【請求項3】

前記一対の第３部分の前記第１方向の対向面と反対側の面間の距離は、前記第３部分と対向する前記軸受ロータ部材の前記第１方向の長さとほぼ等しい
ことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気軸受。

【請求項4】

前記軸受ロータ部材は、
円環状の前記永久磁石と、
前記永久磁石を前記第１方向に挟み込むように配置された円環状の一対のヨークとを有し、
前記一対のヨークの縦断面形状は、
前記永久磁石の前記第１方向の両端面を覆い前記軸受ステータ部材と反対側に延びる一対の第４部分と、
前記一対の第４部分の前記軸受ステータ部材と反対側の端部から前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第５部分とを有し、
前記第５部分と前記永久磁石との間に第１間隙が形成され、
前記一対の第５部分の互いに対向する各先端部間には、第２間隙が設けられている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気軸受。

【請求項5】

前記軸受ステータ部材は、前記軸受ロータ部材の径方向の外側に複数配置され、前記軸受ロータ部材と径方向にそれぞれ対向する
ことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。

【請求項6】

前記軸受ステータ部材は、前記軸受ロータ部材の軸方向の少なくとも一方の側に複数配置され、前記軸受ロータ部材と前記軸方向にそれぞれ対向する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気軸受。

【請求項7】

ロータと、
前記ロータを磁気力によって支持する磁気軸受と、
前記ロータを回転駆動する駆動機構と
を備え、
前記磁気軸受は、
前記ロータに設けられた磁性材料からなる軸受ロータ部材と、
前記軸受ロータ部材の周囲に配置された軸受ステータ部材と
を備え、
前記軸受ステータ部材は、磁性材料からなるコアと、前記コアに巻回されたコイルとを有し、
前記コアの縦断面形状は、
前記軸受ロータ部材との対向方向と直交する第１方向に延び前記コイルが巻回される第１部分と、
前記第１部分の前記第１方向の両端部から前記軸受ロータ部材側に延びたのち、前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第２部分と、
前記一対の第２部分の各先端部から前記軸受ロータ部材側に向けて延びる一対の第３部分と
を有し、
前記軸受ロータ部材は、前記軸受ロータ部材及び前記コアで形成される磁気回路にバイアス磁束を供給する永久磁石を含み、
前記第１部分に巻き付けられた前記コイルの前記第１方向の長さは、前記一対の第３部分の前記第１方向の対向面間の距離よりも大きい
ことを特徴とする駆動装置。

【請求項8】

前記軸受ロータ部材は、
円環状の前記永久磁石と、
前記永久磁石を前記第１方向に挟み込むように配置された円環状の一対のヨークとを有し、
前記一対のヨークの縦断面形状は、
前記永久磁石の前記第１方向の両端面を覆い前記軸受ステータ部材と反対側に延びる一対の第４部分と、
前記一対の第４部分の前記軸受ステータ部材と反対側の端部から前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第５部分とを有し、
前記第５部分と前記永久磁石との間に第１間隙が形成され、
前記一対の第５部分の互いに対向する各先端部間には、第２間隙が設けられている
ことを特徴とする請求項７記載の駆動装置。

【請求項9】

前記駆動機構は、
前記ロータにおける前記軸受ロータ部材の径方向の内側に配置された従動部材と、
前記従動部材の内側に配置されて前記従動部材と磁気結合されて前記ロータを駆動する駆動部と
を有する
ことを特徴とする請求項７又は８記載の駆動装置。

【請求項10】

ロータと、
前記ロータを磁気力によって支持する磁気軸受と、
前記ロータを回転駆動する駆動機構と、
前記ロータに取り付けられたインペラを含むポンプ機構と
を備え、
前記磁気軸受は、
前記ロータに設けられた磁性材料からなる軸受ロータ部材と、
前記軸受ロータ部材の周囲に配置された軸受ステータ部材と
を備え、
前記軸受ステータ部材は、磁性材料からなるコアと、前記コアに巻回されたコイルとを有し、
前記コアの縦断面形状は、
前記軸受ロータ部材との対向方向と直交する第１方向に延び前記コイルが巻回される第１部分と、
前記第１部分の前記第１方向の両端部から前記軸受ロータ部材側に延びたのち、前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第２部分と、
前記一対の第２部分の各先端部から前記軸受ロータ部材側に向けて延びる一対の第３部分と
を有し、
前記軸受ロータ部材は、前記軸受ロータ部材及び前記コアで形成される磁気回路にバイアス磁束を供給する永久磁石を含み、
前記第１部分に巻き付けられた前記コイルの前記第１方向の長さは、前記一対の第３部分の前記第１方向の対向面間の距離よりも大きい
ことを特徴とするポンプ。

【請求項11】

前記軸受ロータ部材は、
円環状の前記永久磁石と、
前記永久磁石を前記第１方向に挟み込むように配置された円環状の一対のヨークとを有し、
前記一対のヨークの縦断面形状は、
前記永久磁石の前記第１方向の両端面を覆い前記軸受ステータ部材と反対側に延びる一対の第４部分と、
前記一対の第４部分の前記軸受ステータ部材と反対側の端部から前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第５部分とを有し、
前記第５部分と前記永久磁石との間に第１間隙が形成され、
前記一対の第５部分の互いに対向する各先端部間には、第２間隙が設けられている
ことを特徴とする請求項１０記載のポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気軸受、これを備えた駆動装置及びポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

ポンプ装置のインペラの荷重等を磁気力により非接触で支持する磁気軸受が知られている（例えば、特許文献１参照）。図２０に示すように、このような磁気軸受３００は、例えばインペラ３００ａを備えたロータ３０１に設けられた軸受ロータ部材３０６と、ハウジング３０９に固定された軸受ステータ部材３０２とで構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００５－１２１１５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような磁気軸受３００においては、軸受ステータ部材３０２を構成するコの字型のコア３０４と軸受ロータ部材３０６とで形成される磁気回路を通る磁束φによって、ロータ３０１に対する規定位置への復元力が働く。この復元力は、例えば軸受ステータ部材３０２のコア３０４の長さと、軸受ロータ部材３０６のスラスト方向の厚みＬがほぼ等しく、且つ極力薄いほど大きいことが知られている。

【0005】

一方、磁束φは、軸受ステータ部材３０２のコイル３０５によって制御される。応答性を高めるためには、コイル３０５のインダクタンスを極力小さくすることが望まれる。コイルのインダクタンスは、コイルの断面積Ｓに比例し、コイル長ｌに反比例する。このため、コイル３０５の応答性を上げるためには、コイル３０５の断面積Ｓを小さくし、コイル３０５の長さｌを長くするように、コア３０４にコイル３０５を巻き付ける必要がある。

【0006】

しかし、コイル長ｌが長くなると、ロータ３０１の軸受ロータ部材３０６のスラスト方向の厚みＬも増してしまう。このため、ロータ３０１の復元力が低下してしまう。特にロータ３０１が傾いたときの復元トルクが低下すると共に、スラスト方向の磁気軸受３００の寸法（サイズ）が大きくなってしまう。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ロータの復元力を強くしつつ、応答性を高めることができる磁気軸受、これを備えた駆動装置及びポンプを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る磁気軸受は、ロータを磁気力によって非接触で支持する磁気軸受であって、前記ロータに設けられた磁性材料からなる軸受ロータ部材と、前記軸受ロータ部材の周囲に配置された軸受ステータ部材とを備え、前記軸受ステータ部材は、磁性材料からなるコアと、前記コアに巻回されたコイルとを有し、前記コアの縦断面形状は、前記軸受ロータ部材との対向方向と直交する第１方向に延び前記コイルが巻回される第１部分と、前記第１部分の前記第１方向の両端部から前記軸受ロータ部材側に延びたのち、前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第２部分と、前記一対の第２部分の各先端部から前記軸受ロータ部材側に向けて延びる一対の第３部分とを有し、前記軸受ロータ部材は、前記軸受ロータ部材及び前記コアで形成される磁気回路にバイアス磁束を供給する永久磁石を含むことを特徴とする。

【0009】

本発明の一実施形態において、前記コイルの前記第１方向の長さは、前記一対の第３部分の前記第１方向の対向面間の距離よりも大きい。

【0010】

本発明の他の実施形態において、前記一対の第３部分の前記第１方向の対向面と反対側の面間の距離は、前記第１部分の前記第１方向の長さよりも小さい。

【0011】

本発明の更に他の実施形態において、前記一対の第３部分の前記第１方向の対向面と反対側の面間の距離は、前記第３部分と対向する前記軸受ロータ部材の前記第１方向の長さとほぼ等しい。なお、本発明の更に他の実施形態において、前記軸受ロータ部材は、円環状の前記永久磁石と、前記永久磁石を前記第１方向に挟み込むように配置された円環状の一対のヨークとを有し、前記一対のヨークの縦断面形状は、前記永久磁石の前記第１方向の両端面を覆い前記軸受ステータ部材と反対側に延びる一対の第４部分と、前記一対の第４部分の前記軸受ステータ部材と反対側の端部から前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第５部分とを有し、前記第５部分と前記永久磁石との間に第１間隙が形成され、前記一対の第５部分の互いに対向する各先端部間には、第２間隙が設けられている。

【0012】

本発明の更に他の実施形態において、前記軸受ステータ部材は、前記軸受ロータ部材の径方向の外側に複数配置され、前記軸受ロータ部材と径方向にそれぞれ対向する。

【0013】

本発明の更に他の実施形態において、前記軸受ステータ部材は、前記軸受ロータ部材の軸方向の少なくとも一方の側に複数配置され、前記軸受ロータ部材と前記軸方向にそれぞれ対向する。

【0014】

本発明に係る駆動装置は、ロータと、前記ロータを磁気力によって支持する磁気軸受と、前記ロータを回転駆動する駆動機構とを備え、前記磁気軸受は、前記ロータに設けられた磁性材料からなる軸受ロータ部材と、前記軸受ロータ部材の周囲に配置された軸受ステータ部材とを備え、前記軸受ステータ部材は、磁性材料からなるコアと、前記コアに巻回されたコイルとを有し、前記コアの縦断面形状は、前記軸受ロータ部材との対向方向と直交する第１方向に延び前記コイルが巻回される第１部分と、前記第１部分の前記第１方向の両端部から前記軸受ロータ部材側に延びたのち、前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第２部分と、前記一対の第２部分の各先端部から前記軸受ロータ部材側に向けて延びる一対の第３部分とを有し、前記軸受ロータ部材は、前記軸受ロータ部材及び前記コアで形成される磁気回路にバイアス磁束を供給する永久磁石を含むことを特徴とする。

【0015】

本発明の一実施形態において、前記軸受ロータ部材は、円環状の前記永久磁石と、前記永久磁石を前記第１方向に挟み込むように配置された円環状の一対のヨークとを有し、前記一対のヨークの縦断面形状は、前記永久磁石の前記第１方向の両端面を覆い前記軸受ステータ部材と反対側に延びる一対の第４部分と、前記一対の第４部分の前記軸受ステータ部材と反対側の端部から前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第５部分とを有し、前記第５部分と前記永久磁石との間に第１間隙が形成され、前記一対の第５部分の互いに対向する各先端部間には、第２間隙が設けられている。

【0016】

また、本発明の他の実施形態において、前記駆動機構は、前記ロータにおける前記軸受ロータ部材の径方向の内側に配置された従動部材と、前記従動部材の内側に配置されて前記従動部材と磁気結合されて前記ロータを駆動する駆動部とを有する。

【0017】

本発明に係るポンプは、ロータと、前記ロータを磁気力によって支持する磁気軸受と、前記ロータを回転駆動する駆動機構と、前記ロータに取り付けられたインペラを含むポンプ機構とを備え、前記磁気軸受は、前記ロータに設けられた磁性材料からなる軸受ロータ部材と、前記軸受ロータ部材の周囲に配置された軸受ステータ部材とを備え、前記軸受ステータ部材は、磁性材料からなるコアと、前記コアに巻回されたコイルとを有し、前記コアの縦断面形状は、前記軸受ロータ部材との対向方向と直交する第１方向に延び前記コイルが巻回される第１部分と、前記第１部分の前記第１方向の両端部から前記軸受ロータ部材側に延びたのち、前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第２部分と、前記一対の第２部分の各先端部から前記軸受ロータ部材側に向けて延びる一対の第３部分とを有し、前記軸受ロータ部材は、前記軸受ロータ部材及び前記コアで形成する磁気回路にバイアス磁束を供給する永久磁石を含むことを特徴とする。本発明の一実施形態において、前記軸受ロータ部材は、円環状の前記永久磁石と、前記永久磁石を前記第１方向に挟み込むように配置された円環状の一対のヨークとを有し、前記一対のヨークの縦断面形状は、前記永久磁石の前記第１方向の両端面を覆い前記軸受ステータ部材と反対側に延びる一対の第４部分と、前記一対の第４部分の前記軸受ステータ部材と反対側の端部から前記第１方向に互いに近づく向きに延びる一対の第５部分とを有し、前記第５部分と前記永久磁石との間に第１間隙が形成され、前記一対の第５部分の互いに対向する各先端部間には、第２間隙が設けられている。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、ロータの復元力を強くしつつ、応答性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受及びこれを備えた駆動装置が適用されたポンプの全体構成を概略的に示す切欠斜視図である。

【図2】同ポンプを概略的に示す縦断面図である。

【図3】同磁気軸受を概略的に示す拡大縦断面図である。

【図4】同駆動装置の全体構成を概略的に示す上面図である。

【図5】本発明の第２の実施形態に係る駆動装置の全体構成を概略的に示す上面図である。

【図6】本発明の第３の実施形態に係る磁気軸受を概略的に示す斜視図である。

【図7】図６のＡ－Ａ´線断面図である。

【図8】本発明の第４の実施形態に係る磁気軸受を概略的に示す斜視図である。

【図9】図８のＢ－Ｂ´線断面図である。

【図10】同磁気軸受の軸受ロータ部材を概略的に示す斜視図である。

【図11】本発明の第５の実施形態に係る軸受ロータ部材を概略的に示す斜視図である。

【図12】本発明の第６の実施形態に係る軸受ロータ部材を概略的に示す縦断面図である。

【図13】図１２の磁性材料部を概略的に示す斜視図である。

【図14】本発明の第７の実施形態に係る磁気軸受を概略的に示す上面図である。

【図15】本発明の第８の実施形態に係る磁気軸受を概略的に示す縦断面図である。

【図16】本発明の第９の実施形態に係る磁気軸受を概略的に示す上面図である。

【図17】本発明の第１０の実施形態に係る磁気軸受及びこれを備えたポンプの全体構成を、一部を省略して概略的に示す縦断面図である。

【図18】図１７のＣ－Ｃ´線断面図である。

【図19】本発明の第１１の実施形態に係る磁気軸受を概略的に示す縦断面図である。

【図20】従来の磁気軸受の全体構成を概略的に示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態に係る磁気軸受、これを備えた駆動装置及びポンプを詳細に説明する。ただし、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、以下の実施形態において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を附して重複した説明を省略する。また、実施形態においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や、一部の構成要素が省略されている場合がある。

【0021】

［第１の実施形態］
［磁気軸受、駆動装置及びポンプの構成］
図１は、第１の実施形態に係る磁気軸受１０及びこれを備えた駆動装置９０が適用されたポンプ１００の全体構成を概略的に示す一部切欠した斜視図である。図２は、ポンプ１００を概略的に示す縦断面図、図３は、磁気軸受１０を概略的に示す拡大縦断面図、図４は、駆動装置９０の全体構成を概略的に示す上面図である。

【0022】

図１～図４に示すように、第１の実施形態に係るポンプ１００は、例えば人工心臓用のポンプ等に用いられ、ロータ２０と、このロータ２０を磁気力により非接触で支持する磁気軸受１０と、ロータ２０を回転駆動する駆動機構３０とを備えている。なお、この例では、ポンプ１００を示しているが、これらロータ２０、磁気軸受１０及び駆動機構３０は、ロータ２０を回転駆動するという機能のみに着目すると、図４に示すように、駆動装置（アクチュエータ）９０として捉えることができる。

【0023】

なお、以後の説明では、ロータ２０の回転軸方向をＺ方向（スラスト方向とも呼ぶ。）、ロータ２０の径方向をＸ方向及びＹ方向（ラジアル方向とも呼ぶ。）、Ｚ軸（回転軸）周りの回転方向をΨ方向、Ｘ軸回りの回転方向をΘ方向、Ｙ軸回りの回転方向をΦ方向とそれぞれ呼ぶことにする。また、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交するものとする。

【0024】

ロータ２０は、全体が樹脂などの非磁性体で形成され、Ｚ軸方向の一端に設けられた環状の軸受／駆動部２１と、他端に設けられたインペラ２２とを一体に形成してなる。ロータ２０は、フロントケーシング４１とリアケーシング４２とで形成される密閉空間Ａに収容されている。密閉空間Ａは、インペラ２２が収容されるポンプ室Ａ１と、軸受／駆動部２１が収容される環状空間Ａ２とを含む。インペラ２２は、ポンプ室Ａ１と共にポンプ機構を構成する。フロントケーシング４１の前面中央部にはポンプ室Ａ１に連通する吸込口５１が設けられ、フロントケーシング４１の側面にはポンプ室Ａ１に連通する吐出口（不図示）が設けられている。

【0025】

磁気軸受１０は、ロータ２０の軸受／駆動部２１の外周側に装着された環状の磁性材料からなる軸受ロータ部材１１と、この軸受ロータ部材１１のラジアル方向の外側に、軸受ロータ部材１１と所定の間隔を介して配置された軸受ステータ部材１２とを有する。軸受ステータ部材１２は、環状のヨークベース４３と、リアケーシング４２の外周部との間に装着されている。

【0026】

駆動機構３０は、ロータ２０の軸受／駆動部２１の内周側に装着された環状の従動部材としての従動マグネット３１と、この従動マグネット３１のラジアル方向の内側に、従動マグネット３１と所定の隙間を介して配置された駆動部としてのモータステータ３２とを有する。この例では、従動マグネット３１が、例えばラジアル方向４極に着磁したネオジム磁石、モータステータ３２が、６つの突極を有する磁性体のモータステータコア３３と、このモータステータコア３３の各突極に巻回されたモータコイル３４とを有する三相ブラシレスモータのステータとして構成されている。モータステータ３２は、ヨークベース４３の内側に固定されたハウジング４４とリアケーシング４２の中央部の間に装着されている。

【0027】

次に、磁気軸受１０の詳細について説明する。
磁気軸受１０の軸受ロータ部材１１は、例えば円環状に成形されたネオジム磁石からなる永久磁石１３と、この永久磁石１３と同心で、スラスト方向（Ｚ軸方向）に挟み込むように配置された円環状の電磁軟鉄からなるヨーク１４，１５とを有する。永久磁石１３は、例えばスラスト方向にＮ極及びＳ極が対向し且つ周方向全周に亘って同極となるように着磁されている。

【0028】

一方、磁気軸受１０の軸受ステータ部材１２は、この実施形態では、図４に示すように、軸受ロータ部材１１の周方向の４箇所に９０°の角度を介して配置されている。そのうち、Ｘ軸方向に対向する一対の軸受ステータ部材１２ｘは、ロータ２０のＸ軸方向の位置及びΦ方向の角度を制御し、Ｙ軸方向に対向する一対の軸受ステータ部材１２ｙは、ロータ２０のＹ軸方向の位置及びΘ方向の角度を制御する。また、軸受ステータ部材１２ｘ，１２ｙは、Ｚ軸方向の高さを制御する。なお、ヨークベース４３には、軸受ロータ部材１１のラジアル方向、スラスト方向及び各回転方向の変位を検知する変位センサ１６が、Ｘ方向及びＹ方向とそれぞれ４５°の角度で交差するように複数（ここでは、４つ）配置されている。変位センサ１６は、例えば渦電流式のセンサが挙げられるが、これに限定されるものではなく、種々のセンサを採用し得る。

【0029】

軸受ステータ部材１２は、例えば積層電磁鋼板等の磁性材料からなるコア１７と、このコア１７に巻回されたコイル１８とを有する。コア１７は、縦断面形状が、軸受ロータ部材１１側を開放端とするほぼＣ字形となっている。より具体的には、コア１７の縦断面形状は、図３に示すように、軸受ロータ部材１１との対向方向と直交する第１方向（この例ではＺ軸方向）に延び、コイル１８が巻回される第１部分１７ａと、この第１部分１７ａのＺ軸方向の両端部から軸受ロータ部材１１側に延びたのち、Ｚ軸方向に互いに近づく向きに延びる一対の第２部分１７ｂと、この一対の第２部分の各先端部から軸受ロータ部材１１側に向けて延びる一対の第３部分１７ｃとを含む。換言すると、コア１７は、縦断面形状において、コイル１８が巻回される第１部分１７ａのＺ軸方向の両端から、軸受ロータ部材１１に向かって本来は延びるはずのＣ字形状の開放端部分（図２０参照）に、一対のカギ型形状部分を有し、開放端を互いに近づけた形状を有している。

【0030】

このような形状であると、コイル１８のＺ軸方向の長さｌを、コア１７の開放端側の一対の第３部分１７ｃのＺ軸方向の対向面間の距離Ｌ１よりも大きくすることができる。また、コア１７の開放端側の幅、すなわち一対の第３部分１７ｃのＺ軸方向の対向面と反対側の面間の距離Ｌ２は、コア１７の本来のＺ軸方向の長さＬ４よりも小さく、軸受ロータ部材１１のＺ軸方向の長さＬ３とほぼ等しい。

【0031】

［磁気軸受、駆動装置及びポンプの動作］
次に、上記のように構成された磁気軸受１０及びこれを備えた駆動装置９０が適用されたポンプ１００の動作を説明する。
磁気軸受１０を構成する軸受ロータ部材１１及び軸受ステータ部材１２のコア１７は、磁性材料で構成され、磁気回路を形成する。軸受ロータ部材１１の永久磁石１３は、この磁気回路にバイアス磁束を供給する。図示しない制御回路は、変位センサ１６で検出されたロータ２０のＸＹＺ軸方向の変位及びΦ及びΘ方向の傾きを補正するように、コイル１８に流れる電流を制御して、コイル１８により発生する制御磁束を調整する。これによって、ロータ２０は、磁気軸受１０によって所定位置及び所定姿勢を維持しつつ、非接触状態で支持される。

【0032】

この状態でモータステータ３２のモータコイル３４に三相交流電力を供給すると、三相ブラシレスモータが動作して、ロータ２０が回転する。ロータ２０が回転すると、インペラ２２も回転するので、吸込口５１を介してポンプ室Ａ１に移送流体が導入され、吐出口を介して移送流体が吐出される。

【0033】

［実施形態の効果］
ここで、前述したように、ロータ２０の磁気軸受１０による位置及び傾きの復元力は、軸受ステータ部材１２の開放端（第３部分１７ｃ）のＺ軸方向の長さＬ２が軸受ロータ部材１１のＺ軸方向の長さＬ３とほぼ等しく、且つ軸受ロータ部材１１のＺ軸方向の長さＬ３が短いほど大きくなる。この点、本実施形態に係る磁気軸受１０によれば、図１９に示す従来のＣ字形のコア３０４に比べて、開放端の軸受ロータ部材１１に対向する部分（第３部分１７ｃ）のＺ軸方向の長さＬ２を短くすることができるので、コイル１８の巻き数Ｎを維持しつつ、軸受ロータ部材１１のＺ軸方向の長さＬ３を従来のものよりも短くすることができる。これにより、十分な復元力を確保することができる。なお、永久磁石１３の吸引力を最大にするためには、コア１７の第３部分１７ｃ間の距離Ｌ１と永久磁石１３のＺ軸方向の高さがほぼ等しく、且つコア１７の各第３部分１７ｃ（突極）のＺ軸方向の幅が、ヨーク１４，１５のＺ軸方向の厚みとほぼ等しいことが望ましい。

【0034】

また、前述したように、磁気軸受１０の応答性を高めるためには、コイル１８のインダクタンスを極力小さくすることが必要である。この点、本実施形態に係る磁気軸受１０によれば、コア１７のコイル１８が巻回される第１部分１７ａの長さＬ４を十分に確保することができるので、コイル１８のＺ軸方向の長さｌを長く、且つコイル１８の断面積Ｓを小さくすることができる。これにより、コイル１８のインダクタンスを抑えて応答性を向上させることができる。

【0035】

なお、図４に示すように、軸受ロータ部材１１の外周面は曲面で構成されているが、コア１７の磁極面１７ｄは平面で形成されている。具体的には、磁極面１７ｄは、Ｘ軸方向又はＹ軸方向及びＺ軸方向に延びる同一平面上に形成されている。

【0036】

一般的に、コア１７の磁極面１７ｄが軸受ロータ部材１１の外周面に沿う曲面で構成されている場合には、磁極面１７ｄの周方向の端部に磁場の磁束φが集中してしまうこととなる。これに対し、磁極面１７ｄが平面で形成されていれば、上記のような磁束φの集中を防ぐことが可能となる。

【0037】

［第２の実施形態］
［駆動装置の他の構成］
図５は、第２の実施形態に係る駆動装置９０Ａの全体構成を概略的に示す上面図である。ここで、図５を含む以降の説明においては、第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を附しているので、以下では重複する説明は省略する。

【0038】

すなわち、図５に示すように、第２の実施形態に係る駆動装置９０Ａは、磁気軸受１０が、軸受ロータ部材１１に対し、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及び斜め４５°方向のそれぞれの方向で対向する８つの軸受ステータ部材１２ｘ、１２ｙ、１２ｘｙ、１２ｙｘを備えている点が、第１の実施形態の駆動装置９０とは相違している。
この第２の実施形態によれば、ラジアル方向の制御をより高精度に行うことが可能となる。
なお、軸受ステータ部材１２の数は、これらに限定されるものではなく、６個、１０個、１２個、１６個等、種々の形態を採用し得る。

【0039】

［第３の実施形態］
［磁気軸受の他の構成］
図６は、第３の実施形態に係る磁気軸受１０Ａを概略的に示す斜視図であり、図７は図６のＡ－Ａ´線断面図である。

【0040】

図６及び図７に示すように、第３の実施形態に係る磁気軸受１０Ａは、ロータ２０の軸受ロータ部材１１ａが、例えば円環状の電磁軟鉄のみで構成されている点が、永久磁石１３及び電磁軟鉄のヨーク１４，１５により構成された軸受ロータ部材１１を有する磁気軸受１０とは相違している。

【0041】

［第４の実施形態］
［磁気軸受の更に他の構成］
図８は、本発明の第４の実施形態に係る磁気軸受１０Ｂを概略的に示す斜視図であり、図９は図８のＢ－Ｂ´線断面図、図１０は磁気軸受１０Ｂの軸受ロータ部材１１ｂを概略的に示す斜視図である。

【0042】

図８及び図９に示すように、第４の実施形態に係る磁気軸受１０Ｂは、軸受ロータ部材１１ｂが、例えば円環状の永久磁石１３ａのみで構成されている点が、電磁軟鉄のみで構成された軸受ロータ部材１１ａを有する磁気軸受１０Ａとは相違している。

【0043】

なお、永久磁石１３ａは、図１０に示すように、Ｎ極及びＳ極が周方向及び軸方向に交互に配置されるようにラジアル方向に着磁され、いわゆる４極磁石となるように構成されている。このような構成にすれば、磁気軸受１０の軸受ステータ部材１２のコイル１８が、駆動機構３０のモータステータ３２のモータコイル３４を兼ねる構成とすることができるので、駆動機構３０を省略することが可能となる。

【0044】

［第５の実施形態］
［軸受ロータ部材の他の構成］
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る軸受ロータ部材１１ｃを概略的に示す斜視図である。
図１１に示すように、第５の実施形態に係る軸受ロータ部材１１ｃは、上述した軸受ロータ部材１１ｂと同様に永久磁石１３ｂのみで構成されているが、周方向に沿って４５°毎にＮ極及びＳ極の磁極が軸方向に入れ替わる、いわゆる８極磁石となるように構成されている点が、いわゆる４極磁石となるように構成された第４の実施形態とは相違している。このようにすれば、上記第４の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

【0045】

［第６の実施形態］
［軸受ロータ部材の更に他の構成］
図１２は、本発明の第６の実施形態に係る軸受ロータ部材１１ｄを備えた磁気軸受１０Ｃを概略的に示す縦断面図であり、図１３は図１２の軸受ロータ部材１１ｄを概略的に示す斜視図である。

【0046】

図１２に示すように、第６の実施形態に係る磁気軸受１０Ｃは、軸受ロータ部材１１ｄが、第４の実施形態の４極の永久磁石１３ａの軸方向両側に電磁軟鉄からなるヨーク１４，１５を配置している。このようにすれば、永久磁石１３ａの磁束φをヨーク１４，１５に集中させることができるので、ヨーク１４，１５がない場合に比べて、磁気軸受１０Ｃ自体の磁気保持力を高めることができると共に、上記第４及び第５の実施形態と同様に、駆動機構３０を省略する構成とすることができる。
なお、上述した実施形態では、４極磁石を使用したが、磁極の数は例示したものに限定されるものではない。

【0047】

［第７の実施形態］
［磁気軸受の更に他の構成］
図１４は、本発明の第７の実施形態に係る磁気軸受１０Ｄを概略的に示す上面図である。

【0048】

上述した第１～第６の実施形態の磁気軸受１０，１０Ａ～１０Ｃは、軸受ステータ部材１２を軸受ロータ部材１１，１１ａ～１１ｄのラジアル方向の外側に配置したが、第７の実施形態は、軸受ステータ部材１２を軸受ロータ部材１１ｅのスラスト方向の一方の側に配置した例である。

【0049】

図１４に示すように、第７の実施形態に係る磁気軸受１０Ｄにおいては、軸受ロータ部材１１ｅが、環状の永久磁石１３ｃと、この永久磁石１３ｃの外周側と内周側にそれぞれ配置されて永久磁石１３ｃをラジアル方向に挟持する電磁軟鉄で形成されたヨーク１４ａ，１５ａとにより構成されている。永久磁石１３ｃはラジアル方向に着磁されている。この永久磁石１３ｃによるバイアス磁束で、外側のヨーク１４ａの軸方向端面と、内側のヨーク１５ａの軸方向端面にそれぞれ磁極が現われるようになっている。これらヨーク１４ａ，１５ａの磁極面が、軸受ステータ部材１２のコア１７の開放端に位置する磁極面１７ｄと対向するように、軸受ステータ部材１２は、軸受ロータ部材１１ｅのスラスト方向の一方の側に配置される。この例では、軸受ロータ部材１１ｅの軸方向の一方の端面に沿って、周方向の４箇所に９０°の間隔で４つの軸受ステータ部材１２ｘ，１２ｙが配置されている。この実施形態では、軸受ロータ部材１１ｅとの対向方向と直交する第１方向が、Ｘ軸方向の変位を制御する軸受ステータ部材１２ｘではＸ軸方向、Ｙ軸方向の変位を制御する軸受ステータ部材１２ｙではＹ軸方向となる。そして、コイル１８が巻回される第１部分１７ａが、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に沿って延びている。

【0050】

このような構成の磁気軸受１０Ｄによれば、軸受ロータ部材１１ｅと軸受ステータ部材１２とが、永久磁石１３ｃからの磁束φのループによってスラスト方向に磁気カップリングされる。軸受ステータ部材１２は、Ｃ字形のコアと同じ巻き数条件下において、上述したようにコア１７がコイル１８の断面積Ｓを小さくしつつコイル１８の長さｌを長くすることができる構造を採用するので、ロータ２０の復元力を強くし、応答性を高めることができる。

【0051】

［第８の実施形態］
［磁気軸受の更に他の構成］
図１５は、本発明の第８の実施形態に係る磁気軸受１０Ｅを概略的に示す縦断面図である。
図１５に示すように、第８の実施形態に係る磁気軸受１０Ｅは、軸受ロータ部材１１ｅのスラスト方向の両側に、軸受ステータ部材１２を配置した例を示している。

【0052】

このような構成の磁気軸受１０Ｅによれば、軸受ロータ部材１１ｅと軸受ステータ部材１２とが、永久磁石１３ｃからの磁束φのループによってスラスト方向の両側から磁気カップリングされる。従って、磁気軸受１０Ｄと比較して、ロータ２０の復元力をより強くし、磁気保持力をより高めることが可能となる。

【0053】

［第９の実施形態］
［磁気軸受の更に他の構成］
図１６は、本発明の第９の実施形態に係る磁気軸受１０Ｆを概略的に示す上面図である。
上述した第７の実施形態の磁気軸受１０Ｄは、軸受ステータ部材１２が、Ｘ軸方向に２つ、Ｙ軸方向に２つの計４つであった。これに対し、図１６に示すように、本実施形態の磁気軸受１０Ｆは、これら軸受ステータ部材１２を軸受ロータ部材１１ｅのＺ軸方向端面に沿って周方向に８つ配置している。このように構成された磁気軸受１０Ｆによれば、磁気軸受１０Ｄに比べて、ロータ２０の磁気力による支持を、より強力且つ高精度に行うことが可能となる。
なお、軸受ステータ部材１２の数は、これらに限定されるものではなく、６個、１０個、１２個、１６個等、種々の形態を採用し得る。

【0054】

［第１０の実施形態］
［磁気軸受及び駆動装置の他の構成］
図１７は、本発明の第１０の実施形態に係る磁気軸受１１０及びこれを備えたマグネットポンプ１００Ａの全体構成を、一部を省略して概略的に示す縦断面図である。図１８は、図１７のＣ－Ｃ´線断面図である。

【0055】

図１７及び図１８に示すように、第１０の実施形態に係るマグネットポンプ１００Ａは、第１の実施形態のポンプ１００と同様の構成を備えるが、例えば流体移送用のマグネットポンプ１００Ａである。このマグネットポンプ１００Ａは、磁気軸受１１０の他に、磁気カップリング型の駆動機構１３０を備える。

【0056】

このマグネットポンプ１００Ａは、全体が円筒状に形成され、軸方向の一方にフロントケーシング１４１を有する。フロントケーシング１４１は、内部にポンプ室Ａ１を形成し、前方中央に円筒状の吸込口１５１を有し、側面に吐出口１５２を有する。フロントケーシング１４１の後端にはリアケーシング１４２が接続されている。リアケーシング１４２は、フロントケーシング１４１と共にポンプ室Ａ１を含む密閉空間Ａを形成する。また、リアケーシング１４２は、後方に突出した環状空間Ａ２を形成する。このリアケーシング１４２の外周を覆うように円筒状のブラケット１４３が設けられている。

【0057】

密閉空間Ａには、ロータ１２０が収容される。ロータ１２０は、軸方向の前方にインペラ１２２、後方に環状の軸受／駆動部１２１を有する。インペラ１２２は、ポンプ室Ａ１に収容され、ポンプ室Ａ１と共にポンプ機構を構成する。軸受／駆動部１２１は環状空間Ａ２に収容される。ロータ１２０の軸受／駆動部１２１の外周側には、ロータ１２０を磁気力によって支持する磁気軸受１１０が設けられている。また、ロータ１２０の軸受／駆動部１２１の内周側には、ロータ１２０を駆動する駆動機構１３０が設けられている。

【0058】

磁気軸受１１０は、ロータ１２０の軸受／駆動部１２１の外周側に装着された環状の磁性材料からなる軸受ロータ部材１１１と、この軸受ロータ部材１１１のラジアル方向の外側に、軸受ロータ部材１１１と所定の間隔を介して配置された軸受ステータ部材１１２とを有する。軸受ステータ部材１１２は、リアケーシング１４２とヨークベース１４４の間に装着されている。

【0059】

軸受ロータ部材１１１は、例えば円環状に成形されたネオジム磁石からなる永久磁石１１３と、この永久磁石１１３と同心で、スラスト方向（Ｚ軸方向）に挟み込むように配置された円環状の電磁軟鉄からなるヨーク１１４，１１５とを有する。永久磁石１１３は、例えばスラスト方向にＮ極及びＳ極が対向し且つ周方向全周に亘って同極となるように着磁されている。

【0060】

軸受ステータ部材１１２は、この実施形態では、図１８に示すように、軸受ロータ部材１１１の周方向の４箇所に９０°の角度を介して配置されている。ヨークベース１４４には、軸受ロータ部材１１１のラジアル方向、スラスト方向及び各回転方向の変位を検知する変位センサ１１６が、軸受ステータ部材１１２とそれぞれ４５°の角度をなすように、複数（ここでは、４つ）配置されている。変位センサ１１６は、例えば渦電流式のセンサが挙げられるが、これに限定されるものではなく、種々のセンサを採用し得る。

【0061】

軸受ステータ部材１１２は、例えば積層電磁鋼板等の磁性材料からなるコア１１７と、このコア１１７に巻回されたコイル１１８とを有する。コア１１７の縦断面形状は、軸受ロータ部材１１１側を開放端とするほぼＣ字形であり、コイル１１８の巻回部分の軸方向長さよりも開放端の先端間の距離が小さい。コア１１７の縦断面形状の詳細については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

【0062】

駆動機構１３０は、ロータ１２０の軸受／駆動部１２１の内周側に装着された環状の従動部材としての従動マグネット１３１と、この従動マグネット１３１の内側に、従動マグネット１３１と所定の間隔を介して配置された駆動部としての駆動マグネット１３２と、この駆動マグネット１３２を先端部に装着し軸受１３５によって回転可能に支持されたモータ軸１３３と、このモータ軸１３３を回転駆動するモータ１３４とを有する。この例では、従動マグネット１３１及び駆動マグネット１３２が、例えばラジアル方向２極又は４極に着磁したネオジム磁石から構成されている。この例では、駆動マグネット１３２とモータ軸１３３がほぼ同径として示されているが、両者は同径でなくても良い。

【0063】

このように構成されたマグネットポンプ１００Ａでは、モータ１３４がモータ軸１３３を回転させることにより駆動マグネット１３２が回転し、この駆動マグネット１３２の磁気力により従動マグネット１３１が従動してロータ１２０、すなわちインペラ１２２が非接触で回転する。磁気軸受１１０は、第１の実施形態の磁気軸受１０と同様に、ラジアル方向、スラスト方向及び２つのラジアル回転軸方向の５自由度を制御する。従って、この実施形態によっても、ロータ１２０の復元力及び応答性を高めることが可能となる。

【0064】

［第１１の実施形態］
［磁気軸受の他の構成］
図１９は、第１１の実施形態に係る磁気軸受１１０Ａを概略的に示す縦断面図である。 図１９に示すように、第１１の実施形態に係る磁気軸受１１０Ａは、軸受ロータ部材１７１の構成が、第１０の実施形態に係る磁気軸受１１０の軸受ロータ部材１１１とは相違している。

【0065】

すなわち、軸受ロータ部材１７１は、例えば、円環状の永久磁石１１３と、この永久磁石１１３と同心で、永久磁石１１３をスラスト方向（Ｚ軸方向）の両側から挟み込むように配置された円環状の一対のヨーク１７４，１７５とを有する。本実施形態では、一対のヨーク１７４，１７５の縦断面形状が、軸受ステータ部材１１２側を開放端としＺ軸方向の真ん中が寸断されたほぼコの字型となっている。

【0066】

具体的には、図１９に示すように、一対のヨーク１７４，１７５の縦断面形状は、永久磁石１１３の第１方向（ここでは、Ｚ軸方向）の両端面を覆うようにＺ軸方向と直交する第２方向（ここでは、ラジアル方向（Ｘ軸方向））に延びる第４部分１７４ａ，１７５ａと、これら第４部分１７４ａ，１７５ａの軸受ステータ部材１１２と反対側の端部からＺ軸方向に互いに近づく向きに延びる一対の第５部分１７４ｂ，１７５ｂとを有している。第４部分１７４ａ，１７５ａの内周部は、永久磁石１１３の内周部よりも内側に突出している。第５部分１７４ｂ，１７５ｂと永久磁石１１３との間には、第１間隙ｇ１が形成されている。また、これら一対の第５部分１７４ｂ，１７５ｂの対向する先端部間には、第２間隙ｇ２が設けられている。

【0067】

このような形状であると、第１間隙ｇ１によって永久磁石１１３の両磁極が第５部分１７４ｂ，１７５ｂに近づきすぎるのを防止することができるので、永久磁石１１３によるバイアス磁束φｂを、軸受ステータ部材１１２に安定して供給することができる。また、磁気抵抗が大きい永久磁石１１３と並列に磁気抵抗の小さい第５部分１７４ｂ，１７５ｂによる磁気回路が形成されるので、コイル１１８により発生する制御磁束φｃを極力損失なく軸受ロータ部材１７１に通すことが可能となる。但し、第２間隙ｇ２が無いと、永久磁石１１３の両磁極が第５部分１７４ｂ，１７５ｂを介して短絡してしまうので、バイアス磁束φｂの軸受ステータ部材１１２側への安定供給と、制御磁束φｃの通る磁気回路の磁気抵抗とのバランスを考慮して、第２間隙ｇ２の幅を適切に設定することが望ましい。

【0068】

本実施形態の磁気軸受１１０Ａは、図１５に示した第８の実施形態に適用することもできる。また、磁気軸受１１０Ａは、図２０に示した一般的なコの字型のコアを有する軸受ステータ部材と組み合わせても良いが、特に、第１部分１７ａ～第３部分１７ｃを有する上述した軸受ステータ部材１１２（軸受ステータ部材１２）と組み合わせることで、例えば、上記マグネットポンプ１００Ａに適用した場合、その運転状況に応じたロータ１２０の回転制御を精度良く行うことが可能となる。なお、マグネットポンプ１００Ａに適用する場合等、軸受ロータ部材１７１の内周側には、図示しない駆動マグネットに従動する従動マグネット１３１が非磁性体１３１Ａによりラジアル方向に挟み込まれた状態で配置される。

【0069】

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0070】

１０ 磁気軸受
１１ 軸受ロータ部材
１２ 軸受ステータ部材
１３ 永久磁石
１４，１５ ヨーク
１６ 変位センサ
１７ コア
１７ａ 第１部分
１７ｂ 第２部分
１７ｃ 第３部分
１８ コイル
２０ ロータ
３０ 駆動機構
９０ 駆動装置
１００ ポンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】