人工心臓用アキシャル型磁気浮上モータの小型化・高効率化に関する研究

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人工心臓用アキシャル型磁気浮上モータを理論設計と駆動方式の二つの側面から小型化, 高効率化することが本研究の目的である. 平成25年度の研究実施計画は磁気浮上モータの高効率駆動方式を検討すると共に動特性を明らかにすることである. 本年度は平成24年度に乳幼児, 小児用人工心臓のために考案, 設計, 製作した5軸制御磁気浮上モータの磁気浮上回転性能評価を行った. ダブルステータ構造にベクトル制御方式を適用することで浮上ロータの軸方向位置, 回転を制御し, P±2極理論を適用することで浮上ロータ径方向軸周りの傾き角度, 径方向位置を制御する. 本制御方式を用いることで, 小型で高い磁気支持性能を有する磁気浮上モータを実現する. 提案5軸制御方式による磁気浮上制御系を専用に構築し, 浮上ロータを磁気浮上回転させたときの動特性と消費電力を評価した. その結果, 浮上ロータ回転数6400rpmまで非接触磁気支持, 回転可能であることを確認し, 提案5軸制御方式の有効性を実証した. また, 磁気浮上モータの消費電力は5～8W程度であった. 本消費電力のほとんどは浮上ロータに配置した永久磁石が作る磁界と制御磁界により生じる渦電流損である. このため, モータステータの磁性材料を電磁軟鉄バルク材から圧粉磁心に変更することを検討した. モータステータの磁性材料を圧粉磁心とすることでモータ効率は30%から70%へ増加することを確認した. 本磁気浮上モータを組み込み可能な遠心ポンプを設計, 製作し, 人工心臓ポンプ駆出性能とポンプ送液中の磁気浮上回転性能を評価した. 製作した磁気浮上人工心臓ポンプは回転数3500rpm, 揚程100㎜Hgに対して流量1.5L/min送出可能であり, 小児用人工心臓として十分なポンプ性能を有した. また, ポンプ送液中に浮上インペラは非接触磁気支持, 回転可能であった. 以上の結果から, 十分な磁気浮上性能を有する小型, 高効率な磁気浮上モータを製作することができた.