JPH04506446A - 埋込可能の遠心心臓補助ポンプのための半径方向駆動手段 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 埋込可能の遠心心臓補助ポンプのための半径方向駆動手段 発明の背景 本発明は身体の流体を運搬する装置、そして特に、開胸心臓手術間に心臓をバイ パスするための、または機能不全の心臓または左心室を補助するための、身体に 埋込まれ得る左心室または全心臓補助ポンプに関する。さらに、特に、本発明は そのようなポンプに好適な駆動手段に係る。

遠心血液ポンプは、例えば障害のある左心室を補助することにおいて、開胸心臓 手術においてもし要求されるならば一時的心臓バイパスのために、そして２個の そのようなポンプが埋込まれるときは全心臓バイパスのために、人の心臓に対す る補助手段としてまたは置換手段としてそれらの効用を久しく認められている。

そのようなポンプは連続的にそして高速度で、例えば約４０００−７００Ｏｒｐ ｍの範囲内で、作動しそして埋込みを容易にするために比較的小さい。

身体に埋込まれる遠心ポンプと関連するより挑戦的な局面の一つは、インペラを 駆動するための適切な手段を提供することである。米国特許第４１３５２５３号 （ライヒ外）には一つの提案が注目され、それはロータハウジング内にポンプロ ータをフロートさせるための流体潤滑剤としての含塩溶液の使用に主として指向 される。２磁極を有する永久磁石がロータに固定され、そして他の２磁極を育す る永久磁石が身体の外側に在り、やはり身体の外側に在る動力供給手段によって 回転可能である。

前記外側の駆動磁石は皮膚に接して配置され、ポンプロータから軸方向に離間さ れているがそれと同軸であり、それによって駆動磁石の回転はロータ内の被動磁 石を回転させる。

この提案において遭遇される一つの難点は、駆動磁石と被動磁石との間の実質的 な垂直即ち軸方向の力が、埋込まれたポンプの直ぐ上の皮膚に望ましくない圧力 を及ぼすことである。さらに、軸方向の力によって、ロータは高効率螺旋溝スラ スト軸受がポンプケーシング内の平らなカーボンスラストパッドに面するその表 面に形成されることを必要とする。

従って、駆動及び被動両磁石の半径方向連結は、前記軸方向力を事実上除去する ときに望ましいであろう。これは、しかし、半径方向駆動手段の配置を容易にす るのに十分な外方膨出部をポンプが皮膚に形成することを必要とする。十分な寸 法の膨出部を形成するとしても、ポンプに関し同心に半径方向駆動手段を配置す ることは恐らく困難であり、不均衡な半径方向の力がロータに作用する結果とな るであろう。

遠心ポンプの設計において遭遇されるさらに他の一つの挑戦は、ポンプのジオメ トリ−に合致する駆動手段を設けることである。すべての駆動手段の寸法に関す る通常の制約に加えて、半径方向連結構造部はその軸方向長さの３倍を超える直 径を有することを必要とされる。このジオメトリ−は永久磁石を含むロータ組立 体を駆動する手段として在来的に巻かれたステータの使用を躊躇させる傾向を有 する。何故ならば、在来的に巻かれたコイルはその直径より大きい軸方向長さを 存するステータに恐らく有利であるからである。最後に、身体に埋め込まれるす べての装置においては、ロータ駆動手段によって発生される熱を、可能な限度ま で、最少化しそして発生された熱の効果的消散を達成する必要かある。

従って、本発明の一目的は固定駆動手段と可動ロータとの間の半径方向磁気連結 を通じて身体に埋込まれる遠心ポンプを駆動するための手段を提供することであ る。

他の一目的は、運転間に発生される熱を最少化するように巻かれたコイルを以て 、ロータと駆動手段とから成るモータの２個またはそれ以上の相に対する２個ま たはそれ以上の導電コイルを有する固定ロータ駆動手段を提供することである。

池の一目的は、ロータのための駆動構造であってその運転間に発生される熱の消 散と、ロータと駆動手段との間の半径方向ギャップの精密な決定とに特によく適 するものを提供することである。

本発明のさらに他の一目的は、ロータを包囲しそして遠心ポンプ内におけるロー タの流体力学的軸受形式の支持を可能にするのに適正な量を以てロータから半径 方向に離間された駆動装置を提供することである。

発明の概要 これら及びその他の目的を達成するために、反対磁極が互いに隣接する交互する 配置を以て同等数の北磁極と南磁極とを育する永久磁石を備えたロータ組立体を 有するポンプ駆動モータが設けられる。支持手段がロータ組立体を回転可能に支 持するために設けられる。さらに、ロータと同軸の環状のステータフレームを存 するステータが設けられ、該ステータフレームはそれとロータ組立体との間に予 決定ギャップを設けるように支持手段に固定される。ステータフレームは磁束運 搬材料から構成されそして環状の外リムであってステータフレームの軸方向寸法 より大きい直径を有するものを含む。ステータは、さらに、少なくとも２本の電 気導体であって前記外リムに沿って配置されそして互いに電気的に絶縁されたも のを有する。各導体は円周方向に且つ対称的に前記外リムのまわりに配置された 一連の能動部分と、能動部分間の連結部分とに形づくられる。各能動部分は前記 リムをトロイド状に包囲する関連導体の複数のトラバースを有する。各連結部分 は導体の単一ストランドまたは部分の形式で前記リムに沿って概ね円弧状に延び る。従って、能動部分は連結部分の長さより実質的に大きい長さを育する。各導 体の能動部分は他の導体のおのおのの対応する特表千４−５０６４４６　（４） 能動部分から選択的に円周方向に離間される。電力供給装置を含む駆動手段は前 記支持手段とステータとに相対してロータ組立体を回転させるように予決定シー ケンスを以て導体に電流を供給する。

好ましくは、ステータはロータ組立体をそれに対して概ね軸方向に整合されそし て半径方向に離間された関係に包囲し、以てそこにおける予決定ギャップが環状 であるロータ組立体とステータとの半径方向連結を達成し得る。

本発明の一形式において、ステータフレームは前記外リムから半径方向内方へ突 出されて複数のスロットを画成するように互いから離間された複数の歯を育する 。導体の能動部分は前記スロットに沿って配置され、これらスロットの個数は能 動部分の総数の整数倍である。歯の半径方向内面は前記支持手段の外面と接触し て取付けられるステータフレームの基準面を画成するように協働する。

ステータフレームは有利には複数、例えば１０個以上、の薄板であっておのおの 約０．　５０８ｍｍ（０，０２ｉｎ）より薄い軸方向厚さを有するものを育する 層構造である。

特に好的な一実施例においては、２０個の層、おのおの０、　３５５６＋ｎｍ（ ０，０１４ｉｎ）の厚さを有する、が珪素鋼から形成され、この構造は渦電流損 失を最小にする。

−好的構造はステータフレームの周囲に巻かれる３本の絶縁された銅ワイヤ巻線 を導体として使用する３相モータを形成する。コイルのおのおのはロータ組立体 内に固定される永久磁石の４磁極に対応する４個の能動部分を有する。さらに、 各コイルの能動部分は外リムのまわりに反対方向にトロイド状に巻かれる。従っ て、同じコイルの円周方向に隣接する能動部分が永久磁石の対向磁極に近接して 位置されることによって、ロータを駆動するための蓄積力が提供される。

ステータフレームのまわりの導体の在来巻線と比較されるとき、本発明に従う巻 線は、特定駆動トルクに対しより少ない熱を発生することと、発生された熱をよ り効果的に消散することとにおいて、身体埋込装置にとって好適である。より明 細に記すると、モータの各相と関連する巻線はステータフレームの歯のまわりの 在来巻線より短く、しかも各導体の連結部分と比較されるとき能動部分の長さが 実質的により大きいことによって十分なトルクを発生する。ステータフレームの 外リムのまわりの導体の配置は、半径方向内方の歯のまわりのそれよりも、導体 内に発生された熱の消散を増進する。内縁表面は巻線を越えて突出し、従って遠 心ポンプケーシングまたは他のロータ支持手段に対しステータフレームを取付け るための基準面を提供するように協働する。

本発明に従うロータとステータとの半径方向連結は、遠心身体埋込ポンプと組合 わせて使用されるとき、同寸法の在来モータのロータとステータとの間の典型的 ギャップよりも実質的に例えば〜桁大きい半径方向寸法を有するロータとステー タとの間の予決定ギャップを要求する含塩流体潤滑剤の流体力学的軸受作用によ るロータの支持を必然的に伴う。しかし、導体のトロイド状巻線は、比較的大き いギャップにもかかわらず、要求される高速度、例えば４０００ｒｐｍまたはそ れ以上、を以てモータを駆動するのに十分なトルクを提供する。

本発明のさらに他の一特徴は、ポンプケーシングのスラスト軸受によるロータと ステータフレームとの少し軸方向に片寄らされた整合である。スラスト軸受が存 在しないときは、ロータ磁石から生じる磁力はステータフレーム内においてロー タを軸方向に定心する傾向を発揮する。ジャーナル軸受によって提供される半径 方向定心によって、スラスト軸受は少し軸方向に片寄らされた位置に永久磁石を 位置させるようにロータを係合させるように位置される。従って、スラスト軸受 と磁力は反対軸方向にロータに作用し、以てシャフトリップの適正な機能発揮と ポンプの安定した運転とのためにロータを安定化するのに役立つ。

図面において 以上の及びその他の特徴ならびに利点のさらなる理解のために、好的実施例に関 する以下の詳細な説明及び諸図面に対し参照が為される。図面において二環１図 は本発明に従って構成された遠心ポンプの縦断面図である： 第２図は遠心ポンプのロータにおいて使用される永久磁石の平面図である： 第３図は遠心ポンプにおいて使用されるステータフレームの斜視図である； 第４図はステータフレームのまわりに電気導体を巻付ける第１の段階を示す平面 図である： 第５図は第４図の線５−５に沿って切られた断面図である： 第６図は第４図の線６−６に沿って切られた断面図である： 第７図はステータフレームのまわりに導体を巻付ける第２の段階を示す： 第８図はステータフレームのまわりに導体を巻付ける最終の段階を示す： 第９図は一代替実施例の遠心ポンプのためのステータの平面図である： １１０図はポンプのための無ブラシモータ制御器の配線路図である。

第１１図は埋込まれたポンプ及びポンプを運転するための外部制御手段の概略図 である： 好的実施例の詳細な説明 次ぎに図面を参照すると、第１図には体内に埋込まれ得る遠心ポンプ１６が内部 特徴の説明を容易にするため断面図で図解されて示される。ポンプ１６は２２て 示される対応するそれぞれの雄ねじ及び雌ねじ部分におけるインペラケーシング １８とロータケーシング２０との結合によって形成される誘電ハウジングを存す る。チタンステータケーシング２４がロータケーシング２０の底部分を包囲して 、環状ステータ２６をロータケーシングの外側に確保する。代替的に、前記ステ ータ及びロータケーシング底部分は生物学的適応性エポキシのごときプラスチッ クのカプセル内に被包され得る。

含塩溶液または流体潤滑剤が通路２８を通じてロータケーシング２０によって形 成されロータ室３０へ供給される。ステンレス鋼ロータ３２が垂直軸線を中心と して前記室内で回転するように収容され、そして倒立Ｔ影輪郭を有する概ね円柱 形である。ロータ３２は円筒形の軸３４と、該軸の下にそれより少し大きい直径 の胴３Ｇとを有する。円板形状のカバー３８が前記胴にその底に沿って結合され 、環状の４極ネオジム鉄（ＮｄＦｅ）永久磁石４０を取り囲む。前記磁石はカバ ー３８を溶接することによって囲い内に密封され、以て化学的に反応するＮｄＦ ｅを含塩溶液から隔離し、それ（こより磁石の腐食と溶液の汚染とを防止する。

また、磁石４０はカバーの溶接に先立って胴内の適所に結合され、以て胴内にお ける磁石の自由な回転を防止する。

インペラケーシング１８は、ポンプ１６かそれを通じて血液またはその他の体液 を受取る入口喉状部４２を有する。前記ケーシングはインペラ４６か回転可能に その内部に取付けられるインペラ室４４を形成する。さらに明細に述へると、イ ンペラ４６は垂直円筒形のインペラシャフト５０に固定された複数のインペラブ レード４８を存し、一方、インペラシャフト５０はねじ結合または接着剤によっ て軸３４に固定され、従ってインペラシャフト５０とインペラ４６はロータ３２ と一体にされている。さらに、前記インペラ、シャフト及びロータは第１図にお いて垂直である共通回転軸線と同心である。好ましくは、シャフト５０は低温等 方性黒鉛、または代替的に、研磨されたステンレス鋼から構成される。インペラ ４６はポリカーボネートまたはポリスルホンから構成される。

ケーシング１８及び２０内でのそしてそれらに関する、ロータシャフトインペラ 組立体の半径方向位置は、軸３４を包囲する環状のロータ案内５２によって決定 される。

ロータ案内５２はロータケーシングに相対して取付けられ、そして好ましくは、 内径を軸外形より少し大きくされて、ポリカーボネートまたはポリスルホンから 構成される。ロータの軸方向位置はロータケーシング２０内に成形されたスラス ト軸受５４によって限定される。

インペラ室４４とロータ室３０は、強度と安定性とを増すために金属環状板５８ を埋設された可撓環状シール部材５６であって好ましくは黒鉛を充填されたエラ ストマ、例えばネオブレンラバー、から構成されるものによって互いから隔離さ れる。インペラ室に面するシールの上面はポンプ作動間において面に沿う凝血の 形成を防止するために非トロンボゲン形成ポリウレタン層を設けられる。シール 部材５６はリングシール６２と、シャフト５０を直ちに包囲する環状リップシー ル６４とを有する。

リップシールとシャフトとのインターフェースにおけるシール効果を最大にする ために、リップシール６４とシャフト５０は同心にされる。

ロータケーシング２０はカップの形に作られており、円筒形の壁か好ましくは、 言うまでもなく構造的完全性を維持しつつ、可能なかぎり薄く胴３６を包囲し、 以て磁石４０とロータケーシングに固定されるステータ２６との間の半径方向ギ ャップを最小にする。ロータケーシングは誘電材料から構成され、かくして磁界 の結果としての損失のある渦電流の形成を許さない。

ステータ２６はロータケーシング２０の下部分を包囲しそしてステータケーシン グ２４によって適所に維持され、ロータ胴内のマグネット４０との回転電磁結合 ために位置される。ステータは環状フレーム即ちコア６６と、該コアの回りに配 置された一連の絶縁銅線の巻線とを有する。電気的エネルギは選択的に巻線先こ 供給され、ステータと磁石との間に磁界を発生させそして変化させ以て例えば約 ４０００から７００Ｏｒｐｍの範囲内の予決定速度で磁石４０及び、従ってロー タ、インペラ及びシャフトを回転させる。その一つか６８で示されている複数の ホール効果半導体素子かステータフレーム６６に取付けられそしてロータとステ ータとの間の磁界の極性と強さとに反応し、以てステータに対するロータの円周 方向位置を決定する。

ポンプ１６の作動は２本の流体通路に関連する。第１は入口喉状部４２を通じる インペラ室内への血液の通過に関係し、インペラ室において血液はインペラ４６ の回転によって室から出口導管（図示せず）を通じて排出される。第２の流体通 路はロータ室３ｏへの通路２８を通じる含塩溶液の恒常的な流れに関係する。ロ ータ室に注入されるとき、含塩溶液は運動するロータ及びシャフトと固定された ロータケーシング、ロータ案内及びシール部材との間に流体潤滑剤を供給する。

特に、前記溶液はカバー３８とスラスト軸受５４との間、及びロータ案内５２と 胴３６との間においてスラスト軸受界面の形式で固定部分と回転部分との間に流 体力学的軸受作用を提供し、そしてロータ案内と軸３４との間、及びさらに胴３ ６とロータケーシングとの間にジャーナル軸受を提供する。最後に、前記含塩溶 液はインペラシャフト５ｏとリップシール６４との間に環状のジャーナル軸受を 形成する。

流体力学的軸受作用に加えて、含塩流体潤滑剤は粘性損失によって発生される熱 を吸収し去り、ロータ室内に捕捉されたあらゆる小さな気泡を溶液中に吸収して インペラ室４４内に散布し、かくしてシャフトとりツブシールとの間の界面に近 いあらゆる血液蛋白質または血球をシール部材５６から洗い流す。遠心ポンプの さらなる説明については、１９８９年６月１９日出願されそして本願の被譲渡者 に譲渡された米国特許願一連番号第０７／３８７９６０号、発明の名称“流体潤 滑剤が安定流量を以て補給される心臓補助ポンプ、が参照される。

第２図に見られるように、永久磁石４０は横断面が正方形でありそして中心穴７ ４を有する軟鉄中心コア７２を有する。コア７２を包囲して４個の同等寸法の磁 極即ち四分円か存在し、これらは７６と７８との２個がＮ磁極であり、８０と８ ２の２個がＳ磁極であるように、隣接する磁極が反対になる交互配列にされてい る。磁極７６−８２は、“ＭＣＩ”として識別され、インディアナ州アンダーソ ン市ゼネラルモーター社デルコレミ一部門から入手され得る永久磁石材料から構 成される。磁極材料はステータにおける磁束密度がヒステリシス損失を最小化す るために飽和レベルより低く維持されるように選ばれる。

この寸法のロータに輿望的な６または８磁極ではなく、４磁極の採用は磁石周囲 に沿って比較的より長い磁極長さを提供し、以て隣接磁極間の接続部における磁 束漏れを補償する。反対に、２磁極ではな（，４磁極の採用はステータにおける 磁束通路に沿う磁極間の最大磁束の減少を生じさせる。

磁極四分円７６−８２は隣接する四分円間に半径方向に延びるギャップ８４を設 けるようにエポキシによって互いに接合され、そして次ぎに胴３６内にしまりば めを達成するように周縁に沿って研磨される。次ぎに、磁石４０はエポキシによ って胴内に固定されるとともに、カバー３８か磁石を密封するように胴に溶接さ れる。

第３図において、ステータフレーム即ちコア６６が独立して図示され、以て環状 の背鉄即ち外リム８６及び外リムの半径方向内方に突出する一連の２４個の歯８ ８を含む若干の構造特徴を明らかにする。歯８８は同じ寸法と形状とを有し、そ して一連の２４個のスロット９０を歯の間に形成するように互いから同等距離を 以て円周方向に離間されている。歯８８の半径方向内縁面９２は組立てられたポ ンプ内でロータケーシング２０の内壁と接触する円筒形の基準面を形成するよう に協働する。

ステータフレーム６６は好ましくは層状構造であり、−好適例においては低磁気 抵抗材料、即ちＭ１９等級珪素鋼（珪素３％）、の２０枚の薄板のスタックから 構成され、各薄板は３．　５５６ｍｍ（０，１４ｉｎ）の厚さを有する。これら 薄板即ちラミネーションはおのおの薄い絶縁酸化物フィルムによって被覆され、 その後、２０枚のこれら薄板から成るスタックに組立てられ、次いで前記組立体 は歯８８の内縁を除くすべてに亙って整合する絶縁エポキシ層によって被覆され る。

ステータ２６の組立ては第４図から第８図に図解されており、各個のワイヤを互 いから電気的に絶縁しそして三つの独立した導電通路を形成し、一つがロータ及 びステータによって形成されるモータの３相のおのおのと関連されるように３本 の銅ワイヤをステータフレームの背鉄８６の周囲に巻付けることを含む。

組立ての第１の段階において、端子９６から銅ワイヤ９４は、選択された巻回数 、本例においては２４番ＡＷＧワイヤ３０回巻き、を含むトロイド状パターンを 以てスロット９０ａ内のリム８６のまわりに巻かれ、次いでスロット９０ｂ内に おいて同様に、即ちトロイド状に同じ方向に同じ巻き回数を以てリム８６のまわ りに巻かれる。ワイヤ９４は９８で示されるごとく外リムに沿って円弧状にスロ ット９０ｇ及び９０ｈまで進み、そこにおいてそれは９０ａ及び９０ｂに沿う巻 線と多少同様の様式で外リムのまわりに巻かれる。しかし、決定的相異はトロイ ド状の巻線が反対の向きである、即ちスロット９０ａ及び９０ｂにおいてリム８ ６の頂を半径方向内側へ横切るのとは反対に、リムの頂に沿って時計回りに巻線 が進むから、リム８６の頂を横切って半径方向外側へ向かうことである。ワイヤ の連結部分１００はスロット９０ｍ及び９０ｎへ外リムに沿って円弧状に進み、 そこにおいてワイヤはスロット９０ａ及び９０ｂにおける巻線の様式と方向とを 以て巻かれる。次いで、連結部分１０２はスロット９０ｓ及び９０ｔに沿うリム のまわりの巻線まで円弧状に進み、そこにおいてスロット９０ｇ及び９０ｈに沿 うリムのまわりの巻線と同じ様式と方向とを以て巻かれる。最後に、ワイヤ９４ の連結部分１０４は外リムの残部に沿って円弧状に形成され、スロット９゜ａに 近い点へ延び、かくして外リムの円周を実質的に包囲した後、端子１０６に戻る 。

かくして、銅ワイヤ９４は、互いから円弧方向に９０′離されたワイヤコイル１ ０８，１１０．１１２及び１１４の４個のトロイド状巻線即ち能動部分またはセ ットと、これら能動部分間の円弧状連結部分とに形成される。連結部分は図解の 便宜上外リム半径方向外方に図示されるか、実際上は第６図に示されるようにリ ムに接して横たわる。能動部分は外リムを回って同等に円周方向に離間され、お のおの２個のスロット９０、即ち２個のワイヤコイルを含む、を占める。４個の 能動部分は永久磁石４０の４個の磁極に対応する。連続する能動部分が巻かれる 交互反対トロイド方向は磁極の交互反対配列に対応する。従って、永久磁石４０ の交互に位置するＮ磁極とＳ磁極からの誘導電圧は直列で蓄積される即ち総合さ れる。

それぞれ１１６，１１８，１２０及び１２２を以て図示される４本の特定長さの 絶縁テープは、外リムに対するワイヤ９４の組付けに続いて、外リム８６の外向 きの軸方向面に添付される。各特定長さのテープは、その後に配置された銅ワイ ヤから、特に連結部分（第６図）の一つに沿って、銅ワイヤ９４を絶縁する。テ ープ片は図解の便宜上外リムから離されて示されるか、実際上は外面に直接に添 付される。

第７図はステータ２６の組立てにおける第２の段階を図解し、この段階では銅ワ イヤ１２４は４個の能動部分１２６．１２８，１３０及び１３２を形成するため に外リム８６のまわりにトロイド状に巻かれ、前記銅ワイヤ９４に沿って形成さ れた能動部分と同様であるが、スロット９０ｃ及び９０ｄ、９０ｉ及び９０ｊ、 ９０ｏ及び９０ｐ１及び９０ｕ及び９０ｖにそれぞれ沿って配置されるように円 周方向に片寄らされている。銅ワイヤ１２４は、さらに、前記能動部分の間に連 結部分１３４，１３６．１３８及び１４０を有し、それらは第１の組立段階に関 連して説明された態様でそれぞれ特定長さのテープ１４２，１４４．１４６及び １４８によって絶縁される。ワイヤ１２４は端子１５０と１５２との間に接続さ れる。連続する能動部分は永久磁石の磁極の交互反対配列に対応するように反対 トロイド方向に巻かれる。

ステータ２６の組立ての最終段階は第８図に図示される。銅ワイヤ１５４は４個 の能動部分１５６，１５８゜１６０及び１６２を形成するように外リム８６のま わりにトロイド状に巻かれ、前記鋼ワイヤ９４及び１２’４で形成された能動部 分と同様であるか、もう一度、これら他ワイヤの能動部分から円周方向に片寄ら されている。

明細に記すると、能動部分はスロット９０ｅ及び９０ｆ。

９０におよび９０１．９０ｑ及び９０ｒ、及び９０ｗ及び９０ｘにそれぞれ沿っ て配置される。ワイヤは能動部分の間に円弧状に延びる連結部分１６４，１６６ ．１６８及び１７０を有する。ワイヤ１５４の巻付けに続いて、連結部分は先行 段階に関連して説明されたようにそれぞれ特定長さの絶縁テープ１７２，１７４ ，１７６及び１７８によって被覆される。この場合もまた、連続する能動部材は 永久磁石４０の磁極の交互反対配列に対応する反対トロイド方向に巻かれる。ワ イヤ１５４は端子１８０及び１８２に接続される。

かくして、互いから電気的に隔離された三つの別個の導電通路か、それぞれ鋼ワ イヤ９４，１２４．及び１５４によってステータフレームの外リムの周囲に形成 される。おのおのが、回転方向に１２０′離された、ステータとロータとによっ て形成されるモータの３相の一つに対応する。各ワイヤは永久磁石４０の４個の 磁極７６−８２に相当する４個の能動部分即ちト呂イド状に巻かれた部分内に形 成される。これら部分の総数はワイヤ毎の部分数とワイヤとの積、即ち１２、で ある。導電通路は印刷コイルラミネーションまたはその他の好適な手段として設 けられ得るが、現在好ましいとされる導電通路は銅ワイヤである。

好ましくは、歯８８（及び／スロット９０）の個数は能動部分の総数の整数倍で ある。この場合、スロットと歯は各トロイド状巻線の円周方向位置決めのための 便利なガイドを形成し、歯８８は隣接する巻線を互いから分離する。３相に巻か れるステータにとって、１２個の歯及びスロットは十分である。しかし、モータ のよりスムースな性能のために、追加のそしてより接近して離間された半径方向 に指向される磁束運搬材料を設けるべく２４個の歯か設けられる。

ワイヤ９４．１２４及び１５４の配線後、ホール効果半導体素子６８及びさらに ２個のホール効果半導体素子１８４及び１８６が、円周方向に６０’離間されて 、第８図に示されるように歯８８に取付けられる。もし希望されるならば、同様 に離間された余剰セットのホールセンサが図示されるように設置され得る。セン サ６８，１８４及び１８６は、感知された磁界の強さ及び方向に基づいて、ステ ータ２６及びロータ３２の相互に関する円周方向位置を探知するための変換手段 として使用される。

より明細に記すると、センサ６８はスロット９０ｗをスパンし、センサ１８４は スロット９０ｃをスパンしそしてセンサ１８６はスロット９０ｇをスパンする。

かくのごとく、ホールセンサは商業基準１２０′フエージングを生じるように配 置される。ホール効果センサはロータ３２を駆動するため電源とワイヤ９４．１ ２４及び１５４との間で選択的に連続されるスイッチングを制御するように使用 され得、そしてさらにロータの回転速度を表示するタコメータとして使用され得 る。

フレーム６６と同様なステータコアにワイヤを巻〈従来の方式は、恐らく、例え ば背鉄の頂に弧状に沿って選ばれたスロットから、反対極性のスロットを下へ通 り、モして背鉄の底に弧状に沿って最初のスロットへ戻るようにして歯のまわり に配置する。この巻線形状においては、ワイヤの弧状部分は非能動であり、能動 部分はスロット内に位置され、この形状はその直径より実質的に大きい軸方向長 さを有するステータコアには育利である。

従って、この巻線方式はその長さより実質的に大きい直径を有する本ステータフ レーム６６に採用されるとき非効率的である。何故ならば、各ワイヤの非能動部 分は各ワイヤの全長に対する比率において過度に高いからである。

対照的に、ステータフレーム６６が第４図から第８図と関連して説明されたよう に巻かれるときは、各ワイヤの能動部分の長さは、スロット９ｏのおのおのに沿 う導電通路のトロイド状巻線即ちトラバースの本数の故に、２対３の率によって 円弧状の結合部分の長さより実質的に大きい。毎スロットの巻線の本数は（４０ ００ｒｐｍの設計速度において）所望の作動電圧ｉこ基づいて決定され、この場 合１２ボルトに対応する毎スロットの巻線は３０本である。例えば、６ボルトは 各スロットに沿って１５本の巻線を必要とするであろう。それにもかかわらず、 各ワイヤにおける非能動部分長さに対する能動部分長さの比率は、在米的に巻か れたコイルと比較されるとき著しくより短いワイヤを使用するモータへ同等作動 トルクを供給するのに十分に高い。各ワイヤにおける減少された長さは抵抗を減 少させ、従ってワイヤによって運ばれる電流によって発生されるオーム抵抗熱を 減少させる。減少されたオーム抵抗熱は、過度の熱は血液またはその他の体液を 損傷するから体内埋込装置に関しては特に重要である。トロイド状ＳＪ１＋は銅 ワイヤの著しくより短い長さを使用して、従来の歯８８のまわりの巻線の能動部 分と同等の能動部分を生じさせる。

トロイド状巻線企画のさらなる利点は、歯８８を包囲するのとは反対に、外リム 即ち背鉄８６のまわりにおけるその配置である。導電通路がこのように半径方向 外方へ移転されることによって、ワイヤ９４．１２４及び１５４において発生さ れるオーム抵抗熱は、ワイヤがロータケーシングの外周縁により接近し以て体液 への熱消散のためにより短い通路を提供するから、より容易に消散される。歯８ ８を包囲する在来の連続的巻線において必要とされる複雑なオーバラップは回避 され、既に説明されたように、鋼ワイヤコイルは互いから独立して巻かれ、そし て互いから絶縁される。歯８８の半径方向内縁はロータケーシング２０の外側に 対するステータフレーム６６の取付けのための環状基準面を提供するように精密 に機械加工され得る。前記ロータケーシングとステータフレームとか同心である から、磁界の力は前記ケーシングとステータの双方に関してロータ３２を半径方 向に中心配置する傾向を発揮し、従って前記ロータとステータとの間に精密な半 径方向ギャップを画成する。

流体力学的軸受作用によってロータ３２を支持するための含塩流体潤滑剤の使用 の故に、そしてさらに前記ロータとステータとの間のロータケーシング壁の厚さ によって、前記ロータとステータとの間のギャップは概ね２．５４ｍｍ（０，１ ｉｎ）であり、それはケーシングまたは流体力学的軸受が存在しない在来のギャ ップより一桁大きい。この比較的に大きいギャップのための必要によって生じる 効率の減少は、ステータワイヤのトロイド状巻線とともにステータフレーム６６ の寸法（体積）によって克服される。

電流が反復される順序でワイヤ９４．１２４及び１４に供給されるとき、磁界が ロータを駆動するために発生される。第２図へ戻ると、ロータ３２はロータ案内 ５２とジャーナル軸受とによってステータと同心に確保されるが、軸方向に整合 状態にされることは許されないことが理解され得る。むしろ、スラスト軸受５４ がロータをステータに関し軸方向に定心または整合された位置から僅かに上方へ または垂直方向に片寄らせて維持するよう位置にポンプの円滑な安定した作動の ために安定させる傾向を有する。対照的に、もしロータ３２が、そしてさらに特 に永久磁石４０が、軸方向に定心された位置において作用することを許されるな らば、それは慣性の力で垂直方向に振動して、リップシール６４をインペラシャ フト５０上で摺動させ、リップシールを摩耗させ、シール／シャフト界面におけ る凝血形成の可能性を増し、そしてシャフトに沿うリップシールのピストン運動 によって血液がロータ室へ入ることを許すであろう。

これら欠点は磁石とロータとを軸方向定心位置から変位させるようにスラスト軸 受５４を配置することによって回避される。ロータと磁石とを安定させるための 軸方向力は僅かであり、それは軸方向に連結された磁石によってロータが駆動さ れる前記先行設計において要求される軸方向連結力より一桁小さい。

第９図はステータフレーム１８７が４極永久磁石と関連して使用される、２相に 対応する、２本の銅ワイヤ１８８．１９０によって巻かれる一代替実施例におけ る構成を開示する。ワイヤ１８８は４個の能動部分１９４゜１９６．１９８，２ ００においてステータフレームの外リム即ち背鉄１９２のまわりに巻かれる。連 続する能動部分のトロイド状巻線は、第４図−第８図に関して既に説明されたよ うに反対方向に延びる。ワイヤ１９０は同様に前記背鉄のまわりに巻かれ、能動 部分２０２，２０４．２０６，２０８がワイヤ１８８の対応能動部分の間に円周 方向に位置され、そしてやはり一連の反対トロイド状方向を以て巻かれている。

従って、各ワイヤの能動部分の数は永久磁石の磁極の数と等しく、そしてワイヤ の数は相の数と等しい。しかし、両実施例に関連して、能動部分の数は永久磁石 の磁極数の任意の整数倍であり得ることと、銅ワイヤ並びにワイヤコイルの数も 同様に相の数の任意の整数倍であり得ることとが注目さるべきである。

第１θ図はポンプ１６の駆動においてモータを制御するのに使用され得る無ブラ シモータ制御器の概略図である。制御器２１６、例えば、インテリジェントモー タ社から入手され得るモデル１Ｍ−６０００制御器、は正圧（＋Ｖ）及び大地に バイアスされたインプットを有する。

モータ速度は＋７ｖと大地とにそれぞれバイヤスされた端子間の抵抗２１１に沿 って運動され得る接点２０９を存するポテンショメータによって提供される制御 電圧Ｖｃによって制御される。ホール素子５８，１８４及び１８６は、＋７Ｖと 大地とに端子を有する制御器内の供給手段によってエネルギを供給される。制御 器２１６内の回路はホールセンサ出力信号を使用してステータ巻線に供給される 切替電圧を制御し、かくして供給ｆｐＩｇＢ電圧Ｖｃに比例してモータ速度を制 御する。

第１１図は遠心左心室補助ポンプとして埋込まれたポンプ１６を概略的に図示す る。２個の圧力変換器２１０及び２１２がそれぞれインペラ室の入口及び出口に おける血圧を感知する。これらそれぞれの圧力を表す信号がコンパレータ２１４ へ供給され、コンパレータ自体はその出力を制御器２１６へ供給する。コンパレ ータ２１４と制御器２１６は破線２１８の左側、即ち身体の外側、に位置される 。ホール効果センサ１６８，１８４及び１８６の出力は制御器２１６へ供給され 、ロータの円周方向位置並びにその回転速度を表示する。制御器２１６内のコン パレータ２２０は、ホールセンサタコメータ出力及びコンパレータ２１４の圧力 差出力を受取り、そして速度指令を提供し、それによりステータワイヤ９４，１ ２４及び１５４へ供給される電流がポンプ速度を変更するように変動される。か くのごと（、速度指令は第１０図において制御器２１６に関連して検討されたポ テンショメータに代えて使用される。

ホール効果センサの位置信号は、ロータを適正に駆動するために予決定シーケン スを以てワイヤ９４，１２４及び１５４に制御器の動力供給手段を選択的に結合 する制御器２１６の切替回路を制御するのに使用される。手動ポンプ２２６また はその他の適当な手段が前記特許願連続番号第０７／３６７９６０号に説明され るごとき定流量を以て流体管２２８を通じてポンプ１６へ含塩流体潤滑剤を供給 する。かくして、血液循環の増加された要求を表示する圧力差信号に応答して、 ロータ及びインペラの回転速度は、より高い要求流量を以て血液を循環させるよ うに増加され得る。圧力差信号が一時的な増加された要求が低下したことを表示 するとき、ポンプへ供給される動力はその以前のレベルまで減じられる。

変換器２１０及び２１２によって提供される信号に応答してポンプ１６の回転速 度を制御するためのいくつかの代替的方法が利用され得る。第１の方法において は、動力補給は固定直流補給であり得、ワイヤ９４，１２４及び１５４間におけ る切替えを行う高周波数のデユーティサイクルがこれらワイヤに対して“効果的 ”直流電圧であってデユーティサイクルに基づいて固定電圧に比例して変動する ものを提供する。代替的に、動力補給は可変直流電圧であり得、制御回路は整流 機能に制限される。

かくのごとく、本発明に従って、半径方向に磁気的に連結されたロータとステー タは、ステータ巻線において発生されるオーム抵抗熱を最少化するとともに発生 されたオーム抵抗熱の消散を容易化するように構成された遠心ポンプのインペラ を高速度で回転させるための効果的なモータを提供する。ロータとステータとの 相互結合は誘電性ロータケーシングを通過するそれらの間の磁界を通じてのみ行 われ、従ってポンプの完全無菌性のためのポンプの密封性ならびにポンプの周囲 の環境の保護を維持する。

ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、５　ＦＩＧ、６ 国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．反対磁極が互いに隣接する交互する配置を以て同等数のＮ磁極とＳ磁極とを 有する永久磁石を備えたロータ組立体と； 前記ロータ組立体を回転可能に支持するための支持手段と； 前記ロータと同軸である環状のステータフレームを有するステータであって、前 記ステータフレームがそれと前記ロータ組立体との間に予決定ギャップを設ける ように前記支持手段に固定され且つ前記ステータフレームが磁束運搬材料から構 成されそしてその軸方向長さより大きい直径を有する環状の外リムを有するもの と；さらに前記ステータが少なくとも２本の電気導体であって前記外リムに沿っ て配置されそして互いに電気的に絶縁されたものを有し、前記導体のおのおのが 前記外リムのまわりに対称的に配置された一連の能動部分と、前記能動部分の間 の連結部分とに形づくられ、前記能動部分のおのおのが前記リムをトロイド状に 包囲する前記関連導体の多数のトラバースを有し、前記連結部分のおのおのが前 記リムに沿って概ね円弧状に延び、前記能動部分が前記連結部分の長さより実質 的に大きい長さを有し、そして各導体の能動部分が他の導体のおのおのの能動部 分から選択的に円周方向に離間され；そして前記支持手段と前記ステータとに相 対して前記ロータ組立体を回転させるように予決定シーケンスを以て前記導体に 電流を供給するために、電力供給手段を有する駆動手段 とを有するポンプ駆動モータ。
2. ２．請求の範囲第１項のポンプにおいて：前記ステータが、前記ロータ組立体と 前記ステータとの半径方向連結を可能にするために、前記ロータ組立体をそれに 対し半径方向に離間され且つ概ね軸線方向に整合された関係において包囲するポ ンプ駆動モータ。
3. ３．請求の範囲第２項のポンプにおいて：前記ステータフレームがさらに前記外 リムから半径方向内方へ突出されて複数のスロットを画成するように互いから離 間された複数の歯を有し、前記導体の前記能動部分が前記スロットに沿って配置 され、前記スロットの個数が前記能動部分の総数の整数倍であるポンプ駆動モー タ。
4. ４．請求の範囲第３項のポンプにおいて：前記歯のおのおのが半径方向内縁面を 有し、前記歯の内緑面が前記支持手段と接触する前記ステータフレームの基準面 を画成するように協働するポンプ駆動モータ。
5. ５．請求の範囲第３項のポンプにおいて：前記ステータフレームが少なくとも１ ０個の珪素鋼薄板から成る層構造を有し、各薄板が０．５０８ｍｍ（０．０２ｉ ｎ）より薄い軸方向厚さを有するポンプ駆動モータ。
6. ６．請求の範囲第２項のポンプにおいて：導体の数が相の数の整数倍であり、そ して前記導体のおのおのが同数の能動部分を有し、各導体における能動部分の数 が前記永久磁石における磁極の数の整数倍であるポンプ駆動モータ。
7. ７．請求の範囲第６項のポンプにおいて：前記導体のおのおのが絶縁金属ワイヤ であり、そして各ワイヤの能動部分が前記外リムのまわりにおける反対方向のト ロイド状巻線から構成されるポンプ駆動モータ。
8. ８．請求の範囲第２項のポンプにおいて：前記支持手段が前記ロータ組立体を収 容するロータ室を画成する誘電ケーシングを有しそしてさらに前記ケーシングが 前記ロータ室内へ流体潤滑剤を受容するため前記ロータ室と前記ケーシングの外 部に対し開く流体口を画成し、前記流体潤滑剤の流体力学的軸受作用が前記ケー シングに対し前記ロータ組立体を回転可能に支持し、前記ロータと前記ステータ フレームとの間の前記予決定ギャップが前記ケーシングを受容しそして前記流体 力学的軸受作用のために前記流体潤滑剤が前記ロータと前記ケーシングとの間に 十分に流れるのを許す寸法にされているポンプ駆動モータ。
9. ９．請求の範囲第８項のポンプにおいて：前記ロータ組立体の前記永久磁石が前 記ステータに関し軸方向定心位置を求める傾向を有し、そして前記ケーシングが 、前記磁石を前記定心位置から僅かに軸方向に片奇らせて位置させそして維持す るように前記ロータ組立体に軸方向に作用するスラスト軸受を有するポンプ駆動 モータ。
10. １０．請求の範囲第２項のポンプにおいて：前記磁石が環状でありそして４個の 磁極を有するポンプ駆動モータ。
11. １１．請求の範囲第１項のポンプにおいて：前記ステータに関する前記ロータ組 立体の円周方向位置を感知するための探知手段と、前記探知手段に応答して、前 記予決定シーケンスに従って前記電力供給手段に前記導体を選択的に連結するた めの切替手段とを有するポンプ駆動モータ。
12. １２．請求の範囲第１１項のポンプにおいて：前記電力供給手段が可変直流供給 手段であるポンプ駆動モータ。
13. １３．請求の範囲第１１項のポンプにおいて：前記電力供給手段が固定電圧を供 給し、そして固定電圧より低い有効電圧は、高周波切替モードで働く前記切替手 段の可変デューティサイクルによって前記導体に供給されるポンプ駆動モータ。
14. １４．ロータ室、インペラ室、前記インペラ室と後記ケーシングの外部とに流体 連通する体流体入口及び出口通路、及び前記ロータ室と前記外部とに流体連通す る潤滑剤入口通路を画成する誘電ケーシングと；前記ロータ室内に収容されそし て前記潤滑剤入口通路を通じて供給される流体潤滑剤の流体力学的軸受作用によ って前記ケーシングに相対して回転するように支持されたロータ組立体であって 、反対磁極が互いに隣接する交互する配置を以て同等数のＮ磁極とＳ磁極とを有 する永久磁石を備えたものと； 前記ロータ組立体に対し包囲する半径方向に離間された関係において前記ケーシ ングの外部に取付けられたステータであって前記ケーシングに固定された環状の ステータフレームを有し該ステータフレームがそれとロータ組立体との間に予決 定された半径方向ギャップを画成するように前記ロータと同軸であり且つ前記ス テータフレームが磁束運搬材料から構成されそしてその軸方向長さより大きい直 径を有する環状の外リムを有するものと；さらに前記ステータが少なくとも２本 の電気導体であって前記外リムに沿って配置されそして互いに電気的に絶縁され たものを有し、前記導体のおのおのが前記外リムのまわりに対称的に配置された 複数の能動部分を有し、各能動部分が前記リムをトロイド伏に包囲する前記関連 導体の複数のトラバースを有し； 前記ケーシングと前記ステータとに相対して前記ロータ組立体を回転させるよう に予決定シーケンスを以て前記導体に電流を供給するために、電力供給手段を有 する駆動手段と；そして 前記インペラ室内に収容されたインペラと、前記インペラを前記モータの回転に 反応して回転するように連結するための結合手段 とを有する身体埋込遠心ポンプを駆動する装置。
15. １５．請求の範囲第１４項の装置において：前記ステータフレームがさらに前記 外リムから半径方向内方へ突出されて複数のスロットを面成するように互いから 離間された複数の歯を有し、前記導体の前記能動部分が前記スロットに沿って配 置され、そして前記スロットの数が前記能動部分の数の整数倍である身体埋込遠 心ポンプを駆動する装置。
16. １６．請求の範囲第１５項の装置において：前記歯のおのおのが半径方向内緑面 を有し、前記歯の内緑面が前記ケーシングの外部と接触する前記ステータフレー ムの基準面を面成するように協働する身体埋込遠心ポンプを駆動する装置。
17. １７．請求の範囲第１４項の装置において：前記ロータ組立体の前記永久磁石が 前記ステータに関し軸方向定心位置を求める傾向を有し、そして前記ケーシング が、前記磁石を前記定心位置から僅かに軸方向に片奇らせて位置させそして維持 するように前記ロータ組立体に軸方向に作用するスラスト輪受を有する身体埋込 遠心ポンプを駆動する装置。
18. １８．請求の範囲第１７項の装置において：前記磁石が環状でありそして４個の 磁極を有し、前記ステータが３本の導体を有し、そして前記導体のおのおのが前 記能動部分の４個を有し、前記導体の能動部分が前記ステータフレームの円周に 沿って円周方向離間反復シーケンスを以て配列される身体埋込遠心ポンプを駆動 する装置。