2013 Fiscal Year Research-status Report
磁気浮上型人工心臓の力学的特性の解明と磁気浮上制御系の開発
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25820077
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Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
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| Research Institution | Ibaraki National College of Technology |
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Principal Investigator |
小沼 弘幸 茨城工業高等専門学校, 電子制御工学科, 助教 (90520841)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | セルフベアリングモータ / 磁気浮上 / 磁気軸受 / 人工心臓 / 遠心ポンプ |
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| Research Abstract |
小柄な患者にも埋め込み可能な高耐久な人工心臓を実現するため，磁気浮上型人工心臓の小型化，磁気支持の信頼性の向上を図る必要がある。本研究では，一つのステータでロータの回転と磁気支持を分離して制御できる径方向支持型の磁気浮上モータ（セルフベアリングモータ）の開発と人工心臓としてセルフベアリングモータを用いた磁気浮上遠心血液ポンプの開発を行っている。本セルフベアリングモータは，ロータの径方向位置と回転を能動的に制御し，軸方向と径方向軸回りの傾きはロータに設置している回転浮上用永久磁石により発生する軸方向復元力と傾き復元トルクの受動安定性で静的に磁気支持し，完全非接触な磁気浮上を実現している。小型化，磁気支持の信頼性の向上を図るための検討として，インペラに作用する力学的特性を知る必要がある。そこで，本年度は，これまでに開発している磁気浮上遠心血液ポンプを対象として理論的解析や磁場解析，数値流体解析を行った。
本セルフベアリングモータの能動制御力と負バネ力の磁束密度との理論的関係式として磁束密度分布を矩形波状とした推定式を導出した。これにより本セルフベアリングモータを設計する際に径方向磁気支持特性を容易に確認できるようになった。
本推定式を用いて磁気支持特性の異なるように３種類のロータを設計し製作した。磁気支持の基本特性の評価を行った。今後，得られた基本特性から能動制御力・負ばね力・軸方向復元力・傾き復元トルクの関係を検討する。
数値流体解析を用いてインペラが軸方向に変位させたときのポンプ吐出性能と流体力の変化を確認した。インペラが軸方向に変位してもポンプ吐出性能はあまり変化しないことが分かった。軸方向の変位が増えるにつれて流体力は小さくなったが, 振動幅は大きくなることが分かった。今後，径方向に変位させたときと傾かせたときの確認を行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の計画は次のようになっている。平成２５年度～２６年度前半に，(1)負バネ力，復元力および復元トルクと磁束密度との関係式，(2)能動制御軸と非制御軸の干渉の関係式，(3)インペラの浮上位置と人工心臓ポンプ内の流体力の関係式の導出を行う。関係式を導くのにあたり，磁場解析や流体解析を行う。平成２６年度以降に(4)磁気浮上型人工心臓の開発・改良，(5)力学的特性と磁気浮上性能の関係の解明，(6)力学的特性を考慮した磁気浮上制御の開発を行う。
現在，(1)の負バネ力と磁束密度との関係式，流体解析により(3)のインペラの軸方向浮上位置を変えたときの特性の確認を終えている。また，開発した径方向磁気支持推定式の検証と復元力・復元トルクの推定式の検討のため，次年度予定していた(5)をこれまでに開発しているセルフベアリングモータを用いて，確認をすでに始めている。本結果を踏まえれば(1)の復元力および復元トルクと磁束密度との関係式，(2)能動制御軸と非制御軸の干渉の関係式の開発と検証が平成26年度前半に完了する予定である。以上から「おおむね順調に進展している」と考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度の研究は，初年度に完了していない研究を引き続き行い研究計画の(1)負バネ力，復元力および復元トルクと磁束密度との関係式，(2)能動制御軸と非制御軸の干渉の関係式，(3)インペラの浮上位置と人工心臓ポンプ内の流体力の関係式の導出の項目を完了する。関係式を導くのにあたり，磁場解析・流体解析を行う。また，小型化したセルフベアリングモータとそれを用いた磁気浮上遠心ポンプを開発（研究計画(4)）し，(5)力学的特性と磁気浮上性能の関係の解明を遂行する。研究計画(5)に関しては，初年度から始めているこれまでに開発している磁気浮上遠心血液ポンプも踏まえて力学的特性と磁気浮上性能の関係を最終年度前半までに明らかにする予定である。最終年度にこれまでに得られた研究成果を基に小型化したセルフベアリングモータとそれを用いた磁気浮上遠心ポンプの改良と(6)力学的特性を考慮した磁気浮上制御の開発を行い，人工心臓としてのポンプ性能の評価と磁気浮上制御系の評価を行う予定である。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
学会発表に伴う旅費が予定よりも抑えられたことから5,530円の差額が生じた。
次年度，国際会議に参加する予定であるため差額をその旅費の一部として充てる。
次年度では、汎用解析ソフトのリース費用（約80万円），位置センサの購入費用（約20万円），磁気浮上モータおよび遠心ポンプの試作費用（約20万円），学会発表費用（約40万円）の使用を予定している。
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