體外驅(qū)動錐形螺旋葉輪血泵電機(jī)有限元仿真分析
殷桂梁，夏春雷，高殿榮
(燕山大學(xué)，河北秦皇島066004)
摘要：提出了一種新型的體外驅(qū)動血泵電機(jī)，設(shè)計了血泵電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，通過理論分析，得出了在電機(jī)內(nèi)部形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場所需的三相定子電流相位。用ANSYS分析軟件對其進(jìn)行了電機(jī)內(nèi)部的磁場分析，得出了較為準(zhǔn)確的分析結(jié)論，計算結(jié)果驗證了血泵電機(jī)結(jié)構(gòu)的可行性。
關(guān)鍵詞：血泵；體外驅(qū)動；微電機(jī)
中圖分類號：TM381 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)07-0029-03
0引 言
近年來，多種多樣的血泵被廣泛應(yīng)用于輔助或代替自然心臟[1]。血泵主要分為脈動型和連續(xù)流型兩大類。連續(xù)流型血泵可以進(jìn)一步分為離心式血泵和軸流式血泵[2,3]。脈動型血泵主要是在研究早期采用，近幾年的研究方向主要集中在連續(xù)流血泵上，而連續(xù)流血泵中的軸流泵與離心泵相比，由于具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、易于植入等優(yōu)點，逐漸受到更多科研人員的關(guān)注。
在傳統(tǒng)的血泵系統(tǒng)中，大多采用體內(nèi)儲能或通過導(dǎo)線向體內(nèi)血泵提供能量，以維持血泵系統(tǒng)的能量供給[3,4]。由電池供電的體內(nèi)儲能方式由于存在不能長時間地向血泵提供足夠的能量問題，因此主要應(yīng)用于過渡性心臟功能輔助。而采用通過導(dǎo)線將體外的能量傳遞到體內(nèi)，由于有一穿越皮膚的供能導(dǎo)線，存在產(chǎn)生感染的風(fēng)險。
體外驅(qū)動血泵利用體外磁場進(jìn)行驅(qū)動和控制，它和傳統(tǒng)血泵相比有很多優(yōu)點。它不需要體內(nèi)放置儲能裝置，也去掉了穿越人體傳遞能量的導(dǎo)線，這樣就解決了傳統(tǒng)血泵出現(xiàn)的許多難以克服的問題，可以說它是新一代血泵研究的方向。但是體外驅(qū)動血泵驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計目前還不是十分成熟，處于研究階段，很多設(shè)計都沒有給出完整設(shè)計模型。在驅(qū)動方法上，現(xiàn)有的體外驅(qū)動血泵主要是采用體外旋轉(zhuǎn)永磁體來驅(qū)動體內(nèi)永磁體轉(zhuǎn)動[5]，由于體內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需要達(dá)到10 000 r/min，這樣人體外就需要存在一個高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，并且這樣的外磁驅(qū)動裝置，距離和位置對其影響很大，它必須固定在人的胸前正對體內(nèi)轉(zhuǎn)子的位置，所以說體外部分的放置是個很困難的問題。另外人胸前如果每天都帶著這樣一個電機(jī)，顯然對于人體自身和電機(jī)的穩(wěn)定運行都是不利的，高速電機(jī)的轉(zhuǎn)動部件也必然存在磨損現(xiàn)象，它的維護(hù)也是個問題。文獻(xiàn)[6]提出了一種全磁浮錐形螺旋葉輪血泵的設(shè)計方案，根據(jù)該文所提出的血泵的設(shè)計特點，我們提出了一種體外驅(qū)動血泵電機(jī)的設(shè)計方法，設(shè)計出了完整的體外驅(qū)動電機(jī)，采用在人體外貼身布置線圈來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，通過這個交變的旋轉(zhuǎn)磁場對體內(nèi)血泵進(jìn)行驅(qū)動和控制。
1 電機(jī)結(jié)構(gòu)
本文提出的體外驅(qū)動血泵電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中方框表示人體截面，AX、BY，和CZ分別為定子線圈的三相。錐型螺旋葉輪血泵[6]。中設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)子。考慮到人體實際情況將繞組集中布置在4X，BY，CZ幾處，有利于提高電機(jī)的效率。由于人體結(jié)構(gòu)的特點，不可能采用一般三相電機(jī)的繞線方式，使三個繞組在空間上相差120°，為了在電機(jī)內(nèi)部得到所需的旋轉(zhuǎn)磁場，可考慮將三相電流的相位設(shè)置為所需的相位角。
2 圓形旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生原理分析
由圖1的血泵電機(jī)結(jié)構(gòu)可知，電機(jī)三個繞組在定子空間位置上并不是相差120°，若要得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場，則需要改變?nèi)嚯娏鞯某跏枷辔弧?/DIV>
設(shè)各相電流幅值相同，B、C相繞組以A相繞組為軸面在空間上對稱分布，即：
初始相位分別為0°、90°和270°，即可在血泵電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生所需的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。
上面分析的是定子繞組在空間相差30°的情況。若α為任意角度，并要得到圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，則通過上述相同方法可知，需要滿足方程組：
由以上理論分析可知，只要電流初始相位取的合理，無論α為多少，都可以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，只是不同α對應(yīng)磁動勢幅值大小不同。
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