基于永磁同步電機和電磁軸承的人工心臟研究
沈建新1，羅 佳2(1．新加坡南洋理工大學，新加坡；2．浙江大學，浙江杭洲310027)
摘要：提出的新型可植入式人工心臟是由軸向磁場結構的永磁同步電動機直接驅動。電機轉子安裝在人工心臟泵的葉輪上，并因電磁軸承的作用而懸浮。文中將重點分析該電機及軸承的結構與設計，并給出了一些相關的仿真結果。
關鍵詞：人工心臟；永磁同步電動機}電磁軸承
中圖分類號：tm341 文獻標識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)01-0003-04
1 引 言
近年，人工心臟的應用日趨廣泛。人工心臟的主體是微特電機驅動的離心泵。傳統的人工心臟利用機械軸連按電機轉子和泵的葉輪，連接軸和葉輪都由機械式軸承支撐。這種傳統結構的主要缺點是血液會凝結在軸承處，密封不佳，體積過大。
因此，近年人工心臟的研究重點在于使用電磁軸承取代連接軸[1-3]。一般性的結構如圖1所示。在這些設計中，電磁軸承的永磁轉子安裝在泵的葉輪上，置于泵殼內，而軸承的定子由電磁系統組成，安裝在泵殼外，通過適當的控制方法可以使葉輪懸浮。然而，有些電磁軸承的設計還不能使葉輪真正懸浮，為此需要使用支點來輔助懸浮。這種帶輔助支點的結構可以簡化電磁軸承的設計和控制方法，卻增加了人工心臟的結構復雜性并且降低了其使用壽命。另外，在圖1的設計中還需要一個傳統電機及磁耦合器來驅動泵的葉輪。磁耦合器由外盤和內盤構成。圖示的外盤中嵌有磁鋼，固定在電機軸上；內盤中嵌有相同數量的磁鋼，固定在泵的葉輪上。這兩個圓盤隔著泵殼而面對面安裝。這樣，電機的輸出轉矩可以通過內、外盤的磁耦合傳遞到泵的葉輪上，而不需機械的連接軸。這種磁耦合器的缺點在于：
①兩圓盤間的有效距離是三部分的總和：內盤和泵殼內壁的間隙，泵殼壁的厚度，以及外盤和泵殼外壁的間隙。顯然，在起動盛重載時，這樣大的氣隙極易造成磁耦合器的失步。
②傳統電機和磁耦合器結構的人工心臟體積笨重。
為了克服以上的缺點，作者提出了一種新型的人工心臟，它的葉輪直接由軸向磁場型的永磁同步電動機驅動而不用磁耦合器，并且由于電磁軸承的作用而懸浮良好。圖2是新型人工心臟的截面圖，其各個元件的名稱列于表1中。文中將重點介紹這種軸向磁場的永磁同步電動機及電磁軸承。
2軸向磁場的永磁同步電動機
永磁同步電動機中存在兩個磁場：一個是定子電樞電流產生的同步速旋轉磁場，另一個是相對轉子靜止的轉子永磁磁場。而這兩個磁場的相互作用使它們的穩態相對速度為零，故轉子本身也以同步速運行。引言中描述過的磁耦合器可以發現，內盤與軸向磁場結構的永磁同步電動機的轉子類似；外盤的軸向磁場和外盤自身相對靜止，但是當外盤由傳統電機驅動時，它的磁場也同步旋轉，這和1臺軸向磁場結構的永磁同步電動機的定子相似。因此，設計成以軸向磁場的永磁同步電動機直接驅動人工心臟。它的轉子安裝在泵的葉輪上代替磁耦合器的內盤，其定子安裝在泵殼外取代外盤和傳統電機。
如圖2所示，軸向磁場的永磁同步電動機的轉子軛部和4個扇形平板磁鋼安裝在1個鋁殼內，并由鋁蓋密封以防止液體滲漏。電機轉子鋁蓋的厚度、轉子鋁蓋和泵殼內壁的間隙、泵殼壁酌厚度分別用g、ga和gh表示。另一方面，軸向磁場的永磁同步電動機通常使用無槽的集中繞組[（如圖3所示）或環形繞組。令繞組的厚度為g。因此，電機總的氣隙將達到：g=ge+ga+gh+gw。gc=0.5mm，ga =0. 7mm，gh=lmm，如果使用無槽式繞組，gw的值往往大于3項的總和。電機有效氣隙太大，導致磁鋼工作點太低，磁鋼的使用效率下降，所產生的磁通少且多為漏磁。無槽式集中繞組的線圈節距遠遠小于120度（電角度），其繞組系數很低，繞組效率不高。因此，有必要重新設計繞組以減小gw和增加節距。
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