軸流式磁懸浮人工心臟泵磁懸浮系統(tǒng)研究.pdf

1、心臟衰竭是心臟病發(fā)展的嚴重階段，直接威脅病人生命，由于很難及時找到心臟供體進行心臟移植手術，因此，大部分病人需要人工心臟來輔助人體心臟完成泵血功能，維持生命，直至找到合適的心臟供體；人工心臟在輔助心臟完成泵血功能的同時，可幫助病變的心臟恢復機能，是非藥物治療心衰的重要手段。而目前臨床采用的第二代人工心臟泵，其機械軸承處的發(fā)熱比較嚴重、易磨損、對血液損傷大、容易形成溶血和血栓等問題，限制了其發(fā)展和應用。磁懸浮軸承能夠實現(xiàn)轉子的無接觸懸浮支

2、承，消除了軸承處的機械摩擦和磨損，降低了對血液的破壞作用，也降低了溶血和血栓的發(fā)生幾率，延長了整機壽命。因此，研究可用于人體移植的磁懸浮人工心臟泵具有十分重要的科學意義和社會意義。
　　 目前，國際上針對磁懸浮人工心臟泵的研究取得了長足發(fā)展，但是可用于臨床的還很少，還有很多方面需要改進和完善。磁懸浮人工心臟泵是高度集成機械結構學、轉子動力學、流體力學、電磁學、自動控制技術、傳感器技術、電子技術等諸多學科的先進知識于一體的機電一體

3、化裝置，其核心部件包括磁懸浮軸承、葉輪轉子以及驅動電機。葉輪轉子和驅動電機的設計可以借鑒第二代人工心臟泵的技術，但用于人工心臟泵的磁懸浮軸承技術還未形成成熟的設計、分析和調試理論體系，需要進行深入細致的研究。因此，磁懸浮軸承系統(tǒng)的研究成為磁懸浮人工心臟泵研究的熱點和難點。
　　 磁懸浮軸承可以分為電磁軸承、永磁軸承和混合磁力軸承等多種類型。電磁軸承的結構和控制系統(tǒng)比較復雜，消耗功耗，但是可以實現(xiàn)轉子的五自由度主動懸浮控制；永磁軸

4、承結構簡單，無需控制系統(tǒng)，無功耗，但是不能實現(xiàn)轉子的五自由度全懸浮；混合磁力軸承兼有電磁軸承和永磁軸承的特點，可實現(xiàn)轉子主動懸浮控制，功耗和發(fā)熱都較小，但結構設計更復雜。通過綜合分析，磁懸浮人工心臟泵采用永磁軸承和電磁軸承相結合的磁懸浮軸承系統(tǒng)是比較合適的，但是如何將這兩種軸承完美地融合于人工心臟泵的狹小空間中是研究的重點和難點。
　　 本文針對用于軸流式人工心臟泵的采用徑向永磁軸承和軸向電磁軸承相結合的磁懸浮軸承系統(tǒng)進行了系統(tǒng)

5、深入的研究，設計了磁懸浮人工心臟泵原型機，實現(xiàn)了原型機轉子的五自由度穩(wěn)定全懸浮，對磁懸浮人工心臟泵磁懸浮軸承系統(tǒng)的設計、分析和調試方法進行了探索研究，包括機械結構設計、系統(tǒng)建模、控制器設計、轉子位移檢測和實驗調試等。本文深入研究了徑向永磁軸承和軸向電磁軸承的特性以及相互間的耦合關系，基于這種耦合關系，提出了徑向永磁軸承與軸向電磁軸承相結合的心臟泵轉子磁懸浮支承方案，融合了永磁軸承和電磁軸承的優(yōu)勢，針對具體的系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計；基于徑向永

6、磁軸承轉子磁環(huán)的磁場耦合，提出了基于霍爾傳感器的心臟泵轉子軸向位移徑向檢測方法，實現(xiàn)了轉子軸向位移檢測，省去了單獨的被測器件，簡化了系統(tǒng)結構；基于徑向永磁軸承的磁場分析，采用多個霍爾傳感器徑向對稱布置方案，消除了轉子徑向位移對軸向位移檢測的影響，提高了檢測精度；完成了軸向電磁軸承系統(tǒng)的模擬PID控制器和線性功率放大器的設計；磁懸浮人工心臟泵原型機轉子的懸浮實驗和旋轉實驗表明所提出的磁懸浮軸承系統(tǒng)方案及轉子軸向位移檢測方法是切實可行的，滿

7、足了系統(tǒng)要求。論文的主要研究內容如下：
　　 (1)研究了徑向永磁軸承的懸浮原理、結構及力學特性。建立徑向永磁軸承的有限元模型，利用有限元法分析計算徑向永磁軸承的承載力及剛度特性，找出了徑向永磁軸承的剛度隨定轉子磁環(huán)間的相對軸向位移的變化規(guī)律，以及徑向永磁軸承的剛度隨著永磁環(huán)徑向厚度和軸向長度的變化規(guī)律。根據(jù)人工心臟泵的轉子轉速及人體生理需求等參數(shù)，設計并優(yōu)化了徑向永磁軸承。
　　 (2)基于軸向電磁軸承與徑向永磁軸承之

8、間的力耦合和剛度耦合，提出了軸流式人工心臟泵的磁懸浮軸承系統(tǒng)的設計方案。建立了軸向電磁軸承的承載力模型，并對其力學特性進行了研究。基于心臟泵轉子的受力平衡分析，研究了徑向永磁軸承和軸向電磁軸承之間的力耦合和剛度耦合關系，基于這種耦合關系，提出了心臟泵磁懸浮軸承系統(tǒng)的兩種設計方案：降低功耗設計方案和減小體積設計方案，給出了兩種方案的設計準則，并對軸向電磁軸承進行了設計和優(yōu)化。所提方案解決了軸流式人工心臟泵磁懸浮軸承系統(tǒng)的設計和控制難題。<

9、br>　　 (3)由于軸向電磁軸承必須在閉環(huán)情況下才能穩(wěn)定工作，所以必須對轉子的軸向位移進行檢測。基于徑向永磁軸承的磁場分析，提出了利用徑向布置的霍爾傳感器檢測轉子軸向位移的間接檢測方法，并設計了轉子軸向位移檢測系統(tǒng)。由于人工心臟泵要求功耗低、體積小，傳統(tǒng)的軸向位移檢測需要額外的被測元件，增加了心臟泵的質量與體積，同時也導致系統(tǒng)結構比較復雜，因此，本文首先從理論上研究了霍爾傳感器的輸出信號與徑向永磁軸承轉子磁環(huán)磁場的變化關系。在此基礎

10、上，采用徑向放置的霍爾傳感器檢測徑向永磁軸承轉子磁環(huán)磁場在傳感器處的變化，來反映轉子的軸向位移，省去了額外的被測器件，有效減小了心臟泵的長度、體積和質量?；趶较蛴来泡S承的磁場分析，提出了多個霍爾傳感器徑向對稱布置的方案，解決了霍爾傳感器輸出中轉子徑向位移和軸向位移的耦合帶來的問題，提高了軸向位移檢測精度。設計了具有良好的檢測精度和線性度的心臟泵轉子軸向位移徑向檢測系統(tǒng)，為軸向電磁軸承的主動控制提供轉子軸向位移信號。
　　 (4

11、)設計了磁懸浮人工心臟泵軸向電磁軸承控制系統(tǒng)。在分析轉子重力及血液對轉子運動的影響的基礎上，把轉子的重力視作干擾力，建立了磁懸浮人工心臟泵轉子的動力學模型，并對轉子進行了動力學分析，為軸向電磁軸承的控制器研究和設計提供了基礎。設計了磁懸浮人工心臟泵軸向電磁軸承系統(tǒng)的模擬PID控制器和線性功率放大器，并進行了仿真。對設計的控制系統(tǒng)進行了帶寬、相位延遲等各項性能指標的測試及調試。
　　 (5)研制出了國內首臺軸流式磁懸浮人工心臟泵原

12、型機。該原型機采用了徑向永磁軸承和單端軸向電磁軸承相結合的磁懸浮軸承系統(tǒng)，基于霍爾傳感器的轉子軸向位移徑向檢測系統(tǒng)，以及模擬PID控制器和線性功率放大器。對原型機進行了起浮實驗、靜態(tài)懸浮實驗、抗干擾實驗以及旋轉實驗。在轉子起浮時，啟動過程短，轉子快速到達中間懸浮位置；轉子靜態(tài)穩(wěn)定懸浮時，軸向懸浮精度為1.6μm；在受到?jīng)_擊干擾后，轉子經(jīng)過數(shù)個振蕩后快速回復到原懸浮位置；在無槽永磁直流無刷電動機驅動下，轉子在空氣中的最高轉速達到5100r

13、/min，轉子的軸向最大振幅不超過7μm。實驗結果表明系統(tǒng)具有良好的起浮性能、抗沖擊干擾性能和懸浮精度。
　　 本文的研究工作初步建立起了一套軸流式磁懸浮人工心臟泵磁懸浮軸承系統(tǒng)的設計、分析和調試實驗方法。論文研究工作表明，所提出并完成的針對軸流式人工心臟泵磁懸浮軸承系統(tǒng)的理論分析和實驗研究方法，以及在理論分析和設計階段所開展的動力學分析及控制系統(tǒng)分析是重要的和有價值的研究成果，所采用的徑向永磁軸承和單端軸向電磁軸承相結合的磁懸