大氣隙永磁軸流式血泵磁力傳動系統(tǒng)研究.pdf

1、血泵做為心衰患者的輔助裝置，最主要功能是實現(xiàn)自然心臟的泵血功能;因此對磁力傳動系統(tǒng)進行研究，是人工心臟走向臨床的首要問題。
　　磁力傳動系統(tǒng)主從間隙增大便于對血泵葉輪優(yōu)化設計，降低溶血，減小泵對血液的破壞，但是同時也會使血泵整體體積增大，已應用于臨床的血泵，由于體積大無法植入兒童體內，僅有兩款針對兒童設計，研制出微型化、智能化、運行穩(wěn)定、耐久是人工心臟的發(fā)展趨勢。驅動能力是驅動結構微型化的首要滿足條件，能量效率、溫升、速度調節(jié)的快

2、速性和平穩(wěn)性直接影響血泵的長久植入和穩(wěn)定運行，在這些方面目前缺乏深入研究。
　　本文針對植入式血泵主從磁極氣隙大(5mm)的情況，以實現(xiàn)血泵的小型化、高功效、低溫升，快速而平穩(wěn)啟動為研究目標;通過對系統(tǒng)電磁驅動性能，能量損耗以及溫度場和速度控制方法等基礎科學問題的研究，設計了血泵小型化、低溫升的磁力傳動系統(tǒng)，為血泵磁力傳動系統(tǒng)的設計提供了參考。
　　論文的主要研究內容及結論:
　　(1)設計血泵大氣隙磁力傳動系統(tǒng)。以驅

3、動力矩作為系統(tǒng)性能的首要目標，建立了血泵軸負載力矩數(shù)學模型，得到了血泵軸負載力矩值與轉速關系;設計了血泵磁力傳動系統(tǒng)十種不同結構方案，利用ANSYS軟件數(shù)值計算了不同方案的驅動力矩，根據仿真分析結果并結合實際加工制造，確定了三齒槽定子結構;分析了定子外徑、氣隙長度和永磁體厚度對驅動力矩、電感和磁感應強度大小的影響，確定優(yōu)選后的定子外徑為28mm。
　　(2)建立血泵能量損耗計算模型。建立血泵磁力傳動系統(tǒng)定子鐵芯、永磁體、繞組、水回

4、路和軸承能量損耗的數(shù)學模型;利用ANSOFT仿真研究了三齒槽定子的鐵芯損耗和永磁體損耗，在9000rpm時鐵損和永磁體損耗分別為0.291w和2.4wm;建立了系統(tǒng)的能量傳遞效率模型，實驗表明，驅動定子和血泵的平均傳遞效率為46.85％和10.88％。
　　(3)血泵全域溫度場研究。建立了血泵流固耦合溫度場求解理論模型，確定了溫度場仿真求解熱性能參數(shù)，研究表明:轉速為8600rpm時的最高溫升為6.976℃，出現(xiàn)在定子繞組區(qū)域，外

5、殼最高溫升為4.024℃;通過對定子相繞組、轉速和外殼間氣隙導熱系數(shù)與全域溫升進行分析，當相繞組值為3Ω時，外殼最高溫升2.264℃，轉速為8000rpm時，外殼最高溫升為2.707℃，溫升較低。
　　(4)控制系統(tǒng)硬件設計與速度控制策略研究。設計了控制系統(tǒng)驅動、控制、逆變和反饋硬件電路;提出了基于血泵機械-電磁-流體力學性能的加速啟動策略，得到了血泵速度控制曲線，加速到9000rpm為3.9s;針對穩(wěn)定運動狀態(tài)，提出了恒功率低能