CN102255463A - 人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机 - Google Patents

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苏静静
王伟
王毅
刘会祥
张文海
刘康
李冀鹏
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Beijing Tiangao Zhiji Technology Development Co., Ltd.
Teda International Cardiovascular Hospitall
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本发明属于一种医疗器械，具体涉及一种人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机。本发明的优点是，它具有结构简单、运行可靠、维护方便、轴向结构紧凑，效率高和无级调速等特点，尤其体积小和重量轻，特别适用于对体积、重量和温升有苛刻要求的人工心脏装置。本发明中所涉及电机采用了永磁轴承，利用永久磁钢间的磁力提供转子悬浮所需的径向力和轴向力，不需要电磁悬浮复杂的转子位置测量和反馈控制，以及电磁铁等复杂的结构，也不需要超导悬浮复杂的超导冷却系统，结构简单，成本低，可以实现高速、长期和连续运转。

Description

人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机
技术领域
本发明属于一种医疗器械，具体涉及一种人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机。
背景技术
人工心脏是将左心室的血液引流到泵内再注入主动脉系统，从而减轻左心室负担，维持人体有效循环。根据其工作原理，人工心脏可以分为：第一代气动式、第二代叶轮式，如：MicroMed DeBakey、HeartMateII、Jarvik 2000，INTEC及Impella等，以及第三代悬浮(转子和定子不接触)式人工心脏。第一、二代人工心脏所用的电机由于采用机械轴承等原因，不可避免的对血液造成破坏，产生血栓和溶血现象。悬浮式人工心脏所用的电机取消了机械轴承，血栓和溶血现象可以有效减轻。目前，国内第三代悬浮式人工心脏处于初步研制阶段。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积重量小，无机械轴承，避免对血液的破坏，且运行安全可靠的人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机。
本发明是这样实现的，人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机，它包括双定子、转子和永磁轴承，转子位于双定子之间，所述的双定子包括电机上端盖，嵌入到其中的上定子铁芯和上定子绕组，电机下端盖和嵌入到其中的下定子铁芯和下定子绕组，电机上端盖设在上泵壳和入口上，电机下端盖设在下泵壳上，电机的两个定子对称放置在泵壳的外侧；所述的转子包括转子壳体、动磁环、电机磁钢以及转子密封片，动磁环和电机磁钢分别设在转子壳体内的环形和扇形空腔内，电机磁钢极性交替放置，转子壳体上还设有转子密封片；所述的永磁轴承主要包括动磁环、静磁环、磁钢垫片以及调整垫片，其中，螺钉穿过静磁环并将其固定于底座上，调整垫片位于螺钉与静磁环之间以及静磁环与底座之间，底座固定于中心轴上。
置入转子内的动磁环是永磁轴承的一部分，与静磁环共同支撑转子。
所述的定子绕组采用双层叠绕组的连接方式，定子绕组采用热粘合或溶剂粘合聚酯漆包圆导线绕制，绕制完成后通过加热或涂有机溶剂粘合定型。
本发明的优点是，它具有结构简单、运行可靠、维护方便、轴向结构紧凑，效率高和无级调速等特点，尤其体积小和重量轻，特别适用于对体积、重量和温升有苛刻要求的人工心脏装置。本发明中所涉及电机采用了永磁轴承，利用永久磁钢间的磁力提供转子悬浮所需的径向力和轴向力，不需要电磁悬浮复杂的转子位置测量和反馈控制，以及电磁铁等复杂的结构，也不需要超导悬浮复杂的超导冷却系统，结构简单，成本低，可以实现高速、长期和连续运转。
附图说明
图1为本发明所提供的人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机剖视结构示意图；
图2为图1的A-A向的转子剖视图；
图3为永磁轴承结构示意图。
图中，1电机上端盖；2上定子铁芯；3上定子绕组；4转子壳体；5动磁环；6电机磁钢；7转子密封片；8静磁环；9螺钉；10入口；11上泵壳；12下泵壳；13磁钢垫片；14调整垫片；15螺钉；16中心轴；17底座；21电机下端盖；22下定子铁芯；23下定子绕组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：
人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机包括双定子、转子和永磁轴承。这种结构可以使电机获得最小的转动惯量和最优的散热条件，适合人工心脏小体积和低温升的要求。并且，由于采用了永磁轴承，避免了采用机械轴承对血液的碾压破坏，解决了溶血和血栓问题。
本发明中的永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机采用的永磁轴承由六块圆环形永磁磁钢组成，磁极N、S极性相对放置。工作时，利用永久磁钢间的磁力支撑转子。根据Earnshaw定理，只有永磁体构成的磁悬浮系统是不可能在全部自由度上实现稳定平衡的。因此，在轴向上引入动压轴承。动压轴承利用摩擦表面的相对运动，将液体带入位于转子顶端的收敛楔内，形成压力液体膜，产生轴向承载力，与永磁轴承共同作用，实现转子在泵腔中的稳定悬浮运转。永磁轴承的应用避免了对血液的破坏，而且避免了传统的磁悬浮轴承(需要位置传感器的磁悬浮轴承)由于传感器的存在而带来的磁悬浮系统尺寸变大、成本高、可靠性低的缺点。
本发明所述的永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机采用电子换向方式，避免了有刷电机由于机械换向方式带来的摩擦、噪音、火花、电磁干扰、寿命短，且经常需要维护等诸多缺点。且电机省去了转子位置传感器，使电机结构简单，体积较小。这种电机具有宽广的调速范围、平滑的调速性能和起动迅速等优点，又具备永磁电机运行效率高、无励磁损耗等特点。
本发明盘式无刷直流电动机外形呈扁平状，转子(即离心泵叶轮)上装有按N、S极性交替排列的永磁磁极，永磁体轴向磁化，从而在气隙中产生多极的轴向磁场。当定子绕组通电时，产生轴向旋转磁场，驱动转子旋转，从而带动血液旋转，产生离心力，血液由入口轴向吸入，径向排出，完成辅助循环作用。
以下结合附图详细描述本发明的具体结构及工作原理。如图1所示，电机上端盖1、上定子铁芯2和上定子绕组3组成双定子盘式电机的其中一个定子，电机下端盖21、下定子铁芯22和下定子绕组23组成双定子盘式电机的另外一个定子。其中，电机上、下端盖均为圆盘状结构，定子铁芯和定子绕组分别嵌入到电机端盖中。电机上端盖1采用激光焊接固定于上泵壳11和入口10上，电机下端盖21焊接到下泵壳上。电机的两个定子对称放置在泵壳的外侧。两定子通过上泵壳11和下泵壳12之间的螺钉9固定。定子的作用是当通入三相电流时，产生旋转磁场，驱动转子磁场。同时，定子作为磁路的一部分，起导磁作用。
电机转子包括转子壳体4、动磁环5、电机磁钢6以及转子密封片7等。动磁环5和电机磁钢6分别放置于转子壳体4内的环形和扇形空腔内，电机磁钢极性交替放置，具体放置方式如图2所示。转子密封片7采用激光焊接于转子壳体4上。转子壳体4和转子密封片7均采用医用钛合金，将磁钢与血液隔离，避免对血液造成破坏。转子是电机唯一转动的部件，其作用是产生多极轴向磁场，与定子产生的旋转磁场相互作用而旋转。同时，置入转子内的动磁环5是永磁轴承的一部分，与静磁环8共同支撑转子。
电机定、转子之间留有一定的轴向间隙，为电机的工作气隙。一般双定子盘式电机采用机械轴承将转子固定于气隙间，使其可绕轴线旋转。本发明采用永磁轴承使转子悬浮于气隙内，实现无摩擦运转。永磁轴承主要包括动磁环5、静磁环8、磁钢垫片13以及调整垫片14。其中，磁钢垫片13用于减小由于磁钢堆叠引起的退磁。螺钉15穿过静磁环8并将其固定于底座17上，底座17采用螺纹连接和支口定位的方式固定于中心轴16上。采用此方式不仅能使静磁环8的轴线垂直于定位面，从而保证永磁轴承安装位置的精确度，避免转子发生轴线偏转，而且螺纹连接的优点在于能够方便的拆卸静磁环8，便于通过增减调整垫片14来改变转子的轴向受力。
如图3所示，动磁环5和静磁环8排列方式为N-S，S-N，N-S或S-N，N-S，S-N交替放置。其工作原理为，当径向载荷作用于转子时，动磁环5和静磁环5间的径向工作气隙将发生变化，较小的工作气隙侧的斥力要比较大气隙侧的斥力大，从而产生回复力，使转子径向位置发生变化，趋于平衡状态；当动磁环5与静磁环8轴向错位，如通过增减调整垫片14使静磁环8低于动磁环5时，永磁轴承将对转子产生向上的推力。当永磁推力力与相反方向的转子重力和动压轴承推力大小相等时，转子将悬浮与泵腔中，这样就实现了双定子盘式无刷直流电动机的无机械轴承、无摩擦运转。
本发明的特点在于：
一，将电机定、转子与永磁轴承巧妙的结合在一起，空间得到有效利用，电机体积重量小。由于无机械轴承，对血液破坏程度小，且电机无需动密封结构，能够长期可靠运行。
二，电机采用双定子、单转子结构，不仅减小了单边磁拉力，有利于永磁轴承运转的可靠性，而且当其中一个定子绕组出现故障时，另一个定子也能可靠运行，进一步提高了电机运行的可靠性。
并且，转子无铁芯，转子转动惯量得以有效降低，因而电机可获得较小的机电常数，较高的峰值转矩和优越的动态性能。定子铁芯采用无槽结构消除齿槽转矩，从而有效降低电机振动；定子绕组采用双层叠绕组的连接方式，有效导体在空间沿径向呈辐射状分布，线圈在外径处无冗余，在内径处重叠相对较少，并可实现双层无交叉均匀叠放，导线利用率高。定子绕组采用热粘合或溶剂粘合聚酯漆包圆导线绕制，绕制完成后通过加热或涂有机溶剂(如酒精等)粘合定型，工艺性好，且避免了一般电机绕组采用环氧树脂灌封对人体造成的伤害。
三，本发明所涉及的盘式无刷直流电动机为无位置传感器设计，只需通过检测电机的电压、电流、磁链等物理量来得到转子的位置信息，避免了机械位置传感器带来的电机尺寸增大、引出线增加等弊端，大大提高了人工心脏的可靠性。

Claims (3)

1.人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机，它包括双定子、转子和永磁轴承，转子位于双定子之间，其特征在于：所述的双定子包括电机上端盖(1)，嵌入到其中的上定子铁芯(2)和上定子绕组(3)，电机下端盖(21)和嵌入到其中的下定子铁芯(22)和下定子绕组(23)，电机上端盖(1)设在上泵壳(11)和入口(10)上，电机下端盖(21)设在下泵壳(12)上，电机的两个定子对称放置在泵壳的外侧；所述的转子包括转子壳体(4)、动磁环(5)、电机磁钢(6)以及转子密封片(7)，动磁环(5)和电机磁钢(6)分别设在转子壳体(4)内的环形和扇形空腔内，电机磁钢极性交替放置，转子壳体(4)上还设有转子密封片(7)；所述的永磁轴承主要包括动磁环(5)、静磁环(8)、磁钢垫片(13)以及调整垫片(14)，其中，螺钉(15)穿过静磁环(8)并将其固定于底座(17)上，调整垫片(14)位于螺钉(15)与静磁环(8)之间以及静磁环(8)与底座(17)之间，底座(17)固定于中心轴(16)上。
2.如权利要求1所述的人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机，其特征在于：置入转子内的动磁环(5)是永磁轴承的一部分，与静磁环(8)共同支撑转子。
3.如权利要求1或2所述的人工心脏用永磁轴承双定子盘式无刷直流电动机，其特征在于：所述的定子绕组采用双层叠绕组的连接方式，定子绕组采用热粘合或溶剂粘合聚酯漆包圆导线绕制，绕制完成后通过加热或涂有机溶剂粘合定型。
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