CN102319457A - 一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，包括通过磁悬浮系统悬浮于血泵中间的圆环形转子本体，所述转子本体绕其位于中心的旋转轴转动，所述转子本体内设有一中空部，所述中空部内放置有至少一个阻尼块，所述阻尼块与所述转子本体通过弹性连接器连接，所述中空部内充满阻尼液。本发明的有益效果主要体现在：通过阻尼块及阻尼液体的设置，可以在转子的内部给转子自身的扭摆振动提供阻尼。据此，由于各种不平衡引起的血泵转子的振动就会大大减少，从而减少磁悬浮系统的发热，减少血泵转子与定子刮擦，大大降低磁悬浮失效的可能性，进而提高了人工心脏系统的可靠性和舒适度。

Description

一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子及制备方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种植入式人工器官制造技术，尤其涉及一种使用磁悬浮技术的人工心脏血泵的转子。本发明还涉及了转子的动力学领域，尤其是转子可能发生共振的情况下对振动的抑制。

背景技术

人工心脏的快速发展主要得益于其主要部件血泵的迅猛发展，如今，磁悬浮血泵已经成为了新一代人工心脏中的一种重要技术。为了达到置入性要求，通常对人工心脏的磁悬浮磁路进行非常细致的优化。血泵通过磁悬浮系统使叶轮悬浮，叶轮直接永磁化，血泵的定子内置入永磁线圈，通过磁化的叶轮与定子或泵壳之间轴向和径向磁场相互作用，使得叶轮悬浮于泵壳中间，驱动系统驱动叶轮旋转。随着技术的发展，悬浮叶轮可以直接作为马达的转子，马达直接通过磁力的变化驱动悬浮的叶轮转动来推动血液流动。

一般来说，人工心脏中的磁悬浮、电机磁路会互相耦合，血泵转子的磁平衡、动平衡误差无法做到零。由于上述不平衡问题，那么血泵转子转动时将受到与转子转速的某次谐波相对应的干扰。

血泵转子在扭摆方向上往往是被动悬浮的，存在一个谐振频率。当前面所述的干扰的频率接近或者等于转子的谐振频率时，转子将会产生剧烈的共振，大大增加磁悬浮系统的发热，增加转子与定子刮擦甚至磁悬浮失效的可能性，从而降低了人工心脏系统的可靠性和舒适度。

发明内容

本发明的目的是提供一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：

一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，包括通过磁悬浮系统悬浮于血泵中间的圆环形转子本体，所述转子本体绕其位于中心的旋转轴转动，所述转子本体内设有一中空部，所述中空部内放置有至少一个阻尼块，所述阻尼块与所述转子本体通过弹性连接器连接，所述中空部内充满阻尼液。

优选的，所述中空部为轴向贯穿于转子本体，所述转子本体的两个轴向端面外分别固定有一个端盖。这样制备中空部及比较方便。

优选的，所述中空部为圆环形或球形。

优选的，所述阻尼块的外周面为曲面。

优选的，所述阻尼块的轴向和径向上分别开设有至少一个阻尼通孔。这样就更能通过计算更精确地控制阻尼块的阻尼系数。

优选的，所述阻尼块的轴向和径向上的阻尼通孔相互贯通。

优选的，所述弹性连接器为弹簧丝，一端连接于阻尼块，另一端连接于转子本体的中空部的临近于旋转轴的第一侧面。

优选的，所述转子本体及阻尼块与阻尼液的接触表面的粗糙度大于转子本体最外周的表面粗糙度。

优选的，所述转子本体的中空部的远离于旋转轴的第二侧面、或阻尼块外表面、或阻尼通孔表面的其一或所有表面为波纹状或螺纹状。

优选的，所述阻尼液的粘滞系数大于水的粘滞系数且小于机油的粘滞系数，所述阻尼孔的直径与阻尼液的粘滞系数及转子本体的共振频率成正比。

本发明还揭示了一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子的制备方法，包括如下步骤：

1)根据转子高度、直径尺寸通过机加工加工出转子本体，得到转子本体的质量；

2)根据公式

计算得出转子的进动频率；

3)根据公式

计算得出转子的进动扭转角；

4)根据公式计算得到转子的初始阻尼；

5)根据转子本体的谐振振幅的倍数得到需要调整的转子的阻尼比；

6)根据公式调整并得到阻尼块及转子中空部的总阻尼表面积和阻尼液的阻尼系数；

7)根据总阻尼表面积确定阻尼小孔的数量和相对位置，机加工完成阻尼小孔；

8)根据阻尼液的阻尼系数确定表面粗糙度，机加工完成；

9)将加工好的阻尼块放入加工好的转子的中空部中，使用端盖将转子密封，并留置灌注孔；

10)从灌注孔灌入阻尼液并使用激光焊接机进行密封。

本发明的有益效果主要体现在：通过阻尼块及阻尼液体的设置，可以在转子的内部给转子自身的扭摆振动提供阻尼。据此，由于各种不平衡引起的血泵转子的振动就会大大减少，从而减少磁悬浮系统的发热，减少血泵转子与定子刮擦，大大降低磁悬浮失效的可能性，进而提高了人工心脏系统的可靠性和舒适度。

附图说明

图1是本发明第一实施例的纵向剖示图。

图2是本发明第一实施例的横向剖示图。

图3是本发明第二实施例的纵向剖示图。

图4是本发明用于显示阻尼效果的转速与振幅关系曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，如图1至3所示，包括通过磁悬浮系统悬浮于血泵中间的圆环形转子本体1，所述转子本体1绕其中心的旋转轴2旋转，所述转子本体1沿其轴向贯穿所述转子本体1的轴向端面开设有一圆柱形中空部4，所述中空部4内设有至少1个阻尼块5，阻尼块5最佳为6-12个。

为了防止阻尼块5与中空部4的内表面即转子的外部端面5产生摩擦和抵触，所述阻尼块5的外周面51为曲面，所述阻尼块5与所述转子本体1的第一侧面12通过可以同时轴向扭摆也可以在径向拉长的弹性连接器3连接，如果确定没有径向振动，弹性连接器3则可以仅仅实现周向扭摆的功能。当然，弹性连接器3也可以与转子本体1的第二侧面11连接。弹性连接器3一般采用弹簧丝即可。

在所述中空部4内填充有能部分浸没或完全浸没阻尼块5的阻尼液6。阻尼液6的加入，当转子本体1在制备时，将一边的端盖固定好后添加阻尼液6后再对另一端面进行固定；或者也可采用本发明的方法：先使用端盖将转子密封，并留置用于灌入阻尼液的灌注孔。对于阻尼液6的选取，所述阻尼液6的粘滞系数大于水的粘滞系数且小于机油的粘滞系数；原因在于，如果阻尼特性太小，则阻尼效果也很小。如果阻尼特性太大，则阻尼块将随转子一起运动，起不到阻尼作用。由于阻尼块5在中空部4的位置关系的分布，每个阻尼块5之间的间隙之间也充满了阻尼液6，也能起到阻尼的作用。

所述阻尼块5的轴向和径向上分别开设有至少一个阻尼通孔8。具体地，所述阻尼通孔8的直径与阻尼液6的粘滞系数及转子本体1的共振频率成正比。阻尼通孔8的直径选取与阻尼液6的粘滞系数和转子本体1的轴向尺寸、转子的共振频率有关。轴向共振频率越高，阻尼液6的阻尼系数越高，阻尼通孔8的直径越大。轴向尺寸越大，阻尼通孔8的直径越大。当然，阻尼通孔8的数量可以根据需要而定。所述阻尼通孔8为直线形或曲线形，阻尼通孔8内充满了阻尼液6。以上这些结果都由后续的计算公式进行推导而来。

所述转子本体1的第二侧面11、阻尼块5外表面及阻尼通孔8的表面，称为阻尼表面。为了增大阻尼系数，阻尼表面均形成有具有一定粗糙度的波纹状或螺纹状。

当然，为了改善阻尼特性，如图3所示，本发明的又一实施例，中空部4为球形面，或者也可以其他形状。中空部4内充满了阻尼液6。其中的阻尼块5的外表面51为曲面。

本发明的血泵转子工作时，转子本体1在绕旋转轴2旋转时，如果转子本体1平稳旋转，则转子本体1中的阻尼块5、阻尼液体6、以及弹性连接器3最终都将与转子本体1一同转动，它们之间的相对速度为零，整体的运动情况与实心转子相同。

当转子本体11在受到了与转速成某次谐波的扰动力的影响，且发生共振时，转子本体11将会有3种行为：A.转子本体11沿转轴2做轴向振动，B.转子本体1的转轴发生偏转，发生扭摆振动，C.转子本体1产生径向振动。

具体地，如图1所示的转子，在发生上述振动时其特性与实心转子不同。发生扭摆或者周向振动时，由于惯性和陀螺效应，阻尼块5倾向于保持原来的状态不变。这时，弹性连接器3发生形变，转子本体1与阻尼块5的轴向间隙发生改变。此时，阻尼液6必须通过此轴向间隙或者阻尼通孔8流动。流动过程中由于阻尼液6的粘滞特性和阻尼表面引起的湍流，整个转子的振动能量将被损耗。这样，转子在此转速上的尖锐谐振峰将会消失，因此转子可以在原来的谐振区间内正常工作。

发生径向振动时，由于惯性，阻尼块5倾向于保持原来的状态不变。这时，弹性连接器3发生形变，表现为长度发生变化，因此转子本体1与阻尼块5的径向间隙发生改变。此时，阻尼液6必须通过此径向间隙或者阻尼通孔8流动。流动过程中由于阻尼液6的粘滞特性和阻尼表面引起的湍流，整个转子的振动能量将被损耗。这样，转子在此转速上的尖锐谐振峰将会消失，因此转子可以在原来的谐振区间内正常工作。

下面通过具体的数据验证本发明磁悬浮转子的效果。

一、磁悬浮转子的进动与扭转：

当转子受到垂直与转子旋转方向的外力矩时，转子角动量的方向会改变。满足下式

${\mathrm{\ω}}_p=\frac{T}{I_s{\mathrm{\ω}}_s}---\left(1\right)$

ω_p  进动频率

T    作用力矩

I_s   转子轴向角动量

ω_s  转子角速度

磁悬浮支撑转子时，与转子扭摆振动有关的参数是扭转刚度k_m。假设转子扭转角度为θ，则产生的力矩为

T＝k_mθ         (2)

结合(1)，得到转子的进动频率与扭转角的关系

${\mathrm{\ω}}_p=\frac{k_m}{I_s{\mathrm{\ω}}_s}\mathrm{\θ}---\left(3\right)$

二、磁悬浮转子进动谐振：

(3)式是稳定的进动的情况。实际情况中，转子会按照某一频率做进动振动。其振动由欧拉方程描述

I_sθ_x″＝-k_mθ_x-B_mθ′_x-Hθ_y′

I_sθ_y″＝-k_mθ_y-B_mθ′_y+Hθ_x′(4)

其中

B_m轴向阻尼(本专利所处理的关键参数)

H＝I_sω_s轴向角动量

其分量方程可写成

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_x\\ {\mathrm{\θ}}_y\\ {\mathrm{\θ}}_x^{\′}\\ {\mathrm{\θ}}_y^{\′}\end{array}\right)}^{\′}=\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ -k_m/I_s& 0& -B_m/I_s& -H/I_s\\ 0& -k_m/I_s& H/I_s& -B_m/I_s\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_x\\ {\mathrm{\θ}}_y\\ {\mathrm{\θ}}_x^{\′}\\ {\mathrm{\θ}}_y^{\′}\end{array}\right)$ (5)

$=\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ -a_r& 0& -b_r& -c_r\\ 0& -a_r& c_r& -b_r\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_x\\ {\mathrm{\θ}}_y\\ {\mathrm{\θ}}_x^{\′}\\ {\mathrm{\θ}}_y^{\′}\end{array}\right)$

这个方程有两个不同的特征值

${\mathrm{\λ}}_p=\frac{1}{2}[-b_r+{\mathrm{ic}}_r+\sqrt{{b_r}^2-{c_r}^2-4a_r-2{\mathrm{ib}}_r{c}_r}]$ (6)

${\mathrm{\λ}}_n=\frac{1}{2}[-b_r+{\mathrm{ic}}_r-\sqrt{{b_r}^2-{c_r}^2-4a_r-2{\mathrm{ib}}_r{c}_r}]$

因此其进动与章动频率可以求得为

${\mathrm{\ω}}_p=\left|{\mathrm{\λ}}_p\right|,{\mathrm{\ζ}}_p=-\frac{\mathrm{Re}\left({\mathrm{\λ}}_p\right)}{{\mathrm{\ω}}_p}$ (7)

${\mathrm{\ω}}_n=\left|{\mathrm{\λ}}_n\right|,{\mathrm{\ζ}}_n=-\frac{\mathrm{Re}\left({\mathrm{\λ}}_n\right)}{{\mathrm{\ω}}_n}$

我们对一个转子实例进行了计算。该转子的参数为：

转子高度	14.5	毫米
			转子直径	25	毫米
转子质量	100	克
			倾斜刚度	5.6956	N-m/rad
倾斜阻尼	7.25e-6	N-m-s/rad
			进动临界转速	1566	RPM

根据(7)式，可以得到，当转子的转速上升时，其进动频率下降。当转子的转速等于进动频率时，转子即会发生谐振。这个频率也成为转子的临界频率。进动谐振的幅度与转子的阻尼特性有关。

三、磁悬浮转子的进动谐振的阻尼

设本专利所述转子的阻尼块5的转动惯量为I₅，除去阻尼快5和阻尼液6后的转动惯量为I₁，忽略阻尼液6的质量。合理选择阻尼液6的值，可以调整整个转子的阻尼系数。阻尼比，即单位角速度下受到的阻尼力矩可表示为

$\frac{T}{{\mathrm{\ω}}_p}=\∫\mathrm{\μ}{\mathrm{gr}}^2\mathrm{dS}---\left(8\right)$

其中μ为阻尼液6的粘滞系数，g为阻尼液6所占据的间隙(阻尼间隙)，r为阻尼液6所处的半径，S为阻尼块5与液体的接触面积。通常情况下，只有转子的外部液体(血液)提供阻尼。在本专利方案中，阻尼液6的粘滞系数μ、阻尼间隙g、尤其是阻尼工作面积S可以大大提高。仅仅通过在阻尼块5上设置阻尼通孔8，就可以将阻尼比提高10倍以上。这意味着在其他参数不变的情况下，转子的振幅将被衰减到原来的1/10左右。

图4所示为本发明的具体效果示例，表明转子每旋转一周受到两次干扰。因此，在转速提高的过程中，首先是转速的2次谐波引起谐振，然后是转速的1次谐波引起谐振，一共有两个临界频率。通过本发明的自阻尼抑制振动的方法，将阻尼比提高10倍，以第一个谐振峰为例，发现振幅减小到了大约是原来的1/10。

本发明的效果体现在：通过在磁悬浮转子内部增加阻尼块和阻尼液，可以增大转子扭摆振动的阻尼系数，减小同样情况下的振幅，提高磁悬浮转子的稳定性和可靠性。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，包括通过磁悬浮系统悬浮于血泵中间的圆环形转子本体，所述转子本体绕其位于中心的旋转轴转动，其特征在于：所述转子本体内设有一中空部，所述中空部内放置有至少一个阻尼块，所述阻尼块与所述转子本体通过弹性连接器连接，所述中空部内充满阻尼液。

2.根据权利要求1所述一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，其特征在于：所述中空部为轴向贯穿于转子本体，所述转子本体的两个轴向端面外分别通过一个端盖固定密封。

3.根据权利要求1所述一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，其特征在于：所述中空部为圆环形或球形。

4.根据权利要求1所述一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，其特征在于：所述阻尼块的外周面为曲面。

5.根据权利要求1所述一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，其特征在于：所述阻尼块的轴向和径向上分别开设有至少一阻尼通孔。

6.根据权利要求5所述一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，其特征在于：所述阻尼块的轴向和径向上的阻尼通孔相互贯通。

7.根据权利要求1所述一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，其特征在于：所述弹性连接器为弹簧丝，一端连接于阻尼块，另一端连接于转子本体的中空部的临近于旋转轴的第一侧面。

8.根据权利要求1所述一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，其特征在于：所述转子本体及阻尼块与阻尼液的接触表面的粗糙度大于转子本体最外周的表面粗糙度。

9.根据权利要求8所述一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，其特征在于：所述转子本体的中空部的远离于旋转轴的第二侧面、或阻尼块外表面、或阻尼通孔表面的其一或所有表面为波纹状或螺纹状。

10.根据权利要求1所述一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子，其特征在于：所述阻尼液的粘滞系数大于水的粘滞系数且小于机油的粘滞系数，所述阻尼孔的直径与阻尼液的粘滞系数及转子本体的共振频率成正比。

11.一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，

1)根据转子高度、直径尺寸通过机加工加工出转子本体，得到转子本体的质量；

2)根据公式

计算得出转子的进动频率；

3)根据公式

计算得出转子的进动扭转角；

4)根据公式

计算得到转子的初始阻尼；

5)根据转子本体的谐振振幅的倍数得到需要调整的转子的阻尼比；

6)根据公式调整并得到阻尼块及转子中空部的总阻尼表面积和阻尼液的阻尼系数；

7)根据总阻尼表面积确定阻尼小孔的数量和相对位置，机加工完成阻尼小孔；

8)根据阻尼液的阻尼系数确定表面粗糙度，机加工完成；

9)将加工好的阻尼块放入加工好的转子的中空部中，使用端盖将转子密封，并留置灌注孔；

10)从灌注孔灌入阻尼液并使用激光焊接机进行密封。

Images