CN102397598A - 紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，尤指依靠两个永磁轴承和一个径向磁力轴承混合悬浮，径向磁力轴承与永磁电机共用定、转子的人工心脏泵，其结构是由定子组件，转子组件、前导叶轮和后导叶轮组成，其中：由第一永磁体（9）和右永磁环（14）、第二永磁铁（19）和左永磁环（18）分别组成锥形或轴向永磁轴承，实现转子轴向悬浮支承；电机定子（6）上分别缠绕转矩线圈（5）和悬浮线圈（7），并采用一定的解耦控制算法，使电机定子既产生转矩力，又产生径向悬浮支承力。本发明利用永磁力和电磁力支承转子，有血液破坏小、发热少、结构紧凑、易移植等优点，适于心脏功能衰竭、心脏病患者等，可用于短期或长期心室辅助。

Description

紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵

技术领域

本发明涉及人工心脏领域，特别是涉及一种将锥形永磁轴承或轴向永磁轴承、磁力轴承和无轴承电机应用于人工心脏领域的血泵。

背景技术

心室辅助装置是心脏病人维持生命的重要手段。随着材料、制造工艺、控制以及电子技术的不断改进和发展，人工心脏泵先后出现了气动，电动，电液压等驱动方式，所产生的血液也更接近生理心脏。目前，人工心脏泵从原理上分为搏动型和非搏动型。搏动型泵适于人体生理特点，由于有活瓣、弹性隔膜以及较大的心室容量，其体积大，不可植入，适于心脏移植病人过渡的短期治疗；非搏动型泵体积小，有利于减少血栓，便于长期携带，因此是当今人工心脏泵的主要研发方向。非搏动型又分为离心式和轴流式，尽管离心泵流量大，不需瓣膜，通过叶轮旋转而产生非搏动性血流，但其体积和质量较大；而轴流泵通过电机驱动推动叶片高速旋转，从而产生血流推动力，轴流泵一般体积小，质量轻，可长期植入体内，且手术创伤小、并发症相对较少。

申请号为200710039971.7的专利文献“磁悬浮人工心脏泵 ”中，血泵转子采用两个径向电磁轴承支承，轴向采用永磁支承以及一个独立电机驱动转子旋转，其轴向尺寸较长，功耗相对大。申请号为201110128669.5的专利文献“一种磁悬浮人工心脏泵 ”中，血泵转子采用两个径向永磁轴承支承，轴向至少设有一个轴向电磁轴承，同时采用独立电机驱动转子旋转，尺寸较大，转子组件不为整体结构，存在流场死角，易形成血栓。此外，传统人工心脏泵支承系统一般采用滚动（如陶瓷轴承）或滑动轴承，这些轴承共同点是存在摩擦，均需润滑和密封，破坏血细胞，易产生血栓。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，以克服现有技术存在的缺陷。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：由定子组件、转子组件和设有血液进出口的壳体组成。其中：定子组件装在壳体的内腔中，该定子组件包括密封套筒，装在密封套筒外壁上的第一永磁铁、第二永磁铁及位于这两个永磁铁之间的电机定子，电机定子上缠绕有转矩线圈和悬浮线圈；在密封套筒的两端内壁上装有前导叶轮和后导叶轮。转子组件位于密封套筒内，其包括支承轴和装在该支承轴两端的前导头和后导头，装在前导头和后导头上的叶轮，以及装在叶轮内壁上的右永磁环、左永磁环和位于这两个永磁环之间的电机转子永磁铁，两个永磁环的轴向位置与所述的两个永磁体保持一致。

所述的转子组件可以采用两个锥形永磁轴承和一个径向磁力轴承悬浮支承，且电机定子与径向磁力轴承定子共用定子，但为不同激励线圈；或者采用两个轴向永磁轴承和一个径向磁力轴承悬浮支承，且电机定子与径向磁力轴承定子共用定子，但为不同激励线圈。

所述的两个锥形永磁轴承，每个锥形永磁轴承可由定子组件中的一个永磁铁和对应的转子组件中的一个永磁环构成。

所述的两个轴向永磁轴承，每个轴向永磁轴承可由定子组件中的一个永磁铁和对应的转子组件中的一个永磁环构成。

所述的永磁铁为长方形、扇形或环形，且一个永磁轴承的永磁铁数量并不一定与对应的转子组件中的永磁环数量相等。

所述的径向磁力轴承可由电机转子永磁铁、支承轴、电机定子和悬浮线圈共同组成。

当所述的第一永磁铁、第二永磁铁分别采用安装于前导叶轮和后导叶轮的叶片上时，要求对应的右永磁环、左永磁环分别装在前导头和后导头的内壁上。

本发明将永磁轴承、磁力轴承和无轴承电机应用于人工心脏领域，它通过以磁力代替滚珠，避免金属面直接摩擦，因此与现有技术相比具有以下主要的优点：

（1）由于采用永磁和电磁混合悬浮轴承，所以轴承无需润滑、无机械磨损、发热少，且轴承的运转更加平稳、可靠，使用寿命长。

（2）由于采用无轴承电机来驱动并悬浮支承转子组件，所以结构紧凑，轴向尺寸短，易于植入体内。同时由于不存在机械摩擦，故无需润滑和不需要密封，可降低噪声。

（3）由于血液直接从磁悬浮轴承的间隙中流过，从而避免血液受到滚珠的挤压和剪切；因血液受到的剪切力较小，对血红细胞破坏小，使溶血机会减少。

（4）由于转子组件采用整体结构，无流场死角，不易形成血栓。

附图说明

图1为一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵（锥形永磁轴承）的装配图。

图2为一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵（轴向永磁轴承）的装配图。

图3为一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵的整体式转子组件实体示意图。

图4为一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵的受力示意图。

图5为一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵的轴向永磁轴承永磁体布置和充磁方向示意图。

图6一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵的锥形永磁轴承永磁体布置和充磁方向示意图。

图7为一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵的径向磁力轴承和电机结构示意图。

图8为图7的左视图。

图9为一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵的无轴承电机悬浮磁场和旋转磁场示意图。

图中：1.血液入口； 2.壳体； 3.密封圈；  4.密封套筒；  5.转矩线圈； 6.电机定子； 7.悬浮线圈； 8.端盖； 9.第一永磁铁； 10.后导头； 11.血液出口； 12.接线出口； 13.后导叶轮； 14.右永磁环； 15.支承轴； 16.叶轮； 17.电机转子永磁铁； 18.左永磁环； 19.第二永磁铁； 20.前导叶轮； 21.前导头。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。 

本发明提供了一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其结构如图1所示，该轴流式磁悬浮人工心脏泵由定子组件、转子组件和设有血液进出口的壳体组成，其中：定子组件包括壳体2、密封圈3、密封套筒4、电机定子6以及端盖8，且电机定子6上分别缠绕转矩线圈5和悬浮线圈7。转子组件自左向右依次由前导头21、左永磁环18、支承轴15、电机转子永磁铁17、叶轮16、右永磁环14和后导头10组成。

本实施例采用定子组件装于壳体2的内腔中，与端盖8相连接，并由密封圈3以及密封套筒4对电机定子6、转矩线圈5和悬浮线圈7进行密封，从而形成封闭腔。在密封套筒4的两端内壁上装有前导叶轮20和后导叶轮13，前导叶轮并与壳体2相连；密封套筒4的内壁与壳体2的内腔组成血液入口1，后导叶轮连接于端盖8的内壁上，端盖8的内壁与端盖8的内腔组成血液出口11。

转子组件采用两个锥形永磁轴承和一个轴向尺寸较长的径向磁力轴承悬浮支承，且电机定子与径向磁力轴承定子共用定子，但为不同激励线圈，如图1所示；或者也可采用两个轴向永磁轴承和一个轴向尺寸较长的径向磁力轴承悬浮支承，且电机定子与径向磁力轴承定子共用定子，但为不同激励线圈，如图2所示。每个锥形永磁轴承是由定子组件中的一个永磁铁和对应的转子组件中的一个永磁环构成，永磁铁不限于长方形、扇形或环形。每个轴向永磁轴承是由定子组件中的一个永磁铁和对应的转子组件中的一个永磁环构成，永磁铁不限于长方形、扇形或环形。所述的径向磁力轴承是由电机转子永磁铁17、支承轴15、电机定子6和悬浮线圈7共同组成。

转子组件组装后为整体式结构，其实体如图3所示，并将转子组件放置于密封套筒4、前导叶轮20和后导叶轮13内，无机械接触。转子组件的悬浮受力情况如图4所示：F _em为径向磁力轴承的电磁力，F _pm为永磁轴承产生的永磁力，F _x和F _z分别为F _pm在x轴和z轴的分力，在此只给出xoz平面的受力分析，yoz平面受力情况与xoz平面相同。当转子组件受到一个干扰力向左移动，左F _z增加，右F _z减小，其合力迫使转子组件回到平衡位置。同理当向右移动，左F _z减小，右F _z增加，其合力迫使转子组件向左移动，回到平衡位置。当采用轴向永磁轴承时，F _x较小。

所述前导叶轮20和后导叶轮13起增压、抑制回流和导流等作用。

本实施例中转子组件由支承轴15连接前导头21和后导头10，并在前导头21和后导头10上安装叶轮16，并要求叶轮上至少包含1片以上的叶片。叶轮16内壁上分别安装两个永磁环（右永磁环14、左永磁环18），两个永磁环的轴向位置与两个永磁体（第一永磁铁9、第二永磁铁19）保持一致，如图2所示，所述永磁环和永磁体的数量不局限于1个。利用第一永磁铁9和右永磁环14、第二永磁铁19和左永磁环18分别组成两个轴向永磁轴承（图2、图5），从而限制转子轴向移动。轴向永磁轴承永磁铁的布置和充磁方向如图5所示，永磁体磁化方向可采用径向或轴向磁化，箭头指向为N极，但要求转子和定子磁化方向相同，如转子外圆面为S极，则定子外圆面也为S极。

当第一永磁铁9、第二永磁铁19采用安装于前导叶轮20和后导叶轮13的叶片上时，要求对应的右永磁环14、左永磁环18分别装在前导头21和后导头10的内壁上，如图1所示，所述永磁环和永磁体的数量不局限于1个。此时，利用第一永磁铁9和右永磁环14、第二永磁铁19和左永磁环18分别组成两个锥形永磁轴承（图1、图6），从而实现对转子组件进行轴向悬浮支承和限制转子轴向移动，同时对径向辅助支承。锥形永磁轴承永磁铁的布置和充磁方向如图6所示，永磁体磁化方向采用径向磁化，箭头指向N极。如转子外圆面为N极，则转子内圆面要求为S极，此时定子正好与转子磁化方向相反。也可采用转子外圆为S极，转子内圆为N极。

本实施例转子组件由无轴承电机驱动旋转，叶轮16的转速根据血液所需流量和压力进行调节。电机具体实施如下：由恒定的电机转子永磁铁17产生电机气隙磁场，同时在转矩线圈5上加载一定频率（例如50Hz，该频率由转速决定）的电流，并采用转子磁场定向控制对电机的转矩力和径向悬浮力进行解耦控制，从而实现电机旋转和径向磁力轴承的稳定悬浮。

将电机转子永磁铁17装在叶轮内壁上（靠近中间位置），电机转子永磁铁17由4个一定长度（如18mm）、90度的扇形永磁体组成，且要求这4个永磁体外圆面的磁极按NSNS布置，如图7、图8及图9所示。电机转子永磁铁17、支承轴15、电机定子6和悬浮线圈7共同组成径向磁力轴承，如图7和图8所示，从而限制转子径向运动。由于整个转子组件较短，径向磁力轴承轴向尺寸较大，因此一个径向磁力轴承完全可以满足径向悬浮支承。

当电机定子6上的悬浮线圈7和转矩线圈5产生的磁场极对数相减等于±1，可利用一定的解耦控制算法，使电机定子既能产生旋转的转矩力，又能产生径向支承悬浮力。所述解耦控制算法是指通过相应的坐标旋转变换，再通过2/3变换，最终得到转矩线圈5的控制电流和悬浮线圈7的控制电流。其悬浮磁场和旋转磁场如图9所示：假设转子组件受到一个干扰力（径向力）向左运动，给左右悬浮线圈7通电流，其产生的电磁场与永磁偏置磁场在左磁极相减，在右磁极相加，因此右磁极产生的电磁力大于左边，其合力向右，因此转子将向右移动，回到平衡位置。同理向右运动时，所加电流正好相反。

所述密封套筒4和叶轮16之间有间隙，该间隙不能太大，否则悬浮支承力会太小，如取单边气隙为0.3mm，但不局限于该值。在图1和图2中，在靠近该壳体的右端处设有接线出口12，其用于相关电源及控制线的引出，并要求做一定的密封处理。

上述紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其与血液和人体接触的零件均采用医用材料（如不锈钢或钛合金）制成，且表面覆盖生物涂层（如肝素化）。

本发明提供的紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其工作过程是：利用由转矩线圈5、电机定子6以及电机转子永磁铁17组成的电机驱动叶轮16旋转，从而产生血流推动力，使血液产生推力；此时血液由血液入口1流入磁悬浮人工心脏泵，泵中血液在叶轮的推力下沿轴向经血液出口2流出，从而实现泵血功能。转子组件由两个锥形或轴向永磁轴承和一个轴向尺寸较长的径向磁力轴承悬浮支承，永磁轴承限制转子轴向移动，径向磁力轴承限制转子径向移动（由于转子组件较短，而径向磁力轴承具有一定的长度，因此一个径向磁力轴承完全可以实现全径向悬浮支承），从而实现转子组件的5自由度全悬浮。

本发明提供的上述紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其利用永磁力和电磁力支承转子，有血液破坏小、发热少、结构紧凑、易移植等优点，适于心脏功能衰竭、心脏病患者等，可用于短期或长期心室辅助。

Claims (7)

1.一种紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其特征是由定子组件、转子组件和设有血液进出口的壳体组成，其中：定子组件装在壳体（2）的内腔中，该定子组件包括密封套筒（4），装在密封套筒（4）外壁上的第一永磁铁（9）、第二永磁铁（19）及位于这两个永磁铁之间的电机定子（6），电机定子（6）上缠绕有转矩线圈（5）和悬浮线圈（7）；在密封套筒（4）的两端内壁上装有前导叶轮（20）和后导叶轮（13）；转子组件位于密封套筒（4）内，其包括支承轴（15）和装在该支承轴两端的前导头（21）和后导头（10），装在前导头（21）和后导头（10）上的叶轮（16），以及装在叶轮内壁上的右永磁环（14）、左永磁环（18）和位于这两个永磁环之间的电机转子永磁铁（17），两个永磁环的轴向位置与所述的两个永磁体保持一致。

2.根据权利要求1所述的紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其特征是：转子组件采用两个锥形永磁轴承和一个径向磁力轴承悬浮支承，且电机定子与径向磁力轴承定子共用定子，但为不同激励线圈；或者采用两个轴向永磁轴承和一个径向磁力轴承悬浮支承，且电机定子与径向磁力轴承定子共用定子，但为不同激励线圈。

3.根据权利要求2所述的紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其特征是所述的两个锥形永磁轴承，每个锥形永磁轴承是由定子组件中的一个永磁铁和对应的转子组件中的一个永磁环构成。

4.根据权利要求2所述的紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其特征是所述的两个轴向永磁轴承，每个轴向永磁轴承是由定子组件中的一个永磁铁和对应的转子组件中的一个永磁环构成。

5.根据权利要求3或4所述的紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其特征是所述的永磁铁为长方形、扇形或环形。

6.根据权利要求2所述的紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其特征是所述的径向磁力轴承是由电机转子永磁铁（17）、支承轴（15）、电机定子（6）和悬浮线圈（7）共同组成。

7.根据权利要求1所述的紧凑型轴流式磁悬浮人工心脏泵，其特征是当第一永磁铁（9）、第二永磁铁（19）分别采用安装于前导叶轮（20）和后导叶轮（13）的叶片上时，要求对应的右永磁环（14）、左永磁环（18）分别装在前导头（21）和后导头（10）的内壁上。

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