CN102500002A - 三极血泵体外磁力驱动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三极血泵体外磁力驱动系统及其控制方法，该系统包括环形支座、铁芯和绕组线圈；铁芯为三个，三个铁芯沿径向对称安装在环形支座上；绕组线圈为三套，分别绕装在三个铁芯上；三套绕组线圈分别接三组驱动电路；三极血泵体外磁力驱动系统工作时，三套绕组线圈产生交变磁场，绕组线圈与置于体内的永磁轴流血泵电磁耦合。环形支座为可调伸缩式支座。本发明的三极血泵体外磁力驱动系统及其控制方法，能克服现有血泵体外磁力驱动系统的转矩小、效率低和适应性差的缺点。

Description

三极血泵体外磁力驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种三极血泵体外磁力驱动系统及其控制方法，特别适用于人工心脏及胃肠道机器人的非接触式外磁场驱动，并且可以根据不同体形进行调整。

背景技术

外磁场驱动方式通过非接触式、远距离磁场驱动技术驱动血泵叶轮，没有任何经皮导线，避免了内外贯通，大大降低了感染的机会，极大地提高了病人的生活质量。同时，外磁场驱动系统使用电能转化为电磁场能进行驱动，不仅可以减少泵体上的接缝和磨擦部分，而且可以更有效地控制血液破坏和减少泵体中产生的热量，克服了传统驱动方式中存在的难题。在血泵外磁场驱动方面，国内外已有不少研究者进行了研究工作。

Hoshi.Hideo等设计了一种新的应用磁力轴承的离心式血泵，减少了转子与血液之间的磨损，较好地解决了血泵的溶血问题。Hilton A等则为离心式回转血泵提出了一种新型电磁驱动系统，包括嵌入永磁体的叶轮和驱动电磁体，通过定子和转子之间的吸引力实现驱动。但都还停留在概念设计阶段，还未制作出完整系统。

史保定提出一种动脉内永磁转子蜗轮泵的马鞍型体外驱动装置(专利号：01260350.3)，动脉内设有永磁转子式涡轮，在体外作为驱动定子的驱动装置是由类似于双极电动机的定子，由铁芯和导线线圈绕组组成，铁芯呈马鞍型，两端相距20-25厘米，可跨越人体胸部前后，对应于人体内升主动脉的体表位置。该想法新颖，但过于理想化，张建涛研究表明当定子与转子气隙达到60mm时，所能传递的力矩只有不到0.1Nm，因此一直未见该装置在其应用方面的发展。

谭建平提出了一种非接触式大间隙磁力驱动方法(申请号：200810030545.1)，通过安装在U型铁芯线圈产生交变磁场，驱动从动磁极旋转。这种驱动装置都与马鞍型铁芯有相似之处。

高殿荣(专利号：200820227624.7)等提出一种外磁场驱动磁悬浮可植入式锥形旋转叶轮转子血泵，该装置由在体外径向均匀分布的若干个线圈产生交变磁场来驱动锥形叶轮旋转。事实上，其未考虑到人体的身形和心脏的位置，医学研究表明心脏的位置一般人的心脏位于胸腔内两肺之间，约2/3居正中线左侧，1/3居正中线右侧，心尖向左前下方体表投影位置，相当于左侧第五肋间隙，约距正中线8厘米处。因而该装置实际上无法以心脏为圆心径向均匀分布，因而无法得到对称的驱动效果，并且多达10个线圈不便于安装，效率也很低。

从上述研究现状可知，血泵外磁场驱动是新一代血泵系统研究的重点，但是为了满足临床实践过程中对血泵长期稳定使用的要求，血泵的磁力驱动方式还需要进一步改进，以提高整个驱动装置的能量传递效率和稳定性，推动血泵大规模的临床应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的转矩小、效率低和适应性差的缺点，提供一种三极血泵体外磁力驱动系统及其控制方法。

发明的技术解决方案如下：

一种三极血泵体外磁力驱动系统，包括环形支座、铁芯和绕组线圈；铁芯为三个，三个铁芯沿径向对称安装在环形支座上；绕组线圈为三套，分别绕装在三个铁芯上；三套绕组线圈分别接三组驱动电路；三极血泵体外磁力驱动系统工作时，三套绕组线圈产生交变磁场，绕组线圈与置于体内的永磁轴流血泵电磁耦合。

环形支座上设有用于安装铁芯的铁芯座；环形支座由多段环形支座单体通过铰链连接而成。

所述的每一段环形支座单体为伸缩机构。

所述的伸缩机构包括环形齿条和环形片，环形片上设有用于环形齿条滑动的滑槽和用于与环形齿条上的凸齿啮合的啮合齿。

铰链包括第一旋转部、第二旋转部和带圆盘销钉的转轴，转轴上套装有压缩弹簧；第一旋转部与第二旋转部通过转轴连接，圆盘销钉安装在轴上圆盘销钉包括多个销钉，多个销钉均沿转轴的轴向安装，销钉沿转轴的周向均匀布置，第一旋转部和第二旋转部上都设有与所述销钉适配的销孔，且销孔的数量等于或大于销钉的数量。。

所述的圆盘销钉为两组，分设在转轴的两端，第一旋转部和第二旋转部上都设有两组与所述销钉适配的销孔。

所述的三极血泵体外磁力驱动系统还包括用于输出控制脉冲的控制器，每一组驱动电路包括一对用于电磁隔离的光耦以及一个L298N驱动芯片，L298N驱动芯片的输出端接绕组线圈；L298N驱动芯片的输入端通过光耦与控制器的脉冲输出端相接。

一种三极血泵体外磁力驱动系统的控制方法，基于前述的三极血泵体外磁力驱动系统，三极磁极上的线圈通电后能产生NNS、SSN、NSN，SSS，NNN，SNS，NSS，SNN共8种磁极状态，选择其中的三种、四种、六种或八种状态组成驱动序列以驱动永磁轴流血泵。

其中采用四组磁极状态驱动的控制方法如下：

永磁体相位角旋转在0-90°采用NNS方式驱动，90-180°采用SNN方式驱动，180-270°采用SSN方式驱动，270到360°采用NSS方式驱动。

如图1，以左边线圈为例，其他线圈类似。当P1.0高电平，P1.1低电平时，电流从P1.0进入线圈，P1.1流出线圈，在线圈顶端产生的N极。反之，若P1.0低电平，P1.1高电平，则线圈顶端产生S极。如图9，当采用四组磁极状态驱动时，将一个周期分为四段，各小段周期内从控制芯片(DSP或单片机)输出口对应的电平在三极线圈所产生的磁极依次为NNS、SNN、SSN、NSS。通过改变脉冲的周期来控制永磁体的转速，周期越短，频率越大，相应的永磁体转速也越大。

有益效果：

本发明的优点是三极磁极上的线圈通电后可产生NNS、SSN、NSN，SSS，NNN，SNS，NSS，SNN等8种磁极状态，可选择其中的三种、四种、六种、八种状态组成驱动序列，并且按照最佳驱动相位角序列切换状态。(是由图3的包络线上磁极状态切换时对应的角度构成的序列)的切换来驱动永磁体转动，以4组磁极状态为例，可选择NNS-SNN-SSN-NSS的顺序进行切换，其最佳相位角序列为(90°、180°、270°、360°)其中最佳驱动相位角可通过磁场仿真得到，具有精确、平稳和高效的驱动效果。另外，三极结构的定子电磁场与转子永磁场径向相对且按一定角度对称分布，并且可调支座根据人体外形调整铁芯相互之间的角度与人体贴紧，其中可调支座依靠铰链和伸缩机构可根据不同体形调节铁芯之间的角度和间距，使铁芯与永磁体之间的距离尽可能减小，可产生最大驱动力矩。可调支座由三节组成，两两之间用铰链连接，各节可在铰链解锁时任意旋转以调整角度，在铰链自锁时保持在固定位置。伸缩机构则通常由滑槽和销钉组成，单节支座滑到一定位置时可通过销钉来定位。

所述的永磁体磁力矩是指永磁转子在电磁体线圈产生的空间磁场中所受到的转矩。因此，决定转矩的关键因素是永磁转子处的空间磁场强度。在耦合距离、电磁参数等相同的条件下，作用磁场主要是磁场在产生转矩方向的分量，该分量主要与磁极与永磁体的角度以及极数相关。所述的W型电磁体，通过铰链作用，使得W型两边的两个磁极可以在一定的角度范围内倾斜，从而在任意磁极状态下都能产生较U型电磁体更大的作用磁场分量，从而产生较大的磁力矩。同时，通过仿真分析和实验验证，可以得出三极W型电磁体所产生磁场强度更大，同样的尺寸大小的两极U型磁体和三极磁体相比，在耦合距离30mm、电流为0.4A且其他条件不变时，仿真结果为：两极U型电磁体产生的磁力矩为2.85mT，三极W型为4.78mT；实验结果为：两极U型电磁体为3.35mT，三极W型为5.31mT。由此可知该型电磁体可以产生较大的磁力矩。

此外，实验表明该装置在驱动装置耦合距离为30mm时，能达到的最大转速为12000r/min(传统的两极驱动的参数：8000r/min)，流量为6L/min(传统的两极驱动的参数：5L/min)，压力为14.7Kpa(传统的两极驱动的参数：13.3Kpa)，通过计算公式得到驱动力矩为1.14N*mm(传统的两极驱动的参数：0.86N*mm)。与传统的两极(括号中的数值)相比，各方面的性能都得到增强。

附图说明

图1为本发明中的三极血泵体外磁力驱动系统示意图；

图2为本发明中驱动结构安装的位置示意图；

图3为ANSYS磁场仿真得到4组磁极状体驱动时的矩角特性图；

图4为沿最大包络线方式驱动的永磁体旋转示意图；

图4中，图a表示0⁰(NNS开始)时的示意图，图b表示30⁰(状态NNS)时的示意图，图c表示60⁰(状态NNS)时的示意图；

图d表示90⁰(状态SNN开始)时的示意图，图e表示120⁰(状态SNN)时的示意图，图f表示150⁰(状态SNN)时的示意图；

图g表示180⁰(状态SSN开始)时的示意图，图h表示210⁰(状态SSN)时的示意图，图i表示240⁰(状态SSN)时的示意图；

图j表示270⁰(状态NSS开始)时的示意图，图k表示300⁰(状态NSS)时的示意图，图l表示330⁰(状态NSS)时的示意图；

图5为本发明的电磁体在NNS(图a)和SNN(图b)磁极状态下的磁感应强度矢量图；

图6为本发明中驱动电路原理图；

图7为本发明中铰链结构的具体实施方式图，通过弹簧的压缩和伸长实现解锁和自锁，包括解锁(图a)和自锁(图b)状态；

图8为本发明中伸缩结构的具体实施方式图。

图9为四组磁极状态驱动时各驱动信号在一个周期内的波形图。

标号说明：1.永磁体血泵 2.铁芯 3.伸缩机构 4.铁心座 5.铰链机构 6.线圈，7.人体胸腔壁 8.三极驱动系统 9.交变磁场 10.人体心脏，11.发光二极管 12.光耦 13.L298N，11.发光二极管 12.光耦 13.L298N，14.第一旋转部 15.圆盘销钉 16.转轴 17.内六角螺钉18压缩弹簧 19.第二旋转部，20.滑槽 21限位端 22啮合齿 23齿条结构。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明驱动装置由三极径向对称分布铁芯、绕组线圈和可调支座构成，首先通过单片机控制系统，产生具有一定相位差的时序脉冲，经功率放大电路，形成交变电流通入外部电磁体线圈绕组，使其在空间中产生交变磁场，与永磁体自身产生的磁场发生耦合，实现磁力啮合传动。铁芯可由0.35mm厚的硅钢片叠置而成。本发明采用的是直流电，此处的交变电流指的是通过L298N桥式电路改变线圈电流的方向，已获得所需的磁极状态。

线圈电流脉冲频率f与永磁体转速n的关系及磁场四磁极状态的特点：

$f=\frac{n}{60};$

得出一周之内每个磁极状态下所需时间为T′，该时间即可理解为相位差(T为永磁体旋转一周的时间，即其周期)：

$T^{\′}=\frac{T}{4}=\frac{1}{4f}=\frac{15}{n};$

电流幅度在0.4A～2A(由L298N额定电流决定)，频率范围(100～200Hz)，与电流呈正相关关系，不同电流下产生的磁场强度(5mT～24mT)

铁芯由42块硅钢片组成。

对主要部件的参数作如下说明，如图1，永磁体直径D₁：16～24mm，铁芯宽度B：14～20mm，铁芯凸极高度L：20～24mm，铁芯支座外径R2：50～65mm，内径R1：40～55mm；如图7b，左旋转部宽度H₁：20～24mm，右旋转部宽度H₂：16～20mm，圆盘销钉直径D₂：18～20mm；其中一种优选值组合为：D₁：20mm，B：16mm，L：22mm，R2：64mm，R1：54mm，H₁：20mm，H₂：16mm，D₂：20mm。

实施例1：

如图1所示，驱动装置由三极径向对称分布铁芯、绕组线圈和可调支座构成。

如图2所示，驱动装置安装在人体的胸前，根据人体不同性别和体形调整张开角度和间距，以调节到适合驱动模式。

通过仿真得到如图3的4状态驱动矩角特性图，用来确定最佳驱动相位角，从图中可以看出沿最大包络线变化，永磁体相位角旋转在0-90°采用NNS方式驱动，90-180°采用SNN方式驱动，180-270°采用SSN方式驱动，270到360°采用NSS方式驱动可以达到最大的驱动能力，平均驱动力矩最大，具体永磁体旋转示意图如图4。

如图5可以看出NNS状态下的磁场强度分布矢量图，可以很清楚地看出磁场在空间的分布情况。

如图6的驱动电路原理图，主要由单片机、L298N芯片、续流回路、缓冲吸收滤波电路、隔离光耦、定子绕组组成。其中L298N芯片是并联输出，并联输出指的是L298N内部两个H桥的并联，以增大额定电流。

图7为铰链的具体实施方式为：当压缩弹簧处于压缩状态时，圆盘销钉从销孔中移出，第一旋转部与第二旋转部可以任意旋转调整张开角度；当压缩弹簧处于自然状态时，圆盘销钉插入到销孔中，则第一旋转部与第二旋转部形成自锁而不能旋转，通过设置沿径向均匀分布的6或12孔，得到一定的张开角度呈30°或15°变化。

如图8所示的伸缩结构的具体实施方式图，伸缩结构主要由齿条结构和滑槽组成，而滑槽中又有与齿条相啮合的凸出齿，以实现位置固定，齿条结构末端的凸出结构则是用于限位，防止齿条从滑槽中滑出。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (9)

1.一种三极血泵体外磁力驱动系统，其特征在于，包括环形支座、铁芯和绕组线圈；铁芯为三个，三个铁芯沿径向对称安装在环形支座上；绕组线圈为三套，分别绕装在三个铁芯上；三套绕组线圈分别接三组驱动电路；三极血泵体外磁力驱动系统工作时，三套绕组线圈产生交变磁场，绕组线圈与置于体内的永磁轴流血泵电磁耦合。

2.根据权利要求1所述的三极血泵体外磁力驱动系统，其特征在于，环形支座上设有用于安装铁芯的铁芯座；环形支座由多段环形支座单体通过铰链连接而成。

3.根据权利要求2所述的三极血泵体外磁力驱动系统，其特征在于，所述的每一段环形支座单体为伸缩机构。

4.根据权利要求3所述的三极血泵体外磁力驱动系统，其特征在于，所述的伸缩机构包括环形齿条和环形片，环形片上设有用于环形齿条滑动的滑槽和用于与环形齿条上的凸齿啮合的啮合齿。

5.根据权利要求3所述的三极血泵体外磁力驱动系统，其特征在于，铰链包括第一旋转部、第二旋转部和带圆盘销钉的转轴，转轴上套装有压缩弹簧；第一旋转部与第二旋转部通过转轴连接，圆盘销钉安装在轴上圆盘销钉包括多个销钉，多个销钉均沿转轴的轴向安装，销钉沿转轴的周向均匀布置，第一旋转部和第二旋转部上都设有与所述销钉适配的销孔，且销孔的数量等于或大于销钉的数量。。

6.根据权利要求5所述的三极血泵体外磁力驱动系统，其特征在于，所述的圆盘销钉为两组，分设在转轴的两端，第一旋转部和第二旋转部上都设有两组与所述销钉适配的销孔。

7.根据权利要求1-6任一项所述的三极血泵体外磁力驱动系统，其特征在于，还包括用于输出控制脉冲的控制器，每一组驱动电路包括一对用于电磁隔离的光耦以及一个L298N驱动芯片，L298N驱动芯片的输出端接绕组线圈；L298N驱动芯片的输入端通过光耦与控制器的脉冲输出端相接。

8.一种三极血泵体外磁力驱动系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求7所述的三极血泵体外磁力驱动系统，三极磁极上的线圈通电后能产生NNS、SSN、NSN，SSS，NNN，SNS，NSS，SNN共8种磁极状态，选择其中的三种、四种、六种或八种状态组成驱动序列以驱动永磁轴流血泵。

9.根据权利要求8所述的三极血泵体外磁力驱动系统的控制方法，其特征在于，采用四组磁极状态驱动，控制方法如下：

永磁体相位角旋转在0-90°采用NNS方式驱动，90-180°采用SNN方式驱动，180-270°采用SSN方式驱动，270到360°采用NSS方式驱动。

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