CN104258481B - 一种磁悬浮轴流式螺旋驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及人工心脏辅助装置领域，特别是涉及一种磁悬浮轴流式螺旋驱动装置。该装置包括定子（1）、转子（2）和间隙（3）三部分，定子外壳（10）内腔中间位置设有绕组线圈（12），内腔左侧设有定子左轴向磁化永磁体（11），内腔右侧设有定子右轴向磁化永磁体（13），定子（1）轴向左侧设有液体输入口（14），轴向右侧设有液体输出口（15），转子外壳（20）呈两端开口的圆筒状，内部设有螺旋驱动片（24），外壁中间位置设有转子铁芯（22），外壁左侧设有转子左轴向磁化永磁体（21），外壁右侧设有转子右轴向磁化永磁体（23）。本发明结构简单、紧凑、体积小、稳定性高，可植入体内长期使用。

Description

一种磁悬浮轴流式螺旋驱动装置
技术领域
本发明涉及人工心脏辅助装置，特别是涉及一种磁悬浮轴流式螺旋驱动装置。
背景技术
心脏辅助装置利用生物机械手段部分或完全代替心脏的泵血机能，维持全身的血液循环，最初以仿生设计、模拟心脏搏动为主，逐渐发展到以磁悬浮控制技术为主。磁悬浮心脏辅助装置能够实现转子的无接触运行，消除了机械摩擦和磨损，解决了机械式心脏辅助装置轴承处的发热严重、易磨损、对血细胞损伤大、容易形成溶血和血栓等问题，使人工心脏辅助装置应用与人体成为可能。磁悬浮心脏辅助装置分为轴流式和离心式，与离心式心脏辅助装置相比，轴流式心脏辅助装置体积小、质量轻，更适于长期置于体内，且可以减小手术创口，降低对人体负担。
目前磁悬浮轴流式心脏辅助装置多采用混合磁悬浮结构，依靠永磁体之间的作用力建立初始的工作状态，实现轴向和径向的无接触悬浮，然后通过电磁力动态调节转子的悬浮位置，实现稳态悬浮，系统电流消耗较低，但体积偏大，结构还需进一步优化。磁悬浮转子需采用前导叶轮、后导叶轮来实现液体的轴向驱动，结构复杂，不利于减小体积，而且叶轮在快速旋转的状态下，容易破坏液体细胞结构。随着科学技术的发展和进步，无轴承开关磁阻电机具有结构简单坚固，电流小，效率高，可靠性好，调速性能优异等优点，引起了人民的广泛关注和研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，采取磁悬浮控制技术、螺旋驱动技术和无轴承开关磁阻控制技术，提供一种尺寸小，结构简单的磁悬浮轴流式螺旋驱动装置，技术方案是：一种磁悬浮轴流式螺旋驱动装置，包括定子、转子和间隙，所述定子设有定子外壳，所述定子外壳内腔中间位置设有定子铁芯，所述定子铁芯轴向左侧设有呈锥形的定子左轴向磁化永磁体，轴向右侧设有呈锥形的定子右轴向磁化永磁体，所述定子铁芯上绕有绕组线圈，所述定子的轴向左侧设有液体输入口，轴向右侧设有液体输出口，所述转子设有转子外壳，所述转子外壳呈两端开口的圆筒状，内部设有螺旋驱动片，外壁中间位置设有转子铁芯，外壁左侧设有呈锥形的转子左轴向磁化永磁体，外壁右侧设有呈锥形的转子右轴向磁化永磁体。
本发明的技术方案还有：所述螺旋驱动片呈螺旋状，为液体提供轴向螺旋通道，推动液体沿轴向流动，螺旋面对液体没有切割作用，不会破坏细胞结构。
本发明的技术方案还有：所述螺旋驱动片厚度薄，重量轻，并用医用钛合金包裹，安全可靠。
本发明的技术方案还有：所述定子左轴向磁化永磁体与转子左轴向磁化永磁体，同极相对，对转子左侧施加径向斥力和向右的轴向斥力，所述定子右轴向磁化永磁体与转子右轴向磁化永磁体，同极相对，对转子右侧施加径向斥力和向左的轴向斥力，所述径向斥力的合力和轴向斥力的合力实现五自由度转子非接触悬浮。
本发明的技术方案还有：所述绕组线圈包括悬浮力绕组和电磁力绕组两部分，所述悬浮力绕组借助电磁吸引力，实现对转子径向位置的动态调节，所述电磁力绕组根据“磁阻最小原理”，在转子上产生电磁旋转力，实现对转子转速的调节。
本发明的技术方案还有：所述转子铁芯和所述定子铁芯为4/6齿结构，或6/8齿结构，或8/12齿结构。
本发明的有益技术效果是：采用永磁和电磁混合悬浮方式，建立五自由度磁悬浮状态，消除机械式接触摩擦，无需单独径向电磁轴承，电能损耗少，绕组线圈中的悬浮力绕组产生径向电磁吸力，动态调节转子的径向位置，绕组线圈中的电磁力绕组产生电磁旋转力，带动转子旋转，转子上设有螺旋驱动片，通过螺旋面驱动液体轴向流动，减小叶轮旋转对血液细胞的破坏，该装置结构简单、紧凑，体积小，控制灵活，运行可靠。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是本发明一个8/12齿结构实施例的A-A向视图。
图中：1为定子，10为定子外壳，11为定子左轴向磁化永磁体，12为绕组线圈，13为定子右轴向磁化永磁体，14为液体输入口，15为液体输出口，16为定子铁芯，2为转子，20为转子转轴，21为转子左轴向磁化永磁体，22为转子铁芯，23为转子右轴向磁化永磁体，24为螺旋驱动片，3为间隙。
具体实施方式
实施例：一种磁悬浮轴流式螺旋驱动装置。
转子2所受的轴向作用力包括：定子左轴向磁化永磁体11对转子左轴向磁化永磁体21的轴向向右的斥力，定子右轴向磁化永磁体13对转子右轴向磁化永磁体23的轴向向左的斥力，转子2所受浮力的轴向分量，转子2重力的轴向分量和驱动水流时转子2受到的轴向反作用力，这5个轴向作用力的合力实现了转子2的轴向无接触悬浮。
转子2所受的径向作用力包括：定子左轴向磁化永磁体11对转子左轴向磁化永磁体21的径向斥力，定子右轴向磁化永磁体13对转子右轴向磁化永磁体23的径向斥力，转子2所受浮力的径向分量，转子2重力的径向分量和绕组线圈12中悬浮力绕组产生的电磁吸引力。定子左轴向磁化永磁体11对转子左轴向磁化永磁体21的径向斥力、定子右轴向磁化永磁体13对转子右轴向磁化永磁体23的径向斥力和转子2所受浮力的径向分量克服转子2重力的径向分量，实现转子2在各个姿态下的径向被动磁悬浮，再通过绕组线圈12中悬浮力绕组对转子2的电磁吸引力，实现转子2径向位置的可调稳定磁悬浮。
绕组线圈12中电磁力绕组根据“磁阻最小原理”，在转子2上产生电磁旋转力，电磁旋转力的径向分量相互抵消，电磁旋转力的切向分量带动转子2旋转，从而使转子2上的螺旋驱动片24推动液体沿轴向流动。
一种磁悬浮轴流式螺旋驱动装置的工作过程：转子2在定子左轴向磁化永磁体11、转子左轴向磁化永磁体21、定子右轴向磁化永磁体13、转子右轴向磁化永磁体23及绕组线圈12中悬浮力绕组的共同作用下，实现五自由度稳定悬浮，此后液体由液体输入口14进入磁悬浮装置内，通过绕组线圈12中电磁力绕组对转子铁芯22产生的电磁旋转力，实现转子2的转动，转子2转动使螺旋驱动片24推动液体沿轴向流动，最终经液体输出口15流出磁悬浮装置，整个过程无接触式机械摩擦，医学应用副作用小。

Claims (2)

1.一种磁悬浮轴流式螺旋驱动装置，包括定子(1)、转子(2)和间隙(3)，其特征在于：所述定子(1)设有定子外壳(10)，所述定子外壳(10)内腔中间位置设有定子铁芯(16)，所述定子铁芯(16)轴向左侧设有呈锥形的定子左轴向磁化永磁体(11)，轴向右侧设有呈锥形的定子右轴向磁化永磁体(13)，所述定子铁芯(16)上绕有绕组线圈(12)，所述定子(1)的轴向左侧设有液体输入口(14)，轴向右侧设有液体输出口(15)，所述转子(2)设有转子外壳(20)，所述转子外壳(20)呈两端开口的圆筒状，内部设有螺旋驱动片(24)，外壁中间位置设有转子铁芯(22)，外壁左侧设有呈锥形的转子左轴向磁化永磁体(21)，外壁右侧设有呈锥形的转子右轴向磁化永磁体(23)；
所述螺旋驱动片(24)呈螺旋状，为液体提供轴向螺旋通道，推动液体沿轴向流动，螺旋面对液体没有切割作用，不会破坏细胞结构；
所述定子左轴向磁化永磁体(11)与转子左轴向磁化永磁体(21)同极相对，对转子(2)左侧施加径向斥力和向右的轴向斥力，所述定子右轴向磁化永磁体(13)与转子右轴向磁化永磁体(23)同极相对，对转子(2)右侧施加径向斥力和向左的轴向斥力，所述径向斥力的合力和轴向斥力的合力实现五自由度转子(2)非接触悬浮；
所述绕组线圈(12)包括悬浮力绕组和电磁力绕组两部分，所述悬浮力绕组借助电磁吸引力，实现对转子(2)径向位置的动态调节，所述电磁力绕组根据“磁阻最小原理”，在转子(2)上产生电磁旋转力，实现对转子(2)转速的调节；
所述螺旋驱动片(24)用医用钛合金包裹。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴流式螺旋驱动装置，其特征在于：所述转子铁芯(22)和所述定子铁芯(16)为4/6齿结构，或6/8齿结构，或8/12齿结构。
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