CN104307063A - 一种磁阻悬浮离心式装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医学工程技术领域，涉及一种人工心脏辅助装置，尤其是一种磁阻悬浮离心式装置。所述装置包括磁悬浮定子（1），磁悬浮转子（2），间隙（3）三部分，左径向磁化永磁阵列（11）和右径向磁化永磁阵列（14）均呈圆环状，嵌套在磁悬浮定子（1）内壁左右两侧，左线圈绕组（12）和右线圈绕组（13），位于磁悬浮定子（1）内侧居中位置，左径向磁化永磁环（21）和右径向磁化永磁环（23）固定在转轴（20）的左右两侧，电机转子铁芯叶片（22）固定在转轴（20）的中间，呈弯齿状，由硅钢片叠加而成。它有效解决了第三代人工心脏辅助装置体积大、功耗高的问题，具有结构简单、控制灵活、可靠性高等优点。

Description

一种磁阻悬浮离心式装置

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，涉及一种人工心脏辅助装置，尤其是一种磁阻悬浮离心式装置。

背景技术

心脏是人体血液循环的动力源，心血管疾病已成为医学界关注的热点，心脏移植是治疗重危心脏病患者的重要途径，然而心脏需求量远远超过了供给量，人工心脏辅助装置产生了。第一代人工心脏辅助装置利用机械或电磁驱动产生周期性的容积变化，模拟心脏的跳动，其体积大、结构复杂、寿命短；第二代人工心脏辅助装置采用机械轴承支承高速旋转的叶轮，因摩擦造成血液磨损、发热，诱发溶血、血栓等问题，严重制约人工心脏的发展；第三代人工心脏辅助装置采用非接触磁悬浮技术，通过非接触磁力的作用实现叶轮的旋转，从而驱动血液流动，然而根据英国科学家Earnshaw的理论，全依靠永磁体是无法实现五自由度稳定悬浮的，为保持系统的稳定性，需要进行电磁控制，因此这一代人工心脏辅助装置基本包括：传感器、控制器、电磁铁、驱动叶轮，机械结构等，其体积偏大、发热和能耗较高。

采用磁悬浮控制技术，可以实现无接触支承，完全取代机械式轴承，但如果仅仅是为了取代人工心脏辅助装置中的机械轴承，加之电机部分，那么其体积是不可能小的，也就无法移入人体使用。随着科学技术的发展和进步，小功率电机技术日益成熟，特别是开关磁阻电机具有结构简单坚固，启动电流小，效率高功耗小，可靠性高，调速性能优异等优点，引起了人们的日益关注，已成功应用于电动车驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域，而无轴承开关磁阻电机也成为学术界研究的热点之一。

发明内容

为了解决第三代人工心脏辅助装置体积偏大、发热和能耗较高、可靠性差的问题，综合应用磁悬浮控制技术、无轴承开关磁阻电机技术，本发明提出一种磁阻悬浮离心式装置，采用对称分布的永磁结构，实现无接触悬浮，降低了控制系统的功耗，具有体积小、结构简单、使用使命长等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种磁阻悬浮离心式装置，所述装置可置于人体中，包括磁悬浮定子，磁悬浮转子，间隙，所述磁悬浮定子由定子外壳，左径向磁化永磁阵列，左线圈绕组，右线圈绕组，右径向磁化永磁阵列，液体输入口，液体输出口，凹形口，电机定子铁芯组成，左径向磁化永磁阵列和右径向磁化永磁阵列均呈圆环状，嵌套在磁悬浮定子内壁左右两侧，左线圈绕组和右线圈绕组，缠绕在磁悬浮定子内侧居中位置的电机定子铁芯上，液体输入口在磁悬浮定子左右两侧偏下位置，液体输出口在磁悬浮定子上侧居中位置，所述磁悬浮转子由转轴，左径向磁化永磁环，电机转子铁芯叶片，右径向磁化永磁环组成，左径向磁化永磁环和右径向磁化永磁环固定在转轴的左右两侧，且相对于转轴末端的距离可以调节，电机转子铁芯叶片固定在转轴的中间，呈弯齿状，由硅钢片叠加而成。

作为本发明的一种改进，左径向磁化永磁阵列，右径向磁化永磁阵列，左径向磁化永磁环，右径向磁化永磁环均呈圆环形，均由一个径向充磁的圆环构成或由多个长条状的永磁体拼成圆环状，所述左径向磁化永磁阵列与左径向磁化永磁环产生轴向和径向的排斥力，所述右径向磁化永磁阵列与右径向磁化永磁环产生轴向和径向的排斥力，所述排斥力的合力能实现磁悬浮转子的五自由度非稳定磁悬浮。

作为本发明的一种改进，左线圈绕组和右线圈绕组均包括悬浮力绕组和电磁力绕组两部分，悬浮力绕组借助电磁吸引力，动态调节磁悬浮转子的径向位置，电磁力绕组根据“磁阻最小原理”，在磁悬浮转子上产生电磁旋转力，实现对磁悬浮转子的速度调节。

作为本发明的一种改进，电机转子铁芯叶片呈弯齿状，电机定子铁芯呈凸齿形，电机转子铁芯叶片和电机定子铁芯对应的齿数为4/6齿，或6/8齿，或8/12齿，以转轴为圆心，电机转子铁芯叶片与间隙接触的表面平行于电机定子铁芯与同一间隙接触的表面，以通过较多的磁通量，在左线圈绕组和右线圈绕组控制下，电机转子铁芯叶片具有磁力悬浮、速度调节和血液驱动三项功能，结构简单、体积小。

作为本发明的一种改进，转轴的两端呈凸尖状，在轴向调节失效情况下，顶在磁悬浮定子其中一侧的凹形口里高速旋转，可靠性高。

本发明的关键技术是低功耗下磁悬浮转子的稳定悬浮与速度调节问题。为了实现较低的系统功耗，必然要采用永磁体，永磁体之间的作用力减小控制电流的消耗，本发明采用了两组对称分布、结构尺寸和性能参数相当的永磁环，实现了磁悬浮转子轴向完全永磁悬浮、径向半永磁悬浮的状态，然而完全由永磁体构成的被动式磁力悬浮装置是不可能获得五自由度稳定平衡的，当磁悬浮转子位置发生径向偏移后，线圈绕组中的悬浮力绕组产生电磁吸引力进行动态调节，同时线圈绕组中的电磁力绕组根据“磁阻最小原理”，实现对磁悬浮转子的速度调节，并依靠智能控制算法，完成磁悬浮转子的位置估计、电磁转矩和悬浮力的解耦控制。

本发明的优点是实现了电机转子和驱动叶轮的统一，通过弯齿状硅钢片叠加而成的电机转子铁芯叶片可实现电磁悬浮、速度调节和血液驱动三项功能，其结构简单，减小了人工心脏辅助装置的体积，满足植入人体的需求。采用对称分布的永磁体结构克服磁悬浮转子的自身重力，并抑制液体流动的轴向力，减小了线圈绕组中的电流消耗，系统功耗较低。本发明所示的磁阻悬浮离心式装置，线圈绕组分为悬浮力绕组和电磁力绕组两部分，悬浮力绕组产生径向悬浮力，电磁力绕组产生电磁旋转力，径向悬浮力和电磁旋转力由2个电流单独控制。转轴两端呈凸尖状，轴向调节失效时，顶在凹形口里高速旋转，可靠性高。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为本发明一个8/12齿实施例的A-A侧视图。

图中：1 磁悬浮定子，2 磁悬浮转子，3 间隙，10 定子外壳，11 左径向磁化永磁阵列，12 左线圈绕组，13 右线圈绕组，14 右径向磁化永磁阵列，15 液体输入口，16 液体输出口，17 凹形口，18 电机定子铁芯，20 转轴，21 左径向磁化永磁环，22 电机转子铁芯叶片，23 右径向磁化永磁环。

具体实施方式

本发明主要由磁悬浮定子1，磁悬浮转子2，间隙3组成，所述磁悬浮定子1包括：定子外壳10，左径向磁化永磁阵列11，左线圈绕组12，右线圈绕组13，右径向磁化永磁阵列14，液体输入口15，液体输出口16，凹形口17，电机定子铁芯18；所述磁悬浮转子2包括：转轴20，左径向磁化永磁环21，电机转子铁芯叶片22，右径向磁化永磁环23。液体输入口15在磁悬浮定子1左右两侧偏下位置，液体输出口16在磁悬浮定子1上侧居中位置，液体通过液体输入口15进入磁悬浮装置，经电机转子铁芯叶片22的驱动，从液体输出口16流出磁悬浮装置。

左径向磁化永磁阵列11和右径向磁化永磁阵列14均呈圆环状，嵌套在磁悬浮定子1的内壁左右两侧，由径向充磁的钕铁硼永磁材料制成，左线圈绕组12和右线圈绕组13，缠绕在磁悬浮定子1内侧居中位置的电机定子铁芯18上，分别包括悬浮力绕组和电磁力绕组两部分，悬浮力绕组和电磁力绕组中的电流是独立控制的，悬浮力绕组产生径向电磁吸引力，动态调节磁悬浮转子2的径向位置，电磁力绕组根据“磁阻最小原理”，产生电磁旋转力，实现对磁悬浮转子2的速度调节，从而调节人工心脏辅助装置的输出血压和流量，满足不同患者的需求。

左径向磁化永磁环21和右径向磁化永磁环23由径向充磁的钕铁硼永磁材料制成，套在转轴20的左右两侧，且相对于转轴20末端的距离可以调节，以调节永磁力作用力的大小。电机转子铁芯叶片22固定在转轴20的中间，呈弯齿状，由硅钢片叠加而成，有驱动液体和导磁的作用，在左线圈绕组12和右线圈绕组13控制下，可实现磁力悬浮、速度调节和血液驱动三项功能，电机定子铁芯18呈凸齿形，由硅钢片叠加而成，嵌入在定子外壳10里，电机转子铁芯叶片22和电机定子铁芯18对应的齿数为4/6齿，或6/8齿，或8/12齿。转轴20的两端呈凸尖状，在轴向调节失效情况下，顶在磁悬浮定子1其中一侧的凹形口17里高速旋转，其陀螺效应仍有助于实现稳定悬浮，提高了系统可靠性。

Claims (5)

1.一种磁阻悬浮离心式装置，其特征在于：所述装置可置于人体中，包括磁悬浮定子（1），磁悬浮转子（2），间隙（3），所述磁悬浮定子（1）由定子外壳（10），左径向磁化永磁阵列（11），左线圈绕组（12），右线圈绕组（13），右径向磁化永磁阵列（14），液体输入口（15），液体输出口（16），凹形口（17），电机定子铁芯（18）组成，左径向磁化永磁阵列（11）和右径向磁化永磁阵列（14）均呈圆环状，嵌套在磁悬浮定子（1）内壁左右两侧，左线圈绕组（12）和右线圈绕组（13），缠绕在磁悬浮定子（1）内侧居中位置的电机定子铁芯（18）上，液体输入口（15）在磁悬浮定子（1）左右两侧偏下位置，液体输出口（16）在磁悬浮定子（1）上侧居中位置，所述磁悬浮转子（2）由转轴（20），左径向磁化永磁环（21），电机转子铁芯叶片（22），右径向磁化永磁环（23）组成，左径向磁化永磁环（21）和右径向磁化永磁环（23）固定在转轴（20）的左右两侧，且相对于转轴（20）末端的距离可以调节，电机转子铁芯叶片（22）固定在转轴（20）的中间，呈弯齿状。

2.根据权利要求1所述的一种磁阻悬浮离心式装置，其特征在于：左径向磁化永磁阵列（11），右径向磁化永磁阵列（14），左径向磁化永磁环（21），右径向磁化永磁环（23）均呈圆环形，均由一个径向充磁的圆环构成或由多个长条状的永磁体拼成圆环状，所述左径向磁化永磁阵列（11）与左径向磁化永磁环（21）产生轴向和径向的排斥力，所述右径向磁化永磁阵列（14）与右径向磁化永磁环（23）产生轴向和径向的排斥力，所述排斥力的合力能实现磁悬浮转子（2）的五自由度非稳定磁悬浮。

3.根据权利要求1所述的一种磁阻悬浮离心式装置，其特征在于：左线圈绕组（12）和右线圈绕组（13）均包括悬浮力绕组和电磁力绕组两部分，悬浮力绕组借助电磁吸引力，动态调节磁悬浮转子（2）的径向位置，电磁力绕组根据“磁阻最小原理”，在磁悬浮转子（2）产生电磁旋转力，实现对磁悬浮转子（2）的速度调节。

4.根据权利要求1所述的一种磁阻悬浮离心式装置，其特征在于：电机转子铁芯叶片（22）呈弯齿状，电机定子铁芯（18）呈凸齿形，电机转子铁芯叶片（22）和电机定子铁芯（18）对应的齿数为4/6齿，或6/8齿，或8/12齿，以转轴（20）为圆心，电机转子铁芯叶片（22）与间隙（3）接触的表面平行于电机定子铁芯（18）与同一间隙（3）接触的表面，以通过较多的磁通量，在左线圈绕组（12）和右线圈绕组（13）控制下，电机转子铁芯叶片（22）具有磁力悬浮、速度调节和血液驱动三项功能。

5.根据权利要求1所述的一种磁阻悬浮离心式装置，其特征在于：转轴（20）的两端呈凸尖状，在轴向调节失效情况下，顶在磁悬浮定子（1）其中一侧的凹形口（17）里高速旋转，可靠性高。